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     本文主要想簡單對比一下不同芯徑激光器的焊接效果，分別從激光焊接原理；不同芯徑激光器焊接金相對比；應用舉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于光熱效應的熱加工，激光輻照材料表面時，在不同的功率密度下，材料表面區域將發生各種不同的變化。這些變化包括表面溫度升高、熔化、汽化、形成匙孔以及產生光致等離子體等。而且，材料表面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。隨功率密度與作用時間的增加，金屬材料將會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個：傳熱與導熱，傳熱與熱源、功率密度、線能量有關；導熱主要與材料的散熱、傳熱速度有關，屬于材料的固有屬性，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種，一種是熱導焊（深寬比＜1，激光吸收率紅光在20%以內，不同波長有差異）、一種是深熔焊（深寬比＞1，吸收率大于材料熔池吸收率，60%以上，主要是有匙孔內的激光多次反射吸收）。

激光熱導焊：

       不同的激光輻射照度會引起材料產生不同的物態變化，反映在焊接工藝上就表現為兩種典型的焊接模式:激光熱導焊和激光深熔焊。兩者的傳熱過程、焊縫形成機制、工藝特點和應用范圍有很大區別。

激光熱導焊模式：

       熱導焊時，照射在工件表面的激光輻射照度在10E4~10E6W/cm范圍，激光能量為表層 10 ~100m 的薄層所吸收，表層的激光能量靠熱傳導向材料內部傳導，激光無法直接觸及。激光照射經過一定時間后，表面達到熔化，這一熔化等溫線向材料深處傳播，表面溫度繼續升高。但最高只能達到材料沸點，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，一般焊縫寬度為熔深的2 倍以上，下圖為典型的激光熱導焊焊縫斷面形貌，焊縫形狀近似半球形。

圖3  激光熱導焊

激光深熔焊：   

    當輻射照度大于 10E7W/cm時，材料表面在激光作用下熔化、汽化，所產生的蒸氣反沖壓力向下沖擊熔池，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，高壓氣不斷從匙孔內部產生并不斷向外噴發，從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部，從匙孔內部向材料傳遞熱量，形成更深的熱影響區；同時在匙孔內充滿因高溫蒸氣部分電離而成的等離子體，小孔出口上方也形成定范圍的等離子體云，如圖4所示：

圖4  激光深熔焊

   匙孔效應對于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，若假設匙孔為圓錐面（角度為?），沿圓錐軸線入射的光束經錐面反射直向匙孔底部并反射，總共反射180°/?次。每反射一次，鋼的吸收約為 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。熱導與深熔的區分一般按金相熔深：熔寬大于1，可以算深熔，因為出現匙孔提高了吸收率；這種簡易方法適用于單激光焊接，復合不適用此判斷，復合一般皆為深熔焊，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、深熔焊概念之后，接下來對不同芯徑的功率密度和金相金相對比分析。

本次針對市面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。同時這里計算的功率密度只是簡單的平均密度，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能量分布，顏色越紅，能量越高，能量紅的地方為能量集中的地方，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，能量越集中于一個點，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150mm/s，焦點位焊接，材料為1系鋁，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面打出匙孔，且熱影響區小，但是同時焊縫表面粗糙，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）大芯徑激光器由于光斑大，能量更為分散，更適合激光表面重熔、熔覆、退火等工藝。

三、應用舉例分析進行簡單的應用分析：

     小芯徑激光器優勢及應用（＜100um）

圖8 高反材料（鋁、銅）工件

高反材料：鋁、銅、不銹鋼、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、不銹鋼、鈦合金等

（2）這種材料一般需要嚴格控制熱影響區，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）

大芯徑激光器優勢及應用（＞100um）：

    大芯徑大光斑，熱量覆蓋面積大、作用面廣，且只是實現材料表面微熔，非常適合在激光熔覆、激光重熔、激光退火、激光硬化等方面展開應用。在這些領域，大光斑意味著更高的生產效率、更低的缺陷（熱導焊幾乎沒有缺陷）。

    在焊接上，大光斑主要用來做復合焊，用于與小芯徑激光復合：大光斑使得材料表面微熔，由固體轉化為液體，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，在這個過程中由于大光斑的預熱，后處理，以及給到熔池較大的溫度梯度，使得材料不易出現由于快熱快冷所導致的裂紋缺陷，還能使得焊縫外觀更為平滑，同時相較于單激光的方案實現更低的飛濺。