1. 簡介

　　遠程激光焊接技術（RLW），作為一種非接觸式機器人激光焊接工藝，近些年已經獲得了較大發展，并被應用于提高激光焊接工藝的生產效率，改善其加工的靈活性。RLW的試驗研究工作最早出現于1996年，由John Macken提出。RLW的主要特征是長焦距（可達1600 mm）、高功率、高光束質量激光源與振鏡掃描裝置的完美結合。與傳統激光焊接工藝相比，RLW加工的靈活性更好，速度更快，周期更短。

　　一直以來，RLW技術研究工作被應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實現激光束的光纖傳輸，還能夠強化加工的靈活性及聚焦的精準度。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良的光束質量，在RLW應用領域具有無可比擬的優勢，是取代傳統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激光光束進行反射和定位，使其以高速傳輸到工件表面[9]。現在，在RLW領域應用最為廣泛的是2D掃描。2D掃描單元其實是一個振鏡系統，包含兩個可電動旋轉的輕型掃描鏡。該系統可處理5 kW輸出功率，比3D掃描更經濟。

　　當然，RLW也面臨著諸多挑戰， 比如對預加工的要求、對焊接質量和穩定性的要求、需要提供保護氣體、需要特別注意鍍層薄板的夾持和定位等。與傳統的激光焊接相比，RLW需要關注的工藝參數更多。這些參數大致可以分為光束質量、加工參數及材料屬性三大類。

　　2. 遠程激光焊接工藝

　　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聚焦的激光光束進行反射和定位，焦距通常在1000~1600 mm之間。1996年，John Macken進行了次RLW試驗，采用焦距為1600 mm的激光實現了小孔模式焊接，該試驗被認為是RLW工藝發展史上的里程碑。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30 m/min。

　　一般RLW工藝有兩種工作模式：集成掃描儀的RLW系統和基于機器人的RLW系統。集成掃描儀的RLW系統是利用一個掃描單元（一般為2D掃描儀）對激光光束進行定位和聚焦，如圖1（a）所示；而基于機器人的RLW系統則是指通過一個長焦距激光光學鏡與一個六軸機器人完成操作，由機器人負責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（a）和基于機器人的RLW系統（b）

　　與基于機器人的RLW系統相比，集成掃描儀的RLW系統可應用于多種領域，且加工周期更短，精準度更高，但是這種系統對激光光束的質量要求也比基于機器人的RLW系統高很多。表1為集成掃描儀的RLW系統和基于機器人的RLW系統與傳統激光焊接的性能比較。

　　表1. 遠程焊接工藝和傳統激光焊接工藝的參數對比

　　1=很差/很低；2=一般；3=良好

　　2.2. 配置條件

　　要想獲得好的遠程焊接結果，必須滿足以下三個條件：

　　1.    一臺確保激光光束正確傳輸和定位的掃描儀

　　2.    一臺能夠進行長焦距作業的高質量高功率光纖激光器

　　3.    全面正確地控制工藝參數

　　2.2.1. 掃描儀

　　掃描儀將確保光束根據所需的焊接路徑在工件表面正確引導，并快速定位。高度靈活的輕型掃描頭能夠使光束在焊點之間極為快速地移動，這也就意味著定位所需的時間將遠遠低于傳統激光焊接工藝。

　　圖2所示為一個掃描頭的典型元件。掃描單元主要由一組振鏡和透鏡構成。在遠程焊接中，激光光束首先會通過透鏡。透鏡可以沿著光軸移動，從而改變焦點位置。激光光束通過X振鏡和Y振鏡被相繼反射和引導，最后沿著既定的焊縫，在工件表面聚焦。圖3表示一個典型的2D掃描儀系統，其中包括焊縫追蹤傳感器，直線投影設備以及高靈敏度的2D掃描單元。

　　圖2. 構成掃描頭的典型元件

　　圖3. 2D掃描儀系統的主要部件

　　2.2.2. 高功率光纖激光器

　　近年來，高功率光纖激光器實現了快速發展，在材料加工應用領域已經表現出極具優勢的特性。具有極佳光束質量的高功率光纖激光器可以提供超高的功率密度峰值，能達到幾個MW/mm2量級，這對于長距高速遠程激光焊接而言至關重要。