U形熔池是激光焊接中通过能量调控形成的典型熔池形态，可最大程度增加焊材的有效接合面积，提升材料焊接强度、成形质量和力学性能。在消费电子、汽车制造、航空航天等对焊接质量、精度和效率要求较高的行业中，展现出显著的应用优势。

激光焊接机理

1 激光焊接定义

以可聚焦的激光束作为焊接热源，当高强度激光照射在被焊材料表面上时，部分光能将被材料吸收并转换成热能使材料熔化，待熔融金属冷却凝固后形成焊点或焊缝。

2 激光焊接类型

激光焊接方式分热传导焊接和激光深熔焊。通常功率密度＜106W/cm2时为热传导焊接，激光辐射能量只作用于材料表面，下层材料的熔化靠热传导进行。主要用于薄壁材料焊接。当功率密度＞106W/cm2时为激光深熔焊，材料表面金属迅速气化，激光束深入材料内部，从而获得高深宽比熔池，多数适用厚板焊接。

热传导焊接VS激光深熔焊

熔池深度VS功率密度

激光深熔焊特性决定其焊接过程易产生飞溅焊渣，故实际应用中常用深熔焊和热导焊复合的方式（如纳秒焊接、可调环形光束等）改善焊点或焊缝外观。

3 激光光强分布

激光光强通常呈现高斯型分布，即光斑中心光最强，向边缘逐渐减弱。但在很多应用中，为改善焊渣飞溅情况或增强焊接稳定性，激光光强呈平顶分布状态。

激光光强分布

4 接头形式

激光焊接为非接触式，光束可多角度入射到产品表面，触之可及的地方基本均能进行焊接，故焊接接头形式多样，常见的接头形式包括对接、搭接和角接。

接头形式

U形熔池定义

U形熔池是指焊缝或焊点横截面形貌呈U字形状，通常熔池深宽比较小（熔池深度/熔池宽度），其优势主要体现在保证焊接强度，增强焊接稳定性，同时改善焊渣或飞溅。相比V字形熔池，U形熔池熔融面积相对较大，能量输入较多，热应力较大，焊接时需注意其对产品变形的影响。

能量高斯分布

脉冲焊-V形熔池

能量帽形分布

脉冲焊-U形熔池

U形熔池成型原理

低功率密度条件下，光强呈帽形或平顶分布，激光能量均匀辐照到焊接区域，热量由表面向材料内部传导(热传导焊接)，在足够出光时间下，形成U形熔池。此种类型的U形熔池多应用于多模或半导体激光器的焊接。

高功率密度条件下，光强呈高斯分布，单点或单焊缝熔池形貌呈V形或I字形。通过摆焊接轨迹的方式，如振镜焊接、摇摆头式焊接等，优化组合多V形或I形微熔池成U形熔池。该种方式的U形熔池主要出现在单模或纳秒激光焊接的应用中。

U形熔池影响因素

1 功率

反应的是单位时间能量输入大小，功率越大，功率密度越高，能量主要往材料底部方向穿透，焊接熔深越大，越易获得V形熔池，反之，熔池接近U形。

2 速度

体现的是单位时间内热量的积聚。高低速度条件下均可获得U形熔池，前者主要通过多轨迹组合实现，后者则是采用热传导方式促成U形熔池成型。

3 脉宽

即出光时间，无论是点光源，还是面光源，脉宽越长，能量输入越大，热量由表面逐步向材料内部传导，相对更容易形成U形或类U形熔池。

4 离焦量

本质上是功率密度降低，焊接模式由深熔焊向热传导焊逐渐转变的过程，熔池形貌也逐渐由V形向U形过渡。

5 保护气

氮气和氩气是激光焊接过程中常用保护气体。保护气使得高温金属熔池氧化减少，熔池中氧化物夹杂含量降低，液态金属熔池边缘表面张力更小，导致熔池宽度增加量会比较明显，从而促使U形熔池向丁字头或V字形貌转变。

注意事项：保护气体对低功率密度条件下的U形熔池形貌影响较大，制程如有保护气使用，需关联调整相关配置或参数。

U形熔池典型行业应用

U形熔池形貌可最大程度增加焊材的有效接合面积，不仅利于产品焊接强度提升，还可保证焊接过程的稳定性，在消费电子、汽车制造、航空航天等行业得到广泛应用。消费电子行业——穿戴电子、连接器、电脑、手机等构件及配件焊接；汽车制造行业——汽车车身、动力电池极耳等焊接；航空航天行业——发动机叶片、燃料储箱等焊接。

大族激光3C焊接U形熔池工艺应用案例 

随着电子设备向集成化、微型化快速发展，对精度、效率、质量的要求越来越高，U形熔池提升焊接强度、稳定性等优势，使其在精密电子中的应用越来越广泛。

大族激光3C焊接及自动化聚焦基础研究和源头创新，持续加大在U形熔池焊接应用等先进技术工艺上的探索开发和推广应用，围绕用户加工需求，反复验证工艺技术，不断优化配置参数，提供最佳的焊接方法，实现最优的焊接效果。

转自：大族激光精密焊接事业群

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