如「图4 红外激光焊接铜时产生头部虚焊」所示，由于铜的高导热及对激光的低吸收率，往往导致起始位置有一段会出现这样的现象：起始段无法有效形成熔池，甚至没有任何加热印记，随着温度逐渐升高，开始形成熔池，造成起始部分“虚焊”。

原因在于：起始吸收率低，导致热输入小，铜吸收的热量很快通过热传导分散出去，在激光持续作用下，铜温度升高，吸收率随温度升高而升高，热量累积开始能够熔化一部分铜，出现热导焊，然后液态铜对激光吸收率进一步上升，热输入持续增大，开始出现匙孔，至此深熔焊才开始。这一现象常见于使用的激光光斑尺寸交大、功率较低或者焊接速度过快时，当功率密度足够高时，可以在激光入射瞬间形成深熔焊接。

02

焊缝成形差

图5 较差的焊缝成形效果

因为铜激光焊接过程中，由于铜在不同状态下（固态3%、液态15%、匙孔60%）对激光吸收率变化较大，导致焊接过程熔池剧烈波动，一般熔池波动如上图，出现波峰凸起，会很快冷却，来不及回流熔池，形成平滑过渡，导致外观缺陷较大，粗糙度过大。

03

飞溅和气孔

采用红外激光对铜进行直线焊接，具有不稳定的工艺窗口和最大的熔深波动，容易产生如图1所示的飞溅（spatter）、熔融金属喷溅（melt ejection）、孔洞(hole)等缺陷。

图6 Cu-ETP红外焊接样品（V=6m/min, P=1500W）：(a) 高速摄像熔化金属喷溅；（b）焊缝喷溅；（c）b中喷溅放大

素材来源：Heider A , Stritt P , Hess A , et al. Process Stabilization at welding Copper by Laser Power Modulation[J]. Physics Procedia, 2011, 12:81-87.

如「图6 Cu-ETP红外焊接样品（V=6m/min, P=1500W）」所示：激光能量在匙孔内部和下部显著集中，最终被熔池包围的匙孔内部过度膨胀，增加了匙孔的不稳定性，焊接过程中当熔池液态金属载荷小于小孔膨胀压力时，小孔底部蒸汽膨胀造成熔融金属的喷出，形成飞溅物，喷出的熔池区域形成表面孔洞。

图7 飞溅形成机理示意图

素材来源：Miyagi M , Zhang X . Investigation of laser welding phenomena of pure copper by x-ray observation system[J]. Interactive Cardiovascular & Thoracic Surgery, 2016, 22(4):33-34.

图8 飞溅形成高速摄影

如「图8 飞溅形成高速摄影」所示，深熔焊时，急剧上升的激光吸收率（60%）使得熔池内部蒸发量剧增，出现飞溅，造成匙孔坍塌，然后激光又打在熔池上，吸收率又从60%降低到20%左右，随后又随着蒸发量增加重新形成新的匙孔，激光吸收率增加，如此往复。剧烈的热输入波动会导致铜在热导焊和深熔焊周期性变化，出现熔深交替深浅的情况，使得 熔深不可控。如图所示，会有部分区域熔深不足，同时会导致铜金属蒸汽蒸发量剧烈变化，使得匙孔内部周期性坍塌闭合，形成气孔和飞溅。

微课堂小知识｜飞溅、气孔形成机理

图9 铜激光焊接匙孔状态模拟

如「图9铜激光焊接匙孔状态模拟」所示，可以清晰看到由于铜焊接过程不稳定所导致的飞溅和气孔，这两种缺陷在铜的激光焊接过程最为常见。这里简要概述一下：

飞溅形成机理

图10 激光焊接飞溅形成机理示意图

飞溅液滴受力分析：在铜合金深熔焊接过程中，飞溅液滴主要受到液体的表面张力、自身重力、匙孔内高压金属蒸汽给到的向上的剪切力；其中剪切力是为主导。一般飞溅主要从匙孔开口边缘产生，飞出，主要就是匙孔边缘的液滴，随着熔池波动一旦从匙孔处露头，就会直面向上剧烈喷发的金属蒸汽，在垂直方向上受到剪切力作用，克服表面张力与自身重力飞出熔池，形成飞溅。

气孔形成机理

图11 激光焊接气孔形成机理示意图

匙孔型气孔主要由于激光焊接过程匙孔失稳所致，由于匙孔是中空的，一旦出现匙孔坍塌如图e，液态熔池就会封闭匙孔，卷入金属蒸汽进入熔池，当金属蒸汽无法及时从铜熔池表面逸出，凝固在熔池内，就会形成直径较大的气孔在焊缝中存在。