芬兰拉彭兰塔工业大学机械工程系焊接工艺与激光加工实验室

摘要：

高功率、高光束质量光纤激光的应用使远程激光焊接（RLW）工艺得到迅猛的发展。本文对远程激光焊接的原理进行了总结，作为一种极具应用前景的工艺技术，RLW加工的灵活性好、速度快、周期短，并可用于多种领域。本文阐释了高功率光纤激光远程焊接的典型特性，并研究了激光功率、焊接速度、保护气体、光束倾角、焦点位置等工艺参数对焊缝质量的影响。

关键词：远程激光焊接、扫描仪、光纤激光器、工艺参数

1.简介

远程激光焊接技术（RLW），作为一种非接触式机器人激光焊接工艺，近些年已经获得了较大发展，并被应用于提高激光焊接工艺的生产效率，改善其加工的灵活性[1]。RLW的试验研究工作最早出现于1996年，由John Macken提出[2]。RLW的主要特征是长焦距（可达1600mm）、高功率、高光束质量激光源与振镜扫描装置的完美结合[3-5]。与传统激光焊接工艺相比，RLW加工的灵活性更好，速度更快，周期更短[3,6]。

一直以来，RLW技术研究工作被应用于各种类型的激光器，例如，文献[1]应用CO2激光和Nd: YAG激光，文献[7]采用Nd: YAG激光和碟片激光进行RLW试验，文献[6,8]则开始采用高功率光纤激光进行RLW试验研究。波长1080nm的高功率光纤激光不仅能够实现激光束的光纤传输，还能够强化加工的灵活性及聚焦的精准度。而CO2激光器由于波长较长（10.6μm），所以生成的光束不可能通过光纤传输[7]。高功率光纤激光因其合适的波长及优良的光束质量，在RLW应用领域具有无可比拟的优势，是取代传统CO2激光和Nd: YAG激光的理想选择。

RLW的工作原理是通过振镜扫描对激光光束进行反射和定位，使其以高速传输到工件表面[9]。现在，在RLW领域应用最为广泛的是2D扫描。2D扫描单元其实是一个振镜系统，包含两个可电动旋转的轻型扫描镜。该系统可处理5kW输出功率，比3D扫描更经济[10]。

虽然这种工艺尚未广泛普及，但是毫无疑问，RLW在汽车行业拥有巨大的应用潜力，比如座椅、白车身、内部结构的焊接等。在白车身生产中，RLW的实用性强、加工周期短，完全可以取代电阻点焊。

当然，RLW也面临着诸多挑战， 比如对预加工的要求、对焊接质量和稳定性的要求、需要提供保护气体、需要特别注意镀层薄板的夹持和定位等[11,12]。与传统的激光焊接相比，RLW需要关注的工艺参数更多。这些参数大致可以分为光束质量、加工参数及材料属性三大类[6]。

2.远程激光焊接工艺

2.1.工艺原理

RLW的理念并不是特别新奇，其原理主要是通过扫描仪，在工件上方一定距离对聚焦的激光光束进行反射和定位，焦距通常在1000~1600mm之间[13]。1996年，John Macken进行了第一次RLW试验，采用焦距为1600mm的激光实现了小孔模式焊接，该试验被认为是RLW工艺发展史上的里程碑[11]。扫描仪能够帮助激光光束正确投射在面积为1m×1m，甚至是超过2m³的大型工件上，焊接速度可达30m/min[14]。

一般RLW工艺有两种工作模式：集成扫描仪的RLW系统和基于机器人的RLW系统。集成扫描仪的RLW系统是利用一个扫描单元（一般为2D扫描仪）对激光光束进行定位和聚焦，如图1（a）所示[11]；而基于机器人的RLW系统则是指通过一个长焦距激光光学镜与一个六轴机器人完成操作，由机器人负责激光光束在工件表面的定位，如图1（b）所示[11]。

RLW系统相比，集成扫描仪的RLW系统可应用于多种领域，且加工周期更短，精准度更高，但是这种系统对激光光束的质量要求也比基于机器人的RLW系统高很多。表1为集成扫描仪的RLW系统和基于机器人的RLW系统与传统激光焊接的性能比较。

图1.集成扫描仪的RLW系统（a）和基于机器人的RLW系统（b）[11]