随着更高的产品质量和生产速度不断提出更高的要求，业界必须提高自动化焊接过程的在线监控水平。没有在线传感器监控，将不能检测到该过程中发生的任何故障，并会因而付出代价。在焊接点后安装激光三角测量相机来在线监测焊缝的几何尺寸，这种监控技术已经成功应用在许多钣金加工中，例如现在广泛用于汽车生产的拼焊板。但是这种技术不能检测内部缺陷，也不能应用在所有类型的工艺中，例如远距离激光焊接。

 

其他正在开发的用于激光焊接的监控技术包括：激光同轴光学辐射检测，同轴视觉检测，旁轴声音、视觉和温度检测，等离子体辐射和电荷检测。

 

在过去30年中，SERVO-ROBOT一直为激光焊接的跟踪和监测提供主动式激光三角测量相机。该公司最近开发了新的激光过程控制系统（LPCS），可以单独使用或是与3D激光三角测量相机结合使用。一个使用了该系统的示例充分证明了，我们可以用其在线检测激光焊接过程的特征及缺陷。

 

激光焊接过程

 

激光光束聚焦后被传导至金属表面，部分会被金属表面吸收和反射。被吸收的能量会加热焦点位置的金属表面，直到它熔化。热扩散和激光热导焊模式会让熔池扩大。能量密度大于105-106 W/cm2的情况下，焦点位置的熔池会被迅速加热到汽化温度，激光光束将在金属表面钻一个孔从而创建出激光小孔。小孔的深度会随着激光功率（P）和线性能量（E=P/v）而增加，随着焊接速度（v）而减少。小孔前壁的倾角随着焊接速度的增加而增加，因为形成小孔的钻孔速度受到该金属的热扩散系数的限制。

 

图1和图2展示了LPCS的工作原理。在安装此模块时, 用于跟踪和监测的激光三角测量相机被安装在激光焊接头的前面和后面。在激光头同轴方向上安装分光镜、一台摄像机、背向反射传感器和校准红外（IR）辐射传感器。2D照相机能提供焊接区域的二维彩色图像。背向反射传感器能对焊接熔池反射的激光光束强度进行测量。红外辐射传感器能测量从熔池/小孔区域发出的热辐射。合适的光学滤光片能为每个传感器选择所需的带通。

 

考虑到激光头以及光纤互连装置的共光路的光透射率，通过测量被激光熔化金属的凝固平台（plateau）来对光学高温计进行现场校准。图3在激光光束消失后测量冷却过程中的低碳钢板的凝固平台。调整高温计的校准以适应测试金属的固相线温度（由手册或经验公式给出）。如果需要的话，可以用工作温度范围内的两个或三个固相线温度值来校准高温计。

 

用LPCS监控激光焊接

 

我们使用了IPG公司4kW的光纤激光器（400µm的光纤和700µm的焦斑），以及300mm焦距和准直可变（放大倍率：1.1-1.7）的DIGI-LAS光学头。将通过光纤连接的光学高速高温计同轴安装在激光焊接头上，用来测量频率高至40kHz的焦斑区域的温度。背向反射传感器被同轴安装在光学头上。热辐射和背向反射的传感点以激光焦斑为中心。

 

在第一个结果（图4）中，在6mm厚的304不锈钢板上以4m/min的速度进行平板堆焊，随着激光功率（底部）从0变化到4kW然后又变回来，小孔区域的高温计温度（顶部）和激光背向反射（中部）的变化在图4中显示出来。在激光功率 500W左右时，增加的熔区的熔化温度平台和减少的熔区的凝固平台在图中清楚地显示出来。在低于1.5kW的情况下，熔池温度会升高，熔池表面会反射较大比例的激光功率。1.5至2.5kW范围内，局部发生汽化，不稳定的小孔伴随着熔池出现。在这个激光功率范围内，小孔的大小会增加。它推动着熔池，而振荡的熔池表面会产生激光背向反射。2.5至4kW范围内，稳定的小孔会达到饱和温度，不稳定的背向反射会消失。背向反射仍然增加是因为激光头的内部反射，这与激光功率直接成正比。最后的结果显示了高温计测量点的大小和位置在激光焊接温度监控中的重要性。

 

下一个结果（图5）显示了1.5mm厚的镀锌低碳钢薄板上的熔池温度随着焊接线性能量（P/v）的增加而产生的变化，激光功率（P）从1.5变到4kW，焊接速度（v）从2变到8m/min。

 

在焊接能量最大时，激光光束和小孔完全穿透了钢板，因此吸收的激光功率和平均小孔温度随之下降。

 

焊接缺陷的检测

 

为了证明LPCS的潜力，在镀锌钢板和不锈钢压辊的生产线上进行了一系列试验性测试。图6显示，用2kW功率的激光器和4m/min的速度来焊接0.6和1.3mm厚的镀锌钢板时，对接接头边缘的凹槽（深度在0.1到0.5mm之间）所导致的孔隙率被在线检测出来。

 

图7显示了在304不锈钢压辊的工业生产线上进行的激光焊接监控的结果。在轴向对接终止的交叉部分，通过温度和背向反射的信号检测出发生在环缝对接接头上的0.5mm的针孔。在这里是用2.65kW功率的激光器以5m/min的速度来焊接1.6mm厚的304不锈钢。横向焊接的终止有时会局部扩大焊缝间隙，并会产生打孔不足的激光小孔，测量的温度和激光背向反射也会下降。

 

小结

 

我们开发出一种新型的激光焊接监控系统，并在光纤激光焊接线上对其进行了成功的测试。以激光焊接点为中心的同轴红外热辐射和背向反射传感器位于焊接效果的中心，它们对于激光焊接金属板的过程在线监控是最有用的部分。试验结果表明，该系统可以检测出以下激光焊接的特征和缺陷：热导焊和小孔焊接模式、激光头和工件的激光背向反射、完全穿透的小孔、低功率焊接、穿透不足、钢边缘表面凹槽、孔隙率、焊缝间隙的变化和未焊透。