激光焊接，尤其是大功率焊接過程中，最容易產生飛濺。飛濺所產生的顆粒物也會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介質，嚴重時可導致部件的返工、元器件受損，甚至會造成人身安全及公司財產損失等問題。

汽車行業尤為需要大量使用激光焊接技術對鍍鋅鋼板、銅和鋁等特定材料進行加工，消除飛濺的方式是犧牲光纖激光器固有優勢，但這會降低加工效率。因此，需要了解飛濺的產生，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，金屬材料在升溫達到熔融溫度后，由固態轉變成液態，繼續升溫將轉變成氣態。

當激光束不斷加熱時，固態金屬變成液態，形成熔池；接著，熔池內的液態金屬再受熱“沸騰”；最后，材料再吸熱達到汽化，而沸騰使得內部壓力改變，帶出周邊包裹的液態金屬，最終產生“飛濺”。

由圖可見，激光持續作用于材料，使材料劇烈汽化膨脹產生壓力，形成熔融材料（左圖）；而后，金屬蒸汽逸出時產生高壓將材料推向匙孔頂部（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環節。國內外企業很早就開始了低飛濺激光加工工藝的研究，當然，國外略勝一籌。我們通過比較幾種主流激光制造商推出的低飛濺技術，來理解和區別一下各自的原理。

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，改為較為復雜的環狀+中心光束，可以減少中心材料溫度高熱汽化，減少金屬氣體的產生。典型代表企業：相干和IPG。

相干公司芬蘭工廠（前 Corelase公司）利用開發的FL-ARM環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實。該光纖采用傳統的圓形纖芯，外覆另一層環形截面的光纖纖芯。

簡化的 ARM 光纖示意圖以及聚焦激光光斑中可能出現的五種基本功率模式

以鋁材料加工為例，環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上的吸收能力。隨后，光束的中心產生深熔孔，由于經過預熱，熔孔非常穩定。環形光束的后緣對熔池提供充分支撐，讓氣體逸出。由于熔孔穩定，材料不易快速凝固，促使整個工藝更加一致，工藝窗口也更大。最終結果是實現均勻一致的材料滲透和更高質量的無氣孔、無飛濺焊縫。

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

而IPG的光學設計是小光斑高能高亮度中心光束和較大環形光束實現的任意組合。IPG YLS-6000/9000-AMB光束模式可調光纖激光器實現低飛濺的技術原理圖如下圖所示。AMB可產生一個更大更穩定的匙孔，更易使金屬蒸汽逸出；環形光束使逸出的蒸汽動能最小化，從而盡可能減少飛濺。

IPG實現低飛濺的技術原理圖

IPG AMB激光焊接飛濺示意圖

對于方法一，飛濺是少了，但仍可能存在一個問題：隨著金屬蒸汽的不斷釋出,同時會伴有大量等離子體云的產生。金屬蒸汽的產生后，若來不及釋放，則熔池融凝后在材料表面及芯部留下氣孔，產生缺陷。

傳統紅外激光匙孔焊金相分析圖片（來源：NUBURU 公司）

這里，又產生了一個新的名詞——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、陽離子、電子等聚合在一起所組成的氣體或蒸氣狀態。焊接過程中，由于激光輻照金屬材料汽化而產生的光致等離子，稱為光致等離子體。激光深熔焊過程中，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。在這一過程中，金屬表面和小孔內噴出的金屬蒸汽及少量保護氣體中的起始自由電子通過吸收光子能量而被加速，直至有足夠的能量來碰撞蒸汽離子使其電離，此時電子密度便雪崩式增長形成致密等離子體。激光功率密度較大時，與金屬蒸汽相互作用形成雪崩式增長的致密等離子體。

上圖是有等離子體抑制，下圖是無等離子體抑制。惰性氣體保護可部分抑制等離子體，但無法完全避免。無等離子體抑制時焊縫變寬，熱影響變大，熔池內部金屬蒸汽來不及釋出，形成氣孔缺陷。

有研究表明，激光能量密度較低時，等離子體僅由金屬離子蒸汽組成，自由電子動能不足，還不足以使金屬蒸汽原子產生雪崩式地電離，此時電子密度較低，停留在小孔的內部或緊貼在熔池表面。這種穩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，產生的等離子體的電子密度很高，形態為高亮羽團狀，它的存在和變化行為對于激光深熔焊接過程有巨大影響。改變激光束的折射、散射和吸收作用，增加不穩定性，同時非常難以控制。

總結一下就是：低功率密度時，等離子體穩定，有助焊接；高功率密度時，等離子體不穩定，難以控制；等離子體溫度極高，對材料有破壞作用。

方法二：改變掃描方式，擺動焊接

采用激光頭擺動的方式可以提高焊縫的溫度均勻性，避免局部溫度過高而沸騰。只需要對運動機構的X，Y兩軸進行控制即可完成各種軌跡的擺動。

但擺動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。但速度降低的同時擺動的橫向進給被壓縮，越發近似于連續非擺動狀況。材料的加熱作用時間變久，沸騰和汽化依舊存在，無法完全避免飛濺和金屬蒸汽產生。

為什么上述2種方法都不能完全禁止金屬汽化呢？

這是因為金屬不同溫度時激光吸收率有很大變化。很多人都知道金屬對不同波長的激光會有不同的吸收率，但其實即使是同種金屬在同一波長激光束照射時，吸收率也是會隨著溫度變化而變化的。

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

Steen, W.M., Mazumder, J. and Watkins, K.G. (2003) Laser Material Processing. 3rd Edition, Springer-Verlag, London

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

那么，吸收率的變化改變了什么？

以6000 W光纖激光器焊接紫銅的情況為例：

(1) 當材料初始加熱時，吸收的光-熱效應為 6000 X 5%= 300 W

(2) 當材料超過熔點1083℃后，變成液態，吸收的光-熱效應為6000 X (5+20)%=1500 W，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2652℃，并劇烈沸騰。

(3) 當液態熔池超過2652℃后，吸收的光-熱效應為6000 X 40%，大量等離子體產生，并產生大量飛濺。

(4) 等離子體持續吸收激光束能量產生超高溫度，阻止激光能量作用于焊縫的同時擴大熱影響區，并飽和熔深和焊接速度。

因此，低吸收波長高功率激光器，無法完全阻止金屬沸騰和汽化，無法根治飛濺。

方法三：使用短波長，提高吸收率，用藍光減少飛濺

低吸收波長高功率激光器既然無法根治飛濺，那么改成短波長如何呢？NUBURU公司便是以該技術為主。

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

對比兩種激光器的應用效果如下：

采用6000 W光纖激光器

(1) 當材料初始加熱時，吸收的光-熱效應為 6000×5%= 300 W

(2) 液態，吸收的光-熱效應：6000×(5+20)%=1500 W 產生過熱

(3) 沸騰時，吸收的光-熱效應：6000×40%

采用500 W藍光激光器

(1) 初始吸收率：500×65%=330 W，效果一致

(2) 液態吸收率：500×(65+20)%=425 W

(3) 增加的功率不足以產生沸騰

可以看到，藍光激光能夠實現紅外光無法實現的焊接、無氣孔和缺陷。藍光的優勢：可在工件等量吸熱情況下，通過增加初始吸收率，減少材料突破熔點后的吸收率變化差值，來降低沖溫過熱，從材料本身的狀態變化原理上達到避免沸騰、帶出飛濺的效果。 同時又可使用較低的功率消耗去完成不同金屬之間的異種焊接，節省了擺動焊、預鍍、填充釬料等等復雜工藝，打開了更大適用范圍的工藝窗口。

但是，藍光激光器是基于GaN材質的新型半導體激光器，工業市場剛剛興起，設備的成熟度及工藝的適用性有待驗證。同時由于其半導體LD的光學特性導致其光束質量不如單模光纖激光器，在深熔焊方向上存在明顯的劣勢。短期內，藍光激光器仍會保持一個較高的價格。如作為高端特種焊接裝備，傳統工業的普及程度還遠遠不足。

3總結

任何一種低飛濺技術都不可能達到百分之百的無飛濺。使用哪種技術，需要結合應用場景、加工材料以及需要達到的效果綜合考慮，選擇出最符合應用需求的低飛濺激光加工技術。

作者：顧正，上海瀚宇光纖通信技術有限公司