一、緒論

激光焊以聚焦的激光束作為(wei) 能源轟擊焊件所產(chan) 生的熱量進行焊接的方法。它具有輸入熱量少、焊接速度高、接頭熱變形和熱影響區小、熔池形狀深寬比大、組織細、韌性好等優(you) 點。焊接時無機械接觸，有利於(yu) 實現在線質量監控和自動化生產(chan) ，經濟效益顯著。

激光焊接的應用領域

　　1、製造業(ye) 應用

　　激光拚焊(TailoredBlandLaserWelding)技術在國外轎車製造中得到廣泛的應用，據統計，2000年全球範圍內(nei) 剪裁坯板激光拚焊生產(chan) 線超過100條，年產(chan) 轎車構件拚焊坯板7000萬(wan) 件，並繼續以較高速度增長。國內(nei) 生產(chan) 的引進車型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板結構。日本以CO2激光焊代替了閃光對焊進行製鋼業(ye) 軋鋼卷材的連接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，無法熔焊，但通過有特殊輸出功率波形的YAG激光焊得以成功，顯示了激光焊的廣闊前途。日本還在世界上首次成功開發了將YAG激光焊用於(yu) 核反應堆中蒸氣發生器細管的維修等，在國內(nei) 蘇寶蓉等還進行了齒輪的激光焊接技術。

　　2、粉末冶金領域

　　隨著科學技術的不斷發展，許多工業(ye) 技術上對材料特殊要求，應用冶鑄方法製造的材料已不能滿足需要。由於(yu) 粉末冶金材料具有特殊的性能和製造優(you) 點，在某些領域如汽車、飛機、工具刃具製造業(ye) 中正在取代傳(chuan) 統的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發展，它與(yu) 其它零件的連接問題顯得日益突出，使粉末冶金材料的應用受到限製。在八十年代初期，激光焊以其獨特的優(you) 點進入粉末冶金材料加工領域，為(wei) 粉末冶金材料的應用開辟了新的前景，如采用粉末冶金材料連接中常用的釺焊的方法焊接金剛石，由於(yu) 結合強度低，熱影響區寬特別是不能適應高溫及強度要求高而引起釺料熔化脫落，采用激光焊接可以提高焊接強度以及耐高溫性能。

　　3、汽車工業(ye)

　　20世紀80年代後期，千瓦級激光成功應用於(yu) 工業(ye) 生產(chan) ，而今激光焊接生產(chan) 線已大規模出現在汽車製造業(ye) ，成為(wei) 汽車製造業(ye) 突出的成就之一。德國奧迪、奔馳、大眾(zhong) 、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車製造廠早在20世紀80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側(ce) 框等鈑金焊接，90年代美國通用、福特和克萊斯勒公司竟相將激光焊接引入汽車製造，盡管起步較晚，但發展很快。意大利菲亞(ya) 特在大多數鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產(chan) 、本田和豐(feng) 田汽車公司在製造車身覆蓋件中都使用了激光焊接和切割工藝，高強鋼激光焊接裝配件因其性能優(you) 良在汽車車身製造中使用得越來越多，根據美國金屬市場統計，至2002年底，激光焊接鋼結構的消耗將達到70000t比1998年增加3倍。根據汽車工業(ye) 批量大、自動化程度高的特點，激光焊接設備向大功率、多路式方向發展。在工藝方麵美國Sandia國家實驗室與(yu) PrattWitney#p#分頁標題#e#聯合進行在激光焊接過程中添加粉末金屬和金屬絲(si) 的研究，德國不萊梅應用光束技術研究所在使用激光焊接鋁合金車身骨架方麵進行了大量的研究，認為(wei) 在焊縫中添加填充餘(yu) 屬有助於(yu) 消除熱裂紋，提高焊接速度，解決(jue) 公差問題，開發的生產(chan) 線已在奔馳公司的工廠投入生產(chan) 。

　　4、電子工業(ye)

　　激光焊接在電子工業(ye) 中，特別是微電子工業(ye) 中得到了廣泛的應用。由於(yu) 激光焊接熱影響區小加熱集中迅速、熱應力低，因而正在集成電路和半導體(ti) 器件殼體(ti) 的封裝中，顯示出獨特的優(you) 越性，在真空器件研製中，激光焊接也得到了應用，如鉬聚焦極與(yu) 不鏽鋼支持環、快熱陰極燈絲(si) 組件等。傳(chuan) 感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05-0.1mm，采用傳(chuan) 統焊接方法難以解決(jue) ，TIG焊容易焊穿，等離子穩定性差，影響因素多而采用激光焊接效果很好，得到廣泛的應用。

　　5、生物醫學

　　生物組織的激光焊接始於(yu) 20世紀70年代，Klink等及jain[13]用激光焊接輸卵管和血管的成功焊接及顯示出來的優(you) 越性，使更多研究者嚐試焊接各種生物組織，並推廣到其他組織的焊接。有關(guan) 激光焊接神經方麵目前國內(nei) 外的研究主要集中在激光波長、劑量及其對功能恢複以及激光焊料的選擇等方麵的研究，劉銅軍(jun) 進行了激光焊接小血管及皮膚等基礎研究的基礎上又對大白鼠膽總管進行了焊接研究。激光焊接方法與(yu) 傳(chuan) 統的縫合方法比較，激光焊接具有吻合速度快，愈合過程中沒有異物反應，保持焊接部位的機械性質，被修複組織按其原生物力學性狀生長等優(you) 點將在以後的生物醫學中得到更廣泛的應用。

　　6、其他領域

　　在其他行業(ye) 中，激光焊接也逐漸增加特別是在特種材料焊接中國內(nei) 進行了許多研究，如對BT20鈦合金、HEl30合金、Li-ion電池等激光焊接，德國玻璃機械製造商GlamacoCoswig公司與(yu) IFW接合技術與(yu) 材料實驗研究院合作開發出了一種用於(yu) 平板玻璃的激光焊接新技術。

激光的最初中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞的頭一個(ge) 字母組成的縮寫(xie) 詞。意思是"通過受激發射光擴大"。激光的英文全名已完全表達了製造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學家錢學森建議將“光受激發射”改稱“激光”。

 激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體(ti) 之後，人類的又一重大發明，被稱為(wei) “最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度為(wei) 太陽光的50億(yi) 倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理學家愛因斯坦發現，但要直到 1958 年激光才被首次成功製造。激光是在有理論準備和生產(chan) 實踐迫切需要的背景下應運而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發展，激光的發展不僅(jin) 使古老的光學科學和光學技術獲得了新生，而且導致整個(ge) 一門新興(xing) 產(chan) 業(ye) 的 出現。激光可使人們(men) 有效地利用前所未有的先進方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從(cong) 而促進了生產(chan) 力的發展。

 激光是物質受激輻射產(chan) 生的光束，激光焊的焊接熱源是高能激光束。

 激光具有好的單色性、方向性、和高亮度。

1、單色性

激光的譜線寬度窄、波振麵形狀不隨時間變化，有良好的時間和空間相幹性，激光這一性質使其在檢測和通信領域得到了廣泛應用。#p#分頁標題#e#

2、方向性

方向性好意味著光束的發散角小。發散角小的激光，其束斑尺寸小，功率密度高，適合於(yu) 激光焊。高質量激光器輸出激光的發散角全角一般在（1~3）×10ˉ³rad，上述激光刻意進行遠離激光器的抵港進行激光焊操作。

3、高亮度

激光的高亮度表明激光的功率密度高，這正是材料激光焊所需要的。

激光的模式有縱模和橫模之分，通常所說的模式均值橫模。橫模代表諧振腔內(nei) 光波場的橫向分布規律（垂直於(yu) 光的傳(chuan) 播方向），時一個(ge) 重要的激光參數，對焊接效果有很大影響。橫模通常用TEMmn來表示，其中TEM代表橫電磁波，m、n為(wei) 垂直於(yu) 光傳(chuan) 播方向平麵上x、y兩(liang) 個(ge) 方向上的橫模序數。M或n的序數判斷，習(xi) 慣上以x、y方向上能量分布曲線中穀（節點）的個(ge) 數來決(jue) 定。m、n一般為(wei) 小正整數，有時稱他們(men) 為(wei) 階次。

（一）激光焊原理

激光焊接是激光加工材料加工技術應用的重要方麵之一。70年代主要用於(yu) 焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬於(yu) 熱傳(chuan) 導型，即激光輻射加熱工件表麵，表麵熱量通過熱傳(chuan) 導向內(nei) 部擴散，通過控製激光脈衝(chong) 的寬度、能量、峰值功率和重複頻率等參數，使工件熔化，形成特定的熔池。由於(yu) 激光焊接作為(wei) 一種高質量、高精度、低變形、高效率和高速度的焊接方法，隨著高功率CO2和高功率的YAG激光器以及光纖傳(chuan) 輸技術的完善、金屬鉬焊接聚束物鏡等的研製成功，使其在機械製造、航空航天、汽車工業(ye) 、粉末冶金、生物醫學微電子行業(ye) 等領域的應用越來越廣。

目前的研究主要集中於(yu) C02激光和YAG激光焊接各種金屬材料時的理論，包括激光誘發的等離子體(ti) 的分光、吸收、散射特性以及激光焊接智能化控製、複合焊接、激光焊接現象及小孔行為(wei) 、焊接缺陷發生機理與(yu) 防止方法等，並對鎳基耐熱合金、鋁合金及鎂合金的焊接性，焊接現象建模與(yu) 數值模擬，鋼鐵材料、銅、鋁合金與(yu) 異種材料的連接，激光接頭性能評價(jia) 等方麵做了一定的研究。

按激光器輸出能量方式的不同，激光焊分為(wei) 脈衝(chong) 激光焊和梁旭激光焊（包苦熬高頻脈衝(chong) 連續激光焊）；按激光聚焦後光斑上功率密度，激光焊可分為(wei) 傳(chuan) 熱焊和深熔焊。

1. 傳(chuan) 熱焊

采用的激光光斑功率密度小於(yu) 10⁵W/cm²時，激光將金屬表麵加熱到熔點與(yu) 沸點之間，焊接時，金屬材料表麵將所吸收的激光能轉變為(wei) 熱能，使金屬表麵溫度升高而熔化，然後通過熱傳(chuan) 導方式把熱能傳(chuan) 向金屬內(nei) 部，使熔化區逐漸擴大，凝固後形成焊點或焊縫，其熔深輪廓近似為(wei) 半球形。這種焊接機理稱為(wei) 傳(chuan) 熱焊，它類似於(yu) TIG電弧焊過程，如圖1(a)所示。

傳(chuan) 熱焊的主要特點是激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金屬表麵所反射，光的吸收率低，焊接熔深淺，焊接速度慢主要用於(yu) 薄（厚度＜1mm）、小零件的焊接加工

傳(chuan) 10

2、        深熔焊

當激光光斑上的功率密度足夠大時（≥10⁶W/cm²），金屬在激光的照射下被迅速加熱，其表麵溫度在極短的時間內(nei) （10^-8～10^-6s）升高到沸點，使金屬熔化和氣化。當金屬氣化時，所產(chan) 生的金屬蒸氣以一定的速度離開熔池，金屬蒸氣的逸出對熔化的液態金屬產(chan) 生一個(ge) 附加壓力（例如對於(yu) 鋁，p≈11MPa；對於(yu) 鋼，p≈5MPa），使熔池金屬表麵向下凹陷，在激光光斑下產(chan) 生一個(ge) 小凹坑〔圖1(b)〕。當光束在小孔底部繼續加熱氣化時，所產(chan) 生的金屬蒸氣一方麵壓迫坑底的液態金屬使小坑進一步加深，另一方麵，向坑外飛出的蒸氣將熔化的金屬擠向熔池四周。這個(ge) 過程進行下去，便在液態金屬中形成一個(ge) 細長的孔洞。當光束能量所產(chan) 生的金屬蒸氣的反衝(chong) 壓力與(yu) 液態金屬的表麵張力和重力平衡後，小孔不再繼續加深，形成一個(ge) 深度穩定的孔而進行焊接，因此稱之為(wei) 激光深熔焊〔圖1(b)〕。如果激光功率足夠大而材料相對較薄，激光焊形成的小孔貫穿整個(ge) 板厚且背麵可以收到部分激光，這種焊接方法也可稱之為(wei) 薄板激光小孔效應焊。從(cong) 機理上看，深熔焊和小孔效應焊的前提都是焊接過程中存在著小孔，二者沒有本質的區別。在能量平衡和物質流動平衡的條件下，可以對小孔穩定存在時產(chan) 生的一些現象進行分析。隻要光束有足夠高的功率密度，小孔總是可以形成的。小孔中充滿了被焊金屬在激光束連續照射下所產(chan) 生的金屬蒸氣及等離子體(ti) （圖#p#分頁標題#e#2）。這個(ge) 具有一定壓力的等離子體(ti) 還向工件表麵空間噴發，在小孔之上，形成一定範圍的等離子體(ti) 雲(yun) 。小孔周圍為(wei) 熔池所包圍，在熔化金屬的外麵是未熔化金屬及一部分凝固金屬，熔化金屬的重力和表麵張力有使小孔彌合的趨勢，而連續產(chan) 生的金屬蒸氣則力圖維持小孔的存在。在光束入射的地方，有物質連續逸出孔外，隨著光束的運動，小孔將隨著光束運動，但其形狀和尺寸卻是穩定。

用激光束作為(wei) 熱源的焊接方法。焊接時，將激光器發射的高功率密度(108～1012 瓦/厘米2 )的激光束聚縮成聚焦光束，用以轟擊工件表麵，產(chan) 生熱能，熔化工件(見圖 激光焊示意圖)。

    激光束是具有單一頻率的相幹光束，在發射中不產(chan) 生發散，可用透鏡聚縮為(wei) 一定大小的焦點(直徑為(wei) 0.076～0.8毫米)。小焦點激光束可用於(yu) 焊接﹑切割和打孔﹔大焦點激光束可用於(yu) 材料表麵熱處理。激光束可利用反射鏡任意變換方向，因而能焊接一般焊接方法無法接近的工件部位。如採用光導纖維引導激光束，則更能增加焊接的靈活性。激光器分固體(ti) 激光器和氣體(ti) 激光器。固體(ti) 激光器所用材料為(wei) 紅寶石﹑釹玻璃等。固體(ti) 激光器輸出能量小，約為(wei) 1～50焦耳，產(chan) 生脈衝(chong) 激光，其加熱脈衝(chong) 持續時間極短(小於(yu) 10毫秒)，因而焊點可小到幾十至幾百微米，焊接精度高，適於(yu) 0.5毫米以下厚度的金屬箔片的點焊﹑連續點焊或直徑0.6毫米以下的金屬絲(si) 的對接焊，固體(ti) 激光器廣泛用於(yu) 焊接微型﹑精密﹑排列密集﹑對受熱敏感的電子元件和儀(yi) 器部件。氣體(ti) 激光器所用材料為(wei) 二氧化碳或氬離子氣等，功率大(15～25000瓦)，可產(chan) 生連續激光，能進行連續焊接，可焊0.12～12毫米厚的低合金鋼﹑不鏽鋼﹑鎳﹑鈦﹑鋁等金屬及其合金。小功率二氧化碳激光器還可焊接石英﹑陶瓷﹑玻璃和塑料等非金屬材料。激光焊件質量高，有時超過電子束焊焊件的質量。激光焊機，特別是大功率激光焊機，成本高，效率甚低，一般隻達5～10％，最佳為(wei) 20％，穿透能力也不及電子束。但用激光束可在空氣中或保護氣體(ti) 中焊接，比電子束焊方便。l

（二）激光焊接的主要特性

與(yu) 其它傳(chuan) 統焊接技術相比，激光焊接的主要優(you) 點是：

1、速度快、深度大、變形小。

2、能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接設備裝置簡單。例如，激光通過電磁場，光束不會(hui) 偏移；激光在真空、空氣及某種氣體(ti) 環境中均能施焊，並能通過玻璃或對光束透明的材料進行焊接。

　　3、可焊接難熔材料如鈦、石英等，並能對異性材料施焊，效果良好。

　　4、激光聚焦後，功率密度高，在高功率器件焊接時，深寬比可達5：1，最高可達10：1。

　　5、可進行微型焊接。激光束經聚焦後可獲得很小的光斑，且能精確定位，可應用於(yu) 大批量自動化生產(chan) 的微、小型工件的組焊中。

　　6、可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來，在YAG激光加工技術中采用了光纖傳(chuan) 輸技術，使激光焊接技術獲得了更為(wei) 廣泛的推廣和應用。

　　7、激光束易實現光束按時間與(yu) 空間分光，能進行多光束同時加工及多工位加工，為(wei) 更精密的焊接提供了條件。

　　但是，激光焊接也存在著一定的局限性：

　　1、要求焊件裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移。這是因為(wei) 激光聚焦後光斑尺雨寸小，焊縫窄，為(wei) 加填充金屬材料。若工件裝配精度或光束定位精度達不到要求，很容易造成焊接缺憾。

　　2、激光器及其相關(guan) 係統的成本較高，一次性投資較大。二、激光焊接熱傳(chuan) 導。

激光焊接是將高強度的激光束輻射至金屬表麵，通過激光與(yu) 金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。在激光與(yu) 金屬的相互作用過程中，金屬熔化僅(jin) 為(wei) 其中一種物理現象。有時光能並非主要轉化為(wei) 金屬熔化，而以其它形式表現出來，如汽化、等離子體(ti) 形成等。然而，要實現良好的熔融焊接，必須使金屬熔化成為(wei) 能量轉換的主要形式。為(wei) 此，必須了解激光與(yu) 金屬相互作用中所產(chan) 生的各種物理現象以及這些物理現象與(yu) 激光參數的關(guan) 係，從(cong) 而通過控製激光參數，使激光能量絕大部分轉化為(wei) 金屬熔化的能量，達到焊接的目的。

（三） 激光焊焊接過程中的幾種效應

（1）激光焊焊接過程中的等離子體(ti)

①等離子體(ti) 的形成 在高功率密度條件下進行激光加工時會(hui) 出現等離子體(ti) 。等離子體(ti) 的產(chan) 生是物質原子或分工受能量激發電離的結果，任何物質在接收外界能量而溫度升高時，原子或分子受能量（光能、熱能、電場能等）的激發都會(hui) 產(chan) 生電離，從(cong) 而形成由自由運動的電子、帶正電的離子和中性原子組成的等離子體(ti) 。等離子體(ti) 通常稱為(wei) 物質的第四態，在宏觀上保持電中性狀態。激光焊時，形成等離子體(ti) 的前提是材料被加熱至氣化。

金屬被激光加熱氣化後，在熔池上方形成高溫金屬蒸氣。金屬蒸氣中有一定的自由電子。處在激光輻照區的自由電子通過逆韌致輻射吸收能量而被加速，直到其有足夠的能量來碰撞、電離金屬蒸氣和周圍氣體(ti) ，電子密度從(cong) 而雪崩式地增加。這個(ge) 過程可以近似地用微波加熱和產(chan) 生等離子體(ti) 的經典模型來描述。

在10⁷W/cm#p#分頁標題#e#²的功率下，平均電子能量隨輻照時間的加長急劇增加到一個(ge) 常值（約1cV）。在這個(ge) 電子能量下，電離速率占有優(you) 勢，產(chan) 生雪崩式電離，電子密度急劇上升。電子密度最後達到的數值與(yu) 複合速率有關(guan) ，也與(yu) 保護氣體(ti) 有關(guan) 。

激光加工過程中的等離子體(ti) 主要為(wei) 金屬蒸氣的等離子體(ti) ，這是因為(wei) 金屬材料的電離能低於(yu) 保護氣體(ti) 的電離能，金屬蒸氣較周圍氣體(ti) 易於(yu) 電離。如果激光功率密度很高，而周圍氣體(ti) 流動不充分時，也可能使周圍氣體(ti) 離解而形成等離子體(ti) 。

②等離子體(ti) 的行為(wei)  高功率激光深熔焊時，位於(yu) 熔池上方的等離子體(ti) 會(hui) 引起光的吸收和散射，改變焦點位置，降低激光功率和熱源的集中程度，可影響焊接過程。

等離子體(ti) 通過逆韌致輻射吸收激光能量，逆韌致輻射是等離子體(ti) 吸收激光能量的重要機製，是由於(yu) 電子和離子之間的碰撞所引起的。簡單地說就是：在激光場中，高頻率振蕩的電子在和郭碰撞時，會(hui) 將其相應的振動能變成無規則運動能，結果激光能量變成等離子體(ti) 熱運動的能量，激光能量被等離子體(ti) 吸收。

等離子體(ti) 對激光的吸收率與(yu) 電子密度和蒸氣密度成正比，隨激光功率密度和作用時間的增長而增加，並與(yu) 波長的平方成正比。同樣的等離子體(ti) ，對波長10.6μm的CO₂激光焊的吸收率比對波長1.06μm的YAG激光的吸收高兩(liang) 個(ge) 數量級。由於(yu) 吸收率不同，不同波長的激光產(chan) 生等離子體(ti) 所需的功率密度閾值也不同。YAG激光產(chan) 生等離子體(ti) 閾值功率密度比CO₂激光的高出約兩(liang) 個(ge) 數量級。也就是說，用CO₂激光進行加工時，易產(chan) 生等離子體(ti) 並受其影響，而用YAG激光加工，等離子體(ti) 的影響則較小。

激光通過等離子體(ti) 時，改變了吸收和聚焦條件，有時會(hui) 出現激光束的自聚焦現象。等離子體(ti) 吸收的光能可以通過不同渠道傳(chuan) 至工件。如果等離子體(ti) 傳(chuan) 至工件的能量大於(yu) 等離子體(ti) 吸收所造成工件接收光能的損失，則等離子體(ti) 反而增強了工件對激光能量的吸收，這時，等離子體(ti) 也可看作是一個(ge) 熱源。

激光功率密度處於(yu) 形成等離子體(ti) 的閾值附近時，較稀薄的等離子體(ti) 雲(yun) 集於(yu) 工件表麵，工件通過等離子體(ti) 吸收能量〔圖3(a)〕，當材料氣化和形成的等離子體(ti) 雲(yun) 濃度形成穩定的平成所謂激光維持的吸收波。在這種情形中，會(hui) 出現等離子體(ti) 的形成和消失的周期性振蕩〔圖3(b)〕。這種激光維持的吸收波，容易在激光焊接過程中出現，必須加以抑製。

進一步加大激光功率密度（I>10⁷W/cm²），激光加工區周圍的氣體(ti) 可能被擊穿。激光穿過純氣體(ti) ，將氣體(ti) 擊穿所需功率密度一般大於(yu) 10⁹W/cm²。但在激光作用的材料附近，存在一些物質的初始電離，原始電子密度較大，擊穿氣體(ti) 所需功率密度可下降約兩(liang) 個(ge) 數量級。擊穿各種氣體(ti) 所需功率密度大小與(yu) 氣體(ti) 導熱性、解離能和電離能有關(guan) 。氣體(ti) 的導熱性越好，能量的傳(chuan) 熱導損失越大，等離子體(ti) 的維持閾值越高，在聚焦狀態下就意味著等離子體(ti) 高度越低，越不容易出現等離子體(ti) 屏蔽。對於(yu) 電離能較低的氬氣，氣體(ti) 流動狀況不好時，在略高於(yu) 10⁶W/cm²的功率下也可能出現擊穿現象。

氣體(ti) 擊穿所形成的等離子體(ti) ，其溫度、壓力、傳(chuan) 播速度和對激光的吸收率都很大，形成所謂激光維持的爆發波，它完全、持續地阻斷激光向工件地傳(chuan) 播。一般在采用連續CO₂激光進行加工時，其功率密度均應小於(yu) 10⁷W/cm²。

（2）壁聚焦效應 激光深熔焊時，當小孔形成以後，激光束將進入小孔。當光束與(yu) 小孔壁相互作用時，入射激光並不能全部被吸收，有一部分將由孔壁反射在小孔某處重新匯聚起來，這一現象稱為(wei) 壁聚焦效應。壁聚焦效應地產(chan) 生，可使激光在小孔內(nei) 部維持較高的功率密度，進一步加熱熔化材料。對於(yu) 激光焊接過程，重要的是激光在小孔底部的剩餘(yu) 功率密度，它必須足夠高，以維持孔底有足夠高的溫度，產(chan) 生必要的氣化壓力，維持一定深度的小孔。

小孔效應的產(chan) 生和壁聚焦效應的出現，能大大地改變激光與(yu) 物質的相互作用過程，當光束進入小孔後，小孔相當於(yu) 一個(ge) 吸光的黑體(ti) ，使能量的吸收率大大增加。

（3）淨化效應#p#分頁標題#e# 淨化效應是指CO₂激光焊時，焊縫金屬有害物質減少或夾雜物減少的現象。

產(chan) 生淨化效應原因是：有害物質在鋼中可以有兩(liang) 種形式存在──夾雜物或直接固溶在基體(ti) 中。當這些元素以非金屬夾雜物存在時，在激光焊時將產(chan) 生下列作用：對於(yu) 波長為(wei) 10.6μm的CO₂激光，非金屬的吸收率遠遠大於(yu) 金屬，當非金屬和金屬同時受到激光照射時，非金屬將吸收較多的激光使其溫度迅速上升而氣化。當這些元素固溶在金屬基體(ti) 時，由於(yu) 這些非金屬元素的沸點低，蒸氣壓高，它們(men) 會(hui) 從(cong) 熔池中蒸發出來。上述兩(liang) 種作用的總效果是焊縫中的有害元素減少，這對金屬的性能，特別是塑性和韌性，有很大好處。當然，激光焊淨化效應產(chan) 生的前提必須是對焊接區加以有效地保護，使之不受大氣等的汙染。

（四）激光焊工藝參數

(1)功率密度。功率密度是激光加工中最關(guan) 鍵的參數之一。采用較高的功率密度，在微秒時間範圍內(nei) ，表層即可加熱至沸點，產(chan) 生大量汽化。因此，高功率密度對於(yu) 材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對於(yu) 較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經曆數毫秒，在表層汽化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳(chuan) 導型激光焊接中，功率密度在範圍在10^4~10^6W/CM^2。

　　(2)激光脈衝(chong) 波形。激光脈衝(chong) 波形在激光焊接中是一個(ge) 重要問題，尤其對於(yu) 薄片焊接更為(wei) 重要。當高強度激光束射至材料表麵，金屬表麵將會(hui) 有60~98%的激光能量反射而損失掉，且反射率隨表麵溫度變化。在一個(ge) 激光脈衝(chong) 作用期間內(nei) ，金屬反射率的變化很大。

　　(3)激光脈衝(chong) 寬度。脈寬是脈衝(chong) 激光焊接的重要參數之一，它既是區別於(yu) 材料去除和材料熔化的重要參數，也是決(jue) 定加工設備造價(jia) 及體(ti) 積的關(guan) 鍵參數。

　　(4)離焦量對焊接質量的影響。激光焊接通常需要一定的離做文章一，因為(wei) 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麵上，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩(liang) 種：正離焦與(yu) 負離焦。焦平麵位於(yu) 工件上方為(wei) 正離焦，反之為(wei) 負離焦。按幾何光學理論，當正負離焦平麵與(yu) 焊接平麵距離相等時，所對應平麵上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀不同。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與(yu) 熔池的形成過程有關(guan) 。實驗表明，激光加熱50~200us材料開始熔化，形成液相金屬並出現問分汽化，形成市壓蒸汽，並以極高的速度噴射，發出耀眼的白光。與(yu) 此同時，高濃度汽體(ti) 使液相金屬運動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當負離焦時，材料內(nei) 部功率密度比表麵還高，易形成更強的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳(chuan) 遞。所以在實際應用中，當要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。

激光焊國內(nei) 外發展狀況

　　20世紀80年代中期，激光焊接作為(wei) 新技術在歐洲、美國、日本得到了廣泛的關(guan) 注。1985年德國蒂森鋼鐵公司與(yu) 德國大眾(zhong) 汽車公司合作，在Audi100車身上成功采用了全球第一塊激光拚焊板。90年代歐洲、北美、日本各大汽車生產(chan) 廠開始在車身製造中大規模使用激光拚焊板技術。目前，無論實驗室還是汽車製造廠的實踐經驗，均證明了拚焊板可以成功地應用於(yu) 汽車車身的製造。

　　激光拚焊是采用激光能源，將若幹不同材質、不同厚度、不同塗層的鋼材、不鏽鋼材、鋁合金材等進行自動拚合和焊接而形成一塊整體(ti) 板材、型材、夾芯板等，以滿足零部件對材料性能的不同要求，用最輕的重量、最優(you) 結構和最佳性能實現裝備輕量化。在歐美等發達國家，激光拚焊不僅(jin) 在交通運輸裝備製造業(ye) 中被使用，還在建築業(ye) 、橋梁、家電板材焊接生產(chan) 、軋鋼線鋼板焊接（連續軋製中的鋼板連接）等領域中被大量使用。

　　世界著名的激光焊接企業(ye) 有瑞士Soudonic#p#分頁標題#e#公司、法國阿賽洛鋼鐵集團、德國蒂森克虜伯集團TWB公司、加拿大Servo-Robot公司、德國Precitec公司等。

　　中國的激光拚焊板技術應用剛剛起步，2002年10月25日，中國第一條激光拚焊板專(zhuan) 業(ye) 化商業(ye) 生產(chan) 線正式投入運行，由武漢蒂森克虜伯中人激光拚焊從(cong) 德國蒂森克虜伯集團TWB公司引進。此後上海寶鋼阿賽洛激光拚焊公司、一汽寶友激光拚焊有限公司等相繼投產(chan) 。

　　2003年由華工激光提供的國內(nei) 首台大型帶材在線式焊接成套設備通過離線驗收。該設備集激光切割、焊接和熱處理於(yu) 一身，使我國華工激光成為(wei) 世界上第四家能夠生產(chan) 此類設備的企業(ye) 。

　　2004年華工激光“高功率激光切割,焊接及切焊組合加工技術與(yu) 設備”項目獲得國家科學技術進步二等獎,成為(wei) 國內(nei) 目前唯一具備該項技術與(yu) 設備研製能力的激光企業(ye) 。

　　中科院沈陽自動化研究所與(yu) 日本石川島播磨重工株式會(hui) 社進行國際合作，遵循國家引進消化後再創新的科技發展戰略，攻克激光拚焊若幹個(ge) 關(guan) 鍵技術，於(yu) 2006年9月開發出國內(nei) 第一套激光拚焊成套生產(chan) 線，並成功開發了機器人激光焊接係統，實現了平麵和空間曲線的激光

激光焊接的主要優(you) 點

　　（1）可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區金相變化範圍小，且因熱傳(chuan) 導所導致的變形亦最低。

　　（2）32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數業(ye) 經檢定合格，可降低厚板焊接所需的時間甚至可省掉填料金屬的使用。

　　（3）不需使用電極，沒有電極汙染或受損的顧慮。且因不屬於(yu) 接觸式焊接製程，機具的耗損及變形接可降至最低。

　　（4）激光束易於(yu) 聚焦、對準及受光學儀(yi) 器所導引，可放置在離工件適當之距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導引，其他焊接法則因受到上述的空間限製而無法發揮。

　　（5）工件可放置在封閉的空間（經抽真空或內(nei) 部氣體(ti) 環境在控製下）。

　　（6）激光束可聚焦在很小的區域，可焊接小型且間隔相近的部件，

　　（7）可焊材質種類範圍大，亦可相互接合各種異質材料。

　　（8）易於(yu) 以自動化進行高速焊接，亦可以數位或電腦控製。#p#分頁標題#e#

　　（9）焊接薄材或細徑線材時，不會(hui) 像電弧焊接般易有回熔的困擾。

　　（10）不受磁場所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），能精確的對準焊件。

　　（11）可焊接不同物性（如不同電阻）的兩(liang) 種金屬

　　（12）不需真空，亦不需做X射線防護。

　　（13）若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達10:1

　　（14）可以切換裝置將激光束傳(chuan) 送至多個(ge) 工作站。

激光焊接的主要缺點

　　（1）焊件位置需非常精確，務必在激光束的聚焦範圍內(nei) 。

　　（2）焊件需使用夾治具時，必須確保焊件的最終位置需與(yu) 激光束將衝(chong) 擊的焊點對準。

　　（3）最大可焊厚度受到限製滲透厚度遠超過19mm的工件，生產(chan) 線上不適合使用激光焊接。

　　（4）高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會(hui) 受激光所改變。

　　（5）當進行中能量至高能量的激光束焊接時，需使用等離子控製器將熔池周圍的離子化氣體(ti) 驅除，以確保焊道的再出現。

　　（6）能量轉換效率太低，通常低於(yu) 10%。

　　（7）焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮。

　　（8）設備昂貴。