激光焊接技術(shù)研究

劉峻++朱敏紅

摘 要：傳統(tǒng)的焊接方法一般都有焊接溫度高、工藝過程復(fù)雜、焊接條件苛刻等特點(diǎn)，激光焊接以激光束為能源，沖擊在焊件接頭上。激光束可由平面光學(xué)元件導(dǎo)引，隨后再以反射聚焦鏡片或元件將光束投射在焊縫上。激光焊接能量集中使得線能量小、熱影響區(qū)窄、焊接變形小，可以實(shí)現(xiàn)用小功率激光器焊接厚大的零件，同時(shí)能夠改善焊縫質(zhì)量，獲得硬度和塑性較好的焊接接頭，成為許多材料焊接成形的重要手段。

關(guān)鍵詞：激光焊接；焊接性能

中圖分類號(hào)：TB756 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）32-0016-03

傳統(tǒng)的焊接方法一般都有焊接溫度高、工藝過程復(fù)雜、焊接條件苛刻等特點(diǎn)，特別是高的焊接溫度，容易帶來許多問題，如對(duì)材料的物理性能（如熱膨脹系數(shù)）的不匹配更為敏感，或者可能引起工件變形甚至材料的有些性質(zhì)（如光學(xué)性質(zhì)）喪失或改變。對(duì)于非金屬材料的連接，傳統(tǒng)的方法有釬焊、熱壓擴(kuò)散焊等?，F(xiàn)在又發(fā)展了許多新技術(shù)，包括摩擦焊、電子束焊接、超聲波焊接、中性原子照射法等。比如對(duì)玻璃與金屬的封接，傳統(tǒng)的方法采用熔接或者膠接。熔接溫度高、接頭應(yīng)力高，而膠接連接強(qiáng)度不高、不耐腐蝕、容易老化等。

現(xiàn)代激光焊接技術(shù)已經(jīng)有了較大的發(fā)展，激光焊接是一種利用激光束與材料相互作用的原理來實(shí)現(xiàn)材料固態(tài)連接的一種焊接方法，在某種程度上可以克服一些傳統(tǒng)方法存在的問題。

1 激光器

1960年，世界上的第一個(gè)激光束利用閃光燈泡激發(fā)紅寶石晶粒所產(chǎn)生，因受限于晶體的熱容量，只能產(chǎn)生很短暫的脈沖光束且頻率很低。雖然瞬間脈沖峰值能量可高達(dá)10～6瓦，但仍屬于低能量輸出。使用釹（Nd）為激發(fā)元素的釔鋁石榴石晶棒（Nd：YAG）可產(chǎn)生1～8 kW的連續(xù)單一波長(zhǎng)光束。YAG激光波長(zhǎng)為1.06 um，可以通過柔性光纖連接到激光加工頭，設(shè)備布局靈活，適用焊接厚度0.5～6 mm的焊接件。使用CO2為激發(fā)物的CO2激光（波長(zhǎng)10.6 um），輸出能量可達(dá)25 kW，可做出2 mm板厚單道全滲透焊接，工業(yè)界已廣泛用于金屬的加工上。

激光焊接屬于熔融焊接，以激光束為能源，沖擊在焊件接頭上。激光束可由平面光學(xué)元件（如鏡子）導(dǎo)引，隨后再以反射聚焦鏡片或元件將光束投射在焊縫上。激光焊接屬于非接觸式焊接，作業(yè)過程不需加壓，但需使用惰性氣體以防止熔池被空氣氧化，填料金屬偶有使用。激光焊可以與MIG焊組成激光MIG復(fù)合焊，實(shí)現(xiàn)大熔深焊接，同時(shí)熱輸入量比MIG焊大為減小。

Nd：YAG激光器的結(jié)構(gòu)由全反射鏡、工作物質(zhì)、玻璃套管、部分反射鏡、聚光鏡、氙燈、電源等組成。當(dāng)電源打開后，氙燈為工作物質(zhì)提供光能，玻璃套管濾去氙燈發(fā)出的紫外線，聚光鏡將氙燈發(fā)出的光能聚集在工作物質(zhì)上。激光在諧振腔內(nèi)來回反射共振，激光能量得到加強(qiáng)和改善。當(dāng)激光能量密度達(dá)到部分反射鏡界限時(shí)，透過部分反射鏡發(fā)射出激光。其中工作物質(zhì)是激光器的核心，將氙燈中部分光能轉(zhuǎn)換為相干光。固體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 激光同金屬材料間的相互作用

金屬材料中存在著大量的自由電子，這些自由電子在受到光頻電磁波的作用時(shí)，會(huì)被強(qiáng)迫振動(dòng)而產(chǎn)生次波。而這些次波又會(huì)形成較弱的透射波和強(qiáng)烈的反射波。透射波部分在很薄的金屬表層被吸收，造成激光在金屬表面具有較高的反射比。而特別對(duì)紅外光而言，其光子的能量較相對(duì)較低，光頻電磁波僅只能對(duì)金屬中的自由電子起作用。對(duì)光子的能量較高的紫外光或可見光來說，由于金屬中的束縛電子的固有頻率處在紫外光或可見光頻段，因而能對(duì)金屬中的束縛電子發(fā)生作用。對(duì)束縛電子的作用，使金屬的反射能量降低、透射能力加強(qiáng)，增強(qiáng)了金屬對(duì)激光的吸收，使金屬呈現(xiàn)出某非金屬的光學(xué)性質(zhì)。

對(duì)于波長(zhǎng)為10.6 μm的紅外波和波長(zhǎng)為0.25 μm的紫外波的測(cè)量結(jié)果表明：光波在各種大多數(shù)金屬中穿透的深度能達(dá)到10 nm的數(shù)量級(jí)。其吸收系數(shù)大約為105～106 cm-1。

在激光光束的作用下，大多數(shù)金屬的光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變。輻射作用下，可以得到在通常情況下它們的反射系數(shù)會(huì)相應(yīng)減小的結(jié)果。實(shí)質(zhì)上這是一種熱效應(yīng)，正是這種熱效應(yīng)使的金屬對(duì)熱損耗變得很敏感。在紅外波段，當(dāng)反射系數(shù)較大時(shí)，熱損耗更是如此。一般情況下，材料的吸收特性是通過計(jì)算發(fā)射率來進(jìn)行推導(dǎo)的，這是因?yàn)椴牧系陌l(fā)射率？著？姿？姿（T）通常是由下式給出的：

？著？姿（T）=1-R（T）（1）

式（1）中，λ為波長(zhǎng)；Rλ為反射率；T指的是材料表面溫度數(shù)值。一般來說，？著？姿（T）是隨λ和T的變化而改變。

假設(shè)有一種表面沒有氧化金屬材料，若將其且置于真空中，則可通過公式計(jì)算其發(fā)射率。垂直入射時(shí)，材料的發(fā)射率為：

？著？姿（T）=（2）

式（2）中，K2為消光系數(shù)；n1為復(fù)發(fā)射率的實(shí)部。對(duì)該金屬材料來說，K2和n1均是λ和T的函數(shù)。

一般來說，電子與晶格的相互碰撞時(shí)間很短。所以，整體上金屬的反射系數(shù)存在隨溫度升高而減小規(guī)律。另外，熱金屬相對(duì)冷金屬較活躍，由于金屬表面存在的化學(xué)反應(yīng)（如氧化等），容易發(fā)生反射率不可逆的變化規(guī)律，但在高真空環(huán)境下，除此規(guī)律不可應(yīng)用。

當(dāng)前，可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)還比較少見，特別是在熱金屬的反射系數(shù)方面。但在紅外波段，我們可以獲得如下述描述，即認(rèn)為金屬的總吸收系數(shù)可由三大部分組成：自由電子（fe），帶間躍遷（ib）和表面效應(yīng)（surf），亦即：

1-R≈（1-R）（fe）+（1-R）ib+（1-R）（surf）（3）

但是，關(guān)于式中后兩項(xiàng)同溫度間的依賴關(guān)系，這里并沒有系統(tǒng)而全面地論述，它們賴于能帶所處的能態(tài)、能帶精細(xì)結(jié)構(gòu)、表面金屬的反應(yīng)能力。然而，在假設(shè)自由電子的密度與溫度無(wú)關(guān)的條件下，我們可以將自由電子項(xiàng)與直流電導(dǎo)率σ0的溫度關(guān)系聯(lián)系在一起，而后者常是已知的。

金屬材料的發(fā)射率與溫度、金屬電阻率有關(guān)，可用下式進(jìn)行計(jì)算：

？著？姿（T）=0.365[r20（1+？酌T）/？姿]1/2-0.0667[r20（1+？酌T）/？姿]1/2+-0.006[r20（1+？酌T）/？姿]1/2（4）

式（4）中，r20為20 ℃時(shí)的電阻率；？酌為電阻率隨溫度變化的系數(shù)；T為溫度。

工件對(duì)激光束能量的利用率決定于吸收率，金屬對(duì)光束的吸收率越大，激光釬焊越易進(jìn)行。材料對(duì)激光束的吸收主要取決于激光的波長(zhǎng)、材料電阻系數(shù)和材料的表面狀態(tài)。

研究表明，在金屬熔化以前，吸收率隨溫度的增加而增加；當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，吸收率急劇增加。多數(shù)金屬在熔化時(shí)其導(dǎo)電率急劇減小，減小到常溫時(shí)的1/2～1/3，這必然會(huì)導(dǎo)致反射率與導(dǎo)熱率的突變。

3 激光同非金屬材料間的相互作用

3.1 非金屬材料吸收激光時(shí)的反應(yīng)

非金屬與金屬大為不同，它對(duì)激光有較低的反射比，相反對(duì)應(yīng)的吸收比相對(duì)較高。對(duì)應(yīng)不同結(jié)構(gòu)特征非金屬，對(duì)不同波長(zhǎng)激光具有強(qiáng)烈的選擇性。

在沒有收到激發(fā)時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體僅存在束縛電子，其中束縛電子不僅具有一定的固有頻率v0，同時(shí)其值由電子躍遷時(shí)的能量變化△E決定，且有：

v0=△E/h，

其中h為普朗克常量。但是當(dāng)材料內(nèi)束縛電子的固有頻率等于或約等于入射光波頻率時(shí)，內(nèi)部束縛電子會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈諧振，輻射出次波，形成較強(qiáng)的透射波和較弱的反射波。但在該諧振頻率周圍，材料的反射比和吸收系數(shù)都是增加的，出現(xiàn)反射峰值和吸收值峰；而在其它頻率下，如果是均勻的半導(dǎo)體或絕緣體，按其本性應(yīng)該是透明的，且具有較低的反射比，較小的吸收系數(shù)。

一般情況下，半導(dǎo)體具有多個(gè)諧振頻率，并以其中價(jià)帶電子向?qū)кS遷產(chǎn)生的諧振最為重要。這種躍遷常叫做本征吸收或本征電離，又稱為電子的帶間躍遷。受激光照射時(shí)的半導(dǎo)體中，處于價(jià)帶的電離會(huì)因吸收光子而受激躍遷到導(dǎo)帶。電子躍遷時(shí)，根據(jù)有無(wú)聲子的帶間躍遷，可將躍遷分為間接躍遷和直接躍遷。這兩種要求最小光子能量應(yīng)均等于禁帶寬度的能量。然而，當(dāng)帶間躍遷產(chǎn)生足夠多的載流子對(duì)時(shí)，他們會(huì)反過來影響被照射材料物質(zhì)對(duì)激光的吸收。其中，半導(dǎo)體的的禁帶寬度應(yīng)對(duì)于可見光或紅外光光譜，而絕緣體的禁帶寬度應(yīng)于對(duì)紫外光光譜。此外，在熱或光的作用下，濃度較高的半導(dǎo)體自由載流子，會(huì)呈現(xiàn)出某種金屬的光學(xué)性質(zhì)。

除電子躍遷外，大多數(shù)非金屬當(dāng)然也可以通過有機(jī)物分子間的相對(duì)振動(dòng)或者晶體點(diǎn)陣來進(jìn)行能量耦合。

3.2 激光與透明固體的作用

光束能夠引起得固體光學(xué)的性質(zhì)的所有變化，可以將其歸結(jié)為三種，可從按照輻照度增大的排列順度。它們分別是：

①熱的產(chǎn)生導(dǎo)致材料的電子性質(zhì)或密度發(fā)生改變，其中有關(guān)的效應(yīng)是：透明介質(zhì)中間的熱自聚焦，以及金屬和半導(dǎo)體中的“熱逃逸”現(xiàn)象。

②絕緣體和半導(dǎo)體中發(fā)生的自由載流的光學(xué)現(xiàn)象，是由碰撞電離或帶間躍遷引起的，導(dǎo)致明顯增大吸收系數(shù)，甚至?xí)锌赡芤饑?yán)重的爆炸性的材料損傷。

③強(qiáng)光束的電場(chǎng)使整個(gè)分子或電子軌道發(fā)生非線性畸變自聚焦和多光子吸收等許多非線性光學(xué)現(xiàn)象，都是由電場(chǎng)效應(yīng)而引起的自聚焦。而僅只有滯后部分的脈沖能經(jīng)歷自聚焦，能有效地抑制短脈沖自聚焦出現(xiàn)的方法是馳豫效應(yīng)。

另外，自聚焦并不僅只局限于窄的高斯光束，如果能夠調(diào)制足夠好的光束橫截面，則任意一種直徑的高斯光束都會(huì)產(chǎn)生自聚焦，使眾多夠強(qiáng)的峰值功率，可以彼此獨(dú)立地產(chǎn)生自聚焦而導(dǎo)致寬的強(qiáng)光束，并會(huì)在非線性介質(zhì)中，形成許許多多細(xì)小的絲狀路徑。

在激光同材料相互間作用時(shí)，激光引起的沖擊力和吸收能量的材料都將使受作用的材料部分向外膨脹。若每一部分材料都能夠自由膨脹，則雖有變形，材料也不會(huì)出現(xiàn)破壞或應(yīng)力。若各個(gè)部分的材料都不能自由膨脹，則各部分之間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或爆炸破壞，因?yàn)樗麄冎g相互制約。

激光同透明固體材料間相互作用的過程，是部分材料受激光輻射的過程，而本身材料是連續(xù)體，因而激光的作用將使材料內(nèi)部產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)，諸如應(yīng)力波、自聚焦或爆炸破壞等。

4 激光參數(shù)對(duì)焊接性能的影響

影響激光焊接過程中焊接性能的因素，主要有激光功率密度、激光光速直徑、材料本性、焊接速度等。

激光的功率密度必須在104～106 W/cm2范圍內(nèi)方能進(jìn)行激光焊接。

激光的光束直徑應(yīng)根據(jù)焊縫的寬度進(jìn)行調(diào)整，選擇同釬料寬度相差不大的光斑直徑，以盡量減小焊接熱影響區(qū)的大小。

材料對(duì)光能量的吸收決定了激光深熔焊的效率，影響材料對(duì)激光吸收的因素有兩個(gè)方面：一是材料的電阻系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，激光對(duì)材料的吸收率與電阻系數(shù)的平方根成正比。二是材料的表面狀態(tài)。有時(shí)材料對(duì)激光的吸收率較低，可采用表面處理的方法改變材料表面性能，提升對(duì)材料的吸收率。

在一定的激光功率下，提高焊接速度，激光的線能量下降，激光對(duì)材料作用的熱量就相對(duì)減少；反之，激光對(duì)材料作用的熱量增加。

5 結(jié) 語(yǔ)

激光焊接可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。激光焊接焊接速度快，可降低厚板焊接所需的時(shí)間甚至可省掉填料金屬的使用。激光焊接不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮，且因不屬于接觸式焊接制程，機(jī)具的耗損及變形接可降至最低。激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，且可在工件周圍的機(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無(wú)法發(fā)揮。激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件。激光焊接可焊材質(zhì)種類范圍大，可焊接不同物性（如不同電阻）的兩種金屬，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。

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金屬材料的發(fā)射率與溫度、金屬電阻率有關(guān)，可用下式進(jìn)行計(jì)算：

？著？姿（T）=0.365[r20（1+？酌T）/？姿]1/2-0.0667[r20（1+？酌T）/？姿]1/2+-0.006[r20（1+？酌T）/？姿]1/2（4）

式（4）中，r20為20 ℃時(shí)的電阻率；？酌為電阻率隨溫度變化的系數(shù)；T為溫度。

工件對(duì)激光束能量的利用率決定于吸收率，金屬對(duì)光束的吸收率越大，激光釬焊越易進(jìn)行。材料對(duì)激光束的吸收主要取決于激光的波長(zhǎng)、材料電阻系數(shù)和材料的表面狀態(tài)。

研究表明，在金屬熔化以前，吸收率隨溫度的增加而增加；當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，吸收率急劇增加。多數(shù)金屬在熔化時(shí)其導(dǎo)電率急劇減小，減小到常溫時(shí)的1/2～1/3，這必然會(huì)導(dǎo)致反射率與導(dǎo)熱率的突變。

3 激光同非金屬材料間的相互作用

3.1 非金屬材料吸收激光時(shí)的反應(yīng)

非金屬與金屬大為不同，它對(duì)激光有較低的反射比，相反對(duì)應(yīng)的吸收比相對(duì)較高。對(duì)應(yīng)不同結(jié)構(gòu)特征非金屬，對(duì)不同波長(zhǎng)激光具有強(qiáng)烈的選擇性。

在沒有收到激發(fā)時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體僅存在束縛電子，其中束縛電子不僅具有一定的固有頻率v0，同時(shí)其值由電子躍遷時(shí)的能量變化△E決定，且有：

v0=△E/h，

其中h為普朗克常量。但是當(dāng)材料內(nèi)束縛電子的固有頻率等于或約等于入射光波頻率時(shí)，內(nèi)部束縛電子會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈諧振，輻射出次波，形成較強(qiáng)的透射波和較弱的反射波。但在該諧振頻率周圍，材料的反射比和吸收系數(shù)都是增加的，出現(xiàn)反射峰值和吸收值峰；而在其它頻率下，如果是均勻的半導(dǎo)體或絕緣體，按其本性應(yīng)該是透明的，且具有較低的反射比，較小的吸收系數(shù)。

一般情況下，半導(dǎo)體具有多個(gè)諧振頻率，并以其中價(jià)帶電子向?qū)кS遷產(chǎn)生的諧振最為重要。這種躍遷常叫做本征吸收或本征電離，又稱為電子的帶間躍遷。受激光照射時(shí)的半導(dǎo)體中，處于價(jià)帶的電離會(huì)因吸收光子而受激躍遷到導(dǎo)帶。電子躍遷時(shí)，根據(jù)有無(wú)聲子的帶間躍遷，可將躍遷分為間接躍遷和直接躍遷。這兩種要求最小光子能量應(yīng)均等于禁帶寬度的能量。然而，當(dāng)帶間躍遷產(chǎn)生足夠多的載流子對(duì)時(shí)，他們會(huì)反過來影響被照射材料物質(zhì)對(duì)激光的吸收。其中，半導(dǎo)體的的禁帶寬度應(yīng)對(duì)于可見光或紅外光光譜，而絕緣體的禁帶寬度應(yīng)于對(duì)紫外光光譜。此外，在熱或光的作用下，濃度較高的半導(dǎo)體自由載流子，會(huì)呈現(xiàn)出某種金屬的光學(xué)性質(zhì)。

除電子躍遷外，大多數(shù)非金屬當(dāng)然也可以通過有機(jī)物分子間的相對(duì)振動(dòng)或者晶體點(diǎn)陣來進(jìn)行能量耦合。

3.2 激光與透明固體的作用

光束能夠引起得固體光學(xué)的性質(zhì)的所有變化，可以將其歸結(jié)為三種，可從按照輻照度增大的排列順度。它們分別是：

①熱的產(chǎn)生導(dǎo)致材料的電子性質(zhì)或密度發(fā)生改變，其中有關(guān)的效應(yīng)是：透明介質(zhì)中間的熱自聚焦，以及金屬和半導(dǎo)體中的“熱逃逸”現(xiàn)象。

②絕緣體和半導(dǎo)體中發(fā)生的自由載流的光學(xué)現(xiàn)象，是由碰撞電離或帶間躍遷引起的，導(dǎo)致明顯增大吸收系數(shù)，甚至?xí)锌赡芤饑?yán)重的爆炸性的材料損傷。

③強(qiáng)光束的電場(chǎng)使整個(gè)分子或電子軌道發(fā)生非線性畸變自聚焦和多光子吸收等許多非線性光學(xué)現(xiàn)象，都是由電場(chǎng)效應(yīng)而引起的自聚焦。而僅只有滯后部分的脈沖能經(jīng)歷自聚焦，能有效地抑制短脈沖自聚焦出現(xiàn)的方法是馳豫效應(yīng)。

另外，自聚焦并不僅只局限于窄的高斯光束，如果能夠調(diào)制足夠好的光束橫截面，則任意一種直徑的高斯光束都會(huì)產(chǎn)生自聚焦，使眾多夠強(qiáng)的峰值功率，可以彼此獨(dú)立地產(chǎn)生自聚焦而導(dǎo)致寬的強(qiáng)光束，并會(huì)在非線性介質(zhì)中，形成許許多多細(xì)小的絲狀路徑。

在激光同材料相互間作用時(shí)，激光引起的沖擊力和吸收能量的材料都將使受作用的材料部分向外膨脹。若每一部分材料都能夠自由膨脹，則雖有變形，材料也不會(huì)出現(xiàn)破壞或應(yīng)力。若各個(gè)部分的材料都不能自由膨脹，則各部分之間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或爆炸破壞，因?yàn)樗麄冎g相互制約。

激光同透明固體材料間相互作用的過程，是部分材料受激光輻射的過程，而本身材料是連續(xù)體，因而激光的作用將使材料內(nèi)部產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)，諸如應(yīng)力波、自聚焦或爆炸破壞等。

4 激光參數(shù)對(duì)焊接性能的影響

影響激光焊接過程中焊接性能的因素，主要有激光功率密度、激光光速直徑、材料本性、焊接速度等。

激光的功率密度必須在104～106 W/cm2范圍內(nèi)方能進(jìn)行激光焊接。

激光的光束直徑應(yīng)根據(jù)焊縫的寬度進(jìn)行調(diào)整，選擇同釬料寬度相差不大的光斑直徑，以盡量減小焊接熱影響區(qū)的大小。

材料對(duì)光能量的吸收決定了激光深熔焊的效率，影響材料對(duì)激光吸收的因素有兩個(gè)方面：一是材料的電阻系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，激光對(duì)材料的吸收率與電阻系數(shù)的平方根成正比。二是材料的表面狀態(tài)。有時(shí)材料對(duì)激光的吸收率較低，可采用表面處理的方法改變材料表面性能，提升對(duì)材料的吸收率。

在一定的激光功率下，提高焊接速度，激光的線能量下降，激光對(duì)材料作用的熱量就相對(duì)減少；反之，激光對(duì)材料作用的熱量增加。

5 結(jié) 語(yǔ)

激光焊接可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。激光焊接焊接速度快，可降低厚板焊接所需的時(shí)間甚至可省掉填料金屬的使用。激光焊接不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮，且因不屬于接觸式焊接制程，機(jī)具的耗損及變形接可降至最低。激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，且可在工件周圍的機(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無(wú)法發(fā)揮。激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件。激光焊接可焊材質(zhì)種類范圍大，可焊接不同物性（如不同電阻）的兩種金屬，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。

參考文獻(xiàn)：

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金屬材料的發(fā)射率與溫度、金屬電阻率有關(guān)，可用下式進(jìn)行計(jì)算：

？著？姿（T）=0.365[r20（1+？酌T）/？姿]1/2-0.0667[r20（1+？酌T）/？姿]1/2+-0.006[r20（1+？酌T）/？姿]1/2（4）

式（4）中，r20為20 ℃時(shí)的電阻率；？酌為電阻率隨溫度變化的系數(shù)；T為溫度。

工件對(duì)激光束能量的利用率決定于吸收率，金屬對(duì)光束的吸收率越大，激光釬焊越易進(jìn)行。材料對(duì)激光束的吸收主要取決于激光的波長(zhǎng)、材料電阻系數(shù)和材料的表面狀態(tài)。

研究表明，在金屬熔化以前，吸收率隨溫度的增加而增加；當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，吸收率急劇增加。多數(shù)金屬在熔化時(shí)其導(dǎo)電率急劇減小，減小到常溫時(shí)的1/2～1/3，這必然會(huì)導(dǎo)致反射率與導(dǎo)熱率的突變。

3 激光同非金屬材料間的相互作用

3.1 非金屬材料吸收激光時(shí)的反應(yīng)

非金屬與金屬大為不同，它對(duì)激光有較低的反射比，相反對(duì)應(yīng)的吸收比相對(duì)較高。對(duì)應(yīng)不同結(jié)構(gòu)特征非金屬，對(duì)不同波長(zhǎng)激光具有強(qiáng)烈的選擇性。

在沒有收到激發(fā)時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體僅存在束縛電子，其中束縛電子不僅具有一定的固有頻率v0，同時(shí)其值由電子躍遷時(shí)的能量變化△E決定，且有：

v0=△E/h，

其中h為普朗克常量。但是當(dāng)材料內(nèi)束縛電子的固有頻率等于或約等于入射光波頻率時(shí)，內(nèi)部束縛電子會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈諧振，輻射出次波，形成較強(qiáng)的透射波和較弱的反射波。但在該諧振頻率周圍，材料的反射比和吸收系數(shù)都是增加的，出現(xiàn)反射峰值和吸收值峰；而在其它頻率下，如果是均勻的半導(dǎo)體或絕緣體，按其本性應(yīng)該是透明的，且具有較低的反射比，較小的吸收系數(shù)。

一般情況下，半導(dǎo)體具有多個(gè)諧振頻率，并以其中價(jià)帶電子向?qū)кS遷產(chǎn)生的諧振最為重要。這種躍遷常叫做本征吸收或本征電離，又稱為電子的帶間躍遷。受激光照射時(shí)的半導(dǎo)體中，處于價(jià)帶的電離會(huì)因吸收光子而受激躍遷到導(dǎo)帶。電子躍遷時(shí)，根據(jù)有無(wú)聲子的帶間躍遷，可將躍遷分為間接躍遷和直接躍遷。這兩種要求最小光子能量應(yīng)均等于禁帶寬度的能量。然而，當(dāng)帶間躍遷產(chǎn)生足夠多的載流子對(duì)時(shí)，他們會(huì)反過來影響被照射材料物質(zhì)對(duì)激光的吸收。其中，半導(dǎo)體的的禁帶寬度應(yīng)對(duì)于可見光或紅外光光譜，而絕緣體的禁帶寬度應(yīng)于對(duì)紫外光光譜。此外，在熱或光的作用下，濃度較高的半導(dǎo)體自由載流子，會(huì)呈現(xiàn)出某種金屬的光學(xué)性質(zhì)。

除電子躍遷外，大多數(shù)非金屬當(dāng)然也可以通過有機(jī)物分子間的相對(duì)振動(dòng)或者晶體點(diǎn)陣來進(jìn)行能量耦合。

3.2 激光與透明固體的作用

光束能夠引起得固體光學(xué)的性質(zhì)的所有變化，可以將其歸結(jié)為三種，可從按照輻照度增大的排列順度。它們分別是：

①熱的產(chǎn)生導(dǎo)致材料的電子性質(zhì)或密度發(fā)生改變，其中有關(guān)的效應(yīng)是：透明介質(zhì)中間的熱自聚焦，以及金屬和半導(dǎo)體中的“熱逃逸”現(xiàn)象。

②絕緣體和半導(dǎo)體中發(fā)生的自由載流的光學(xué)現(xiàn)象，是由碰撞電離或帶間躍遷引起的，導(dǎo)致明顯增大吸收系數(shù)，甚至?xí)锌赡芤饑?yán)重的爆炸性的材料損傷。

③強(qiáng)光束的電場(chǎng)使整個(gè)分子或電子軌道發(fā)生非線性畸變自聚焦和多光子吸收等許多非線性光學(xué)現(xiàn)象，都是由電場(chǎng)效應(yīng)而引起的自聚焦。而僅只有滯后部分的脈沖能經(jīng)歷自聚焦，能有效地抑制短脈沖自聚焦出現(xiàn)的方法是馳豫效應(yīng)。

另外，自聚焦并不僅只局限于窄的高斯光束，如果能夠調(diào)制足夠好的光束橫截面，則任意一種直徑的高斯光束都會(huì)產(chǎn)生自聚焦，使眾多夠強(qiáng)的峰值功率，可以彼此獨(dú)立地產(chǎn)生自聚焦而導(dǎo)致寬的強(qiáng)光束，并會(huì)在非線性介質(zhì)中，形成許許多多細(xì)小的絲狀路徑。

在激光同材料相互間作用時(shí)，激光引起的沖擊力和吸收能量的材料都將使受作用的材料部分向外膨脹。若每一部分材料都能夠自由膨脹，則雖有變形，材料也不會(huì)出現(xiàn)破壞或應(yīng)力。若各個(gè)部分的材料都不能自由膨脹，則各部分之間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或爆炸破壞，因?yàn)樗麄冎g相互制約。

激光同透明固體材料間相互作用的過程，是部分材料受激光輻射的過程，而本身材料是連續(xù)體，因而激光的作用將使材料內(nèi)部產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)，諸如應(yīng)力波、自聚焦或爆炸破壞等。

4 激光參數(shù)對(duì)焊接性能的影響

影響激光焊接過程中焊接性能的因素，主要有激光功率密度、激光光速直徑、材料本性、焊接速度等。

激光的功率密度必須在104～106 W/cm2范圍內(nèi)方能進(jìn)行激光焊接。

激光的光束直徑應(yīng)根據(jù)焊縫的寬度進(jìn)行調(diào)整，選擇同釬料寬度相差不大的光斑直徑，以盡量減小焊接熱影響區(qū)的大小。

材料對(duì)光能量的吸收決定了激光深熔焊的效率，影響材料對(duì)激光吸收的因素有兩個(gè)方面：一是材料的電阻系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，激光對(duì)材料的吸收率與電阻系數(shù)的平方根成正比。二是材料的表面狀態(tài)。有時(shí)材料對(duì)激光的吸收率較低，可采用表面處理的方法改變材料表面性能，提升對(duì)材料的吸收率。

在一定的激光功率下，提高焊接速度，激光的線能量下降，激光對(duì)材料作用的熱量就相對(duì)減少；反之，激光對(duì)材料作用的熱量增加。

5 結(jié) 語(yǔ)

激光焊接可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。激光焊接焊接速度快，可降低厚板焊接所需的時(shí)間甚至可省掉填料金屬的使用。激光焊接不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮，且因不屬于接觸式焊接制程，機(jī)具的耗損及變形接可降至最低。激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，且可在工件周圍的機(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無(wú)法發(fā)揮。激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件。激光焊接可焊材質(zhì)種類范圍大，可焊接不同物性（如不同電阻）的兩種金屬，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。

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