自激光器最初用于工業加工以來，發展出了各種各樣的脈沖式固體 Nd:YAG激光微焊接策略，包括點焊時根據熔池行為和冷卻金相對整形脈沖進行相應的調整 [1-3]。 調制脈沖（號稱“冶金脈沖”）[2] 似乎影響熔池對流，并因此而影響類似金屬或異金屬的混合。焊接周線或外形輪廓時，脈沖激光顯示出傳統縫焊的原理：采用現代化的脈沖式Nd:YAG激光器提供高達10 kW的在線可控峰值功率，最大脈寬100 ms，脈沖能量100J以上。這些激光參數與空間光束合并和分散光路（如環形光路）或高速光束分配（如檢流計）相結合， 形成了全新的焊接策略[2] ，其中SHADOW（平滑高精度不連續單脈沖焊接）是本文討論的主題。

周線焊接的原理

圖1：SHADOW周線焊縫的外觀。頂圖表示沿直線方向的顯微切片
（為了更清晰起見，焊池的分界面被放大了）。

SHADOW（Stepless High Accurate and Discrete One Pulse Welding）意指平滑高精度不連續單脈沖焊接，這一技術由Fraunhofer 激光學會[1]創造，是在較長的激光脈沖持續時間（長達100ms的）以內完成的周線焊接。這樣的激光輻射通過聚焦光路或光纖而直接射到工件上。直接光束的優點是：有可能在光斑尺寸小于20μ的情況下進行高度精確的微焊接，從而產生精確的、高縱橫比（深度/寬度）且幾乎沒有熱影響區（HAZ）的焊縫。缺點是 ：周線的焊接深度不一致，因為光束質量在固態激光器脈沖持續時間內會發生變化。允許光斑尺寸大于50μ 的周線可以通過光纖和聚焦光路進行焊接。由于“光纖束”的光束質量持續不變，SHADOW焊接顯示出深度和寬度幾乎不變的焊縫（圖1）。 為了進行脈寬達100 ms的周線焊接（例如，可以利用LASAG公司 SLS 或FLS C激光器），必須根據周線的形狀而借助于檢流計、CNC或回轉軸來實現光束快速運動。如圖2所示，周線的長度極限和熔透深度取決于脈寬、脈沖能量和光斑。顯然，這種焊接策略僅限應用于很小的幾何形狀。

圖2：SHADOW焊縫的熔透深度取決于速度和脈沖能量

周線焊接的優點

周線焊接具有許多優點：

◆ 焊接速度 - 顯然屬于高速焊接，每秒速度在1米以內（類似于高功率CW激光器），而脈沖激光器所達到的常規縫焊速度以每分鐘數米計。脈沖激光器之所以速度低，歸因于它的脈沖頻率和平均能量、光斑大小和光斑搭疊。圖2表示單脈沖焊接不銹鋼時的焊接深度和脈沖能量，以及達到所需熔透深度的最大伸直長度。

◆ 焊接質量- 分組進行的焊接質量分析[1, 2, 4]顯示，被焊周線的可見外觀近似于CW激光焊接（見圖1）。當峰值能量達到匙孔形焊縫閾值時，焊縫表面出現‘駝峰’似的不穩定狀態，這種現象見于高功率CW 激光焊接。
◆ 熱影響 - 與標準縫焊相比，快速與幾千瓦功率的小光斑相結合，減少了熱影響區和變形等副作用，這是可以理解的，要知道在傳統的脈沖激光縫焊過程中能量需用幾毫秒的時間進行局部積聚，而SHADOW焊接只需幾微秒，因此熱量來不及從熔池擴散給周圍的材料。

◆ 金相組織 - 看起來小光斑與高速度相結合的結果是在“線性“焊池中可以形成有利的熔融運動狀態，尤其是在焊接易于出現裂紋或比較脆的類似金屬或異金屬時，可以導致更好的金相結構和更有利的機械穩定性 [2, 5]。測量結果顯示，移動光斑的表面溫度相當穩定，相比之下，重疊脈沖式縫焊的表面溫度隨著光斑的重疊程度和脈沖能量的大小而局部發生波動。必須牢記熔池流動性和熱擴散的時間比例與焊接速度同在一個范圍，而常規的毫秒級脈沖式縫焊的速度一般慢10倍。這一切勢必在熔化和冷卻過程中改變熔池的動態變化并影響它的金相組織。 #p#分頁標題#e#

微焊接的應用

迄今，上述優點和好處（主要是減小熱影響和改進金相組織）在各種應用中得到了證實。

最早的應用之一是高精密度的鐘表零件，如游絲、指針 [1] 及其它銅合金零件，如CuBe2、Ms61Pb、德國銀或CrNi合金件。同標準縫焊相比，對熱影響區和熱變形問題的改進無疑得到了論證。在醫療儀器和器官移植方面，生物相容性（不會引起排斥的）金屬，如NiTi、不銹鋼、Ti、TiAl或白金可以進行焊接，這使人們可以從功能的角度選擇材料。圖3 （右）表示兩根外徑3 mm、壁厚0.1mm的薄壁不銹鋼管必須對焊并實現真空密閉。為了保證器件的可靠定向穩定性，必須避免熱變形。焊接中采用了30ms脈沖，能量5J，轉速2150 rpm。圖3（右）說明用SHADOW工藝焊接兩根不同的NiTi管。

圖3：借助一根快速回轉軸對不銹鋼管（左）和鎳鈦合金
管(nitinol tube)（右）進行SHADOW焊接

在許多采用銅合金的微電子焊接任務中，熔透深度被局限為幾百微米，但是要求很高的機械力、可靠性和有限的熱破壞。SHADOW工藝似乎是理想的焊接手段，而且可能成為替代錫焊的選擇。SHADOW成功地應用 [4] 于超薄傳感器隔膜（< 20 μm）的密封焊接，這些元件對變形和所用夾具有特別苛刻的要求。

結語

SHADOW焊接工藝證實了其有助于Nd:YAG激光微焊接，在必須最大限度地減小焊接過程前后的熱副作用、特別是熱影響區的變形或金相組織、磁性或其它材料特性的改變的用途中，該方法顯示了它的優點。還證明了SHADOW工藝可以成功地焊接類似金屬或異金屬，而在許多情況下用標準激光焊接會導致不可靠的結果。這給取代有鉛錫焊并為選擇金屬時根據所需要功能，而非根據金屬的可焊接性開辟了可能性。