高效焊接技术——激光摆动焊接

以下文章来源于激光精英集 ，作者激光精英集

激光摆动焊接传统的焊接方法相比，激光焊接具有以下优点：高能密度：激光束具有很高的能量密度，可以快速加热和熔化材料，从而实现高速、高效的焊接。熔深小、变形小：由于激光焊接的加热区域非常小，因此熔深小，同时由于焊接速度快，热影响区也很小，因此变形小。焊缝质量高：激光焊接的焊缝形态好、尺寸稳定，缺陷少，可以实现高精度的焊接。但激光高能束加工也有缺陷。激光摆动焊接定义和特点：又被称作激光扫描填充焊接，通过控制系统对摆动模式、频率以及幅度进行调控，实现对激光摆动路径的规划控制。其主要特点为效率高、柔性大、焦距长、扫描范围大、光束偏移运动灵活等，不仅能实现小幅面的任意运动，搭配运动机构的飞行振镜焊接，加工幅面和效率更能成倍提高，应用潜力巨大。

摆动激光焊接的实现原理：主要通过焊接头实现，当前有两种焊接头，一种是振镜，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。

摆动焊接头：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。激光束入射到扫描振镜的两个反射镜上，两个反射镜通过两个高灵敏度的伺服电机控制摆动，使光束可沿 X、Y 轴方向进行运动。摆动头主要是可以填丝、加保护气直吹，这块比较有优势，在摆动频率和速度上差振镜一点。

振镜焊接头：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。振镜焊接以光束的聚焦方式为标准可分为两种，一是聚焦镜在扫描振镜之前的动态聚焦式，二是经振镜系统偏转后被聚焦的 f-θ 镜聚焦式。两种方式的不同是动态聚焦式比 f-θ镜聚焦式的工作范围更大，适宜于扫描范围更大的场景。目前可实现的摆动路径包括正弦摆动路径，圆形摆动路径，8 字形摆动路径以及∞形摆动路径等

2激光摆动焊接—特殊应用增加有效熔宽

在一些导电连接工件上，需要扩大过流面积，也需要扩大金相连接面，也需要对摆动激光焊接，使金相连接面变成“U”；

异种材料、铝硅涂层等材料有些需要搅拌熔池防止元素偏析，也需要激光摆动降低缺陷。叠焊的时候希望下层有效熔宽能够更宽，此时就需要用摆动焊接，增加有效熔宽，提高连接强度；

3 激光摆动焊接—改善外观

针对薄板焊接，成形过程易出现咬边及背部下塌缺陷，对于要求成形美观和高密封性的构件，需要增添打磨或者密封工位；

对于高反材料：由于材料固有特点，即表面张力小、粘度较低，在激光作用的小熔池范围内不能够得到充分流动以及铺展，且由于常规激光能量作用集中，在熔池内部分布不均匀，极易使焊缝形成咬边、下凹等缺陷，当焊缝一旦焊透，就会由于表面张力小而形成背塌陷。

外观缺陷主要是由于温度梯度过大，即熔池太小，导致熔池到熔池边缘固态材料位置温差太大，加上单激光不摆动焊接熔池波动剧烈，导致熔池在波动到边缘迅速降温，导致外观粗糙，凹凸不平，甚至有咬边，所以激光摆动扩大熔池能够有效改善焊缝外观，降低咬边，焊瘤等缺陷。

4 降低气孔缺陷

在焊接过程中气孔抑制的核心就是想办法让气泡能够及时逸出熔池，这时必要的摆动激光能够实现搅拌熔池，加快气孔上浮速度，同时匙孔也能击穿气孔促进气泡气体逸出，从而抑制气孔产生。

气孔主要分为冶金气孔和工艺气孔；冶金气孔主要是材料本身的特性所致，比如氢气孔、金属元素烧蚀；工艺气孔主要是：1、表面污染（油污、水渍）；2、匙孔不稳定所致的小孔型气孔；

5降低裂纹缺陷

裂纹定义：在焊接过程中，在应力作用下，焊接接头中局部地区（中间居多）的金属原子结合力遭到破坏（凝固速度不一致，导致体积减小产生拉应力）而形成的新界面所产生的缝隙被称为裂纹。

裂纹的主要解决方案：就是减缓凝固速率，让熔池缓慢冷却，让液态金属有时间去填满内部由于热胀冷缩所导致的孔隙，避免孔隙成长为裂纹，影响焊接性能，摆动可以有效的实现焊缝尾部重熔，搅动熔池，扩大熔池面积，抑制裂纹出现。

6降低飞溅缺陷

飞溅产生原因：

主要是匙孔内金属蒸汽在向上喷发的过程中给到熔池一个向上的剪切力，把液滴从熔池中带出，形成飞溅；

如何解决飞溅：

解决飞溅的核心就在于降低匙孔深度波动，降低剪切力，同时扩大匙孔开口是的金属蒸汽无法直接作用于液态熔池，同时稳定熔池波动，使得液态金属不会出现在匙孔正上方直接受到金属蒸汽作用，从而降低飞溅发生率。摆动焊接的高速摆动可以扩大匙孔开口，稳定匙孔体积不剧烈波动，同时扩大熔池，使得熔池平缓，扩大温度梯度，有效避免了飞溅发生。

7 热输入分析

激光摆动焊接究其核心主要是影响激光的热输入和熔池匙孔动态行为，热输入可以从线能量角度去分析对比，熔池匙孔动态行为可以通过高速摄影去观察过程搭配数值模拟仿真去分析，另外也可从外观去分析熔池动态行为的影响，最后考虑到很多摆动还主要想解决气孔问题，也简单对比各种摆动填充轨迹对气孔和金相的影响。宏观的热输入就是激光功率，再微观一点，考虑时间，就是线能量（P(功率)/V（速度）），摆动由于不能简单用焊缝长度去计算线能量，因为不同的轨迹运动的轨迹长度不一样，所以需要把焊缝轨迹的长度计算一下。

为什么要用轨迹瞬态线能量去描述？因为设置的运动位移（焊接长度）是L0，但实际上激光走过的路程远远不止，且不同的振幅、频率、轨迹激光运动路径长度是不一样的，所以为了更准确去评估能量分布的情况，选择根据真实的路径来算线能量，〖E 〗_path=(P（功率） )/(L (真实轨迹))，其表示沿一定时间内激光扫描轨迹总长度分布的线能量均值，反映了扫描轨迹的极大拓展对能量分布的均匀作用以及对熔池的搅拌效应，E_path线能量越小，说明速度快，激光运动路径长，说明振幅比较大，频率比较高，间距比较小，均匀作用及搅拌效应越强，熔深越浅，这个计算得出的规律可以辅助工艺判断要控制熔深，何种填充比较合适，有时熔深不足，切换填充轨迹。用300um，30KW光纤激光器做的实验结论：在同样的间距，综合速度，功率，摆动频率一致的情况下：不同的摆动轨迹金相如图所示：常规激光焊接的焊缝，熔宽较窄呈现典型的束腰状，相同的总能量输入下已经完全熔透，并出现下塌现象，即过量的熔融液态金属的表面张力无法承载其重力而沿背部塌落，而激光摆动焊接均可以显著拓宽焊缝的熔宽，降低了焊缝熔深，有效改善下塌问题。改变摆动模式，焊缝横截面呈现巨大差异，尤其体现在熔深方面，圆形摆动焊缝的熔深相对最浅，而正弦、8 形和∞形焊缝已处于熔透临界状态。由此说明，激光摆动与常规激光焊接的能量分布存在巨大差异，而圆形摆动与其他模式的能量分布特征也存在明显不同，从而影响熔池的传热行为以及焊缝形貌。

8 线能量对比[1].陈琳. 铝合金薄板激光摆动搭接焊缝成形机理及其熔池行为研究[D].华中科技大学,2022.

激光摆动焊接均匀能量分布的本质是：光束摆动大幅延展了激光轨迹的长度，从而使激光平均扫描速度大幅提升，使激光沿扫描路径平均分布的线能量以及各处的停留时间均降低，使能量的集中度下降，从而有效均匀能量分布，扩大热作用面积，扩大熔池，降低温度梯度。  同样的（功率）热输入下，螺旋线扫描填充激光运动速度最快，线能量密度最低，能量分布更为均匀，因此具有最优的激光能量分布均匀效果。反映到焊接金相上，同样的频率选择螺旋线，熔深可能会浅一点，且均匀，熔池波动相对稳定，其他图形可能会带一点尖，会有凸出部。

常规激光焊接焊缝的能量峰值沿焊缝中心线分布，能量作用区域集中且面积较小，其能量峰值比激光摆动条件下高出 3 倍左右。而激光摆动则显著增大了激光能量作用的范围，使能量分布从一个集中波峰转变为多个波峰，且大幅降低了局部高密度激光能量热累积，其中 CW，CCW 和 正弦 模式下波峰分布于熔池两侧，而波谷则分布于焊缝中心线。对比能量密度分布可知，圆形摆动模式下能量分布相对更加均匀，即波峰波谷之间能量密度差值较小，而正弦模式下能量主要集中于熔池两侧，波峰波谷能量密度的差异较大，正弦的金相容易有牙齿型带个尖。这是在300um芯径激光器的实验结果，精密加工行业很多用50以内的小芯径去做摆动，规律还会有点差异，小芯径的能量更集中，金相表现会更突出。

8.1尖牙分析正弦线摆动的热量输入计算方法：在单振荡周期内不同光束振荡频率下熔池边缘和中心位置的激光能量。(a)熔池边缘和中心位置的能量的统计范围；(b)在边缘和中心位置输入的激光能量的比较。Q1、Q2分别为焊缝梁边缘和中心位置的能量输入。这个就很清晰可以看出，正弦摆动焊接，激光在熔池边缘停留的时间更长，这还是考虑到轨迹摆动速度一致的情况下，有些控制软件在正弦顶端还存在减速刹车的情况，会导致激光在边缘停留时间相比焊缝正中更长，由此是的焊缝边缘的热输入更高，就会出现金相剖面，熔深边缘更深，中间浅的情况，如图金相图所示，增加频率和减小振幅可以降低边缘和焊缝中心的热输入差值，使得金相呈“U”型圆润过渡。

这个金相来看，螺旋线表现最好，比较容易调试，正弦和弓字填充最容易出现边缘热累积。不过最终效果需要看看具体的轨迹判断一下热量累积情况，进行频率、间距、振幅的调试。

9 不同摆动轨迹外观对比可以看出，圆形摆动模式下，焊缝上表面光滑平整，无飞溅，鱼鳞纹排布细密，而其他摆动模式条件下，焊缝上表面的平整度和光滑度均降低，并出现飞溅。常规激光焊缝的上表面则具有明显可见的咬边和飞溅等缺陷。激光摆动焊接凝固后的熔池面积远大于常规激光焊缝，螺旋线模式凝固后熔池形貌为近椭圆形，熔池尾部呈圆弧状，因此焊缝的鱼鳞纹也呈圆弧状排布，而其他模式熔池尾部具有尖锐的弧度（熔池拖尾较长，摆动效果欠佳）。当摆动幅度一致时，采用圆形摆动激光焊接时获得的熔池表面尺寸最大，常规激光焊接熔池表面尺寸较小，熔池后部有拖尾，匙孔半径也较小，易产生闭合；垂直摆动激光焊的熔池上表面接近椭圆形，匙孔尺寸增大，匙孔更加稳定；圆形摆动激光焊接的熔池表面尺寸进一步增大，形状接近圆形，最有利于熔池和匙孔开口的稳定性。

10不同摆动轨迹匙孔动态行为对比纯激光焊接的熔池波动是非常剧烈的，因为熔池体积较小，深宽比较大，熔池流速梯度大，匙孔中心的液体流动速度是边缘的好4-6倍，加上温度梯度大，熔池在很小的区域高低温碰撞，急速冷却，所以熔池波动剧烈，匙孔开闭周期短，频率高，过程极不稳定。

正弦和“弓”、“Z”型填充都涉及激光高速转向，急停回转，速度矢量变化大，且熔池范围在横向拓展，呈椭圆形，长边与焊接方向垂直，由于激光的摆动使得熔池后方的拖尾消失，熔池整体趋于稳定，但是熔池边缘形状随时间变化仍有较大波动，边缘表面粗糙度会较大，且部分伴随咬边缺陷，使得熔池稳定性降低，但优于不摆动激光焊接。

随激光束沿螺旋线路径移动，熔池上表面近似圆形，并且边界平滑，随焊接过程进行，熔池整体向前移动，由于螺旋线轨迹激光运动轨迹最长，线能量最低，匙孔深度也最小，匙孔开口最大，整体液体流速最低，熔池形状波动极小，相对于其他摆动轨迹，螺旋线摆动的激光焊接熔池更加稳定。此外，熔池中匙孔在既定路径上移动的过程中形状波动也较小，未见匙孔上方的闭合趋势，在螺旋线摆动路径移动的激光焊接中，匙孔移动前方的温度梯度较小，相当与匙孔前方的区域经过预热，有利于匙孔和熔池的稳定性。

11 不同摆动轨迹气孔率对比相比不摆，摆动焊接激光运动速度更快，扩大了匙孔开口，降低了由于匙孔坍塌导致的小孔型气孔形成机率，同时还能起到搅拌熔池的作用，促进气孔逸出熔池。螺旋线摆动：熔池最为稳定，熔池面积最大，较大的熔池尺寸有利于降低熔池凝固速度，所以相比公知型填充、正弦摆动、8字型摆动，螺旋线的气孔抑制效果最佳。无穷型（∞）摆动：摆动的气孔抑制效果比螺旋线更好。发现无穷远（∞）的摆动轨迹的小孔型气孔引起的孔隙率降低到2.5%以下。这主要是其他都是搅拌熔池，且必须保证一定的间距，不然会出现未熔合的间隙；但是无穷型（∞）摆动不禁可以搅拌熔池，还能再往焊接反方向去重熔熔池尾部金属，相当于金属被熔化多次，这时即便是搅拌熔池有气孔未来得及逸出，无穷型（∞）摆动的尾部重熔也会把漏网之鱼的气孔再次揪出，由此进一步降低孔隙率。无穷型（∞）气孔抑制效果最佳，其次螺旋线，其他轨迹并没有给熔池太多全局摆动改善。

随着摆动频率的增大，激光的扫描路径被大大延长，激光的平均扫描速度增大，导致激光轨迹瞬态线能量大幅下降，然而光束路径的叠加程度也随之增大，因此，不同频率下综合峰值能量密度相差无几，这说明仅改变频率对焊缝热输入影响较小，但对线能量影响较大，线能量下降导致熔深降低，可能会出现深熔焊向热导焊过渡的情况，稳定是越稳定了，外观成形也变光滑，就是熔深会下降。