Nd:YAG激光焊接的优点

CO2、Nd:YAG以及半导体激光焊接是三种用途最为广泛的焊接方式。其中半导体激光焊接主要用于焊接薄板、薄膜、以及IC制造行业。但CO2和Nd:YAG激光焊接主要用于工业中硬且厚的材料。这是因为这两种激光器的功率均以比较大的功率进行输出。CO2和Nd:YAG激光最大的差别在于两者的波长不一样，其中CO2激光的波长为10.6微米，而Nd:YAG激光的波长为1.06微米，整整相差10倍。这导致两者对同一材料的吸收率存在巨大的差别。如图1所示为材料吸收率的差别图。

上图：菲涅耳吸收系数随入射角度变化时的吸收率： (90°就是垂直于表面 ，激光波长 1 μm、 10 μm、非偏振的熔融钢，光滑表面；下图：工艺参数（(1 μm Vs. 10 μm 激光波长, 0.5 m/min vs. 20 m/min扫描速度)）

在使用Nd:YAG时，激光可以通过光纤进行传输而几乎不受到损失，而CO2激光的传输是通过镜片转换来实现的。据 道，经过几小时的连续运行之后，Nd:YAG的激光能量几乎不会衰减。同时使用Nd:Yag激光焊接时还不易产生等离子体。这使得该技术在进行深熔焊接时对焊接工艺的调制就不如CO2复杂。另外一个重要的地方就是Nd:YAG对Cu、Al等的吸收率比CO2要高，所以使用Nd:YAG焊接Cu、Al时要比CO2容易的多。在不同类型的激光器中，CO2进行切割本身要比光纤（本质同Nd:YAG是一样的，只是发光物质变了，波长也是1.06微米）优越的多，但比较遗憾的是，由于CO2操作比较复杂，维修也比较不方便，对工人的技术素质要求高，目前CO2的焊接市场已经逐渐在萎缩，就连以前CO2独领风骚的切割市场也在节节败退。Nd:YAG可以在脉冲模式下以较高的峰值功率进行厚板的焊接。目前Nd:YAG的市场同样由于设备的操作和维护比同类的设备光纤要复杂，Nd:YAG的市场也在逐步被光纤所占据。

激光焊接时激光模式的选择

一般来说，不同类型的激光设备，其传输模式不外乎如下三种模式：

连续模式

脉冲模式

调Q模式

对于连续模式和脉冲模式大家比较熟悉了，在这里不在赘述。其中调Q模式目前主要用于打标的比较多。在连续模式下，输出的激光功率随时间的变化而保持不变。在连续模式下进行激光焊接，在光能量持续输出的情况下熔池是稳定的。此时物体表面接受到的能量同扫描速度密切相关。然而，在使用连续波进行焊接时存在两个问题，一个是穿透深度不够和反向丢弃（Inverse dropout）。这个问题都是激光焊接保证质量的两个边界问题。可以焊接的最大深度同激光功率密切相关。

脉冲激光Vs连续激光

采用脉冲激光进行焊接，同使用连续激光相比，其优势在于造成的热损失较小和可以焊接热敏感材料、高反材料。在脉冲激光焊接过程中，工件被激光能量在短的时间脉冲循环中不断加热使其达到熔点，从而以不断搭接的光斑形成焊道。短的脉冲长度和高的峰值功率，在相对较低的平均功率的条件下焊接材料时，相比较于连续激光，可以以较低的热输入来实现焊接。在激光焊接中，控制激光能量输入并能实现焊接是非常重要的一条原则。

脉冲激光的主要参数如下：

最小热输入：

无论是激光焊接还是切割，在保证能够完成切割或焊接质量的前提条件下，要选择能量输入最小的参数，如果材料有冶金热输入限制或热输入敏感的条件下更是如此，如玻璃与金属的焊接或者焊接O型圈的密封时。采用Nd:YAG焊接时可以以较低的热输入且不损伤部件的前提下实现焊接

速度：这个不赘述了

焊接反射材料

一般使用脉冲激光。对于Cu和贵金属材料，采用脉冲先击穿表面破坏其高发射特性。使用连续激光时则需要高平均功率的能量才行。

热处理和熔覆

此种情况下选用连续激光比较合适。平均功率确定后，其扫描速度、处理深度均受此影响。Nd:YAG也可以进行热处理和熔覆，但其平均功率低，会有一些弊端。同时，对光斑和能量分布进行整形，以平顶或矩形光斑进行热处理/熔覆，效果会更好。

点焊：

点焊时采用脉冲激光比较合适。设置好参数，脉冲激光就会持续脉冲作用。尽在光斑特别大的时候，才会考虑连续激光。

穿透深度不深的条件下的焊接

采用连续激光可以快速和高校的焊接。脉冲激光再高速下也可以实现。

焊接裂纹敏感材料

连续激光时最佳选择，除非在热输入限制的条件下。连续焊接模式下冷却速率较慢，从而易于降低裂纹产生的倾向。这在焊接含S、P、Pb、Se的钢时更为明显。在焊接中碳钢/不锈钢或贫Cr:Ni钢时更是如此，

激光焊接时工艺参数的影响

焊接产品质量的好坏同输入的参数密切相关。因此，焊接被认为是一个多输入多输出的一个过程。但在焊接过程中面临的一个普遍问题就是如何控制参数以获得最小的不利影响的焊接产品。为了解决这个问题，对焊接过程中的关键影响因数进行数值模拟以优化是一个有效的解决方案。激光焊接过程中不同参数的影响如图2所示。

光纤对激光传输的影响

理想的传输应该是达到或接近100% 的传输，同时不会对激光功率造成损伤，柔性易操作、衰减少，同时尽可能的在更多光谱范围内能够传输。Nd:YAG的高功率和较好的光束质量使得其易于利用光纤进行传输。连续运行几个小时之后，能量几乎没有衰减。图3为不同激光光源进行材料加工时的光束质量随功率变化的关系图。

保护气体对激光焊接质量的影响

在选择保护气体的时候需要考虑气体和熔体之间的化学作用和冶金作用。保护气体影响焊接过程是多方面的，如形状、穿透深度。效率等。喷嘴的设计要起到保护区域不被污染、最小的气流起到保护区域不被污染；最小的气体流量实现最大程度的保护以及在同等激光功率的条件下实现最大的焊接深度。密度稍大的气体如N2和Ar可以通过机械压力来提高焊接深度；低密度的He气则以压力的形式来实现稳定的保护。

在水下使用Nd:YAG激光焊接304不锈钢时，其焊接质量强烈的依赖于局部区域的保护状况。此时保护状态，如水的流速、气体的流速和水流的角度，局部干燥区域的稳定性同焊接质量的好坏密切相关。表1和表2为焊接时常用的气体和气体的成分。

表1 激光焊接时常用的气体

表2激光焊接时保护气体的性质

图 4 水下激光焊接TC4 钛合金的示意图及其得到的焊缝组织图 献3

N2、Ar和He常常考虑使用不同的喷嘴倾斜角度和流速来获得满意的焊缝。

激光焊接参数的优化

Emin曾经提出一个简单易懂的模型来预测不同的参数（包括材料的成分和焊接的状态）来获得优质的激光、TIG和RSW焊接接头。焊接接头的预测示意图可以帮助我们预测获得理想焊接接头的参数。这一预测图可以容易且有效地帮助钢的制造者和焊接设计者来提高焊接结构的可靠性。

TIG (a),激光焊接 (b)， resistance spot welding (RSW) (c). 献4

参考 献

1.https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.08.086，Fresnel absorption of 1 μm- and 10 μm-laser beams at the keyhole wall during laser beam welding: Comparison between smooth and wavy surfaces，Applied Surface Science，Volume 258, Issue 8, 1 February 2012, Pages 3354-3363

2.

https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.04.001，Effect of focusing condition on laser energy absorption characteristics in pulsed laser welding，Optics & Laser Technology

Volume 117, September 2019, Pages 52-63

3.https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116372，Microstructure and properties of underwater laser welding of TC4 titanium alloy，Journal of Materials Processing Technology，Volume 275, January 2020, 116372

4.https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2005.06.034，Parametric approach model for determining welding conditions: New type of welding limit diagrams (WLD)，Journal of Materials Processing Technology

Volume 170, Issues 1–2, 14 December 2005, Pages 477-486

http://www.iosrjournals.org ，Laser Beams A Novel Tool for Welding: A Review，A Jayanthia，Kvenkataramananc，Ksuresh Kumard，