激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。

一、激光光源技术

激光光源是焊接能量的核心来源，其性能直接影响焊接质量和效率。

• 激光器类型

• CO₂激光器：波长 10.6μm，输出功率高（可达万瓦级），适合厚板焊接，但设备体积较大，电光转换效率较低（约 10%-15%）。

• 光纤激光器：波长 1.06μm 左右，电光转换效率高（可达 30% 以上），光束质量好，体积紧凑，适合高速焊接和精密加工，近年应用广泛。

• 碟片激光器 / 固体激光器：兼具高功率和高光束质量，适用于中厚板焊接及三维复杂结构加工。

• 半导体激光器：波长较短（如 808nm），能量集中度高，常用于薄板焊接或与其他激光器复合使用。

• 光源稳定性与调制技术

• 需保证激光功率、脉冲频率、波形（如连续波 CW、脉冲波 PW）的稳定性，通过电源稳压、温控系统实现。

• 脉冲调制技术可控制能量输入，适用于热敏感材料（如铝合金、铜）的焊接，减少热变形。

二、光学系统技术

光学系统负责激光的传输、聚焦及能量分布控制。

• 光束传输与聚焦

• 光纤传输：柔性光纤可实现远距离传输，配合机器人手臂完成复杂轨迹焊接，常用于自动化产线。

• 反射 / 折射光学元件：如反射镜、透镜，需耐高温、低损耗，确保光束聚焦精度（焦点直径可至微米级）。

• 光束模式与能量分布

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

• 多模光束：能量分布较均匀，适合热传导焊，适用于薄板或表面焊接。

• 光束整形技术：通过衍射光学元件（DOE）或振镜系统，将光束整合成环形、线形等特殊形状，优化焊接接头强度（如汽车电池极耳焊接）。

三、焊接工艺控制技术

工艺参数的精准调控是保证焊接质量的关键。

• 核心参数控制

• 功率密度：决定焊接模式（热传导焊 vs 深熔焊），需根据材料厚度调整（深熔焊功率密度通常 > 10⁶W/cm²）。

• 焊接速度：与功率匹配，速度过快易导致未熔合，过慢则热影响区扩大。

• 离焦量：焦点与工件表面的距离，影响熔深和熔宽，正离焦（焦点在工件上方）适合薄板，负离焦（焦点在工件内部）适合厚板。

• 材料适应性技术

• 异种材料焊接：如铜铝、钢铝焊接时，需控制热输入避免脆性相生成，可通过激光脉冲调制、添加中间层等方式改善。

• 高反射率材料：铜、铝等材料对 1μm 波长激光反射率高，需采用高功率光纤激光器或半导体激光器，配合光束摆动技术提高能量吸收。

• 焊接模式

• 深熔焊（小孔焊）：激光使材料气化形成小孔，能量直接作用于深层，熔深大（可达 10mm 以上），效率高，适用于厚板。

• 热传导焊：能量通过热传导扩散，熔深浅（<1mm），适合薄板精密焊接。

四、自动化与智能化控制技术

实现高精度、高效率焊接的核心支撑。

• 运动控制系统

• 数控（CNC）系统：控制工作台或激光头的三维运动，精度可达 ±0.01mm，适用于复杂焊缝（如曲线、三维结构）。

• 机器人集成：六轴工业机器人配合激光焊接头，实现柔性化生产，常见于汽车白车身焊接。

• 实时监测与反馈

• 视觉传感：通过 CCD 相机、激光传感器实时定位焊缝，补偿工件装配误差（如焊缝跟踪技术）。

• 等离子体 / 温度监测：利用红外传感器、光电探测器监测焊接过程中的等离子体信号或温度场，动态调整参数（如功率、速度），避免焊穿或未熔合。

• 智能化工艺库
  基于大数据建立材料 - 参数数据库，通过 AI 算法自动推荐最优工艺（如功率、速度组合），减少工艺调试时间。

五、辅助技术与系统集成

提升焊接质量和稳定性的配套技术。

• 气体保护技术

• 采用氩气、氮气等保护气体，防止焊接区氧化（尤其适用于铝合金、钛合金），同时吹除熔池上方的等离子体云，提高能量传输效率。

• 复合焊接技术

• 激光 - 电弧复合焊：激光与 MIG、TIG 电弧结合，弥补激光对间隙敏感性的不足，提高焊接速度和熔深（如船舶厚板焊接）。

• 激光 - 超声复合焊：超声振动促进熔池流动，减少气孔和裂纹，适用于高熔点材料或异种金属焊接。

• 冷却与安全系统

• 水冷系统控制激光器和光学元件温度，避免过热损坏；安全防护装置（如激光防护罩、急停按钮）符合激光安全等级（如 Class IV）。

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激光焊接的核心技术围绕 “能量产生 - 传输 - 控制 - 应用” 链条展开，通过光源、光学、工艺、自动化等技术的协同，实现从微米级精密焊接到毫米级厚板焊接的全场景覆盖。未来，随着高功率光纤激光、智能化控制及复合焊接技术的发展，激光焊接将在新能源、高端制造等领域发挥更关键的作用。

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