OCT檢測激光焊接熔深和幾何形狀

激光焊接作為一種高效精密的加工方法,在汽車制造、電子加工等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。焊縫熔深及形態(tài)是評價焊接質(zhì)量的關(guān)鍵指標，若焊縫熔深不足，焊接強度難以滿足要求；若焊縫熔深過大，會形成過硬的熔池，易產(chǎn)生熱裂紋、氣孔等焊縫缺陷，從而嚴重影響焊接質(zhì)量。

現(xiàn)有技術(shù)主要是通過監(jiān)測焊接過程中產(chǎn)生的不同信號來間接獲取熔深信息，如多波段光輻射強度、光學(xué)圖像和聲波等信號。通過采集這些信號對焊縫熔深建立模型，確定不同特征信號和熔深的關(guān)系，可以間接反映熔深信息。但是，這些方法并不是對熔深的直接測量，容易受焊接過程工藝參數(shù)、設(shè)備穩(wěn)定性的影響，在連續(xù)監(jiān)測的情況下無法獲取熔深信息，也無法保證熔深精度。

基于光學(xué)相干層析成像（OCT）的激光焊接熔深監(jiān)測方法可直接測量熔池孔的深度。該方法不僅能對深度方向進行實時二維成像，還能通過三維掃描對整個熔孔進行三維成像，從而實現(xiàn)快速實時的在線質(zhì)量監(jiān)測。

一、       測量原理

OCT采用低相干干涉精密測距原理，不受焊接過程熔孔產(chǎn)生的電磁輻射所干擾，滿足連續(xù)監(jiān)測情況下的高測量精度要求，實時獲取得到的測量結(jié)果可用于焊接功率的調(diào)整，實現(xiàn)熔深測量與焊接自適應(yīng)質(zhì)量控制的閉環(huán)反饋控制。OCT熔深監(jiān)測系統(tǒng)以光譜域（SD-OCT）為基礎(chǔ)，如圖1所示為典型OCT系統(tǒng)的原理圖： 

圖1  SD-OCT系統(tǒng)測量熔深原理圖

二、       測量案例

（1）       實時二維掃描高精度測孔深

如圖2為五個不同深度焊接熔孔模擬樣品的OCT二維掃描圖，該OCT系統(tǒng)的橫向和縱向分辨率均能達到約4μm，A-Scan成像速度為250kHz，意味著能對熔孔進行快速高精度的定量測量，表1展示了圖2中五個孔的深度及直徑數(shù)據(jù)。得益于鑒知的OCT光譜儀具有硬件波數(shù)線性的特性，圖2中的圖像均為原始光譜信號直接快速傅里葉變換（FFT）的結(jié)果，數(shù)據(jù)處理過程中無需使用波數(shù)矯正插值算法，可實現(xiàn)高速實時處理成像。

      A                 B              C                D               E

圖2 五個不同焊接熔孔的OCT二維掃描圖

表1 不同熔孔深度測量

（2）三維掃描，監(jiān)測熔孔形態(tài) 

如圖3是對熔孔B三維掃描后的3D展示圖，實現(xiàn)對熔孔形態(tài)多方位多角度三維監(jiān)測。

圖3 熔孔三維展示圖

上述實驗過程中使用的OCT系統(tǒng)為北京鑒知的830nm OCT系統(tǒng)，其中使用了鑒知研發(fā)的業(yè)內(nèi)具有硬件波數(shù)線性功能的OCT光譜儀ST830E，以下是性能指標：

l                      OCT光譜儀從硬件光路上實現(xiàn)波束線性，線性度=0.9999995，不再需要插值等數(shù)值算法進行后處理，大大降低數(shù)據(jù)處理的難度

l                      OCT光譜儀具有優(yōu)秀的falloff表現(xiàn)，成像深度＞ 2mm，最深可達12mm（取決于光譜儀光譜范圍和中心波長）

l                      高清成像空間分辨率4μm ，信噪比＞110 dB

l                      光學(xué)無損檢測，原位復(fù)原樣品的內(nèi)部三維形態(tài)

l                      快速重建三維形態(tài)和內(nèi)部圖像，實時二維成像，快速完成三維成像

l                      穩(wěn)定，便攜式系統(tǒng)適合現(xiàn)場操作