多年来，激光一直在焊接领域得到广泛应用。随着激光技术进一步发展和多样化，它在焊接中的应用范围也在持续扩大。本文概述了高功率激光器在深熔焊接（deep penetration welding）中的应用。

传统焊接概述

目前使用的大部分传统（非激光）焊接技术都源自电弧焊。在使用这类焊接时，首先要使两块金属接触或紧密靠近，通常，金属的边缘可能已经过成型处理，以方便焊接。电焊条和接触区域之间形成高压，从而产生可熔化焊接材料（或者，在某些情况下熔化其他焊补材料或焊条本身）的电弧。熔化的焊接材料填充或覆盖工件之间的所有缝隙，凝固后将各部分结合在一起。

大部分电弧焊方法的主要优点是它们具有相对较低的成本，尤其是在固定设备费用方面。而且，电弧焊技术接受度高，应用广泛，并已建立完善的生产和测试标准，因此不需要长时间学习即可应用相关的工艺。

而电弧焊的主要缺点在于会让部件承受高温。这会在熔化的焊接材料中形成金相组织，导致焊缝强度降低，而且焊缝附近的热影响区域相对较大。此外，电弧的直径受局部电场的影响，因此无法独立设定。

激光深熔焊接

大部分激光焊接技术可以归入两个基本类，即“深熔”焊接和“热传导”焊接。这两种焊接模式既可以自熔（即，不使用焊补材料）方式进行，也可以在需要时使用焊补材料。

深熔，或称作深度穿透焊接。常见于以高激光功率焊接较厚的材料。在深熔焊接中，激光聚焦在一起从而在工件上形成极高的功率密度。事实上，激光束聚焦的部位会使金属气化，令金属熔池中出现一个盲孔（即深熔孔）。金属蒸气压力会挡住周围熔化的金属，使盲孔在焊接过程中始终处于开口状态。激光功率主要在蒸气与熔体边界和深熔孔壁处被熔体吸收。聚焦的激光束和深熔孔沿焊接轨迹持续移动。焊接材料在深熔孔前方熔化，并在后面重新凝固形成焊缝。

微小的深熔孔区域形成精确的窄熔化区，与电弧焊方法相比，它具有较高的纵横比（深度与宽度之比）。而且，高度集中的热量意味着工件的基体可以起到有效的散热作用，因此，焊接区域能够迅速地升温和冷却。这可在最大程度上减小受高温影响的区域面积，并降低晶粒生长。因此，激光产生的焊缝通常比电弧焊强度更高，这是它的主要优点之一。

激光焊接还能提供比电弧焊更好的灵活性，因为它可以用于大量材料，包括碳钢、高强钢、不锈钢、钛、铝，以及贵金属。由于材料熔化温度差异和热传导不会对焊接过程造成明显影响，因此激光焊接还可以用于焊接异种材料。

此外，如果考虑所有的加工步骤，激光焊接相较传统方法有着明显的成本优势，特别是精确的热量应用可以最大程度降低焊接点和整个部件的变形。因此在许多情况下，不必进行后期加工。不仅如此，激光焊接还能在较长距离上投射激光束，而且基本上没有功率损失，这使之易于融入其他生产流程，而且能够很好地与工业机器人进行集成。最后，它还能以更小的法兰尺寸实现新的产品配置，这对轻型汽车而言至关重要。

焊接用光纤激光器

目前，二氧化碳和光纤激光器可以轻松满足深熔焊接对激光束参数和功率的要求。由于绝大多数金属的吸收性随着波长的缩短而提高，因此，与波长为10.6微米的二氧化碳激光器相比，波长约为1微米的光纤激光器可以提供更高的加工效率。

图 1：光纤激光振荡器原理图，包括12 个半导体激光 器泵浦模块和6x1 光纤耦合模块，后者将泵浦光注入增益光纤，使得激 光束可以高效地输出。

尤其是，光纤激光器能极好地满足深熔焊接的要求。它们提供的输出功率一般在500瓦到10千瓦之间，而且可以轻易地将焊点直径聚焦在40微米到800微米之间的必要范围内，即使在相对较大的加工距离上也能实现。从实践的角度来看，使用激光束传输光纤可扩大集成选择，促进激光器在生产环境中的应用。最后，光纤激光器具有高可靠性、卓越的正常运行时间和较低的购置成本等特点，这使之成为一种经济可行且有吸引力的生产焊接应用选择。