不同芯径激光器焊接效果比较

激光焊接可以使用连续或脉冲激光束来实现。激光焊接的原理可分为热传导焊接和激光深熔焊接。

当功率密度小于104~105W/cm2时，为热传导焊接。此时熔深浅，焊接速度慢；当功率密度大于105~107 W/cm2时，金属表面因受热而凹成“孔”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。其原理热传导激光焊接是：激光辐射对被加工表面进行加热，表面热量通过热传导扩散到内部。通过控制激光脉冲宽度、能量、峰值功率、重复频率等激光参数，将工件熔化形成特定的熔池。

激光深熔焊一般采用连续激光束来完成材料的连接。其冶金物理过程与电子束焊接非常相似，即通过“匙孔”结构完成能量转换机制。在足够高功率密度的激光照射下，材料蒸发并形成小孔。这个充满水蒸气的小孔就像一个黑体，吸收了几乎所有的入射光束能量。孔内的平衡温度达到约2500℃。热量从这个高温孔的外壁传递，导致孔周围的金属熔化。小孔内充满了壁材在光束照射下不断蒸发产生的高温蒸汽。小孔的壁被熔融金属包围，液态金属被固体材料包围（在大多数常规焊接工艺和激光传导焊接中，能量首先沉积在工件表面，然后通过传递方式输送到内部） ）。孔壁外的液体流动和壁层的表面张力与孔腔内不断产生的蒸汽压力同相并保持动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的物质不断流动。随着光束的移动，小孔始终处于稳定的流动状态。也就是说，小孔和孔壁周围的熔融金属随着引导光束的前进速度而向前移动。熔融金属填充小孔去除后留下的间隙并相应凝结，形成焊缝。所有这一切发生得如此之快，焊接速度很容易达到每分钟几米。

了解了功率密度、导热焊、深熔焊的基本概念后，接下来我们将对不同芯径的功率密度和金相进行对比分析。

本实验根据市场上常见的激光器核心直径进行焊接对比。

▲不同纤芯直径激光器焦点位置的功率密度

从功率密度的角度来看，相同功率下，纤芯直径越小，激光的亮度越高，能量越集中。如果把激光比作一把。锋利的刀，激光的核心直径越小，就越锋利。14um芯径激光器的功率密度是100um芯径激光器的50倍以上，加工能力更强。同时，这里计算的功率密度只是简单的平均密度。实际能量分布近似高斯分布，中心能量将是平均功率密度的数倍。

▲不同纤芯直径的激光能量分布示意图

能量分布图的颜色就是能量分布。颜色越红，能量越高。红色的能量，就是能量集中的地方。通过不同纤芯直径的激光束的激光能量分布可以看出，激光束锋面不锋利，激光束锋利。越小，能量越集中于一点，越锋利，穿透能力越强。

▲不同芯径激光器焊接效果对比

不同纤芯直径的激光器对比：

(1)实验采用速度150mm/s，焦点位置焊接，材料为1系铝，厚度2mm；

(2)芯径越大，熔化宽度越大，热影响区越大，单位功率密度越小。当芯径超过200um时，在铝、铜等高反应合金上不易实现熔深，只有采用高功率才能实现更高的深熔焊接；

(3)小芯径激光器功率密度高，可在能量高、热影响区小的材料表面快速打出匙孔。但同时，焊缝表面粗糙，低速焊接时小孔塌陷概率较高，且焊接周期内小孔闭合。周期长，容易出现缺损、气孔等缺陷。适合高速加工或有摆动轨迹的加工；

(4)大芯径激光器光斑更大，能量更分散，更适合激光表面重熔、熔覆、退火等工艺。