[激光原理与应用-123]：南京科耐激光-激光焊接-焊中检测-智能制程监测系统IPM介绍 - 24 - OCT激光焊接熔池熔深监测方案与设备

眼科检查：OCT是眼科领域最常用的检查手段之一，主要用于检查视网膜、黄斑、视乳头等眼部组织的结构和病理变化。通过OCT检查，医生可以清晰地观察到视网膜的层间结构、视网膜和神经纤维层的正常厚度变化等，对于诊断视网膜病变、黄斑水肿、视网膜脱离等疾病具有重要价值。
其他医学领域：虽然OCT在眼科领域的应用最为广泛，但它在其他医学领域也有一定的应用。例如，OCT技术可以用于皮肤科、口腔科等领域，观察皮肤或口腔组织的结构和病理变化。

3、检查类型

眼前节OCT：主要用于观察角膜、虹膜、晶状体等眼前段组织的结构和病理变化。
后节OCT：主要用于观察视网膜、黄斑、视乳头等后眼段组织的结构和病理变化。
全视网膜OCT：可以对整个视网膜进行全面的扫描，获得更全面的视网膜结构和病理信息。

4、注意事项

检查前准备：进行OCT检查前，患者通常不需要进行特殊的准备，但建议保持眼部清洁，避免佩戴隐形眼镜等可能影响检查结果的物品。
检查结果解读：OCT检查结果应由专业医生进行解读，并根据具体情况制定相应的治疗方案。如果检查结果异常，应及时就医并遵医嘱进行治疗。

综上所述，OCT是一种先进的非侵入性光学成像技术，在医学领域具有广泛的应用前景。通过OCT检查，医生可以清晰地观察到生物组织的内部结构和病理变化，为疾病的诊断和治疗提供重要的参考依据。

1.2 激光测距的基本原理

激光测距的基本原理主要基于光的传播速度恒定不变的特性。

以下是激光测距的基本原理的详细阐述：

1、基本原理概述

激光测距是利用激光束测量目标距离的技术。通过测量激光束从发射到接收所需的时间（即激光在空气中的传播时间），并结合光在空气中的传播速度（约为每秒299,792,458米），可以计算出目标物体与测量仪器之间的距离。

2、详细步骤

发射激光束：
- 激光器发射出一束高度聚焦的激光束，通常为红外激光。激光束具有高度的单色性和方向性，能够准确地照射到目标物体上。
照射目标：
- 激光束照射到目标物体上，并被目标物体表面反射或散射。
接收激光束：
- 激光束的一部分被目标物体表面反射或散射后，被接收器接收到。接收器将接收到的激光束转换为电信号，以便后续处理。
计时测量：
- 接收器记录下接收到激光束的时间。这个时间是从激光束发射到被接收器接收的整个过程所需的时间。
距离计算：
- 根据光在空气中的传播速度和接收器记录下的时间，可以计算出激光束在空气中传播的距离。这个距离就是目标物体与测量仪器之间的距离。具体计算公式为：距离 = 速度 × 时间。

3. 激光测距仪的几种方式

根据测量方法和应用场景的不同，激光测距仪的工作原理可以分为以下几种：

相位差测量式：
- 利用激光干涉形成干涉条纹，通过测量干涉条纹的相位差来计算目标物的距离。
直接时间差测量式：
- 利用激光器发射激光脉冲，通过测量激光从发射到返回的时间差来计算目标物的距离。
直接距离测量式：直接时间差
- 使用连续波激光器，通过测量激光从发射到接收的时间，结合激光的速度计算出目标物的距离。
相位交叉测量式：
- 利用激光干涉形成干涉条纹，在其最大亮度（或最小亮度、相位交叉等）时，计算出目标物的距离。
飞行时间测量式：
- 利用激光对目标物进行扫描，记录激光脉冲与物体相交的时间，并计算出目标物的距离。

4、总结

激光测距技术具有高精度、高速度和非接触性的特点，广泛应用于测绘、建筑、工程、军事、机器人等领域。通过测量激光束在空气中的传播时间和速度，可以准确地计算出目标物体与测量仪器之间的距离。

1.3 激光测距仪的测距方式与各自的应用场景

激光测距仪的测距方式主要包括脉冲法和相位法，而根据功能和用途的不同，激光测距仪又可以分为多种类型，每种类型都有其特定的适用范围。

以下是对激光测距仪的几种方式及其各自适用范围的详细分析：

1、测距方式

脉冲法
- 原理：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光脉冲的往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。
- 适用范围：脉冲法激光测距仪通常用于测量较远的距离，如望远镜式激光测距仪，其测量距离一般在600-3000米左右，甚至可达10公里。这类测距仪主要应用于户外中、长距离测量，如野外建筑、环境勘察、建立基站等。
相位法
- 原理：相位式激光测距仪是利用连续激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。
- 适用范围：相位法激光测距仪一般应用于精密测距中，由于其精度高，一般为毫米级，因此常用于需要高精度测量的场合，如工业测控、检查和维护各种机械设备等。

2、激光测距仪类型及适用范围

手持激光测距仪
- 测量距离：一般在200米内。
- 精度：较高，一般2mm左右。
- 适用范围：手持激光测距仪是目前使用范围最广泛的激光测距仪，适用于房屋测量、工程装修施工过程中的测量，以及土木工程、地形、桥梁等领域的测量。在功能上，它除了能测量距离外，一般还能计算测量物体的体积。
望远镜式激光测距仪
- 测量距离：一般在600-3000米左右，也有最大量程为10公里左右的测距望远镜。
- 精度：较低，一般1米左右，但中高端产品精度可达0.3-0.5米。
- 适用范围：主要应用范围为野外长距离测量，如野外建筑、环境勘察、建立基站等。
一维激光测距仪
- 适用范围：主要用于距离测量和定位。
二维激光测距仪
- 适用范围：用于轮廓测量、定位、区域监控等领域。
三维激光测距仪
- 适用范围：用于三维轮廓测量、三维空间定位等领域，广泛应用于地形测量、战场测量以及工业测控等领域。

3、总结

激光测距仪的测距方式和类型多种多样，每种方式和类型都有其特定的适用范围。在选择激光测距仪时，应根据具体的测量需求，如测量范围、测量精度、使用的场合等因素进行综合考虑，以选择最适合的测距仪。

1.4 OCT激光器测距

OCT激光器测距，实际上是结合了光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography, OCT）技术和激光测距技术的特点，但需要注意的是，传统意义上的OCT主要用于生物组织或材料的内部结构成像，并不直接用于测距。然而，在激光焊接、工业检测等领域，OCT技术可以被创新性地应用于高精度距离测量和焊接质量检测中。

1. OCT技术概述

OCT是一种利用光的干涉原理来测量物体内部结构的技术。它通过向被测物体发射光波，并接收由物体内部不同深度层面反射回来的光波，通过计算这些反射光波与参考光波之间的相位差或时间延迟，可以重建出物体内部的结构图像。OCT具有非接触、高分辨率、无损伤等优点，广泛应用于医学、材料科学等领域。

2. OCT激光器测距的应用

在激光焊接和工业检测中，OCT激光器测距主要利用OCT技术的高精度和高分辨率特点，结合激光束的聚焦和扫描功能，实现对焊缝位置、熔深、熔宽等参数的精确测量。

具体应用包括：

焊缝位置测量：
- 在激光焊接过程中，激光束聚焦在焊缝上产生高温区域。OCT系统可以通过测量激光束的回波信号（即反射光波），确定焦点位置和焊缝之间的距离。这种测量方式具有高精度和高稳定性，可以实时监测焊缝位置的变化。
熔深测量：
- 激光焊接在线检测系统（如LWI-OCT）使用OCT技术高速扫描焊接处的工件，通过3D扫描成像实现对焊接过程的匙孔内部熔深进行微米级实时测量。这种技术能够直观地监测焊接质量，及时发现并解决虚焊、未熔合、未熔透以及焊缝形态不规则等缺陷问题。
工件表面轮廓扫描：
- OCT技术还可以用于工件表面轮廓的扫描测量。通过OCT扫描仪主动发射的同轴探测激光高频实时横向扫描工件表面，可以获取高精度的表面形貌数据。这种技术适用于各种复杂工业场景下的工件表面质量检测。

3. 关键技术点

高分辨率：OCT技术具有微米级的纵向和横向空间分辨率，能够实现对微小结构的精确测量。
非接触测量：OCT测量过程中无需与被测物体直接接触，避免了传统测量方法可能引入的误差和损伤。
实时性：OCT激光器测距系统能够实时获取测量数据并进行处理分析，提高了检测效率和准确性。

4. 结论

虽然传统意义上的OCT技术主要用于生物组织或材料的内部结构成像而非直接测距，但在激光焊接和工业检测领域中，通过创新性地应用OCT技术结合激光测距原理，可以实现高精度、高稳定性的焊缝位置、熔深等参数的测量。这种技术的应用有助于提高焊接质量和生产效率，推动制造业的发展。

1.5 OCT与激光焊接熔池熔深监测

OCT（Optical Coherence Tomography，光学相干断层扫描）激光焊接熔池熔深监测是一种高精度、非接触式的焊接质量检测技术，它利用光学相干原理对焊接过程中的熔池深度进行实时测量和监控。以下是对OCT激光焊接熔池熔深监测的详细阐述：

1、技术原理

OCT激光焊接熔池熔深监测技术的基本原理是在加工激光之外增加一束低功率近红外激光作为检测光。这束检测光通过分光镜分为两束：

测量光束：一束光通过光路耦合与加工激光同轴同时作用在被焊材料上，直接打到匙孔（熔池）底部。
参考光束：另一束光则打在焊缝平面，作为测量所参考高度的基准，用于得到匙孔的相对位置。

打到匙孔底部的光束和打到工件表面的光束经过反射回到传感器（光是以波的形式传播）会发生干涉。由于传输距离的不同，测量光波的频率波长和参考波的频率出现相位差。频域OCT对干涉信号的功率谱密度进行逆傅里叶变换处理，即可得到两束光的相位差，进而求解出匙孔（熔池）深度。

2、技术特点

高精度：OCT技术能够实现um微米级精度的熔深测量，满足精密制造业的规范要求。
非接触式测量：避免了传统接触式测量可能引入的误差和损伤，提高了测量的准确性和可靠性。
实时性：能够实时获取焊接过程中的熔深数据，为焊接质量的实时监控提供了可能。
自动化：与焊接设备联动，实现闭环控制，能够自动调整焊接参数以优化焊缝质量。
多维可视化：通过3D扫描成像技术，对焊缝前、中、后区域进行多维可视化，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。

3、应用优势

提高焊接质量：通过实时测量和监控熔深，可以及时发现并解决虚焊、未熔合、未熔透以及焊缝形态不规则等缺陷问题，降低废品率和返工率。
优化生产流程：与焊接设备联动，实现闭环控制，能够自动调整焊接参数以优化焊缝质量，提高生产效率和稳定性。
降低生产成本：非接触式测量避免了传统接触式测量可能引入的损耗和维修成本，同时减少了人工干预和检测时间。
广泛适用性：适用于多种材料和焊接工艺，可覆盖汽车、船舶制造、储能设备、航空航天、精密电子设备、医疗设备等多个行业领域。

4、应用实例

在动力电池和新能源汽车制造领域，激光焊接技术是关键环节之一。激光焊接OCT在线检测设备（如LWI-OCT系统）已经成功应用于这些领域中的焊接质量监测。通过实时测量和监控熔深数据，可以确保焊接质量符合标准要求，提高产品的安全性和可靠性。

5、结论

OCT激光焊接熔池熔深监测技术是一种高精度、非接触式的焊接质量检测技术，具有实时性、自动化和广泛适用性等优势。在动力电池和新能源汽车制造等领域中具有重要的应用价值和发展前景。随着技术的不断进步和应用的不断拓展，OCT激光焊接熔池熔深监测技术将在更多领域中得到广泛应用和推广。

二、激光焊接熔池熔深监测与焊接光谱能量检测的比较

激光焊接熔池熔深监测与焊接光谱能量检测是激光焊接过程中两种重要的监测和检测技术，它们在目的、原理、方法和应用上存在一定差异。以下是对这两种技术的详细比较：

1、目的与意义

激光焊接熔池熔深监测：
- 目的：实时监测焊接过程中熔池的深度变化，确保焊接质量符合标准要求。
- 意义：有助于及时发现焊接过程中的质量问题，如虚焊、未熔合、未熔透等缺陷，从而调整焊接参数，优化焊缝质量。
焊接光谱能量检测：
- 目的：分析焊接过程中光谱能量的分布和变化，评估焊接参数的有效性。
- 意义：通过光谱能量检测，可以了解焊接过程中激光能量的利用情况，为焊接参数的调整和工艺参数的优化提供参考数据，有助于提高焊接效率和稳定性。

2、原理与方法

激光焊接熔池熔深监测：
- 原理：利用光学相干断层扫描（OCT）或类似技术，通过测量反射光的相位差来计算熔池的深度。
- 方法：向焊接区域发射检测光，与加工激光同轴作用在被焊材料上，直接打到熔池底部。反射光与参考光发生干涉，通过测量干涉信号的相位差来求解熔池深度。
焊接光谱能量检测：
- 原理：利用光谱仪等设备测量焊接过程中激光辐射的光谱能量分布，通过分析光谱数据来评估焊接参数的有效性。
- 方法：在焊接过程中，通过光谱仪等设备实时采集焊接区域的光谱数据，利用计算机处理软件对数据进行分析和处理，得到光谱能量的分布和变化信息。

3、应用场景与优势

激光焊接熔池熔深监测：
- 应用场景：广泛应用于汽车制造、航空航天、动力电池等领域，特别是在对焊接质量要求较高的场合。
- 优势：能够实时监测熔池深度变化，确保焊接质量；非接触式测量避免了传统接触式测量可能引入的误差和损伤；具有高精度和高稳定性。
焊接光谱能量检测：
- 应用场景：主要用于焊接工艺的研究和开发阶段，以及焊接过程中的焊接质量的评估和监测。
- 优势：能够全面了解焊接过程中激光能量的利用情况；为焊接参数的调整和工艺参数的优化提供科学依据；具有高效率和非破坏性等优点。

4、总结

激光焊接熔池熔深监测与焊接光谱能量检测在激光焊接过程中都发挥着重要作用。熔池熔深监测更侧重于实时焊接质量的监控和调整，而光谱能量检测则更侧重于焊接参数和工艺参数的优化和评估。两者在原理、方法和应用场景上存在一定差异，但共同为提高激光焊接的质量和效率提供了有力支持。在实际应用中，可以根据具体需求和条件选择合适的技术进行监测和检测。

三、激光焊接OCT在线检测设备

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。

1、 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，两路同频率的反射光与参考光的反射光发生干涉，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。

2、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

3、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。