光纤激光纤激光器已成為(wèi)很(hěn)多(duō)先进的、工业批量化焊接应用(yòng)的首 选工具，它即可(kě)服務(wù)于许多(duō)成熟行业，又(yòu)能(néng)适应快速增長(cháng)的新(xīn)兴市场。在蓬勃发展的電(diàn)动汽車(chē)行业中，光纤激光器高速、精确且高一致性的焊接能(néng)力，是提升商(shāng)业電(diàn)动汽車(chē)可(kě)达性和整體(tǐ)性能(néng)的驱动因素。在其他(tā)更為(wèi)成熟的产业中，使用(yòng)光纤激光的优点众所周知。而现代工业激光技术的多(duō)项优势，如不断提高的产量、更好的设计灵活性以及超高的能(néng)效利用(yòng)率正不断推动这项技术在金属连接工艺方面的发展。
对于已经充分(fēn)利用(yòng)激光焊接优势，具有(yǒu)前瞻性的制造商(shāng)而言，下一步的问题是如何进一步提高产量，在竞争中保持领先。智能(néng)制造工业流程的优化需要高质量完成在線(xiàn)数据收集工作。為(wèi)实现决策的自动化和去中心化，作為(wèi)激光焊接工艺的“眼睛和耳朵”，这一技术的需求正不断增加。
在電(diàn)动汽車(chē)行业呈爆炸性增長(cháng)的背景下，这一需求尤為(wèi)明显。传统電(diàn)动汽車(chē)焊接工艺涉及多(duō)项挑战：有(yǒu)色金属合金、混合材料以及每个接头严格的机械和電(diàn)气性能(néng)要求。此外，由于每个成品组件需要大量单个焊缝，因此仅可(kě)容许留出很(hěn)小(xiǎo)的误差余量。严格的焊接要求，以及破坏性测试时，拆卸電(diàn)气组件需要耗费的巨大成本和难度，如果制造商(shāng)在第 一次尝试时就可(kě)以生产高质量的合格产品，将优势显著。
智能(néng)制造不同于传统开发和部署流程的开环特性，即通过设计可(kě)靠的流程，认真控制生产線(xiàn)上的所有(yǒu)输入参数，来达到尽可(kě)能(néng)接近正确的操作条件，智能(néng)制造依靠实时收集和共享信息的技术，该项技术可(kě)持续提供每个子系统的状态反馈，最终提高传输效率。
当激光焊接出现结果不一致的情况时，测量装置可(kě)在生产过程中不断测量并报告工艺条件，进而实现快速干预，甚至自动修复。这种方法的优势包括可(kě)以提高产量，减少对后续质量检验环节的依赖（及随之产生的费用(yòng)和滞后性），提高对成品的信心。
生产过程实时监测
虽然激光焊接技术已迅速被工业领域所接受，但能(néng)实现在線(xiàn)决策的智能(néng)传感技术仍然落后。多(duō)年来，市场上已出现多(duō)种可(kě)应用(yòng)于激光焊接的监测技术。
其中一种较為(wèi)常见的方法是利用(yòng)光電(diàn)二极管传感器测量激光焊接过程中产生的释放物(wù)（包括来自热金属的黑體(tǐ)，来自焊接激光的反射光，以及在某些情况下产生的等离子體(tǐ)），以此分(fēn)析来表征熔池和匙孔的稳定性。
此外还有(yǒu)一些通过增加多(duō)种预处理(lǐ)传感器（線(xiàn)性扫描仪，基于CCD技术的焊缝跟踪，使用(yòng)在送丝焊接的触觉传感器）和后期诊断分(fēn)析（線(xiàn)性扫描仪，表面检测相机，電(diàn)磁声换能(néng)器），确认材料可(kě)以正确送入焊接區(qū)域，焊接成品结果一致。
但这些技术通常会遇到一些常见的局限性。其中一些技术仅可(kě)监控焊接过程，但无法进行测量，这也就意味着仅可(kě)将此类技术应用(yòng)于一致性检查。也就是说，监控系统可(kě)以告知用(yòng)户某一焊接与用(yòng)户提供的标准样品不一致，但无法提示差异的具體(tǐ)情况及原因等有(yǒu)效信息。
此外，大多(duō)数传感技术仅能(néng)对焊接过程中某单一指标进行监控。而通常在整个焊接过程中需要采样多(duō)项参数分(fēn)析确保监测准确性。在这种需求背景下，焊接工站内需要增加多(duō)种装置进行众多(duō)不同数据的监测，进而产生更多(duō)的成本，并且多(duō)个系统并行运行，复杂性更高。
更為(wèi)重要的是，上述所有(yǒu)技术均无法提供材料表面下方熔池和匙孔形状的具體(tǐ)信息。在大多(duō)数情况下，材料内部的几何形态最终决定了焊缝的使用(yòng)性能(néng)，以及焊接材料的强度（对某些具體(tǐ)应用(yòng)而言）和导電(diàn)性。
寻找问题的根源
作為(wèi)传感器领域一项新(xīn)兴技术，内联焊接监测解决了長(cháng)久以来在激光焊接实时数据采集方面一直存在的多(duō)项挑战。这一新(xīn)兴技术采用(yòng)低功率红外光束，通过与焊接激光同轴的光路进行精 准的距离测量。该技术可(kě)允许在焊接的过程中完成测量，测量光束可(kě)查看匙孔底部，直接测量熔深，这也是新(xīn)一代焊接测量技术的一个重要特征。测量结果可(kě)在几毫秒(miǎo)内提供与金相测试结果几乎相同的整个焊缝的大量信息，且无需损坏样品本身。
多(duō)功能(néng)性是这一技术的另一个关键性优势。测量光束既可(kě)先于激光光束测量，获取焊前信息。又(yòu)可(kě)在焊接完成后测量，确认成品焊缝的表面质量。甚至可(kě)以通过扫描，生成样品的3D图像，具有(yǒu)前所未有(yǒu)的简便性和精确性（图1）。
图1．使用(yòng)LDD－700内联焊接监测系统通过焊接头获取的不锈钢零件3D图像；
3D视频技术可(kě)实现焊接激光束与零件的精确对焦
该项技术还可(kě)以快速切换到不同的测量位置，进而实现“准同步”收集不同的数据类型。总之，在使用(yòng)由单个软件包控制的单个测量系统时，可(kě)实现在五种不同的测量模式下，同时测量焊接过程中的20多(duō)项不同指标（图2）。
图2．LDD系统测量光束可(kě)在焊接过程中的多(duō)个區(qū)域内同时收集数据，
匙孔底部的测量可(kě)在不切割零件的情况下直接测得焊接熔深；
内联焊接监测系统可(kě)以将单个测量过程分(fēn)解為(wèi)多(duō)个相关指标（如图）
IPG Photonics于2017年底收購(gòu)了加拿(ná)大初创公司Laser Depth Dynamics（行业内最早使用(yòng)干涉激光焊接测量解决方案的企业），从而进军内联焊接监测技术市场。自此，IPG LDD－700内联焊接监测系统即成為(wèi)國(guó)际应用(yòng)实验室中不可(kě)或缺的工具，同时结合包括扫描光學(xué)系统在内的各种其他(tā)激光焊接技术，在工业生产中得到越来越广泛的应用(yòng)（图3）。
图3．显示配备LDD－700内联焊接监测系统接口的IPG高功率扫描振镜；
内联监测可(kě)结合多(duō)种不同的光束传输布局，包括光學(xué)扫描系统和摆动头
对激光焊接测量的灵活方式，使得这项技术的优势因各种不同的应用(yòng)有(yǒu)所區(qū)别。在汽車(chē)动力总成的焊接过程中，由于焊接通常涉及昂贵的加工步骤，对原材料数量的影响很(hěn)大，因此使用(yòng)这一测量方法可(kě)以降低废料成本。提高对出厂产品质量方面的信心，对于生产汽車(chē)关键安全组件来说非常重要。在上述電(diàn)动汽車(chē)领域，降低废品率，限制对复杂生产工艺中，繁重且具有(yǒu)破坏性的质量控制流程的依赖，可(kě)以快速提高生产能(néng)力。
快速跟踪的工艺开发
匙孔的直接测量不仅是实时质量控制的有(yǒu)利工具。通过密切关注了解匙孔的状态，更方便焊接工艺工程师工艺快速迭代开发，免去试验进程中必须冶金的步骤。无须离开焊机就能(néng)正确配置测试稳定工艺所需的焊接参数，即使是经验丰富的焊接工程师也可(kě)以在更短的时间内制定更高质量的工艺解决方案。
以复杂的焊接工艺為(wèi)例，使用(yòng)遠(yuǎn)程扫描振镜、光束摆动和单模激光源焊接异种有(yǒu)色金属合金（图4）。
图4．显示采用(yòng)内联焊接监测系统对复合材料焊接工艺的测量结果；
匙孔熔深和动态的详细图片有(yǒu)助于在更短时间内锁定正确工艺
在工艺开发过程中，使用(yòng)内联焊缝监测系统获取焊缝熔深、匙孔稳定性和焊缝表面质量，可(kě)以节省大量时间，避免花(huā)费大量时间探索分(fēn)辨剖面检测时可(kě)能(néng)产生不利结果的非工艺影响區(qū)域。当需要在生产过程中实施该工艺时，可(kě)使用(yòng)相同的测量系统跟踪产品质量，显示具體(tǐ)细节。
展望未来
各行各业对智能(néng)制造解决方案越来越大的需求，也在不断推进激光焊接传感技术向前发展。内联焊接监测满足了先进制造商(shāng)目前和未来的多(duō)种需求，其最终目标是实现工业4.0。
焊接过程中熔深测量可(kě)以提供与进行产品破坏性测试结果100％一致的测试结论，大大提高了对产品质量的信心，便于操作人员灵活有(yǒu)效的做出决策。简单灵活的测量方案可(kě)以為(wèi)具體(tǐ)应用(yòng)定制标准工具，同步测量焊接过程的多(duō)项参数，收集相关信息以确保产品质量。焊接动态过程的详细数据图像促进了激光焊接解决方案更加符合苛刻规格要求的发展。并将进一步推动激光焊接工艺，满足未来的应用(yòng)需求。
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