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摘要：焊接是一个剧烈的物理化学冶金过程，如何在线和自动化监测焊接过程和控制焊接接头中各类缺陷的产生是焊接质量控制人员研究的重点，质量良好的焊缝是保证生产顺利进行的前提，因此，对激光焊接焊缝质量检测技术的研究就变得尤为重要。
关键词：激光焊接；过程监测；焊缝质量；检测技术；研究现状
Abstract：welding is a severe physical and chemical metallurgical process，how to online and automatic monitoring and control welding process production of all kinds of defects in welding joint is a focus in the study of welding quality control personnel，good weld quality is the prerequisite to ensure production run smoothly，therefore，the study of laser welding seam quality detection technology has become particularly important.
Keywords：laser welding；Process monitoring；Weld quality.Detection technology；The research status
1、前言
激光焊接是激光加工技术应用的重要内容，更是21世纪最受瞩目、最有发展前景的焊接技术。早在上世纪末，欧美各国就已把激光焊接充分应用到工业生产中，我国在加快对激光焊接技术的研究与开发的同时，逐步建立起一个“产、学、研”相结合的发展体制，并在个别领域有了较大的突破。为了保证激光深熔焊的质量并充分发挥其优势，加快激光焊接实用化进程，开发质量实时检测技术具有重要意义。
2、激光焊接过程质量在线监测
激光深熔焊中激光和金属材料相互作用后产生剧烈的物理化学变化，并出现等离子体、超声波、紫外辐射、可见光和红外辐射等信号。这些信号和焊接过程的稳定状态密切相关。通过监控这些信号来分析焊接过程是否稳定，可间接判断焊缝焊接质量的好坏。目前，对激光焊接过程质量在线监测主要是监测等离子体、熔池、小孔和熔深等信息。
2.1等离子体信号监测
激光功率大于106W/cm2时，金属蒸汽在激光的作用下将发生电离形成等离子体。等离子体会对激光产生反射、散射、吸收和负透镜效益，在不同程度上影响到焊缝的质量，通过观测等离子体信号可间接分析焊缝质量。英国曼彻斯特大学Li和利物浦大学WMSteen最早设计了PCS传感器用来测量等离子体的温度。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆随后HongpingGu等检测并分析了小孔前沿的红外辐射和等离子体紫外信号，发现小孔前沿的紫外辐射信号强度与焊缝宽度成一定关系。Migamoto则采用光电二极管检测连续激光焊接等离子体在控制和未控制情况下的动态行为，根据等离子体波形起伏可初步判断焊缝穿透情况和焊接质量。
2.2熔池及小孔监测
焊缝质量从根本上是由熔池与小孔的行为决定的。近些年随着机器视觉技术的不断进步，为直接观测激光焊接熔池与小孔行为提供了可能。1997年德国夫朗赫费激光技术研究所和加拿大滑铁卢大学合作，首次采用CCD摄像机来监测焊接过程。此后，日本的Matsunawa等采用主动视觉传感技术研究了熔池和小孔的动态行为及其对气孔形成的影响。Kamimuki等以Ar+激光作为光源对熔池和小孔照明，采集到了清晰的熔池图像。
2.3焊缝熔深的监测
焊缝熔深是激光深熔焊的重要质量检测参数。Farson通过分析激光焊接过程中的PCS、AS和可见光等信号，用线性分类器对三种信号的频谱特征进行处理，实现了完全熔透和未完全熔透两种焊接状态的自动识别。我国清华大学学者对CO2激光焊接采用同轴方式采集等离子体信号对熔透状态进行了研究。但由于等离子体、熔池和小孔等信号和焊接质量之间的联系仍然处于试验研究状态，因而只能用来辅助分析焊接状态及焊接质量，而不能作为焊缝是否合格的直接判断依据。
3、焊缝质量检测技术研究现状
3.1激光焊接焊缝内部缺陷无损检测
激光焊接焊缝内部缺陷主要表现为气孔和应力集中。在不破坏焊缝的前提下检测这些缺陷，属于无损检测范畴，传统的检测方法有磁粉检测、超声检测、射线检测，电磁涡流检测等。近些年来又出现了金属磁记忆检测。超声法对焊缝表层检测较为有效，检测时需要耦合剂，效率较低。射线检测时必须采取安全防护措施，以防止对检测人员身体的伤害。
涡流检测建立在电磁感应基础之上，其实质是检测线圈抗阻的变化。当检测线圈靠近焊缝表面时会出现电磁涡流，该涡流同时产生一个和原磁场方向相反的磁场，导致检测线圈的电阻和电感分量发生变化，若焊缝存在缺陷，就会产生涡流的磁场强度和分布，使线圈阻抗发生变化，通过检测这个变化就可以检测到焊缝缺陷。
金属磁记忆检测技术是基于金属磁记忆效应而发展起来的，金属磁记忆效应是指铁磁性金属（常见的钢铁等）零件在加工过程中，由于受载荷和地磁场共同作用，在应力和变形集中区域会发生具有磁致伸缩性质的磁畴定向和不可逆的重新取向，这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后仍然能保存下来，记录该处的微观缺陷或应力集中的情况。
3.2激光焊接焊缝表面缺陷视觉检测
焊缝表面缺陷视觉检测是指在焊接完成后，对焊缝的外形尺寸如错配、扭曲等，对焊缝的宏观尺寸如熔宽、凸起和凹度以及对焊缝的表面缺陷如气孔、咬边、未熔透等进行外观检测。焊缝外观检测有利于发现其内部缺陷，例如焊缝表面有咬边，在其内部可能出现未熔透，焊缝表面有气孔时，则意味着内部组织不致密。通过焊缝外观检测不但可以确定焊缝的焊接质量是否合格，而且还可以判断焊接工艺是否合理，因此，通过焊缝外观检测可以改进焊接工艺，明显提高焊缝质量。
3.2.1结构光主动视觉检测原理
激光焊接焊缝表面缺陷检测主要是以机器视觉检测为基础，线结构光主动视觉检测法是机器视觉在焊缝检测上的典型应用。线结构光视觉检测主要基于光学三角法测量法，由线激光发生器和摄像机共同构成视觉检测系统。线激光发生器投射出的光平面打在焊缝表面形成激光变形条纹，摄像机捕捉到焊缝表面的变形条纹通过图像处理后可获取焊缝表面三维信息。采用机器视觉方法可直接检测焊缝的表面缺陷，检测具有直观性、非接触性等优点，因而在激光焊接焊缝表面检测上被广泛采用。
3.2.2技术发展现状
最早尝试把结构光视觉应用于焊接质量检测的是美国爱迪生焊接研究所，该所的DarrenBarborak等开发了一套自动检测角焊缝轮廓尺寸及表面不连续性缺陷的样机。该样机由结构光光源、摄像机和微型计算机组成，因样机系统稳定性较低，没有制造成商业化产品。此后，WhiteRA等开发了一套在线焊缝轮廓视觉检测系统，该系统既可以测量角焊缝，也可以测量对接焊缝。
4、结语
由于激光焊接系统涉及到大量控制参数（如激光功率、光束模式、聚焦镜焦距、离焦量、激光照射角度等），因此准确地选择控制参数是提高激光焊接效率和质量的关键，特别是将各种焊接效应（如等离子体效应、匙孔效应等）控制在理想范围内，将成为未来的研究重点，必要时应建立完整的工艺数据库。
参考文献
[1]陈晓晖．CO2激光－TIG复合热源脉冲协调控制与焊接特性研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010．
[2]胡富仁，王国荣，石永华，等．LabVIEW平台中利用小波分析实现焊接电流信号的去噪[J]．电焊机，2008，38（5）：46－49．
论文作者:姜朝辉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第27期
论文发表时间:2018/2/8
标签：激光论文; 等离子体论文; 熔池论文; 质量论文; 缺陷论文; 小孔论文; 表面论文; 《建筑学研究前沿》2017年第27期论文;