焊縫缺陷自動跟蹤系統開發及計算機仿真驗證

劉 健

（天津工業職業學院 天津 300400）

0 引言

典型的深穿透焊接中匙孔和熔池呈現出極大的不穩定性，而特定的電子束焊接是缺陷形成的主要因素[1]。保證焊接接頭的質量和監控焊接過程是生產的關鍵環節，對于大件的焊接，在線自動化監控系統的使用可以極大地提高產品的質量控制效率。自動跟蹤監測系統首次提出于汽車行業，并且展現了其在監控焊接缺陷形成的重要性[2]。

直接測量焊縫區的所有參數是不可能的，所以有必要建立激光與電弧焊接過程中熔池參數跟蹤監測系統，它能夠根據激光或激光電弧接觸面積的間接信號來完成檢測。基于傳統激光和激光電弧焊接監控過程，對信號進行分析和處理，例如寬波長范圍內的光輻射、聲發射和等離子體羽流的電導率等。根據熔池模擬實驗和理論分析，開發了一種基于熱排放量的算法，用于監測紅外放射光電二極管產生的激光焊接缺陷，根據檢測等離子體束的位置確定了焊接缺陷的存在[3]。

根據監測不同物理性質的信號，用于監測激光焊的傳感器類型很多，這些傳感器可以提高監測系統的精度。應該指出的是，二次發射信號實際上是為了完成激光和激光電弧動作焊縫區域的檢測，此時，需要解決的主要問題是信號如何識別焊接缺陷以及信號處理算法的選擇[4]。在線監測時，必須選擇具有最簡單數學處理噪聲保護的信號，由于光學傳感器具有操作簡單、成本低和效率高的優勢，所以其應用最為廣泛。

1 熔池動態行為的計算機模擬

本實驗利用數學方法通過計算機仿真分析了熔池深熔焊接過程中所發生的動態變化，并對深熔焊接過程的物理模擬進行充分的數學描述。

有研究者實現了利用CAE系統對深熔焊接熔池進行動態仿真模擬實驗，之后又有人對熔池中的動態過程進行了詳細描述，并利用變分原理和力學拉格朗日原理進行了模擬實驗[5]。允許其在描述精度的范圍內對整個過程應用匙孔波運動，熔池的形狀、尺寸與匙孔的運動允許在其深度和半徑影響范圍內變化。激光焊接熔池動態仿真實例見圖1。

仿真結果表明，熔池的不同參數會產生不同的振動光譜，典型的小孔半徑振蕩擁有最低的振蕩頻率（低于500 Hz），而小孔波表面的頻率（10 kHz）最高。這些光譜也與小孔的深度有關，隨著小孔深度的增加，光譜會向著頻率較低的地方移動。

通過匙孔的幾何模擬數據和活動時間變化參數，能夠計算出光度內匙孔和目標表面等離子體隨時間變化的關系以及焊接區的聲信號參數。利用模擬結果構建用于監控焊接過程的算法，識別可能存在的系統信號缺陷。

2 仿真實驗站搭建

激光焊接和激光電弧焊接旨在對工藝發展過程的監測方法展開實驗，激光研究技術主要包括激光電弧技術和焊接技術。使用最大功率為15 kW的光纖激光器作為激光源，通過普雷茨特yw50與400 mm焦距的纖維聚焦頭產生激光輻射，在使用激光電弧復合技術時，采用標準焊槍將電弧的能量傳遞到激光輻照區域，并將直流1 500 V焊接整流器VDU和EWM 520 RC脈沖作為弧源。

在激光和激光電弧作用下,高速攝像機對流程進行快速記錄，在高速拍攝的過程中可由等離子體羽攝像機自己的光線進行記錄，不需要額外的照明，波長為810 nm的二極管激光器產生的光則用于焊接熔池中熔體動力學與高速攝影實驗研究。

利用光譜儀分析等離子體束光時發射的光譜混合物，使用PIN硅光電二極管對等離子體羽光度時間動態進行分析。如圖2中顯示，實驗站中激光器和激光電弧作用區二次發射信號的記錄和分析。

實驗可以對監測系統的激光及激光電弧焊接傳感器限定規格以輔助完成本實驗。

3 多感官監測自動跟蹤系統

監控系統的主信息信號從激光及激光電弧曝光區發射的光中選擇，分析光譜成分，并參考Eriksson等人在EAI公布的數據，光頻譜可以被分為3個特征區域：自身的羽光（400～700 nm），激光反射的頻帶（1 070 nm），熱放射熔池（1 100～1 800 nm）。利用已開發的硅光電二極管，對可見光和近紅外范圍內的傳感器的光輻射進行記錄，因光電二極管可排放熔池中的熱，因此被選作寄存器，其輻射范圍為0.8～2.4 μm，另外利用執行帶通干涉濾光片來選擇光譜傳感器。

監控系統主要是設計和觀察不同空間位置的焊縫區，這為傳感器是否能夠同軸配置提供了依據，傳感器的同軸配置是由聚焦激光頭的普通同軸信道組成，它的安裝需要借助檢測系統的攝像頭來實現。

為了方便預置監控系統，CMOS攝像機通過使用分束器在其光路中集成立方體，并通過非同軸傳感器在研究區域內形成簡單的聚焦。傳感器的設計方案見圖3。

除了這些基本功能，功率高達200 Hz的攝像機還能夠監控所研究區域的動態，如等離子體束的空間位置和熔融池的形狀變化等。

每個傳感器中都設有增益系數的光電二極管信號放大模塊，光電二極管從前置放大模擬信號傳送至ADC單元，并將其轉換成數字形式，通過以太網接口發送到監控系統的計算系統里，同時，來自攝像機的信息通過USB接口傳送到計算機。

除二次發射信號以外的監控系統還允許用戶更新，并保持部分工藝過程中的運行參數不變，如激光功率、電壓和電弧電流等。

處理和記錄的可追溯信號是通過專門設計的軟件實現的，這個軟件可以在線監測由監測系統中傳感器傳輸的動力學信號，并通過快速傅立葉變換、小波變換和平均算法對信號進行處理。從傳感器獲得的數據可以被轉換成文本格式或Excel格式并作進一步處理。

視圖模型的樣品見圖4：這是由高張力鋼板PCE36和鋁合金AlMg6的樣品制成的，為確保形成完美無缺的焊縫，進行了一系列與激光樣品的激光電弧焊接相關的實驗，以驗證該監測系統的效率高低。

另外，這次實驗也對樣品厚度變化進行了監控，針對從激光器區和激光弧度動作所發出的二次信號，可利用監測系統中的傳感裝置來檢測，檢測方法也是可以改變的，并且可將焊縫形成過程中的信號通過反饋機制體現出來，統計出造成缺陷的各種因素。

5 結果與討論

監測系統的傳感器可以檢測出在焊接池中缺陷引起模型樣品出現焊縫缺陷的現象，并產生干擾值，這個數值還可以通過其他處理方式進行檢測。

非同軸等離子體傳感器的信號以及插入焊接頭時鋁的激光焊接效果表明，鋁嵌在接頭的對應位置可以在信號尖峰中顯現出來，所以，針對鍍鋅焊接中所形成的相關缺陷，有可能開發出一種具有去除熔融的離熔池監測算法。但應當指出的是，一種類型的缺陷在不同傳感器中可以表現出不同的靈敏度，例如，在反射激光輻射的傳感器信號中，能夠檢測到焊接熔池飛濺熔化物的等離子信號少之又少。反過來，單一信號的信息并不能完全確定焊縫的形成過程，這是由傳感器原始信號缺陷所造成的，見圖5和圖6。

圖7顯示了熔體熱離子發射從9～15 kW的激光頻率變化過程以及通過滲透過渡傳感器時的信號。在熔池表面，低頻振蕩不會隨溫度的波動連續出現，但其形狀會隨之變化，此時穿透深度的變化起決定性作用，在這種變化情況下，焊縫的形成過程不直接反映在信號中，需要進一步的處理和分析。在信號的傅里葉變換局部特征（時域，峰值等）中給出了光譜的組成部分，但是幾乎檢測不到這種光譜的特性，尤其是它們的位置和性質。傅里葉變換和小波變換均可以檢測信號的局部特征。在上述的情況中，并沒有否定設計監控過程中采用傅里葉變換算法。

監測系統的測試實驗著重關注焊接過程中鋁合金激光電弧焊接出現孔隙的概率。在焊接進行過程中，使用減壓閥增加保護氣的流量和減少氣孔出現的可能性，測試結果中的焊縫是用標準的射線獲取的。根據附加的圖形處理和X射線成像分析表明，孔隙的數量和面積是沿著焊縫的方向分布，與監測系統傳感器信號得到的分布進行比較，見圖8和圖9。

6 結論

在監測系統的工藝開發流程中，仍存在對激光器和激光電弧焊接的控制問題，該系統的運用決定著這些技術能否進入工業生產。為了解決這個問題，對焊接熔池動態進行了研究，同時確定缺陷的形成與深穿透焊接的基本原理。在對來自激光器和激光電弧焊接作用區的二次發射信號進行分析后，得到了更為先進的傳感器。非同軸傳感器配備有攝像機，簡化了工藝流程，能夠跟蹤該有源區的空間變化，處理和記錄的信號主要通過使用特殊設計的軟件來實現。為了驗證該監控系統的功能，進行一系列模型樣品焊接實驗，測試結果證實了之前所提出的多感官監測系統具有自動跟蹤監控的能力。但是，要在實際生產中使用這種監控系統，還需要進一步研究其在特定過程中的特點，確定它在整個過程中的典型缺陷，并驗證系統的適用性。