激光焊原理及特点

出处：按学科分类—工业技术 河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第322页（2307字）

1．材料对激光的吸收

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。激光焊接时，激光照射到被焊接材料的表面，与其发生作用，部分被反射，部分进入材料内部。对不同金属材料，激光的线性吸收系数约为10⁷～10⁸m^－1，激光在金属表面0．01～0．1μm的厚度中被吸收转变成热能，导致金属表面温度升高。

金属对激光的吸收，主要与激光波长、材料的性质、温度、表面状况和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^［1，4］。

2．激光焊原理

按激光器输出能量方式的不同，激光焊分为连续激光焊和脉冲激光焊，前者在焊接过程中形成一条连续的焊缝，后者在焊接过程中形成一个个圆形焊点；按激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊和深熔焊。

(1)传热焊 采用的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，其熔深轮廓近似为半球形，这种焊接机理称为传热焊。

其特点是激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金属表面所反射，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)、小工件的焊接加工。

(2)深熔焊 当激光光斑上的功率密度足够大时(≥10⁶W／cm²)，金属在激光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，使金属熔化和汽化。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凹坑。当光束在小孔底部继续加热时，所产生的金属蒸气一方面压迫坑底的液态金属使小坑进一步加深，另一方面，向坑外飞出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周，此过程连续进行下去，便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，因此称之为激光深熔焊。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以接收到部分激光，这种方法也可称之为薄板激光小孔效应焊。从机理上看，这两种焊接方法的前提都是焊接时存在小孔，二者没有本质的区别，图1－10－1为不同功率密度时的加热现象。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。随光束的运动，小孔将随着光束运动但其形状和尺寸却是稳定的。

图1－10－1 不同功率密度时的加热现象

(a)功率密度＜10⁵W／cm² (b)功率密度＞10⁶W／cm²

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起来形成焊缝。激光焊焊接时伴有声音和颜色的变化，可据此监控焊接过程。

3．激光焊的特点

激光焊以高能量密度的激光作为热源，对金属进行熔化形成焊接接头。与一般焊接方法相比，激光焊具有以下特点：

(1)聚焦后的激光具有很高的功率密度(10⁵～10⁷W／cm²或更高)，焊接以深熔方式进行；由于激光加热范围小(＜1mm)，在同等功率和焊接厚度条件下，焊接速度高，热输入小，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，可进行远距离或一些难以接近的部位的焊接；激光可通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转、聚焦，特别适合于微型零件及可达性很差部位的焊接。

(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，可以穿过玻璃等透明物体，适合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)可以焊一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属等，甚至可用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃；焊后无需热处理，适合于某些对热输入敏感材料的焊接。

目前影响大功率激光焊扩大应用的主要障碍是：①激光器特别是高功率连续激光器，价格昂贵；②对焊件加工、组装、定位要求均很高；③激光器的电光转换及整体运行效率都很低。