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按激光工作物质不同，激光焊接设备分为固体和气体激光焊设备；按激光器工作方式不同，分为连续激光焊设备和脉冲激光焊设备。无论哪一种激光焊设备，基本组成大致相似。完整的激光焊接设备由激光器、光束传输和聚焦系统、焊炬、工作台、电源及控制装置、气源、水源、操作盘、数控装置等组成。
①激光器 是激光设备的核心部分，焊接用激光器的特点见表2.3。其中CO 2 气体激光器按照气冷方式分为封闭式、低速轴流式、高速轴流式和横流式。不同CO 2 激光器的性能特征见表2.4。
表2.3 焊接用激光器的特点
表2.4 不同CO 2 激光器的性能特征
②光束传输和聚焦系统 又称为外部光学系统，用来把激光束传输并聚焦在工件上，其端部安装提供保护或辅助气流的焊炬。
③气源 目前的CO 2 激光器大多采用He、N 2 、CO 2 混合气体作为工作介质，其配比为60%∶33%∶7%。He气价格昂贵，因此高速轴流型CO 2 激光器运行成本较高，选用时应考虑其成本。
④电源 为保证激光器稳定运行，均采用响应快、恒稳性高的固态电子控制电源。
⑤工作台 伺服电机驱动的工作台可供安放工件实现焊接。
⑥控制系统 多采用数控系统。
表2.5列出了部分国产激光焊设备的主要技术参数。选购激光焊设备时，应根据焊件尺寸、形状、材质和设备的特点、技术指标、适用范围以及经济效益等综合考虑。
表2.5 部分国产激光焊设备的主要技术参数
微型件、精密件的焊接可选用小功率焊机，中厚件的焊接应选用功率较大的焊机。点焊可选用脉冲激光焊机，要获得连续焊缝则应选用连续激光焊机或高频脉冲连续激光焊机。此外，还应注意激光焊机是否具有监控保护等功能。小功率脉冲激光焊机适合于直径0.5mm以下金属丝与丝、丝与板（或薄膜）之间的点焊，特别是微米级细丝、箔膜的点焊。连续激光焊机特别是高功率连续激光焊机大多是CO 2 激光焊机，可用于形成连续焊缝以及厚板的深熔焊。
脉冲激光焊类似于点焊，其加热斑点很小，约为微米级，每个激光脉冲在金属上形成一个焊点。主要用于微型、精密元件和微电子元件的焊接，它是以点焊或由点焊点搭接成的缝焊方式进行的。常用于脉冲激光焊的激光器有红宝石、钕玻璃和YAG等几种。
脉冲激光焊有四个主要焊接参数：脉冲能量、脉冲宽度、功率密度和离焦量。
①脉冲能量和脉冲宽度 脉冲激光焊时，脉冲能量决定加热能量大小，主要影响金属的熔化量。脉冲宽度决定焊接加热时间，影响熔深及热影响区的大小。图2.2示出脉冲宽度对熔深的影响。脉冲加宽，熔深逐渐增加，当脉冲宽度超过某一临界值时，熔深反而下降。脉冲能量一定时，对于不同的材料，各存在一个最佳脉冲宽度，此时焊接熔深最大。钢的最佳脉冲宽度为（5～8）×10 -3 s。
图2.2 脉冲宽度对熔深的影响
脉冲能量主要取决于材料的热物理性能，特别是热导率和熔点。导热性好、熔点低的金属易获得较大的熔深。脉冲能量和脉冲宽度在焊接时有一定的关系，随着材料厚度与性质的不同而变化。
激光的平均功率 P 由下式确定。
P = E / τ （2.1）
式中 P ——激光功率，W；
E ——激光脉冲能量，J；
τ ——脉冲宽度，s。
为了维持一定的功率，随着脉冲能量的增加，脉冲宽度必须相应增加，才能得到较好的焊接质量。图2.3示出不同厚度材料脉冲激光焊所需的脉冲能量和脉冲宽度。脉冲能量 E 和脉冲宽度 τ 成线性关系，随着焊件厚度的增加，激光功率密度相应增大。
图2.3 不同材料激光焊时脉冲能量和脉冲宽度的关系
②功率密度 P d 激光斑点的功率密度较小时，焊接以传热焊的方式进行，焊点的直径和熔深由热传导决定。当功率密度达到一定值（10 6 W/cm 2 ）后，焊接过程中产生小孔效应，形成深宽比大于1的深熔焊点，这时金属虽有少量蒸发，并不影响焊点的形成。但功率密度过大后，金属蒸发剧烈，导致气化金属过多，形成一个不能被液态金属填满的小孔，难以形成牢固的焊点。
脉冲激光焊时，功率密度 P d 由下式确定。
P d =4 E /π d 2 τ （2.2）
式中 P d ——激光光斑上的功率密度，W/cm 2 ；
E ——激光脉冲能量，J；
d ——光斑直径，cm；
τ ——脉冲宽度，s。
③离焦量 F 离焦量是焊件表面离聚焦激光束最小斑点的距离（也称为入焦量）。激光束通过透镜聚焦后，有一个最小光斑直径，如果焊件表面与之重合，则 F =0；如果焊件表面在它下面，则 F >0，称为正离焦量，反之则 F <0，称为负离焦量。改变离焦量，可以改变激光加热斑点的大小和光束入射状况。焊接较厚板时，采用适当的负离焦量可以获得最大熔深。但离焦量太大会使光斑直径变大，降低光斑上的功率密度，使熔深减小。
脉冲激光焊时通常把反射率低、传热系数大、厚度较小的金属选为上片；细丝与薄膜焊接前可先在丝端熔结直径为丝径2～3倍的球，以增大接触面和便于激光束对准；脉冲激光焊也可用于薄板缝焊，这时焊接速度 v = df （1- K ），式中 d 为焊点直径； f 为脉冲频率； K 为重叠系数，依板厚取0.3～0.9。
表2.6为丝与丝脉冲激光焊的工艺参数及接头性能。不同材料焊件脉冲激光焊的工艺参数示例见表2.7。
表2.6 丝与丝脉冲激光焊的工艺参数及接头性能
表2.7 不同材料焊件脉冲激光焊接的工艺参数示例
不同金属的反射率及熔点、热导率等性能差异，使连续激光焊所需输出功率差异很大，一般为数千瓦至数十千瓦。各种金属连续激光焊所需输出功率的差异，主要是吸收率不同造成的。连续激光焊主要采用CO 2 激光器，焊缝成形主要由激光功率及焊接速度确定。CO 2 激光器因结构简单、输出功率范围大和能量转换率高而被广泛应用于连续激光焊。
①接头形式及装配要求 常见的CO 2 激光焊接头形式见图2.4，较多是对接接头和搭接接头。对接接头和搭接接头的装配尺寸公差要求如图2.5所示。
图2.4 常见的CO 2 激光焊接头形式
图2.5 对接接头和搭接接头装配尺寸公差要求
激光焊对焊件装配质量要求较高。对接焊时，如果接头错边太大，会使入射激光在板角处反射，焊接过程不稳定。薄板焊时，间隙太大，焊后焊缝表面成形不饱满，严重时形成穿孔。搭接焊时，板间间隙过大，易造成上下板间熔合不良。各类激光焊接头的装配要求见表2.8。经验表明，间隙超过板厚的3%，激光自熔焊缝将不饱满。
表2.8 各类激光焊接头的装配要求
激光焊过程中，焊件应夹紧，以防止焊接变形。光斑在垂直于焊接运动方向对焊缝中心的偏离量应小于光斑半径。对于钢铁材料，焊前焊件表面需要进行除锈、脱脂处理，要求较严格时，焊前需要酸洗，然后用乙醚、丙酮或四氯化碳清洗。
激光深熔焊可以进行全位置焊，起焊和收尾的逐渐过渡，可通过调节激光功率的递增和衰减过程以及改变焊接速度来实现，焊接环缝时可实现首尾平滑过渡。利用内反射来增强激光吸收的焊缝能提高焊接过程的效率和熔深。
②填充金属 尽管激光焊适合于自熔焊，但有时仍需加填充金属。加填充金属的优点是能改变焊缝化学成分，从而达到控制焊缝组织、改善接头力学性能的目的。在有些情况下，还能提高焊缝抗结晶裂纹敏感性。填充金属常以焊丝的形式加入，可以是冷态，也可以是热态。深熔焊时，填充金属量不能过大，以免破坏小孔效应。
③工艺参数 连续激光焊的工艺参数包括激光功率、焊接速度、光斑直径、离焦量和保护气体的种类及流量。
a.激光功率 P 激光功率是激光器的输出功率，没有考虑导光和聚焦系统所引起的损失。连续工作的低功率激光器可在薄板上以低速产生有限的传热焊缝。高功率激光器可用小孔法在薄板上以高速产生窄的焊缝，也可用小孔法在中厚板上以低速（但不能低于0.6m/s）产生深宽比大的焊缝。
激光焊熔深与输出功率密切相关。图2.6是不同材料激光焊时激光功率与熔深的关系。对一定的光斑直径，焊接熔深随着激光功率的增加而增大。激光焊的高功率密度及高焊接速度，使激光焊焊缝及热影响区窄，变形小。用10～15kW的激光功率，单道焊缝熔深可达15～20mm。
图2.6 激光功率与不同材料熔深的关系
b.焊接速度 v 在一定激光功率下，提高焊接速度，热输入下降，焊缝熔深减小。适当降低焊接速度可加大熔深，但若焊接速度过低，熔深却不会再增加，反而使熔宽增大。当激光功率和其他参数保持不变时，焊缝熔深随着焊接速度加快而减小。采用不同功率的激光焊，焊接速度与熔深的关系见图2.7。
图2.7 不同激光功率下焊接速度对焊缝熔深的影响
焊接速度对碳钢激光焊熔深的影响以及不同焊接速度下所得到的熔深由图2.8和图2.9示出。
图2.8 激光焊焊接速度对碳钢熔深的影响
图2.9 不同焊接速度下所得到的熔深（ P =8.7kW，板厚12mm）
熔深与激光功率和焊接速度的关系可用下式表示。
h = β P 1 / 2 v - γ （2.3）
式中 h ——焊接熔深，mm；
P ——激光功率，W；
v ——焊接速度，mm/s；
β ， γ ——取决于激光源、聚焦系统和焊接材料的常数。
激光深熔焊时，维持小孔存在的主要动力是金属蒸气的反冲压力。在焊接速度低到一定程度后，热输入增加，熔化金属越来越多，当金属蒸气所产生的反冲压力不足以维持小孔的存在时，小孔不仅不再加深，甚至会崩溃，焊接过程转变为传热焊，熔深不会再加大。随着金属气化的增加，小孔区温度上升，等离子体的浓度增加，对激光的吸收增加。这些原因使得低速焊时激光焊熔深有一个最大值。
c.光斑直径 d 0 根据光的衍射理论，聚焦后最小光斑直径 d 0 可以通过下式计算。
（2.4）
式中 d 0 ——最小光斑直径，mm；
f ——透镜的焦距，mm；
λ ——激光波长，mm；
D ——聚焦前光束直径，mm；
m ——激光振动模的阶数。
对于一定波长的光束， f / D 和 m 值越小，光斑直径越小。焊接时为了获得深熔焊缝，要求激光光斑上的功率密度高。为了进行熔孔型加热，焊接时激光焦点上的功率密度必须大于10 6 W/cm 2 。
提高功率密度的方式有两个：一是提高激光功率 P ，它和功率密度成正比；二是减小光斑直径，功率密度与直径的平方成反比。因此，通过减小光斑直径比增加功率的效果更明显。减小光斑直径 d 0 ，可以使用短焦距透镜和降低激光束横模阶数，低价模聚焦后可以获得更小的光斑。
d.离焦量 F 离焦量不仅影响焊件表面激光光斑大小，而且影响光束的入射方向，对焊接熔深、焊缝宽度和焊缝横截面形状有较大影响。离焦量 F 很大时，熔深很小，属于传热焊；当离焦量 F 减小到某一值后，熔深发生跳跃性增加，此处标志着小孔产生。也就是说，焦距减小到某一值后，熔深突变，即为产生穿透小孔建立了必要的条件。激光深熔焊时，熔深最大时的焦点位置是位于焊件表面下方，此时焊缝成形最好。
e.保护气体 激光焊时采用保护气体有两个作用：一是保护焊缝金属不受有害气体侵袭，防止氧化污染，提高接头的性能；二是影响焊接过程中的等离子体，抑制等离子云的形成。深熔焊时，高功率激光束使金属被加热气化，在熔池上方形成金属蒸气云，在电磁场的作用下发生离解形成等离子体，它对激光束起着阻隔作用，影响激光束被焊件吸收。
为了排除等离子体，通常用高速喷嘴向焊接区喷送惰性气体，迫使等离子体偏移，同时又对熔化金属起到隔绝大气的保护作用。保护气体多用Ar或He。He具有优良保护和抑制等离子体的效果，焊接时熔深较大。若在He里加入少量Ar或O 2 ，可进一步提高熔深。图2.10示出各种气体对激光焊熔深的影响。
图2.10 保护气体对熔深的影响
气体流量对熔深也有一定的影响，熔深随气体流量的增加而增大，但过大的气体流量会造成熔池表面下陷，严重时还会产生烧穿现象。不同气体流量下得到的焊缝熔深如图2.11所示。由该图可见，气体流量大于17.5L/min以后，焊缝熔深不再增加。吹气喷嘴与焊件的距离不同，熔深也不同。图2.12是喷嘴到焊件的距离与焊缝熔深的关系。
图2.11 不同气体流量下的焊缝熔深
图2.12 喷嘴到焊件的距离与焊缝熔深的关系（ P =1.7kW，Ar气保护）
连续CO 2 激光焊的工艺参数示例见表2.9。
表2.9 连续CO 2 激光焊的工艺参数示例
④激光焊工艺参数、熔深及材料热物理性能的关系 激光焊工艺参数（如激光功率、焊接速度等）与熔深、焊缝宽度以及焊接材料性质之间的关系，已有大量的经验数据并建立了它们之间关系的回归方程。
（2.5）
式中， P 为激光功率，kW； v 为焊接速度，mm/s； h 为焊接熔深，mm； a 和 b 为参数； r 为回归系数。
式（2.5）中的参数 a 、 b 和回归系数 r 的取值由表2.10给出。
表2.10 几种材料 a 、 b 、 r 的取值
双光束激光焊主要是解决激光焊对装配精度的适应性及提高焊接过程稳定性，适用于薄板焊接及铝合金的焊接。这种工艺方法不仅有焊接熔深大、速度快、精度高的特点，而且对于单束激光焊难以焊接的材料有很好的适用性。例如，双光束激光焊技术在汽车工业中常用于镀锌钢板的焊接，在不等厚度板焊接和厚大板的焊接中也都有应用。不等厚度板的双光束激光焊示意如图2.13所示。
图2.13 不等厚度板的双光束激光焊示意
双光束激光焊可以将同一种激光采用光学方法分离成两个单独的光束进行焊接，也可以采用两束不同类型的激光进行组合，CO 2 激光、YAG激光和高功率半导体激光相互之间都可以进行组合。
双光束激光焊在焊接过程中同时使用两束激光，光束排布方式、间距、两光束的角度、聚焦位置以及两光束的能量比等是重要的参数。双束激光的排布方式一般有两种：一是沿焊接方向呈串列式排布，可以降低熔池冷却速度，减小焊缝的淬硬倾向和气孔的产生；二是在焊缝两侧并列排布或交叉排布，以提高对接头间隙的适应性。
采用两种不同类型的激光束组成双光束时，有多种组合方式。例如使用一台能量呈高斯分布的高质量CO 2 激光进行主要的焊接工作，再辅以一台能量呈矩形分布的半导体激光进行辅助加热。这种组合比较经济，两光束的功率能独立调节，可以针对不同的接头形式，通过调节CO 2 激光与半导体激光的重叠位置获得可调的温度场，更适合于焊接过程控制。另外，也可将YAG激光与CO 2 激光组合成双光束进行焊接，将连续激光和脉冲激光组合进行焊接，还可以将聚焦光束和散焦光束组合进行焊接。通过改变光束能量、间距或两光束的能量分布，对焊接温度场进行调节，改变熔孔模式与液态金属的流动方式，为激光焊工艺提供了更大范围的选择空间。
激光复合焊接技术是将激光焊与其他焊接方法组合起来的复合焊接技术，优点是能发挥每种焊接方法的优势并克服某些不足，形成一种高效的复合热源。激光复合焊应用较多的是激光-电弧复合焊，主要目的是有效地利用电弧能量，在较小的激光功率条件下获得较大的熔深，同时提高激光焊对接头间隙的适应性，降低激光焊的装配精度，实现高效率、高质量的焊接过程。例如，由于激光焊的价格功率比太大，当对厚板进行深熔、高速焊接时，为了避免使用价格昂贵的大功率激光器，可将小功率的激光器与气体保护焊结合起来进行复合焊接，如激光-TIG和激光-MIG等。
激光-电弧复合热源，一般多采用CO 2 激光器和YAG激光器。根据激光与电弧的相对位置不同，有旁轴复合与同轴复合之分，如图2.14所示。
图2.14 激光-电弧旁轴复合与同轴复合示意
激光与电弧联合应用进行焊接有两种方式。一是沿焊接方向，激光与电弧间距较大，前后串联排布，两者作为独立的热源作用于工件，主要利用电弧热源对焊缝金属进行预热或后热，达到提高激光吸收率、改善焊缝组织性能的目的。二是激光与电弧共同作用于熔池，焊接过程中，激光与电弧之间存在相互作用和能量的耦合。
采用复合热源焊接方法的主要优点如下。
①有效利用激光能量 母材处于固态时对激光的吸收率很低，而熔化后对激光的吸收率可高达50%～100%。采用复合焊接方法时，TIG或MIG电弧先将母材熔化，紧接着用激光照射熔融金属，从而提高母材对激光的吸收率。
②增加熔深 在电弧的作用下，母材熔化形成熔池，而激光束又作用在电弧形成熔池的底部，加之液态金属对激光束的吸收率高，因而复合焊接较单纯激光焊接的熔深大。
③稳定电弧 单独采用TIG或MIG时，焊接电弧有时不稳定，特别是在小电流情况下，当焊接速度提高到一定值时会引起电弧飘移；而采用激光-电弧复合焊接技术时，激光产生的等离子体有助于稳定电弧。
图2.15是激光-MIG电弧复合焊接技术的示意图。由于激光-MIG复合焊接存在送丝与熔滴过渡等问题，绝大多数都是采用旁轴复合方式进行焊接。一些公司专门从事激光-MIG复合热源焊接枪头的设计与制造。由于MIG电弧具有方向性强以及阴极雾化等优势，适合于大厚度板以及铝合金等激光难焊金属的焊接。
图2.15 激光-MIG电弧复合焊接技术示意图
此外，常用到的激光复合焊接技术还有激光-高频焊、激光-压焊等。激光-高频焊是在采用高频焊管的同时，采用激光对熔焊处进行加热，使待焊件在整个焊缝厚度上的加热更均匀，有利于进一步提高焊管的接头质量和生产率。
激光-电弧复合焊接技术可用于厚板和难焊金属的高速焊接、熔覆以及精密工件的点焊等多种应用领域。从能量的角度看，提高焊接效率是复合热源最显著的特点，事实上，复合热源有效利用的能量远远大于两种热源的简单叠加。
①大厚板复合热源深熔焊接 多年来焊接研究者一直在探索利用激光焊接厚板，但是严格的装配要求、焊缝力学性能以及大功率激光器的高成本限制了厚板激光焊的应用。采用激光-电弧复合焊接技术不仅可以进行厚板深熔焊接，而且对焊接坡口制备、光束对中性和接头装配间隙有很好的适应性。激光-电弧复合热源焊接技术成功地应用于大厚板的最大的受益者是造船工业。为了满足海军舰船日益紧迫的建造要求和保证舰船结构焊接质量的稳定性，美国海军连接实验室针对低合金高强钢厚板，在船板的加强筋板焊接过程中对激光-MIG复合热源焊接的效率、组织性能、应力与变形等进行了系统的试验研究。之所以考虑应用复合热源焊接技术，是从以下几方面考虑的。
a.应用激光与电弧复合热源焊接技术，可在舰船结构中实施低合金高强钢关键部件的不预热焊接。
b.增加了焊接速度，放宽了对接头装配间隙的敏感性，降低了焊接应力和变形，提高了焊接质量。
实践表明，舰船结构应用激光-电弧复合焊接技术，单道焊熔深可达15mm，双道焊熔深可达30mm，焊接变形量仅为双丝焊的1/10，焊接厚度6mm的T形接头时，焊接速度可达3m/min，焊接效率大幅度提高。
②铝合金激光-电弧复合热源焊接 激光焊接铝合金存在反射率大、易产生气孔和裂纹、成分变化等问题，激光-电弧复合热源焊接铝合金可以解决这些问题。铝合金液态熔池的反射率低于固态金属，由于电弧的作用，激光束能够直接辐射到液态熔池表面，增大吸收率，提高熔深。采用交流TIG直流反接（DCEP）可在激光焊之前清理氧化膜。同时，电弧形成的较大熔池在激光束前方运动，增大熔池与固态金属之间的润湿性，防止形成咬边。由于电弧的加入，通常不适于焊接铝合金的CO 2 激光器也可胜任。
③搭接接头激光-电弧复合热源焊接 搭接焊缝广泛应用于汽车的框架和底板结构中，随着对汽车质量要求的提高以及对环境保护的紧迫性，目前汽车壳体焊接中很多都采用了镀锌钢板搭接焊和铝材焊接。复合热源焊接技术应用于汽车底板的搭接焊中不仅可以减小焊接部件的变形量，消除下凹或焊接咬边等缺陷，还可以大幅度提高焊接速度。例如，采用10kW的CO 2 激光与MIG电弧复合热源焊接低碳钢板的搭接接头，可实现间隙为0.5～1.5mm的搭接焊，熔深可达底板厚度的40%。采用2.7kW的YAG激光-MIG电弧复合高速焊接的铝合金搭接接头，焊接速度可达8m/min以上。
④激光-电弧复合热源高速焊接 激光高速焊接薄板的主要问题是焊缝成形连续性差，焊道表面易出现隆起等焊接缺陷。采用等离子弧辅助YAG或CO 2 激光进行薄板（厚度0.16mm）复合焊接，可以解决激光高速焊接时的表面成形连续性差的问题，焊接速度比单独激光焊提高约1倍。特别是由于等离子弧与激光之间的相互作用，使得焊接电弧非常稳定，即使焊接速度高达90m/min时电弧也没有出现不稳定的状态，可以获得较宽的焊道和光滑的焊缝表面。
①碳素钢 激光焊加热速度和冷却速度非常快，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。目前对民用船体结构钢A、B、C级的激光焊已趋成熟。试验用钢的厚度范围分别为A级9.5～12.7mm、B级12.7～19.0mm、C级25.4～28.6mm。其成分中碳的质量分数不大于0.25%，Mn为0.6%～1.03%，脱氧程度和钢的纯度从A级到C级递增。焊接时的激光功率为10kW，焊接速度为0.6～1.2m/min，焊缝除20mm以上厚板需双道焊外均为单道焊。船体用A、B、C级钢的焊接接头力学性能很好，均断在母材处，并具有足够的韧性。
例如，板厚为0.4～2.3mm，宽度为500～1280mm的冷轧低碳钢板，用功率1.5kW的CO 2 激光器焊接，最大焊接速度为10m/min，投资成本为闪光对焊的2/3。
镀锡板（俗称马口铁）主要特点是表层有锡和涂料，是制作小型喷雾罐身和食品罐身的常用材料。用高频电阻焊工艺，设备投资成本高，并且电阻焊焊缝是搭接，耗材也多。小型喷雾罐身由厚度0.2mm的镀锡板制成，用1.5kW激光器，焊接速度可达26m/min。厚度0.25mm镀锡板食品罐身，用700W的激光功率，焊接速度为8m/min以上，接头的强度不低于母材，没有脆化倾向，具有良好的韧性。英国某公司用激光焊方法焊接罐头盒纵缝，每秒可焊10条，每条焊缝长120mm，并可对焊接质量进行实时监测。
②低合金高强度钢 低合金高强钢的激光焊，只要所选择的工艺参数适当，就可得到与母材力学性能相当的接头。HY-130钢是一种经过调质处理的低合金高强钢，具有很高的强度。采用常规焊接方法时，焊缝和热影响区组织是粗晶、部分细晶及原始组织的混合体，焊接接头的韧性和抗裂性比母材要差得多，而且焊态下焊缝和热影响区组织对冷裂纹很敏感。
激光焊后，沿着焊缝横向制作拉伸试样，使焊缝金属位于试样中心，拉伸结果表明激光焊的接头强度不低于母材，塑性和韧性比焊条电弧焊和气体保护焊接头好，接近于母材的性能。低合金高强度钢激光焊接头具有高强度、良好的韧性和抗裂性，原因如下。
a.激光焊焊缝细、热影响区窄。焊接裂纹不总是沿着焊缝或热影响区扩展，常常是扩展进母材。冲击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部分是由母材所提供的。
b.从焊接接头的硬度和显微组织的分布看，激光焊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。但是，在硬度较高的区域，对应于细小的组织，高的硬度和细小组织的共生效应使得接头既有高的强度，又有足够的韧性。
c.低合金钢激光焊热影响区的组织主要为低碳马氏体，这是由它的焊接速度快、热输入小造成的。
d.低合金钢激光焊时，焊缝中的有害杂质元素大大减少，产生了净化效应，提高了接头的韧性。
③不锈钢 对Ni-Cr系不锈钢进行激光焊时，材料具有很高的能量吸收率和熔化效率。用CO 2 激光焊焊接奥氏体不锈钢时，在功率为5kW、焊接速度为1m/min、光斑直径为0.6mm的条件下，激光的吸收率为85%，熔化效率为71%。由于焊接速度快，减轻了不锈钢焊接时的过热现象和线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。
不锈钢激光焊的另一个特点是，用小功率CO 2 激光焊焊接不锈钢薄板，可以获得外观成形良好、焊缝平滑美观的接头。不锈钢的激光焊可用于核电站中不锈钢管、核燃料包等的焊接，也可用于石油、化工等其他工业部门。
④硅钢 硅钢片是应用广泛的电磁材料，但采用常规的焊接方法难以进行焊接。目前采用TIG焊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，因而焊后不得不增加一道火焰退火工序，增加了工艺流程的复杂性。
用CO 2 激光焊焊接硅钢片中焊接性最差的Q112B高硅取向变压器钢（板厚0.35mm），获得了满意的结果。硅钢片焊接接头的反复弯曲次数越高，接头的塑、韧性越好。几种焊接方法（TIG焊、光束焊和激光焊）的接头反复弯曲次数的比较表明，激光焊接头最为优良，焊后不经过热处理即可满足生产上对接头韧性的要求。
生产中半成品硅钢片，一般厚度为0.2～0.7mm，幅宽为50～500mm，如采用TIG焊，焊后接头脆性大。用1kW的CO 2 激光焊焊接这类硅钢薄板，焊接速度可达10m/min，焊后接头的性能得到了很大改善。
①铝及其合金的激光焊 铝及铝合金激光焊的主要困难是它对激光束的反射率较高。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，深熔焊必须在小于10%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。而小孔一旦生成，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。
铝及铝合金激光焊时，随温度的升高，氢在铝中的溶解度急剧升高，溶解于其中的氢成为焊缝的缺陷源。铝合金激光焊缝中多存在气孔，深熔焊时根部可能出现空洞，焊道成形较差。为此，必须提高激光的功率密度和焊接速度。
铝及其合金对输入能量强度和焊接参数很敏感，要获得良好的无缺陷焊缝，必须严格选择焊接参数，并对等离子体进行控制。铝合金激光焊时，用8kW的激光功率可焊透厚度12.7mm的材料，焊透率大约为1.5mm/kW。连续激光焊可以对铝及铝合金进行从薄板精密焊到板厚50mm深熔焊的各种焊接。铝及铝合金CO 2 激光焊的工艺参数示例见表2.11。
表2.11 铝及铝合金CO 2 激光焊的工艺参数示例
②钛及其合金的激光焊 钛及钛合金由于具有许多独特的优良性能，如抗拉强度高、耐腐蚀性强及高比强度和比刚度，在飞机制造业中所占的比例不断扩大。钛合金轧制后表面覆盖了一层氧化膜，在氧化膜下面，局部可能吸收较多的氧和氮，这个区域称为富气层。激光焊前清理焊件时不仅要清除氧化膜，还必须将富气层除掉。清理焊件可用机械方法，也可用化学方法进行清理。用化学方法清洗时所用的酸洗溶液成分和工艺见表2.12。
表2.12 钛合金激光焊前酸洗液的成分和工艺
由于钛合金激光焊接时接头区域的温度远远高于600℃，为避免接头脆化、产生气孔，钛合金激光焊接时必须采取惰性气体保护措施或将焊件置于真空室中。通常情况下，钛合金激光焊接时多采用高纯氩气保护。钛合金板材对接焊时，为了更好地从激光加热处、焊缝后部高温区及焊缝背面进行保护，须设计专用夹具（图2.16）和气体保护拖罩（图2.17）。
图2.16 钛合金板材激光焊夹具示意图
1—底板；2—铜垫板；3—钛合金板；4—铜冷却板；5—压板
图2.17 气体保护拖罩示意图
1—进气管；2—气体均布管；3—排气孔；4—拖罩外壳；5—气体透镜
铜垫板和冷却板起散热作用。焊接时，在铜垫板的方形槽中通入氩气保护钛合金板的焊缝背面，而且应在焊前8～10min预先使方形槽中充满氩气。拖罩长度应大于120mm，以保证焊缝区处于氩气保护之内，宽度40～50mm。氩气由进气管导入，经气体均布管上端的排气孔导出，并将拖罩中的空气挤出，再经过气体透镜（100目纯铜网）使氩气均匀地覆盖在接头区域。
对焊缝正反面进行氩气保护时应注意通入氩气的流速不能过大，否则会产生紊流现象而使氩气与空气混合，反而造成不良后果。焊后可以从焊缝及热影响区金属表面的颜色判断接头质量的优劣。氩气保护效果好时，焊缝表面呈光亮的银白色，金属的塑性最好，产品合格。氩气保护不良时，随着有害气体污染的加剧，焊缝表面的颜色由浅黄色向深黄色、浅蓝色、深蓝色和蓝灰色变化，接头塑性也相应地降低。
对工业纯钛和Ti-6Al-4V合金的CO 2 激光焊研究表明，使用4.7kW的激光功率，焊接厚度1mm的Ti-6Al-4V合金，焊接速度可达15m/min。检测表明，接头组织致密，无气孔、裂纹和夹杂，也没有明显的咬边。接头的屈服强度、抗拉强度与母材相当，塑性不降低。在适当的焊接参数下，Ti-6Al-4V合金激光焊接头具有与母材同等的弯曲疲劳性能。
钛及其合金焊接时，氧气的溶入对接头的性能有不良影响。激光焊时只要使用了保护气体，焊缝中的氧就不会有显著变化。激光焊焊接高温钛合金，也可以获得强度和塑性良好的接头。
激光焊可以焊接各类高温合金，包括电弧焊难以焊接的含高Al、Ti的时效处理高温合金。用于焊接的激光器一般为CO 2 连续或脉冲激光器，功率为1～50kW。激光焊焊接高温合金时易出现裂纹和气孔。
激光焊高温合金推荐采用He或He+少量Ar的混合气体作为保护气体。使用He成本较高，但是He可以抑制离子云，增加焊缝熔深。高温合金激光焊的接头形式一般为对接和搭接接头，母材厚度可达10mm，接头制备和装配要求很高。激光焊高温合金的主要参数是输出功率和焊接速度，它是根据母材厚度和物理性能通过试验确定的。例如，采用2kW快速轴向流动式激光器，对厚度2mm的Ni基合金进行焊接，焊接速度为8.3mm/s；对厚度1mm的Ni基合金进行焊接，焊接速度为34mm/s。
高温合金激光焊接头的力学性能较高，接头强度系数为90%～100%。表2.13列出几种高温合金激光焊接头的力学性能。
表2.13 高温合金激光焊接头的力学性能
镍基高温合金以及Ni-Ti异种材料焊接熔合区主要由高分散度的微细组织组成，并有少量金属间化合物分布在熔合区。对于可伐合金（Ni29-Co17-Fe54）/铜的激光焊，接头强度为退火态铜的92%，并有较好的塑性，但焊缝金属呈化学成分不均匀性。
在一定条件下，Cu/Ni、Ni/Ti、Cu/Ti、Ti-Mo、黄铜/铜、低碳钢/铜、不锈钢/铜及其他一些异种金属材料，都可以进行激光焊。此外，激光焊不仅可以焊接金属与金属，还可以用于焊接金属与陶瓷、玻璃、复合材料及金属基复合材料等非金属。
激光焊所用激光器输出功率或能量非常高，激光设备中有数千伏至数万伏的高压激励电源，能对人体造成伤害。激光加工过程中应特别注意激光的安全防护，防护的重点是眼睛和皮肤。此外，也应注意防止火灾和电击等，否则将导致人身伤亡或其他的事故。
①对眼睛的伤害 激光的亮度比太阳、电弧亮度高数十个数量级，会对眼睛造成严重损伤。眼睛受到激光直接照射，由于激光的加热效应会造成视网膜烧伤，可瞬间使人致盲，后果最严重。即使是小功率的激光，如数毫瓦的He-Ne激光，也会由于人眼的光学聚焦作用，引起眼底组织损伤。激光加工时强反射的危险程度与直接照射时相差无几，而漫反射光会对眼睛造成慢性损伤，造成视力下降等结果。
②对皮肤的伤害 皮肤受到激光的直接照射会造成烧伤，特别是聚焦后的激光功率密度大，伤害力更大，会造成严重烧伤。长时间受紫外光、红外光漫反射的影响，可能导致皮肤老化、炎症和皮癌等病变。
③电击 激光束直接照射或强反射会引起可燃物的燃烧导致火灾。激光器中还存在着数千至数万伏特的高压，存在着电击的危险。
④有害气体 激光焊时，材料受激光加热而蒸发、气化，产生各种有毒的金属烟尘，高功率激光加热时形成的等离子体会产生臭氧，对人体有一定损害。
①一般防护
a.电器系统外罩的所有维修门应有适当的互锁装置，外罩应有相应措施以便在进入维修门之前使电容器组放电。激光加工设备应有各种安全保护措施，在激光加工设备上应设有明显的危险警示标志和信号，如“激光危险”“高压危险”等。
b.激光光路系统应尽可能全封闭，例如让激光在金属管中或光纤中传递，以防发生直接照射；若激光光路不能完全封闭，光束高度应设法避开眼、头等重要器官，让激光从人的高度以上通过。
c.激光加工工作台应用玻璃等屏蔽，防止反射光。
d.激光加工场地应用栅栏、隔墙、屏风等隔离，防止无关人员进入危险区。
②人身保护
a.现场激光操作人员须配备激光防护眼镜，穿白色工作服，以减少漫反射的影响。
b.只允许有经验的工作人员对激光器进行操作和激光加工。
c.焊接区应配备有效的通风或排风装置。