光學掃描技術在激光焊熔中的應用范文

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摘要：應用光學相干斷層掃描（OCT）技術，使參考光路系統與激光焊光路系統相結合，通過采集與焊接光路同軸的反射光信號以及參照系統的反射光信號干涉圖，可以探測出激光焊過程中熔池最深處的深度，從而實現激光焊熔深在線實時檢測。

關鍵詞：光學相干斷層掃描；OCT；激光焊；熔深在線檢測

序言

激光焊具有非接觸、高精度、高效率等優點，已經在各行各業得到越來越廣泛的應用，尤其是近年來大功率激光、短波長激光、連續式激光等技術的發展突飛猛進，可焊材料的范圍越來越廣，焊接質量穩定性越來越高。隨著激光焊技術的應用，對于焊接過程控制和焊接質量檢測的研究也得到各國研究人員的重視。近年來，如何獲取精確、可靠反映焊接過程和焊接質量的傳感信息，建立傳感信號與焊接質量的關系模型是國內外所關注的研究熱點。目前，大部分研究針對激光光束質量的控制、激光能量穩定性的控制、焊后焊縫外觀檢查等，普遍應用的方式是對焊縫進行破壞性抽檢，也有部分研究針對焊接過程的產生等離子體光強度信號進行監控，從而間接監測焊縫質量。對于焊接產生的熔池深度的實時檢測還鮮有研究。光學相干斷層掃描（OCT）技術是20世紀90年代逐步發展而成的一種新的三維層析成像技術，當從散射介質中返回的彈道光子和蛇行光子與參考光的光程差在光源的相干長度范圍內，發生干涉，而漫射光子與參考光的光程差大于光源的相干長度，不能發生干涉，從而把帶有被測樣品信息的彈道光子和蛇行光子提取出來，進行成像，它可以實現對被檢測材料內部高分辨率的非侵入層析測量［1-2］。目前，OCT技術主要應用于眼科、牙科、病理分析等臨床醫學檢測，在工業方面的應用還比較少。

1檢測原理分析

激光焊按照工藝應用不同及焊接方式不同，一般可分為傳導焊和深熔焊兩大類，其中傳導焊接一般使用遠離焦，用于薄壁搭接焊或拼焊，深熔焊一般使用近離焦，用于厚板拼焊或穿透焊。應用較廣泛的是深熔焊方式，也叫鑰匙孔焊接，其主要原理是激光光束作用在被焊材料或焊縫表面，使材料熔化后形成一個焊接熔池，熔池的口部即焊接材料的表面稱為鑰匙孔，熔池的深度就是焊接后形成的焊縫結合面的深度，熔池內部全是熔融的金屬液體，隨著激光光束移動，熔池迅速冷卻成焊縫［3-4］。如圖1所示。光學相干斷層掃描（OCT）技術基于Michelson的干涉度量學，其用于檢測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紅外激光作為參考光，該參考光通過分光鏡被分為兩束，一束光通過光路耦合與加工激光同軸同時作用在被焊材料 上，另一束光進入參照系統，被參考光反射鏡反射回來。參考光的光斑直徑遠小于加工激光，使得參考光可以直接穿透焊接熔池（液態金屬）射入熔池底部（固態金屬）。參照系統內部通過調節參考光反射鏡到分光鏡的距離，使得參考光通過參照系統返回的光與從焊接熔池底部反射回來的反射光疊加，當2個光路的光程差與光源的相干波長相匹配時就會發生干涉，再通過OCT傳感器捕捉并分析參考光與反射光形成的干涉光譜圖，利用干涉原理分析得到兩束光的實際光程差［5］，從而可以實時檢測焊接熔池的深度。其檢測原理如圖2所示。通過計算機軟件對OCT傳感器采集到的信號進行濾波、分析，并與加工激光的焊接軌跡相結合，形成焊接軌跡上的熔深反射點陣，可以得到整個焊縫的實際熔深數據。

2試驗平臺搭建

為驗證光學相干斷層掃描技術在激光焊中的檢測效果，搭建試驗平臺如下：加工激光器選用通快4000W碟片式激光，使用200μm芯徑多模光纖。被加工件是將2．5mm厚的鋁板穿透焊接至7mm厚的鋁板上。檢測光由830nm近紅外固體激光器發出，OCT傳感器采用德國萊斯穆勒。焊接工藝參數：焊接功率為3kW，焊接速度為100mm/s，焊接長度為10mm，焊接熔深約3mm。每個樣件焊接后沿焊縫切開，用金相砂紙打磨并經過強酸腐蝕后，可以觀測實際熔深。通過計算機軟件系統采集OCT傳感器得到的熔深數據，并與實際熔深進行比較，從而驗證OCT在線檢測的可行性。

3試驗結果分析

在上述試驗條件下，連續焊接20個樣件，并分別沿焊縫切開，試驗結果見表1。焊縫切開后實際熔深的照片與檢測的熔深曲線對比如圖3所示。試驗數據與實測數據對比后看出，測試結果與實際熔深數據吻合度達到90％以上，可以準確地反映實際焊接熔深。

4結論

激光焊熔深在線檢測技術一直是焊接行業的研究熱點，到目前為止還沒有較好的解決方案。而近幾年興起的光學相干斷層掃描技術（OCT）在醫療行業已經有較多應用，但是在工業應用范圍非常有限。通過分析OCT技術檢測激光焊熔池深度的原理，搭建焊接熔深在線檢測平臺，并通過實際焊接試驗對比，證明OCT技術應用于激光焊熔深在線檢測是可行的，且準確度達到90％以上。筆者以后將進行更多相關焊接試驗，并將測試系統固化為標準測試平臺，實現激光焊熔深在線檢測系統的工業化應用。

參考文獻：

［3］李林賀，鄧適．動力電池殼體激光焊接工藝［J］．焊接技術，2013，42（7）：30－32．

［4］秦國梁，林尚揚．激光焊接體能量及其對激光深熔焊縫熔深的影響［J］．焊接學報，2006，27（7）：74－76．

［5］宋桂菊，任宏武.光學相干層析成像的實驗研究［J］．光學學報，2000，20（4）：509－513．

作者：尹東星 曹曉燕 力信 單位：江蘇能源科技有限責任公司