激光焊接机
激光焊接机，又常称为激光焊机、镭射焊机，是激光材料加工用的机器。它的总体结构包括电源、主机柜、激光器、冷却系统等。激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊接质量好等特点。
美国是世界上应用激光最早的国家，至21世纪初，世界激光焊接技术取得突破性进展。广泛应用于制造业、粉末冶金、汽车工业、电子工业、生物医学等其他领域。
发展历史
美国是世界上应用激光最早的国家，从60年代后期开始投入研究。1965年，美国的安德逊(A naren)和杰克( Jacken）首次使用激光焊灯丝，使第一台激光器的研制成功,给激光加工工业树立了一个新的里程碑。
随后，J-KLaserS 公司、JE·CLaser公司、雷通(Rayt heons)公司相继研制出激光焊接机。
日本在激光焊接方面也做了大量的工作、松下产业机器公司、东芝都研制出了不同型号的加工装置。在国际间的竞争中,日本的激光加工的应用可以与美国分庭抗争。它的激光应用的重点是在普通金属及合金的常规激光。
中国激光焊接技术与世界先进水平相比存在一些差距。在20世界70年代以前，由于高功率连续(CW)激光器尚未开发出来，所以研究重点集中在脉冲激光焊接(PW)上。早期的激光焊接研究实验大多数是利用脉冲激光器。当时虽然能够活的较高的脉冲能量，但这些激光器的平均输出功率P却相当低，这主要是由激光器很低的工作效率和发光物质的受激性状决定。激光器由于具有较高的平均功率，在它出现之后很快就成为点焊和缝焊的优选设备。有十几家单位研制出不同系列的激光焊接系统。如JH系列焊接机，其脉冲重复频率为20次/秒，单脉冲最大输出能量大于10 J，脉宽可调,用于密封焊接,使产品的气密性达到较好的要求，并用z-80单板机进行控制。用玻璃激光器进行钢笔尖上的焊接，其输出能量为50 J。
至21世纪初，高亮度、大功率、高质量激光束的出现，以及激光输出多样性脉冲控制的实现，激光焊接在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本方面取得突破性进展。
20世纪90年代，中国焊接界把实现焊接过程的机械化、自动化作为战略目标，已经在职各行业的科技发展中付诸实施。在发展焊接生产自动化，研究和开发焊接生产线及柔性制造技术，发展应用计算机辅助设计与制造等方面均有长足进步。
工作原理
激光焊接机的工作原理主要是利用激光能量，即激光束聚焦获得的高功率光斑投射使物体表面温度急剧升高，熔化金属从而完成焊接。。
这些物理现象决定了焊接过程热作用机制，使得激光焊接存在热导焊和深熔焊两种焊接模式。两种模式的转变主要取决于作用在材料上的激光斑点功率密度。对于特定的材料，存在一个特定的功率密度阈值。当作用于材料的激光功率密度低于该阈值时，激光能量被材料表面吸收并很快向材料内部传输，形成宽深比较大的热导焊缝。而当作用于材料的激光功率密度高于该阈值时，在工件表面还来不及向材料内部传热之前，激光能量就使材料表面迅速升温、熔化和气化，并随着激光能量的继续输人，形成沿穿透厚度方向的小孔。小孔周围为液体金属熔池，小孔内充满了高温金属蒸气和等离子体。高温金属蒸气和等离子体的膨胀力与小孔周围液体金属的重力和表面张力共同作用，维持小孔的稳定存在小孔沿着焊接方向移动，后部熔池迅速冷却凝固，并形成深宽比较大的深熔焊缝。也即激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池。
基本构造
激光焊接设备，总体结构包括电源、主机柜、激光器、冷却系统等。但不管采用哪种激光器，它们的组成大都相似，一台激光焊接机通常由激光器和数控执行系统组成。
工艺特点
特点
激光焊接是一种新型的焊接方式，主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等，深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化。
优点
激光焊接的优点主要有:
能量密度高度集中,焊接时加热和冷却速度极快,热影响区小,焊接应力和变形很小;
非接触加工,对焊件不产生外力作用,适合焊接难于接触的部位;
激光可以通过光学元件进行传输和变换,易于与机器人配合,自动化程度和生产效率高;
焊接工艺稳定,焊缝表面和内在质量好,性能高;
能够焊接高熔点,高脆性的难熔金属、陶瓷、聚甲基丙烯酸甲酯和异种材料;
绿色环保,没有污染，不受电场磁场干扰,不需要真空保护。
缺点
激光焊接的缺点主要有:
焊接硬性材料时易形成硬脆接头;
合金元素蒸发造成焊缝产生气孔和咬边;
对焊件装配,夹持及激光束精确调整要求较高;
能源转换效率低，设备昂贵，焊接成本较高。
主要分类
在具体实践中，激光焊接机通常又被称为激光焊机，也有称为镭射焊机等。一般都是按照激光焊接机的工作方式进行分类，总体而言其分为自动激光焊接机、激光模具烧焊机（又称为手动激光焊接设备）等五大类。
自动激光焊接机
自动激光焊接机一般用于金属工程零件的直线、圆周、弧形等自动焊接，大面积应用于移动电话的电池、金银首饰、电子电器元件、精密传感器、时钟手表、相对精密的机械、通话通信、精细工艺品等行业，也常用于需要同时焊接两个位置的场景，如电容、电阻等电极，以及需要焊接的特殊工艺。
激光模具烧焊机
大多为手持式，操作的时候一般采用手工焊接的方式，应用最多的领域大多是数码产品、汽车、摩托车等模具制造，以及需要成型行业的模具制造和修补等。另外，经常应用于军事领域、高精领域及其他汽车传感器、信息武器的焊接。
光纤传输激光焊接机
与同类产品相比较，光纤传输激光焊接机比其他产品更为精密，具有不可替代的优点，主要有：光斑细、光束质量好等，通常适用于精密零件、医疗器械、微电子元件、光纤连接器、高档数码组件等领域的焊接。
激光点焊机
激光点焊机不常用于大件焊接，主要用于电子元器件补孔、金银首饰、焊镶口、点焊砂眼等小件领域。
传感器焊接机
传感器焊接机应用领域较其他焊接机更为特殊，专门为各种温度传感器、水下传感器、特种传感器等场景施行密封焊接。
技术参数
激光焊接机的技术参数主要包括功率密度、脉冲宽度、脉冲波形、离焦量影响等。
功率密度
激光加工中最为关键的参数之一就是功率密度。功率密度越高，表层加热至沸点的时间越短，通常在微秒时间范围内就能产生大量汽化。因此，在诸如切割、打孔、雕刻等需要进行材料去除加工的领域，高功率密度有明显优势。但在功率密度较低的情况下，焊接对象的表层温度需要经历数毫秒才能达到沸点，在表层汽化前，底层能够达到熔点，这样一来就比较容易完成良好的熔融和焊接。所以，在传导型激光焊接中功率密度通常较低，具体范围在104~106W/cm2。
脉冲宽度
在脉冲焊接中，脉冲宽度是重要参数之一，它的参数能够有效的区别于材料去除和材料熔化，同时也在很大程度上决定了加工设备的生产成本，是加工设备造价和加工设备体积的关键参数。
脉冲波形
在焊接中，脉冲波形是一个重要问题，特别对于薄片焊接尤为重要。主要原理是：当材料表面被高强度束照射，金属表面将会产生反射，从而损失掉一部分能量。而且，反射率随表面温度变化，和表面温度密切相关。通常来看，在一个脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。
离焦量的影响
在焊接过程中，功率密度过高的地方是激光焦点处的光斑中心，容易让焊接对象蒸发成孔。在焦点之外的其他各平面上，功率密度的分布较为均匀。离焦方式一般有两种：负离焦与正离焦。焦平面位于工件下方为负离焦，反之正离焦。根据几何光学理论，当负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关，正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。。
应用领域
激光焊接机应用广泛，广泛应用于制造业、粉末冶金、汽车工业、电子工业、生物医学等其他领域。
制造业
原材料制造加工
日本以CO2激光焊代替闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等。
汽车工业
激光焊接是汽车剪裁坯板生产的先进技术，在欧洲、美国、日本等各大汽车厂家的整车制造中得到了广泛的应用。早在20世纪80年代，欧洲的汽车制造厂就开始将激光焊接技术应用到侧框、车顶、车身等金材料的焊接上；90年代，美国老威廉·福特、克莱斯勒汽车公司和通用等汽车公司也利用激光焊接技术进行车辆生产制造，并且发展的速度相当快；意大利的菲亚特汽车公司公司在钢板组件的焊接装配中大部分采用了激光焊接技术；日本的丰田汽车和日产（企业）在车身覆盖件的制造生产中都使用了激光焊接和切割技术。德国的奔驰汽车公司还采用了在铝合金车身骨架焊接的焊缝中填充金属材料的生产线，有利于提高焊接速度，消除热裂纹。据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。根据美国金属市场统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70万吨。在工艺方面美国Sandia国家实验室与Pratt Witney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不来梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在工厂投入生产。
电子工业
随着电子工业的发展，电子元器件不断向小型化、集成化方向发展，传统的焊接技术已经不具备焊点小、焊接强度高、热影响区小的特点。相反激光焊接技术可以满足现代电子工业焊接的需求，特别是在微电子领域得到了广泛应用：日本应用激光点焊对双层电容器的锂电池连接端与引线进行焊接，测得的平均强度是传统焊接工艺的2倍二在仪器仪表的表芯封装、通讯设备中的同轴零件、信号传输元件、微波组件等的生产和装配中采用激光焊接技术，以提高焊接精度、装配质量，满足对生产率和生产质量的要求。
冶金工业
随着科技的不断进步发展，在一些特殊领域对材料的属性有特殊的要求，传统冶金铸造工艺制造的材料在很大程度上已经不能完全满足使用要求。粉末冶金材料具有特殊的性能和优点，在汽车、飞机、工具等领域逐渐取代传统的冶铸材料，而与其他零部件的连接问题突出，极大地限制了粉末冶金的发展。20世纪80年代初，激光焊接进入到粉末冶金行业，为其应用发展奠定了基础，开辟了道路。典型的应用是在制造金刚石工具中，采用激光焊接，条件选择得当时，可以提高耐高温性和焊接强度：20世纪80年代初Mosca发现CO，能成功地焊接某些P/M材料，德国的Dr．Fritsch Sonder Maschinen Gmbh公司研究出焊接金刚石钻头和锯片，提高了焊接强度。中国成功地将激光焊接技术应用于金刚石刃具的生产中，改变了传统的焊工艺
生物医学
20世纪70年代，Klink及Jain等开始研究对血管和输卵管的激光焊接，并取得了成功，显示出了激光焊接技术在生物组织中的优越性。这使得更多的研究人员开始研究并推广激光焊接应用于其他生物组织，在神经焊接方面，国内外的研究者主要集中研究激光波长、剂量、焊料以及焊接后功能恢复等方面，中国在对小血管和皮肤激光焊接进行研究的基础上对大白鼠的胆总管进行了研究。目前，国内医学上应用激光焊接较多的领域主要是口腔修复，激光焊接以其快速愈合并且不会发生异物反应、焊接后的部位可以保持良好的力学性能、被修复组织可按照原有组织状态生长的优点而会在以后的生物医学领域得到越来越多的应用和发展。
航空工业
激光焊接与航空制造工业相结合是一种在现代航空制造领域中应用轻质合金的重要手段，对航空器结构件、发动机部件间的连接起着非常重要的作用。20世纪70年代，美国开始利用15kW CO激光器进行飞机制造业焊接实验，在空中客车A340飞机中的全部铝合金内隔板均采用激光焊接，大大简化了飞机机身的制造工艺；机身蒙皮与筋板的激光焊接取得了突破性进展，并已经在空中客车A380上得到了应用，在相同的结构刚度条件下，采用激光焊接技术取代传统的铆接能减轻机身质量的10%一20%，强度提高近20%，中国也在研究激光焊接技术在航空器上的应用。
其他领域
由于国内外科研人员和生产商的高度重视，激光焊接在特殊领域，如BT20钛合金、HE130合金、Li - ion电池、玻璃等得到快速发展和应用，激光焊接开拓了柔性化的新方式，可以利用机器人进行水下焊接及危险地域焊接。
发展趋势
激光器发展
激光焊接机是伴随着激光器的发展而发展的，从焊接对激光器的要求来看，激光器将有如下四个方面的发展。
高功率的固体激光材料
在一些材料的焊接中，为了增大熔深以及扩大材料的可焊性，要求提高激光器的输出能量，因此大尺寸棒是一个选择。
高效率
固体激光器的输出效率一般为2~3 %，低于二氧化碳激光器效率的1╱10。因此，提高固体激光器的效率也是当今科技人员研究的一个课题。
可变波长
材料从激光加工角度看，对于不同的激光波长，金属材料的吸收和反射作用也不同。因此，选择合适的波长能够提高加工效率。例如:利用声子终态能级和利用色心的方法，以达到改变波长的目的。
提高重复频率
为了降低生产成本和提高焊接质量，在保证高能量输出的同时,将提高单位时间的脉冲次数。
整机性能发展
从提高激光焊接机整机性能来看，现在许多产品的供应商为激光加工中心提供多维运动装置，如高性能光学系统，联机观察与检验装置，零件自动装卸以及成套计算机控制接口。零件相对于聚焦点定位方法，是通过移动零件或移动光学系统或两者结合起来实现的，这样将把激光焊接机系统推向更高的水平。
人工智能介入
机器人的使用也有助于把激光焊接机纳入制造过程。在国外一些厂商正研制这一方面的应用。此外，法国正在朝着利用人工智能，使激光材料加工最佳化方面努力。
功能整合及增效
一台激光焊接机,如果能成为一台多用途的设备，这必然会受到许多厂商的欢迎。把一台焊接机变成能进行打孔、切割、表面处理等多种功能的设备，将可以降低设备的成本。新的激光焊接方法的主要发展方向是提高加热、冷却和变形速度，这将可以提高被加工材料的晶格的集中程度和改变它们在材料中的分布情况，以便改善材料的焊接特性。
中国已把激光技术列为国家重点攻关项目。可用来进行激光加工的种类及材料可焊范围，将随着激光焊接机的发展而增加。
技术对比
钎焊
常规钎焊特点是被焊基材不熔化，而用另一种低熔合金作为钎料把两种基材连接。激光焊可省去钎料而减少材料耗费，同时可提高焊接接头使用温度而改善接头性能。
电弧焊
许多不同种类的弧焊都是输送热量到接头表面，导致缝宽大、熔深浅。当进行深熔焊时，必需多层焊接并使用填充焊丝。它与能量集中的激光焊相反，弧焊输入工件的总热量高，导致变形和大的热影响区。
熔化极气体保护焊
它使用消耗电极与保护气体，可实现自动化，用来焊接大多数金属。激光焊则不需要电极，变形小、速度快，可单道双面焊一次成形。但熔化极气体保护焊比激光焊更适用于厚工件连接，当然，这时要加填充焊丝。
钨极氩弧焊
使用非消耗电极与保护气体,常用来焊接薄工件，但焊接速度相当慢,且热输入比激光焊大很多，易产生变形。
埋弧焊
激光焊不需要埋弧焊所用焊剂和焊丝，变形也小，速度快。
等离子弧焊
它与钨极氩弧焊类似，但其焊炬会产生压缩电弧。以提高弧温和能量密度。它比钨极氩弧焊速度快、熔深大，但仍逊于激光焊。
电阻焊
它用来焊接薄金属件，在两个电极间夹紧被焊工件通过大的电流熔化电极接触的表面﹐即通过工件电阻发热来实施焊接。电阻焊通过接头两边焊合,而激光焊只从单边进行;电阻焊所用电极需要经常维护以清除氧化物和从工件粘连着的金属，而激光焊并无此忧虑﹐因激光焊接薄金属搭接接头时并不接触工件;再者,光束还可进入常规焊难以焊及的区域,焊接速度也快。
电子束焊
它靠一束加速高能密度电子流撞击工件，在工件表面很小容积内产生巨大的热，形成“小孔”效应，从而实施深熔焊接。电子束的主要缺点是需要高真空环境以防止电子散射。非真空电子柬焊也可实施,但由于电子散射而聚焦不好影响焊接效果。电子束焊还有磁偏移和X射线问题。由于电子带电，会受磁场偏转影响，故要求电子束焊工件焊前去磁处理。X射线在高压下特别强，需要对操作人员实施保护。激光焊则不需要真空室和对工件焊前进行去磁处理，它可在大气中进行，也没有防X射线问题，所以可在生产线内联机操作,也可焊接磁性材料。
参考资料
激光焊接技术.中国大百科.2023-12-03