河南科技2013．NO．04Journal of Henan Science and Technology工业工程与技术激光焊接技术综述郑喜军(中航锂电(洛阳)有限公司，河南洛阳471003)摘要：本文简要概述了激光及激光器原理，激光焊接技术的发展历史，重点阐明了激光焊接机理及主要工艺参数，同时对激光焊接技术的工艺特点及存在的问题进行了论述。

关键词：激光;激光焊接;深熔焊接;热传导焊接Abstract :The article illustrated the laser and the principle of laser device ，development history of laser welding technology with an em-phasis on the mechanism and main technological parameters of laser welding．Meanwhile ，discussed the process characteristics of laser welding technology and its existing problems．Key words :laser ;laser welding ;deep penetration laser welding ;heat conduction laser welding 中图分类号：T6456文献标识码：A 文章编号：1003－5168(2013)07－0038－03激光是20世纪以来，人类的又一重大发明，它是由美国科学家C．H．Townes 和T．H．Maiman 等在1960年发明出来的。

激光是辐射的受激发射光放大的简称，是一种电磁波，是通过人工增幅产生的。

其产生的基本条件包括泵浦源、激光介质和谐振腔等，激光具有高的单色性、方向性、相干性和亮度性，激光是一种新型热源［1，2］。

激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一，更是2l世纪最受瞩目、最有发展前景的焊接技术［3］。

与传统焊接方法对比，激光焊接具有很多优势，实践证明，激光焊接应用范围越来越广泛，基本上传统焊接工艺可以使用的领域，激光焊接都能胜任，且焊接质量更高，效率更快。

随着新的激光焊接技术和设备的研发，激光焊接正在逐渐取代传统的焊接技术。

自20世纪70年代以来，已广泛应用于工业的各个领域。

1激光焊接机理激光焊接属于熔融焊，以激光束作为焊接热源，其焊接原理是：通过特定的方法激励活性介质，使其在谐振腔中往返振荡，进而转化成受激辐射光束，当光束与工件相互接触时，其能量则被工件吸收，当温度高达材料的熔点时即可进行焊接［4］。

图1为激光器原理示意图，图2为激光焊接示意图。

图1激光器原理图2激光焊接示意图按焊接熔池形成的机理划分，激光焊接有两种基本的焊接机理：热传导焊接和深熔（小孔）焊接［5］。

热传导焊接时产生的热量通过热传递扩散至工件内部，使焊缝表面熔化，基本不产生汽化现象，常用于低速薄壁构件的焊接。

深熔焊使材料汽化，形成大量等离子体，由于热量较大，熔池前端会出现小孔现象。

深熔焊能彻底焊透工件，且输入能量大、焊接速度快，是目前使用最广泛的激光焊接模式。

1．1热传导焊接机理［6］当激光功率密度小于105W /cm 2时，金属表面温度迅速加热到熔点和沸点之间而熔化，通过热传导把热能向金属内部传递，使熔池逐渐扩大，冷却凝固时结晶形成焊点或者焊缝，焊缝类似为椭球形。

激光与材料的相互作用过程中，很大一部分激光束被金属表面反射，激光的吸收率较低，没有蒸汽压的作用，激光光斑功率密度也会变得较低，不产生小孔效应。

因此，热传导焊接时熔深浅，速度较慢。

图3为热传导焊接机理示意图。

图3激光热传导焊机理1．2深熔焊接机理［7］当照射到金属表面的激光功率密度大于106W /cm 2时，金属表面温度可在极短的时间内（10－6 10－5S ）使加热区域的金属熔化及汽化，产生金属液体和金属蒸汽，气态金属产生的蒸汽压很高，足以克服液态金属的表面张力，把熔化的金属向四周吹散，形成小孔。

随着金属蒸汽的逸出，在工件上方及小孔内部形成等离子体，较厚的等离子体云会对入射激光具有一定屏蔽作用。

激光束在小孔内产生多重的反射，小孔几乎可以吸收全部的激光能量，使小孔进一步加深，当激光束在小孔产生的金属蒸汽压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再加深而形成一个深度稳定的小孔，这就是小孔效应。

当工件以一定的速度相对于激光束移动时，小孔前方的金属不断熔化和汽化，液态金属流向小孔后方，逐渐凝固形成焊缝，这种焊接机理叫深熔焊，是激光焊接中最常用的焊接模式。

在激光深熔焊时，材料对激光束的吸收决定于小孔和等离子体效应。

一般来说，工件表面的等离子体云吸收部分激光，使激光有效的能量较低，并使光束波前畸变导致焦光斑扩散，使表面熔化区扩大，因此等离子体云对焊接过程有害。

常采用以下两种预防措施：一是使用保护气体吹散激光与工件作用点反冲出的金属蒸汽；第二种是使用保护气体，抑制金属蒸汽电离，阻止等离子体云的产生。

图4为深熔焊接机理示意图。

832013．NO．04工业工程与技术Journal of Henan Science and Technology河南科技图4激光深熔焊接机理2激光焊接特点激光焊接经历了由脉冲激光焊接到连续激光焊接，低功率焊接到高功率焊接，薄板焊接到厚板焊接，低速焊接到高速焊接的过程。

与传统焊接相比，其主要优势集中在以下几个方面：（1）能量密度高。

功率密度达106 108W/cm2，深宽比大，最高可达10：1，焊缝晶粒细小致密［8－11］。

（2）激光焊接速度快、熔深大［8，12－13］。

由于能量密度大，激光焊接过程中，在金属材料上产生匙孔，激光能量通过小孔往工件焊接方向传导，而横向传导较少，因而在焊接时，能量较集中，熔深大，焊接速度快。

（3）激光焊接热输入量小，热影响区小，焊接变形小［8，14］。

由于激光焊接功率密度高，所以很小的热输入量就可以实现良好的焊接，从而热影响区及焊接变形很小。

（4）激光焊缝力学性能好，力学性能强于母材［15］。

焊缝强度高、焊接速度快、焊缝窄且表面状态好，免去焊后清理等工作。

（5）能在室温或特殊条件下进行焊接。

激光在真空、空气及某种气体环境中均能焊接，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。

（6）可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料，以及同种或异种难焊材料［16］。

如高熔点金属等，甚至可用于非金属材料的焊接，如陶瓷等。

（7）可实施非接触远距离焊接。

没有工具损耗或工具调换等问题［17］。

（8）激光焊接属非接触加工，与接触焊工艺相比，无电极、工具等的磨损消耗，无加工噪声，对环境无污染［17］。

（9）焊接系统具有高度的柔性化。

与CAD/CAM或机器人联合组成的焊接系统可形成多功能的激光加工系统，易于实现自动化［18］。

但是，激光焊接与传统焊接方法相比，也存在一定的局限性，主要集中在以下几个方面：（1）对焊接工件加工、装配精度、定位精度要求较高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移，这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄。

如工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷［4，8，19，20］。

（2）激光器及焊接系统各配件的价格较为昂贵，一次性投资大，初期投资及维护成本比传统焊接工艺高，经济效益较差［18］。

（3）受熔深的限制，激光焊接不适宜焊接厚度较大的材料。

（4）由于固体材料对激光的吸收率较低，特别是在出现等离子体后，因此激光焊接的转化效率普遍较低［21，22］（通常为5% 30%）。

（5）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变［21，22］。

3影响激光焊接的工艺参数影响激光焊接质量的工艺参数较多，如功率密度、激光脉冲波形、离焦量、焊接速度和辅助吹气等。

3．1激光功率密度功率密度是激光加工中最关键的参数之一。

采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。

因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。

对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。

因此，在热传导型激光焊接中，功率密度范围在104 106 W/cm2。

3．2激光脉冲波形激光脉冲波形既是区别是材料去除还是材料熔化的重要参数，也是决定加工设备体积及造价的关键参数。

当高强度激光束射至材料表面，材料表面将会有60 90%的激光能量被反射损失掉，且反射率随着表面温度的变化而变化。

在一个激光脉冲作用周期内，被加工金属的反射率的变化也很大。

图5－8为不同材质的激光焊接脉冲波形。

3．3激光脉冲宽度激光脉冲宽度是激光焊接中的一个重要问题，尤其对于薄壁构件焊接时，显得更为重要。

激光脉冲宽度由熔深与热影响分区决定，激光脉冲宽度越长，热影响分区就越大，熔深随着激光脉冲宽度的1/2次方增大。

但激光脉冲宽度的增大会降低其峰值功率，较低的峰值功率又会导致多余的热输入。

3．4离焦量焦斑激光焊接通常需要一定的离焦，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。

离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。

离焦方式有两种［7］：正离焦与负离焦。

焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。

按几何光学理论，当正负离焦量相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。

负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。

实验表明，激光加热50 200us材料开始熔化，形成液相金属并出现部分汽化，形成高压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。

与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。

当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化及汽化，使光能向材料更深处传递。

所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄壁材料时，宜用正离焦。

通常长焦距的能量密度低，光斑大，能量密度足够情况下，可用于对接头定位精度不高的焊接；短焦距的能量密度较高，光斑小，要求工件配合间隙要小。

由D=fθ可知，聚焦镜焦距越小，焦点光斑直径越小，穿透力越强，对高度也越敏感。

激光光束的聚焦光斑直径与激光器输出光束的模式密切相关，模式越低，聚焦后的光点越小，焊缝越窄，热影响区越小。

93河南科技2013．NO．04Journal of Henan Science and Technology工业工程与技术3．5焊接速度焊接速度决定了焊接表面质量、熔深、热影响区等。

焊接速度的快慢会影响单位时间内的热输入量，焊接速度过慢，则热输入量过大，导致工件烧穿，焊接速度过快，则热输入量过小，造成工件焊不透。

通常采用降低焊接速度的方法来改善熔深。

3．5辅助吹保护气辅助吹保护气在高功率激光焊接中是必不可少的一道工序。