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? ? ? 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)激光焊接的主要區(qū)別是激光束定位方法不一樣，LSW技術(shù)通過激光束入射到掃描振鏡的X和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。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500mm或更長(zhǎng)的焦距，掃描焊接范圍一般超過1m，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1所示。
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、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。下圖所示為激光掃描焊接在汽車零部件焊接應(yīng)用實(shí)例。
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? ? ??隨著新能源汽車的異軍突起，市場(chǎng)對(duì)動(dòng)力電池的需求越來越大，激光焊接也就由之前的車身焊接，拓展到動(dòng)力電池焊接，汽車座椅焊接以及汽車內(nèi)飾切割等應(yīng)用。圖3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，外觀美觀無瑕疵。
? ? ??雖然掃描焊接具有無可比擬的效率優(yōu)勢(shì)，但在大規(guī)模應(yīng)用階段還需解決如下幾個(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)此難題還沒有較為有效的解決辦法，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)通過夾具將保護(hù)氣吹向工件需焊接的點(diǎn)位，但成本較高。
? ? ??2.激光掃描a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，可能還會(huì)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題，因激光焊接需要零件部件的緊密搭接，特別是針對(duì)具有一定曲面的大型工件，需要對(duì)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。
? ? ?焊接用激光器的纖芯直徑一般100μm-600μm，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，一般要根據(jù)掃描振鏡的有效口徑計(jì)算準(zhǔn)直透鏡的焦距。例如，當(dāng)掃描振鏡的有效孔徑是30mm時(shí)，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20mm-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，選擇合適的掃描場(chǎng)鏡。
? ? ?例如，激光纖芯直徑為200μm，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。表2-3為常見的焊接用準(zhǔn)直和場(chǎng)鏡模組的選型推薦。
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