激光焊接引领智能制造 激光焊接成像技术引领监测工业4.0

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光纤激光器已成为多少提高的、工业批量化焊接应用的首选对象,它即可处事于好多成熟行业,又能适应快速增进的新兴市场。在蓬勃成长的电动汽车行业中,光纤激光器高速、准确且高一致性的焊接能力,是提升商业电动汽车可达性和整体机能的驱起程分。在其他更为成熟的财富中,使用光纤激光的优点众所周知。而现代工业激光手艺的多项优势,如络续提高的产量、更好的设计无邪性以及超高的能效行使率正络续鼓动这项手艺在金属连结工艺方面的成长。


对于已经充实行使激光焊接优势,具有前瞻性的制造商而言,下一步的问题是若何进一步提高产量,在竞争中贯穿领先。智能制造工业流程的优化需要高质量完成在线数据收集工作。为实现抉择的自动化和去中心化,作为激光焊接工艺的“眼睛和耳朵”,这一手艺的需求正络续增加。


在电动汽车行业呈爆炸性增进的背景下,这一需求尤为光鲜。传统电动汽车焊接工艺涉及多项挑战:有色金属合金、同化材料以及每个接头严峻的机械和电气机能要求。此外,因为每个成品组件需要大量单个焊缝,是以仅可许可留出很小的误差余量。严峻的焊接要求,以及损坏性测试时,拆卸电气组件需要花消的伟大成本和难度,若是制造商在第一次考试时就可以生产高质量的合格产品,将优势显著。


智能制造不合于传统斥地和安置流程的开环特征,即经由设计靠得住的流程,负责把握生产线上的所有输入参数,来达到尽或许接近正确的把握前提,智能制造依靠实时收集和共享信息的手艺,该项手艺可持续供给每个子系统的状况反馈,最终提高传输效率。


当激光焊接展现事实不一致的景遇时,测量装配可在生产过程中络续测量并申报工艺前提,进而实现快速过问,甚至自动修复。这种体式的优势包括可以提高产量,削减对后续质量磨练环节的依靠(及随之发生的费用和滞后性),提高对成品的决心。


生产过程实时监测


虽然激光焊接办艺已迅速被工业领域所接管,但能实现在线抉择的智能传感手艺仍然落伍。多年来,市场上已展现多种可应用于激光焊接的监测手艺。


个中一种较为常见的体式是行使光电二极管传感器测量激光焊接过程中发生的释放物(包括来自热金属的黑体,来自焊接激光的反射光,以及在某些景遇下发生的等离子体),以此理会来表征熔池和匙孔的不乱性。


此外还有一些经由增加多种预处理传感器(线性扫描仪,基于CCD手艺的焊缝跟踪,使用在送丝焊接的触觉传感器)和后期诊断理会(线性扫描仪,外观检测相机,电磁声换能器),确认材料可以正确送入焊接区域,焊接成品事实一致。


但这些手艺常日会碰着一些常见的局限性。个中一些手艺仅可监控焊接过程,但无法进行测量,这也就意味着仅可将此类手艺应用于一致性搜检。也就是说,监控系统可以示知用户某一焊接与用户供给的标准样品不一致,但无法提醒不同的具体景遇及原因等有效信息。


此外,大多数传感手艺仅能对焊接过程中某单一指标进行监控。而常日在整个焊接过程中需要采样多项参数理会确保监测准确性。在这种需求背景下,焊接工站内需要增加多种装配进行浩瀚不合数据的监测,进而发生更多的成本,并且多个系统并走运行,复杂性更高。


更为首要的是,上述所有手艺均无法供给材料外观下方熔池和匙孔外形的具体信息。在大多数景遇下,材料内部的几许形态最终决意了焊缝的使用机能,以及焊接材料的强度(对某些具体应用而言)和导电性。


寻找问题的根源


作为传感器领域一项新兴手艺,内联焊接监测解决了长久以来在激光焊接实时数据采集方面一贯存在的多项挑战。这一新兴手艺采用低功率红外光束,经由与焊接激光同轴的光路进行精准的距离测量。该手艺可许可在焊接的过程中完成测量,测量光束可检察匙孔底部,直接测量熔深,这也是新一代焊接测量手艺的一个首要特征。测量事实可在几毫秒内供给与金相测试事实几乎沟通的整个焊缝的大量信息,且无需损坏样品本身。


多功能性是这一手艺的另一个关键性优势。测量光束既可先于激光光束测量,获取焊前信息。又可在焊接完成后测量,确认成品焊缝的外观质量。甚至可以经由扫描,生成样品的3D图像,具有亘古未有的简便性和准确性(图1)。


图1.使用LDD-700内联焊接监测系统经由焊接头获取的不锈钢零件3D图像;

3D视频手艺可实现焊接激光束与零件的准确对焦


该项手艺还可以快速切换到不合的测量位置,进而实现“准同步”收集不合的数据类型。总之,在使用由单个软件包把握的单个测量系统时,可实现在五种不合的测量模式下,同时测量焊接过程中的20多项不合指标(图2)。


图2.LDD系统测量光束可在焊接过程中的多个区域内同时收集数据,

匙孔底部的测量可在不切割零件的景遇下直接测得焊接熔深;

内联焊接监测系统可以将单个测量过程分化为多个相关指标(如图)


IPG Photonics于2017岁尾收购了加拿大初创公司Laser Depth Dynamics(行业内最早使用干预激光焊接测量解决方案的企业),从而进军内联焊接监测手艺市场。自此,IPG LDD-700内联焊接监测系统即成为国际应用实验室中弗成或缺的对象,同时连络包括扫描光学系统在内的各类其他激光焊接办艺,在工业生产中获得越来越遍及的应用(图3)。


图3.浮现配备LDD-700内联焊接监测系统接口的IPG高功率扫描振镜;

内联监测可连络多种不合的光束传输构造,包括光学扫描系统和摆动头


对激光焊接测量的无邪体式,使得这项手艺的优势因各类不合的应用有所区别。在汽车动力总成的焊接过程中,因为焊接常日涉及昂贵的加工措施,对原材料数量的影响很大,是以使用这一测量体式可以降低废料成本。提高对出厂产品质量方面的决心,对于生产汽车关键安然组件来说非常首要。在上述电动汽车领域,降低废品率,限制对复杂生产工艺中,繁重且具有损坏性的质量把握流程的依靠,可以快速提高生产能力。


快速跟踪的工艺斥地


匙孔的直接测量不单是实时质量把握的有利对象。经由亲切关注熟悉匙孔的状况,更随意焊接工艺工程师工艺快速迭代斥地,免除试验进程中必需冶金的措施。无须离开焊机就能正确设置测试不乱工艺所需的焊接参数,即使是经验雄厚的焊接工程师也可以在更短的时间内制订更高质量的工艺解决方案。


以复杂的焊接工艺为例,使用远程扫描振镜、光束摆动和单模激光源焊接异种有色金属合金(图4)。


图4.浮现采用内联焊接监测系统对复合材料焊接工艺的测量事实;

匙孔熔深和动态的具体图片有助于在更短时间内锁定正确工艺


在工艺斥地过程中,使用内联焊缝监测系统获取焊缝熔深、匙孔不乱性和焊缝外观质量,可以节约大量时间,避免破费大量时间索求不同剖面检测时或许发生晦气事实的非工艺影响区域。当需要在生产过程中实施该工艺时,可使用沟通的测量系统跟踪产品质量,浮现具体细节。


瞻望未来


各行各业对智能制造解决方案越来越大的需求,也在络续推进激光焊接传感手艺向前成长。内联焊接监测知足了提高制造商今朝和未来的多种需求,其最终方针是实现工业4.0。


焊接过程中熔深测量可以供给与进行产品损坏性测试事实100%一致的测试结论,大大提高了对产品质量的决心,便于把握人员无邪有效的做出抉择。简练无邪的测量方案可以为具体应用定制标准对象,同步测量焊接过程的多项参数,收集相关信息以确保产品质量。焊接动态过程的具体数据图像促进了激光焊接解决方案加倍相符苛刻规格要求的成长。并将进一步鼓动激光焊接工艺,知足未来的应用需求。


作者:IPG Photonics(加拿大)应用司理 CHRIS GALBRAITH


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