2.1　激光焊的原理、分类及特点

激光（Laser）是英文light amplification by stimulated emission of radiation的缩写，意为“通过受激辐射实现光的放大”。激光利用辐射激发光放大原理而产生一种单色、方向性强、光亮度大的光束。经透射或反射镜聚焦后可获得功率密度高达1018W/m2的能束，可用作焊接、切割及材料表面处理的热源。

2.1.1　激光焊原理及分类

（1）激光焊原理

激光焊接时，激光照射到被焊接材料的表面，与其发生作用，一部分被反射，一部分被吸收，进入材料内部。对于不透明材料，透射光被吸收，金属的线性吸收系数为107～108m-1。对于金属，激光在金属表面被吸收转变成热能，导致金属表面温度升高，再传向金属内部。

激光焊接的原理是，光子轰击金属表面形成蒸气，蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉。如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。激光光波入射材料时，材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动，使光子的辐射能变成了电子的动能。物质吸收激光后，首先产生的是某些质点的过量能量，如自由电子的动能、束缚电子的激发能或者还有过量的声子，这些原始激发能经过一定过程再转化为热能。

激光除了与其他光源一样是一种电磁波外，还具有其他光源不具备的特性，如高方向性、高亮度（光子强度）、高单色性和高相干性。激光加工时，材料吸收的光能向热能的转换是在极短的时间（约为10-9s）内完成的。在这个时间内，热能仅仅局限于材料的激光辐照区，而后通过热传导，热量由高温区传向低温区。金属对激光的吸收，主要与激光波长、材料的性质、温度、表面状况以及激光功率密度等因素有关。一般来说，金属对激光的吸收率随着温度的上升而增大，随电阻率的增加而增大。

（2）激光焊分类

按照激光发生器工作性质的不同，激光有固体、半导体、液体、气体激光之分。根据激光对工件的作用方式和激光器输出能量的不同，激光焊可分为连续激光焊和脉冲激光焊。连续激光焊在焊接过程中形成一条连续的焊缝。脉冲激光焊输入到工件上的能量是断续的、脉冲的，每个激光脉冲在焊接过程中形成一个圆形焊点。根据激光聚焦后光斑作用在工件上的功率密度，激光焊可分为传热焊和深熔焊（锁孔焊）。

①传热焊　激光光斑功率密度小于105W/cm2时，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间。焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，使金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，这种方法称为传热焊。

传热焊时，工件表面温度不超过材料的沸点，工件吸收的光能转变为热能后通过热传导将工件熔化，熔池形状近似为半球形。传热焊的特点是激光光斑的功率密度小，很大一部分激光被金属表面所反射，激光的吸收率较低，焊接熔深浅，焊接速度慢。主要用于薄（厚度<1mm）、小工件的焊接。

②深熔焊　当激光光斑的功率密度足够大时（≥106W/cm2），金属表面在激光束的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内（10-8 ～10-6s）升高到沸点，使金属熔化和气化。产生的金属蒸气以一定的速度离开熔池，逸出的蒸气对熔化的液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个小孔。当光束在小孔底部继续加热时，产生的金属蒸气一方面压迫孔底的液态金属使小孔进一步加深；另一方面，向孔外飞出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周，在液态金属中形成一个细长的孔洞。当光束能量所产生的金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而进行焊接，称为深熔焊（也称锁孔焊）。

深熔焊的激光束可深入到焊件内部，形成深宽比较大的焊缝。如果激光功率足够大而材料相对较薄，激光焊形成的小孔贯穿整个板厚且背面可接收到部分激光，这种方法也可称为薄板激光小孔效应焊。图2.1为不同功率密度激光束的加热现象。小孔周围为熔池金属所包围，熔化金属的重力及表面张力有使小孔弥合的趋势，而连续产生的金属蒸气则力图维持小孔的存在。焊接时，小孔将随着光束运动但其形状和尺寸却是稳定的。

小孔的前方形成一个倾斜的烧蚀前沿。在这个区域，小孔的周围存在压力梯度和温度梯度。在压力梯度的作用下，烧熔材料绕小孔的周边由前沿向后沿流动。温度梯度沿小孔的周边建立了一个前面大后面小的表面张力，这就进一步驱使熔融材料绕小孔周边由前沿向后沿流动，最后在小孔后方凝固形成连续焊缝。

2.1.2　激光焊的特点及应用

（1）激光焊的特点

激光焊是以高能量密度的激光束作为热源的熔焊方法。采用激光焊，不仅生产率高于传统的焊接方法，而且焊接质量也显著提高。与一般焊接方法相比，激光焊具有以下特点。

①聚焦后的激光束具有很高的功率密度（105～107W/cm2或更高），加热速度快，可实现深熔焊和高速焊。由于激光加热范围小（<1mm），在同等功率和焊件厚度条件下，焊接热影响区小、焊接应力和变形小。

②激光能发射、透射，能在空间传播相当距离而衰减很小，可通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转、聚焦，特别适于微型零件、难以接近的部位或远距离的焊接。

③一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可用于焊接，又可用于切割、合金化和热处理，一机多用。

④激光在大气中损耗不大，可穿过玻璃等透明物体，适于在玻璃制成的密封容器里焊接铍合金等剧毒材料；激光不受电磁场影响，不存在X射线防护，也不需要真空保护。

⑤一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属、非金属材料（如陶瓷、有机玻璃等）、对热输入敏感的材料可以进行激光焊，焊后无需热处理。

目前影响大功率激光焊扩大应用的主要障碍如下。

①激光器（特别是高功率连续激光器）价格昂贵，目前工业用激光器的最大功率为30kW，可焊接的最大厚度约20mm，比电子束焊小得多。

②对焊件加工、组装、定位要求很高。

③激光器的电光转换及整体运行效率较低，光束能量转换率仅为10%～20%。

（2）激光焊的应用

激光焊作为一种独特的焊接方法日益受到重视。目前世界上1kW以上的激光加工设备已超过5万台，其中约1/3用于焊接。早期的激光应用大都是采用脉冲固体激光器，进行小型零部件的点焊和由焊点搭接而成的缝焊。20世纪70年代，大功率CO2激光器的出现，开辟了激光应用于焊接的新纪元。激光焊在汽车、机械制造、船舶、航空、轻工等行业得到了成功的应用。CO2激光焊的部分应用实例见表2.1。

脉冲激光焊主要用于微型件、精密元件和微电子元件的焊接。低功率脉冲激光焊常用于直径0.5mm以下金属丝与丝（或薄膜）之间的点焊。脉冲激光焊已成功地用于焊接不锈钢、铁镍合金、铁镍钴合金、铂、铑、钽、铌、钨、钼、铜及各类铜合金、金、银、铝硅丝等。脉冲激光焊可用于显像管电子枪的组装、核反应堆零件、仪表游丝、混合电路薄膜元件的导线连接等。用脉冲激光封装焊接继电器外壳、锂电池和钽电容外壳、集成电路等是很有效的方法。

连续激光焊主要用于厚板深熔焊。激光焊由于无需在真空条件下进行焊接，应用前景更为广阔，尤其是激光焊设备常与机器人结合起来组成柔性加工系统，使激光焊的应用范围进一步扩大。在电站建造及化工行业，有大量的管-管、管-板接头，用激光焊可得到高质量的单面焊双面成形焊缝。在舰船制造业，用激光焊焊接大厚度板（可加填充金属），接头性能优于电弧焊，能提高构件的可靠性，有利于延长舰船的使用寿命。激光焊还应用于电动机定子铁芯的焊接，发动机壳体、机翼隔架等飞机零件的生产，航空涡轮叶片的修复等。

激光焊接还有其他形式的应用，如激光钎焊、激光-电弧复合焊接、激光填丝焊、激光压焊等。激光钎焊主要用于印制电路板的焊接，激光压焊可用于薄板或薄钢带的焊接。

焊接领域目前主要采用以下两种激光器。

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

②CO2气体激光器。

这两种激光器可以互相弥补彼此的不足。脉冲YAG和连续CO2激光焊接应用的一些例子见表2.2。影响金属激光焊接性的因素有材料力学性能、表面条件、冶金和化学性能等。高反射率的表面条件不利于获得良好的激光焊接质量。激光能使不透明的材料气化或熔成孔洞，而且激光能自由地穿过透明材料而又不会损伤它，这一特点使激光焊能够焊接预先放在电子管内的金属。