1. 簡(jiǎn)介
遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)（RLW），作為一種非接觸式機(jī)器人激光焊接工藝，近些年已經(jīng)獲得了較大發(fā)展，并被應(yīng)用于提高激光焊接工藝的生產(chǎn)效率，改善其加工的靈活性。RLW的試驗(yàn)研究工作最早出現(xiàn)于1996年，由John Macken提出。RLW的主要特征是長焦距（可達(dá)1600 mm）、高功率、高光束質(zhì)量激光源與振鏡掃描裝置的完美結(jié)合。與傳統(tǒng)激光焊接工藝相比，RLW加工的靈活性更好，速度更快，周期更短。
一直以來，RLW技術(shù)研究工作被應(yīng)用于各種類型的激光器。波長1080nm的高功率光纖激光器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)激光束的光纖傳輸，還能夠強(qiáng)化加工的靈活性及聚焦的精準(zhǔn)度。而CO2激光器由于波長較長（10.6 μm），所以生成的光束不可能通過光纖傳輸。高功率光纖激光因其合適的波長及優(yōu)良的光束質(zhì)量，在RLW應(yīng)用領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，是取代傳統(tǒng)CO2激光和Nd: YAG激光的理想選擇。
RLW的工作原理是通過振鏡掃描對(duì)激光光束進(jìn)行反射和定位，使其以高速傳輸?shù)焦ぜ砻鎇9]。現(xiàn)在，在RLW領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是2D掃描。2D掃描單元其實(shí)是一個(gè)振鏡系統(tǒng)，包含兩個(gè)可電動(dòng)旋轉(zhuǎn)的輕型掃描鏡。該系統(tǒng)可處理5 kW輸出功率，比3D掃描更經(jīng)濟(jì)。
當(dāng)然，RLW也面臨著諸多挑戰(zhàn)， 比如對(duì)預(yù)加工的要求、對(duì)焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性的要求、需要提供保護(hù)氣體、需要特別注意鍍層薄板的夾持和定位等。與傳統(tǒng)的激光焊接相比，RLW需要關(guān)注的工藝參數(shù)更多。這些參數(shù)大致可以分為光束質(zhì)量、加工參數(shù)及材料屬性三大類。
2. 遠(yuǎn)程激光焊接工藝
2.1. 工藝原理
RLW的理念并不是特別新奇，其原理主要是通過掃描儀，在工件上方一定距離對(duì)聚焦的激光光束進(jìn)行反射和定位，焦距通常在1000~1600 mm之間。1996年，John Macken進(jìn)行了第一次RLW試驗(yàn)，采用焦距為1600 mm的激光實(shí)現(xiàn)了小孔模式焊接，該試驗(yàn)被認(rèn)為是RLW工藝發(fā)展史上的里程碑。掃描儀能夠幫助激光光束正確投射在面積為1 m×1 m，甚至是超過2 m3的大型工件上，焊接速度可達(dá)30 m/min。
一般RLW工藝有兩種工作模式：集成掃描儀的RLW系統(tǒng)和基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)。集成掃描儀的RLW系統(tǒng)是利用一個(gè)掃描單元（一般為2D掃描儀）對(duì)激光光束進(jìn)行定位和聚焦，如圖1（a）所示；而基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)則是指通過一個(gè)長焦距激光光學(xué)鏡與一個(gè)六軸機(jī)器人完成操作，由機(jī)器人負(fù)責(zé)激光光束在工件表面的定位，如圖1（b）所示。
(a) (b)
圖1. 集成掃描儀的RLW系統(tǒng)（a）和基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)（b）
與基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)相比，集成掃描儀的RLW系統(tǒng)可應(yīng)用于多種領(lǐng)域，且加工周期更短，精準(zhǔn)度更高，但是這種系統(tǒng)對(duì)激光光束的質(zhì)量要求也比基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)高很多。表1為集成掃描儀的RLW系統(tǒng)和基于機(jī)器人的RLW系統(tǒng)與傳統(tǒng)激光焊接的性能比較。
表1. 遠(yuǎn)程焊接工藝和傳統(tǒng)激光焊接工藝的參數(shù)對(duì)比
1=很差/很低；2=一般；3=良好
2.2. 配置條件
要想獲得好的遠(yuǎn)程焊接結(jié)果，必須滿足以下三個(gè)條件：
1. 一臺(tái)確保激光光束正確傳輸和定位的掃描儀
2. 一臺(tái)能夠進(jìn)行長焦距作業(yè)的高質(zhì)量高功率光纖激光器
3. 全面正確地控制工藝參數(shù)
2.2.1. 掃描儀
掃描儀將確保光束根據(jù)所需的焊接路徑在工件表面正確引導(dǎo)，并快速定位。高度靈活的輕型掃描頭能夠使光束在焊點(diǎn)之間極為快速地移動(dòng)，這也就意味著定位所需的時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)激光焊接工藝。
圖2所示為一個(gè)掃描頭的典型元件。掃描單元主要由一組振鏡和透鏡構(gòu)成。在遠(yuǎn)程焊接中，激光光束首先會(huì)通過透鏡。透鏡可以沿著光軸移動(dòng)，從而改變焦點(diǎn)位置。激光光束通過X振鏡和Y振鏡被相繼反射和引導(dǎo)，最后沿著既定的焊縫，在工件表面精確聚焦。圖3表示一個(gè)典型的2D掃描儀系統(tǒng)，其中包括焊縫追蹤傳感器，直線投影設(shè)備以及高靈敏度的2D掃描單元。
圖2. 構(gòu)成掃描頭的典型元件
圖3. 2D掃描儀系統(tǒng)的主要部件
