2.1　激光焊的原理、分類及特點

激光（Laser）是英文light amplification by stimulated emission of radiation的縮寫，意為“通過受激輻射實現光的放大”。激光利用輻射激發光放大原理而產生一種單色、方向性強、光亮度大的光束。經透射或反射鏡聚焦后可獲得功率密度高達1018W/m2的能束，可用作焊接、切割及材料表面處理的熱源。

2.1.1　激光焊原理及分類

（1）激光焊原理

激光焊接時，激光照射到被焊接材料的表面，與其發生作用，一部分被反射，一部分被吸收，進入材料內部。對于不透明材料，透射光被吸收，金屬的線性吸收系數為107～108m-1。對于金屬，激光在金屬表面被吸收轉變成熱能，導致金屬表面溫度升高，再傳向金屬內部。

激光焊接的原理是，光子轟擊金屬表面形成蒸氣，蒸發的金屬可防止剩余能量被金屬反射掉。如果被焊金屬有良好的導熱性能，則會得到較大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本質上是光波的電磁場與材料相互作用的結果。激光光波入射材料時，材料中的帶電粒子依著光波電矢量的步調振動，使光子的輻射能變成了電子的動能。物質吸收激光后，首先產生的是某些質點的過量能量，如自由電子的動能、束縛電子的激發能或者還有過量的聲子，這些原始激發能經過一定過程再轉化為熱能。

激光除了與其他光源一樣是一種電磁波外，還具有其他光源不具備的特性，如高方向性、高亮度（光子強度）、高單色性和高相干性。激光加工時，材料吸收的光能向熱能的轉換是在極短的時間（約為10-9s）內完成的。在這個時間內，熱能僅僅局限于材料的激光輻照區，而后通過熱傳導，熱量由高溫區傳向低溫區。金屬對激光的吸收，主要與激光波長、材料的性質、溫度、表面狀況以及激光功率密度等因素有關。一般來說，金屬對激光的吸收率隨著溫度的上升而增大，隨電阻率的增加而增大。

（2）激光焊分類

按照激光發生器工作性質的不同，激光有固體、半導體、液體、氣體激光之分。根據激光對工件的作用方式和激光器輸出能量的不同，激光焊可分為連續激光焊和脈沖激光焊。連續激光焊在焊接過程中形成一條連續的焊縫。脈沖激光焊輸入到工件上的能量是斷續的、脈沖的，每個激光脈沖在焊接過程中形成一個圓形焊點。根據激光聚焦后光斑作用在工件上的功率密度，激光焊可分為傳熱焊和深熔焊（鎖孔焊）。

①傳熱焊　激光光斑功率密度小于105W/cm2時，激光將金屬表面加熱到熔點與沸點之間。焊接時，金屬材料表面將所吸收的激光能轉變為熱能，使金屬表面溫度升高而熔化，然后通過熱傳導方式把熱能傳向金屬內部，使熔化區逐漸擴大，凝固后形成焊點或焊縫，這種方法稱為傳熱焊。

傳熱焊時，工件表面溫度不超過材料的沸點，工件吸收的光能轉變為熱能后通過熱傳導將工件熔化，熔池形狀近似為半球形。傳熱焊的特點是激光光斑的功率密度小，很大一部分激光被金屬表面所反射，激光的吸收率較低，焊接熔深淺，焊接速度慢。主要用于薄（厚度<1mm）、小工件的焊接。

②深熔焊　當激光光斑的功率密度足夠大時（≥106W/cm2），金屬表面在激光束的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時間內（10-8 ～10-6s）升高到沸點，使金屬熔化和氣化。產生的金屬蒸氣以一定的速度離開熔池，逸出的蒸氣對熔化的液態金屬產生一個附加壓力，使熔池金屬表面向下凹陷，在激光光斑下產生一個小孔。當光束在小孔底部繼續加熱時，產生的金屬蒸氣一方面壓迫孔底的液態金屬使小孔進一步加深；另一方面，向孔外飛出的蒸氣將熔化的金屬擠向熔池四周，在液態金屬中形成一個細長的孔洞。當光束能量所產生的金屬蒸氣的反沖壓力與液態金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再繼續加深，形成一個深度穩定的孔而進行焊接，稱為深熔焊（也稱鎖孔焊）。

深熔焊的激光束可深入到焊件內部，形成深寬比較大的焊縫。如果激光功率足夠大而材料相對較薄，激光焊形成的小孔貫穿整個板厚且背面可接收到部分激光，這種方法也可稱為薄板激光小孔效應焊。圖2.1為不同功率密度激光束的加熱現象。小孔周圍為熔池金屬所包圍，熔化金屬的重力及表面張力有使小孔彌合的趨勢，而連續產生的金屬蒸氣則力圖維持小孔的存在。焊接時，小孔將隨著光束運動但其形狀和尺寸卻是穩定的。

小孔的前方形成一個傾斜的燒蝕前沿。在這個區域，小孔的周圍存在壓力梯度和溫度梯度。在壓力梯度的作用下，燒熔材料繞小孔的周邊由前沿向后沿流動。溫度梯度沿小孔的周邊建立了一個前面大后面小的表面張力，這就進一步驅使熔融材料繞小孔周邊由前沿向后沿流動，最后在小孔后方凝固形成連續焊縫。

2.1.2　激光焊的特點及應用

（1）激光焊的特點

激光焊是以高能量密度的激光束作為熱源的熔焊方法。采用激光焊，不僅生產率高于傳統的焊接方法，而且焊接質量也顯著提高。與一般焊接方法相比，激光焊具有以下特點。

①聚焦后的激光束具有很高的功率密度（105～107W/cm2或更高），加熱速度快，可實現深熔焊和高速焊。由于激光加熱范圍小（<1mm），在同等功率和焊件厚度條件下，焊接熱影響區小、焊接應力和變形小。

②激光能發射、透射，能在空間傳播相當距離而衰減很小，可通過光導纖維、棱鏡等光學方法彎曲傳輸、偏轉、聚焦，特別適于微型零件、難以接近的部位或遠距離的焊接。

③一臺激光器可供多個工作臺進行不同的工作，既可用于焊接，又可用于切割、合金化和熱處理，一機多用。

④激光在大氣中損耗不大，可穿過玻璃等透明物體，適于在玻璃制成的密封容器里焊接鈹合金等劇毒材料；激光不受電磁場影響，不存在X射線防護，也不需要真空保護。

⑤一般焊接方法難以焊接的材料，如高熔點金屬、非金屬材料（如陶瓷、有機玻璃等）、對熱輸入敏感的材料可以進行激光焊，焊后無需熱處理。

目前影響大功率激光焊擴大應用的主要障礙如下。

①激光器（特別是高功率連續激光器）價格昂貴，目前工業用激光器的最大功率為30kW，可焊接的最大厚度約20mm，比電子束焊小得多。

②對焊件加工、組裝、定位要求很高。

③激光器的電光轉換及整體運行效率較低，光束能量轉換率僅為10%～20%。

（2）激光焊的應用

激光焊作為一種獨特的焊接方法日益受到重視。目前世界上1kW以上的激光加工設備已超過5萬臺，其中約1/3用于焊接。早期的激光應用大都是采用脈沖固體激光器，進行小型零部件的點焊和由焊點搭接而成的縫焊。20世紀70年代，大功率CO2激光器的出現，開辟了激光應用于焊接的新紀元。激光焊在汽車、機械制造、船舶、航空、輕工等行業得到了成功的應用。CO2激光焊的部分應用實例見表2.1。

脈沖激光焊主要用于微型件、精密元件和微電子元件的焊接。低功率脈沖激光焊常用于直徑0.5mm以下金屬絲與絲（或薄膜）之間的點焊。脈沖激光焊已成功地用于焊接不銹鋼、鐵鎳合金、鐵鎳鈷合金、鉑、銠、鉭、鈮、鎢、鉬、銅及各類銅合金、金、銀、鋁硅絲等。脈沖激光焊可用于顯像管電子槍的組裝、核反應堆零件、儀表游絲、混合電路薄膜元件的導線連接等。用脈沖激光封裝焊接繼電器外殼、鋰電池和鉭電容外殼、集成電路等是很有效的方法。

連續激光焊主要用于厚板深熔焊。激光焊由于無需在真空條件下進行焊接，應用前景更為廣闊，尤其是激光焊設備常與機器人結合起來組成柔性加工系統，使激光焊的應用范圍進一步擴大。在電站建造及化工行業，有大量的管-管、管-板接頭，用激光焊可得到高質量的單面焊雙面成形焊縫。在艦船制造業，用激光焊焊接大厚度板（可加填充金屬），接頭性能優于電弧焊，能提高構件的可靠性，有利于延長艦船的使用壽命。激光焊還應用于電動機定子鐵芯的焊接，發動機殼體、機翼隔架等飛機零件的生產，航空渦輪葉片的修復等。

激光焊接還有其他形式的應用，如激光釬焊、激光-電弧復合焊接、激光填絲焊、激光壓焊等。激光釬焊主要用于印制電路板的焊接，激光壓焊可用于薄板或薄鋼帶的焊接。

焊接領域目前主要采用以下兩種激光器。

①YAG固體激光器（含Nd3+的yttrium-aluminium-garnet，YAG）。

②CO2氣體激光器。

這兩種激光器可以互相彌補彼此的不足。脈沖YAG和連續CO2激光焊接應用的一些例子見表2.2。影響金屬激光焊接性的因素有材料力學性能、表面條件、冶金和化學性能等。高反射率的表面條件不利于獲得良好的激光焊接質量。激光能使不透明的材料氣化或熔成孔洞，而且激光能自由地穿過透明材料而又不會損傷它，這一特點使激光焊能夠焊接預先放在電子管內的金屬。