光學(xué)掃描技術(shù)在激光焊熔中的應(yīng)用范文

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摘要：應(yīng)用光學(xué)相干斷層掃描（OCT）技術(shù)，使參考光路系統(tǒng)與激光焊光路系統(tǒng)相結(jié)合，通過采集與焊接光路同軸的反射光信號(hào)以及參照系統(tǒng)的反射光信號(hào)干涉圖，可以探測(cè)出激光焊過程中熔池最深處的深度，從而實(shí)現(xiàn)激光焊熔深在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：光學(xué)相干斷層掃描；OCT；激光焊；熔深在線檢測(cè)

序言

激光焊具有非接觸、高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在各行各業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是近年來大功率激光、短波長(zhǎng)激光、連續(xù)式激光等技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，可焊材料的范圍越來越廣，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性越來越高。隨著激光焊技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于焊接過程控制和焊接質(zhì)量檢測(cè)的研究也得到各國(guó)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(zhì)量的傳感信息，建立傳感信號(hào)與焊接質(zhì)量的關(guān)系模型是國(guó)內(nèi)外所關(guān)注的研究熱點(diǎn)。目前，大部分研究針對(duì)激光光束質(zhì)量的控制、激光能量穩(wěn)定性的控制、焊后焊縫外觀檢查等，普遍應(yīng)用的方式是對(duì)焊縫進(jìn)行破壞性抽檢，也有部分研究針對(duì)焊接過程的產(chǎn)生等離子體光強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，從而間接監(jiān)測(cè)焊縫質(zhì)量。對(duì)于焊接產(chǎn)生的熔池深度的實(shí)時(shí)檢測(cè)還鮮有研究。光學(xué)相干斷層掃描（OCT）技術(shù)是20世紀(jì)90年代逐步發(fā)展而成的一種新的三維層析成像技術(shù)，當(dāng)從散射介質(zhì)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(zhǎng)度范圍內(nèi)，發(fā)生干涉，而漫射光子與參考光的光程差大于光源的相干長(zhǎng)度，不能發(fā)生干涉，從而把帶有被測(cè)樣品信息的彈道光子和蛇行光子提取出來，進(jìn)行成像，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)材料內(nèi)部高分辨率的非侵入層析測(cè)量［1-2］。目前，OCT技術(shù)主要應(yīng)用于眼科、牙科、病理分析等臨床醫(yī)學(xué)檢測(cè)，在工業(yè)方面的應(yīng)用還比較少。

1檢測(cè)原理分析

激光焊按照工藝應(yīng)用不同及焊接方式不同，一般可分為傳導(dǎo)焊和深熔焊兩大類，其中傳導(dǎo)焊接一般使用遠(yuǎn)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(yīng)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(gè)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(jié)合面的深度，熔池內(nèi)部全是熔融的金屬液體，隨著激光光束移動(dòng)，熔池迅速冷卻成焊縫［3-4］。如圖1所示。光學(xué)相干斷層掃描（OCT）技術(shù)基于Michelson的干涉度量學(xué)，其用于檢測(cè)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(shí)作用在被焊材料 上，另一束光進(jìn)入?yún)⒄障到y(tǒng)，被參考光反射鏡反射回來。參考光的光斑直徑遠(yuǎn)小于加工激光，使得參考光可以直接穿透焊接熔池（液態(tài)金屬）射入熔池底部（固態(tài)金屬）。參照系統(tǒng)內(nèi)部通過調(diào)節(jié)參考光反射鏡到分光鏡的距離，使得參考光通過參照系統(tǒng)返回的光與從焊接熔池底部反射回來的反射光疊加，當(dāng)2個(gè)光路的光程差與光源的相干波長(zhǎng)相匹配時(shí)就會(huì)發(fā)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(shí)際光程差［5］，從而可以實(shí)時(shí)檢測(cè)焊接熔池的深度。其檢測(cè)原理如圖2所示。通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)OCT傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波、分析，并與加工激光的焊接軌跡相結(jié)合，形成焊接軌跡上的熔深反射點(diǎn)陣，可以得到整個(gè)焊縫的實(shí)際熔深數(shù)據(jù)。

2試驗(yàn)平臺(tái)搭建

為驗(yàn)證光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)在激光焊中的檢測(cè)效果，搭建試驗(yàn)平臺(tái)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(cè)光由830nm近紅外固體激光器發(fā)出，OCT傳感器采用德國(guó)萊斯穆勒。焊接工藝參數(shù)：焊接功率為3kW，焊接速度為100mm/s，焊接長(zhǎng)度為10mm，焊接熔深約3mm。每個(gè)樣件焊接后沿焊縫切開，用金相砂紙打磨并經(jīng)過強(qiáng)酸腐蝕后，可以觀測(cè)實(shí)際熔深。通過計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)采集OCT傳感器得到的熔深數(shù)據(jù)，并與實(shí)際熔深進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證OCT在線檢測(cè)的可行性。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

在上述試驗(yàn)條件下，連續(xù)焊接20個(gè)樣件，并分別沿焊縫切開，試驗(yàn)結(jié)果見表1。焊縫切開后實(shí)際熔深的照片與檢測(cè)的熔深曲線對(duì)比如圖3所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比后看出，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際熔深數(shù)據(jù)吻合度達(dá)到90％以上，可以準(zhǔn)確地反映實(shí)際焊接熔深。

4結(jié)論

激光焊熔深在線檢測(cè)技術(shù)一直是焊接行業(yè)的研究熱點(diǎn)，到目前為止還沒有較好的解決方案。而近幾年興起的光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)（OCT）在醫(yī)療行業(yè)已經(jīng)有較多應(yīng)用，但是在工業(yè)應(yīng)用范圍非常有限。通過分析OCT技術(shù)檢測(cè)激光焊熔池深度的原理，搭建焊接熔深在線檢測(cè)平臺(tái)，并通過實(shí)際焊接試驗(yàn)對(duì)比，證明OCT技術(shù)應(yīng)用于激光焊熔深在線檢測(cè)是可行的，且準(zhǔn)確度達(dá)到90％以上。筆者以后將進(jìn)行更多相關(guān)焊接試驗(yàn)，并將測(cè)試系統(tǒng)固化為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)激光焊熔深在線檢測(cè)系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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

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［5］宋桂菊，任宏武.光學(xué)相干層析成像的實(shí)驗(yàn)研究［J］．光學(xué)學(xué)報(bào)，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(zé)任公司