激光焊過(guò)程檢測

利用各種傳感器對橄光焊過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行檢側是常用和有效的方法，如圖4-51所示。根據槍側信號的不同，激光焊質(zhì)量檢側主要包括以下幾個(gè)方面。

1.光值號性側

    檢側對象主要是焊接過(guò)程中等離子體的紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)。

(1)紫外線(xiàn)UV ( Ultraviolet)和可見(jiàn)光VL(Viaible Light)在激光深熔焊接過(guò)程中，高能密度激光作用于被焊材料后使其迅速大量蒸發(fā)，從小孔中噴射出的金屬蒸氣進(jìn)一步吸收激光能址而電離.從而產(chǎn)生等離子體。光致等離子體是激光深熔焊接過(guò)程中在高能且密度激光束作用下伴隨小孔同時(shí)存在的不可道免的量要物理現象.又是影響焊接質(zhì)量的重要因家，伴隨著(zhù)等離子體的產(chǎn)生會(huì )有強烈的縈外線(xiàn)和可見(jiàn)光.

圖a-31 激光焊過(guò)程槍側原理示意圖

對這兩種波段光輻射的檢側與分析是了解等離子體狀態(tài)的重要手段。研究表明.一定波長(cháng)的等離子體光輻射強度與被焊物質(zhì)蒸發(fā)量、等離子體溫度和長(cháng)度等有關(guān).它的檢側是焊接質(zhì)址監側的重要手段，對等離子體紫外輻射或可見(jiàn)光輻射信號的檢測與分析可以用來(lái)監側等離子體與小孔的波動(dòng)情況，是目前應用較為廣泛的一種監側激光焊過(guò)程和質(zhì)量的檢側手段。

(2)紅外輻射IR( Infrared Radiation)一般認為，焊接過(guò)程中的紅外輻射信號主要來(lái)于熔池，焊接熔池由退度接近沸點(diǎn)的液態(tài)金屬組成.其輻射主要是熱輻射，由普朗克公式可知輻射譜主要落在近紅外波段。根據黑體輻射定律，紅外信號的強度決定于熔池的沮度分布和表面積，而熔池溫度分布和表面積又決定著(zhù)未來(lái)焊縫的形狀。研究表明，對熔池紅外信號的檢側與分析可以對焊縫成形、熔深、熔池冷卻速度以及表面缺陷等情況進(jìn)行監側。

從檢側裝置的安裝來(lái)看，主要包括與激光束同軸的直視檢側、側面檢側和背面檢側。使用的傳感器主要有光敏二極管、光電池、CCD和高速攝像機，以及光譜分析儀等。

2.聲音信號檢側

檢側對象主要為焊接過(guò)程中等離子體的聲振蕩和聲發(fā)射。

(1)可聽(tīng)聲信號AS(Audible Sound)當激光擔存小石材

一種特定頻段可聽(tīng)的聲音，當由于某種原因使得激光深熔焊不能進(jìn)行或在傳導焊時(shí)，該特征可聽(tīng)聲俏號降低或消失。一般認為這種聲信號是由金屬燕氣及等離子體從小孔中噴射出來(lái)時(shí)的壓力波所造成的。該信號與等離子體、小孔及熔池的行為密不可分，能夠反映焊接過(guò)程的變化。目前.已有諸多研究通過(guò)檢測可聽(tīng)聲信號以實(shí)現對激光焊過(guò)程和質(zhì)最的監測，并取得了一些有益的結果，但缺乏對聲信號所反映的焊接過(guò)程本質(zhì)作深層次的挖焊。研究結果表明，聲音信號在4. 5kH:處出現帶寬較窄的峰值信號則表明焊接質(zhì)盆良好，沒(méi)有此峰位，并且整個(gè)頗清強度都很低則表明焊接質(zhì)址差。而Mao等人直接使用傳聲簽側盆焊接過(guò)程中的聲音信號，對信號進(jìn)行快速傅里葉變換.對頻譜的分布特點(diǎn)進(jìn)行了研究，發(fā)現繃潛中所有頻率分量的相加之和與激光能址、輝速和離焦盆有一定的關(guān)系。用可聽(tīng)聲作為被檢洲參盆的缺點(diǎn)是聲信號易受?chē)娮鞖饬骱铜h(huán)境噪聲的形響，其優(yōu)點(diǎn)是信號拾取容易，對焊接頭和外光路不會(huì )造成負擔或不良影響，并且對傳感器裝夾的方向、距離等不敏感。

(2)超聲波信號US(Ultrasonic)激光焊過(guò)程中存在三種超聲波信號:一種是由激光焊過(guò)程中焊件上及其他結構中應力的釋放產(chǎn)生的，可用盆于焊件上的壓電陶瓷進(jìn)行檢側。用來(lái)梭側焊縫內部的缺陷(如裂紋等);在激光器的反射導向鏡后面安裝一個(gè)壓電品體也可以檢側到振動(dòng)波的存在，這是由于各種輻射人射到鏡面造成的熱振動(dòng)而引起的.研究表明該超聲波信號主要是由從熔池反射回來(lái)的輻射(反射激光及熔池和等離子體輻射）的波動(dòng)所產(chǎn)生的，因而對小孔是否形成與熔池的變化非常敏感;與此相對應.AN(Acoustic Nozzle)是將爪電晶體安裝在與人射激光同軸的噴嘴上，它主要檢測焊接時(shí)的激光與材料作用過(guò)程中所產(chǎn)生的壓力波。它與小孔的形成及等離子體振蕩特性有關(guān)。超聲波聲發(fā)射信號頻率很高，信號微弱而龐雜

須由放置在焊件、激光器輸出窗口或鄰近加工區的金屬板上的壓電傳感器進(jìn)行探 測，這種傳感器需要與焊件或激光器輸出窗口緊密耦合，屬接觸式傳感器，同時(shí)對 超聲波信號的采集與分析需要更快的采集速度、更多的電子濾波器和信號調制器， 成本很高且容易受到干擾。

傳統的超聲波傳感器需要與焊件直接接觸因而實(shí)際使用中非常不便，電磁聲學(xué) 傳感器EMAT( Electron agnetic Acoustic Transducer)是一種非接觸的超聲波傳感器，由發(fā)射器和接收器組成，發(fā)射器同時(shí)發(fā)射出兩路超聲波信號，一路作為標準參考信 號，另一路用來(lái)對焊縫內部進(jìn)行探測，接收器同時(shí)接收標準參考信號和從焊縫反射 回來(lái)的超聲信號，將兩路信號進(jìn)行比較分析可以檢測出焊縫內部的裂紋、氣孔等缺 陷。這種檢測方法成本高，對檢測人員的素質(zhì)也有較高的要求，目前的相關(guān)報道與 應用都很少。

3.等離子體電荷信號檢測 

 等離子體電荷信號檢測檢測對象為焊接噴嘴和焊件表面等離子體的電荷。利用光電傳感器檢測激光焊過(guò)程中等離子體光輻射強度的變化是激光焊過(guò)程監 測與控制的重要方法之一。國內外研究表明，利用光電傳感器可以自動(dòng)檢測出焊接 過(guò)程中因激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置、噴嘴至焊件表面距離、對接間隙等工藝 條件的波動(dòng)引起的焊縫熔深和成形質(zhì)量的變化，不僅可以診斷出諸如咬邊、燒穿、駝峰等焊縫成形缺陷，而且在一定工藝條件下還可以檢測焊縫內部質(zhì)量，如氣孔傾 向的嚴重程度等。

 采用激光視覺(jué)傳感器可以實(shí)時(shí)觀(guān)察焊縫的成形質(zhì)量，迅速及時(shí)診斷高速焊接中容易出現的咬邊和氣孔缺陷，同時(shí)可以在線(xiàn)測量焊縫的寬度變化。采用這種在線(xiàn)檢 測方法替代手動(dòng)檢查，大大減少了返修率，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。例如， 在Nd: YAG焊接系統中，采用知十激光作為輔助光源照亮焊接區，在CCD前安裝只允許Ar +激光通過(guò)的濾波片，就可以獲得非常清晰的焊接熔池圖像。該項技術(shù)在日本汽車(chē)制造領(lǐng)域已得到應用。