研究结果表明：304不锈钢光纤激光焊接主要有四种成形形式，它们是由热输入密度(激光功率、焊接速度、离焦量的相互作用)决定的。在热输入密度小于43.04J/mm3时，焊缝呈圆弧，相应的焊接方式为热导焊；当热输入密度大于66.82J/mm3时，焊缝呈钉头形或深弧形，相应的焊接方式为深熔焊。此外，还有一种中间过渡状态，其相应的热输入密度也处于两种焊接方式之间。
激光器的焊接方式可分为热导焊和深熔焊。在这些焊接过程中，热导焊的熔池金属并不气化，搅拌形成焊缝；深熔焊也称为小孔焊，是在熔池金属气化的金属蒸汽压力下形成的[1]。其不同之处是激光能不能引起金属气化。
已有文献定性研究了CO2激光器的焊接方式，结果表明：即使激光功率密度足够大，能使金属发生气化，但在一定的工艺条件下(一定母材、激光功率、离焦量、焊接速度等)，激光焊接将从稳定的热导焊转变为稳定的深熔焊；除激光功率密度外，焊接速度也是决定激光焊接模式的重要因素。对激光制造过程中激光焊接方式的选择至关重要。例如，在低熔深的焊接中，为了增加焊缝宽度而提高对焊焊缝的容错率，有时还需要尽可能小的功率以达到尽可能大的熔深。同时，激光填丝焊接、激光粉末焊、激光表面改性[5]等新技术也在快速发展，需要对焊接方式进行精确控制。
固体激光器，如目前广泛使用的光纤激光和碟片激光与CO2激光有较大的区别。作者已有的研究表明，CO2激光对焊接速度变化比较敏感，而光纤激光对激光功率的变化比较敏感。
针对光纤激光焊接方式的研究较少，也缺乏定量分析方法。为此，本论文的主要内容对304奥氏体不锈钢光纤激光焊接功率密度及焊接速度对光纤激光焊接方式的影响及定量计算进行了研究。
2测试方法和内容。
影响激光焊接方式的因素分析。
激光焊接方式的主要影响因素是激光功率、作用于304不锈钢的光斑直径及焊接速度。结果表明，激光功率和焊接速度都是可以直接获得的，而光斑直径取决于离焦量。作用于304不锈钢的光斑直径与离焦量的关系可以用[1]计算：21/22004zzMDDD==+ç÷óróóóúr=+ç=+ó
式中z—离焦量，mm;Dz--离焦量z处的光斑直径，mm;D0--聚焦镜焦点处的光斑直径，0.7mm;M2——激光光束质量，31.6；λ-激光波长1.07×10-3mm。除以上三个因素外，还可以考虑它们之间的相互作用对激光焊接方式的影响。常见的相互作用包括激光功率密度、焊接热输入等。在计算功率密度时，还要计算光斑的面积，计算公式为：2zSDπ=。
(2)式中S——光斑面积，mm2；用激光功率密度表示单位面积激光功率，计算公式为：52410zPQDπ=×。
式中Q-304不锈钢表面的激光功率密度W/cm2;P-激光功率，kW。焊后的热输入代表304不锈钢单位长度的总能量，计算公式为：310PEv=×。
(4)式中E——热值，J/mm;v——焊接速度，mm/s。所述激光功率密度与焊接热输入是由两个参数相互影响的。此外，本文还引入三个单一参数之间的相互作用，即热输入密度用光束对304不锈钢单位长度激光能量密度的表征，计算公式为：32410zQPevvDπ==×。
(5)式e：热输入密度J/mm3。
2.2选择测试参数。
利用均匀设计法对试验参数进行设计，使试验参数覆盖范围更广，且分布更均匀，从而达到覆盖试验参数的要求。
应注意均匀设计试验的试验参数只能在一个单一因素中选择。对这两个因素之间的相互作用可以用试验后的回归计算等方法进行分析，但这是以单因子对试验结果影响为线性的。鉴于焊接方式的变化是非线性的，因此在设计试验参数时，还应考虑各种因素对激光焊接方式的影响。第一步要确定采用的统一设计表格。由均匀设计使用表可知，考虑三个单一因素时，U*10(108)均匀设计表均匀度的偏差较小，此时数为10次，每个因素要求取10个参数点。因为激光热导焊需要较小的激光功率密度，因此激光功率应在较小的范围内选取，本文的值为0.8~1.7kW，受焊机自身结构的影响，实际输出功率高于设定功率，因此选择了10个参数，每个参数间隔约为0.1kW。焊速对激光方式的影响未知，故选择范围应比较大，但为避免焊接速度过慢而导致激光作用时间过长而导致激光作用时间过长，故选择10个数据点为40mm/s~85mm/s范围内，每个数据点间隔5mm/s。当离焦量绝对值相同时，正离焦和负离焦的光斑直径相同，正离焦和负离焦之间有时差别不明显[2]，但负离焦时焊缝内功率密度大于焊缝表面，不能直接反应光斑直径对焊缝的影响，因此试验均采用正离焦。均匀性测试各因素的测试点数相同，因此本文所述的离焦量也有10个数据点，分别为0~9mm(间隔1mm)，并计算相应的光斑面积。总之，本文的单因素焊接试验方案如表1所示，为便于以后的说明，表格中还列出了每组试验参数对应的三种相互作用的计算结果。
正如前面所指出的，设计测试参数也需要考虑相互作用的影响。把对应于表1所列的10组试验参数的功率密度和热输入值，按照尺寸排序，形成新的两组因子，分别与相应的焊接速度、离焦量，此时的测试点如图1中的圆点(“●”)所示。
从图1可以看出，两个测试点的分布比较不均匀，如左图中，低的激光功率密度在较小的情况下，无覆盖层的焊接速度，而高的激光功率密度则较大。因此，为了提高试验的均匀性，图1的两组试验点分布都增加了5个测试点。图1中新增加的测试点以三角形(“▲”)表示，测试参数见表2。对比表1和表2可以发现，表2的焊接参数除了增加试验的均匀性外，还填补了表1热输入密度的空白区域。
2.3测试方法。
采用了6mm厚的304不锈钢作为母材，为了排除焊缝间隙的影响，所有的测试都是在平板上进行，为了避免熔池重力的影响，为了避免熔池重力的影响，焊接位置为横焊，并与试件表面垂直。按照测试方案焊接后，从样品中心取样品，拍下宏观金相照片，确定焊接方式。
3测试结果和分析。
3.1测试结果。
图2-1(a)中，20条试验焊缝共有4种焊缝类型，图2-1(a)中的焊缝为圆形弧形；图2-1(b)中的焊缝为三角形，底部无明显突出部；图2-1(c)中的焊缝呈钉头状，底部开始有明显突出；图2-1(d)焊缝上部也无明显突起；图2-1(d)焊缝上部也是钉头状，但底部较长，整体呈钉状。
3.2焊接成形的直观分析。
正如图2(a)所示，焊缝具有典型的热导焊特征，这可能是因为304不锈钢在此时熔化但尚未沸腾，很大一部分激光被反射，激光的吸收程度较低；图2(b)还没有出现深熔焊的特征，但已经明显不同于热导焊。从这个时候可以看出，“小孔”还没有形成；另一方面，此时的304不锈钢可能沸腾了，一定程度的气化使熔池搅拌更加剧烈；图2(c)节的焊缝已有较为明显的深熔焊特征，说明此时的“小孔”除了小孔外，还没有明显的“小孔”现象；总之，焊接方式由热导焊转变为深熔焊(即小孔形成)，并不是突变的过程，而是一种介于两者之间的中间状态。
3.3直观地分析试验结果。
为更加直观地了解各个单一因素以及交互作用因素对焊接方式的影响，将每一个因素的参数点从小到大排列，如图3(a)-(f)所示。从图3-(a)-(e)可以看出，单因子和双因子的相互作用对激光焊接模式的影响都不明显。
3.3.1激光功率密度的影响。
如图3-(b)所示(需结合表3数据，下同)，焊接速度相同时，往往会出现不同的焊接方式，而其中不可避免的、较大激光功率密度所获得的焊接方式更倾向于深熔焊。从图3-(d)可知，在功率密度较小的情况下，激光焊接模式更倾向于热导焊接，在功率密度较大时更倾向于深熔焊。焊接速度越快，深熔焊接所需的功率密度越大，则越大。
3.3.2热源效应。
从图3-(c)中可以看出，当光斑面积相同时，较大的热输入(即线能量)所获得的焊缝更有利于焊接深度。从图3-(e)中可以看出，在输入热较小的情况下，激光焊接模式更倾向于热导焊接，而当热输入较大时，焊接方式更倾向于深焊接。此外，随着焊点面积的增大，焊丝所需的线能量也相应增加。
3.3.3热输入密度的影响。
正如前面所提到的，激光功率密度和热输入并不能完全决定焊接方式，还需要考虑焊接速度的影响，这正好符合热输入密度的定义。从图3-(f)中可以看出，随着热输入密度的增大，激光焊接模式由热导焊逐渐转变为深焊接。总之，热输入密度是影响焊接方式的主要因素。在热输入密度小于43.04J/mm3的情况下，304不锈钢采用热导焊方式进行焊接，热输入密度在66.82J/mm3/mm3以上，采用深熔焊接。
3.4试验结果的理论分析。
当焊接速度为2.87×105W/cm2(测试号6,11)、焊接速度为75mm/s时(试验号为6，焊缝型为“a”)焊缝为热导焊，焊缝未形成(部分气化)；当焊接速度为40mm/s时，焊接速度为75mm/s(试验号11，焊缝类型“a”)焊缝为热导焊，焊缝未形成(部分气化)时，当功率密度达到4.02×105W/cm2(试验号7)焊接速度为75mm/s时(试验号7)焊接速度为75mm/s时(焊缝类型“a”)焊缝为热导热但未形成小孔(试验号7，焊接速度为75mm/s)焊缝处的特点是：焊缝处的强度密度为2.87×105W/cm2/cm2(试验号7)焊接速度为75mm/s时(试验号7，焊缝类型“a”)焊缝为热导热，焊缝形态为(a)焊接速度为75mm/s时(试验号为7，焊缝类型“a”)焊缝为热导焊，焊接速度为(试验号7，焊缝类型“a”)焊缝的热导热系数为2.87×105W/cm2/cm2(试验号7)焊接速度为75mm/s时(试验号7，焊缝类型为“a”)焊缝的热导焊特性(试验号7，焊缝类型"a")焊缝不仅出现沸腾现象，而且还未形成小孔(试验号7)小通过能量分析，304不锈钢材料单位长度和单位面积上热输入密度决定了其接受的总能量，能量越大，金属材料的温度越高，熔池气化程度越强。在3.2节中说明，随着熔池的气化程度从无到有逐步加强，焊缝依次发生熔化、沸腾、小孔形成和小孔深入。总之，热输入密度决定着熔池的气化程度，进而决定焊接方式。
4结论。
总而言之，得出以下结论：
1.304不锈钢光纤激光焊接的典型焊接形式有圆弧、三角形、钉头、钉头等；
2.上述四种焊接形式的焊缝形式是由热输入密度(单位长度上光束作用于304不锈钢的激光能量密度)，即激光功率、焊接速度和光斑面积；
3.当热输入密度小于43.04J/mm3时，焊缝为圆弧，相应的焊接方式为热导焊；当热输入密度大于66.82J/mm3时，焊缝为钉头形或钉状，相应的焊接模式为热导焊和深熔焊之间的一种过渡模式；
4.激光焊接方式取决于熔池的气化程度，而气化程度取决于热输入密度。
