Beim Wärmeleitungsschweißen schmilzt der Laserstrahl die Fügepartner entlang der Fügestelle auf. Die Schmelzen fließen ineinander und erstarren zur Schweißnaht. Wärmeleitungsschweißen wird angewendet, um dünnwandige Teile zu verbinden, zum Beispiel für Ecknähte an Sichtkanten von Gehäusen. Weitere Anwendungen finden sich in der Elektronik.

Der Laser erzeugt eine glatte, abge­rundete Schweißnaht, die nicht mehr nachbearbeitet werden muss. Für die genannten Anwendungen eignen sich gepulste oder dauerstrichbetriebene Festkörperlaser. Die Energie gelangt beim Wärmeleitungsschweißen nur durch Wärmeleitung in das Werkstück. Deshalb beträgt die Nahttiefe nur einige Zehntelmillimeter bis 1 Millimeter.

Die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs begrenzt die maximale Nahttiefe. Die Nahtbreite ist immer größer als die Nahttiefe. Wenn die Wärme nicht schnell genug abfließen kann, steigt die Bearbeitungstemperatur über die Verdampfungstemperatur. Metalldampf entsteht, die Einschweißtiefe steigt sprunghaft an, und der Prozess geht ins Tiefschweißen über.

Zum Tiefschweißen sind sehr hohe Leistungsdichten von etwa 1 Megawatt pro Quadratzentimeter nötig. Der Laserstrahl schmilzt das Metall dann nicht nur auf, sondern erzeugt auch Dampf. Wenn der Dampf abströmt, übt  er Druck auf die Schmelze aus und verdrängt sie teilweise. Das Werkstück schmilzt noch weiter auf. Ein tiefes, schmales, dampf­ gefülltes Loch bildet sich: eine Dampfkapillare – auch Keyhole  genannt (englisch für Schlüsselloch).

Die Dampfkapillare ist von Metallschmelze umgeben. Wenn sich der Laserstrahl über die Fügestelle bewegt, bewegt sich die Dampfkapillare mit ihm durch das Werkstück. Die Metallschmelze umfließt die Dampfkapillare und erstarrt an der Rückseite. Auf diese Weise bildet  sich eine schmale, tiefe Schweißnaht mit gleichmäßigem Ge­füge. Die Nahttiefe ist bis zu 10­mal größer als die Nahtbreite und kann bis zu 25 Millimeter betragen.

An den schmelzflüssigen Wänden der Dampfkapillare wird der Laserstrahl vielfach reflektiert. Dabei absorbiert die Schmelze den Laserstrahl fast vollständig, und der Wirkungsgrad des Schweißprozesses steigt. Wenn mit CO2­Lasern geschweißt wird, absorbiert auch der Dampf im Keyhole Laser­licht und wird teilweise ionisiert. Plasma entsteht. Das Plasma  bringt ebenfalls Energie ins Werkstück.

Tiefschweißen zeichnet sich daher durch einen hohen Wirkungsgrad und hohe Schweißgeschwindigkeiten aus. Dank der hohen Geschwindigkeit ist die Wärmeeinflusszone klein und der Verzug gering. Das Verfahren wird angewendet, wenn hohe Einschweißtiefen gefordert sind oder mehrere Werkstofflagen auf einmal geschweißt werden sollen.