芬蘭拉彭蘭塔工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系焊接工藝與激光加工實(shí)驗(yàn)室 

摘要：

高功率、高光束質(zhì)量光纖激光的應(yīng)用使遠(yuǎn)程激光焊接（RLW）工藝得到迅猛的發(fā)展。本文對(duì)遠(yuǎn)程激光焊接的原理進(jìn)行了總結(jié)，作為一種極具應(yīng)用前景的工藝技術(shù)，RLW加工的靈活性好、速度快、周期短，并可用于多種領(lǐng)域。本文闡釋了高功率光纖激光遠(yuǎn)程焊接的典型特性，并研究了激光功率、焊接速度、保護(hù)氣體、光束傾角、焦點(diǎn)位置等工藝參數(shù)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程激光焊接、掃描儀、光纖激光器、工藝參數(shù)

1. 簡(jiǎn)介

遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)（RLW），作為一種非接觸式機(jī)器人激光焊接工藝，近些年已經(jīng)獲得了較大發(fā)展，并被應(yīng)用于提高激光焊接工藝的生產(chǎn)效率，改善其加工的靈活性[1]。RLW的試驗(yàn)研究工作最早出現(xiàn)于1996年，由John Macken提出[2]。RLW的主要特征是長(zhǎng)焦距（可達(dá)1600mm）、高功率、高光束質(zhì)量激光源與振鏡掃描裝置的完美結(jié)合[3-5]。與傳統(tǒng)激光焊接工藝相比，RLW加工的靈活性更好，速度更快，周期更短[3,6]。

一直以來(lái)，RLW技術(shù)研究工作被應(yīng)用于各種類型的激光器，例如，文獻(xiàn)[1]應(yīng)用CO2激光和Nd: YAG激光，文獻(xiàn)[7]采用Nd: YAG激光和碟片激光進(jìn)行RLW試驗(yàn)，文獻(xiàn)[6,8]則開始采用高功率光纖激光進(jìn)行RLW試驗(yàn)研究。波長(zhǎng)1080nm的高功率光纖激光不僅能夠?qū)崿F(xiàn)激光束的光纖傳輸，還能夠強(qiáng)化加工的靈活性及聚焦的精準(zhǔn)度。而CO2激光器由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)（10.6μm），所以生成的光束不可能通過光纖傳輸[7]。高功率光纖激光因其合適的波長(zhǎng)及優(yōu)良的光束質(zhì)量，在RLW應(yīng)用領(lǐng)域具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，是取代傳統(tǒng)CO2激光和Nd: YAG激光的理想選擇。

RLW的工作原理是通過振鏡掃描對(duì)激光光束進(jìn)行反射和定位，使其以高速傳輸?shù)焦ぜ砻鎇9]?，F(xiàn)在，在RLW領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是2D掃描。2D掃描單元其實(shí)是一個(gè)振鏡系統(tǒng)，包含兩個(gè)可電動(dòng)旋轉(zhuǎn)的輕型掃描鏡。該系統(tǒng)可處理5kW輸出功率，比3D掃描更經(jīng)濟(jì)[10]。

雖然這種工藝尚未廣泛普及，但是毫無(wú)疑問，RLW在汽車行業(yè)擁有巨大的應(yīng)用潛力，比如座椅、白車身、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的焊接等。在白車身生產(chǎn)中，RLW的實(shí)用性強(qiáng)、加工周期短，完全可以取代電阻點(diǎn)焊。

當(dāng)然，RLW也面臨著諸多挑戰(zhàn)， 比如對(duì)預(yù)加工的要求、對(duì)焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性的要求、需要提供保護(hù)氣體、需要特別注意鍍層薄板的夾持和定位等[11,12]。與傳統(tǒng)的激光焊接相比，RLW需要關(guān)注的工藝參數(shù)更多。這些參數(shù)大致可以分為光束質(zhì)量、加工參數(shù)及材料屬性三大類[6]。

2. 遠(yuǎn)程激光焊接工藝

2.1. 工藝原理 

RLW的理念并不是特別新奇，其原理主要是通過掃描儀，在工件上方一定距離對(duì)聚焦的激光光束進(jìn)行反射和定位，焦距通常在1000~1600mm之間[13]。1996年，John Macken進(jìn)行了第一次RLW試驗(yàn)，采用焦距為1600mm的激光實(shí)現(xiàn)了小孔模式焊接，該試驗(yàn)被認(rèn)為是RLW工藝發(fā)展史上的里程碑[11]。掃描儀能夠幫助激光光束正確投射在面積為1m×1m，甚至是超過2m³的大型工件上，焊接速度可達(dá)30m/min[14]。

一般RLW工藝有兩種工作模式：集成掃描儀的RLW系統(tǒng)和基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)。集成掃描儀的RLW系統(tǒng)是利用一個(gè)掃描單元（一般為2D掃描儀）對(duì)激光光束進(jìn)行定位和聚焦，如圖1（a）所示[11]；而基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)則是指通過一個(gè)長(zhǎng)焦距激光光學(xué)鏡與一個(gè)六軸機(jī)器人完成操作，由機(jī)器人負(fù)責(zé)激光光束在工件表面的定位，如圖1（b）所示[11]。

RLW系統(tǒng)相比，集成掃描儀的RLW系統(tǒng)可應(yīng)用于多種領(lǐng)域，且加工周期更短，精準(zhǔn)度更高，但是這種系統(tǒng)對(duì)激光光束的質(zhì)量要求也比基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)高很多。表1為集成掃描儀的RLW系統(tǒng)和基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)與傳統(tǒng)激光焊接的性能比較。

圖1. 集成掃描儀的RLW系統(tǒng)（a）和基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)（b）[11]