激光焊接基于效率很高，在汽車白車身和零部件生產(chǎn)中日益受到歡迎，單臺激光焊接機(jī)器人即可替代多達(dá)5臺傳統(tǒng)點焊機(jī)器人。借助于高功率碟片或光纖激光器，再結(jié)合振鏡激光焊接頭和工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行飛行焊接，每分鐘可以完成100多個焊接點。
這就提出了一個挑戰(zhàn)：如果產(chǎn)量很大，如何才能確保產(chǎn)出質(zhì)量高、品質(zhì)穩(wěn)定的焊接點？通常，汽車行業(yè)需要生產(chǎn)防碰撞部件，這使得焊接質(zhì)量尤為重要。專注于焊接設(shè)備生產(chǎn)的荷蘭企業(yè)AWL-Techniek為幫助客戶應(yīng)對這一挑戰(zhàn)提供了解決方案（圖1）。
圖1：AWL-Techniek 的激光焊接設(shè)備。（圖源：AWL-Techniek）
本文探討了確保設(shè)備穩(wěn)定生產(chǎn)的三個方面：設(shè)備本身、質(zhì)檢人員的局限性，以及自動化質(zhì)量檢驗。
激光焊接設(shè)備
“質(zhì)量”取決于焊接設(shè)備。激光焊接夾具必須能穩(wěn)定地夾持住部件，即便部件的公差比較大，比如常規(guī)的沖壓金屬部件。
通過操作人員的操作，夾具必須能防止出錯。好的激光焊接夾具會在焊接開始前，探測出所有的部件是否均裝載正確。需要用到防呆防差錯系統(tǒng)（一種日本開發(fā)的精益生產(chǎn)流程機(jī)制，可以幫助設(shè)備操作人員防止出錯）、產(chǎn)品檢測傳感器以及設(shè)計良好的公差鏈。還要注意清潔氣體的供應(yīng)和煙霧的排放，夾具必須易于清潔和維護(hù)。
AWL-Techniek開發(fā)出了專業(yè)的機(jī)器人軟件，使得工業(yè)機(jī)器人更為精確。這款軟件可以在不使用焊縫跟蹤系統(tǒng)的情況下生產(chǎn)出邊緣焊點。同時，軟件對于有高精度要求的曲線焊點，例如圓邊焊點而言是必要的工具。這些例子表明，設(shè)計和制造激光焊接夾具以及激光焊接設(shè)備是一項復(fù)雜的工作，需要具備高超的技能和豐富的經(jīng)驗。
人類視覺和自動化檢測
對于焊接質(zhì)量控制系統(tǒng)，有些人認(rèn)為，操作人員在處理部件時，可以很容易地進(jìn)行肉眼質(zhì)量檢測。這不一定是正確的。來自航空工業(yè)的研究顯示，對于質(zhì)量控制工作而言，質(zhì)檢人員很容易漏掉小的瑕疵，在工作了僅僅一小時后，他們會忽視幾乎70%的瑕疵（圖2-3）。
圖2：用肉眼檢驗焊接質(zhì)量時，很容易漏掉小的瑕疵。
顯然，檢驗人員的視覺評估是不可靠的，因此，自動化的質(zhì)檢系統(tǒng)就成為一種替代方案。市場上有不同系統(tǒng)可供，AWL-Techniek也已經(jīng)有多套此類系統(tǒng)被客戶應(yīng)用。
圖3：檢驗人員的檢驗出錯率隨著時間的推遲大幅下降。
許多受歡迎的質(zhì)檢系統(tǒng)是基于對激光焊接加工過程中發(fā)出的光的監(jiān)測來實現(xiàn)的。在這些系統(tǒng)中，焊接加工過程中發(fā)出的光可以由一只或多只光電二極管監(jiān)測到。質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對測得的光電二極管的信號與已知的合格焊點所發(fā)出的信號進(jìn)行比較。如果測量值比較接近，系統(tǒng)就認(rèn)為這個焊點是合格的。如果信號有差異，系統(tǒng)會得出焊點不合格的結(jié)論（圖4）。
圖4：基于光電二極管的激光質(zhì)量監(jiān)測示意圖。
二極管系統(tǒng)具有快速和自動化的優(yōu)勢，可以在實際焊接的過程中對焊接質(zhì)量進(jìn)行評估，因此生產(chǎn)線上不需要設(shè)置額外的檢查站點。當(dāng)然，這種方式僅適用于可靠度高的系統(tǒng)。
但是，光電二極管系統(tǒng)的缺點是，其測量不是直接的。二極管測量的是焊接過程中的光并將之與焊接質(zhì)量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，但這不是實際的焊接質(zhì)量。這會導(dǎo)致未檢測到的瑕疵（假陰性）和被檢測為瑕疵的合格焊點（假陽性）。AWL-Techniek的實驗表示，二極管類自動化檢測系統(tǒng)的可靠性不是完美的，但是如果比較自動質(zhì)量檢測系統(tǒng)與人工檢測的效果，很顯然，經(jīng)過良好調(diào)校的自動化系統(tǒng)的準(zhǔn)確率要高很多。
很重要的一點是，必須認(rèn)識到質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)需要調(diào)整，而且不只是在安裝時需要進(jìn)行精調(diào)，在全面量產(chǎn)時，更需要精調(diào)。要在靈敏度之間取得平衡（不會錯過真正的瑕疵），不會出現(xiàn)假陽性錯誤。要讓維修團(tuán)隊參與到安裝工作中去，這樣，他們在進(jìn)行這些優(yōu)化工作時會感到比較順利。因此，工廠管理層應(yīng)給予有力的支持和理解。
差錯處理策略
所面臨的挑戰(zhàn)是，如何設(shè)計出包括正確應(yīng)對假陽性錯誤的理想的差錯處理策略。常規(guī)部件可能會有幾百個焊接點。因此，即便單個焊點的假陽性錯誤比率很低，也會導(dǎo)致整個部件出現(xiàn)相當(dāng)多的假陽性錯誤次數(shù)。
所以，要制訂部件質(zhì)量規(guī)則，如，規(guī)定部件達(dá)到怎樣的焊接瑕疵比率就必須剔除。對系統(tǒng)在生產(chǎn)和精調(diào)過程中的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析會有所幫助。如果瑕疵處理策略不夠有效，用戶就會對質(zhì)量控制系統(tǒng)產(chǎn)生不滿。
展望
未來，市場上有望出現(xiàn)更可靠的系統(tǒng)。就當(dāng)前已經(jīng)推出的幾種系統(tǒng)來看，出現(xiàn)的一種趨勢是，由光學(xué)相干斷層掃描（OCT）對激光焊接的實際深度以及表面輪廓進(jìn)行測量。這就可以對激光焊接特征進(jìn)行直接評估，從而確保可靠性。最終的步驟是，將這個測量信號作為激光焊接過程的反饋控制信息。另一種可能性是，使用基于激光的三角測量系統(tǒng)來檢查焊接表面的質(zhì)量。這些系統(tǒng)特別適用于邊焊。
顯然，近年來，隨著激光焊接設(shè)備生產(chǎn)效率的不斷提高，激光焊接質(zhì)量監(jiān)測的重要性越發(fā)提升。質(zhì)量監(jiān)測挑戰(zhàn)仍存，但至少市售的這些監(jiān)測系統(tǒng)可以提供很大的幫助。
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