激光焊接，尤其是大功率焊接過(guò)程中，最容易產(chǎn)生飛濺。飛濺所產(chǎn)生的顆粒物也會(huì)附著熔池及工件表面，極易造成表面粗糙度變化，劃傷母材，污染目鏡、隔離片、濾光片及毛玻璃片等光學(xué)介質(zhì)，、元器件受損，甚至?xí)斐扇松戆踩肮矩?cái)產(chǎn)損失等問(wèn)題。

汽車(chē)行業(yè)尤為需要大量使用激光焊接技術(shù)對(duì)鍍鋅鋼板、銅和鋁等特定材料進(jìn)行加工，消除飛濺的方式是犧牲光纖激光器固有優(yōu)勢(shì)，但這會(huì)降低加工效率。因此，需要了解飛濺的產(chǎn)生，從而尋求最大化消除飛濺影響的方法。

1飛濺是如何形成的？

什么是飛濺？飛濺就是飛到熔池外的熔化金屬，金屬材料在升溫達(dá)到熔融溫度后，由固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)，繼續(xù)升溫將轉(zhuǎn)變成氣態(tài)。

當(dāng)激光，固態(tài)金屬變成液態(tài)，形成熔池；接著，熔池內(nèi)的液態(tài)金屬再受熱“沸騰”；最后，材料再吸熱達(dá)到汽化，而沸騰使得內(nèi)部壓力改變，帶出周邊包裹的液態(tài)金屬，最終產(chǎn)生“飛濺”。

由圖可見(jiàn)，激光持續(xù)作用于材料，使材料劇烈汽化膨脹產(chǎn)生壓力，形成熔融材料（左圖）；而后，金孔頂部（中圖）；最后，飛濺物被推出匙孔頂部，并附著在表面形成熔化物（右圖）。

2如何控制飛濺？

如何控制飛濺成為激光加工工藝中不容忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)外企業(yè)很早就開(kāi)始了低飛濺激光加工工藝的研究，當(dāng)然，國(guó)外略勝一籌。我們通過(guò)比較幾種主流激光制造商推出的低飛濺技術(shù)，來(lái)理解和區(qū)別一下各自的原理。

方法一：改變激光光斑能量分布，避免沸騰，盡可能不用高斯分布的光束。

將單一的高斯分布激光束，改為較為復(fù)雜的環(huán)狀+中心光束，可以減少中心材料溫度高熱汽化，減少金屬氣體的產(chǎn)生。典型代表企業(yè)：相干和IPG。

相干公司芬蘭工廠（前Corelase公司）利用開(kāi)發(fā)的FL-ARM環(huán)形激光合束器和傳輸光纖，使這種不同尋常的光纖激光聚焦光斑配置得以成為現(xiàn)實(shí)。該光纖采用傳統(tǒng)的圓形纖芯，外覆另一層環(huán)形截面的光纖纖芯。

簡(jiǎn)化的ARM光纖示意圖以及聚焦激光光斑中可能出現(xiàn)的五種基本功率模式

以鋁材料加工為例，環(huán)形光束的前緣將鋁的溫度提升到足夠高，以增加其在激光波長(zhǎng)上的吸收能力。隨后，光束的中心產(chǎn)生深熔孔，由于經(jīng)過(guò)預(yù)熱，熔孔非常穩(wěn)定。環(huán)形光束的后緣對(duì)熔池提供充分支撐，讓氣體逸出。由于熔孔穩(wěn)定，材料不易快速凝固，促使整個(gè)工藝更加一致，工藝窗口也更大。最終結(jié)果是實(shí)現(xiàn)均勻一致的材料滲透和更高質(zhì)量的無(wú)氣孔、無(wú)飛濺焊縫。

兩個(gè)1.6mm厚的5000系列鋁部件堆焊焊縫橫截面顯示深熔透，無(wú)孔隙或飛濺

而IPG的光學(xué)設(shè)計(jì)是小光斑高能高亮度中心光束和較大環(huán)形光束實(shí)現(xiàn)的任意組合。IPGYLS-6000/9000-AMB光束模式可調(diào)光纖激光器實(shí)現(xiàn)低飛濺的技術(shù)原理圖如下圖所示。AMB可產(chǎn)生一個(gè)更大更穩(wěn)定的匙孔，更易使金屬蒸汽逸出；環(huán)形光束使逸出的蒸汽動(dòng)能最小化，從而盡可能減少飛濺。

IPG實(shí)現(xiàn)低飛濺的技術(shù)原理圖

IPGAMB激光焊接飛濺示意圖

對(duì)于方法一，飛濺是少了，但仍可能存在一個(gè)問(wèn)題：隨著金屬蒸汽的不斷釋出,的產(chǎn)生。金屬蒸汽的產(chǎn)生后，若來(lái)不及釋放，則熔池融凝后在材料表面及芯部留下氣孔，產(chǎn)生缺陷。

這里，又產(chǎn)生了一個(gè)新的名詞——等離子體。

等離子是指氣體粒子中至少有一部分離子化，從而由中性粒子、陽(yáng)離子、電子等聚合在一起所組成的氣體或蒸氣狀態(tài)。焊接過(guò)程中，由于激光輻照金屬材料汽化而產(chǎn)生的光致等離子，稱(chēng)為光致等離子體。激光深熔焊過(guò)程中，入射光束的能量密度較大，可以使得熔化的金屬汽化，并在熔池中形成匙孔。在這一過(guò)程中，金屬表面和小孔內(nèi)噴出的金屬蒸汽及少量保護(hù)氣體中的起始自由電子通過(guò)吸收光子能量而被加速，直至有足夠的能量來(lái)碰撞蒸汽離子使其電離，形成致密等離子體。激光功，與金屬蒸汽相互作用形成雪崩式增長(zhǎng)的致密等離子體。

上圖是有等離子體抑制，下圖是無(wú)等離子體抑制。惰性氣體保護(hù)可部分抑制等離子體，但無(wú)法完全避免。無(wú)等，熱影響變大，熔池內(nèi)部金屬蒸汽來(lái)不及釋出，形成氣孔缺陷。

有研究表明，激光能，等離子體僅由金屬離子蒸汽組成，自由電子動(dòng)能不足，還不足以使金屬蒸汽原子產(chǎn)生雪崩式地電離，，停留在小孔的內(nèi)部或緊貼在熔池表面。這種穩(wěn)定的稀薄等離子層的存在有助于激光與金屬材料的能量耦合。在高功率密度激光深熔焊接條件下，產(chǎn)生的等離子體的電子密度很高，形態(tài)為高亮羽團(tuán)狀，它的存在和變化行為對(duì)于激光深熔焊接過(guò)程有巨大影響。改變激光束的折射、散射和吸收作用，增加不穩(wěn)定性，。

總結(jié)一下就是：，等離子體穩(wěn)定，有助焊接；，等離子體不穩(wěn)定，難以控制；等離子體溫度極高，對(duì)材料有破壞作用。

方法二：改變掃描方式，擺動(dòng)焊接

采用激光頭擺動(dòng)的方式可以提高焊縫的溫度均勻性，避免局部溫度過(guò)高而沸騰。只需要對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的X，Y兩軸進(jìn)行控制即可完成各種軌跡的擺動(dòng)。典型代表企業(yè)：通快。

但擺動(dòng)焊接僅可少量降低焊接飛濺，這是由于擺幅越大雖可更大程度地改善焊縫溫度均勻性，但作用于焊縫的能量密度被降低，焊接的速度不得不放慢。但速，越發(fā)近似于連續(xù)非擺動(dòng)狀況。材料，沸騰和汽化依舊存在，無(wú)法完全避免飛濺和金屬蒸汽產(chǎn)生。

為什么上述2種方法都不能完全禁止金屬汽化呢？

這是因?yàn)榻?。很多人都知道金屬?duì)不同波長(zhǎng)的激光會(huì)有不同的吸收率，但其實(shí)即使是同種金屬在同一波長(zhǎng)，吸收率也是會(huì)隨著溫度變化而變化的。

以銅為例，金屬在室溫22℃（295K）1um激光波長(zhǎng)的吸收率約為5%。

Steen,,Mazumder,J.andWatkins,(2003)LaserMaterialProcessing.3rdEdition,Springer-Verlag,London

上圖所示銅隨著自身溫度上升，對(duì)1.06μm波長(zhǎng)激光的反射率下降，即吸收率提高。在熔點(diǎn)附近下降20%左右，有研究表明液態(tài)銅的吸收率可以提高到40%左右，而超過(guò)沸點(diǎn)汽化后更甚到達(dá)60%左右。

那么，吸收率的變化改變了什么？

以6000W光纖激光器焊接紫銅的情況為例：

(1)當(dāng)材，吸收的光-熱效應(yīng)為6000X5%=300W

(2)當(dāng)材料超過(guò)熔點(diǎn)1083℃后，變成液態(tài)，吸收的光-熱效應(yīng)為6000X(5+20)%=1500W，一下子提高了5倍。這一部分能量極速加熱銅液，使它瞬間升溫接近沸點(diǎn)2652℃，并劇烈沸騰。

(3)當(dāng)液態(tài)熔池超過(guò)2652℃后，吸收的光-熱效應(yīng)為6000X40%，大量等離子體產(chǎn)生，并產(chǎn)生大量飛濺。

(4)等離子體持續(xù)吸收激光束能量產(chǎn)生超高溫度，阻止激光能量作用，并飽和熔深和焊接速度。

因此，低吸收波長(zhǎng)高功率激光器，無(wú)法完全阻止金屬沸騰和汽化，無(wú)法根治飛濺。

方法三：使用短波長(zhǎng)，提高吸收率，用藍(lán)光減少飛濺

低吸收波長(zhǎng)高功率激光器既然無(wú)法根治飛濺，那么改成短波長(zhǎng)如何呢？NUBURU公司便是以該技術(shù)為主。

由上圖可以看出，傳統(tǒng)金屬的激光吸收率隨波長(zhǎng)的增長(zhǎng)有明顯下降趨勢(shì)。銅、金、鎳等高反射率有色金屬更為明顯。

對(duì)比兩種激光器的應(yīng)用效果如下：

采用6000W光纖激光器

(1)當(dāng)材，吸收的光-熱效應(yīng)為6000×5%=300W

(2)液態(tài)，吸收的光-熱效應(yīng)：6000×(5+20)%=1500W產(chǎn)生過(guò)熱

(3)，吸收的光-熱效應(yīng)：6000×40%

采用500W藍(lán)光激光器

(1)初始吸收率：500×65%=330W，效果一致

(2)液態(tài)吸收率：500×(65+20)%=425W

(3)增加的功率不足以產(chǎn)生沸騰

可以看到，藍(lán)光激光能夠?qū)崿F(xiàn)紅外光無(wú)法實(shí)現(xiàn)的焊接、無(wú)氣孔和缺陷。藍(lán)光的優(yōu)勢(shì)：可在工件等量吸熱情況下，通過(guò)增加初始吸收率，減少材料突破熔點(diǎn)后的吸收率變化差值，來(lái)降低沖溫過(guò)熱，從材料本身的狀態(tài)變化原理上達(dá)到避免沸騰、帶出飛濺的效果。耗去完成不同金屬之間的異種焊接，節(jié)省了擺動(dòng)焊、預(yù)鍍、填充釬料等等復(fù)雜工藝，打開(kāi)了更大適用范圍的工藝窗口。

但是，藍(lán)光激光器是基于GaN材質(zhì)的新型半導(dǎo)體激光器，，設(shè)備的成熟度及工藝的適用性有待驗(yàn)證。LD的光學(xué)特性導(dǎo)致其光束質(zhì)量不如單模光纖激光器，在深熔焊方向上存在明顯的劣勢(shì)。短期內(nèi)，藍(lán)光激光器仍會(huì)保持一個(gè)較高的價(jià)格。如作為高端特種焊接裝備，傳統(tǒng)工業(yè)的普及程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

3總結(jié)

任何一種低飛濺技術(shù)都不可能達(dá)到百分之百的無(wú)飛濺。使用哪種技術(shù)，需要結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景、加工材料以及需要達(dá)到的效果綜合考慮，選擇出最符合應(yīng)用需求的低飛濺激光加工技術(shù)。

顧正，上海瀚宇光纖通信技術(shù)有限公司