介紹
自動化工程中的一個關鍵議題是通過新材料，新材料的結合以及新型焊接工藝的使用來減小車輛及零部件重量。當前對輕量化結構的需求提高了對金屬的應用，比如輕金屬，纖維復合材料，超高強度鋼及其合金。
非接觸測試系統特別適合對高動態超聲工藝進行在線參數化。位移測試可使用電容式傳感器，而光學測試系統使用激光有更顯著的優勢。由于焊接部件的尺寸很小，所以普通傳感器很難接近，但激光測試系統很容易就可以進入到狹小的環境中去，因為使用靈活的光纖傳輸激光，并將激光聚焦在測試點上。正是因為這樣的優點，所以凱澤斯勞滕大學材料科學與工程學院（WKK）愿意使用激光多普勒測振儀法進行數據采集。而且，通過使用Polytec公司的差分式激光測振儀(OFV-552)可測得整個頻譜上的相對速度與位移結果。如圖1所示，設計了一個試驗用來控制和分析焊接過程，并且使用了圖中的激光測振系統對重要的工藝參數比如焊接力與能量進行了測試和控制，并全程以高分辨率對選擇的焊接點進行了超聲振動的測試。
圖1 超聲焊接系統與差分激光測振儀
使用激光測振儀對碳纖維復合材料(CFRP)的超聲焊接參數化
在一個德國研究基金支持的項目的框架中，已經可以證實超聲焊接工藝可使得輕金屬與CFRP板之間的焊接點具有高度的耐久性。這些材料之間的連接區域是由兩個步驟形成的，超聲焊接時間不超過5秒鐘。首先，高頻的橫向振動導致CFRP的聚合母體從焊接區域開始塑化并擠出。然后超聲速的振動實現了在不破壞合成材料織物的情況下，金屬板與合成材料的承載纖維之間的焊接，這樣就形成了高達50MPa的拉伸剪切強度。
焊接材料之間充分的相對運動是實現高耐久焊接的極其重要的條件。差分式激光測振儀成功地對該振動進行了定量描述。在圖2中，顯示了焊接系統不同的部件和焊接件測試結果。必要的相對運動實現了焊接件的結合，這已經基本通過單激光測試以及雙激光測試得到了驗證。
圖2 金屬與碳纖維復合材料焊接過程中的速度頻譜圖
關于相同的位移量的貢獻，已經在測試過程中對超聲焊接頭進行了詳細的測試。試驗搭建如圖3所示，在測試中，選擇了一個星型金屬超聲焊接頭。超聲焊接頭對鋁板進行焊接時，由激光測振儀在超聲焊接頭表面進行位移測試。圖4中的結果顯示，與接觸式測試系統相比，激光測振儀的位移測試結果要高8%，測試結果的差異是由于加載在超聲焊接頭上的傳感器質量慣性的影響。
圖3 測試焊接工具振動貢獻量的試驗
圖4 焊接過程中金屬焊接頭的振動貢獻量
測試結果顯示在6個超聲焊接頭工作區域的工作表面的振動幅值，與焊接頭中心的振動幅值(u = 43.5 μm)相比，結果是相同的且可重現。激光測振儀是非常出色的測試工具，能在工況條件下可靠地測量振動幅值并能夠在細節上評估超聲焊接過程。
總結與結論
利用差分式激光多普勒測振儀在超聲焊接過程中對振動進行測量，實現了高頻焊接過程的定量化修正圖。激光多普勒測振法的幾個顯著優勢，包括小的聚焦點，高分辨率位移測試，無質量載荷，高帶寬以及相對遠的測試距離，共同實現了超聲焊接過程的現場振動測試。
