激光焊接质量实时检测和控制的进展

提　要：详细介绍了可用于激光焊接质量控制的声、光、电、热等信号的物理特征。从信号检测、信号分析以及控制技术三个方面详细地综述了目前激光焊接质量的实时检测和控制技术的进展。
关键词：激光焊接；质量控制；监测 

Abstract：Various kinds of signals which are potentially capable of diagnosing the quality of laser welding are described in this paper.Such signals are acoustic emission,optical emission,plasma charge and the heat of welding pool.Furthermore,this paper summarizes,in detail,the progress of in-process monitoring and quality control of laser welding in three aspects:signal detection,signal processing and process control.
Key words：laser welding;quality control;monitoring▲

　　本文从信号检测，信号分析以及控制技术这三个方面来综述目前激光焊接质量的实时检测和控制的进展。

1　信号检测
　　在激光深穿透焊接过程中，金属材料在高功率密度激光辐射下不仅发生熔化，而且强烈汽化而形成蒸汽。处于激光辐射区内的金属蒸汽中有一定的起始自由电子，通过反韧致辐射吸收激光能量而被加速，直至有足够的能量来碰撞电离材料和周围气体，电子密度从而雪崩式地增长，形成等离子体。等离子体总的特征信号可以归结为声音冲击波、强烈的光辐射、高温强热和非平衡电场等四种形式^〔1〕。各种特征信号在时间上、频率上和幅值上均密切相关。对等离子体特征信号的检测是分析和了解等离子体产生机理及实现焊接过程控制的基础。
　　检测焊接过程中工作区的发射信号一直是监测焊接过程的重要手段。对检测信号的选取，在保证检测信号能够反映焊接状态的同时，还应该满足信号采集方便、响应快、生产环境中具有高可靠性、有较高的信噪比等要求。
　　从目前的研究来看，对激光焊接过程信号的检测主要集中在声、光、电、热上。
1.1　声发射AE(Acoustic Emission)
　　在激光焊接过程中存在着明显的声音信号。激光与被焊材料之间的相互作用是一个复杂的动态过程。在激光焊接过程中，激光束不断地入射到工件表面，致使工件表面的温度升高，从而在熔池附近形成了一个温度梯度场，引发热振动。此外，在激光深熔焊下，材料强烈汽化，并使得金属蒸汽和周围气体发生较高程度的电离，形成致密的等离子体。除了在数量上占有一定优势的中性原子热运动造成的寻常声波外，在等离子体中还存在离子声波。因此，即使在热传导焊的情况下，只要有金属蒸汽的热运动而不必出现等离子体就会出现声信号。而在深熔焊的情况下，随着等离子体产生，由于离子声波的加入，声信号会得到加强。使等离子体总声压表现为：

P＝P₀+P_e∝(T₀N₀+T_eN_e)

　　其中P₀为中性原子声波的声压，P_e为离子声波的声压，T₀为等离子体中原子的温度，T_e为等离子体中电子的温度，N₀为等离子体原子密度，N_e为等离子体电子密度^〔2〕。

　　所有这些因素共同形成了激光焊接过程中声发射波AE(Acoustic Emission)。由此可见，在激光深熔焊焊接过程中声信号除了与热振动、等离子体的原子密度有关外，还与其中的电子密度有关。由于只有在形成小孔的情况下等离子体才会高速地从其中喷发出来，这便使得声信号与声源(熔池和小孔)的结构联系起来。这是一个非常有用的特点，因为焊接的质量除了与等离子体有关外，同时还与熔池及小孔的行为有很大的关系。当熔池和小孔的形态受到破坏时，等离子体从小孔中高速喷射的现象消失，声信号的强度就会大大下降。这使得可以通过对AE信号的研究来获取有关熔池和小孔的信息。从实际研究来看，由于AE信号可以非接触测量，响应速度快，同时具有较高信噪比，将其作为过程控制的检测量是比较合适的。
　　最简单的方法就是直接使用麦克风测量焊接过程中的声音信号。或者将压电晶体安装在放置工件的基座上，测量工件在加工过程中的振动，这种方式需要传感器与工件紧密耦合，属于接触式传感器^〔3〕。研究表明，AE信号的能量分布可以作为监测的出发点，它与焊接过程中的离焦量和间隙变化有明显关系，其信号的强弱与材料的热传导率成正比^〔4〕。
　　在激光机的发射导向镜后面安装一个压电晶体也可以检测到振动波的存在(Acoustic Mirror)。这是由于各种辐射入射到镜面造成的热振动而引起的。这种方法可以监视激光束的好坏，从而保障焊接过程的正常进行。但令人感兴趣的是，该传感器对小孔是否形成非常敏感，这可能与小孔形成后工件反射的激光束大量减少有关^〔5〕。与此相对应，AN(Acoustic Nozzle)是将压电晶体安装在与入射激光同轴的喷嘴上。它主要检测加工过程中的工件所产生的压力波，而它与小孔的形成及振荡特性有关^〔6〕。
1.2　辐射光
　　激光焊接时有明显的辐射光产生。激光焊接钢件，未形成小孔时，工件表面的火焰是橘红色或白色的，一旦形成小孔，火焰变成兰色。通过对等离子体进行动态观察，可观察到强烈的等离子体周期地从熔池中心垂直向上喷出。熔池上部有两种不同的物质：一种是向上运动的红色羽状物(plume)，另一种是位于小孔开口处呈兰色的等离子体云。光致等离子体是激光深熔焊接过程中在高能量密度激光束作用下伴随小孔同时存在的不可避免的重要物理现象，也是影响焊接质量的重要因素。
　　通过测量整个空间的反射激光发现，在小孔形成以前，约有80%的入射能量被反射，在小孔形成后，则下降到约4～8%^〔7〕。激光设备的光学系统控制着激光的聚焦和发射方向，同时熔池辐射出的光也可以通过光学系统反方向传播。因此，可以通过检测光学系统中的反射光来了解熔池的信息。目前有两种方法，分别是Cladding Power Monitor和Core Power Monitor^〔8〕。
　　对工作区附近的红外(IR)和紫外(UV)辐射进行检测是一种新的检测手段。之所以对IR和UV进行检测，是因为它们与熔池和等离子体有着密切的关系。熔池由温度接近沸点的液态材料组成，其辐射主要是热辐射，辐射谱近似符合普朗克公式。以不锈钢为例，熔池温度在3000K附近，则单位面积辐射体的辐射通量密度最大在λ_m≈0.96μm处，属红外波段。而对于等离子体而言，温度可高达10⁴K，成分包括自由电子、材料原子和离子以及辅助气体原子和离子等。其辐射成分相应也比较复杂，但主要有黑体辐射，其λ_m≈0.2896μm，处于紫外波段。由于检测信号中的紫外信号主要来自焊接过程中产生的等离子体，紫外信号的强弱决定于等离子体的温度和体积；而焊接的熔深决定于“小孔”的深度，“小孔”内的材料蒸汽正是等离子体的来源。因此，紫外信号的有无反映是否有“小孔”形成；信号的强度则反映了熔深的大小。红外信号的强度决定于熔池的温度分布和表面积，而熔池温度分布和表面积又决定着未来焊缝的形状^〔9〕。
　　熔池的形态和小孔的行为对焊接质量有很大的影响。因此，除了检测熔池发射的红外光外，还可以采用CCD(Charge Coupled Device)直接拍摄熔池的图像以获取有关焊接状态的直接信息。由于熔池往往被等离子体所围绕，为了更好地拍摄到熔池的图像，可以通过在CCD前增加一个滤光片来剔除干扰光。在获得熔池的图像后，再对图像进行处理，进而得到有关焊接质量的相关信息，如熔池的长、宽和面积、熔池的形状、以及亮度及其分布特点等。通过对比正常焊接与非正常缺陷焊接，进而建立熔池图象与焊接质量的关系^〔10〕。
1.3　电信号
　　等离子体是由于金属蒸汽电离而形成，它宏观上呈中性，但它包含着大量的中性原子、带正电的离子和带负电的电子，具有复杂的电特性。在高温下，电子和离子都将剧烈运动。其电子的平均运动速度可以用下式表示：V_e=(8KT_e/πm_e)^1/2，大约为4.5×10⁵至5.2×10⁵ms^-1，而离子的平均运动速度则为：V_s=(2KT_e/m_i)^1/2，大约为9.0×10³至10.0×10³ms^-1。其中K为玻尔兹曼常数，T_e为等离子体的温度，m_e,m_i分别为电子和离子的质量。由于电子运动速度大，平均自由程比离子大得多，导致空间电子向等离子体表面层运动，使等离子体出现局部非平衡电荷，从而形成相对于激光入射点，沿激光入射轴线方向的电位差^〔11〕。
　　为了测量等离子体的动态电信号，在激光发射处安装一个与其它部分绝缘的喷嘴，并以此作为一极，工件接地作为另一极就可以检测等离子体的动态空间电荷。这个喷嘴被称为PCS(Plasma Charge Sensor)传感器。利用这一设备，通过对激光焊接的多种过程参数和焊接中可能的各种缺陷进行的大量实验，表明利用PCS信号可以实现激光焊接过程控制^〔6，11〕。以此为基础，辅助一个AE传感器，形成了一个实际应用的系统。该系统是一个基于知识库的专家系统，在经过对各种焊接缺陷的训练后，识别率可达90%。国内清华大学的王勇等人也进行了利用PCS传感器控制离焦量的研究^〔12〕。等离子体空间电荷区产生的根本原因在于等离子体中电子和离子的运动速度的不平衡。而这一点又和等离子体的温度密切相关。因此，PCS的输出量实际上是对等离子体温度的测量。PCS同时与两极间的距离呈反比关系，这是个在研究中应该注意到的问题。
　　工件和喷嘴之间电容值的变化也可以反映离焦量的变化。由于电离云的存在及不断变化，使得两者之间的介电常数ε也在不断地变化，从而造成信号的波动，但也带来了有关焊接过程的一些重要参数信息。电容值和两者间的距离以及喷嘴的大小有关，大约在0.1～2pF。研究表明^〔13〕，在某个固定的时隙间隔内输出信号的频率分布有一定的特点。该方法的优点在于，对工件表面要求低，容易安装，易于实现。