激光焊接场镜浅析

激光扫描焊接（Laser Scanner Welding，LSW）技术是近几年出现在国内外市场上的一种高效焊接技术，其针对多点焊接能够极大地提高生产效率。LSW与传统的激光焊接主要区别是激光束定位方法不一样，LSW技术通过激光束入射到扫描振镜的X，Y轴两个反射镜上，计算机控制反射镜的角度，实现激光束的任意偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦在加工工件表面的不同位置，实现焊接功能，同时负透镜的线性移动，使焦点位置在Z方向上具有一定的调节范围，激光扫描焊接的原理如图1所示。由于聚焦镜聚焦距离长，反射镜小角度偏转即可实现激光束在焊点（缝）之间可快速切换，其定位时间几乎可以忽略不计。

图一：激光扫描焊接原理

激光扫描焊接一般以长焦距、大扫描范围和高度灵活的激光束偏移为主要优点，其可以利用500 mm或更长的焦距，扫描焊接范围一般超过1 m，因此也将扫描焊接系统称为远程焊接系统（Remote Welding System，RWS），更长的工作距离可以大幅降低激光污染。

为了减少振镜扫描聚焦平面上的枕形畸变，激光束需采用动态聚焦技术或者f－θ场镜对光束进行补偿，保证工件水平面上激光功率密度相等，两种补偿方式的差别主要是扫描范围大小不一样。    激光扫描焊接技术使得焊接时间（beam on）占整个流程时间约90％，为工业生产提供了更高的焊接效率、更大的柔性以及更好的经济效益。

表1：传统焊接与激光振镜扫描焊接对比

图2．电阻焊与激光焊

目前，市场上针对大零件、复杂曲面零件进行快速的多点焊接，采用将机械手与扫描焊接相结合的方案，利用机械手多个自由度的灵活移动，可以将振镜扫描头定位到任意一点和任意的角度，所以也称作三维激光扫描焊接。如图3所示，汽车车身的焊接。

图3．汽车车身激光焊

在汽车车身生产线，这种组合方案很是流行。如戴姆勒—奔驰、奥迪、大众等都已经采用该技术大批量生产制造车身和各种汽车零配件，如车门、车侧板、后货架、座椅等。在使用扫描焊接技术后，汽车车身的结构件可以变得更加灵活，焊缝形状可以根据焊点的强度要求采用不同的形式，汽车制造业因此得益于重量更轻、更加经济的高强度零部件。图4所示为激光扫描焊接在汽车零部件焊接应用实例。

图4．汽车焊接案例

随着新能源汽车的异军突起，动力电池的需求越来越大，激光焊接也就由之前的车身焊接，拓展到动力电池的焊接，汽车座椅的焊接以及汽车内饰的切割等应用。下图即为激光焊接在新能源动力电池焊接中的应用实例。通过激光可以实现，远程，多维度焊接，焊接质量有保证，根据工艺调整，外观美观无瑕疵。

新能源动力电池激光焊接应用实例

虽然扫描焊接具有无可比拟的效率优势，但在其大规模应用还需解决如下几个难点：

1．扫描焊接时因工作范围大，焊接速度快，使得保护气体很难准备，很难实时有效保护熔池不被氧化。目前针对此难题还没有较为有效解决办法，国外许多研究工作者建议将保护气体添加在工件的夹具周围，焊接时通过夹具将保护气吹向工件需焊接的点位，但成本较为昂贵。

2．激光扫描焊接时，激光并不总是垂直入射到工件上面，影响了焊接熔池的空间形状，可能影响焊接效果。

3．工装夹具与零部件准备等也是迫切需要解决的问题，因激光焊接需要零件部件紧密搭接，特别是针对具有一定曲面的大型工件，须对其夹具进行定制。

4．降低对激光扫描焊接操作要求，进一步开发简便的用户操作界面，实现运动路径叠加计算智能化，离线路径规划编程，在线获取激光参数以及扫描振镜数据，用于诊断、故障排除、保养等。

最后，针对激光扫描焊接系统的光学选型方案做一下分析。

激光器输出到振镜工作站，简单的一套激光扫描系统分为激光器、QBH准直、CCD监测、振镜组和扫描场镜五大核心模块组成。

激光扫描焊接系统

焊接用激光器的纤芯直径一般100～600um，对应的数值孔径一般在0．1～0．22不等。在确定激光器数据后，我们一般要根据扫描振镜的有效口径反过来计算准直透镜的焦距。例如： 扫描振镜的有效孔径是30mm，那么输入到振镜的光束就不能大于30mm，实际的经验是选择准直后的光束在20～25mm之间，即为振镜有效孔径的2／3～4／5．假设光纤的数值孔径NA＝ 0．12， 准直后的光斑为D，准直镜头组的复合焦距为f，根据公式D＝2＊f＊NA．当20≤D≤25时，83≤f≤104，可以选择f100的准直组件，即可满足需求。进一步可以根据激光器的芯径大小和实际需要的聚焦光斑，来选择合适的扫描场镜。例如，激光纤芯直径为200um，根据光学聚焦公式：d≈d_fiber＊f_f／f_c，其中f_f为扫描场镜等效焦距，f_c为准直镜组焦距。如果希望的聚焦光斑d＝600um，则f_f≈600um＊100mm／200um≈300mm，那么可以选择等效焦距f_f≈330的标准场镜。下表（表2和表3）为常见的焊接用准直和场镜模组的选型推荐：功率4kw以上～8kw。