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)點包括：高生產(chǎn)率，容易實現(xiàn)自動化，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，將不能檢測到該過程中發(fā)生的任何故障，并會因而付出代價。在焊接點后安裝激光三角測量相機(jī)來在線監(jiān)測焊縫的幾何尺寸，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，同軸視覺檢測，旁軸聲音、視覺和溫度檢測，等離子體輻射和電荷檢測。
在過去30年中，SERVO-ROBOT一直為激光焊接的跟蹤和監(jiān)測提供主動式激光三角測量相機(jī)。該公司最近開發(fā)了新的激光過程控制系統(tǒng)（LPCS），可以單獨使用或是與3D激光三角測量相機(jī)結(jié)合使用。一個使用了該系統(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，部分會被金屬表面吸收和反射。被吸收的能量會加熱焦點位置的金屬表面，直到它熔化。熱擴(kuò)散和激光熱導(dǎo)焊模式會讓熔池擴(kuò)大。能量密度大于105-106 W/cm2的情況下，焦點位置的熔池會被迅速加熱到汽化溫度，激光光束將在金屬表面鉆一個孔從而創(chuàng)建出激光小孔。小孔的深度會隨著激光功率（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，因為形成小孔的鉆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, 用于跟蹤和監(jiān)測的激光三角測量相機(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焊接熔池反射的激光光束強(qiáng)度進(jìn)行測量。紅外輻射傳感器能測量從熔池/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，通過測量被激光熔化金屬的凝固平臺（plateau）來對光學(xué)高溫計進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。圖3在激光光束消失后測量冷卻過程中的低碳鋼板的凝固平臺。調(diào)整高溫計的校準(zhǔn)以適應(yīng)測試金屬的固相線溫度（由手冊或經(jīng)驗公式給出）。如果需要的話，可以用工作溫度范圍內(nèi)的兩個或三個固相線溫度值來校準(zhǔn)高溫計。
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)高速高溫計同軸安裝在激光焊接頭上，用來測量頻率高至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以激光焦斑為中心。
在第一個結(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，小孔區(qū)域的高溫計溫度（頂部）和激光背向反射（中部）的變化在圖4中顯示出來。在激光功率 500W左右時，增加的熔區(qū)的熔化溫度平臺和減少的熔區(qū)的凝固平臺在圖中清楚地顯示出來。在低于1.5kW的情況下，熔池溫度會升高，熔池表面會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)。在這個激光功率范圍內(nèi)，小孔的大小會增加。它推動著熔池，而振蕩的熔池表面會產(chǎn)生激光背向反射。2.5至4kW范圍內(nèi)，穩(wěn)定的小孔會達(dá)到飽和溫度，不穩(wěn)定的背向反射會消失。背向反射仍然增加是因為激光頭的內(nèi)部反射，這與激光功率直接成正比。最后的結(jié)果顯示了高溫計測量點的大小和位置在激光焊接溫度監(jiān)控中的重要性。
下一個結(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，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
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)行了一系列試驗性測試。圖6顯示，用2kW功率的激光器和4m/min的速度來焊接0.6和1.3mm厚的鍍鋅鋼板時，對接接頭邊緣的凹槽（深度在0.1到0.5mm之間）所導(dǎo)致的孔隙率被在線檢測出來。
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檢測出發(fā)生在環(huán)縫對接接頭上的0.5mm的針孔。在這里是用2.65kW功率的激光器以5m/min的速度來焊接1.6mm厚的304不銹鋼。橫向焊接的終止有時會局部擴(kuò)大焊縫間隙，并會產(chǎn)生打孔不足的激光小孔，測量的溫度和激光背向反射也會下降。
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其進(jìn)行了成功的測試。以激光焊接點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。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以檢測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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