激光扫描焊接检测系统

近50年间，激光扫描焊接检测系统在焊接检测领域取得了重大发展。该系统旨在改善现场焊接检测进程的可靠性和快速性，其能够在焊接前，事先检测工件的嵌合度，以确保工件接缝符合焊接工艺要求，同时较之于一般的焊接测量仪器来说，能够为最终的焊缝提供更高精度的检测。当使用激光扫描仪时，人们往往会对焊接点和焊缝三维扫描的各种特性进行评估，包括尺寸、孔隙率和咬边。这些焊接扫描结果的图片可以放大以提高画面精度，同时扫描仪会将检测分析结论直接保存至系统，以指数的方式提高整体工艺的效率。激光焊接扫描系统使检测人员能够量化咬边、焊趾角及整体的焊缝形状，从而提高焊缝的疲劳性能。

在激光扫描系统中，通过选择焊缝类型并设置公差，就能够立刻确定焊接的质量。图1中的三个图像分别显示了便携式焊接检测系统的接合数据库、公差需求及最终结果。
 
3D激光扫描焊缝检测技术

图1所示的高分辨率的激光扫描仪，其测量能力达到0.1 mm（0.004 in.），这是基于其激光视场和呈现的像素数量。任何单次测量的精确度都不仅仅取决于系统的固有分辨率，还取决于已焊接或未焊接接头自身的几何形状和表面情况。这其中不包括系统的重复性和再现性（R&R），即必须通过不同的检测员，对同一样品进行测量来确定实际焊接样品的形状和表面状况，然后再确定R&R值。对大多数要求记录R&R值的公司计控部门来说，结果的R&R值是具有代表性的。当然，这一切的前提都始于一个完全标定的系统，该系统包含一个能够确保光学系统精确测量验证模块的分辨率。然后检测员使用此相同的验证模块来对激光扫描器进行校验，使其能持续、准确地进行测量。

实际应用

激光扫描仪可用于各种工业应用中，以提高焊接质量和生产率。使用激光扫描仪能够避免检测员在检测过程中加入过多的主观判断，同时使检测速度提高达十倍，实际上激光扫描仪每秒可以对完整的焊接长度进行一次检测。检测员可以对这些系统应用进行详细的回看，这样有助于其更好地理解和判断。

风塔结构和焊缝检测

风力涡轮机依赖于一个非常强大的塔式结构，使之在运行时可以承受高载荷和疲劳状态。风塔是由若干部分组成的，首先是纵向焊接，然后通过埋弧焊的方式将其他部分焊接在一起。为了获取最佳性能，焊接的接合点必须在紧密度公差范围内，然后是焊缝形状要遵从那些操作上可行的具体要求。通常情况下，检测员需要对所有结果进行总结，随后将总结报告发送给购买风塔的客户。在过去人们还没有使用激光扫描仪之前，这一过程全部都是通过一系列手工计量完成的，因此测量相位以及总结结论的整个过程是非常缓慢且容易出错的。激光扫描仪可以在极短的时间内进行多次测量，同时能够自动生成结果一致的报告。参见图2。
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机器人加工焊接的审核

将焊接任务由手工焊接转向机器人的趋势已经持续了超过30年，现在这一进程正在加速，不仅是大型企业，中小规模的公司也正在向该趋势靠拢。在早些年的时候，人们存在一个误区，认为只要把机器人置于焊接环境中，所有的一切就会自行得到改善。事实证明，这种观点是完全错误的，因为人们很快发现，上游业务的重大改变，使得机器人部件的设计必须满足于这种自动化。另一个误解是，机器人能够以某种不可思议的方式进行焊接，使得焊缝的尺寸与质量都符合需求。事实证明，激光扫描仪能够对机器人的焊接作业进行审核，以帮助其实现更为一致的焊接，而实际上这已经成为现实了。我们在焊接工作间外可以通过手动操作激光扫描仪的方式，来审核机器人的焊接作业，或者实际上机器人自己就可以操作激光扫描仪来检测其自身的焊接作业。图3所示为正在使用激光扫描仪的机器人。
 
解决客户和供应商之间的分歧

人们常说“旁观者清”，这句话是很有道理的。尤其是使用手工的方式进行焊接检测及使用机械/手动计量仪器时，检测员之间的差异性，以及在使用手动计量仪器时存在的固有误差，在许多情况下往往会造成合作双方之间的分歧。这些分歧可能会产生于最终客户和供应商之间，也可能产生于同一家公司的生产和质量部门之间。此时激光扫描仪就能够充当“第三方仲裁”来解决这些意见上的分歧。当双方都同意接受激光扫描仪的结果时，要达成一致就容易得多了。图4所示为激光扫描仪是如何针对各个特征设置公差的。图5示出了针对某一焊缝的完整检测结果。为什么工厂给客户的船舶配件或是已经焊接的用于下一步操作的工件，不能保证一定满足客户的要求呢？我们可以参见图6，其示出了一个在用于下一步操作之前，正在接受检测的大型焊件。
 
·咬边：可以通过专用计量仪器进行粗略测量，但得到的结果是不一致的，同时也不能根据美国焊接学会的定义计算其本身的深度。传统方法对咬边的测量值通常来说是偏深的，因为测量到的一部分是焊缝，而不正好是板材表面的下方。正确的测量值是确定是否符合工艺标准的关键，对疲劳寿命的影响也至关重要。

·焊趾角：焊趾角表示焊缝金属“冲/流”出到邻接的基底金属的程度。如果角度小于或接近90°，则表示具有冷隔的缺陷。焊趾角接近150°时才能提供最佳的疲劳寿命和精密的式样外观。

·高度/宽度比例：在许多标准中规定了焊缝的高宽比不能超过一定数值，从而保证该焊缝不是一个压力冒口。而激光扫描仪就不必单独测量高度和宽度然后再进行计算，它能够自动进行计算，然后将结果与容许值进行比较。

由于激光扫描仪能够自动记录这些精确的测量数值，使得这些信息能够很容易地反馈至产品设计者，从而使设计者对预期的疲劳寿命做出最精确的判断。这将有助于规避那些超过安全范围、增加了成本却没有达到预期效果的一些措施。

过度焊接

实际上在所有行业和所有产品中，都会发生大量过度焊接的情况。过度焊接会明显导致过高的焊接成本[1]。虽然当焊接转为自动化时，这个问题通常来说就没有那么严重了，但实际上仍然会造成大量的浪费。有一家公司发现，即使公司中只有5％的自动电焊机在一个典型的占焊缝总长5%的6.35 mm (0.25 in.)角焊缝上过度焊接1.6 mm（0.0625 in.），每年加起来仍然会导致成千上万美元的损失。人们一直试图解决的这个最重要的焊接检测问题，其实就是关乎计量仪器的好坏以及是否掌握了实际的测量数据。通过激光扫描系统就可以精确地测量每条焊缝，而过度焊接的百分比也可以计算出来。其测量结果能够立即反馈给焊工、检测员或主管，以便其能够采取措施来改善过度焊接的情况。

人员培训

目前，焊工培训讲师的培训内容及反馈中，主观成分占很大一部分，这可能会导致焊工并没有得到实质性的帮助及提高。这种培训方式仅仅适用于那些没有经验的新进人员，或是那些只是想单纯匹配公司提出的对生产率和质量要求的现有人员。激光扫描仪可以以实际评级的形式提供具体反馈，使培训师及焊工得到共同的提高。

成本与回报
 
激光扫描仪可以为公司所需的焊接测量和检测提供诸多益处，能够帮助公司节省大量的时间和金钱。当然，我们也应该要了解，购买这种系统所需的投资及未来的回报：采购价格加上培训检测员使用该系统的成本，再加上开发质量保证/质量控制操作程序的成本。经验表明，典型的回报时间为一至三年。

结论

对于那些旨在显著改善焊接质量并减少产品成本（如过度返修或产品报废）的公司来说，使用焊缝检测激光扫描系统绝对是其首选。大部分的焊缝检测都是通过那些不提供测量数值的计量仪器完成的，它们仅能确定焊接的好与坏。虽然这可以防止不良产品的流出，但同时也扼杀了公司持续改进产品的机会。激光扫描仪采用了许多类似于摄像机、智能平板电脑和其他智能设备在操作上非常便利的技术，因此使人们可以更容易的在更短的时间内学会并掌握激光扫描系统。

参考文献：
[1]AWS, Economics of Welding and Cutting, Welding Handbook, 9th ed., Vol. 1, American Welding Society, 2001, pp. 522–523.

作者：Anthony Crivello和Jeffrey Noruk
原文出处：《The NDT Technician》第14卷第1期
来源：材料与测试
译者：兔子小光

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