OCT检测激光焊接熔深和几何形状

OCT检测激光焊接熔深和几何形状

激光焊接作为一种高效精密的加工方法,在汽车制造、电子加工等领域发挥着重要作用。焊缝熔深及形态是评价焊接质量的关键指标，若焊缝熔深不足，焊接强度难以满足要求；若焊缝熔深过大，会形成过硬的熔池，易产生热裂纹、气孔等焊缝缺陷，从而严重影响焊接质量。

现有技术主要是通过监测焊接过程中产生的不同信号来间接获取熔深信息，如多波段光辐射强度、光学图像和声波等信号。通过采集这些信号对焊缝熔深建立模型，确定不同特征信号和熔深的关系，可以间接反映熔深信息。但是，这些方法并不是对熔深的直接测量，容易受焊接过程工艺参数、设备稳定性的影响，在连续监测的情况下无法获取熔深信息，也无法保证熔深精度。

基于光学相干层析成像（OCT）的激光焊接熔深监测方法可直接测量熔池孔的深度。该方法不仅能对深度方向进行实时二维成像，还能通过三维扫描对整个熔孔进行三维成像，从而实现快速实时的在线质量监测。

一、       测量原理

OCT采用低相干干涉精密测距原理，不受焊接过程熔孔产生的电磁辐射所干扰，满足连续监测情况下的高测量精度要求，实时获取得到的测量结果可用于焊接功率的调整，实现熔深测量与焊接自适应质量控制的闭环反馈控制。OCT熔深监测系统以光谱域（SD-OCT）为基础，如图1所示为典型OCT系统的原理图： 

图1  SD-OCT系统测量熔深原理图

二、       测量案例

（1）       实时二维扫描高精度测孔深

如图2为五个不同深度焊接熔孔模拟样品的OCT二维扫描图，该OCT系统的横向和纵向分辨率均能达到约4μm，A-Scan成像速度为250kHz，意味着能对熔孔进行快速高精度的定量测量，表1展示了图2中五个孔的深度及直径数据。得益于鉴知的OCT光谱仪具有硬件波数线性的特性，图2中的图像均为原始光谱信号直接快速傅里叶变换（FFT）的结果，数据处理过程中无需使用波数矫正插值算法，可实现高速实时处理成像。

      A                 B              C                D               E

图2 五个不同焊接熔孔的OCT二维扫描图

表1 不同熔孔深度测量

（2）三维扫描，监测熔孔形态 

如图3是对熔孔B三维扫描后的3D展示图，实现对熔孔形态多方位多角度三维监测。

图3 熔孔三维展示图

上述实验过程中使用的OCT系统为北京鉴知的830nm OCT系统，其中使用了鉴知研发的业内具有硬件波数线性功能的OCT光谱仪ST830E，以下是性能指标：

l                      OCT光谱仪从硬件光路上实现波束线性，线性度=0.9999995，不再需要插值等数值算法进行后处理，大大降低数据处理的难度

l                      OCT光谱仪具有优秀的falloff表现，成像深度＞ 2mm，最深可达12mm（取决于光谱仪光谱范围和中心波长）

l                      高清成像空间分辨率4μm ，信噪比＞110 dB

l                      光学无损检测，原位复原样品的内部三维形态

l                      快速重建三维形态和内部图像，实时二维成像，快速完成三维成像

l                      稳定，便携式系统适合现场操作