數字激光視覺在激光焊和復合焊接中的應用

陳志翔

(北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124)

數字激光視覺在激光焊和復合焊接中的應用

陳志翔

(北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124)

為了獲得更高焊接速度下的焊接高質量，激光焊接或激光電弧復合焊接通常需要自動化的控制系統。智能的數字激光視覺技術能保證激光或激光電弧復合熱源準確地對中焊縫，在焊接時根據所測量的間隙和錯邊等數據實時地調整焊接過程參數，并在線檢測焊后焊縫成形和探測表面缺陷。DIGILAS／MDL智能激光焊接模塊在激光拼焊中的應用和數字激光視覺在結構型材、船板、管件及直縫焊管等的激光電弧復合焊系統中的應用，說明激光視覺已成為激光焊接和激光電弧復合焊接系統中提高焊接質量和一致性、增加有效焊接時間和降低總體焊接生產成本的關鍵組件。

激光視覺；激光焊；激光電弧復合焊

0 前言

近年來，隨著激光功率和光束質量的提高及運行維護成本的降低，激光焊接已經被許多工業領域所接受，在汽車、航空航天、鐵路車輛、電子、家電廚具等制造行業得到越來越多的應用。而激光電弧復合焊接綜合了激光和電弧兩種熱源的優勢，改善了激光焊接的工藝適應性，在焊接鋁合金、鈦合金、高強材料、耐熱材料和異種材料等方面表現出高接頭質量和高效率的優勢，所以激光電弧復合焊的應用也在逐步增加。

由于使用了高能量密度的激光熱源，激光焊接或激光電弧復合焊接通常比傳統電弧焊的速度快得多。受人的反應速度限制，人工在線對中或調整很難適應1.5 m／min以上的焊接速度。因此，基于激光視覺的焊縫跟蹤系統、自適應控制和焊接質量檢測技術已成為保證自動化激光焊接或激光電弧復合焊接的質量及其一致性的重要手段。

1 激光視覺技術

1.1 激光視覺的原理

激光視覺是一種基于光學三角測量原理的視覺傳感技術。激光束以光面的形式投射到目標物體的表面，形成目標截面幾何形狀的條紋。經過透鏡成像，利用面陣光敏探測器可以得到表征目標截面的激光條紋圖像。而當激光傳感器沿著物體表面掃描前進時，就能得到所掃描表面形狀的輪廓信息，如圖1所示。根據所獲得的輪廓信息，就能計算出坡口位置、截面形狀、截面面積或表征焊縫成形的幾何特征量。

圖1 激光條紋輪廓與所掃描的焊縫三維形貌

1.2 激光焊接對激光視覺的要求

與傳統人工操作的電弧焊接類似，激光焊接或復合焊接同樣需要將熱源對準接頭，并控制輸出恰當的能量。由于更高的能量密度和更快的焊接速度，激光焊接對工件的精度、裝夾的重復精度以及運動機構的定位精度提出了更高的要求。為了能夠可靠地分辨小至0.1mm的間隙，通常要求激光傳感器的分辨率小于0.01 mm。激光傳感器還必需具備更快的處理能力，才能滿足高速焊接的要求。例如，在6m／min的焊接速度下，要實現每1mm一次的焊縫跟蹤調整，就需要激光傳感器能夠以100 Hz以上的頻率進行響應。在這一速度下，激光傳感系統只有達到500 Hz以上的圖像處理能力才有可能探測到直徑0.2 mm的表面氣孔缺陷。此外，應用于焊接的激光傳感器必須具備抵抗焊接的煙塵與飛濺、抗振動、抗碰撞、耐高溫、抗電磁以及電氣噪聲干擾等特性。

1.3 激光視覺控制焊接質量的措施

在保證良好的一次成品率的同時，實現焊接生產率的突破往往取決于焊接自動化的總體系統質量。如果僅僅在焊接結束后才檢查焊接的質量，前面可能出現的問題就得不到解決。圖2顯示了Servo－Robot公司的激光視覺技術在焊接前、焊接過程中和焊接后對焊接質量進行控制的措施[1]，主要包括：

(1)按照核準的程序首先檢驗接頭，確保工件已被正確裝配，并能在焊前發現和糾正不正確的裝配。

(2)焊接開始前，搜索定位接頭位置，使焊槍或激光從起焊位置對準焊縫。自動搜索接頭的終點，保證在正確的位置停止焊接。

(2)實時可靠的激光焊縫跟蹤，保證焊槍或激光與接頭的完美對中，且不依賴于焊接工藝。

(3)自適應調整焊接過程參數，自動補償接頭變化，可減少無用的過度焊接以及代價高昂的變形。這有助于保持正確的熱輸入量控制，保證焊接接頭的冶金性能和機械性達到設計要求。

(4)焊后自動檢測焊縫成形的幾何特征參數和探測表面缺陷。這比傳統的人工檢測更快且更可靠，提高了組件的疲勞壽命和結構性能。

(5)采用多種聯網的傳感器能夠檢測焊接系統，確保遵從焊接工藝規程，同時也能幫助制定焊接工藝規程和進行實時監控。

(6)數字激光視覺系統能夠與其他組件實時數字通信，實現高速閉環控制。

圖2 激光視覺確保焊接質量、減少浪費和降低制造成本

2 數字激光焊接模塊及其工業應用

Servo－Robot的DIGI－LAS／MDL是一種智能模塊化激光焊接系統。它包含了實時焊縫跟蹤、焊縫檢測和實時過程控制功能。完整配置的系統主要包括激光焊接頭、兩個Quanta激光視覺傳感器、視覺處理與控制系統、伺服驅動系統、執行器及HMI人機操作界面等。DIGILAS／MDL系統能在CNC專機或關節式機器人上精確地焊接直線或曲線焊縫。

圖3所示的DIGI－LAS／MDL焊接頭可在最大20 kW的激光功率下連續工作。焊接頭上的2D攝像頭可實現對小孔或熔池的同軸監控。Quanta激光攝像頭是專為高速激光焊接應用設計的激光傳感器，其平均分辨率為8 μ m，可以跟蹤等厚度的對接拼板，最大的圖像采樣幀率可達2000幀／秒，適合高速、高精度的焊縫跟蹤。傳感器還內置了2D圖像傳感器，可用于觀測工件上大功率焊接激光焦點附近的情況。傳感器距工件的安裝距離為100mm，所以DIGILAS焊接頭的可達性很好。Quanta內置的固體激光管的壽命超過50 000 h。由于堅固的外殼和可靠的焊接煙塵和飛濺防護措施，系統能保證工業現場的長期可靠使用。

圖3 典型配置的DIGI－LAS／MDL

安裝在前面的Quanta激光攝像頭用于焊縫搜索、焊縫跟蹤、自適應控制；后面的Quanta激光攝像頭用于焊后的焊縫成形與缺陷檢測。這兩個傳感器可以根據焊接方向設置它們的跟蹤或檢測功能。因此，DIGI－LAS／MDL可以實現前進或后退兩個方向的焊接。

DIGI－LAS／MDL典型的應用是汽車工業剪裁拼焊板件(TWB)的激光焊接。圖4顯示了專機形式焊接TWB板的一種配置。應用4kW的YAG激光，可焊接0.6～3.2 mm厚的板材，最大焊接速度7.5 m／min。生產線采用機器人自動上、下料。在焊接平臺上自動裝夾工件后，數控專機帶動焊接頭作直線運動完成對剪裁板件的焊接。

圖4DIGI－LAS／MDL在TWB焊接專機上的應用

圖5 是一種機器人激光拼焊的應用。為了適應大的工作空間，激光拼焊系統采用了大型的關節式工業機器人。當機器人具有較大的工作空間時，其高速路徑跟蹤精度就較低。DIGI－LAS系統采用了一種Servo－Robot專利的補償技術，系統在示教調試的時候事先記錄機器人系統的誤差，然后在實際焊接運行時由執行器實時補償機器人運動的誤差。DIGI－LAS／MDL的跟蹤激光條紋和檢測激光條紋的距離只有24 mm，這種機器人激光拼焊系統可以焊接曲率半徑最小35 mm的曲線焊縫。

圖5 機器人激光拼焊系統

目前，DIGI－LAS／MDL還應用于國內的鐵路車輛上不銹鋼薄板的激光拼接，航空航天鋁合金和鈦合金板件的激光焊接，鋼板連續軋制生產線上鋼卷的激光焊對接。

3 激光視覺在激光電弧復合焊接中的應用

激光電弧復合焊接結合了激光焊與電弧焊的優點，獲得了優良的綜合性能。2004年，美國Appried Themal Sciences(ATS)公司開發了自動化激光電弧復合焊接技術，用來焊接造船和其他工業中的輕型結構型材[2]。最初的系統采用了25kW的CO2激光和MIG復合焊接HSLA－65高強鋼I和T型材。如圖6所示，Servo－Robot的Mini－i／60激光傳感器用于焊縫跟蹤和測量對接或角接接頭的間隙。專門設計的過程控制系統根據間隙實時自適應調整激光功率、焊接電源功率和送絲速度。對于4.8 mm厚的I型對接接頭，系統能夠自動適應0～1.5 mm的間隙，獲得優質接頭，最大焊接速度達3.8m／min。系統可以焊接最厚12mm的T型材，焊接速度2.5m／min。在焊接接頭后部，采用了PX－10／25激光傳感器檢測焊縫成形。與傳統的焊接型材相比，采用了實時的焊縫跟蹤和閉環控制的激光MIG復合焊接的結構型材，制造精度明顯提高，焊接熱變形明顯減小，疲勞壽命顯著提高。最近ATS公司也采用了圖7所示的光纖傳輸的YAG激光MIG電弧復合焊接系統，用于焊接船板，包括“三明治”結構。系統采用的Rafal激光傳感器具有更高的分辨率，可以跟蹤密貼的對接焊縫。

圖6 Mini－i／60和PX－10／25用于激光電弧復合焊

圖7 Rafal用于船板的激光電弧復合焊

大多數的激光電弧復合焊能夠適應0.5 mm以下的間隙，對于更大的間隙則需要降低焊接速度。ESAB的激光復合焊系統在利用Servo－Robot的RAFAL激光傳感器實現自動焊縫跟蹤的同時，根據傳感器測得的間隙值實時調整焊接速度，使得系統在有襯墊時可以自適焊接0～2 mm間隙的對接接頭，無襯墊時可以自適應焊接0～1 mm間隙的對接接頭。

在造船行業，有各種各樣的管件需要焊接。美國Pennsylvania州立大學在GD NASSCO船廠建立了自動激光復合焊接系統來焊接各種管件[3]。系統集成了7 kW的IPG光纖激光、Fronius的Transpulse Synergic 5 000 MV焊接電源、ABB 6軸機器人和Servo－Robot的Rafal激光視覺傳感器。與傳統人工操作的多道電弧焊接相比，采用激光電弧復合的單道焊接減少了焊接起動停止的次數，減少了出現缺陷的機會。通過減小過程的變化，自動的復合焊提高了過程的一致性。除了提高焊接質量和一致性外，激光復合焊接也大幅節省焊接時間和成本。傳統的GMA焊接方法，一般需要以12～24 cm／min的速度焊2～7道，而采用自動激光復合焊接，能以76 cm／min的速度單道完成管件的焊接。包括坡口準備和裝配時間在內，圖8所示的帶數字激光跟蹤的管件激光電弧復合焊接系統可以節省約23%～49%的時間，并減少填充焊絲的用量和焊接煙塵的產生量。

圖8Rafal用于不銹鋼管件的焊縫跟蹤

圖9 是ATS公司用于焊接重要管件的激光電弧復合焊系統的配置。除了前置用于焊縫跟蹤的RAFAL激光傳感器外，還在激光頭的后面配置了雙傳感器技術的POROSCAN激光傳感器，用于檢測焊縫成形和探測表面細小缺陷，確保獲得優良的接頭。

圖9 用于重要管件的激光電弧復合焊接系統

在直縫焊管制造中也有采用YAG激光MIG復合焊接不銹鋼管的縱縫。圖10所示的系統可以焊接6～12 mm厚的管子，最大焊接速度3 m／min。

圖10 帶激光跟蹤的不銹鋼直縫管機器人激光電弧復合焊接系統

在鐵路車輛鋁合金車體的焊接應用中，與MIG焊相比，激光MIG復合焊的熱輸入量低、焊接速度快，焊接變形小，并能獲得更好的接頭性能。日本近畿車輛株式會社應用激光MIG復合焊技術焊接鋁合金車體的車頂構件[4]。激光MIG復合焊采用了比單純MIG焊接更小的坡口，而且焊接速度更快，所以對焊縫跟蹤提出了更高的要求。焊接系統采用了圖11所示的TX／S激光傳感器跟蹤車頂構件25 m長的焊縫。TX／S傳感器橫向和高度的分辨率分別是0.035 mm和0.06 mm，圖像采集的最高幀率可達1 000幀／秒。數字傳感器件為高速、靈活的圖像處理提供了優秀的硬件平臺。傳感系統成功地解決了鋁合金光亮表面反光對圖像質量影響的問題，在非常光亮的鋁合金表面也能實現穩定可靠的焊縫跟蹤與自適應焊接參數控制。在TX／S基礎上改進的新型DIGI－I激光視覺傳感系統可以分別實現焊縫跟蹤和焊縫檢測功能。這樣，系統能夠在焊前搜索定位焊縫，在前進的過程中實時跟蹤焊縫并進行自適應參數控制，在焊后返回的過程中檢測焊縫成形與探測表面缺陷。

4 結論

激光焊接和激光電弧復合焊接作為新型的焊接工藝，能夠提高焊接速度、降低成本和提高焊接質量。在焊接速度提高3～10倍所帶來焊接效率大幅提高的同時，往往要求焊接系統必需是自動化的。智能的數字激光視覺傳感技術保證激光或電弧復合熱源能準確地對中焊縫，在焊接過程中能夠根據所測量的間隙和錯邊等數據實時地調整焊接過程參數，并能在線檢測焊后的焊縫成形和表面缺陷。智能化激光視覺傳感技術已成為激光焊接和激光電弧復合焊接自動化系統中提高焊接質量和一致性、提高有效焊接時間和降低總體的焊接生產成本的關鍵組件。此外，智能視覺系統易于使用和操作的特性也使得焊接自動化系統的集成和操作更為簡單。

圖11 配有TX／S激光傳感器的激光MIG復合焊裝置

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[4]米谷弘.レーザー·MIGハイブリッド溶接のアルミニウム車両への適用[J].近畿車輛技報，2006(13)：33－35.

Digital laser vision applications in laser welding and hybrid laser arc welding

CHEN Zhi-xiang
(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

In order to acquire high welding quality at higher welding speed，automatic system is often necessary for laser welding or hybrid laser arc welding process.Intelligent digital laser vision system can keep laser or hybrid laser arc source precisely align at joint，and adjust welding process parameters in real time according to the measured gap and mismatch value during welding.It also can measure the weld geometry and detect surface defects online.The example applications of Servo－Robot intelligent laser welding modular in tailed welded blank and digital laser vision applications in hybrid laser arc welding structural shapes，ship panels，pipes and tubes were demonstrated.Laser vision has been a key component to keep high welding quality and consistency，to increase effective welding time and reduce the total production cost.

laser vision；laser welding；hybrid laser arc welding

book=47,ebook=316

TG409

A

1001－2303(2010)11－0047－05

2010－10－14

陳志翔(1972—)，福建莆田人，副教授，博士，主要從事焊接過程控制及自動化的研究工作。