激光诱导放电技术在金属加工方面的应用探究

闫鹏宇 李昌立

摘  要：随着激光加工技术在激光烧蚀、打孔及焊接等领域的发展，针对激光加工效率，品质及工艺水平的要求也愈来愈高。因此，研究人员通过使用激光诱导放电技术，尝试使用激光来诱导和控制放电产生的引燃热源，从而达到对金属材料的高效加工。文章旨在介绍激光放电技术的物理过程、特性分析，并简要介绍该技术的应用研究。

关键词：激光加工;放电技术;应用探究

中图分类号：TN249         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）05-0111-02

Abstract： With the development of laser processing technology in the fields of laser ablation， drilling and welding， the requirements for laser processing efficiency， quality and process level have become higher and higher. Therefore， by using laser-induced discharge technology， researchers have tried to use laser to induce and control the ignition heat source generated by the discharge， so as to achieve efficient processing of metal materials. The purpose of this paper is to introduce the physical process and characteristic analysis of laser discharge technology， and briefly introduce the application research of this technology.

Keywords： laser processing; discharge technology; application exploration

引言

激光与材料相互作用是激光应用的重要物理基础。金属材料受到激光作用，吸收激光能量，引起温度升高，可能产生加热、熔融、气化、喷溅甚至产生等离子体等现象。而随着激光器的不断发展，长脉冲、短脉冲和超短脉冲激光器的出现，也使得激光在焊接、切割、打孔和精细加工等领域也获得了长足的发展。针对不同脉宽的激光器，其应用领域也有所差异。在激光焊接领域中，通常采用长脉冲或连续激光作为的热源，利用其作用时間长、热积累效果明显等特点对材料实现熔融焊接;由于短脉冲激光高峰值功率特点可以有效实现小深孔烧蚀，因此常被用于实现激光切割、打孔等领域。同时短脉冲激光在烧蚀加工中减少了材料烧蚀表面熔化物的形成，从而可以有效避免由于热作用熔融所产生的孔洞扩展等不良影响，极大地提高了激光加工质量和使用激光进行微细结构加工的能力。

然而在激光焊接、切割或是打孔等加工过程中，激光与金属相互作用中仍存在着许多问题，例如高反射金属对激光吸收率很低，激光加工过程中容易产生气孔、裂纹和重铸层等缺陷。针对这些问题，研究人员提出使用激光诱导放电技术来提高激光加工的精度，性能及效率。

1 激光诱导放电过程

激光诱导放电主要应用于金属加工过程中，如图1所示入射激光经聚焦后作用于靶材表面，在距离靶材表面一定距离放置加工电极。当高能激光入射到金属靶材表面时，靶材中的自由电子受到光频电磁波的作用产生受迫振动，通过电子与晶体点阵的碰撞将多余能量转变为晶体点阵的振动，引起温升相变。由于辐照激光功率密度较高，靶材迅速气化生成大量的金属蒸汽，甚至产生等离子体羽流。当金属蒸汽或等离子体团接触到电极时，其电导率高于空气或是保护气体，在一定电压作用下，导致电极与靶材间产生放电现象。放电产生的等离子体电弧释放高温电蚀作用对放电点处的金属靶材进行加热，实现激光与诱导放电等离子体对金属靶材复合加工。

2 激光诱导放电特性分析

激光诱导放电加工的主要影响因素有：电极的位置、极性，电压大小，电流强度，激光脉宽、能量等诸多因素。为实现不同的加工工艺，对激光放电加工的参数确定也不尽相同。而在激光诱导放电加工中普遍存在以下几个优点：（1）激光诱导放电有效降低放电装置与加工金属间击穿电压阈值，可使放电电极与金属间距减小。同时降低了对放电装置性能的要求，更容易实现高频的放电加工。（2）提高放电时由电能转化为热能的效率，减少能量损失，实现对靶材的高效加工。（3）激光辐照产生的金属蒸汽及等离子体，为放电过程提供良好通道，明确电弧放电位置，实现对放电点的精准控制，同时提高放电状态的稳定性。

对于激光诱导放电过程也存在一些亟待研究的问题，在一般的激光辐照过程中，激光诱导的等离子体对激光能量的持续注入具有屏蔽作用，导致激光加工效率降低。而通过诱导放电产生的低温等离子体同样会对激光辐照产生一定的影响。激光诱导等离子体同样也会与放电等离子体相互作用。这些问题仍需要研究人员进一步的讨论研究。

3 激光诱导放电应用探究

激光诱导放电技术需要加工工件具有一定的导电性能，因此其主要应用于金属器件的加工制造领域。

在金属表面强化领域，尝试控制脉冲激光诱导放电的电流强度，段脉冲宽度以及电极位置，可以有效加深强化层的深度，抑制放电放电通道扩散，提高表面强化摩擦性能，提高强化点的疲劳寿命。

在激光焊接领域，传统焊接过程通常使用激光焊接或电弧焊，通过激光诱导放电技术，获得激光光源与放电电弧结合的复合热源，导致焊接过程中电弧收缩，增大电弧能量密度，提高能量的使用效率。对比传统焊接工艺，激光与电弧复合焊接具有更高的焊接速度、更大的焊接熔深以及更好的机械性能。

在激光打孔领域，使用激光诱导放电打孔对能量利用的利用效率要高于传统激光打孔，通过调节诱导放电脉宽可以实现对烧蚀孔的直径进行调节，随着放电脉宽的增加，激光打孔的入口和出口也随之增大，两者基本成线性关系。由于加工的孔径直径更依赖于放电参数的影响，在设计加工设备过程中可以减小对激光器性能的要求，降低成本。此外，为克服长脉冲激光打孔频率较低的问题，可以选用小能量、高频工作的窄脉冲激光进行诱导放电，实现高速打孔。

在短脉冲激光微加工领域，使用短激光脉冲与诱导放电相结合的混合加工工艺比单独的工艺更具优势。传统短脉冲激光加工时，如需要良好的表面质量，加工效率就会相应降低。而使用电火花加工可以通过材料去除效率但损失了加工精度。通过两种工艺的结合，减少了加工靶材表面毛刺和重铸现象。在保证加工精度的同时可以达到更高的材料烧蚀效率。

4 结束语

通过对激光诱导放电技术的探究，介紹了激光辐照金属靶材相变蒸发进而诱导电极放电的物理过程，对激光诱导放电的特性进行并简述了激光诱导放电技术在各种领域内的应用，使人们对激光诱导放电技术应用有了基本的了解。

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