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激光焊接质量:激光焊接过程中需要新技术来提供高水平的质量控制

时间:2022-5-20

激光焊缝是车身结构中最先进的技术,焊缝强度是最重要的标准,但从外部很难检测到。最新的在线过程监控技术实现了可靠有效的质量监控。它结合了机器人辅助焊接和在线质量控制。

大多数传统的焊接检查方法都是通过观察过程排放来间接工作的。从它们的行为中,可以得出关于焊缝特征的结论,这些结论将在以后变得明显。然而,使用这种方法,随后的影响只会被预测,而不会被验证——具有相应的不确定性。

激光焊接质量:激光焊接过程中需要新技术来提供高水平的质量控制

其原因是热机械影响、部件中局部和温度相关的膨胀和收缩,以及决定焊接区材料行为的局部冷却条件。

这些影响会产生不可预测的影响,与工艺排放无关。因此,当熔融材料再次静止时,通过试验方法可获得最佳结果。

焊缝强度不一定显示在测量焊道表面和评估其均匀性的表面上,而与焊缝熔透深度或内部气孔无关。因此,不可能对焊缝强度进行说明。这可以通过使用超声波或x射线穿透焊缝的方法来解决。然而,只有在焊接过程完成且材料基本冷却后,才可能进行焊接。此外,它们需要一个单独的测量站,并且需要很长时间,这使得它们只能进行随机抽样。

为什么高速摄像机不能解决这个问题?

激光焊接质量:激光焊接过程中需要新技术来提供高水平的质量控制

另一种测试焊接过程的方法,也是研究人员最喜欢的方法是高速摄像机。每秒有500张以上的图像,使用这种技术可以很好地记录焊接过程。对熔池和等离子体光的观察确实有助于理解该过程。然而,这无助于寻找焊接缺陷,如孔、裂纹和气孔,因此它们的使用不适用于生产过程中的质量控制。这是因为熔池中不存在孔洞和裂缝。它们只在冷却材料的固态化阶段形成。同时,凝固阶段冷却行为的记录仅限于表面缺陷。焊缝熔深或上材料层和下材料层之间的结合不能通过纯表面测试来检测。此外,在生产过程中,如此多的图像生成的大量数据无法快速评估,无法实现实时生产控制。这意味着高速摄像机非常适合科学研究,但必须为生产监控选择不同的解决方案。

测量退火:一种不同的方法

激光焊接质量:激光焊接过程中需要新技术来提供高水平的质量控制
图1:Hema Electronic的seelector-ICAM激光质量保证系统可与3D装置一起部署,用于远程激光焊接
激光焊接质量:激光焊接过程中需要新技术来提供高水平的质量控制
图2:车身结构中的激光扫描焊接(来源Hema Electronic)

快节奏的批量生产需要一种方法,该方法能够跟上工艺周期,并能立即提供质量信息,以便在部件加工结束时进行进一步处理。该系统必须以尽可能少的数据生成尽可能可靠的信息,并提供有关镀锌钢板之间连接质量的电磁干扰重要证据。

Hema Electronic的seelectorICAM激光质量保证系统与3D扫描装置采用了不同的方法,用于远程激光焊接应用,如Blackbird的intelliWELD(图1)或Trumpf PFO 3D(图4)。这两种设备与Hema系统一起在许多工业安装中都证明了其价值。它检测到表面无法识别的缺陷,在激光停止向焊缝施加能量后,测量钢中清晰可见的辉光数毫秒。焊缝辉光的强度和扩散是其评估的基础。这提供了对焊缝主要特征的了解,这实际上可以得出关于其强度和质量的可靠结论(图2)。

Hema Electronic与戴姆勒合作实施的该方法的广泛测试系列表明,除了检测“假朋友”,还可以使用每个焊缝的单个图像可靠地评估表面焊缝缺陷(图3)。

激光焊接质量:激光焊接过程中需要新技术来提供高水平的质量控制
图3:使用seelector-ICAM激光系统,对每个焊缝的图像进行可靠,快速的质量评估

检查过程细节

激光焊接以连接板材。焊接后,焊缝本身仍会轻微发光。通过短暂地重新加热接缝,可以进一步改善这种可见光晕,这是通过在相反方向上用散焦和降低的激光功率再次穿过接缝来实现的。以这种方式实现的后退火均匀性增加了评估的可靠性。然后进一步降低激光功率,将偏转镜对准焊缝。在大约10 ms的短等待时间后获取图像,在此期间熔体的凝固过程已经充分进展。该系统的摄像头通过激光光学系统集中对准焊缝,并捕捉图像。激光随后移动到下一个焊缝。对采集图像的评估立即开始,并与后续焊缝和图像捕获并行进行。焊接完最后一道焊缝后,即可进行整个评估。

铝焊接:质量控制的特殊挑战

除了钢和镀锌钢之外,铝由于其重量减轻的特点,在车辆构造中变得越来越重要。铝焊接在质量控制方面的一个特别困难是表面的高光反射。这会在激光束的耦合和图像采集中产生不良影响。与可见光波长范围内的图像一样,热相机的图像采集也会受到反射的影响。此外,由于铝不显示退火,因此不可能直接传输上述用于工艺和质量控制的解决方案。这种材料的热传导速度非常快,以至于用热像仪和光谱法进行的实验都没有成功。为了实现可靠的质量评估,Hema因此进一步开发了用于铝车身构造的“seelectorICAM激光”系统。

它使用两步分析:第一步,在焊接和平滑焊缝后,立即在板材顶部拍摄图像,确定并检查每个焊缝到组件边缘(如果有)的边缘距离。在第二步中,在平滑焊缝底面之前,在部件的背面拍摄图像,以检测焊缝中的材料泄漏,从而确保足够的焊缝穿透深度。测试后,如果需要,可以使用散焦激光对下方进行平滑处理。这种平滑的优点是恢复了光滑的表面和原始材料的厚度。其结果是可靠的质量和强度保证,而且表面光滑,恢复了原始材料厚度。

图像评价

在图像评估过程中,系统计算测量值,如亮度、图像特征的几何数据和评估结果,以评估焊缝,并将其存储在Excel电子表格中,用于过程监控。返工站显示在部件上的位置和发现的缺陷,以便快速、有针对性地返工。此外,系统会从图像中检测到任何焊接系统故障或不合适的设置。

在设置过程中,用户与图像和测量结果交互工作。操作员可以参数化系统,并随时控制评估过程。数据和图像可以在系统PC上调用。用户可以选择将它们存储在分配给制造部件序列号的数据记录中,以及其他生产信息。

激光焊接质量:激光焊接过程中需要新技术来提供高水平的质量控制
图4:Trumpf PFO 3D与Hema ICAM激光摄像头安装在KUKA机器人上

快速简便的在线集成带扫描头的激光焊接系统是将质量保证系统集成到现有生产线的先决条件。合适的激光器包括扫描仪,如Blackbird公司的intelli-WELD(图1)或Trumpf PFO 3D(图4)。质量保证系统本身包括摄像头及其软件、用于参数化、显示和存储细节的PC、用于检查结果(RDS)的数据库接口、用于控制检查和物流的PLC连接,以及用于触发“焊缝图像”的激光器连接。

seelectorICAM激光器是一种智能嵌入式视觉系统,具有车载数据处理能力。这使得原始数据可以在智能摄像头中实时评估。该相机位于激光器的光路中,亮度动态为170 dB,以获得强烈的图像对比度。其软件包括摄像头上的图像采集和评估软件以及PC上的操作员软件。摄像头通过系统PC上的用户界面进行操作。更换部件时,操作员模拟选择新的相关程序。基本上不需要对已经存在程序的组件进行教学或改编。因此,Hema系统可以快速方便地集成到任何激光焊接生产线中。它可以立即提供质量控制数据,并提高生产过程的质量和生产率。

来源:Photonics Views -2022 – Helzle – Laser weld quality:it’s in the process,DOI:10.1002/phvs.202200021
江苏激光产业技术创新战略联盟

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