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一、緒論

激光焊以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產(chǎn)生的熱量進(jìn)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(qū)小、熔池形狀深寬比大、組織細(xì)、韌性好等優(yōu)點(diǎn)。焊接時(shí)無機(jī)械接觸，有利于實(shí)現(xiàn)在線質(zhì)量監(jiān)控和自動(dòng)化生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

激光焊接的應(yīng)用領(lǐng)域

　　1、制造業(yè)應(yīng)用

　　激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技術(shù)在國外轎車制造中得到廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過100條，年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板7000萬件，并繼續(xù)以較高速度增長。國內(nèi)生產(chǎn)的引進(jìn)車型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板結(jié)構(gòu)。日本以CO2激光焊代替了閃光對(duì)焊進(jìn)行制鋼業(yè)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(fā)了將YAG激光焊用于核反應(yīng)堆中蒸氣發(fā)生器細(xì)管的維修等，在國內(nèi)蘇寶蓉等還進(jìn)行了齒輪的激光焊接技術(shù)。

　　2、粉末冶金領(lǐng)域

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多工業(yè)技術(shù)上對(duì)材料特殊要求，應(yīng)用冶鑄方法制造的材料已不能滿足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優(yōu)點(diǎn)，在某些領(lǐng)域如汽車、飛機(jī)、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)展，它與其它零件的連接問題顯得日益突出，使粉末冶金材料的應(yīng)用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入粉末冶金材料加工領(lǐng)域，為粉末冶金材料的應(yīng)用開辟了新的前景，如采用粉末冶金材料連接中常用的釬焊的方法焊接金剛石，由于結(jié)合強(qiáng)度低，熱影響區(qū)寬特別是不能適應(yīng)高溫及強(qiáng)度要求高而引起釬料熔化脫落，采用激光焊接可以提高焊接強(qiáng)度以及耐高溫性能。

　　3、汽車工業(yè)

　　20世紀(jì)80年代后期，千瓦級(jí)激光成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，而今激光焊接生產(chǎn)線已大規(guī)模出現(xiàn)在汽車制造業(yè)，成為汽車制造業(yè)突出的成就之一。德國奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀(jì)80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側(cè)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制造，盡管起步較晚，但發(fā)展很快。意大利菲亞特在大多數(shù)鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產(chǎn)、本田和豐田汽車公司在制造車身覆蓋件中都使用了激光焊接和切割工藝，高強(qiáng)鋼激光焊接裝配件因其性能優(yōu)良在汽車車身制造中使用得越來越多，根據(jù)美國金屬市場統(tǒng)計(jì)，至2002年底，激光焊接鋼結(jié)構(gòu)的消耗將達(dá)到70000t比1998年增加3倍。根據(jù)汽車工業(yè)批量大、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，激光焊接設(shè)備向大功率、多路式方向發(fā)展。在工藝方面美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室與PrattWitney#p#分頁標(biāo)題#e#聯(lián)合進(jìn)行在激光焊接過程中添加粉末金屬和金屬絲的研究，德國不萊梅應(yīng)用光束技術(shù)研究所在使用激光焊接鋁合金車身骨架方面進(jìn)行了大量的研究，認(rèn)為在焊縫中添加填充余屬有助于消除熱裂紋，提高焊接速度，解決公差問題，開發(fā)的生產(chǎn)線已在奔馳公司的工廠投入生產(chǎn)。

　　4、電子工業(yè)

　　激光焊接在電子工業(yè)中，特別是微電子工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于激光焊接熱影響區(qū)小加熱集中迅速、熱應(yīng)力低，因而正在集成電路和半導(dǎo)體器件殼體的封裝中，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了應(yīng)用，如鉬聚焦極與不銹鋼支持環(huán)、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05-0.1mm，采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩(wěn)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(yīng)用。

　　5、生物醫(yī)學(xué)

　　生物組織的激光焊接始于20世紀(jì)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(yōu)越性，使更多研究者嘗試焊接各種生物組織，并推廣到其他組織的焊接。有關(guān)激光焊接神經(jīng)方面目前國內(nèi)外的研究主要集中在激光波長、劑量及其對(duì)功能恢復(fù)以及激光焊料的選擇等方面的研究，劉銅軍進(jìn)行了激光焊接小血管及皮膚等基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上又對(duì)大白鼠膽總管進(jìn)行了焊接研究。激光焊接方法與傳統(tǒng)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(yīng)，保持焊接部位的機(jī)械性質(zhì)，被修復(fù)組織按其原生物力學(xué)性狀生長等優(yōu)點(diǎn)將在以后的生物醫(yī)學(xué)中得到更廣泛的應(yīng)用。

　　6、其他領(lǐng)域

　　在其他行業(yè)中，激光焊接也逐漸增加特別是在特種材料焊接中國內(nèi)進(jìn)行了許多研究，如對(duì)BT20鈦合金、HEl30合金、Li-ion電池等激光焊接，德國玻璃機(jī)械制造商GlamacoCoswig公司與IFW接合技術(shù)與材料實(shí)驗(yàn)研究院合作開發(fā)出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術(shù)。

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(gè)字母組成的縮寫詞。意思是"通過受激發(fā)射光擴(kuò)大"。激光的英文全名已完全表達(dá)了制造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。

 激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度為太陽光的50億倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個(gè)一門新興產(chǎn)業(yè)的 出現(xiàn)。激光可使人們有效地利用前所未有的先進(jìn)方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從而促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。

 激光是物質(zhì)受激輻射產(chǎn)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、波振面形狀不隨時(shí)間變化，有良好的時(shí)間和空間相干性，激光這一性質(zhì)使其在檢測和通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。#p#分頁標(biāo)題#e#

2、方向性

方向性好意味著光束的發(fā)散角小。發(fā)散角小的激光，其束斑尺寸小，功率密度高，適合于激光焊。高質(zhì)量激光器輸出激光的發(fā)散角全角一般在（1~3）×10ˉ³rad，上述激光刻意進(jìn)行遠(yuǎn)離激光器的抵港進(jìn)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(nèi)光波場的橫向分布規(guī)律（垂直于光的傳播方向），時(shí)一個(gè)重要的激光參數(shù)，對(duì)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為垂直于光傳播方向平面上x、y兩個(gè)方向上的橫模序數(shù)。M或n的序數(shù)判斷，習(xí)慣上以x、y方向上能量分布曲線中谷（節(jié)點(diǎn)）的個(gè)數(shù)來決定。m、n一般為小正整數(shù)，有時(shí)稱他們?yōu)殡A次。

（一）激光焊原理

激光焊接是激光加工材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬于熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于激光焊接作為一種高質(zhì)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激光器以及光纖傳輸技術(shù)的完善、金屬鉬焊接聚束物鏡等的研制成功，使其在機(jī)械制造、航空航天、汽車工業(yè)、粉末冶金、生物醫(yī)學(xué)微電子行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。

目前的研究主要集中于C02激光和YAG激光焊接各種金屬材料時(shí)的理論，包括激光誘發(fā)的等離子體的分光、吸收、散射特性以及激光焊接智能化控制、復(fù)合焊接、激光焊接現(xiàn)象及小孔行為、焊接缺陷發(fā)生機(jī)理與防止方法等，并對(duì)鎳基耐熱合金、鋁合金及鎂合金的焊接性，焊接現(xiàn)象建模與數(shù)值模擬，鋼鐵材料、銅、鋁合金與異種材料的連接，激光接頭性能評(píng)價(jià)等方面做了一定的研究。

按激光器輸出能量方式的不同，激光焊分為脈沖激光焊和梁旭激光焊（包苦熬高頻脈沖連續(xù)激光焊）；按激光聚焦后光斑上功率密度，激光焊可分為傳熱焊和深熔焊。

1. 傳熱焊

采用的激光光斑功率密度小于10⁵W/cm²時(shí)，激光將金屬表面加熱到熔點(diǎn)與沸點(diǎn)之間，焊接時(shí)，金屬材料表面將所吸收的激光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽菇饘俦砻鏈囟壬叨刍?，然后通過熱傳導(dǎo)方式把熱能傳向金屬內(nèi)部，使熔化區(qū)逐漸擴(kuò)大，凝固后形成焊點(diǎn)或焊縫，其熔深輪廓近似為半球形。這種焊接機(jī)理稱為傳熱焊，它類似于TIG電弧焊過程，如圖1(a)所示。

傳熱焊的主要特點(diǎn)是激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金屬表面所反射，光的吸收率低，焊接熔深淺，焊接速度慢主要用于薄（厚度＜1mm）、小零件的焊接加工

傳10

2、        深熔焊

當(dāng)激光光斑上的功率密度足夠大時(shí)（≥10⁶W/cm²），金屬在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時(shí)間內(nèi)（10^-8～10^-6s）升高到沸點(diǎn)，使金屬熔化和氣化。當(dāng)金屬氣化時(shí)，所產(chǎn)生的金屬蒸氣以一定的速度離開熔池，金屬蒸氣的逸出對(duì)熔化的液態(tài)金屬產(chǎn)生一個(gè)附加壓力（例如對(duì)于鋁，p≈11MPa；對(duì)于鋼，p≈5MPa），使熔池金屬表面向下凹陷，在激光光斑下產(chǎn)生一個(gè)小凹坑〔圖1(b)〕。當(dāng)光束在小孔底部繼續(xù)加熱氣化時(shí)，所產(chǎn)生的金屬蒸氣一方面壓迫坑底的液態(tài)金屬使小坑進(jìn)一步加深，另一方面，向坑外飛出的蒸氣將熔化的金屬擠向熔池四周。這個(gè)過程進(jìn)行下去，便在液態(tài)金屬中形成一個(gè)細(xì)長的孔洞。當(dāng)光束能量所產(chǎn)生的金屬蒸氣的反沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再繼續(xù)加深，形成一個(gè)深度穩(wěn)定的孔而進(jìn)行焊接，因此稱之為激光深熔焊〔圖1(b)〕。如果激光功率足夠大而材料相對(duì)較薄，激光焊形成的小孔貫穿整個(gè)板厚且背面可以收到部分激光，這種焊接方法也可稱之為薄板激光小孔效應(yīng)焊。從機(jī)理上看，深熔焊和小孔效應(yīng)焊的前提都是焊接過程中存在著小孔，二者沒有本質(zhì)的區(qū)別。在能量平衡和物質(zhì)流動(dòng)平衡的條件下，可以對(duì)小孔穩(wěn)定存在時(shí)產(chǎn)生的一些現(xiàn)象進(jìn)行分析。只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(xù)照射下所產(chǎn)生的金屬蒸氣及等離子體（圖#p#分頁標(biāo)題#e#2）。這個(gè)具有一定壓力的等離子體還向工件表面空間噴發(fā)，在小孔之上，形成一定范圍的等離子體云。小孔周圍為熔池所包圍，在熔化金屬的外面是未熔化金屬及一部分凝固金屬，熔化金屬的重力和表面張力有使小孔彌合的趨勢，而連續(xù)產(chǎn)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(zhì)連續(xù)逸出孔外，隨著光束的運(yùn)動(dòng)，小孔將隨著光束運(yùn)動(dòng)，但其形狀和尺寸卻是穩(wěn)定。

用激光束作為熱源的焊接方法。焊接時(shí)，將激光器發(fā)射的高功率密度(108～1012 瓦/厘米2 )的激光束聚縮成聚焦光束，用以轟擊工件表面，產(chǎn)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干光束，在發(fā)射中不產(chǎn)生發(fā)散，可用透鏡聚縮為一定大小的焦點(diǎn)(直徑為 0.076～0.8毫米)。小焦點(diǎn)激光束可用於焊接﹑切割和打孔﹔大焦點(diǎn)激光束可用於材料表面熱處理。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(dǎo)纖維引導(dǎo)激光束，則更能增加焊接的靈活性。激光器分固體激光器和氣體激光器。固體激光器所用材料為紅寶石﹑釹玻璃等。固體激光器輸出能量小，約為1～50焦耳，產(chǎn)生脈衝激光，其加熱脈衝持續(xù)時(shí)間極短(小於10毫秒)，因而焊點(diǎn)可小到幾十至幾百微米，焊接精度高，適於0.5毫米以下厚度的金屬箔片的點(diǎn)焊﹑連續(xù)點(diǎn)焊或直徑0.6毫米以下的金屬絲的對(duì)接焊，固體激光器廣泛用於焊接微型﹑精密﹑排列密集﹑對(duì)受熱敏感的電子元件和儀器部件。氣體激光器所用材料為二氧化碳或氬離子氣等，功率大(15～25000瓦)，可產(chǎn)生連續(xù)激光，能進(jìn)行連續(xù)焊接，可焊0.12～12毫米厚的低合金鋼﹑不銹鋼﹑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(zhì)量高，有時(shí)超過電子束焊焊件的質(zhì)量。激光焊機(jī)，特別是大功率激光焊機(jī)，成本高，效率甚低，一般只達(dá)5～10％，最佳為20％，穿透能力也不及電子束。但用激光束可在空氣中或保護(hù)氣體中焊接，比電子束焊方便。l

（二）激光焊接的主要特性

與其它傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是：

1、速度快、深度大、變形小。

2、能在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備裝置簡單。例如，激光通過電磁場，光束不會(huì)偏移；激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能施焊，并能通過玻璃或?qū)馐该鞯牟牧线M(jìn)行焊接。

　　3、可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對(duì)異性材料施焊，效果良好。

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

　　5、可進(jìn)行微型焊接。激光束經(jīng)聚焦后可獲得很小的光斑，且能精確定位，可應(yīng)用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)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(yuǎn)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(shù)中采用了光纖傳輸技術(shù)，使激光焊接技術(shù)獲得了更為廣泛的推廣和應(yīng)用。

　　7、激光束易實(shí)現(xiàn)光束按時(shí)間與空間分光，能進(jìn)行多光束同時(shí)加工及多工位加工，為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?yàn)榧す饩劢购蠊獍叱哂甏缧。缚p窄，為加填充金屬材料。若工件裝配精度或光束定位精度達(dá)不到要求，很容易造成焊接缺憾。

　　2、激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本較高，一次性投資較大。二、激光焊接熱傳導(dǎo)。

激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。在激光與金屬的相互作用過程中，金屬熔化僅為其中一種物理現(xiàn)象。有時(shí)光能并非主要轉(zhuǎn)化為金屬熔化，而以其它形式表現(xiàn)出來，如汽化、等離子體形成等。然而，要實(shí)現(xiàn)良好的熔融焊接，必須使金屬熔化成為能量轉(zhuǎn)換的主要形式。為此，必須了解激光與金屬相互作用中所產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象以及這些物理現(xiàn)象與激光參數(shù)的關(guān)系，從而通過控制激光參數(shù)，使激光能量絕大部分轉(zhuǎn)化為金屬熔化的能量，達(dá)到焊接的目的。

（三） 激光焊焊接過程中的幾種效應(yīng)

（1）激光焊焊接過程中的等離子體

①等離子體的形成 在高功率密度條件下進(jìn)行激光加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)等離子體。等離子體的產(chǎn)生是物質(zhì)原子或分工受能量激發(fā)電離的結(jié)果，任何物質(zhì)在接收外界能量而溫度升高時(shí)，原子或分子受能量（光能、熱能、電場能等）的激發(fā)都會(huì)產(chǎn)生電離，從而形成由自由運(yùn)動(dòng)的電子、帶正電的離子和中性原子組成的等離子體。等離子體通常稱為物質(zhì)的第四態(tài)，在宏觀上保持電中性狀態(tài)。激光焊時(shí)，形成等離子體的前提是材料被加熱至氣化。

金屬被激光加熱氣化后，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(qū)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，電子密度從而雪崩式地增加。這個(gè)過程可以近似地用微波加熱和產(chǎn)生等離子體的經(jīng)典模型來描述。

在10⁷W/cm#p#分頁標(biāo)題#e#²的功率下，平均電子能量隨輻照時(shí)間的加長急劇增加到一個(gè)常值（約1cV）。在這個(gè)電子能量下，電離速率占有優(yōu)勢，產(chǎn)生雪崩式電離，電子密度急劇上升。電子密度最后達(dá)到的數(shù)值與復(fù)合速率有關(guān)，也與保護(hù)氣體有關(guān)。

激光加工過程中的等離子體主要為金屬蒸氣的等離子體，這是因?yàn)榻饘俨牧系碾婋x能低于保護(hù)氣體的電離能，金屬蒸氣較周圍氣體易于電離。如果激光功率密度很高，而周圍氣體流動(dòng)不充分時(shí)，也可能使周圍氣體離解而形成等離子體。

②等離子體的行為 高功率激光深熔焊時(shí)，位于熔池上方的等離子體會(huì)引起光的吸收和散射，改變焦點(diǎn)位置，降低激光功率和熱源的集中程度，可影響焊接過程。

等離子體通過逆韌致輻射吸收激光能量，逆韌致輻射是等離子體吸收激光能量的重要機(jī)制，是由于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(shí)，會(huì)將其相應(yīng)的振動(dòng)能變成無規(guī)則運(yùn)動(dòng)能，結(jié)果激光能量變成等離子體熱運(yùn)動(dòng)的能量，激光能量被等離子體吸收。

等離子體對(duì)激光的吸收率與電子密度和蒸氣密度成正比，隨激光功率密度和作用時(shí)間的增長而增加，并與波長的平方成正比。同樣的等離子體，對(duì)波長10.6μm的CO₂激光焊的吸收率比對(duì)波長1.06μm的YAG激光的吸收高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。由于吸收率不同，不同波長的激光產(chǎn)生等離子體所需的功率密度閾值也不同。YAG激光產(chǎn)生等離子體閾值功率密度比CO₂激光的高出約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。也就是說，用CO₂激光進(jìn)行加工時(shí)，易產(chǎn)生等離子體并受其影響，而用YAG激光加工，等離子體的影響則較小。

激光通過等離子體時(shí)，改變了吸收和聚焦條件，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)激光束的自聚焦現(xiàn)象。等離子體吸收的光能可以通過不同渠道傳至工件。如果等離子體傳至工件的能量大于等離子體吸收所造成工件接收光能的損失，則等離子體反而增強(qiáng)了工件對(duì)激光能量的吸收，這時(shí)，等離子體也可看作是一個(gè)熱源。

激光功率密度處于形成等離子體的閾值附近時(shí)，較稀薄的等離子體云集于工件表面，工件通過等離子體吸收能量〔圖3(a)〕，當(dāng)材料氣化和形成的等離子體云濃度形成穩(wěn)定的平成所謂激光維持的吸收波。在這種情形中，會(huì)出現(xiàn)等離子體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(xiàn)，必須加以抑制。

進(jìn)一步加大激光功率密度（I>10⁷W/cm²），激光加工區(qū)周圍的氣體可能被擊穿。激光穿過純氣體，將氣體擊穿所需功率密度一般大于10⁹W/cm²。但在激光作用的材料附近，存在一些物質(zhì)的初始電離，原始電子密度較大，擊穿氣體所需功率密度可下降約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。擊穿各種氣體所需功率密度大小與氣體導(dǎo)熱性、解離能和電離能有關(guān)。氣體的導(dǎo)熱性越好，能量的傳熱導(dǎo)損失越大，等離子體的維持閾值越高，在聚焦?fàn)顟B(tài)下就意味著等離子體高度越低，越不容易出現(xiàn)等離子體屏蔽。對(duì)于電離能較低的氬氣，氣體流動(dòng)狀況不好時(shí)，在略高于10⁶W/cm²的功率下也可能出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

氣體擊穿所形成的等離子體，其溫度、壓力、傳播速度和對(duì)激光的吸收率都很大，形成所謂激光維持的爆發(fā)波，它完全、持續(xù)地阻斷激光向工件地傳播。一般在采用連續(xù)CO₂激光進(jìn)行加工時(shí)，其功率密度均應(yīng)小于10⁷W/cm²。

（2）壁聚焦效應(yīng) 激光深熔焊時(shí)，當(dāng)小孔形成以后，激光束將進(jìn)入小孔。當(dāng)光束與小孔壁相互作用時(shí)，入射激光并不能全部被吸收，有一部分將由孔壁反射在小孔某處重新匯聚起來，這一現(xiàn)象稱為壁聚焦效應(yīng)。壁聚焦效應(yīng)地產(chǎn)生，可使激光在小孔內(nèi)部維持較高的功率密度，進(jìn)一步加熱熔化材料。對(duì)于激光焊接過程，重要的是激光在小孔底部的剩余功率密度，它必須足夠高，以維持孔底有足夠高的溫度，產(chǎn)生必要的氣化壓力，維持一定深度的小孔。

小孔效應(yīng)的產(chǎn)生和壁聚焦效應(yīng)的出現(xiàn)，能大大地改變激光與物質(zhì)的相互作用過程，當(dāng)光束進(jìn)入小孔后，小孔相當(dāng)于一個(gè)吸光的黑體，使能量的吸收率大大增加。

（3）凈化效應(yīng)#p#分頁標(biāo)題#e# 凈化效應(yīng)是指CO₂激光焊時(shí)，焊縫金屬有害物質(zhì)減少或夾雜物減少的現(xiàn)象。

產(chǎn)生凈化效應(yīng)原因是：有害物質(zhì)在鋼中可以有兩種形式存在──夾雜物或直接固溶在基體中。當(dāng)這些元素以非金屬夾雜物存在時(shí)，在激光焊時(shí)將產(chǎn)生下列作用：對(duì)于波長為10.6μm的CO₂激光，非金屬的吸收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬，當(dāng)非金屬和金屬同時(shí)受到激光照射時(shí)，非金屬將吸收較多的激光使其溫度迅速上升而氣化。當(dāng)這些元素固溶在金屬基體時(shí)，由于這些非金屬元素的沸點(diǎn)低，蒸氣壓高，它們會(huì)從熔池中蒸發(fā)出來。上述兩種作用的總效果是焊縫中的有害元素減少，這對(duì)金屬的性能，特別是塑性和韌性，有很大好處。當(dāng)然，激光焊凈化效應(yīng)產(chǎn)生的前提必須是對(duì)焊接區(qū)加以有效地保護(hù)，使之不受大氣等的污染。

（四）激光焊工藝參數(shù)

(1)功率密度。功率密度是激光加工中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。采用較高的功率密度，在微秒時(shí)間范圍內(nèi)，表層即可加熱至沸點(diǎn)，產(chǎn)生大量汽化。因此，高功率密度對(duì)于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對(duì)于較低功率密度，表層溫度達(dá)到沸點(diǎn)需要經(jīng)歷數(shù)毫秒，在表層汽化前，底層達(dá)到熔點(diǎn)，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導(dǎo)型激光焊接中，功率密度在范圍在10^4~10^6W/CM^2。

　　(2)激光脈沖波形。激光脈沖波形在激光焊接中是一個(gè)重要問題，尤其對(duì)于薄片焊接更為重要。當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，金屬表面將會(huì)有60~98%的激光能量反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。在一個(gè)激光脈沖作用期間內(nèi)，金屬反射率的變化很大。

　　(3)激光脈沖寬度。脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)之一，它既是區(qū)別于材料去除和材料熔化的重要參數(shù)，也是決定加工設(shè)備造價(jià)及體積的關(guān)鍵參數(shù)。

　　(4)離焦量對(duì)焊接質(zhì)量的影響。激光焊接通常需要一定的離做文章一，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦平面與焊接平面距離相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實(shí)際上所獲得的熔池形狀不同。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，激光加熱50~200us材料開始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)問分汽化，形成市壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時(shí)，高濃度汽體使液相金屬運(yùn)動(dòng)至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時(shí)，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強(qiáng)的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時(shí)，采用負(fù)離焦；焊接薄材料時(shí)，宜用正離焦。

激光焊國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

　　20世紀(jì)80年代中期，激光焊接作為新技術(shù)在歐洲、美國、日本得到了廣泛的關(guān)注。1985年德國蒂森鋼鐵公司與德國大眾汽車公司合作，在Audi100車身上成功采用了全球第一塊激光拼焊板。90年代歐洲、北美、日本各大汽車生產(chǎn)廠開始在車身制造中大規(guī)模使用激光拼焊板技術(shù)。目前，無論實(shí)驗(yàn)室還是汽車制造廠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，均證明了拼焊板可以成功地應(yīng)用于汽車車身的制造。

　　激光拼焊是采用激光能源，將若干不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材、不銹鋼材、鋁合金材等進(jìn)行自動(dòng)拼合和焊接而形成一塊整體板材、型材、夾芯板等，以滿足零部件對(duì)材料性能的不同要求，用最輕的重量、最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳性能實(shí)現(xiàn)裝備輕量化。在歐美等發(fā)達(dá)國家，激光拼焊不僅在交通運(yùn)輸裝備制造業(yè)中被使用，還在建筑業(yè)、橋梁、家電板材焊接生產(chǎn)、軋鋼線鋼板焊接（連續(xù)軋制中的鋼板連接）等領(lǐng)域中被大量使用。

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

　　中國的激光拼焊板技術(shù)應(yīng)用剛剛起步，2002年10月25日，中國第一條激光拼焊板專業(yè)化商業(yè)生產(chǎn)線正式投入運(yùn)行，由武漢蒂森克虜伯中人激光拼焊從德國蒂森克虜伯集團(tuán)TWB公司引進(jìn)。此后上海寶鋼阿賽洛激光拼焊公司、一汽寶友激光拼焊有限公司等相繼投產(chǎn)。

　　2003年由華工激光提供的國內(nèi)首臺(tái)大型帶材在線式焊接成套設(shè)備通過離線驗(yàn)收。該設(shè)備集激光切割、焊接和熱處理于一身，使我國華工激光成為世界上第四家能夠生產(chǎn)此類設(shè)備的企業(yè)。

　　2004年華工激光“高功率激光切割,焊接及切焊組合加工技術(shù)與設(shè)備”項(xiàng)目獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng),成為國內(nèi)目前唯一具備該項(xiàng)技術(shù)與設(shè)備研制能力的激光企業(yè)。

　　中科院沈陽自動(dòng)化研究所與日本石川島播磨重工株式會(huì)社進(jìn)行國際合作，遵循國家引進(jìn)消化后再創(chuàng)新的科技發(fā)展戰(zhàn)略，攻克激光拼焊若干個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，于2006年9月開發(fā)出國內(nèi)第一套激光拼焊成套生產(chǎn)線，并成功開發(fā)了機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了平面和空間曲線的激光

激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)

　　（1）可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。

　?。?/span>2）32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數(shù)業(yè)經(jīng)檢定合格，可降低厚板焊接所需的時(shí)間甚至可省掉填料金屬的使用。

　　（3）不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程，機(jī)具的耗損及變形接可降至最低。

　?。?/span>4）激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，且可在工件周圍的機(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮。

　?。?/span>5）工件可放置在封閉的空間（經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下）。

　　（6）激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件，

　?。?/span>7）可焊材質(zhì)種類范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。

　　（8）易于以自動(dòng)化進(jìn)行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　（9）焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí)，不會(huì)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(duì)準(zhǔn)焊件。

　　（11）可焊接不同物性（如不同電阻）的兩種金屬

　?。?/span>12）不需真空，亦不需做X射線防護(hù)。

　?。?/span>13）若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達(dá)10:1

　?。?/span>14）可以切換裝置將激光束傳送至多個(gè)工作站。

激光焊接的主要缺點(diǎn)

　　（1）焊件位置需非常精確，務(wù)必在激光束的聚焦范圍內(nèi)。

　?。?/span>2）焊件需使用夾治具時(shí)，必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。

　?。?/span>3）最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠(yuǎn)超過19mm的工件，生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接。

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

　　（5）當(dāng)進(jìn)行中能量至高能量的激光束焊接時(shí)，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)。

　?。?/span>6）能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常低于10%。

　?。?/span>7）焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮。

　?。?/span>8）設(shè)備昂貴。