原作者：Rodrigo Linares， German Vergara， Raul Gutierrez， Carlos Fernandez， Victor Villamayor， Luis Gomez， Maria Gonzalez-Camino， Arturo Baldasano， G. Castro， R. Arias， Y. Lapido， J. Rodriguez， Pablo Romero
New Infrared Technologies， Ltd.， Calle Vidrieros， 30 - Nave 2， 28660 Boadilla del Monte， Spain Aimen Centro Tecnologico. C/ Relva， 27 A. Torneiros， 36410 Porrino (Pontevedra)， Spain
翻譯者：黃勝弟 南京波長光電科技股份有限公司
王雪琴 南京波長光電科技股份有限公司
摘要
結合靈活性、生產率、精度和零缺陷生產，未來激光加工設備面臨的一大挑戰是使能技術。為了提高產品質量，增加生產產量，基于激光加工過程的在線監測和實時控制需要尋求新的傳感器。追求零缺陷生產的全自動化加工新方法需要智能焊接頭，該智能焊接頭將激光器、光學器件、執行器、傳感器和電子器件集成在一個獨特、緊湊且經濟的設備上。
激光制造過程產生的許多缺陷來自激光加工動力學的不穩定性，溫度和熱動力學是監測的關鍵因素。具有高速響應特性的低成本紅外成像傳感器將成為新一代傳感器，用在未來的基于激光加工過程的監控系統中，它能夠同時提供熱動力學信息和空間分布信息。
本文介紹了新型的、低成本的、高速的紅外成像傳感器的使用結果，此傳感器是以單片集成了市場上的Si-CMOS ROIC的先進量子紅外成像傳感器為基礎。該傳感器與相同成本下的傳統紅外點探測器相比，能夠提供低分辨率圖像，在非制冷運行狀態下幀速可達到10kHz。為了證明新傳感器技術性能，將一個低成本相機安裝在一個標準產品的激光焊接頭上，允許相機以10kHz的幀速率記錄熔池圖像，并開發特定的軟件對缺陷進行檢測和分類，通過記錄多個激光焊接過程來研究系統性能和它在激光焊接過程實時監測中的應用性能。在實驗過程中，會產生不同類型的缺陷，并對其進行檢測，向分類器輸入這些獲得的實驗圖像，通過自主學習策略實現了很有希望的結果，論證了使用低成本、高速紅外成像傳感器在推動生產系統向實時/在線零缺陷生產方向發展的可行性。
關鍵詞：非制冷中波紅外，紅外，FPA成像，高速，激光焊接，缺陷實時檢測
1. 簡介
在工業中，激光技術的使用正飛快增長，激光加工占金屬加工年度總收入的74%，隨著市場需求的不斷增加，超過了過去一年7%。汽車、金屬轉化或增材制造是激光加工在工業領域應用的例子，并被廣泛使用。由于激光加工過程參數不確定，實時(RT)監控是激光加工研究的一個重大課題。
激光加工過程中造成產品缺陷的主要原因是熱動力學、溫度和熱循環，因為它們決定材料不希望的脆性相和殘余應力，這些影響可能會使構件的力學行為受損，導致產品加工失敗。熱分布和熔池(激光熔覆)的幾何尺寸或小孔(激光焊接)是其監測的關鍵參數，通過控制這些參數來確保激光加工的產品質量。
激光加工設備實現將靈活性、生產率、精度和零缺陷生產結合，這是一項重大挑戰。為了提高產品質量，增加生產產量，基于激光加工過程需要新的在線實時監控系統，新的激光源和加工頭正向增強通用性和復雜性演變，允許修改不同過程參數，如激光調制、自適應聚焦等。實現全自動化和零缺陷制造過程的新方法將需要智能焊接頭，該智能焊接頭將激光器、光學器件、執行器、傳感器和電子器件集成在一個緊湊而經濟的設備上，該設備的最終目的能夠處理：
·不斷增加的過程復雜性
·不斷增加的精度和可靠性要求
·不斷增加的自治、重構和自診斷要求
新紅外傳感器的發展有助于將零缺陷概念引用到工業激光制造過程中。
低成本高速紅外成像傳感器
激光制造過程產生的許多缺陷來自激光加工動力學不穩定，當明確需求，滿足新一代監控系統應用于激光制造過程中，溫度和時間響應是要考慮的關鍵參數。
在激光切割過程中，熔化的材料液滴必須從切縫噴出，以避免渣和積渣，它的形成和分離所需要的時間要小于0.5ms[1]。就激光焊接過程而言，孔內擾動會產生焊縫小孔，擾動的振蕩時間要小于0.7ms[2][3]。鍍層、修復或增材激光制造使用了激光熔覆技術，在無控激光熔覆過程中熔池尺寸變化1%的時間要小于200ms[4][5]。使用選區激光熔化(SLM)技術進行增材激光制造，它所需要的時間為0.13ms，用于改變激光聚焦位置，變化的距離等于聚焦半徑，所以在這段時間內發生的任何擾動將會導致缺乏性或在最后部分產生氣孔[6]。在增材制造過程中，孔隙、空隙、松散粉末的形成和未熔透很依賴溫度變化過程，如冷卻和加熱速率，它對加工過程的關鍵部分影響很大。
監測系統的采樣頻率必須是擾動現象造成缺陷頻率的兩倍，因此，為監測大多數激光制造過程，采樣頻率需要高達10kHz。現今，基于激光加工過程的大多數工業監測系統使用基于硅的相機(VIS-VNIR)，將相機耦合到標準的基于單點紅外探測器的非接觸式溫度系統，對焊縫區進行實時的溫度測量。這些類型的系統提供的信息不充分，是平均、空間和時間的結果，采集的紅外信號僅用了一個傳感器，失去了溫度分布和熱動力學的相關信息，更重要的問題是涉及到目標運動或聚焦距離，會經常出現錯誤(即不可用)的測量結果。
基于高速紅外成像傳感器的解決方案能夠同時提供熱動力學信息和空間分布信息，然而，高靈敏度紅外傳感器歷來與高成本掛鉤，通常超出行業標準范圍。而低成本紅外技術如微測輻射熱計或熱釋電器件在響應速度方面不能滿足要求，另一方面，量子紅外探測器的響應速度是足夠快，但由于其復雜性和技術成本，在過去這一行業中，它們的使用受到限制。幸運的是，今天紅外技術的發展和低成本高速紅外成像傳感器已成現實。最近新紅外技術(NIT)公司已經使先進量子中波紅外成像傳感器商業化，該傳感器單片集成Si-CMOS ROIC，提供的圖像分辨率低，非制冷運行時的幀速為10kHz，與傳統點探測器的成本相同。該技術可以被認為是突破性的技術，滿足市場發展研究所預見的需求，該研究針對激光加工，如增材制造、焊接和鍍層。