本文主要想簡單對比一下不同芯徑激光器的焊接效果，分別從(cong) 激光焊接原理；不同芯徑激光器焊接金相對比；應用舉(ju) 例分析進行簡單的應用分析。

一、激光焊接原理：材料間相互作用

      金屬材料的激光加工主要是基於(yu) 光熱效應的熱加工，激光輻照材料表麵時，在不同的功率密度下，材料表麵區域將發生各種不同的變化。這些變化包括表麵溫度升高、熔化、汽化、形成匙孔以及產(chan) 生光致等離子體(ti) 等。而且，材料表麵區域物理狀態的變化極大地影響材料對激光的吸收，一般來說，溫度越高，材料對激光的吸收率越高。隨功率密度與(yu) 作用時間的增加，金屬材料將會(hui) 發生以下幾種物態變化，如圖1所示[1]。

    激光焊接的核心就兩(liang) 個(ge) ：傳(chuan) 熱與(yu) 導熱，傳(chuan) 熱與(yu) 熱源、功率密度、線能量有關(guan) ；導熱主要與(yu) 材料的散熱、傳(chuan) 熱速度有關(guan) ，屬於(yu) 材料的固有屬性，一般可通過水冷夾具、保護氣流量去微調。在焊接過程，主要對熱源、功率密度、線能量進行調整，涉及工藝參數有：激光器芯徑、功率、速度、離焦量等的選擇。考慮到本文主要針對不同芯徑的激光器，主要涉及不同的功率密度，圖2為(wei) 功率密度的簡單計算公式：

圖2  功率密度計算公式

      激光焊接按焊接過程的吸收率來分主要有兩(liang) 種，一種是熱導焊（深寬比＜1，激光吸收率紅光在20%以內(nei) ，不同波長有差異）、一種是深熔焊（深寬比＞1，吸收率大於(yu) 材料熔池吸收率，60%以上，主要是有匙孔內(nei) 的激光多次反射吸收）。

激光熱導焊：

       不同的激光輻射照度會(hui) 引起材料產(chan) 生不同的物態變化，反映在焊接工藝上就表現為(wei) 兩(liang) 種典型的焊接模式:激光熱導焊和激光深熔焊。兩(liang) 者的傳(chuan) 熱過程、焊縫形成機製、工藝特點和應用範圍有很大區別。

激光熱導焊模式：

       熱導焊時，照射在工件表麵的激光輻射照度在10E4~10E6W/cm範圍，激光能量為(wei) 表層 10 ~100m 的薄層所吸收，表層的激光能量靠熱傳(chuan) 導向材料內(nei) 部傳(chuan) 導，激光無法直接觸及。激光照射經過一定時間後，表麵達到熔化，這一熔化等溫線向材料深處傳(chuan) 播，表麵溫度繼續升高。但最高隻能達到材料沸點，溫度再高材料將汽化形成凹坑，穩定的熱導焊過程將受到破壞，熔池會(hui) 振蕩，出現材料燒損，一般熱導焊用在薄板居多，這種情況需要杜絕。隨著激光束與(yu) 工件的相對運動，便形成了一道淺而寬的焊縫，如圖3所示。焊縫的深寬比小，一般焊縫寬度為(wei) 熔深的2 倍以上，下圖為(wei) 典型的激光熱導焊焊縫斷麵形貌，焊縫形狀近似半球形。

圖3  激光熱導焊

激光深熔焊：   

    當輻射照度大於(yu) 10E7W/cm時，材料表麵在激光作用下熔化、汽化，所產(chan) 生的蒸氣反衝(chong) 壓力向下衝(chong) 擊熔池，形成匙孔；光束直接作用在匙孔底部，使金屬進一步熔化和汽化，高壓氣不斷從(cong) 匙孔內(nei) 部產(chan) 生並不斷向外噴發，從(cong) 而使小孔進一步加深，光束也一步步深入，激光熱源也作用到材料內(nei) 部，從(cong) 匙孔內(nei) 部向材料傳(chuan) 遞熱量，形成更深的熱影響區；同時在匙孔內(nei) 充滿因高溫蒸氣部分電離而成的等離子體(ti) ，小孔出口上方也形成定範圍的等離子體(ti) 雲(yun) ，如圖4所示：

圖4  激光深熔焊

   匙孔效應對於(yu) 激光焊接過程中材料對激光的吸收具有極其重要的作用，進入匙孔的激光束通過孔壁的多次反射而幾乎被完全吸收。如圖所示，若假設匙孔為(wei) 圓錐麵（角度為(wei) ∅），沿圓錐軸線入射的光束經錐麵反射直向匙孔底部並反射，總共反射180°/∅次。每反射一次，鋼的吸收約為(wei) 13%。設P=10°則在 18 次反射過程中總吸收率達92%，相比熱導13% 的吸收率有極大的提升。熱導與(yu) 深熔的區分一般按金相熔深：熔寬大於(yu) 1，可以算深熔，因為(wei) 出現匙孔提高了吸收率；這種簡易方法適用於(yu) 單激光焊接，複合不適用此判斷，複合一般皆為(wei) 深熔焊，中心光束都有匙孔效應存在。

二、不同芯徑激光器焊接金相對比：

       了解基本的功率密度、熱導焊、深熔焊概念之後，接下來對不同芯徑的功率密度和金相金相對比分析。

本次針對市麵常見的激光芯徑進行焊接實驗對比：

圖5  不同芯徑激光器焦斑位置功率密度

       從(cong) 功率密度上看，在同樣的功率下，越細的芯徑，激光亮度越高，能量越集中，如果把激光比作一把尖刀，越細小芯徑的激光，越鋒利。14um芯徑功率密度是100um芯徑激光器的50倍以上，加工能力更強。同時這裏計算的功率密度隻是簡單的平均密度，實際的能量分布是近似高斯分布，中心能量會(hui) 是平均功率密度的好幾倍。

圖6 不同芯徑激光能量分布示意圖

       能量分布圖顏色即為(wei) 能量分布，顏色越紅，能量越高，能量紅的地方為(wei) 能量集中的地方，通過不同芯徑激光束的激光能量分布，可以看出激光束鋒不鋒利，激光束越小，能量越集中於(yu) 一個(ge) 點，越鋒利，穿透能力越強。

圖7  不同芯徑激光器焊接效果對比

不同芯徑激光器對比：

（1）實驗采用速度為(wei) 150mm/s，焦點位焊接，材料為(wei) 1係鋁，2mm厚；

（2）芯徑越大，熔寬越大，熱影響區越大，同時單位功率密度越小，當芯徑超過200um時，在鋁銅等高反合金上不容易打出熔深，需要更高功率方可實現深熔焊；

（3）小芯徑激光器功率密度高，能夠以高能快速在材料表麵打出匙孔，且熱影響區小，但是同時焊縫表麵粗糙，在低速焊接時匙孔坍塌概率高，焊接周期匙孔閉合周期長，容易產(chan) 生缺陷，氣孔等缺陷，適合高速加工或者帶擺動軌跡加工；

（4）大芯徑激光器由於(yu) 光斑大，能量更為(wei) 分散，更適合激光表麵重熔、熔覆、退火等工藝。

三、應用舉(ju) 例分析進行簡單的應用分析：

     小芯徑激光器優(you) 勢及應用（＜100um）

圖8 高反材料（鋁、銅）工件

高反材料：鋁、銅、不鏽鋼、鎳、鉬等；

（1）高反材料需要選擇小芯徑激光器，利用高功率密度激光束使材料快速被加熱至液化或汽化狀態，提高材料對激光吸收率，實現高效快速加工，選擇芯徑大的激光器這容易導致高反，導致虛焊，甚至燒損激光器；

      裂紋敏感性材料：鎳、鍍鎳銅、鋁、不鏽鋼、鈦合金等

（2）這種材料一般需要嚴(yan) 格控製熱影響區，需要小熔池，選擇小芯徑激光器更合適；

     高速激光加工：

（3）深熔焊需要高速激光加工，需要選擇高能量密度的激光器，才能在高速下保證線能量足夠熔化材料，尤其是疊焊，穿透焊，等對熔深要求較高的選擇小芯徑激光器更合適。

圖9  大芯徑激光器應用（來自IPG）

大芯徑激光器優(you) 勢及應用（＞100um）：

    大芯徑大光斑，熱量覆蓋麵積大、作用麵廣，且隻是實現材料表麵微熔，非常適合在激光熔覆、激光重熔、激光退火、激光硬化等方麵展開應用。在這些領域，大光斑意味著更高的生產(chan) 效率、更低的缺陷（熱導焊幾乎沒有缺陷）。

    在焊接上，大光斑主要用來做複合焊，用於(yu) 與(yu) 小芯徑激光複合：大光斑使得材料表麵微熔，由固體(ti) 轉化為(wei) 液體(ti) ，使得材料對激光的吸收率大幅提升，再用小芯徑打出匙孔，打出熔深，在這個(ge) 過程中由於(yu) 大光斑的預熱，後處理，以及給到熔池較大的溫度梯度，使得材料不易出現由於(yu) 快熱快冷所導致的裂紋缺陷，還能使得焊縫外觀更為(wei) 平滑，同時相較於(yu) 單激光的方案實現更低的飛濺。