A Study on Defect Monitoring in Stainless Steel Laser Welding Processes Using a Multi-Sensor System

在现代电动汽车的世界里，电池是心脏，而冷却系统则是维持其不至于过热的循环系统。这些系统依赖于必须完美连接在一起的薄金属板，以防止泄漏并确保安全。多年来，工程师一直使用铝来制造这些部件，因为铝很轻，但在极端温度下（例如电池发生危险过热的热失控事件时），铝的表现会变得难以应对。为了解决这个问题，制造商正转向使用一种特定的不锈钢，即 SUS304L，它能承受更高的热量并提供更强的结构强度。然而，焊接这种钢材需要一种名为激光焊接的高能精密过程。由于激光移动速度极快且携带大量能量，如果条件不完美，很容易在焊缝处产生像微小气泡或缝隙这样的隐藏缺陷。这些缺陷是危险的，因为它们可能导致泄漏或结构失效，然而一旦焊接完成，它们往往肉眼无法察觉。

为了在这些缺陷造成麻烦之前捕捉到它们，来自韩国工业技术研究院及其行业合作伙伴的研究团队致力于构建一种更智能的方式，以便实时监测焊接过程。他们专注于一种新型的激光——可调环形模态（Adjustable Ring Mode）激光，这种激光可以改变其能量束的形状，从而创造出一个更稳定的熔池。研究人员并没有依靠单一工具来观察焊接，而是创建了一个多传感器系统，该系统就像一个由不同观察者组成的团队，每个观察者都在观察不同的物理线索。一个传感器观察紫外线和红外光谱中的闪光，这揭示了超高温等离子体和熔融金属的行为。另一个传感器是高速热像仪，它绘制了焊接周围的热量分布图。通过结合这些不同的视角，研究团队旨在实现即便在激光移动的过程中，也能区分出完美的焊接与正在产生缺陷的焊接。

研究人员通过在各种条件下焊接不锈钢板来测试他们的系统，并刻意制造了三种常见的缺陷类型：气孔（porosity），即被困在金属内部的微小孔洞；咬边（undercet），即焊缝边缘熔化过多；以及未熔透（non-penetration），即焊缝未能深入到底层进行连接。他们将传感器数据与 X 射线图像和金属物理横截面进行了对比，以观察传感器究竟看到了什么。在正常的完美焊接条件下，传感器显示出平静且稳定的节奏。红外光信号保持在可预测的范围内，而紫外信号则保持平坦稳定。这种稳态作为基准，即“一切正常”的信号，告诉研究人员熔池正处于预期行为之中。

当研究人员引入缺陷时，传感器开始以不同的方式发出警报，具体取决于问题的类型。当出现气孔时，紫外传感器首先做出反应。原本应当保持稳定的信号开始出现剧烈波动和异常跳变。这是因为气孔的形成破坏了等离子体（即熔融金属上方形成的电离气体）的稳定性，导致紫外光发生闪烁。相比之下，当出现咬边缺陷时，红外传感器则占据主导地位。热量信号显示出不规则且尖锐的峰值，这表明熔融金属在焊缝边缘流动不均。研究人员发现，虽然紫外光非常擅长探测气孔，但红外热信号才是监测边缘缺陷的最佳指标。

团队还发现，观察的方式与观察的对象同样重要。他们测试了使用热像仪的两种方法。一种被称为全区域分析法，它观察整个焊缝区域以了解整体热历史。虽然这种方法对于宏观观察很有用，但它很容易受到热金属飞溅（即飞溅物，spatter）的干扰，从而在数据中产生虚假的峰值。第二种方法是局部区域分析法，它将摄像机紧紧聚焦在激光作用点和紧邻的熔池上。这种方法能够对焊接发生处的热量提供更稳定、更可靠的读数。当研究人员测试激光功率过低导致无法完全穿透金属的情况时，局部区域分析法清晰地展示了热响应的变化，而全区域视图则显得不够明显。这证实了紧盯着相互作用区域进行观察，是捕捉如穿透不足这类深层缺陷最有效的方法。

通过结合这些见解，研究人员建立了一套全新的焊接质量监测规则。他们发现，没有任何单一传感器能讲述完整的故事；相反，一个完美的焊接需要稳定的红外信号、稳定的紫外信号以及一致的局部热模式。如果紫外信号出现异常，可能意味着气孔正在形成；如果红外信号出现不规则跳变，则意味着边缘熔化过度；如果红外信号大幅波动且局部热模式发生变化，则说明焊缝可能未充分熔透。这种多传感器方法证明，通过从不同角度倾听焊接过程中的不同“声音”——即光与热，工程师可以在缺陷发生的瞬间将其检测出来。这项研究表明，这种方法可能是迈向更安全、更可靠的电动汽车电池的重要一步，确保支撑它们的这些不锈钢部件不会存在隐藏的缺陷。