主要介紹了激光焊接探測過程中的6個典型的探測技術(shù)：光電二極管、視覺、光譜、聲學(xué)、高溫計和等離子電荷傳感中的后四個技術(shù)的基本原理。同時介紹了多傳感融合技術(shù)。

光譜儀

光譜分析儀經(jīng)常用來分析焊接過程中的羽狀物特征，如圖1所示。焊接時焊接區(qū)的光輻射被準(zhǔn)直鏡收集，然后傳輸給光纖。羽狀物的光譜通過光譜分析儀進(jìn)行分析。在近幾年，隨著光譜儀尺寸的變小和成本的降低以及接口（I/O）的便利，光譜儀已經(jīng)逐漸用于在線監(jiān)測和自適應(yīng)控制?；讷@得的光譜譜線的相對強(qiáng)度，如圖2所示，不同元素的譜線的相對強(qiáng)度通過Boltzmann-plot來進(jìn)行計算。

圖1 基于光譜分析的示意圖 文獻(xiàn)1

早期的研究表明，鋁合金的焊接缺陷，如咬邊和飛濺等，不僅整個光譜的輻射得到加強(qiáng)，就連鋁的譜線也同時得到加強(qiáng)。如在激光焊接鍍鋅板時，Zn（或Fe）的電子溫度同特征缺陷是明顯相關(guān)聯(lián)的，此時溫度并不對焊接深度敏感。此外，羽狀物譜線的強(qiáng)度可以用來幫助識別焊接速度的變化，如圖3所示。

圖2 基于光譜分析的激光焊接時激光誘導(dǎo)的羽狀物的譜線圖 文獻(xiàn)1

圖3 激光焊接鍍鋅板時羽狀物和等離子體的譜線：a 30;b40 ;c 50;(mm每秒)

在Sibillano團(tuán)隊的研究方案中，采用海洋光學(xué)的低成本光譜分析儀進(jìn)行缺陷探測和自適應(yīng)控制的研究。基于對光譜的相關(guān)性分析，他們研究了不同保護(hù)氣體速率的條件下的羽狀物的動力學(xué)特征，如圖4所示。圖4a和b為氣體流速為40NL每分鐘的時候，其相關(guān)性為正。然而，如圖4c和d所示，當(dāng)氣體流速為100NL每分鐘的時候，其相關(guān)性為負(fù)值。

圖4 光譜分析的相關(guān)性分析結(jié)果

聲學(xué)探測

在最近幾年，基于聲學(xué)進(jìn)行激光焊接質(zhì)量評估的研究并不多。這是因為用于安裝接觸聲學(xué)探測的設(shè)備在大型生產(chǎn)的場合并不是很方便，如生產(chǎn)汽車的行業(yè)就是如此。而非接觸聲學(xué)探測儀則往往會受到環(huán)境噪音的干擾。因此，大多數(shù)的聲學(xué)探測集中在如何提高識別精度和非接觸探測時如何采用人工智能識別算法的魯棒性上。

圖5 等離子電荷傳感探測匙孔焊接的深度

為了實現(xiàn)時間頻率信號的有效性，Luo等人研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接缺陷發(fā)生時，聲發(fā)射信號在低頻率（小于78Hz）的強(qiáng)度和頻率震動幅度（781Hz和1562Hz）時會顯著下降。此外，熱傳導(dǎo)焊接時的聲信號和匙孔效應(yīng)焊接時的聲效應(yīng)信號在10-20KHz時存在巨大的差別。對這一范圍內(nèi)的結(jié)果進(jìn)行對比聲學(xué)信號的特征，研究發(fā)現(xiàn)聲學(xué)信號特征同金屬蒸汽和匙孔形狀密切相關(guān)。因此，焊接缺陷的精準(zhǔn)識別可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。

圖6 多探頭融合的激光頭及其測量結(jié)果

聲學(xué)探測用于焊接缺陷的探測和監(jiān)測是一個非常好的辦法，但其聲音往往會由于聲音發(fā)生源和探測頭之間存在一定的距離而產(chǎn)生延遲。由此可見，聲探測儀用于自適應(yīng)控制并不是最佳的選擇。

聲學(xué)探測用于焊接缺陷的探測和監(jiān)測是一個非常好的辦法，但其聲音往往會由于聲音發(fā)生源和探測頭之間存在一定的距離而產(chǎn)生延遲。由此可見，聲探測儀用于自適應(yīng)控制并不是最佳的選擇。

圖7光電二極管和視覺系統(tǒng)融合的監(jiān)測系統(tǒng)及其提取的6種信號

聲學(xué)探測用于焊接缺陷的探測和監(jiān)測是一個非常好的辦法，但其聲音往往會由于聲音發(fā)生源和探測頭之間存在一定的距離而產(chǎn)生延遲。由此可見，聲探測儀用于自適應(yīng)控制并不是最佳的選擇。

高溫計

熱輻射強(qiáng)度可以反應(yīng)溫度的變化，從而可以借助高溫計來進(jìn)行探測。因此，由于溫度的變化造成的焊接狀態(tài)的變化可以作為分析的對象。此外，高溫計的優(yōu)點(diǎn)在于價格低廉和取樣高效。一些研究人員開展了利用高溫計進(jìn)行激光焊接過程中熱變化的探測。同時，Bertand和Smurov則在研究中利用高溫計進(jìn)行2D溫度場的探測來進(jìn)行工藝的優(yōu)化。然而，Doubenskaia則指出，高溫計的取樣頻率這一塊應(yīng)該給予更多的關(guān)注，不建議在探測范圍（或者分辨率）上下功夫。

圖8 FraunhoferILT和大眾開發(fā)的汽車焊接在線監(jiān)測進(jìn)行檢測的結(jié)果圖

等離子體電荷探測

由于在焊接時產(chǎn)生的等離子體包含電離子和負(fù)離子，焊接噴嘴和焊接工件之間的電壓可以由一個電容和電阻組成的回路來進(jìn)行探測。早期研究結(jié)果表明等離子電荷傳感對于測量等離子體溫度非常有用。該技術(shù)一般用來識別焊接深度和焊接缺陷，如匙孔造成的失效、穿孔、光束位置偏離和焊道錯位等。相應(yīng)地，這些研究已經(jīng)用于激光焊接的探測。W.Lu認(rèn)為非常有必要確定等離子電荷和焊接深度之間的關(guān)系。大多數(shù)等離子電荷傳感器均直接同激光頭或噴嘴相連接。Zhang及其團(tuán)隊設(shè)計了一個測量回路并不是同噴嘴相連接的，該裝置包含一個探測頭，其位置是可變的。如圖5所示。當(dāng)探頭在工件表面3-6mm且在電極后方軸線方向8-12mm時，此時的回路可以有效的區(qū)分完全穿透焊接和部分穿透焊接。相似的研究在弧焊、電子束焊接以及等離子體焊接過程中均存在。激光焊接的作用原理在本質(zhì)上同以上過程是一樣的，并且所有的焊接過程中存在均存在等離子體。

多探頭融合技術(shù)

基于以上分析，可以推斷出但一探頭傳感均存在退訂的缺陷，原因就是大多數(shù)探頭均有一定程度的低的長安探測精度和只能探測一定程度的焊接缺陷。因此，多探頭長安剛好可以成為解決以上問題的一個好辦法。

光電二極管傳感和聲學(xué)傳感的融合

多探頭融合的研究歷史比較長了，這一方式主要有兩種。一種是紅外和紫外傳感融合，一種是聲學(xué)和紫外傳感融合。紅外和紫外傳感使用的是光電二極管是用不同波段的波長來實現(xiàn)的。而聲學(xué)和紫外探測的融合是采用光電二極管和麥克風(fēng)來實現(xiàn)的。紅外和紫外傳感的融合被認(rèn)為測量焊接深度時更為精確，且在探測飛濺和匙孔效應(yīng)造成的缺陷（盡管過程不穩(wěn)定）是比較有效的。實驗表明聲學(xué)探測和紫外發(fā)射均對羽狀物的變化非常敏感。

多探頭傳感（NIR、可見光和輔助光）

視覺探測可以彌補(bǔ)光電二極管探測和聲探測的不足，因為該技術(shù)可以獲得空間的測量結(jié)果和獲得更多的信息。因此就可以嘗試將不同的視覺傳感結(jié)合在一起來獲得焊接過程中更豐富的信息。多探頭傳感在焊接缺陷的應(yīng)用方面有一種是三個探頭在不同的位置獲取三個不同階段的信息。這三個階段是焊前、焊中和焊后。焊前主要用于焊縫的跟蹤定位。焊中主要用于監(jiān)控匙孔形狀的穩(wěn)定性。而焊后則主要獲取焊后熔池的相關(guān)信息。目前，采用不同的探測器來研究同一位置的焊接區(qū)域是近年來的熱點(diǎn)。圖6所示為通快公司的近紅外（INGaAs）相機(jī)和可見光（Si）相機(jī)安裝在激光頭上以實現(xiàn)同軸多視覺探測。依據(jù)獲得的不同圖像和不同形態(tài)特征，然后利用數(shù)據(jù)算法來進(jìn)行提取，主要提取真實位置、速度、熔池尺寸或焊縫形貌等。多探頭的優(yōu)點(diǎn)就在于可以獲得不同焊接狀態(tài)下豐富的焊接信息。但其缺點(diǎn)就在于取樣速度比較低，目前常用的取樣速率為100-2000 f每秒（工業(yè)用，2014年的數(shù)據(jù)）。高速相機(jī)由于價格太過昂貴，目前還不適合用于工業(yè)生產(chǎn)中。由于速度慢導(dǎo)致視覺傳感在探測缺陷時存在較大弊端。

光電二極管和視覺傳感的融合

光電二極管和視覺傳感的融合在近年來成為激光焊接的一個研究熱點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)就在于取樣速度塊，獲得的信息量大，從而可以獲取焊接狀態(tài)的豐富信息。D.You等人設(shè)計了一個四信號探頭系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了兩個視覺探頭和兩個光電二極管，如圖7（a）所示。在輔助光照射（40W半導(dǎo)體激光器，波長為976nm），一個視覺探頭用于探測匙孔和熔池的形狀。另外一個視覺探測器用于獲取窄光纖過濾鏡片（350-750nm）頂部和底部的金屬蒸汽的形成信息。兩個光電二極管用于探測可見光輻射和發(fā)射的強(qiáng)度。該裝置使用后提取的五種信號特征見圖7b。圖8為Fraunhofer激光技術(shù)研究所和大眾汽車聯(lián)合開發(fā)的用于汽車焊接的質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的工作效果圖。

圖9 經(jīng)過圖像處理后提取的信息特征

光電二極管和等離子體電荷傳感的融合

在最近十年，激光電弧復(fù)合焊在工業(yè)中的應(yīng)用引起重視并得到了應(yīng)用。尤其是高功率激光（10-20KW）電弧復(fù)合焊用于造船和造橋中頗為關(guān)注。這類重工業(yè)對焊接質(zhì)量尤為關(guān)注。此類應(yīng)用的工件一般長度都超過1米，厚度一般都超過20mm。相應(yīng)地，穩(wěn)定可靠的在線監(jiān)測系統(tǒng)就顯得非常重要。Travis提出一個四信號探測系統(tǒng)，一個為UV、一個為IR。另外兩個測量電流，一個電流為線和工件之間的；另外一個為噴嘴和工件之間的。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以判斷焊接的穩(wěn)定性。

人工智能的應(yīng)用

多探頭技術(shù)可以提供大量的焊接狀態(tài)的原始信息（信號和圖像）.這些參數(shù)的特征均通過先進(jìn)的信號和圖像處理系統(tǒng)依據(jù)一定的算法進(jìn)行處理。這已經(jīng)是當(dāng)前實現(xiàn)自適應(yīng)控制的重點(diǎn)。

圖像和數(shù)據(jù)處理

圖像和數(shù)據(jù)處理的算法為準(zhǔn)確控制和識別焊接狀態(tài)的信息提供了有用的信息。如圖9為視覺圖像和影像處理技術(shù)相結(jié)合，經(jīng)過圖像處理后提取的信息特征圖。圖10為不同聚焦量的

圖10 不同聚焦位置變化時得到的相關(guān)系數(shù)

模式識別和分類

一旦特征量確定了，不同焊接狀態(tài)或缺陷的識別和分類就需要用先進(jìn)的模型來實現(xiàn)。圖11為支持向量示意圖。

圖11 焊縫狀態(tài)的識別識別示意圖

智能自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制可以幫助防止出現(xiàn)缺陷，目前焊縫跟蹤的自適應(yīng)控制主要基于結(jié)構(gòu)光來實現(xiàn)的。基于多探頭實現(xiàn)自適應(yīng)控制的研究也是近年來的研究熱點(diǎn)。圖11為Nd:YAG激光焊接時的電子溫度、功率和穿透深度變化的一個案例。圖 12為連續(xù)激光焊接時的一個反饋控制。

圖12 基于三傳感系統(tǒng)的焊接狀態(tài)的支持向量設(shè)備的分類

圖13 連續(xù)單模激光焊接時的反饋控制。

未來的研究方向

對于激光焊接的在線監(jiān)測和在線控制，還有如下諸多的工作值得研究：

焊接過程中內(nèi)部缺陷的探測

目前的研究工作基本聚焦在熔池、匙孔或金屬蒸汽以及可以探測的焊縫表面的缺陷，如裂紋、飛濺等。但焊縫內(nèi)部的缺陷如氣孔、熱裂紋、內(nèi)部未完全熔合等，這些研究還距離實際應(yīng)用還有很大的差距。目前內(nèi)部缺陷的探測還是以離線檢測為主。這種監(jiān)測方法比較費(fèi)錢和費(fèi)時。因此，如果能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測內(nèi)部缺陷就可以顯著的降低制造的成本。正因為如此，焊接內(nèi)部的缺陷的探測就成為焊接在線監(jiān)測的一個重點(diǎn)。

光譜分析和其他探測技術(shù)的融合

光譜分析提供了焊接在線監(jiān)測中很多的有益信息。研究也表明，光譜儀分析得到的信息是其他探測儀器所不能獲得的。最有價值一點(diǎn)就是其元素的信息。焊縫質(zhì)量同元素成分和含量密切相關(guān)?？梢灶A(yù)見，對金屬蒸汽中的元素含量的深度分析可以幫助進(jìn)行對不同焊接缺陷的產(chǎn)生進(jìn)行分析。于是，光譜分析和其他分析探測技術(shù)（光電二極管、視覺）的融合將為焊接過程中的在線監(jiān)測提供非常豐富的信息。

復(fù)雜的探測將被簡單高效的探測技術(shù)所替代

有些探測技術(shù)只適合實驗室監(jiān)測，如X射線就是如此。不僅復(fù)雜，而且價格昂貴還是有輻射。因此，今后的發(fā)展確實必然使簡單高效的在線監(jiān)測技術(shù)將替代復(fù)雜的監(jiān)測技術(shù)。

可變且可控的自適應(yīng)在線監(jiān)測技術(shù)

圖14 自適應(yīng)激光控制系統(tǒng) 文獻(xiàn)2

參考文獻(xiàn)：

1.https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2019.102176，A spectroscopic method based on support vector machine and artificial neural network for fiber laser welding defects detection and classification，NDT & E International，Volume 108, December 2019, 102176。

2.https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.10.042，Adaptive control for laser welding with filler wire of marine high strength steel with tight butt joints for large structures，Journal of Manufacturing Processes，Volume 36, December 2018, Pages 434-441。

• 來源：Review of laser welding monitoringD. Y. You,X. D. Gao &S. Katayama,Pages 181-201 | Received 10 Sep 2013, Accepted 16 Oct 2013, Published online: 19 Dec 2013，https://doi.org/10.1179/1362171813Y.0000000180