如何在自动化焊接中，实现对焊缝±0.01mm微米级几何尺寸与表面缺陷的在线高效检测？【机器视觉 质量控制】

1. 焊缝的基本结构与技术要求

焊缝是焊接完成后，连接件之间形成的结合区域。想象一下，将两块金属板像拼积木一样拼接起来，焊缝就是那个把它们牢牢粘合在一起的“胶水”。这个“胶水”可不是随便涂一涂就行，它的形状、大小、内部结构都直接影响着最终产品的强度和寿命。

基本结构组成：

• 焊缝金属（或熔合区）：这是由焊材（如焊丝）和被焊母材熔化后凝固形成的区域，是焊缝的核心。

• 热影响区（HAZ）：焊缝两侧受焊接热量影响，但未熔化的母材区域。这里的金相组织和性能会发生变化。

• 母材：未受焊接热量影响的原始金属。

技术要求：

在精密焊接，尤其像汽车制造、航空航天等领域，对焊缝的尺寸和质量有极其严格的要求。为了确保焊缝强度、密封性以及美观度，我们需要精确控制焊缝的：

• 几何尺寸：如焊缝的宽度、高度、熔深、焊角尺寸等，这些直接决定了焊缝的承载能力。

• 表面质量：如是否存在咬边（焊缝边缘不足）、焊瘤（焊缝金属溢出）、塌陷（焊缝高度不足）、气孔、裂纹等表面缺陷，这些会削弱焊缝强度并影响外观。

• 内部完整性：是否存在未熔合、未焊透、夹渣等内部缺陷，这些是肉眼无法看到的“内伤”。

实现±0.01mm的精度，意味着我们能以微米级的精度去“丈量”焊缝的每一个细节，这对于确保产品的高可靠性至关重要。

2. 焊缝的相关监测参数简介

为了评估焊缝质量，行业内会针对焊缝的多种特征进行测量和评价。这些参数就像体检报告上的各项指标，通过它们可以判断焊缝是否健康。

• 焊高（Weld Height）: 焊缝表面最高点到焊趾连线的垂直距离。它反映了焊缝的填充程度。

• 焊宽（Weld Width）: 焊缝两侧焊趾之间的水平距离。它反映了焊缝的铺展范围。

• 焊脚尺寸（Leg Length）: 对于角焊缝，指从焊趾到焊缝根部的垂直距离。是衡量角焊缝尺寸的关键参数。

• 熔深（Penetration Depth）: 焊缝金属熔入母材的深度。熔深不足可能导致连接强度不够。

• 咬边（Undercut）: 焊缝边缘母材被熔化但未被焊缝金属填满形成的凹槽。这会造成应力集中，降低强度。

• 焊瘤/搭边（Overlap）: 焊缝金属堆积溢出，盖住母材表面但未与母材熔合的部分。

• 错边（Misalignment）: 两块被焊工件在对接时存在的高度或水平方向的偏差。

• 气孔（Porosity）: 焊缝金属凝固过程中，气体来不及逸出而留在焊缝内部或表面的孔洞。

• 裂纹（Crack）: 焊缝内部或表面出现的断裂，是最危险的缺陷之一。

这些参数的评价通常通过光学测量、无损检测等多种方式进行，以确保焊缝的几何尺寸符合设计要求，且内部无严重缺陷。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在焊接自动化中，为了实现对焊缝的精密测量，市面上涌现了多种先进的检测技术。这些技术各有侧重，就像不同的医生用不同的仪器检查身体，有的看外观，有的看内部。

3.1.1 激光三角测量法

激光三角测量是一种非接触式的光学测量技术，是线激光传感器最常用的工作原理。它的核心思想是利用光学三角关系来计算物体表面的三维形状。

工作原理和物理基础：

想象一下，你站在一个房间里，用一束手电筒的光线照向墙壁。如果你从侧面观察这个光斑，当你向前或向后移动手电筒时，光斑在墙壁上的位置看起来会发生变化。激光三角测量就是利用这个原理。

传感器内部包含一个激光发射器和一个图像传感器（通常是CMOS或CCD相机）。激光器会向被测物体表面投射一条精细的激光线。这条激光线打到物体表面后，会因为物体表面的起伏而发生变形，形成一个“光影轮廓”。

图像传感器则以一个固定的角度（通常与激光发射器之间有一个夹角）去捕捉这条被物体表面散射回来的激光线轮廓图像。由于激光发射器、图像传感器和激光线在物体表面上的成像点构成了一个稳定的三角形，通过精确测量图像传感器上激光线成像的位置，就可以利用三角几何原理计算出物体表面上每一个点到传感器的距离（即Z轴坐标）。当传感器沿着焊缝方向移动时，就可以连续获取一系列的二维轮廓数据，最终构建出完整的三维焊缝形貌。

关键公式：

简化理解，假设激光器与相机之间有一个固线基线长度 B，相机镜头中心到传感器的距离为 f（焦距），激光线与基线的夹角为 alpha，相机光轴与基线的夹角为 beta。当激光线在物体表面 P 点成像，其在相机图像传感器上的位置与光轴的距离为 delta_x 时，物体 P 点到传感器的垂直距离 Z 可以通过如下关系计算：

Z = (B * f) / (f * tan(alpha) + delta_x) (这是一个简化的模型，实际计算会更复杂，考虑到透镜畸变、视角等)。

核心性能参数的典型范围：

• Z轴精度（深度测量）: 激光测量精度一般为±0.02mm~±0.1mm，优质系统可达±0.015mm，满足精密测量要求。对于±0.01mm（即±10µm）的精度，通常需要Z轴重复性在几个微米以内。

• X轴分辨率（轮廓宽度）: 可以达到几微米到几十微米。

• 测量范围（Z轴量程）: 从几毫米到上千毫米不等，根据传感器型号和工作距离选择。

• 扫描速度: 每秒可获取数百到数万个轮廓（剖面），适应高速生产线。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 非接触式测量： 不会对焊缝表面造成损伤，适用于高温或柔软材料。

  • 高精度与高分辨率： 能够获取焊缝的细微特征和精确尺寸。

  • 实时性强： 适合在线检测和焊缝跟踪，可以快速获取三维数据。

  • 信息丰富： 可同时测量焊缝的几何尺寸（如焊高、焊宽、错边）和表面缺陷（如咬边、焊瘤）。

  • 适应性广： 通过选择不同波长的激光（如蓝光），可以应对各种材料表面（如高反光、高温表面）。

• 局限性：

  • 对表面反射率敏感： 镜面反射、高光泽表面可能导致光线散射不均，影响测量。

  • 易受环境光干扰： 强烈的环境光可能与激光混淆，需要采取遮光措施或使用特定波长激光。

  • 盲区问题： 由于三角测量原理，在陡峭或遮挡的区域可能存在“阴影”或测量盲区。双头传感器可以有效缓解此问题。

  • 成本较高： 精密线激光传感器通常价格不菲。

3.1.2 涡流阵列检测法

涡流阵列检测是一种非接触式的电磁检测方法，主要用于发现焊缝表面和近表面的缺陷。

工作原理和物理基础：

想象一下，你手里拿着一个线圈，里面通上交流电，它会产生一个变化的磁场。如果你把这个线圈靠近一块导电的金属（比如焊缝），这个变化的磁场会在金属内部感应出像水流漩涡一样的“涡流”。这些涡流反过来也会产生自己的磁场。如果金属里有裂纹、气孔或者其他材料不均匀的地方，这些“涡流”的路径就会被阻碍或改变，从而影响到线圈产生的磁场。传感器就是通过检测这些磁场变化，来判断焊缝是否存在缺陷。涡流阵列技术则是在一个探头中集成多个独立的线圈，可以同时扫描一片区域，提高检测效率。

核心性能参数的典型范围：

• 通道数: 几十到上百个通道，决定了检测的覆盖范围和分辨率。

• 频率范围: 10 Hz到10 MHz，不同的频率可以穿透不同深度，适用于检测不同深度的缺陷。

• 扫查速度: 每秒可达数米，效率高。

• 缺陷识别能力: 可检测到微米级的表面裂纹和近表面缺陷。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 非接触式： 无需耦合剂，可在高温、粗糙表面进行检测。

  • 高效率： 阵列探头可快速覆盖大面积焊缝。

  • 灵敏度高： 对表面和近表面缺陷（如微小裂纹）有很高的检测灵敏度。

  • 适应性好： 可用于检测导电材料的焊缝。

• 局限性：

  • 仅限导电材料： 无法检测非导电材料。

  • 穿透深度有限： 主要针对表面和近表面缺陷，对深层缺陷不敏感。

  • 对表面粗糙度有一定要求： 过于粗糙的表面可能影响信号质量。

  • 无法直接提供几何尺寸信息： 主要用于缺陷检测，而非尺寸测量。

3.1.3 红外热成像检测法

红外热成像检测是一种通过测量物体表面红外辐射来获取温度分布的技术，可用于焊缝的缺陷检测和过程监控。

工作原理和物理基础：

任何温度高于绝对零度的物体都会向外辐射红外线。红外热像仪就像一双能看到“热量”的眼睛，它能捕捉到物体表面发出的红外辐射，并将其转化为可视的温度分布图像。在焊缝检测中，可以通过两种方式：

• 被动式： 直接监测焊缝冷却过程中的温度分布。如果焊缝内部存在缺陷（如气孔、夹渣），这些缺陷会导致局部热传导异常，从而在热图像上表现出与周围区域不同的温度点或区域。

• 主动式： 对焊缝区域进行短暂的外部加热（例如通过激光或闪光灯），然后观察其冷却过程中的温度变化。缺陷区域因热传导特性不同，其温度衰减曲线会与正常区域有明显差异，通过分析这种差异来识别缺陷。

核心性能参数的典型范围：

• 分辨率: 几十万到上百万像素，图像越清晰，细节越多。

• 帧率: 数十赫兹到上千赫兹（在子窗口模式下可达更高），可实现高速动态检测。

• NETD（噪声等效温差）: 越小表示对微小温差越灵敏，例如小于18 mK。

• 温度测量范围: 可覆盖-40 °C到1500 °C甚至更高。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 非接触式： 安全，不损伤物体。

  • 快速全场扫描： 一次成像可获取大面积的温度分布。

  • 可检测内部缺陷： 主动热波检测能够发现表面以下一定深度的缺陷。

  • 不受表面粗糙度影响： 对表面状况不敏感，适用于粗糙焊缝。

  • 可用于过程监控： 实时监测焊接过程中的温度场，优化工艺。

• 局限性：

  • 依赖热传导特性： 缺陷的检测效果取决于其对热传导的影响程度。

  • 环境温度影响： 环境温度变化可能影响测量精度。

  • 无法直接提供几何尺寸： 主要用于缺陷检测，而非几何尺寸测量。

  • 设备成本高： 高性能红外热像仪通常价格昂贵。

3.1.4 相控阵超声检测法

相控阵超声检测是一种先进的无损检测技术，通过超声波来检测焊缝内部的缺陷。

工作原理和物理基础：

传统超声检测就像用一个手电筒（单一探头）发射和接收声波。而相控阵超声检测则像一个拥有多颗独立控制灯泡的“智能手电筒”（阵列探头），每个“灯泡”都能在精确的时间发射声波，并且能够改变声波的发射角度和聚焦位置。

PAUT探头由多个独立的超声晶片组成，通过计算机控制每个晶片发出超声波的时间延迟，可以精确地控制超声波束在焊缝内部的传播方向、角度和聚焦深度。当超声波束在焊缝内部遇到缺陷（如裂纹、气孔、未熔合）时，一部分声波会被反射回来，传感器接收到这些反射波（回波）后，通过分析回波的时间、振幅和相位，就能精确地判断缺陷的位置、大小和类型，并在屏幕上形成焊缝内部的二维或三维图像。

核心性能参数的典型范围：

• 通道数: 几十到几百个通道，决定了探头的复杂性和检测能力。

• 频率范围: 0.5 MHz到18 MHz，影响穿透深度和分辨率。

• A-scan采样频率: 高达200 MHz，确保数据采集的精细度。

• 检测精度: 可检测到微毫米级的内部缺陷。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 高灵敏度： 对各种内部缺陷（裂纹、孔洞、夹杂、未熔合等）具有极高的检测灵敏度。

  • 高效性： 通过改变声束角度和焦点，一次扫查可覆盖大范围，减少探头移动，提高检测效率。

  • 结果直观： 可提供焊缝内部缺陷的实时二维/三维图像。

  • 适用性广： 可用于检测各种厚度、复杂几何形状的焊缝。

• 局限性：

  • 需要耦合剂： 超声波在空气中衰减严重，需要水、凝胶等耦合剂来传递声波。

  • 表面要求： 过于粗糙的表面会影响声波耦合和信号质量。

  • 操作复杂： 需要经过专业培训的操作人员和工程师。

  • 无法直接提供几何尺寸： 主要用于内部缺陷检测，难以提供高精度的外部几何尺寸。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在实现高精度焊接自动化应用中，一些国际品牌提供了业界领先的解决方案，主要集中在激光三角测量领域，同时也涵盖了其他互补的无损检测技术。

• 加拿大莱勒克斯

莱勒克斯是3D机器视觉和智能传感器领域的企业，其Gocator 2500系列产品以高速度和高分辨率著称，适用于在线高速检测微小焊缝特征。该系列采用激光线扫描与三角测量原理。它的测量范围（Z轴）通常在10毫米至20毫米，视野范围（X轴）为12毫米至25毫米。在精度方面，X分辨率可达5.5微米至15微米，Z分辨率甚至能达到0.2微米至1微米，扫描速率高达25600配置文件/秒。莱勒克斯的优势在于一体化设计，集成了控制器、处理器和传感器，简化了系统集成，并且内置了测量工具和软件，支持实时检测多种焊缝缺陷，使其在焊缝完整性测量方面表现出色。

• 英国真尚有

英国真尚有的ZLDS202系列是一款高性能线激光传感器，基于激光三角测量原理。它在焊接自动化应用中展现出实力，尤其是在高精度和环境适应性方面。ZLDS202系列的Z轴量程可达5mm至1165mm，X轴宽度可达8mm至1010mm，提供了测量灵活性。其Z轴线性度优达±0.01%满量程，Z轴分辨率高达0.01%满量程。扫描速度在标准模式下从520Hz到4000Hz，ROI模式下可达16000剖面/秒。该系列传感器具备IP67防护等级，工作温度范围宽广（-40°C至+120°C，带加热冷却），抗振抗冲击性能优异，并且可选多种激光波长，如450nm蓝光激光适合测量闪亮和高温物体，内置智能算法支持自动焊缝跟踪和实时3D跟踪，双头技术（ZLDS202-2Cam）提高了复杂形状物体的扫描质量。

• 日本基恩士

日本基恩士的LJ-X8000系列2D/3D激光扫描仪，基于激光线扫描与三角测量原理。基恩士以高精度和高速度测量能力而闻名。其Z轴重复精度最低可达0.05微米，X轴采样间隔最低可达2.5微米，测量速度最高可达64 kHz，每轮廓点数高达3200点。这些参数支持在线焊缝检测。该系列产品在抗环境光和表面特性变化方面表现出色，能够在各种表面实现稳定、高重复性的测量，从而检测焊缝的几何尺寸和表面缺陷。基恩士的产品系列丰富，易于集成到自动化生产线中，提供解决方案。

• 美国爱德曼科技

爱德曼科技的Reddy设备是一款便携式涡流阵列检测仪，专注于无损检测。它通过128个通道的阵列探头在焊缝区域产生交变磁场，检测涡流变化来识别和评估表面及近表面缺陷。Reddy的频率范围为10 Hz至10 MHz，数据采集速度高达60个文件/秒，扫查速度可达1.8米/秒。爱德曼科技在涡流和相控阵超声等NDT领域拥有技术，其ECA技术能快速覆盖大面积焊缝，提高检测效率，并且提供EMAT（非接触涡流）解决方案，无需耦合剂，适用于高温或粗糙表面。虽然不直接测量几何尺寸，但对于焊缝内部和表面缺陷的检测具有优势。

• 德国易视德

德国易视德的ImageIR® 8800系列是一款高速红外热像仪，应用于主动热波检测。该设备通过探测物体表面发出的红外辐射来获取温度分布图像，从而识别焊缝内部和表面的缺陷。其探测器采用碲镉汞阵列，分辨率可达640 x 512像素，帧率在全帧模式下高达350 Hz，子窗口模式下可达16 kHz。NETD（噪声等效温差）小于18 mK，对微小温差敏感。易视德的红外热像仪以高分辨率和超高速性能著称，能够进行非接触式的主动热波检测，检测表面和一定深度下的缺陷，且对表面粗糙度不敏感，在焊接过程监控和焊后缺陷检测中发挥作用。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的线激光传感器，需要综合考虑各项技术指标。

• 精度和重复精度：

  • 实际意义： 精度指测量值与真实值之间的接近程度，比如±0.01mm，就是说测量结果与实际尺寸偏差不会超过0.01mm。重复精度则指多次测量同一位置时，结果的一致性。在焊缝测量中，高精度确保了我们能准确了解焊缝的尺寸是否合格，高重复精度则保证了每次检查结果的可靠性，避免误判。

  • 选型建议： 对于高精度要求，应优先选择Z轴线性度/重复精度指标能达到或优于此值的传感器。同时，要关注厂商是在哪个测量范围（量程）下宣称的这个精度，因为通常测量范围越小，能达到的绝对精度越高。

• 分辨率（Z轴和X轴）：

  • 实际意义： 分辨率是传感器能检测到的最小尺寸变化。Z轴分辨率影响深度方向上对微小高低起伏的感知能力，X轴分辨率则决定了轮廓线上能识别的最小细节。对于焊缝的微小缺陷如咬边、气孔或焊缝几何尺寸的细微变化，高分辨率至关重要。

  • 选型建议： 根据需要检测的最小特征尺寸来选择。例如，如果需要识别0.05mm的焊缝塌陷，那么Z轴分辨率至少要优于0.05mm。

• 测量范围（Z轴量程和X轴宽度）：

  • 实际意义： Z轴量程是传感器在深度方向上能测量的最大范围，X轴宽度是传感器一次扫描能覆盖的横向宽度。

  • 选型建议： 结合被测焊缝的实际尺寸和形状复杂度。如果焊缝波动大，需要大Z轴量程；如果焊缝宽，需要大X轴宽度。同时，较大的量程可能会在一定程度上牺牲绝对精度，需要在量程和精度之间找到平衡点。

• 扫描速度：

  • 实际意义： 扫描速度是指传感器每秒能采集多少个轮廓数据。在自动化生产线上，焊接机器人通常移动速度很快，传感器必须能“跟上”这个速度，否则就会漏掉部分数据，无法形成完整的焊缝三维模型。

  • 选型建议： 生产线的节拍和机器人的移动速度是决定性因素。对于高速在线检测，扫描速度至少要达到每秒数千个轮廓才能满足要求。

• 激光波长：

  • 实际意义： 激光波长决定了激光与不同材料表面的相互作用方式。红光激光是通用型，但对高反光或高温表面可能效果不佳。蓝光激光在测量闪亮金属和高温物体时具有优势，因为其波长短，散射效应好，且不易被高温金属反射或吸收导致饱和。

  • 选型建议： 如果焊接材料是镜面、高反光或需要在高温下测量，建议选择蓝光激光器。

• 环境适应性（防护等级、工作温度范围、抗振性能等）：

  • 实际意义： 焊接环境通常恶劣，包含粉尘、烟雾、高温、飞溅，甚至振动。传感器如果无法承受这些环境因素，轻则影响测量稳定性，重则导致设备损坏。IP67防护等级意味着防尘且可在短时间浸入水中，宽广的工作温度范围则保证了在极端条件下的可靠运行。

  • 选型建议： 至少选择IP67防护等级的传感器。根据实际工作温度选择带有加热/冷却系统，并具有良好抗振抗冲击性能的产品。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在焊接自动化中使用线激光传感器进行精密测量，实际应用中可能遇到一些问题。

3.4.1 问题分析与影响

• 焊缝表面高反光或吸光： 特别是铝、不锈钢等镜面材料，或高温熔池区域，激光可能发生强烈的镜面反射，导致图像传感器接收到的信号过强（饱和）或过弱（无信号），使测量数据出现偏差或缺失。

• 焊接烟尘、飞溅物干扰： 焊接过程中会产生大量烟尘和金属飞溅，这些颗粒物可能会遮挡激光束或影响光路，导致传感器接收到的光信号不稳定，从而影响测量精度和稳定性。

• 环境光干扰： 自动化车间的照明、阳光直射等环境光，其光谱可能与激光波长接近，干扰传感器识别激光线，导致测量结果不准确。

• 振动和温度变化： 焊接设备本身的振动、机器人运动或环境温度剧烈变化，可能导致传感器与焊缝之间的相对位置发生微小偏移，进而影响测量精度。

• 复杂焊缝几何形状： 对于T型接头、角焊缝等复杂焊缝，由于视角限制，激光三角测量可能会出现“盲区”，即传感器无法捕捉到部分区域的完整轮廓。

3.4.2 解决方案和预防措施

• 针对高反光或吸光表面：

  • 选用蓝光激光传感器： 蓝光激光由于波长较短，在测量高反光金属和高温物体时具有更好的散射特性和信噪比，能提高测量稳定性。

  • 调整激光功率和曝光时间： 通过软件调节传感器的激光功率和相机曝光时间，优化信号采集。

  • 涂覆消光剂： 在非关键测量区域可临时喷涂一层薄薄的消光剂，以降低表面反射率，但这不适用于在线检测。

• 针对焊接烟尘、飞溅物干扰：

  • 加装保护窗和吹扫气路： 在传感器镜头前加装耐高温、抗飞溅的保护窗，并设计吹扫气路，用压缩空气持续吹扫镜头，保持其清洁。

  • 优化安装位置： 尽可能将传感器安装在远离飞溅和烟尘最密集区域的位置，或者在焊枪后方合适的距离。

  • 使用滤波算法： 传感器内置的图像处理算法可以滤除部分飞溅物的干扰信号。

• 针对环境光干扰：

  • 使用窄带滤光片： 传感器通常会内置或可外加与激光波长匹配的窄带滤光片，只允许激光波长的光线通过，滤除大部分环境光。

  • 遮光措施： 在条件允许的情况下，对传感器工作区域进行局部遮光处理。

  • 高动态范围相机： 选用具有HDR功能的相机，可以在高对比度环境下捕捉更多细节。

• 针对振动和温度变化：

  • 加固安装： 确保传感器安装基座坚固稳定，采用防振垫等措施，减少外部振动传递。

  • 温度补偿： 选择具有温度补偿功能的传感器，或在温度变化大的环境中加装恒温装置。

  • 实时校准： 定期或在关键时刻进行在线校准，修正因温度或机械变形引起的测量偏差。

• 针对复杂焊缝几何形状：

  • 双头传感器： 采用双相机设计的线激光传感器，可以从不同角度获取焊缝轮廓，弥补单传感器可能存在的盲区。

  • 多传感器融合： 在复杂的场景下，可以考虑部署多个传感器，通过数据融合重建完整的三维模型。

  • 优化安装角度： 调整传感器的安装倾斜角度，使其能更好地捕捉到焊缝的关键特征。

4. 应用案例分享

线激光传感器因其高精度、非接触和快速测量等优势，在焊接自动化领域得到了应用。例如，英国真尚有的ZLDS202系列线激光传感器，由于其高精度和环境适应性，在焊接自动化中也得到应用。

• 汽车制造中的焊缝跟踪和质量控制：汽车车身、底盘和电池包的焊接过程中，线激光传感器用于引导焊接机器人沿焊缝路径移动，并对焊后焊缝的尺寸和表面缺陷进行在线检测，确保焊接质量和生产效率。

• 铁路行业钢轨焊接的精度检测：在钢轨的闪光对焊或铝热焊后，线激光传感器被用于测量焊缝的平整度、错边量以及几何尺寸，确保钢轨连接的顺畅性和安全性，减少列车运行时的冲击。

• 船舶制造中大型结构件的焊缝尺寸测量：船舶船体等大型钢结构件的焊接量大，线激光传感器可辅助机器人进行焊缝寻位，并对焊缝进行三维扫描，以验证其是否符合设计要求和焊接规范。

• 航空航天领域精密部件的焊缝检测：在航空发动机、飞行器结构件等部件制造中，线激光传感器用于对激光焊、电子束焊等精密焊接的焊缝进行尺寸测量和缺陷检测，确保部件的服役性能和飞行安全。