01激光焊接技术

激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一。激光焊接是利用激光的辐射能量来实现有效焊接的工艺，其工作原理是：通过特定的方式来激励激光活性介质（如CO2和其他气体的混合气体、YAG钇铝石榴石晶体等），使其在谐振腔中往复振荡，从而形成受激辐射光束，当光束与工件接触时，其能量被工件吸收，在温度达到材料熔点时便可进行焊接。

02激光焊接技术的重要参数

1、功率密度：

功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻十分有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。

2、激光脉冲波形：

当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60～98%的激光能量反射而损失掉，尤其是金、银、铜、铝、钛等材料反射强、传热快。一个激光脉冲讯号过程中，金属的反射率随时间而变化。当材料表面温度升高到熔点时，反射率会迅速下降，当表面处于熔化状态时，反射稳定于某一值。 

3、激光脉冲宽度：

脉宽是脉冲激光焊接的重要参数。脉宽由熔深与热影响分区确定，脉宽越长热影响区越大，熔深随脉宽的1/2 次方增加。但脉冲宽度的增大会降低峰值功率，因此增加脉冲宽度一般用于热传导焊接方式，形成的焊缝尺寸宽而浅，尤其适合薄板和厚板的搭接焊。

但是，较低的峰值功率会导致多余的热输入，每种材料都有一个可使熔深达到最大的最佳脉冲宽度。

4、离焦量：

激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。

5、离焦方式有两种：

正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上的功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状有一定差异。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。

6、焊接速度：

焊接速度对熔深有较大的影响，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿。因此，对一定激光功率和一定厚度的特定材料有一个合适的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。

7、保护气体：

激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，对大多数应用场合则常使用氦、氩、氮等气体作保护。保护气体的第二个作用是保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射，在高功率激光焊接时，喷出物非常有力，此时保护透镜则更为必要。保护气体的第三个作用是可以有效驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽。金属蒸气吸收激光束电离成等等离子体，如果等离子体存在过多，激光束在某种程度上会被等离子体消耗掉。

03激光焊接技术的独特效应

与传统的焊接技术相比较而言具有四种独特的效应：

1、 焊缝净化效应

当激光束照射到焊缝上时，由于材料中的氧化物等杂质对激光的吸收率要比金属对激光的吸收率高得多，因此，焊缝中的氧化物等杂质被迅速加热并汽化逸出，使焊缝中的杂质含量大幅度减小。所以，激光焊接不但不会污染工件，反而能对材料起净化作用。

2、光爆冲击效应

当激光功率密度很高时，在强大的激光束的照射下，焊缝中的金属急剧蒸发气化。在高压金属蒸气的作用下，熔池中的金属熔液产生爆炸性飞溅，其强大的冲击波向孔穴的深度方向传播，形成细长的深孔。在激光不断移动焊接的过程中，周围熔融金属不断地填充空穴，凝结成牢固的深熔焊缝。

3、深熔焊的小孔效应

在功率密度高达 107W/cm2的激光束照射下，其能量输入焊缝的速率远远大于热传导、对流、辐射散失的速率，使激光照射区内的金属迅速汽化，在高压蒸气的作用下，在熔池中形成小的孔穴。这种孔穴犹如天文学中的黑洞一样，可将光能全部吸收，激光束通过这种孔穴直射孔底，其孔穴的深度决定着熔化的深度。

4、熔池中孔穴侧壁对激光的聚焦效应

在激光照射下熔池中形成孔穴的过程中，由于入射到孔穴侧壁的激光束的入射角通常较大，使入射激光束在孔穴侧壁反射而传向孔穴的底部，因而出现孔穴中的光束能量叠加的现象，可以有效地增加孔穴中的光束强度，这种现象称为孔穴侧壁聚焦效应。激光之所以能用于焊接，都是基于上述作用的结果。

04激光焊接技术的优点

激光焊接的独特效应使激光焊接具有如下优点：

1、激光照射时间短，焊接过程极为迅速，不仅有利于提高生产率，而且被焊材料不易氧化，热影响区小，适合于热敏感很强的晶体管元件焊接。激光焊接既没有焊渣，也不需去除工件的氧化膜，甚至可以透过玻璃进行焊接，尤其适用于微型精密仪表中的焊接。

2、激光不仅能焊接同种金属材料，而且可以焊接异种金属材料，甚至可以焊接金属与非金属材料。例如，用陶瓷做基体的集成电路，由于陶瓷熔点很高，又不宜施加压力，采用其他焊接方法很困难，而用激光焊接比较方便。当然，激光焊接并不能焊接所有的异种材料。

激光焊接的适用场景及行业：1.热传导焊接主要用于精密加工，例如金属薄片可见边缘加工、医疗技术等；2.深熔焊、钎焊主要用于汽车工业，其中深熔焊用于车身、变速器、外壳等；钎焊主要用于车身焊接；3.激光传导焊接可以处理非金属，适用范围宽阔，可用于消费品、汽车工业、电子外壳、医疗技术等；4.复合焊接主要适用于特种钢构造，例如船甲板。