摆动激光焊接技术：光束振荡如何改变熔池

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  摆动激光焊接技术对光束究竟做了什么
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  光斑轨迹类型及各自带来的好处
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  参数窗口：摆动焊接适用与不适用的范围
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  振荡如何改变飞溅、气孔和裂纹
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  固定光斑与摆动激光焊接：何时选哪种

标准激光焊机将光斑固定在一处，由零件或焊头沿焊缝移动。匙孔深度和熔池宽度取决于功率密度和行走速度，焊缝几乎没有时间让热量向两侧重新分布。摆动激光焊接技术在行走轴之上叠加了第二种运动，从而改变了这一点。

焊头内部，一对振镜以高频偏转光束。这些镜片以 100 至 500 Hz 描出小轨迹——圆形、8 字形、无限形或直线——同时机器人或龙门架带动焊头沿焊缝移动。结果是有效光斑远宽于聚焦光束。

聚焦光斑本身直径可能为 0.1 至 0.6 mm。在 1 至 3 mm 的振荡幅度下，光束扫过的轨迹宽度是光斑的数倍。焊缝上每一点每秒被光束多次扫过，而不是一次。这种重复加热正是关键所在。

单位长度热输入基本不变，因为总激光功率和行走速度未变。变化的是能量分布方式。形成的是宽而浅的熔池，而不是窄而深的匙孔。这种几何变化带来了大部分工艺优势。

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  聚焦光斑0.1–0.6 mm，由光纤芯径和光学系统决定。
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  振荡幅度0.5–3 mm，由振镜偏转决定。
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  振荡频率100–500 Hz，由振镜驱动决定。
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  行走速度1–6 m/min，由轴运动决定。

振荡轨迹不是装饰性的。圆形轨迹向各方向均匀分布热量，适合间隙沿焊缝延伸的对接接头。它还能搅拌熔池，有助于气体在金属凝固前逸出。

8 字形或无限形轨迹在横跨焊缝方向覆盖的面积大于沿焊缝方向。这对搭接接头和角焊缝有用，因为需要的是宽度而非长度。8 字的交叉点在中心增加二次扫描效果，可细化晶粒组织。

沿焊缝方向的线性振荡相当于微型多道焊。它在匙孔前方预热金属，在后方减缓冷却。对 7075 铝或某些工具钢等裂纹敏感合金，这种较慢的冷却曲线比宽度更重要。

螺旋轨迹用于间隙沿接头变化的情况。光束会自动在较宽段停留更久，因为螺旋覆盖面积更大。仍需工装夹具支撑，但该工艺可容忍约 0.2 至 0.3 mm 的间隙变化，而固定光斑在 0.1 mm 时就会失效。

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  圆形热量均匀，适合对接接头和除气。
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  8 字形覆盖更宽，适合搭接和角焊缝。
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  线性预热并缓冷，适合裂纹敏感合金。
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  螺旋可容忍沿焊缝的间隙变化。

摆动焊接在 0.3 至 2 mm 厚的薄板上优势明显，固定光斑会烧穿或留下窄而易裂的焊缝。更宽的熔池分散热量，使 0.8 mm 不锈钢板背面不会严重变色。它还能桥接原本需要填充焊丝的间隙。

对于 3 mm 及以上的深熔焊，情况相反。振荡分散光束并降低峰值功率密度，因此损失匙孔深度。若需在 304 不锈钢上获得 4 mm 熔深，高功率固定光斑仍是更好的工具。摆动焊接不能替代深熔焊。

铝和铜合金受益，因为搅拌作用打碎氧化膜并帮助捕获的氢逸出。压铸 ADC12 或 6061 焊缝中的气孔，在从固定模式切换到摆动模式后通常会减少，前提是振荡频率足够高，能在熔池凝固前完成搅拌。

异种金属接头，如铜-铝或钢-铝，比较棘手，因为界面会形成脆性金属间化合物。受控振荡可限制金属在共晶温度以上的停留时间，从而减薄金属间化合物层。它不能消除问题，但拓宽了工艺窗口。

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  薄板0.3–2 mm：优势明显，减少烧穿。
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  深熔焊3 mm 以上：通常固定光斑更优。
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  铝搅拌减少气孔和氧化问题。
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  异种金属限制金属间化合物生长，但不能消除。

匙孔塌陷并喷出金属时形成飞溅。固定光斑产生深而窄的匙孔，底部不稳定。摆动光束形成更浅、更宽的凹坑，稳定性好得多。这就是为什么在薄镀锌钢上加入振荡后飞溅会明显减少。

气孔来自熔池凝固时困住的气体。熔池凝固越快，气体上浮逸出的时间越少。振荡让熔池保持液态更久并搅动它，为气泡提供通向表面的路径。在铝材上，这往往就是判废与合格之间的差别。

凝固裂纹出现在凝固温度区间宽的合金中，例如某些 6xxx 和 7xxx 系铝合金。裂纹沿焊缝中心线延伸。线性或八字形振荡改变晶粒生长方向，能打断笔直的中心线，从而阻断裂纹扩展。

这些都不是自动实现的。振荡频率太低，光束只是从一点跳到另一点，得到一系列搭接的焊点，点与点之间是冷搭接。振幅太大，则熔深不足，可能根部未熔合。工艺窗口确实存在，而且比宣传的要窄。

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  飞溅匙孔更浅、更稳定，喷出更少。
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  气孔液态停留时间更长并伴随搅拌，让气体逸出。
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  裂纹晶粒方向改变，打断中心线。
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  频率过低焊点搭接并出现冷搭接。