概述

出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《焊接技术手册》第305页（2165字）

1．激光的产生

由原子结构可知，电子绕核旋转，具有不同的轨道。这些轨道称为能级。电子处于不同能级，原子系统的能量不同。由于粒子有趋于低能级的特性，平衡状态时，低能级粒子多于高能级粒子(分布规律符合玻尔兹曼公式)。如果提供一个能源，使低能级粒子吸收能量，跃迁到高能级上，使高能级粒子数多于低能级粒子数。这就是所谓的“粒子居集数反转”。

高能级粒子有向低能级自发跃迁的趋势。一个电子自发跃迁一个能级差，放出一个光子，称自发辐射。自发辐射放出的光子频率与跃迁的能级差成正比，符合普朗克公式hγ=E₂－E₁。此式中h=6．626×10^－34(J·s)，为普朗克常数；γ为光子的频率；E₂、E₁分别为高能级和低能级能量。此光子又激发E₂能级的粒子，使E₂能级的粒子受激放出频率、相位、方向和偏振方向完全一致的光子即受激辐射。此时E₂能级一粒子，产生了二个完全相同的光子，这两个光子再去激发E₂能级的粒子就产生四个相同光子，这种雪崩式的反应，使入射光得到放大，使光强迅速增强。如果在粒子受激辐射系统两端设置二块相互平行的反射镜，构成光学谐振腔，平行于谐振腔轴线的光，在二个反射镜之间振荡放大，越来越强，直到E₂能级的粒子都受激跃迁到E₁能级时，粒子集居反转现象消失，光强不再增加。

在反复反射过程中，与谐振光方向、波长不一致的光，不能形成谐振的光随时逸出谐振腔外而消失。最后得到的光束是方向一致，亮度极高的单色光，即激光(LASER——Light Amplificeiby by the Stimulated Emlssion of Radiation)。

2．激光的特点

(1)亮度高：它是世界上最亮的光源。CO₂激光亮度比太阳表面亮8个数量级，钕玻璃激光亮度比太阳表面亮16个数量级。

(2)方向性好：近于理想的平行光，远距离传播时，扩散面积很小。

(3)单色性好：光谱宽度极窄。比氪灯的光谱还窄几个数量级。

(4)具有反射、折射、透射、聚焦的特性。

(5)功率密度高：一般在10⁵～10⁷W／cm²，经充分聚焦后可以达到10⁶～10¹²W／cm²。

3．激光在焊接中的应用

激光可以用于测量、加工、打孔、切割、焊接。激光焊接是20世纪70年代发展起来的新技术。它以高能密的激光束作为热源，对金属或非金属材料进行加热、熔化、成形、凝固成接头。与其他熔化焊方法相比，具有如下特点：

(1)优点

1)热量集中，热影响区小，焊接变形和残余应力小。

2)焊接温度高，可以焊接难熔金属，甚至可以焊接陶瓷。在其他非金属材料焊接中也得到很好的应用，如有机玻璃等。

3)可以一机多用：一台激光器可供多个工位、不同的加工方法使用。

4)激光不产生有害的X射线，这比电子束焊优越。

(2)缺点

1)焊接反射率大的光亮金属，有一定困难。

2)受激光器功率等因素限制，焊接厚度不可能太大，达不到电子束的焊接厚度。

3)设备一次性投资较大，总的效率不高。

4．激光焊类型

按所用激光器工作方式不同，分为脉冲激光焊和连续激光焊。前者形成一个个圆形焊点，后者形成一条连续的焊缝。按形成焊缝的方式不同分为热传导激光焊和小孔激光焊两类。热传导激光焊，激光斑点能量密度较低，只有10⁵～10⁶W／cm²，被焊金属表面温度达不到沸点，光束不能通过熔化金属直接加热下层固态金属，下层金属靠热传导加热熔化，形成的焊缝类似氩弧焊焊缝。小孔激光焊，激光斑点能量密度大于10⁶W／cm²，金属材料表面温度迅速升到沸点，金属蒸气压力排开熔化金属形成凹坑。激光束直射坑底，直接加热下层固态金属，很快形成小孔。激光功率足够大时，小孔将穿透整个板厚，形成深熔穿透型焊缝。小孔焊焊缝形成过程如图6－44所示。激光束向前不断移动时，熔池前沿的金属不断熔化，熔化金属绕过小孔，流向小孔后方，凝结成焊缝。

图6－44 深熔穿透连续焊焊缝形成过程