張善新

（唐山城市排水有限公司 河北 唐山 063000）

0 引言

激光透射焊接制造精密，附加值高、報(bào)廢率低以及產(chǎn)量高，同時(shí)工藝參數(shù)偏差小。其會(huì)受到不同設(shè)備、污水管道和環(huán)境等相關(guān)參數(shù)的影響[1]?？梢员ＷC的是該工藝穩(wěn)定性和長(zhǎng)周期內(nèi)產(chǎn)品的質(zhì)量。目前在此領(lǐng)域使用的監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)是基于位移測(cè)量的高溫計(jì)系統(tǒng)或破壞性的方法。但這些方法的使用是有限的，獲得的焊縫幾何形狀或幾何偏差（如縫變窄或中斷）、毛孔和氣孔等信息沒(méi)有定量[2-3]。而且在沒(méi)有設(shè)置位移測(cè)量或高溫計(jì)測(cè)量的情況下，無(wú)法檢測(cè)到焊縫區(qū)域的滲漏，這在醫(yī)療或藥物制造過(guò)程中是不允許的。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出基于光學(xué)相干斷層的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)（OCT）。所提出的方案能夠在標(biāo)準(zhǔn)的激光透射焊接中應(yīng)用，不包括本領(lǐng)域的反饋控制技術(shù)，可作為處理連接厚度為2 mm或含有30%玻璃纖維污水管道增強(qiáng)的材料，以及有較高氣密性要求焊縫的應(yīng)用程序。OCT技術(shù)作為焊縫表征和質(zhì)量保證的工具，本文討論了使用該技術(shù)的激光透射焊接過(guò)，以及使用效果。

1 OCT原則和計(jì)量概念

1.1 頻——光學(xué)相干斷層掃描（FD-OCT）

FD-OCT是基于低相干干涉測(cè)量的技術(shù)，但又不同于普通的低相干干涉儀，它通過(guò)使用一個(gè)電壓元件，找到最大的干擾點(diǎn)，而FD-OCT中的計(jì)算結(jié)果則是通過(guò)獲取的干涉圖頻譜的分析獲得的[4]。對(duì)獲取的光譜進(jìn)行傅立葉變換計(jì)算得出了一組回反射剖面深度的函數(shù)（程式（1）。圖1是標(biāo)準(zhǔn)的OCT裝置，用于生成干涉圖案和測(cè)量位移之間的光程差?；鶞?zhǔn)和測(cè)量臂之間的光程差越高，干涉圖變化越大。

圖1 建立FD-OCT

式（1）中：總干擾信號(hào)為I(p)，光源的光譜強(qiáng)度為G(p),αR為反射振幅臂的基準(zhǔn)系數(shù)，α(z)為后向散射系數(shù)，Z0為偏移點(diǎn)，p是光的波數(shù)，n是折射率，2r是在參考臂中的路徑長(zhǎng)度，2（r+z）為在對(duì)象臂和2z在兩個(gè)臂之間的路徑長(zhǎng)度差。

通過(guò)找到在頻譜傅立葉變換的最大振幅絕對(duì)光程差，可以計(jì)算測(cè)量深度Zmax，如程式（2）所示：

其中λ0是中心波長(zhǎng)，Δλ是帶寬，n是樣本的折射率，N是所涉及的光源光譜檢測(cè)器單元的數(shù)量。可以計(jì)算出FD-OCT的軸向分辨率，計(jì)算式程式（3）所示[5]：

可通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)測(cè)量單個(gè)距離（單背面反射）的軸向分辨率，其分辨率可達(dá)微米級(jí)。

通常使用FD-OCT系統(tǒng)的超發(fā)光二極管作為低相干光源。多種配置的頻譜帶寬輸出不同的功率，其中心波長(zhǎng)可在65～2 100 nm范圍內(nèi)調(diào)整。這使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具備了較大的靈活性，從而令最終應(yīng)用的標(biāo)本更加完善。

1.2 在線(xiàn)過(guò)程監(jiān)控方案理念

該過(guò)程監(jiān)測(cè)方案的理念是基于定制的OCT系統(tǒng)之上，通過(guò)激光加工光學(xué)器件（光學(xué)變焦鏡和掃描單元），用于塑料焊縫表征斷層掃描成像的開(kāi)發(fā)和集成。過(guò)程中使用了光束耦合單元（例如：分色鏡）用于同軸激光與測(cè)量光束的結(jié)合。為消除因坐標(biāo)變換產(chǎn)生額外的不確定性，本次試驗(yàn)焊縫成形和整合的斷層圖像將在機(jī)床坐標(biāo)系中直接獲取。對(duì)在激光透射焊接機(jī)的集成，該掃描系統(tǒng)以塑料的光學(xué)特性形式展現(xiàn)焊接的表征。大多數(shù)激光透射焊接設(shè)備使用的二極管激光器波長(zhǎng)為80～1 100 nm，而測(cè)量系統(tǒng)的中心波長(zhǎng)約為1 000 nm，這使得光束耦合簡(jiǎn)化，掃描系統(tǒng)的整體光學(xué)成像偏差。這將需要運(yùn)用大量的在線(xiàn)反饋控制，以保證產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量，但在目前的技術(shù)下是不可能實(shí)現(xiàn)的。本文使用的激光透射焊接控制系統(tǒng)不同于該系統(tǒng)。解決方案如圖2所示。

圖2 基于定制的OCT系統(tǒng)在線(xiàn)過(guò)程監(jiān)控方案

2 激光透射焊接實(shí)驗(yàn)

本次通過(guò)電路激光透射焊接試驗(yàn)檢測(cè)OCT技術(shù)的效果。

2.1 試驗(yàn)步驟、試件材料和幾何形狀

試驗(yàn)使用了一個(gè)350W的二極管激光器和一個(gè)原型的光纖激光器351。耦合光束源發(fā)射的電磁輻射波長(zhǎng)為：90～1 008 nm。使用光纖引導(dǎo)激光輻射到掃描系統(tǒng)中，光纖的纖芯直徑為150 μm，孔徑數(shù)為0.22。此外，該實(shí)驗(yàn)裝置是由三個(gè)正交排列的線(xiàn)性階段組成的，保證在±5 μm范圍內(nèi)的可再現(xiàn)性，同時(shí)每個(gè)階段的最大行進(jìn)速度保持在250 mm·s-1。如圖3所示。

圖3 焊接試驗(yàn)裝置機(jī)構(gòu)

2.2 焊接試驗(yàn)

試驗(yàn)中，試件材料、玻璃纖維的含量、激光功率P、進(jìn)給速度V、樣品的厚度D和焊縫上下間隙S是變量。試件材料和玻璃纖維的含量的變化是通過(guò)改變樣本實(shí)現(xiàn)的，P與V的變化按如下步驟進(jìn)行：在初步測(cè)試中，進(jìn)料速度為30 mm·s-1，相對(duì)的焦點(diǎn)位置和接合壓力保持恒定，夾持壓力0.15 MPa為恒定值。通過(guò)不同材料設(shè)置不同的功率值，觀察焊縫找出焊縫質(zhì)量最好時(shí)的激光功率值。

實(shí)驗(yàn)觀察2種組合材料，當(dāng)激光功率設(shè)置為30.3 W時(shí)，焊縫成形較好，且氣孔較小。其余材料和組合材料的試件最優(yōu)參數(shù)如表1所示。

表1 各種材料的最優(yōu)工藝參數(shù) 單位：W

對(duì)不同試件厚度D的焊接試驗(yàn)和相同材料不同焊縫間隙S的焊接展開(kāi)試驗(yàn)研究，通過(guò)使用焊縫間隙測(cè)量裝置，依次將 5 μm、10 μm、20 μm、30 μm 和 50 μm 厚度的間隔物放于試件下部用以調(diào)節(jié)焊縫間隙，如圖4所示。

圖4 調(diào)節(jié)焊縫間隙

3 OCT試驗(yàn)

激光透射焊接實(shí)驗(yàn)使用OCT技術(shù)制作焊縫的表征，使得焊縫幾何形狀量化。OCT系統(tǒng)是獨(dú)立的，不屬于機(jī)器集成系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)的光源是中心波長(zhǎng)為1 325 nm和頻譜帶寬為150 nm的超發(fā)光二極管。使用光譜儀獲得的調(diào)制光源光譜，其像素達(dá)1 024 pt?；谠摂?shù)據(jù)，系統(tǒng)的軸向分辨率能夠小于7.5 μm以及具備約3 mm的空氣測(cè)量范圍，其最大掃描面積為10 mm×10 mm。

OCT圖像從上表面到下表面形成反射。焊縫處由于材料的混合，其反射微弱甚至沒(méi)有反射，從而能夠測(cè)量出焊縫寬度。氣孔和滲漏產(chǎn)生的反射，通過(guò)斷層掃描成像，照片如圖5所示。

圖5 焊縫寬度測(cè)量

3.1 焊縫寬度

測(cè)定的掃描區(qū)域?yàn)?0 mm×10 mm，使用不同材料、試件厚度、焊縫間隙等工藝參數(shù)，所得到的焊縫寬度如表2～表4所示。

表3 同種材料不同焊接工藝下的焊縫寬度 單位：mm

表4 玻璃纖維增強(qiáng)含量不同的材質(zhì)的焊縫寬度 單位：mm

3.2 焊縫間隙及缺陷檢測(cè)

將不同厚度的間隔物放于試件下表面，OCT系統(tǒng)可以清楚地檢測(cè)到焊縫上下間隙并進(jìn)行分析（如圖6中在焊縫的左側(cè)加22.2 μm厚度的墊板）。焊接過(guò)程中因受熱產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致焊后產(chǎn)生變形，因此整條焊縫上的焊縫上下間隙是不一致的。當(dāng)焊縫上下間隙小于10 μm時(shí)很難被檢測(cè)。通過(guò)顯微成像可以看出，當(dāng)焊縫上下間隙增加時(shí)，焊縫寬度變窄、氣孔等缺陷的出現(xiàn)趨勢(shì)增加。

圖6 焊縫間隙檢測(cè)

在該步驟中，主要觀察焊縫的氣孔、滲漏等缺陷。截取試件的斷面觀察，測(cè)量分析氣孔的大小，對(duì)于不同材料樣品，可以檢測(cè)到的氣孔高度有40～100 μm，寬度2.1 nm。

4 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在激光透射焊接中使用的OCT技術(shù)主要有以下幾點(diǎn)性能：OCT技術(shù)可以清晰地檢測(cè)厚度達(dá)3 mm的無(wú)玻璃纖維加固層組合材料的焊縫表征；運(yùn)用OCT技術(shù)可以檢測(cè)焊縫氣孔等缺陷；沒(méi)有玻璃纖維增強(qiáng)材料的焊縫上下間隙在1.5～3.0 mm范圍內(nèi)對(duì)OCT系統(tǒng)沒(méi)有影響；含有玻璃纖維增強(qiáng)材料的焊縫上下間隙為2.0 mm時(shí)，OCT系統(tǒng)可以進(jìn)行測(cè)量并表征；測(cè)量系統(tǒng)可以檢測(cè)到不同的焊縫間隙。改進(jìn)的信號(hào)處理，可以提高系統(tǒng)的軸向分辨率和測(cè)量值的準(zhǔn)確度；OCT系統(tǒng)在工業(yè)實(shí)際運(yùn)用中沒(méi)有任何障礙。

試驗(yàn)結(jié)果表明：OCT技術(shù)可作為激光透射焊接質(zhì)量保證的工具，能夠檢測(cè)焊縫缺陷并量化，保證焊接的密封性。由于其測(cè)量波長(zhǎng)范圍較廣，還可以表征不同類(lèi)型的聚合物焊縫。但是OCT技術(shù)還有很多需要研究改進(jìn)的地方，特別是對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)塑料的焊縫間隙的檢測(cè)和軸向分辨率的提高。只有將這些問(wèn)題解決后OCT技術(shù)才能夠在污水管道生產(chǎn)中得到更廣泛的運(yùn)用。