目前常用的焊接工藝有電弧焊、電阻焊、釬焊、電子束焊等。電弧焊是目前應用最廣泛的焊接方法,它包括手弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護電弧焊、等離子弧焊、熔化極氣體保護焊等。但上述各種焊接方法都有各自的缺點,比如空間限制,對于精細器件不易操作等,而激光焊接不但不具有上述缺點,而且能進行精確的能量控制,可以實現精密微型器件的焊接。并且它能應用于很多金屬,特別是能解決一些難焊金屬及異種金屬的焊接。
激光指在能量相應與兩個能級能量差的光子作用下,誘導高能態的原子向低能態躍遷,并同時發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、光脈沖窄等優點。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行的焊接,這種焊接通常有連續功率激光焊和脈沖功率激光焊。激光焊接從上世紀60年代激光器誕生不久就開始了研究,從開始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工業生產中的大量的應用,經歷了近半個世紀的發展。由于激光焊接具有能量密度高、變形小、熱影響區窄、焊接速度高、易實現自動控制、無后續加工的優點,近年來正成為金屬材料加工與制造的重要手段,越來越廣泛地應用在汽車、航空航天、造船等領域。雖然與傳統的焊接方法相比,激光焊接尚存在設備昂貴、一次性投資大、技術要求高的問題,但激光焊接生產效率高和易實現自動控制的特點使其非常適于大規模生產線。
2. 激光焊接原理
2.1激光產生的基本原理和方法
光與物質的相互作用,實質上是組成物質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,任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應的狀態,物質與光子相互作用時,粒子從一個能級躍遷到另一個能級,并相應地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級的能量差△E,頻率為ν=△E/h。愛因斯坦認為光和原子的相互作用過程包含原子的自發輻射躍遷、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能級E1和E2,處于兩個能級的原子數密度分別為N1和N2。構成黑體物質原子中的輻射場能量密度為ρ,并有E2 -E1=hν。
2.1.自發輻射
處于激發態的原子如果存在可以接納粒子的較低能級,即使沒有外界作用,粒子也有一定的概率自發地從高能級激發態(E2)向低能級基態(E1)躍遷,同時輻射出能量為(E2-E1)的光子,光子頻率 ν=(E2-E1)/h。這種輻射過程稱為自發輻射。自發輻射發出的光,不具有相位、偏振態上的一致,是非相干光。
2.2.受激輻射
除自發輻射外,處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。當頻率為 ν=(E2-E1)/h的光子入射時,也會引發粒子以一定的概率,迅速地從能級E2躍遷到能級E1,同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子,這個過程稱為受激輻射。
2.3.受激吸收
受激輻射的反過程就是受激吸收。處于低能級E1的一個原子,在頻率為 的輻射場作用下吸收一個能量為hν的光子,并躍遷至高能級E2,這種過程稱為受激吸收。自發輻射是不相干的,受激輻射是相干的。