激光焊接与激光钎焊质量控制的有效工具
激光焊接及激光钎焊已越来越多地应用于汽车工业的白车身焊装及零部件生产中。由于人工检查焊缝质量缺乏可靠性与稳定性，因此，有必要采用可靠性高、效能先进的质量监控装置，实现对焊缝质量参数的全程、同步、无间断的精确检测。为了适应这种需求，Soudronic 汽车系统有限公司开发出第二代激光焊接及激光钎焊焊缝质量监控系统——“SOUVIS 5000”。该系统采用新型光学取像与激光感应技术，可实现对焊缝三维形面参数与焊缝表面均匀性参数进行同步检测，将两种检测功能有机地集成于一个独立的感应装置里。
在汽车工业中，较早采用且已实现大批量生产的激光焊接技术为不等厚板的激光拼焊技术。据统计，2004年全球的激光拼焊板产量为1.8亿张，预计2005年将增涨到 2.5亿张。Soudronic汽车系统有限公司（以下简称“Soudronic”）系全球领先的激光拼焊设备与系统供应商。由于激光拼焊板对于焊缝质量要求特别严格，因此，Soudronic 较早开发出了基于光学成像与激光感应技术的用于拼焊板焊缝质量监控的第一代在线实时监控系统，并将该系统应用于其激光拼焊设备与激光焊管设备上。该系统的采用极大地提高了Soudronic 在激光拼焊领域的技术竞争力，同时通过与拼焊板供应商及汽车制造商的不断交流，Soudronic开发出了新一代更加简易可靠的可视式焊缝质量检测系统——“SOUVIS 5000”（SOUdronic VIsionSystem）。由于该系统独到的技术特点及杰出的检测性能，可广泛应用于汽车制造工业的激光焊接中，如轿车白车身激光焊接与激光钎焊（见图1）及燃油喷射系统（见图2）与变速箱齿轮焊接等。
焊接工艺及其技术局限性
在工业应用中，激光焊接的工艺控制非常关键，这主要是因为：
● 待焊接工件的精度、工件焊接组合的重复定位与夹紧精度有一定限度，焊接前的间隙必须控制在一定精度内；
● 对于有些焊接形面，激光聚焦点跟踪整个焊接缝隙轨迹（长度可达2m以上）的精度要求不超出激光光束直径的10%；
● 有时待焊接工件表面会有金属涂层（如镀锌板），而金属涂层由于其材料熔点较低常常会造成焊接气孔。
在汽车工业中的大批量生产应用中，激光焊接多采用“深入焊”或“透焊”工艺。但是，即便对缝间隙控制得再好，也无法避免出现焊接缺陷。从其表面来看，焊缝缺陷可主要分为两大类：焊缝几何形面缺陷和随机缺陷，前者一般通过对一段焊缝进行观察即可发现，后者指出现在不可预知位置的局部缺陷。
“SOUVIS 5000”的图像处理系统
“SOUVIS 5000”的硬件平台为一台功能强大的工业电脑，内置有图像处理系统与实时操作系统，其感应头为一个CMOS 摄像头，摄像头具有自适应反馈特点及特殊的闪光技术。该系统可集成到TCP/IP网络中进行数据交换，也可通过母线（CAN，INTERBUS）与PLC连接进行外部控制。该系统也可与远程服务器连接，实现远程质量监控及系统故障自诊。系统的图像处理电脑也能够实现部分功能直接控制（I/Os）。nextpage
● 图像获取
由两根等幅激光线按一定角度投射到待检测焊缝上来获取焊缝的三维数据，即焊缝几何形面数据。 同时在一个闪光装置持续20μs的闪光瞬间，CMOS摄像头拍摄待检测焊缝区的灰底照片（见图3）。为获取上述两种方式在图像上的最大对比度，摄像头既有自适应光学特点，也可通过专用软件设定，因此，系统最终获取的单一图像中可反映出待检测焊缝区的全部信息。系统获取的标准图像尺寸为10mm×10mm，分辨率为10μm。在实际生产过程中，感应头或待检测工件需在连续运动中取像，系统的取像触发装置可保证连续取像的两个相邻图像有一定重叠，从而实现无间断取像检测。受限于摄像头取像速度及数据传输速度，系统的检测速度为30m/min。由于系统取像与检测速度快，因此，在实际应用中，影响检测速度的瓶颈往往是其他生产装置，如焊接机器人、工件穿梭装置等。
● 焊缝特征提取分析
激光焊接的焊缝质量检测主要取决于两方面的数据特征：焊缝几何形面的绝对测量值和焊缝表面的均匀性。焊缝的局部缺陷会对焊缝强度及表面视觉美观产生影响，因此，“SOUVIS 5000”采用如下3种方式同步探测焊缝局部缺陷：焊缝形面三维数据分析、焊缝组织结构分析和针孔分析。
焊缝组织结构一般通过一个决定性的、随机的、非均质的纤维性结构来反映，即“鱼骨形” 结构（见图4）。为了对焊缝结构进行分析，系统根据纤维结构的斜度、方向及多像素方式生成焊缝结构特征。这些结构特征可以仅通过少量的数字来反映焊缝表面质量与平滑均匀性等特征。如果在每个焊缝区这些结构特征数据变化很大，则说明焊缝出现局部焊接缺陷，比如由于等离子保护造成的溶烧深入不足或者由于工件表面涂层造成的孔隙或焊坑（见图5）。细小的焊接缺陷（如针孔）通过这种方式无法探测，因此，该系统利用第3种分析算法来发现小于几百μm的细小焊接缺陷，如在激光钎焊焊缝上探测直径仅为200μm的针孔（见图6），这种方法称为针孔分析法。
当前应用实例
“SOUVIS 5000”已经在欧洲几家汽车制造商的白车身焊装生产线上装配应用，用以检测轿车车顶激光钎焊焊缝质量及地板总成激光焊接焊缝质量。其中一个主要的应用实例为德国的奥迪汽车。1年多以前，奥迪就在其A3与新A6白车身焊装线上安装了该焊缝质量在线实时监控系统（见图7）。值得一提的是，奥迪不但采用该系统检测顶盖激光钎焊的焊缝质量，而且有选择地检测喷底漆后的焊缝质量，后者可进一步保证奥迪轿车的顶级制造质量。
在整车制造商逐步采用了“SOUVIS 5000”后，部分一级部件供应商也计划在其激光焊接设备上装配该系统。
结论
凭借在焊接质量同步可视监控领域10多年的经验，Soudronic开发出了具有独到技术的“SOUVIS 5000”焊缝质量在线实时监控系统，用于检测激光焊接或激光钎焊的焊缝质量。由于采用了激光感应与μm级高分辨率取像技术，该系统具有杰出的探测与分辨功能。整个系统集成于一个单元中，便于其在焊接生产设备上安装，并可通过远程服务器进行系统故障诊断。该在线实时监控系统具有操作界面友好、要求设置参数少、操作简单方便等优点，同时该系统硬件坚固，可完全满足车间环境3班连续生产的要求。
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