多年來，激光一直在焊接領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著激光技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和多樣化，它在焊接中的應(yīng)用范圍也在持續(xù)擴(kuò)大。本文概述了高功率激光器在深熔焊接（deep penetration welding）中的應(yīng)用。

傳統(tǒng)焊接概述

目前使用的大部分傳統(tǒng)（非激光）焊接技術(shù)都源自電弧焊。在使用這類焊接時(shí)，首先要使兩塊金屬接觸或緊密靠近，通常，金屬的邊緣可能已經(jīng)過成型處理，以方便焊接。電焊條和接觸區(qū)域之間形成高壓，從而產(chǎn)生可熔化焊接材料（或者，在某些情況下熔化其他焊補(bǔ)材料或焊條本身）的電弧。熔化的焊接材料填充或覆蓋工件之間的所有縫隙，凝固后將各部分結(jié)合在一起。

大部分電弧焊方法的主要優(yōu)點(diǎn)是它們具有相對較低的成本，尤其是在固定設(shè)備費(fèi)用方面。而且，電弧焊技術(shù)接受度高，應(yīng)用廣泛，并已建立完善的生產(chǎn)和測試標(biāo)準(zhǔn)，因此不需要長時(shí)間學(xué)習(xí)即可應(yīng)用相關(guān)的工藝。

而電弧焊的主要缺點(diǎn)在于會(huì)讓部件承受高溫。這會(huì)在熔化的焊接材料中形成金相組織，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度降低，而且焊縫附近的熱影響區(qū)域相對較大。此外，電弧的直徑受局部電場的影響，因此無法獨(dú)立設(shè)定。

激光深熔焊接

大部分激光焊接技術(shù)可以歸入兩個(gè)基本類，即“深熔”焊接和“熱傳導(dǎo)”焊接。這兩種焊接模式既可以自熔（即，不使用焊補(bǔ)材料）方式進(jìn)行，也可以在需要時(shí)使用焊補(bǔ)材料。

深熔，或稱作深度穿透焊接。常見于以高激光功率焊接較厚的材料。在深熔焊接中，激光聚焦在一起從而在工件上形成極高的功率密度。事實(shí)上，激光束聚焦的部位會(huì)使金屬氣化，令金屬熔池中出現(xiàn)一個(gè)盲孔（即深熔孔）。金屬蒸氣壓力會(huì)擋住周圍熔化的金屬，使盲孔在焊接過程中始終處于開口狀態(tài)。激光功率主要在蒸氣與熔體邊界和深熔孔壁處被熔體吸收。聚焦的激光束和深熔孔沿焊接軌跡持續(xù)移動(dòng)。焊接材料在深熔孔前方熔化，并在后面重新凝固形成焊縫。

微小的深熔孔區(qū)域形成精確的窄熔化區(qū)，與電弧焊方法相比，它具有較高的縱橫比（深度與寬度之比）。而且，高度集中的熱量意味著工件的基體可以起到有效的散熱作用，因此，焊接區(qū)域能夠迅速地升溫和冷卻。這可在最大程度上減小受高溫影響的區(qū)域面積，并降低晶粒生長。因此，激光產(chǎn)生的焊縫通常比電弧焊強(qiáng)度更高，這是它的主要優(yōu)點(diǎn)之一。

激光焊接還能提供比電弧焊更好的靈活性，因?yàn)樗梢杂糜诖罅坎牧?，包括碳鋼、高?qiáng)鋼、不銹鋼、鈦、鋁，以及貴金屬。由于材料熔化溫度差異和熱傳導(dǎo)不會(huì)對焊接過程造成明顯影響，因此激光焊接還可以用于焊接異種材料。

此外，如果考慮所有的加工步驟，激光焊接相較傳統(tǒng)方法有著明顯的成本優(yōu)勢，特別是精確的熱量應(yīng)用可以最大程度降低焊接點(diǎn)和整個(gè)部件的變形。因此在許多情況下，不必進(jìn)行后期加工。不僅如此，激光焊接還能在較長距離上投射激光束，而且基本上沒有功率損失，這使之易于融入其他生產(chǎn)流程，而且能夠很好地與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行集成。最后，它還能以更小的法蘭尺寸實(shí)現(xiàn)新的產(chǎn)品配置，這對輕型汽車而言至關(guān)重要。

焊接用光纖激光器

目前，二氧化碳和光纖激光器可以輕松滿足深熔焊接對激光束參數(shù)和功率的要求。由于絕大多數(shù)金屬的吸收性隨著波長的縮短而提高，因此，與波長為10.6微米的二氧化碳激光器相比，波長約為1微米的光纖激光器可以提供更高的加工效率。

圖 1：光纖激光振蕩器原理圖，包括12 個(gè)半導(dǎo)體激光 器泵浦模塊和6x1 光纖耦合模塊，后者將泵浦光注入增益光纖，使得激 光束可以高效地輸出。

尤其是，光纖激光器能極好地滿足深熔焊接的要求。它們提供的輸出功率一般在500瓦到10千瓦之間，而且可以輕易地將焊點(diǎn)直徑聚焦在40微米到800微米之間的必要范圍內(nèi)，即使在相對較大的加工距離上也能實(shí)現(xiàn)。從實(shí)踐的角度來看，使用激光束傳輸光纖可擴(kuò)大集成選擇，促進(jìn)激光器在生產(chǎn)環(huán)境中的應(yīng)用。最后，光纖激光器具有高可靠性、卓越的正常運(yùn)行時(shí)間和較低的購置成本等特點(diǎn)，這使之成為一種經(jīng)濟(jì)可行且有吸引力的生產(chǎn)焊接應(yīng)用選擇。