分类：电子论文 时间：2022-01-17 热度：659
摘 要：针对近几年来国内外关于激光焊缝无损检测技术的研究工作进行了详细分析与研究，比较了激光焊缝各类无损检测方法的优劣性，并对未来激光焊缝质量检测技术发展方向进行了探讨。
关键词：激光焊接;焊接接头质量;无损检测
在激光焊接技术快速发展和广泛应用的同时，激光焊缝质量检测方法的研究也得到了更多关注。目前国内外对于激光焊缝质量的监控与检测，按照激光焊接的阶段主要分为三类[1]：(1)焊前监控，主要侧重于对焊缝的跟踪;(2)焊接过程中的监测，在激光焊接过程中由于激光与材料的相互作用，会产生多种形式的能量，使用合适的传感器可以从中测量光学和声学过程信号。在此过程中，可以监测与提取导致焊接缺陷的重要信息;(3)焊后检测，侧重于对焊接后的焊缝进行检测。主要是由涡流、超声、射线以及视觉等无损检测技术对焊后的焊缝质量和缺陷进行检测。
本文主要针对激光焊缝的无损检测方法进行研究和分析。激光焊接的过程是一种非线性的、多变量的、复杂的时变和动态过程，焊接过程易受到焊接接触不良、焊接工艺参数的波动、工件装卡不到位等诸多不稳定因素的影响，使焊缝不可避免地产生一些缺陷[2-3]。激光焊缝表面缺陷一般是错边、被氧化黑斑等缺陷，内部缺陷一般是未熔合、气孔、裂纹、未焊透等缺陷。并且由于激光焊缝深宽比大、焊缝细窄等特点，常规无损检测方法对于激光焊缝检测都有一定的局限性，这也使对激光焊缝的检测成为当下研究的难题。不锈钢是一种常利用于激光焊接技术实现连 接 的 材 质，且 对 于0.2mm～4mm 厚 的 不锈钢材料来说，其激光焊缝质量检测的难度相比于厚度大的不锈钢材质更加困难。因此实现对薄板不锈钢激光焊缝质量的有效检测是当下十分必要和迫切的需求，同时研究和分析相关的激光焊缝无损检测方法是实现薄板激光焊缝质量检测的重要前提。
1 激光焊接接头无损检测现状
1.1 超声
基于超声波的焊缝质量检测技术主要是利用发射探头向被测工件表面通过耦合剂发射超声波，超声波在工件内部传播时遇到不同界面将有不同的反射回波信号，利用不同反射信号传递回到探头的时 间差来检测工件内部的缺陷，并根据荧光屏上显示反射回波信号的高度和位置等信息可以判断缺陷的位置、大小和大致性质等。
吉林大学的刘静[4]等人搭建了一套针对不锈钢薄板焊接接头的超声无损检测系统，深入研究和比较了超声 A扫描信号测量法与超声FFT信号测量法对于不锈钢焊接接头检测的优缺点。试验表明了在门槛值为40%时基超声FFT信号测量法的测量值与实测值较为吻合，其精度和稳定性都要优于超声 A 扫测量法。吉林大学的谷晓鹏[5]等人提出了一种以测量等效宽度为目的的计算模型，弥补了传统6dB法的不足之处，试验表明对于检测区域接头内部两层钢板接触面处的熔宽计算精度可以达到0.05mm。
周庆祥[6]等人针对不锈钢薄板搭接激光焊缝的超声C扫描成像技术进行了研究，通过分辨激光焊缝熔合区和非熔合区的脉冲反射波，将 A 扫描反射波转换成C扫描图像以显示焊缝横截面形貌，最后与破坏性试验的结果对比，发现超声C扫描成像技术检测的结果与破坏性试验的检测结果较为吻合，表明了超声C扫描成像技术对搭接激光焊缝质量检测的有效性。目前超声C扫描成像检测技术以其检测快速和判定精确的优势，广泛应用于轨道车辆等领域的搭接激光焊缝质量与缺陷检测[7-8]。
长春工业 大 学 的 徐 惠 妍[9]等 人 采 用 了 一 种 独特的内水浸耦合的相控阵超声探头，提高了声波信号的稳定性，并 在 门 槛 值 为40%时，对 比 了 超 声 A扫法和 FFT 法的等效熔宽测量值与实际熔宽值的相对误差和 方 差 值，实 验 结 果 表 明 TTF 法 拥 有 较高的精度和稳定性。
Passini[10]等人采 用 了 一 种 脉 冲 回 波 超 声 相 控阵技术 对1.6mm 厚 的 Aa6013薄 铝 板 材 的 激 光 焊缝进行了检测试验，得出在分别接受到母材的衰减回波信号时，不仅可以识别到焊缝，还可以识别出成组的气孔。由于焊接样品的金相检验没有发现微裂纹，因此无法验证超声波衰减原理是否能应用于焊缝的裂纹检测。Salzburger[11]介绍了一种新的超声波技术，旨在对定制毛坯的激光焊缝进行在线检测，并且该激光 焊 缝 的 检 测 还 要 求 检 测 速 度 需 要 达 到10m/min，以及采用的信号处理技术需要满足自动化。对此该文设计和开发了一套由自由电磁声换能器激发超声波进行检测的系统，该文所开发 的 UT系统和所使用探头的扫描原理如图1所示。图1 UT系统和所使用扫描探针的扫描原理[11]超声检测技术具有探测距离大、精度高等优势，因此在焊缝质量检测中扮演着非常重要的角色;但超声检测技术仍存在一定的局限性，例如检测结果显示不够直观，易漏检，超声波容易受到焊缝晶粒组织粗大以及结构各向异性导致的超声波声束的散射、畸变以及对近表面缺陷不敏感等问题。接触式的常规超声检测技术易受到表面状态的影响，水浸式超声检测技术的自动化实现易受到生产环境的限制，而基于空气耦合的超声检测技术对激光焊缝的检测还处于可行性研究阶段，不够成熟。
1.2 X射线
X射线穿透工件，与工件发生复杂的物理作用，工件局部存在缺陷，对射线的衰减与正常区域不同。射线检测通过透射射线在均匀物体和不连续部位的强度差异判断工件中是否存在缺陷、缺陷位置、大小尺寸和缺陷性质。
在文献[12]中作者采用 X 射线照相技术对 Ti-6Al-4V合金材料激光焊接接头的气孔缺陷进行检测，以研究 Ti-6Al-4V合金材料激光焊缝中气孔存在的情况及其影响。通过试验得到胶片并进行不同试件胶片的比对表明，该材料的直径大小直接关系到激光焊接接头中存在的气孔占比，较薄直径的 Ti-6Al-4V合金材料激光焊接接头的气孔 占 比 更 小。文 献[13]中作者主要研究了含镍高温合金激光焊缝的质量和性能，并采用了 X射线照相技术对不同尺寸、不同牌号含镍高温合金材料的激光焊缝进行了气孔检测和质量评价，为后续该材料的相对质量以及性能研究提供了依据。刘尊波[14]等人利用 X射线实时成像检测技术对环直径约为300mm，壁厚为5mm 薄壁圆环的激光焊缝进行实时成像检测，试验结果表明该法能检测出环焊缝中最小为0.4mm 的孔型缺陷，检测灵敏度优于2%。
X射线照相检测技术对于激光焊缝质量的检测费时费力，并且对激光焊缝部分类型缺陷检测十分困难，难以实现自动化实时检测，不适用于生产线上检测。相比 X射线照相检测技术，X 数字射线技术更易于自动化，能够较好地投入到生产线上的实时检测中，但数字 X射线检测技术对薄板激光焊缝缺陷检测比较困难，其对比度、灵敏度难以满足缺陷检测要求。
1.3 红外热成像
主动式红外热成像技术可以通过设计不同特性的热源(如：超声波、电磁、热风等)并在上位机程序的控制下进行周期和脉冲等函数形式对被测物体进行加热，同时对被测物体热辐射的红外线特定波段信号进行采集，并将该信号转换为可供视觉分辨的图像信号，最后通过上位机的图像处理模块对图像进行处理和分析，以直观的图像形式显示检测结果。基于红外热成像技术的焊缝质量检测是通过扫描、记录被检材料表面上由于缺陷或材料不同的热性质所引起的温度变化，以检测焊接件中的未焊透、裂纹、空洞和夹杂物等缺陷。
超声红外热成像技术是一种新兴的无损检测技术，具有灵敏、快速等优点，对裂纹型缺陷尤其敏感，应用于制造业及航空航天领域。首都师范大学的陈大鹏[15]等人以不同的激光焊接功率和不同的激光焊接速度制作激光焊接试样，再对试件进行超声红外热成像检测，分析了焊接功率和焊接速度对激光焊缝质量(焊缝熔宽与熔高)的影响;在后续的研究工作中，陈大鹏[16]等人又利用超声脉冲相位热成像技术对在不同的激光焊接功率和激光焊接速度下得到的激光焊接试样进行了检测，通过检测热图显示的激光焊缝实际质量分析了焊接功率与焊接速度对激光焊缝质量的影响，并对原始热图序列进行了傅里叶变换，得到了振幅和相位热图序列，并发现相位图不会受表面光学特性与初始条件的影响，能更清晰地显示缺陷的结构信息，最后对激光焊接质量做出了一定的评价。
文献[17]中作 者 Masoud指 出 在 高 功 率 光 纤 激光焊接过程中，熔池的热辐射包含了大量的焊接质量信息，其中熔池宽度可以反映焊接稳定性。因此，红外成像技术是提取高功率光纤激光焊接熔池宽度特征的重要监测方法。Maoud等人首先采用10kW 大功率光纤激光器连续焊接304型奥氏体不锈钢，并在焊接过程中采用高速红外摄像机对激光焊接过程中熔池及其周围环境的红外图像进行采集，焊接过程红外热成像检测系统如图2所示。在高功率光纤激光焊接过程中，应用高速红外热成像系统采集了熔池红外图像，并提取了熔池形状特征和焊缝质量信息。该文分析了一个熔池的红外热图像特征，并采用常规同态滤波算法和基于傅里叶变换的改进同态滤波算法分别提取了熔池宽度。实验结果表明，基于傅里叶变换的改进同态滤波算法提取的熔池宽度在红外图像处理和熔池宽度检测中具有更高的精度。
红外热成像技术具有不与被焊材料接触以及可检测范围大等优势，主要应用于激光焊接过程中对焊缝质量的实时检测。由于其检测精度低等问题，难以满足对激光焊后焊缝的高精度检测要求。
1.4 涡流检测
涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法，适用于导电材料。当把一块导体置于交变磁场中，在导体中就有感应电流存在，即产生涡流。由于 导 体 自 身 各 种 因 素(如 电 导 率、磁 导率、形状、尺寸 和 缺 陷 等)的 变 化，会 导 致 涡 流 的 变化，涡流检测就是利用这种变化的现象对导体的性质和状态进行评定。
文献[18]中作者Zosch对激光焊缝缺陷的检测与分类进行了研究与试验，分别对合格试样和含有缺陷的试样进行了涡流检测，并对涡流数据进行了预处理，在图3中的阻抗平面图中分别显示了合格试样与缺陷试样在变化的相对距离下的涡流检测信号。最后利用射线照相、金相等参考方法验证了涡流检测试验的检测与分类结果的合理性。在文献[19]中作者设计了一种涡流检测系统，该系统主要用于制造过程中对核武器的主要部件进行现场环向焊缝深度测量，其检测的目的是在尽量减少与零件接触的同时，对焊缝质量提供一个准确的、可重复的评估。文献提出了一种涡流数据评估分析的 方 法，用 于 对 焊 缝 质 量 状 态 的 评 估。文 献[20]的研究人员设计了一种各向异性磁阻 AMRD传感器阵列以检测铝板激光焊缝缺陷，并利用有限元模型研究了焊缝拓扑结构对铝材的气孔和夹杂物等缺陷检测的影响。最后通过试验结果表明该涡流检测系统的检测半径仅为65!m，较 小 缺 陷 的 检 测受到焊缝表面 不 均 匀 的 限 制，降 低 了 EC 裂 纹 检 测的可靠性，并提出了2种方法去解决因焊缝表面不均匀所造成的问题：(1)通过采用适应线圈几何形状的复杂激励方 案 以 降 低 试 件 表 面 的 EC 密 度，从 而获得较低的噪声水平;(2)通过焊缝的三维重建方式计算得到相应的磁场响应，再从检测场图中减去该响应，可将峰值间噪声水平降低5倍，降低到4NT，且能检测到半径仅为25!m 的缺陷。
涡流检测是一种非接触式的无损检测方法，无需耦合剂，易于实现高速、高效率的自动化检测;也可在高温下进行检测，或对工件的狭窄区域及深孔壁等探头可到达的深远处进行检测，对工件表面及近表面的缺陷有很高的检测灵敏度。涡流检测还可用于电导率测量、膜层厚度测量及金属薄板厚度测量。涡流检测可对检测结果进行数字化处理，其结果易于存储、再现以及结果数据的再处理。但是涡流检测对于厚度较小、焊缝宽度窄的激光焊缝缺陷检出率不高，容易漏检，无法实现对激光焊缝部分类型缺陷(错边等缺陷)的检出，并且影响涡流效应的因素较多，因此目前涡流检测对缺陷定性和定量还比较困难。
1.5 结构光视觉
结构光是一组由光源和摄像机组成的系统结构。通过光源投射特定的光信息到物体表面后，由摄像头采集。根据物体造成的光信息变化来计算物体的位置和深度等信息，最终以图像的形式复现整个三维空间。近些年来，国内外研究人员对结构视觉检测技术进行了大量研究，结构光视觉检测技术广泛地应用于物件的三维轮廓测量、外观质量检测、零部件识别等领域中，并且结构光视觉检测技术通过计算机以图像作为信息进行处理，检测速度快、检测效率高、检测精度高、能够实时显示、结果显示直观，易于自动化且工作环境适应性强，极大地缩短了产品出厂的时间，有效地提高了工业生产作业效率。
叶结和[21]等人在分析了焊缝表面粗糙度、工件倾斜等随机因素对焊缝表面状态检测结果影响的基础上，开发了移动均值滤波及图像倾斜修正处理等算法，有效除去视觉检测过程中的随机干扰及激光传感器与工件倾斜角度对检测数据的影响，为激光焊缝表面状态的准确评估提供了条件。并基于激光焊缝表面检测轮廓曲线特征点的识别，建立了激光焊缝表面/余高/下榻量的检测计算模型。通过对焊缝的检测试验结果与金相试验的结果比对，表明了3D激光视觉检测获得的激光焊缝表面轮廓曲线与相应的金相检测结果吻合良好，很好地反映了焊缝表明的状态。李凯[22]等人围绕不锈钢薄板激光焊缝表面微小尺寸的检测需求，开发了高效、准确的基于机器视觉检测技术的自动化焊缝余高检测系统，实现了非接触式的检测评估。并利用点云三维重建的方法对焊缝表面进行了重建，再对三维点云图像进行了图像校正与分析，通过获取焊缝轮廓上的特征点计算获得余高的大小，最后采用金相试验验证了该方法的可靠性及检测精度，该检测系统所测量的余高值与破坏性金相检测 方 法 得 到 的 实 际 余 高 值 之 间 的差值小于0.05mm。吉林大学的彭博[23]等人根据激光三角测量原理，使用点光源激光传感器进行检测，对搭接激光焊缝的余高、宽度和下榻量进行测量，采用14阶多项式拟合方法准确识别焊缝特征，焊缝余高的检测误差小于0.05mm，平均误差在10!m 以内。
文献[24]中采用了基于激光三角测量法的激光视觉检测对激光焊缝进行检测，提出了快速可靠的基于滑动向量法的激光条纹轮廓特征点检测方法，并对焊缝相关尺寸的测量方法进行了研究，通过焊缝尺寸对焊缝质量进行缺陷检测和评价。该激光视觉检测系统可实现激光焊缝的三维实时重建、激光焊接过程监控及焊接质量的检测，试验结果如图4所示，试验表明了系统焊缝尺寸及对缺陷类型和尺寸大小检测具有较高的准确性，并且能够满足对激光焊缝的实时检测。
结构光视觉检测技术是一种非接触式成像检测技术，其 检 测 速 度 快、精 度 高、抗 光、抗 电 干 扰 能 力强，能较好地适应各种生产线，并且易于实现自动化和智能化，目前结构光视觉检测技术已广泛应用于物体的三维轮廓测量、外观质量检测、零部件识别等领域中。但 结 构 光 视 觉 检 测 技 术 也 具 有 一 定 局 限性，该技术通常无法实现对试件内部部分缺陷(如气孔、未熔合、裂纹等缺陷)的检测。
2 结论
本文主要针对国内外激光焊接接头质量的无损检测方法与技术研究工作进行了分析，通过各种无损检测方法优劣性分析，得出以下结论：
(1)超声检测可检测的距离大、精度较高、可实现自动化和智能化检测，但是其结果显示不够直观、易漏检。接 触 式 超 声 检 测 技 术 易 受 到 表 面 状 态 影响，水浸式超声自动化检测技术的实现容易受到生产线的环境限制，而基于空气耦合的超声检测技术对激光焊缝的检测还处于可行性研究阶段，还未投入到工业应用的实例
。(2)基于 X射线的检测技术能够对激光焊缝内部部分缺陷(如气孔等缺陷)进行检测。但是激光焊缝的深宽比大、焊 缝 细 窄，使 得 基 于 X 射 线 的 激 光焊缝质量检测十分困难。
(3)主动式红外热成像技术具有非接触式与检测范围大的优势，主要应用于在激光焊接过程中焊缝质量的实时检测。由于其检测精度不高等问题，难以满足对激光焊后焊缝的高精度检测要求。
(4)涡流检测具有非接触性，易于自动化，并对工件表面及近表面的缺陷有很高的检测灵敏度。但是涡流检测对于厚度较小、焊缝宽度窄的薄板激光焊缝的缺陷检出率不高，容易漏检，无法实现激光焊缝表面缺陷(如错边、被氧化黑斑等缺陷)的检测，并且影响涡流效应的因素较多，对缺陷定性和定量比较困难。
(5)结构光视觉检测技术具有非接触性，检测速度快、精度高、抗光、抗电干扰能力强，能较好地适应各种生产线，并且易于实现自动化和智能化，但结构光视觉检测技术无法实现对试件内部部分缺陷(如气孔、未熔合、裂纹等缺陷)的检出。
综上所述，虽然常规无损检测技术由于技术特点针对激光焊接质量检测中各具优势，但各自存在天然的局限性。针对薄板激光焊接接头缺陷检测，需要结合具体对象、场景和缺陷质量要求，针对性设计以激光结构光与机器视觉结合的表面缺陷检测技术或以数字射 线 或 超 声 C 扫 描 成 像 检 测 的 内 部 缺陷检测技术，综合解决薄板激光焊接接头缺陷检测问题。——论文作者：魏明贤1，2 邬冠华1 王俊涛2 张方洲2
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文章名称：激光焊缝无损检测技术研究现状
