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引言

激光作为一种先进的加工工具，在工业焊接领域发挥越来越重要的作用。传统的激光焊接技术虽然在一定程度上能够控制这些缺陷，但其效果往往受限于固定的焊接参数和工艺。近年来，激光摆动焊接技术的出现为焊接缺陷的控制提供了新的解决方案。通过在焊接过程中引入激光束的摆动，该技术能够显著改善熔池的动力学特性，从而优化焊接质量。激光摆动焊接技术主要基于激光束的精确控制和摆动技术，以实现高效、高质量的焊接。激光摆动焊接技术的应用能够使得激光焊接应用更加广泛，对更大工件，焊缝更宽的工件都能实现激光高效精密焊接，即对于产品的基础工艺和装配精度有所放宽。

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激光摆动焊接的定义

在焊接过程中， 激光束被快速而精确地摆动，以覆盖整个焊接区域。光束沿着焊缝方向移动过程中同时进行圆形、8字形、螺旋线等多种形态的摆动，如图1所示。这种摆动不仅有助于实现更均匀的加热，还能有效减少焊接缺陷，如气孔和裂纹。

图1. 激光摆动焊接过程示意图，

（a）IPG D50焊接头激光摆动焊，

（b）圆形摆动模式光斑轨迹。

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激光摆动焊接的特点

随着技术发展，激光摆动焊接技术也根据功能和需求推出了多种类型，包括激光振镜扫描头、焊接摆动头等，以适应不同行业的焊接需求。通过激光专用摆动焊接头对光束进行摆动，不仅扩大了加工范围，还提升了对焊缝宽度的容忍度，从而提高了焊接质量。激光摆动焊接具有以下特点：

（1）热输入均匀： 摆动焊接可以通过改变焊接热源的位置，实现对焊缝的均匀加热，避免焊接过程中出现热应力集中的问题。

（2）焊缝质量高： 由于热输入均匀，摆动焊接可以获得更加均匀、稳定的焊缝质量，减少焊接缺陷的产生。

（3）适用性广： 摆动焊接适用于各种材料和焊接位置，可用于手工焊接和自动化焊接过程。

提高生产效率： 摆动焊接可以减少焊接变形，降低焊接残余应力，从而提高生产效率和焊接质量。

（4）可控性强： 更大的摆动光斑尺寸有助于弥合更大的间隙。摆动焊接的摆动幅度、频率和速度都可以进行精确控制，以满足不同焊接要求和工件的需要。

图2. （a）激光摆动焊接过程中使用的摆动模式类型：圆形、无限形、8 字形、横向和正弦形;（b）激光摆动焊接在不同行业中的应用。

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激光摆动焊接的实现原理

激光摆动主要通过焊接头实现，当前有两种焊接头，分别是振镜焊接头和摆动焊接头。                      

振镜焊接头：

振镜焊接头的主要组成部分为扩束准直镜、聚焦透镜、XY 两轴扫描振镜、控制板卡以及上位机计算机软件系统。振镜可以改变激光光束的方向，通过电磁驱动机构带动摆动或通过步进电机驱动旋转扫描。通过振镜的运动，可以实现对光束的快速扫描，控制光斑在焊缝上高速移动，获得理想的焊缝。光束从QBH进入准直模块，转变为平行光束，再经过聚焦模块进行聚焦，以纠正激光束在聚焦平面上的枕形畸变，保证光束在同一焦平面内的精准移动。目前，实现光束摆动主要通过能够承受高功率激光的振镜实现，如图3所示。

图3. （a）摆动激光原理；（b）高功率振镜焊接头实物图。

振镜又分为2D和3D振镜，2D可以实现激光在二维任意轨迹控制，3D振镜可以实现激光在XYZ，除了左右平面移动，还能在高度上进行调节。3D 振镜组成相比于 2D 振镜主要增加了“Z 轴光学系统”，使得 3D 振镜在焊接过程中可以自由改变焦点位置，进行空间曲面焊接，无需像 2D 振镜通过改变载体如机床、机器人的高度来调节焊接焦点位置。振镜焊接头通过电机带着镜片进行偏转，电机由一定的电流进行驱动，具有精度高、惯性小、响应快等优点。

图4. 3D振镜焊接头工作原理。

摆动焊接头：

摆动焊接头通常配备有高精度的控制系统，能够精确控制激光束的摆动路径和速度。该系统主要由扫描模块（电机、镜片）、准直聚焦模块、及控制系统（运控板卡）构成，如图5所示。激光束首先通过扫描模块被导向，该模块由两个反射镜组成，通过高灵敏度的伺服电机控制摆动。准直聚焦模块用于将激光束调整为平行光束，并通过聚焦模块进行聚焦，以确保光束在焊接区域的焦点位置准确。光束可沿 X、Y 轴方向进行运动。此外，摆动焊接头还可以配置填丝和加保护气直吹的功能，进一步提高焊接质量和效率。

图5. 摆动焊接头示意图。

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结论

摆动焊接头因其高效、高质量的焊接效果，被广泛应用于汽车制造、航空航天、电子制造等领域。特别是在需要焊接复杂形状或高精度要求的零件时，摆动焊接头显示出其独特的优势。

这种技术不仅提高了焊接接头的性能，还扩展了激光焊接在精密制造领域的应用范围。尽管激光摆动焊接具有很大的潜力，但在激光摆动焊接过程中加工参数的影响方面还需要深入研究。我们将在后续进行激光摆动焊接关于工艺参数及其对焊缝缺陷影响的专题知识分享。