基于雙層光電傳感系統的YAG激光焊接質量檢測

江武志 梁晨曦 吳華昶 賀貴騰

1.中山職業技術學院 信息工程學院，廣東中山 528404；2.廣東工業大學 機電工程學院，廣東廣州 510000

一、引言

如今激光加工技術已經成為工業生產中一項極其重要的加工技術。根據國外的統計數據，2013年全世界總的激光裝備及器件銷售超過1,000億美元。2014年我國激光產業鏈產值約為800億元人民幣，其中激光加工裝備產業達350億元（其中用于切割、焊接、打標的高功率激光加工裝備占據了67%的市場）[1]。作為一種重要的激光加工技術，激光焊接日益得到廣泛的應用和不斷深入的開發與研究，與傳統焊接相比，激光焊接在焊接精度，速度，安全性和自動化程度方面有著極大的優越性。

實現自動化方面，國內對激光焊接實時監測做了大量研究工作并取得有效成果。1993年，哈工大王青姜等人[2]搭建激光軟釬焊系統結構，實驗發現激光釬焊過程周圍焊點釋放的紅外信號含有關于焊點上釬料受熱、熔化的有效信息，通過計算機反饋處理，初步實現激光軟釬焊焊點的質量監測和控制。清華大學學者王勇、陳武柱等人[3]于1996年通過檢測等離子體的信號，能對穩定深熔焊、穩定熱導焊以及不穩定激光焊進行準確判斷，在此基礎上提出了激光離焦量的控制方法。廣東工業大學游德勇[4-5]設計了光電傳感、可視光視覺傳感和輔助光視覺傳感三種傳感融合的經驗驅動識別系統，進行強度鋼焊接檢測，發現焊接過程中同軸方向的熱輻射強度與表面溶蝕坍塌存在局部的線性關系，該方法能有效地判斷焊接質量的好壞，并證實該建立了多元數據分析與機器學習方法的低成本的數據驅動識別系統可以代替工業高成本復雜結構的傳感器監測系統。

美國的Fabrice Bardin等人[6]對Nd:YAG激光焊接全熔透實時監控進行了研究。實驗中，從匙孔出來的同軸光輻射成像到三個光敏二極管和一個照相機，對光電二極管所收集到的信號進行光譜和統計分析，結果表明存在全熔透。并利用基于鎖孔的形狀識別的圖像處理技術和匙孔沿焊接路徑軌跡圖像的增強技術得出一個用于確定匙孔開合程度的強度比參數。在工件厚度和激光功率都不變的情況下，該參數能清晰地反映焊接是否焊透。意大利米蘭理工大學的Colombo和Previtali[7]研發了一種新的光纖激光焊接過程的簡易檢測裝置，稱為“通過光學組合器監控”（Through Optical Combiner Monitoring，TOCM）。 該 裝 置 能夠很容易的安裝在光纖激光器上面并且該裝置的檢測效果能與傳統的監控相媲美。英國倫敦的Sergio、Roberto等人[8]在汽車行業基于輻射和分光量測量的焊接缺陷監測方面做了研究工作并取得有效成果，介紹了兩種不同的方法的缺陷檢測，分別是基于光電二極管收集的信號的功率譜與缺陷之間的相關性和基于與缺陷相關的等離子體電子溫度，并在工廠生產的條件下完成實驗，實驗表明這兩種方法能對汽車激光焊接的缺陷做出準確判斷，準確率達97%。

而本文設計的傳感系統采用兩個PIN光電傳感器，一高一低放置，分別聚焦在金屬蒸汽與熔池，采集經過濾的來自熔池的波長在可見光與近紅外之間光輻射信號，轉換為電壓信號并經過電壓放大器放大之后由數據采集卡采集，與采集卡配套的計算機軟件將直觀的顯示由熔池與金屬蒸汽的光輻射引起的PIN電信號的變化。

二、檢測原理

激光焊接過程中，與焊接狀態相關的光信號有：被工件和等離子體反射的激光輻射（近紅外）、熔池和金屬蒸汽的輻射（可見光、近紅外和紅外）、等離子體產生的電磁輻射（主要是紫外光，也有可見光和近紅外光）[9]。激光焊接過程在線檢測原理如圖1所示。

當焊接為深熔焊時，因為匙孔的存在，焊區發生“小孔效應”[10]，工件對激光的吸收大大提高(92%～96%)，被工件和等離子體反射的激光大幅減少。在激光深熔焊過程中，焊接材料吸收激光的能量后急劇蒸發產生大量金屬蒸汽，極少部分金屬蒸汽吸收激光的能量后進一步電離，形成的光致等離子體[11]。光致等離子體的產生是激光深熔焊過程中不可避免的物理現象，也是影響焊接質量的重要因素之一。

等離子體的電磁輻射主要處于紫外波段（150～350nm），紫外輻射信號主要受匙孔和焊縫熔深影響，當焊縫熔透時，熔深和紫外等離子體信號的頻率分布存在特定的關系。因此可以通過對等離子體紫外輻射信號的檢測分析檢測等離子體與匙孔的波動情況以及焊縫的熔深。

在大多數關于焊接缺陷的檢測上，利用等離子體紫外輻射信號傳感均可得到快速的響應。但是，表面等離子體只能在金屬與介質分界面上傳輸，而金屬對可見波段及近紅外波段的光有一定的吸收，其衰減全反射吸收曲線的半寬度大，且激發表面等離子共振波的耦合角度大，有效折射率大[12]，很大程度上影響等離子體的檢測。且當焊接為深熔焊時，大部分的激光能量被工件吸收，或者在匙孔壁內反射，這時產生的金屬蒸汽較少，進而導致由光致等離子體的體量少。另外金屬蒸汽的紫外輻射也在一定程度對等離子體的紫外輻射檢測產生干擾。故通過檢測等離子體的紫外輻射信號手段來分析焊縫缺陷的方法有待改進。

焊接熔池是由溫度在熔點與沸點之間液態材料構成，熔池的主要輻射信號是紅外輻射。紅外信號的強度能夠表征熔池的溫度與表面積，而熔池的溫度與表面積又與未來焊縫的形狀密切相關[13]，故而可以通過采集熔池的紅外輻射檢測熔深與焊縫的形狀。另外，焊接過程中，焊接飛濺的光輻射波段處于1000～1600nm之間，利用光電傳感器采集紅外輻射同樣可以監測熔池和飛濺的狀態。并且紅外輻射傳感器響應速度快，具有良好的實時性。

由于激光焊接過程順勢能量密度高，激光功率大，焊接過程的金屬蒸汽流動將對焊接成型穩定性產生影響[14]。若檢測金屬蒸汽流動的微動態過程，可應用熱式氣體微流量傳感器[15]。但由于隨著環境溫度升高時，熱式微流量傳感器測量靈敏度降低，金屬蒸汽溫度過高，蒸汽的流量不穩定噪音多等因素，熱式氣體微流量傳感器的可靠性降低。而遠距離非接觸式的光電傳感能有效避免這些因素的影響。

因此，本文利用對熔池與金屬蒸汽區光輻射信號傳感的方式，采集來自熔池附近區域的波長在可見光與近紅外之間的光輻射信號，進而對激光焊接質量進行實時監測。

三、實驗平臺搭建

本實驗激光焊接系統采用深圳大族激光科技股份有限公司生產的WF300 YAG激光焊接機，最大輸出功率為300W，最大激光脈沖能量為30J，最大激光峰值功率為6kW，脈沖頻率≤200Hz。焊接中熔池的光輻射包括可見光(400～700nm)、近紅外(770～1100)和中紅外光(3000～5000nm)，金屬蒸汽的光輻射包括可見光與近紅外光。實驗采集焊區波長范圍400～1100nm的可見光與近紅外光進行檢測。本實驗設備原理圖如圖2所示。

1、光信號采集傳輸部分

光輻射的采集、聚光、傳輸，通過SMA905光纖準直器和芯徑為400μm SMA905接頭的石英光纖組合完成。為隔離非焊接過程產生的光的影響，另外設計制作了能與光纖準直器尺寸配合組裝的濾光裝置，分為兩組，各組裝有不同的濾光片，如圖3所示。光電轉換裝置選用檢測范圍為400～1100nm的LXD33MK硅光電探測器。

2、電信號采集傳輸部分

光電探測器產生的電壓信號微弱，將硅光電探測器接入電壓放大器。另外，給電壓放大器供電還需要一個正負電源模塊。將電壓放大器輸出口與USB_DAQ V1.1數據采集卡連接，并接入計算機USB接口。采集通道的電壓信號以曲線的形式顯示，清晰實時地反映該通道電壓信號的變化，程序的采樣是100Hz。同時，程序將實時保存數據至txt文件中。

3、輔助結構

用于固定光纖準直器的結構，讓準直器能在特定的位置以特定的角度采集光信號。本實驗采用萬向表桿來固定光纖準直器，表桿與表座通過螺紋配合，底座能吸附在鐵上擰緊表桿的旋鈕，能讓標桿維持一定的姿態，從而達到在一定空間內固定準直器的效果，如圖4所示。因為在激光焊接過程中運動的只是二軸平臺，激光頭相對焊接裝置立柱是靜止，所以需要把準直器固定在立柱并對焦到激光的對焦中心即可。

四、實驗數據與分析

改變焊接的工藝參數，采集35組激光焊接過程光信號的數據，每組數據有兩項，一項是焊接過程金屬蒸汽的數據（通道1），一項是焊接過程熔池的數據（通道2）。35組數據，改變的工藝參數包括激光功率、焊接速度、離焦量、激光頻率。表1為35組實驗其中前15組的工藝參數。采集數據之后，用Matlab軟件作出各組采集數據的幅值-頻率圖，以找出變化規律與焊接特征之間的聯系。另外數據的均值與標準差在Excel中算得。下面用采集的數據對焊件作相應的分析。

表1 工藝參數1

表2 工藝參數2

選取編號為1、2、7、8的焊件進行分析，其對應的焊縫實物與頻譜圖分別見圖5～圖8，其焊接工藝參數見表2。

如圖5所示，編號1焊件通道1頻譜線在0.02附近波動，峰值數為 1，峰值頻率37Hz；通道2頻譜線在0.04附近波動,峰值數1，峰值頻率38Hz。

如圖6所示，編號7焊件通道1頻譜線在0.04附近波動，其波動幅度較圖5（b）大，峰值數為 3，最大峰值頻率13Hz；通道2頻譜線在0.05附近波動，峰值數3，最大峰值頻率13Hz。

如圖7所示，編號2焊件通道1頻譜線在0.01附近波動，峰值數為 1，峰值頻率26Hz；通道2頻譜線在0.03附近波動，峰值數1，峰值頻率26Hz。

如圖8所示，編號8焊件通道1頻譜線在0.04附近波動，其波動幅度較 編號7通道1波動幅度（圖6（b））大，峰值數為 4，最大峰值頻率11Hz；通道2頻譜線在0.04附近波動，峰值數4，最大峰值頻率11Hz。

首先對比每條焊縫的通道1和通道2的頻譜圖。發現兩者的波形具有很高的相似度，如在相同的頻率出現峰值，其波動幅度相近，表明熔池的狀態與金屬蒸汽的狀態具有一定的聯系。

各焊縫的通道2的電壓信號幅值普遍均比通道1要大。其原因如圖9所示，熔池作為激光束與金屬的第一反應區，熔池吸收了激光束的大部分能量，所以其光輻射最強。金屬蒸汽從熔池的液態金屬受熱蒸發而來，由于氣相密度相較于液相更小，氣相吸收能量和儲存能量的能力弱于液相，所以金屬蒸汽對激光能量的吸收比熔池更小，其光輻射也因此也小。光電傳感器將金屬蒸汽與熔池相應的光輻射信號轉換為電壓信號，所以熔池對應的電壓信號（通道2）也比金屬蒸汽對應的電壓信號（通道1）更大。

編號1、2焊縫的峰值數為1，編號7焊縫的峰值為3，編號8焊縫的峰值數是4，編號1、2焊縫光滑平整，編號7、8焊縫有明顯的飛濺。對其頻譜圖進行分析，焊縫光滑平整，其頻譜波動幅度小，相對較為平緩，而且峰值個數比較少。飛濺明顯的編號7、8的焊縫，分析其頻譜圖，各焊件頻譜出現的峰值個數較多，其頻譜曲線波動程度較大。將各個通道頻譜圖的峰值個數與波動大小列表，見表3。

表3 頻譜對比

據分析，頻譜圖電壓信號的穩定性表征該通道所測光輻射信號的穩定性。由表3，飛濺焊縫的波動幅度均值比光滑焊縫均值大0.03，且飛濺焊縫頻譜的峰值數均值比光滑焊縫的峰值數均值多3個。原因是當焊接過程中出現飛濺缺陷的時候，金屬蒸汽以及熔池的光輻射摻雜了飛濺物的光輻射信號，由于在焊接過程中飛濺物的無規律出現，致使光電傳感器所檢測的光輻射信號出現隨機波動，進而導致電壓信號頻幅圖的波動程度大。因此，頻譜圖峰值數與波動幅度有助于焊縫質量判斷。焊縫光滑，則頻幅圖峰值數目少，光輻射信號穩定；出現焊接缺陷，則頻幅圖峰值數目多，光輻射不穩定。

五、總結

本文設計了一套YAG激光焊接多層光電傳感系統，同時檢測來自不同焊接區域的光輻射信號，實現對激光焊接的實時檢測。本檢測系統有兩個采集通道，分別采集焊接過程的金屬蒸汽與熔池的光輻射信號，并經過PIN光電傳感器轉換成電壓信號，最后用采集卡采集。通過對采集數據進行頻域分析，進而判斷焊接過程中的焊接狀態與焊接缺陷。

實驗發現，熔池對應的電壓信號平均幅值要比金屬蒸汽大。焊縫表面的質量與金屬蒸汽的狀態有明顯關系：金屬蒸汽狀態穩定，焊縫表面質量光滑平整；金屬蒸汽波動大，則出現飛濺等焊接缺陷。

另外，對比焊縫質量與電壓數據的頻譜圖。焊縫表面光滑，則頻譜曲線峰值個數小于2且波動較小。焊接出現飛濺或者燒穿等缺陷，則頻譜曲線出現多個峰值且波動幅度較大。證實了本檢測系統能夠有效檢測激光焊接質量。