摘要： 介绍了激光扫描焊接技术的基本原理，并从三个方面介绍了这种技术的应用：焊接效率、间隙适应性和焊缝性能。与普通的焊接技术相比，使用激光扫描焊接技术可以数倍的提高焊接效率；并且对于焊缝坡口间隙具有良好的适应性，降低了坡口间隙的加工精度要求；激光扫描焊接技术还可以大大提高焊缝性能，通过细化焊缝晶粒，显著的提高了焊缝强度和韧性，并且可以抑制和消除气孔、减少裂纹长度。
关键词： 激光扫描焊接技术； 焊接效率； 间隙适应性
Abstract： This paper introduces the basic principle and application of the laser scanning welding technology from three aspects： the welding efficiency， the gap adaptability and the welding performance. Compared with the ordinary welding technology， welding efficiency is improved several times， and good adaptability for the groove clearance is obtained using laser scanning welding technology， so the groove intermittent machining accuracy requirements reduced. At the same time， using laser scanning welding technology， the performance of weld seam is greatly improved： the weld strength and toughness is significantly improved， and pores is restrained and eliminated， crack length reduce by refining grain of seam.
Key words： laser scanning welding technology； welding efficiency； improving gap adaptability
0 前言
激光焊接虽然具有很多优点，例如高达109 W/cm2的能量密度、加热集中、焊缝深宽比大、变形和热损伤较小等[1]，但同时也存在一些问题，例如，由于光斑尺寸较小，对工件的坡口加工和装配精度要求较高；多点位置焊接时由于装夹定位时间较长，导致实际焊接效率下降；激光焊接某些气孔敏感性高的材料会造成高的气孔率；由于激光功率密度大，热作用区域较小，焊接区会造成很高的峰值温度和温度梯度，在该条件下，激光焊接的热过程与通常的热过程不相同，可能会造成晶粒粗化、增大裂纹倾向[2]。
激光扫描焊接技术是一种新型的激光焊接技术，它利用反射镜的偏转，来实现激光束的振荡，使具有一定功率密度的光斑能够聚焦到工件的不同位置，进而完成焊接过程。该技术最为突出的优点为：长焦距、大焊接范围和高度灵活的激光束[3]。
本文简要介绍了激光扫描焊接技术的原理，并且结合国内外的研究情况，介绍了激光扫描焊接技术在提高焊接效率和间隙适应性，优化焊缝组织、性能以及抑制焊接缺陷方面的应用。
1 激光扫描焊接技术原理
激光扫描焊接技术是近几年来根据激光打标的原理，研制开发的一种新型激光焊接方法。激光振荡系统由激光器和振荡枪头组成，而振荡头包括聚焦单元、振荡单元和控制单元[4]。
如图1a所示，激光振荡枪头的工作原理为：采用光机扫描的方式，通过机械装置带动反射光束的偏转，实现激光光束在工作范围内的移动。其机械部分是由X、Y两个方向的振镜电机组成的光束偏转器，每个光束偏转器上都有一个微小的反射镜片，通过计算机控制可以改变反射镜的角度，使激光光束在一定范围内快速移动，其后通过聚焦镜聚焦，而这两个镜子的不同偏转方式就可以在视场上扫出不同的图形[2， 4]。从图1中可以看出，激光振荡枪头的焊接区域为一个截断的金字塔形，X、Y的距离取决于偏转角度，而Z的大小由光学系统的焦距确定。图1b为激光振荡枪头和机器人的搭配，其中实现激光振荡的枪头是TRUMPF公司的可编程聚焦光学系统（PFO）[5]。
振镜为激光振荡枪头能够实现振荡的核心部件，图2为振镜的实物。振镜是一种优质的矢量扫描器件，它是一种特殊的摆动电机，其基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩，但与旋转电机不同，其转子上通过机械扭簧或电子的方法加有复位力矩，大小与转子偏离平衡位置的角度成正比，当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时，电磁力矩与回复力矩大小相等，故不能像普通电机一样旋转，只能够偏转，偏转角与电流成正比，与电流计一样，只是用镜片替代了指针，故振镜又叫电流计扫描器[2]。
2 在提高焊接效率方面的应用
普通激光焊接虽然具有很高的施焊速度，但是其装夹和定位精度要求高，耗时较长，因此降低了焊接效率。
由激光扫描焊接技术的原理可知，激光扫描焊接的一个主要优点是激光束可以通过两个反射振镜的偏转来实现偏移。由于反射振镜的偏转角度是由计算机控制的，所以实现激光束的任意角度偏转不需要机械结构辅助，响应速度快。而且由于激光振荡枪头在设计时，其聚焦镜的聚焦距离长，所以反射镜的小角度偏转就能够实现激光束在焊点之间的快速切换，其定位时间几乎为零。基于以上原因，激光扫描焊接多焊点工件时可以实现光束在焊点之间的快速切换，使得定位时间大大减小，进而缩短了焊接时间，进而提高了焊接效率[2-5]。
国外已将该技术大量应用于汽车车身的多点焊接，如戴姆勒—奔驰、奥迪、大众[6]等都已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[3，7]，如图3所示。自2007年初，奥迪A4车门就采用了这套系统，可以实现每天四个制造单元生产 1 800扇车门[8]。图3d为奥迪Q5车门，共有47个焊缝，每个焊缝的长度为25～40 mm，采用TRUMPF公司的PFO 3D振荡焊接技术，整个门焊接时间只需不到30 s。而且国外已经将该技术应用到汽车行业中的0.6～1.5 mm厚的薄板焊接上，用该技术将两块1 mm厚薄板焊接在一起，有效焊接速度可达到100 mm/s[7]。
据统计，与传统的电阻点焊相比，激光扫描焊接系统能够降低30%的投资成本，减少50%的加工区域，缩短60%的加工时间。表1显示的是各种焊接方法所需的时间。通过比较可以发现，电阻焊的焊接时间最长，而激光扫描焊接可以大幅度节约时间，其焊接时间仅仅是电阻焊的1/6[3]。
在国内，激光扫描焊接因技术限制，目前大多采用小功率（300 W左右）固体激光器，通过小焦距（焦距为100～200 mm）的聚焦镜进行聚焦，焊接范围只能局限在100 mm×100 mm的范围内，且只能对平面工件进行多点焊接，焊接速度最快仅能达到20～30点/s。激光扫描焊接技术在国内主要应用于电池安全盖帽、手机面板及手机后盖的焊接，如图4所示。以电池盖帽为例，选用常规激光焊接电池盖帽，效率为1 100个/h，选用激光扫描焊接并配合专用的夹具，效率可达2 000～5 000个/h[7]。
3 在间隙适应性方面的应用
在实际生产加工过程中，由于设备和操作人员能力的限制，加工的坡口难免会存在一定的间隙。对于激光焊接而言，如果光斑尺寸足够大，能够覆盖间隙，并且与两侧母材有重叠，就能够提高间隙的容忍性，完成施焊过程。但是其光斑尺寸较小（光纤直径为0.6 mm时，0离焦的光斑面积为3.22 mm2），如果通过增大光纤尺寸或改变离焦量的方法，虽然能够相应地增大光斑尺寸，但是与此同时，也会牺牲激光功率，而且大功率激光器的价格昂贵，通过牺牲激光功率来换取大的光斑尺寸极不划算，况且在实际生产中，坡口间隙一般都较大，有时甚至会大于1 mm，如果采用增大光斑尺寸的办法，就会大幅度降低激光能量密度。
由激光扫描焊接技术的原理可知，激光束在反射镜的协同作用下能够实现摆动，在摆动过程中，光斑尺寸不会发生变化，因此激光束自身的能量不会有损失。但是由于激光束能够在一定的范围内摆动，就会使得激光作用区域的面积增大，能量分散，使得焊缝的熔深下降，但是能量的下降与增大光斑尺寸相比，要小很多。
在间隙焊缝施焊时，使激光束垂直于焊缝进行摆动，摆动的激光束能够将母材边缘上的材料熔化用来填补焊缝，因此在焊缝根部形成最佳状态的同时，仅有极小的焊缝凹陷。
通过实验和经验可知，在振荡参数和焊接速度相匹配的情况下，对接焊能够在2 mm的间隙上施焊，且能够保证正反面成形，焊缝凹陷小；角接接头能够在1.5 mm的间隙上施焊，并且保证双侧成形。而实际生产中，对接坡口间隙一般在2 mm以内，而角接坡口间隙也能控制在1.5 mm内。因此应用激光扫描焊接技术，可将激光焊的间隙适应性提高很多倍，使得激光焊能够适应实际生产的需要，而且不仅能够降低焊件的坡口加工精度要求，还能够降低坡口加工费用，降低生产周期。除此之外，振荡焊接技术能够在高频下使光束发生振荡，由于激光束的摆动频率很高，使得焊接过程更为精细，因此焊缝表面成形质量要优于常规激光焊。
4 在提高焊缝性能方面的应用
在常规弧焊的研究中发现，通过单个或多个磁极使弧柱发生电磁振荡，或利用机械方法摆动焊炬都可以实现电弧的振荡，而摆动的电弧不仅能够使焊缝的晶粒细化，提高焊缝的强度和延展性，而且还会提高抗结晶裂纹性能[9]，除此之外，由于熔池停留时间延长，还有利于气孔的逸出。如果激光束也能够像电弧一样发生摆动，是否也能够提高焊缝的性能？由于电弧的摆动主要是依靠机械摆动来实现的，所以摆动频率不高，约为几十赫兹。鉴于以上背景，在激光振荡枪头研制出来之前，由于激光束不能摆动，许多学者改进了夹持机构，使试板能够以一定频率、一定幅度摆动，以此来研究光束摆动对焊缝性能的影响情况。在激光振荡枪头研制出来后，一些学者利用激光振荡枪头进行研究，同样也得出了一些相似的结果。
4.1 对组织性能的影响
清华大学的包刚等学者，研究了光束摆动时对超细晶粒钢的焊缝组织性能的影响情况。通过研究发现，随着摆动频率的增加，冲击吸收能量和拉伸强度显著增加，在最优摆幅和频率下，摆动焊的焊缝强度与无摆动的焊缝相比，提高了39.5%，而韧性提高了8.74%，如图5所示。除此之外，他们还分析了两者的金相组织图[10，11]。
通过分析金相组织图，如图6所示，可以发现，无摆动的激光焊缝是由焊缝中心的等轴晶区，和焊缝两侧向中心生长的柱状晶组成；有摆动的激光焊缝中心仍为等轴晶区，但是原来的柱状晶区的生长方向被打乱，而且等轴晶区的宽度也增加。这是由于焊缝中晶粒的生长与热流方向密切相关，激光束摆动过程中，热源位置不断变化，从而影响焊接熔池中的温度分布，熔池中的温度梯度也随之变化。而热流与温度梯度密切相关。热源摆动过程中，等温线也同时变化，这导致熔池最大散热方向不断发生变化，由于柱状晶择优生长方向与最大散热方向相反，所以前一时刻择优生长的柱状晶，此时生长就可能受到抑制，从而打乱了晶粒的生长方向[10， 11]。
4.2 对焊接缺陷的影响
4.2.1 对气孔的影响
清华大学的赵琳、张旭东等人研究了摆动光束对低碳钢激光焊接气孔的影响。通过研究发现光束摆动激光焊接可以起到减少和消除气孔的作用；摆动频率越大，摆动幅度越大，对熔池的搅拌越大，越有利于气泡的逸出，气孔越少。图7和图8为激光摆动对氮气孔和氩气孔的抑制情况。这是由于激光束对焊缝的往复摆动，一方面使部分焊缝发生反复重熔，延长液态熔池的停留时间，同时，束流的偏转也增加了单位面积热输入，减小了焊缝的深宽比，有利于气泡的浮出，从而起到消除气孔的作用。另一方面激光束的摆动导致小孔随之摆动，又可以起到对焊接熔池提供一个搅拌力的作用，加大了焊接熔池的对流与搅拌，对消除气孔起到有利的作用[11-14]。
4.2.1 对裂纹的影响
韩国学者Kwang-Deok Choi等人，研究了光束摆动时对5J32铝合金的焊缝组织性能的影响情况。通过研究发现，摆动频率和摆动幅度能够减小裂纹长度，如图9所示，在每个摆幅下，都存在一个或一段最佳频率范围，在这段频率范围内，裂纹长度为0，超过这个范围，裂纹增长[14]。
5 结论
（1）激光扫描焊接系统可以实现光束在焊点之间快速切换，使得定位时间大大减小，进而缩短了焊接时间，进而提高了焊接效率。
（2）将坡口间隙容忍性扩大，改变了常规激光焊对间隙的敏感性，对生产实际的意义重大。
（3）激光扫描焊接能够起到细化晶粒，显著提高焊缝强度和韧性的作用。
（4）激光扫描焊接能够起到抑制和消除气孔、减少裂纹长度的作用。
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收稿日期：2014-06-09
陈晓宇简介：1983年出生，硕士研究生，工程师；主要从事焊接及无损检测相关工作。