基于高速（10KHz）非冷却中波红外成像传感器的激光焊接质量监控系统

作者：RodrigoLinares，German Vergara，RaulGutierrez，CarlosFernandez，Victor Villamayor，LuisGomez，MariaGonzalez-Camino，ArturoBaldasano，G.Castro，R.Arias，Y.Lapido，J.Rodriguez，PabloRomero NewInfraredEde-Edero，30、286，西班牙AimenCentroTecnologico.C / Relva，27A.Torneiros，36410 Porrino（Pontevedra），西班牙译者：黄胜迪南京波长光电技术有限公司王学勤南京波长光电技术有限公司摘要结合了灵活性，生产率，准确性和零缺陷的特点未来的生产激光加工设备的主要挑战是启用技术。为了提高产品质量并增加产量，需要寻找新的传感器，以基于激光加工工艺进行在线监控和实时控制。追求零缺陷生产的全自动加工新方法需要智能焊头，该焊头将激光器，光学器件，致动器，传感器和电子设备集成到一个独特，紧凑且经济的设备中。 the激光器制造过程中产生的许多缺陷都来自于激光器加工动力学的不稳定性，而温度和热力学是监测的关键因素。具有高速响应特性的低成本红外成像传感器将成为新一代传感器，可在未来基于激光处理的监视系统中使用，该传感器可以提供热力学信息和空间分布信息。本文介绍了使用新型，低成本，高速红外成像传感器的结果。该传感器基于单芯片高级量子红外成像传感器，该传感器集成了市场上的Si-CMOSROIC。与相同成本的传统红外点检测器相比，该传感器可以提供低分辨率的图像，并且在未冷却的工作状态下帧频可以达到10 kHz。为了证明新传感器技术的性能，将低成本照相机安装在标准产品的激光焊接头上，使照相机能够以10 kHz的帧率记录熔池图像，并开发了专用软件来检测和分类缺陷。研究激光焊接工艺的系统性能及其在实时监测激光焊接工艺中的应用性能。在实验过程中，将生成和检测不同类型的缺陷。获得的实验图像被输入到分类器。自我学习策略取得了可喜的成果，并证明了低成本，高速红外成像传感器的使用。将生产系统推向实时/在线零缺陷生产的可行性。关键字：非冷却中波红外，红外，FPA成像，高速，激光焊接，缺陷的实时检查1.简介在行业中，激光技术的使用正在迅速增长，激光加工占了74％。年度金属加工总收入。随着市场需求的增加，在过去的一年中它已超过7％。汽车，金属转换或增材制造是激光加工的工业应用实例，并被广泛使用。由于激光加工参数的不确定性，实时（RT）监控是激光加工研究的主要课题。激光加工过程中产品缺陷的主要原因是热力学，温度和热循环，因为它们确定了材料不希望的脆性相和残余应力。这些影响可能会损坏组件的机械性能并导致产品加工失败。熔池（激光熔覆）或小孔（激光熔接）的热分布和几何形状是它们监控的关键参数。通过控制这些参数，可以确保激光加工产品的质量。 laser激光加工设备的实现将灵活性，生产率，精度和零缺陷生产结合在一起，这是一个重大挑战。为了提高产品质量并增加产量，需要基于激光加工工艺的新型在线实时监控系统。新的激光源和加工头正在增强多功能性和复杂性，允许修改不同的工艺参数，例如激光调制，自适应Focus等。实现全自动和无缺陷制造的新方法确保加工过程将需要将激光，光学器件，致动器，传感器和电子设备集成到一个紧凑且经济的设备中的智能焊头，其最终目的是能够进行加工：Middot，增加工艺复杂性Middot，提高准确性和可靠性要求Middot，增加自治，重建和自我诊断的要求新型红外传感器的开发有助于在过程中将零缺陷的概念引入工业激光制造中。低成本高速红外成像传感器激光制造过程中的许多缺陷来自激光加工动力学的不稳定性。当明确要求并在激光制造过程中应用新一代监控系统时，温度和时间响应是要考虑的关键参数。在激光切割过程中，熔融材料的液滴必须从狭缝中喷出，以避免产生炉渣和炉渣积聚。形成和分离所需的时间少于0.5ms [1]。就激光焊接工艺而言，孔中的扰动会在焊缝中产生小孔，并且扰动的振荡时间应小于0.7ms [2] [3]。涂层，维修或增材制造使用激光熔覆技术，在不受控制的激光熔覆过程中，熔池尺寸变化1％的时间少于200 ms [4] [5]。选择性激光熔化（SLM）技术用于增材制造激光器。更改激光的聚焦位置需要0.13ms。变化的距离等于聚焦半径，因此在此期间发生的任何干扰都会在最后一部分导致性别或气孔缺乏[6]。在增材制造过程中，孔，空隙，松散粉末的形成和排空很大程度上取决于温度变化（例如冷却和加热速率），这对加工过程的关键部分有重大影响。的监控采样频率系统必须是由干扰引起的缺陷发生频率的两倍。因此，要监视大多数激光器制造过程，采样频率必须高达10 kHz。如今，大多数基于激光处理的工业监控系统都使用基于硅的摄像头（VIS-VNIR），该摄像头将摄像头耦合到基于单点红外探测器的标准非接触式温度系统，从而可以在焊接区。测量。这些类型的系统提供的信息不足。它是平均，空间和时间的结果。仅一个传感器用于收集的红外信号，有关温度分布和热力学的相关信息丢失。更重要的问题是它涉及目标的移动。或聚焦距离，通常会有错误的（即不可用的）测量结果基于高速红外成像传感器的解决方案可以同时提供热力学信息和空间分布信息。但是，传统上将高灵敏度红外传感器与高成本联系在一起，常常超出了工业标准的范围。虽然低成本的红外技术（如测微辐射热计或热电设备）无法满足响应速度的要求，但另一方面，量子红外探测器的响应速度却足够快，但由于其复杂性和技术成本，过去它们的使用在这个行业受到限制。幸运的是，红外技术和低成本高速红外成像传感器的发展已成为当今的现实。最近，新的红外技术（NIT）公司已经将先进的量子中波红外成像传感器商业化。该传感器与Si-CMOSROIC集成在一起，可提供低图像分辨率。在非制冷运行期间，帧速率为10kHz。设备的成本是相同的。可以认为该技术是一项突破性的技术，可以满足市场开发协会预想的需求，该市场的目标是激光加工，例如增材制造，焊接和电镀。