在激光增材制造过程中, 光致等离子体的辐射强度、温度及电子密度对入射激光能量的传输效率及增材的成形质量、组织性能都有很大影响, 对光致等离子体进行分析具有重要意义。使用光纤光谱仪建立了同轴送粉金属直接沉积的光谱采集系统, 采用光谱诊断分析方法对不同工艺参数下的等离子体温度和电子密度进行计算, 得出激光增材制造过程中不同实验条件下, 激光功率、送粉量、扫描速度以及增材层数等参量对等离子体的辐射强度、温度及电子密度间的影响规律。通过本文的研究, 有助于理解激光增材制造过程光致等离子体形成机理及影响因素, 为实现激光增材制造过程质量自动控制打下基础。

激光双MIG（熔化极稀有气体保护)电弧复合焊具有熔深大、熔敷效率高、焊接质量好等特点，然而由于其耦合机理复杂，给应用带来了一定的困难。基于电磁场理论提出了激光与双电弧耦合机制，当激光光致等离子体中间部位的电子受到两个电弧产生的洛伦兹力和电场力相差较大时，等离子体两端的电子分布会不均匀，这使得一端电弧发生弯曲，沿焊丝轴向的促进力减小，熔滴过渡困难。当激光光致等离子体中间部位的电子受到两个电弧产生的洛伦兹力和电场力大致平衡时，电子能够比较均匀地分布在等离子体的两端，吸引稳定电弧，利于熔滴过渡。采用高速摄影系统和电信号采集系统研究激光双MIG电弧复合焊接过程，结果表明：当工艺参数不合适时，电弧发生弯曲，导致不稳定的大颗粒过渡和短路过渡；当工艺参数合适时，两个电弧根部被固定在激光光致等离子体的下部，形成稳定的射流过渡。

为了研究大功率半导体激光加工过程中, 光致等离子体对激光光束显著的屏蔽作用, 以波长为976nm、光斑尺寸为0.5mm×1mm、最大功率为4kW的半导体激光加工系统为实验基础, 采用了与实际相符的光致等离子体电子密度数学模型和几何光学ABCD矩阵算法, 从吸收和折射两方面对光致等离子体的屏蔽作用进行了理论分析和实验研究, 得到了在光致等离子体电子密度ne≤1.0×1018/cm3的条件下, 光致等离子体的折射效应才是引起半导体激光光束屏蔽的主要原因这一结果。结果表明, 光致等离子体改变了聚焦光束的形态, 使其焦点下移、光斑变大、能量密度变小, 其效果类似于一个非线性梯度折射率的负透镜。

采用Level-set方法模拟了激光深熔焊接过程中光致等离子体的动态形成过程, 研究了等离子体形态、温度、孔内压强、气体流速等行为特征。结果表明: 在2.2 ms时刻等离子体的最高温度达到4 300 K,孔内的最大压强为4×105 Pa, 等离子体在小孔径向的最大流速为60 m/s, 最大流速位于等离子体中心处且接近孔底的位置, 且等离子体沿小孔轴线方向与径向方向的流速下降。考虑等离子体对激光能量吸收比未考虑等离子体对激光能量吸收时孔内功率密度降低了12.5%。研究结果将为激光深熔焊接过程中等离子体的机理研究和模拟研究提供理论依据。

提出一种利用无源电探针探测激光焊接光致等离子体的方法。 采用光电同步采集系统对激光焊接光致等离子体进行研究， 利用无源电探针和光纤式光谱仪探测光致等离子体， 利用等离子鞘层理论分析电信号， 并运用相对光强法计算出光致等离子体的电子温度， 比较同步光电信号分析结果。 将不涂覆表面物质以及表面分别涂覆KF和TiO2三种情况下的计算结果进行对比， 对影响结果准确性的因素进行分析。 研究结果表明通过无源探针法计算等离子体温度与光谱信号计算结果基本吻合， 准确度受等离子体离子质量的影响。 无源电探针法能够反映激光焊接光致等离子体内温度变化， 具有较好的实时性， 可以作为激光等离子体监测手段。

对不同激光参数条件下脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮过程中产生的490~600 nm波段范围内的等离子体空间分辨发射光谱进行了研究。在局部热力学平衡条件下，根据测得的等离子体谱线信号的相对强度，利用Boltzmann图法和Stark展宽法分别计算得到等离子体电子温度和电子数密度值，并对激光单脉冲能量、距砂轮表面的探测距离等因素对等离子体电子温度和电子数密度的影响进行了研究。实验结果表明，激光修锐产生的等离子体电子温度和电子数密度随探测距离的增加近似呈Lorentz分布，随激光单脉冲能量的变化近似呈指数规律增长。在此基础之上，进一步计算了等离子体逆韧致吸收系数，并总结其随探测距离和激光单脉冲能量的变化规律。

采用3.5 kW Slab CO2激光焊接不锈钢, 利用高速摄像观测焊接等离子体形态, 采用光谱仪探测等离子体光谱, 并利用相对强度法计算等离子体电子温度。结果表明: 在氦气保护下, 等离子体高度随时间周期性振荡, 振荡频率约为530 Hz; 熔池表面附近等离子体的温度为8 392 K左右。进一步分析表明, 等离子体对入射激光的吸收不足10％; 等离子体周期性振荡对焊接过程稳定性影响不明显。

采用PFL-1A型激光加工送粉器和新型双层送粉喷嘴,在(Slab)CO2激光器上对一种较常用的高强度铝合金A2219进行焊接实验。研究了粉束落点相对激光光斑位置变化、送粉与焊接的相对方向对送粉时焊接过程和粉末利用率的影响。并研究了激光功率、离焦量和焊接速度的合理匹配。结合高速摄像仪和光束光斑诊断仪的观察数据对实验现象和结果进行了合理的分析,并给出优化的工艺参数区间。实验表明,只有当粉束作用在靠近熔池结晶前沿,偏离光斑后侧0.5～1　mm的区域,粉束才能有效地进入熔池;当送粉量一定时,需要相应的功率、功率密度和焊接速度匹配,粉束才能有效利用,得到理想的焊缝。通过优化工艺参数,成功获得了具有理想余高、成形良好、焊接过程稳定的焊缝。

通过采用和不采用填充合金粉末的比较试验,研究了填充合金粉末对铝合金高功率CO2激光焊接功率阈值、焊缝成形和焊接过程稳定性的影响。实验表明,合金粉末的加入可以提高焊接过程中激光能量的有效利用率;激光深熔焊接时的临界功率密度明显降低,合金粉末还可以减弱等离子体在高度方向上的膨胀跳动,使等离子体在工件表面能维持跳动幅度的相对稳定,有利于获得较为稳定的焊接过程和理想的焊缝成形,并通过试验,获得了焊缝饱满,有一定余高和鱼鳞纹光滑的焊缝。

随着激光焊接在**工业中的应用越来越广泛,焊接质量的监测和控制逐步成为一项重要的研究内容,而焊缝的熔透性控制是其中最重要的参数之一,特别对于一些密封件而言。通过对伴随激光深熔焊接所存在的光致等离子体的蓝紫光信号相对强度的监测,以判断焊缝的熔透性。利用信号监测系统,在焊接时采集光致等离子体蓝紫光的强度作为原始分析信号,通过对数据的分析和处理,以及大量的实验结果与数据分析结果的对比,寻求信号与焊缝熔透性的关系。研究结果表明,焊缝的熔透性与光致等离子体光信号的累积强度有对应关系,当焊缝全部熔透时,光信号稳定性非常好,而一旦焊缝处于未熔透或熔透性差时,光信号会产生极大的波动。