以大型薄壁结构双激光束双侧同步焊接(DLBSW)工艺与装备需求为牵引，开展高效激光焊接机理、技术、装备研究，突破了激光焊接微观热-力-冶金机理、形性一体化精准调控技术，形成了首套双激光束双侧同步焊接装备，完成了国内首个激光焊接火箭贮箱的研制。 技术特征 面向航空航天大型复杂曲面薄壁结构，提出了焊缝组织形态三维解构方法、面向微区缺陷与性能的组织形态重构与参数体系化设计方法；提出了智能化建模技术，形成了面向航空航天型号产品的虚拟焊接体系。

以大型薄壁结构双激光束双侧同步焊接(DLBSW)工艺与装备需求为牵引，开展高效激光焊接机理、技术、装备研究，突破了激光焊接微观热-力-冶金机理、形性一体化精准调控技术，形成了首套双激光束双侧同步焊接装备，完成了国内首个激光焊接火箭贮箱的研制。技术特征面向航空航天大型复杂曲面薄壁结构，提出了焊缝组织形态三维解构方法、面向微区缺陷与性能的组织形态重构与参数体系化设计方法；提出了智能化建模技术，形成了面向航空航天型号产品的虚拟焊接体系。应用范围:已有合作与成效：（1）与中国商飞合作，完成C919机身壁板结构DLBSW仿真研究与样件研制工作；（2）与上海航天技术研究院合作，将DLBSW技术应用于火箭燃料贮箱结构，成果完成了国内首个激光焊接火箭贮箱的研制工作；（3）与航天一院合作，开展新一代载人火箭贮箱箱底焊接变形控制研究。后续推广：为将来重型运载火箭、大型宽体客机、战略运输/轰炸机、下一代战斗机制造提供支持。

通过无损探伤、拉伸试验、水压试验和水压爆破试验对采用该技术制备的接 头进行了完整性和力学性能检测，测试结果合格。

面向高端装备发展对先进激光焊接技术的迫切需求，围绕大型薄壁关键构件激光焊接制造过程中的     重大科学技术问题展开研究，突破了大型薄壁构件激光焊接的关键共性技术，解决了大型薄壁构件激光 焊接过程稳定性、质量一致性和可靠性难题，开发出关键功能部件和成套技术装备，构建了大型薄壁构  件激光焊接制造理论和技术体系，显著提升了我国高端装备制造的自主创新能力和技术水平。项目成果 获中国机械工业科学技术奖一等奖 1 项，北京市科学技术奖二等奖 1 项。

塑料激光焊接技术是通过激光产生高温溶解，对两件产品进行固定的技术。塑料激光焊接技术主要用于连接敏感性的塑料制品，例如 PCB 电路板、精密塑料零件电子感应器、真空塑料制品，以及无菌医疗器械等要求密封及洁净度高的塑料制品。塑料激光焊接的优点是：焊接速度快，适用于精密器件焊接；能产生真空密封结构，防水防尘；焊接牢固，能够制造出超过原材料强度的焊接缝；焊接过程中树脂降解少，热损坏和热变形小，无飞边，焊缝严密，没有残渣。目前已有的塑料激光焊接采用的是10.6μm 的CO2激光器、1064nm的Nd：YAG激光器的和808nm的半导体激光器。但是对于某些材料如聚合物， 对1μm或0.8μm的光吸收太少，而对10μm或紫外线（UV）的吸收太强， 1.645μm是更合适的激光波段。此外， 1.645μm属于人眼安全波长，相对其它波长对人眼更安全（视网膜安全）。1.645μm激光器的应用包括透明塑料焊接，塑料面板的嵌入式或多层打标以及精密的聚合物薄膜焊接和切割。许多塑料材料在可见光中本质上是透明的，在1μm左右也有很高的透射率，但是在1.6μm附近的波长却没有。比如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚碳酸酯（PC），环烯烃共聚物（COC）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS），这四种不同类型的透明塑料透射光谱显示在1.645μm附近有很强的吸收峰，可以形成更好的焊接。

塑料激光焊接技术是通过激光产生高温溶解，对两件产品进行固定的技术。塑料激光焊接技术主要用于连接敏感性的塑料制品，例如 PCB 电路板、精密塑料零件电子感应器、真空塑料制品，以及无菌医疗器械等要求密封及洁净度高的塑料制品。塑料激光焊接的优点是：焊接速度快，适用于精密器件焊接；能产生真空密封结构，防水防尘；焊接牢固，能够制造出超过原材料强度的焊接缝；焊接过程中树脂降解少，热损坏和热变形小，无飞边，焊缝严密，没有残渣。目前已有的塑料激光焊接采用的是10.6μm 的CO2激光器、1064nm的Nd：YAG激光器的和808nm的半导体激光器。但是对于某些材料如聚合物， 对1μm或0.8μm的光吸收太少，而对10μm或紫外线（UV）的吸收太强， 1.645μm是更合适的激光波段。此外， 1.645μm属于人眼安全波长，相对其它波长对人眼更安全（视网膜安全）。1.645μm激光器的应用包括透明塑料焊接，塑料面板的嵌入式或多层打标以及精密的聚合物薄膜焊接和切割。许多塑料材料在可见光中本质上是透明的，在1μm左右也有很高的透射率，但是在1.6μm附近的波长却没有。比如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚碳酸酯（PC），环烯烃共聚物（COC）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS），这四种不同类型的透明塑料透射光谱显示在1.645μm附近有很强的吸收峰，可以形成更好的焊接。

本发明公开了一种激光焊接装置及方法，其中，焊接装置包括 控制单元、激光器和光学整形单元；激光器的控制端与控制单元的控 制端连接；光学整形单元置于激光器输出光束的光路上，其光轴方向 与激光器输出光束的中心方向重合；光学整形单元对激光器输出光束 进行整形，输出的均匀条形光斑照射在焊接生产线上；本发明公开的 激光焊接方法基于上述装置，采用均匀条形光斑照射移动的焊接生产 线上的工件，熔化焊料，实现工件焊接；为实现电子元器件双

【研究背景】 图1所示高斯光斑、平顶圆光斑和环形光斑作用在材料上的光强与温度场分布示意图，常规高斯光束能量分布不均匀，中心能量强边缘能量弱，使用高斯分布聚焦光斑进行激光焊接时，由于光斑中心部分吸收的激光能量高，材料容易熔化气化蒸发，从而产生飞溅、形成凹陷和空洞等缺陷。平顶光斑作用在材料上时，用于热传导的作用，还是会造成中心与边缘的温度场分布不均匀，焊接熔深呈现月牙分布。控制飞溅、凹陷和空洞等缺陷的关键因素是控制激光束的能量分布，减少中心材料温度和以及焊点中心和边缘的温度差。合理设计的环形光斑，有利于获得相对均匀性的温度场分布和相对均匀的熔深分布，减少飞溅、凹陷和空洞等焊接缺陷，是目前高端激光焊接应用的一个技术发展方向。 图1 不同光斑的光强分布和在材料上的温度场分布 【痛点问题】 现有基于摆动扫描方式和点环形模式可调光纤激光器，在一定程度上解决了激光焊接的飞溅问题，但是存在结构复杂，设备制造成本和维护成本高，而且不太适合高精密或大功率厚板的激光焊接。 【解决方案】 本成果从激光光学聚焦头的设计上，提出了申请专利技术的基于衍射光学元件和折射光学元件的环形光斑或点环产生方法，结构设计灵活方便，可适用于高精密激光焊接、高反射材料加工和高功率厚板激光焊接。 （1）基于衍射光学元件的环形光斑产生方法 为了解决能量分布不均匀以及光束敏感性的问题，本成果通过螺旋相位板产生涡旋光束来获得环形光斑进行焊接。螺旋相位板是一种具有固定折射率的透明板，其一面是平面结构，相对面具有螺旋形状结构，类似于旋转台阶，如图2所示。 图2 螺旋相位板结构 螺旋相位板其厚度随着方位角的变化而变化。高斯分布的激光束从螺旋相位板平面端面入射，光束中心与螺旋相位板中心对齐，出射的光束相位被改变，附加一个螺旋相位因子，能量分布变为环形分布，出射的光束变为涡旋光束，其中l为涡旋光束的拓扑荷数，影响涡旋光束能量较低区域的大小。螺旋相位板的台阶高度通常为微米量级，并且初始光束都是通过扩束系统扩束的，基本没有发散，因此，螺旋相位板对光束光强基本没有衰减，而只是改变光束的相位。利用螺旋相位板产生的涡旋光束解决了能量分布均匀性的问题，同时用螺旋相位板产生的涡旋光束的稳定性好，环形的能量分布特点，不容易受到外界其他因素影响，可以较为稳定地保持光斑均匀性。本成果具体产生涡旋光束的光路图如图3所示。表1给出了不同拓扑数涡旋光束的光场分布。 图3 产生涡旋光束的光路图 表1 不同拓扑数涡旋光束的光场分布 本成果设计加工了产生涡旋光束的衍射光学元件，通过组合获得了不同拓扑数的涡旋光束，图4给出实验生产的涡旋光束，相对其他方法产生的环形光斑，采用涡旋光束方式产生环形光斑的好处是，离开焦面还能保持环状光强分布。除了在激光增材制造有用外，这种光束未来在切割、焊接、打孔等方式都有应用，可以获得更好的温度场分布和更好的激光加工效果。 图4 实验生产的涡旋光束 （2）基于折射光学元件的环形光斑或点环光斑产生方法 图5为基于折射光学元件的环形光斑的产生方法，包括透射式的和全反射式的结构，后面根据不同的焊接温度场分布设计不同组合的环形光斑。 （a）三镜方案 （b）两镜方案 （c）单镜方案 图5 基于折射光学元件的环形光斑的产生方法