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往期回顧

激光焊接智能制造

——激光焊接成像技術(shù)監(jiān)測(cè)工業(yè)4.0

科技動(dòng)態(tài) 2019年08月13日 09:20:09來(lái)源:IPG Photonics 11379
摘要當(dāng)激光焊接出現(xiàn)結(jié)果不一致的情況時(shí),測(cè)量裝置可在生產(chǎn)過(guò)程中不斷測(cè)量并報(bào)告工藝條件,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速干預(yù),甚至自動(dòng)修復(fù)。
  【機(jī)床商務(wù)網(wǎng)欄目 科技動(dòng)態(tài)】當(dāng)激光焊接出現(xiàn)結(jié)果不一致的情況時(shí),測(cè)量裝置可在生產(chǎn)過(guò)程中不斷測(cè)量并報(bào)告工藝條件,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速干預(yù),甚至自動(dòng)修復(fù)。這種方法的優(yōu)勢(shì)包括可以提高產(chǎn)量,減少對(duì)后續(xù)質(zhì)量檢驗(yàn)環(huán)節(jié)的依賴(及隨之產(chǎn)生的費(fèi)用和滯后性),提高對(duì)成品的信心。
 
  光纖激光器已成為很多先進(jìn)的、工業(yè)批量化焊接應(yīng)用的工具,它即可服務(wù)于許多成熟行業(yè),又能適應(yīng)快速增長(zhǎng)的新興市場(chǎng)。在蓬勃發(fā)展的電動(dòng)汽車行業(yè)中,光纖激光器高速、且高一致性的焊接能力,是提升商業(yè)電動(dòng)汽車可達(dá)性和整體性能的驅(qū)動(dòng)因素。在其他更為成熟的產(chǎn)業(yè)中,使用光纖激光的優(yōu)點(diǎn)眾所周知。而現(xiàn)代工業(yè)激光技術(shù)的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì),如不斷提高的產(chǎn)量、更好的設(shè)計(jì)靈活性以及超高的能效利用率正不斷推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)在金屬連接工藝方面的發(fā)展。
 
  對(duì)于已經(jīng)充分利用激光焊接優(yōu)勢(shì),具有前瞻性的制造商而言,下一步的問(wèn)題是如何進(jìn)一步提高產(chǎn)量,在競(jìng)爭(zhēng)中保持。智能制造工業(yè)流程的優(yōu)化需要高質(zhì)量完成在線數(shù)據(jù)收集工作。為實(shí)現(xiàn)決策的自動(dòng)化和去中心化,作為激光焊接工藝的“眼睛和耳朵”,這一技術(shù)的需求正不斷增加。
 
  在電動(dòng)汽車行業(yè)呈爆炸性增長(zhǎng)的背景下,這一需求尤為明顯。傳統(tǒng)電動(dòng)汽車焊接工藝涉及多項(xiàng)挑戰(zhàn):有色金屬合金、混合材料以及每個(gè)接頭嚴(yán)格的機(jī)械和電氣性能要求。此外,由于每個(gè)成品組件需要大量單個(gè)焊縫,因此僅可容許留出很小的誤差余量。嚴(yán)格的焊接要求,以及破壞性測(cè)試時(shí),拆卸電氣組件需要耗費(fèi)的巨大成本和難度,如果制造商在次嘗試時(shí)就可以生產(chǎn)高質(zhì)量的合格產(chǎn)品,將優(yōu)勢(shì)顯著。
 
  智能制造不同于傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)和部署流程的開(kāi)環(huán)特性,即通過(guò)設(shè)計(jì)可靠的流程,認(rèn)真控制生產(chǎn)線上的所有輸入?yún)?shù),來(lái)達(dá)到盡可能接近正確的操作條件,智能制造依靠實(shí)時(shí)收集和共享信息的技術(shù),該項(xiàng)技術(shù)可持續(xù)提供每個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)反饋,終提高傳輸效率。
 
  當(dāng)激光焊接出現(xiàn)結(jié)果不一致的情況時(shí),測(cè)量裝置可在生產(chǎn)過(guò)程中不斷測(cè)量并報(bào)告工藝條件,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速干預(yù),甚至自動(dòng)修復(fù)。這種方法的優(yōu)勢(shì)包括可以提高產(chǎn)量,減少對(duì)后續(xù)質(zhì)量檢驗(yàn)環(huán)節(jié)的依賴(及隨之產(chǎn)生的費(fèi)用和滯后性),提高對(duì)成品的信心。
 
  生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
 
  雖然激光焊接技術(shù)已迅速被工業(yè)領(lǐng)域所接受,但能實(shí)現(xiàn)在線決策的智能傳感技術(shù)仍然落后。多年來(lái),市場(chǎng)上已出現(xiàn)多種可應(yīng)用于激光焊接的監(jiān)測(cè)技術(shù)。
 
  其中一種較為常見(jiàn)的方法是利用光電二極管傳感器測(cè)量激光焊接過(guò)程中產(chǎn)生的釋放物(包括來(lái)自熱金屬的黑體,來(lái)自焊接激光的反射光,以及在某些情況下產(chǎn)生的等離子體),以此分析來(lái)表征熔池和匙孔的穩(wěn)定性。
 
  此外還有一些通過(guò)增加多種預(yù)處理傳感器(線性掃描儀,基于CCD技術(shù)的焊縫跟蹤,使用在送絲焊接的觸覺(jué)傳感器)和后期診斷分析(線性掃描儀,表面檢測(cè)相機(jī),電磁聲換能器),確認(rèn)材料可以正確送入焊接區(qū)域,焊接成品結(jié)果一致。
 
  但這些技術(shù)通常會(huì)遇到一些常見(jiàn)的局限性。其中一些技術(shù)僅可監(jiān)控焊接過(guò)程,但無(wú)法進(jìn)行測(cè)量,這也就意味著僅可將此類技術(shù)應(yīng)用于一致性檢查。也就是說(shuō),監(jiān)控系統(tǒng)可以告知用戶某一焊接與用戶提供的標(biāo)準(zhǔn)樣品不一致,但無(wú)法提示差異的具體情況及原因等有效信息。
 
  此外,大多數(shù)傳感技術(shù)僅能對(duì)焊接過(guò)程中某單一指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。而通常在整個(gè)焊接過(guò)程中需要采樣多項(xiàng)參數(shù)分析確保監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。在這種需求背景下,焊接工站內(nèi)需要增加多種裝置進(jìn)行眾多不同數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè),進(jìn)而產(chǎn)生更多的成本,并且多個(gè)系統(tǒng)并行運(yùn)行,復(fù)雜性更高。
 
  更為重要的是,上述所有技術(shù)均無(wú)法提供材料表面下方熔池和匙孔形狀的具體信息。在大多數(shù)情況下,材料內(nèi)部的幾何形態(tài)終決定了焊縫的使用性能,以及焊接材料的強(qiáng)度(對(duì)某些具體應(yīng)用而言)和導(dǎo)電性。
 
  尋找問(wèn)題的根源
 
  作為傳感器領(lǐng)域一項(xiàng)新興技術(shù),內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)解決了長(zhǎng)久以來(lái)在激光焊接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方面一直存在的多項(xiàng)挑戰(zhàn)。這一新興技術(shù)采用低功率紅外光束,通過(guò)與焊接激光同軸的光路進(jìn)行的距離測(cè)量。該技術(shù)可允許在焊接的過(guò)程中完成測(cè)量,測(cè)量光束可查看匙孔底部,直接測(cè)量熔深,這也是新一代焊接測(cè)量技術(shù)的一個(gè)重要特征。測(cè)量結(jié)果可在幾毫秒內(nèi)提供與金相測(cè)試結(jié)果幾乎相同的整個(gè)焊縫的大量信息,且無(wú)需損壞樣品本身。
 
  多功能性是這一技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵性優(yōu)勢(shì)。測(cè)量光束既可先于激光光束測(cè)量,獲取焊前信息。又可在焊接完成后測(cè)量,確認(rèn)成品焊縫的表面質(zhì)量。甚至可以通過(guò)掃描,生成樣品的3D圖像,具有的簡(jiǎn)便性和性(圖1)。
 

  圖1. 使用LDD-700內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)焊接頭獲取的不銹鋼零件3D圖像;3D視頻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)焊接激光束與零件的對(duì)焦。
 
  該項(xiàng)技術(shù)還可以快速切換到不同的測(cè)量位置,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)同步”收集不同的數(shù)據(jù)類型??傊?,在使用由單個(gè)軟件包控制的單個(gè)測(cè)量系統(tǒng)時(shí),可實(shí)現(xiàn)在五種不同的測(cè)量模式下,同時(shí)測(cè)量焊接過(guò)程中的20多項(xiàng)不同指標(biāo)。
 
  IPG Photonics于2017年底收購(gòu)了加拿大初創(chuàng)公司Laser Depth Dynamics(行業(yè)內(nèi)早使用干涉激光焊接測(cè)量解決方案的企業(yè)),從而進(jìn)軍內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)技術(shù)市場(chǎng)。自此,IPG LDD-700內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)即成為應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室中不可或缺的工具,同時(shí)結(jié)合包括掃描光學(xué)系統(tǒng)在內(nèi)的各種其他激光焊接技術(shù),在工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
 
  對(duì)激光焊接測(cè)量的靈活方式,使得這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)因各種不同的應(yīng)用有所區(qū)別。在汽車動(dòng)力總成的焊接過(guò)程中,由于焊接通常涉及昂貴的加工步驟,對(duì)原材料數(shù)量的影響很大,因此使用這一測(cè)量方法可以降低廢料成本。提高對(duì)出廠產(chǎn)品質(zhì)量方面的信心,對(duì)于生產(chǎn)汽車關(guān)鍵安全組件來(lái)說(shuō)非常重要。在上述電動(dòng)汽車領(lǐng)域,降低廢品率,限制對(duì)復(fù)雜生產(chǎn)工藝中,繁重且具有破壞性的質(zhì)量控制流程的依賴,可以快速提高生產(chǎn)能力。
 
  快速跟蹤的工藝開(kāi)發(fā)
 
  匙孔的直接測(cè)量不僅是實(shí)時(shí)質(zhì)量控制的有利工具。通過(guò)密切關(guān)注了解匙孔的狀態(tài),更方便焊接工藝工程師工藝快速迭代開(kāi)發(fā),免去試驗(yàn)進(jìn)程中必須冶金的步驟。無(wú)須離開(kāi)焊機(jī)就能正確配置測(cè)試穩(wěn)定工藝所需的焊接參數(shù),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)制定更高質(zhì)量的工藝解決方案。
 
  以復(fù)雜的焊接工藝為例,使用遠(yuǎn)程掃描振鏡、光束擺動(dòng)和單模激光源焊接異種有色金屬合金。
 
  在工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中,使用內(nèi)聯(lián)焊縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取焊縫熔深、匙孔穩(wěn)定性和焊縫表面質(zhì)量,可以節(jié)省大量時(shí)間,避免花費(fèi)大量時(shí)間探索分辨剖面檢測(cè)時(shí)可能產(chǎn)生不利結(jié)果的非工藝影響區(qū)域。當(dāng)需要在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)施該工藝時(shí),可使用相同的測(cè)量系統(tǒng)跟蹤產(chǎn)品質(zhì)量,顯示具體細(xì)節(jié)。
 
  展望未來(lái)
 
  各行各業(yè)對(duì)對(duì)智能制造解決方案越來(lái)越大的需求,也在不斷推進(jìn)激光焊接傳感技術(shù)向前發(fā)展。內(nèi)聯(lián)焊接監(jiān)測(cè)滿足了先進(jìn)制造商目前和未來(lái)的多種需求,其終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0。
 
  焊接過(guò)程中熔深測(cè)量可以提供與進(jìn)行產(chǎn)品破壞性測(cè)試結(jié)果100%一致的測(cè)試結(jié)論,大大提高了對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的信心,便于操作人員靈活有效的做出決策。簡(jiǎn)單靈活的測(cè)量方案可以為具體應(yīng)用定制標(biāo)準(zhǔn)工具,同步測(cè)量焊接過(guò)程的多項(xiàng)參數(shù),收集相關(guān)信息以確保產(chǎn)品質(zhì)量。焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的詳細(xì)數(shù)據(jù)圖像促進(jìn)了激光焊接解決方案更加符合苛刻規(guī)格要求的發(fā)展。并將進(jìn)一步推動(dòng)激光焊接工藝,滿足未來(lái)的應(yīng)用需求。
 
  (原標(biāo)題:激光焊接智能制造)
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