日期： 2023年10月12日

作者： 费宗莲

激光焊接技术在储能电池和新能源汽车制造领域得到广泛应用。然而焊接质检问题一直是业界面临的挑战。 

激光焊接OCT在线检测设备LWI-OCT（Laser Welding Inspection - Optical Coherence Tomography）战胜挑战，破冰而出，提供了非接触式、自动化、高精度熔深测量解决方案，代表着中国在先进制造领域的突破。 

本文概述激光焊接 OCT在线检测系统的核心技术、功能特点、结构组成、应用前景。

一、 LWI-OCT系统的核心技术

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源，迅速将材料加热至熔化状态， 进而形成匙孔和匙池，实现同种或异种材料连接的一种高效精密焊接方法。在动力电池和电子设备生产中，激光焊接技术是关键环节。对焊接熔深等数据进行直接、连续的观察和监测是十分必要的，也是当前高端工业制造业的迫切需求。

激光焊接OCT在线检测系统称为LWI-OCT（Laser Welding Inspection - Optical Coherence Tomography），采用光学相干断层扫描（OCT）为核心技术，解决了困扰多年的安全性质检难题。 OCT技术应用于在线熔深测量是目前确保激光焊接质量唯一的直接测量方法和最佳选择。

相干光层析成像OCT技术利用光源(SLD)发出光，经过分光器将光分为测量光束和参考光束。测量光随着光纤到达反射镜，两个略成角度的反射镜将测量光切分成匙孔测量光束(keyhole sub-beam)和表面测量光束(surface sub-beam)。测量光到达匙孔底部和工件表面后形成反射，两反射光与参考臂的反射光发生干涉，输出干涉信号。经过谱域到时域的信号转换计算，即得到熔深信号。图1表示多光波干涉光谱和转换至熔深信号示意图。

   图1.光学OCT技术应用于熔深测量原理示意图【1】

图像处理采用中值滤波技术，经过非线性平滑，令OCT系统采集的图像与工件实物解剖图相比较趋于一致。

自动控制闭环跟踪技术，通过扫描仪集成远程焊接系统的可变聚焦，确定工件表面上每个单点的距离不受由扫描镜头的倾斜或聚焦距离的变化而产生的影响。

3D扫描成像技术，对焊缝前、中、后区域多维可视化，同时快速获取焊缝位置、路径、焊缝三维轮廓及熔池深度测量值。

二、LWI-OCT系统的功能特点

基于 OCT 技术的检测不仅可实时测量熔深值达到微米级精度，而且通过熔深识别解决虚焊、未熔合、未熔透以及焊缝形态不规则等缺陷问题，并对咬边、焊穿、气孔、焊偏、焊缝宽度变化等现象进行检测，从而降低废品率、测试成本和返工率。

OCT扫描仪主动发射的同轴探测激光高频横向扫描工件。通过探测光在工件表面高速扫描，跟踪焊缝，实现精准复杂焊缝检测。检测设备与焊接设备联动，能够实现闭环控制，实时测量熔深以配合调整在线激光功率，并调整焊接路径，全面监控激光焊接过程，即时优化，令焊缝宽度深度精准达标。

通过探测光高速扫描工件表面，实现焊缝三维成像。同时获取焊缝三维轮廓及熔池深度测量值，准确地检测焊缝位置、熔池深度以及焊缝成形轮廓，确保激光光斑始终作用在焊缝中心位置。

检测系统对不良焊接和焊接设备异常变化趋势进行预见性报警，将报警信息推送至指定控制中心和远程移动终端， 维护系统正常运作状态。

图2表示激光焊接在线检测工作过程中检测光深入匙孔和熔池测量熔深的状态。

图2 激光焊接在线检测工作过程示意图

三、LWI-OCT系统的组成

激光焊接 OCT在线检测设备主要由超辐射发光管、光纤耦合器、测量臂、参考臂和光谱仪等组成。

OCT扫描光束以高速率扫描工件表面，一次扫描周期直接覆盖焊缝表面、熔池和焊后焊缝。设备可适配固定式焊接头和振镜焊接设备。

实验结果表明，熔深拟合曲线与熔深金相图片比较，测量平均精度可达几十微米量级，满足如储能电池、手机等精密制造业规范要求。

OCT进入工业制造环境，成功应用于激光焊接熔深实时检测，是一种大胆的探索和深入生产一线实践的结果，更是多交叉学科综合研究的集成，其涉及到光学、金相学、材料力学、电子学、自动控制、计算机学、编程算法、图像识别处理、信息处理技术、数理分析方法等。

传统的熔深光电检测方法具有随机性。在焊接过程中受焊接参数波动、保护气波动、工件变形等因素影响，焊缝会出现不连续、不致密或连接不良缺陷，导致焊接质检稳定性难以保证。人工采用切金相方法检验，无法观察熔深整体情况。也无法得到熔深直接数据。

激光焊接OCT在线检测系统攻克了国外卡脖子技术，终结了国外对OCT的主导与垄断。国产设备量身定制，更适合与国产机器人焊接机适配兼容，以提高生产效率和安全性， 降低生产成本。

四、LWI-OCT系统的应用前景

广州正田科技有限公司自主研制的激光焊接OCT在线检测系统属国内首创，国际领先技术。应用领域可覆盖汽车船泊制造、储能设备、航空航天、精密电子设备、医疗设备等行业。当前，国内激光焊接设备年销售量达三十万台，并保持高速增长势态，市场对产品安全性提出了更高要求。 这项硬科技的产品化正顺应市场需求，获得激光加工行业高度认可。

参考附件：

【1】该图片由广东省焊接工程技术研究中心提供。