在本文中，我们将探讨以下内容：

• 残余应力的成因，以及制造过程中的热循环如何导致其产生。
• 先进的测量方法，如X射线衍射（X-Ray Diffraction）和创新的实时监控解决方案。
• 残余应力的影响，包括对机械性能、微观结构和尺寸精度的影响。
• 有效的预防策略，涵盖原位控制（in-situ controls）和后处理技术（如热处理和表面加工）。

理解金属增材制造中的残余应力

残余应力是金属增材制造（Metal AM）中的一个重要问题，它会影响制造部件的机械性能、尺寸精度和整体可靠性。本节将深入探讨残余应力的起源及其在金属增材制造过程中的表现。

什么是残余应力？
残余应力是指材料在制造完成后，即使在没有外力作用的情况下，仍然存在于材料内部的应力。在金属增材制造中，残余应力是由于逐层沉积过程中不均匀的加热和冷却而产生的。

金属增材制造中残余应力的成因

1. 快速加热和冷却循环
   金属增材制造工艺，如粉末床熔融（PBF）和定向能量沉积（DED），涉及高能量源（激光、电子束、等离子或开放式电弧焊头）的快速加热，随后是急剧的冷却速率。这种热失衡会导致拉应力的积累。
2. 温度梯度
   层与层之间的显著温差会导致热收缩和膨胀，从而形成压缩应力和拉伸应力区域。
3. 层沉积过程中热应力的积累
   在多层层积过程中，新层可能会重新加热并重新熔化之前的层，进一步改变应力状态。

残余应力的测量方法

有效管理残余应力始于精确测量。本节概述了用于评估不同尺度残余应力的先进方法和工具，确保为决策提供精确数据。

宏观残余应力：技术与工具
宏观层面的残余应力需要强大的技术来准确评估部件内的大规模应力。每种方法都有其独特的优势和局限性，因此选择适合特定应用的方法至关重要。

宏观残余应力：技术与工具
当精度至关重要时，分析微观和纳米尺度的残余应力变得必不可少。这些方法能够揭示影响材料性能的局部应力变化。

实时冷却时间分析的创新解决方案
精确的残余应力管理需要在金属增材制造过程中进行实时热监控。Xiris的冷却时间工具和焊接相机（如XIR-1800热成像相机）代表了应力预防领域的突破性进展：

• 实时热数据：跟踪特定温度范围（例如800°C至500°C）内的冷却速率，以指示最终材料的冶金特性。
• 自动化精度：冷却时间工具可以集成运动检测功能以计算移动速度，从而自动化冷却速率测量，以实现更好的冶金分析。

残余应力对金属增材制造部件的影响
残余应力深刻影响金属增材制造部件的性能和耐久性。本节探讨了其机械和结构方面的意义，强调了主动应力管理的必要性。

对机械性能的影响
残余应力影响以下方面：

• 疲劳强度：高拉应力可能导致沉积材料中产生裂纹，降低部件的耐久性。
• 屈服强度和抗拉强度：冷却速率影响硬度和延展性，尤其是在钢材中。

对微观结构转变的影响
热循环会导致材料中的晶粒生长和相变。例如，快速冷却可能导致：

• 马氏体微观结构（高硬度但脆性）
• 粗大晶粒（缓慢冷却下较弱且具有延展性）

对尺寸精度和变形的影响
金属增材制造过程中的温度梯度会导致翘曲和变形，从而影响最终的公差和部件功能。

预防和减少残余应力的策略
减少残余应力对于生产高质量部件至关重要。本节介绍了一系列原位和后处理技术，以在整个制造过程中控制和减少应力。

原位过程控制

1. 基板预热
   预热材料有助于减少温度梯度，从而降低最终产品中的残余应力。例如，将铝制部件预热至200°C可以减少最终部件的变形。
2. 优化扫描策略
   使用棋盘格图案或较小的扫描区域可以最小化局部应力积累。
3. 机械表面处理
   原位技术如激光冲击强化和滚压可以施加压应力以抵消拉伸区域。

后处理技术

1. 热处理以消除应力
   热处理（如退火或回火）是最常见的减少残余应力的后处理方法之一。通过将部件加热至特定温度并缓慢冷却，可以释放内部应力。该过程可根据材料类型进行调整：

• 钢的退火：降低硬度并消除应力，提高延展性。
• 合金的固溶处理：溶解引起应力的微观结构，恢复均匀性能。
  研究发现，热处理可将残余应力减少高达70%，从而提高最终产品的机械稳定性和可靠性。

1. 机械表面处理
   机械方法通过物理改变部件表面以引入压应力，从而抵消快速冷却引起的拉应力。关键技术包括：

• 磨削和抛光：去除高应力表面层，改善表面光洁度和完整性。
• 喷丸处理：用高速小颗粒轰击表面以产生压应力，增强疲劳强度。
• 激光冲击强化：使用高能激光脉冲在不移除材料的情况下产生局部压应力，非常适合对精度要求高的关键部件。

1. 振动应力消除（VSR）
   VSR是一种非热方法，利用机械振动重新分布材料内部的应力。该工艺特别适用于对热敏感的大型部件或传统热处理不切实际的情况。
2. 加工和精加工工艺
   最终加工工艺（如铣削或车削）通常用于消除表面不规则性和残余应力层。将加工与其他后处理方法（如热处理）结合使用，可确保部件符合严格的尺寸公差和性能要求。

通过结合这些技术，制造商可以有效管理和减少残余应力，确保生产出符合行业标准的高质量、无应力部件。

Xiris的冷却时间测量与残余应力管理解决方案
Xiris的创新工具提供精确的实时冷却时间测量，使制造商能够优化热管理并最大限度地减少残余应力。本节重点介绍这些突破性解决方案及其优势。

XIR-1800实时冷却时间测量

XIR-1800热成像相机具有以下先进功能，可精确实时监控冷却时间：

• 高灵敏度：捕捉最微小的温度变化，确保精确的热分布图。
• 宽温度范围：在广泛的温度范围内有效运行，能够测量涵盖金属增材制造中大多数金属热转变状态的温度。
• 先进成像技术：相机提供高分辨率热图像，结合Xiris的机器视觉工具，能够详细分析焊接过程的温度分布和冷却动态。
• 无缝集成：轻松集成到现有系统和工作流程中，确保在不中断操作的情况下顺利采用。
• 耐用性：专为承受恶劣工业环境而设计，确保长期可靠性能。

Xiris热成像相机的优势

• 增强工艺优化：通过精确测量热数据，降低热应力风险并提高材料完整性。
• 提高部件质量和尺寸精度，从而提升产品性能。
• 通过实时反馈提高效率，能够立即调整制造参数。
• 支持航空航天、能源和医疗设备等关键应用，在这些领域中，精度和可靠性至关重要。
• 用户友好界面：简化操作，减少对大量培训的需求，并促进在各种制造环境中的快速部署。
• 确保工艺优化，减少应力风险。
• 提高部件质量和尺寸精度。
• 增强航空航天、能源和医疗设备等关键应用的性能。

结论：实现无残余应力的高性能金属增材制造

残余应力仍然是金属增材制造中的一个重大挑战，影响部件的完整性和性能。通过集成Xiris冷却时间工具等先进测量工具，制造商可以：

• 缓解温度梯度。
• 优化工艺参数。
• 提高金属增材制造部件的机械可靠性。

在当今竞争激烈的工业环境中，实时冷却分析是实现高性能、无应力部件的关键。

Xiris相机在各种高科技研究和工业应用中已成为关键工具，提供实时监控和精确数据测量，从而增强对复杂制造过程的理解。在焊接和增材制造领域，Xiris的热成像和焊接相机为研究人员提供了深入的洞察，从而改善过程控制、系统效率和产品质量。

以下是2024年一些突破性研究的概述，展示了Xiris相机在各个领域的变革性影响。

1. 纳秒激光诱导铁等离子体反应刻蚀CVD金刚石

在《纳秒激光诱导铁等离子体反应刻蚀单晶CVD金刚石的研究》[1]中，研究人员使用纳秒激光对单晶金刚石进行刻蚀。为了实时准确观察，团队选择了Xiris XIR-1800热成像相机来跟踪激光刻蚀表面的温度分布。

该相机的高热敏感性和快速响应时间提供了精确的温度测量，这对于理解激光诱导刻蚀过程对金刚石的影响至关重要。通过使用XIR-1800，研究人员能够提高这种先进材料加工技术的精度和可重复性。

2. 激光金属沉积与多模态学习

热成像与先进机器学习模型的结合在激光金属沉积过程中尤为有效。在《JEMA：一种用于可扩展协同学习的多模态对齐联合嵌入框架》[2]中，波尔图大学的研究人员使用Xiris XIR-1800热成像相机监控粉末基激光金属沉积（LMD）的离轴过程。

通过测量熔池的温度分布，团队能够准确分割和测量熔融金属区域。结合过程参数和同轴视觉相机的数据，研究人员开发了一个名为JEMA的强大协同学习框架。该框架利用多模态数据高精度预测熔池几何形状，减少了对大量微调的需求。

XIR-1800热成像相机的集成是向多模态系统提供最相关实时数据的关键步骤，确保了机器学习模型能够做出精确预测，从而提高沉积质量。

3. 激光热丝熔覆的多传感器监控

在《激光热丝表面熔覆过程的多传感器在线监控系统》[3]中，南卫理公会大学先进制造研究中心的研究人员结合了高速相机、光谱仪和Xiris XIR-1800等多种传感器，创建了一个用于激光热丝熔覆的热监控系统。

XIR-1800用于跟踪熔覆过程中熔池的温度。这些数据对于计算冷却速率至关重要，而冷却速率直接影响熔覆层的显微硬度。研究人员发现，通过实时调整激光功率和扫描速度，可以在线控制熔覆层的显微硬度。

此外，Xiris自豪地推出了首款商用冷却时间工具，可直接在WeldStudio中提供对熔覆过程质量和一致性至关重要的t8/5测量。

4. GMAW与LSTM U-Net用于熔池重建

在另一项创新研究《通过特征增强和LSTM U-Net网络动态重建GMAW熔池区域成分分析》[4]中，肯塔基大学的研究人员使用Xiris XVC-1100相机监控气体保护金属弧焊（GMAW）过程。

该相机提供了熔池、电弧和填充丝的高分辨率图像。团队开发了一种结合长短期记忆（LSTM）网络和U-Net语义分割架构的混合模型，用于对焊接特征进行逐像素分割。LSTM组件的加入使系统能够捕捉熔池几何形状的时间变化，从而更深入地了解焊接过程的动态行为。

Xiris还提供MeltPool AI工具，用于在GMAW中实现精确的熔池分割。

5. 激光金属沉积的闭环控制

慕尼黑工业大学的研究人员通过闭环控制系统增强了基于线材的激光金属沉积。在《基于分割的闭环层高控制以提高线材激光金属沉积的稳定性和尺寸精度》[5]和《使用光学相干断层扫描实时监控和控制同轴送丝激光金属沉积的层高》[6]中，团队使用激光线扫描仪监控沉积过程中的层高。

获得的层高数据被输入基于MATLAB的控制算法。Xiris XVC-1000相机用于实时监控过程稳定性和线材与熔池的相互作用。该项目开发的闭环系统能够减轻高度扰动的影响，并在几层内恢复均匀的沉积高度。

6. GMAW质量控制的多模态方法

韩国釜山外国语大学的研究人员创建了一种用于气体保护金属弧焊（GMAW）的多模态质量控制系统。该模型和研究结果在《一种新型GMAW质量控制多模态方法》[7]中描述。该系统将电气数据与Xiris XVC-1000e相机捕捉的高分辨率焊接图像相结合。

收集的图像与电气参数的频谱图合并，用于训练自定义模型以检测焊接缺陷。使用EfficientNetB2和ResNet50作为视觉编码器，系统的准确率分别达到97.33%和98.67%。

7. 基于GAN合成图像的窄间隙GTAW缺陷检测

在窄间隙气体保护钨极弧焊（NG-GTAW）领域，研究《基于生成对抗网络迁移学习的窄间隙GTAW缺陷检测与分类》[8]探讨了一种新的缺陷检测方法。

研究人员利用生成对抗网络（GANs）合成缺陷图像，以增强训练数据集。通过训练两个分类网络，科学家能够区分良好焊缝和有缺陷焊缝。

8. 增材制造中的异常检测

研究《通过增强模型和频率分析解释增材制造中的异常检测》[9]探讨了INVAR36合金线弧增材制造中的无监督学习异常检测模型。研究人员从电气参数中提取时域和频域特征，用于训练多个异常检测模型。模型的性能通过Xiris XVC-1000焊接相机图像和表面外观进行验证。

结论

Xiris相机在工业研究中的广泛应用突显了其在焊接和增材制造过程中高精度监控的能力。无论是在激光金属沉积、线弧增材制造、GMAW还是GTAW中，Xiris XIR-1800和XVC-1000等热成像和视觉焊接相机的使用都推动了自动化、质量控制和工艺优化的进步。Xiris成像解决方案与机器学习的结合正在塑造制造技术的未来，实现更高的精度、效率和生产力。

1. 理解短波红外（SWIR）热成像

短波红外（SWIR）热成像代表了捕捉高温金属热辐射的最佳方法。在深入探讨其具体应用和优势之前，有必要了解这项技术的独特之处以及它为何成为工业质量控制的基石。

1.1 什么是SWIR？
短波红外（SWIR）成像的工作波长范围为0.9至2.5微米，这一光谱范围特别适合观察肉眼不可见的热辐射。与可见光成像（波长范围约为400-750纳米）不同，SWIR成像能够捕捉细微的温度差异，为工业监控提供更高的清晰度。

SWIR光谱在金属热成像方面尤其出色，因为它相比其他类型的热成像相机具有多项优势：

• 长波红外（LWIR）成像通常用于接近环境温度的场景，温度范围有限，因此不适合测量高温金属的温度。此外，与SWIR不同，LWIR对发射率的微小变化非常敏感。
• 中波红外（MWIR）成像是一种更复杂的成像过程，因为大多数MWIR相机需要大量冷却才能提供稳定的温度读数。因此，这类相机通常较为精密且昂贵。MWIR光谱不易透过普通玻璃，需要使用锗等特殊镜头。此外，MWIR对发射率的微小变化也非常敏感，这会极大地影响温度读数。
• 近红外（NIR）成像仅适用于较高温度的场景。然而，由于它非常接近可见光谱，容易受到可见光的干扰，从而影响其温度测量能力。

1.2 SWIR技术的独特特性
SWIR热成像是测量高温金属温度的最佳选择。与MWIR或LWIR相比，SWIR使用更短的波长，因发射率变化引起的测量误差更小。它还能够穿透烟雾，使用标准玻璃光学元件，且无需特殊冷却，从而提供更坚固、紧凑和轻便的相机，非常适合焊接和自动化应用。

SWIR热成像相机在高温、低可见度或复杂光照条件下表现出色。结合高动态范围（HDR）成像，它们能够提供高温金属的精确温度测量，使其成为需要详细热分析的制造过程中不可或缺的工具。

2. SWIR热成像的应用

SWIR热成像的多功能性使其在广泛的工业应用中得以采用，用于高温金属的监控。从焊接或金属增材制造过程的监控到炉内其他高温金属工艺，SWIR热成像技术被广泛认为是多种制造应用中实施质量控制的最佳方式。

2.1 高温过程监控
SWIR相机非常适合测量温度超过350°C的高温金属应用。它们能够生成感兴趣区域的二维温度分布图，使操作员能够可视化并跟踪热点和温度梯度。其结果是能够深入了解高温金属在加热或冷却过程中的热流模式。通过正确应用，SWIR相机可以帮助确保对多种工业过程（如初级金属熔炼、锻造、焊接、金属增材制造和玻璃生产等）的高效监控，从而减少错误并提高安全性。

2.2 焊接过程的检测与分析
在焊接应用中，SWIR热成像相机能够通过对熔池进行精确分割，使其与焊接环境中的其他部分区分开来，从而实现熔池的详细检测与分析。更好的熔池分割可以提高焊接过程运行状态的准确性，并为工艺控制提供更可靠的依据。

通过监测焊道的冷却速率（例如，钢材中的t8/5时间），SWIR热成像相机可以为冷却焊道的金属相变提供实时反馈。这有助于实现更一致的焊接质量，降低脆性或热裂纹等缺陷的风险。

通过热成像的精确分割，可以更好地检测其他特征，例如TIG焊接中的钨电极，或在使用焊丝的应用中对焊丝熔滴进行分析。

2.3 金属增材制造中的检测与质量控制
SWIR热成像技术有助于精确控制焊接或金属增材制造过程中的关键参数。通过捕捉感兴趣区域的完整温度细节，焊接中的许多特征也可以应用于金属增材制造过程。然而，在金属增材制造过程中，一个额外的重要测量是层间温度，这有助于确定前一层是否过热以至于不适合沉积更多材料。这一点非常重要，因为它可以帮助操作员及早发现工艺问题。其结果是更好的结构完整性、减少缺陷以及提高成品部件的机械强度。

3. SWIR热成像在质量控制中的优势

随着制造行业对精度和效率的追求不断提升，SWIR热成像技术提供了多项独特优势，使其成为实现更高质量控制标准不可或缺的工具：

3.1 更高的准确性和精度
SWIR相机能够提供精确的二维温度分布图，克服了基于单点测量的传感器（如高温计或热蜡笔）的局限性。这种更高的精度对于高速焊接和炉内监控等应用至关重要，因为即使微小的温度变化也可能影响产品质量。

传统的基于单点测量的传感器通常无法准确捕捉温度分布。而SWIR相机则能够提供感兴趣区域的二维热成像图，确保一次性获取整个表面的温度数据，从而实现一致且可靠的测量。

3.2 实时监控能力
凭借即时反馈能力，SWIR相机使操作员能够动态调整工艺参数。无论是控制熔池、调整焊接功率参数还是优化激光工艺，这项技术都增强了操作员的响应能力，并确保最佳结果。

SWIR成像提供即时反馈，使操作员能够动态调整工艺。无论是监控熔池还是评估高速激光工艺，这项技术都能实现无与伦比的工艺控制。

3.3 检测微观结构转变
SWIR成像能够提供热循环的详细洞察，帮助识别金属中的关键相变。这确保了焊接接头和增材制造部件的机械性能符合严格的质量标准，从而增强其耐久性和性能。

SWIR相机能够监控热循环，帮助识别金属中的相变，这对于确保焊接接头和增材制造层的机械强度至关重要。

3.4 提升工艺效率和产品质量
SWIR热成像还可以通过实时识别和解决低效问题来提高工艺效率。操作员可以优化热输入并检测不规则现象，确保均匀的热分布。在产品质量方面，SWIR成像能够实现对微观结构的精确控制，满足严格的行业标准并减少浪费。

4. XIR-1800热成像相机简介

Xiris的XIR-1800热成像相机是一款多功能、高性能的工具，为工业环境带来了无与伦比的能力。凭借其短波红外（SWIR）和高动态范围（HDR）成像能力，该相机专为测量350°C至1800°C的温度范围而设计，生成精确的实时热数据，这对于工艺优化至关重要。其坚固的设计使其成为焊接、金属增材制造和其他金属加工应用等行业的可靠选择。HDR成像能力使相机能够以更高的精度捕捉更广的温度范围。SWIR和HDR成像的结合以及坚固的外壳设计，使其在捕捉关键数据以进行过程控制和质量保证方面表现出色。

4.1 工业应用与特性
XIR-1800配备了多种先进功能，适用于动态和高速工业过程：

• 高速帧率：最高可达每秒200帧，能够捕捉脉冲激光操作和高速焊接等过程中的详细热事件。在缩小感兴趣区域的情况下，图像捕捉速度可超过每秒500帧。
• 宽温度范围：精确监控高温金属的最实用温度范围，确保在各种金属加工应用以及其他行业（如玻璃制造和半导体制造）中的关键过程控制。
• 先进成像能力：提供高分辨率热成像图，适用于检测焊接杂质、针孔、温度梯度和微观结构变化等微小细节。
• 用户友好集成：结合Xiris的先进软件WeldStudio，这款SWIR相机专为快速无缝集成到工业系统而设计，支持实时数据分析和工艺调整。

凭借其精度、温度范围、速度和准确性的结合，XIR-1800正在为工业SWIR热成像设定新的基准。

5. SWIR成像在质量控制中的未来

随着各行业认识到SWIR热成像的无可比拟的能力，其在制造应用中的采用有望进一步扩展。技术的不断进步和新应用的出现将推动其融入更多领域，重塑工艺监控和优化的方式。

随着各行业继续采用SWIR热成像技术，未来充满巨大潜力。技术进步和应用扩展将推动质量控制实践的进一步创新。

过去，传感器用于从气液界面收集焊接数据，为操作员提供熔深部位的间接推断。

焊接本身就是一个复杂的过程。实现对焊接过程的一致和精确监控涉及在主动焊接期间的某个时候检测、测量和跟踪焊弧和熔池。不同的材料冶金、波动的输入功率参数、保护气体成分以及电线质量和位置只是使准确监测变得困难的一些变量。为了克服这些挑战，热成像和实时数据分析等先进技术正在彻底改变焊接领域，并使焊工能够实现对其工艺的无与伦比的理解。

先进的监控技术如何改进焊接工艺

热成像技术可以将对焊接过程的理解提升到一个全新的水平。通过将高质量的热图像与适当的机器视觉工具相结合，尽管典型焊接环境中的光和热存在变化，但可以有效地对熔池、焊枪尖端质量和冷却焊道等焊接特征进行成像和分析。机器视觉技术可以从图像中提取特征和数据，以便使用形状分析、边缘检测、模式匹配和温度分析来表征焊缝的特征。

例如，使用机器视觉，可以通过将其温度特性与焊接场景的其余部分分割来识别熔池边界。分割后，当熔池移动或变形其形状时，可以测量和跟踪所得熔池区域的特定几何参数，例如形状、面积和位置。当在狭窄空间、有限的照明和摄像机角度等因素变化的复杂情况下仍然可以检测到熔池时，这一点尤其有价值。

图 1：使用 Blob 工具 （Xiris） 分割的热图像的熔池

采用机器视觉和 AI 实现更智能的焊接解决方案

尽管在焊接工艺中使用传统机器视觉方面取得了重大进展，但仍然存在一些挑战。使用经典机器视觉识别焊接场景中需要跟踪的物体（通常是电弧、焊缝和熔池）的第一步可能具有挑战性，因为所有这些特征的光强度可能足够相似，导致每个物体的像素数量减少或增加。

在机器视觉中，多种算法协同工作以检测和跟踪视频中的对象。这种方法在大多数情况下是有效的，但在熔池的情况下，由于熔池与周围金属之间的颜色或对比度差异不足，该技术难以检测椭球体形状。为了解决这个问题，可以采用其他技术，如边缘检测、降噪和图像平均，来有效地跟踪和记录熔池。

这种机器视觉技术可以改善物体跟踪，使其更加精确，即使物体部分或完全被遮挡，从而简化识别水坑后的测量。

但是，在某些情况下，需要更好的技术来查找难以找到边界的熔池的范围。这就是 AI 的用武之地。

AI 驱动的洞察力，用于增强焊缝监控和参数优化

传统的对象检测过程依赖于识别对象与其背景之间的亮度水平差异，或查找对象存在的边缘。

焊接的高温环境使用计算机视觉直接观察液-固界面变得更加复杂。为了克服这个问题，使用热像仪来收集场景温度的 2D 图像。对于这样的图像，对象分割绝对比仅使用可见光成像更容易。

然而，即使是最好的经典机器视觉技术也无法一直分割所有特征。

可以采用 AI（人工智能）技术来提高场景分割的质量，以便更好地提取数据。此外，其他顶部传感器可用于从焊接界面收集原始数据。

这种间接方法涉及识别与渗透状态变量相关的现象，例如不完全渗透、渗透深度和背面拉延筋宽度。

为了使用 AI 增强模型预测，需要多个数据源，尤其是在复杂的焊接工艺、材料特性、温度变化和其他焊接参数不断变化的情况下。这些源可以包括熔池反射图像、活动池振荡图像和温度场。使用 AI 处理引擎集成和分析所有数据源，可以更全面、更完整地了解焊接过程。

图 2：SWIR 热像仪 （Xiris） 的 GTAW 冷却珠的清晰视图

案例研究：使用 AI/Deep Learning 进行实时焊缝监测

来自美国肯塔基大学的 Rui Yu 等人最近进行了一项研究，证明了基于 AI/深度学习的实时监测对焊缝熔深的有效性。 研究人员强调了动态调整焊接参数的必要性，以及由于焊接过程中熔深状态的不可观察性而难以进行实时现场监测。

论文中使用的数据集由焊接过程的热图像组成。这些图像使用深度学习算法进行处理，以识别和跟踪熔池的轮廓和温度模式，并取得了可喜的结果。这项研究强调了热焊接相机通过卓越的图像质量和实时数据处理来增强焊缝熔深监测的潜力。

结论：通过尖端监测技术提高焊接质量

SWIR 热像仪技术、经典机器视觉和 AI 技术正在彻底改变焊接精度、性能和整体质量。检测和跟踪焊接电弧和熔融水坑所带来的挑战凸显了每种机器视觉应用的独特性。在一种情况下有效的技术在另一种情况下可能不够用，这凸显了全面了解各种机器视觉算法及其特定用例的重要性。通过利用 SWIR 热像仪技术和先进的温度模式检测，现代焊接系统可以实现前所未有的可靠“电弧接通”性能，确保高质量焊接并提高制造的整体生产力

无论对其方法和实践进行了多少研究，焊接仍然达不到预期。这种短缺是因为缺乏创建框架所需的数据集，该框架可以帮助焊接提升为一门科学，而不仅仅是一门手艺。收集工艺数据是增强焊接最佳实践并最终建立标准化协议的唯一方法。

图 1：来自 Xiris 的 WeldStudio 的屏幕截图，显示了熔池 （Xiris） 的 blob 数据

了解焊接工艺数据

焊接金属接头涉及将填充材料熔化到间隙中，以创建结构合理的组件。随着时间的推移，焊接行业引入了许多经过仔细评估的变量，所有这些变量都旨在提高焊接结果。这些因素是可变的，可能会在焊前、焊接期间和焊后发生变化。工艺数据有助于维护有关焊接材料和焊接工艺的特定设置，并有助于促进进行比较和持续改进。

由于传感器技术的进步，在焊接等具有挑战性的环境中，数据收集变得更加容易和有吸引力，在这些环境中，烟雾、气体、辐射、火花、噪音和火灾等环境危害的安全性至关重要。对于焊接过程，有许多传感器，例如热传感器或摄像头来记录焊缝中的热量分布;热像仪检测熔池及其周围区域的温度，气体传感器可以分析所用保护气体的成分，电压和电流传感器可以提供电源的实时电气数据，测速仪可以测量填充焊丝的进给速度。然后可以收集和分析所有这些数据，以提供有关许多焊接参数的反馈。

焊接工艺数据会对焊缝的质量和形成产生重大影响。在自动化过程中，传感器数据可以轻松快速地优化焊接参数，从而在生产速度和质量等因素之间取得平衡。在轨道或其他精密焊接过程中，详细的数据分析有助于确保高质量的焊接，并将缺陷的可能性降至最低。 

除了有助于提高焊接质量外，焊接工艺数据还有助于促进焊接技术的进步。技术人员、研究人员、学生和行业专家都可以深入了解超出直接生产目标的焊接工艺信息。 

图 2：使用温度测量工具 （Xiris） 的 GTAW 过程的热图像

分析焊接数据的意义

分析不同类型焊接和材料的焊接过程数据有助于消除对焊接过程的关键见解，例如焊接零件如何按预期运行、需要更改和改进以及还可以采取哪些措施来提高质量。所有这些讨论都导致了焊缝数据记录和分析的彻底性。

焊接工艺数据的许多好处不仅能提高质量，还能增强： 

• 安全性：焊接数据的持续记录有助于 验证焊接参数，以指示是否遵循安全最佳实践的流程，例如特定应用的电压和电流 限值 S、气体流速、空气质量标准、环境因素、温度指导、最佳使用模式等。  
  
• 维护：设备校准和结果的焊接过程数据记录可以通过 跟踪数字和数据来帮助检测设备故障 。定期和定期维护最终将带来更一致的焊接结果。  
  
• 生产力： Weld data 收集最终导致对正在进行的过程进行更改，以改变和检查 生产和制造中可能的限制。 其结果是提高最终产品的质量、设定标准和提高生产率的快速且行之有效的方法 。它支持正确使用资源和时间。 

对于单个焊接工艺或小规模生产，收集焊接工艺数据最初似乎是不必要的或过于困难。然而，考虑到数据收集对整体年产量的影响，对于实现运营效率和增长至关重要。 上述优势适用于每种焊接工艺，无论最终产品的价值和工艺的规模如何。数据驱动的结果有助于选择合适的材料和遵循适当的焊接协议，也可用于教育目的，以培训或教育新焊工。 

由于该过程的物理方面，很难找到高技能的焊工，但是，遵循数字模式来获得特定结果相对容易，并且对当前的劳动力更具吸引力。随着人工智能、机器学习、自动化和机器人技术的进步，出现了许多显着推进焊接工艺的新机会。 

使用 Xiris Vision Systems 进行 Weld Data 分析的便利性

Xiris 为我们的 vision 系统感到自豪，通过先进的技术生产有助于改进整体焊接工艺的产品。 方法如下： 

• 高质量成像：我们的高分辨率、高动态范围相机专为在明弧焊工艺产生的烟雾、高温和强光的恶劣焊接环境中工作而设计。 我们的焊接摄像头可以无缝捕捉 实时焊接过程。请参见： Xiris 焊缝监控摄像机 
• 自动检测系统：除了使用摄像头持续监控焊缝外，机器视觉处理还可用于提取有关过程的信息，以自动确定正在进行的焊接过程。 自动检测某些焊接缺陷和工艺异常成为可能，当反馈到自动焊接设备时，可以加快工艺调整以纠正问题。请参阅 Xiris Machine Vision Systems。 
• 数据收集： Xilinx 的相机实用程序 WeldStudio 无缝连接到所有 Xiris 产品，作为直观的界面 它提供摄像头控制、视频录制和回放、机器视觉算法以及各种数据收集功能。可以收集的数据包括各种焊接特征的形状、大小、 位置和温度数据 ，例如熔池、焊缝位置、填充丝、焊枪尖端和焊道，以生成自定义数据任何焊接工艺的焊接质量指标。 有关更多信息，请参阅 WeldStudio。  
• 分析和报告：统计过程控制 （SPC） 等数据分析工具将统计方法应用于 WeldStudio 报告的检测数据，以监测和控制焊接过程的特性。 这有助于确保焊接过程高效运行，生产出更多符合规格的产品，减少浪费。 
  

图 3： 使用各种机器视觉工具收集过程数据的 GTAW 过程 （Xiris）

总结 

焊接工艺的新进展取决于质量控制的改进，这在一定程度上是由数据收集和分析驱动的。新的传感器技术使自动数据收集在焊接行业中变得更加容易，因为手动数据收集几乎是不可能的。为了使行业继续进步，质量控制是重中之重，其中数据收集是关键组成部分。Xiris 提供一系列实时焊接监控和检测系统，具有经过验证的数据收集记录，可以提高运营效率并支持焊接领域的持续改进。

几乎每个焊工在某个时候都希望通过测量熔池的大小、形状和位置来进行某种分析，以确定 GTAW 工艺的性能如何。这通常是通过焊接帽通过肉眼完成的，但最近的技术已经能够从热焊热像仪的输出中生成此类数据，该热像仪可以获取焊接过程的热图像。

热焊接相机提供焊接过程整个环境的温度测量信息。热焊摄像机生成的高对比度录制视频作为焊接质量控制过程的一部分具有多种用途。 录制的视频本身可以作为焊接正确完成的证据，并且可以离线查看以进行质量分析和过程审查。使用热焊热像仪可以为焊工提供出色的高对比度视图，了解电极、电弧、母材以及由此产生的熔池（决定焊道质量）的相互作用。

虽然标准焊接相机可以在焊接过程中捕捉到熔池的清晰图像，但热焊接相机提供了更先进的解决方案。通过使用机器视觉软件算法，可以分析相同的视频，以提取测量熔池特性的可量化数据。在这篇文章中，我们将探讨如何通过使用热像仪监测和分析熔池来改善 GTAW 焊缝，以及选择热焊监测设备时应考虑的事项。

与标准热像仪相比，热像仪用于 GTAW 焊缝监控时具有两个主要优势：

（a） 熔池的图像保真度更高，以及

（b） 可用于测量熔池内部和周围关键点温度的热数据。

图 1：SWIR 热像仪 （Xiris） 的 GTAW 熔池清晰视图

使用热像仪和机器视觉优化轨道焊接 

虽然没有什么可以取代实践经验，但焊工学徒可以使用热像仪来记录和显示正确的焊接技术和最佳实践，或比较焊接技术的好坏结果。在几种情况下，使用热像仪查看或记录焊缝对于轨道焊接程序特别有用。它可以在危险环境中进行远程焊接管理，让焊工能够实时查看焊头活动和熔池特性，同时从安全位置监控过程。

熔池本身是任何 GTAW 焊接工艺中需要监测的最重要特征之一。虽然一台好的焊接热像仪可以帮助操作员看到熔池的大部分细节，但热像仪系统可以获得更好的图像保真度，该系统能够在图像中以比冷物体更高的亮度和对比度显示较热的物体。因此，熔池可以更清晰、更锐利地成像，从而更容易将其边界与钨电极、焊弧和焊接环境中的其他元素区分开来。

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这种保真度更高的图像使操作员能够更好地清晰地看到熔池的细节，并更准确地了解焊接过程的健康状况。

更好的图像保真度有助于操作员更好地看到熔池，作为机器视觉算法的输入也很有价值，机器视觉算法可以提取有关熔池的信息，以便做出更好的决策。更精确的图像可以提取更精确的熔池数据，这些数据通常包括大小、形状和位置数据。

机器视觉软件（例如 Xiris 的 WeldStudio 软件提供）可以分析热图像以检测温度异常，监控焊缝形成，并确保一致的焊接质量。这种数据驱动的方法可以改进过程控制、减少缺陷并提高焊接操作的整体效率。

图 2：SWIR 热像仪 （Xiris） 的 GTAW 冷却珠的清晰视图

用于轨道焊接的热焊接相机的基本功能

与轨道焊接相关的极端高温和光线以及某些焊接操作的受限区域需要专门为该作业设计的监控和记录系统。高质量的热焊接视觉系统应具有以下功能：

• 高动态范围 SWIR 成像：最好的热焊相机结合了短波红外成像和高动态范围 （HDR） 成像，前者捕捉最适合热金属的热量范围，后者可以通过更大的温度范围扩展曝光范围，从而最大限度地减少饱和度。结果是热焊热像仪可以为操作员提供良好的细节，以清楚地显示任何焊接熔池问题。
  
• 专为焊接环境设计的相机： 焊接和预热基板产生的极端温度和辐射热要求热焊接相机能够承受恶劣环境。水冷式外壳可以保护热焊热像仪免受焊弧的高温，需要在高达 300°C / 550°F 的温度下保护热像仪。
  
• 校准图像：为了获得最通用的结果，热焊接相机应校准到精确的热源，以便每个像素都可以报告实际温度 2% 以内的温度值。 必须在组装好光学元件的情况下校准相机，以确保在现场使用与校准相同的光学元件。
  
• 优化的光学元件：相机的光学元件应经过优化，专门在 900-1700 nm 的 SWIR 范围内工作，过滤掉特定的光频率，以消除眩光并显示熔池的清晰视图。应提供各种镜头配置和摄像头控制，以提供不同的视野和工作距离，使操作员能够专注于焊接过程的最关键区域。最好的热焊相机还会自动补偿焊接和非焊接模式之间的光强度差异。
  
• 可配置性： 热焊相机系统应适应各种焊头和焊接应用。相对于焊头的适当摄像机角度对于监测熔池质量至关重要。
  
• 记录：热传感器系统应与焊接控制器通信，以简化焊接过程数据的监控和记录。记录日期和时间的系统提供了额外的过程验证方法，以支持质量控制和合规性。一些热焊热像仪（如 Xiris 的 XIR-1800）可以拍摄焊缝快照，并录制完整的原始视频或处理后的视频。

精心设计的热焊监测系统具有多功能性，可适应各种焊接应用。与任何新技术或系统一样，在使用系统进行生产级监控和记录之前，值得花时间设置测试环境。

测试 Thermal Weld Vision 系统 

我将进行一些规划来定位相机，使其与焊头处于最佳对齐状态，以获得熔池的高质量热记录。建议使用许多测试件进行试运行，因为相机的位置、角度和光学元件会进行调整，以捕捉熔池的最佳细节。需要监测的焊接过程因素对熔池的影响将决定热焊接相机的位置和焦点。在微调摄像机布局时，请考虑以下重要的决策因素：

• 摄像机位置：金属池的前缘、后缘或两侧。
• 送丝的位置、类型和进给率会影响最终焊接的质量。
• 割炬对准可以改变焊缝。
• 可能发生的缺陷（咬边、未熔合、孔隙率、烧穿或浸透流动性）。
• 其他因素，如保护气体干扰或材料缺陷，可能导致焊接缺陷。

使用许多测试件将使您了解热像仪的功能，并有助于确定哪种热像仪配置为需要监控的熔池区域提供最佳信息。当建立了记录熔池的最佳方法后，操作员可以将此信息用于各种焊接应用，并从实时监控和记录中受益。

图 3：准备测试热像仪 （Xiris）

学习如何记录熔池的好处 

T以下是使用热焊摄像机设备记录熔池的许多优点。无论操作员的视力如何，专用的热焊摄像头系统都具有提供更清晰的焊接过程图像的技术和功能。摄像头技术使操作员能够专注于影响熔池质量的工艺方面。无论热像仪的目的是记录焊缝以教授或学习新技术，还是监控过程以保证质量保证或操作员安全，焊缝监测设备都可以成为焊工不可或缺的工具，以确保他们所从事的工作的质量和可靠性。

图 4：GTAW 工艺中熔池和炬尖的 HDR 视图 （Xiris）

总结 

气体保护钨极电弧焊（GTAW 或 TIG 焊接）需要在精确、清洁的环境中一丝不苟地关注细节。热焊接相机是超越标准相机的重要工具，可提供熔池的详细图像。它们确保焊接操作的高性能，提高安全性、质量和效率。

高频预焊系统让操作人员能够轻松地远程监控带材边缘及焊接温度。

借助先进的软件，该系统能够测量、监控并记录多种工艺参数，使您全面掌控焊接作业。

实时数据与每秒超过30次的多项测量计算，将助力您轻松提升管材焊接质量及生产效率。

高频预焊检测系统采用前沿技术，综合分析几何与热学数据，提供宝贵信息以确保焊接过程的稳定性，优先保障产品质量与绝对安全。

采用高频预焊检测系统，提升您的焊接体验——这一变革性解决方案树立了新的行业标杆，开启了通往无与伦比焊接卓越成就的大门。

其中，焊接前带状边缘在汇集并通过感应线圈时，“V”形区域的精确温度监控极为关键。这一测量不仅能揭示管材成型的精细状态，还是评价焊接精度与过程稳定性的重要依据。具体而言，通过分析指向“V”顶点（标记为A）沿带材边缘的温度变化曲线，制造商可准确判断材料预热至焊接点的均匀性，为优化焊接前的热处理过程提供宝贵数据支持。

焊接过程中，管材加热速率如果不适中，过快或过慢，都将可能引入焊接缺陷，诸如冻结线、焊缝凹陷，并可能导致过剩材料在焊接压力下被挤出。因此，测量从一个带材边缘至另一边缘（标为B点）的管材温度变化曲线，对于评估管材经过焊盘之后的即时加热程度至关重要。进一步分析这些温度曲线，可以揭示两端带材边缘受热是否均匀，这对于保证焊接质量尤为关键。

从一个带材边缘到另一个边缘的温差可能由阻抗器问题或工作高频感应线圈的设置方式引起。监控这些温度有助于指示潜在的焊接缺陷，比如不匹配或刨削现象。

一旦管材条带边缘汇聚，测量从焊缝顶点（Apex）到挤压点（Squeeze Point）沿焊缝长度（C）的温度冷却速率也极为有用。此区域因无感应电流流通，不会再发生加热，带材边缘与管体其余部分间的高温梯度导致热量迅速散发。若此区域内管焊缝冷却过快，滚轮施压时可能无法正常形成焊缝。

顶点后测量多个点的温度同样有益。通过探测和测量顶点后焊缝上的热点或最高温度（D），制造商能即刻了解到焊接前带材边缘加热的一致性。

在常规管材生产中，随着焊缝上压力的变化，可观察到最高温度点前后移动的现象。

观察挤压滚轮附近管材上的温度分布（E），可以显示焊缝中最高温度的位置，通常这一峰值温度位于焊道中心。然而，其确切位置还能反映出焊缝是否因管子扭曲而产生位移。此外，通过测量焊道形成后紧邻位置的成品焊道温度，可进一步评估焊缝的完整性。

总结

在管材生产线上部署热测量系统能够为制造商提供极具价值的新信息来源。Xiris公司研发了Pre-Weld HF检测系统，该系统配备了一款封装于坚固外壳中的短波红外(SWIR)热像仪，能够承受焊头附近恶劣的工作环境。利用这一工具，制造商可获取热数据，从而更加精准地控制焊接过程，最终实现更高质量的焊接成果。

一、高频焊管难题

高频焊管以其能够处理各种管径和壁厚的能力而闻名，成为众多制造商的首选技术。然而，它要求对轧机几何结构、材料质量以及焊接参数进行精确控制。随着高强度材料需求的增长以及成本效益生产的迫切需要，容错率变得极低。

在高频焊接中，关于如何测量V角的问题至关重要。这一参数对于确定焊接过程的效率和可靠性起着决定性作用。创新型检测系统对此给出了明确答案，提供实时测量和深入见解，指导操作员达到理想的V角值。

二、创新型检测技术如何提升精度标准？

红外热成像检测系统的出现正在彻底改变高频焊接领域。这些系统为焊接过程提供了宝贵的洞察力，使其能够有效地应对挑战：

（1）二维清晰度：采用先进的摄像技术，提供焊接“V”经过感应线圈后的详细二维视图。这种视觉清晰度赋予操作员前所未有的精确监控焊接过程的能力。
（2）几何与热数据解读：这些系统不仅提供视觉数据，还能解析几何和热力学信息。这种多维度的方法确保了对焊接过程的精准控制。
（3）实时监控：连续测量和实时监控使得操作员能够在焊接过程中实时掌握情况，及时作出必要的调整。
（4）基于数据的决策制定：统计过程控制（SPC）分析工具支持基于数据的决策制定，确保焊接过程的每个环节都得到优化。

示例：显示不同V角特征的热像图及推荐温度测量点（来源：Xiris）

三、拥抱管材制造的精密时代

随着这些先进检测系统的应用，行业发生了显著变革：

（1）无缝焊接：技术的进步使得制造商能够持续生产出完美的焊缝，大大提高了质量标准。
成本效益提升：更高的生产效率和成本效益已成为行业的普遍标准，使制造商能够更加有效地满足市场需求。
（2）实时调控能力：操作员现在具备了实时微调焊接过程的能力，能够迅速响应变化。
数据驱动的卓越性能：基于数据的明智决策已成为运营的基础，确保取得最优结果。
（3）早期偏差发现：行业现具备早期偏差检测能力，可以立即采取纠正措施，维持产品质量始终如一。

四、引领精密焊接新纪元

创新型检测系统的集成已经彻底革新了高频焊接，即使面临高强度材料需求激增和成本效益生产的挑战，也能实现精度和效率的双重提升。如今，这个行业正迈向一个崭新的卓越时代。