如何在复杂焊接环境下实现亚毫米级焊缝缺陷的实时在线检测与质量追溯？【自动化检测】【无损检测】

1. 焊缝的基本结构与技术要求

焊缝，就好比两块板材通过“钢筋水泥”连接起来的“桥梁”，它的结构质量直接决定了整个产品的强度和可靠性。一个合格的焊缝，需要像一座设计精良的桥，不仅连接稳固，表面也应该平整、没有裂缝或多余的“泥块”。

在焊接过程中，由于材料性质、焊接工艺、环境条件等多种因素影响，焊缝可能会出现各种“先天不足”或“后天损伤”。这些缺陷就像桥梁上的裂纹、坑洼或未完全连接的部分，如果不及时发现和修复，就会成为潜在的风险点。

针对焊缝的检测，我们有几个核心的技术要求：

• 高精度： 需要能识别毫米甚至亚毫米级的微小缺陷，比如细小的裂纹、不平整的熔宽，就像检查桥梁时能看到头发丝大小的裂缝。

• 实时性： 尤其是在自动化焊接生产线上，需要快速检测以避免生产线停顿，或者在缺陷发生时立即反馈，就像无人驾驶汽车需要实时识别路况。

• 适应复杂环境： 焊接现场通常伴随着高温、强光（弧光）、烟尘、飞溅等，这些恶劣条件对传感器的稳定性、防护等级和抗干扰能力提出了严苛要求。这就像在暴风雨中，摄像头依然要能清晰工作。

• 可追溯性： 检测到的缺陷需要有清晰的记录，包括位置、类型、大小等，以便后续分析原因，改进工艺，并为产品质量提供历史数据，就像产品有了完整的“体检报告”。

2. 焊缝监测参数与评价方法

为了确保焊缝质量，我们通常会监测和评价一系列参数。这些参数可以大致分为两类：表面几何特征和内部结构完整性。

2.1 表面几何特征

• 焊缝宽度： 指焊缝表面的横向尺寸。评价时，会测量焊缝不同位置的宽度，并与设计标准进行比较。过宽或过窄都可能指示焊接工艺不稳定。

• 焊缝高度/余高： 指焊缝表面高出母材平面的高度。通常需要在一个允许的范围内，过高可能造成应力集中，过低则可能强度不足。

• 焊趾过渡： 焊缝与母材连接处的圆滑程度。理想情况是平滑过渡，如果形成尖锐的夹角（咬边），则容易引发应力集中和疲劳失效。

• 飞溅： 焊接过程中溅落在焊缝或母材表面的金属小颗粒。飞溅过多会影响外观和后续涂装，甚至可能造成焊缝强度下降。

• 焊瘤： 焊缝金属在重力作用下流淌形成的不规则堆积。

• 咬边： 焊缝边缘母材被电弧烧蚀形成的凹陷。

• 未焊满： 焊缝金属量不足，未能完全填充坡口。

• 表面裂纹： 焊缝表面可见的微小裂缝。

评价这些几何特征，通常通过非接触式光学测量方法获取焊缝的三维轮廓数据，然后通过软件分析其尺寸、形状和是否存在异常。

2.2 内部结构完整性

• 气孔： 焊缝内部存在的空洞，可能是单个或密集分布。

• 夹渣： 焊缝内部夹杂的非金属物质，如焊条药皮熔渣。

• 未熔合： 焊缝金属与母材或焊道之间没有完全熔合。

• 未焊透： 焊缝金属未能完全熔透整个接头厚度。

• 内部裂纹： 焊缝内部的裂缝，从表面无法直接观察到。

内部缺陷的评价需要穿透性检测方法，通过分析穿透介质的信号变化来推断内部缺陷的位置、大小和类型。

3. 实时监测/检测技术方法

选择合适的焊缝检测技术，就像医生选择诊断工具，要根据“病人”的症状、位置以及想了解的深度来决定。不同的技术各有侧重，有的是看表面，有的是看内部，有的适合快速初筛，有的则擅长精细诊断。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光三角测量技术

这是一种利用光学原理进行距离测量的技术，也是激光位移传感器最常用的工作原理。它的核心思想很简单，就像我们用双眼判断物体的远近一样，只不过这里我们用激光“单眼”和探测器“单眼”来协同工作。

• 工作原理与物理基础： 想象一下，你拿着一个激光笔，从一个固定角度向焊缝表面打出一个光点。当这个光点落在焊缝表面时，它会反射回来。在距离激光发射器一定位置，有一个高精度的光学探测器（比如CMOS或PSD），它会“看”到这个反射光点。 当焊缝表面有高低变化时，反射回来的光点在探测器上的位置也会随之移动。这个位移关系可以用三角几何原理来精确计算。简单来说，激光发射器、反射光点和探测器上的成像点形成一个三角形。当物体距离传感器发生变化时，这个三角形的形状会改变，探测器上的成像点位置也会随之移动。 我们可以通过下面的几何关系来理解： 假设传感器中激光器与探测器中心点的水平距离为B，激光器出射光线与垂直方向的夹角为θ1，探测器接收光线与垂直方向的夹角为θ2。当被测物表面距离传感器为h时，根据三角函数关系，我们可以推导出物体高度与探测器上光点位置的关系。 在一个简化模型中，如果知道激光器投射角度 α，探测器接收角度 β，以及激光器与探测器之间的基线距离 L，那么物体表面的高度变化 h 可以通过探测器上光斑的位移 Δx 来计算。 一种常见的简化公式表达为：h = (L * Δx) / (f * sin(β) + Δx * cos(β))，其中 f 是探测器的焦距。更直观地，我们可以认为 h 是 Δx 的函数，即 h = K * Δx，其中 K 是一个与传感器几何参数相关的常数。

• 核心性能参数： 激光三角测量技术的测量范围通常在几毫米到几米，高端系统的最小分辨率可达微米级别，更新频率可达数千赫兹。

• 优点：

  • 高精度、高分辨率： 能够识别焊缝表面细微的几何变化和缺陷。

  • 非接触式测量： 不会对焊缝造成任何损伤或影响。

  • 实时性强： 快速的测量频率使得它适用于在线检测。

  • 适应性广： 通过调整激光波长（如蓝色激光）和优化算法，可以适应不同颜色和反射率的表面。

  • 灵活： 可以是单点测量（像用尺子量一个点），也可以是线扫描（像扫码枪一样扫出一条线），甚至通过多个传感器组成面扫描（像拍照一样获取整个区域）。

• 缺点：

  • 对强反光（如镜面金属）或强吸收（如某些黑色材料）的表面可能表现不佳。

  • 容易受到环境光、烟雾和粉尘的干扰。

  • 主要检测焊缝的表面几何特征，无法直接探测焊缝内部缺陷。

• 适用场景与成本考量： 广泛应用于焊缝宽度、高度、余高、咬边、飞溅等表面缺陷的检测。成本相对其他高端无损检测技术（如CT）更低，适合大规模自动化生产线集成。

3.1.2 相控阵超声检测技术 (PAUT)

这项技术有点像医生用的B超，但它能更聪明地控制超声波的发射和接收。

• 工作原理与物理基础： 传统的超声探伤仪只有一个或少数几个超声波发射/接收单元。而相控阵超声探头内部集成了几十甚至上百个独立的超声换能器阵元。每个阵元都可以独立激发，并通过精确控制它们激发的时间差（也就是“相位”），使得发射出的超声波束可以像“指挥家”指挥乐队一样，实现波束的偏转、聚焦和扫描。 这些超声波会穿透焊缝内部，当遇到焊缝中的裂纹、气孔、夹渣等缺陷时，超声波会发生反射或散射。探测器接收到这些反射回来的超声波信号，通过分析信号的飞行时间、幅度、相位等信息，就可以计算出缺陷的位置、大小和类型。 物理基础是超声波在介质中传播的特性和声波的衍射与干涉原理。通过调整各阵元激发延时，可以在空间中形成特定的声束方向和焦点。

• 核心性能参数： 相控阵超声检测技术的通道数通常为64或128，频率范围在0.5 MHz到18 MHz之间，能够提供A/B/C/D/S多种扫描模式。

• 优点：

  • 高效率： 一次扫描可以覆盖大范围，且能灵活调整扫查角度，无需频繁移动探头。

  • 高精度： 对焊缝内部缺陷的定位和尺寸评估更精确。

  • 适用复杂几何： 尤其适合检测复杂形状的焊缝。

  • 数据可视化： 能够生成直观的二维或三维图像，便于缺陷分析。

• 缺点：

  • 需要耦合剂（水或凝胶）以确保超声波有效传入工件。

  • 对表面粗糙度要求较高。

  • 设备成本相对较高，操作人员需要专业培训。

  • 不适用于检测表面缺陷。

• 适用场景与成本考量： 主要用于探测焊缝内部的裂纹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透等深层缺陷。广泛应用于石油化工、航空航天、核电等对焊缝内部质量要求极高的行业。成本较高，通常用于离线或关键部位的在线检测。

3.1.3 工业计算机断层扫描技术 (CT)

这技术就像给焊缝做“三维X光”，能把焊缝的里里外外看得清清楚楚，甚至能透视内部微小的结构。

• 工作原理与物理基础： 工业CT系统包含一个X射线源和一个X射线探测器。X射线源向被测焊缝发射X射线，这些射线穿透物体时，会根据物体不同部位的密度和原子序数衰减不同。探测器接收到穿透后的X射线图像。 与普通X光片不同的是，CT系统会在焊缝周围进行多角度、360度的X射线拍摄，获取一系列二维投影图像。然后，利用强大的计算机软件，通过复杂的数学算法（如Radon变换的逆变换），将这些二维图像“拼凑”并重建出焊缝内部的完整三维模型。 这个三维模型能清晰地展示焊缝内部的任何缺陷，包括其形状、大小、位置和分布，甚至可以进行无损的内部尺寸测量。

• 核心性能参数： 工业CT系统的管电压通常高达225 kV或更高，空间分辨率可达微米级（0.5微米），探测器多采用平板探测器。

• 优点：

  • 三维完整图像： 提供焊缝内部的完整三维视图，无盲区。

  • 高精度： 对微小缺陷的检出率极高，能进行精确的尺寸测量。

  • 无损检测： 不会对焊缝造成任何损伤。

  • 可量化分析： 能对缺陷进行量化分析和体积测量。

• 缺点：

  • 设备体积庞大，通常无法实现在线实时检测，主要用于离线实验室检测。

  • 扫描时间较长（尽管有快速扫描模式）。

  • 设备成本极其昂贵，辐射安全防护要求高。

  • 对大尺寸或高密度厚重焊缝的穿透能力有限制。

• 适用场景与成本考量： 主要用于研发阶段的焊缝质量分析、失效分析、关键零部件焊缝的终极质量验证。在航空航天、医疗器械、增材制造等高精尖领域有广泛应用。成本是所有检测技术中最高的。

3.1.4 白光结构光三维扫描技术

这种技术有点像用“光影戏法”来快速捕捉焊缝的完整三维形状。

• 工作原理与物理基础： 白光结构光扫描仪会向焊缝表面投射一系列预设的、带有特定图案（比如条纹、编码点阵）的白光。这些图案打在焊缝表面后，会因为焊缝表面的高低起伏而发生变形。 系统配备的两个高分辨率相机，会从不同角度同步捕获这些变形后的图案图像。由于相机的位置和投射器是精确校准的，系统就能通过分析图案的畸变程度，结合三角测量原理，计算出焊缝表面上每个点的三维坐标。 最终，这些密集的三维坐标点会组成一个高精度的点云数据，完整地重建出焊缝的三维几何模型，从而可以精确测量焊缝的各种尺寸、形状和表面缺陷。

• 核心性能参数： 白光结构光三维扫描技术的测量精度可达±0.01毫米，扫描速度快（几秒内获取数百万点），点距可达0.02毫米。

• 优点：

  • 全场快速扫描： 相比单线激光，能更快地获取整个焊缝区域的三维数据。

  • 高细节捕捉能力： 能够精确捕捉复杂焊缝的表面细节。

  • 非接触式： 不损伤被测物体。

  • 数据丰富： 生成完整的三维模型，便于后续分析和逆向工程。

• 缺点：

  • 对表面光泽度变化敏感，可能需要对高反光表面进行消光处理。

  • 易受环境光干扰，通常需要在相对稳定的光照条件下工作。

  • 扫描精度可能受物体移动或振动影响。

• 适用场景与成本考量： 适用于复杂焊缝的尺寸分析、形状检测、变形测量、逆向工程以及质量控制。在汽车制造、模具、航空航天等领域广泛应用。设备成本高于激光位移传感器，但低于CT设备。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选几个在焊缝检测领域有代表性的国际品牌进行比较。

• 加拿大里米科技 里米科技以其Gocator系列激光线轮廓传感器著称，该系列采用蓝色激光线进行三角测量，能够高效获取物体表面的三维轮廓数据。它们的核心优势在于提供高速、高分辨率的在线三维焊缝轮廓扫描方案，特别适合检测焊缝的宽度、高度、熔深、飞溅和咬边等几何缺陷。其产品对高反光或吸收性材料表面有较好的适应性，并且易于集成到自动化生产线。例如，Gocator 2500系列提供Z轴分辨率0.5 - 3微米，扫描速度高达10 kHz。

• 英国真尚有 英国真尚有的ZLDS115激光位移传感器采用激光点三角测量原理，是一款高精度、高性能的测量设备。它以其宽广的测量范围（最大可达2000mm或2000-4000mm）、高精度（最高分辨率0.01mm，线性度最优±0.03mm）和快速响应（1kHz更新频率）而突出。ZLDS115在温度稳定性方面表现出色，温度偏差仅为±0.03% FS/°C，并具有IP65防护等级，适合在恶劣环境中使用。对于高温目标，ZLDS115还可选配高温版本，最高可测量1500°C以上。其内置的多种滤波器和独特的双传感器厚度测量功能，为复杂的测量任务提供了灵活性和便利性。该传感器非常适合在复杂焊接环境下，对焊缝的特定点进行高精度距离测量，以辅助识别和定位表面几何缺陷。

• 美国威望科技 美国威望科技在无损检测领域是领导者，其USM Vision相控阵超声探伤仪利用PAUT技术，通过智能控制多个超声换能器阵元，实现超声波束的可控偏转和聚焦。这使得它可以在不移动探头的情况下，对复杂几何形状的焊缝进行多角度、全覆盖扫描，有效探测焊缝内部的裂纹、气孔、夹渣等深层缺陷。USM Vision系列在能源、航空航天、汽车等对内部质量要求严格的关键行业中表现出色，相比传统超声，能提供更快的检测速度和更高的缺陷检出率。其通道数通常高达128/64，频率范围0.5 MHz - 18 MHz。

• 德国依科 德国依科作为工业X射线和CT系统的全球领导者，其YXLON FF20 CT等产品以高分辨率、高精度和可靠性著称。该技术通过X射线源对物体进行多角度透射成像，然后重建物体内部的三维图像。YXLON CT系统能够无损、精确地检测焊缝内部的微裂纹、气孔、未熔合等缺陷，并进行精准的尺寸测量和缺陷定位。管电压可高达 225 kV，空间分辨率最小可达0.5微米。CT技术为复杂焊缝和微小缺陷的分析提供了独特优势，是研发和质量控制的理想工具，尤其适合对焊缝内部质量进行终极验证。

• 瑞典海克斯康 海克斯康通过其GOM ATOS Q光学三维扫描仪提供高精度、高分辨率的非接触式三维测量解决方案。该系统投射特定的条纹图案（结构光）到被测焊缝表面，并通过两个高分辨率相机捕获图案畸变，通过三角测量原理重建焊缝表面的完整三维几何数据。ATOS Q系列在2秒内可获取高达1200万个测量点，测量精度高达±0.01毫米。结构光技术相比单线激光具有更快的全场扫描速度和更高的表面细节捕捉能力，尤其适合复杂焊缝的逆向工程、尺寸分析和质量控制，可实现自动化检测。

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

选择合适的传感器就像挑选一把趁手的工具，需要根据具体“任务”来决定。以下是几个关键指标：

• 测量原理：

  • 实际意义： 决定了传感器能“看”到什么，是表面轮廓还是内部结构。

  • 选型建议： 如果主要检测焊缝表面几何缺陷（如宽度、余高、飞溅、咬边），激光三角测量或结构光扫描是首选。如果需要深入探查内部缺陷（如气孔、裂纹），则需考虑超声波或X射线CT。

• 测量范围：

  • 实际意义： 指传感器能测量的最大和最小距离/尺寸。就像你的尺子最长能测多远，最短能测多细。

  • 选型建议： 根据焊缝的尺寸和传感器安装距离来选择。范围过小会限制应用，过大可能导致精度下降或成本增加。例如，对于大型构件的焊缝，可能需要更长的测量范围。

• 精度与分辨率：

  • 实际意义： 分辨率是传感器能识别的最小变化量，就像相机能拍到的最细微细节；精度是测量结果与真实值之间的接近程度，就像照片有多接近真实场景。高分辨率不等于高精度。

  • 选型建议： 焊缝缺陷通常很小，需要高分辨率才能捕捉微小缺陷。精度则直接影响测量结果的可靠性。对于精密焊缝，务必选择精度高的设备。

• 更新频率/扫描速度：

  • 实际意义： 指传感器每秒能进行多少次测量或扫描多少个轮廓。在自动化生产线上，这决定了检测效率。

  • 选型建议： 对于高速运动的焊缝或需要快速在线检测的场景，必须选择高更新频率或扫描速度的传感器。否则可能导致漏检。

• 防护等级 (IP等级)：

  • 实际意义： 指传感器对外来物（如灰尘、水）的防护能力。

  • 选型建议： 焊接环境通常多尘、有水汽甚至飞溅，至少需要IP65或更高等级的防护，确保传感器在恶劣条件下稳定工作，延长使用寿命。

• 温度稳定性与工作温度范围：

  • 实际意义： 传感器在不同环境温度下，测量结果的漂移程度，以及传感器自身能承受的工作温度。

  • 选型建议： 焊接区域温度通常较高，选择宽工作温度范围和良好温度稳定性的传感器，能有效减少环境温度对测量精度的影响。对于高温焊缝，需要特别选择支持高温目标测量的型号。

• 目标材料适应性：

  • 实际意义： 传感器对不同颜色、反射率（如镜面、粗糙面）的焊缝表面的测量能力。

  • 选型建议： 焊缝表面可能因材质、焊接工艺而有较大差异。选择对高反光或吸收性材料有良好适应性的传感器，例如有些激光传感器会采用蓝色激光来提高对金属表面的适应性。

• 输出方式：

  • 实际意义： 传感器如何把测量数据传给控制系统。

  • 选型建议： 常见的有模拟输出（4-20mA, 1-9V）和数字输出（RS232, RS422, Ethernet）。根据现场PLC、工业PC或其他控制系统的接口要求进行匹配，确保无缝集成。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了合适的传感器，在复杂的焊接环境中，仍然可能遇到各种“小插曲”。

• 问题：强弧光干扰

  • 原因与影响： 焊接时产生的强烈弧光，其亮度远超激光传感器的反射光，可能“晃花”传感器的“眼睛”，导致测量数据不稳定或完全失效。

  • 解决建议：

    • 光学滤波： 使用窄带光学滤波器，只允许特定波长的激光通过，滤除大部分弧光。

    • 激光波长选择： 选用与弧光光谱重叠较小的激光波长，例如蓝色激光在某些金属焊接中表现更好。

    • 同步触发： 让传感器在电弧熄灭的瞬间进行测量（例如在脉冲焊接的熄弧间隙），或与焊接电源同步，避开最强的弧光。

    • 物理遮蔽： 设计专门的遮光罩或安装在远离弧光直射的位置。

• 问题：烟尘、飞溅和蒸汽

  • 原因与影响： 焊接产生的烟雾、金属飞溅物和水蒸气会阻碍激光路径，导致信号衰减，影响测量精度甚至中断测量。

  • 解决建议：

    • 气幕保护： 在传感器镜头前安装气帘或气刀，形成一层干净的空气屏障，防止污染物附着。

    • 定期清洁： 建立定期的传感器镜头清洁维护制度。

    • 优化安装位置： 将传感器安装在烟尘较少、受飞溅影响小的位置。

    • 高防护等级： 选择IP65或更高防护等级的传感器，防止颗粒物和液体进入内部。

• 问题：焊缝表面反射率不均/变化

  • 原因与影响： 焊缝表面可能存在氧化层、涂层、颜色变化、光泽度不均，导致激光反射信号强度变化大，给传感器带来测量挑战。

  • 解决建议：

    • HDR模式： 选用支持高动态范围（HDR）功能的传感器，它能同时处理强反射和弱反射信号。

    • 多重曝光： 通过不同曝光时间获取多张图像进行融合，以适应不同反射率区域。

    • 调整激光功率和探测器增益： 根据实际情况优化传感器设置。

    • 蓝色激光： 对于金属表面，蓝色激光通常比红色激光具有更好的测量效果。

• 问题：安装空间受限与振动

  • 原因与影响： 焊枪附近空间狭小，传感器安装困难；焊接过程中可能产生振动，影响测量稳定性。

  • 解决建议：

    • 紧凑型传感器： 选择体积小巧、集成度高的传感器。

    • 定制支架： 设计坚固且具有减震功能的安装支架。

    • 数据滤波： 传感器内置或上位机软件进行数据滤波处理（如中值滤波、滑动平均），减少振动带来的噪声。

4. 应用案例分享

• 汽车制造行业： 在汽车车身焊接线上，激光位移传感器被广泛用于在线检测车门、车顶、底盘等部位的焊缝宽度、高度和焊点质量，确保车身结构的强度和外观一致性。

• 重型机械制造： 大型工程机械（如挖掘机臂、起重机结构件）的焊缝需要承受巨大载荷。通过激光线扫描或相控阵超声检测，可以实时监控焊缝成型，并对内部缺陷进行早期预警和定位，提高产品可靠性。例如，英国真尚有的ZLDS115激光位移传感器，凭借其高达1kHz的更新频率，可用于实时监控焊缝的几何尺寸。

• 管道焊接： 油气管道、水利管道的焊缝质量直接关系到安全运营。激光传感器用于监控管道对接焊缝的间隙和错边，而CT或相控阵超声则用于检测管道焊缝的内部缺陷，如裂纹、气孔，确保管道完整性。

• 轨道交通： 高铁车体和转向架的焊缝是关键安全部件。激光位移传感器和结构光扫描仪用于精确测量焊缝的几何形状和表面缺陷，以满足严格的尺寸和外观标准，同时追溯每道焊缝的质量记录。