近来，激光焊接成为了众多工业加工部门的新宠，无论是可上九天的嫦娥系列探月飞行器，还是可下万丈深海的蛟龙号潜水器，一件件大国重器的背后，都不难发现激光焊接技术的支撑作用。
近日，国内外几家主流的激光加工设计厂商，都对激光焊接技术提出了全新的优化设计方案，各家的优化思路都独具匠心，本文将基于部分优化方法已公开的激光焊接产品，对激光焊接的未来发展方向做一个简要分析。
作为钣金部件加工、数字车床设计以及高能激光器研发的巨头企业，德国通快 (Trump) 公司在2022年度欧洲金属加工展 (EuroBLECH) 召开的前夕，释放了有关具有特色系统的参展产品的部分信息：搭载了可编程亮线扫描技术(BrightLine Scan)的新一代焊接产品，不仅具有较好的焊接质量和鲁棒性，还搭配了环境友好型的生态冷却装置，有望一改传统冷却装置含氟气体过量排放的缺陷。从技术本质上来说，亮线扫描技术与激光雷达技术有着相似之处，二者均需要通过向待测环境发射激光进行扫描，以快速生成一个清晰的空间信息数据集，最终通过数据处理模块的分析，对未知空间中的特殊结构和形貌进行有效区分。作为一种先进的探测方式，亮线扫描有效地规避了激光器在焊接加工过程中容易出现的“视野盲区”，使得加工端面的形貌及相关的状态信息，被实时地反馈到加工控制程序中，而焊接程序在受到实时信息的引导后，也会做出相应的调整，形成精密完整的操作闭环。这种“振荡运动”是由使用特别开发的轻量级镜子来促进的。通过使扫描频率在千赫兹范围内，这种新技术使可用于热传导焊接的薄板厚度增加了一倍，从3 mm增加到6 mm。图1 Trump推出新型焊接设备。(a)焊头近照；(b)新型设备受到双重引导在这里，需要对激光焊接的引导方式进行补充说明：随着人工智能技术的飞速崛起，大型加工设备自动化、智能化的技术趋势愈发明显，有越来越多的激光焊接产品开始过渡到程序引导的技术方向上——当技术工作人员编写好机器的执行代码后，机器便开始按照已编指令进行相应的动作。虽然技术人员得到了实在的便捷，但这种方式存在严重的缺陷：当对单个点位进行焊接时，技术人员必须预先将激光焊头对准目标点位，否则很容易出现焊接位置偏移的状况。对激光焊头引导方式的改变，Trump的产品经理Geiger曾说过：“以前，我们必须将激光焊头放置在焊缝的正上方，以确保高质量的焊接。但如果你偏离正确位置哪怕仅一毫米，那么加工的材料便难逃报废结局。”但随后，他又提到：“有了亮线扫描技术，焊接激光可以通过扫描仪进行引导，这样能够实时纠正已出现的微小误差，实现更高的加工精度。”除了鲁棒性，工作效率也是激光焊接设备所关注的重点。以更短的时间完成更多高质量的焊接处理，将提高激光焊接设备在大规模焊接工程中的优势地位。近日，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所 (Fraunhofer ILT) 公布了一项名为“Collar”的新式激光焊接方案，该方案整合了金属-保护气体 (MSG) 焊接和激光金属沉积 (LMD) 等成熟焊接技术的设计思路，并选择玻璃作为加工基板，环形光束作为辅助光源来进行焊接系统的搭建。作为Fraunhofer ILT在德国焊接学会专家会议上拿出的看家展品，这款激光焊接设备有着惊人的焊接速度和3D金属打印的沉积效率。图3 Fraunhofer ILT所研发新式激光焊接设备近照值得一提的是，这项新式的激光焊接方案整合了世界一流的电弧增材制造技术 (WAAM)和线材激光金属沉积技术 (WLMD)，作为顶尖的线材填充工艺，二者各具特色，应用环境较为不同。与WAAM相比，WLMD有着相对更高的加工成本和更慢的材料沉积速率，但这项技术能够在更加复杂的表面形貌下，实现更高精度的焊接处理。二者的有效整合，使激光沉积金属材料的速率被提高了1.5倍，同时也使得这台设备拥有了更加宽泛的应用场景，能够根据具体的加工对象灵活调整加工方式。
来自Fraunhofer ILT的研究助理Steiner表示：“由于WLMD降低了被加工材料表面的波纹度，因此我们大幅降低了传统仅使用WAAM时，所需庞大的后处理流程。”若单从光路结构上分析该设备精度提高的原因，那么环形光束的应用便成了这台设备设计过程中的核心：环形光束仿佛一座无形的“围城”，将电弧的作用区域严格限制在环内，这就使得电弧焊接有了堪比激光的焊接表现。在这台设备中，电弧焊接被用于处理较为粗糙的结构；当材料结构被电弧大致处理过后，便降低电弧功率，提高激光的功率密度，利用激光完成精细之处的雕琢。据悉，Fraunhofer ILT旗下的企业正在努力地开发这套焊接技术的应用场景，目前，他们已经与亚琛工业大学焊接与连接研究所 (ISF) 取得了合作。作为国内工业激光加工的领军企业，大族激光在近年坚持技术创新和优秀的人才引进战略，通过找准自身定位和产业需求，实现了多层次、宽领域下的飞速发展。而早在2019年，大族激光旗下的激光焊接产品就以极佳的焊接表现亮相慕尼黑上海光博会，在展的部分产品，例如SFM200-Z光纤激光焊接系统、WFD2500半导体激光焊接系统等，以优秀的激光输出质量、较高的能量转换效率和极其智能的焊接操作，令无数参展者为之赞叹。图5 大族激光推出的部分激光焊接设备(图源：大族激光)这几年大族激光陆续推出了适用于不同领域的激光焊接产品，例如适合3C电子、医疗器件等行业的双工位纳秒激光焊接系统，该系统不仅具有极其强大的兼容属性，能够兼容不同尺寸的激光器和外光路系统，还具备较强的工作效率，可以同时实现上下料与激光焊接操作；还有适用于汽车行业的塑料激光焊接系列产品，以及适用于医疗器械方面的医疗器械自动化激光焊接系统等。图6 国内激光企业近年来推出的焊接及切割加工产品矩阵除大族激光外，国内激光焊接领域里较为优秀的设备供应商，还包括天弘激光、国玉科技、海目星激光、楚天激光、杰普特激光、迅镭激光以及盛雄激光等公司在内的一批高新技术企业。“中国制造2025”战略第一个十年周期的东风，为国内高端设备制造相关的工业项目带来了难得的发展机遇，而国内激光器设备供应单位纷纷做大做强，为祖国交出了一份份高分的时代答卷。我们始终坚信，自研智造是中国工业必须经历的发展历程，只有加大对技术开发的资金和人才投入，把握好市场的需求动态，才能在更大的市场里占据优势地位。
上一篇：
精密激光加工的下一轮热潮在哪里？
下一篇：
小特讲堂 | 一文读懂激光扩束镜的匹配与安装
