基于线结构光的薄壁件激光焊接翘曲变形实时检测分析

摘要：为解决薄壁件激光焊接中的质量问题，此次分析选择‌Q250HD钢板这一薄壁件，采用线结构光技术对激光焊接过程中的翘曲变形问题进行实时检测。经检测发现，该薄板的激光检测操作中，横纵向均有翘曲变形问题，可见线结构光在该领域具有应用价值，希望能为今后航空航天薄壁件激光焊接提供可参考的经验。

关键词：线结构光；薄壁件；激光焊接；翘曲变形；实时检测

1 引言

薄壁件是航空航天、汽车制造等行业的一种基础零件，具有结构紧凑、低成本、高承载性等诸多优势。根据近年来对薄壁件的制造生产经验，激光焊接过程中比较常见的一个问题是翘曲变形，此问题不仅降低薄壁件生产制造精度，一旦返修还会增加成本。所以，如何解决激光焊接中的翘曲变形问题始终是一个重点。本文基于已有的研究成果和解决方法，提出在线结构光工艺的基础上实时检测分析，此方法能利用激光光带投射，在薄壁件表面直接形成相应的模式图像，使用特定算法实现三维重建。与传统检测方法相比精度更高，而且适用范围大，支持全方位测量。为了更清晰地验证线结构光在实时检测薄壁件翘曲变形中应用的有效性，此次分析选择Q250HD钢板作为激光焊接对象，总结实时检测技术要点。‌

2 线结构光检测对象与方法

2.1焊接与检测对象

Q250HD钢板强度、塑性良好，适合在大受力的机械零件、焊接结构中应用。此次对其进行激光焊接，尺寸规格是260mm×44mm×1mm，激光器选择由美国NP Photonics公司生产的Rock系列单频光纤激光器/RMFLS5，该设备的输出功率是235mW，焊接速度每分钟100mm。激光焊接过程中应用纯氩气，设置保护气量15L/min。

技术人员在步进滑台上方以夹持的方式固定焊接薄板，线激光轮廓仪则以倾斜的方式，固定于薄板背面。焊接过程中，技术人员固定好激光头，以滑台驱动工件作上、下运动。因此次实时检测采用线结构光，设置波长为405mm，对工件背部轮廓进行检测。

2.2数据预处理

实时检测需要用到大量数据，对这些点云数据必须提前做好预处理。技术人员使用线激光轮廓仪扫描薄板背部，可获得所有需要的初始点云数据。考虑到该设备布设的角度问题，薄板表面反射出的线激光光路长度有明显区别。轮廓仪设备和薄板位置较近的位置经测量后，确定距离不长，反之，位置较远处的距离更长。所以，三维点云受其影响也体现出倾斜状。

对点云和平面倾斜角这一问题，因此问题不利于翘曲变形检测，所以技术人员采用旋转变换计算的方法，得到薄板和平面的点云法向量，分别用、表示，夹角则用表示。根据计算得到数据，点云以旋转轴为中心作旋转运动，由此消除了倾斜角，确定二者平行。技术人员对点云数据进行修改，检查薄板点云是否有缺失，查找缺失部位即作为焊缝。

此次实时检测选用轮廓仪经过薄板背部的扫描后，获得了夹持薄板滑台数据，考虑到此类数据可能会对薄板轮廓曲线造成影响，所以扫描到的点云数据必须进行处理。因为滑台和薄板夹持后高度不能完全一致，此时观察点云的x轴可能有z值跳变，而相同位置的x坐标值便可确定为裁剪点云数据点。观察‌Q250HD钢板激光焊接过程，x数值为5.6mm、55.38mm时，均有z值跳变情况，基于此技术人员标记了裁剪点位，完成裁剪后去除所有滑台数据，仅保留点云数据。

提取数据过程中，技术人员分别在横纵向采集点云信息，设置好轮廓仪扫描的速度以及点云间隔，根据时间序列点位完成数据的采集。技术人员应用最小二乘法得到轮廓曲线，对比点云数据和拟合得到轮廓曲线二者的高度值，计算得到差值为4.3%，由此确定了拟合阶数为7阶。

2.3 翘曲变形实时检测

技术人员采集的是横纵向点云数据，所以对翘曲变形的实时检测也是从横纵向展开。总结实时检测技术要点如下：

（1）使用轮廓仪扫描分别获得横纵向翘曲变形的状态信息，发现薄板上方与焊缝比较近的位置有明显凸起，薄板两端同样有明显的弯曲。经测量后，横向翘曲变形的具体位置信息是-14mm--6mm、16-23mm两处，纵向翘曲变形分布焊缝的左右两侧，其中左侧距离焊缝17.69mm，右侧距离焊缝26.03mm。根据获取到的点云数据可得到大致轮廓，同时观察发现焊接薄板左侧翘曲变形的严重程度超过右侧。

（2）技术人员设置采集薄板轮廓的时间为每间隔5秒进行一次，根据观察发现，横向翘曲变形的程度在时间的推移下，变形量呈增加趋势。考虑到此次选择的焊缝左右两侧面积并不对等，所以可能面临温度差异，这是导致翘曲变形差异的根本原因。

（3）观察纵向翘曲变形的情况，检测过程中设置相同的间隔时间，观察发现进行到第11s时，薄板已经有纵向翘曲变形的趋势，从第12s开始到第16s，其间翘曲程度加重。观察薄板的左侧，发现不仅和焊缝距离比较接近，而且此处也积聚了较多热量，对比翘曲角度，左侧大于右侧，但是在时间逐渐向后推进的过程中，左右两侧的热量开始有重合趋势，翘曲变形角度也是如此。

2.4 实时检测结果与建议

采用线结构光对薄壁件激光焊接翘曲变形问题进行实时检测，经检测确定‌Q250HD钢板在焊接过程中有明显的翘曲变形问题，翘曲变形情况如图1。参考激光焊接、翘曲变形问题的处理经验，提出以下几种方法：

（1）薄板提前预热与冷却处理

薄壁件正式激光焊接之前，技术人员需要提前预热薄板、焊缝周围，降低冷却的速度，起到缓解翘曲变形的作用。激光焊接结束之后，还需进一步冷却以控制变形。

（2）尽量避免使用填充材料

如果在焊接中使用过量填充材料，焊缝体积必然会增加，从而导致翘曲变形。建议激光焊接过程中尽可能的减少填充材料使用。

（3）校正激光焊接参数

技术人员在激光焊接前，应进一步检查焊接功率、焊接速度和焦点位置等比较关键的参数，以免热输入导致翘曲变形。同时，参数的调整也起到控制冷却温度梯度的作用。

（4）加强对激光焊接过程的控制

比较常规的焊接工艺是连续焊接，为避免发生翘曲变形问题，建议改用间歇焊接法，减少焊接时大量热累积。另外，对激光焊接的过程进行精准控制，建议应用激光焊接机控制系统，保证激光焊接的每个流程都能达到最佳，避免出现翘曲变形问题。

3 结论

综上所述，此次对‌Q250HD钢板这一薄壁件进行实时检测，采用线结构光工艺检测激光焊接过程，经分析与观察确定薄板在激光焊接中有明显的翘曲变形问题。一方面在线结构光的帮助下，有效提升了激光焊接检测的效率，由此认证线结构光工艺在翘曲变形的检测中具有实用性，另一方面也能为技术人员解决翘曲变形问题提供一些指导与参考。今后航空航天领域进行工件加工，薄壁件的加工与制造环节为避免出现翘曲变形，技术人员应熟练掌握预防该质量问题的方法，熟练应用线结构光检测技术，以提升薄壁件激光焊接水平。

参考文献：

[1]吕宝佳，杨广楠，曹建行，等.动车组轮装制动盘翘曲变形仿真及试验分析[J].铁道机车车辆，2025，45（01）：63-68.

[2]杨明，查翔，刘巨保，等.基于Moldflow的超薄壁外壳翘曲变形分析及工艺参数优选[J].塑料，2025，54（01）：108-112+119.

[3]刘巨保，黄建军，杨明，等.基于Moldflow的汽车中控台框架翘曲变形分析及优化[J].塑料工业，2024，52（03）：83-88.

[4]钦兰云，王昆，王伟，等.激光沉积制造翘曲变形检测与开裂预测研究[J].中国激光，2023，50（16）：46-56.

作者简介：张伟超，1992.05，男，汉，天津武清，大专，研究方向或从事工作：化工项目焊接监理工程师