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激光焊縫是車身結(jié)構(gòu)中最先進(jìn)的技術(shù)，焊縫強(qiáng)度是最重要的標(biāo)準(zhǔn)，但從外部很難檢測到。最新的在線過程監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可靠有效的質(zhì)量監(jiān)控。它結(jié)合了機(jī)器人輔助焊接和在線質(zhì)量控制。
大多數(shù)傳統(tǒng)的焊接檢查方法都是通過觀察過程排放來間接工作的。從它們的行為中，可以得出關(guān)于焊縫特征的結(jié)論，這些結(jié)論將在以后變得明顯。然而，使用這種方法，隨后的影響只會(huì)被預(yù)測，而不會(huì)被驗(yàn)證——具有相應(yīng)的不確定性。
其原因是熱機(jī)械影響、部件中局部和溫度相關(guān)的膨脹和收縮，以及決定焊接區(qū)材料行為的局部冷卻條件。
這些影響會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)測的影響，與工藝排放無關(guān)。因此，當(dāng)熔融材料再次靜止時(shí)，通過試驗(yàn)方法可獲得最佳結(jié)果。
焊縫強(qiáng)度不一定顯示在測量焊道表面和評估其均勻性的表面上，而與焊縫熔透深度或內(nèi)部氣孔無關(guān)。因此，不可能對焊縫強(qiáng)度進(jìn)行說明。這可以通過使用超聲波或x射線穿透焊縫的方法來解決。然而，只有在焊接過程完成且材料基本冷卻后，才可能進(jìn)行焊接。此外，它們需要一個(gè)單獨(dú)的測量站，并且需要很長時(shí)間，這使得它們只能進(jìn)行隨機(jī)抽樣。
為什么高速攝像機(jī)不能解決這個(gè)問題？
高速攝像機(jī)
另一種測試焊接過程的方法，也是研究人員最喜歡的方法是高速攝像機(jī)。每秒有500張以上的圖像，使用這種技術(shù)可以很好地記錄焊接過程。對熔池和等離子體光的觀察確實(shí)有助于理解該過程。然而，這無助于尋找焊接缺陷，如孔、裂紋和氣孔，因此它們的使用不適用于生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制。這是因?yàn)槿鄢刂胁淮嬖诳锥春土芽p。它們只在冷卻材料的固態(tài)化階段形成。同時(shí)，凝固階段冷卻行為的記錄僅限于表面缺陷。焊縫熔深或上材料層和下材料層之間的結(jié)合不能通過純表面測試來檢測。此外，在生產(chǎn)過程中，如此多的圖像生成的大量數(shù)據(jù)無法快速評估，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生產(chǎn)控制。這意味著高速攝像機(jī)非常適合科學(xué)研究，但必須為生產(chǎn)監(jiān)控選擇不同的解決方案。
測量退火：一種不同的方法
圖1 Hema Electronic的seelector-ICAM激光質(zhì)量保證系統(tǒng)可與3D掃描裝置一起部署，用于遠(yuǎn)程激光焊接應(yīng)用，如Blackbird的intelliWELD。（來源：FFT生產(chǎn)系統(tǒng)）
圖2車身結(jié)構(gòu)中的激光掃描焊接（來源：Hema Electronic）
快節(jié)奏的批量生產(chǎn)需要一種方法，該方法能夠跟上工藝周期，并能立即提供質(zhì)量信息，以便在部件加工結(jié)束時(shí)進(jìn)行進(jìn)一步處理。該系統(tǒng)必須以盡可能少的數(shù)據(jù)生成盡可能可靠的信息，并提供有關(guān)鍍鋅鋼板之間連接質(zhì)量的電磁干擾重要證據(jù)。
Hema Electronic的seelectorICAM激光質(zhì)量保證系統(tǒng)與3D掃描裝置采用了不同的方法，用于遠(yuǎn)程激光焊接應(yīng)用，如Blackbird的intelliWELD（圖1）或Trumpf PFO 3D（圖4）。這兩種設(shè)備與Hema系統(tǒng)一起在許多工業(yè)安裝中都證明了其價(jià)值。它檢測到表面無法識別的缺陷，在激光停止向焊縫施加能量后，測量鋼中清晰可見的輝光數(shù)毫秒。焊縫輝光的強(qiáng)度和擴(kuò)散是其評估的基礎(chǔ)。這提供了對焊縫主要特征的了解，這實(shí)際上可以得出關(guān)于其強(qiáng)度和質(zhì)量的可靠結(jié)論（圖2）。
Hema Electronic與戴姆勒合作實(shí)施的該方法的廣泛測試系列表明，除了檢測“假朋友”，還可以使用每個(gè)焊縫的單個(gè)圖像可靠地評估表面焊縫缺陷（圖3）。
圖3使用seelectorICAM激光系統(tǒng)，每個(gè)焊縫的一張圖像足以進(jìn)行可靠、快速的質(zhì)量評估。（來源：Hema電子）
檢查過程細(xì)節(jié)
激光焊接以連接板材。焊接后，焊縫本身仍會(huì)輕微發(fā)光。通過短暫地重新加熱接縫，可以進(jìn)一步改善這種可見光暈，這是通過在相反方向上用散焦和降低的激光功率再次穿過接縫來實(shí)現(xiàn)的。以這種方式實(shí)現(xiàn)的后退火均勻性增加了評估的可靠性。然后進(jìn)一步降低激光功率，將偏轉(zhuǎn)鏡對準(zhǔn)焊縫。在大約10 ms的短等待時(shí)間后獲取圖像，在此期間熔體的凝固過程已經(jīng)充分進(jìn)展。該系統(tǒng)的攝像頭通過激光光學(xué)系統(tǒng)集中對準(zhǔn)焊縫，并捕捉圖像。激光隨后移動(dòng)到下一個(gè)焊縫。對采集圖像的評估立即開始，并與后續(xù)焊縫和圖像捕獲并行進(jìn)行。焊接完最后一道焊縫后，即可進(jìn)行整個(gè)評估。
鋁焊接：質(zhì)量控制的特殊挑戰(zhàn)
除了鋼和鍍鋅鋼之外，鋁由于其重量減輕的特點(diǎn)，在車輛構(gòu)造中變得越來越重要。鋁焊接在質(zhì)量控制方面的一個(gè)特別困難是表面的高光反射。這會(huì)在激光束的耦合和圖像采集中產(chǎn)生不良影響。與可見光波長范圍內(nèi)的圖像一樣，熱相機(jī)的圖像采集也會(huì)受到反射的影響。此外，由于鋁不顯示退火，因此不可能直接傳輸上述用于工藝和質(zhì)量控制的解決方案。這種材料的熱傳導(dǎo)速度非常快，以至于用熱像儀和光譜法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)都沒有成功。為了實(shí)現(xiàn)可靠的質(zhì)量評估，Hema因此進(jìn)一步開發(fā)了用于鋁車身構(gòu)造的“seelectorICAM激光”系統(tǒng)。
它使用兩步分析：第一步，在焊接和平滑焊縫后，立即在板材頂部拍攝圖像，確定并檢查每個(gè)焊縫到組件邊緣（如果有）的邊緣距離。在第二步中，在平滑焊縫底面之前，在部件的背面拍攝圖像，以檢測焊縫中的材料泄漏，從而確保足夠的焊縫穿透深度。測試后，如果需要，可以使用散焦激光對下方進(jìn)行平滑處理。這種平滑的優(yōu)點(diǎn)是恢復(fù)了光滑的表面和原始材料的厚度。其結(jié)果是可靠的質(zhì)量和強(qiáng)度保證，而且表面光滑，恢復(fù)了原始材料厚度。
圖像評價(jià)
在圖像評估過程中，系統(tǒng)計(jì)算測量值，如亮度、圖像特征的幾何數(shù)據(jù)和評估結(jié)果，以評估焊縫，并將其存儲在Excel電子表格中，用于過程監(jiān)控。返工站顯示在部件上的位置和發(fā)現(xiàn)的缺陷，以便快速、有針對性地返工。此外，系統(tǒng)會(huì)從圖像中檢測到任何焊接系統(tǒng)故障或不合適的設(shè)置。
在設(shè)置過程中，用戶與圖像和測量結(jié)果交互工作。操作員可以參數(shù)化系統(tǒng)，并隨時(shí)控制評估過程。數(shù)據(jù)和圖像可以在系統(tǒng)PC上調(diào)用。用戶可以選擇將它們存儲在分配給制造部件序列號的數(shù)據(jù)記錄中，以及其他生產(chǎn)信息。
圖4 Trumpf PFO 3D與Hema ICAM激光攝像頭安裝在KUKA機(jī)器人上（來源：Mercedes-Benz AG）
快速簡便的在線集成帶掃描頭的激光焊接系統(tǒng)是將質(zhì)量保證系統(tǒng)集成到現(xiàn)有生產(chǎn)線的先決條件。合適的激光器包括掃描儀，如Blackbird公司的intelli-WELD（圖1）或Trumpf PFO 3D（圖4）。質(zhì)量保證系統(tǒng)本身包括攝像頭及其軟件、用于參數(shù)化、顯示和存儲細(xì)節(jié)的PC、用于檢查結(jié)果（RDS）的數(shù)據(jù)庫接口、用于控制檢查和物流的PLC連接，以及用于觸發(fā)“焊縫圖像”的激光器連接。
seelectorICAM激光器是一種智能嵌入式視覺系統(tǒng)，具有車載數(shù)據(jù)處理能力。這使得原始數(shù)據(jù)可以在智能攝像頭中實(shí)時(shí)評估。該相機(jī)位于激光器的光路中，亮度動(dòng)態(tài)為170 dB，以獲得強(qiáng)烈的圖像對比度。其軟件包括攝像頭上的圖像采集和評估軟件以及PC上的操作員軟件。攝像頭通過系統(tǒng)PC上的用戶界面進(jìn)行操作。更換部件時(shí)，操作員模擬選擇新的相關(guān)程序。基本上不需要對已經(jīng)存在程序的組件進(jìn)行教學(xué)或改編。因此，Hema系統(tǒng)可以快速方便地集成到任何激光焊接生產(chǎn)線中。它可以立即提供質(zhì)量控制數(shù)據(jù)，并提高生產(chǎn)過程的質(zhì)量和生產(chǎn)率。
來源：Photonics Views -2022 - Helzle - Laser weld quality：it’s in the process，DOI:10.1002/phvs.202200021
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