華南理工大學 機械與汽車工程學院 楊永強 王迪
3.2 國外設備與應用
國外目前多以動態聚焦式掃描焊接為主，采用幾千瓦的CO2激光器、碟片激光器和光纖激光器等為主。以德國Rofin集團生產的RofinSWS掃描焊接系統而言，它可搭載最大功率6KW的RofinDP系列半導體泵浦激光器或DS系列Disc圓片激光器，通過離線編程及軌跡生成系統，振鏡和機器人可以同步工作，實現了高速無時滯焊接[11]。
圖-2所示為BMW轎車的某個部件使用激光掃描焊接后提高生產率的例子，該工件需要焊接的部位達到20多個，采用電阻焊接需要30 s，采用傳統激光焊接需要23 s，而采用激光掃描焊接，焊接時間縮短到5 s，而且焊縫檢測顯示各個部位的焊接質量優良。
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焊接方式 |
所需時間 |
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電阻焊 |
30 s |
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傳統激光焊接 |
23 s |
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激光掃描焊接 |
5 s |
圖-2 BMW公司汽車部件采用不同焊接方式焊接時間比較[12]
荷蘭的ZENNA公司生產的掃描焊接系統[13]，參數配置如下：激光器為最高功率5000W的CO2氣體激光器，工作范圍最大為：1250x1250x300 mm，振鏡掃描速度達到20 m/s，Z軸升降可以通過氣動或者伺服驅動來實現。該掃描焊接系統達到0.05mm的重復精度和0.1mm的定位精度，基于PC控制。如圖-3為該公司提供的將管子焊接連接到鋼板上的掃描焊接實例，共有12根直徑為10mm的管子，獲得縫焊效果，整個焊接過程所需時間才15 s。
焊接前背面 焊接前正面 焊接效果
圖-3 Zenna 公司掃描焊接實例
大眾汽車和奧迪的研發工程師研究了激光掃描焊接工藝的優勢。同時奧迪成功解決了工裝夾具與零部件準備等各種挑戰，今天它們生產的部件質量更加卓越。從2007年初，后續的奧迪 A4車門就已經采用激光掃描焊接工藝與TRUMPF公司制造的4千瓦圓盤激光器。應用此技術后，四個制造單元每天可生產1800扇車門。每個激光掃描系統均為TRUMPF公司生產的TruDisk 4002，它們采用了最新的圓盤激光器，4千瓦的功率輸出僅由兩個圓盤產生[7,8]。
TRUMPF研發的可編程聚焦掃描模PFO 3D[5,8]，可以使所有軸對光束進行高速三維定位，所有這些軸可以在不到30ms的時間內將光束從一端重新定位到另一端。各個軸之間的協同運動，可實現直線、圓形或弧形等各種模式的焊接加工。目前只有該公司開發的機器人掃描焊接系統方案通過了德國汽車行業嚴格的認證測試，并已應用于其系列生產中，如圖4所示。
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圖4 TRUMPF 公司機械手掃描焊接技術
4 國內現狀
4.1研究進展
國內科研機構對掃描焊接的研究深度明顯不足，相關的技術文章幾乎空白。可能原因是掃描焊接技術還沒有引起國內研究人員的重視，或者因為傳統的激光焊接技術研究的較為成熟。但因為市場上出現的較多的掃描焊機機，國內的專利申請也主要側重于該技術的應用層面。
華南理工大學申請專利[14]：基于振鏡掃描的選擇性激光微釬焊系統，把數字控制的高速振鏡與高質量光纖激光以及高速開關光閘組合起來，實現程序控制的瞬時多點焊接的能量輸入，焊點尺寸達到50～100微米，振鏡掃描方式可實現在瞬間完成大面積的微點焊接，其效率與再流焊相比并不遜色，是替代傳統再流焊接的新技術。
上海市激光技術研究所申請專利[15]：一種激光掃描焊接列管式換熱器的方法及裝置，采用動態聚焦式掃描焊接技術，完成換熱器部件的焊接加工。克服列管式熱交換器制造的困難，實現不銹鋼超薄列管微型熱交換器精密制造。
廣州瑞通千里激光設備有限公司申請專利[1]：光纖激光動態聚焦振鏡掃描式點焊系統及其焊接方法。該專利采用光纖激光器，通過動態聚焦模塊的編程控制，獲得掃描范圍或者工作距離的大范圍變化，掃描范圍從200mm變化到1450mm，光斑直徑變化從30微米到200微米。能夠實現針對大工件多點高效率焊接。
廣州瑞通千里激光設備有限公司申請專利[16]: 動力型鋰離子電池安全蓋帽激光焊接設備。該專利描述了YAG激光采用振鏡掃描后可以對電池蓋帽進行瞬時多點焊接，配合旋轉工作臺的控制，可以達到每小時焊接至少2000個安全蓋帽的效率，具有較好的市場效果。
黃冬林等進行了光纖激光器掃描焊接1mm厚有機玻璃的基礎研究[2]，該方法可以方便的控制焊縫的寬度，并研究了掃描間距、掃描速度對焊接強度的影響。
4.2 國內設備與應用
目前已有多家廠商推出了振鏡式掃描焊接設備，但都屬于最為簡單式的，具體表現在激光器主要為YAG激光器，功率在200W-400W，采用的大多為f-?鏡聚焦式掃描焊接系統，限制了工作范圍與焊接速度，特別是YAG激光器需要不間斷的進行維護，降低了系統的穩定性。針對汽車車身這類大零件的焊接時，采用將代替不了傳統的激光焊接。國內主要激光焊接設備廠商如大族激光、楚天激光、廣州瑞通激光、聯贏激光等都推出了較為簡單的f-?鏡聚焦式掃描焊接系統。
廣州瑞通激光科技有限公司生產的掃描焊接機[17]#p#分頁標題#e#，使用的激光器為功率300－450W的YAG激光，包括基礎型和光纖傳導型等，采用的焦距為100mm或者160mm，工作范圍為70mm×70mm和110mm×110mm，焦點處光斑直徑大于0.3mm，另外根據客戶與產品的差異配套定制化的工裝夾具，達到每秒焊點個數1－30個，針對需要多點焊接的工件焊接效率提高5－10倍。近來又將能量負反饋技術應用于掃描焊接系統，使得焊點質量穩定性大大提升。
深圳大族激光科技股份有限公司開發掃描焊接系統[18]，其焊接速度為1～20點/秒，焊接范圍70mm×70mm。深圳市聯贏激光設備有限公司生產的任意波型能量負反饋控制型YAG激光焊接機，是在激光器的輸出端增加一個能量檢測裝置，用來檢測輸出激光能量的大小，并將該信號實時地反饋到控制端，與理論設定的能量進行比較，形成一個閉環控制系統，達到精確控制激光能量輸出的目的。通過改變激光能量的輸出波形，可以極大地改善焊接質量。
國內其它激光設備公司，如武漢楚天激光[19]，深圳聯贏激光[20]，上海方圓激光[21]等都推出了類似的激光掃描焊接設備。總的來說，國內針對掃描焊接技術還以走低端路線為主，各廠家通過價格的競爭而非技術的創新贏得客戶。
5、振鏡掃描式激光焊接的應用前景與應用舉例
掃描焊接系統主要應用于一個工件上需要多點焊接的情況，以及焊點之間的轉換定位比較困難時候。掃描焊接技術還應用于大型不易移動的工件，或者具有復雜曲面的外形，可以通過機械手的快速靈活定位獲得快速高質量的焊接。振鏡掃描焊接機系統也可以根據客戶或者工件的形狀、大小與自動化程度進行定制化的制作。因為振鏡掃描單元可以根據ＰＣ加工任意的圖形單元，所以焊接時的加工軌跡將具有很大的自由性。國外目前將掃描焊接技術大量的應用于對汽車車身的多點焊接，在使用掃描焊接技術后，汽車車身的結構件可以變得更加靈活，焊縫形狀可以根據焊點的強度要求采用不同的形式，汽車制造業因此得益于重量更輕、更加經濟的高強度零部件。對未來車身結構的研究表明，掃描焊接系統相對于電阻點焊來說，可以降低30%的投資成本，減少50%的加工區域，縮短60%的加工時間。
國外已經將掃描焊接技術廣泛用于汽車行業中用來焊接0.6～1.5mm厚的薄金屬板[22]。采用功率4kW#p#分頁標題#e#的TRUMPF TruDisk Laser碟片激光器，用掃描焊接將兩塊1mm厚的薄金屬板焊接在一起，有效焊接速度大約可達到100mm/s[8]。其生產效率的實質性提高，主要得益于大幅縮短了將焦點從一個焊接位置重新定位到另一個焊接位置所用的時間。利用軟件可對焊接模式進行自由編程。無論采用多大功率，TRUMPF TruDisk Laser碟片激光器進行一次C形焊接的時間均不會超過200ms，而電阻點焊工藝進行同樣焊接的時間一般都需要2s。各種實際應用經驗表明，碟片激光器焊接的生產率一般超過電阻點焊生產率的2～6倍[8]。圖5為戴姆勒公司采用機械手掃描焊接汽車部件的現場。
圖-5 機械手掃描焊接汽車部件現場
國內采用振鏡掃描式激光焊接機可以高效地焊接各類電池，如手機電池，動力電池等的焊接。圖-6為各類電池和手機面板的焊接樣品圖。采用掃描激光焊接機焊接手機電池時，用特制的夾具一次可裝夾多塊電池，然后通過編程，控制振鏡讓激光連續掃描電池，實現快速高效的焊接，這跟硬光路相比，優勢非常明顯。
a各類電池焊接 b手機面板焊接
圖-6 掃描焊接技術焊接各類電池與手機殼
另外，掃描焊接技術應用于電池安全蓋帽的焊接也具有很大的優勢。圖-7為瑞通激光使用LWS-300FS掃描焊接系統焊接的安全蓋帽樣品[17]。LWS-300FS設備配備了轉盤式工作臺，便于電池的上下料，大大提高了生產效率。選用原來的硬光路傳輸的激光焊接機焊接電池蓋帽，效率為1100個/小時，選用振鏡掃描式激光點焊機焊接電池蓋帽(多點)，焊接效率可達到2000-5000個/小時，由焊接的樣品可知，通過振鏡掃描激光焊接電池安全蓋帽，方便靈活地實現單點、多點及各種排列分布焊點的焊接。#p#分頁標題#e#
圖-7 掃描焊接技術焊接電池安全蓋帽
6、總結
掃描焊接工藝具有焊接速度快、熱輸入量小、焊接熱變形小、靈活性大、焊接熔深可自由控制等優點，與傳統的激光焊接技術一樣，掃描焊接可以進行疊加縫焊工藝。國內主要以使用YAG激光和低掃描范圍的f-?鏡聚焦式掃描焊接系統，國外主要以使用具有高光束質量和高功率的激光器和具有大掃描范圍動態聚焦掃描焊接系統。在國內掃描焊接技術主要應用于各類電池焊接、手機面板和電子元器件的多點焊接，而在國外掃描焊接技術主要應用于汽車車身、車門等大件、復雜件的多點焊接。（編輯：邵火 通訊員：王迪）
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