激光跟踪扫描焊接（激光焊接过程中的在线监测）

小君 2023-07-24 01:38:21 71

激光跟踪扫描焊接（激光焊接过程中的在线监测）图2 羽状物空间位置的光电二极管测量示意图在二氧化碳激光焊接时，羽状物中包含金属蒸汽和大量的等离子体。于是，当使用可见光二极管进行探测时，可以观察到的信号中包含有热辐射和等离子辐射。在固态激光焊接时（如光纤激光和Disc激光），其羽状物在激光焊接时主要是金属蒸汽。实验发现激光诱导的羽状物电离的程度即使在激光共功率为10KW，光斑为0.13mm时也只有0.02。于是，当可见光二极管用于探测时，其信号主要来源于金属蒸汽所造成的热辐射和熔池表面的热辐射。光电二极管的优势在于结构简单、成本低，从而在工业中得到了广泛的应用。如图1所示，该装置将光电二极管和不同的光过滤系统结合在一起以实现等离子辐射（P-sensor）、激光反射（R-sensor）和热辐射（T-sensor）探测。实验表明，在激光焊接时，有三种光辐射信号，如图1所示。第一种是紫外和可见光波段的光（200-750nm）。第二种是激光反射

江苏激光联盟导读：本篇为激光焊接过程中的在线监测系列的第二部分。主要介绍了激光焊接探测过程中的6个典型的探测技术：光电二极管、视觉、光谱、声学、高温计和等离子电荷传感中的前两个技术的基本原理。

不同激光检测传感器的基本原理

在一篇中我们已经提到，激光焊接探测过程中的6个典型的探测技术：光电二极管、视觉、光谱、声学、高温计和等离子电荷传感，如下我们开始对以上技术逐一介绍。本篇介绍前两个。

光电二极管

光电二极管的优势在于结构简单、成本低，从而在工业中得到了广泛的应用。如图1所示，该装置将光电二极管和不同的光过滤系统结合在一起以实现等离子辐射（P-sensor）、激光反射（R-sensor）和热辐射（T-sensor）探测。实验表明，在激光焊接时，有三种光辐射信号，如图1所示。第一种是紫外和可见光波段的光（200-750nm）。第二种是激光反射光（光纤激光为1070nm，Disc激光为1030nm）。第三种是红外辐射（波长为1100-1700nm）。尤其是焊接缺陷的探测，甚至是自适应控制可以通过光强度信号和焊接状态之间的特定关系而确定。

不同

激光跟踪扫描焊接（激光焊接过程中的在线监测）(1)

图1 激光焊接时使用光电二极管进行监测电磁辐射时的示意图

在二氧化碳激光焊接时，羽状物中包含金属蒸汽和大量的等离子体。于是，当使用可见光二极管进行探测时，可以观察到的信号中包含有热辐射和等离子辐射。在固态激光焊接时（如光纤激光和Disc激光），其羽状物在激光焊接时主要是金属蒸汽。实验发现激光诱导的羽状物电离的程度即使在激光共功率为10KW，光斑为0.13mm时也只有0.02。于是，当可见光二极管用于探测时，其信号主要来源于金属蒸汽所造成的热辐射和熔池表面的热辐射。

激光跟踪扫描焊接（激光焊接过程中的在线监测）(2)

图2 羽状物空间位置的光电二极管测量示意图

由于金属的汽化程度主要取决于焊接的深度和焊缝宽度，所以建议采用可见光二极管探测到的信号主要用于识别焊接深度和焊缝宽度。观察发现，可见光二极管探测对羽状物辐射相当敏感。相应地，研究者曾经尝试采用多多探头探测的办法来实现羽状物空间位置的精准探测。例如，如图2所示为探测羽状物位置的光电二极管探测系统，此处采用了4个光电二极管连接在一起来从不同的位置对光强度信号进行探测。空间光辐射和复合信号之间的关联确定后就可以用来探测和确定金属蒸汽的方向。

激光跟踪扫描焊接（激光焊接过程中的在线监测）(3)

图3 调制激光焊接是的光发射结果

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图4 激光焊接时时间频率进行缺陷探测

近年来，大量的工作集中在激光焊接时光信号的频率上，信号的频率和熔池（匙孔）的周期性是密切相关的。这一关联一旦确定，其频率特征就可以用来识别焊接缺陷。Schmidt团队在使用3.6KW的激光进行镀锌板的激光搭接焊时，焊接材料的厚度为1.3-2.5mm，焊接速度为4-6m每分钟，得到的焊接熔池震动频率范围为300-500Hz，而匙孔效应焊接时的平率为2000-2500Hz，如图3所示。同缺陷相关的外部频率信号会消失。Daniele Colombo团队研究了光纤激光焊接2mm厚的钛合金时的在线监测，得到的结果是可见光波段（400-1000nm）和红外波段（1150-1800nm）的光强度信号同时间密切相关，可以反应出焊接缺陷的特征（如功率下降、保护气体不够、穿透深度不够等）。而且，信号的频率特征一般低于2400Hz，尤其是当可见光信号的频率为1600-2400Hz时，会存在强烈的匙孔波动。A Molino等人研究了频率特征同时间轴的关系。如图4所示，光辐射的频率（4.8-12KHz）时有焊接缺陷存在时会显著增加，如图4所示。这一现象为确定焊接缺陷的准确位置奠定了基础。对典型的焊接缺陷如未完全穿透（0.5-2mm）和气孔（0.2-1mm）进行了实验验证。将图5.

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图5 基于热辐射和光反射的自适应控制

视觉传感器

视觉传感器主要有可见光视觉探测、红外视觉探测和辅助光源照明视觉探测。可见光视觉探测系统的有效性强烈的依赖于过滤镜片。Kim团队用带视觉的探测进行扫描和进行远程激光焊接镀锌板时的实时监测研究。结果发现，采用532nm的滤光镜片进行焊接时可以帮助捕获熔池图像和识别焊接深度。而在激光焊接铝合金时则采用波长为660nm的滤光片则效果比较好。尽管可见光探测具有结构简单和成本低的优点，但其提供的信息非常有限，仅仅只能获得包含匙孔和熔池中粗糙的形状参数。

同时，可见光视觉探测得到的匙孔和熔池形状参数的相关信息还远远比实际尺寸要大。

多少年以前，热红外相机开始广泛的应用于研究熔池表面和基材的温度分布。尽管热红外成像具有很多缺点，如成本高（2万到5万美金每个）、分辨率低（320X240Pixel）和低的采样速度（仅仅只有60幅每秒），从而限制了该技术在工业中的广泛应用，但依然应用较多。在当前，热红外相机在激光焊接领域多用于科学研究。辅助光视觉探测系统主要采用投射高频闪的激光来照射焊接区域进行拍照探测。这一技术可以显著的避免焊接区羽状物和弧光的干扰，从而有助于获得熔池、匙孔乃至飞溅等相关的有用信息。在最近几年，广泛应用于焊接过程中的动态探测和缺陷识别。用于照明的光源一般是波长为800-1100nm的半导体激光。有些研究者推崇绿激光作为光源来照射焊接作用区，相应的激光波长为510-610nm。早期有研究在实验室实验用辅助光进行探测。

采用辅助光时主要用于观察激光焊接区的变化。因此，光系统和视觉探测系统均安装在焊接区之外。随着激光头的集成技术的发展，得多fraunhofer激光技术研究所成功的将辅助照明光源和视觉探测系统集成在一起，如图6所示。

激光跟踪扫描焊接（激光焊接过程中的在线监测）(6)

图6 两个视觉系统记性在线监测（近红外和辅助光照明）

在激光焊接过程中，焊缝跟踪系统时比较重要的。因为激光焊接时些微的偏离都会造成焊接穿透深度不够或焊接质量不能达标。于是，激光焊接过程中焊缝跟踪系统的质量好坏成为激光焊接过程中的重要一环。目前已经有好几种给予视觉的确定焊缝的技术在市场上得到了应用。如Precitec公司的LPF焊接监测系统，Servo机器人公司的RoboFind系统。而且激光焊接聚焦点的偏离还可以同各国同轴监测自熔池发射回来的光信号来监测。图7为熔池前端获得的热温度图像信息，这以信息可以用来判断激光是否偏离了焊缝中心以及偏离的程度。

视觉探测技术和图像识别技术相结合可以为焊接在线监测带来新的研究课题。在频闪的照射下可以获得清晰的熔池图像，熔池的几何特征通过图像处理技术来提取，从而作为识别的参考。最后用来作为焊接时的功率控制的依据。

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