红外热像检测在工业焊接过程温度场分布的实时监测方案

工业焊接过程中，温度场的分布直接决定焊缝成型、组织性能及残余应力，是影响焊接质量的核心因素之一。传统接触式测温（如热电偶）存在响应慢、易干扰、无法覆盖全场等缺陷，难以满足高精度实时监测需求。红外热像检测作为非接触式测温技术，可通过接收物体红外辐射实时生成温度场分布图像，为焊接过程的动态调控提供直观数据支撑。本文围绕红外热像检测在工业焊接温度场实时监测的方案设计、关键技术及应用细节展开，探讨其在实际生产中的落地路径。

红外热像检测适配工业焊接场景的核心要求

工业焊接涵盖电弧焊、激光焊、电阻焊等多种工艺，不同工艺的温度范围、热场变化速率及监测精度需求差异显著，红外热像检测需先匹配场景核心参数。以电弧焊为例，焊缝区域温度可达1000-3000℃，其峰值辐射波长处于中波红外（3-5μm）范围，因此需选择中波红外探测器，确保对高温辐射的高灵敏度响应；激光焊热场变化极快（熔池动态响应时间<1ms），需热像仪帧频≥250fps才能捕捉瞬态温度突变，若帧频不足会错过熔池飞溅、焊缝咬边的关键细节。

空间分辨率是另一核心要求。焊缝宽度通常在0.5-2mm之间，需热像仪的空间分辨率（即单像素对应实际尺寸）≤0.1mm，例如选择640×512像素探测器搭配100mm焦距镜头，当热像仪与工件距离2米时，单像素对应尺寸约0.06mm，可清晰分辨焊缝边缘的温度梯度。若空间分辨率不足，会导致温度场图像模糊，无法准确识别焊缝的细微缺陷。

此外，被测材料的发射率差异需提前考量。钢在1200℃时发射率约0.75，铝约0.65，钛约0.7，若未校准发射率，测量误差可能高达±10%——这对要求±2%精度的航空航天焊接场景而言是致命的。因此，红外热像检测前需针对焊接材料进行发射率标定，确保温度数据的准确性。

焊接温度场实时监测的硬件系统搭建

硬件系统由红外热像仪、光学适配组件、防护装置及数据传输模块组成。光学组件需解决焊接中的弧光干扰问题：电弧产生的强可见光（400-760nm）会淹没红外辐射，需加装窄带滤光片（如中心波长4.8μm的中波滤光片），仅允许目标温度对应的红外辐射通过，同时过滤弧光。镜头焦距需根据工位距离调整，例如焊接机器人手臂与工件距离1.5米时，选80mm焦距镜头可使焊缝区域占满视场的60%以上，提高测量精度。

防护装置是硬件系统的“生命线”。焊接环境中的高温（工件表面温度可达1000℃以上）、飞溅（熔滴速度可达10m/s）及烟尘会损坏热像仪，需采用气冷或水冷防护壳。气冷防护壳通过持续通入0.3MPa压缩空气，在镜头前形成气幕隔离烟尘与飞溅，同时冷却热像仪本体；水冷防护壳则通过循环冷却水将热像仪温度控制在40℃以内，适用于激光焊等高温场景。

数据传输需满足实时性要求。实时监测的延迟需控制在100ms以内，因此需采用千兆以太网或5G模块传输温度场数据——千兆以太网的延迟约50ms，可满足大多数工业场景；5G模块则适用于焊接机器人移动工位，无需布线即可实现低延迟传输。传输的同时需同步存储原始数据，便于后续追溯焊缝缺陷的成因。

温度场数据的实时处理与校准策略

红外测温受环境反射、大气衰减等因素影响，需通过算法实时修正。反射辐射补偿是关键：焊接工位周围的高温夹具（如不锈钢焊枪）会反射红外辐射到探测器，导致温度测量值偏高。处理方法是在热像仪中输入环境反射温度（通过测量夹具温度获得），软件自动扣除反射辐射的影响；或采用背景扣除算法，实时采集环境辐射并从目标辐射中减去。

大气衰减补偿针对长距离监测场景。当热像仪与工件距离超过5米时，大气中的水汽、二氧化碳会吸收中波红外辐射，导致温度值偏低。需通过大气传输模型（如MODTRAN）计算衰减系数，例如距离10米时，衰减系数约0.95，软件将测量值除以衰减系数即可修正。

发射率校准需结合现场标定。以Q235钢的电弧焊为例，焊接前用红外点温仪测量焊缝区域的温度（如1200℃），同时调整热像仪的发射率参数，直到热像仪显示温度与点温仪一致，此时的发射率（约0.75）即为该场景的校准值。若焊接过程中材料表面氧化（氧化层发射率更高），需每30分钟重新标定一次，确保数据准确性。

基于温度场特征的焊接过程异常识别

温度场的形态、梯度及峰值温度是识别焊接异常的核心指标。未熔合缺陷表现为焊缝区域温度低于材料熔点（如钢1538℃），且温度梯度突然变小——说明热量未传递到焊缝根部，导致母材与焊缝未熔合。例如某汽车底盘焊接线中，当热像仪监测到焊缝温度低于1450℃时，系统触发报警，提示焊接电流不足。

熔池飞溅的温度场特征是局部高温点（>3000℃）且持续时间<100ms。飞溅通常由焊接电流过大或保护气体不足引起，若飞溅频率超过5次/分钟，需调整焊接参数（如降低电流5%或提高保护气体流量1L/min）。软件可通过形态学开运算去除小面积高温点，避免误报警——开运算先腐蚀后膨胀，能有效过滤直径<0.5mm的飞溅点。

焊缝咬边表现为焊缝边缘温度高于母材200℃以上，且温度分布不均。咬边是由于熔池过宽导致母材边缘熔化过多，此时热像仪显示焊缝边缘存在“高温带”（温度比母材高200-300℃），需降低焊接速度或调整焊枪角度（如从90°调整为75°），减少母材的热输入。

红外热像监测与焊接设备的闭环调控接口

实时监测的最终目标是实现焊接参数的动态调整，需建立热像仪与焊接设备的闭环接口。接口协议通常选择Modbus TCP或Profibus，这两种协议是工业设备的通用标准，可实现热像仪与焊接控制器的双向通信。例如，热像仪将焊缝最高温度、平均温度及温度梯度数据传输至焊接控制器，控制器根据预设阈值调整参数：当最高温度超过3000℃时，降低焊接电流5%；当温度梯度小于100℃/mm时，提高焊接速度10%。

某航空发动机叶片激光焊项目中，闭环调控系统将焊缝不良率从3.2%降至0.5%。叶片采用钛合金材料，激光焊温度需控制在2500-2800℃之间，当热像仪监测到温度超过2800℃时，控制器自动降低激光功率5W；若温度低于2500℃，则提高功率5W。通过实时调整，熔池形状保持稳定，焊缝的抗拉强度达到设计要求（≥800MPa）。

接口的稳定性需重点测试。工业场景中电磁干扰（如焊接电源的高频噪声）可能导致通信中断，需采用屏蔽电缆（如双绞屏蔽线）传输数据，并在接口处加装浪涌保护器，确保闭环系统的可靠性。

工业焊接场景下红外热像监测的抗干扰设计

弧光干扰是最常见的问题，除了窄带滤光片，还可采用“时间同步”方法：焊枪触发焊接时，热像仪同步启动“弧光抑制模式”，通过软件降低图像增益，避免弧光饱和。例如，电弧焊的弧光持续时间约0.5秒，热像仪在这段时间内将增益从40dB降低至20dB，可有效抑制弧光对温度测量的影响。

飞溅干扰的处理需结合运动特征。飞溅的熔滴速度快（>5m/s），在温度场图像中表现为“快速移动的高温点”，软件可通过目标跟踪算法识别——若高温点的移动速度超过3m/s，判定为飞溅，自动从温度场数据中扣除。某汽车轮毂电阻焊项目中，该算法将飞溅误报警率从15%降至2%。

烟尘干扰会导致温度测量值偏低，需采用“气幕清洁+软件补偿”组合方案。气幕清洁装置在镜头前形成高速气流（速度>10m/s），吹走烟尘；软件则根据图像灰度值变化判断烟尘浓度——若灰度值降低10%（说明烟尘遮挡），自动提高温度计算的增益，补偿烟尘的衰减影响。

典型焊接工艺的红外热像监测方案适配

电弧焊（手工焊/机器人焊）：温度范围1000-3000℃，热场变化中等（帧频≥100fps），选择中波红外热像仪（3-5μm），搭配4.8μm窄带滤光片、气冷防护壳及千兆以太网传输。实时处理重点是发射率校准（钢0.75、铝0.65）和反射温度补偿（环境温度≤80℃），可监测未熔合、飞溅等缺陷，闭环调整电流、电压参数。

激光焊（光纤激光/CO2激光）：温度高（2000-5000℃），热场变化快（帧频≥250fps），选择中波高帧频热像仪（如1000fps），搭配150mm长焦距镜头（避免激光直射）、水冷防护壳及5G传输。实时处理重点是捕捉熔池瞬态变化（如熔池形状、尺寸），当熔池直径超过2mm时，降低激光功率；当熔池深度不足0.8mm时，提高功率。

电阻焊（点焊/缝焊）：温度较低（500-1500℃），热场分布均匀（帧频≥50fps），选择长波红外热像仪（8-14μm），搭配25mm短焦距镜头（覆盖10×10mm焊点区域）、气冷防护壳及Modbus TCP接口。实时处理重点是焊点温度均匀性（温度差≤50℃），若温度差超过阈值，调整电极压力（如增加0.1MPa）或通电时间（如延长10ms），确保焊点熔合良好。