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(zhǎng)的新興市場(chǎng)。在迅速發(fā)展的電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)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(shì)是眾所周知的。不斷提高的生產(chǎn)率，更加靈活的設(shè)計(jì)以及更出色的能源效率，持續(xù)推動(dòng)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(jiàn)卓識(shí)得早已利用起了激光焊接的優(yōu)勢(shì)，但如何進(jìn)一步提高產(chǎn)量，并在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中向前發(fā)展的問(wèn)題依然存在。為了實(shí)現(xiàn)智能制造，必須通過(guò)高質(zhì)量的在線數(shù)據(jù)收集優(yōu)化工業(yè)流程。對(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)激光焊接過(guò)程中 “眼睛和耳朵”技術(shù)的需求正在不斷增長(zhǎng)，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和分散決策。

在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域爆炸性增長(zhǎng)的背景下，這一需求顯得尤為明顯。傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)焊接工藝涉及多個(gè)挑戰(zhàn)性問(wèn)題：有色合金，混合材料以及對(duì)每個(gè)接頭的機(jī)械和電氣性能的嚴(yán)格要求。另外，事實(shí)上每個(gè)生產(chǎn)完的裝配件需要大量的單個(gè)焊縫，因此誤差容限低。對(duì)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(cè)試時(shí)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(shí)能生產(chǎn)出可驗(yàn)證、高質(zhì)量產(chǎn)品，這是極具優(yōu)勢(shì)的。

智能制造不是完全依靠傳統(tǒng)過(guò)程開(kāi)發(fā)和部署的開(kāi)環(huán)本征，而是設(shè)計(jì)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(lài)于大量實(shí)時(shí)收集和共享信息的技術(shù)，持續(xù)提供每個(gè)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(guò)程中測(cè)量和報(bào)告工藝條件的能力可進(jìn)行快速干預(yù)，甚至自動(dòng)修復(fù)。這種方法的好處包括更好的產(chǎn)量，減少對(duì)后續(xù)質(zhì)量保險(xiǎn)的依賴(lài)（以及隨之而來(lái)的費(fèi)用和滯后性），并提高對(duì)產(chǎn)品的信心。

利用LDD-700在線焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)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(duì)焦。

加工過(guò)程監(jiān)測(cè)

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

一種較常見(jiàn)的方法是使用光電二極管傳感器來(lái)測(cè)量激光焊接過(guò)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(jué)傳感器）和后期診斷（線性掃描儀，表面檢測(cè)相機(jī)，電磁聲換能器）旨在驗(yàn)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(huì)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(cè)量焊接過(guò)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(cè)器可以告訴用戶(hù)給定的焊接與用戶(hù)先前提供的樣品不同，但是無(wú)法給出有效的信息來(lái)確切說(shuō)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(guò)程中監(jiān)控單個(gè)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(guò)程多功能監(jiān)測(cè)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(gè)復(fù)雜并行系統(tǒng)。

最后，所有所提到的技術(shù)都無(wú)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(jī)械強(qiáng)度和（對(duì)于某些重要的具體應(yīng)用而言）導(dǎo)電性。

尋找問(wèn)題的根源

內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)控是傳感器領(lǐng)域中一個(gè)相對(duì)較新的參與者，它解決了長(zhǎng)期存在于激光焊接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集固有的多項(xiàng)挑戰(zhàn)。這項(xiàng)新穎的技術(shù)使用了低功率的紅外光束，該光束通過(guò)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(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中，該測(cè)量光束能夠看到蒸汽通道的底部，并直接測(cè)量其熔深，這是新一代焊接測(cè)量技術(shù)的一項(xiàng)重要特征。測(cè)量結(jié)果可以在幾毫秒內(nèi)獲得與整個(gè)焊縫長(zhǎng)度相同的大部分信息，且無(wú)需破壞零件。

多功能性是其另一個(gè)關(guān)鍵性?xún)?yōu)勢(shì)。測(cè)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(duì)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(jiǎn)便性和精確性。通過(guò)在不同測(cè)量位置之間快速切換，還可以同時(shí)收集不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)。總之，可以使用單個(gè)軟件包控制的單個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在5個(gè)不同的模式下測(cè)量焊接過(guò)程中多達(dá)20多個(gè)不同的指標(biāo)。

. LDD系統(tǒng)的測(cè)量光束用于從焊接過(guò)程的多個(gè)區(qū)域同時(shí)收集數(shù)據(jù)，可以無(wú)破壞地直接測(cè)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(gè)單獨(dú)的測(cè)量數(shù)據(jù)流分解為多個(gè)相關(guān)指標(biāo)）。

IPG Photonics通過(guò)收購(gòu)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(chǎng)，于2017年底開(kāi)發(fā)了用于工業(yè)的干涉式激光焊接測(cè)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(guó)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)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(lái)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(cè)器可以與包括掃描光學(xué)器件和擺動(dòng)頭在內(nèi)的許多不同的光束傳輸布局相結(jié)合。

通過(guò)這種靈活的激光焊接測(cè)量方法，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)會(huì)隨不同應(yīng)用而顯著變化。對(duì)于汽車(chē)動(dòng)力總成焊接，其主要優(yōu)勢(shì)在于報(bào)廢成本的降低，因?yàn)楹附油ǔ０殡S昂貴的加工步驟，并且對(duì)原材料的數(shù)量會(huì)有很大的影響。此外，增強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的信心對(duì)于生產(chǎn)用于汽車(chē)用的主要安全性組件非常重要。在上述電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域中，減少報(bào)廢和限制對(duì)繁瑣破壞性質(zhì)量檢測(cè)的依賴(lài)，從而簡(jiǎn)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(cè)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(kāi)發(fā)，免去在冶金實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)。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(kāi)機(jī)器。這樣，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的焊接工程師也可以在更短的時(shí)間內(nèi)獲得更高質(zhì)量的過(guò)程解決方案。如圖4所示為使用遠(yuǎn)程掃描光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)的光束擺動(dòng)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(kāi)發(fā)的不同材料焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果；匙孔穿透和動(dòng)態(tài)的詳細(xì)圖像使得在更短的時(shí)間內(nèi)可以找到正確的工藝

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用內(nèi)聯(lián)焊縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)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(shí)間，否則將可能耗費(fèi)時(shí)間在探索一些無(wú)效結(jié)果。生產(chǎn)過(guò)程中，可以該測(cè)量系統(tǒng)以前所未有的細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè)焊縫質(zhì)量。

展望未來(lái)

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

焊接過(guò)程中的對(duì)熔深的測(cè)量可以模擬破壞性測(cè)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(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的信心，使決策更加靈活有效；簡(jiǎn)單靈活的測(cè)量方案能夠?yàn)楣I(yè)應(yīng)用量身定制標(biāo)準(zhǔn)工具，進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量焊接多功能測(cè)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(dòng)態(tài)成像可加快激光焊接解決方案的開(kāi)發(fā)以滿(mǎn)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(mǎn)足其應(yīng)對(duì)未來(lái)的應(yīng)用。（楊瑾譯）