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第2章 激 光 焊 激光焊（Laser Welding）以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法。它具有高能量密度、深穿透性、高精度、适应性强等优点。焊接时无机械接触，有利于实现在线质量监控和自动化生产，经济效益显著。随着航空航天、微电子、医疗及核工业等的迅猛发展，对材料性能要求也越来越高，传统的焊接方法难以满足要求，激光焊日益得到广泛应用。 第一节 概 述 激光是20世纪最伟大的发明之一，世界上第一台激光器问世于1960年。 激光（Laser）是英文光受激辐射放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的首字母缩写词。激光利用辐射激发光放大原理而产生一种单色、方向性强、光亮度大的光束。经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于0.01mm、功率密度高达1018W／m2的能束，可用作焊接、切割及材料表面处理的热源。 一、激光焊原理及分类 （一）激光焊的原理 激光焊接时，激光照射到被焊接材料的表面，与其发生作用，一部分被反射，一部分进入材料内部。对于不透明材料，透射光被吸收，金属的线性吸收系数约为107～108m－1。对于金属，激光在金属表面0.01～0.1μm的厚度中被吸收转变成热能，导致金属表面温度升高，再传向金属内部。 激光焊接的原理是：光子轰击金属表面形成蒸气，蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉。如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。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。激光光波入射材料时，材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动，使光子的辐射能变成了电子的动能。物质吸收激光后，首先产生的是某些质点的过量能量，如自由电子的动能，束缚电子的激发能或者还有过量的声子。这些原始激发能经过一定过程再转化为热能。 激光是一种崭新的光源，它除了与其他光源一样是一种电磁波外，还具有其他光源不具备的特性，如高方向性、高亮度（光子强度）、高单色性和高相干性。激光加工时，材料吸收的光能向热能的转换是在极短的时间（约为10－9s）内完成的。在这个时间内，热能仅仅局限于材料的激光辐照区，而后通过热传导，热量由高温区传向低温区。 金属对激光的吸收，主要与激光波长、材料的性质、温度、表面状况以及激光功率密度等因素有关。一般来说，金属对激光的吸收率随着温度的上升而增大，随电阻率的增加而增大。 （二）激光焊的分类 根据激光对工件的作用方式，激光焊可分为脉冲激光焊和连续激光焊。脉冲激光焊时，输入到工件上的能量是断续的、脉冲的，每个激光脉冲在焊接过程中形成一个圆形焊点。连续激光焊在焊接过程中形成一条连续的焊缝。 根据实际作用在工件上的功率密度，激光焊可分为热传导焊（功率密度小于105W/cm2）和深熔焊（功率密度大于或等于105W/cm2）。 1、热传导焊 热传导焊时，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，使金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，其熔深轮廓近似为半球形。 热传导焊的特点是激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金属表面所反射，光的吸收率较低，焊接熔深浅，焊接速度慢。其主要用于薄（厚度＜lmm＝、小工件的焊接加工。 2、深熔焊 深熔焊时，当激光光斑上的功率密度足够大，金属表面在激光束作用下，温度迅速上升到沸点，金属迅速蒸发形成的蒸汽压力、反冲力等能克服熔融金属的表面张力以及液体的静压力等而形成小孔，激光束可直接深入材料内部，因而能形成深宽比大的焊缝。图2－1为激光深熔焊接示意图。 图2－1 激光深熔焊接示意图 如果激光功率足够大而材料相对较薄，激光焊形成的小孔贯穿整个板厚且背面可以接收到部分激光，这种方法也可称之为薄板激光小孔效应焊。 从机理上看，这两种焊接方法的前提都是焊接时存在小孔，二者没有本质的区别。小孔周围被熔池金属所包围，熔化金属的重力及表面张力有使小孔弥合的趋势，而连续产生的金属蒸气则力图维持小孔的存在。随光束的运动，小孔将随着光束运动，但其形状和尺寸却是稳定的。 小孔的前方形成一个倾斜的烧蚀前沿。在这个区域，小孔的周围存在压力梯度和温度梯度。在压力梯度的作用下，烧熔材料绕小孔的周边由前沿向后沿流动。温度梯度沿小孔的周边建立了一个前面大后面小的表面张力，这就进一步驱使熔融材料绕小孔周边由前沿向后沿流动，最后在小孔后方凝固起来形成焊缝。激光焊焊接时伴有声音和颜色的变化，可据此监控焊接过程。 二、激光焊的特点及应用 （一）激光焊的特点 激光焊是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的一种高效精密的焊接方法。采用激光焊，不仅生产率高于传统的焊接方法，而且焊接质量也得到了显著提高。与一般焊接方法相比，激光