激光功率对激光熔覆温度场的影响机制

激光功率是激光熔覆工艺中最核心的控制参数，其变化直接决定了能量输入密度，从而显著影响温度场的分布特征、演变规律及最终熔覆质量。具体影响机制如下：

1. 峰值温度与熔池特征

峰值温度变化：
- 激光功率(P)与峰值温度(T_max)近似呈线性关系：T_max ∝ P^(0.5~0.7)
- 低功率(200-500W)：峰值温度1500-2000°C，仅表面薄层熔化
- 中功率(500-1500W)：峰值温度2000-2800°C，形成稳定熔池
- 高功率(>1500W)：峰值温度>2800°C，可能引起金属汽化、等离子体屏蔽效应
熔池几何形态：
- 熔深(h)与功率关系：h ∝ P^0.6~0.8 (其他参数固定时)
- 熔宽(w)与功率关系：w ∝ P^0.3~0.5
- 高功率使熔池深度增加比宽度更显著，改变深宽比

空间温度梯度：
- 低功率：温度梯度大(10⁵-10⁶ K/m)，热影响区窄
- 高功率：温度梯度减小(10⁴-10⁵ K/m)，热影响区扩大
- 径向温度梯度随功率增加而降低，影响熔池流动模式
等温线分布：
- 低功率：等温线密集，高温区域小
- 高功率：等温线分布更平缓，高温区域扩大
- 液相线(T_liquidus)包围区域随功率增加而显著扩大

升温与冷却速率：
- 升温速率与功率正相关，高功率可达10⁴-10⁵ K/s
- 冷却速率与功率呈非线性关系：中等功率时冷却速率最大
- 典型冷却速率范围：10²-10⁴ K/s，取决于功率大小及分布
热积累效应：
- 高功率导致显著热积累，后续扫描道基体预热温度升高
- 热积累使温度场分布逐渐趋于均匀，降低瞬态温度梯度
- 多道搭接区域因热叠加效应形成局部高温区

临界功率现象：
- 低于临界功率：形成稳定熔池，温度场分布均匀
- 超过临界功率：出现匙孔效应，温度场剧烈波动
- 不同材料临界功率不同(钢:≈800W/mm², 铝:≈600W/mm², 钛:≈700W/mm²)
等离子体屏蔽效应：
- 高功率密度(>10⁵ W/cm²)引发金属蒸气电离
- 等离子体吸收/散射部分激光能量，使实际到达工件的能量降低
- 造成温度场不稳定，出现周期性波动

功率-速度协同关系：
- 线能量密度(E=P/v)是决定温度场特征的关键参数
- 适宜线能量范围：80-200 J/mm (钢材典型值)
- 恒定线能量下，高功率-高速度组合比低功率-低速度产生更小热影响区
材料依赖性：
- 高导热材料(如铜、铝)需更高功率维持相同温度场
- 高熔点材料(如钨、钽)需要显著提高功率
- 不同材料热物性(导热系数、比热容、密度)改变功率-温度响应关系

对于高斯分布激光束，表面中心点温度可近似表示为：


T(r=0,t) = (2AP/πk)·[exp(-2R²/ω₀²)·erf(ω₀/2√(4αt))]

其中：

该模型表明温度与功率呈正比关系，但受材料热物性和光束特性调制。

实际工艺选择原则：在保证粉末充分熔化和良好冶金结合的前提下，选用尽可能低的功率，以减小热影响区、降低残余应力、避免材料过度烧损。通常通过预实验或数值模拟确定特定材料-工艺组合的最佳功率范围，实现温度场的精准控制。