基于等离子体电压信号的激光stake焊T型接头焊缝位置传感

《Science and Technology of Welding and Joining》：Weld seam position sensing of laser stake welded T-joints using plasma voltage signals

　　

隐藏式T型接头的激光stake焊要求相对于隐藏腹板实现精确的横向束流定位。现有基于光学相干断层扫描（OCT）、结合神经网络的相机视觉或光谱学的监测方法涉及较高硬件成本、大量训练数据或有限时间分辨率。该研究提出一种等离子体电压传感方法，采用带外部铜电极的分压电路。在S355钢上的实验表明，电极定位关键性决定测量能力。领先电极配置对熔入（weld-in）(μ = 0.988 V)与熔透（weld-through）(μ = 0.169 V)条件产生清晰分离的电压分布，从而能够进行基于阈值的分类。该传感器为工业束流定位控制中已有监测技术提供了一种成本有效的替代方案。

研究背景与问题：T型接头（T-joints）是薄板焊接中的常见接头形式，隐藏式T型接头需要激光束穿透盖板并熔入不可见腹板，在轻量化、空间高效的夹层结构、船舶与铁路等结构中具有应用价值。此类激光stake焊中，焊缝必须位于面片与腹板接触区内，其容差窗口由腹板厚度限定，因此不仅需要稳定工艺参数，还需要对小孔（keyhole，深熔焊形成的蒸汽毛细孔）相对于腹板进行精确横向引导。大型构件长焊缝采用复杂夹具保证对中并不现实；以搭接接头替代T型接头会降低材料效率；束流振荡虽可提高位置容差，但Müller等观察到振荡换向点出现熔滴喷出，且随行走速度1～7 m/min增加而增多；振荡宽度增大还会因有效行走速度升高而降低熔深，最大振幅时缺陷出现在穿透仅限换向点的位置，腹板中心区出现焊后难以检测的未熔合。现有监测技术包括OCT（光学相干断层扫描，optical coherence tomography）、基于相机视觉与CNN（卷积神经网络，convolutional neural network）的监测以及光谱分析等；它们分别存在硬件昂贵、训练数据与算力需求大、时间分辨率受限等问题。等离子体电传感硬件简单、成本低，但已有研究主要面向熔深分类或焦点位置监测，尚未用于激光stake焊T型接头的横向束流定位。因此，研究人员开展基于等离子体电压信号的焊缝位置传感研究，以发展适用于高频工业控制的横向束流偏移识别方法。

研究人员开展了激光stake焊T型接头等离子体电压传感试验，比较熔入（weld-in，小孔进入腹板并与其接合的状态）与熔透（weld-through，仅面片全熔透而未与腹板接合的状态）两类条件，并系统改变铜电极相对于激光斑的领先/后置位置。结果表明，电极位置决定测量能力：领先配置下两类状态电压分布清晰分离，可通过简单阈值分类；后置配置下信号强烈重叠，无法可靠区分。该研究为工业束流定位控制提供了一种低成本、高采样率且无需ML（机器学习，machine learning）基础设施的在线传感途径，具有重要意义。

关键技术方法（不超过250字）：采用等离子体电压传感，绝缘夹具、外部铜探针与工件接入分压电路，负载电阻R_L = 470 kΩ，外部电压U_Ext = 3.3 V，经16位ADC（模数转换器，analogue-to-digital converter）ADS1115以430 SPS（每秒采样点数，samples per second）采样，并由Raspberry Pi与Python 3.8记录。激光为Trumpf TruDisk 2002（1030 nm，焦点直径0.6 mm，焦距200 mm）。试样为S355结构钢，面片2×35×150 mm³、腹板3×40×150 mm³；设置熔入与熔透两类条件。铜电极置于激光斑前或后2 mm、距面片4 mm；激光功率2 kW、行走速度500 mm/min、焦平面位于面片表面、焊缝长度140 mm、无保护气；采用Cavitar C400 HDR（高动态范围，high dynamic range）相机侧窗成像，曝光3 ms、75 fps。未涉及临床样本队列。

结果（Results）：后置铜探针试验中，熔入状态电压均值μ = 0.433 V、标准差σ = 0.297 V；熔透状态μ = 0.487 V、σ = 0.345 V。两类信号随时间波动明显，数值范围强烈重叠，无法清晰区分；相机记录确认设定参数下熔透状态完全穿透，热输入足够。领先铜探针试验中，熔透状态电压约0.0～0.272 V，均值0.169 V、σ = 0.071 V；熔入状态大多为0.5～1.6 V，均值0.988 V、σ = 0.272 V，两类电压签名明显不同，熔入状态电压更高且波动更大。对单次试验以10个测量点滑动窗口计算局部方差，熔透状态方差接近0 V²并呈低水平波动，熔入状态方差显著较大且在0～3 V²间明显波动；所选窗口下两条曲线无显著重叠，仅约16 s时熔入曲线短暂降至0 V²。通过焊接试验、电压统计与方差分析，得出领先电极配置可实现熔入与熔透状态区分，而后置配置不可靠。

讨论（Discussion）：领先电极结果支持方法学中的物理假设：熔入时蒸汽受约束而单方向喷出，小孔上方电荷密度较高；熔透时小孔上下开口，羽辉向两个方向逸散，测量区电荷密度降低，因而电压较低。探针靠近光斑并距面片4 mm的测量与Wahl等、Shcheglov等关于金属蒸汽和羽辉空间分布的报道一致；尽管本研究的功率密度0.4 MW/cm²低于部分文献，相机观察证实足以形成小孔焊接条件。电极位置影响显著：后置时两类均值仅相差12%，且标准差造成分布重叠；领先位置与承载电荷的主羽辉区相交，图像显示熔入时探针周围蒸汽更显著。基于领先配置，简单阈值分类即可满足二分类：在约95%测量值的2σ范围内，熔入为0.444～1.532 V，熔透为0.027～0.311 V，0.4 V阈值可实现完全分离；与Nilsen等、Pordzik等、Jadidi等分别报道的90%、80%～95%、94%分类表现相比具有优势，但直接比较受材料与工艺参数差异限制。局部方差可作为补充判据，提高电极污染或退化条件下的稳健性。430 SPS对应2.3 ms时间分辨率，在500 mm/min下每毫米可多次测量，可在单个采样间隔实时判别；高于100 fps相机和20 ms曝光光谱方法，并可通过高性能ADC进一步提高采样率。该方法无需特征工程或ML基础设施，硬件成本低；局限是不提供OCT或光谱法的定量熔深信息，也不指示横向偏移方向，仅指示偏移存在与否，若需比例控制或方向校正可能需要互补传感。

结论（Conclusion）：该研究证明，等离子体电压传感能够在隐藏式T型接头激光stake焊中可靠二分类熔入（weld-in）与熔透（weld-through）两种状态。电极相对于焊接方向的位置是关键：只有领先配置产生可分离的信号分布，这归因于蒸汽羽辉方向性与行进方向相反。由于两类条件无重叠，无需ML基础设施，简单阈值分类即可。与OCT、基于相机和光谱学的方法相比，该方法具有更优成本效率、更高采样率和更简单实现，同时对上述两种不同接合状态取得相当或更好的分类性能。