基于雙層光電傳感系統(tǒng)的YAG激光焊接質(zhì)量檢測(cè)

江武志 梁晨曦 吳華昶 賀貴騰

1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣東中山 528404；2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510000

一、引言

如今激光加工技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中一項(xiàng)極其重要的加工技術(shù)。根據(jù)國(guó)外的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2013年全世界總的激光裝備及器件銷售超過(guò)1,000億美元。2014年我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值約為800億元人民幣，其中激光加工裝備產(chǎn)業(yè)達(dá)350億元（其中用于切割、焊接、打標(biāo)的高功率激光加工裝備占據(jù)了67%的市場(chǎng)）[1]。作為一種重要的激光加工技術(shù)，激光焊接日益得到廣泛的應(yīng)用和不斷深入的開發(fā)與研究，與傳統(tǒng)焊接相比，激光焊接在焊接精度，速度，安全性和自動(dòng)化程度方面有著極大的優(yōu)越性。

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化方面，國(guó)內(nèi)對(duì)激光焊接實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)做了大量研究工作并取得有效成果。1993年，哈工大王青姜等人[2]搭建激光軟釬焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激光釬焊過(guò)程周圍焊點(diǎn)釋放的紅外信號(hào)含有關(guān)于焊點(diǎn)上釬料受熱、熔化的有效信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)反饋處理，初步實(shí)現(xiàn)激光軟釬焊焊點(diǎn)的質(zhì)量監(jiān)測(cè)和控制。清華大學(xué)學(xué)者王勇、陳武柱等人[3]于1996年通過(guò)檢測(cè)等離子體的信號(hào)，能對(duì)穩(wěn)定深熔焊、穩(wěn)定熱導(dǎo)焊以及不穩(wěn)定激光焊進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，在此基礎(chǔ)上提出了激光離焦量的控制方法。廣東工業(yè)大學(xué)游德勇[4-5]設(shè)計(jì)了光電傳感、可視光視覺(jué)傳感和輔助光視覺(jué)傳感三種傳感融合的經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，進(jìn)行強(qiáng)度鋼焊接檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程中同軸方向的熱輻射強(qiáng)度與表面溶蝕坍塌存在局部的線性關(guān)系，該方法能有效地判斷焊接質(zhì)量的好壞，并證實(shí)該建立了多元數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)方法的低成本的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)可以代替工業(yè)高成本復(fù)雜結(jié)構(gòu)的傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

美國(guó)的Fabrice Bardin等人[6]對(duì)Nd:YAG激光焊接全熔透實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)中，從匙孔出來(lái)的同軸光輻射成像到三個(gè)光敏二極管和一個(gè)照相機(jī)，對(duì)光電二極管所收集到的信號(hào)進(jìn)行光譜和統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明存在全熔透。并利用基于鎖孔的形狀識(shí)別的圖像處理技術(shù)和匙孔沿焊接路徑軌跡圖像的增強(qiáng)技術(shù)得出一個(gè)用于確定匙孔開合程度的強(qiáng)度比參數(shù)。在工件厚度和激光功率都不變的情況下，該參數(shù)能清晰地反映焊接是否焊透。意大利米蘭理工大學(xué)的Colombo和Previtali[7]研發(fā)了一種新的光纖激光焊接過(guò)程的簡(jiǎn)易檢測(cè)裝置，稱為“通過(guò)光學(xué)組合器監(jiān)控”（Through Optical Combiner Monitoring，TOCM）。 該 裝 置 能夠很容易的安裝在光纖激光器上面并且該裝置的檢測(cè)效果能與傳統(tǒng)的監(jiān)控相媲美。英國(guó)倫敦的Sergio、Roberto等人[8]在汽車行業(yè)基于輻射和分光量測(cè)量的焊接缺陷監(jiān)測(cè)方面做了研究工作并取得有效成果，介紹了兩種不同的方法的缺陷檢測(cè)，分別是基于光電二極管收集的信號(hào)的功率譜與缺陷之間的相關(guān)性和基于與缺陷相關(guān)的等離子體電子溫度，并在工廠生產(chǎn)的條件下完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明這兩種方法能對(duì)汽車激光焊接的缺陷做出準(zhǔn)確判斷，準(zhǔn)確率達(dá)97%。

而本文設(shè)計(jì)的傳感系統(tǒng)采用兩個(gè)PIN光電傳感器，一高一低放置，分別聚焦在金屬蒸汽與熔池，采集經(jīng)過(guò)濾的來(lái)自熔池的波長(zhǎng)在可見(jiàn)光與近紅外之間光輻射信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并經(jīng)過(guò)電壓放大器放大之后由數(shù)據(jù)采集卡采集，與采集卡配套的計(jì)算機(jī)軟件將直觀的顯示由熔池與金屬蒸汽的光輻射引起的PIN電信號(hào)的變化。

二、檢測(cè)原理

激光焊接過(guò)程中，與焊接狀態(tài)相關(guān)的光信號(hào)有：被工件和等離子體反射的激光輻射（近紅外）、熔池和金屬蒸汽的輻射（可見(jiàn)光、近紅外和紅外）、等離子體產(chǎn)生的電磁輻射（主要是紫外光，也有可見(jiàn)光和近紅外光）[9]。激光焊接過(guò)程在線檢測(cè)原理如圖1所示。

當(dāng)焊接為深熔焊時(shí)，因?yàn)槌卓椎拇嬖冢竻^(qū)發(fā)生“小孔效應(yīng)”[10]，工件對(duì)激光的吸收大大提高(92%～96%)，被工件和等離子體反射的激光大幅減少。在激光深熔焊過(guò)程中，焊接材料吸收激光的能量后急劇蒸發(fā)產(chǎn)生大量金屬蒸汽，極少部分金屬蒸汽吸收激光的能量后進(jìn)一步電離，形成的光致等離子體[11]。光致等離子體的產(chǎn)生是激光深熔焊過(guò)程中不可避免的物理現(xiàn)象，也是影響焊接質(zhì)量的重要因素之一。

等離子體的電磁輻射主要處于紫外波段（150～350nm），紫外輻射信號(hào)主要受匙孔和焊縫熔深影響，當(dāng)焊縫熔透時(shí)，熔深和紫外等離子體信號(hào)的頻率分布存在特定的關(guān)系。因此可以通過(guò)對(duì)等離子體紫外輻射信號(hào)的檢測(cè)分析檢測(cè)等離子體與匙孔的波動(dòng)情況以及焊縫的熔深。

在大多數(shù)關(guān)于焊接缺陷的檢測(cè)上，利用等離子體紫外輻射信號(hào)傳感均可得到快速的響應(yīng)。但是，表面等離子體只能在金屬與介質(zhì)分界面上傳輸，而金屬對(duì)可見(jiàn)波段及近紅外波段的光有一定的吸收，其衰減全反射吸收曲線的半寬度大，且激發(fā)表面等離子共振波的耦合角度大，有效折射率大[12]，很大程度上影響等離子體的檢測(cè)。且當(dāng)焊接為深熔焊時(shí)，大部分的激光能量被工件吸收，或者在匙孔壁內(nèi)反射，這時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸汽較少，進(jìn)而導(dǎo)致由光致等離子體的體量少。另外金屬蒸汽的紫外輻射也在一定程度對(duì)等離子體的紫外輻射檢測(cè)產(chǎn)生干擾。故通過(guò)檢測(cè)等離子體的紫外輻射信號(hào)手段來(lái)分析焊縫缺陷的方法有待改進(jìn)。

焊接熔池是由溫度在熔點(diǎn)與沸點(diǎn)之間液態(tài)材料構(gòu)成，熔池的主要輻射信號(hào)是紅外輻射。紅外信號(hào)的強(qiáng)度能夠表征熔池的溫度與表面積，而熔池的溫度與表面積又與未來(lái)焊縫的形狀密切相關(guān)[13]，故而可以通過(guò)采集熔池的紅外輻射檢測(cè)熔深與焊縫的形狀。另外，焊接過(guò)程中，焊接飛濺的光輻射波段處于1000～1600nm之間，利用光電傳感器采集紅外輻射同樣可以監(jiān)測(cè)熔池和飛濺的狀態(tài)。并且紅外輻射傳感器響應(yīng)速度快，具有良好的實(shí)時(shí)性。

由于激光焊接過(guò)程順勢(shì)能量密度高，激光功率大，焊接過(guò)程的金屬蒸汽流動(dòng)將對(duì)焊接成型穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[14]。若檢測(cè)金屬蒸汽流動(dòng)的微動(dòng)態(tài)過(guò)程，可應(yīng)用熱式氣體微流量傳感器[15]。但由于隨著環(huán)境溫度升高時(shí)，熱式微流量傳感器測(cè)量靈敏度降低，金屬蒸汽溫度過(guò)高，蒸汽的流量不穩(wěn)定噪音多等因素，熱式氣體微流量傳感器的可靠性降低。而遠(yuǎn)距離非接觸式的光電傳感能有效避免這些因素的影響。

因此，本文利用對(duì)熔池與金屬蒸汽區(qū)光輻射信號(hào)傳感的方式，采集來(lái)自熔池附近區(qū)域的波長(zhǎng)在可見(jiàn)光與近紅外之間的光輻射信號(hào)，進(jìn)而對(duì)激光焊接質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

三、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

本實(shí)驗(yàn)激光焊接系統(tǒng)采用深圳大族激光科技股份有限公司生產(chǎn)的WF300 YAG激光焊接機(jī)，最大輸出功率為300W，最大激光脈沖能量為30J，最大激光峰值功率為6kW，脈沖頻率≤200Hz。焊接中熔池的光輻射包括可見(jiàn)光(400～700nm)、近紅外(770～1100)和中紅外光(3000～5000nm)，金屬蒸汽的光輻射包括可見(jiàn)光與近紅外光。實(shí)驗(yàn)采集焊區(qū)波長(zhǎng)范圍400～1100nm的可見(jiàn)光與近紅外光進(jìn)行檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理圖如圖2所示。

1、光信號(hào)采集傳輸部分

光輻射的采集、聚光、傳輸，通過(guò)SMA905光纖準(zhǔn)直器和芯徑為400μm SMA905接頭的石英光纖組合完成。為隔離非焊接過(guò)程產(chǎn)生的光的影響，另外設(shè)計(jì)制作了能與光纖準(zhǔn)直器尺寸配合組裝的濾光裝置，分為兩組，各組裝有不同的濾光片，如圖3所示。光電轉(zhuǎn)換裝置選用檢測(cè)范圍為400～1100nm的LXD33MK硅光電探測(cè)器。

2、電信號(hào)采集傳輸部分

光電探測(cè)器產(chǎn)生的電壓信號(hào)微弱，將硅光電探測(cè)器接入電壓放大器。另外，給電壓放大器供電還需要一個(gè)正負(fù)電源模塊。將電壓放大器輸出口與USB_DAQ V1.1數(shù)據(jù)采集卡連接，并接入計(jì)算機(jī)USB接口。采集通道的電壓信號(hào)以曲線的形式顯示，清晰實(shí)時(shí)地反映該通道電壓信號(hào)的變化，程序的采樣是100Hz。同時(shí)，程序?qū)?shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)至txt文件中。

3、輔助結(jié)構(gòu)

用于固定光纖準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)，讓準(zhǔn)直器能在特定的位置以特定的角度采集光信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)采用萬(wàn)向表?xiàng)U來(lái)固定光纖準(zhǔn)直器，表?xiàng)U與表座通過(guò)螺紋配合，底座能吸附在鐵上擰緊表?xiàng)U的旋鈕，能讓標(biāo)桿維持一定的姿態(tài)，從而達(dá)到在一定空間內(nèi)固定準(zhǔn)直器的效果，如圖4所示。因?yàn)樵诩す夂附舆^(guò)程中運(yùn)動(dòng)的只是二軸平臺(tái)，激光頭相對(duì)焊接裝置立柱是靜止，所以需要把準(zhǔn)直器固定在立柱并對(duì)焦到激光的對(duì)焦中心即可。

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

改變焊接的工藝參數(shù)，采集35組激光焊接過(guò)程光信號(hào)的數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)有兩項(xiàng)，一項(xiàng)是焊接過(guò)程金屬蒸汽的數(shù)據(jù)（通道1），一項(xiàng)是焊接過(guò)程熔池的數(shù)據(jù)（通道2）。35組數(shù)據(jù)，改變的工藝參數(shù)包括激光功率、焊接速度、離焦量、激光頻率。表1為35組實(shí)驗(yàn)其中前15組的工藝參數(shù)。采集數(shù)據(jù)之后，用Matlab軟件作出各組采集數(shù)據(jù)的幅值-頻率圖，以找出變化規(guī)律與焊接特征之間的聯(lián)系。另外數(shù)據(jù)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差在Excel中算得。下面用采集的數(shù)據(jù)對(duì)焊件作相應(yīng)的分析。

表1 工藝參數(shù)1

表2 工藝參數(shù)2

選取編號(hào)為1、2、7、8的焊件進(jìn)行分析，其對(duì)應(yīng)的焊縫實(shí)物與頻譜圖分別見(jiàn)圖5～圖8，其焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

如圖5所示，編號(hào)1焊件通道1頻譜線在0.02附近波動(dòng)，峰值數(shù)為 1，峰值頻率37Hz；通道2頻譜線在0.04附近波動(dòng),峰值數(shù)1，峰值頻率38Hz。

如圖6所示，編號(hào)7焊件通道1頻譜線在0.04附近波動(dòng)，其波動(dòng)幅度較圖5（b）大，峰值數(shù)為 3，最大峰值頻率13Hz；通道2頻譜線在0.05附近波動(dòng)，峰值數(shù)3，最大峰值頻率13Hz。

如圖7所示，編號(hào)2焊件通道1頻譜線在0.01附近波動(dòng)，峰值數(shù)為 1，峰值頻率26Hz；通道2頻譜線在0.03附近波動(dòng)，峰值數(shù)1，峰值頻率26Hz。

如圖8所示，編號(hào)8焊件通道1頻譜線在0.04附近波動(dòng)，其波動(dòng)幅度較 編號(hào)7通道1波動(dòng)幅度（圖6（b））大，峰值數(shù)為 4，最大峰值頻率11Hz；通道2頻譜線在0.04附近波動(dòng)，峰值數(shù)4，最大峰值頻率11Hz。

首先對(duì)比每條焊縫的通道1和通道2的頻譜圖。發(fā)現(xiàn)兩者的波形具有很高的相似度，如在相同的頻率出現(xiàn)峰值，其波動(dòng)幅度相近，表明熔池的狀態(tài)與金屬蒸汽的狀態(tài)具有一定的聯(lián)系。

各焊縫的通道2的電壓信號(hào)幅值普遍均比通道1要大。其原因如圖9所示，熔池作為激光束與金屬的第一反應(yīng)區(qū)，熔池吸收了激光束的大部分能量，所以其光輻射最強(qiáng)。金屬蒸汽從熔池的液態(tài)金屬受熱蒸發(fā)而來(lái)，由于氣相密度相較于液相更小，氣相吸收能量和儲(chǔ)存能量的能力弱于液相，所以金屬蒸汽對(duì)激光能量的吸收比熔池更小，其光輻射也因此也小。光電傳感器將金屬蒸汽與熔池相應(yīng)的光輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，所以熔池對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)（通道2）也比金屬蒸汽對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)（通道1）更大。

編號(hào)1、2焊縫的峰值數(shù)為1，編號(hào)7焊縫的峰值為3，編號(hào)8焊縫的峰值數(shù)是4，編號(hào)1、2焊縫光滑平整，編號(hào)7、8焊縫有明顯的飛濺。對(duì)其頻譜圖進(jìn)行分析，焊縫光滑平整，其頻譜波動(dòng)幅度小，相對(duì)較為平緩，而且峰值個(gè)數(shù)比較少。飛濺明顯的編號(hào)7、8的焊縫，分析其頻譜圖，各焊件頻譜出現(xiàn)的峰值個(gè)數(shù)較多，其頻譜曲線波動(dòng)程度較大。將各個(gè)通道頻譜圖的峰值個(gè)數(shù)與波動(dòng)大小列表，見(jiàn)表3。

表3 頻譜對(duì)比

據(jù)分析，頻譜圖電壓信號(hào)的穩(wěn)定性表征該通道所測(cè)光輻射信號(hào)的穩(wěn)定性。由表3，飛濺焊縫的波動(dòng)幅度均值比光滑焊縫均值大0.03，且飛濺焊縫頻譜的峰值數(shù)均值比光滑焊縫的峰值數(shù)均值多3個(gè)。原因是當(dāng)焊接過(guò)程中出現(xiàn)飛濺缺陷的時(shí)候，金屬蒸汽以及熔池的光輻射摻雜了飛濺物的光輻射信號(hào)，由于在焊接過(guò)程中飛濺物的無(wú)規(guī)律出現(xiàn)，致使光電傳感器所檢測(cè)的光輻射信號(hào)出現(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致電壓信號(hào)頻幅圖的波動(dòng)程度大。因此，頻譜圖峰值數(shù)與波動(dòng)幅度有助于焊縫質(zhì)量判斷。焊縫光滑，則頻幅圖峰值數(shù)目少，光輻射信號(hào)穩(wěn)定；出現(xiàn)焊接缺陷，則頻幅圖峰值數(shù)目多，光輻射不穩(wěn)定。

五、總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一套YAG激光焊接多層光電傳感系統(tǒng)，同時(shí)檢測(cè)來(lái)自不同焊接區(qū)域的光輻射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光焊接的實(shí)時(shí)檢測(cè)。本檢測(cè)系統(tǒng)有兩個(gè)采集通道，分別采集焊接過(guò)程的金屬蒸汽與熔池的光輻射信號(hào)，并經(jīng)過(guò)PIN光電傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，最后用采集卡采集。通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，進(jìn)而判斷焊接過(guò)程中的焊接狀態(tài)與焊接缺陷。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熔池對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)平均幅值要比金屬蒸汽大。焊縫表面的質(zhì)量與金屬蒸汽的狀態(tài)有明顯關(guān)系：金屬蒸汽狀態(tài)穩(wěn)定，焊縫表面質(zhì)量光滑平整；金屬蒸汽波動(dòng)大，則出現(xiàn)飛濺等焊接缺陷。

另外，對(duì)比焊縫質(zhì)量與電壓數(shù)據(jù)的頻譜圖。焊縫表面光滑，則頻譜曲線峰值個(gè)數(shù)小于2且波動(dòng)較小。焊接出現(xiàn)飛濺或者燒穿等缺陷，則頻譜曲線出現(xiàn)多個(gè)峰值且波動(dòng)幅度較大。證實(shí)了本檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效檢測(cè)激光焊接質(zhì)量。