焊接工艺基础：常见焊接方法的工艺特点、焊缝类型、焊接缺陷及对视觉系统的要求

焊接是视觉引导焊接系统最核心的执行对象。无论是弧焊、激光焊还是电阻焊，其物理本质、热输入方式、熔池行为以及焊缝成形规律都截然不同。视觉系统若要实现精准的焊缝定位、跟踪与质量判定，必须首先深刻理解各类焊接方法的工艺特性——因为视觉算法所依赖的“特征信号”（如坡口轮廓、熔池形状、飞溅轨迹、焊缝表面纹理）本质上都是焊接工艺过程的直接映射。本章从工艺原理出发，系统梳理常见焊接方法的工艺特点、焊缝类型、典型缺陷及其对视觉系统的差异化要求，为后续视觉方案设计奠定工艺认知基础。

一、弧焊工艺特点与视觉系统适配

1. 核心原理与工艺特征

弧焊（Arc Welding）利用电弧放电产生的热量熔化母材和填充金属，形成冶金结合的焊缝。根据电极特性和保护方式，弧焊主要分为熔化极气体保护焊（GMAW/MIG/MAG）、非熔化极钨极氩弧焊（GTAW/TIG）和焊条电弧焊（SMAW）。从视觉系统设计的角度看，弧焊具有以下关键工艺特征：

• 电弧辐射强烈：电弧光包含强烈的紫外、可见光和红外波段，峰值辐照度可达10⁶ W/m²以上，远超普通CMOS传感器的动态范围，必须采用滤光片或激光条纹+窄带滤光方案。
• 熔池动态变化：熔池在重力、表面张力、电弧压力和熔滴冲击力共同作用下持续振荡，熔池边界是视觉跟踪的重要特征，但提取难度较高。
• 飞溅与烟尘：GMAW短路过渡和粗滴过渡会产生大量飞溅颗粒，烟尘附着在镜头表面会迅速降低图像质量，需配置气帘或防护玻璃。
• 坡口间隙敏感：弧焊对坡口间隙的适应范围较宽（通常0.5~3mm），但间隙变化会直接影响熔宽和余高，视觉系统需实时测量间隙宽度并反馈给焊接参数调节。

2. 焊缝类型与视觉特征

3. 典型缺陷与视觉识别

弧焊常见缺陷包括气孔（表面或内部）、咬边、未熔合、焊瘤、裂纹和飞溅。视觉系统在焊后检测中主要关注表面缺陷：咬边表现为焊缝边缘的沟槽状凹陷，在激光轮廓扫描中呈现为焊缝两侧的负向突变；焊瘤表现为焊缝表面局部凸起，轮廓曲率异常；表面气孔则呈现为离散的圆形凹坑。对于内部缺陷（如内部气孔、未熔合），常规视觉难以直接检测，需借助X射线或超声等无损检测手段，但视觉系统可通过熔池形态异常进行间接预警。

坡口宽度 W = |P_left - P_right|   // 左右坡口边缘点距离
根部间隙 G = |P_root_left - P_root_right|  // 钝边处间隙
错边量 M = |Z_left - Z_right|   // 两侧板面高度差
坡口面积 A = ∫(Z_profile - Z_baseline)dx  // 用于估算填充量

4. 常见误区与总结

二、激光焊工艺特点与视觉系统适配

1. 核心原理与工艺特征

激光焊（Laser Beam Welding）利用高能量密度的激光束（通常10⁵~10⁷ W/cm²）照射工件表面，使材料瞬间熔化甚至气化，形成深宽比大的焊缝。激光焊分为热传导焊（深宽比约2:1）和深熔焊（深宽比可达10:1以上，产生匙孔效应）。从视觉系统角度，激光焊具有以下特征：

• 匙孔效应：深熔焊时激光束在熔池中形成匙孔（Keyhole），匙孔内充满金属蒸气和等离子体，其动态行为直接影响焊缝成形。视觉系统可通过同轴监测匙孔开口形状来评估焊接稳定性。
• 等离子体羽流：激光与材料相互作用产生高温等离子体，其辐射光谱覆盖紫外到红外波段，对视觉成像造成干扰，需采用窄带滤光或频闪照明。
• 装配间隙容忍度低：激光焊对坡口间隙极为敏感，通常要求间隙小于0.1~0.2mm（取决于板厚和激光功率），否则容易造成焊漏或未熔合。视觉系统需具备亚毫米级的间隙测量能力。
• 高速焊接：激光焊速度可达5~20m/min，视觉系统需具备高帧率（≥500Hz）和低延迟（≤5ms）的图像处理能力，才能实现实时跟踪。

2. 焊缝类型与视觉特征

激光焊主要应用于对接焊缝和搭接焊缝，偶尔用于角接和T形接头。对接焊缝在激光焊中要求极高的装配精度，视觉系统通常采用双激光条纹方案：一条条纹用于焊缝跟踪，另一条用于间隙测量。搭接焊缝则更关注上下板之间的贴合间隙，视觉系统需检测板间间隙是否超过允许阈值（通常≤0.1mm）。

3. 典型缺陷与视觉识别

激光焊典型缺陷包括：未熔合（激光功率不足或焊接速度过快）、咬边（激光功率过大或离焦量不当）、气孔（匙孔不稳定导致气体卷入）、裂纹（高碳钢或铝合金热裂纹敏感性高）。视觉系统在激光焊中的应用分为焊前、焊中和焊后三个阶段：

1. 焊前：精确测量装配间隙和错边量，判断是否满足焊接条件，不满足时报警或调整工艺。
2. 焊中：同轴监测匙孔开口面积和形状，当匙孔面积突变时，判定为焊接不稳定，及时调整激光功率或焊接速度。
3. 焊后：检测焊缝表面成形质量，包括焊缝宽度均匀性、余高、表面气孔和裂纹。

4. 常见误区与总结

三、电阻焊工艺特点与视觉系统适配

1. 核心原理与工艺特征

电阻焊（Resistance Welding）通过电极向工件施加压力并通以强大电流（通常数千至数万安培），利用工件接触电阻产生的焦耳热使金属局部熔化，形成熔核。电阻焊主要包括点焊（RSW）、缝焊（SEW）和凸焊。从视觉系统角度，电阻焊具有以下特征：

• 无填充金属：电阻焊不添加填充材料，焊缝（熔核）完全由母材熔化形成，视觉检测主要关注熔核尺寸和位置。
• 电极遮挡：焊接过程中电极紧压工件表面，视觉系统无法直接观察熔核形成过程，通常只能进行焊前定位和焊后检测。
• 工件变形：电阻焊过程中工件受热和压力作用会产生局部变形，影响后续焊点的定位精度，视觉系统需具备自适应定位能力。
• 镀层影响：镀锌钢板、镀铝钢板等镀层材料在焊接时会产生锌蒸气或铝氧化物，影响电极寿命和熔核质量，视觉系统可通过焊点表面颜色和纹理变化间接评估。

2. 焊缝类型与视觉特征

电阻焊的“焊缝”形式主要为焊点（点焊）和连续焊缝（缝焊）。点焊的视觉检测内容包括：焊点位置坐标、焊点直径、压痕深度、飞溅痕迹和表面颜色变化。缝焊则需检测焊缝的连续性、宽度均匀性和密封性。视觉系统通常采用二维相机（俯视）进行焊点定位，采用三维激光轮廓仪进行压痕深度测量。

3. 典型缺陷与视觉识别

4. 案例拆解：白车身焊装线视觉引导点焊系统

某汽车焊装车间生产车门内板总成，材料为DC04冷轧钢板+镀锌层，板厚0.8mm+1.2mm搭接，共需焊接32个焊点。原有人工示教方式存在两个问题：一是工件在夹具上的位置波动（±1.5mm），导致部分焊点偏离设计位置；二是镀锌层导致电极磨损加快，焊点质量一致性差。

视觉系统采用“2D+3D”融合方案：

• 2D相机（俯视安装，分辨率500万像素）：通过工件上的定位孔和边缘特征进行粗定位，计算焊点平面坐标。
• 3D激光轮廓仪（侧向安装）：在焊点位置扫描工件表面轮廓，精确测量板间间隙和搭接量，修正2D定位误差。
• 焊后检测：焊接完成后，2D相机再次拍摄焊点区域，检测焊点位置、直径和飞溅情况。

系统实际运行效果：焊点位置精度从±1.5mm提升至±0.3mm，焊点直径合格率从92%提升至99.2%，飞溅率从5%降至0.8%。但需注意，镀锌层在焊接过程中产生的锌蒸气会附着在相机镜头上，需每班次清洁一次。

5. 常见误区与总结

四、焊接缺陷对视觉系统的共性要求

综合上述三种焊接方法，焊接缺陷对视觉系统的要求可归纳为以下四个维度：