激光焊接领域激光焊接头的主要性能与结构

激光焊接是最早普及的激光工业应用之一，国内外很多重要的激光应用公司都是从激光焊接起步。乃至现在，激光焊接技术已经成为很多行业的标准工艺，比如汽车、航空和近年兴起的动力电池等行业。

无论采用什么样的激光源，焊接的目的就是将两块材料，可能是同种材料，也可能是不同材料，加热融化，然后重新凝结成一块材料。

图1 激光焊接示意图

焊接本身是一个看似简单，其实极其复杂的过程(见图1)，其中涉及两种材料的融化、熔池的形成和混合、等离子气体的产生、保护气体的作用，以及重结晶和材料相变等过程。材料温度从室温迅速上升到1000多度，然后又迅速降到室温附近。这一切都在接近千分之一秒的时间内完成。焊接完成的材料具有与原本材料类似或者更好的性能，例如机械强度相当、耐腐蚀性不变等。

如此复杂且多变的过程却要求保证极高的良品率，除了工艺探索中的反复尝试和技术创新外，整个焊接过程的优异控制性以及调整能力都是必不可少的。这些要求同样适用于激光焊接头，只是简单地提供聚焦能力是远远不够的，具备精确的控制性和丰富的调整能力才算的上是一个现代的焊接头。

焊接头的主要性能

现代的激光焊接头已经不再是单纯的光机组件，而是融合了光学、机械、传感、影像、控制、通信、态势感知和算法等多种功能集于一体的、具备前端智慧的子系统。先进的激光焊接头应该成为智慧化加工系统的重要基础。

要实现这个目的，激光焊接头应具备3个重要特征：

(1)对激光聚焦光斑的多维度控制能力。包括自动对焦、光斑摆动、平顶光束等现代手段;

(2)当加工状态偏离设定目标时的快速应变能力，例如由于定位误差导致的焊缝偏离、加工中材料的变形等，从而减轻主机系统的执行负担;

(3)可拓展的通信能力。说到底，激光焊接头也只是一个末端组件，因此需要与主机系统进行大量的数据交换，包括实时的影像、焊接头的工作状态，以及主机系统发过来的动作参数等。在一个中等规模的加工生产线上，可能有3～10台不同的激光焊接机同时工作，因此焊接头需要具备寻址功能、双向缓存和适应不同拓扑结构的多种通信接口。

图2 激光焊接头典型结构

典型的激光焊接头的结构如图2所示，它包含了大多数先进焊接头的功能，而实际的激光焊接头是这个结构的一个合理裁剪版。按照每个功能模块的相对重要性的顺序，这些结构作用和组成如下：

01 光学准直和聚焦

将光纤激光器输出的激光束，经过准直和聚焦到工作面上。由于高功率激光的热问题，激光焊接头必须具备焦点的热补偿能力。

02 窗口保护

在焊接过程中产生大量烟雾等污染物，合理的气门设计和具备防污染性能的窗口片，可以降低产线的停工时间，并有效地控制配件更换的成本。

03 光斑摆动和扫描轨迹控制

扫描路径可编程能力和每分钟大于1万转(>10000 rpm)的摆动速度，对于防止飞溅、提高工艺稳定性，尤其是对于某些难焊材料的焊接至关重要，是现代激光焊接头的一个显著特征。

04 传感系统

用于探测焊接头的温度、内部气压和镜片的污染等实时使用状况。其中比较特殊的高度传感器和防撞传感器，是用于检测焊接头与加工面的距离，以及出现误运动时，及时发出警报信号。在与机械手配合工作时，特别有价值。

05 实时影像和分析

捕捉焊接的工作影像，并提供初步的数据分析，例如是否出现严重漏焊等错误。

06 光学调焦和补偿

在焊接复杂3D曲面时，尤其是存在快速变化的曲线、热变形导致的工件起伏等情况时，利用焊接头本身的快速调焦和补偿功能，可以有效地减缓中控系统的运算负荷，提高补偿速度和效率。

07 光斑整形

在遇到难加工材料，如铜铝的焊接，可以根据焊接件的特性进行光斑强度分布的调整，会带来意想不到的好结果。

08 焊缝跟踪

焊缝跟踪无疑是减轻前期处理和工装夹具精度的有用功能。另一方面，对于小批量、多品种的焊接加工，也极大地降低了焊接编程的工作量，最受工程师的欢迎。

09 控制中心

基于微芯片和处理器的中控系统的功能越来越强大，也是未来最具提升价值的一块。

10 通信接口

高速通信接口适应多拓扑网络结构。

奥莱光电同轴测温视觉单聚焦激光焊接头图片

奥莱光电同轴测温视觉单聚焦激光焊接头利用系统同轴CCD摄像头与监视装置，对被焊接工件进行定位。激光控制单元接收定位完成信号，激光对焊接区域进行设定时间内的局部照射。激光焊接系统是以激光二极管为热源，通过激光实行局部非接触 加热，它具有非接触性，无需更换烙铁头，激光光束直径小等优点。特别是有部分不适用波峰，回流的部品，只能通过后装工序，利用局部加热方法来完成整个产品的组装。

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