激光掃描焊接(Laser Scanner Welding，LSW)技術(shù)是近幾年出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的一種高效焊接技術(shù)，其針對(duì)多點(diǎn)焊接能夠極大地提高生產(chǎn)效率。

LSW與傳統(tǒng)的激光焊接主要區(qū)別是激光束定位方法不一樣，LSW技術(shù)通過(guò)激光束入射到掃描振鏡的X，Y軸兩個(gè)反射鏡上，計(jì)算機(jī)控制反射鏡的角度，實(shí)現(xiàn)激光束的任意偏轉(zhuǎn)，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，實(shí)現(xiàn)焊接功能，同時(shí)負(fù)透鏡的線性移動(dòng)，使焦點(diǎn)位置在Z方向上具有一定的調(diào)節(jié)范圍，激光掃描焊接的原理如圖1所示。由于聚焦鏡聚焦距離長(zhǎng)，反射鏡小角度偏轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)激光束在焊點(diǎn)(縫)之間可快速切換，其定位時(shí)間幾乎可以忽略不計(jì)。

激光掃描焊接一般以長(zhǎng)焦距、大掃描范圍和高度靈活的激光束偏移為主要優(yōu)點(diǎn)，其可以利用500 mm或更長(zhǎng)的焦距，掃描焊接范圍一般超過(guò)1 m，因此也將掃描焊接系統(tǒng)稱為遠(yuǎn)程焊接系統(tǒng)(Remote Welding System，RWS)，更長(zhǎng)的工作距離可以大幅降低激光污染。

為了減少振鏡掃描聚焦平面上的枕形畸變，激光束需采用動(dòng)態(tài)聚焦技術(shù)或者f-θ場(chǎng)鏡對(duì)光束進(jìn)行補(bǔ)償，保證工件水平面上激光功率密度相等，兩種補(bǔ)償方式的差別主要是掃描范圍大小不一樣。

激光掃描焊接技術(shù)使得焊接時(shí)間(beam on)占整個(gè)流程時(shí)間約90%，為工業(yè)生產(chǎn)提供了更高的焊接效率、更大的柔性以及更好的經(jīng)濟(jì)效益。如表1為L(zhǎng)SW技術(shù)與傳統(tǒng)焊接技術(shù)對(duì)比。具體實(shí)物如圖2所示。

表1傳統(tǒng)焊接與激光振鏡掃描焊接對(duì)比圖

2.電阻焊與激光焊

目前，市場(chǎng)上針對(duì)大零件、復(fù)雜曲面零件進(jìn)行快速的多點(diǎn)焊接，采用將機(jī)械手與掃描焊接相結(jié)合的方案，利用機(jī)械手多個(gè)自由度的靈活移動(dòng)，可以將振鏡掃描頭定位到任意一點(diǎn)和任意的角度，所以也稱作三維激光掃描焊接。如圖3所示，汽車車身的焊接。

圖3.汽車車身激光焊

在汽車車身生產(chǎn)線，這種組合方案很是流行。如戴姆勒—奔馳、奧迪、大眾等都已經(jīng)采用該技術(shù)大批量生產(chǎn)制造車身和各種汽車零配件，如車門(mén)、車側(cè)板、后貨架、座椅等。

在使用掃描焊接技術(shù)后，汽車車身的結(jié)構(gòu)件可以變得更加靈活，焊縫形狀可以根據(jù)焊點(diǎn)的強(qiáng)度要求采用不同的形式，汽車制造業(yè)因此得益于重量更輕、更加經(jīng)濟(jì)的高強(qiáng)度零部件。圖4所示為激光掃描焊接在汽車零部件焊接應(yīng)用實(shí)例。

圖4.汽車焊接案例

隨著新能源汽車的異軍突起，動(dòng)力電池的需求越來(lái)越大，激光焊接也就由之前的車身焊接，拓展到動(dòng)力電池的焊接，汽車座椅的焊接以及汽車內(nèi)飾的切割等應(yīng)用。下圖即為激光焊接在新能源動(dòng)力電池焊接中的應(yīng)用實(shí)例。通過(guò)激光可以實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程，多維度焊接，焊接質(zhì)量有保證，根據(jù)工藝調(diào)整，外觀美觀無(wú)瑕疵。

新能源動(dòng)力電池激光焊接應(yīng)用實(shí)例圖片

雖然掃描焊接具有無(wú)可比擬的效率優(yōu)勢(shì)，但在其大規(guī)模應(yīng)用還需解決如下幾個(gè)難點(diǎn)：

1.掃描焊接時(shí)因工作范圍大，焊接速度快，使得保護(hù)氣體很難準(zhǔn)備，很難實(shí)時(shí)有效保護(hù)熔池不被氧化。目前針對(duì)此難題還沒(méi)有較為有效解決辦法，國(guó)外許多研究工作者建議將保護(hù)氣體添加在工件的夾具周圍，焊接時(shí)通過(guò)夾具將保護(hù)氣吹向工件需焊接的點(diǎn)位，但成本較為昂貴。

2.激光掃描焊接時(shí)，激光并不總是垂直入射到工件上面，影響了焊接熔池的空間形狀，可能影響焊接效果。

3.工裝夾具與零部件準(zhǔn)備等也是迫切需要解決的問(wèn)題，因激光焊接需要零件部件緊密搭接，特別是針對(duì)具有一定曲面的大型工件，須對(duì)其夾具進(jìn)行定制。

4.降低對(duì)激光掃描焊接操作要求，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便的用戶操作界面，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)路徑疊加計(jì)算智能化，離線路徑規(guī)劃編程，在線獲取激光參數(shù)以及掃描振鏡數(shù)據(jù)，用于診斷、故障排除、保養(yǎng)等。

最后，針對(duì)激光掃描焊接系統(tǒng)的光學(xué)選型方案做一下分析。

激光器輸出到振鏡工作站，簡(jiǎn)單的一套激光掃描系統(tǒng)分為激光器、QBH準(zhǔn)直、CCD監(jiān)測(cè)、振鏡組和掃描場(chǎng)鏡五大核心模塊組成。

激光掃描焊接系統(tǒng)

焊接用激光器的纖芯直徑一般100~600um，對(duì)應(yīng)的數(shù)值孔徑一般在0.1~0.22不等。

在確定激光器數(shù)據(jù)后，我們一般要根據(jù)掃描振鏡的有效口徑反過(guò)來(lái)計(jì)算準(zhǔn)直透鏡的焦距。

例如： 掃描振鏡的有效孔徑是30mm，那么輸入到振鏡的光束就不能大于30mm，實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)是選擇準(zhǔn)直后的光束在20~25mm之間，即為振鏡有效孔徑的2/3~4/5.

假設(shè)光纖的數(shù)值孔徑NA= 0.12， 準(zhǔn)直后的光斑為D，準(zhǔn)直鏡頭組的復(fù)合焦距為f，根據(jù)公式D=2*f*NA.當(dāng)20≤D≤25時(shí)，83≤f≤104，可以選擇f100的準(zhǔn)直組件，即可滿足需求。

進(jìn)一步可以根據(jù)激光器的芯徑大小和實(shí)際需要的聚焦光斑，來(lái)選擇合適的掃描場(chǎng)鏡。

例如，激光纖芯直徑為200um，根據(jù)光學(xué)聚焦公式：d≈dfiber*ff/fc，其中ff為掃描場(chǎng)鏡等效焦距，fc為準(zhǔn)直鏡組焦距。

如果希望的聚焦光斑d=600um，則ff≈600um*100mm/200um≈300mm，那么可以選擇等效焦距ff≈330的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)鏡。

下表（表2和表3）為常見(jiàn)的焊接用準(zhǔn)直和場(chǎng)鏡模組的選型推薦：功率4kw以上~8kw

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