激光焊接是激光加工技術應用的重要方面之一，更是21世紀最受矚目、最有發展前景的焊接技術。與傳統焊接方法對比，激光焊接具有很多優勢，焊接質量更高、效率更快。目前，激光焊接技術已廣泛應用于制造業、粉末冶金、汽車工業、電子工業、生物醫學等各個領域。

激光焊接原理

激光焊接屬于熔融焊，以激光束作為焊接熱源，其焊接原理是：通過特定的方法激勵活性介質，使其在諧振腔中往返震蕩，進而轉化成受激輻射光束，當光束與工件相互接觸時，其能量則被工件吸收，當溫度高達材料的熔點時即可進行焊接。

△激光焊接原理

按焊接熔池形成的機理劃分，激光焊接有兩種基本的焊接機理：熱傳導焊接和深熔（小孔）焊接。熱傳導焊接時產生的熱量通過熱傳遞擴散至工件內部，使焊縫表面熔化，基本不產生汽化現象，常用于低速薄壁構件的焊接。深熔焊使材料汽化，形成大量等離子體，由于熱量較大，熔池前端會出現小孔現象。深熔焊能徹底焊透工件，且輸入能量大、焊接速度快，是目前使用最廣泛的激光焊接模式。

激光焊接主要工藝參數

影響激光焊接質量的工藝參數較多，如功率密度、激光脈沖波形、離焦量、焊接速度和輔助吹保護氣等。

1

激光功率密度

功率密度是激光加工中最關鍵的參數之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內，表層即可加熱至沸點，產生大量汽化。因此，高功率密度對于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻十分有利。對于較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經歷數毫秒，在表層汽化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。因此，在熱傳導型激光焊接中，功率密度范圍在104-106W/cm2。

2

激光脈沖波形

激光脈沖波形既是區別材料去除還是材料熔化的重要參數，也是決定加工設備體積及造價的關鍵參數。當高強度激光束射至材料表面，材料表面將會有60～90%的激光能量反射而損失掉，尤其是金、銀、銅、鋁、鈦等材料反射強、傳熱快。一個激光脈沖訊號過程中，金屬的反射率隨時間而變化。當材料表面溫度升高到熔點時，反射率會迅速下降，當表面處于熔化狀態時，反射穩定于某一值。

△不同材質的激光焊接脈沖波形

3

激光脈沖寬度

脈寬是脈沖激光焊接的重要參數。脈寬由熔深與熱影響分區確定，脈寬越長熱影響區越大，熔深隨脈寬的1/2?次方增加。但脈沖寬度的增大會降低峰值功率，因此增加脈沖寬度一般用于熱傳導焊接方式，形成的焊縫尺寸寬而淺，尤其適合薄板和厚板的搭接焊。但是，較低的峰值功率會導致多余的熱輸入，每種材料都有一個可使熔深達到最大的最佳脈沖寬度。

4

離焦量

激光焊接通常需要一定的離焦量，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。

離焦方式有兩種：

正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應平面上的功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀有一定差異。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。

5

焊接速度

焊接速度決定了焊接表面質量、熔深、熱影響區等。焊接速度的快慢會影響單位時間內的熱輸入量，焊接速度過慢，則熱輸入量過大，導致工件燒穿，焊接速度過快，則熱輸入量過小，造成工件焊不透。通常采用降低焊接速度的方法來改善熔深。

6

輔助吹保護氣

輔助吹保護氣在高功率激光焊接中是必不可少的一道工序。一方面是為了防止金屬材料濺射而污染聚焦鏡；另一方面是為了防止焊接過程中產生的等離子體過多聚焦，阻擋激光到達材料表面。激光焊接過程常使用氦、氬、氮等氣體保護熔池，使工件在焊接工程中免受氧化。保護氣體種類和氣流大小、吹氣角度等因素對焊接結果有較大影響，不同的吹氣方法也會對焊接質量產生一定的影響。

氦氣不易電離（電離能量較高），可讓激光順利通過，光束能量不受阻礙地直達工件表面。這是激光焊接時使用最有效的保護氣體，但價格比較貴。

氬氣比較便宜，密度較大，所以保護效果較好。但它易受高溫金屬等離子體電離，結果屏蔽了部分光束射向工件，減少了焊接的有效激光功率，也損害焊接速度與熔深。使用氬氣保護的焊件表面要比使用氦氣保護時來得光滑。

氮氣作為保護氣體最便宜，但對某些類型不銹鋼焊接時并不適用，主要是由于冶金學方面問題，如吸收，有時會在搭接區產生氣孔。

激光焊接作為一種新型焊接技術，具有高能量密度、高速度、高精度、深穿透、適應性強等特點，其應用范圍越來越廣泛，不僅能提高生產效率，更提高了焊接質量，激光焊接技術必將在材料加工領域發揮更重要的作用。

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