光学扫描技术在激光焊熔中的应用范文

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摘要：应用光学相干断层扫描（OCT）技术，使参考光路系统与激光焊光路系统相结合，通过采集与焊接光路同轴的反射光信号以及参照系统的反射光信号干涉图，可以探测出激光焊过程中熔池最深处的深度，从而实现激光焊熔深在线实时检测。

关键词：光学相干断层扫描；OCT；激光焊；熔深在线检测

序言

激光焊具有非接触、高精度、高效率等优点，已经在各行各业得到越来越广泛的应用，尤其是近年来大功率激光、短波长激光、连续式激光等技术的发展突飞猛进，可焊材料的范围越来越广，焊接质量稳定性越来越高。随着激光焊技术的应用，对于焊接过程控制和焊接质量检测的研究也得到各国研究人员的重视。近年来，如何获取精确、可靠反映焊接过程和焊接质量的传感信息，建立传感信号与焊接质量的关系模型是国内外所关注的研究热点。目前，大部分研究针对激光光束质量的控制、激光能量稳定性的控制、焊后焊缝外观检查等，普遍应用的方式是对焊缝进行破坏性抽检，也有部分研究针对焊接过程的产生等离子体光强度信号进行监控，从而间接监测焊缝质量。对于焊接产生的熔池深度的实时检测还鲜有研究。光学相干断层扫描（OCT）技术是20世纪90年代逐步发展而成的一种新的三维层析成像技术，当从散射介质中返回的弹道光子和蛇行光子与参考光的光程差在光源的相干长度范围内，发生干涉，而漫射光子与参考光的光程差大于光源的相干长度，不能发生干涉，从而把带有被测样品信息的弹道光子和蛇行光子提取出来，进行成像，它可以实现对被检测材料内部高分辨率的非侵入层析测量［1-2］。目前，OCT技术主要应用于眼科、牙科、病理分析等临床医学检测，在工业方面的应用还比较少。

1检测原理分析

激光焊按照工艺应用不同及焊接方式不同，一般可分为传导焊和深熔焊两大类，其中传导焊接一般使用远离焦，用于薄壁搭接焊或拼焊，深熔焊一般使用近离焦，用于厚板拼焊或穿透焊。应用较广泛的是深熔焊方式，也叫钥匙孔焊接，其主要原理是激光光束作用在被焊材料或焊缝表面，使材料熔化后形成一个焊接熔池，熔池的口部即焊接材料的表面称为钥匙孔，熔池的深度就是焊接后形成的焊缝结合面的深度，熔池内部全是熔融的金属液体，随着激光光束移动，熔池迅速冷却成焊缝［3-4］。如图1所示。光学相干断层扫描（OCT）技术基于Michelson的干涉度量学，其用于检测激光焊熔池深度的原理是在加工激光之外增加一束低功率近红外激光作为参考光，该参考光通过分光镜被分为两束，一束光通过光路耦合与加工激光同轴同时作用在被焊材料 上，另一束光进入参照系统，被参考光反射镜反射回来。参考光的光斑直径远小于加工激光，使得参考光可以直接穿透焊接熔池（液态金属）射入熔池底部（固态金属）。参照系统内部通过调节参考光反射镜到分光镜的距离，使得参考光通过参照系统返回的光与从焊接熔池底部反射回来的反射光叠加，当2个光路的光程差与光源的相干波长相匹配时就会发生干涉，再通过OCT传感器捕捉并分析参考光与反射光形成的干涉光谱图，利用干涉原理分析得到两束光的实际光程差［5］，从而可以实时检测焊接熔池的深度。其检测原理如图2所示。通过计算机软件对OCT传感器采集到的信号进行滤波、分析，并与加工激光的焊接轨迹相结合，形成焊接轨迹上的熔深反射点阵，可以得到整个焊缝的实际熔深数据。

2试验平台搭建

为验证光学相干断层扫描技术在激光焊中的检测效果，搭建试验平台如下：加工激光器选用通快4000W碟片式激光，使用200μm芯径多模光纤。被加工件是将2．5mm厚的铝板穿透焊接至7mm厚的铝板上。检测光由830nm近红外固体激光器发出，OCT传感器采用德国莱斯穆勒。焊接工艺参数：焊接功率为3kW，焊接速度为100mm/s，焊接长度为10mm，焊接熔深约3mm。每个样件焊接后沿焊缝切开，用金相砂纸打磨并经过强酸腐蚀后，可以观测实际熔深。通过计算机软件系统采集OCT传感器得到的熔深数据，并与实际熔深进行比较，从而验证OCT在线检测的可行性。

3试验结果分析

在上述试验条件下，连续焊接20个样件，并分别沿焊缝切开，试验结果见表1。焊缝切开后实际熔深的照片与检测的熔深曲线对比如图3所示。试验数据与实测数据对比后看出，测试结果与实际熔深数据吻合度达到90％以上，可以准确地反映实际焊接熔深。

4结论

激光焊熔深在线检测技术一直是焊接行业的研究热点，到目前为止还没有较好的解决方案。而近几年兴起的光学相干断层扫描技术（OCT）在医疗行业已经有较多应用，但是在工业应用范围非常有限。通过分析OCT技术检测激光焊熔池深度的原理，搭建焊接熔深在线检测平台，并通过实际焊接试验对比，证明OCT技术应用于激光焊熔深在线检测是可行的，且准确度达到90％以上。笔者以后将进行更多相关焊接试验，并将测试系统固化为标准测试平台，实现激光焊熔深在线检测系统的工业化应用。

参考文献：

［3］李林贺，邓适．动力电池壳体激光焊接工艺［J］．焊接技术，2013，42（7）：30－32．

［4］秦国梁，林尚扬．激光焊接体能量及其对激光深熔焊缝熔深的影响［J］．焊接学报，2006，27（7）：74－76．

［5］宋桂菊，任宏武.光学相干层析成像的实验研究［J］．光学学报，2000，20（4）：509－513．

作者：尹东星 曹晓燕 力信 单位：江苏能源科技有限责任公司