基本原理和特点：基本原理

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：功率密度小于104～105W/cm2为热传导焊，激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105～107W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，其冶金物理过程与电子束焊极为相似，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。

1.基本原理

激光是利用原子受辐射的原理，使激光器工作物质受激而产生的一种单色性高、亮度高、方向性强的光束，把该光束聚焦到焦点上可获得极高的能量密度，利用它与被焊材料的相互作用，可以使焊件发生蒸发、熔化、熔合、结晶、凝固而形成焊缝。以高能量密度的激光作为热源，使焊件熔化形成焊接接头的焊接方法，简称激光焊或激光束焊接。

激光焊大致可分为热传导型焊接和激光深熔型焊接。功率密度小于10⁴～10⁵W/cm²为热传导焊，激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于10⁵～10⁷W/cm²时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，其冶金物理过程与电子束焊极为相似，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。

激光热传导焊接和激光深熔焊接的示意图如图7-97所示。

对于激光焊的工艺过程，可以归纳为以下几个方面。

（1）激光对材料的加热激光焊实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，这个过程极其复杂，微观上是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化、汽化等现象。激光光子入射到金属晶体时，光子即与电子发生非弹性碰撞，光子将其能量传递给电子，使电子由原来的低能级跃迁到高能级。与此同时，金属内部的电子间也在不断地互相碰撞。每个电子两次碰撞间的平均时间间隔为10^-13s的数量级，因而吸收了光子而处于高能级的电子将在与其他电子的碰撞以及与晶格的互相作用中进行能量的传递，光子的能量最终转化为晶格的热振动能，引起材料温度升高，改变材料表面及内部温度。因此，激光在材料表面的反射、透射和吸收，本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。

（2）材料的熔化及汽化激光焊时，材料达到熔点所需时间为微秒级；脉冲激光焊时，当材料表面吸收的功率密度为10⁵W/cm²时，达到沸点的典型时间为几毫秒；当功率密度大于10⁶W/cm²时，被焊材料会产生急剧的蒸发。在连续激光深熔焊时，正是由于蒸发的存在，蒸气压力和蒸气反作用力等能克服熔化金属表面张力以及液体金属静压力而形成小孔。激光深熔焊接的能量转换机制是通过“小孔”结构来完成的。

图7-97 激光热传导焊接和激光深熔焊接的示意图

a）激光热传导焊接 b）激光深熔焊接

小孔有助于对光束能量的吸收，显示出“壁聚焦效应”。由于激光束聚焦后不是平行光束，与孔壁形成一定的入射角，如图7-98所示，激光束照射到孔壁上后经多次反射而达到孔底，最终被完全吸收。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500℃左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸气压力相持并保持着动态平衡。小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，形成焊缝。

图7-98 激光束壁聚焦效应

金属蒸气吸收激光束电离成等离子云，金属蒸气周围的保护气体也会因受热而电离。等离子体存在于工件表面上方，使得焊接熔池的熔深变浅、熔池表面变宽，这就是所谓等离子云的负面作用。如果等离子体存在过多，激光束在某种程度上被等离子体消耗。在实际焊接工艺中，可以采用吹送保护气体、低压侧吸、光束摆动、外加电场和磁场等多种方法和途径来抑制激光焊等离子体的负面效应。

（3）激光作用终止，熔化金属凝固焊接过程中，工件和光束作相对运动，由于剧烈蒸发产生的强驱动力使小孔前沿形成的熔化金属沿某一角度得到加速，在小孔的近表面处形成如图7-99所示的大旋涡，此后，小孔后方液体金属由于传热的作用，温度迅速降低，液体金属很快凝固形成焊缝。因上述过程进行得很快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。

金属中往往含有S、P、O、N等杂质，它们或者以化合物存在于金属基体中，或者固溶在基体内。受到激光照射，非金属的吸收率远远大于金属，存在于金属基体中的夹杂物随温度的迅速上升而逸出熔池；而固溶在金属基体内的杂质元素也由于其沸点低、蒸气压高而很容易地从熔池逸出，这就是对焊缝金属的净化效应，结果是减少焊缝的有害元素和杂质，提高金属的塑性和韧性。

单纯的激光焊接由于激光束流细小，因此对接头的间隙要求比较高（﹤0.10mm），光能利用率低，能量浪费大，且由于熔池的搭桥能力较差，以及存在反射、等离子云等问题，严重影响焊接过程的稳定性和激光焊的应用。激光焊复合技术是为了克服单纯激光焊的一些不足、扩展激光焊的应用而于近年发展起来的一种新的工艺技术，它是将激光与其他焊接热源组合起来的集约式焊接技术，优点是能充分发挥组合中每种焊接方法的优点并克服其不足。常见的激光电弧复合焊接技术分别是激光-TIG和激光-MIG复合焊接，已经得到了实际应用。