基於高速非製冷中波紅外成像傳感器的雷射焊接質量監測系統

2020-11-24 OFweek維科網

　　雷射焊接過程

　　雷射焊接技術被廣泛應用在大的產業，如汽車、金屬加工、航空航天等。雷射焊接技術有望替代傳統焊接技術是當今的趨勢。就效率、可重複性和維護而言，雷射焊接技術相比於其他焊接技術的優勢是明顯的。然而，雷射焊接也有一些缺點，可能出現焊接缺陷，如洞穴、氣孔、未焊透和飛濺，這根本原因大多與連接過程中所涉及的複雜機制有關。為了避免這些缺陷，需要對雷射焊接過程進行正確的參數化，如雷射功率、焊接速度、焦距、保護氣體流和橫向位置，通過控制這些參數可以獲得更好的焊接質量。像雷射光斑的幾何形狀、表面清潔時的光和物質之間相互作用問題、材料質量與材料組成以及接觸面積，這些參數也都直接影響焊接質量。因此，需要更好的、改進的控制系統，該系統要統籌考慮動力(原因)和焊接區產生的熱動力學及空間分布(影響)問題。

圖1. 雷射焊接示意圖

　　有幾個特徵信號與雷射焊接過程相關[7]，如果雷射束的輻射能量足夠熔化金屬，將雷射束聚焦在或聚焦到工件的表面，在熔化的金屬裡會形成小孔，這小孔有助於熔池的金屬蒸發。焊接過程的主要信號來自熔池的紅外輻射，次要信號包括等離子體(主要在可見光和紫外線區)和聲波輻射，大多數焊接監測方法至少檢測出以上一種信號。就這項工作而言，利用小孔和熔池區的紅外輻射來檢測雷射焊接過程中出現的不同類型的缺陷，高幀頻紅外圖像將起著關鍵作用，它在整個過程中為缺陷檢測和分類提供了熱動力學信息。

　　2. 實驗安裝

　　紅外傳感器描述

　　NIT公司製造的紅外傳感器在非製冷實時運行時的幀速高達10kHz， 檢測的波長為中波紅外，這在工業過程監測中是一項突破，圖2為該傳感器的TACHYON 1024 CORE模塊。

圖2. NIT公司的TACHYON 1024 CORE模塊：紅外相機(左)和FPA(右)

　　下表總結了TACHYON 1024 CORE模塊用於試驗的主要參數。

表1. TACHYON 1024 CORE用於試驗的主要參數

　　TACHYON 1024 CORE模塊(見圖2)集成的傳感器是一個32×32像素的焦平面陣列(FPA)，該FPA對中波紅外(MWIR)(1-5um)波長敏感，其參數總結在表2中。

表2. TACHYON 1024 FPA(MWIR)用於試驗的主要參數

　　雷射頭和相機耦合

　　圖3顯示了NIT高速TACHYON 1024 CORE相機與雷射束同軸布置的實驗安裝，雷射發射使用了4.4kW的Rofin Sinar Nd：YAG雷射器，該雷射器波長為1.064um，雷射束由安裝在ABB的6軸IRB 6600機器人上的Permanova WT03焊接頭髮出。在本實驗報告中，機器人的速度範圍為20-45mm/s，雷射功率為2700-4000W。實驗中涉及到搭焊的兩個不同鋅鍍層鋼片，厚度分別為0.8mm和1.5mm。

圖3. 雷射焊接系統的實驗安裝，實際安裝(左)和方案(右)

　　3. 實時分類器

　　獲得雷射焊接過程的熔池圖像，並在線分析圖像。圖4顯示了以2kHz幀速率獲得好的雷射焊縫的紅外圖像，從中可以看出焊接過程中產生的飛濺物的密度。

圖4. 以2kHz幀速率獲得雷射焊縫的紅外圖像，藍線代表焊接過程中產生的飛濺物

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