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翻譯者：黃勝弟 南京波長光電科技股份有限公司  bob@wavelength-oe.com

王雪琴 南京波長光電科技股份有限公司  13952029004@163.com 

結(jié)合靈活性、生產(chǎn)率、精度和零缺陷生產(chǎn)，未來激光加工設(shè)備面臨的一大挑戰(zhàn)是使能技術(shù)。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加生產(chǎn)產(chǎn)量，基于激光加工過程的在線監(jiān)測和實(shí)時(shí)控制需要尋求新的傳感器。追求零缺陷生產(chǎn)的全自動化加工新方法需要智能焊接頭，該智能焊接頭將激光器、光學(xué)器件、執(zhí)行器、傳感器和電子器件集成在一個(gè)獨(dú)特、緊湊且經(jīng)濟(jì)的設(shè)備上。

激光制造過程產(chǎn)生的許多缺陷來自激光加工動力學(xué)的不穩(wěn)定性，溫度和熱動力學(xué)是監(jiān)測的關(guān)鍵因素。具有高速響應(yīng)特性的低成本紅外成像傳感器將成為新一代傳感器，用在未來的基于激光加工過程的監(jiān)控系統(tǒng)中，它能夠同時(shí)提供熱動力學(xué)信息和空間分布信息。

本文介紹了新型的、低成本的、高速的紅外成像傳感器的使用結(jié)果，此傳感器是以單片集成了市場上的Si-CMOS ROIC的先進(jìn)量子紅外成像傳感器為基礎(chǔ)。該傳感器與相同成本下的傳統(tǒng)紅外點(diǎn)探測器相比，能夠提供低分辨率圖像，在非制冷運(yùn)行狀態(tài)下幀速可達(dá)到10kHz。為了證明新傳感器技術(shù)性能，將一個(gè)低成本相機(jī)安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的激光焊接頭上，允許相機(jī)以10kHz的幀速率記錄熔池圖像，并開發(fā)特定的軟件對缺陷進(jìn)行檢測和分類，通過記錄多個(gè)激光焊接過程來研究系統(tǒng)性能和它在激光焊接過程實(shí)時(shí)監(jiān)測中的應(yīng)用性能。在實(shí)驗(yàn)過程中，會產(chǎn)生不同類型的缺陷，并對其進(jìn)行檢測，向分類器輸入這些獲得的實(shí)驗(yàn)圖像，通過自主學(xué)習(xí)策略實(shí)現(xiàn)了很有希望的結(jié)果，論證了使用低成本、高速紅外成像傳感器在推動生產(chǎn)系統(tǒng)向?qū)崟r(shí)/在線零缺陷生產(chǎn)方向發(fā)展的可行性。

關(guān)鍵詞：非制冷中波紅外，紅外，F(xiàn)PA成像，高速，激光焊接，缺陷實(shí)時(shí)檢測

1. 簡介

在工業(yè)中，激光技術(shù)的使用正飛快增長，激光加工占金屬加工年度總收入的74%，隨著市場需求的不斷增加，超過了過去一年7%。汽車、金屬轉(zhuǎn)化或增材制造是激光加工在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的例子，并被廣泛使用。由于激光加工過程參數(shù)不確定，實(shí)時(shí)(RT)監(jiān)控是激光加工研究的一個(gè)重大課題。

激光加工過程中造成產(chǎn)品缺陷的主要原因是熱動力學(xué)、溫度和熱循環(huán)，因?yàn)樗鼈儧Q定材料不希望的脆性相和殘余應(yīng)力，這些影響可能會使構(gòu)件的力學(xué)行為受損，導(dǎo)致產(chǎn)品加工失敗。熱分布和熔池(激光熔覆)的幾何尺寸或小孔(激光焊接)是其監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)，通過控制這些參數(shù)來確保激光加工的產(chǎn)品質(zhì)量。

激光加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)將靈活性、生產(chǎn)率、精度和零缺陷生產(chǎn)結(jié)合，這是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加生產(chǎn)產(chǎn)量，基于激光加工過程需要新的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，新的激光源和加工頭正向增強(qiáng)通用性和復(fù)雜性演變，允許修改不同過程參數(shù)，如激光調(diào)制、自適應(yīng)聚焦等。實(shí)現(xiàn)全自動化和零缺陷制造過程的新方法將需要智能焊接頭，該智能焊接頭將激光器、光學(xué)器件、執(zhí)行器、傳感器和電子器件集成在一個(gè)緊湊而經(jīng)濟(jì)的設(shè)備上，該設(shè)備的最終目的能夠處理：

·不斷增加的過程復(fù)雜性

·不斷增加的精度和可靠性要求

·不斷增加的自治、重構(gòu)和自診斷要求

新紅外傳感器的發(fā)展有助于將零缺陷概念引用到工業(yè)激光制造過程中。

低成本高速紅外成像傳感器

激光制造過程產(chǎn)生的許多缺陷來自激光加工動力學(xué)不穩(wěn)定，當(dāng)明確需求，滿足新一代監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于激光制造過程中，溫度和時(shí)間響應(yīng)是要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。

在激光切割過程中，熔化的材料液滴必須從切縫噴出，以避免渣和積渣，它的形成和分離所需要的時(shí)間要小于0.5ms[1]。就激光焊接過程而言，孔內(nèi)擾動會產(chǎn)生焊縫小孔，擾動的振蕩時(shí)間要小于0.7ms[2][3]。鍍層、修復(fù)或增材激光制造使用了激光熔覆技術(shù)，在無控激光熔覆過程中熔池尺寸變化1%的時(shí)間要小于200ms[4][5]。使用選區(qū)激光熔化(SLM)技術(shù)進(jìn)行增材激光制造，它所需要的時(shí)間為0.13ms，用于改變激光聚焦位置，變化的距離等于聚焦半徑，所以在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的任何擾動將會導(dǎo)致缺乏精確性或在最后部分產(chǎn)生氣孔[6]。在增材制造過程中，孔隙、空隙、松散粉末的形成和未熔透很依賴溫度變化過程，如冷卻和加熱速率，它對加工過程的關(guān)鍵部分影響很大。

監(jiān)測系統(tǒng)的采樣頻率必須是擾動現(xiàn)象造成缺陷頻率的兩倍，因此，為監(jiān)測大多數(shù)激光制造過程，采樣頻率需要高達(dá)10kHz。現(xiàn)今，基于激光加工過程的大多數(shù)工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)使用基于硅的相機(jī)(VIS-VNIR)，將相機(jī)耦合到標(biāo)準(zhǔn)的基于單點(diǎn)紅外探測器的非接觸式溫度系統(tǒng)，對焊縫區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度測量。這些類型的系統(tǒng)提供的信息不充分，是平均、空間和時(shí)間的結(jié)果，采集的紅外信號僅用了一個(gè)傳感器，失去了溫度分布和熱動力學(xué)的相關(guān)信息，更重要的問題是涉及到目標(biāo)運(yùn)動或聚焦距離，會經(jīng)常出現(xiàn)錯誤(即不可用)的測量結(jié)果。

基于高速紅外成像傳感器的解決方案能夠同時(shí)提供熱動力學(xué)信息和空間分布信息，然而，高靈敏度紅外傳感器歷來與高成本掛鉤，通常超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)范圍。而低成本紅外技術(shù)如微測輻射熱計(jì)或熱釋電器件在響應(yīng)速度方面不能滿足要求，另一方面，量子紅外探測器的響應(yīng)速度是足夠快，但由于其復(fù)雜性和技術(shù)成本，在過去這一行業(yè)中，它們的使用受到限制。幸運(yùn)的是，今天紅外技術(shù)的發(fā)展和低成本高速紅外成像傳感器已成現(xiàn)實(shí)。最近新紅外技術(shù)(NIT)公司已經(jīng)使先進(jìn)量子中波紅外成像傳感器商業(yè)化，該傳感器單片集成Si-CMOS ROIC，提供的圖像分辨率低，非制冷運(yùn)行時(shí)的幀速為10kHz，與傳統(tǒng)點(diǎn)探測器的成本相同。該技術(shù)可以被認(rèn)為是突破性的技術(shù)，滿足市場發(fā)展研究所預(yù)見的需求，該研究針對激光加工，如增材制造、焊接和鍍層。

激光焊接過程

激光焊接技術(shù)被廣泛應(yīng)用在大的產(chǎn)業(yè)，如汽車、金屬加工、航空航天等。激光焊接技術(shù)有望替代傳統(tǒng)焊接技術(shù)是當(dāng)今的趨勢。就效率、可重復(fù)性和維護(hù)而言，激光焊接技術(shù)相比于其他焊接技術(shù)的優(yōu)勢是明顯的。然而，激光焊接也有一些缺點(diǎn)，可能出現(xiàn)焊接缺陷，如洞穴、氣孔、未焊透和飛濺，這根本原因大多與連接過程中所涉及的復(fù)雜機(jī)制有關(guān)。為了避免這些缺陷，需要對激光焊接過程進(jìn)行正確的參數(shù)化，如激光功率、焊接速度、焦距、保護(hù)氣體流和橫向位置，通過控制這些參數(shù)可以獲得更好的焊接質(zhì)量。像激光光斑的幾何形狀、表面清潔時(shí)的光和物質(zhì)之間相互作用問題、材料質(zhì)量與材料組成以及接觸面積，這些參數(shù)也都直接影響焊接質(zhì)量。因此，需要更好的、改進(jìn)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)要統(tǒng)籌考慮動力(原因)和焊接區(qū)產(chǎn)生的熱動力學(xué)及空間分布(影響)問題。

圖1. 激光焊接示意圖

有幾個(gè)特征信號與激光焊接過程相關(guān)[7]，如果激光束的輻射能量足夠熔化金屬，將激光束聚焦在或聚焦到工件的表面，在熔化的金屬里會形成小孔，這小孔有助于熔池的金屬蒸發(fā)。焊接過程的主要信號來自熔池的紅外輻射，次要信號包括等離子體(主要在可見光和紫外線區(qū))和聲波輻射，大多數(shù)焊接監(jiān)測方法至少檢測出以上一種信號。就這項(xiàng)工作而言，利用小孔和熔池區(qū)的紅外輻射來檢測激光焊接過程中出現(xiàn)的不同類型的缺陷，高幀頻紅外圖像將起著關(guān)鍵作用，它在整個(gè)過程中為缺陷檢測和分類提供了熱動力學(xué)信息。

2. 實(shí)驗(yàn)安裝

紅外傳感器描述

NIT公司制造的紅外傳感器在非制冷實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)的幀速高達(dá)10kHz, 檢測的波長為中波紅外，這在工業(yè)過程監(jiān)測中是一項(xiàng)突破，圖2為該傳感器的TACHYON 1024 CORE模塊。

圖2. NIT公司的TACHYON 1024 CORE模塊：紅外相機(jī)(左)和FPA(右)

下表總結(jié)了TACHYON 1024 CORE模塊用于試驗(yàn)的主要參數(shù)。

表1. TACHYON 1024 CORE用于試驗(yàn)的主要參數(shù)

TACHYON 1024 CORE模塊(見圖2)集成的傳感器是一個(gè)32×32像素的焦平面陣列(FPA)，該FPA對中波紅外(MWIR)(1-5um)波長敏感，其參數(shù)總結(jié)在表2中。

表2. TACHYON 1024 FPA(MWIR)用于試驗(yàn)的主要參數(shù)

激光頭和相機(jī)耦合

圖3顯示了NIT高速TACHYON 1024 CORE相機(jī)與激光束同軸布置的實(shí)驗(yàn)安裝，激光發(fā)射使用了4.4kW的Rofin Sinar Nd:YAG激光器，該激光器波長為1.064um，激光束由安裝在ABB的6軸IRB 6600機(jī)器人上的Permanova WT03焊接頭發(fā)出。在本實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，機(jī)器人的速度范圍為20-45mm/s，激光功率為2700-4000W。實(shí)驗(yàn)中涉及到搭焊的兩個(gè)不同鋅鍍層鋼片，厚度分別為0.8mm和1.5mm。

圖3. 激光焊接系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)安裝，實(shí)際安裝(左)和方案(右)

3. 實(shí)時(shí)分類器

獲得激光焊接過程的熔池圖像，并在線分析圖像。圖4顯示了以2kHz幀速率獲得好的激光焊縫的紅外圖像，從中可以看出焊接過程中產(chǎn)生的飛濺物的密度。

圖4. 以2kHz幀速率獲得激光焊縫的紅外圖像，藍(lán)線代表焊接過程中產(chǎn)生的飛濺物

相機(jī)提供的原始圖像(即每秒2000幅圖像，每幅圖像1024個(gè)像素，每個(gè)像素10位)產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，因此對大量圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行降維是必要的。數(shù)據(jù)降維采用了主分量分析(PCA)，該方法使用最大方差的正交分量的一個(gè)子空間來分解圖像的高維空間[8]，僅保存原始圖像數(shù)據(jù)的四個(gè)主分量，這些分量表示具有最大方差的方向，這意味著利用PCA方法對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行降維得到的特征向量與熔池的幾何特征有關(guān)。圖像數(shù)據(jù)由1024個(gè)高壓縮到4個(gè)使得缺陷分類更快速，并對電腦的資源需求更少。

創(chuàng)建標(biāo)記缺陷的一個(gè)數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練和測試檢測算法，該數(shù)據(jù)集由在焊接過程中得到的圖像生成，通過此來判別好的和有缺陷的接頭。首先，在最終標(biāo)記缺陷之前，樣品標(biāo)記上“OK”或“NOK”；其次，對“NOK”樣品進(jìn)行鑒定和標(biāo)記，辨別板間間隙(GAP)過大未焊透、板料變形(Deformation)未焊透、漏焊(Lack of weld)和開孔(Open Pore)；最后，建立PCA主分量數(shù)組數(shù)據(jù)來訓(xùn)練系統(tǒng)(圖5顯示了分類結(jié)果實(shí)例)。

圖5. 分類結(jié)果實(shí)例：“變形”(左)和“間隙”(右)

軟件開發(fā)從TACHYON傳感器獲得原始的圖像數(shù)據(jù)，應(yīng)用PCA方法降維，為每幅焊接圖像生成一組新的數(shù)值，用K-最近鄰算法(KNN)[9]來分類這些值為“OK”或“NOK”。然后對“NOK”結(jié)果使用支持向量機(jī)(SVM)進(jìn)行重分類，這次分類為：“板間間隙”、“變形”、“漏焊”和“開孔”。

4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對缺陷的鍍鋅鋼板接頭獲得有特征的中紅外圖像數(shù)據(jù)集，來評估缺陷檢測和分類。結(jié)果在表3中給出，第一列是缺陷的類型，以下TP(true positives)代表正確，F(xiàn)P(false positives)代表誤報(bào)，F(xiàn)N(false negatives)代表漏報(bào)。表3顯示一些缺陷分類失敗，大多數(shù)這些失敗在于缺陷類型之間混淆。

表3. 不同缺陷類型檢測和分類結(jié)果

表4通過建立混淆矩陣揭示了這種解決方案的性能。缺陷的總數(shù)量為20411個(gè)，檢測到的缺陷為20171個(gè)(98.8%的缺陷被檢測到)。比較表3和表4中的數(shù)字，僅10.4%的缺陷沒被正確分類，雖然有23.7%是誤報(bào)，但是它們可以很容易地處理，因?yàn)樗鼈兛偸枪铝⒌某霈F(xiàn)。

表4. 混淆矩陣分類結(jié)果

5. 總結(jié)

激光焊接是一種最常用的現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加生產(chǎn)產(chǎn)量，基于激光加工過程開發(fā)更好的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是必要的。目前現(xiàn)有的大多數(shù)缺陷檢測系統(tǒng)工作需要設(shè)定合適的閾值，該閾值需要不斷地重復(fù)其過程來訓(xùn)練獲得，這在工業(yè)中是一個(gè)問題，部件老化、材料純度差異或維護(hù)問題是非均質(zhì)性常見來源，并且缺乏過程重復(fù)性。

本文提出了一種新的而經(jīng)濟(jì)的方法，該方法使得激光制造過程更加趨向靈活、高效、精確和零缺陷生產(chǎn)。已經(jīng)證明基于低成本、高速、非制冷中波紅外成像傳感器的機(jī)器學(xué)習(xí)解決方案能夠自動識別和分類焊接缺陷，即使將傳感器安裝在不具有自適應(yīng)功能的標(biāo)準(zhǔn)激光頭上，大多數(shù)焊接缺陷都能夠被檢測出來，檢測成功率高達(dá)98.8%，對四種類型的缺陷進(jìn)行分類：板間間隙、變形、開孔和漏焊。在大多數(shù)情況下，建立與分類結(jié)果相應(yīng)的混淆矩陣可以得到很好的分類結(jié)果，僅10.4%的缺陷沒被正確分類。此外，系統(tǒng)的檢測和分類算法實(shí)現(xiàn)了檢測速率接近1kHz。

基于非制冷成像PbSe傳感器的紅外傳感技術(shù)開辟了更徹底控制系統(tǒng)一體化的途徑，該控制系統(tǒng)是基于紅外傳感器來監(jiān)測焊接過程質(zhì)量，以合理的價(jià)格應(yīng)用于未來的工廠。

本工作部分得到歐盟第七研發(fā)框架計(jì)劃(FP7)EC項(xiàng)目“Laser equipment assessment for high impact innovation in the manufacturing European industry”(LASHARE)支持，ID-609046。

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