原文為德國德累斯頓工業大學A.Mahrle與E.Beyer教授撰寫，鬼斧翻譯。3.1 熱源初探在焊接工程中，術語“熱源”通常是指在熔融焊接過程中使用的加熱工具的類型。當熱源沿著焊接路徑前進時，其能量在要連接零件之間的焊接區域轉換為內部能量。如果有沉積的能量足夠大，基體材料和填充材料會局部熔化，從而形成熔池，并在凝固后形成焊縫。有許多不同類型的焊接熱源，以這種方式，將工件連接在一起。用于熔焊的熱源包括電弧，激光束和電子束。這些焊接工具，每一個都有其自己的特點，對于任何特定的焊接任務，選擇一種特定的熱源，要考慮多種因素。用于對焊接熱源進行分類的一個獨特特征，是能量強度。激光束和電子束的能量強度通常遠高于電弧強度，因此被稱為高能量密度熱源。
近年來，高能量密度和低能量密度熱源的組合進一步增加了焊接的種類。最成熟的技術是將氣體保護電弧和激光束結合在一起。這種組合稱為激光-電弧復合工藝。原則上，激光-電弧復合相對容易實現。因為兩種熱源通常都在大氣壓條件下工作，并且需要對焊接區域進行相似的氣體保護。但是，了解每個單獨熱源的相關屬性是尋找有用的工藝組合和最佳參數組合的必要前提。3.2 激光束熱源聚焦的激光束，是當今可用于焊接工程的最高能量密度的焊接熱源。相干且接近單色的激光發出的電磁輻射，通常會集中到直徑小于毫米的非常小的光斑。出于焊接目的，通?？梢詫崿F高達10^12 W/m^2的強度。由于諸如鋼、鋁等可焊接金屬，在典型材料加工激光的波長下是不透明的，故入射的激光輻射會被吸收或反射。吸收的激光能量被轉換為被焊接材料表面非常薄表層的內部熱量，從而導致加熱，熔化，甚至蒸發以及等離子體形成。通常，激光束焊接是在沒有填充金屬的情況下進行的。焊縫和熱影響區通常通過惰性氣體保護與大氣隔離，惰性氣體通常為氬氣（Ar），氦氣（He）或兩種氣體的混合物。3.2.1 光束特性激光束熱源的最重要特性，分別是可用的光輸出功率PL，發射輻射的波長λ和光束參數乘積（BPP），分別作為光束聚焦性或光束質量的度量。這些量取決于具體的激光系統，決定在被焊接材料表面可達到的強度或輻照度。強度的平均值IL，0被定義為激光功率PL與光束的橫截面積AL，0的比。對于半徑為w0的圓型光束，是常見情況，計算公式為：可以在通常的聚焦條件下，根據以下關系式估算通過聚焦光束（例如，通過透鏡）可獲得的w0的最小值BPP，是透鏡焦距f和聚焦前初始光束直徑D的函數。BPP對應于激光束的束腰半徑w0和所謂的遠場散度的半角θ的乘積。θ為光束在z = 0時從束腰擴展角度的度量。對于具有理想光束傳輸系統的激光系統，BPP是常量。對于物理上具有最佳光束質量的高斯光束（指數G），也稱為理想光束或受衍射限制的光束，BPP與發射的激光波長成正比，取決于如下關系：實際的，或非高斯光束有參數BPPNG。它總是大于BPPG。引入所謂的光束傳播比M2，作為兩種BPP的無量綱比（參照標準DIN EN ISO 11145，2002）
光束傳播比M2，作為一個經常使用的量，用作激光光束質量的相對量度。 對于高斯光束，它是M2 = 1，而實際光束的特征是M2> 1。M2在很大程度上取決于激光類型。 影響M2的其他因素是光束傳輸過程中的球面差和熱透鏡效應。 因此，M2還取決于所使用的光學器件（鏡頭，防護眼鏡，分束器）以及激光功率。 對于具有初始高質量的激光束，這一事實變得尤為重要。對于給定的透鏡焦距f，實際光束的聚焦半徑w0，NG是衍射極限激光束的半徑w0，G的M2倍。關于理想光束和實際光束的BPP的定義（3.3）和（3.4），角度θ考慮如下條件。
距束腰任何距離z處，實際激光束的光束半徑wz，NG，可以通過光束傳播方程計算。
其中zR是對應的瑞利長度，表示在z = 0時光束束腰原點與沿傳播線的束腰半徑w0，NG增加41.4％（或乘以2的平方根）。在圓形光束的情況下，這一點上橫截面積翻倍。根據上一公式，將激光束的瑞利長度定義為：
瑞利長度是聚焦深度DOF的一種可能的定義，是對束腰區域長度的度量，在該束腰區域上，光斑尺寸沒有明顯變化，并且激光強度保持近似恒定。以這種方式，除了所施加的激光束的聚焦強度IL，0的影響之外，聚焦深度還會對焊縫的幾何形狀和可達到的焊縫熔深產生重要影響。在具有小聚焦半徑w 0的強聚焦激光束的情況下，這一事實變得尤其重要，這又分別導致較短的瑞利長度或增大的發散角。
3.2.2 焊接方法當根據本章第一個公式，強度為IL，0的激光束入射到金屬工件的表面時，只有一部分的能量，以吸收率為A，滲透到基板，其功率為PL，A
這部分吸收的激光能量，主要擴散在基板很薄的一層，厚度為：
它通常被稱為吸收深度lA，它是激光輻射波長λ和阻尼常數或消光系數k的函數。金屬中吸收深度的典型值約為激光波長的百分之一。因此，金屬可以認為是不透明的，并且零件
這里R = 1-A，是表示入射激光功率的反射部分。由于反射部分損失掉，對焊接材料的加熱沒有幫助。顯而易見，光的吸收率和反射率特性，對作為焊接激光束作為焊接熱源的能量傳遞效率具有重要影響。通常，吸收率A和反射率R是激光輻射的偏振態、激光束與被照射表面之間的入射角、基本光學特性折射率n和消光系數k的復雜函數。這又取決于激光的波長λ和材料的一些特性，例如自由電子密度ne和溫度T。下表列出了室溫下不同金屬在典型的用于材料加工的激光波長下，反射率值。但是，必須考慮到，給定的值僅針對光滑表面。對于工業表面，吸收率還受被照射樣品的表面條件（包括表面粗糙度，表面層和氧化膜）的影響。
最后，總的耗散激光功率以及由激光束的熱輸入與所傳遞的（入射）激光功率的比率（即激光光束轉移效率）在很大程度上取決于所實現的焊接模式。在激光束焊接中，可以根據所選的焊接參數（主要基于單位長度的能量密度）和被焊接材料的特性來區分三種不同的激光焊接模式。這些焊接模式包括熱傳導模式，穿透模式和匙孔或深熔透模式。傳導模式焊接是激光焊接的一種。其中吸收的激光能量僅引起待焊接樣件的熔化。即，熱傳導模式是一種純熔焊工藝，熔池表面溫度的最大值位于材料的熔點和沸點之間。在這種情況下，激光用作表面熱源，且能量傳遞效率主要取決于表面的吸收率。消散的能量通過熱傳導傳遞到材料中，并在熔池內部通過對流傳熱傳遞，這是熔池流體流動的結果，而流體流動又由（I）與溫度的密度引起的浮力效應和（II）自由熔池表面處的表面張力梯度的馬蘭戈尼效應影響。后者能夠顯著影響焊縫的形狀和大小，從而確定最終焊縫的幾何形狀。為了獲得可接受的熔深，必須以相對較慢的焊接速度進行熱傳導模式激光焊接。熔深與焊縫寬度的典型縱橫比在0.2到1的范圍內。因此，傳導受限的激光焊接工藝最好用于薄金屬板的焊接和微連接。在增加激光強度時，將被焊接的材料加熱到沸點。另外，一些材料將蒸發，并且所產生的反沖壓力將液體熔體擠壓到側面。隨后凹入的熔池表面，使激光輻射更深地滲透到材料中，從而在焊池內形成了一個鉆孔，稱為“匙孔”。最優選的激光焊接方式，是被稱為深熔焊或匙孔焊接的激光焊接工藝。充分發展且穩定的蒸汽通道就像黑體一樣，吸收了最大量的入射激光輻射。在這種情況下，可以將激光束視為有效且高度集中的體積焊接熱源。由于匙孔的形成主要取決于聚焦激光束強度，因此采用激光束焊接熱源可獲得的穿透深度，顯示出獨特的閾值行為。其中，定義的閾值強度通常取決于待焊接材料的熱性能、焊接進給速率以及激光波長和功率。匙孔激光焊接工藝的效率還受到在高激光強度下發生的等離子體效應的影響。在高激光強度下，蒸發的金屬被電離并形成具有自由電子的等離子體。該自由電子能夠與入射激光輻射發生相互作用。相互作用的類型和強度主要取決于激光波長。結果，由于吸收和折射效應，在通過等離子體束期間，光束的傳播特性會大大惡化?？墒牵ㄟ^使用適當的具有高電離勢的保護氣體（例如He或含He量高的He-Ar混合物），可以減少甚至抑制這些負面影響。匙孔模式是在較高的焊接速度下焊接較厚材料的首選模式。長寬比通常介于3到10之間，但如果應用具有高光束質量、高度聚焦的激光束（例如光纖激光器），則有時甚至更高。每單位長度所需的能量輸入相對較小，因此在最小化殘余焊接應力的情況下，實現焊接零件的無變形連接通常是可行的。匙孔模式的過程固有缺點包括：（I）接縫準備和夾緊要求較高；（II）匙孔的最終不穩定性導致飛濺，尖峰和/或孔隙率；（III）焊縫內部的高熱梯度和熱影響區有時會引起焊接缺陷，例如裂紋；（IV）激光輻射與形成等離子體的金屬蒸氣之間的不良相互作用。
第三種激光焊接模式稱為導通模式焊接。它是介于傳導模式焊接和匙孔焊接之間一種焊接方式。在這種模式下，聚焦的激光強度太低而無法像深熔焊一樣產生小而穩定的鎖孔。但是，會形成一個較大的熔池表面凹陷，該凹陷能夠通過多次反射將入射激光功率捕獲在中央焊池凹口處。結果，與傳導模式相比，激光能量被更有效地吸收，并且可以實現高達3：1的縱橫比。
除了各種焊接模式之外，可以根據它們對能量沉積的時間控制的依賴性來進一步分類激光焊接工藝，即連續波（CW）激光工藝和脈沖波（PW）激光工藝。
在連續焊接工藝中，焊接是最常用的焊接方式，單位長度的實現能量密度即激光強度與焊接速度之比決定了焊接模式，而在PW應用中，焊接模式主要取決于脈沖能量和 脈沖重復率。
3.2.3 激光類型
有許多不同類型的激光器，但只有少數符合焊接目的所需的高輸出功率。當前，最常用的高功率激光器仍然是二氧化碳（CO2）和Nd：YAG（釹：釔-鋁-石榴石）激光器。然而，近來具有高輸出功率和高光束質量的Yb：YAG（釔-鋁-石榴石）圓盤和滲鐿光纖激光器已經大量商用，并且越來越多地用于焊接應用。
過去在傳導模式焊接工藝中首選的第五種激光器是高功率二極管激光器。這些激光源的最重要特性，包括所用激光介質的發射波長，功率轉換效率，即光輸出與電輸入功率之比，可用的最大輸出功率，理論光束質量以及光束強度、激光系統的移動性和特性維護間隔等。如下圖所示
二氧化碳激光
通常，CO2激光器是當今用于材料加工的最受歡迎的氣體激光器。激光介質中的CO2與N2和He的混合量不同，取決于激光諧振器的設計、工作壓力和工作模式（即連續或脈沖）。通過氣體混合物中的放電，來實現CO2分子的激發。激光輻射主要以10.6μm的波長發射。通常，轉換效率在12％至14％的范圍內。長期以來，CO2激光器一直是可用于激光材料加工的最高連續波電源。當前商用的最大功率輸出系統功率為20 kW。
最常被提及的CO2激光器的缺點與所發射輻射長的波長有關。結果之一是，大多數材料在電磁波譜的可見光范圍內是透明的，例如：玻璃對CO2激光輻射不透明。因此，必須使用特殊且更昂貴的材料（例如硒化鋅和光束偏轉）制造所需的激光諧振器傳輸元件和光束引導裝置，并且必須通過反射光學器件（例如鍍金或多層鍍銅的銅基板）實現聚焦。
長波長的另一個結果，是材料加工中常用的金屬的高反射率以及輻射與激光誘導等離子體之間相互作用的增強。因此，要在CO2激光焊接中有效地抑制等離子體，通常需要使用具有高電離勢能的He進行氣體保護。
Nd：YAG激光
Nd：YAG激光器仍然是使用最廣泛的固態激光器。摻釹的YAG晶體用作發射波長為1.06μm的激光介質。激發能量由高強度放電燈（泵浦）或激光二極管（二極管泵浦）以光學方式提供。與氣體激光器相比，棒狀Nd：YAG激光晶體具有光學活性，并且隨著輸出功率的增加，輸出光束的質量會下降。因此，光束質量大大低于CO2激光器的光束質量，但是由于波長較短，Nd：YAG激光器可以實現的焦點尺寸與M2值更好（更小）的CO2激光器類似。目前Nd：YAG激光器的商用連續波長激光器，最大輸出功率限制為6 kW。
Nd：YAG激光器的較短輸出波長具有一些重要優勢。首先，光束可以通過光纖傳輸并用普通透鏡聚焦，從而為機器人焊接和復雜的三維結構焊接提供了重要的好處。其次，大多數金屬的吸收率顯著提高。這一事實對于傳導模式焊接過程以及匙孔模式焊接的閾值強度值特別重要。最后，入射激光輻射與所產生的金屬蒸氣之間沒有顯著的相互作用。因此，在通常使用的功率強度下，用CO2激光器進行的深熔透激光焊接中存在的擾動等離子體的問題不會發生。結果，可以使用Ar或Ar氣體混合物作為保護氣體，而不是使用更昂貴的He。
盤片激光器和光纖激光器
近年來，已開發出很有前景的盤片激光和光纖激光器系統。作為特殊類型的二極管泵浦固態激光器，它們具有激光活性介質（分別為盤片和光纖）的特征幾何形狀，同時提供高光輸出功率，高轉換效率 效率，高光束質量和1μm左右的短發射波長。除了已經提到的可能通過光纖傳輸光束的優點外，與之相比，盤片和光纖激光器還可以將激光輻射強力聚焦到非常小的聚焦半徑上。
CO2激光（由于較長的10.6μm波長）和Nd：YAG激光（由于棒狀激光活性晶體的熱效應）達到了典型的聚焦尺寸。另外，新激光源的特性也在不斷提高。因此，圓盤和光纖激光器越來越多地用于多種焊接目的。
迄今為止，市場上可買到的連續波盤激光器的輸出功率高達8 kW（Trumpf 2008）。在此功率下，BPP等于8毫米mrad。優選使用的二極管泵浦激光活性介質是激光波長為1.03μm的Yb：YAG。
光纖激光系統可提供高達50 kW的更高功率（多模）。目前，具有近衍射極限（高斯）光束（M2 <1.1）的單模光纖激光器的功率高達5 kW。光纖激光器的有源增益介質通常是摻有Yb的光纖，其波長范圍為1.06至1.07μm。
半導體激光器
長期以來，高功率二極管激光器（HPDL）系統，受限于低輸出功率和低光束質量，導致典型的幾毫米長的矩形光斑尺寸。所得到的焦點強度僅允許在熱傳導模式下進行焊接。但是，可以實現的激光束功率和束質量的不斷提高，也導致了深熔焊工藝的可能性。當前，可提供輸出功率高達10 kW的直接HPDL和輸出功率高達8 kW的光纖耦合HPDL。在后一種系統中，光束質量類似于Nd：YAG激光器的光束質量，實際的HPDL能夠直接與這種更常見的激光器競爭。HPDL的發射波長取決于半導體的材料特性，溫度和驅動電流。典型值在0.8和1μm之間。HPDL系統的一個重要優點是其緊湊的尺寸和較低的重量，使其特別適合與機器人控制結合使用。
焊接熱源，這一章內容太多了。這里完成激光熱源的講解，電弧熱源的講解放到下次單獨成篇！
