復(fù)合傳感技術(shù)在激光焊接過程質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用

李康寧， 徐良， 楊海鋒， 崔輝， 谷世偉， 鄭紅彬

(哈焊國創(chuàng)(青島)焊接工程創(chuàng)新中心有限公司，山東 青島 266000)

0 前言

激光焊是激光最先工業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域之一，與傳統(tǒng)焊接方法相比，激光焊具有一系列的優(yōu)點：激光可以聚焦到很小的區(qū)域，形成能量高度集中的高強度熱源，高強度熱源沿焊接接頭快速掃描實現(xiàn)高速焊接，這樣不僅可以獲得極其細(xì)小的焊縫組織及較小的熱影響區(qū)，還可以減小焊后變形，實現(xiàn)焊接部件尺寸的精確控制[1-3]。然而，激光的極小光斑同時也帶來了接頭安裝和對中困難的問題，小的光斑不對中就有可能導(dǎo)致焊接條件大的變化，進而導(dǎo)致一系列焊接缺陷的產(chǎn)生[4-5]。此外，在實際生產(chǎn)過程中，即使嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程進行生產(chǎn)，也難以確保不出現(xiàn)質(zhì)量問題，因為工件表面質(zhì)量、母材及焊材質(zhì)量、激光束性能的穩(wěn)定性等都可能導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生[6]。因此，如何對激光焊接質(zhì)量進行監(jiān)測成為科研工作者的研究重點。

1 焊接過程中的監(jiān)測手段

根據(jù)焊接過程中監(jiān)測時段的不同，可以將焊接監(jiān)測分為焊前監(jiān)測、焊接過程中監(jiān)測及焊后監(jiān)測[7]。3種監(jiān)測手段的對比見表1[8-9]。焊前監(jiān)測無法反應(yīng)焊接過程的穩(wěn)定性及零部件焊后狀態(tài)，而焊后監(jiān)測則存在滯后性，發(fā)現(xiàn)缺陷往往為時已晚。采用焊接過程監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測信號對焊接過程進行評判，進而及時發(fā)現(xiàn)不良焊接過程，減少焊后檢測及返修工作量，是激光焊接實時監(jiān)測的重要發(fā)展方向。

表1 3種焊接監(jiān)測手段的對比

激光深熔焊接過程中，激光與材料相互作用后產(chǎn)生劇烈的物理化學(xué)變化，并伴隨出現(xiàn)等離子體、羽輝、聲音、輻射光、電等信號，國內(nèi)外科研工作者通過對這些信號進行研究，并與焊接過程的穩(wěn)定性及焊接缺陷進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了激光焊接過程與焊接質(zhì)量的實時監(jiān)測與預(yù)測，這些信號及采集信號使用的傳感器如圖1所示[10-14]。單一傳感器獲取的信息維度低，信號變化復(fù)雜，難以實現(xiàn)對焊接狀態(tài)的準(zhǔn)確識別及焊接缺陷的有效區(qū)分。多傳感器技術(shù)依靠采集的豐富信息及參考依據(jù)，通過綜合處理，可以精確識別焊接狀態(tài)，定位焊接缺陷，成為激光焊接實時監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展熱點。

圖1 激光焊接過程產(chǎn)生的信號及監(jiān)測設(shè)備

2 復(fù)合傳感技術(shù)在試驗室中的研究

復(fù)合傳感器為激光焊接過程的監(jiān)測提供了豐富的信息，將這些信息進行提取并復(fù)合處理，結(jié)合數(shù)據(jù)處理平臺及系統(tǒng)的學(xué)習(xí)優(yōu)化，即可實現(xiàn)激光焊接過程質(zhì)量的實時監(jiān)測。目前，科研工作者對傳感器的復(fù)合研究主要分為以下幾個方面。

2.1 多視覺傳感器復(fù)合技術(shù)

激光及激光產(chǎn)生的等離子體等都是高亮度的發(fā)光體，采用單個視覺傳感器無法準(zhǔn)確獲得熔池、匙孔、羽輝或等離子體等單個信號的特征，而通過多個帶有某一特定頻率的窄帶濾光片的視覺傳感器的組合使用，即可實現(xiàn)多個特征信號的同時采集[15]。此外，輔助光源的使用可以抑制光輻射及金屬蒸汽的干擾，幫助獲取清晰的熔池、匙孔、飛濺信息。在2011年舉行的第30屆國際激光大會上，Braun等人[16]展示了將近紅外相機(可識別波長900～ 1 700 nm)與可見光相機(可識別波長350～750 nm)集成到激光頭上，并通過輔助照明設(shè)備實現(xiàn)了對整個激光焊接過程的監(jiān)測。該系統(tǒng)焊前可識別焊接位置，實現(xiàn)焊縫追蹤；焊接過程中可對匙孔狀態(tài)進行實時監(jiān)測，以判斷焊接狀態(tài)；焊后可采集焊縫形貌以判斷焊縫成形是否滿足要求。焊接過程中采集的匙孔及熔池形貌如圖2所示。

圖2 熔池及匙孔的可見光及近紅外成像形貌

高向東教授團隊[17-18]利用2個高速攝像機通過收集紫外和可視-紅外波獲取激光焊接過程中金屬蒸汽、飛濺和熔池動態(tài)圖像，對多傳感特征參數(shù)進行信息融合處理，有效地反映并預(yù)測了焊縫寬度的變化。王煜[19]在高向東教授研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用配置紅外-可見光濾波片的高速攝像機A及配置可見光濾波片的高速攝像機B對激光-MAG復(fù)合對接焊試驗進行監(jiān)測，通過獲取焊接過程中正面金屬蒸氣和背部熔池的實時圖像，利用圖像處理提取背部匙孔特征信號，把焊接過程量化成4種熔透狀態(tài)來評估焊接過程的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了對激光-MAG復(fù)合焊接典型焊接缺陷的預(yù)測，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 激光-MAG復(fù)合焊接典型焊接缺陷預(yù)測系統(tǒng)

多視覺傳感器復(fù)合技術(shù)具有采集信息豐富的特點，同時借助輔助光源的使用，可以實現(xiàn)焊縫追蹤，匙孔、熔池等焊接特征信息的獲取及咬邊、飛濺、燒穿等焊接缺陷的識別。該技術(shù)獲取的信息量大，依賴于圖像識別處理技術(shù)及計算機運算能力，因此其設(shè)備投入大，采樣頻率低。此外，該系統(tǒng)依賴濾光鏡片及系統(tǒng)的選擇，濾光系統(tǒng)細(xì)微的變化即可導(dǎo)致輸出結(jié)果的偏差。因此，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于各高校及科研院所的試驗研究，而在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用較少。

2.2 多光學(xué)傳感器復(fù)合技術(shù)

激光束與合金之間的相互作用使合金元素產(chǎn)生顯著的汽化及電離，汽化與電離作用隨合金成分的不同而不同。例如，當(dāng)母材為不銹鋼時，光譜可能含有鐵、鉻和錳；而當(dāng)母材為鋁合金時，光譜可能含有鎂或鋅[20]。將光譜信號和焊縫表面缺陷、氣孔、裂紋和元素?zé)龘p率進行定量或定性關(guān)聯(lián)，可實現(xiàn)焊接過程缺陷的實時表征。

胡艷萍[21]采用光譜儀對鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接的缺陷進行診斷，發(fā)現(xiàn)鋁合金復(fù)合焊接光譜為包含9條金屬譜線的第一主成分信號(F1信號)和包含10條氫原子譜線的第二主成分信號(F2信號)，F(xiàn)1信號與鋁合金焊縫氣孔的形成密切相關(guān)。

除光譜信息外，激光焊接過程中還存在紅外線、可見光、紫外線及激光反射波等多個光學(xué)信號[22]，通過對不同光學(xué)信號進行采集及復(fù)合處理，可實現(xiàn)對激光焊接過程的監(jiān)測。研究表明[23-26]，紅外和紫外信號的復(fù)合，對熔深監(jiān)測較為準(zhǔn)確，而激光反射信號可實時反應(yīng)匙孔的尺寸特性。

江武志等人[27]采用雙層光電傳感器系統(tǒng)，分別采集金屬蒸汽與熔池發(fā)射出的可見光與近紅外光輻射信號(400～1 100 nm)，發(fā)現(xiàn)金屬蒸汽和熔池的光輻射有相似的頻譜特征，頻譜線波動程度與焊縫質(zhì)量有明顯關(guān)系，當(dāng)出現(xiàn)飛濺、燒穿等缺陷時，頻譜曲線出現(xiàn)多個峰值且變化較大。

Kawahito等人[28]通過將2個光電傳感器復(fù)合到焊接頭中，如圖4所示，采集紅外線信號強度(波長1 100～1 700 nm)及反射激光信號強度(波長1 090 nm)，并將該信號與激光功率及焊縫寬度進行關(guān)聯(lián)，成功實現(xiàn)了純鈦薄板搭接接頭激光焊接過程中熔深的監(jiān)測，并通過控制激光輸出功率保證了不同焊接速度下純鈦薄板的熔深控制，這是從激光焊接過程質(zhì)量實時監(jiān)測到激光焊接過程自適應(yīng)控制的重要進步。

圖4 雙光電傳感器焊接過程監(jiān)測系統(tǒng)

多光學(xué)傳感器復(fù)合技術(shù)所用設(shè)備體積小，成本低，且采樣速度快，可實時反饋焊接狀態(tài)的變化。但是該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)是一維數(shù)據(jù)，包含的信息量少，且不同工藝參數(shù)或環(huán)境因素的變化，可能導(dǎo)致曲線出現(xiàn)相同的波動，即曲線變化與焊接參數(shù)或焊縫缺陷的對應(yīng)具有不唯一性。光電信號對焊接狀態(tài)的變化極為敏感，體現(xiàn)在輸出結(jié)果上即為輸出曲線波動大，規(guī)律性低，這就導(dǎo)致很難根據(jù)曲線特性判斷焊接狀態(tài)及成因。目前，該技術(shù)主要應(yīng)用于試驗研究，其工業(yè)化應(yīng)用需要借助包含大量試驗及經(jīng)驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。

2.3 光學(xué)傳感器與視覺傳感器復(fù)合技術(shù)

光學(xué)傳感器采樣速度快，對熔深、匙孔等的變化較為敏感，而對其他缺陷的監(jiān)測不夠理想；視覺傳感器采集信息豐富，但受設(shè)備性能限制，采樣速率較低，限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[18]。將光學(xué)傳感器與視覺傳感器進行復(fù)合應(yīng)用，二者相輔相成互為補充，將極大地提高激光焊接過程質(zhì)量實時監(jiān)測結(jié)果的時效性及準(zhǔn)確性。Bardin等人[29]搭建了1套同軸復(fù)合傳感器監(jiān)測設(shè)備，如圖5[29]所示，通過3個光電傳感器和1個視覺傳感器采集紫外、可見光、紅外信號及匙孔形貌，并將光譜信號與匙孔形貌特征融合處理，可實時焊接過程是否熔透的判斷。

圖5 同軸復(fù)合傳感器監(jiān)測系統(tǒng)

李竹曼等人[30]在研究不銹鋼板T形接頭激光焊接工藝時，通過使用視覺傳感器采集金屬蒸汽圖像，并與光譜儀采集的金屬蒸汽輻射的紫外到近紅外波(186～1 100 nm)復(fù)合分析，實現(xiàn)了對熔寬及熔深的預(yù)測與分析。

游德勇[23]和孫燕[31]基于類似的試驗設(shè)想，將多個光電傳感器與視覺傳感器融合到焊接過程實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過光電傳感器獲取可見光及激光反射2個光強信號，通過視覺傳感器獲取匙孔面積、表面金屬蒸汽及背面金屬蒸汽3個形態(tài)特征信號，通過圖像處理算法，計算焊接過程多個對象的物理幾何參數(shù)，最終獲取了焊接過程狀態(tài)的完整信息。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6[23]所示，系統(tǒng)輸出結(jié)果實例如圖7[23]所示。游德勇[23]基于以上監(jiān)測信息建立了多元數(shù)據(jù)分析與機器學(xué)習(xí)方法的低成本數(shù)據(jù)驅(qū)動識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以代替工業(yè)高成本復(fù)雜結(jié)構(gòu)的傳感器監(jiān)測系統(tǒng)。

圖6 多傳感器焊接過程監(jiān)測系統(tǒng)

圖7 多傳感器監(jiān)測記錄

光學(xué)及視覺傳感器復(fù)合技術(shù)對焊接狀態(tài)變化敏感，采樣速度快，采集信息豐富，因此該技術(shù)在實驗室及工業(yè)生產(chǎn)中都得到了大量研究和應(yīng)用，是激光焊接過程質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)的主要發(fā)展方向。此外，該系統(tǒng)軟件和硬件性能的提升，如采集及處理算法的完善，工業(yè)相機采樣頻率的提高，計算機運行速度的提升等都將推動該技術(shù)的進一步發(fā)展。

2.4 其他復(fù)合技術(shù)

除上文提到的光學(xué)、視覺或光學(xué)及視覺等多傳感器復(fù)合技術(shù)外，通過采集激光焊接過程中產(chǎn)生的電信號[32]或聲信號[33]，并與光學(xué)、視覺信號進行復(fù)合，也可以實現(xiàn)焊接質(zhì)量的實時監(jiān)測。Nakamura等人[34]將光譜儀與聲學(xué)傳感器以旁軸的方式復(fù)合到激光頭上，通過光譜及聲音信號判斷羽輝及等離子狀態(tài)，進而可以實現(xiàn)熔深的判斷，以確定焊接過程中熱導(dǎo)焊與深熔焊的區(qū)分。劉佳[35]搭建了復(fù)合傳聲器及視覺傳感器的熔池視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對正常焊接和缺陷焊接過程中產(chǎn)生的聲信號及熔池小孔的圖像信號進行了研究，發(fā)現(xiàn)通過聲壓分布圖及熔池小孔圖復(fù)合處理，可實時反應(yīng)焊接缺陷的出現(xiàn)。正常狀態(tài)及存在缺陷時的熔池小孔聲壓級分布圖區(qū)別如圖8[35]所示。由于不同缺陷在光學(xué)、聲學(xué)上的信號類似，導(dǎo)致復(fù)合信息不能準(zhǔn)確區(qū)分缺陷類型，此外，聲信號不易采集且易受焊接環(huán)境噪音的影響，因此聲信號傳感器與其他傳感器進行復(fù)合的技術(shù)不適合生產(chǎn)應(yīng)用。

圖8 正常及缺陷焊接時熔池小孔聲壓級分布圖

高向東教授團隊[36]以大功率盤形激光焊接301不銹鋼為試驗對象，應(yīng)用近紅外高速攝像機和X射線視覺成像系統(tǒng)同時提取焊接過程中的熔池動態(tài)圖像，并分割出匙孔區(qū)域。該套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9[36]所示。試驗結(jié)果表明，將2個傳感器獲取的匙孔特征信息融合并進行主成分分析變換后，熔寬和熔深的預(yù)測絕對誤差平均值分別為0.18 mm和0.57 mm。由于X射線成像需要在密閉環(huán)境下進行，且對試樣尺寸要求較高，因此該系統(tǒng)同樣難以實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

圖9 采用高速攝像機和X射線的匙孔信息采集系統(tǒng)

3 復(fù)合傳感技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用

近年來，復(fù)合傳感技術(shù)的深入研究為激光焊接過程實時監(jiān)測的商業(yè)化應(yīng)用提供了大量思路，計算機數(shù)據(jù)計算能力的提升保證了圖像處理的速度、精度及有效性，此外各類傳感器精度的提高、采樣頻率的提高及價格的降低為復(fù)合傳感技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

大眾汽車公司和德國弗勞恩霍夫研究所共同開發(fā)了1套完整的激光焊接質(zhì)量評估系統(tǒng)[37]，該系統(tǒng)通過集成3個光電傳感器收集激光背反射信號強度、近紅外信號強度及可見光信號強度，并與激光輸出能量結(jié)合，實現(xiàn)了白車身激光焊接過程質(zhì)量實時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果案例如圖10[37]所示。

圖10 白車身激光焊接質(zhì)量評估案例

美國IPG收購了加拿大初創(chuàng)公司Laser Depth Dynamics(行業(yè)內(nèi)最早使用干涉激光焊接測量解決方案的企業(yè))，從而進軍焊接監(jiān)測技術(shù)市場。IPG公司推出的基于相干干涉成像技術(shù)的激光焊接全過程監(jiān)測系統(tǒng)LDD-700[38]，成為國際工廠和研究機構(gòu)的應(yīng)用試驗室中不可或缺的工具。該系統(tǒng)配置Omni焊接軟件，可實現(xiàn)多種測控模式：焊前的焊縫追蹤、工作距測量；焊接過程中的實時熔深監(jiān)測及焊后的焊縫質(zhì)量，其典型監(jiān)測結(jié)果如圖11[39]所示。借助ICI(Inline coherent imaging，內(nèi)聯(lián)相干成像)光束的主動引導(dǎo)，OmniWELD可實現(xiàn)在焊前、焊中及焊后及時分析診斷出缺陷。

圖11 LDD-700激光焊接全過程監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果

加拿大Servo-Robot公司(賽融公司)推出激光焊接過程控制系統(tǒng)(LPCS)，如圖12所示，該系統(tǒng)通過復(fù)合視覺傳感器、激光背反射光電傳感器及紅外輻射傳感器，可實現(xiàn)激光焊接過程的實時監(jiān)控，并能識別氣孔、未熔透及焊穿等缺陷。

圖12 加拿大Servo-Robot公司激光過程控制系統(tǒng)

德國普雷茨特公司(PRECITEC)推出激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)LWM 4.0，該系統(tǒng)采用多光學(xué)傳感器復(fù)合技術(shù)，通過采集可見光、紅外線及激光背反射信號信號，并結(jié)合實時激光輸出功率，與數(shù)據(jù)庫參考曲線進行比較。當(dāng)信號出現(xiàn)偏差時，該結(jié)果會實時發(fā)送給控制系統(tǒng)，如圖13所示，從而實現(xiàn)焊接過程的實時監(jiān)測。

圖13 普雷茨特激光焊接實時監(jiān)控系統(tǒng)案例

4 結(jié)束語

自動化及智能化是激光焊未來的發(fā)展方向，而激光焊接過程質(zhì)量實時監(jiān)測及控制是實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的基礎(chǔ)，光學(xué)及視覺等多傳感器復(fù)合技術(shù)為實現(xiàn)焊接過程實時監(jiān)測提供了工業(yè)化應(yīng)用研究方向。目前雖然已有多款實時監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用生產(chǎn)，但技術(shù)不夠完善，傳感器采樣頻率及分辨率等有待提高，且系統(tǒng)只針對一種或幾種焊接狀態(tài)或焊接缺欠，不具有普遍適用性。

在激光焊接過程質(zhì)量實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上，如何實現(xiàn)焊接工藝的自適應(yīng)調(diào)整仍是未來的研究重點。目前，自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)只實現(xiàn)了基于電子溫度、熱輻射信號、激光反射信號或ICI技術(shù)的激光輸出功率實時調(diào)整，實現(xiàn)了試驗環(huán)境下的熔深自適應(yīng)控制，但這距離激光焊接自動化及智能化生產(chǎn)仍然具有很大距離。未來如何實現(xiàn)基于激光焊接過程實時監(jiān)測的焊接工藝(如離焦量、焊接速度等)自適應(yīng)控制仍然任重而道遠(yuǎn)。