《Hybrid laser–arc welding》一书，是一本激光电弧复合焊的权威著作。鬼斧在学习的过程，将内容翻译、整理、发布，供各位同仁学习参考。
本文位第一章的部分内容，主要是对激光焊接的整体介绍。
1.1 激光焊接
1.1.1 激光和激光焊接简史
激光的发展
在20世纪早期，阿尔伯特.爱因斯坦改变了世界。他致力于理解和发展理论，以解释物理现象的本质。在1917年，他提出了受激辐射的概念。在受激能量场里，一种光子（激励光子）可以通过扰动电子，产生另外一种光子（受激光子），它们具有相同的相位、频率、偏振和方向。激励光子不会消失，因此这种工艺可以实现某种光的放大。这个概念奠定了日后激光发展的基础。激光（Laser），即光的受激辐射放大。
在1958年，美国人肖洛（Arthur Schawlow）和汤斯（Charles Townes）发表的论文描述了建造激光器，在紫外光、可见光、红外光波长范围通过受激辐射产生单色、相干光。这篇论文的发表以及后续在1960年专利的申请确定了他们作为激光发明者的地位。尽管在1960年梅曼（Theodore Mainman）基于一块红宝石建立和展示第一套激光系统。之后很快，其它的激光材料被调查、研究。1961年，Elias Snitzer展示了第一套光纤激光。1962年，Robert Hall，Gunther Fenner和同事展示了第一套半导体激光。直到1964年，当今流行、耐用的切割和焊接激光才得以发明。
（1）Na:YAG激光，光能辐射的波长为1064nm，美国贝尔实验室的J.E.Geusic，H.M.Marcos和L.G.Van Uitert对此进行了描述；
（2）二氧化碳激光，光能辐射的波长为10.6um，C.K.N.Patel对此进行了描述。
第一套商用的Na:YAG激光为低功率脉冲激光系统，第一套二氧化碳激光输出功率只有100W。今天，Na:YAG激光已经广泛商业应用，连续光操作可提供输出功率达8kW，商用现成的二氧化碳激光输出功率可达20kW,而实验室现成的研究系统可达150kW。
新的技术使各种激光技术的功率更上一层楼。商业化的带光纤传输的直接半导体激光功率可达10kW，而光电转换效率可达50%。半导体激光光束质量相对较差，有大的光斑和低辐射通量密度（光斑单位面积的能量，有时也被误认为能量密度）。当然，这个辐射通量密度通常是足够的，甚至适合焊接工艺，特别是涂敷处理。现在可用的单模光纤激光可提供功率3kW，光电转换效率大于25%，且提供的高质量的光束，以很高辐射通量产生很小的光斑。单模激光系统的低成本和极高的辐射通量密度提供的特性，将会在未来新的焊接技术和应用大有前景。多模光纤激光技术产生的光斑较大，辐射通量密度较低，现在商用系统可实现50kW的输出功率，光电转换效率达25%，也会为高速和厚截面焊接提供前景。
激光焊接的发展
在激光技术发展早期，人们就认识到了激光在金属处理和连接领域的优势。激光具有相干性，使它可以传输，并通过反射或折射聚焦于基板上。受光的波长和聚焦的光学材质影响，光能量可以聚焦于基板上很小的斑点，产生很高的辐射通量密度。这些能量可以被基板稳定地吸收，并转换为热能。当提供给斑点的能量足够，金属基板将会加热并熔化，从而实现熔融焊接。
贯穿整个1960年代，一些焊接激光的使用与应用实践相继报道。由于那时可用的激光功率相对较低，大多早期工作集中在电子工业的小型部件的连接上。在1970年代早期，几千瓦的二氧化碳激光吸引了来自其它行业的兴趣。一些文章探讨了采用输出功率达20kW的二氧化碳激光进行深熔焊和高速焊接。
由于二氧化碳激光的波长属于远红外光（10.6um），激光光束必须通过所谓的硬光学器件，比如镜面、凸透镜等传输到工件。这就使系统十分复杂，且对维护要求很高，以保持高的洁净度和光学器件沿光路的对齐。Nd:YAG激光的波长较短，为1064nm，位于近红外区域，可以通过光纤传输。这大大简化了光束传输问题，并易于集成到机械的、半自动化或者自动化系统中。
最初，Nd:YAG激光大大受限于最大可用功率。但在1980年代后期，一些焊接研究推动了高功率（>1kW）、连续波长的Nd:YAG激光的使用。采用光纤的高功率激光焊机的前景，又激发人们不断努力，以生产更高输出功率的激光。2000年初，一些文章开始讨论8-10kW的Nd:YAG激光的焊接特性。
在30多年来，几千瓦的二氧化碳激光和Nd:YAG激光逐渐进入商业应用。而直接半导体激光则在最近的十年得到应用，一些学者都进行了早期的研究。而最近，研究则聚焦在热塑性材料和聚合物的焊接，薄材料的连接以及激光涂敷和激光堆叠工艺。
1990年代后期，第一个光纤激光焊接案例探讨了早期光纤激光在微焊接应用的潜能。在2002年，继续开拓了潜在的应用范围。随着商业激光应用系统更加广泛，人们对单模激光焊接产生了更大的兴趣。2004年，第一个1kW的单模光纤激光问世。到2007年，3kW的商用单模激光系统发布。随着高亮度激光系统的功率增加，新的应用不断拓展。另外，最近光纤激光也可组合成多千瓦的多模激光系统。2002年5月，第一个1kW的多模光纤激光问世，2003年3月，10kW的多模激光系统问世，直到2004年，高达50kW的多模激光系统成为可能。最近发布的焊接技术，显示大截面焊接和薄壁高速焊接前景广阔。
1.1.2 激光和激光焊接
激光，实际上一种带有离散波长、相干形式的电磁辐射，它可在空间传播。广为人知，光具有波粒二相性。为了描述激光束与材料的交互关系，可以认为像一种摆动的电场向量和相关的磁场向量。当摆动的电场向量与基板材料内弹性连接的电子相互作用时，电子会以诱导振动的形式运动。对于不透明材料，一部分入射能量被反射，一部分被材料吸收。反射与吸收比率取决于材料、波长、基板温度、表面薄膜、入射角和表面粗糙度。电子可以自由摆动，且在不扰动原子结构情况下再辐射，比如在金属内部自由电子云，可以造成入射辐射的反射。当其它的电子试图振动，特别是那些和原子结合的电子，受晶格结构约束，振动能量可以通过基板传输，由此产生热量。
如果通过这种机制提供给基板的能量足够，就可以有效消除材料键间的机械强度，使基板熔化。
通过这种机制，向基板提供足够的能量，足以地消除材料结合中的机械强度，则会基板使熔化。虽然金属在固态时通常对红外激光束能量具有很强的反射性（最典型的材料，反射率> 90％），但是当材料熔化时原子的无序性，显著降低了反射率（最典型的材料，反射率>50％）。如果在两个部件之间的交接区域，进行熔化，产生熔融区。并且随后移除热源使得熔融区可以冷却，固化并将部件熔合在一起，则该过程可以称为焊接。如果控制激光束提供的热量，并控制熔融时的蒸发，则该过程通常被称为传导模式焊接。这可以通过平衡激光提供给基板的热量与基板传导的热量，或者通过移动激光束斑点，限制单一点能量堆积总量来实现。光束在一个地方。通常上，这可通过操作光束失焦来实现的。此时，激光辐射能量密度相对较低。
当激光束与基板的交互作用具有足够高的辐射能量密度时，原子本身之间的键会被破坏，从而被蒸发。如果强度更高，则来自汽化金属原子和气体的电子，可以离开原子，从而产生电离气体和等离子体。这种高温蒸汽和等离子体，将倾向于膨胀，产生推动周围的熔融材料的反冲力，平衡熔融材料上的力，并导致形成空腔或匙孔。
这种模式下的焊接，通常被称为匙孔焊接，并且通常在激光辐射能量密度为10e6W/cm2时发生。当辐射能量密度更高时，例如> 10e7W/cm2，该过程经常导致过度飞溅。在这种辐射能量密度下，熔化发生在一微秒内。匙孔通常包含蒸发的基体材料和电离的气体或等离子体。它通过反冲力与蒸汽压力、表面张力和由作用在熔融液体表面上的移动蒸汽的摩擦效应引起的流体静力学平衡来维持。一旦形成钥匙孔，与传导模式焊接相比，焊透将显着增加，因为光束能量具有通过钥匙孔中的多次反射和通过菲涅耳吸收，提高了基体能量吸收率。
锁孔中的蒸汽和等离子体处于极高的温度，Nd：YAG约为2000K，CO2焊接约为6000-10000K，它通过反向辐射效应吸收额外的能量，并通过黑体效应再辐射到基体。这些等离子体可用于吸收、散射和散焦激光束，尤其是在长波长的CO2焊接时，会限制焊透性。因此，可以选择具有高电离电位的保护气体，例如He气会限制这种吸收。另外，高速气体射流通常用于将逸出的等离子体重定向出激光束的路径。过热等离子体将热量再辐射回基板表面足以影响熔合区，从而有助于所谓的钉头效应。
从历史上看，技术文献已经在这两种模式之间产生了明显的差异，尽管实际上在传导模式焊接和匙孔模式焊接之间存在着连续性。实际上，经常观察到传导模式焊接是一个更稳定的过程，因为没有匙孔焊缝不易受气体截留和孔隙形成的影响。采用匙孔模式工艺，匙孔内熔融金属流动的不稳定性，可能导致匙孔塌陷，在固化过程中可能会产生气泡，导致熔合区孔隙。在某些情况下，温度更高工艺将使熔池保持足够长的时间，以便通过匙孔稳定性或通过合金元素或表面污染物的挥发形成气泡，以迁移到熔池的表面并逸出到大气中。
由于在激光匙孔焊过程中，用于焊接的热量局限在有限区域中，因此周围材料并未明显加热，且焊接速度与冷却速率远高于传统的电弧焊接工艺。这种高效能量使用的好处是限制了热影响区的大小，并且残余塑性应变急剧减少。因此，激光焊接要比采用传统焊接工艺时发现的扭曲变形更小。然而，这种快速冷却速率可伴随着沿焊缝中心线形成裂缝。原因是污染和合金化添加物会沿着凝固前沿被推向焊接熔池的中心。另外，由于快速冷却速率，通常会形成脆的、且延展性有限的微结构。
激光焊接设备
激光束焊接包括各种组件和必须考虑的因素，以生成高质量的激光焊接。这些可以大致分为两类：（i）激光，光束和光学器件；（ii）工艺气体和辅助工艺设备/考虑因素。
激光，光束和光学器件
有几种类型的激光器，适合激光束焊接。如前所述，在远红外区域、波长为10.6μm的CO2激光器和在近红外区域、波长为1064nm的Nd：YAG激光器一直是激光焊接的主力。最近一二十年，光纤激光器和直接半导体激光器已进入市场，两者都在近红外波长下工作。
远红外波长的激光束往往在金属中的吸收不如近红外激光束，但是一旦形成匙孔，两种情况下吸收都会急剧增加。由于波长较长，CO2激光束不能通过光纤传输，因此必须通过水冷却的反射镜传送。
上面提到的所有其他激光器都可以通过光纤传送。通过光纤传输激光束能量，大大简化了激光器与机械机构、自动化焊接系统的集成。另外，CO2激光束的较长波长在焊接等离子体中更容易被吸收，因此，使用保护气体和喷嘴进行等离子体抑制是较深焊接的必要条件。
上述所有激光器可以以连续波（CW）模式或脉冲模式操作。脉冲焊接有时用于降低资金成本，因为脉冲激光器已经显示出能够以比相同平均功率操作的CW激光器更深和更快地焊接。另外，研究人员已经发现，通过将激光束功率的脉冲速率与熔池的振荡频率联系，巧妙地操纵脉冲参数可以增加匙孔稳定性，减少形成的孔隙。
光学器件，包括光纤将光束传送到所需的光学聚焦系统，都会影响产生足够小光斑的能力，以达到约10e6W/cm-所需的辐射能量密度。对于CO2激光器，有时会使用较大的反射光学器件来进行热量管理，并补偿光束发散。在从镜子反射到镜子，通过空间到聚焦光学器件时会产生光束发散。使用纤维输送光束，最小可能光斑尺寸与光纤直径直接相关，光斑直径永远不会小于光纤直径。直到最近，600微米直径的光纤用于典型的高功率Nd：YAG激光束的传输，尽管最近的技术发展，现在允许通过直径小到100微米的光纤传输高功率的光纤激光器和Nd：YAG激光器产生的激光。现在，功率高达3kW的单模光纤激光器，可以通过直径小得多的光纤传输激光，并且能够产生直径约10μm的光斑尺寸。当较大的光斑尺寸是可接受的时，则可以增加焦距以提供光学器件与加工区域的隔离，从而限制光学器件受飞溅和其它工艺发射的可能损害。光纤可以是阶跃折射率或梯度折射率，影响出射光束质量和聚焦光束的能力。
一旦光束被传送到所需的焊接位置，就必须使用聚焦光学器件来校准和聚焦光束，以达到所需的形状和尺寸。透射光学器件通常用于近红外激光束和低于5kW的远红外激光束，水冷反射光学器件则用于更高功率的远红外激光束。在这两种情况下，通常应用增透涂层来提高光学元件的传输效率。基于纯几何光学定律的简单球面透镜可用于聚焦激光束，但通常利用更复杂的透镜组合来补偿球面像差。在高功率时，采用水冷却来限制可能影响聚焦光束特性的热致失真。这些聚焦透镜组件越复杂，成本就会越高。因此，在大多数情况下，为了防止损坏，在焊接区域和聚焦光学器件之间放置相对便宜且一次性的盖透镜，通常在易于拆卸的透镜盒中。焊接过程中的飞溅或烟雾可能造成涂覆光学元件的损坏，从而在激光被吸收时产生热点，最终导致透镜破裂。
现在有几家公司提供盖镜监控系统，可以观察盖镜上飞溅或其他沉积物散射的任何散射光，并在更换盖镜时通知操作员。由于所谓的激光从基板反射回到聚焦光学系统中，也可能发生损坏，这可能导致热偏移，从而损坏光纤或甚至激光器。因此，焊接头通常与正常位置偏离5度，使得大部分反射能量不会直接返回聚焦头。
针对不同应用，可以将标准聚焦光学器件集成，以产生若干不同的变形。传感器和成像设备可以通过使用选择性反射镜结合到光学系统中。这些可用于科学探索，以及过程监控和控制、热传感、甚或焊缝跟踪。高速扫描光学系统可以非常快速地在大面积上操纵光束，而无需移动高惯性机器人或定位器。典型用途包括汽车工业中的点焊。其他光学器件可用于产生纵向或横向于焊接方向的双点，以试图帮助稳定焊接匙孔。激光束也可以快速旋转或振荡，以帮助稳定焊接过程。
保护气体和辅助工艺设备
在激光焊接期间，使用各种保护气体以减轻焊接过程中的潜在问题。如前所述，通过CO2激光束焊接，激光束在被匙孔发出的等离子体中被强烈吸收。因此，具有高电离能的气体，例如He气，常用于等离子体抑制。气体可以与激光束同轴吹入（尽管通常以高速从交互作用区的侧面喂入，使得发射的等离子体实际上被吹出光路。这也有助于使导致镜头损坏的排放和飞溅发生偏转。特别是当用易于产生飞溅的高亮度激光器焊接时，可能需要额外的气体来保护镜头，并且则使用高流速的气刀。最后，考虑焊接的材料，可以使用额外的工艺保护气体来帮助防止基板在高温下氧化。
焦点通常位于基板的顶部表面上，但是有时它位于表面下方几毫米处，从而在焊接厚截面材料，产生更深的焊透。激光束腰，其描述了光束在名义上聚焦并且辐射能量密度相对恒定的长度。它随焦距增加而增加，并且还将影响焊接过程。
选择行进速度和功率以实现所需的焊透，同时保持坚固的匙孔和足够的焊接质量。它们受到所有上述过程变量的影响，并且还受到材料特性，特别是热扩散性的强烈影响。该材料还影响熔合区的机械性能，并且有时可将填充材料添加到熔池中以补偿挥发的合金元素。在对接接头中，接头中的间隙可以允许激光束穿过而不被吸收并转换成热量。因此通常使用填充材料来补偿间隙。填充材料也用于补偿搭接接头中的间隙。此时，间隙会导致咬边。
除了传统电弧焊接的典型安全考虑因素，激光焊接还存在其他危险。在可行的情况下，焊接过程完全封闭在互锁的不透光外壳内。对于近红外激光束尤其如此，它可被人眼聚焦，并产生特别的危险。
本文仅讨论了激光的最基本方面，以及与后续探讨的激光电弧复合焊主题密切相关的知识背景。
激光焊的优势
激光焊接工艺与传统的电弧焊接技术相比，具有许多潜在的优势。通过匙孔模式进行深熔焊接，可以通过单个焊道焊接焊接极厚的基板，从而减少缺陷的概率。在单次通过中焊截面焊接的能力，也会对所需消耗品的数量产生积极影响，并相应地减少有害排放。精确控制的光束能量可实现低热输入，从而显着降低失真。低热还可以导致热影响区和熔合区中的材料的冶金微观结构得以改善。这可以改善设计者直接关注的机械性能，例如疲劳和可成形性。精确控制的热量和匙孔模式焊接也可以以电弧过程不可能达到的速度进行焊接（最高10m/min）。作为热源的激光能量的非接触特性可以使用扫描系统，该扫描系统能够比焊接焊枪更快地在空间上移动焊接热源。
激光焊接的缺点
目前，高功率激光器及其相关光学器件需要比传统电弧焊设备显着更高的资金投入。直到最近，低的光电转换效率（在灯泵浦Nd：YAG激光器的情况下为1-2％）可能被认为是该技术最大的缺点。当然，现在的光纤激光器和直接二极管激光器的光电转换效率提高，可达30％，并减轻了激光焊接的这个缺点。
另外，对焊接接头的固定要求较高，必须限制间隙或必须添加更多的材料以确保充分的熔合。由高速激光焊接相关的快速冷却速率，可导致中心线裂纹、热裂纹、液化裂纹或形成脆性和非延性固化微观结构。安全问题的要求增加，尤其是Nd：YAG、光纤激光器和直接半导体激光器对眼睛的安全性，会增加实施的复杂性和成本。安全问题也使得在便携式或手动操作中使用激光焊接技术，难以实施。飞溅可能发生在高的光束辐射能量密度情况下，并可能损坏昂贵的光学元件。
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