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一、 工业激光加工设备认识实验实验内容：了解认识激光加工设备的基本组成、工作原理及其特点；了解激光加工技术的意义、优点，初步掌握激光加工工艺的基本原则。实验要求：要求学生认真、仔细观察激光加工设备的组成及其工作关系，加深对其工作方式与原理的理解，完成实验报告。实验说明：激光加工的机理是：激光照射到被加工物上，其能量在短时间内高度集中，瞬间使物质熔化和气化。用这种方法进行钻孔、切割、焊接、刻蚀，解决了坚硬、极脆、难熔物质的加工困难，而且速度快、精度高、工件变形微乎其微，特别适于对精密部件和微型部件的操作，并且比一般加工工艺更为经济。此外，利用激光进行工件表面的热处理，可使其表面形成液化速凝薄层，若同时注入其他特殊性质合金元素，可以与原工件表层形成冶金结合，从而增强了表面的硬度和强度，大大提高表面的耐磨性。简而言之，激光加工就是利用激光与材料的相互作用，实现对材料的加工，比如材料去除（激光切割），材料连接（激光焊接），材料烧蚀（激光打标），等等。顺理成章，激光加工设备，就是利用激光对材料进行加工的设备。以CO2激光切割机为例，介绍激光加工设备的组成，如图1-1所示：1） 产生激光的激光器（激光器是最先进的人造光源）；2） 将激光束传输到工件被加工部位的导光聚焦系统（我们权且简称为光路）及其驱动、支承的机械结构，我们统称之为主机；3） 将激光加工过程中产生的热量带走的冷却系统，我们通常叫冷水机组或水冷机；4） 为激光器提供激活介质气体和切割过程中所需要的辅助气体的供气系统；5） 为激光器和主机以及其他设备提供动力的电源；6） 协调整个系统、实现激光加工各项功能的控制系统；7） 辅助设备，如稳压电源、安全保护装置和设备环保装置等。不言而喻，激光器是激光加工设备的核心，激光器的质量仍是制约激光加工技术发展的关键因素之一，因为激光器的输出参数如功率、能量的稳定性、光束质量、器件的可靠性都影响着激光加工的成品率及效益。用于激光加工的激光器，与其他用途的激光器相比，最突出之处是输出功率大，一般是几百瓦至数千瓦；而激光治疗仪一般在几十瓦以内，多媒体演示用激光器则从数百毫瓦到几瓦。现代用于激光加工的激光器主要有二氧化碳激光器和掺钕钇铝石榴石激光器两种。1990年，国际商用激光加工系统的产值中，CO2激光加工系统约占三分之二，YAG激光加工系统约占三分之一。加工用激光器的输出光束应在不同程度上满足激光与物质相互作用决定的各项要求，此外，激光器还应满足对一般工业设备提出的要求。如高度稳定可靠，结构紧凑占地小，造价较低，易于维修，运行费用低等。图1-1 激光加工设备的组成激光加工机的主机为数控机床，包括机械运动部分（如传动部分等）、控制部分、加工头（如切割头、焊接头、热处理头等），以及一些电器元件、气动元件等。其主机结构多样，以激光切割机为例，有龙门结构、悬臂结构、L形结构。龙门结构主机又分悬挂式龙门、支承式龙门、固定式龙门。如果按激光束与工件之间的运动关系分，则可分固定光路、混合光路和飞行光路三种形式。固定光路切割机，激光束恒定在某一位置，工件做平面二维运动；混合光路激光切割机，工件在某一方向运动，光束做另一个方向的运动；飞行光路切割机，工件固定，光束在两个方向运动。图1-2所示为两种不同型号（结构形式）的激光切割主机。CO2激光器的电光转换效率约为20%30%，总体效率仅约10%。其余大部分被转化成热量。如此多的热量，如果任其积聚，将导致系统起火燃烧炸裂等危险。冷水机组向激光器提供冷却水，随时将产生的热量带走。同时，光路（特指激光器外的外光路）中的镜片，也需要冷却，保持温度恒定。CO2激光器以CO2、N2、He为工作介质，这些气体输送到激光器内。激光加工过程中，还要用到辅助气体，通常有氧气（O2）、氮气（N2）、压缩空气，这些气体输送到被加工部位。光路中的光学器件（镜片）必须与环境大气隔离，以免遭受污染，实现的方法是将洁净的、干燥的压缩空气输送到光路中，形成对大气的正压力。因此需要供气系统完成这些工作。控制系统是整个系统的指挥中心，为实现激光加工各项功能提供控制手段。控制系统包括数控系统、可编程控制器和激光加工工艺专家数据库等。此外还需要一些辅助设备，安全保护装置和设备环保装置等。供给激光器的电源必须稳定，满足单相稳定度、三相不平衡度的要求。目前国内的市电并不总是能够达到上述指标，因此为保证系统的正常工作，必须安装足够容量的稳压电源。图1-2（a）龙门式飞行光路激光切割主机图1-2（b）悬臂式混合光路激光切割主机此外，对于Nd: YAG激光器，由于波长较短，可采用光纤传输激光，因此可与工业机器人联用，光纤和加工头联结在机器人臂端，结构显著简化，光路容易调整，且无需冷却，传输质量不受环境的影响。但用于切割，经光纤传输后的光束质量较差。此外，光纤有限的抗弯抗扭性能对机器人的运动也产生了一定的限制。图1-3（a）所示为常用来与Nd: YAG激光器相配合的工业机器人，图1-3（b）所示为正在进行机车零部件激光焊接的工业机器人。 （a） （b）图1-3 与Nd: YAG激光器相配合的工业机器人二、激光切割工艺实验实验内容：了解认识激光切割技术的基本概念、机理及其特点；了解齿轮激光切割的意义、优点，初步了解激光数控机床软件编程，初步掌握切割工艺制定的基本原则与方法。实验要求：通过指导老师的简要讲解和实验，对激光切割技术具有一个初步的认识，开拓视野。要求学生综合运用已学过的机制工艺学机械设计等相关知识，完成板材和管材激光切割的工艺设计，初步掌握激光切割工艺的设计方法。严格按操作规范进行，注意人机安全。完成实验报告。实验说明：常用工程材料的激光切割1. 金属材料的激光切割1） 碳钢 低碳钢板的激光切割是激光切割技术应用最广泛的领域。通常，厚度在l0mm以内碳钢钢板可良好地进行氧助激光切割。已有的研究表明，低碳钢内磷、硫偏析区的存在会引起切边的熔蚀。所以，含杂质低的优质钢（如冷轧板），其切边质量优于热轧钢。稍高的含碳虽可略为改善碳钢的切边质量，但其热影响区也有所扩大。对于镀锌或涂塑薄钢板（板厚0.52.0mm），激光切割速度快，省材料，也不会引起变形。切缝附近热影响区小，近缝区锌或塑料涂层不受损坏。当板厚在1.66.0mm的范围内，光束焦点刚位于工件表面以及氧气压力恒定保持在1.4kgf/cm2的条件下，根据激光功率和切割速度变化。观察低碳钢切割质量可分为以下三个区： 精细切割区切面光滑、无粘渣。 轻微粘渣区熔渣轻微黏着，一经轻擦即可除去。 牢固粘渣区熔渣被牢固黏着，处于不能切割的边缘。图2-1所示为激光切割低碳钢板时切割参数间的关系。可见，随着功率密度的提高，切割速度和可切割板厚均可增加。如所切割的板厚增加，则采用较大直径的喷嘴和较低的氧气压力，以防止烧坏切口边缘。采用CO2基模激光切割低碳钢板的最大切割厚度可以下面方法近似估算：在激光功率1001500W范围内，激光功率的瓦数除以100，即为最大切割厚度的毫米数。图2-2表示低碳钢的上限切速（即开始粘渣的速度）和激光功率在板厚不大于6mm范围内的对数依存关系。按此实验值可推出经验公式： （2-1）式中v为上限切割速度，t为板厚，P为激光功率。 图2-1 激光切割低碳钢参数 图2-2 不同板厚低碳钢切割速度随功率密度的变化利用公式（2-1），可根据激光功率对厚6mm以内低碳钢粗略地估计精细切割的切割速度；对较厚板如9mm和12mm低碳钢，在2kW激光功率和0.17Mpa（1.7kgf/cm2）氧气压力条件下，获得精细切割的切速分别为1.2m/min和1.0m/min。这个数值要比用上式计算所得值小，其原因主要在于此公式适用的板厚范围不大于6mm。2） 不锈钢 不锈钢薄板的激光切割在工业生产中也占有较大的比重，不锈钢和低碳钢的主要区别是其成分的不同，因而切割机理也有所不同。不锈钢含有10%20%的铬，由于铬的存在，倾向于破坏氧化过程。切割时不锈钢中的铁和铬均与氧发生放热反应，其中铬的氧化物有阻止氧气进入熔化材料内部的特性，而使进入熔化层的氧气量减少，熔化层氧化不完全，反应减少，使切割速度降低，如图2-3所示。与低碳钢相比，不锈钢切割需要的激光功率和氧气压力都较高，而且，不锈钢切割虽可达到较满意的切割效果，但却很难获得完全无粘渣的切缝。 利用惰性气体作为辅助气体切割不锈钢可获得无氧化切边，直接用来焊接，但其切割速度与氧作辅助气体相比要损失50%左右。影响不锈钢切割质量的最重要工艺参量是切割速度、激光功率、氧气压力和焦长。图2-3和图2-4分别表示激光功率、切割速度和氧气压力对2mm厚304不锈钢切割质量的影响。图2-3 激光切割不锈钢工艺参数 （a）激光功率（氧气1.5kgf/cm2） （b）氧气压力（激光功率1.1kW）图2-4 工艺参数对不锈钢切割质量的影响3） 铝合金由于铝合金对波长为10.6m的CO2激光高的反射率和热导率，因此铝合金的起切十分困难，其激光切割需要比钢更高的激光束能量密度来克服阈值，形成初始空洞以开始切割过程，一旦这种汽化空洞形成，它就像钢一样对激光有极大的吸收率。为了改善铝表面的吸收，可打磨其起始切割表面使之变粗糙、涂吸光材料等，也可从预先钻孔处或边缘起切。铝合金切割时也用辅助气体，主要用来从切割区吹掉熔融产物。它并不需要靠辅助气体来发生放热化学反应取得附加热量，属于熔化切割机制，通常可获得较好的切割质量。有时熔渣也会沿着切边黏附在切缝背面，但这种黏附很易去处。对铝合金激光切割的研究表明，每一材料厚度都存在一个临界焦长。当实际焦长小于这个值时，切割将不能进行。同时，也存在一个最佳焦长值，当实际焦长与它相同时，可获得最大切割速度。与切割低碳钢相比，在同样的激光功率下，铝合金的切割速度和可切板厚较低，如图2-5所示。图2-5 铝合金最大切割速度与激光功率和板材厚度的关系4） 钛及合金根据国内已有的切割经验，由于钛与氧化学反应激烈，切割过程喷氧易引起过烧，故宜采用喷压缩空气，以保证钛切割质量。激光切割Ti-6Al-4V钛合金构件，切割速度快，切边不需要抛光，底部切边有少许粘渣，也很容易清除。图2-6表示Ti-6Al-4V钛合金切割进度与板厚及功率的关系，用CO2激光切割钛合金的典型切割速度如表2-1。5） 铜合金与镍基合金 铜与铝相似，对CO2激光具有高反射率并具有高的热导率，纯铜由于具有很高的反射率，用CO2激光切割的速度很慢。黄铜（铜合金）切割时要采用较高的激光功率，辅助切割气体采用空气或氧。采用CO2激光吹氧切割的典型的切割速度见表2-2。采用高重复频率增强脉冲CO2激光能较好切割铜合金。 （a）厚度 （b）功率图2-6 Ti-6Al-4V钛合金切割速度随厚度及激光功率的变化表2-1 激光切割钛合金的典型切割速度板材厚度/mm激光功率/W切割气体切割速度/ms-11.62.22.26.46.42.550050050050010001000氩气氩气氧气氧气氧气氧气0.0250.0250.0330.0170.0330.10表2-2 CO2激光吹氧切割铜合金的典型切割速度材料板材厚度/mm激光功率/W切割速度/ms-1纯铜纯铜纯钢黄铜黄铜黄铜1211211500150010001500150010000.0250.0080.0170.0050.0250.033对镍基合金也可以进行激光切割，随合金成分的不同，切割速度大约为切割同等厚度不锈钢的切割速度的0.51.0倍。图2-7所示为激光切割金属产品的现场，图2-8为激光切割的金属产品。从中可以看到，激光切割的切口质量是很好的。 图2-7 激光切割金属产品现场图2-8 激光切割的金属产品2. 非金属材料的激光切割非金属材料是10.6m波长CO2激光束的良好吸收体，由于其热导率小，热量的传导损失很小，几乎能吸收全部入射光束能量，并很快使材料蒸发，在光斑照射处形成起始孔洞，进入切割过程的良性循环。1） 有机材料（1） 木材切割 激光切割木材有两种不同的基本机制：瞬间蒸发和燃烧，激光切割木材取决于切割时功率密度值大小。瞬间蒸发是木材切割较理想的切割机制，木材在聚焦激光束照射下蒸发除去，形成切缝。在此过程中，材料切割速度快，热量传输不到未切割基材，剖面无炭化，仅有轻微发暗和釉化。而切割的燃烧机制源自光束功率密度不足，是一种不理想的切割过程，其表现为切割速度慢。单位材料切割所费的能量要比蒸发机制增加24倍，并且切边有炭化。实际的木材切割过程，差不多在蒸发的同时都伴有燃烧过程发生，这是因为蒸发机制虽具有高效能的优点，但需要高的激光功率密度。而实际的激光照射过程，由于受激光输出功率或光束模式的影响，在材料光照表面总有部分区域的光束功率密度低于蒸发所需的功率密度值。木材切割也需要有与光束同轴的辅助气流，一般为压缩空气。激光切割木材的切面质量比常规方法好，切面质量上的粗糙、撕裂或绒毛木纹现象并不明显，只是切面有一薄炭化层。层压模切板用激光切割缝口是连续CO2激光切割工业应用的成功例子。家具业用1.7kW功率激光切割厚达38mm木板的速度可达1.0m/min，且没有割边，节省了大量材料。另外，还可利用激光束进行木材雕刻。 图2-9为激光切割的木材产品，（a）为木模切板，（b）为木工艺品。 （a）木模切板 （b）木工艺品图2-9 激光切割的木材产品（2） 塑料切割 利用激光的高能量密度汽化胶合剂，迅速破坏聚合体材料的聚合链，从而实现对塑料的激光切割。低熔热塑料切割只要控制工艺，就可获得无毛刺的底边，切缝光滑、平整。对高强度塑料，由于需要较高的单位光能强度以破坏其连接强链，切割中经常会有燃烧发生，使切边产生不同程度的炭化。切割像聚氯乙烯一类材料应注意防护切割过程中燃烧产生的有害气体。新的轻质纤维增强塑料用通常的切割工具很难加工，可在层叠固化前用激光切割薄片（厚度约0.5mm左右）。但对固化后的厚断面工件，特别像硼和碳纤维一类材料，由于切边易引起炭化、分层和热损伤，激光切割也较困难。2） 无机材料（1） 石英切割石英线膨胀系数较低，对激光切割适应性好。虽然切缝附近有个浅热影响区，但切边质量好，无裂纹，切面光滑，不需再进行辅助清理，切割厚度可达l0mm，切割速度比锯切加工高两个数量级，且工件不承受任何冲击力。在卤素灯制造业已用激光切割代替金刚石锯切，切割时没有尘埃，切边封接性好。切缝窄，如激光切割外径813mm的石英管，切缝宽仅0.5mm，而机械切缝达1.5mm，从而可节省材料。（2） 陶瓷切割导热性差和几乎没有塑性的陶瓷材料，一般的冷、热加工都很困难。激光切割陶瓷与氧助切割金属材料的机制迥然不同，它属于可控导向断裂。当激光束顺着预定的切割方向加热时，在光点周围很小区域引起定向的加热梯度和随之生成的高机械应力。这种高应力使陶瓷这类脆性材料形成小裂缝。只要工艺参数选择并控制恰当，裂缝将严格沿着光束移动方向不断形成，从而把材料切断。如微电子装置用的刚玉材料，用250W功率的激光束就能精确地在指定部位切出要求尺寸，切割后无质点撕裂，也不需要后续处理。图2-10表示切割lmm厚的Al2O3陶瓷片时激光工艺参数关系。陶瓷切割采用较小激光输出功率进行。在不同功率控制下，切割速度可在较宽范围选择。试验表明，在连续CO2激光束条件下，切勿采用高功率，否则，将导致材料无规则龟裂而使切割失败。图2-10 Al2O3型陶瓷材料切割速度与激光输出功率关系用于涡轮发动机上的硬脆陶瓷（如氮化硅），采用高重复频率调Q脉冲CO2激光，可实现高效无损伤的切割，其激光切割速度要比砂轮切割高10倍，既无刀具损耗，且可切出任何形状。（3） 有机玻璃切割透明有机玻璃由纯聚甲基丙烯酸制成，在激光切割时，汽化为甲基丙烯酸甲脂。如果吹走汽化物的空气流的压力足够低（10kPa），则切口可以很清澈。如果气流压力较高，将在熔融材料中形成涡流，使熔融材料固化在切口上。在这种情况下，沿着切口上部lmm左右可以看到白色不透明的带。采用大直径喷嘴（2mm）容易得到低速气流，但空气压力过低将导致甲基丙烯酸着火燃烧，在切割区由此火焰产生的热量将烧坏工件甚至使工件燃烧起来。图5-4-8为用500WCO2激光切割时的切割速度和厚度的关系，可以看出，激光切割有机玻璃的速度很高。切割不透明有机玻璃时，切割速度可能下降20%，因为它们是聚甲基丙酸甲酯和填料的复合物。填料通常为有机物，切割中以尘埃的形式排出。某些白色有机玻璃填料含量最高，从而提高了切割温度，以致有可能将切口炭化。由于聚合物分解和气泡在切口上滞留，激光切割降低了有机玻璃的抗拉强度。若要承受载荷和挠曲，则必须去除切口痕迹。但大多数激光切割的有机玻璃都用作显示牌，没有强度要求，在这方面激光切割取得了很大的成功。3） 复合材料的切割复合材料有不同类型，即有不同的组合。对性质相同的两种或多种材料组合，一般激光切割并不困难。对两种切割性能完全不同的材料组合，总的原则是先切割具有较好切割性能的材料的那一面，这样比较容易获得好的切割质量。当然，如果把两种切割性能截然不同的材料，其中甚至包括不能切割的材料组合在一起，就会是另一种切割结果。用激光切割电缆外包绝缘体就是一个典型的应用实例，在电线电缆工业中，为了连接电缆或从废电线上回收缆心，需要除去电缆外包塑料层。利用铜心对激光高的反射率和它本身的高热导率，在激光束照射下，铜缆的外包绝缘层可很方便地切去，而铜心本身因不能被切割而保存下来。三、 激光焊接工艺实验实验内容：了解认识激光焊接技术的基本概念、机理及其特点；了解齿轮激光焊接的意义、优点，初步了解激光数控机床软件编程，初步掌握焊接工艺制定的基本原则与方法。实验要求：通过指导老师的简要讲解和实验，对激光焊接技术具有一个初步的认识，开拓视野。要求学生综合运用已学过的机制工艺学机械设计等相关知识，完成板材激光焊接的工艺设计，初步掌握激光焊接工艺的设计方法。严格按操作规范进行，注意人机安全。完成实验报告。实验说明：1. 金属材料的激光焊接1） 钢的激光焊接（1） 碳素钢由于激光焊时的加热速度和冷却速度非常快，所以在激光焊接碳素钢时，随着含碳量的增加，焊接裂纹和缺口敏感性也会增加。（2） 低合金高强度钢低合金高强度钢的激光焊接，只要所选择的焊接参数适当，就可以得到与母材力学性能相当的接头。HY-130钢是一种典型的低合金高强度钢，经过调质处理，它具有很高的强度和较高的抗裂性。用常规焊接方法焊，其焊缝和热影响区（HAZ）组织是粗晶、部分细晶及原始组织的混合体，接头的韧性和抗裂性与母材相比要差得多，而且焊态下焊缝和热影响区金属组织对冷裂纹特别敏感。激光焊焊接接头不仅具有高的强度，而且具有良好的韧性和良好的抗裂性。这是因为： 激光焊接焊缝细、热影响区组织窄。在冲击试验时，裂纹并不总是沿焊缝或热影响区组织扩展，常是扩展进母材。冲击断口的扫描电镜观察充分说明了这一点，断口上大部分区域是未受热影响的母材，因此整个接头的抗裂性，实际上很大一部分是由母材所提供的。 从接头的硬度和显微硬度的分布来看，激光焊接具有较高的硬度和较陡的硬度梯度，这表明可能有较大的应力集中出现。但是，在硬度较高的区域，正对应于细小的晶粒组织。高的硬度和细小的晶粒组织的共生效应使得接头既有高的强度，又有足够的韧性。 激光焊接焊缝热影响区组织主要为马氏体，这是由于它的焊接速度高、热输入小所造成的。HY-130钢中碳的质量分数很小（约0.1%），焊接过程中由于冷却速度快，形成低碳马氏体，这种组织的综合性能优于焊条电弧焊和熔化极气体保护焊中产生的针状铁素体和马氏体的混合物，再加上晶粒细小得多，接头性能无疑是优良的。 HY-130激光焊时，焊缝中的有害元素大大减少，产生了净化效应，提高了接头韧性。（3） 不锈钢奥氏体不锈钢由于具有良好的抗腐蚀性，以及高温和低温韧性而获得广泛的应用。这类不锈钢的特点是合金元素含量高，导热性能仅为低碳钢的1/3，线膨胀系数大，为低碳钢的1.5倍。对Ni-Cr系不锈钢进行焊接时，材料具有很高的能量吸收率和熔化效率。用激光焊接时，由于焊接连度快，减轻了不锈钢焊接时的过热现象和线膨胀系数大的不良影响，焊缝无气孔、夹杂等缺陷，接头强度和母材相当。用小功率激光焊接薄板，可以获得外观上成形良好、焊缝平滑美观的接头。（4） 硅钢硅钢片是一种应用广泛的电磁材料，在轧制过程中为了保证生产线运行的连续性，需要对硅钢薄片进行焊接，但硅钢中Si的质量分数高（约3%），Si对-Fe具有强烈的固溶强化作用，使硅钢的硬度、强度增加，塑性、韧性急剧下降，而且冷轧造成的加工硬化，使强度，硬度进一步增加。硅钢的热导率仅为纯铁的50%，热敏性大，易发生过热使晶粒长大，而且晶粒一旦长大，就很难通过热处理使之细化，目前，工业中采用TIG焊，存在的主要问题是接头脆化，焊态下接头的反复弯曲次数低或者不能弯曲，因而不得不在焊后增加一道火焰退火工序。这样既增加了工艺流程复杂性，也降低了生产效率。2） 铝合金的激光焊接铝及其合金激光焊接的主要困难是它对10.6m波长的CO2激光的反射率高。铝是热和电的良导体，高密度的自由电子使它成为光的良好反射体，起始表面反射率超过90%，也就是说，深熔焊接必须在小于l0%的输入能量开始，这就要求很高的输入功率以保证焊接开始时必需的功率密度。而一旦匙孔生成，它对光束的吸收率迅速提高，甚至可达90%，从而使焊接过程顺利进行。铝及其合金焊接时，随着温度的升高，氢在铝中的溶解度急剧增大，溶解于其中的氢成为焊缝的缺陷源。焊缝中多存在气孔，深熔焊接时根部可能出现空洞，焊缝成形较差。铝合金的激光焊接需要相对较高的能量密度，这有两个原因，一是铝合金的反射率较高，二是铝合金的导热系数很高。可采用大功率或高性能的激光束来获得所需的能量密度。LYl6、L1-L6、和LF21系列的铝合金能够成功地实现激光焊接，且不需要填充金属。但是，许多其他铝合金中含有易挥发的元素，如硅、镁等，因此无论采用哪一种激光自动焊接方法（不填充金属），焊缝中都有很多气孔。而激光焊接纯铝时不会存在以上问题。在铝和铝合金的焊接中，Nd: YAG激光的波长与焊件的耦合性比CO2激光波长好。铝对CO2激光的反射事很高（约90%98%），因此采用CO2激光来焊接铝需要很高的能量密度来形成并维持匙孔，通常能量密度需大于4106W/cm2。液态铝的黏度较低，表面张力也很低，因此焊接铝时必须要密切注意焊接熔池，以防止熔池中液态铝的溢出，可通过接头设计或采取不熔透方法来解决。采用激光焊接铝时，除了能量密度的问题，还有三个很重要的问题需要解决：气孔、热裂纹和严重的焊缝不规则性。气孔的产生是由于氢在熔池金属中的可溶性引起的，其溶解度与熔池的体积和冷却时间成正比（与TIG焊、MIG焊相比，激光焊接的熔池体积和冷却时间相对较小）。另外，金属表面的氧化膜（如Al2O3和H2O）在焊接过程中也会溶解到熔池中，导致气孔的产生和焊缝的脆化。焊接前可通过机械或化学方法除去这些氧化膜。一些铝合金的焊接熔池在凝固过程中可能产生热裂纹，从而导致焊缝机械性能下降，裂纹的形成与冷却时间（或焊接速度）有关，同时也与焊缝保护程度密切相关。焊缝金属还会氧化形成Al2O3和AlN，这两种物质一方面会成为微裂纹扩展的裂纹源，另一方面会造成焊缝的污染（Al2O3是白色的，而AlN是黑色的）。焊缝的不规则性是指焊道粗糙、鱼鳞纹不均匀、边缘咬边及根部不规则等。造成焊缝不规则的原因（至少是部分原因）是焊缝金属的低蒸汽气压和低表面张力使得焊缝金属对N2和O2的亲和力增加。使用氧气或者氦气作保护气体可以得到光洁的焊缝和致密的鱼鳞纹，并对焊缝根部也同时进行保护。采用激光焊接铝合金时加入填充金属方法可有效避免热裂纹、咬边的产生，并能降低焊缝的不连续性。另外，焊接过程中填充金属能降低对焊接接头装配精度的要求，提高接头强度。在CO2激光焊接和Nd: YAG激光焊接的过程中，采用等离子弧与激光复合焊接不仅能提高焊接速度（可提高两倍）、减少裂纹（大多由高速冷却速度造成），还能得到平滑的焊缝。3） 铜及铜合金的激光焊接铜及铜合金具有优良的导电、导热性能，冷、热加工性良好，具有高的抗氧化性能和较高的强度，在电气、电子、动力、化工等工业部门中应用较广。（1） 铜及铜合金的分类铜及铜合金可分为紫铜、黄铜、青铜及白铜等。紫铜为铜含量不小于99.5%的工业纯铜；普通黄铜是铜和锌的二元合金，表面呈淡黄色；凡不以锌、镍为主要组成而以锡、铝、硅等元素为主要组成的铜合金，称为青铜；白铜为含镍量50%的铜镍合金。（2） 铜及铜合金的焊接性焊接铜和铜合金易产生未熔合与未焊透，故应采用能量集中、大功率的热源并配合预热措施；在工件厚度较薄或结构刚度较小，又无防止变形措施时，焊后很容易产生较大的变形，而当焊接接头受到较大的刚性约束时，易产生焊接应力；焊接铜及铜合金时还易产生热裂纹；气孔是铜及铜合金焊接时的常见缺陷，紫铜焊缝中的气孔主要是氢气孔。总的来讲铜及其合金焊接具有如下特点。 铜的导热性和热容量大，焊接输入热量宜大，必要时作适当预热。 铜及铜合金的线膨胀系数大，凝固时收缩率也较大，因此，焊接变形大，焊件刚度大时易产生裂纹。应采用窄焊道，焊后立即轻轻敲击可细化晶粒，减小残余应力及变形。一些铜合金如黄铜，焊后有时需经270560oC退火处理，以消除应力，防止“自裂”现象。 铜在液态时易氧化，生成的氧化亚铜（Cu2O）和铜形成低熔点共晶体，分布在晶界，易引起裂纹。用于焊接的紫铜含氧量，一般应0.03%，重要件应0.01%。 铜在液态时能溶解大量的氢，在凝固冷却过程中，溶解度大大减小，氢还能和氧化亚铜反应，生成水蒸汽，因而引起气孔。由于铜的热导率高（超过铁的热导率3倍以上），线膨胀系数大（比钢的线膨胀系数大30%），凝固收缩率值大（比钢大1倍），液态时对氧的活性高，氢在其中的溶解度大等原因，铜的焊接是相当困难的。铜的性质决定了它在焊接过程中产生强烈的应力和变形，焊缝形成气孔和裂纹的倾向高。由于其导热率高，所以铜焊接时必须要用集中的强热源（如激光、电于束、离子束等）。此外，铜在高温时的塑性低和热导率高要求采用预热。铜的焊缝具有显著的多孔的特点，这是由于在金属冷却和结晶过程中有气体从其中析出而造成的。铜的熔点比较低而热导率高，大大地加速了焊接时冷却和结晶过程，这妨碍了采用常规的电弧焊。弧柱中卷入的或溶解的气体从焊缝金属或近缝区析出，残留在金属中的气体可能在金属中造成气体的过饱和熔液或造成气孔。过饱和溶液的形成会导致裂纹，因为铜在高温下的塑性低，气体从过饱和熔液析出时的压力可能使铜产生破坏。合金元素对气体在液态铜中的溶解度有影响。研究表明，Al、Si、Zn、Zr、Ti、Be、Cr可以减少黄铜焊缝中的多孔性，而Mn则反而增加多孔性。电阻焊时由于黄铜的电阻率低、热导率高，因而很难形成稳定的焊接熔池而实现理想焊缝，甚至无法焊接。激光焊接时由于铜及铜合金对激光具有其强烈的反射作用，一般情况下也较难实现连续深熔焊接。4） 耐热合金的激光焊接许多镍基和铁基耐热合金都可以进行脉冲和连续激光焊接，且都可以获得好的激光焊缝。通过对铁基合金M-152和航空发动机中使用的三种镍基耐热合金（PK33、C263、N75）的激光焊接表明，接头力学性能与母材几乎相当。Dop-14合金和Dop-26合金是两种宇航用铱基耐热合金，它们具有很高的熔点，具有优良的高温强度和抗氧化性，用激光对其进行焊接时，焊缝晶粒很细，可以消除金属钍在晶界偏析所产生的热裂纹现象，获得无裂纹的焊缝，而用常规的钨极氩弧焊则是难以办到。表3-1是用Nd: YAG激光对4mm厚的镍基高温合金进行连续激光焊接的一组工艺参数。用大功率（814kW）CO2激光对厚度为6.4mm的Inconel-718镍基高温合金组件进行焊接，其接头的力学性能实验数据见表3-2。5） 异种金属的激光焊接异种金属的激光焊接是指两种不同金属的激光熔焊。异种金属是否可焊及接头的强度，取决于两种金属的物理性质，如熔点、沸点等。若两种材料的熔、沸点接近，则能形成较为牢固连接的激光焊接的参数范围较大，熔区可以形成良好的合金结构。依据这些性质可以把它们分成两种情况，如图3-1所示。如图所示，设金属A的熔点为A熔，沸点为A沸，金属B的熔点为B熔，