不同芯徑激光器焊接效果對比

激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實現(xiàn)，激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2為熱傳導(dǎo)焊，此時熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2時，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點。其中熱傳導(dǎo)型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等激光參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。

激光深熔焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機制是通過“小孔”（Key-hole）結(jié)構(gòu)來完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)并形成小孔。這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)2500℃左右 [1] ，熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔四周的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周包圍著固體材料（而在大多數(shù)常規(guī)焊接過程和激光傳導(dǎo)焊接中，能量首先沉積于工件表面，然后靠傳遞輸送到內(nèi)部）?？妆谕庖后w流動和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動態(tài)平衡。光束不斷進入小孔，小孔外的材料在連續(xù)流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定狀態(tài)。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進速度向前移動，熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過程的所有這一切發(fā)生得如此快，使焊接速度很容易達(dá)到每分鐘數(shù)米。

了解基本的功率密度、熱導(dǎo)焊、深熔焊概念之后，接下來對不同芯徑的功率密度和金相金相對比分析。

本次針對市面常見的激光芯徑進行焊接實驗對比：

▲不同芯徑激光器焦斑位置功率密度

從功率密度上看，在同樣的功率下，越細(xì)的芯徑，激光亮度越高，能量越集中，如果把激光比作一把尖刀，越細(xì)小芯徑的激光，越鋒利。14um芯徑功率密度是100um芯徑激光器的50倍以上，加工能力更強。同時這里計算的功率密度只是簡單的平均密度，實際的能量分布是近似高斯分布，中心能量會是平均功率密度的好幾倍。

▲不同芯徑激光能量分布示意圖

能量分布圖顏色即為能量分布，顏色越紅，能量越高，能量紅的地方為能量集中的地方，通過不同芯徑激光束的激光能量分布，可以看出激光束鋒不鋒利，激光束越小，能量越集中于一個點，越鋒利，穿透能力越強。

不同芯徑激光器對比：

（1）實驗采用速度為150mm/s，焦點位焊接，材料為1系鋁，2mm厚；

（2）芯徑越大，熔寬越大，熱影響區(qū)越大，同時單位功率密度越小，當(dāng)芯徑超過200um時，在鋁銅等高反合金上不容易打出熔深，需要更高功率方可實現(xiàn)深熔焊；

（3）小芯徑激光器功率密度高，能夠以高能快速在材料表面打出匙孔，且熱影響區(qū)小，但是同時焊縫表面粗糙，在低速焊接時匙孔坍塌概率高，焊接周期匙孔閉合周期長，容易產(chǎn)生缺陷，氣孔等缺陷，適合高速加工或者帶擺動軌跡加工；

（4）大芯徑激光器由于光斑大，能量更為分散，更適合激光表面重熔、熔覆、退火等工藝。