激光指在能量相應(yīng)與兩個(gè)能級(jí)能量差的光子作用下，誘導(dǎo)高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷,并同時(shí)發(fā)射出相同能量的光子。激光具有方向性好、相干性好、單色性好、光脈沖窄等優(yōu)點(diǎn)。激光焊接是利用大功率相干單色光子流聚焦而成的激光束為熱源進(jìn)行的焊接，這種焊接通常有連續(xù)功率激光焊和脈沖功率激光焊。激光焊接從上世紀(jì)60年代激光器誕生不久就開始了研究，從開始的薄零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的大量的應(yīng)用，經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展。由于激光焊接具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無后續(xù)加工的優(yōu)點(diǎn)，近年來正成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天、造船等領(lǐng)域。雖然與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存在設(shè)備昂貴、-次性投資大、技術(shù)要求高的問題，但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的特點(diǎn)使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線。

1. 激光焊接原理 
1）激光產(chǎn)生的基本原理和方法 
　　光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子。微觀粒子都具有一套特定的能級(jí)，任一時(shí)刻粒子只能處在與某一能級(jí)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，物質(zhì)與光子相互作用時(shí)，粒子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)，并相應(yīng)地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級(jí)的能量差△E，頻率為ν=△E/h。愛因斯坦認(rèn)為光和原子的相互作用過程包含原子的自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過程。我們考慮原子的兩個(gè)能級(jí)E1和E2，處于兩個(gè)能級(jí)的原子數(shù)密度分別為N1和N2。構(gòu)成黑體物質(zhì)原子中的輻射場(chǎng)能量密度為ρ，并有E2 -E1=hν。 
① 自發(fā)輻射 

處于激發(fā)態(tài)的原子如果存在可以接納粒子的較低能級(jí)，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率自發(fā)地從高能級(jí)激發(fā)態(tài)（E2）向低能級(jí)基態(tài)（E1）躍遷，同時(shí)輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率 ν=（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射發(fā)出的光，不具有相位、偏振態(tài)上的一致，是非相干光。 
② 受激輻射 
　　除自發(fā)輻射外，處于高能級(jí)E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級(jí)。當(dāng)頻率為 ν=（E2-E1）/h的光子入射時(shí)，也會(huì)引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級(jí)E2躍遷到能級(jí)E1，同時(shí)輻射一個(gè)與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個(gè)過程稱為受激輻射。

③ 受激吸收 
　　受激輻射的反過程就是受激吸收。處于低能級(jí)E1的一個(gè)原子，在頻率為 的輻射場(chǎng)作用下吸收一個(gè)能量為hν的光子，并躍遷至高能級(jí)E2，這種過程稱為受激吸收。自發(fā)輻射是不相干的，受激輻射是相干的。 
　　由受激輻射和自發(fā)輻射的相干性可知，相干輻射的光子簡(jiǎn)并度很大。普通光源在紅外和可見光波段實(shí)際上是非相干光源。如果能夠創(chuàng)造這樣一種情況：使得腔內(nèi)某一特定模式的ρ很大，而其他所有模式的都很小，就能夠在這一特定模式內(nèi)形成很高的光子簡(jiǎn)并度，使相干的受激輻射光子集中在某一特定模式內(nèi)，而不是平均分配在所有模式中。激光器就是采用各種技術(shù)措施減少腔內(nèi)光場(chǎng)的模式數(shù)、使介質(zhì)的受激輻射恒大于受激吸收來提高光子簡(jiǎn)并度，從而達(dá)到產(chǎn)生激光的目的。 
　　產(chǎn)生激光的基本條件：一是能在外界激勵(lì)能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的增益介質(zhì)；二是要使受激發(fā)射光強(qiáng)超過受激吸收，必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)N2/G2- N1/G1>0；三是要使受激發(fā)射光強(qiáng)超過自發(fā)發(fā)射，必須提高光子簡(jiǎn)并度。 
2）激光焊接原理 
　　激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實(shí)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)焊接，此時(shí)熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于105～107 W/cm2時(shí)，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(diǎn)[1]。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(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、功率和頻率等參數(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，能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過小孔完成。在高功率密度激光的照射下，材料蒸發(fā)形成小孔，這個(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎吸收全部的入射光能量，熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個(gè)孔腔四周的金屬熔化。在光束照射下的壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生高溫蒸汽，孔壁外液體流動(dòng)形成的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動(dòng)態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔始終處于流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)，圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)而向前移動(dòng)，熔融金屬填充小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。 
2.激光焊接的優(yōu)缺點(diǎn) 
　　激光焊接具有很多優(yōu)點(diǎn)。激光焊接可以將熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，而且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形也很低；不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮；激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)?shù)木嚯x，且可在工件周圍的機(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮作用；工件可放置在封閉的空間內(nèi)，激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型或間隔相近的部件。另外激光焊接可焊材質(zhì)的種類范圍很大，可以相互接合各種異質(zhì)材料，并且易于以自動(dòng)化進(jìn)行高速焊接，也可以數(shù)位或電腦控制；用激光焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí)，不會(huì)像電弧焊接容易有回熔的困擾，而且激光焊接不受磁場(chǎng)所影響，能精確地對(duì)準(zhǔn)焊件。

     激光焊接也有一些缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。一是焊件位置需非常精確，務(wù)必在激光束的聚焦范圍內(nèi)；二是焊件需使用夾具時(shí)，必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)；三是最大可焊厚度受到限制，滲透厚度遠(yuǎn)超過19mm的工件在生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接。四是當(dāng)進(jìn)行中能量至高能量的激光束焊接時(shí)，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)。最后，能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常小于10%；焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮，并且設(shè)備昂貴。表1對(duì)各種焊接工藝進(jìn)行了比較。 

不同焊接工藝的各種性能比較

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