激光焊接的原理

激光焊按激光器輸出能量方式的不同可分為脈沖激光點焊和連續(xù)激光焊(包括高頻脈沖連續(xù)焊)。按聚焦后光斑上的功率密度不同可分為熔化焊和小孔焊。

熔化焊是在激光光斑上的功率密度不高的情況下，金屬材料的表面在加熱時不會超過其沸點。所吸收的激光能轉變?yōu)闊崮芎螅ㄟ^熱傳導將工件熔化，其熔深輪廓近似為半球形。這種傳熱熔化焊過程類似于非熔化極電弧焊。

小孔焊是當激光光斑上的功率密度足夠大時，金屬在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時間內升高到沸點，金屬發(fā)生氣化。金屬蒸汽以一定的速度離開熔池表面。產(chǎn)生一個附加壓力反作用于熔化的金屬，使其向下凹陷，在激光光斑作用下產(chǎn)生一個小凹坑。隨著加熱過程的進行，激光可直接射入坑底形成一個細長的小孔。當金屬蒸汽的反沖壓力與液態(tài)金屬表面張力和重力平衡后，小孔不再繼續(xù)深入。當光斑功率密度和大時，所產(chǎn)生的小孔將貫穿整個板厚，形成穿透焊縫(或焊點)。在連續(xù)激光焊時，小孔隨著光束相對于工件而沿焊接方向前進。金屬在小孔前方熔化，繞過小孔流向后方后，重新凝結形成焊縫。

激光焊過程中的等離子云在高功率密度的條件下進行激光焊時，可以發(fā)現(xiàn)：激光與金屬作用區(qū)域里，金屬蒸發(fā)極為激烈，不斷有紅色金屬蒸汽逸出小孔，而在金屬表面的熔池上方存在著一個藍色的等離子云，它伴隨著小孔而產(chǎn)生。

由于等離子云的產(chǎn)生與激光的功率密度、被焊金屬性質、保護氣等有關。并且對焊接過程產(chǎn)生不利的影響，會使金屬表面得到的激光能量減少，焊接熔深減小，焊縫表面增寬，焊接過程不穩(wěn)定。

焊接過程中克服等離子云影響的常用方法是通過噴嘴對熔池表面吹惰性氣體，可以利用氣體的機械吹力驅除等離子云使其偏離熔池上方。還可以利用較低溫的氣體降低熔池上方高溫氣體的溫度，抑制產(chǎn)生等離子云的高溫條件。也可以采用高頻脈沖激光焊，使每個激光脈沖的加熱時間少于更離子云形成的時間(約0.5ms),則等離子云還未生成焊接加熱已結束。另外還可以采用高速焊或叫段波長的激光進行焊接，對減輕等離子云對焊接過程的干擾也有一定的作用。現(xiàn)在還有去處等離子云的設備，包括控制主機以及與所述控制主機通過電連接的感應線圈，所述感應線圈位于等離子云正上方，主機控制感應線圈產(chǎn)生用于快速去除等離子云的交變磁場。

激光焊接與切割不宜使用長焦距聚焦鏡。也就是說，在焦平面上的光束直徑d與透鏡焦距f和光束發(fā)散角θ有關（d=fθ）,在激光焊接與切割時，為獲得足夠高的功率密度，一般不允許光束發(fā)散角過大，也不使用長焦距聚焦鏡。在高校焊接中不宜采用激光熔焊方法。因為激光熔焊是通過熱傳導方式將激光能量向工件內部傳輸，激光能利用率較低，焊接速度較慢，熔深較淺，不易焊接厚板工件。激光深熔焊以產(chǎn)生的小孔為特征，進入小孔的激光通過等離子體和孔壁的多次反射而幾乎完全被吸收，能量利用率高，焊縫熔深大，焊速快，是一種高效的焊接方法，適于厚板焊接和有小孔效應的高速薄板焊接。

為了安全起見，在激光焊接場地的入口處應掛上相應的警示標志。激光的光束傳輸路線要求高于人的身高并在封閉管道中進行傳輸。當打開激光器或對脈沖器的電容器充電時，要給出聲光警告。在激光器工作時，避免眼合和皮膚受激光輻射直射或漫反射照射，有條件時應將工作場地封閉，只留有觀察孔，觀察孔帶有衰減裝置，操作人員在封閉罩外或遙控操作。工作場所應裝有通風裝置及防火安全裝置等。

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