摘要：在激光束焊接金属的过程中，在工件表面上方产生工艺辐射，入射激光束穿过工件表面。工艺辐射的一部分是从热金属气相中产生的颗粒，这些颗粒聚集形成较大的链，直到它们完全冷却下来。根据这种材料辐射的化学成分和大小，光波被反射，在不同程度上被吸收或散射。Mie理论全面地描

导读

在激光束焊接金属的过程中，在工件表面上方产生工艺辐射，入射激光束穿过工件表面。工艺辐射的一部分是从热金属气相中产生的颗粒，这些颗粒聚集形成较大的链，直到它们完全冷却下来。根据这种材料辐射的化学成分和大小，光波被反射，在不同程度上被吸收或散射。Mie理论全面地描述了颗粒的散射和吸收行为，并且基本上涵盖了在激光束焊接期间产生的焊接烟羽，并有一些假设。为了更详细地说明这些假设，本研究分析了在激光光束路径中沉积在玻璃载体上的纳米颗粒。2在扫描电子显微镜下，沉积物显示出棱柱和八面体结构，在真空中并且因此具有减少的氧含量，小孔的排放量减少，并且在羽流中收集的颗粒被识别为包含Cr、Cu、Fe、Mn和Ni的固溶体bcc型颗粒。然而，在1000毫巴的气氛中，形成具有与尖晶石型NiCr 2 O 4和NiFe 2 O 4相容的衍射图案的复合固溶体相。

主要图表

图1.a）在聚焦平面中具有强度分布的6000 W下的分析激光束B）用于在具有可变高度z的玻璃载体上的颗粒沉积的实验装置。

图2.在距离工艺10 mm的高度和a）-B）10 mbar c）-d）100 mbar e）-f）1000 mbar下，在玻璃载体上的点焊和相应沉积的示例。

图3.a）在10毫巴的工作压力下，在10 mm的工艺高度下，玻璃载体上的沉积物的SEM图像，B），具有相应的全景图像c）和距离激光轴中心1.9 mm的存款的特写。

图4.在工作压力为10 mbar，加工距离为40 mm，a）距离激光轴中心2.5 mm和B）距离激光轴中心3.3 mm的条件下，激光器载体上沉积物的SEM图像。

图5.在100 mbar的工作压力和距离中心2.5 mm以及a）10 mm B）20 mm工艺高度下，玻璃载体上沉积物的SEM图像。

图6.在1000 mbar的工作压力和距离中心2.5 mm以及a）10 mm B）20 mm工艺高度下，玻璃载体上沉积物的SEM图像。

图7.在a）10 mbar B）100 mbar c）1000 mbar工作压力下，产生的焊点旁边的颗粒沉积物。

图8.在a）10 mbar、B）100 mbar和c）1000 mbar下样品的颗粒团聚体的典型STEM图像。

图9.在a）10 mbar、B）100 mbar和c）1000 mbar下激光束焊接获得的样品的典型电子衍射图，其中重叠环标记a = 2.88 nm的bcc晶格反射的理想位置（更多细节见图S2-S4）。

图10.在工作压力下测量的Fe3O4上的Fe原子的理论部分（右刻度）和基于测量的沉积物化学成分的总Fe3O4（左刻度）。

主要结论

研究表明，金属蒸气羽流的形状、结构和化学成分非常复杂，并随工作压力的变化而沿轴向和径向变化。热金属蒸气羽流在10 mbar时达到较高，在工艺上方20 mm处仍提供光滑的涂层，同时形成含有Cr、Cu、Fe、Mn和Ni的小bcc型颗粒。相比之下，在1000毫巴下，在该过程上方10 mm处形成具有立方晶格结构的复合尖晶石型相。最初建议的纯Fe 3 O 4尖晶石的形成是非常不可能的，而是具有合金元素Cu，Cr，Fe，Mn，Ni从基础材料304（1.4301）。在100毫巴之间的工作压力形成特征性结节结构的存款，已知该特征性结节结构增加来自纳米结构化的激光辐射的吸收。在TEM分析中存在bcc型和尖晶石型颗粒的混合物。理论上的考虑表明，在大气焊接中，颗粒成分主要由约75原子%的Fe3O4颗粒组成，假设所有铁原子与氧反应，而在减压或氧含量降低时，大部分产生纯铁颗粒。然而，该理论没有考虑钢合金的其他化学元素，由此它最有可能应用于在受控真空环境中焊接纯铁。已经揭示了真空中激光束焊接过程中金属蒸气羽流中颗粒的组成、几何形状和形貌的复杂性，这将有助于未来的研究使用多波长方法确定颗粒尺寸或计算过程模拟中的散射激光。

主要信息

Characterization of particles inside the metal vapor plume during laser beam welding in atmosphere and vacuum

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来源：江苏激光联盟