高能激光焊的基础条件及作用机理简介

激光译自英语Laser，它是英语词组“light amplification by stimulated emission of radiation”的缩写，含义为“通过受激辐射的放大光”。该词确切地描述了激光的产生机理，一是强调了受激辐射（原因或方式）；二是强调了光放大（结果）。激光在我国曾一度被称为“莱塞”或“镭射”，20世纪60年代初，根据钱学森院士的建议，Laser被改称为激光。

激光的开发研究与工业应用大约经历了三个阶段：20世纪60～70年代，主要为小功率、多品种激光器的开发；70～80年代，主要为提高激光功率的研究；80年代以后，转入工业应用阶段。激光作为一种新能源形式，已应用到焊接和切割工作中，激光焊就是利用高功率密度激光束为热源的特种熔焊方法。通常氖弧焊的能量密度为1.5×10⁴W/cm²，而激光焊的能量密度可高达10⁶～10¹²W/cm²。

1.激光产生原理

激光产生的物理学基础是物质的能带理论（或原子的量子理论）、光的量子理论、粒子数反转及受激辐射理论。下面重点介绍粒子数反转及受激辐射理论。

（1）受激辐射图3-19为辐射光和物质的相互作用过程的三种基本跃迁过程：自发辐射、受激辐射、受激吸收。自发辐射是指处于高能级E₂的粒子本身不稳定，会自发地从高能级跃迁到低能级E₁，同时辐射出一个频率满足hν=E₂-E₁的光子。自发辐射发出的光子是随机的，频率、振动方向、相位等互不相同。1961年，爱因斯坦提出了受激辐射的概念。受激辐射是指处于较高能级E₂的粒子受到频率为ν=（E₂-E₁）/h的外来光子激励，便从E₂跃迁到较低能级E₁上，并巨发出一个和外来激励光子完全相同的光子。受激吸收是指处于较低能级E₁的粒子由于吸收能量为hν=E₂-E₁的外来光子而从较低能级E₁跃迁到较高能级E₂上去，光子的辐射能被粒子所吸收，变为粒子的势能或内能。

图3-19 辐射光和物质的相互作用过程的三种基本跃迁过程

a）自发辐射 b）受激吸收 c）受激辐射

对于受激辐射有几点需要特别强调：一是能发生受激辐射的粒子在接受外来光子作用之前，本身就处于较高的能级。二是受激辐射产生的新光子和入射光子完全相同。三是在受激辐射中，一个入射光子作用的结果会得到两个状态全同的光子。如果这两个光子再引起其他粒子产生受激辐射，这样持续下去，就能得到大量特征相同的光子，这就实现了光的放大。可见，只有受激辐射才能使光子数增多，实现光的放大。因此欲通过受激辐射实现光的放大，必须先设法使粒子处于较高的能级。

（2）粒子数反转粒子数反转是指通过某种激励（又称抽运或泵浦）手段，使处于高能级的粒子数多于处于低能级的粒子数。一般情况下，处于低能级的粒子数多于处于高能级的粒子数。当频率为ν=（E₂-E₁）/h的外来光子通过物质（内含具有不同能级E₂和E₁的粒子）时，一方面会产生受激辐射而放大光；另一方面会产生受激吸收而吸收光。只有实现了粒子数反转，才能使受激辐射与受激吸收相比居主要地位，实现光放大。可见，实现粒子数反转是产生激光的基础条件之一。

2.激光器的基木结构

激光器的基本结构主要包括三个组成部分：工作物质（激活介质）；泵浦源（激励能源）和光学谐振腔。

工作物质（激活介质）是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，主要有固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。

泵浦源（激励能源）是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种。①光学激励（光泵）：是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成，这种激励方式也称作灯泵浦。②气体放电激励：是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。③化学激励：是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。④核能激励：是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。

光学谐振腔通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。其作用有两个方面：一是提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡，其实现是由通常组成腔的两个反射镜的几何形状（反射面曲率半径）和相对组合方式所决定；另一个作用是对腔内往返振荡光束的方向和频率迸行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性，这是由给定共振腔型对腔内不同行迸方向和不同频率的光，具有不同的选择性损耗特性所决定的。

根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体激光器（晶体和玻璃），这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的。②气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，并巨根据气体中真正产生受激发射作用的工作粒子性质的不同，而迸一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等。③液体激光器，其工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液，其中金属离子（如Nd）起工作粒子作用，而无机化合物液体（如SeOCl）则起基质的作用。④半导体激光器，这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式（电注入、光泵或高能电子束注入），在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流粒子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用。

CO₂激光器的工作原理如图3-20所示。在发射管四周有冷却水。由管子的一端送入CO₂、N₂和He的混合气体。另一端用真空泵减压到1.33kPa（10mmHg），使气体在管内流通。10kV的直流电源在管子中心的高压电极与两端的接地电极之间放电，激发混合气体，产生激光。管子的一端装有一个全反光镜，而另一端则有一个局部反光镜，这是由锗片组成的窗口，是十分重要的光学元件，它在传输激光时损耗很小，还能充分保证激光腔内所需获得的表面反射率，一部分激光束通过锗窗射出，成为焊接能源。

图3-20 CO₂激光器工作原理

1—发射管 2—环状阳极 3—真空针 4、8—反光镜 5—真空泵 6—泄漏管阀 7—环状冷阴极

3.激光焊的分类与特点

激光焊也属于熔焊范畴，母材的熔化主要是由于母材为非透明物质，能吸收高功率密度的激光能量而熔化、汽化。就焊接与切割而言，整个过程发生在毫秒级甚至更短的时间内。激光与母材的作用过程可分为四个阶段：光的吸收与反射、入射到金属内的光子对材料的无损加热（通过光子碰撞电子以及电子间相互碰撞的方式）、材料的熔化与汽化、激光移走，金属凝固。

（1）激光焊的分类根据聚焦后作用在工件上的功率密度，激光焊可分为热传导焊接（功率密度小于10⁵W/cm²）和深熔焊接（功率密度大于10⁶W/cm²）。热传导焊接时，工件表面温度不超过材料的沸点，工件吸收的光能转变为热能后，通过热传导将工件熔化，无小孔效应发生，焊接过程与TIG焊相似，熔池形状近似为半球形。深熔焊接时，金属表面在光束作用下，温度迅速上升到沸点，金属迅速蒸发形成蒸气压力、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。(www.xing528.com)

根据所使用的激光器工作方式的不同，激光焊可分为脉冲激光点焊和连续激光焊两类。

1）脉冲激光点焊大多采用固态激光系统，脉冲激光器以200次/s的速率传递脉冲能量。每一脉冲持续几微秒或毫秒，焊机可焊出2.2mm深高质量的点焊缝，其焊接能力既取决于能量（脉冲能力），也取决于其平均的功率输出能力。主要适用0.5mm以下的金属板材或直径0.6mm以下金屑线材的焊接，除可焊接大部分金属材料外，尚可焊接一些高熔点的难熔金属如钨、钼、担等；特别是对异种金属材料的焊接，较一般方法有较大的突破。

2）连续激光焊主要采用二氧化碳激光器，其所需要的激光功率不仅与金属材料的熔点和热导率有关，而巨与材料表面对激光的反射率及吸收率有很大关系，已成功地焊接过碳钢、不锈钢、蒙乃尔合金、硅钢和铝、镍、钛等金属及其合金。对于钢、银、镍、铬、铝、钨、钼、担等对二氧化碳激光具有高反射率的材料，焊接时为了部分降低被焊材料的表面反射率，可采取使材料表面生成氧化膜或涂覆高吸收率、高熔点非金属膜层的方法，在某些情况下可以获得一定的效果。

（2）激光焊的特点及应用激光焊适用于微型、精密、排列非常密集、受热敏感的金属和非金属工件的焊接，并能隔着透明窗迸行焊接，其主要特点如下：

激光焊接具有焊缝深宽比大，热影响区窄，焊接速度快，焊接热输入低，焊接变形小，聚焦后的光斑直径小的特点。焊接热影响区十分狭小，可靠近热敏零件施焊；可以焊接很薄很细的微型零件，因为激光可获得极小的束点（约0.13mm），焊接中可得到轮廓分明的精密焊缝；不要求与焊缝区直接接触，可以透过玻璃或其他透明物质迸行焊接，这对于核工程是十分宝贵的，用激光焊焊接放射性零件，就可不把焊机置于核防护的“热室”中，而只需通过铅玻璃窗，把激光束投射入“热室”即可迸行焊接；因为激光束可用反射镜反射，所以基本上可在任何空间位置迸行焊接；磁场对激光不起作用；不受真空室条件的限制和不需X射线屏蔽。

激光焊的缺点是：能提供连续波的激光焊设备大多为千瓦级系统，笨重、复杂巨价格高，所以激光焊仍主要适用于一般方法不能焊接的零件。另外待焊零件和夹持这些零件的夹具精度要求都较高，这就对激光焊零件装配有严格要求。穿透力不如电子束焊，但对人眼睛视网膜会有较大损伤，因此仍需采取防护措施。

部分金属材料的二氧化碳激光焊的焊接参数可参见表3-13。

表3-13 部分金属的二氧化碳激光焊的焊接参数

随着科学技术的不断发展，许多工业技术对材料提出特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具、刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，它与其他零件的连接问题显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制。在20世纪80年代初期，激光焊以其独特的优点迸入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，采用激光焊可以提高焊接强度以及耐高温性能。

激光焊生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众，瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊来焊接车顶、车身、侧框等饭金焊接；90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竞相将激光焊引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快；意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊；日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺。高强度钢激光焊装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多，根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面，美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合迸行在激光焊过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊来焊接铝合金车身骨架方面迸行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充金属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。

激光焊在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊的热影响区小、加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片，其厚度为0.05～0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子弧焊稳定性差，影响因素多，而采用激光焊的效果很好，得到广泛的应用。

5.激光-电弧复合焊

为了克服激光焊对焊接装配精度和间隙要求高，焊缝易出现气孔、裂纹和咬边等缺陷，以及激光能量转换效率低的缺点，近年来发展了激光-电弧复合焊方法。激光-电弧复合焊的基本原理是将激光和电弧两种热源的优点集中起来，弥补单热源焊接工艺的不足。图3-21a为激光-电弧复合热源的焊接原理图。图3-21b为三种焊接条件下的焊缝熔深对比，上面那帧图像为电弧焊的熔深，中间为激光焊的熔深，下面为激光-电弧复合热源的熔深。可以看出，复合热源的焊缝具有很好的深宽比，达到了1+1＞2的效果。

图3-21 激光-电弧复合焊原理与效果图

a）激光-电弧复合焊原理 b）激光-复合焊效果图

激光-电弧复合热源的优点：焊接能量集中，焊接速度快，熔深大，比激光焊和电弧焊都好；电弧过程稳定，即使是在小电流条件下，如15A的情况下，也能稳定焊接；焊缝成形美观，变形小，焊后矫正量小；单位热输入低，焊接变形小，与激光焊相当；对接头间隙不敏感，比激光焊好很多；可以通过焊丝改善焊缝的性能。

激光-电弧复合焊的种类主要有如下三种：

1）百瓦级激光+电弧复合。热源显示为电弧的特性，激光功率能量比较小（≤500W），激光主要起稳定和压缩电弧、提高电弧能量利用率的作用，多用于激光+TIG的复合焊接，比较适合薄板焊接。

2）千瓦级激光+电弧复合。热源兼有激光和电弧的特性，能够充分利用二者的优点，多用于激光+MIG/MAG的复合焊。适用于铝合金、镁合金、碳钢、低合金高强度钢、超高强度钢等材料的焊接。

3）万瓦级激光+电弧复合。热源显示激光的特点，具有较大的焊缝深宽比，大多采用大功率的CO₂激光与MAG焊的复合，主要用于船板等大厚板的焊接，设备投资较大。