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本篇正文如下：
一、激光器性能参数
相关链接见：
激光器及其加工系统专题——激光器分类篇
激光器及其加工系统专题——激光器参数篇
1.1 连续激光器（以IPG-YLR-2000-SM为例）作为使用激光器的一方，对于激光器一般主要关注以上几个参数：1、输出功率：一般标注最大输出功率，常见的有2000W、3000W、4000W、6000W等，一般激光器设计都有冗余，最大输出功率会比输出功率大几十甚至几百W；功率稳定性主要看功率的波动范围，一般是1%-3%，有些厂家也虚标，需要用功率计在梯度功率出光进行测试一下。2、激光波长：一般在1060-1080nm之间，这个主要是针对不同的材料激光吸收率选用不同波长的激光器，如蓝光(450nm)、绿光（532nm）；图片
1.2 发散角定义与计算光束发散角是用来衡量光束从束腰向外发散的速度。在自由空间光通信的应用中需要非常低的光束发散角。具有非常小发散角的光束，例如光束半径在很长的传输距离内接近常数，被称为准直光束。
由于波动性，光束中存在一些发散是不可避免的（假设光在各向同性介质中传输）。紧聚焦光束的发散角更大。如果一个光束发散角远大于物理上决定的发散角，那么光束就具有很差的光束质量。
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存在很多关于发散角的定量定义：最常用的定义是，光束发散角为光束半径对远场轴向位置的导数，也就是与束腰的距离远大于瑞利长度。这一定义延伸出半发散角概念（单位为弧度），依赖于光束半径的定义。对于高斯光束，光束半径通常定义在光束半径词条中有具体讨论。有时采用全角度，是半发散角的两倍。除了在高斯光束中取处于峰值强度处对应的点的角度作为发散角之外，还可以采用半高全宽（FWHM）发散角。在激光二极管和发光二极管数据表格中通常采用。高斯光束中，采用这种定义的发散角是由高斯光束半径确定的半发散角的1.18倍。
给定光束半径，更大的光束发散角，也就是，更大的光束参数乘积，与光束质量有关，代表将光束会聚成非常小的点的可能性更小。如果用因子M来表征光束质量，那么半发散角为：
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举个例子，Nd:YAG激光器产生的1064 nm的光束具有理想的光束质量（
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），光束半径为1 mm，半发散角只有 0.34 mrad = 0.019°。为了测量光束发散角，通常测量光束散焦度，也就是采用光束分析仪测量不同位置的光束半径。
也可以从某一平面的复振幅分布来得到光束发散角。这些数据可利用夏克哈特曼波前传感器来得到。
θ为激光发散半角(弧度单位，mrad，1mrad=0.057°)，λ为激光波长（1060-1080，具体看激光器参数），ω0为激光束腰半径（焦点光斑半径），M2为光束质量因子，2ZR为瑞利长度，单模激光器一般光束质量已知的为M2，多模激光器可以先由BPP计算出M2，然后计算出发散角。发散角可用于计算离焦时的光斑大小。
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1.3 M2因子
对于激光束，通常使用光束传播比 M2 来表征光束质量。M2 因子将光束的实际形状与理想高斯光束的形状进行比较。
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上式中， ω 是实光束的束腰半径，θ 是实光束的发散半角；ω0 是理想光束的束腰半径，θ0 是理想光束的发散半角。从本质上讲，M2 决定了光束与完美高斯的匹配程度。直正的激光束的发散角 θR-real，将大于理想高斯光束的发散角 θG-Gaussian，光束的波前在靠近光束腰部的近场是平面的，在远场是弯曲的，如下图。
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ISO 标准 11146将 M2 因子定义为：
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在公式1中，w0是光束腰半径，θ是激光的发散半角，λ是激光波长。
高斯光束的发散半角由公式 2 确定：
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将得到的发散角插入公式 1 中，以简化高斯光束 M2 因子的计算：
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M2 因子为 1 对应于衍射极限高斯光束，大于 1 的 M2 因子对应于偏离理想高斯光束的光束。只能等于或大于1，不可能实现小于 1 的值。
M2无量纲参数，没有单位。
氦氖气体激光器的 M2 因子通常介于 1 和 1.1 之间。
对于非圆对称光束，M2 对于与光束轴正交和彼此正交的两个方向，系数可以不同。对于激光二极管的输出尤其如此。
瑞利范围也可以随着 M2 因子的增加而减小：
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1.4 振镜焦斑尺寸计算
一般常规激光使用是激光QBH头插在焊接头或者振镜头上，此时可通过以下公式快速简易计算焦点光斑大小: D为直径、f为焦距。图片
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1.5 焦深尺寸
焦深，专业术语又叫瑞利长度，当激光束的腰斑半径ω0增加到√2ω_0时的光束传输距离z，称为瑞利长度，焦深为2倍瑞利长度。瑞利长度越长，则光束在焊接工件时，光斑面积变化较小，能量密度变化也更小，在光斑覆盖范围内，功率密度更稳定。一般瑞利长度相对长的，就说明焦深也长，这样找焦点之后，对工件一些变形以及高反材料的焊接虚焊概率低，因为轻微的高度变化不会对激光能量密度发生太大影响，同时也降低了对找焦点的要求。图片
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二、单模多模对比
2.1 激光焊接三要素焊接是一种将两个或多个金属通过加热使其连接在一起的工艺。焊接通常涉及加热材料至其熔点，母材熔化用于填充接头之间的空隙，形成一个坚固的连接。激光焊接即为使用激光作为热源的连接方式。以方壳动力电池为例：电芯由多个零部件通过激光实现连接，在整个激光焊接过程中，材料连接强度、生产效率、缺陷不良率是产业界较为关注的三个问题。材料连接强度可通过金相的熔深熔宽体现（和激光光源密切相关）；生产效率主要和激光光源的加工能力有关；缺陷不良率主要和激光光源的选择有关。图片
动力电池零件BOOM图
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2.2 激光光源对比要素2.2.1 激光光源分析因为激光焊接本质上是一个光-热转换过程，其中涉及到的几个关键参数如下：光束质量（BBP、M2、发散角）、能量密度、芯径、能量分布形式、适配焊接头、加工工艺窗口、可加工材料，主要从这几个方向对激光光源进行分析对比。图片
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2.2.2 瑞利长度图片
2.3 匙孔匙孔相关文章参考：激光与材料相互作用专题——热导焊与深熔焊篇（② 匙孔效应）这里不再赘述。
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激光焊接热源所有的缺陷都和熔池匙孔状态相关，所以分析主要围绕熔池匙孔状态进行
2.4 激光器单模多模对比与定义
单模：是激光能量在二维平面上的单一分布模式，单模激光器的纤芯较细，发出的是典型的高斯光束，能量非常集中，类似陡峭的山峰。单模激光器的光束质量优于多模激光器，因此在需要高精度和高质量的应用中表现更佳。适用于1mm及以下不锈钢/碳钢薄板的切割，以及热传导焊中，可以得到更加均匀平滑的焊缝。单模激光器通常功率较低，适合中小功率应用。多模：是多个分布模式叠加在一起而形成的空间能量分布模式。多模激光器相当于多束高斯光束的组合，能量分布近似一个倒扣的杯子，比较平均。多模激光器的光束质量相对较差，但在需要高功率输出的应用中更为合适。适合于2mm及以上的厚板切割，以及深熔焊中，能得到深宽比更优的焊缝。多模激光器通常功率较高，适合高功率应用，如厚板材料的切割或深熔焊、特种材料高速切割焊接以及远程加工领域。通常可以用光束质量M2因子的大小来判断光纤激光器输出是单模还是多模：M2小于1.3为纯单模激光、M2为1.3～2.0为准单模激光（少模）、M2大于2.0的激光为多模激光。图片
a图为多模能量分布，其是多个单一激光模式叠加起来形成的空间能量分布，多模叠加的结果是呈平顶形曲线
b图为单模能量分布，过圆心任意方向上的能量分布为高斯曲线形式。
2.5 单模-多模激光器
常见单模激光器：IPGYLR-2000-SM、SM即为Single Mode 缩写，计算均采用准直聚焦150-250计算焦点光斑大小，能量密度用2000W，焦点能量密度进行对比。图片
2.6 单模-多模激光焊接效果对比1.单模光纤激光器：
芯径小，能量密度高，穿透能力强，热影响区小，类似锋利的尖刀，特别适合用于焊接薄板、高速焊接，搭配振镜可以加工微小零件、高反零件（极耳、连接片等）。单模由于匙孔更小，内部高压金属蒸汽体积有限，一般不太会有内部气孔等缺陷，低速时外观不吹保护气较为粗糙，高速加保护气加工质量较好，效率高，焊缝光滑平整、良率较高，适合用于叠焊，穿透焊接加工。2.多模光纤激光器：
芯径大、能量密度略逊于单模，钝刀，匙孔较大，金相更为粗壮，深宽比较小，同等功率下，熔深比单模低30%，适合用于装配间隙较大的对接焊缝加工，厚板加工。
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三、不同芯径对比
3.1 激光与材料相互作用
相关链接参考：激光与材料相互作用专题——金属材料对激光的吸收率篇。金属材料的激光加工主要是基于光热效应的热加工，激光辐照材料表面时，在不同的功率密度下，材料表面区域将发生各种不同的变化。这些变化包括表面温度升高、熔化、汽化、形成匙孔以及产生光致等离子体等。而且，材料表面区域物理状态的变化极大地影响材料对激光的吸收，一般来说，温度越高，材料对激光的吸收率越高。图片
3.2 传热与导热激光焊接的核心就两个：传热与导热，传热与热源、功率密度、线能量有关；导热主要与材料的散热、传热速度有关，属于材料的固有属性，一般可通过水冷夹具、保护气流量去微调。
在焊接过程，主要对热源、功率密度、线能量进行调整，涉及工艺参数有：激光器芯径、功率、速度、离焦量等的选择。
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3.3 热导与深熔
相关链接参考：激光与材料相互作用专题——热导焊与深熔焊篇（① 热导焊与深熔焊的定义与特点）。不同的激光辐射照度会引起材料产生不同的物态变化，反映在焊接工艺上就表现为两种典型的焊接模式：激光热导焊和激光深熔焊。两者的传热过程、焊缝形成机制、工艺特点和应用范围有很大区别。
激光热导焊模式：热导焊时，照射在工件表面的激光辐射照度在104~106W/cm范围，激光能量为表层 10 ~100m 的薄层所吸收，表层的激光能量靠热传导向材料内部传导，激光无法直接触及。激光照射经过一定时间后，表面达到熔化，这一熔化等温线向材料深处传播，表面温度继续升高。但最高只能达到材料沸点，温度再高材料将汽化形成凹坑，稳定的热导焊过程将受到破坏，熔池会振荡，出现材料烧损，一般热导焊用在薄板居多，这种情况需要杜绝。随着激光束与工件的相对运动，便形成了一道浅而宽的焊缝，如图所示。焊缝的深宽比小，一般焊缝宽度为熔深的2 倍以上，下图为典型的激光热导焊焊缝断面形貌，焊缝形状近似半球形。
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激光深熔焊：当辐射照度大于 107W/cm时，材料表面在激光作用下熔化、汽化，所产生的蒸气反冲压力向下冲击熔池，形成匙孔；光束直接作用在匙孔底部，使金属进一步熔化和汽化，高压气不断从匙孔内部产生并不断向外喷发，从而使小孔进一步加深，光束也一步步深入，激光热源也作用到材料内部，从匙孔内部向材料传递热量，形成更深的热影响区；同时在匙孔内充满因高温蒸气部分电离而成的等离子体，小孔出口上方也形成定范围的等离子体云，如下图所示。图片
匙孔相关文章参考：激光与材料相互作用专题——热导焊与深熔焊篇（② 匙孔效应）。匙孔效应对于激光焊接过程中材料对激光的吸收具有极其重要的作用，进入匙孔的激光束通过孔壁的多次反射而几乎被完全吸收。如图所示，若假设匙孔为圆锥面（角度为∅），沿圆锥轴线入射的光束经锥面反射直向匙孔底部并反射，总共反射180°/∅次。每反射一次，钢的吸收约为 13%。设P=10°则在 18 次反射过程中总吸收率达92%，相比热导13% 的吸收率有极大的提升。热导与深熔的区分一般按金相熔深：熔宽大于1，可以算深熔，因为出现匙孔提高了吸收率；这种简易方法适用于单激光焊接，复合不适用此判断，复合一般皆为深熔焊，中心光束都有匙孔效应存在。3.4 常见芯径及能量分布能量分布图颜色即为能量分布，颜色越红，能量越高，能量红的地方为能量集中的地方，通过不同芯径激光束的激光能量分布，可以看出激光束锋不锋利，激光束越小，能量越集中于一个点，越锋利，穿透能力越强。图片
3.5 不同芯径焊接金相
不同芯径激光器对比：实验采用速度为150mm/s，焦点位焊接，材料为1系铝，2mm厚；芯径越大，熔宽越大，热影响区越大，同时单位功率密度越小，当芯径超过200um时，在铝铜等高反合金上不容易打出熔深，需要更高功率方可实现深熔焊；小芯径激光器功率密度高，能够以高能快速在材料表面打出匙孔，且热影响区小，但是同时焊缝表面粗糙，在低速焊接时匙孔坍塌概率高，焊接周期匙孔闭合周期长，容易产生缺陷，气孔等缺陷，适合高速加工或者带摆动轨迹加工；大芯径激光器由于光斑大，能量更为分散，更适合激光表面重熔、熔覆、退火等工艺。图片
3.6 小芯径激光器优势及应用（＜100um）1、高反材料铝、铜、不锈钢、镍、钼等
高反材料需要选择小芯径激光器，利用高功率密度激光束使材料快速被加热至液化或汽化状态，提高材料对激光吸收率，实现高效快速加工，选择芯径大的激光器这容易导致高反，导致虚焊，甚至烧损激光器；2、裂纹敏感性材料镍、镀镍铜、铝、不锈钢、钛合金等这种材料一般需要严格控制热影响区，需要小熔池，选择小芯径激光器更合适。3、高速激光加工深熔焊需要高速激光加工，需要选择高能量密度的激光器，才能在高速下保证线能量足够熔化材料，尤其是叠焊，穿透焊，等对熔深要求较高的选择小芯径激光器更合适。图片
3.7 大芯径激光器优势及应用（>100um）大芯径大光斑，热量覆盖面积大、作用面广，且只是实现材料表面微熔，非常适合在激光熔覆、激光重熔、激光退火、激光硬化等方面展开应用。在这些领域，大光斑意味着更高的生产效率、更低的缺陷（热导焊几乎没有缺陷）。在焊接上，大光斑主要用来做复合焊，用于与小芯径激光复合：大光斑使得材料表面微熔，由固体转化为液体，使得材料对激光的吸收率大幅提升，再用小芯径打出匙孔，打出熔深，在这个过程中由于大光斑的预热，后处理，以及给到熔池较大的温度梯度，使得材料不易出现由于快热快冷所导致的裂纹缺陷，还能使得焊缝外观更为平滑，同时相较于单激光的方案实现更低的飞溅。图片
四、不同复合热源对比
4.1 光纤半导体复合焊将波长915nm的半导体激光束与1070nm的光纤激光束复合在同一个焊接头里面，两束激光同轴分布且两束激光的焦平面可以灵活调节，使产品焊后既具备半导体激光器焊接效果的光亮，又具备光纤激光器焊接的深度。半导体常采用400um以上的大光斑、主要是负责材料预热，使得材料表面熔化，增加材料对光纤激光的吸收率（材料对激光的吸收率随温度增高而增大）图片
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大族焊接光源有一款复合焊：传统的以联赢为代表的的复合焊是通过外光路复合，即在焊接头进行复合，采用复合头，镜片模组使得两束光源整合，采用两根光纤输出；大族开发的光纤半导体复合焊是在内光路，光纤熔接进行复合，通过在激光器内部，将两个光源模块的输出光纤复合，采用二合一复合光纤进行传输，整个设备和IPG AMB类似，避免了外光路的复杂结构以及维护成本，更方便现场使用。
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4.2 环形激光环形激光：由两个光纤激光模块发射激光，通过一根复合光纤（环形光纤套圆柱光纤）进行传输作用到材料表面。环形光斑两束激光：外环负责扩大匙孔开口，熔化材料，内环激光负责熔深，能够实现超低飞溅焊接。内外环激光功率芯径可自由搭配，芯径可自由搭配，工艺窗口相比单激光束更加灵活。图片
4.3 复合/环形性能对比图片
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4.4 复合/环形效果对比图片
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4.5 红蓝复合焊
相关链接：铜的激光焊接之——铜的焊接难点、铜合金焊接飞溅分析、铜合金焊接技术路线
铜对蓝光激光的吸收率在47%以上，当前蓝光最高功率可以做到8KW，芯径在600um作用，主要用于热导焊，以及高反材料的熔覆；蓝光激光吸收率高，但是属于直接半导体激光器，光束质量较差，芯径最小能做到400um，而绿光和红光都可做到20um作用，所以蓝光主要用于热导焊，适用于1mm以内的铜合金连接；蓝光由于芯径较大，一般较难采用振镜进行搭配焊接，主要与准直焊接头配合；蓝光热影响区较大（光斑大），对于微连接不如绿光以及可调环模激光有优势。图片
红蓝复合激光焊接，通过外光路焊接头把光纤激光与蓝光进行耦合，可有多种热源搭配模型，这种方式同时结合了铜合金对蓝光的高吸收率，快速实现对材料的加热熔化，再结合光纤激光的高能量密度与高穿透能力，以及熔化状态的铜合金对光纤激光的更高的吸收率，实现热导焊与深熔焊的结合，达到稳定焊接过程，降低飞溅，改善焊缝外观的目的；能够实现对3mm以内的铜合金稳定加工。图片
4.5 激光电弧复合焊
相关链接：现代激光焊接技术专题——激光电弧复合焊篇
激光－电弧复合焊接工艺是由不同形式的激光热源，如光纤、碟片、 CO2、YAG 激光等和不同类型的电弧热源，如 TIG、MIG/MAG、PAW 等通过旁轴或同轴方式相结合，共同作用于工件同一位置实现金属材料连接的焊接过程。 激光电弧复合热源，可以改变功率密度在时间和空间上的分布，改善热影响区的温度分布，减少或消除等离子体，提高工件对激光的吸收率，增大焊接熔深，改善焊缝和热影响区的冷却条件，降低气孔、裂纹等缺陷。图片
同电弧相比，激光－电弧复合焊接具有以下优点：1) 更大的焊接熔深；2) 更高的工艺稳定性；3) 更容易控制焊缝成形和接头性能；4）更小的变形；同单一激光焊接相比，激光－电弧复合焊接具有以下优点：1) 更强的接头间隙桥接能力；2) 可填充焊接材料，调整焊缝成分，改善焊缝组织和性能（激光－熔化极电弧复合焊接）；3) 更强的高反射率金属焊接能力。图片
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五、QCW与CW对比
5.1 定义CW，全称为“Continuous Wave”，译为连续波激光器，特指那些在操作过程中能够提供不间断激光输出的设备。这种激光器的特点是能持续发射激光，直至操作结束。与其他激光类型相比，连续激光器以其较低的峰值功率和较高的平均功率而著称。由于其连续输出的特性，广泛应用于金属切割、铜铝焊接等领域，成为最常见且应用范围最广的激光类型之一。其能够提供持续而稳定的能量输出，使其在精密加工和大规模生产中都显得尤为重要。在进行连续激光器的工艺调试时，主要关注几个关键参数，包括功率波形、离焦量、光斑的芯径以及加工速度。这些参数的精确调整对于实现最佳加工效果至关重要，能够确保激光加工过程的高效率和高质量。图片
连续激光就是可以持续不间断出光的激光器，统称连续激光，一般常见的金属切割、铜铝的焊接都是连续激光，应用最为广泛。连续激光器工艺调试主要的参数有：功率波形、离焦量、芯径光斑、速度。5.2 连续激光器能量分布特性
连续（CW）激光器的一个显著特点是其能量分布的高斯模式，即激光束截面的能量分布呈现出中心最高、向外逐渐降低的高斯（正态分布）形态。这种分布特性使得CW激光器在进行精密加工时能够实现极高的聚焦精度和加工效果，特别是在需要高度集中能量的应用场景中。
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5.3 QCW准连续激光器QCW准连续激光器（Quasi-Continuous Wave）也叫长脉冲激光器，产生ms量级的脉冲，占空比为10%。这使得脉冲光具有比连续光高十倍以上的峰值功率，根据脉宽可将重复频率调制达500Hz。
QCW准连续激光器主要应用了一种类似调Q的技术，调Q是一种获得高能量短脉冲的有效方法，它是将一般输出的连续激光压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率提升几个数量级的一种技术。
在调Q过程中，增益介质在存储到足够多的能量之前，整个激光器谐振腔保持较高的腔损耗，此时激光器由于阈值太高，不能产生激光震荡，使得上能级粒子数可以大量积累，当积累到饱和值时，腔损耗迅速降低至一个很小的值，于是在短时间内大部分上能级粒子储存的能量转变为激光能量，在输出端产生一个强的激光脉冲输出。
打个比方：类似圆鼓鼓的气球直接放开气嘴，缓慢持续放气叫连续激光，调Q则是把气球加压一下挤爆瞬间放气，连续和QCW大致就是这个情况。
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5.4 CW激光焊接的显著优势分析1、金属结构的视角当我们深入观察金属的微观结构，CW（连续波）激光焊接显示出其独特优势。与QCW（准连续波）脉冲焊接相比，后者在金属结构拼接中受到频率限制，通常不超过500Hz，并且在重叠率和焊接深度之间存在一个权衡。低重叠率导致焊接不够深入，而高重叠率则限制了焊接速度，降低了效率。相反，通过选用合适的激光核心直径和焊接头，CW激光焊接能够实现高效且连续的焊接过程，特别是在需要高密封性的应用场景中，连续波激光焊接更显可靠。
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2、热影响的考量从热影响的角度来看，QCW脉冲激光焊接中的重叠问题会导致焊缝区域的重复加热，这可能会引起金属结构和母材之间的不一致性，包括不同的大小位错和冷却速率，从而增加裂纹的风险。而CW激光焊接避免了这种问题，提供了更加均匀和连续的加热过程。
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3、调试的简易性在操作和调试方面，QCW激光焊接需要精细调整多个参数，包括脉冲频率、峰值功率、脉冲宽度、占空比等，而CW激光焊接的调试过程相对简单得多，主要关注波形、速度、功率和离焦量，大大降低了操作难度。
虽然QCW激光焊接以其高峰值功率和低热输入著称，对于热敏元件和极薄壁材料的焊接特别有利，但CW激光焊接技术的进步，尤其是在高功率应用（通常超过500瓦）和基于匙孔效应的深熔焊方面，已经显著提高了其应用范围和效率。这种激光器特别适合焊接厚度超过1mm的材料，能够实现高深宽比（超过8:1），尽管热输入相对较大。
5.5 准连续（QCW）激光焊接的核心优势分析1、能量分布的集中QCW，即“准连续波”激光器，其工作方式表现为激光以间断形式发射，不同于单模连续激光的均匀能量分布。QCW激光器的能量分布更为集中，这意味着其拥有更高的能量密度，从而实现更强的穿透能力。在金属学上，这种能量分布能形成深宽比较大的“钉子”形状熔池，使得QCW激光在处理高反射合金、热敏感材料和微连接方面具有显著优势。
2、稳定性增强与羽辉干扰减少QCW激光焊接的一个显著优势是其能够避免金属羽辉对材料吸光率的影响，使得焊接过程更加稳定。在激光与材料相互作用过程中，激烈的蒸发会在熔池上方形成金属蒸气和等离子体的混合气体，即金属羽辉，这些羽辉可能阻挡激光达到材料表面，导致激光功率不稳定，进而产生飞溅、炸点、凹坑等缺陷。QCW的间歇性出光方式（例如，发光5ms，间歇10ms）确保每次激光照射材料表面时不受金属羽辉的影响，焊接过程相对更稳定，尤其适用于薄板材料的焊接。
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3、熔池稳定性熔池的稳定性，特别是其受力情况，对焊接质量至关重要。与连续激光相比，由于作用时间长、热传导面积大，连续激光产生的熔池面积较大，液态金属多，容易引起熔池相关的各种缺陷，如气孔、裂纹、飞溅等。而QCW激光焊接由于能量更集中且作用时间短，熔池主要集中在匙孔周围，受力更均匀，相对而言，气孔、裂纹、飞溅的发生率更低。
4、热影响区域小连续激光持续作用于材料上，导致热量不断传导至材料深处，薄材料容易发生热变形和内应力导致的裂纹等缺陷。相比之下，QCW激光的间歇性作用给予材料充分的冷却时间，因此在热影响区和热输入方面更小，更适合加工薄材料及靠近热敏元件的材料。
5、峰值功率高在相同平均功率下，QCW激光能实现更高的峰值功率和更高的能量密度，从而实现更大的熔深和更强的穿透力。
这在铜合金、铝合金薄板焊接方面尤其有优势。相同平均功率的连续激光因能量密度较低，可能无法在材料表面形成焊点，而过高功率的连续激光在实现材料熔化后吸收率会急剧增加，热输入突然增大，导致熔深和热输入不受控，在薄板焊接中无法使用，可能导致无法形成焊接或者穿透材料，无法满足工艺要求。
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5.6 CW和QCW激光器焊接效果对比图片
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同样的峰值功率，QCW pulse穿透能力更强，因为QCW的脉宽更宽，综合热输入更大，容易出现匙孔使得激光能量向材料更深处传递，焊缝熔深更大，穿透能力更强， 更高的峰值功率使得QCW在脉冲模式下能够对高反合金进行焊接，这一点CW调制比较困难，因为峰值功率不够，且脉宽较小。
QCW金相：QCW相比CW 调制最大的优势就是搭配小芯径，能够有极大深宽比，适合打孔、叠焊。
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如下图所示，研究发现同样的平均功率，加了1KHz调制之后，熔深明显变浅，调制能降低热输入。在调制模式下, 随着占空比增大，焊接熔宽，熔深逐渐增加，当占空比≤ 50%时，焊接过程主要为热导焊模式， 熔宽变化趋势大于熔深变化趋势；当占空比＞50%时,焊接模式开始从热导焊转变为深熔 焊，此时焊缝熔深明显增加，而熔宽增大趋势较小。频率越大，焊缝熔宽，熔深越接近于等效功率 CW 模式下的熔宽、熔深。当占空比为 20%，频率为 0.1 kHz 时，出光间隔时间过长，热量损失较大，相比在 CW 模式同等热输入下，熔深明显较浅；当占空比为 80%时,调制频率对焊接熔深，熔宽基本无影响。在相同热输入的情况下，CW 模式与CW调制焊缝显微硬度大小并无明显区别，但CW模式从焊缝区过渡至母材的宽度明显大于CW调制模式，由此可知CW调制模式的热影响区要小于 CW 模式, 采用CW调制模式能够减小焊缝的热影响区，抑制焊接变形。
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5.7 QCW与CW对比汇总
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脉冲激光总结：两大优势高峰值功率、低热输入
高峰值功率：由于脉冲开始时传递的大量能量，脉冲激光焊接往往适用于反射金属。通常称为“增强型脉冲”，脉冲周期开始时的这种功率尖峰仅持续总脉冲持续时间的一小部分。然而，它的功率足以突破材料的反射率，同时保持较低的平均功率，从而减少热量。CW 激光器必须提供大量能量来耦合反射性很强的金属，由此产生的热量很容易损坏其中的零件或组件。
低热输入：脉冲激光焊接的最大优点是工件整体温升小，热影响范围小，工件变形小；由于脉冲持续时间短（通常为几毫秒），进入零件的热量被最小化，因此建议在热敏元件和极薄壁材料周围使用脉冲激光焊接。
连续波激光焊接多为功率在500瓦以上的大功率激光器。一般来说，这种激光器应该用于1mm以上的板材。其焊接机理为基于针孔效应的深熔焊，纵横比大，可达5:1以上，焊接速度快，热变形小。
5.8 调制方法常见的光纤激光器的说明书都有一个Operation Mode（操作模式）选项，有两种模式可选：CW和Modulated ；CW就是连续出光，一般都是用的这个，那modulated是怎么回事呢？一般翻译为调制模式，是一种类似高频脉冲的模式，那这个modulated和QCW pulse 又有什么区别呢？什么时候用 CW modulated ，什么时候用QCW Pulse呢？
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5.9 CW modulated原理
CW modulated（后续简称 CW调制）：通过改变信号输入（ 驱动电流 ），或通过在光产生后改变连续波输出。在激光调制中，主要是使用函数发生器来创建调制信号，并使用激光二极管驱动器将该信号应用于激光器的驱动电流，一般是类似正弦的连续调制信号。电光调制 (EOM)、声光调制 (AOM) 和电吸收调制 (EAM) 等调制可用于通过电场或声波操纵激光输出。
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QCW的平均功率不变，峰值功率会随着脉冲频率、脉宽的变化而变化。QCW激光脉冲峰值功率可以达到平均功率的5-10倍。CW调制时，激光功率只能达到设定的最大输出功率，无论激光器在开关状态之间调制的频率和占空比如何变化。图片
脉冲波形区别：QCW pulse 波形可以任意编辑，CW调制不可编辑波形；频率区别：QCW一般不超过500Hz，CW调制一般几百Hz~50KHz。图片
5.10 CW 与QCW调制应用对比
1、CW
CW调制主要是两个常用的场景，一个是3C的薄钢板、镍片、铝铜片等超薄板微连接；因为这些工件往往在0.1mm左右，甚至更薄，QCW的峰值功率太高，能量过于集中，窗口较小，非常容易击穿，良率低，此时CW调制因为峰值功率和平均功率一致，热输入更小，功率密度较大，不容易击穿，变形小，比较适合此类薄板连接，同时有占空比、频率功率可调，窗口更大，使用更灵活，兼容性较好。
另外就是1mm以上的较厚材料的连接，QCW占空比没有优势，和CW调制相比，因为需要散热冷却，必须要那么长时间，属于冷加工，调制可以更快。在焊接非高反材料时，CW调制的效率是QCW的10倍左右。
同时有研究证明：在铜合金的焊接中匙孔开口闭合是导致飞溅发生的主要原因之一，当匙孔内的功率密度过低，无法保持蒸发压力以保持锁孔打开时，就会发生匙孔坍塌闭合，产生飞溅。CW调制可以影响熔体池的加热、焊接和冷却阶段的时间行为，以避免过热和优化凝固过程，降低飞溅发生率，并扩大工艺窗口。
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2、QCW
加工能力：激光脉冲的峰值功率与克服焊缝表面的反射率进而熔化母材形成焊缝的能力息息相关。由于QCW脉冲激光器具有一个更高数量级的峰值功率，这种与材料相互作用耦合的能力大大增强。这一独特的特性现在使得QCW激光器在低功率激光焊接领域有更强大的加工能力，因为同样的平均功率，其他技术峰值功率都比不上QCW激光器。
可操作性：QCW可以设置适合任何特定应用的最佳时间脉冲波形（高反材料），还可以通过定制的重复频率来预先设置所需的脉冲工艺参数。在处理复杂部件（如尖角和窄孔）或高反射和敏感材料时，可以完全控制脉冲持续时间、占空比、频率、脉冲能量和平均功率，针对不同应用场景进行参数匹配；尤其是在抑制裂纹、飞溅上有不错的表现。
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六、不同扫描轨迹对比6.1 激光摆动焊接传统的焊接方法相比，激光焊接具有以下优点：高能密度：激光束具有很高的能量密度，可以快速加热和熔化材料，从而实现高速、高效的焊接。熔深小、变形小：由于激光焊接的加热区域非常小，因此熔深小，同时由于焊接速度快，热影响区也很小，因此变形小。焊缝质量高：激光焊接的焊缝形态好、尺寸稳定，缺陷少，可以实现高精度的焊接。但激光高能束加工也有缺陷。激光摆动焊接定义和特点：又被称作激光扫描填充焊接，通过控制系统对摆动模式、频率以及幅度进行调控，实现对激光摆动路径的规划控制。其主要特点为效率高、柔性大、焦距长、扫描范围大、光束偏移运动灵活等，不仅能实现小幅面的任意运动，搭配运动机构的飞行振镜焊接，加工幅面和效率更能成倍提高，应用潜力巨大。图片
摆动激光焊接的实现原理：主要通过焊接头实现，当前有两种焊接头，一种是振镜，振镜又分为2D和3D振镜，2D可以实现激光在二维任意轨迹控制，3D振镜可以实现激光在XYZ，除了左右平面移动，还能在高度上进行调节。
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摆动焊接头：该系统主要由扫描模块（电机、镜片）、准直聚焦模块、及控制系统（运控板卡）构成。激光束入射到扫描振镜的两个反射镜上，两个反射镜通过两个高灵敏度的伺服电机控制摆动，使光束可沿 X、Y 轴方向进行运动。摆动头主要是可以填丝、加保护气直吹，这块比较有优势，在摆动频率和速度上差振镜一点。
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振镜焊接头：光束从QBH进入准直模块，转变为平行光束，再经过聚焦模块进行聚焦，以纠正激光束在聚焦平面上的枕形畸变，保证光束在同一焦平面内的精准移动。振镜焊接以光束的聚焦方式为标准可分为两种，一是聚焦镜在扫描振镜之前的动态聚焦式，二是经振镜系统偏转后被聚焦的 f-θ 镜聚焦式。两种方式的不同是动态聚焦式比 f-θ镜聚焦式的工作范围更大，适宜于扫描范围更大的场景。目前可实现的摆动路径包括正弦摆动路径，圆形摆动路径，8 字形摆动路径以及∞形摆动路径等图片
6.2 激光摆动焊接—特殊应用增加有效熔宽在一些导电连接工件上，需要扩大过流面积，也需要扩大金相连接面，也需要对摆动激光焊接，使金相连接面变成“U”；
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异种材料、铝硅涂层等材料有些需要搅拌熔池防止元素偏析，也需要激光摆动降低缺陷。叠焊的时候希望下层有效熔宽能够更宽，此时就需要用摆动焊接，增加有效熔宽，提高连接强度；
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6.3 激光摆动焊接—改善外观针对薄板焊接，成形过程易出现咬边及背部下塌缺陷，对于要求成形美观和高密封性的构件，需要增添打磨或者密封工位；
对于高反材料：由于材料固有特点，即表面张力小、粘度较低，在激光作用的小熔池范围内不能够得到充分流动以及铺展，且由于常规激光能量作用集中，在熔池内部分布不均匀，极易使焊缝形成咬边、下凹等缺陷，当焊缝一旦焊透，就会由于表面张力小而形成背塌陷。
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外观缺陷主要是由于温度梯度过大，即熔池太小，导致熔池到熔池边缘固态材料位置温差太大，加上单激光不摆动焊接熔池波动剧烈，导致熔池在波动到边缘迅速降温，导致外观粗糙，凹凸不平，甚至有咬边，所以激光摆动扩大熔池能够有效改善焊缝外观，降低咬边，焊瘤等缺陷。
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6.4 降低气孔缺陷在焊接过程中气孔抑制的核心就是想办法让气泡能够及时逸出熔池，这时必要的摆动激光能够实现搅拌熔池，加快气孔上浮速度，同时匙孔也能击穿气孔促进气泡气体逸出，从而抑制气孔产生。
气孔主要分为冶金气孔和工艺气孔；冶金气孔主要是材料本身的特性所致，比如氢气孔、金属元素烧蚀；工艺气孔主要是：1、表面污染（油污、水渍）；2、匙孔不稳定所致的小孔型气孔；
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6.5降低裂纹缺陷裂纹定义：在焊接过程中，在应力作用下，焊接接头中局部地区（中间居多）的金属原子结合力遭到破坏（凝固速度不一致，导致体积减小产生拉应力）而形成的新界面所产生的缝隙被称为裂纹。
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裂纹的主要解决方案：就是减缓凝固速率，让熔池缓慢冷却，让液态金属有时间去填满内部由于热胀冷缩所导致的孔隙，避免孔隙成长为裂纹，影响焊接性能，摆动可以有效的实现焊缝尾部重熔，搅动熔池，扩大熔池面积，抑制裂纹出现。
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6.6降低飞溅缺陷飞溅产生原因：
主要是匙孔内金属蒸汽在向上喷发的过程中给到熔池一个向上的剪切力，把液滴从熔池中带出，形成飞溅；
如何解决飞溅：
解决飞溅的核心就在于降低匙孔深度波动，降低剪切力，同时扩大匙孔开口是的金属蒸汽无法直接作用于液态熔池，同时稳定熔池波动，使得液态金属不会出现在匙孔正上方直接受到金属蒸汽作用，从而降低飞溅发生率。摆动焊接的高速摆动可以扩大匙孔开口，稳定匙孔体积不剧烈波动，同时扩大熔池，使得熔池平缓，扩大温度梯度，有效避免了飞溅发生。
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6.7 热输入分析
激光摆动焊接究其核心主要是影响激光的热输入和熔池匙孔动态行为，热输入可以从线能量角度去分析对比，熔池匙孔动态行为可以通过高速摄影去观察过程搭配数值模拟仿真去分析，另外也可从外观去分析熔池动态行为的影响，最后考虑到很多摆动还主要想解决气孔问题，也简单对比各种摆动填充轨迹对气孔和金相的影响。宏观的热输入就是激光功率，再微观一点，考虑时间，就是线能量（P(功率)/V（速度）），摆动由于不能简单用焊缝长度去计算线能量，因为不同的轨迹运动的轨迹长度不一样，所以需要把焊缝轨迹的长度计算一下。图片
为什么要用轨迹瞬态线能量去描述？因为设置的运动位移（焊接长度）是L0，但实际上激光走过的路程远远不止，且不同的振幅、频率、轨迹激光运动路径长度是不一样的，所以为了更准确去评估能量分布的情况，选择根据真实的路径来算线能量，〖E 〗_path=(P（功率） )/(L (真实轨迹))，其表示沿一定时间内激光扫描轨迹总长度分布的线能量均值，反映了扫描轨迹的极大拓展对能量分布的均匀作用以及对熔池的搅拌效应，E_path线能量越小，说明速度快，激光运动路径长，说明振幅比较大，频率比较高，间距比较小，均匀作用及搅拌效应越强，熔深越浅，这个计算得出的规律可以辅助工艺判断要控制熔深，何种填充比较合适，有时熔深不足，切换填充轨迹。用300um，30KW光纤激光器做的实验结论：在同样的间距，综合速度，功率，摆动频率一致的情况下：不同的摆动轨迹金相如图所示：常规激光焊接的焊缝，熔宽较窄呈现典型的束腰状，相同的总能量输入下已经完全熔透，并出现下塌现象，即过量的熔融液态金属的表面张力无法承载其重力而沿背部塌落，而激光摆动焊接均可以显著拓宽焊缝的熔宽，降低了焊缝熔深，有效改善下塌问题。改变摆动模式，焊缝横截面呈现巨大差异，尤其体现在熔深方面，圆形摆动焊缝的熔深相对最浅，而正弦、8 形和∞形焊缝已处于熔透临界状态。由此说明，激光摆动与常规激光焊接的能量分布存在巨大差异，而圆形摆动与其他模式的能量分布特征也存在明显不同，从而影响熔池的传热行为以及焊缝形貌。图片
6.8 线能量对比[1].陈琳. 铝合金薄板激光摆动搭接焊缝成形机理及其熔池行为研究[D].华中科技大学,2022.
激光摆动焊接均匀能量分布的本质是：光束摆动大幅延展了激光轨迹的长度，从而使激光平均扫描速度大幅提升，使激光沿扫描路径平均分布的线能量以及各处的停留时间均降低，使能量的集中度下降，从而有效均匀能量分布，扩大热作用面积，扩大熔池，降低温度梯度。 同样的（功率）热输入下，螺旋线扫描填充激光运动速度最快，线能量密度最低，能量分布更为均匀，因此具有最优的激光能量分布均匀效果。反映到焊接金相上，同样的频率选择螺旋线，熔深可能会浅一点，且均匀，熔池波动相对稳定，其他图形可能会带一点尖，会有凸出部。图片
常规激光焊接焊缝的能量峰值沿焊缝中心线分布，能量作用区域集中且面积较小，其能量峰值比激光摆动条件下高出 3 倍左右。而激光摆动则显著增大了激光能量作用的范围，使能量分布从一个集中波峰转变为多个波峰，且大幅降低了局部高密度激光能量热累积，其中 CW，CCW 和 正弦 模式下波峰分布于熔池两侧，而波谷则分布于焊缝中心线。对比能量密度分布可知，圆形摆动模式下能量分布相对更加均匀，即波峰波谷之间能量密度差值较小，而正弦模式下能量主要集中于熔池两侧，波峰波谷能量密度的差异较大，正弦的金相容易有牙齿型带个尖。这是在300um芯径激光器的实验结果，精密加工行业很多用50以内的小芯径去做摆动，规律还会有点差异，小芯径的能量更集中，金相表现会更突出。图片
6.8.1尖牙分析正弦线摆动的热量输入计算方法：在单振荡周期内不同光束振荡频率下熔池边缘和中心位置的激光能量。(a)熔池边缘和中心位置的能量的统计范围；(b)在边缘和中心位置输入的激光能量的比较。Q1、Q2分别为焊缝梁边缘和中心位置的能量输入。这个就很清晰可以看出，正弦摆动焊接，激光在熔池边缘停留的时间更长，这还是考虑到轨迹摆动速度一致的情况下，有些控制软件在正弦顶端还存在减速刹车的情况，会导致激光在边缘停留时间相比焊缝正中更长，由此是的焊缝边缘的热输入更高，就会出现金相剖面，熔深边缘更深，中间浅的情况，如图金相图所示，增加频率和减小振幅可以降低边缘和焊缝中心的热输入差值，使得金相呈“U”型圆润过渡。图片
这个金相来看，螺旋线表现最好，比较容易调试，正弦和弓字填充最容易出现边缘热累积。不过最终效果需要看看具体的轨迹判断一下热量累积情况，进行频率、间距、振幅的调试。图片
6.9 不同摆动轨迹外观对比可以看出，圆形摆动模式下，焊缝上表面光滑平整，无飞溅，鱼鳞纹排布细密，而其他摆动模式条件下，焊缝上表面的平整度和光滑度均降低，并出现飞溅。常规激光焊缝的上表面则具有明显可见的咬边和飞溅等缺陷。激光摆动焊接凝固后的熔池面积远大于常规激光焊缝，螺旋线模式凝固后熔池形貌为近椭圆形，熔池尾部呈圆弧状，因此焊缝的鱼鳞纹也呈圆弧状排布，而其他模式熔池尾部具有尖锐的弧度（熔池拖尾较长，摆动效果欠佳）。当摆动幅度一致时，采用圆形摆动激光焊接时获得的熔池表面尺寸最大，常规激光焊接熔池表面尺寸较小，熔池后部有拖尾，匙孔半径也较小，易产生闭合；垂直摆动激光焊的熔池上表面接近椭圆形，匙孔尺寸增大，匙孔更加稳定；圆形摆动激光焊接的熔池表面尺寸进一步增大，形状接近圆形，最有利于熔池和匙孔开口的稳定性。图片
6.10 不同摆动轨迹匙孔动态行为对比纯激光焊接的熔池波动是非常剧烈的，因为熔池体积较小，深宽比较大，熔池流速梯度大，匙孔中心的液体流动速度是边缘的好4-6倍，加上温度梯度大，熔池在很小的区域高低温碰撞，急速冷却，所以熔池波动剧烈，匙孔开闭周期短，频率高，过程极不稳定。图片
正弦和“弓”、“Z”型填充都涉及激光高速转向，急停回转，速度矢量变化大，且熔池范围在横向拓展，呈椭圆形，长边与焊接方向垂直，由于激光的摆动使得熔池后方的拖尾消失，熔池整体趋于稳定，但是熔池边缘形状随时间变化仍有较大波动，边缘表面粗糙度会较大，且部分伴随咬边缺陷，使得熔池稳定性降低，但优于不摆动激光焊接。图片
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随激光束沿螺旋线路径移动，熔池上表面近似圆形，并且边界平滑，随焊接过程进行，熔池整体向前移动，由于螺旋线轨迹激光运动轨迹最长，线能量最低，匙孔深度也最小，匙孔开口最大，整体液体流速最低，熔池形状波动极小，相对于其他摆动轨迹，螺旋线摆动的激光焊接熔池更加稳定。此外，熔池中匙孔在既定路径上移动的过程中形状波动也较小，未见匙孔上方的闭合趋势，在螺旋线摆动路径移动的激光焊接中，匙孔移动前方的温度梯度较小，相当与匙孔前方的区域经过预热，有利于匙孔和熔池的稳定性。
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6.11 不同摆动轨迹气孔率对比相比不摆，摆动焊接激光运动速度更快，扩大了匙孔开口，降低了由于匙孔坍塌导致的小孔型气孔形成机率，同时还能起到搅拌熔池的作用，促进气孔逸出熔池。螺旋线摆动：熔池最为稳定，熔池面积最大，较大的熔池尺寸有利于降低熔池凝固速度，所以相比公知型填充、正弦摆动、8字型摆动，螺旋线的气孔抑制效果最佳。无穷型（∞）摆动：摆动的气孔抑制效果比螺旋线更好。发现无穷远（∞）的摆动轨迹的小孔型气孔引起的孔隙率降低到2.5%以下。这主要是其他都是搅拌熔池，且必须保证一定的间距，不然会出现未熔合的间隙；但是无穷型（∞）摆动不禁可以搅拌熔池，还能再往焊接反方向去重熔熔池尾部金属，相当于金属被熔化多次，这时即便是搅拌熔池有气孔未来得及逸出，无穷型（∞）摆动的尾部重熔也会把漏网之鱼的气孔再次揪出，由此进一步降低孔隙率。无穷型（∞）气孔抑制效果最佳，其次螺旋线，其他轨迹并没有给熔池太多全局摆动改善。图片
随着摆动频率的增大，激光的扫描路径被大大延长，激光的平均扫描速度增大，导致激光轨迹瞬态线能量大幅下降，然而光束路径的叠加程度也随之增大，因此，不同频率下综合峰值能量密度相差无几，这说明仅改变频率对焊缝热输入影响较小，但对线能量影响较大，线能量下降导致熔深降低，可能会出现深熔焊向热导焊过渡的情况，稳定是越稳定了，外观成形也变光滑，就是熔深会下降。
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