光纖激光器已成為很多先進(jìn)的、工業(yè)批量化焊接應(yīng)用的首選工具，它即可服務(wù)于許多成熟行業(yè)，又能適應(yīng)快速增長(zhǎng)的新興市場(chǎng)。在蓬勃發(fā)展的電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)中，光纖激光器高速、精確且高一致性的焊接能力，是提升商業(yè)電動(dòng)汽車(chē)可達(dá)性和整體性能的驅(qū)動(dòng)因素。在其他更為成熟的產(chǎn)業(yè)中，使用光纖激光的優(yōu)點(diǎn)眾所周知。而現(xiàn)代工業(yè)激光技術(shù)的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，如不斷提高的產(chǎn)量、更好的設(shè)計(jì)靈活性以及超高的能效利用率正不斷推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)在金屬連接工藝方面的發(fā)展。
對(duì)于已經(jīng)充分利用激光焊接優(yōu)勢(shì)，具有前瞻性的制造商而言，下一步的問(wèn)題是如何進(jìn)一步提高產(chǎn)量，在競(jìng)爭(zhēng)中保持領(lǐng)先。智能制造工業(yè)流程的優(yōu)化需要高質(zhì)量完成在線數(shù)據(jù)收集工作。為實(shí)現(xiàn)決策的自動(dòng)化和去中心化，作為激光焊接工藝的“眼睛和耳朵”，這一技術(shù)的需求正不斷增加。
在電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)呈爆炸性增長(zhǎng)的背景下，這一需求尤為明顯。傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)焊接工藝涉及多項(xiàng)挑戰(zhàn)：有色金屬合金、混合材料以及每個(gè)接頭嚴(yán)格的機(jī)械和電氣性能要求。此外，由于每個(gè)成品組件需要大量單個(gè)焊縫，因此僅可容許留出很小的誤差余量。嚴(yán)格的焊接要求，以及破壞性測(cè)試時(shí)，拆卸電氣組件需要耗費(fèi)的巨大成本和難度，如果制造商在第一次嘗試時(shí)就可以生產(chǎn)高質(zhì)量的合格產(chǎn)品，將優(yōu)勢(shì)顯著。
智能制造不同于傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)和部署流程的開(kāi)環(huán)特性，即通過(guò)設(shè)計(jì)可靠的流程，認(rèn)真控制生產(chǎn)線上的所有輸入?yún)?shù)，來(lái)達(dá)到盡可能接近正確的操作條件，智能制造依靠實(shí)時(shí)收集和共享信息的技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)可持續(xù)提供每個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)反饋，最終提高傳輸效率。
當(dāng)激光焊接出現(xiàn)結(jié)果不一致的情況時(shí)，測(cè)量裝置可在生產(chǎn)過(guò)程中不斷測(cè)量并報(bào)告工藝條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速干預(yù)，甚至自動(dòng)修復(fù)。這種方法的優(yōu)勢(shì)包括可以提高產(chǎn)量，減少對(duì)后續(xù)質(zhì)量檢驗(yàn)環(huán)節(jié)的依賴（及隨之產(chǎn)生的費(fèi)用和滯后性），提高對(duì)成品的信心。
生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
雖然激光焊接技術(shù)已迅速被工業(yè)領(lǐng)域所接受，但能實(shí)現(xiàn)在線決策的智能傳感技術(shù)仍然落后。多年來(lái)，市場(chǎng)上已出現(xiàn)多種可應(yīng)用于激光焊接的監(jiān)測(cè)技術(shù)。
其中一種較為常見(jiàn)的方法是利用光電二極管傳感器測(cè)量激光焊接過(guò)程中產(chǎn)生的釋放物（包括來(lái)自熱金屬的黑體，來(lái)自焊接激光的反射光，以及在某些情況下產(chǎn)生的等離子體），以此分析來(lái)表征熔池和匙孔的穩(wěn)定性。
此外還有一些通過(guò)增加多種預(yù)處理傳感器（線性掃描儀，基于CCD技術(shù)的焊縫跟蹤，使用在送絲焊接的觸覺(jué)傳感器）和后期診斷分析（線性掃描儀，表面檢測(cè)相機(jī)，電磁聲換能器），確認(rèn)材料可以正確送入焊接區(qū)域，焊接成品結(jié)果一致。
但這些技術(shù)通常會(huì)遇到一些常見(jiàn)的局限性。其中一些技術(shù)僅可監(jiān)控焊接過(guò)程，但無(wú)法進(jìn)行測(cè)量，這也就意味著僅可將此類(lèi)技術(shù)應(yīng)用于一致性檢查。也就是說(shuō)，監(jiān)控系統(tǒng)可以告知用戶某一焊接與用戶提供的標(biāo)準(zhǔn)樣品不一致，但無(wú)法提示差異的具體情況及原因等有效信息。
此外，大多數(shù)傳感技術(shù)僅能對(duì)焊接過(guò)程中某單一指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。而通常在整個(gè)焊接過(guò)程中需要采樣多項(xiàng)參數(shù)分析確保監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。在這種需求背景下，焊接工站內(nèi)需要增加多種裝置進(jìn)行眾多不同數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而產(chǎn)生更多的成本，并且多個(gè)系統(tǒng)并行運(yùn)行，復(fù)雜性更高。
更為重要的是，上述所有技術(shù)均無(wú)法提供材料表面下方熔池和匙孔形狀的具體信息。在大多數(shù)情況下，材料內(nèi)部的幾何形態(tài)最終決定了焊縫的使用性能，以及焊接材料的強(qiáng)度（對(duì)某些具體應(yīng)用而言）和導(dǎo)電性。
尋找問(wèn)題的根源
作為傳感器領(lǐng)域一項(xiàng)新興技術(shù)，內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)解決了長(zhǎng)久以來(lái)在激光焊接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方面一直存在的多項(xiàng)挑戰(zhàn)。這一新興技術(shù)采用低功率紅外光束，通過(guò)與焊接激光同軸的光路進(jìn)行精準(zhǔn)的距離測(cè)量。該技術(shù)可允許在焊接的過(guò)程中完成測(cè)量，測(cè)量光束可查看匙孔底部，直接測(cè)量熔深，這也是新一代焊接測(cè)量技術(shù)的一個(gè)重要特征。測(cè)量結(jié)果可在幾毫秒內(nèi)提供與金相測(cè)試結(jié)果幾乎相同的整個(gè)焊縫的大量信息，且無(wú)需損壞樣品本身。
多功能性是這一技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵性優(yōu)勢(shì)。測(cè)量光束既可先于激光光束測(cè)量，獲取焊前信息。又可在焊接完成后測(cè)量，確認(rèn)成品焊縫的表面質(zhì)量。甚至可以通過(guò)掃描，生成樣品的3D圖像，具有前所未有的簡(jiǎn)便性和精確性（圖1）。
圖1．使用LDD－700內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)焊接頭獲取的不銹鋼零件3D圖像；
3D視頻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)焊接激光束與零件的精確對(duì)焦
該項(xiàng)技術(shù)還可以快速切換到不同的測(cè)量位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)同步”收集不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型。總之，在使用由單個(gè)軟件包控制的單個(gè)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在五種不同的測(cè)量模式下，同時(shí)測(cè)量焊接過(guò)程中的20多項(xiàng)不同指標(biāo)（圖2）。
圖2．LDD系統(tǒng)測(cè)量光束可在焊接過(guò)程中的多個(gè)區(qū)域內(nèi)同時(shí)收集數(shù)據(jù)，
匙孔底部的測(cè)量可在不切割零件的情況下直接測(cè)得焊接熔深；
內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以將單個(gè)測(cè)量過(guò)程分解為多個(gè)相關(guān)指標(biāo)（如圖）
快速跟蹤的工藝開(kāi)發(fā)
匙孔的直接測(cè)量不僅是實(shí)時(shí)質(zhì)量控制的有利工具。通過(guò)密切關(guān)注了解匙孔的狀態(tài)，更方便焊接工藝工程師工藝快速迭代開(kāi)發(fā)，免去試驗(yàn)進(jìn)程中必須冶金的步驟。無(wú)須離開(kāi)焊機(jī)就能正確配置測(cè)試穩(wěn)定工藝所需的焊接參數(shù)，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的焊接工程師也可以在更短的時(shí)間內(nèi)制定更高質(zhì)量的工藝解決方案。
以復(fù)雜的焊接工藝為例，使用遠(yuǎn)程掃描振鏡、光束擺動(dòng)和單模激光源焊接異種有色金屬合金（圖3）。
圖3．顯示采用內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料焊接工藝的測(cè)量結(jié)果；
匙孔熔深和動(dòng)態(tài)的詳細(xì)圖片有助于在更短時(shí)間內(nèi)鎖定正確工藝
在工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中，使用內(nèi)聯(lián)焊縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取焊縫熔深、匙孔穩(wěn)定性和焊縫表面質(zhì)量，可以節(jié)省大量時(shí)間，避免花費(fèi)大量時(shí)間探索分辨剖面檢測(cè)時(shí)可能產(chǎn)生不利結(jié)果的非工藝影響區(qū)域。當(dāng)需要在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)施該工藝時(shí)，可使用相同的測(cè)量系統(tǒng)跟蹤產(chǎn)品質(zhì)量，顯示具體細(xì)節(jié)。
展望未來(lái)
各行各業(yè)對(duì)智能制造解決方案越來(lái)越大的需求，也在不斷推進(jìn)激光焊接傳感技術(shù)向前發(fā)展。內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)滿足了先進(jìn)制造商目前和未來(lái)的多種需求，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0。
焊接過(guò)程中熔深測(cè)量可以提供與進(jìn)行產(chǎn)品破壞性測(cè)試結(jié)果100％一致的測(cè)試結(jié)論，大大提高了對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的信心，便于操作人員靈活有效的做出決策。簡(jiǎn)單靈活的測(cè)量方案可以為具體應(yīng)用定制標(biāo)準(zhǔn)工具，同步測(cè)量焊接過(guò)程的多項(xiàng)參數(shù)，收集相關(guān)信息以確保產(chǎn)品質(zhì)量。焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的詳細(xì)數(shù)據(jù)圖像促進(jìn)了激光焊接解決方案更加符合苛刻規(guī)格要求的發(fā)展。并將進(jìn)一步推動(dòng)激光焊接工藝，滿足未來(lái)的應(yīng)用需求。
作者：IPG Photonics（加拿大）應(yīng)用經(jīng)理 CHRIS GALBRAITH
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