前言
隨著激光焊接技術(shù)的深入發(fā)展,特別是近年新能源汽車和動(dòng)力電池制造領(lǐng)域業(yè)務(wù)迅猛增長(zhǎng)，激光焊接過(guò)程中的檢測(cè)問(wèn)題成為人們關(guān)注焦點(diǎn)。由于精細(xì)的焊接工藝不適合人工檢測(cè)，導(dǎo)致了潛在的產(chǎn)品質(zhì)量和安全問(wèn)題。激光焊接OCT在線檢測(cè)系統(tǒng)的面世則迎刃而解燃眉之急。
激光焊接OCT在線檢測(cè)系統(tǒng)LWI-OCT（Laser Welding Inspection - Optical Coherence Tomography）使用光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)（OCT）提供了解決方案。該系統(tǒng)高速掃描焊接處的工件，通過(guò)人工智能算法，實(shí)現(xiàn) 3D 掃描成像，能夠?qū)附舆^(guò)程的匙孔內(nèi)部熔深進(jìn)行微米級(jí)實(shí)時(shí)測(cè)量。先進(jìn)的OTC技術(shù)應(yīng)用到新能源產(chǎn)品質(zhì)檢，受到制造業(yè)青睞。
本文概述激光焊接 OCT在線檢測(cè)系統(tǒng)的需求來(lái)由、功能特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備組成、現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。
激光焊接熔深實(shí)時(shí)檢測(cè)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(wú)極耳高能鋰電池的出現(xiàn)，電池產(chǎn)業(yè)中異種材料焊接技術(shù)得以普及，焊接的難度和安全風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。激光焊接遇到了檢測(cè)的難題。
激光焊接質(zhì)量難以得到保證。 在激光焊接過(guò)程中，一般經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，確定工藝窗口和投入產(chǎn)線使用后，便認(rèn)為在焊接過(guò)程中熔深與熔寬是穩(wěn)定的。但實(shí)際上由于焊接參數(shù)波動(dòng)、保護(hù)氣波動(dòng)、工件變形等因素導(dǎo)致焊接質(zhì)量難以保證。
激光焊接過(guò)程中產(chǎn)生缺陷。焊縫出現(xiàn)不連續(xù)，不致密或連接不良， 缺陷包括虛焊、燒穿、炸點(diǎn)、裂縫、氣泡、飛濺、咬邊等。
傳統(tǒng)熔深檢測(cè)方法具有隨機(jī)性。通常采用切金相方法檢驗(yàn)，但不管橫切豎切，只能看到一個(gè)界面，無(wú)法代表熔深總體情況。
非直接測(cè)量方法無(wú)法得到熔深直接數(shù)據(jù)。通過(guò)焊接過(guò)程的信號(hào)監(jiān)測(cè)，例如多波段光輻射強(qiáng)度、光學(xué)圖像和聲波等間接測(cè)量信號(hào)，都無(wú)法得到熔深值，且測(cè)量效果容易受焊接過(guò)程工藝參數(shù)、設(shè)備穩(wěn)定性影響。
市場(chǎng)需求對(duì)安全性提出更高要求。 我國(guó)迄今已成為全球最大的工業(yè)激光市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，影響購(gòu)買新能源汽車的因素，除了續(xù)航里程和駕駛感覺(jué)外，安全因素占57%，包括電池本身發(fā)生故障和由外部碰撞引起的電池故障。
因此，對(duì)熔深等數(shù)據(jù)進(jìn)行直接、連續(xù)的觀察，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接內(nèi)部質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是必要的。目前，只有基于 OCT 的檢測(cè)技術(shù)才能直接并精確地測(cè)量熔深，從而直觀地監(jiān)測(cè)焊接質(zhì)量，以滿足工業(yè)領(lǐng)域的迫切需求。
激光焊接OCT在線檢測(cè)系統(tǒng)的功能
激光焊接在線檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量熔深值達(dá)到微米級(jí)精度，而且通過(guò)熔深識(shí)別和解決虛焊、未熔合、未熔透以及焊縫形態(tài)不規(guī)則等缺陷問(wèn)題，能全面監(jiān)控激光焊接過(guò)程。其主要功能如下：
準(zhǔn)確的熔深檢測(cè)功能。通過(guò)光學(xué)相干斷層掃描法（OCT）融合人工智能AI 技術(shù)，探測(cè)光可以進(jìn)入微小的匙孔內(nèi)部，對(duì)熔深進(jìn)行精密測(cè)量，且快速準(zhǔn)確地檢測(cè)焊縫位置、焊縫穿透深度以及焊縫成形輪廓。
實(shí)時(shí)焊縫跟蹤功能。通過(guò)探測(cè)光在工件表面高速掃描，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)復(fù)雜焊縫跟蹤、過(guò)程監(jiān)控、質(zhì)量檢測(cè)。OCT掃描儀主動(dòng)發(fā)射的同軸探測(cè)激光高頻實(shí)時(shí)橫向掃描工件。前置跟蹤掃描區(qū)域與焊接熔池距離僅1mm左右，可應(yīng)用于任何路徑和任何類型的焊縫跟蹤，同時(shí)提供相對(duì)寬的傾斜跟蹤角度，無(wú)需任何重新校正。
焊接報(bào)警推送功能。檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)不良焊接和焊接設(shè)備異常變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)見(jiàn)性報(bào)警，將報(bào)警信息推送至指定移動(dòng)終端。同時(shí)可對(duì)焊接故障進(jìn)行在線自動(dòng)校正，從而降低廢品率、測(cè)試成本和返工率。
閉環(huán)控制功能?；谌凵畹群附訁?shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)焊接熔深和焊接路徑形成閉環(huán)控制，進(jìn)行即時(shí)調(diào)整優(yōu)化。實(shí)時(shí)熔深測(cè)量配合在線激光功率調(diào)整，讓焊縫深度始終如一。實(shí)時(shí)焊縫成形輪廓測(cè)量配合質(zhì)量檢測(cè)算法，對(duì)咬邊、焊穿、氣孔、焊偏、焊縫寬度變化等缺陷進(jìn)行檢測(cè)和反饋，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的全閉環(huán)控制。
3D掃描成像功能。通過(guò)探測(cè)光高速掃描工件表面，實(shí)現(xiàn)焊縫三維成像。同時(shí)獲取焊縫三維輪廓及熔池深度測(cè)量值，快速準(zhǔn)確地檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
OCT技術(shù)自1991年應(yīng)用于眼科醫(yī)學(xué)檢查視網(wǎng)膜以來(lái)，業(yè)界在理論上從時(shí)域到頻域，再到譜域經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)三十余年的研究。光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)進(jìn)入工業(yè)環(huán)境，應(yīng)用于激光焊接熔深檢測(cè)乃是一種新的探索和實(shí)踐。 激光焊接熔深實(shí)時(shí)檢測(cè)覆蓋跨界領(lǐng)域，包括光學(xué)、金相學(xué)、材料力學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)學(xué)、編程算法、圖像處理、數(shù)理分析方法等多門學(xué)科。
激光焊接OCT在線檢測(cè)系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：
相干光層析成像OCT技術(shù)。 光源(SLD)發(fā)出光經(jīng)過(guò)分光器(splitter)，將光分為測(cè)量光束和參考光束。測(cè)量光隨著光纖到達(dá)反射鏡，兩個(gè)略成角度的反射鏡將測(cè)量光切分成匙孔測(cè)量光束(keyhole sub-beam)和表面測(cè)量光束(surface sub-beam)。測(cè)量光到達(dá)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(fā)生干涉，輸出干涉信號(hào)。圖1為多波長(zhǎng)干涉示意圖。對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），即可得出測(cè)量臂相對(duì)參考臂的深度信息，即熔深信號(hào)。
快速傅里葉變換技術(shù)FFT（fast Fourier transform）。FFT是從頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域的頻率分析方法，是數(shù)字信號(hào)處理方法的基礎(chǔ)，離散化處理DFT高效的計(jì)算方法。FFT可用以進(jìn)行連續(xù)信號(hào)的頻譜分析，把長(zhǎng)序列變?yōu)槎绦蛄?。焊接的缺陷以是否超出熔深為?biāo)準(zhǔn)，從轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的時(shí)域信號(hào)即可得出。
圖像處理中值濾波技術(shù)。中值濾波是一種非線性平滑技術(shù)，基于排序統(tǒng)計(jì)理論有效抑制噪聲的非線性信號(hào)處理技術(shù)。它將每一像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)某鄰域窗口內(nèi)的所有像素點(diǎn)灰度值的中值，讓周圍的像素值接近真實(shí)值。焊接過(guò)程因受金屬蒸汽、飛濺等產(chǎn)生干擾，必須消除孤立的噪聲點(diǎn)，方能提取超過(guò)閾值的熔深測(cè)量信號(hào)，從而令OCT系統(tǒng)采集的圖像與工件實(shí)物解剖圖相比較趨于一致。
自動(dòng)控制閉環(huán)跟蹤技術(shù)。OCT內(nèi)置長(zhǎng)度調(diào)制器，通過(guò)掃描儀集成遠(yuǎn)程焊接系統(tǒng)的可變聚焦，確定工件表面上每個(gè)單點(diǎn)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(chǎn)生的影響。
3D掃描成像技術(shù)。焊縫前、中、后區(qū)域，用OCT傳感器同時(shí)獲取焊縫路徑、焊縫三維輪廓及熔池深度測(cè)量值。高分辨率深度測(cè)量和多維可視化，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地檢測(cè)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(shù)。 該系統(tǒng)可以搭載準(zhǔn)直焊接頭和振鏡焊接頭。振鏡系統(tǒng)是由伺服控制板與擺動(dòng)電機(jī)組成的高精度伺服控制系統(tǒng)。整個(gè)過(guò)程采用閉環(huán)反饋控制，由位置傳感器、誤差放大器、功率放大器、位置區(qū)分器、電流積分器等五個(gè)控制電路組成。當(dāng)輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，擺動(dòng)電機(jī)就會(huì)按一定電壓與角度的轉(zhuǎn)換比例擺動(dòng)一定角度。探測(cè)光束與焊接激光光束保持同軸。只有保持同軸對(duì)中，才能保證無(wú)論焊接方向如何，都能確認(rèn)焊縫位置坐標(biāo)及熔池深度的測(cè)量。
圖1 多波長(zhǎng)光干涉示意圖
激光焊接OCT在線檢測(cè)系統(tǒng)的組成
激光焊接OCT在線檢測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示。在OCT傳感器中，來(lái)自光源的光束被分成參考光路和測(cè)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(shí)現(xiàn)高達(dá)微米級(jí)精度的測(cè)量。通過(guò)將譜域OCT系統(tǒng)與激光焊接系統(tǒng)的結(jié)合，可以在焊接過(guò)程中，無(wú)接觸、在線對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
將OCT測(cè)量值與實(shí)際焊接熔深進(jìn)行比較，驗(yàn)證了OCT技術(shù)對(duì)激光焊接熔深的測(cè)量是可行的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熔深擬合曲線與熔深金相圖片比較，測(cè)量平均精度可達(dá)幾十微米量級(jí)。
圖2 激光焊接OCT在線檢測(cè)系統(tǒng)組成示意圖（該圖片由廣東省焊接工程技術(shù)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(shè)備可適配固定式焊接頭和振鏡焊接設(shè)備。對(duì)于電池行業(yè)的應(yīng)用，電池轉(zhuǎn)接片的焊接有鋁和銅異種材料，可測(cè)量焊接處的熔深。如電池極耳焊接，可實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)時(shí)檢測(cè)整條焊縫熔深，識(shí)別虛焊、過(guò)燒等缺陷。
激光焊接OCT在線檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的意義
終結(jié)國(guó)外壟斷，攻克卡脖子技術(shù)。當(dāng)前國(guó)外主導(dǎo)了基于 OCT 的激光焊接檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)口檢測(cè)設(shè)備售價(jià)百萬(wàn)元人民幣，并且設(shè)備兼容性受限，難以適配業(yè)內(nèi)普遍使用的國(guó)產(chǎn)焊接設(shè)備，導(dǎo)致客戶需要額外購(gòu)買昂貴的進(jìn)口焊接頭或振鏡系統(tǒng)。這意味著不但需要購(gòu)買國(guó)外的檢測(cè)設(shè)備，還無(wú)奈要搭上進(jìn)口焊接設(shè)備。
實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，關(guān)鍵部件國(guó)產(chǎn)化。高端設(shè)備需與用戶密切配合，量身定制開(kāi)發(fā)出先進(jìn)實(shí)用的算法。本地化的團(tuán)隊(duì)與生產(chǎn)一線磨合調(diào)試優(yōu)化，測(cè)量效果往往可超越國(guó)外同類產(chǎn)品。這是國(guó)外廠商難以做到的。
促進(jìn)汽車和新能源行業(yè)發(fā)展，提高競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)內(nèi)企業(yè)現(xiàn)多數(shù)使用屬于間接測(cè)量的光電檢測(cè)方法，背后的原因主要是為了規(guī)避由于缺乏有效檢測(cè)而帶來(lái)的潛在訴訟風(fēng)險(xiǎn)，但這種方法無(wú)法測(cè)量熔深。取而代之，采用先進(jìn)可行的OCT直接測(cè)量法無(wú)疑可提高產(chǎn)品的安全性以及耐用度。
激光焊接OCT在線檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍
廣州正田科技有限公司研發(fā)的激光焊接OCT在線檢測(cè)系統(tǒng) LWI-OCT屬國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)，代表中國(guó)在先進(jìn)制造領(lǐng)域的突破。激光焊接在線檢測(cè)擁有龐大的工業(yè)需求，適用于各種激光焊接場(chǎng)景，在汽車制造、動(dòng)力電池、儲(chǔ)能設(shè)備、航空航天、精密電子設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)，特別是在新能源電池和精密電子設(shè)備領(lǐng)域有著重要用途，可顯著提高工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。
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