激光焊接過程中的在線監測

轉載自江蘇激光聯盟

導讀：

激光焊接作為一種高效的現代加工技術，已經廣泛應用于現代制造業。本文綜述了激光焊接過程中的實時在線監測技術。首先詳細介紹了激光焊接探測過程中的6個典型的探測技術：光電、視覺、光譜、聲學、高溫計和等離子電荷傳感。然后對激光焊接監測以及自適應控制中的多探頭融合技術進行了綜述。最后，關于激光監測和控制過程中的未來發展也做了展望。文章認為：激光焊接過程中的實時在線監測技術可以提供大量的關于激光焊接狀態的有用信息，并且可以用來幫助我們有效的識別缺陷和實現自適應控制。本篇為第一部分。

 

引言

激光焊接由于產能高、可自動化焊接、形成的熱影響區小的高質量焊縫而在各種工業中得到應用，如汽車、造船、航空航天、造船和造橋等。其高能量密度可以達到100-1000KW每平方毫米，使得激光束和焊接材料之間的結合非常牢固，尤其是在利用匙孔效應焊接厚板時更為明顯。于是，高功率激光焊接過程中的在線監測和質量控制就對獲得高質量的產品就顯得至關重要了。早在20多年前就有大量的研究者開展了激光焊接過程中的探測問題，然而，實驗室的研究結果在當時并沒能得到企業的大量應用，其原因是當時的探測設備太過昂貴，而且器件的精度也不夠、探測效率也非常低。另外，當時的企業使用激光焊接的也不多是另外一個限制了激光焊接監測發展的原因。隨著激光器價格的不斷下降以及激光焊接成本的越來越低，激光焊接技術開始在焊接領域得到更為廣泛的應用。在批量生產制造過程中，焊接過程中的有效的在線監測可以幫助我們降低制造成本和提高產品質量。

 

 

圖1 激光焊接時的匙孔效應示意圖

 

激光焊接主要是激光束和焊接材料之間的相互作用過程。在焊接過程中，激光束通過光纖和相應地光學鏡片進行傳輸。相應地，激光焊接過程中的在線監測也主要集中在焊接區的光輻射的能量信息，并且大部分用于研究的探測器是光學探測器。激光焊接過程中實時探測技術的發展在過去十年由于探測技術和人工智能技術的迅猛發展而取得了巨大的發展。本文則對激光焊接過程中的在線監測進行了綜述。從詳細介紹激光焊接的物理背景和當前不同探測技術的基本原理著手。然后對先進的多傳感探測技術和人工智能識別技術也進行了展望。通過介紹激光焊接探測過程中的先進探測技術的有效應用和激光焊接過程中的人工智能技術的應用嘗試，本文致力于展示當前的激光焊接監測技術和自適應過程中的當前狀態以及未來可能的發展方向。

 

激光焊接監測過程中的基本原理

 

激光焊接原理

激光焊接時，材料被快速加熱到一定溫度，然后熔融金屬開始氣化，從而在熔池中心形成匙孔。因為此時有蒸氣壓的存在會促使在連續激光焊接時匙孔會保持在開的狀態，如圖1所示。在激光焊接的匙孔效應下，包含金屬蒸汽和等離子體的羽狀物會在此時生成并從匙孔飛濺出來。需要指出的是，在采用不同類型的激光進行焊接時，等離子體的特征也是不同的。CO2激光焊接時，羽狀物只在采用He氣為保護氣體時才會發生。如果保護氣體為N2或者Ar，采用CO2激光焊接，氣體等離子體僅在羽狀物噴嘴處形成。相反，采用光纖激光焊接時，羽狀物僅在較弱的離子狀態等離子體的條件下產生。幾乎所有的光譜分析用的峰值均來源于中性金屬原子的發射，而這些金屬原子的發射在Ar氣體作保護氣的時候是不會被探測到的。與此同時，由于匙孔效應中高的蒸氣壓而造成大量的飛濺形成。一般來說，焊接位置的電磁輻射可以分為三大類。第一類是羽狀物發射出來的可見光和紫外光。第二類是激光發射后被發射的光。第三類是來自熔池表面的熱輻射?；旧?，激光焊接過程中的在線監測主要集中在表征熔池、匙孔、羽狀物、飛濺物以及激光焊接區的輻射信號。激光焊接過程中常見的缺陷有裂紋、氣孔、未完全熔透、未焊滿、咬邊和飛濺等。

 

典型的激光焊接監測系統的結構

不同于傳統的焊接，激光焊接過程中的能量穿透主要靠激光束來實現 的，此時的激光通過光纖和光學鏡片進行傳輸，然后照射到材料表面?；谶@種獨特的能量傳輸方式，通過調整激光頭內部光路的結構可以實現不同的檢測。此時我們將重點放在激光焊接監測過程中的四種探測技術上，并對每種探測類型進行了簡單的介紹。

 

 

同軸光輻射監測系統

光束分光器安裝在激光頭上以幫助將焊接區中的輻射信號傳輸給探測器。一些焊接狀態可以通過分析不同光譜帶的信號強弱而識別出來。不同光譜帶的獨立分析是通過不同的濾光片來實現的。光通過濾光片時會被光電探測器探測到，然后通過信號放大器，最后通過示波器進行收集。除了分析特征光譜帶之外，在焊接過程中的全光譜波段的分析是通過光譜儀來實現的。激光頭和光譜分析儀均通過光纖進行連接。焊接區激光光強度的信號通過分光器來反映。光通過光纖，最后通過光譜儀來識別。如圖2為一個帶光電二極管的同軸探測系統（上圖）及其光電二極管的工作原理（下圖）。

 

圖2 帶光電二極管的同軸探測系統（上圖）及其光電二極管的工作原理（下圖）文獻1

 

 

同軸視覺探測系統

 

同軸探測系統是安裝在激光頭上的光束分光儀來實現的。一般來說，有三種技術用于探測系統：即可見光視覺探測、紅外可見視覺探測和輔助光源視覺探測。對于可見光視覺探測，適應的濾光鏡波長范圍為：350-750nm。紅外可見視覺探測主要通過熱紅外相機來實現。在輔助光源視覺探測過程中，主要采用高頻閃的激光源來照射工作區，其波長一般在800-900nm。輔助光源通過分光器投射到焊接區，其端部同相機相連。光學濾光器同輔助光源相兼容并且安裝在分光器和相機之間，以使焊接區的圖像更加清晰可見。如圖3所示為同軸視覺探測系統（上）的一個案例及其實際探測的分析結果。

圖3 同軸視覺探測系統（上）的一個案例及其實際探測的分析結果 文獻2

 

 

 

等離子體電荷探測系統

在焊接過程中，尤其是CO2激光焊接時，激光誘導產生的等離子體中會產生電導性。于是，接觸探頭可以用來探測等離子體區的電荷強度，從而識別焊接狀態?；芈吠南噙B接，而另一端同激光頭相連接。此時接觸區和聚焦鏡需要電絕緣?？梢蕴娲?，也可以在等離子體產生的區域設置探頭進行探測。電子和電容相連而形成回路，此時的信號以電壓的形式的傳輸。圖5-圖8為等離子體電荷在線監測的示意圖以及進行測量的原始數據、處理數據以及數據和對應的焊縫。

 

圖5 基于等離子電荷的激光焊接在線監測示意圖 文獻4

 

 

圖6 不同電壓下的等離子體發射譜（a）3V（b）5V（c）7V（d）9V 文獻5

 

 

圖7 測得的等立體電荷信號原始數據到處理完畢的數據圖 文獻4

 

圖8 不同等離子體譜線下的焊縫形態 （焊接速度不變為：10 mm/s）文獻4