光纖激光器已成為很多先進的、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)快速增長的新興市場。在蓬勃發(fā)展的電動汽車行業(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)電動汽車可達性和整體性能的驅(qū)動因素。在其他更為成熟的產(chǎn)業(yè)中，使用光纖激光的優(yōu)點眾所周知。而現(xiàn)代工業(yè)激光技術(shù)的多項優(yōu)勢，如不斷提高的產(chǎn)量、更好的設(shè)計靈活性以及超高的能效利用率正不斷推動這項技術(shù)在金屬連接工藝方面的發(fā)展。
對于已經(jīng)充分利用激光焊接優(yōu)勢，具有前瞻性的制造商而言，下一步的問題是如何進一步提高產(chǎn)量，在競爭中保持領(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。為實現(xiàn)決策的自動化和去中心化，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。
在電動汽車行業(yè)呈爆炸性增長的背景下，這一需求尤為明顯。傳統(tǒng)電動汽車焊接工藝涉及多項挑戰(zhàn)：有色金屬合金、混合材料以及每個接頭嚴(yán)格的機械和電氣性能要求。此外，由于每個成品組件需要大量單個焊縫，因此僅可容許留出很小的誤差余量。嚴(yán)格的焊接要求，以及破壞性測試時，拆卸電氣組件需要耗費的巨大成本和難度，如果制造商在第一次嘗試時就可以生產(chǎn)高質(zhì)量的合格產(chǎn)品，將優(yōu)勢顯著。
智能制造不同于傳統(tǒng)開發(fā)和部署流程的開環(huán)特性，即通過設(shè)計可靠的流程，認(rèn)真控制生產(chǎn)線上的所有輸入?yún)?shù)，來達到盡可能接近正確的操作條件，智能制造依靠實時收集和共享信息的技術(shù)，該項技術(shù)可持續(xù)提供每個子系統(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，測量裝置可在生產(chǎn)過程中不斷測量并報告工藝條件，進而實現(xiàn)快速干預(yù)，甚至自動修復(fù)。這種方法的優(yōu)勢包括可以提高產(chǎn)量，減少對后續(xù)質(zhì)量檢驗環(huán)節(jié)的依賴（及隨之產(chǎn)生的費用和滯后性），提高對成品的信心。
生產(chǎn)過程實時監(jiān)測
雖然激光焊接技術(shù)已迅速被工業(yè)領(lǐng)域所接受，但能實現(xiàn)在線決策的智能傳感技術(shù)仍然落后。多年來，市場上已出現(xiàn)多種可應(yīng)用于激光焊接的監(jiān)測技術(shù)。
其中一種較為常見的方法是利用光電二極管傳感器測量激光焊接過程中產(chǎn)生的釋放物（包括來自熱金屬的黑體，來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），以此分析來表征熔池和匙孔的穩(wěn)定性。
此外還有一些通過增加多種預(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傳感器）和后期診斷分析（線性掃描儀，表面檢測相機，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)通常會遇到一些常見的局限性。其中一些技術(shù)僅可監(jiān)控焊接過程，但無法進行測量，這也就意味著僅可將此類技術(shù)應(yīng)用于一致性檢查。也就是說，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)僅能對焊接過程中某單一指標(biāo)進行監(jiān)控。而通常在整個焊接過程中需要采樣多項參數(shù)分析確保監(jiān)測準(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行眾多不同數(shù)據(jù)的監(jiān)測，進而產(chǎn)生更多的成本，并且多個系統(tǒng)并行運行，復(fù)雜性更高。
更為重要的是，上述所有技術(shù)均無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，以及焊接材料的強度（對某些具體應(yīng)用而言）和導(dǎo)電性。
尋找問題的根源
作為傳感器領(lǐng)域一項新興技術(shù)，內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測解決了長久以來在激光焊接實時數(shù)據(jù)采集方面一直存在的多項挑戰(zhàn)。這一新興技術(shù)采用低功率紅外光束，通過與焊接激光同軸的光路進行精準(zhǔn)的距離測量。該技術(shù)可允許在焊接的過程中完成測量，測量光束可查看匙孔底部，直接測量熔深，這也是新一代焊接測量技術(shù)的一個重要特征。測量結(jié)果可在幾毫秒內(nèi)提供與金相測試結(jié)果幾乎相同的整個焊縫的大量信息，且無需損壞樣品本身。
多功能性是這一技術(shù)的另一個關(guān)鍵性優(yōu)勢。測量光束既可先于激光光束測量，獲取焊前信息。又可在焊接完成后測量，確認(rèn)成品焊縫的表面質(zhì)量。甚至可以通過掃描，生成樣品的3D圖像，具有前所未有的簡便性和精確性（圖1）。
圖1．使用LDD－700內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測系統(tǒng)通過焊接頭獲取的不銹鋼零件3D圖像；
3D視頻技術(shù)可實現(xiàn)焊接激光束與零件的精確對焦
該項技術(shù)還可以快速切換到不同的測量位置，進而實現(xiàn)“準(zhǔn)同步”收集不同的數(shù)據(jù)類型。總之，在使用由單個軟件包控制的單個測量系統(tǒng)時，可實現(xiàn)在五種不同的測量模式下，同時測量焊接過程中的20多項不同指標(biāo)（圖2）。
圖2．LDD系統(tǒng)測量光束可在焊接過程中的多個區(qū)域內(nèi)同時收集數(shù)據(jù)，
匙孔底部的測量可在不切割零件的情況下直接測得焊接熔深；
內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測系統(tǒng)可以將單個測量過程分解為多個相關(guān)指標(biāo)（如圖）
IPG Photonics于2017年底收購了加拿大初創(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)），從而進軍內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測技術(shù)市場。自此，IPG LDD－700內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測系統(tǒng)即成為國際應(yīng)用實驗室中不可或缺的工具，同時結(jié)合包括掃描光學(xué)系統(tǒng)在內(nèi)的各種其他激光焊接技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用（圖3）。
圖3．顯示配備LDD－700內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測系統(tǒng)接口的IPG高功率掃描振鏡；
內(nèi)聯(lián)監(jiān)測可結(jié)合多種不同的光束傳輸布局，包括光學(xué)掃描系統(tǒng)和擺動頭
對激光焊接測量的靈活方式，使得這項技術(shù)的優(yōu)勢因各種不同的應(yīng)用有所區(qū)別。在汽車動力總成的焊接過程中，由于焊接通常涉及昂貴的加工步驟，對原材料數(shù)量的影響很大，因此使用這一測量方法可以降低廢料成本。提高對出廠產(chǎn)品質(zhì)量方面的信心，對于生產(chǎn)汽車關(guān)鍵安全組件來說非常重要。在上述電動汽車領(lǐng)域，降低廢品率，限制對復(fù)雜生產(chǎn)工藝中，繁重且具有破壞性的質(zhì)量控制流程的依賴，可以快速提高生產(chǎn)能力。
快速跟蹤的工藝開發(fā)
匙孔的直接測量不僅是實時質(zhì)量控制的有利工具。通過密切關(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發(fā)，免去試驗進程中必須冶金的步驟。無須離開焊機就能正確配置測試穩(wěn)定工藝所需的焊接參數(shù)，即使是經(jīng)驗豐富的焊接工程師也可以在更短的時間內(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、光束擺動和單模激光源焊接異種有色金屬合金（圖4）。
圖4．顯示采用內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測系統(tǒng)對復(fù)合材料焊接工藝的測量結(jié)果；
匙孔熔深和動態(tài)的詳細(xì)圖片有助于在更短時間內(nèi)鎖定正確工藝
在工藝開發(fā)過程中，使用內(nèi)聯(lián)焊縫監(jiān)測系統(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)省大量時間，避免花費大量時間探索分辨剖面檢測時可能產(chǎn)生不利結(jié)果的非工藝影響區(qū)域。當(dāng)需要在生產(chǎn)過程中實施該工藝時，可使用相同的測量系統(tǒng)跟蹤產(chǎn)品質(zhì)量，顯示具體細(xì)節(jié)。
展望未來
各行各業(yè)對智能制造解決方案越來越大的需求，也在不斷推進激光焊接傳感技術(shù)向前發(fā)展。內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測滿足了先進制造商目前和未來的多種需求，其最終目標(biāo)是實現(xiàn)工業(yè)4.0。
焊接過程中熔深測量可以提供與進行產(chǎn)品破壞性測試結(jié)果100％一致的測試結(jié)論，大大提高了對產(chǎn)品質(zhì)量的信心，便于操作人員靈活有效的做出決策。簡單靈活的測量方案可以為具體應(yīng)用定制標(biāo)準(zhǔn)工具，同步測量焊接過程的多項參數(shù)，收集相關(guān)信息以確保產(chǎn)品質(zhì)量。焊接動態(tài)過程的詳細(xì)數(shù)據(jù)圖像促進了激光焊接解決方案更加符合苛刻規(guī)格要求的發(fā)展。并將進一步推動激光焊接工藝，滿足未來的應(yīng)用需求。
作者：IPG Photonics（加拿大）應(yīng)用經(jīng)理 CHRIS GALBRAITH
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