激光加工過(guò)程首先是一個(gè)熱變化過(guò)程，激光器發(fā)出的能量聚焦于很小的靶區(qū)，并將熱量傳遞給被加工的材料，激光加工過(guò)程高度依賴(lài)于材料所能吸收的能量。加工過(guò)程的效率往往是輻照度的平方或立方的函數(shù)。因而可以斷定，工件上的焦斑總能量和能量空間分布是加工過(guò)程的成功關(guān)鍵，而且 對(duì)激光束空間能量分布形狀的變形是非常敏感的。在激光焊接中，零件之間的間隙必須控制非常精準(zhǔn)，這就需要把激光束的能量始終對(duì)準(zhǔn)相同的靶區(qū)而不發(fā)生焦斑漂移。如果進(jìn)行高速焊接，不良光束結(jié)構(gòu)可以引起焊縫不良的問(wèn)題。在激光切割中，光束的質(zhì)量和聚焦能力對(duì)切口本身的質(zhì)量非常關(guān)鍵。質(zhì)量低劣的光束可以造成零件報(bào)廢或返修而增加成本。
　　1. 激光加工光束特性參數(shù)及其評(píng)價(jià)指標(biāo)
　　高功率激光加工過(guò)程中，影響激光熱加工的因素很多，對(duì)于激光束，其中主要是焦點(diǎn)功率密度、焦斑形狀、光強(qiáng)分布和焦斑漂移等，這些參數(shù)不僅與激光輸出功率有關(guān)，而且更依賴(lài)于光束模式的分布和穩(wěn)定性。
　　1.1激光加工光束特性參數(shù)
　　按照激光光束對(duì)激光加工的影響，可以把激光加工光束特性參數(shù)分成三類(lèi)：功率特性（激光功率、功率密度、連續(xù)或脈沖）、光束特性（光束模式、光束質(zhì)量、異形光束）、焦點(diǎn)特性（焦點(diǎn)大小、焦點(diǎn)位置、焦深）。
　　這些光束特性參數(shù)并不是獨(dú)立的，而是相互影響的。同樣功率的激光束，光束質(zhì)量越好，聚焦焦點(diǎn)就越小，焦點(diǎn)的功率密度就越大。同一束激光，采用短焦距聚焦鏡，可得到較小的聚焦焦點(diǎn)和較大的焦點(diǎn)功率密度，但是造成像差大，鏡片加工困難，短聚焦也容易造聚焦鏡污染。采用長(zhǎng)焦距聚焦鏡，可得到較大的焦斑和較長(zhǎng)的焦深，光斑偏移對(duì)激光加工的質(zhì)量影響相對(duì)較小。光束質(zhì)量作為光束特性中最重要的參數(shù)之一，對(duì)光束能量分布、聚焦焦點(diǎn)大小、功率密度大小等重要參數(shù)有很大影響，是評(píng)價(jià)激光制造系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，它不僅標(biāo)志了激光制造系統(tǒng)的可加工能力，還對(duì)激光材料加工過(guò)程產(chǎn)生重要的影響。
　　1.2光束質(zhì)量
　　任何旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的激光束具有三個(gè)參數(shù)特點(diǎn)：光腰位置 Z0、光束束腰半徑 ω0和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角(半角)θ0。
　　(1) 光束質(zhì)量的特征值
　　多種具有特征化的值被用于描述激光束的質(zhì)量：K因子、 光束質(zhì)量因子(M2)及光束參數(shù)積（BPP），這些特征值通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算能相互直接轉(zhuǎn)換。光束參數(shù)積是θ0和ω0的乘積，在整個(gè)激光傳輸區(qū)域守恒。例如，通過(guò)安裝透鏡或擴(kuò)束鏡來(lái)改變光束直徑，將會(huì)影響光束的發(fā)散角。因此，光束參數(shù)積用來(lái)衡量光束聚焦能力。只有在使用像差或孔徑效應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)才會(huì)影響外光路的光束參數(shù)積。
　　(2) 模式 模式是激光的光場(chǎng)分布，對(duì)于用于材料加工的高功率CO2激光而言，通?？紤]激光的橫模，記為 TEMpl，TEM 表示橫向電磁場(chǎng)，p為橫模沿輻角方向的節(jié)線(xiàn)數(shù)目、l 為橫模沿徑向的節(jié)線(xiàn)數(shù)目，當(dāng) p=l=0 時(shí)，TEM00模光場(chǎng)呈高斯分布，稱(chēng)為基模。對(duì)于圓形孔徑反射鏡諧振腔，
　　2、光束特性對(duì)焊接質(zhì)量的影響
　　2.1能量特性對(duì)焊接的影響
　　激光束的能量特性包括光束的功率與功率密度、連續(xù)/脈沖輸出和激光束的偏振等。對(duì)于激光焊接，普遍認(rèn)為，焊接深度基本上與激光功率成線(xiàn)性關(guān)系。激光焊接中，起主要作用的是激光功率密度值，這是由于不同的材料都有一個(gè)臨界功率密度閾值，只有激光焦點(diǎn)的功率密度值超過(guò)這個(gè)閾值，才能形成“小孔效應(yīng)”，獲得深熔焊接，因?yàn)榻饘俨牧蠈?duì)于波長(zhǎng)10.6微米的CO2激光束是強(qiáng)烈反射的，只有形成了小孔效應(yīng)，材料對(duì)激光束的吸收機(jī)理才能由金屬表面吸收變?yōu)樾】孜?，提高材料?duì)激光束的吸收率。目前對(duì)激光焊接的計(jì)算主要集中于溫度場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)解析解，這種方法可以獲得溫度場(chǎng)分布的近似解，隨著數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，有限元在模擬激光焊接結(jié)果的應(yīng)用上也越來(lái)越廣泛。
　　文獻(xiàn)提供了激光焊接304不銹鋼時(shí)，焊接熔深與激光功率、焊接速度的理論關(guān)系，但有關(guān)焊接材料、焦距與光束質(zhì)量對(duì)熔深的影響考慮的不夠，限制了其應(yīng)用；另外，對(duì)小孔形成機(jī)理的研究越來(lái)越深人，有關(guān)小孔的形成機(jī)理主要有兩種理論，一種認(rèn)為小孔主要靠液體金屬的蒸發(fā)而形成的，另一種認(rèn)為小孔是由于金屬蒸汽的反沖壓力形成的。采用脈沖激光焊接，由于后一個(gè)脈沖形成的小孔有可能除去前一個(gè)脈沖形成的氣孔，在適當(dāng)?shù)拿}沖參數(shù)下可減少氣孔率，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了脈沖激光焊消除氣孔的研究工作，但由于氣孔產(chǎn)生機(jī)理非常復(fù)雜，目前還未取得滿(mǎn)意的結(jié)果。
　　2.2模式特性對(duì)焊接的影響
　　光束的模式特性包括光束質(zhì)量、光束模式以及光束的橫截面能量分布。光束模式?jīng)Q定了聚焦焦點(diǎn)的能量分布，對(duì)激光加工具有重要的影響。文獻(xiàn)研究了不同光束模式對(duì)焊接質(zhì)量的影響，如圖 5所示，激光束為基模時(shí)，可以獲得最大的焊縫深度與深寬比，光束模式的階次越高，激光束的能量分布越發(fā)散，焊接質(zhì)量越差。文獻(xiàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了具有不同焦點(diǎn)光束參數(shù)積（BPP）的激光束對(duì)激光焊接質(zhì)量的影響，如圖6所示，光束的BPP值越大，光束質(zhì)量就越差，焊縫的深寬比就越小。文獻(xiàn)指出材料形成“小孔效應(yīng)”的功率密度不僅與平均功率密度有關(guān)，而主要取決于最大功率密度，對(duì)于功率一定，半徑相同的聚焦焦點(diǎn)，橫截面能量分布不同，雖然平均功率密度相同，但最大功率密度不同，焊接質(zhì)量不同。
　　2.3焦點(diǎn)特性對(duì)焊接的影響
　　光束的焦點(diǎn)特性包括焦點(diǎn)的位置、大小、焦深和發(fā)散角。激光加工中，焦點(diǎn)附近的光斑尺寸變化較大，不同的焦點(diǎn)位置將使作用在材料表面的激光功率密度變化很大，從而對(duì)焊縫質(zhì)量的影響很大。文獻(xiàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同焦點(diǎn)位置對(duì)不銹鋼焊接的焊縫形狀的影響，當(dāng)焦點(diǎn)為負(fù)離焦1～2mm時(shí)，焊接效果最好，負(fù)離焦比正離焦的焊接效果好。文獻(xiàn)采用不同焦距聚焦鏡進(jìn)行了激光焊接實(shí)驗(yàn)，如圖7所示，可見(jiàn)負(fù)離焦比正離焦更易獲得較大熔深，負(fù)離焦1mm左右熔深最大（圖中負(fù)值表示焦點(diǎn)在工件表面下方，稱(chēng)為負(fù)離焦）。文獻(xiàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)也得到了類(lèi)似的結(jié)果。Miyamoto和Arata等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)焦點(diǎn)位置的變化將引起焊縫的突變現(xiàn)象，認(rèn)為焦點(diǎn)位置的突變是由于焦點(diǎn)位置變化到一定的位置，到達(dá)工件表面的光束尺寸變大，功率密度下降，小于閾值功率密度，不能使材料表面蒸發(fā)。同時(shí)在不銹鋼上進(jìn)行了工件距透鏡距離與透鏡焦距的比值對(duì)焊縫熔深、熔寬以及焊縫截面積的影響的研究，結(jié)果表明負(fù)離焦的焊接效果好于正離焦。
　　焦斑大小和形狀影響激光焊接的焊縫寬度，而焦深主要影響焊接所應(yīng)選擇的材料厚度。在進(jìn)行激光加工時(shí)，對(duì)于某一加工深度有著一個(gè)最佳焦距fopt和最佳聚焦直徑dopt，如何匹配最佳的光束聚焦系統(tǒng)，是決定加工質(zhì)量的好壞以及激光器是否處于最佳工作狀態(tài)的重要因素，圖8給出了在一定條件下，最佳聚焦角βopt為0.05rad。而
　　圖9表明了BPP與βopt的關(guān)系，可見(jiàn)，當(dāng)加工速度一定時(shí)，隨著B(niǎo)PP值的減小，最佳聚焦角也減小，還可見(jiàn)，BPP一定時(shí)，隨著聚焦角減小，熔深增大，因此可采用較長(zhǎng)焦距的聚焦鏡，使加工條件和質(zhì)量得以改善。
　　總的來(lái)說(shuō)，有關(guān)光束特性對(duì)激光焊接質(zhì)量影響的研究已作了很多工作，但隨著激光加工的發(fā)展，一些特殊材料的應(yīng)用日益增多，有關(guān)光束特性對(duì)特殊材料焊接質(zhì)量的影響以及光束質(zhì)量與焊接質(zhì)量之間的理論關(guān)系還有待于進(jìn)一步研究。
　　3、光束質(zhì)量對(duì)激光束傳輸和聚焦特性的影響
　　利用激光作為輻射源來(lái)解決各種問(wèn)題時(shí)，通常都要使用光學(xué)系統(tǒng)對(duì)激光束進(jìn)行傳輸變換。對(duì)于面向制造工業(yè)應(yīng)用的高功率激光，尤其是CO2激光傳輸特性的研究較少。文獻(xiàn)[27]提出了基于附加相移大功率CO2激光光束傳輸與聚焦理論，研究了光束質(zhì)量對(duì)多模激光束傳輸、聚焦光束變換以及光束加工范圍的影響，強(qiáng)調(diào)了附加相移在混合模激光束傳輸中對(duì)光束橫截面強(qiáng)度分布狀態(tài)的作用。由于波長(zhǎng)的原因，YAG激光可以采用光纖進(jìn)行傳輸，CO2激光采用鏡組進(jìn)行傳輸，這就要求CO2激光束具有良好的傳輸特性，以保證激光束從激光器出光口經(jīng)過(guò)十幾個(gè)反射鏡的傳輸?shù)竭_(dá)加工位置后的光束的模式和能量分布的穩(wěn)定性。理論上，激光束的傳輸都是依雙曲線(xiàn)規(guī)律從中心向外擴(kuò)展，光束質(zhì)量首先影響到的就是激光束的傳輸。圖10簡(jiǎn)單表示了束腰相同，光束質(zhì)量不同時(shí)激光束的傳輸特性?？梢钥闯?，光束質(zhì)量較好時(shí)，激光束發(fā)散角小，瑞利長(zhǎng)度長(zhǎng)，可以傳輸很遠(yuǎn)而不明顯發(fā)散，最大限度的利用光學(xué)系統(tǒng)。
　　另外，在激光材料加工的實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得高能量密度，都要將激光束進(jìn)行聚焦。圖11所示為采用同一個(gè)聚焦鏡，聚焦得到的焦斑大小。可以看出，光束質(zhì)量越好，得到的聚焦焦斑越??；當(dāng)需要獲得相同大小的焦斑時(shí)，光束質(zhì)量越好，可采用的聚焦鏡的焦距越長(zhǎng)（圖12）。遠(yuǎn)程激光焊接（Remote LaserWelding，RLW）的實(shí)現(xiàn)就是體現(xiàn)激光束良好的聚焦特性的一個(gè)例子。RLW 將光束聚焦到 2.5m 遠(yuǎn)的距離，通過(guò)振鏡的精確轉(zhuǎn)動(dòng)形成掃描激光束，使激光深熔焊接過(guò)程在更大面積和更遠(yuǎn)的距離完成，這種良好的聚焦特性正是由于激光束的高光束質(zhì)量決定的。
　　4、光束模式的測(cè)量方法
　　空間光束能量分布分析是一種測(cè)量方法，它把構(gòu)成光束的所有變量合成為一目了然的圖象。這個(gè)方法適用于一切激光器，而不僅僅是CO2激光器。 CO2激光器最常用的光束能量分布分析方法是丙烯酸模式燒蝕法。這個(gè)方法把未聚焦的光束引向一個(gè)丙烯酸靶塊，光束能量使丙烯酸材料氣化蒸發(fā)，而且焦斑輪廓與光束本身的空間能量分布成正比。材料氣化形成的輪廓描述了激光束在照射丙烯酸靶塊過(guò)程中（一般持續(xù)若干秒）的空間能量分布。
　　盡管這個(gè)方法已廣為應(yīng)用，但是精度和重復(fù)精度在很大程度上依賴(lài)于操作者的技巧，還在車(chē)間里產(chǎn)生大量的易燃有毒蒸氣，必須抽吸出去。而且，采用這個(gè)方法無(wú)法測(cè)量激光束在光路上的瞬時(shí)反應(yīng)，例如可能掩蓋了過(guò)程最開(kāi)始時(shí)的變化。因此，模式燒蝕法最多只能算是近似描述激光光束的性能。
　　在過(guò)去10年中開(kāi)發(fā)出了一些效果各異的半電子診斷法，其中大多數(shù)方法試圖對(duì)未聚焦的光束取樣，也就是將一小部分有代表性的光束引向某種傳感器，以此獲得主光束的空間能量分布圖。就高功率激光應(yīng)用而論，取樣不是采用細(xì)小空心管上的微米級(jí)小孔，就是采用細(xì)金屬絲末端的小反射鏡，將一小部分原始光束引向一個(gè)熱電式單元素傳感器，然后由這個(gè)傳感器把吸收的能量轉(zhuǎn)換為比例電信號(hào)。