激光焊縫是車身結(jié)構(gòu)中最先進的技術(shù)，焊縫強度是最重要的標準，但從外部很難檢測到。最新的在線過程監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)了可靠有效的質(zhì)量監(jiān)控。它結(jié)合了機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，隨后的影響只會被預測，而不會被驗證——具有相應的不確定性。

其原因是熱機械影響、部件中局部和溫度相關的膨脹和收縮，以及決定焊接區(qū)材料行為的局部冷卻條件。

這些影響會產(chǎn)生不可預測的影響，與工藝排放無關。因此，當熔融材料再次靜止時，通過試驗方法可獲得最佳結(jié)果。

焊縫強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。因此，不可能對焊縫強度進行說明。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，才可能進行焊接。此外，它們需要一個單獨的測量站，并且需要很長時間，這使得它們只能進行隨機抽樣。

為什么高速攝像機不能解決這個問題？

高速攝像機

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。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。這是因為熔池中不存在孔洞和裂縫。它們只在冷卻材料的固態(tài)化階段形成。同時，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，無法實現(xiàn)實時生產(chǎn)控制。這意味著高速攝像機非常適合科學研究，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，用于遠程激光焊接應用，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)束時進行進一步處理。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，用于遠程激光焊接應用，如Blackbird的intelliWELD（圖1）或Trumpf PFO 3D（圖4）。這兩種設備與Hema系統(tǒng)一起在許多工業(yè)安裝中都證明了其價值。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。焊縫輝光的強度和擴散是其評估的基礎。這提供了對焊縫主要特征的了解，這實際上可以得出關于其強度和質(zhì)量的可靠結(jié)論（圖2）。

Hema Electronic與戴姆勒合作實施的該方法的廣泛測試系列表明，除了檢測“假朋友”，還可以使用每個焊縫的單個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)，每個焊縫的一張圖像足以進行可靠、快速的質(zhì)量評估。（來源：Hema電子）

檢查過程細節(jié)

激光焊接以連接板材。焊接后，焊縫本身仍會輕微發(fā)光。通過短暫地重新加熱接縫，可以進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現(xiàn)的。以這種方式實現(xiàn)的后退火均勻性增加了評估的可靠性。然后進一步降低激光功率，將偏轉(zhuǎn)鏡對準焊縫。在大約10 ms的短等待時間后獲取圖像，在此期間熔體的凝固過程已經(jīng)充分進展。該系統(tǒng)的攝像頭通過激光光學系統(tǒng)集中對準焊縫，并捕捉圖像。激光隨后移動到下一個焊縫。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行。焊接完最后一道焊縫后，即可進行整個評估。

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，在車輛構(gòu)造中變得越來越重要。鋁焊接在質(zhì)量控制方面的一個特別困難是表面的高光反射。這會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，熱相機的圖像采集也會受到反射的影響。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。這種材料的熱傳導速度非?？?，以至于用熱像儀和光譜法進行的實驗都沒有成功。為了實現(xiàn)可靠的質(zhì)量評估，Hema因此進一步開發(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行平滑處理。這種平滑的優(yōu)點是恢復了光滑的表面和原始材料的厚度。其結(jié)果是可靠的質(zhì)量和強度保證，而且表面光滑，恢復了原始材料厚度。

圖像評價

在圖像評估過程中，系統(tǒng)計算測量值，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)會從圖像中檢測到任何焊接系統(tǒng)故障或不合適的設置。

在設置過程中，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時評估。該相機位于激光器的光路中，亮度動態(tài)為170 dB，以獲得強烈的圖像對比度。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上的用戶界面進行操作。更換部件時，操作員模擬選擇新的相關程序?；旧喜恍枰獙σ呀?jīng)存在程序的組件進行教學或改編。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