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原文为德国德累斯顿工业大学A.Mahrle与E.Beyer教授撰写，鬼斧翻译。在焊接工程中，术语“热源”通常是指在熔融焊接过程中使用的加热工具的类型。当热源沿着焊接路径前进时，其能量在要连接零件之间的焊接区域转换为内部能量。如果有沉积的能量足够大，基体材料和填充材料会局部熔化，从而形成熔池，并在凝固后形成焊缝。有许多不同类型的焊接热源，以这种方式，将工件连接在一起。用于熔焊的热源包括电弧，激光束和电子束。这些焊接工具，每一个都有其自己的特点，对于任何特定的焊接任务，选择一种特定的热源，要考虑多种因素。用于对焊接热源进行分类的一个独特特征，是能量强度。激光束和电子束的能量强度通常远高于电弧强度，因此被称为高能量密度热源。近年来，高能量密度和低能量密度热源的组合进一步增加了焊接的种类。最成熟的技术是将气体保护电弧和激光束结合在一起。这种组合称为激光-电弧复合工艺。原则上，激光-电弧复合相对容易实现。因为两种热源通常都在大气压条件下工作，并且需要对焊接区域进行相似的气体保护。但是，了解每个单独热源的相关属性是寻找有用的工艺组合和最佳参数组合的必要前提。聚焦的激光束，是当今可用于焊接工程的最高能量密度的焊接热源。相干且接近单色的激光发出的电磁辐射，通常会集中到直径小于毫米的非常小的光斑。出于焊接目的，通常可以实现高达10^12 W/m^2的强度。由于诸如钢、铝等可焊接金属，在典型材料加工激光的波长下是不透明的，故入射的激光辐射会被吸收或反射。吸收的激光能量被转换为被焊接材料表面非常薄表层的内部热量，从而导致加热，熔化，甚至蒸发以及等离子体形成。通常，激光束焊接是在没有填充金属的情况下进行的。焊缝和热影响区通常通过惰性气体保护与大气隔离，惰性气体通常为氩气（Ar），氦气（He）或两种气体的混合物。激光束热源的最重要特性，分别是可用的光输出功率PL，发射辐射的波长λ和光束参数乘积（BPP），分别作为光束聚焦性或光束质量的度量。这些量取决于具体的激光系统，决定在被焊接材料表面可达到的强度或辐照度。强度的平均值IL，0被定义为激光功率PL与光束的横截面积AL，0的比。对于半径为w0的圆型光束，是常见情况，计算公式为：可以在通常的聚焦条件下，根据以下关系式估算通过聚焦光束（例如，通过透镜）可获得的w0的最小值BPP，是透镜焦距f和聚焦前初始光束直径D的函数。BPP对应于激光束的束腰半径w0和所谓的远场散度的半角θ的乘积。θ为光束在z = 0时从束腰扩展角度的度量。对于具有理想光束传输系统的激光系统，BPP是常量。对于物理上具有最佳光束质量的高斯光束（指数G），也称为理想光束或受衍射限制的光束，BPP与发射的激光波长成正比，取决于如下关系：实际的，或非高斯光束有参数BPPNG。它总是大于BPPG。引入所谓的光束传播比M2，作为两种BPP的无量纲比（参照标准DIN EN ISO 11145，2002）光束传播比M2，作为一个经常使用的量，用作激光光束质量的相对量度。 对于高斯光束，它是M2 = 1，而实际光束的特征是M2> 1。M2在很大程度上取决于激光类型。 影响M2的其他因素是光束传输过程中的球面差和热透镜效应。 因此，M2还取决于所使用的光学器件（镜头，防护眼镜，分束器）以及激光功率。 对于具有初始高质量的激光束，这一事实变得尤为重要。对于给定的透镜焦距f，实际光束的聚焦半径w0，NG是衍射极限激光束的半径w0，G的M2倍。关于理想光束和实际光束的BPP的定义（3.3）和（3.4），角度θ考虑如下条件。距束腰任何距离z处，实际激光束的光束半径wz，NG，可以通过光束传播方程计算。其中zR是对应的瑞利长度，表示在z = 0时光束束腰原点与沿传播线的束腰半径w0，NG增加41.4％（或乘以2的平方根）。在圆形光束的情况下，这一点上横截面积翻倍。根据上一公式，将激光束的瑞利长度定义为：瑞利长度是聚焦深度DOF的一种可能的定义，是对束腰区域长度的度量，在该束腰区域上，光斑尺寸没有明显变化，并且激光强度保持近似恒定。以这种方式，除了所施加的激光束的聚焦强度IL，0的影响之外，聚焦深度还会对焊缝的几何形状和可达到的焊缝熔深产生重要影响。在具有小聚焦半径w 0的强聚焦激光束的情况下，这一事实变得尤其重要，这又分别导致较短的瑞利长度或增大的发散角。
当根据本章第一个公式，强度为IL，0的激光束入射到金属工件的表面时，只有一部分的能量，以吸收率为A，渗透到基板，其功率为PL，A这部分吸收的激光能量，主要扩散在基板很薄的一层，厚度为：它通常被称为吸收深度lA，它是激光辐射波长λ和阻尼常数或消光系数k的函数。金属中吸收深度的典型值约为激光波长的百分之一。因此，金属可以认为是不透明的，并且零件这里R = 1-A，是表示入射激光功率的反射部分。由于反射部分损失掉，对焊接材料的加热没有帮助。显而易见，光的吸收率和反射率特性，对作为焊接激光束作为焊接热源的能量传递效率具有重要影响。通常，吸收率A和反射率R是激光辐射的偏振态、激光束与被照射表面之间的入射角、基本光学特性折射率n和消光系数k的复杂函数。这又取决于激光的波长λ和材料的一些特性，例如自由电子密度ne和温度T。下表列出了室温下不同金属在典型的用于材料加工的激光波长下，反射率值。但是，必须考虑到，给定的值仅针对光滑表面。对于工业表面，吸收率还受被照射样品的表面条件（包括表面粗糙度，表面层和氧化膜）的影响。最后，总的耗散激光功率以及由激光束的热输入与所传递的（入射）激光功率的比率（即激光光束转移效率）在很大程度上取决于所实现的焊接模式。在激光束焊接中，可以根据所选的焊接参数（主要基于单位长度的能量密度）和被焊接材料的特性来区分三种不同的激光焊接模式。这些焊接模式包括热传导模式，穿透模式和匙孔或深熔透模式。传导模式焊接是激光焊接的一种。其中吸收的激光能量仅引起待焊接样件的熔化。即，热传导模式是一种纯熔焊工艺，熔池表面温度的最大值位于材料的熔点和沸点之间。在这种情况下，激光用作表面热源，且能量传递效率主要取决于表面的吸收率。消散的能量通过热传导传递到材料中，并在熔池内部通过对流传热传递，这是熔池流体流动的结果，而流体流动又由（I）与温度的密度引起的浮力效应和（II）自由熔池表面处的表面张力梯度的马兰戈尼效应影响。后者能够显着影响焊缝的形状和大小，从而确定最终焊缝的几何形状。为了获得可接受的熔深，必须以相对较慢的焊接速度进行热传导模式激光焊接。熔深与焊缝宽度的典型纵横比在0.2到1的范围内。因此，传导受限的激光焊接工艺最好用于薄金属板的焊接和微连接。在增加激光强度时，将被焊接的材料加热到沸点。另外，一些材料将蒸发，并且所产生的反冲压力将液体熔体挤压到侧面。随后凹入的熔池表面，使激光辐射更深地渗透到材料中，从而在焊池内形成了一个钻孔，称为“匙孔”。最优选的激光焊接方式，是被称为深熔焊或匙孔焊接的激光焊接工艺。充分发展且稳定的蒸汽通道就像黑体一样，吸收了最大量的入射激光辐射。在这种情况下，可以将激光束视为有效且高度集中的体积焊接热源。由于匙孔的形成主要取决于聚焦激光束强度，因此采用激光束焊接热源可获得的穿透深度，显示出独特的阈值行为。其中，定义的阈值强度通常取决于待焊接材料的热性能、焊接进给速率以及激光波长和功率。匙孔激光焊接工艺的效率还受到在高激光强度下发生的等离子体效应的影响。在高激光强度下，蒸发的金属被电离并形成具有自由电子的等离子体。该自由电子能够与入射激光辐射发生相互作用。相互作用的类型和强度主要取决于激光波长。结果，由于吸收和折射效应，在通过等离子体束期间，光束的传播特性会大大恶化。可是，通过使用适当的具有高电离势的保护气体（例如He或含He量高的He-Ar混合物），可以减少甚至抑制这些负面影响。匙孔模式是在较高的焊接速度下焊接较厚材料的首选模式。长宽比通常介于3到10之间，但如果应用具有高光束质量、高度聚焦的激光束（例如光纤激光器），则有时甚至更高。每单位长度所需的能量输入相对较小，因此在最小化残余焊接应力的情况下，实现焊接零件的无变形连接通常是可行的。匙孔模式的过程固有缺点包括：（I）接缝准备和夹紧要求较高；（II）匙孔的最终不稳定性导致飞溅，尖峰和/或孔隙率；（III）焊缝内部的高热梯度和热影响区有时会引起焊接缺陷，例如裂纹；（IV）激光辐射与形成等离子体的金属蒸气之间的不良相互作用。第三种激光焊接模式称为导通模式焊接。它是介于传导模式焊接和匙孔焊接之间一种焊接方式。在这种模式下，聚焦的激光强度太低而无法像深熔焊一样产生小而稳定的锁孔。但是，会形成一个较大的熔池表面凹陷，该凹陷能够通过多次反射将入射激光功率捕获在中央焊池凹口处。结果，与传导模式相比，激光能量被更有效地吸收，并且可以实现高达3：1的纵横比。除了各种焊接模式之外，可以根据它们对能量沉积的时间控制的依赖性来进一步分类激光焊接工艺，即连续波（CW）激光工艺和脉冲波（PW）激光工艺。在连续焊接工艺中，焊接是最常用的焊接方式，单位长度的实现能量密度即激光强度与焊接速度之比决定了焊接模式，而在PW应用中，焊接模式主要取决于脉冲能量和 脉冲重复率。有许多不同类型的激光器，但只有少数符合焊接目的所需的高输出功率。当前，最常用的高功率激光器仍然是二氧化碳（CO2）和Nd：YAG（钕：钇-铝-石榴石）激光器。然而，近来具有高输出功率和高光束质量的Yb：YAG（钇-铝-石榴石）圆盘和渗镱光纤激光器已经大量商用，并且越来越多地用于焊接应用。过去在传导模式焊接工艺中首选的第五种激光器是高功率二极管激光器。这些激光源的最重要特性，包括所用激光介质的发射波长，功率转换效率，即光输出与电输入功率之比，可用的最大输出功率，理论光束质量以及光束强度、激光系统的移动性和特性维护间隔等。如下图所示通常，CO2激光器是当今用于材料加工的最受欢迎的气体激光器。激光介质中的CO2与N2和He的混合量不同，取决于激光谐振器的设计、工作压力和工作模式（即连续或脉冲）。通过气体混合物中的放电，来实现CO2分子的激发。激光辐射主要以10.6μm的波长发射。通常，转换效率在12％至14％的范围内。长期以来，CO2激光器一直是可用于激光材料加工的最高连续波电源。当前商用的最大功率输出系统功率为20 kW。最常被提及的CO2激光器的缺点与所发射辐射长的波长有关。结果之一是，大多数材料在电磁波谱的可见光范围内是透明的，例如：玻璃对CO2激光辐射不透明。因此，必须使用特殊且更昂贵的材料（例如硒化锌和光束偏转）制造所需的激光谐振器传输元件和光束引导装置，并且必须通过反射光学器件（例如镀金或多层镀铜的铜基板）实现聚焦。长波长的另一个结果，是材料加工中常用的金属的高反射率以及辐射与激光诱导等离子体之间相互作用的增强。因此，要在CO2激光焊接中有效地抑制等离子体，通常需要使用具有高电离势能的He进行气体保护。Nd：YAG激光器仍然是使用最广泛的固态激光器。掺钕的YAG晶体用作发射波长为1.06μm的激光介质。激发能量由高强度放电灯（泵浦）或激光二极管（二极管泵浦）以光学方式提供。与气体激光器相比，棒状Nd：YAG激光晶体具有光学活性，并且随着输出功率的增加，输出光束的质量会下降。因此，光束质量大大低于CO2激光器的光束质量，但是由于波长较短，Nd：YAG激光器可以实现的焦点尺寸与M2值更好（更小）的CO2激光器类似。目前Nd：YAG激光器的商用连续波长激光器，最大输出功率限制为6 kW。Nd：YAG激光器的较短输出波长具有一些重要优势。首先，光束可以通过光纤传输并用普通透镜聚焦，从而为机器人焊接和复杂的三维结构焊接提供了重要的好处。其次，大多数金属的吸收率显着提高。这一事实对于传导模式焊接过程以及匙孔模式焊接的阈值强度值特别重要。最后，入射激光辐射与所产生的金属蒸气之间没有显着的相互作用。因此，在通常使用的功率强度下，用CO2激光器进行的深熔透激光焊接中存在的扰动等离子体的问题不会发生。结果，可以使用Ar或Ar气体混合物作为保护气体，而不是使用更昂贵的He。近年来，已开发出很有前景的盘片激光和光纤激光器系统。作为特殊类型的二极管泵浦固态激光器，它们具有激光活性介质（分别为盘片和光纤）的特征几何形状，同时提供高光输出功率，高转换效率 效率，高光束质量和1μm左右的短发射波长。除了已经提到的可能通过光纤传输光束的优点外，与之相比，盘片和光纤激光器还可以将激光辐射强力聚焦到非常小的聚焦半径上。CO2激光（由于较长的10.6μm波长）和Nd：YAG激光（由于棒状激光活性晶体的热效应）达到了典型的聚焦尺寸。另外，新激光源的特性也在不断提高。因此，圆盘和光纤激光器越来越多地用于多种焊接目的。迄今为止，市场上可买到的连续波盘激光器的输出功率高达8 kW（Trumpf 2008）。在此功率下，BPP等于8毫米mrad。优选使用的二极管泵浦激光活性介质是激光波长为1.03μm的Yb：YAG。光纤激光系统可提供高达50 kW的更高功率（多模）。目前，具有近衍射极限（高斯）光束（M2 <1.1）的单模光纤激光器的功率高达5 kW。光纤激光器的有源增益介质通常是掺有Yb的光纤，其波长范围为1.06至1.07μm。长期以来，高功率二极管激光器（HPDL）系统，受限于低输出功率和低光束质量，导致典型的几毫米长的矩形光斑尺寸。所得到的焦点强度仅允许在热传导模式下进行焊接。但是，可以实现的激光束功率和束质量的不断提高，也导致了深熔焊工艺的可能性。当前，可提供输出功率高达10 kW的直接HPDL和输出功率高达8 kW的光纤耦合HPDL。在后一种系统中，光束质量类似于Nd：YAG激光器的光束质量，实际的HPDL能够直接与这种更常见的激光器竞争。HPDL的发射波长取决于半导体的材料特性，温度和驱动电流。典型值在0.8和1μm之间。HPDL系统的一个重要优点是其紧凑的尺寸和较低的重量，使其特别适合与机器人控制结合使用。焊接热源，这一章内容太多了。这里完成激光热源的讲解，电弧热源的讲解放到下次单独成篇！
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