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与传统激光焊接的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和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。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）之间快速切换，其定位时间几乎可以忽略不计。

　　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500mm或更长的焦距，扫描焊接范围一般超过1m，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。如表1为LSW技术与传统焊接技术对比。具体实物如图1所示。

　　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。图2所示的是激光扫描焊接系统。

　　目前在汽车车身的生产线，这种组合方案比较普遍。如戴姆勒-奔驰、奥迪、大众等车企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。

　　随着新能源汽车的异军突起，市场对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，拓展到动力电池焊接，汽车座椅焊接以及汽车内饰切割等应用。图3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。

　　虽然扫描焊接具有无可比拟的效率优势，但在大规模应用阶段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的解决办法，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，但成本较高。

　　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，可能还会影响焊接效果。

　　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的紧密搭接，特别是针对具有一定曲面的大型工件，需要对夹具进行定制。

　　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。

　　焊接用激光器的纤芯直径一般100μm-600μm，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，一般要根据扫描振镜的有效口径计算准直透镜的焦距。例如，当扫描振镜的有效孔径是30mm时，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20mm-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，选择合适的扫描场镜。

　　例如，激光纤芯直径为200μm，根据光学聚焦公式：d≈dfiber×ff/fc，其中ff为扫描场镜等效焦距，fc为准直镜组焦距。如果希望的聚焦光斑d=600μm，则ff≈600μm×100mm/200μm≈300mm，那么可以选择等效焦距ff≈330的标准场镜。表2-3为常见的焊接用准直和场镜模组的选型推荐。