单模光纤激光技术实现金属箔微焊接

单模光纤激光器（SMFL）输出的近衍射极限光束聚焦后的光斑直径非常小，基本上只受透镜像差的限制（对于现代光学镜片来说，这并不是一个严重问题）。因此，光纤激光可以形成直径非常小的匙孔，在很高空间分辨率要求条件下也能焊接。由于熔池流动稳定性和表面能的原因，匙孔尺寸越小，其稳定性越高，因此，可以实现极薄金属箔片的高速焊接。

一般高速匙孔焊往往会形成隆起的驼峰状焊缝，这主要是由于金属流动不稳定造成的14.4.3小节。通过计算可知，采用小直径光斑焊接时，匙孔四周液态金属的流动速度会降低，可以防止焊缝出现隆起。图14.47为单模光纤激光在1.5m/s焊接速度下获得的接头横截面照片，这是采用单光束进行焊接时不出现隆起现象的极限速度^[22，86]，这一实验结果证实了计算的准确性。

图14.47 单模光纤激光焊接不锈钢箔片

（厚度：40μm，焊接速度：1.5m/s）(www.xing528.com)

根据前面的介绍可知，超薄金属箔与较大体积材料之间的搭接焊非常困难，在没有特殊夹具的情况下容易形成未桥接接头。金属箔片厚度h与匙孔直径（或光斑直径）r之间的关系（h<2r）是一个非常关键的参数，根据式（14.15）可知，这一参数与dS/dr有关。因为单模光纤激光具有极小的光斑直径，即2r很小，因此它比较适合于超薄（h很小）材料的焊接。

图14.48为采用单模光纤激光焊接厚度分别为20μm和30μm箔片搭接接头的结果，聚焦后的光斑直径为10μm。由于满足了dS/dr>0这一条件，使用简单夹具就可获得很好的搭接焊缝^[22，86]。焊接厚度分别为10μm和30μm的箔片搭接接头时，当两板之间存在一定间隙时就无法实现桥接了，因为此时难以形成正常匙孔，不过可以看到，在无间隙情况下可以获得很好的焊接结果（同样没有采用精密夹具），因为这种条件下两板间形成了非常稳定的匙孔。

图14.48 光斑直径10μm的单模光纤激光焊接不锈钢箔片