激光焊縫是車(chē)身結(jié)構(gòu)中最先進(jìn)的技術(shù)，焊縫強(qiáng)度是最重要的標(biāo)準(zhǔn)，但從外部很難檢測(cè)到。最新的在線(xiàn)過(guò)程監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可靠有效的質(zhì)量監(jiān)控。它結(jié)合了機(jī)器人輔助焊接和在線(xiàn)質(zhì)量控制。
大多數(shù)傳統(tǒng)的焊接檢查方法都是通過(guò)觀(guān)察過(guò)程排放來(lái)間接工作的。從它們的行為中，可以得出關(guān)于焊縫特征的結(jié)論，這些結(jié)論將在以后變得明顯。然而，使用這種方法，隨后的影響只會(huì)被預(yù)測(cè)，而不會(huì)被驗(yàn)證——具有相應(yīng)的不確定性。
其原因是熱機(jī)械影響、部件中局部和溫度相關(guān)的膨脹和收縮，以及決定焊接區(qū)材料行為的局部冷卻條件。
這些影響會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的影響，與工藝排放無(wú)關(guān)。因此，當(dāng)熔融材料再次靜止時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)方法可獲得最佳結(jié)果。
焊縫強(qiáng)度不一定顯示在測(cè)量焊道表面和評(píng)估其均勻性的表面上，而與焊縫熔透深度或內(nèi)部氣孔無(wú)關(guān)。因此，不可能對(duì)焊縫強(qiáng)度進(jìn)行說(shuō)明。這可以通過(guò)使用超聲波或x射線(xiàn)穿透焊縫的方法來(lái)解決。然而，只有在焊接過(guò)程完成且材料基本冷卻后，才可能進(jìn)行焊接。此外，它們需要一個(gè)單獨(dú)的測(cè)量站，并且需要很長(zhǎng)時(shí)間，這使得它們只能進(jìn)行隨機(jī)抽樣。
為什么高速攝像機(jī)不能解決這個(gè)問(wèn)題？
高速攝像機(jī)
另一種測(cè)試焊接過(guò)程的方法，也是研究人員最喜歡的方法是高速攝像機(jī)。每秒有500張以上的圖像，使用這種技術(shù)可以很好地記錄焊接過(guò)程。對(duì)熔池和等離子體光的觀(guān)察確實(shí)有助于理解該過(guò)程。然而，這無(wú)助于尋找焊接缺陷，如孔、裂紋和氣孔，因此它們的使用不適用于生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制。這是因?yàn)槿鄢刂胁淮嬖诳锥春土芽p。它們只在冷卻材料的固態(tài)化階段形成。同時(shí)，凝固階段冷卻行為的記錄僅限于表面缺陷。焊縫熔深或上材料層和下材料層之間的結(jié)合不能通過(guò)純表面測(cè)試來(lái)檢測(cè)。此外，在生產(chǎn)過(guò)程中，如此多的圖像生成的大量數(shù)據(jù)無(wú)法快速評(píng)估，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生產(chǎn)控制。這意味著高速攝像機(jī)非常適合科學(xué)研究，但必須為生產(chǎn)監(jiān)控選擇不同的解決方案。
測(cè)量退火：一種不同的方法
圖1 Hema Electronic的seelector-ICAM激光質(zhì)量保證系統(tǒng)可與3D掃描裝置一起部署，用于遠(yuǎn)程激光焊接應(yīng)用，如Blackbird的intelliWELD。（來(lái)源：FFT生產(chǎn)系統(tǒng)）
圖2車(chē)身結(jié)構(gòu)中的激光掃描焊接（來(lái)源：Hema Electronic）
快節(jié)奏的批量生產(chǎn)需要一種方法，該方法能夠跟上工藝周期，并能立即提供質(zhì)量信息，以便在部件加工結(jié)束時(shí)進(jìn)行進(jìn)一步處理。該系統(tǒng)必須以盡可能少的數(shù)據(jù)生成盡可能可靠的信息，并提供有關(guān)鍍鋅鋼板之間連接質(zhì)量的電磁干擾重要證據(jù)。
Hema Electronic的seelectorICAM激光質(zhì)量保證系統(tǒng)與3D掃描裝置采用了不同的方法，用于遠(yuǎn)程激光焊接應(yīng)用，如Blackbird的intelliWELD（圖1）或Trumpf PFO 3D（圖4）。這兩種設(shè)備與Hema系統(tǒng)一起在許多工業(yè)安裝中都證明了其價(jià)值。它檢測(cè)到表面無(wú)法識(shí)別的缺陷，在激光停止向焊縫施加能量后，測(cè)量鋼中清晰可見(jiàn)的輝光數(shù)毫秒。焊縫輝光的強(qiáng)度和擴(kuò)散是其評(píng)估的基礎(chǔ)。這提供了對(duì)焊縫主要特征的了解，這實(shí)際上可以得出關(guān)于其強(qiáng)度和質(zhì)量的可靠結(jié)論（圖2）。
Hema Electronic與戴姆勒合作實(shí)施的該方法的廣泛測(cè)試系列表明，除了檢測(cè)“假朋友”，還可以使用每個(gè)焊縫的單個(gè)圖像可靠地評(píng)估表面焊縫缺陷（圖3）。
圖3使用seelectorICAM激光系統(tǒng)，每個(gè)焊縫的一張圖像足以進(jìn)行可靠、快速的質(zhì)量評(píng)估。（來(lái)源：Hema電子）
檢查過(guò)程細(xì)節(jié)
激光焊接以連接板材。焊接后，焊縫本身仍會(huì)輕微發(fā)光。通過(guò)短暫地重新加熱接縫，可以進(jìn)一步改善這種可見(jiàn)光暈，這是通過(guò)在相反方向上用散焦和降低的激光功率再次穿過(guò)接縫來(lái)實(shí)現(xiàn)的。以這種方式實(shí)現(xiàn)的后退火均勻性增加了評(píng)估的可靠性。然后進(jìn)一步降低激光功率，將偏轉(zhuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)焊縫。在大約10 ms的短等待時(shí)間后獲取圖像，在此期間熔體的凝固過(guò)程已經(jīng)充分進(jìn)展。該系統(tǒng)的攝像頭通過(guò)激光光學(xué)系統(tǒng)集中對(duì)準(zhǔn)焊縫，并捕捉圖像。激光隨后移動(dòng)到下一個(gè)焊縫。對(duì)采集圖像的評(píng)估立即開(kāi)始，并與后續(xù)焊縫和圖像捕獲并行進(jìn)行。焊接完最后一道焊縫后，即可進(jìn)行整個(gè)評(píng)估。
鋁焊接：質(zhì)量控制的特殊挑戰(zhàn)
除了鋼和鍍鋅鋼之外，鋁由于其重量減輕的特點(diǎn)，在車(chē)輛構(gòu)造中變得越來(lái)越重要。鋁焊接在質(zhì)量控制方面的一個(gè)特別困難是表面的高光反射。這會(huì)在激光束的耦合和圖像采集中產(chǎn)生不良影響。與可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的圖像一樣，熱相機(jī)的圖像采集也會(huì)受到反射的影響。此外，由于鋁不顯示退火，因此不可能直接傳輸上述用于工藝和質(zhì)量控制的解決方案。這種材料的熱傳導(dǎo)速度非?？?，以至于用熱像儀和光譜法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有成功。為了實(shí)現(xiàn)可靠的質(zhì)量評(píng)估，Hema因此進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了用于鋁車(chē)身構(gòu)造的“seelectorICAM激光”系統(tǒng)。
它使用兩步分析：第一步，在焊接和平滑焊縫后，立即在板材頂部拍攝圖像，確定并檢查每個(gè)焊縫到組件邊緣（如果有）的邊緣距離。在第二步中，在平滑焊縫底面之前，在部件的背面拍攝圖像，以檢測(cè)焊縫中的材料泄漏，從而確保足夠的焊縫穿透深度。測(cè)試后，如果需要，可以使用散焦激光對(duì)下方進(jìn)行平滑處理。這種平滑的優(yōu)點(diǎn)是恢復(fù)了光滑的表面和原始材料的厚度。其結(jié)果是可靠的質(zhì)量和強(qiáng)度保證，而且表面光滑，恢復(fù)了原始材料厚度。
圖像評(píng)價(jià)
在圖像評(píng)估過(guò)程中，系統(tǒng)計(jì)算測(cè)量值，如亮度、圖像特征的幾何數(shù)據(jù)和評(píng)估結(jié)果，以評(píng)估焊縫，并將其存儲(chǔ)在Excel電子表格中，用于過(guò)程監(jiān)控。返工站顯示在部件上的位置和發(fā)現(xiàn)的缺陷，以便快速、有針對(duì)性地返工。此外，系統(tǒng)會(huì)從圖像中檢測(cè)到任何焊接系統(tǒng)故障或不合適的設(shè)置。
在設(shè)置過(guò)程中，用戶(hù)與圖像和測(cè)量結(jié)果交互工作。操作員可以參數(shù)化系統(tǒng)，并隨時(shí)控制評(píng)估過(guò)程。數(shù)據(jù)和圖像可以在系統(tǒng)PC上調(diào)用。用戶(hù)可以選擇將它們存儲(chǔ)在分配給制造部件序列號(hào)的數(shù)據(jù)記錄中，以及其他生產(chǎn)信息。
圖4 Trumpf PFO 3D與Hema ICAM激光攝像頭安裝在KUKA機(jī)器人上（來(lái)源：Mercedes-Benz AG）
快速簡(jiǎn)便的在線(xiàn)集成帶掃描頭的激光焊接系統(tǒng)是將質(zhì)量保證系統(tǒng)集成到現(xiàn)有生產(chǎn)線(xiàn)的先決條件。合適的激光器包括掃描儀，如Blackbird公司的intelli-WELD（圖1）或Trumpf PFO 3D（圖4）。質(zhì)量保證系統(tǒng)本身包括攝像頭及其軟件、用于參數(shù)化、顯示和存儲(chǔ)細(xì)節(jié)的PC、用于檢查結(jié)果（RDS）的數(shù)據(jù)庫(kù)接口、用于控制檢查和物流的PLC連接，以及用于觸發(fā)“焊縫圖像”的激光器連接。
seelectorICAM激光器是一種智能嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)，具有車(chē)載數(shù)據(jù)處理能力。這使得原始數(shù)據(jù)可以在智能攝像頭中實(shí)時(shí)評(píng)估。該相機(jī)位于激光器的光路中，亮度動(dòng)態(tài)為170 dB，以獲得強(qiáng)烈的圖像對(duì)比度。其軟件包括攝像頭上的圖像采集和評(píng)估軟件以及PC上的操作員軟件。攝像頭通過(guò)系統(tǒng)PC上的用戶(hù)界面進(jìn)行操作。更換部件時(shí)，操作員模擬選擇新的相關(guān)程序?；旧喜恍枰獙?duì)已經(jīng)存在程序的組件進(jìn)行教學(xué)或改編。因此，Hema系統(tǒng)可以快速方便地集成到任何激光焊接生產(chǎn)線(xiàn)中。它可以立即提供質(zhì)量控制數(shù)據(jù)，并提高生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量和生產(chǎn)率。
來(lái)源：Photonics Views -2022 - Helzle - Laser weld quality：it’s in the process，DOI:10.1002/phvs.202200021
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