自1980年代起，钢铁生产工业开始安装CO2激光焊机，用以在连续处理线上连接钢卷。相比与已经广泛使用的闪光对焊焊机，激光焊机在产线的生产柔性、排程和焊接速度都有明显的优势。后续的一些年里，CO2激光光源的可靠性持续改进，满足了带钢生产中新钢种不断开发带来的新挑战。在过去的一些年里，其它类型的激光光源也在这个应用场景得到推广。固体激光器（SSL）应用于这个领域，功率能力相当于最大至15kW的CO2激光。固体激光器（SSL）的发展，也改善了其功率、光束质量和鲁棒性。CO2激光波长约10.6μm，固体激光（SSL）波长1.06-1.07μm，二者相差很大，这对激光的焊机行为有很大影响。激光的波长对材料与光子的交互作用、保护气体，乃至光致等离子体（有时会存在）都有很大影响，从而最终影响焊接行为的特性。
典型连续处理线激光焊接机
所以，这里将集中探讨CO2激光和固体激光（SSL）的不同之处。在带钢处理线的应用中，选择不同类型的激光焊机，要考虑的几个方面都进行探讨，包括设定、交互、两种激光的性能等。
今天，这两种激光光源在不同的应用中都已展示其能力，一些要素要给以不同权重，以决定在应用场景中的最佳选择。 上图描绘了选择CO2激光和固体激光时，最重要的评判指标。两种类型的激光分别都有自己的优点和缺点，需要在详细的应用分析中进行决定。它会受环境条件条件、技术经验、投资成本、操作准备影响。除此之外，工艺稳定性和服务支持也需考虑。由于CO2激光已经在过去的三十多年内已有较好的应用实例，而采用新技术必须考虑风险对冲。对于CO2激光器，有两种类型的谐振器可以用于带钢生产场景，即：快轴流激光系统和分散冷却型（DC）激光系统（或称：板条激光系统）。对于这两种气体激光，激光介质是二氧化碳、氮气和氦气的混合气。下图，给出了两种类型的激光系统原理草图。分散冷却型激光系统原理图
谐振腔截面由两块镜子组成。谐振腔的长度是激光波长的倍数。在谐振腔内的混合激光气体暴露在高频、高压的电磁场中，它会引起原子或分子的电子泵浦到一个更高的能量状态。电子辐射出波长为10.6μm的光子，然后跌落回基本能级状态。这引起了级联效应，激发其它电子辐射出特性和方向相同的光子。在谐振腔一端镜片，为部分透射，以用作输出耦合器它将激光束的一部分发射出谐振腔到光束导向系统。 快轴流激光的气体通过高速涡流以很高的流量进行循环。这种激光最大功率可达15kW，且光束质量良好。 板条激光被归属无流激光，因为它们没有移动部件。激光介质在两个水冷电极之间狭小的空间内，由射频功率激发。宽的排放区域和通过宽的电极产生有效的热量消散可以产生高功率、高光束质量的激光。采用此技术，最大的激光功率可达8kW。 固体激光也通过采用谐振器产生激光辐射。谐振器的长度也被设定为介质辐射出的光子波长的倍数。固体激光最常用的激光活性介质是掺杂着钕（Nd）或镱（Yb）原子的钇铝石榴石（YAG）晶体固体。从这种固体谐振腔中产生的光子波长在1.06μm。 今天的固体激光采用激光二极管激发电子，二极管能准确地在要求区间内，以一定波长辐射能量。这大大改善了效率，并大大降低了冷却要求。二极管寿命较长，且大大压缩了维护需求。 如下图，展示了两种固体激光谐振腔。盘片激光器中的晶体形状像一个圆盘，而光纤激光器晶体为细细的光纤。通过这些系统，可以产生高质量、功率可达16kW的光束（虽然2019年同期，IPG和锐科发布了30kW的样品，但尚未商用，鬼斧注）。盘片激光器系统结构图
CO2激光系统将输出耦合器是集成在激光器内部，并光束传输系统与内部谐振器分开。在CO2激光器中的光束传输，是一组带有偏转镜的永久安装的光管系统。偏转镜由铜制成，且需冷却。光管由氮气或干燥的空气吹扫，以保护镜子免受蒸气或灰尘污染物的侵入。镜子必须彼此完全对准，这本身就是一个艰苦的工作。在光管的端部，是激光光学元件。光束通过固定焦距的抛物面镜聚焦，该抛物面镜对准工件表面。
固体激光（SSL）系统的光束传输则相对简单。这类激光的波长较短，可以通过光纤传输。光纤允许光源远离机器，从而使机器的设计较为简单。光纤不要求吹扫空气保持异物侵入。这就无需偏转镜片、相关的冷却系统以及对准要求。固体激光（SSL）系统仍然需要一组光学凸透镜，以将光束聚焦到带钢上。固体激光（SSL)系统光束传输系统
5. 激光与材料的交互作用
CO2激光和YAG激光的不同波长对材料的能量吸收特性有相应的影响。这对焊接行为以及最终的焊缝质量具有重大影响。了解激光与材料以及锁孔内等离子体的相互作用，有助于确定管理焊接结果。
在技术应用中，材料的熔化和蒸发会在很短的时间内发生，并会严重影响光的吸收率。材料在高温下快速蒸发，形成一个锁孔。锁孔内产生的金属蒸气压，对焊接过程中的动力学有部分作用。由于两种波长与金属蒸气的相互作用不同，因此其作用也不同。
激光焊接锁孔及熔池简图
在CO2激光焊接过程中，激光束与蒸汽射流相互作用，从而在锁孔内以及锁孔上方形成激光诱导的等离子体。基于反向致辐射的物理效应，等离子体会吸收会与CO2激光能量按比例增加。随着堆积的等离子膨胀，在焊接过程中保持锁孔开放。 热量也通过等离子体传递到材料上。最终的工艺过程受材料变化的影响较小，因此非常稳定。
Nd-YAG激光的波长是CO2激光的十分之一，这导致其与蒸气羽流的相互作用产生非常不同的行为。首先，由于具有给定电子密度的离子化气体的反向致辐射吸收系数遵循ʎ2比例定律。因此，对于焊接过程的入射激光强度特性，可以认为这种吸收机理在1.06μm时根本不相关。结果，蒸气羽流的温度跟随发生蒸发过程的表面温度。实际上，由于其向周围大气中膨胀，并且由于极低的吸收系数而无法进行再加热，因此羽流温度甚至可能更低。这些蒸气羽流温度相当低，处于大气压下材料的蒸发温度范围内并高于该温度。因此，激光能量不会被等离子体吸收，而是直接击中工件表面。这导致材料的局部蒸发。这些蒸气喷射在过程中使锁孔保持打开状态。由于蒸发过程非常动态，固体激光（SSL)与CO2激光器相比，蒸发过程动态得多。
激光与等离子体相互作用的第二个方面涉及沿光束方向射向反向射出颗粒（熔融材料的液滴）的重要作用。这些颗粒具有非常宽的直径范围，其直径可以从几纳米到微米或更大。由于，如此尺寸大小的粒子等于或小于SSL的1.06μm波长，这些小粒子的散射和吸收预计可能比对于CO2激光的10.6μm激光波长起更重要的作用。有文献表明在1.06μm的焊接条件下，当使用He或Ar保护气时，蒸气羽流内部的颗粒平均尺寸在20到50nm之间变化，而在CO2激光焊接中，该尺寸通常要小10倍。这可能是由于这两种类型的焊接之间的羽流温度差异很大。
6. 服务技术与消耗品
对于CO2激光器，有三个主要的系统部件，即：发生器、谐振器和光束传输系统。所有的这些组件都需要维护，以确保激光系统性能安全、稳定。光束传到系统有一定长度、且带有聚焦镜片的传输管构成，可能在传输管中还有一些发射镜片。传输管一端开放，并用氮气和干燥空气吹扫。吹扫空气可以抑制光束免受蒸汽和灰尘污染。聚焦镜片需要定期（大约每4周）清理。反射镜片也需要定期清理，但频率相对较低。清洗时需要移除镜片，且重新安装后可能需要重新对齐光束。对于比较好的系统，有经验的人员约需1个小时即可完成清洗。如果需要对齐光束，则需要几个小时。快流激光谐振腔由一系列的镜片和内有循环气体混合物的管子组成。输出耦合器要求定期清洗，或者一旦清洗不当，则需更换。更换频率取决于输出耦合器的材料和吹扫气体的清洁度。输出耦合器的最小寿命为一年。更换的费用可能是数千美元，并且要花费几个小时。随着时间的流逝，还需要根据气体的清洁度对内部反射镜片进行翻新。这些镜子的典型使用寿命超过10年。谐振器中还有许多高压电极和石英管。石英管会老化并随着时间的流逝而恶化。电极会随机损坏，作为全面维护计划的一部分每月要进行电弧检查。在谐振器中，有一组复杂的接头和管道。这些塑料管广泛用于谐振器，以将冷却剂输送至反射镜和热交换器，还用于将气体混合物输送至谐振器。管道和接头会随着时间的流逝而恶化，并会泄漏。需要适当的维护，以防止泄漏可能造成的灾难性后果。大约每十年，需对谐振器进行一次全面翻新，以更换管件，内部镜片和石英管。这属于良好维护计划的一部分。翻修需要几个月的时间，以完全更换谐振器，这通常需要以数十万美元的成本。发生器具有类似于旧真空管电视的电子组件。四极管通常应用于某些发生器的最终放大。该管会随着时间的推移而退化，需要定期检查和监视以预测何时应更换。这些管的成本会超过1万美元，预期寿命不到两年。所有这些组件都有使用寿命，需要检查或更换，通常需要由熟练的工厂技术人员来检查。 分散冷却（DC）激光器没有活动部件，将部署寿命较长的金刚石输出耦合器，从而降低了系统的维护要求。
在固体激光（SSL）系统中，光束引导和谐振器完全封闭。像快流的CO2谐振器一样，没有用于循环气体的可移动部件。因此，没有必须检查的零件，唯一需要定期更换的部件是光学器件末端的保护窗，该保护窗直接与加工区接触。这块玻璃窗口用气刀保护，以免受蒸气化物质的侵害。根据应用和操作条件，可能需要每周定期更换窗口。这项工作可以在不到十分钟的时间内轻松完成。
用于将能量泵浦进入谐振器的固体激光（SSL）二极管会随着时间的流逝而衰化。激光制造商在系统中储备了能力，以便对性能下降进行补偿。泵浦二极管的使用寿命较长，更换周期的间隔可超过十年。当需要更换时，模块化的设计简化了更换程序，可在短短10分钟内完成。泵送模块的成本约为25,000美元。
比较这两种激光类型的差异时，上述成本并不是最高的。消耗品成本才是最高的，能源和气体消耗的差异才是这些激光系统运行成本的最大部分。在高功率CO2激光焊接应用中，波长和光吸收行为要求使用氦气作为保护气体。在焊接过程中，以大约20-70 l / min的气流速度将等离子体吹扫，以偏转离开作业区。氦气供应短缺，且价格昂贵，甚至在某些地区难以采购。固体激光（SSL）技术使用的氩气比氦气便宜，而且供应广泛。能源成本是考虑激光技术差异的另一个关键因素。能耗是效率的函数。与固体激光（SSL）的40％的光电转换效率相比，CO2激光器的效率约为6％。例如，要实现15kW的输出功率，CO2激光器所需的输入功率约为250 kW，而固体激光器（SSL）所需的输入功率约为40 kW。可以理解的是，在带钢处理线的焊接机中，激光器在焊接周期中仅需要这些功率。当然，焊接时间仅占少于工作时间的5％。此外，固体激光器（SSL）的碳痕迹小于CO2激光。对于要求降低碳痕迹的公司，购买固体激光器（SSL）则提供了支撑。第三项消耗品是冷却系统。两种类型的激光器都必须准确冷却，以确保稳定且高质量的激光束。CO2激光系统通常需要配备两个不同冷却回路的大型工业冷却器这个冷却器需要定期维护。固体激光器（SSL）系统通常可以使用工厂内的低成本工业用水。CO2激光系统必须具有独立的电路，以将铜组件与铝组件隔离开，以避免电腐蚀效应。这些回路中的冷却剂是低电导率的脱盐水。脱盐水需经过特殊配方的添加剂进行化学处理，以防止腐蚀、微生物生长和冻结。冷却液要求每年更换一次。出于环保考虑，对废弃冷却剂的处理进一步增加了这类系统的运行成本。 在本部分，从焊接参数和工艺质量的稳定性方面对焊接性能进行了评价（比如，飞溅、火花或接头缺陷）。 为了确定焊接质量，评估了焊缝的外观和强度以及所产生的飞溅物粘结在表面上。国际标准（例如DIN EN ISO 5817：2014-6）中，定义了焊缝的质量。在这种情况下，根据孔隙、裂缝或夹杂物定义评估标准，并将焊缝分为质量等级分类组。它们可以客观地以一个评级系统应用于后续的场景。但是，这些标准不能用于评估带钢处理线上焊接接头的连接。对于给定一组参数，焊接强度可通过有损检测程序来确定。通常使用诸如Erichsen杯凸实验、拉伸测试和反向弯曲之类的测试，来模拟带钢处理线中焊缝所承受的弯曲和拉伸应力。 从CO2焊接切换到固态激光焊接时，固态激光的飞溅趋势非常明显。由于波长较短，能量无需传输介质等离子体，便可直接传输到工件中，因此过程变得更加动态。由于布儒斯特角，与CO2激光器相比，固体激光焊接时蒸气的毛细管效应会为进入工件成3°的角度。由此，在锁孔前壁压力上形成的气体射流向锁孔后壁后部累积。这会导致喷射出熔化的材料，从而以飞溅的形式粘附在材料表面上。为了减少这种倾向，需要找到合适的方法来使工艺平稳，以防止这些飞溅。通过改变保护气体（流量、排布和类型），激光密度和光斑几何分布（密度分布），可将飞溅降至可接受的程度，从而使固体激光（SSL）焊接工艺适用于带钢处理线的连接。通过适当的参数设置可以实现的固体激光（SSL）焊缝的无飞溅行为。在固体激光（SSL）焊接时，为避免飞溅而调整参数的挑战在于参数窗口会显着收窄。下图，给出了不同厚度板材的焊接参数窗口。CO2激光与固体激光对不同带钢厚度与能量的参数窗口 当考虑各自验证的参数范围最大值时，可以看出固态激光器（SSL）的最大值和最小值之间的范围比CO2激光器的范围低30％。特别是，很明显，CO2激光工艺可以应对更多的能量密度变化，而不会使焊缝无效。在固态激光器（SSL）的情况下，增加能量输入会导致飞溅趋势增加。这会限制固态激光器（SSL）进行焊接的使用范围。在这两个工作区域之外，则存在焊不透，且伴随飞溅和喷射（吹孔和类似异常）。这表明对于给定的板材厚度，固态激光器（SSL）的焊接参数公差更严格。
根据对人眼或皮肤造成伤害的可能性，将激光分为不同的安全等级。按照功率级别，分类如下。4级（额定功率大于500 mW）激光为焊接中使用的典型的大功率激光器。这类激光即使不被眼睛或仪器的光学镜片放大，也有很大的风险对眼睛或皮肤造成永久性损害。此外，激光束的漫反射也可能对名义危险区内的皮肤或眼睛造成危害。名义危险区域是指超过激光的最大允许暴露量（MPE）的区域。MPE是被人为安全所考虑的光源的最高功率或能量密度（以W/ cm2或J / cm2为单位）。通常是指在最坏情况下约10％的剂量有50％的机会造成伤害时，在给定的波长和曝光时间下测量MPE。要考虑到光以各种可以作用于眼睛的方式，例如波长大于1400 nm的红外光在到达视网膜之前被眼睛的透明部分吸收，这意味着这些波长的MPE高于可见光。MPE被定义为单位表面的功率或能量，它基于可见光和近红外通过全开瞳孔（0.39 cm2）的功率或能量。也就是横截面小于0.39平方厘米的激光束。因此，在可能发生激光辐射的区域，要对机器采取安全措施或设计控制，以保护保护环境。规定会根据激光器的波长而有所不同，但是所有情况下，都需要如下措施：
两种激光器都必须对设备设计，以防止直接暴露于激光束。主要区别在于考虑激光辐射的反射或漫反射。与固体激光（SSL）相比，波长更长的CO2激光允许更大的曝光限制。这会影响设备设计要求。固体激光（SSL）机器需要更广泛的保护， 这增加了设备成本和维护的可达性。 钢铁制造应用场景下，固体激光（SSL）的应用趋势显而易见。大多数CO2激光器面临着氦气消耗和设备维护的高昂成本的挑，而固体激光（SSL）技术则有明显的优势。与固体激光（SSL）相比，CO2激光可以产生质量更高的接头，并且工艺具有更高的鲁棒性。CO2激光焊接系统仍然具有一定的优势地位，这是通过较高的生产能力，且在较短时间内加工较厚的材料来实现的。工艺公差和焊缝性能的不断提高是米巴赫（Miebach）当前的发展主题。通过这种方式，我们可以确保在未来给客户提供与CO2激光焊接系统具有一样稳定性的固体激光（SSL）焊接系统。
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