激光焊接技術(shù)的進(jìn)步主要?dú)w功于高功率光纖激光器的適用性和經(jīng)濟(jì)性，這使得激光焊接在許多制造環(huán)境中越來(lái)越普遍。激光焊接具有熱影響小、速度快、精度高和可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，因此非常吸引人。

盡管激光焊接越來(lái)越普遍，但它并非沒(méi)有挑戰(zhàn)，也不能避免焊接缺陷。與任何形式的工業(yè)焊接（如電弧焊、電阻焊和電子束焊）一樣，激光焊接也很容易出現(xiàn)工藝不一致而導(dǎo)致焊接不良。

因此，出現(xiàn)各種激光焊接質(zhì)量保證（QA）技術(shù)和工藝來(lái)檢測(cè)甚至防止激光焊接缺陷也就不足為奇了。

在本文中，我們將概述激光焊接質(zhì)量保證的傳統(tǒng)方法、電流監(jiān)控和直接測(cè)量技術(shù)。

定義 "不良 "激光焊接

簡(jiǎn)單地說(shuō)，不良或有缺陷的激光焊接會(huì)影響最終產(chǎn)品的形狀、功能或安全性。第一種情況在激光焊接中并不常見(jiàn)，至少在工藝參數(shù)調(diào)整好之后。但是，制造商必須謹(jǐn)慎操作，尤其是在微焊接應(yīng)用中，以確保激光焊接缺陷不會(huì)影響電氣效率、降低長(zhǎng)期強(qiáng)度或?qū)γ舾性�件造成損壞。

在最好的情況下，焊接缺陷會(huì)在生產(chǎn)流程完成之前破壞生產(chǎn)流程，迫使制造商返工或報(bào)廢有價(jià)值的產(chǎn)品--這些措施既耗費(fèi)時(shí)間又耗費(fèi)金錢(qián)。最嚴(yán)重的情況是，焊接缺陷導(dǎo)致產(chǎn)品故障和召回。

由于激光焊接缺陷的形式多種多樣，因此識(shí)別和了解這些缺陷非常重要。

穿透力不足：激光束穿透目標(biāo)材料的深度不夠。穿透力不足會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品出現(xiàn)強(qiáng)度和導(dǎo)電性問(wèn)題。

過(guò)度穿透：當(dāng)激光束穿透目標(biāo)材料過(guò)深時(shí)造成的。過(guò)度穿透也稱(chēng)為燒穿，在電池焊接等應(yīng)用中會(huì)損壞敏感元件。

飛濺：由熔融焊池的不穩(wěn)定性引起，飛濺的熔融金屬經(jīng)常落在焊縫周?chē)�的表面并與之熔合。飛濺可導(dǎo)致電池等部件短路，可能導(dǎo)致熱失控和災(zāi)難性故障。

氣孔：多孔激光焊縫是指在冷卻的焊縫中夾雜氣泡或氣穴的焊縫。氣孔可能會(huì)降低焊接強(qiáng)度，可由焊接熔池的過(guò)度攪拌和快速冷卻造成。

裂紋：由于快速冷卻和其他冶金應(yīng)力，激光焊接可能導(dǎo)致可見(jiàn)或不可見(jiàn)的裂紋。肉眼不一定能看到裂紋。

未熔合：也稱(chēng)為未完全熔合，當(dāng)焊接金屬與母材金屬未完全熔合時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)未熔合，對(duì)齊不良或表面污染都可能導(dǎo)致未熔合。

焊接缺陷在很大程度上可以通過(guò)優(yōu)化激光參數(shù)和激光技術(shù)來(lái)避免。例如，雙光束激光器使用核心光束和環(huán)形光束來(lái)穩(wěn)定焊接熔池，從根本上消除飛濺和氣孔。

但是，焊接缺陷仍然可能是由一些問(wèn)題造成的，如裝配不良、目標(biāo)材料或光學(xué)器件污染以及激光組件退化。

傳統(tǒng)激光焊接質(zhì)量保證

傳統(tǒng)的激光焊接質(zhì)量保證可分為兩種基本類(lèi)型：破壞性和非破壞性。

破壞性測(cè)試依靠破壞焊接部件來(lái)目測(cè)和測(cè)量焊接質(zhì)量。例如，在拉伸測(cè)試中，為了測(cè)量焊縫的強(qiáng)度，需要將部件拉開(kāi)直至斷裂。酸蝕刻是一種破壞性技術(shù)，雖然在物理上不那么引人注目，但卻能更好地了解焊縫的熔透、熔合或氣孔情況。

破壞性測(cè)試通常耗時(shí)、昂貴，或兩者兼而有之。此外，破壞性測(cè)試雖然在測(cè)量焊縫質(zhì)量方面非常有效，但顧名思義，不可能適用于每個(gè)零件或組件。這意味著其結(jié)果必須對(duì)整批產(chǎn)品做出結(jié)論，從而導(dǎo)致不可避免的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性。

相比之下，非破壞性激光焊縫質(zhì)量保證包括超聲波或射線(xiàn)照相檢測(cè)等不會(huì)損壞焊縫或零件的后處理方法。超聲波檢測(cè)使用機(jī)械振動(dòng)，除非檢測(cè)到異常，否則通過(guò)焊縫時(shí)不會(huì)有明顯的信號(hào)損失，信號(hào)損失越大通常表明缺陷越嚴(yán)重。射線(xiàn)檢測(cè)使用輻射穿透焊縫并生成內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，然后必須對(duì)圖像進(jìn)行分析。

從技術(shù)上講，這些傳統(tǒng)的非破壞性方法可以應(yīng)用于每一個(gè)焊縫。然而，這幾乎是不可行的，因?yàn)槌杀咎�高，耗時(shí)太長(zhǎng)。與破壞性測(cè)試一樣，非破壞性測(cè)試必須用于推斷整批零件的質(zhì)量。

什么是激光焊接監(jiān)測(cè)？

激光焊接監(jiān)測(cè)是一個(gè)總括性術(shù)語(yǔ)，指在焊接過(guò)程中（即 "過(guò)程中 "或 "實(shí)時(shí)"）用于檢查或收集焊接信息的各種方法。

激光焊縫監(jiān)測(cè)之所以吸引人，是因?yàn)樗�能夠提供每個(gè)焊縫的數(shù)據(jù)，而不會(huì)減慢工藝流程，同時(shí)也不需要成本高昂且耗時(shí)的傳統(tǒng)質(zhì)量保證步驟。過(guò)程中技術(shù)可以大大降低不確定性，而且成本效益出奇地高。

激光焊接監(jiān)測(cè)類(lèi)型

激光焊接監(jiān)測(cè)方法多種多樣，各有利弊。

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)：通過(guò)將焊接過(guò)程中產(chǎn)生的聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來(lái)評(píng)估激光焊接質(zhì)量的方法。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)通常使用焊接件表面的傳感器，但也可使用非接觸式傳感器。聲學(xué)數(shù)據(jù)分析可與關(guān)鍵焊接質(zhì)量指標(biāo)（如熔透和裂紋）相關(guān)聯(lián)。

雖然聲發(fā)射監(jiān)測(cè)具有一定的通用性且易于集成，但它容易受到環(huán)境噪聲的影響，而且對(duì)實(shí)際焊接特征和幾何形狀的了解有限。

過(guò)程中射線(xiàn)照相術(shù)：過(guò)程中射線(xiàn)照相術(shù)相當(dāng)于傳統(tǒng)的焊縫射線(xiàn)照相術(shù)，可以幫助觀察焊縫熔池和最終焊縫的情況。

過(guò)程中射線(xiàn)照相主要用于研究目的，因?yàn)檫@種方法成本高昂，而且難以在生產(chǎn)制造環(huán)境中使用。

圖像處理：使用可見(jiàn)光或熱像儀和機(jī)器視覺(jué)，可以實(shí)時(shí)生成激光焊接過(guò)程的圖像。這可以生成詳細(xì)的焊縫圖像，但可能需要多個(gè)攝像頭才能捕捉到足夠的細(xì)節(jié)。即便如此，圖像處理也無(wú)法提供內(nèi)部焊接幾何形狀的詳細(xì)視圖。

光學(xué)傳感：光學(xué)傳感方法通常依靠光譜儀、高溫計(jì)或光電二極管捕捉光線(xiàn)并將其轉(zhuǎn)換為激光焊接過(guò)程的數(shù)據(jù)。雖然這些方法比某些激光焊接監(jiān)測(cè)方法能產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，但它們依賴(lài)于間接的焊接指標(biāo)，如反射光、溫度和焊接煙羽，而不是詳細(xì)檢查實(shí)際的焊接幾何形狀。

光學(xué)相干斷層掃描（OCT）： IPG LDD 系統(tǒng)使用的專(zhuān)利激光焊接監(jiān)測(cè)技術(shù)，OCT 使用與焊接光束同時(shí)發(fā)射的低功率激光束，直接測(cè)量焊接深度等關(guān)鍵焊接幾何形狀。盡管是實(shí)時(shí)操作，OCT 仍能對(duì)每條焊縫進(jìn)行極其精確（幾微米以?xún)?nèi)）的測(cè)量。

激光焊接測(cè)量與監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)

激光焊縫測(cè)量是激光焊縫監(jiān)測(cè)的一種。然而，并非所有的激光焊縫監(jiān)測(cè)都可以被視為測(cè)量，至少在實(shí)際焊縫幾何形狀方面是如此。

最終，任何不能直接測(cè)量每個(gè)焊縫幾何形狀的方法都會(huì)迫使制造商在產(chǎn)量、效率或風(fēng)險(xiǎn)承受能力方面做出妥協(xié)。

例如，依靠焊接煙羽等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)技術(shù)可以對(duì)焊接深度進(jìn)行半精確的估計(jì)。但這些估算離完美還差得很遠(yuǎn)，因此需要一個(gè)安全緩沖區(qū)。雖然監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能表明焊縫良好，但如果焊縫接近可接受的邊緣，則返工或報(bào)廢該零件更為安全。根據(jù)制造商的風(fēng)險(xiǎn)承受能力，每天可能會(huì)不必要地?fù)p失數(shù)百個(gè)零件。

激光焊縫測(cè)量的目的是大幅減少安全緩沖區(qū)。通過(guò)對(duì)焊縫進(jìn)行微米級(jí)的直接測(cè)量，可接受性窗口可以大大拓寬，同時(shí)還能為每個(gè)焊縫提供安心的歷史數(shù)據(jù)。

受益于實(shí)時(shí)激光焊接測(cè)量的行業(yè)

在電池焊接、電動(dòng)汽車(chē)和醫(yī)療設(shè)備制造等行業(yè)，安全要求很高，質(zhì)量保證至關(guān)重要。對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)用，實(shí)時(shí)激光焊接測(cè)量不僅能減少浪費(fèi)和降低成本，還能提高安全性。

此外，智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等需要精密在線(xiàn)檢測(cè)的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品也能從激光焊縫測(cè)量中獲益。

隨著激光焊縫實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，那些注重強(qiáng)度而非速度的行業(yè)也能從中受益。例如，造船等行業(yè)對(duì)承重焊縫有嚴(yán)格的質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)，直接測(cè)量深穿透激光焊縫深度的優(yōu)勢(shì)將使這些行業(yè)受益匪淺。

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LDD-1000-DS測(cè)量工件高度示意