前言
隨著激光焊接技術的深入發展,特別是近年新能源汽車和動力電池制造領域業務迅猛增長，激光焊接過程中的檢測問題成為人們關注焦點。由于精細的焊接工藝不適合人工檢測，導致了潛在的產品質量和安全問題。激光焊接OCT在線檢測系統的面世則迎刃而解燃眉之急。
激光焊接OCT在線檢測系統LWI-OCT（Laser Welding Inspection - Optical Coherence Tomography）使用光學相干斷層掃描技術（OCT）提供了解決方案。該系統高速掃描焊接處的工件，通過人工智能算法，實現 3D 掃描成像，能夠對焊接過程的匙孔內部熔深進行微米級實時測量。先進的OTC技術應用到新能源產品質檢，受到制造業青睞。
本文概述激光焊接 OCT在線檢測系統的需求來由、功能特點、關鍵技術、設備組成、現實意義和應用前景。
激光焊接熔深實時檢測的必要性
激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。隨著無極耳高能鋰電池的出現，電池產業中異種材料焊接技術得以普及，焊接的難度和安全風險也隨之增加。激光焊接遇到了檢測的難題。
激光焊接質量難以得到保證。 在激光焊接過程中，一般經過驗證，確定工藝窗口和投入產線使用后，便認為在焊接過程中熔深與熔寬是穩定的。但實際上由于焊接參數波動、保護氣波動、工件變形等因素導致焊接質量難以保證。
激光焊接過程中產生缺陷。焊縫出現不連續，不致密或連接不良， 缺陷包括虛焊、燒穿、炸點、裂縫、氣泡、飛濺、咬邊等。
傳統熔深檢測方法具有隨機性。通常采用切金相方法檢驗，但不管橫切豎切，只能看到一個界面，無法代表熔深總體情況。
非直接測量方法無法得到熔深直接數據。通過焊接過程的信號監測，例如多波段光輻射強度、光學圖像和聲波等間接測量信號，都無法得到熔深值，且測量效果容易受焊接過程工藝參數、設備穩定性影響。
市場需求對安全性提出更高要求。 我國迄今已成為全球最大的工業激光市場。據統計，影響購買新能源汽車的因素，除了續航里程和駕駛感覺外，安全因素占57%，包括電池本身發生故障和由外部碰撞引起的電池故障。
因此，對熔深等數據進行直接、連續的觀察，實現對焊接內部質量的實時監測是必要的。目前，只有基于 OCT 的檢測技術才能直接并精確地測量熔深，從而直觀地監測焊接質量，以滿足工業領域的迫切需求。
激光焊接OCT在線檢測系統的功能
激光焊接在線檢測技術實時測量熔深值達到微米級精度，而且通過熔深識別和解決虛焊、未熔合、未熔透以及焊縫形態不規則等缺陷問題，能全面監控激光焊接過程。其主要功能如下：
準確的熔深檢測功能。通過光學相干斷層掃描法（OCT）融合人工智能AI 技術，探測光可以進入微小的匙孔內部，對熔深進行精密測量，且快速準確地檢測焊縫位置、焊縫穿透深度以及焊縫成形輪廓。
實時焊縫跟蹤功能。通過探測光在工件表面高速掃描，實現精準復雜焊縫跟蹤、過程監控、質量檢測。OCT掃描儀主動發射的同軸探測激光高頻實時橫向掃描工件。前置跟蹤掃描區域與焊接熔池距離僅1mm左右，可應用于任何路徑和任何類型的焊縫跟蹤，同時提供相對寬的傾斜跟蹤角度，無需任何重新校正。
焊接報警推送功能。檢測系統對不良焊接和焊接設備異常變化趨勢進行預見性報警，將報警信息推送至指定移動終端。同時可對焊接故障進行在線自動校正，從而降低廢品率、測試成本和返工率。
閉環控制功能。基于熔深等焊接參數的實時監測，對焊接熔深和焊接路徑形成閉環控制，進行即時調整優化。實時熔深測量配合在線激光功率調整，讓焊縫深度始終如一。實時焊縫成形輪廓測量配合質量檢測算法，對咬邊、焊穿、氣孔、焊偏、焊縫寬度變化等缺陷進行檢測和反饋，實現焊接過程的全閉環控制。
3D掃描成像功能。通過探測光高速掃描工件表面，實現焊縫三維成像。同時獲取焊縫三維輪廓及熔池深度測量值，快速準確地檢測焊縫位置、熔池深度以及焊縫成形輪廓，確保激光光斑始終作用在焊縫中心位置。
激光焊接OCT在線檢測系統的關鍵技術
OCT技術自1991年應用于眼科醫學檢查視網膜以來，業界在理論上從時域到頻域，再到譜域經過長達三十余年的研究。光學相干斷層掃描技術進入工業環境，應用于激光焊接熔深檢測乃是一種新的探索和實踐。 激光焊接熔深實時檢測覆蓋跨界領域，包括光學、金相學、材料力學、電子學、自動控制、計算機學、編程算法、圖像處理、數理分析方法等多門學科。
激光焊接OCT在線檢測系統涉及的關鍵技術有：
相干光層析成像OCT技術。 光源(SLD)發出光經過分光器(splitter)，將光分為測量光束和參考光束。測量光隨著光纖到達反射鏡，兩個略成角度的反射鏡將測量光切分成匙孔測量光束(keyhole sub-beam)和表面測量光束(surface sub-beam)。測量光到達匙孔底部和工件表面后形成反射，兩反射光與參考臂的反射光發生干涉，輸出干涉信號。圖1為多波長干涉示意圖。對干涉信號進行快速傅里葉變換（FFT），即可得出測量臂相對參考臂的深度信息，即熔深信號。
快速傅里葉變換技術FFT（fast Fourier transform）。FFT是從頻域信號轉換到時域的頻率分析方法，是數字信號處理方法的基礎，離散化處理DFT高效的計算方法。FFT可用以進行連續信號的頻譜分析，把長序列變為短序列。焊接的缺陷以是否超出熔深為標準，從轉換產生的時域信號即可得出。
圖像處理中值濾波技術。中值濾波是一種非線性平滑技術，基于排序統計理論有效抑制噪聲的非線性信號處理技術。它將每一像素點的灰度值設置為該點某鄰域窗口內的所有像素點灰度值的中值，讓周圍的像素值接近真實值。焊接過程因受金屬蒸汽、飛濺等產生干擾，必須消除孤立的噪聲點，方能提取超過閾值的熔深測量信號，從而令OCT系統采集的圖像與工件實物解剖圖相比較趨于一致。
自動控制閉環跟蹤技術。OCT內置長度調制器，通過掃描儀集成遠程焊接系統的可變聚焦，確定工件表面上每個單點的距離，不受由掃描鏡頭的傾斜或聚焦距離的變化而引起聚焦變化產生的影響。
3D掃描成像技術。焊縫前、中、后區域，用OCT傳感器同時獲取焊縫路徑、焊縫三維輪廓及熔池深度測量值。高分辨率深度測量和多維可視化，實現快速準確地檢測到焊縫位置、焊縫深度和焊縫成形輪廓等信息。
振鏡同軸光路技術。 該系統可以搭載準直焊接頭和振鏡焊接頭。振鏡系統是由伺服控制板與擺動電機組成的高精度伺服控制系統。整個過程采用閉環反饋控制，由位置傳感器、誤差放大器、功率放大器、位置區分器、電流積分器等五個控制電路組成。當輸入驅動信號時，擺動電機就會按一定電壓與角度的轉換比例擺動一定角度。探測光束與焊接激光光束保持同軸。只有保持同軸對中，才能保證無論焊接方向如何，都能確認焊縫位置坐標及熔池深度的測量。
圖1 多波長光干涉示意圖
激光焊接OCT在線檢測系統的組成
激光焊接OCT在線檢測系統組成結構和工作原理如圖2所示。在OCT傳感器中，來自光源的光束被分成參考光路和測量光路。分離的光束在參考反射器處和加工表面處反射，重新組合并由光譜儀處理，實現高達微米級精度的測量。通過將譜域OCT系統與激光焊接系統的結合，可以在焊接過程中，無接觸、在線對焊縫質量進行監測。
將OCT測量值與實際焊接熔深進行比較，驗證了OCT技術對激光焊接熔深的測量是可行的。實驗結果表明，熔深擬合曲線與熔深金相圖片比較，測量平均精度可達幾十微米量級。
圖2 激光焊接OCT在線檢測系統組成示意圖（該圖片由廣東省焊接工程技術研究中心提供）
OCT掃描光束以高速率掃描工件表面，一次掃描周期直接覆蓋焊縫表面、熔池和焊后焊縫。設備可適配固定式焊接頭和振鏡焊接設備。對于電池行業的應用，電池轉接片的焊接有鋁和銅異種材料，可測量焊接處的熔深。如電池極耳焊接，可實時檢測整條焊縫熔深，超出熔深范圍即判定該焊縫為不合格。又如匯流排焊接，可實時檢測整條焊縫熔深，識別虛焊、過燒等缺陷。
激光焊接OCT在線檢測系統應用的意義
終結國外壟斷，攻克卡脖子技術。當前國外主導了基于 OCT 的激光焊接檢測技術，進口檢測設備售價百萬元人民幣，并且設備兼容性受限，難以適配業內普遍使用的國產焊接設備，導致客戶需要額外購買昂貴的進口焊接頭或振鏡系統。這意味著不但需要購買國外的檢測設備，還無奈要搭上進口焊接設備。
實現產品化，關鍵部件國產化。高端設備需與用戶密切配合，量身定制開發出先進實用的算法。本地化的團隊與生產一線磨合調試優化，測量效果往往可超越國外同類產品。這是國外廠商難以做到的。
促進汽車和新能源行業發展，提高競爭力。國內企業現多數使用屬于間接測量的光電檢測方法，背后的原因主要是為了規避由于缺乏有效檢測而帶來的潛在訴訟風險，但這種方法無法測量熔深。取而代之，采用先進可行的OCT直接測量法無疑可提高產品的安全性以及耐用度。
激光焊接OCT在線檢測系統的應用范圍
廣州正田科技有限公司研發的激光焊接OCT在線檢測系統 LWI-OCT屬國際領先技術，代表中國在先進制造領域的突破。激光焊接在線檢測擁有龐大的工業需求，適用于各種激光焊接場景，在汽車制造、動力電池、儲能設備、航空航天、精密電子設備、醫療設備等行業，特別是在新能源電池和精密電子設備領域有著重要用途，可顯著提高工業產品的生產效率和質量。
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