01
引言
激光作為一種先進(jìn)的加工工具，在工業(yè)焊接領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。傳統(tǒng)的激光焊接技術(shù)雖然在一定程度上能夠控制這些缺陷，但其效果往往受限于固定的焊接參數(shù)和工藝。近年來，激光擺動焊接技術(shù)的出現(xiàn)為焊接缺陷的控制提供了新的解決方案。通過在焊接過程中引入激光束的擺動，該技術(shù)能夠顯著改善熔池的動力學(xué)特性，從而優(yōu)化焊接質(zhì)量。激光擺動焊接技術(shù)主要基于激光束的精確控制和擺動技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量的焊接。激光擺動焊接技術(shù)的應(yīng)用能夠使得激光焊接應(yīng)用更加廣泛，對更大工件，焊縫更寬的工件都能實(shí)現(xiàn)激光高效精密焊接，即對于產(chǎn)品的基礎(chǔ)工藝和裝配精度有所放寬。
02
激光擺動焊接的定義
在焊接過程中， 激光束被快速而精確地?cái)[動，以覆蓋整個焊接區(qū)域。光束沿著焊縫方向移動過程中同時進(jìn)行圓形、8字形、螺旋線等多種形態(tài)的擺動，如圖1所示。這種擺動不僅有助于實(shí)現(xiàn)更均勻的加熱，還能有效減少焊接缺陷，如氣孔和裂紋。
圖1. 激光擺動焊接過程示意圖，
（a）IPG D50焊接頭激光擺動焊，
（b）圓形擺動模式光斑軌跡。
03
激光擺動焊接的特點(diǎn)
隨著技術(shù)發(fā)展，激光擺動焊接技術(shù)也根據(jù)功能和需求推出了多種類型，包括激光振鏡掃描頭、焊接擺動頭等，以適應(yīng)不同行業(yè)的焊接需求。通過激光專用擺動焊接頭對光束進(jìn)行擺動，不僅擴(kuò)大了加工范圍，還提升了對焊縫寬度的容忍度，從而提高了焊接質(zhì)量。激光擺動焊接具有以下特點(diǎn)：
（1）熱輸入均勻： 擺動焊接可以通過改變焊接熱源的位置，實(shí)現(xiàn)對焊縫的均勻加熱，避免焊接過程中出現(xiàn)熱應(yīng)力集中的問題。
（2）焊縫質(zhì)量高： 由于熱輸入均勻，擺動焊接可以獲得更加均勻、穩(wěn)定的焊縫質(zhì)量，減少焊接缺陷的產(chǎn)生。
（3）適用性廣： 擺動焊接適用于各種材料和焊接位置，可用于手工焊接和自動化焊接過程。
提高生產(chǎn)效率： 擺動焊接可以減少焊接變形，降低焊接殘余應(yīng)力，從而提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量。
（4）可控性強(qiáng)： 更大的擺動光斑尺寸有助于彌合更大的間隙。擺動焊接的擺動幅度、頻率和速度都可以進(jìn)行精確控制，以滿足不同焊接要求和工件的需要。
圖2. （a）激光擺動焊接過程中使用的擺動模式類型：圓形、無限形、8 字形、橫向和正弦形;（b）激光擺動焊接在不同行業(yè)中的應(yīng)用。
04
激光擺動焊接的實(shí)現(xiàn)原理
激光擺動主要通過焊接頭實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前有兩種焊接頭，分別是振鏡焊接頭和擺動焊接頭。
振鏡焊接頭：
振鏡焊接頭的主要組成部分為擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、聚焦透鏡、XY 兩軸掃描振鏡、控制板卡以及上位機(jī)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。振鏡可以改變激光光束的方向，通過電磁驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動擺動或通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)掃描。通過振鏡的運(yùn)動，可以實(shí)現(xiàn)對光束的快速掃描，控制光斑在焊縫上高速移動，獲得理想的焊縫。光束從QBH進(jìn)入準(zhǔn)直模塊，轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄馐?，再?jīng)過聚焦模塊進(jìn)行聚焦，以糾正激光束在聚焦平面上的枕形畸變，保證光束在同一焦平面內(nèi)的精準(zhǔn)移動。目前，實(shí)現(xiàn)光束擺動主要通過能夠承受高功率激光的振鏡實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。
圖3. （a）擺動激光原理；（b）高功率振鏡焊接頭實(shí)物圖。
振鏡又分為2D和3D振鏡，2D可以實(shí)現(xiàn)激光在二維任意軌跡控制，3D振鏡可以實(shí)現(xiàn)激光在XYZ，除了左右平面移動，還能在高度上進(jìn)行調(diào)節(jié)。3D 振鏡組成相比于 2D 振鏡主要增加了“Z 軸光學(xué)系統(tǒng)”，使得 3D 振鏡在焊接過程中可以自由改變焦點(diǎn)位置，進(jìn)行空間曲面焊接，無需像 2D 振鏡通過改變載體如機(jī)床、機(jī)器人的高度來調(diào)節(jié)焊接焦點(diǎn)位置。振鏡焊接頭通過電機(jī)帶著鏡片進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，電機(jī)由一定的電流進(jìn)行驅(qū)動，具有精度高、慣性小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。
圖4. 3D振鏡焊接頭工作原理。
擺動焊接頭：
擺動焊接頭通常配備有高精度的控制系統(tǒng)，能夠精確控制激光束的擺動路徑和速度。該系統(tǒng)主要由掃描模塊（電機(jī)、鏡片）、準(zhǔn)直聚焦模塊、及控制系統(tǒng)（運(yùn)控板卡）構(gòu)成，如圖5所示。激光束首先通過掃描模塊被導(dǎo)向，該模塊由兩個反射鏡組成，通過高靈敏度的伺服電機(jī)控制擺動。準(zhǔn)直聚焦模塊用于將激光束調(diào)整為平行光束，并通過聚焦模塊進(jìn)行聚焦，以確保光束在焊接區(qū)域的焦點(diǎn)位置準(zhǔn)確。光束可沿 X、Y 軸方向進(jìn)行運(yùn)動。此外，擺動焊接頭還可以配置填絲和加保護(hù)氣直吹的功能，進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量和效率。
圖5. 擺動焊接頭示意圖。
05
結(jié)論
擺動焊接頭因其高效、高質(zhì)量的焊接效果，被廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、電子制造等領(lǐng)域。特別是在需要焊接復(fù)雜形狀或高精度要求的零件時，擺動焊接頭顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢。
這種技術(shù)不僅提高了焊接接頭的性能，還擴(kuò)展了激光焊接在精密制造領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。盡管激光擺動焊接具有很大的潛力，但在激光擺動焊接過程中加工參數(shù)的影響方面還需要深入研究。我們將在后續(xù)進(jìn)行激光擺動焊接關(guān)于工藝參數(shù)及其對焊縫缺陷影響的專題知識分享。
