光纖激光器正成為眾多先進(jìn)、大批量焊接應(yīng)用的首選工具，并已應(yīng)用于許多成熟領(lǐng)域以及快速增長的新興市場。在迅速發(fā)展的電動汽車行業(yè)中，光纖激光器能夠快速、精確且高重復(fù)的完成焊接的能力是提高電動汽車的易得性和性能的因素。至于其他較成熟的工業(yè)應(yīng)用，激光的優(yōu)勢是眾所周知的。不斷提高的生產(chǎn)率，更加靈活的設(shè)計以及更出色的能源效率，持續(xù)推動著現(xiàn)代工業(yè)金屬激光技術(shù)的發(fā)展。

有些優(yōu)秀的制造商，遠(yuǎn)見卓識得早已利用起了激光焊接的優(yōu)勢，但如何進(jìn)一步提高產(chǎn)量，并在激烈的競爭中向前發(fā)展的問題依然存在。為了實現(xiàn)智能制造，必須通過高質(zhì)量的在線數(shù)據(jù)收集優(yōu)化工業(yè)流程。對能夠?qū)崿F(xiàn)激光焊接過程中 “眼睛和耳朵”技術(shù)的需求正在不斷增長，該技術(shù)可以實現(xiàn)自動化和分散決策。

在電動汽車領(lǐng)域爆炸性增長的背景下，這一需求顯得尤為明顯。傳統(tǒng)的電動汽車焊接工藝涉及多個挑戰(zhàn)性問題：有色合金，混合材料以及對每個接頭的機械和電氣性能的嚴(yán)格要求。另外，事實上每個生產(chǎn)完的裝配件需要大量的單個焊縫，因此誤差容限低。對于制造商而言，出于嚴(yán)格的焊接要求以及進(jìn)行破壞性測試時拆除電氣組件的昂貴成本和難度等因素，如果可以在首次試產(chǎn)時能生產(chǎn)出可驗證、高質(zhì)量產(chǎn)品，這是極具優(yōu)勢的。

智能制造不是完全依靠傳統(tǒng)過程開發(fā)和部署的開環(huán)本征，而是設(shè)計可靠的流程，再仔細(xì)控制生產(chǎn)線上的所有輸入?yún)?shù)，以使其盡可能接近正確的操作條件，而智能制造則依賴于大量實時收集和共享信息的技術(shù)，持續(xù)提供每個子系統(tǒng)的狀態(tài)反饋，并較終提高傳遞效率。

在激光焊接出現(xiàn)結(jié)果不一致情況下，在生產(chǎn)過程中測量和報告工藝條件的能力可進(jìn)行快速干預(yù)，甚至自動修復(fù)。這種方法的好處包括更好的產(chǎn)量，減少對后續(xù)質(zhì)量保險的依賴（以及隨之而來的費用和滯后性），并提高對產(chǎn)品的信心。

利用LDD-700在線焊接監(jiān)測系統(tǒng)通過激光焊接頭拍攝的不銹鋼接頭的3D圖像，3D成像技術(shù)能夠使激光束與焊件精確對焦。

加工過程監(jiān)測

盡管激光焊接在工業(yè)上已被迅速采用，但實現(xiàn)智能在線決策的傳感器技術(shù)卻有些落后。多年來，市場上已經(jīng)存在許多可應(yīng)用于激光焊接的各種監(jiān)測技術(shù)。

一種較常見的方法是使用光電二極管傳感器來測量激光焊接過程中自然發(fā)出的光（熱金屬產(chǎn)生的黑體，焊接激光的反射光，在某些情況下發(fā)射的等離子體），以描述熔池和蒸汽通道的穩(wěn)定性。還有許多預(yù)處理傳感器（激光線掃描儀，基于攝像頭的焊縫跟蹤器，用于送絲焊接的觸覺傳感器）和后期診斷（線性掃描儀，表面檢測相機，電磁聲換能器）旨在驗證材料能否正確地送入焊接區(qū)，與較終結(jié)果是否一致。

這些已有的技術(shù)中通常會遇到一些局限性，其中一些技術(shù)僅提供監(jiān)視而不具備測量焊接過程的作用，這意味著它們的結(jié)果僅作為一致性檢查的依據(jù)。換言之，監(jiān)測器可以告訴用戶給定的焊接與用戶先前提供的樣品不同，但是無法給出有效的信息來確切說明為何有區(qū)別或區(qū)別之處。

此外，大多數(shù)傳感器技術(shù)僅限于在焊接過程中監(jiān)控單個變量，而通常焊接必須檢查許多參數(shù)以確保焊接的一致性。在這種情況下，焊接過程多功能監(jiān)測就意味著需要在焊接監(jiān)控室內(nèi)添加笨重的設(shè)備，進(jìn)而產(chǎn)生更多的成本，并處理多個復(fù)雜并行系統(tǒng)。

最后，所有所提到的技術(shù)都無法提供有關(guān)材料表面下方的熔池和蒸汽通道形狀的直接信息。在大多數(shù)情況下，這種內(nèi)部的幾何形狀較終決定了焊縫的功能性能，決定了焊接材料的機械強度和（對于某些重要的具體應(yīng)用而言）導(dǎo)電性。

尋找問題的根源

內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)控是傳感器領(lǐng)域中一個相對較新的參與者，它解決了長期存在于激光焊接實時數(shù)據(jù)收集固有的多項挑戰(zhàn)。這項新穎的技術(shù)使用了低功率的紅外光束，該光束通過與焊接激光相同的透鏡發(fā)出，可以進(jìn)行非常精確的距離測量。在測量過程中，該測量光束能夠看到蒸汽通道的底部，并直接測量其熔深，這是新一代焊接測量技術(shù)的一項重要特征。測量結(jié)果可以在幾毫秒內(nèi)獲得與整個焊縫長度相同的大部分信息，且無需破壞零件。

多功能性是其另一個關(guān)鍵性優(yōu)勢。測量光束可以位于熔池前端，也可以是熔池后端，以獲取焊縫表面質(zhì)量，還可以對其進(jìn)行掃描以生成零件的3D圖像，如圖1所示，從而大幅提升其簡便性和精確性。通過在不同測量位置之間快速切換，還可以同時收集不同類型的數(shù)據(jù)?？傊?，可以使用單個軟件包控制的單個測量系統(tǒng)，實現(xiàn)在5個不同的模式下測量焊接過程中多達(dá)20多個不同的指標(biāo)。

. LDD系統(tǒng)的測量光束用于從焊接過程的多個區(qū)域同時收集數(shù)據(jù)，可以無破壞地直接測量小孔底部獲取焊縫熔深信息；內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)控系統(tǒng)可以將每個單獨的測量數(shù)據(jù)流分解為多個相關(guān)指標(biāo)）。

IPG Photonics通過收購加拿大初創(chuàng)公司Laser Depth Dynamics進(jìn)入內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)控技術(shù)市場，于2017年底開發(fā)了用于工業(yè)的干涉式激光焊接測量解決方案。此后，IPG LDD-700內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)控系統(tǒng)已成為國際應(yīng)用實驗室必不可少的工具，并且正在與包括掃描光學(xué)器件在內(nèi)的各種其他激光焊接技術(shù)一起在生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，如圖3。

.顯示了配有LDD-700內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)控器接口的IPG Photonics大功率掃描儀；內(nèi)聯(lián)監(jiān)測器可以與包括掃描光學(xué)器件和擺動頭在內(nèi)的許多不同的光束傳輸布局相結(jié)合。

通過這種靈活的激光焊接測量方法，該技術(shù)的優(yōu)勢會隨不同應(yīng)用而顯著變化。對于汽車動力總成焊接，其主要優(yōu)勢在于報廢成本的降低，因為焊接通常伴隨昂貴的加工步驟，并且對原材料的數(shù)量會有很大的影響。此外，增強對產(chǎn)品質(zhì)量的信心對于生產(chǎn)用于汽車用的主要安全性組件非常重要。在上述電動汽車領(lǐng)域中，減少報廢和限制對繁瑣破壞性質(zhì)量檢測的依賴，從而簡化復(fù)雜的生產(chǎn)流程的能力，能夠快速提高生產(chǎn)能力。

快速軌跡跟蹤工藝的發(fā)展

焊接匙孔的直接成像不僅僅是在線質(zhì)量保證的有力工具。監(jiān)測蒸汽通道的行為，能使焊接工藝工程師能夠快速進(jìn)行迭代開發(fā)，免去在冶金實驗室的實驗。具有焊縫幾何形狀校正功能可以的穩(wěn)定工藝可以使得工程師不必離開機器。這樣，即使是經(jīng)驗豐富的焊接工程師也可以在更短的時間內(nèi)獲得更高質(zhì)量的過程解決方案。如圖4所示為使用遠(yuǎn)程掃描光學(xué)器件實現(xiàn)的光束擺動和單模激光源焊接的不同有色合金。圖4.顯示了使用內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)控開發(fā)的不同材料焊接工藝試驗結(jié)果；匙孔穿透和動態(tài)的詳細(xì)圖像使得在更短的時間內(nèi)可以找到正確的工藝

在開發(fā)過程中使用內(nèi)聯(lián)焊縫監(jiān)測數(shù)據(jù)評估焊縫熔深、匙孔穩(wěn)定性和較終表面質(zhì)量，可節(jié)省大量時間，否則將可能耗費時間在探索一些無效結(jié)果。生產(chǎn)過程中，可以該測量系統(tǒng)以前所未有的細(xì)節(jié)監(jiān)測焊縫質(zhì)量。

展望未來

業(yè)界對智能制造解決方案需求的不斷增長，需要激光焊接的傳感器技術(shù)具有更強大的功能。內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)控可以滿足許多當(dāng)下和未來的先進(jìn)制造需求，并以工業(yè)4.0為目標(biāo)。

焊接過程中的對熔深的測量可以模擬破壞性測試，并提供與出廠產(chǎn)品100％重復(fù)的結(jié)果，從而大大提高了對產(chǎn)品質(zhì)量的信心，使決策更加靈活有效；簡單靈活的測量方案能夠為工業(yè)應(yīng)用量身定制標(biāo)準(zhǔn)工具，進(jìn)行實時測量焊接多功能測量并收集相關(guān)信息，還可以有效確保焊接質(zhì)量；詳細(xì)的工藝動態(tài)成像可加快激光焊接解決方案的開發(fā)以滿足苛刻的要求。以上所有的這些功能將進(jìn)一步推進(jìn)激光焊接工藝，以滿足其應(yīng)對未來的應(yīng)用。（楊瑾譯）