科学深入解析激光焊接的原理

本文科学深入解析激光焊接的原理是什么？

要想了解激光焊接，首先要知道激光是什么？激发电子或分子使其在转换成能量的过程中产生集中且相位相同的光束，Laser来自Light Amplification by Stimulated Emission Radiation的第一个字母所组成。

由光学震荡器及放在震荡器空穴两端镜间的介质所组成。介质受到激发至高能量状态时，开始产生同相位光波且在两端镜间来回反射，形成光电的串结效应，将光波放大，并获得足够能量而开始发射出激光。 　激光亦可解释成将电能、化学能、热能、光能或核能等原始能源转换成某些特定光频（紫外光、可见光或红外光的电磁辐射束的一种设备。转换形态在某些固态、液态或气态介质中很容易进行。当这些介质以原子或分子形态被激发，便产生相位几乎相同且近乎单一波长的光束—–激光。由于具同相位及单一波长，差异角均非常小，在被高度集中以提供焊接、切割及热处理等功能前可传送的距离相当长。

世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒 所产生，因受限于晶体的热容量，只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达10^6瓦，但仍属于低能量输出。 　使用钕（ND）为激发元素的钇铝石榴石晶棒（Nd:YAG）可产生1—8KW的连续单一波长光束。YAG激光，波长为1.06uM，可以通过柔性光纤连接到激光加工头，设备布局灵活，适用焊接厚度0.5-6mm。 　使用CO2为激发物的CO2激光（波长10.6uM），输出能量可达25KW，可做出2mm板厚单道全渗透焊接，工业界已广泛用于金属的加工上。

早期的激光焊接研究实验大多数是利用红宝石脉冲激光器，当时虽然能够获得较高的脉冲能量，但是这些激光器的平均输出功率相当低，这主要是由激光器很低的工作效率和发光物质的受激性所决定的。激光焊接主要使用CO2激光器和YAG激光器，YAG激光器由于具有较高的平均功率，在它出现之后就成为激光点焊和激光缝焊的优选设备。激光焊接与电子束焊接的显著区别在于激光辐射不能产生穿孔焊接方式。而实际上，当激光脉冲能量密度达到10的6次方W/CM2时，就会在被焊接金属材料焊接界面上形成焊孔，小孔的形成条件得到满足，从而就可以利用激光束进行深熔焊接。

在20世纪70年代以前，由于高功率连续波形激光器尚未开发出来，所以研究重点集中在脉冲激光焊接上。早期的激光焊接研究实验大多数是利用红宝石脉冲激光器。YAG激光器的焊接过程是通过焊点搭接而进行的，直到1KW以上的连续功率波形激光器诞生以后，具有真正意义的激光缝焊才得以实现。

随着千瓦级连续CO2激光器焊接试验的成功，激光焊接技术在20世纪70年代初取得突破性进展。在大厚度不锈钢试件上进行CO2激光焊接，形成了穿透熔深的焊缝，从而清楚的标明了小孔的形成，而且激光焊接产生的深熔焊缝与电子束焊接相似。这些利用CO2激光器进行金属焊接的早期工作证明了高功率连续激光焊接的巨大潜能。在航空工业以及其他许多应用中，激光焊接能够实现很多类型材料的连接，而且激光焊接通常具有许多其他熔焊工艺无法比拟的优越性，尤其是激光焊接能够连接航空与汽车工业中比较难焊的薄板合金材料，如铝合金等，并且构件的变形小，接头质量高。激光加工另一项具有吸引力的应用方面是利用了激光能够实现局部小范围加热特性，激光所具有的这种热点使其非常适合于印刷电路板一类的电子器件的焊接，激光能在电子器件上非常小的区域内产生很高的平均温度，而接头以外的区域则基本不受影响。

属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。激光束可由平面光学元件（如镜子）导引，随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上。 激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化，填料金属偶有使用。 激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量比MIG焊大为减小。

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