自动化生产线如何克服强反光与烟尘，实现焊缝几何与表面缺陷的微米级精准在线检测？【工业视觉，质量控制】

基于焊缝的基本结构与技术要求

焊缝是金属部件通过焊接技术连接而成的区域，其质量直接关系到最终产品的结构完整性和使用寿命。对焊缝的检测，我们主要关注其外部几何形状和表面完整性。

从外部看，焊缝应具备符合设计图纸的宽度、高度（也称余高）、焊趾角度和熔深等几何特征。这些参数决定了焊缝的承载能力和疲劳寿命。想象一下，如果一个桥梁的连接处不够粗壮或形状不规整，其承受力就会大打折扣。同时，焊缝表面必须光滑、连续，不应出现气孔、裂纹、咬边、焊瘤等肉眼可见的缺陷。这些缺陷如同产品表面的“伤疤”，不仅影响美观，更是应力集中的潜在点，可能导致产品过早失效。

然而，焊接环境往往复杂多变，如焊接弧光强烈、金属表面反光严重、材料颜色不一，甚至有烟尘和飞溅物的干扰。这些因素都给高精度焊缝检测，特别是视觉传感器带来了巨大挑战，要求传感器能有效克服这些复杂工况。

针对焊缝的相关技术标准简介

为了规范焊缝质量，行业通常会建立一套全面的评估标准，就像汽车出厂前必须通过一系列严格的性能测试。这些标准围绕焊缝的多种监测参数展开：

• 焊缝几何尺寸：

  • 焊缝宽度：衡量焊缝在横向上的尺寸，确保与设计要求一致。

  • 焊缝高度/余高：评估焊缝表面凸出母材的高度，过高或过低都会影响其性能。

  • 熔深：指焊缝金属深入母材的深度，这是判断焊透程度的关键。虽然视觉传感器无法直接测量内部熔深，但通常通过表面几何形态来间接评估其是否满足要求。

  • 焊趾角：焊缝边缘与母材连接处的角度，它影响应力分布，是疲劳寿命的重要指标。

  • 坡口尺寸与间隙：焊接前工件的预处理尺寸，直接影响焊缝的成形和熔透。

• 表面缺陷：

  • 气孔：焊缝表面或内部形成的气泡状空洞。

  • 裂纹：焊缝表面或内部的细长断裂。

  • 咬边：焊缝边缘与母材结合处出现的沟槽，会削弱焊缝有效截面。

  • 焊瘤：焊缝金属堆积在母材表面，但未完全熔合。

  • 未焊透：焊缝金属未完全穿透连接厚度，导致连接强度不足。

对这些参数的评估，通常通过高精度传感器获取数据，然后利用图像处理和算法分析，自动判断焊缝是否满足质量标准。

实时监测/检测技术方法

激光三角测量法 / 结构光测量技术

这项技术就像用激光“描绘”物体的形状。它通过主动投射激光，然后从另一个角度观察反射光，从而计算出物体的三维轮廓。

工作原理和物理基础：传感器内部的激光发射器（通常是点激光或线激光）向焊缝表面投射一束激光。当激光触及焊缝表面时，反射光线被传感器内固定角度的相机或感光元件捕捉。激光发射点、焊缝上的激光光斑和相机感光元件形成一个三角形。当焊缝表面距离传感器发生变化时，反射光在相机感光元件上的成像位置也会随之移动。通过精确测量这个成像位置的位移，并利用预先标定的几何关系（三角函数原理），传感器就能实时计算出焊缝表面的高度或三维坐标信息。

对于线激光（结构光），传感器投射的是一条激光线，相机捕捉的是这条激光线在焊缝表面弯曲变形的图像。这条变形的激光线精确反映了焊缝的高低起伏。通过复杂的图像处理算法，这些2D图像数据被实时转换为高精度的3D点云数据，从而完整地重构出焊缝的详细三维轮廓。这种技术特别适用于快速、非接触地获取焊缝的整体几何形态。

核心性能参数的典型范围：

• Z轴测量范围（深度方向）：通常在数毫米至数百毫米之间（例如，±1.5mm至±100mm）。

• Z轴分辨率（深度精度）：可达微米级别，如0.02μm至几μm。

• X轴分辨率（横向精度）：通常为几十微米至几百微米，如10μm至200μm。

• 采样速度：从几KHz到几十KHz，高速版本可达70KHz。

• 线性度：一般在0.01%至0.1%之间，表示测量结果的准确度。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 非接触式：对焊缝无任何损伤，不影响焊接过程。

  • 高精度与高速度：能够实时、精确地获取焊缝的三维轮廓，实现高速在线检测。

  • 抗反光和颜色变化能力强：通过优化激光波长（如蓝色激光）、采用高动态范围（HDR）成像技术和特殊滤波，能有效抑制焊接弧光、金属反光和不同表面颜色的影响。

  • 信息丰富：可获取焊缝的宽度、高度、坡口等几何尺寸及表面缺陷信息。

  • 易于集成：紧凑设计和多种数字输出接口便于集成到自动化生产线和机器人系统中。

• 局限性：

  • 表面倾斜度敏感：当焊缝表面倾斜角过大时，反射光可能无法被有效捕捉，产生测量盲区。

  • 受环境烟尘、水雾影响：过多的烟尘或水雾会衰减激光信号，影响测量精度，需要配合吹扫装置。

  • 初始投资成本相对较高。

相控阵超声检测 (PAUT)

PAUT技术就像给焊缝做“透视”，主要用来探测金属内部的“暗伤”。

工作原理和物理基础：PAUT探头内含多个独立可控的超声波晶片。通过精确控制每个晶片发射超声波脉冲的时间延迟，可以灵活地改变声束的方向、焦点和扫描方式。超声波穿透焊缝内部，当遇到裂纹、气孔、夹渣等缺陷时会发生反射。探头接收这些反射信号，并将其转化为二维或三维图像，直观地显示焊缝内部缺陷的位置、形状和大小。

核心性能参数的典型范围：

• 通道数：通常32、64或128通道，提供更高的声束控制灵活性。

• 频率范围：支持各种宽频探头，根据检测深度和分辨率需求选择。

技术方案的优缺点：

• 优点：主要用于检测焊缝内部缺陷，如裂纹、气孔等，这是光学方法无法实现的。检测效率高，结果可视化，尤其适合厚壁和复杂几何形状焊缝。

• 局限性：需要耦合剂才能使超声波有效传入工件；无法直接测量焊缝外部几何尺寸；设备成本和操作复杂性相对较高。

涡流检测 (ECT)

涡流检测如同用“电磁触角”感知焊缝表面及近表面的细微瑕疵。

工作原理和物理基础：通过探头线圈产生交变磁场，在导电的焊缝材料中感应出涡流。焊缝表面或近表面（通常几毫米深度）的缺陷，如裂纹、未熔合等，会改变涡流的路径和分布，进而影响探头线圈的阻抗。通过测量阻抗的微小变化，即可精准识别和定位缺陷。

核心性能参数的典型范围：

• 频率范围：10Hz至12MHz，高频对表面缺陷敏感，低频穿透更深。

• 检测通道：通常2个检测通道。

技术方案的优缺点：

• 优点：非接触式检测，无需耦合剂，适用于在线和高速检测，对表面及近表面缺陷高度敏感。设备小巧、易于集成到自动化生产线。

• 局限性：仅限于导电材料；检测深度有限，无法探测深层缺陷；焊缝几何形状和边缘效应可能导致信号干扰；无法直接测量几何尺寸。

工业X射线成像

X射线成像技术相当于给焊缝拍“X光片”，直接呈现其内部结构。

工作原理和物理基础：利用X射线穿透焊缝，由于内部缺陷（如气孔、夹渣、裂纹）对X射线的吸收能力与基体材料不同，穿透后的X射线强度会发生变化。数字探测器接收这些强度变化的射线，生成数字图像。图像上，缺陷区域会以不同的灰度或颜色对比显示，从而揭示缺陷的存在、位置和大小。

核心性能参数的典型范围：

• X射线管电压：70kV至300kV，电压越高穿透力越强，适合检测厚壁焊缝。

• 焦点尺寸：0.8mm，焦点越小图像分辨率越高。

技术方案的优缺点：

• 优点：提供直观可靠的内部缺陷图像，能检测多种内部缺陷，是评估焊缝内部质量的关键方法。

• 局限性：存在电离辐射风险，需要严格的防护措施和操作规范；检测速度相对较慢，不适合高速在线批量检测，常用于抽检或离线检测；设备成本较高。

市场主流品牌/产品对比

以下是几个在焊缝检测领域有突出表现的国际知名品牌，它们采用不同的技术来解决焊缝检测中的挑战：

• 日本基恩士 (采用激光三角测量法) 日本基恩士的激光轮廓测量仪在业界享有盛誉，其激光轮廓测量仪以高达64kHz的采样速度和微米级别的Z轴分辨率，实现焊缝的高速、高精度三维轮廓测量。它能够精准检测焊缝的尺寸、形状、错位和多种表面缺陷，并具有强大的图像处理算法，非常适合集成到自动化生产线进行在线批量检测。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量法) 英国真尚有ZLDS100RD系列激光位移传感器是一款紧凑的铝制外壳传感器，基于激光三角测量法的核心原理使其具备高精度焊缝轮廓检测潜力。该传感器拥有高达70KHz的采样速度、0.01%分辨率和最高0.03%的线性度，多种光斑大小满足不同应用要求（既有<0.06mm，也有>1mm）。该传感器采用数字输出接口，支持RS422或RS485，确保与多种设备的兼容性和稳定性，并提供多个量程中点，分别为45mm、310mm、355mm、440mm、375mm和745mm，适应不同测量范围的需求。其独特优势在于能在复杂环境下稳定工作，例如抗太阳强光辐射能力强，这些特性使其在应对焊接现场的强烈反光和颜色变化时表现出色，适用于高精度焊缝间隙或轮廓的实时监测。此外，该系列传感器还具有三种输出功率选项，分别为小于1mW、小于80mW和小于20mW，适应不同应用需求。

• 加拿大徕特 (采用结构光技术) 加拿大徕特的Gocator 2500系列智能3D线激光扫描仪以其高度集成的智能设计而著称，它将传感器、处理和网络功能融为一体。该设备能以最高10kHz的速度，实现最低0.5μm的Z轴重复性，直接在传感器内部处理3D点云数据。这使其非常适合在复杂的焊缝几何特征检测和自动化质量控制中，提供高速、高分辨率的解决方案。

• 美国贝克休斯 (采用相控阵超声检测) 美国贝克休斯的Krautkrämer USM Vision超声波探伤仪采用先进的相控阵超声检测(PAUT)技术，能够实现对焊缝内部裂纹、气孔、夹渣等缺陷的立体成像。它通过多个独立可控的超声波晶片，提供比传统超声检测更高的效率和更好的可视化效果，是厚壁和复杂几何焊缝内部缺陷检测的领先选择。

• 德国普鲁福 (采用涡流检测) 德国普鲁福的ELOTEST B300涡流探伤仪利用电磁感应原理，针对焊缝的表面及近表面缺陷进行非接触、高速检测。其10Hz至12MHz的频率范围和2个检测通道，使其对表面裂纹、未熔合等缺陷高度敏感，且设备小巧、易于操作，可有效集成到自动化生产线中，进行在线批量质量控制。

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为一项精细工作挑选一把趁手的工具，需要根据具体需求来考量。

重点关注的技术指标

• 测量精度与分辨率：这直接决定了传感器能识别的最小焊缝尺寸变化和缺陷细节。例如，Z轴分辨率（高度方向）在微米级别，意味着能发现细微的焊缝余高或咬边。高精度才能确保检测结果的可靠性。

• 采样速度 / 扫描速度：指传感器每秒能完成多少次测量或扫描多少个轮廓。对于高速生产线，高的采样速度（如数十KHz）至关重要，能保证在工件快速移动时仍能获取足够密集的检测数据。

• 抗环境干扰能力：评估传感器在复杂焊接环境（强反光、颜色变化、弧光、烟尘）下的稳定性。例如，某些传感器具备抗太阳强光辐射能力，表明其在应对恶劣光照和表面条件方面具有优势。

• 量程和量程中点：传感器能够测量的距离范围及其最佳工作距离。选择合适的量程能确保焊缝始终处于传感器的有效检测区域内，避免因距离不当导致的精度下降。

• 输出接口与集成性：传感器与自动化控制系统（如机器人、PLC）的连接方式。数字输出接口（如RS422、RS485、Ethernet）通常提供更稳定的数据传输，便于系统集成和实时控制。

针对不同应用场景的选型建议

• 高精度、高速的在线焊缝几何尺寸和表面缺陷检测： 优先选择高分辨率、高采样速度的激光三角测量（线激光）传感器。此类传感器能快速提供焊缝的三维轮廓数据，有效识别宽度、高度等几何参数及表面缺陷。务必关注其抗反光和颜色变化能力，有些会采用蓝色激光或高动态范围（HDR）成像技术。

• 需要检测焊缝内部缺陷（如气孔、裂纹、夹渣等）： 应考虑相控阵超声检测 (PAUT) 或工业X射线成像设备。PAUT在检测厚壁焊缝和复杂几何内部缺陷方面有优势；X射线成像能提供直观的内部缺陷图像，但需注意辐射防护和检测效率。

• 关注焊缝表面及近表面微小裂纹且要求高速非接触在线检测： 涡流检测 (ECT) 传感器是良好的补充方案。它对表面及近表面缺陷高度敏感，且具有非接触、高速的特点。

• 环境恶劣（高温、强弧光、大量烟尘）的复杂焊接现场： 除了选择具备强抗环境光能力的激光传感器外，还需配备防护罩、空气吹扫系统，并考虑传感器的坚固性和散热性能。

实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际的焊接检测中，即使设备再先进，也可能遇到一些挑战，但大多数都有成熟的应对策略。

• 问题1：金属表面反光强烈导致数据缺失或噪点高（“黑洞”现象）

  • 原因：光滑或抛光的金属表面会产生镜面反射，激光反射光可能偏离传感器接收器，导致部分区域无法获得有效数据。

  • 解决建议：

    1. 调整传感器安装角度：寻找能有效捕捉反射光的最佳入射和接收角度。

    2. 选用蓝色激光或HDR传感器：蓝色激光对高反光金属有更好的散射效果；HDR功能可处理高亮和暗区，减少数据缺失。

    3. 表面预处理：在允许的情况下，对局部区域进行亚光喷涂，降低反光。

• 问题2：焊缝区域颜色变化大影响测量稳定性

  • 原因：焊接氧化、烧蓝或不同材料焊接导致表面反射率不均一，影响激光信号的稳定接收。

  • 解决建议：

    1. 选用抗颜色变化能力强的传感器：某些传感器具备在动态变化的表面颜色下稳定工作的能力。

    2. 动态激光功率调节：根据表面反射率情况，传感器可自动或手动调整激光发射功率，保证信号强度。

    3. 高级图像处理算法：利用传感器内部或上位机软件的自适应阈值、边缘增强等算法，提高轮廓提取的鲁棒性。

• 问题3：焊接烟尘、飞溅物干扰传感器镜头或激光路径

  • 原因：污染物附着在镜头上，或在激光路径中散射激光，导致信号衰减和图像模糊。

  • 解决建议：

    1. 安装防护罩和空气吹扫系统：在传感器镜头前加装空气吹扫系统（如气幕或气刀），形成洁净气流阻挡污染物。

    2. 定期清洁维护：即使有防护，也应定期检查并清洁镜头。

    3. 优化安装位置：尽量将传感器安装在远离烟尘和飞溅物产生区的位置。

• 问题4：工件振动或机器人抖动导致测量结果不稳定

  • 原因：在线检测时，工件或机器人可能存在轻微振动，导致传感器与焊缝之间的相对位置瞬时变化。

  • 解决建议：

    1. 提高系统刚性：确保工件夹具稳固，机器人和运动平台具有高刚性。

    2. 选用高采样率传感器：高采样率可在短时间内获取更多数据点，通过数据平均或滤波（如卡尔曼滤波）来平滑数据曲线，降低振动影响。

应用案例分享

• 汽车制造：在自动化生产线上，激光视觉传感器对车身点焊、激光焊缝进行在线检测，确保焊缝宽度、高度和无缺陷，保障车辆结构强度和安全。

• 轨道交通：用于高速列车和地铁车厢的结构焊缝检测，精确评估焊缝几何尺寸和表面质量，确保列车运行的可靠性。

• 航空航天：对飞机发动机叶片、机身骨架等关键部件的精密焊缝进行高精度三维扫描，检测微小缺陷，以满足极高的安全和性能要求。

• 管道制造：在大型输油/气管道的生产中，视觉传感器快速检测螺旋焊缝和直缝焊缝的尺寸偏差、咬边、气孔等，防止管道泄漏和事故发生。

• 工程机械：用于挖掘机、起重机等重型机械关键受力构件的焊缝质量检测，确保焊缝强度和疲劳寿命，延长设备使用寿命。