激光诱导等离子体羽流对亚大气压下光纤激光焊接熔深影响的研究学术报告

作者及发表信息
本研究由上海交通大学材料科学与工程学院”材料激光加工与改性上海市重点实验室”的Qintao Chen、Xinhua Tang（通讯作者）、Fenggui Lu、Yan Luo及Haichao Cui合作完成，成果发表于《International Journal of Advanced Manufacturing Technology》（2015年，卷78，页331-339），DOI编号10.1007/s00170-014-6634-5。

学术背景
科学领域与问题提出
该研究属于高功率激光焊接领域，聚焦于亚大气压环境下等离子体羽流（plasma plume）对熔深（penetration depth）的影响机制。随着高功率光纤激光器（功率达10 kW）的普及，激光焊接中金属蒸气电离形成的等离子体羽流会通过吸收和折射效应显著削弱激光能量传输，导致熔深降低。传统研究多关注10 kPa以下的真空环境，但对10–101 kPa压力区间的等离子体动态行为及其临界转变压力（critical pressure, pcr）缺乏系统分析。

研究目标
1. 确定等离子体羽流形态与熔深关系的临界压力阈值pcr；
2. 通过图像处理量化等离子体羽流的灰度值（gray level）与空间尺寸（spatial size）变化；
3. 揭示亚大气压下等离子体对激光能量的衰减机制（attenuation effect）。

研究流程与方法
实验设计
1. 设备配置
- 采用10 kW连续波光纤激光器（波长1.07 μm，光斑直径600 μm），激光头倾斜7°以避免反射损伤。
- 定制真空舱通过旋片式真空泵（抽速70 L/s）实现3–101 kPa压力调控。
- 高速摄像机（1000 fps）记录等离子体羽流动态图像，配合MATLAB进行图像处理。

1. 材料与参数

   • 试样为40 mm厚16Mn低合金钢板，初始温度25°C。
     
   • 固定参数：焊接速度1 m/min，激光功率8 kW；变量为环境压力（3/10/20/35/101 kPa）。
     

2. 图像处理流程

   • RGB转灰度：按公式Gray = R×0.299 + G×0.587 + B×0.114转换。
     
   • 滤波与形态学处理：中值滤波降噪，开闭运算消除飞溅伪影。
     
   • 特征提取：
     
     • 总灰度值（G）：表征等离子体密度；
       
     • 羽流长度（L）与半径（R）：通过最大亮度区域界定内部羽流（internal plume）尺寸。
       

数据分析方法
- 统计500帧图像的G、L、R均值及标准差，评估羽流稳定性。
- 基于Lambert-Beer定律（公式2）和折射角公式（公式5）量化吸收与折射效应。

主要结果
1. 临界压力阈值pcr的发现
- 压力降至10–20 kPa时，熔深出现陡增（图4）。例如，3 kPa下熔深达101 kPa时的2倍（53.1 mm² vs 38.3 mm²焊缝截面积）。
- 等离子体羽流在pcr范围内剧烈收缩：10 kPa时总灰度值（G）较35 kPa下降76.9%，羽流长度（L）减少73.0%（表1）。

1. 等离子体动态行为

   • 空间尺寸变化：低压下L/R比值降低（10 kPa时为1.09，35 kPa为1.76），表明羽流形态趋于紧凑（图5）。
     
   • 稳定性提升：10 kPa下G和L的标准偏差（δG=3.02×10⁴，δL=3.82像素）显著低于35 kPa（δG=6.41×10⁴，δL=20.80像素），显示焊接过程更稳定（图6）。
     

2. 能量衰减机制

   • 吸收减弱：电子密度（ne）随压力降低呈数量级下降（公式6），导致逆韧致辐射吸收（inverse bremsstrahlung absorption）减少。
     
   • 折射效应抑制：10 kPa下激光偏转角（θ）较常压减小16.5倍，能量集中度提升（公式5）。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次明确10–20 kPa为等离子体羽流影响熔深的临界压力区间，填补了亚大气压焊接理论的空白。
- 提出通过图像处理量化羽流特征参数（G、L、R）的方法，为激光-等离子体相互作用研究提供新工具。

1. 应用价值
   
   • 为航空航天厚板焊接提供工艺优化方向：在pcr以下压力可稳定获得深窄焊缝（深度/宽度比提升）。
     
   • 自主研发的移动式真空舱设计（见作者前期研究[10]）解决了大工件局部低压焊接的密封难题。
     

研究亮点
1. 创新性发现：临界压力pcr的界定及其对熔深的非线性影响。
2. 方法创新：结合高速摄像与形态学算法（morphological processing），实现等离子体内部/外部羽流的精准分离分析。
3. 工程指导性：揭示了低压环境下Fresnel吸收（Fresnel absorption）主导能量传递的机制，为高功率激光焊接参数优化提供理论依据。

其他发现
- 3 kPa时等离子体羽流几乎消失，仅存微弱电离金属蒸气（”绿光”现象），此时激光能量利用率最高（图3）。
- 焊缝截面形貌从常压的”钉头状”（nail-head）转变为低压的平行深窄结构（图4），证实等离子体控制对焊缝质量的关键作用。

（注：文献引用部分已按学术规范简略处理，实际报告中需完整列出。）