光纖激光器已成為很多先進(jìn)的,、工業(yè)批量化焊接應(yīng)用的首選工具，它即可服務(wù)于許多成熟行業(yè),，又能適應(yīng)快速增長(zhǎng)的新興市場(chǎng),。在蓬勃發(fā)展的電動(dòng)汽車行業(yè)中，光纖激光器高速,、精確且高一致性的焊接能力,，是提升商業(yè)電動(dòng)汽車可達(dá)性和整體性能的驅(qū)動(dòng)因素。在其他更為成熟的產(chǎn)業(yè)中,，使用光纖激光的優(yōu)點(diǎn)眾所周知,。而現(xiàn)代工業(yè)激光技術(shù)的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，如不斷提高的產(chǎn)量,、更好的設(shè)計(jì)靈活性以及超高的能效利用率正不斷推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)在金屬連接工藝方面的發(fā)展,。

對(duì)于已經(jīng)充分利用激光焊接優(yōu)勢(shì)，具有前瞻性的制造商而言,，下一步的問題是如何進(jìn)一步提高產(chǎn)量,，在競(jìng)爭(zhēng)中保持領(lǐng)先。智能制造工業(yè)流程的優(yōu)化需要高質(zhì)量完成在線數(shù)據(jù)收集工作,。為實(shí)現(xiàn)決策的自動(dòng)化和去中心化,，作為激光焊接工藝的“眼睛和耳朵”，這一技術(shù)的需求正不斷增加,。

在電動(dòng)汽車行業(yè)呈爆炸性增長(zhǎng)的背景下,，這一需求尤為明顯。傳統(tǒng)電動(dòng)汽車焊接工藝涉及多項(xiàng)挑戰(zhàn)：有色金屬合金,、混合材料以及每個(gè)接頭嚴(yán)格的機(jī)械和電氣性能要求,。此外，由于每個(gè)成品組件需要大量單個(gè)焊縫,，因此僅可容許留出很小的誤差余量,。嚴(yán)格的焊接要求，以及破壞性測(cè)試時(shí),，拆卸電氣組件需要耗費(fèi)的巨大成本和難度,，如果制造商在第一次嘗試時(shí)就可以生產(chǎn)高質(zhì)量的合格產(chǎn)品,，將優(yōu)勢(shì)顯著。

智能制造不同于傳統(tǒng)開發(fā)和部署流程的開環(huán)特性,，即通過設(shè)計(jì)可靠的流程,，認(rèn)真控制生產(chǎn)線上的所有輸入?yún)?shù)，來達(dá)到盡可能接近正確的操作條件,，智能制造依靠實(shí)時(shí)收集和共享信息的技術(shù),，該項(xiàng)技術(shù)可持續(xù)提供每個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)反饋，最終提高傳輸效率,。

當(dāng)激光焊接出現(xiàn)結(jié)果不一致的情況時(shí),，測(cè)量裝置可在生產(chǎn)過程中不斷測(cè)量并報(bào)告工藝條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速干預(yù),，甚至自動(dòng)修復(fù),。這種方法的優(yōu)勢(shì)包括可以提高產(chǎn)量，減少對(duì)后續(xù)質(zhì)量檢驗(yàn)環(huán)節(jié)的依賴（及隨之產(chǎn)生的費(fèi)用和滯后性）,，提高對(duì)成品的信心,。

生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

雖然激光焊接技術(shù)已迅速被工業(yè)領(lǐng)域所接受，但能實(shí)現(xiàn)在線決策的智能傳感技術(shù)仍然落后,。多年來,，市場(chǎng)上已出現(xiàn)多種可應(yīng)用于激光焊接的監(jiān)測(cè)技術(shù)。

其中一種較為常見的方法是利用光電二極管傳感器測(cè)量激光焊接過程中產(chǎn)生的釋放物（包括來自熱金屬的黑體,，來自焊接激光的反射光,，以及在某些情況下產(chǎn)生的等離子體），以此分析來表征熔池和匙孔的穩(wěn)定性,。

此外還有一些通過增加多種預(yù)處理傳感器（線性掃描儀,，基于CCD技術(shù)的焊縫跟蹤，使用在送絲焊接的觸覺傳感器）和后期診斷分析（線性掃描儀,，表面檢測(cè)相機(jī),，電磁聲換能器），確認(rèn)材料可以正確送入焊接區(qū)域,，焊接成品結(jié)果一致,。

但這些技術(shù)通常會(huì)遇到一些常見的局限性。其中一些技術(shù)僅可監(jiān)控焊接過程,，但無法進(jìn)行測(cè)量,，這也就意味著僅可將此類技術(shù)應(yīng)用于一致性檢查。也就是說,，監(jiān)控系統(tǒng)可以告知用戶某一焊接與用戶提供的標(biāo)準(zhǔn)樣品不一致，但無法提示差異的具體情況及原因等有效信息,。

此外,，大多數(shù)傳感技術(shù)僅能對(duì)焊接過程中某單一指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控,。而通常在整個(gè)焊接過程中需要采樣多項(xiàng)參數(shù)分析確保監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。在這種需求背景下,，焊接工站內(nèi)需要增加多種裝置進(jìn)行眾多不同數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè),，進(jìn)而產(chǎn)生更多的成本，并且多個(gè)系統(tǒng)并行運(yùn)行,，復(fù)雜性更高,。

更為重要的是，上述所有技術(shù)均無法提供材料表面下方熔池和匙孔形狀的具體信息,。在大多數(shù)情況下,，材料內(nèi)部的幾何形態(tài)最終決定了焊縫的使用性能，以及焊接材料的強(qiáng)度（對(duì)某些具體應(yīng)用而言）和導(dǎo)電性,。

尋找問題的根源

作為傳感器領(lǐng)域一項(xiàng)新興技術(shù),，內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)解決了長(zhǎng)久以來在激光焊接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方面一直存在的多項(xiàng)挑戰(zhàn)。這一新興技術(shù)采用低功率紅外光束,，通過與焊接激光同軸的光路進(jìn)行精準(zhǔn)的距離測(cè)量,。該技術(shù)可允許在焊接的過程中完成測(cè)量，測(cè)量光束可查看匙孔底部,，直接測(cè)量熔深,，這也是新一代焊接測(cè)量技術(shù)的一個(gè)重要特征。測(cè)量結(jié)果可在幾毫秒內(nèi)提供與金相測(cè)試結(jié)果幾乎相同的整個(gè)焊縫的大量信息,，且無需損壞樣品本身,。

多功能性是這一技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵性優(yōu)勢(shì)。測(cè)量光束既可先于激光光束測(cè)量,，獲取焊前信息,。又可在焊接完成后測(cè)量，確認(rèn)成品焊縫的表面質(zhì)量,。甚至可以通過掃描,，生成樣品的3D圖像，具有前所未有的簡(jiǎn)便性和精確性（圖1）,。

圖1．使用LDD－700內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過焊接頭獲取的不銹鋼零件3D圖像,；

3D視頻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)焊接激光束與零件的精確對(duì)焦

該項(xiàng)技術(shù)還可以快速切換到不同的測(cè)量位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)同步”收集不同的數(shù)據(jù)類型,。總之,，在使用由單個(gè)軟件包控制的單個(gè)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在五種不同的測(cè)量模式下,，同時(shí)測(cè)量焊接過程中的20多項(xiàng)不同指標(biāo)（圖2）,。

圖2．LDD系統(tǒng)測(cè)量光束可在焊接過程中的多個(gè)區(qū)域內(nèi)同時(shí)收集數(shù)據(jù)，

匙孔底部的測(cè)量可在不切割零件的情況下直接測(cè)得焊接熔深；

內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以將單個(gè)測(cè)量過程分解為多個(gè)相關(guān)指標(biāo)（如圖）

快速跟蹤的工藝開發(fā)

匙孔的直接測(cè)量不僅是實(shí)時(shí)質(zhì)量控制的有利工具,。通過密切關(guān)注了解匙孔的狀態(tài),，更方便焊接工藝工程師工藝快速迭代開發(fā)，免去試驗(yàn)進(jìn)程中必須冶金的步驟,。無須離開焊機(jī)就能正確配置測(cè)試穩(wěn)定工藝所需的焊接參數(shù),，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的焊接工程師也可以在更短的時(shí)間內(nèi)制定更高質(zhì)量的工藝解決方案。

以復(fù)雜的焊接工藝為例,，使用遠(yuǎn)程掃描振鏡,、光束擺動(dòng)和單模激光源焊接異種有色金屬合金（圖3）。

圖3．顯示采用內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料焊接工藝的測(cè)量結(jié)果,；

匙孔熔深和動(dòng)態(tài)的詳細(xì)圖片有助于在更短時(shí)間內(nèi)鎖定正確工藝

在工藝開發(fā)過程中,，使用內(nèi)聯(lián)焊縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取焊縫熔深、匙孔穩(wěn)定性和焊縫表面質(zhì)量,，可以節(jié)省大量時(shí)間,，避免花費(fèi)大量時(shí)間探索分辨剖面檢測(cè)時(shí)可能產(chǎn)生不利結(jié)果的非工藝影響區(qū)域。當(dāng)需要在生產(chǎn)過程中實(shí)施該工藝時(shí),，可使用相同的測(cè)量系統(tǒng)跟蹤產(chǎn)品質(zhì)量,，顯示具體細(xì)節(jié)。

展望未來

各行各業(yè)對(duì)智能制造解決方案越來越大的需求,，也在不斷推進(jìn)激光焊接傳感技術(shù)向前發(fā)展,。內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)滿足了先進(jìn)制造商目前和未來的多種需求，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0,。

焊接過程中熔深測(cè)量可以提供與進(jìn)行產(chǎn)品破壞性測(cè)試結(jié)果100％一致的測(cè)試結(jié)論,，大大提高了對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的信心，便于操作人員靈活有效的做出決策,。簡(jiǎn)單靈活的測(cè)量方案可以為具體應(yīng)用定制標(biāo)準(zhǔn)工具,，同步測(cè)量焊接過程的多項(xiàng)參數(shù)，收集相關(guān)信息以確保產(chǎn)品質(zhì)量,。焊接動(dòng)態(tài)過程的詳細(xì)數(shù)據(jù)圖像促進(jìn)了激光焊接解決方案更加符合苛刻規(guī)格要求的發(fā)展,。并將進(jìn)一步推動(dòng)激光焊接工藝，滿足未來的應(yīng)用需求,。