激光焊接是激光加工技術(shù)應(yīng)用的一個重要方面，也是21世紀(jì)最引人注目和發(fā)展前景的焊接技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的焊接，激光焊接有許多優(yōu)點，焊接質(zhì)量更高，效率更高。近年來，激光焊接技術(shù)在制造業(yè)、粉末冶金、汽車、電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

    激光器焊接原理

    激光焊接屬于熔融焊，采用激光束作為焊接熱源，其焊接原理是：通過特定的方法激發(fā)活性介質(zhì)，使其在腔體內(nèi)來回震蕩，然后轉(zhuǎn)換為受激輻射光束，當(dāng)光束與工件互相接觸時，其能量就被工件吸收，當(dāng)溫度高達(dá)材料的熔點時，就可以進(jìn)行焊接。

    △激光焊接原理。

    根據(jù)熔池形成機理劃分，激光焊接具有兩種基本的焊接機理：熱傳導(dǎo)焊接和深熔(小孔)焊。焊接過程中產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)擴散到工件內(nèi)，使焊縫表面熔化，基本無汽化現(xiàn)象，在低速薄壁件的焊接中經(jīng)常使用。深熔焊接時，材料蒸發(fā)，形成了大量的等離子體，熔池前部出現(xiàn)小孔現(xiàn)象。深熔焊接可以徹底地焊透工件，且輸入能量大，焊接速度快，是目前應(yīng)用最廣泛的激光焊接方式。
    主要工藝參數(shù)的激光焊接。

    對激光焊接質(zhì)量有影響的工藝參數(shù)有功率密度、脈沖波形、離焦量、焊接速度、輔助吹保護氣等。

    激光器的功率密度。

    在激光加工中，功率密度是一個非常重要的參數(shù)。使用更高的功率密度，在微秒范圍內(nèi)，表面層可加熱至沸點，并產(chǎn)生大量汽化。所以，高功率密度對材料的去除加工，如打孔、切割、雕刻都非常有利。對低功率密度而言，達(dá)到沸點的表面溫度需要經(jīng)歷幾毫秒，而在表層蒸發(fā)之前達(dá)到熔點，容易形成良好的熔融焊接。結(jié)果表明，在熱傳導(dǎo)激光焊接中，其功率密度范圍為104~106W/cm2。

    2激光脈沖波形。

    脈沖波形是區(qū)分材料去除和材料熔化的重要參數(shù)，同時也是確定加工設(shè)備體積和成本的關(guān)鍵參數(shù)。高強激光束射到材料表面后，材料表面會有60~90%的反射激光能量損失，尤其是金、銀、銅、鋁、鈦等材料反射強、熱傳導(dǎo)快。在激光脈沖信號過程中，金屬的反射率隨時間變化。隨著材料表面溫度的升高，反射率急劇下降，當(dāng)表面在熔化狀態(tài)時，反射率穩(wěn)定于一定的值。
    ▲不同材料激光焊接脈沖波形。

    激光器的脈沖寬度。

    脈沖激光焊接的一個重要參數(shù)是脈寬。熔深和熱影響分區(qū)決定脈寬，寬度越長熱影響區(qū)越大，熔深也就越大，而寬度則是1/2次方。但是，由于脈寬的增加會降低了峰值功率，所以增加脈寬通常用于導(dǎo)熱焊接，形成的焊縫尺寸較大，尤其適用于薄板、厚板的搭接。但較低的峰值功率會導(dǎo)致過多的熱輸入，每一種材料都有一個最佳的脈沖寬度，使熔深達(dá)到最大。

    四離焦

    由于光斑中心功率密度太大，激光焊接時往往需要一定的離焦量，容易蒸發(fā)成孔。在離焦平面處，能量密度分布比較均勻。

    有兩種方法離焦：

    正離焦和負(fù)離焦。焦面位于工件上的焦面呈正離焦距相反。按照幾何光學(xué)理論，當(dāng)正離焦面和焊面距離相等時，相應(yīng)平面上的功率密度基本相同，但實際得到的熔池形狀有一定的差別。負(fù)向焦化可以獲得較大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。

    5焊接速度。

    焊速決定著焊接表面質(zhì)量、熔深、熱影響范圍等。焊速的加快會影響單位時間內(nèi)的熱輸入量，焊接速度太慢，則會產(chǎn)生大量的熱能，導(dǎo)致焊接速度過快，造成焊接過程中熱輸入過少，造成工件焊不透。為了提高熔深，通常采用降低焊接速度的方法。

    6.輔助吹保護氣。

    在高功率激光焊接中，輔助吹氣是一項必不可少的工藝。為防止金屬材料濺射而污染聚焦鏡；另一方面，防止在焊接過程中產(chǎn)生的等離子體過度聚焦，阻止激光到達(dá)材料表面。在激光焊接過程中，通常采用氦氣、氬氣和氮氣來保護熔池，以防止工件的氧化。由于保護性氣體種類、風(fēng)量、吹風(fēng)角等因素對焊接結(jié)果有很大影響，不同的吹吹方式對焊接質(zhì)量也有一定的影響。

    氦不容易被電離(電離能量較高)，能讓激光順利穿過，而能量不受阻礙地直接到達(dá)工件表面。這種激光焊接時使用的最有效的保護氣體，但價格較貴。

    氬相對便宜，密度大，因此防護效果更好。但是它易受高溫等離子體電離，導(dǎo)致其部分光束射到工件上，降低了焊接的有效激光功率，使熔深和速度降低。與氦氣保護相比，使用氬氣保護的焊件表面來得平滑。

    氮是最便宜的保護氣體，但不適合于某些類型的不銹鋼焊接，這主要是因為冶金學(xué)方面的問題，例如吸收，有時在搭接區(qū)域形成氣孔。

    作為一種新的焊接技術(shù)，激光焊接技術(shù)具有能量密度高、速度快、精度高、深度穿透、適應(yīng)性強等特點，其應(yīng)用范圍越來越廣，不僅可以提高生產(chǎn)效率，也可以提高焊接質(zhì)量，激光焊接技術(shù)必將在材料加工領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。