火狐体育首页进入:传感技能和根据人工智能的办法在激光焊接实时监测中的运用（1）

　　激光焊接已广泛运用于各种职业。有用的实时监控技能关于进步焊接功率和确保接头产品质量至关重要。本文总述了近十年来激光焊接实时监测的研讨成果和发展。首要，具体回忆和评论了用于焊接质量监测的各种传感技能。然后，总结了根据人工智能的先进技能，这些技能用于完成各种监控方针，如工艺参数优化、焊缝盯梢、焊缝缺点分类和工艺反应操控。最终，评论了根据实时智能监测的潜在研讨问题和应战，如智能多传感器信号搜集渠道、数据深度交融办法和自适应操控技能。本根底作业旨在回忆激光焊接监测的研讨发展，为后续研讨供给根底。

　　激光焊接是一种高效的衔接技能，具有许多长处，如更高的生产率、灵敏性和有用性、焊缝深度、更高的焊接速度和功率密度。这便是为什么它在轿车、造船、航空、微电子和其他职业中得到越来越广泛的运用。焊接进程中，焊接质量或许遭到各种要素的影响，如资料的内部缺点和杂乱的制作环境。传统的焊接质量离线测验在时刻、资料和生产率方面本钱昂扬。因而，提出了几种实时焊接质量监控解决方案，以供给实时信息，操控焊接进程和焊接质量。

　　在激光焊接进程中，小孔、熔池、等离子体和飞溅物包含多种焊接信号，如声信号、光信号和热信号等，这些信号与焊接质量密切相关。因而，根据传感器的实时监控体系能够有用地取得焊接区域的焊接信号。视觉传感器，如电荷耦合器件（CCD）、互补金属氧化物半导体（CMOS）和带有特别滤光片的高速摄像机用于捕捉小孔、熔池、飞溅物和等离子体的图画。光谱仪和光电二极管用于搜集包含可见光（VIS）、红外光（IR）和紫外光（UV）在内的光信号。能够运用红外摄像机、近红外（NIR）摄像机和高温计来搜集热信号。杂乱的监控体系一般由上述传感器组成，将更全面地搜集焊接信号。

　　根据不同的监测方针，有多种办法来反映焊接产品的质量。例如，为了完成理想的焊缝熔深，提取的信号数据将用于优化焊接工艺参数或实时猜测焊缝熔深。为了削减焊接缺点，已广泛研讨焊接缺点的在线或离线监测.焊缝盯梢技能是确保焊接进程中焊接空隙中心和激光束点共同的有用办法。焊接进程反应操控技能可有用防止不确定搅扰要素对焊接质量的影响。依托牢靠的监测设备能够取得精确的信号，这是有用监测的根底。先进的数据剖析办法能够明显进步监测才能。

　　近年来，人工智能（AI），特别是机器学习（ML）已逐步运用于激光焊接监控。在焊接监测的各个方面都取得了杰出的成果，如焊接信号数据的深度发掘、焊缝形状的猜测和焊接缺点的分类。因而，先进的监控设备与有用的根据人工智能的办法相结合，在激光焊接实时监控方面取得了巨大成就。深度学习（DL）的运用近年来才刚刚开始，怎么充分运用数据发掘和自更新学习才能的长处是缩短数据处理时刻和进步监测精度的要害问题。

　　本文具体介绍了激光焊接实时监测的概略。图1显现了本文的内容结构，回忆内容可分为两个重要部分。榜首部分（包含第2节和第3节）首要具体介绍了激光焊接监控进程。然后，对一些常用的监测传感器和办法、一些新的监测技能和多传感器交融办法别离进行了分类和总结。第二部分（包含第4节）根据焊缝特征猜测、缺点分类、自适应操控等不同的监控方针，总述了多种根据人工智能的办法。最终，评论了焊接进程智能监控的潜在未来研讨作业和应战。本文旨在经过回忆过去十年的研讨趋势，为后续研讨供给根底。

　　本文件安排如下。为了更好地了解实时监控进程，第2节介绍了激光焊接进程。接下来，第3节评论了激光焊接监控中的传感器和办法。第4节评论了用于完成不同方针的办法。最终，第5节给出了潜在研讨问题的要点，第6节总结了本文。

　　激光焊接实时监控能够有用削减各种不确定要素对焊接质量的负面影响。监测进程可分为三个不同部分：预处理扫描、进程中监测和进程后确诊。焊接监控的不同阶段如图2所示。预处理扫描[首要重视焊缝盯梢问题，扫描工件之间的接头空隙，以确保激光束点聚集在空隙中心，以取得牢靠的接头。进程监控十分重视经过运用各种设备对焊接区的焊接特性进行实时监控，如小孔、熔池、等离子和飞溅等。经过剖析这些特征的动态改变，能够经过有用的根据人工智能的办法猜测和调整焊缝质量。后处理确诊触及缺点确诊问题。气孔、裂纹、飞溅、外表陷落、底部填充等是焊缝产品的常见缺点，是焊缝质量评价的要害目标。

　　本节具体评论了一些常用的传感器和新的监测办法，以及最广泛运用的多传感器交融监测技能，以更好地了解焊接信号的搜集进程。监测传感器和技能的具体分类如图4所示。

　　当等离子体从锁孔喷出时，其间的压力动摇会发生声学信号，该信号能够经过运用麦克风或谐振传感器进行非触摸丈量。由于本钱低价且操作简略，声学监测办法取得了极大重视。Huang等人研讨了焊缝熔深与声信号之间的联系。界说并提取声压误差和频带功率等声学特征。然后，经过运用神经网络算法和多元回归剖析办法，将这些特征用于表征焊缝熔深。成果表明，该算法能有用区别全穿透和部分穿透。但是，声信号简单遭到环境噪声的影响，这阻止了声信号监测的输出。

　　激光焊接进程中发生的超声波信号在焊缝内部缺点的无损检测（NDI）中具有重要意义。Passini等人研讨了超声波相控阵检测技能，以检测薄铝板中的焊接缺点。将该查看办法对焊缝质量的检测成果与X射线照相和金相查看进行了比较。成果表明，该办法能够辨认分组孔隙度的存在。电磁声换能器（EMAT）是NDI范畴呈现的一项新技能，它运用电磁耦合来鼓励和接纳超声波。EMAT办法比传统的超声检测技能更精确。激光电磁超声（LEU）技能可用于丈量焊缝的熔深。Yang等人根据不同的穿透深度，研讨了LEU信号中呈现的兰姆波的透射系数。经过树立人工神经网络模型，运用LEU信号的传输系数和能量精确猜测焊缝熔深。由于超声波经过熔池、固相和熔池附近固相的时刻不同，Mizota等人开发了一种超声波相控阵体系，经过核算体系接纳的时刻来丈量熔池深度。图5是该查看办法的具体示意图。

　　光信号监测首要由光辐射监测和光视觉监测组成。光辐射信号首要来自激光束和焊接区域。熔池、飞溅物和等离子体等都宣布激烈的光辐射。例如，紫外线（UV）和可见光（VIS）辐射来自等离子体内的原子跃迁和韧致辐射，而红外辐射则从热等离子体和熔池中发射。光辐射信号能够根据不同的波长分为两类。榜首类是紫外和可见光辐射，波长为0.3μm至0.7μm。另一种类型是1.1μm至1.6μm的红外辐射。光谱仪和光电二极管传感器可用于搜集光辐射信号。

　　Eriksson等人运用三个光电二极管传感器取得关于熔池的热（T信号）、羽流辐射（P信号）和激光束的反射（R信号）辐射的独立信息。R信号的波长约为1.0μm，具体的光辐射波段如图6（a）所示，图6（b）是该监测体系的示意图。Sibillano的团队研讨了等离子体羽流宣布的光辐射。运用根据光谱传感器的体系来搜集该信号，该监测体系在市场上可用。他们还运用装备CCD探测器阵列的光谱仪体系研讨了等离子体电子温度与焊缝熔深之间的相关性。Zaeh等人对辐射发射的来源供给了新的见地。成果表明，合金元素影响焊缝的力学性能。经过很多试验，Mrna等人证明了熔深与光强振动频率特征之间的相关性，这能够作为开发优化和操控焊接工艺的通用办法的根底。Bono等人运用根据光学的监测办法来发现具有不同焊接特征和缺点的光电二极管信号之间的联系。他们还研讨了一种根据激光干与丈量的新式监测办法。这种办法能够实时丈量钥匙孔的深度。试验证明了两种办法的有用性。

　　光学视觉监测办法现在被广泛运用，由于该办法能够取得很多牢靠的数据。小孔、熔池、飞溅物和等离子体羽流等的形状特征。在激光焊接进程中不断改变。在焊接进程中发生的这些动态信号与焊接质量的动摇密切相关。Gao等人定量描绘了熔池形状特征与激光焊接进程安稳性之间的联系，这为熔池行为的实时监控供给了根本了解。Zhang等人剖析了小孔和等离子体羽流的时域和频域特征。研讨成果为激光焊接的在线检测供给了根据。Kim等运用图画处理办法研讨了不同焊接条件下锁孔的动态行为。Tenner等人经过衔接玻璃板，以十分高的精度丈量了锁孔内流体活动的速度和方向。成果表明，流体活动与激光功率、进给速度和焊接空隙有关。

　　CCD摄像机、高速摄像机和CMSO摄像机是用于在激光焊接期间捕获等离子体或熔池等图画的常用传感器，图7显现了视觉监控中传感器的不同安置。为了削减强光辐射，运用了多个滤光器和辅佐光源照明体系。Luo等人]提出了一种取得熔池边际的有用技能。CMOS摄像机用于捕获熔池的动态图画，并运用辅佐绿色激光照耀熔池。验证试验证明了该监测办法的有用性。Zhang等人运用CCD摄像机拍照熔池和锁孔的动态图画。越来越多的研讨人员挑选多个摄像机传感器来调查焊接区域。经过从不同视点进行监测，能够取得全面的信息，以供往后的研讨。Wang等人运用两台高速摄像机拍照瞬时视觉现象，如金属蒸汽和飞溅物，一起监控锁孔底面，以评价锁孔状况。You等人运用两台高速摄像机搜集近红外和UV/VIS波段中的飞溅图画。发现UV/VIS波段更适合于监测飞溅。Chen等人树立了一个结合四个CCD摄像机的监控体系。在静态和动态状况下研讨了监测作用。但是，摄像机数量的添加将导致本钱的添加。Fan等人规划了一种三光路视觉传感器体系，用于一起从三个方向监测熔池。该体系降低了本钱，取得了杰出的作用。Liu等人在锁孔彻底穿透时，从焊接工件的下侧获取了监控图画。

　　图7 不同的视觉监控体系。（a）带有辅佐光源的同轴监测体系。（b）具有两个高速摄像机的熔体速度丈量体系[105]。（c）顶面和底面是一起观测体系。

　　激光焊接是一种热制作工艺，资料经过激光束熔化。焊接区的热辐射信号十分强，特别是在键孔中，由熔融金属和高温金属蒸汽构成的熔池中。

　　图8（a）显现了各种温度下的黑体发射光谱。发射的总辐射取决于温度，温度在焊接区十分高，热辐射十分强。高温计和红外摄像机是获取热信号的常用传感器。高温计的长处是它更廉价，易于拼装。Yamazaki等人运用红外双色高温计丈量金属活性气体电弧（MAG）焊接进程中金属液滴的温度。根据红外光谱研讨了液滴外表的温度散布。Chen等人运用高速红外摄像机获取熔池及其附近区域的红外图画。该高速成像体系能够精确地提取熔池的形状特征，能够用来反映焊缝质量的信息。成果表明，熔池的这些特性能够有用地反映焊接进程的安稳性。等离子体羽流还包含关于热信号的信息。Chmekuckova等人核算了实践焊接条件下等离子体羽流中耦合金属离子发射线的相对强度，以树立焊接区横截面的数值模仿模型，以显现激光功率添加时的温度散布。

　　两种办法都有各自的长处和缺乏。同轴监测办法可经过在激光传达途径中设备光谱仪从焊接区正上方进行监测。所取得的光和热信号是安稳的，而且搅扰较小。但是，监测传感器的设备很杂乱，这种办法不行灵敏。反射的激光辐射和等离子体也或许影响小孔和熔池的调查。近轴监测的长处在于，传感器和焊接区域之间的监测间隔和视点易于调整。经过重复校准和比较，能够找到并记载最佳监测方位。光学和热信号能够一起同轴和同轴监测。用于声信号搜集的麦克风和用于热信号检测的高温计一般是近轴拼装的。多传感器交融技能和一些新的监测办法一般根据这些传统的监测办法。

　　一些焊接特征在焊接进程中难以取得，但它们与焊接质量密切相关。例如，键孔的深度与焊缝的穿透深度直接相关。如果能实时取得小孔深度，将有助于判别焊缝熔深。提出了一些新的监测办法，即X射线成像技能、在线相干成像（ICI）、磁光成像（MOI），并取得了杰出的成果。X射线是一种有用的无损检测技能，已运用于许多范畴，即医学、激光焊接实时监测和土壤科学等。现场X射线视频成像技能可在焊接进程中取得有关锁孔几许结构的时刻和空间分辨率信息。X射线技能还可用于以高空间和高时刻分辨率确诊焊缝内部缺点。Yan等人运用X射线衍射体系研讨了焊缝的微观结构和机械性能。经过显微镜调查取得的相组成，以研讨接头的微观结构特征。X射线衍射体系还用于丈量焊缝中的剩余应力散布。Norris等人经过剖析工艺参数，包含激光功率、焊接速度和激光束标准，研讨了微标准锁孔形式焊接中气孔的构成进程。

　　选用X射线照相法取得孔隙率特征，并将成果与金相剖析进行比照。光学相干层析成像（OCT）是一种用于主动激光焊接的立异传感器三维丈量技能。它供给了一种在焊接进程中实时查看锁孔深度的工业解决方案。Ackermann等人开发了一种根据傅立叶域OCT的在线监测设备，以在焊缝成形进程中提取断层几许丈量数据。ICI监控技能将OCT的理念运用于激光加工计量范畴。ICI体系的示意图如图9（a）所示。成像光束与激光光束同轴传输，使得成像光束能够抵达锁孔底部以丈量深度。图9（b）是焊缝熔深概括和丈量的键孔深度（绿点）的拟合图。能够看出，由绿点组成的曲线与焊缝熔深共同。这种新技能能够取得所需的数据精度，并确保监测进程的灵敏性、安稳性和可追溯性，已广泛运用于焊接进程监测、打破检测和前视安排融化调查等。Gao等人运用MOI技能监测了微空隙焊接（空隙宽度0.05 mm）进程。MOI办法根据磁感应原理和法拉第旋转效应。在试验中，运用磁鼓励设备对工件进行磁化，并运用磁光传感器检测磁场散布，以便进一步研讨。

　　激光焊接进程十分杂乱，其间熔体和蒸汽活动、传热、相变、激光束与等离子体的相互作用以及激光束的屡次反射重合。

　　上述许多焊接信号与焊接质量有关，只要一种类型的监测传感器或办法]。焊接状况不能充分反映。因而，提出的多传感器交融技能能够更有用和全面地监测焊接进程。由于这种监测办法能够充分运用各种信号传感器的长处。视觉传感器能够供给丰厚的焊接区域信息，已成为多传感器交融技能的中心传感器。所树立的监控体系一般包含一个或多个视觉传感器。例如，与视觉传感器相结合的光学传感器、与高速摄像机相结合的X射线体系、和视觉传感器相组合的声响传感器以及其他组合办法。Chen等人运用电弧传感器和CCD摄像机一起取得电子信号和熔池图画。该办法能够提取多个特征，更精确地猜测熔池反面宽度。

　　Boley等人研讨了焊接进程中熔池的三维形状和毛细管重建办法。结合三种不同的确诊办法，包含X射线体系、光学视频传感器和金相截面调查，以取得焊接区的三维形状数据。Harooni等人运用玻尔兹曼作图法丈量了检测到的光谱信号的电子温度，并研讨了其与孔隙构成的相关性。You等人运用两个光电二极管和两个视觉传感器一起监测激光焊接进程。运用信号处理办法和图画处理办法对取得的信号进行剖析，提取并交融五个焊接特征，以更精确地描绘焊接进程。图10是用于典型多传感器交融技能的传感器安置的示意图。运用的传感设备包含两个光电二极管、一个光谱仪、两个视觉摄像机和一个X射线传感体系。成果表明，该监测体系能够搜集精确有用的焊接信号，以更全面地剖析和建模激光焊接进程。