轻量化工业智造无损检测革新丨OCT实时监测激光焊接熔深

工业机器人
2025-07-16 19:49:49

铜（Cu）和铝（Al）作为两种关键金属材料，凭借优异的导电性、导热性、轻量化特性以及可加工性，广泛应用于新能源汽车、电子设备、航空航天等领域，而在这些应用上，激光焊接在激光加工中占比份额大于50%。

一、激光焊接监测难题

激光焊接质量对于提高产品性能、可靠性、美观度，降低生产成本、符合环保要求、满足高精度加工要求有重要意义。目前，激光焊接监测有以下两大难题：

1.熔池行为复杂：在激光焊接过程中，当激光束聚焦在工件表面，局部加热熔化材料，形成熔池，而熔深指熔池的深度，熔深不足，导致接头强度降低，存在断裂风险；熔深过大会造成材料浪费和工件变形，所以激光焊接熔池的动态行为研究是理解焊接机理、优化工艺参数及控制焊接质量的核心课题。

熔池行为关键研究内容：激光焊接过程中，热动力学占主导作用，所产生的熔池波动等因素易引起气孔、裂纹、凹坑等缺陷，这些缺陷在焊接完成后被金属覆盖。

熔池形态演变是激光功率、焊接速度等多因素协同作用的动态过程，包含形成、扩展、凝固三阶段。熔池深度、宽度等几何参数随时间变化，直接影响焊接接头质量。如激光深熔焊时，熔池形态从轴对称圆形逐渐变为非对称椭圆或不规则形状，其尺寸与激光功率正相关、与焊接速度负相关，精准调控是保障焊接质量的核心。

熔池主要影响因素：

铜铝焊接熔深控制：而对于铜铝激光焊接而言，由于铜的高反射率、高导热性以及铝的低熔点、易汽化特性，熔深难以稳定控制，容易出现熔合不足、气孔、飞溅等问题。尤其突显在新能源电池、电力电子等对连接强度和导电性要求高的领域，控制或者实时监测铜铝焊接熔深可以减少焊接缺陷产生，减少不良品，提高生产效率，对于大批量生产降本需求迫在眉睫。

2.实时全检面临挑战：及时发现缺陷、评估焊接效果可有效提高产品质量，减少成本，而目前激光焊接实时监测仍然面临着很大的技术挑战，包括并不限于监测范围和精度有限、抗干扰能力差、数据处理和分析能力不足、系统稳定性差等。

综上所述，熔池底部的高频动态演变是引发焊接缺陷的直接诱因，其中，熔池底部的下凹深度直接决定焊接熔深尺寸，而焊接熔深与焊接质量均为衡量高质量焊接工艺的核心评价指标。因此，在激光焊接过程中，实现对匙孔状态的实时高速监测，是当前亟待攻克的关键技术难题。

同时，激光打孔目前技术方法也不具备普适性和实时性，同样对于高速准确进行实时深度检测有迫切要求，用于提高激光打孔质量。

二、OCT技术在焊接熔深检测上的优越性

由于激光焊接熔深影响因素多，目前仍无法在激光焊接过程中完全控制熔深，故焊接熔深检测显得尤为重要。传统检测依赖破坏性取样，效率低（单件30分钟以上）、成本高，难以满足现代化生产。光学相干断层扫描（OCT）技术最初应用于眼科无创检查，凭借其高分辨率（微米级）、非接触式和实时成像等特点，近年来在工业无损检测中展现出独特优势。

该技术通过光谱计量仪采集参考光波与测量光波的干涉信号，可精确计算焊缝匙孔深度，实现熔深的实时测量。具有以下优势：

▌抗激光焊接干扰能力强

▌测量稳定性高

▌可建立焊接参数与熔深的精确数学模型

▌为焊接大数据分析系统提供可靠数据基础

焊缝横截面检测能力：铜铝焊接接头需检测焊缝横截面，而OCT技术直接精确提取焊缝匙孔深度，解决了铜铝焊接焊缝横截面的手动取样检测处理工作。实现非接触式实时检测，显著提升生产效率，确保焊接质量稳定性。

解决实时全检难题：OCT技术轴向分辨率可达10~25µm（取决于光源带宽），可精确解析熔池深度和小孔动态；横向分辨率在10~50µm，适合观测熔池表面及亚表面结构；同时现代OCT系统扫描分辨率可达250kHz，满足激光焊接高速过程的需求。

熔池与小孔的动态成像

1、小孔深度监测

OCT检测光与加工光同轴且共焦，直接测量匙孔的实时深度，通过反射信号的光程差计算深度变化，识别焊接熔深。