摘要：周末了，研习下激光摆动焊接技术的原理与应用，该技术与纯激光焊接有着显著优势，从这几个方面进行介绍：原理、特点、可焊性、应用等。
周末了，研习下激光摆动焊接技术的原理与应用，该技术与纯激光焊接有着显著优势，从这几个方面进行介绍：原理、特点、可焊性、应用等。
*Laser Wobble Welding Process: A Review on Metallurgical, Mechanical, and Geometrical Characteristics and Defects
*A Comprehensive Review of Laser Wobble Welding Processes in Metal Materials: Processing Parameters and Practical Applications
应用背景
激光摆动焊接技术诞生于现代制造业对焊接质量与效率的迫切需求。传统焊接技术在精度、强度和复杂结构方面存在不足，促使激光焊接在各领域快速应用，但其仍存在孔隙、裂纹等缺陷，在异种材料和复杂形状零部件焊接时也有局限性，难以满足航空航天、汽车制造等高端领域的严苛要求，影响产品质量、安全、生产效率等，增加了企业的制造成本。
在此背景下，激光摆动焊接技术应运而生。激光摆动焊接技术经历了两个发展阶段：第一阶段通过机械摆动装置实现焊接头的光束沿垂直焊接方向摆动，但精度低、焊接轨迹单一、扫描频率低；第二阶段利用振镜系统实现更高频率（0~2K Hz）和更复杂轨迹的扫描运动，提高了精度和光束运动速率。
这些研究表明调控激光束进行振荡可以改善焊接效果，以满足多元、严苛制造需求，推动高端制造业的迅猛发展。
✦
•
✦
1
什么是激光摆动焊接
激光摆动焊接，又被称作激光扫描焊接，利用控制系统可对摆动模式、频率以及幅度进行调控，实现对激光的摆动以及路径的规划。
*激光摆动焊接装置示意图
主要包含激光器、激光头（准直单元、聚焦单元、振荡单元和控制单元）以及冷水机等。
原理：
①激光束通过准直单元后入射到两个装有反射镜的光束偏转器上，这个光束偏转器由振镜电机控制，可以沿X、Y 轴使光束偏转器转动，从而可以实现光束任意方向的偏转；
②激光器经过聚焦单元后可以将激光发射到工件表面的各个部位；
③利用控制单元对振镜电机的控制，可以进行规律性偏转，达成在工件表面沿周期性扫描轨迹进行激光焊接的目的。
2
激光摆动焊接熔池
熔池形成
①与普通激光焊接类似，激光摆动焊接开始时，激光能量被母材表面吸收，使材料表面温度迅速升高。由于激光能量密度高，材料表面的温度在极短时间内就能达到熔点。
②随着材料的熔化，液态金属在表面张力和重力的共同作用下开始聚集。在激光摆动的过程中，激光束不断扫描过母材表面的一个区域，使得这个区域内的金属持续熔化，液态金属的量不断增加，从而逐渐形成熔池。
*激光摆动焊接熔池
*熔池湍流示意图 a)常规激光器 b)振荡频率为10Hz c)振荡频率为50Hz
3
间隙、宽度与熔深
焊接间隙
传统激光焊接时，激光束能量高度集中，形成的熔池相对较窄，为避免焊接缺陷，对间隙要求严苛，需高精度加工与装配，增加成本与生产周期。通常间隙控制在板厚10%以下。
优势：
激光摆动焊接最大间隙远超传统，无填充焊料时约为工件厚度25%，有填充时可达315%。如汽车制造中焊接不同厚度板材拼接的车身部件，或电子设备生产里连接多层电路板，该技术能有效处理大装配间隙，提升装配灵活性与生产效率。
*传统激光焊与摆动激光焊的最大间隙
焊缝宽度与熔深
激光摆动焊接利用振荡激光束扩大熔池的表面，从而增加焊缝宽度，降低熔深。熔池中的振荡会产生湍流，增强对流并改善传热。
*激光焊缝宽度与熔深 a)激光摆动焊 b)传统激光焊
4
焊接缺陷控制
裂纹
热应力缓解：激光束振荡重新分配了熔池热量，降低温度梯度与热应力集中程度。传统焊接热应力集中易致材料冷裂纹产生，通过摆动光束，使得裂纹萌生几率降低，延长焊接结构的疲劳寿命。
晶粒结构优化：熔池凝固时，振荡促使热影响区晶粒细化与均匀生长，形成更多的等轴晶。晶粒细化增强了焊缝抗裂纹能力，同时较多晶界会阻碍裂纹扩展，降低裂纹敏感性。
*激光焊接的凝固模式 a)常规 b)摆动
气孔
熔池动力学优化：激光摆动焊接中，激光束振荡引发熔池强烈湍流与对流，改变了熔池内液体流动特性。传统激光焊接熔池相对静态，气体逸出困难易形成孔隙；而摆动焊接的动态熔池为气体逸出提供有效通道，加速气泡上浮与逸出，降低孔隙率。实验数据表明，特定材料焊接时，孔隙率可从传统的10% 降至1.5%。
能量分布调控：振荡使激光能量均匀分散于熔池，均匀的能量场确保材料稳定熔化与凝固，减少因能量不均致局部飞溅、气体卷入形成孔隙的风险，提升焊缝致密性与质量稳定性，尤其在铝合金、钛合金等对孔隙敏感材料焊接中成效显著。
*气孔形成示意图
5
焊接参数：功率、速度、摆动参数
激光功率：
决定工件的热输入，与熔深、焊缝宽呈正相关。
如对1050 铝合金板焊接实验显示，功率从 200W 升至 800W 时，熔深和焊缝宽均增大。
*激光功率对焊缝宽度与熔深的影响
焊接速度：
影响熔池的凝固与冶金特性。
焊接速度的增加会导致晶粒尺寸的减小，主要是由于激光摆动焊接过程中熔池内湍流增强，增加的湍流会导致熔池中存在的未熔融晶粒破碎，导致晶粒尺寸减小。
摆动频率：
摆动频率是激光摆动焊接中的一个关键参数，影响熔池行为与焊缝质量。
增加摆动频率可减小热裂敏感性，因其能促进等轴晶的生长，从而阻止裂纹萌生。
增加摆动频率能降低飞溅的程度。这归因于高频振荡引起的强烈搅拌效应，促进了熔化材料的均匀流动，防止飞溅形成。
摆动频率增加时，匙孔变得更宽、更浅。其降低了匙孔坍塌的可能性，并防止了气孔在焊缝中形成。
摆动幅度：
影响熔池形状与焊缝结晶。
*激光摆动焊接 a)激光束在X、Y方向的摆动幅度 b)摆动幅度对等轴晶生长的影响
摆动模式：
*不同的摆动模式
6
应用案例
电池及热换热器
*激光摆动焊应用情况
a)换热器外部 b)换热器截面 c)管角接头
d)电池铜元器件(无气孔、裂纹) e)不锈钢与铜焊接（异种焊接）
启示：
（1）激光摆动焊接有效改善甚至解决了裂纹和气孔这两大关键问题。
（2）摆动焊能否与环形光斑结合，以彻底解决焊接缺陷呢？
（3）摆动焊接需控制的参数过多，会增加实际工艺开发的周期。
来自： 炼金术士 激光之研
来源：江苏激光联盟