激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。20世紀(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過(guò)程屬熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。

一、激光光源技術(shù)

激光光源是焊接能量的核心來(lái)源，其性能直接影響焊接質(zhì)量和效率。

• 激光器類型

• CO?激光器：波長(zhǎng) 10.6μm，輸出功率高（可達(dá)萬(wàn)瓦級(jí)），適合厚板焊接，但設(shè)備體積較大，電光轉(zhuǎn)換效率較低（約 10%-15%）。

• 光纖激光器：波長(zhǎng) 1.06μm 左右，電光轉(zhuǎn)換效率高（可達(dá) 30% 以上），光束質(zhì)量好，體積緊湊，適合高速焊接和精密加工，近年應(yīng)用廣泛。

• 碟片激光器 / 固體激光器：兼具高功率和高光束質(zhì)量，適用于中厚板焊接及三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工。

• 半導(dǎo)體激光器：波長(zhǎng)較短（如 808nm），能量集中度高，常用于薄板焊接或與其他激光器復(fù)合使用。

• 光源穩(wěn)定性與調(diào)制技術(shù)

• 需保證激光功率、脈沖頻率、波形（如連續(xù)波 CW、脈沖波 PW）的穩(wěn)定性，通過(guò)電源穩(wěn)壓、溫控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

• 脈沖調(diào)制技術(shù)可控制能量輸入，適用于熱敏感材料（如鋁合金、銅）的焊接，減少熱變形。

二、光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)

光學(xué)系統(tǒng)負(fù)責(zé)激光的傳輸、聚焦及能量分布控制。

• 光束傳輸與聚焦

• 光纖傳輸：柔性光纖可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，配合機(jī)器人手臂完成復(fù)雜軌跡焊接，常用于自動(dòng)化產(chǎn)線。

• 反射 / 折射光學(xué)元件：如反射鏡、透鏡，需耐高溫、低損耗，確保光束聚焦精度（焦點(diǎn)直徑可至微米級(jí)）。

• 光束模式與能量分布

• 基模（TEM00）光束：能量集中度高，適合深熔焊（小孔效應(yīng)），焊接深度大、速度快。

• 多模光束：能量分布較均勻，適合熱傳導(dǎo)焊，適用于薄板或表面焊接。

• 光束整形技術(shù)：通過(guò)衍射光學(xué)元件（DOE）或振鏡系統(tǒng)，將光束整合成環(huán)形、線形等特殊形狀，優(yōu)化焊接接頭強(qiáng)度（如汽車電池極耳焊接）。

三、焊接工藝控制技術(shù)

工藝參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

• 核心參數(shù)控制

• 功率密度：決定焊接模式（熱傳導(dǎo)焊 vs 深熔焊），需根據(jù)材料厚度調(diào)整（深熔焊功率密度通常 > 10?W/cm2）。

• 焊接速度：與功率匹配，速度過(guò)快易導(dǎo)致未熔合，過(guò)慢則熱影響區(qū)擴(kuò)大。

• 離焦量：焦點(diǎn)與工件表面的距離，影響熔深和熔寬，正離焦（焦點(diǎn)在工件上方）適合薄板，負(fù)離焦（焦點(diǎn)在工件內(nèi)部）適合厚板。

• 材料適應(yīng)性技術(shù)

• 異種材料焊接：如銅鋁、鋼鋁焊接時(shí)，需控制熱輸入避免脆性相生成，可通過(guò)激光脈沖調(diào)制、添加中間層等方式改善。

• 高反射率材料：銅、鋁等材料對(duì) 1μm 波長(zhǎng)激光反射率高，需采用高功率光纖激光器或半導(dǎo)體激光器，配合光束擺動(dòng)技術(shù)提高能量吸收。

• 焊接模式

• 深熔焊（小孔焊）：激光使材料氣化形成小孔，能量直接作用于深層，熔深大（可達(dá) 10mm 以上），效率高，適用于厚板。

• 熱傳導(dǎo)焊：能量通過(guò)熱傳導(dǎo)擴(kuò)散，熔深淺（<1mm），適合薄板精密焊接。

四、自動(dòng)化與智能化控制技術(shù)

實(shí)現(xiàn)高精度、高效率焊接的核心支撐。

• 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

• 數(shù)控（CNC）系統(tǒng)：控制工作臺(tái)或激光頭的三維運(yùn)動(dòng)，精度可達(dá) ±0.01mm，適用于復(fù)雜焊縫（如曲線、三維結(jié)構(gòu)）。

• 機(jī)器人集成：六軸工業(yè)機(jī)器人配合激光焊接頭，實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，常見(jiàn)于汽車白車身焊接。

• 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋

• 視覺(jué)傳感：通過(guò) CCD 相機(jī)、激光傳感器實(shí)時(shí)定位焊縫，補(bǔ)償工件裝配誤差（如焊縫跟蹤技術(shù)）。

• 等離子體 / 溫度監(jiān)測(cè)：利用紅外傳感器、光電探測(cè)器監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程中的等離子體信號(hào)或溫度場(chǎng)，動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)（如功率、速度），避免焊穿或未熔合。

• 智能化工藝庫(kù)
  基于大數(shù)據(jù)建立材料 - 參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò) AI 算法自動(dòng)推薦最優(yōu)工藝（如功率、速度組合），減少工藝調(diào)試時(shí)間。

五、輔助技術(shù)與系統(tǒng)集成

提升焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性的配套技術(shù)。

• 氣體保護(hù)技術(shù)

• 采用氬氣、氮?dú)獾缺Ｗo(hù)氣體，防止焊接區(qū)氧化（尤其適用于鋁合金、鈦合金），同時(shí)吹除熔池上方的等離子體云，提高能量傳輸效率。

• 復(fù)合焊接技術(shù)

• 激光 - 電弧復(fù)合焊：激光與 MIG、TIG 電弧結(jié)合，彌補(bǔ)激光對(duì)間隙敏感性的不足，提高焊接速度和熔深（如船舶厚板焊接）。

• 激光 - 超聲復(fù)合焊：超聲振動(dòng)促進(jìn)熔池流動(dòng)，減少氣孔和裂紋，適用于高熔點(diǎn)材料或異種金屬焊接。

• 冷卻與安全系統(tǒng)

• 水冷系統(tǒng)控制激光器和光學(xué)元件溫度，避免過(guò)熱損壞；安全防護(hù)裝置（如激光防護(hù)罩、急停按鈕）符合激光安全等級(jí)（如 Class IV）。

• 

激光焊接的核心技術(shù)圍繞 “能量產(chǎn)生 - 傳輸 - 控制 - 應(yīng)用” 鏈條展開(kāi)，通過(guò)光源、光學(xué)、工藝、自動(dòng)化等技術(shù)的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)從微米級(jí)精密焊接到毫米級(jí)厚板焊接的全場(chǎng)景覆蓋。未來(lái)，隨著高功率光纖激光、智能化控制及復(fù)合焊接技術(shù)的發(fā)展，激光焊接將在新能源、高端制造等領(lǐng)域發(fā)揮更關(guān)鍵的作用。

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