logo

激光焊接与智能制造 Laser Welding And Smart Manufacturing

激光焊接成像技术助力工业4.0过程监测

图1. 利用LDD-700在线焊接监测系统通过激光焊接头拍摄的不锈钢接头的3D图像,3D成像技术能够使激光束与焊件精确对焦。

 

作者:Chris Galbraith  IPG Photonics公司(加拿大)应用经理

 

光纤激光器正成为众多先进、大批量焊接应用的首选工具,并已应用于许多成熟领域以及快速增长的新兴市场。在迅速发展的电动汽车行业中,光纤激光器能够快速、精确且高重复的完成焊接的能力是提高电动汽车的易得性和性能的因素。至于其他较成熟的工业应用,激光的优势是众所周知的。不断提高的生产率,更加灵活的设计以及更出色的能源效率,持续推动着现代工业金属激光技术的发展。

有些优秀的制造商,远见卓识得早已利用起了激光焊接的优势,但如何进一步提高产量,并在激烈的竞争中向前发展的问题依然存在。为了实现智能制造,必须通过高质量的在线数据收集优化工业流程。对能够实现激光焊接过程中 “眼睛和耳朵”技术的需求正在不断增长,该技术可以实现自动化和分散决策。

在电动汽车领域爆炸性增长的背景下,这一需求显得尤为明显。传统的电动汽车焊接工艺涉及多个挑战性问题:有色合金,混合材料以及对每个接头的机械和电气性能的严格要求。另外,事实上每个生产完的装配件需要大量的单个焊缝,因此误差容限低。对于制造商而言,出于严格的焊接要求以及进行破坏性测试时拆除电气组件的昂贵成本和难度等因素,如果可以在首次试产时能生产出可验证、高质量产品,这是极具优势的。

智能制造不是完全依靠传统过程开发和部署的开环本征,而是设计可靠的流程,再仔细控制生产线上的所有输入参数,以使其尽可能接近正确的操作条件,而智能制造则依赖于大量实时收集和共享信息的技术,持续提供每个子系统的状态反馈,并最终提高传递效率。

在激光焊接出现结果不一致情况下,在生产过程中测量和报告工艺条件的能力可进行快速干预,甚至自动修复。这种方法的好处包括更好的产量,减少对后续质量保险的依赖(以及随之而来的费用和滞后性),并提高对产品的信心。

 

加工过程监测

尽管激光焊接在工业上已被迅速采用,但实现智能在线决策的传感器技术却有些落后。多年来,市场上已经存在许多可应用于激光焊接的各种监测技术。

一种较常见的方法是使用光电二极管传感器来测量激光焊接过程中自然发出的光(热金属产生的黑体,焊接激光的反射光,在某些情况下发射的等离子体),以描述熔池和蒸汽通道的稳定性。还有许多预处理传感器(激光线扫描仪,基于摄像头的焊缝跟踪器,用于送丝焊接的触觉传感器)和后期诊断(线性扫描仪,表面检测相机,电磁声换能器)旨在验证材料能否正确地送入焊接区,与最终结果是否一致。

这些已有的技术中通常会遇到一些局限性,其中一些技术仅提供监视而不具备测量焊接过程的作用,这意味着它们的结果仅作为一致性检查的依据。换言之,监测器可以告诉用户给定的焊接与用户先前提供的样品不同,但是无法给出有效的信息来确切说明为何有区别或区别之处。

此外,大多数传感器技术仅限于在焊接过程中监控单个变量,而通常焊接必须检查许多参数以确保焊接的一致性。在这种情况下,焊接过程多功能监测就意味着需要在焊接监控室内添加笨重的设备,进而产生更多的成本,并处理多个复杂并行系统。

最后,所有所提到的技术都无法提供有关材料表面下方的熔池和蒸汽通道形状的直接信息。在大多数情况下,这种内部的几何形状最终决定了焊缝的功能性能,决定了焊接材料的机械强度和(对于某些重要的具体应用而言)导电性。

 

寻找问题的根源

内联焊接监控是传感器领域中一个相对较新的参与者,它解决了长期存在于激光焊接实时数据收集固有的多项挑战。这项新颖的技术使用了低功率的红外光束,该光束通过与焊接激光相同的透镜发出,可以进行非常精确的距离测量。在测量过程中,该测量光束能够看到蒸汽通道的底部,并直接测量其熔深,这是新一代焊接测量技术的一项重要特征。测量结果可以在几毫秒内获得与整个焊缝长度相同的大部分信息,且无需破坏零件。

多功能性是其另一个关键性优势。测量光束可以位于熔池前端,也可以是熔池后端,以获取焊缝表面质量,还可以对其进行扫描以生成零件的3D图像,如图1所示,从而大幅提升其简便性和精确性。通过在不同测量位置之间快速切换,还可以同时收集不同类型的数据。总之,可以使用单个软件包控制的单个测量系统,实现在5个不同的模式下测量焊接过程中多达20多个不同的指标。

 

图2. LDD系统的测量光束用于从焊接过程的多个区域同时收集数据,可以无破坏地直接测量小孔底部获取焊缝熔深信息;内联焊接监控系统可以将每个单独的测量数据流分解为多个相关指标(如插图所示)。

 

IPG Photonics通过收购加拿大初创公司Laser Depth Dynamics进入内联焊接监控技术市场,于2017年底开发了用于工业的干涉式激光焊接测量解决方案。此后,IPG LDD-700内联焊接监控系统已成为国际应用实验室必不可少的工具,并且正在与包括扫描光学器件在内的各种其他激光焊接技术一起在生产中得到越来越广泛的应用,如图3。

 

图3.显示了配有LDD-700内联焊接监控器接口的IPG Photonics大功率扫描仪;内联监测器可以与包括扫描光学器件和摆动头在内的许多不同的光束传输布局相结合。

 

通过这种灵活的激光焊接测量方法,该技术的优势会随不同应用而显着变化。对于汽车动力总成焊接,其主要优势在于报废成本的降低,因为焊接通常伴随昂贵的加工步骤,并且对原材料的数量会有很大的影响。此外,增强对产品质量的信心对于生产用于汽车用的主要安全性组件非常重要。在上述电动汽车领域中,减少报废和限制对繁琐破坏性质量检测的依赖,从而简化复杂的生产流程的能力,能够快速提高生产能力。

 

快速轨迹跟踪工艺的发展

焊接匙孔的直接成像不仅仅是在线质量保证的有力工具。监测蒸汽通道的行为,能使焊接工艺工程师能够快速进行迭代开发,免去在冶金实验室的实验。具有焊缝几何形状校正功能可以的稳定工艺可以使得工程师不必离开机器。这样,即使是经验丰富的焊接工程师也可以在更短的时间内获得更高质量的过程解决方案。如图4所示为使用远程扫描光学器件实现的光束摆动和单模激光源焊接的不同有色合金。

图4.显示了使用内联焊接监控开发的不同材料焊接工艺试验结果;匙孔穿透和动态的详细图像使得在更短的时间内可以找到正确的工艺

 

在开发过程中使用内联焊缝监测数据评估焊缝熔深、匙孔稳定性和最终表面质量,可节省大量时间,否则将可能耗费时间在探索一些无效结果。生产过程中,可以该测量系统以前所未有的细节监测焊缝质量。

 

展望未来

业界对智能制造解决方案需求的不断增长,需要激光焊接的传感器技术具有更强大的功能。内联焊接监控可以满足许多当下和未来的先进制造需求,并以工业4.0为目标。

焊接过程中的对熔深的测量可以模拟破坏性测试,并提供与出厂产品100%重复的结果,从而大大提高了对产品质量的信心,使决策更加灵活有效;简单灵活的测量方案能够为工业应用量身定制标准工具,进行实时测量焊接多功能测量并收集相关信息,还可以有效确保焊接质量;详细的工艺动态成像可加快激光焊接解决方案的开发以满足苛刻的要求。以上所有的这些功能将进一步推进激光焊接工艺,以满足其应对未来的应用。(杨瑾译)

版权声明:
《工业激光应用》网站的一切内容及解释权皆归《工业激光应用》杂志社版权所有,未经书面同意不得转载,违者必究!
《工业激光应用》杂志社。
调查问卷 期刊订阅