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導(dǎo)讀：來(lái)自瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所的研究人會(huì)員開發(fā)了一種激光焊接過(guò)程中的人工智能監(jiān)控技術(shù)：Ｘ射線視覺和竊聽技術(shù)來(lái)確保焊接質(zhì)量，同時(shí)該技術(shù)還可以適用SLM的增材打印過(guò)程中。
(A)激光焊接時(shí)采用原位X射線照相的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，(B) 激光焊接工作站的照片
激光焊接金屬板材時(shí)形成匙孔效應(yīng)的示意圖
激光焊接是一種非常適合用來(lái)連接金屬和熱塑(性)塑料的工藝。激光焊接已經(jīng)成為高度自動(dòng)化制造工藝中的最優(yōu)連接工藝。例如，在汽車制造工業(yè)中就是如此。由于激光在運(yùn)行的過(guò)程中實(shí)際上是不存在磨損的，是一種快速和高精度的制造工藝。但直到現(xiàn)在，焊接的焊縫的質(zhì)量只能回顧性地記錄，要么通過(guò)X射線、磁分析的辦法或者將試樣進(jìn)行解剖分析。如果能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控的話將是非常有優(yōu)勢(shì)的。
(A)在工藝過(guò)程中獲得LBR信號(hào)的一個(gè)例子; (B)從 LBR信后中得到的小波頻譜圖 的構(gòu)建
在傳導(dǎo)焊接的過(guò)程中只有材料的表面發(fā)生熔化，而在深熔焊接的過(guò)程中激光束非常迅速的穿過(guò)材料表面并進(jìn)入到材料內(nèi)部而產(chǎn)生一個(gè)薄的充滿金屬蒸汽和氣體的孔洞，這一孔洞稱之為“匙孔”。如果匙孔的深度變得比較深的話，金屬蒸汽的蒸汽壓就會(huì)下降，而熔融金屬的表面張力就會(huì)增加。匙孔就會(huì)變得不穩(wěn)定從而最終發(fā)生塌陷，從而在焊縫中形成氣孔，這是在激光焊接的時(shí)候所不希望存在的現(xiàn)象。因此，在激光焊接的過(guò)程中，在匙孔變得不穩(wěn)定的時(shí)候能夠馬上探測(cè)到的話，這對(duì)激光焊接的質(zhì)量是至關(guān)重要的。這一探測(cè)技術(shù)直到今天的話不能充分的控制。這一解決辦法只能是從匙孔的頂部利用光學(xué)的辦法來(lái)解決。
(A)鋁合金樣品在單脈沖激光為10ms，功率為1kW的時(shí)候得到的典型的X射線圖像；(Ｂ)通道的匙孔像素強(qiáng)度分布，較亮的像素同低密度區(qū)域相對(duì)應(yīng)
來(lái)自瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 的研究小組，在Kilian Wasmer的領(lǐng)導(dǎo)下，成功的實(shí)現(xiàn)了精確的探測(cè)和記錄采用激光進(jìn)行深熔焊接的時(shí)候匙孔產(chǎn)生不穩(wěn)定的時(shí)刻。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，他們使用的是一個(gè)價(jià)格不算貴的聲學(xué)探測(cè)器在一邊進(jìn)行探測(cè)，而在另外一邊來(lái)測(cè)量從激光焊接的金屬表面的發(fā)射情況。組合起來(lái)的數(shù)據(jù)在人工智能（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks, CNN））的幫助下在僅僅只有70毫秒（1毫秒為千分之一秒）的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。這就實(shí)現(xiàn)了激光焊接過(guò)程中對(duì)質(zhì)量的在線監(jiān)控。
激光焊接時(shí)激光沖擊到鋁合金板材時(shí)的X射線影像，在歐洲同步加速器中獲得的數(shù)據(jù)（法國(guó)格勒諾布爾），時(shí)間跨度為14毫秒
氣孔形成的X射線影像 (A)及其采用后續(xù)的激光脈沖進(jìn)行移除(B)，顯示的是兩個(gè)連續(xù)的激光脈沖的作用過(guò)程
歐洲同步加速輻射X射線源的證據(jù)
項(xiàng)目研究人員利用位于歐洲同步加速器（法國(guó)格勒諾布爾）的設(shè)備驗(yàn)證了他們提出的監(jiān)控手段的精確性。通過(guò)激光，他們?cè)阡X板上利用匙孔進(jìn)行熔化，與此同時(shí)采用硬X射線進(jìn)行同步掃描。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，不超過(guò)百分之一秒，采用高速X射線相機(jī)進(jìn)行全程記錄。結(jié)果是，焊接過(guò)程中的每個(gè)單獨(dú)的過(guò)程可以在超過(guò)90%可信度的前提下進(jìn)行正確的識(shí)別。
一旦激光轟擊金屬時(shí)，焊接的第一階段，熱傳導(dǎo)就會(huì)發(fā)生，此時(shí)只有表面開始熔化。緊接著，一個(gè)穩(wěn)定的匙孔開始形成，此時(shí)搖擺（處于穩(wěn)定狀態(tài)的匙孔）開始長(zhǎng)時(shí)間的暴漏在焊接過(guò)程中。有時(shí)匙孔會(huì)吐出液態(tài)金屬，同火山噴發(fā)有點(diǎn)相類似（類似爆胎）。如果匙孔倒塌在一個(gè)不可控的狀態(tài)下發(fā)生，就會(huì)形成氣孔。所有這些階段就都可以在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)中給予實(shí)時(shí)的監(jiān)控和探測(cè)到。
在有的實(shí)驗(yàn)中，研究人員成功的創(chuàng)造出焊縫中的氣孔并將氣孔采用一個(gè)二次脈沖激光進(jìn)行閉合。氣孔形成的探測(cè)成功率大約在87%的樣子，可以成功的排除高到73%的氣孔。這一辦法的錯(cuò)誤的糾正對(duì)于激光焊接單元來(lái)說(shuō)時(shí)非常有意義的。直到今天，現(xiàn)有的焊縫中的氣孔只能在焊接完成的時(shí)候才能準(zhǔn)確的探測(cè)到。通過(guò)采用當(dāng)前報(bào)道的技術(shù)，氣孔的位置在焊接過(guò)程中就可以確定。激光焊接之后的過(guò)程可以在激光焊接后直接進(jìn)行，而不再同以前一樣要先進(jìn)行氣孔等缺陷的檢測(cè)。
增材制造過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)測(cè)
研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的監(jiān)控技術(shù)不僅僅可以用于激光焊接過(guò)程中的監(jiān)測(cè)，同時(shí)也適用于3D打印金屬部件的質(zhì)量監(jiān)控。在粉末床３D打印的過(guò)程中，這是一種比較常見的金屬3D打印工藝，激光束掃描經(jīng)過(guò)一層粉末，然后粉末同下層的基材結(jié)合形成焊縫，這一過(guò)程同焊接比較類似。如果出現(xiàn)氣孔的話，激光就會(huì)直接掃描到有缺陷的區(qū)域而形成二次熔化，從而移走氣孔。然而，這一過(guò)程的實(shí)施只有借助實(shí)時(shí)監(jiān)控才能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槿魏我粋€(gè)氣孔的形成都需要在進(jìn)行下一步的激光加工的時(shí)候?qū)⑵涮蕹簟?/p>
這一在線監(jiān)控的有點(diǎn)在于我們所使用的聲學(xué)和光學(xué)傳感器的價(jià)格均比較便宜并且魯棒性比較好，而且容易安裝在現(xiàn)有的工業(yè)裝備中。這一在線監(jiān)測(cè)的人工智能的處理速度也非常迅速，而且處理成本也不高。同時(shí)數(shù)據(jù)的處理可以好幾個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行。這樣的處理過(guò)程在游戲中是存在的，而且價(jià)格也比較適中。因此，這一快速的探測(cè)技術(shù)在PC機(jī)上很容易實(shí)現(xiàn)。
文章來(lái)源:Empa Giulio Masinelli et al. Adaptive Laser Welding Control: A Reinforcement Learning Approach, IEEE Access (2020). DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2998052
Shevchik, S., Le-Quang, T., Meylan, B. et al. Supervised deep learning for real-time quality monitoring of laser welding with X-ray radiographic guidance. Sci Rep 10, 3389 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-60294-x
Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology
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