激光作用下材料的物態變化

激光被材料吸收后基于光電效應轉化為熱能。在不同的激光功率密度下，材料的表面狀態將發生不同的變化（溫度升高、熔化、氣化并形成小孔、產生等離子體等）。材料表面狀態的變化影響材料對激光的吸收。

鋼鐵材料表面在激光作用下有幾種物態變化如下：

①固態加熱

當功率密度較低（＜10⁴W/cm²）時，金屬吸收的激光能量只能引起材料表層溫度的升高，主要用于零件的表面退火和相變硬化。

②表面熔化

當功率密度提高到10⁴~10⁵W/cm²時，材料表面熔化，熔池深度隨功率密度的增加和輻射時間的延長而增加，主要用于金屬的表面沖重熔、合金化、熔敷和熱導焊接。

③表面氣化并產生小孔和等離子體

當功率密度達到10⁶W/cm²時，材料表面在激光作用下氣化。在蒸氣反沖壓力作用下，液態表面向下凹陷形成小孔，金屬蒸氣吸收后續的激光能量而電離產生光致等李字體。這一階段等離子體的密度較低，可增強材料對激光的吸收，用于激光深熔哈你餓（或激光小孔焊接），可以獲得理想的焊縫成形。

④形成阻隔激光的等離子體

當功率密度高達10⁶~10⁷W/cm²時，表面強烈氣化，形成密度較高的等離子體，對激光束具有顯著的吸收、折射和散射作用，使進入小孔的激光比例減小，因此熔深不會隨著功率密度的增大而成比例增加。小孔出口處由于等離子體對工件表面輻射加熱，使該處的受熱范圍擴大。這一階段用于激光熔深焊接。

⑤形成周期振蕩性等離子體

當功率密度進一步提高至10⁷W/cm²時，光致等離子體的溫度和電子數密度都很高，激光對工作的輻射被完全屏蔽，工作表面的氣化和電離化過程暫時中斷，引起等離子體的周期振蕩，激光焊接變得很不穩定，必須避免。

以上功率密度范圍，是以鋼鐵材料為加熱對象進行劃分的。不同的激光波長、不同的金屬材料以及不同的工藝條件，每一階段的功率密度具體數值會有差異。材料對激光加工深度、寬度歲激光功率的變化。在不同功率密度激光的作用下，材料表面物理狀態的不同影響激光與被加工材料之間的相互作用。當激光密度小于材料的氣化閾值時，金屬對激光的反射率較大，大部分激光能量被材料表面反射，加工效率低。一旦激光功率密度超過氣化閾值，材料對激光的吸收和焊接深度都將急劇增加。當激光功率大于等離子體的屏蔽閾值，吸收率和加工效率又將降低。