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應用的重要方面之一。20世紀70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨特的優點，已成功應用于微、小型零件的精密焊接中。

一、激光光源技術

激光光源是焊接能量的核心來源，其性能直接影響焊接質量和效率。

• 激光器類型

• CO?激光器：波長 10.6μm，輸出功率高（可達萬瓦級），適合厚板焊接，但設備體積較大，電光轉換效率較低（約 10%-15%）。

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

• 碟片激光器 / 固體激光器：兼具高功率和高光束質量，適用于中厚板焊接及三維復雜結構加工。

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

• 光源穩定性與調制技術

• 需保證激光功率、脈沖頻率、波形（如連續波 CW、脈沖波 PW）的穩定性，通過電源穩壓、溫控系統實現。

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

二、光學系統技術

光學系統負責激光的傳輸、聚焦及能量分布控制。

• 光束傳輸與聚焦

• 光纖傳輸：柔性光纖可實現遠距離傳輸，配合機器人手臂完成復雜軌跡焊接，常用于自動化產線。

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

• 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），焊接深度大、速度快。

• 多模光束：能量分布較均勻，適合熱傳導焊，適用于薄板或表面焊接。

• 光束整形技術：通過衍射光學元件（DOE）或振鏡系統，將光束整合成環形、線形等特殊形狀，優化焊接接頭強度（如汽車電池極耳焊接）。

三、焊接工藝控制技術

工藝參數的精準調控是保證焊接質量的關鍵。

• 核心參數控制

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

• 焊接速度：與功率匹配，速度過快易導致未熔合，過慢則熱影響區擴大。

• 離焦量：焦點與工件表面的距離，影響熔深和熔寬，正離焦（焦點在工件上方）適合薄板，負離焦（焦點在工件內部）適合厚板。

• 材料適應性技術

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

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

• 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 10mm 以上），效率高，適用于厚板。

• 熱傳導焊：能量通過熱傳導擴散，熔深淺（<1mm），適合薄板精密焊接。

四、自動化與智能化控制技術

實現高精度、高效率焊接的核心支撐。

• 運動控制系統

• 數控（CNC）系統：控制工作臺或激光頭的三維運動，精度可達 ±0.01mm，適用于復雜焊縫（如曲線、三維結構）。

• 機器人集成：六軸工業機器人配合激光焊接頭，實現柔性化生產，常見于汽車白車身焊接。

• 實時監測與反饋

• 視覺傳感：通過 CCD 相機、激光傳感器實時定位焊縫，補償工件裝配誤差（如焊縫跟蹤技術）。

• 等離子體 / 溫度監測：利用紅外傳感器、光電探測器監測焊接過程中的等離子體信號或溫度場，動態調整參數（如功率、速度），避免焊穿或未熔合。

• 智能化工藝庫
  基于大數據建立材料 - 參數數據庫，通過 AI 算法自動推薦最優工藝（如功率、速度組合），減少工藝調試時間。

五、輔助技術與系統集成

提升焊接質量和穩定性的配套技術。

• 氣體保護技術

• 采用氬氣、氮氣等保護氣體，防止焊接區氧化（尤其適用于鋁合金、鈦合金），同時吹除熔池上方的等離子體云，提高能量傳輸效率。

• 復合焊接技術

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

• 激光 - 超聲復合焊：超聲振動促進熔池流動，減少氣孔和裂紋，適用于高熔點材料或異種金屬焊接。

• 冷卻與安全系統

• 水冷系統控制激光器和光學元件溫度，避免過熱損壞；安全防護裝置（如激光防護罩、急停按鈕）符合激光安全等級（如 Class IV）。

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激光焊接的核心技術圍繞 “能量產生 - 傳輸 - 控制 - 應用” 鏈條展開，通過光源、光學、工藝、自動化等技術的協同，實現從微米級精密焊接到毫米級厚板焊接的全場景覆蓋。未來，隨著高功率光纖激光、智能化控制及復合焊接技術的發展，激光焊接將在新能源、高端制造等領域發揮更關鍵的作用。

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