激光焊接更多的是應(yīng)用在各種大型制造業(yè)中，包括汽車制造、船舶制造、軌道車輛和航空航天。其優(yōu)點(diǎn)包括：高生產(chǎn)率，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，成本低，高質(zhì)量焊縫和低熱量輸入等等。鋼板是最大的激光焊接材料，隨著激光器功率的不斷增大，激光光束可焊接厚度和材料范圍更為廣泛的板材，現(xiàn)在激光焊接也被更多新的應(yīng)用領(lǐng)域認(rèn)可。
隨著更高的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)速度不斷提出更高的要求，業(yè)界必須提高自動(dòng)化焊接過程的在線監(jiān)控水平。沒有在線傳感器監(jiān)控，將不能檢測(cè)到該過程中發(fā)生的任何故障，并會(huì)因而付出代價(jià)。在焊接點(diǎn)后安裝激光三角測(cè)量相機(jī)來(lái)在線監(jiān)測(cè)焊縫的幾何尺寸，這種監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在許多鈑金加工中，例如現(xiàn)在廣泛用于汽車生產(chǎn)的拼焊板。但是這種技術(shù)不能檢測(cè)內(nèi)部缺陷，也不能應(yīng)用在所有類型的工藝中，例如遠(yuǎn)距離激光焊接。
其他正在開發(fā)的用于激光焊接的監(jiān)控技術(shù)包括：激光同軸光學(xué)輻射檢測(cè)，同軸視覺檢測(cè)，旁軸聲音、視覺和溫度檢測(cè)，等離子體輻射和電荷檢測(cè)。
在過去30年中，SERVO-ROBOT一直為激光焊接的跟蹤和監(jiān)測(cè)提供主動(dòng)式激光三角測(cè)量相機(jī)。該公司最近開發(fā)了新的激光過程控制系統(tǒng)（LPCS），可以單獨(dú)使用或是與3D激光三角測(cè)量相機(jī)結(jié)合使用。一個(gè)使用了該系統(tǒng)的示例充分證明了，我們可以用其在線檢測(cè)激光焊接過程的特征及缺陷。
激光焊接過程
激光光束聚焦后被傳導(dǎo)至金屬表面，部分會(huì)被金屬表面吸收和反射。被吸收的能量會(huì)加熱焦點(diǎn)位置的金屬表面，直到它熔化。熱擴(kuò)散和激光熱導(dǎo)焊模式會(huì)讓熔池?cái)U(kuò)大。能量密度大于105-106 W/cm2的情況下，焦點(diǎn)位置的熔池會(huì)被迅速加熱到汽化溫度，激光光束將在金屬表面鉆一個(gè)孔從而創(chuàng)建出激光小孔。小孔的深度會(huì)隨著激光功率（P）和線性能量（E=P/v）而增加，隨著焊接速度（v）而減少。小孔前壁的傾角隨著焊接速度的增加而增加，因?yàn)樾纬尚】椎你@孔速度受到該金屬的熱擴(kuò)散系數(shù)的限制。
圖1和圖2展示了LPCS的工作原理。在安裝此模塊時(shí), 用于跟蹤和監(jiān)測(cè)的激光三角測(cè)量相機(jī)被安裝在激光焊接頭的前面和后面。在激光頭同軸方向上安裝分光鏡、一臺(tái)攝像機(jī)、背向反射傳感器和校準(zhǔn)紅外（IR）輻射傳感器。2D照相機(jī)能提供焊接區(qū)域的二維彩色圖像。背向反射傳感器能對(duì)焊接熔池反射的激光光束強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。紅外輻射傳感器能測(cè)量從熔池/小孔區(qū)域發(fā)出的熱輻射。合適的光學(xué)濾光片能為每個(gè)傳感器選擇所需的帶通。
考慮到激光頭以及光纖互連裝置的共光路的光透射率，通過測(cè)量被激光熔化金屬的凝固平臺(tái)（plateau）來(lái)對(duì)光學(xué)高溫計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。圖3在激光光束消失后測(cè)量冷卻過程中的低碳鋼板的凝固平臺(tái)。調(diào)整高溫計(jì)的校準(zhǔn)以適應(yīng)測(cè)試金屬的固相線溫度（由手冊(cè)或經(jīng)驗(yàn)公式給出）。如果需要的話，可以用工作溫度范圍內(nèi)的兩個(gè)或三個(gè)固相線溫度值來(lái)校準(zhǔn)高溫計(jì)。
用LPCS監(jiān)控激光焊接
我們使用了IPG公司4kW的光纖激光器（400µm的光纖和700µm的焦斑），以及300mm焦距和準(zhǔn)直可變（放大倍率：1.1-1.7）的DIGI-LAS光學(xué)頭。將通過光纖連接的光學(xué)高速高溫計(jì)同軸安裝在激光焊接頭上，用來(lái)測(cè)量頻率高至40kHz的焦斑區(qū)域的溫度。背向反射傳感器被同軸安裝在光學(xué)頭上。熱輻射和背向反射的傳感點(diǎn)以激光焦斑為中心。
在第一個(gè)結(jié)果（圖4）中，在6mm厚的304不銹鋼板上以4m/min的速度進(jìn)行平板堆焊，隨著激光功率（底部）從0變化到4kW然后又變回來(lái)，小孔區(qū)域的高溫計(jì)溫度（頂部）和激光背向反射（中部）的變化在圖4中顯示出來(lái)。在激光功率 500W左右時(shí)，增加的熔區(qū)的熔化溫度平臺(tái)和減少的熔區(qū)的凝固平臺(tái)在圖中清楚地顯示出來(lái)。在低于1.5kW的情況下，熔池溫度會(huì)升高，熔池表面會(huì)反射較大比例的激光功率。1.5至2.5kW范圍內(nèi)，局部發(fā)生汽化，不穩(wěn)定的小孔伴隨著熔池出現(xiàn)。在這個(gè)激光功率范圍內(nèi)，小孔的大小會(huì)增加。它推動(dòng)著熔池，而振蕩的熔池表面會(huì)產(chǎn)生激光背向反射。2.5至4kW范圍內(nèi)，穩(wěn)定的小孔會(huì)達(dá)到飽和溫度，不穩(wěn)定的背向反射會(huì)消失。背向反射仍然增加是因?yàn)榧す忸^的內(nèi)部反射，這與激光功率直接成正比。最后的結(jié)果顯示了高溫計(jì)測(cè)量點(diǎn)的大小和位置在激光焊接溫度監(jiān)控中的重要性。
下一個(gè)結(jié)果（圖5）顯示了1.5mm厚的鍍鋅低碳鋼薄板上的熔池溫度隨著焊接線性能量（P/v）的增加而產(chǎn)生的變化，激光功率（P）從1.5變到4kW，焊接速度（v）從2變到8m/min。
在焊接能量最大時(shí)，激光光束和小孔完全穿透了鋼板，因此吸收的激光功率和平均小孔溫度隨之下降。
焊接缺陷的檢測(cè)
為了證明LPCS的潛力，在鍍鋅鋼板和不銹鋼壓輥的生產(chǎn)線上進(jìn)行了一系列試驗(yàn)性測(cè)試。圖6顯示，用2kW功率的激光器和4m/min的速度來(lái)焊接0.6和1.3mm厚的鍍鋅鋼板時(shí)，對(duì)接接頭邊緣的凹槽（深度在0.1到0.5mm之間）所導(dǎo)致的孔隙率被在線檢測(cè)出來(lái)。
圖7顯示了在304不銹鋼壓輥的工業(yè)生產(chǎn)線上進(jìn)行的激光焊接監(jiān)控的結(jié)果。在軸向?qū)咏K止的交叉部分，通過溫度和背向反射的信號(hào)檢測(cè)出發(fā)生在環(huán)縫對(duì)接接頭上的0.5mm的針孔。在這里是用2.65kW功率的激光器以5m/min的速度來(lái)焊接1.6mm厚的304不銹鋼。橫向焊接的終止有時(shí)會(huì)局部擴(kuò)大焊縫間隙，并會(huì)產(chǎn)生打孔不足的激光小孔，測(cè)量的溫度和激光背向反射也會(huì)下降。
小結(jié)
我們開發(fā)出一種新型的激光焊接監(jiān)控系統(tǒng)，并在光纖激光焊接線上對(duì)其進(jìn)行了成功的測(cè)試。以激光焊接點(diǎn)為中心的同軸紅外熱輻射和背向反射傳感器位于焊接效果的中心，它們對(duì)于激光焊接金屬板的過程在線監(jiān)控是最有用的部分。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以檢測(cè)出以下激光焊接的特征和缺陷：熱導(dǎo)焊和小孔焊接模式、激光頭和工件的激光背向反射、完全穿透的小孔、低功率焊接、穿透不足、鋼邊緣表面凹槽、孔隙率、焊縫間隙的變化和未焊透。
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