引言

激光焊接由于产能高、可自动化焊接、形成的热影响区小的高质量焊缝而在各种工业中得到应用，如汽车、造船、航空航天、造船和造桥等。其高能量密度可以达到100-1000KW每平方毫米，使得激光束和焊接材料之间的结合非常牢固，尤其是在利用匙孔效应焊接厚板时更为明显。于是，高功率激光焊接过程中的在线监测和质量控制就对获得高质量的产品就显得至关重要了。早在20多年前就有大量的研究者开展了激光焊接过程中的探测问题，然而，实验室的研究结果在当时并没能得到企业的大量应用，其原因是当时的探测设备太过昂贵，而且器件的精度也不够、探测效率也非常低。另外，当时的企业使用激光焊接的也不多是另外一个限制了激光焊接监测发展的原因。随着激光器价格的不断下降以及激光焊接成本的越来越低，激光焊接技术开始在焊接领域得到更为广泛的应用。在批量生产制造过程中，焊接过程中的有效的在线监测可以帮助我们降低制造成本和提高产品质量。

图1 激光焊接时的匙孔效应示意图

激光焊接主要是激光束和焊接材料之间的相互作用过程。在焊接过程中，激光束通过光纤和相应地光学镜片进行传输。相应地，激光焊接过程中的在线监测也主要集中在焊接区的光辐射的能量信息，并且大部分用于研究的探测器是光学探测器。激光焊接过程中实时探测技术的发展在过去十年由于探测技术和人工智能技术的迅猛发展而取得了巨大的发展。本文则对激光焊接过程中的在线监测进行了综述。从详细介绍激光焊接的物理背景和当前不同探测技术的基本原理着手。然后对先进的多传感探测技术和人工智能识别技术也进行了展望。通过介绍激光焊接探测过程中的先进探测技术的有效应用和激光焊接过程中的人工智能技术的应用尝试，本文致力于展示当前的激光焊接监测技术和自适应过程中的当前状态以及未来可能的发展方向。

激光焊接监测过程中的基本原理

激光焊接原理

激光焊接时，材料被快速加热到一定温度，然后熔融金属开始气化，从而在熔池中心形成匙孔。因为此时有蒸气压的存在会促使在连续激光焊接时匙孔会保持在开的状态，如图1所示。在激光焊接的匙孔效应下，包含金属蒸汽和等离子体的羽状物会在此时生成并从匙孔飞溅出来。需要指出的是，在采用不同类型的激光进行焊接时，等离子体的特征也是不同的。CO2激光焊接时，羽状物只在采用He气为保护气体时才会发生。如果保护气体为N2或者Ar，采用CO2激光焊接，气体等离子体仅在羽状物喷嘴处形成。相反，采用光纤激光焊接时，羽状物仅在较弱的离子状态等离子体的条件下产生。几乎所有的光谱分析用的峰值均来源于中性金属原子的发射，而这些金属原子的发射在Ar气体作保护气的时候是不会被探测到的。与此同时，由于匙孔效应中高的蒸气压而造成大量的飞溅形成。一般来说，焊接位置的电磁辐射可以分为三大类。第一类是羽状物发射出来的可见光和紫外光。第二类是激光发射后被发射的光。第三类是来自熔池表面的热辐射。基本上，激光焊接过程中的在线监测主要集中在表征熔池、匙孔、羽状物、飞溅物以及激光焊接区的辐射信号。激光焊接过程中常见的缺陷有裂纹、气孔、未完全熔透、未焊满、咬边和飞溅等。

典型的激光焊接监测系统的结构

不同于传统的焊接，激光焊接过程中的能量穿透主要靠激光束来实现 的，此时的激光通过光纤和光学镜片进行传输，然后照射到材料表面。基于这种独特的能量传输方式，通过调整激光头内部光路的结构可以实现不同的检测。此时我们将重点放在激光焊接监测过程中的四种探测技术上，并对每种探测类型进行了简单的介绍。

同轴光辐射监测系统

光束分光器安装在激光头上以帮助将焊接区中的辐射信号传输给探测器。一些焊接状态可以通过分析不同光谱带的信号强弱而识别出来。不同光谱带的独立分析是通过不同的滤光片来实现的。光通过滤光片时会被光电探测器探测到，然后通过信号放大器，最后通过示波器进行收集。除了分析特征光谱带之外，在焊接过程中的全光谱波段的分析是通过光谱仪来实现的。激光头和光谱分析仪均通过光纤进行连接。焊接区激光光强度的信号通过分光器来反映。光通过光纤，最后通过光谱仪来识别。如图2为一个带光电二极管的同轴探测系统（上图）及其光电二极管的工作原理（下图）。

图2 带光电二极管的同轴探测系统（上图）及其光电二极管的工作原理（下图）

同轴视觉探测系统

同轴探测系统是安装在激光头上的光束分光仪来实现的。一般来说，有三种技术用于探测系统：即可见光视觉探测、红外可见视觉探测和辅助光源视觉探测。对于可见光视觉探测，适应的滤光镜波长范围为：350-750nm。红外可见视觉探测主要通过热红外相机来实现。在辅助光源视觉探测过程中，主要采用高频闪的激光源来照射工作区，其波长一般在800-900nm。辅助光源通过分光器投射到焊接区，其端部同相机相连。光学滤光器同辅助光源相兼容并且安装在分光器和相机之间，以使焊接区的图像更加清晰可见。如图3所示为同轴视觉探测系统（上）的一个案例及其实际探测的分析结果。

图3 同轴视觉探测系统（上）的一个案例及其实际探测的分析结果 

傍轴声学和温度探测系统

声学信号在一定程度上也被认为是焊接状态的一个重要的信号。由于同轴探测主要用来探测光信号，从而使得声信号的探测只能通过傍轴来实现。傍轴声信号探测器有两种，包括接触型和非接触型。接触型声探测主要探测发出的声音响动，从而用于检测高温时的应力波和和设备或工件中的高压（指压力）。可探测的波长为不超过200KHz。非接触声音探测主要指探测空气中传播的人耳可以听见的声音。这主要监控当等离子体和金属蒸汽发生时的压力波变化。可以探测的波长范围为人耳可听见的范围，大约为20Hz-20KHz。另外一种用傍轴探测的是高温计。需要注意的是非接触型的温度探测仪通常安装在激光头的后面以使得熔池的热分布比较方便。图4为激光焊接过程中检测声信号的一个案例。

图4 基于声探测的分析图谱 

等离子体电荷探测系统

在焊接过程中，尤其是CO2激光焊接时，激光诱导产生的等离子体中会产生电导性。于是，接触探头可以用来探测等离子体区的电荷强度，从而识别焊接状态。回路同基材相连接，而另一端同激光头相连接。此时接触区和聚焦镜需要电绝缘。可以替代的，也可以在等离子体产生的区域设置探头进行探测。电子和电容相连而形成回路，此时的信号以电压的形式的传输。图5-图8为等离子体电荷在线监测的示意图以及进行测量的原始数据、处理数据以及数据和对应的焊缝。