光學相干成像技術在雷射加工過程實時監測與控制中的應用研究進展

/ 摘要

雷射加工技術，主要包括雷射焊接、雷射增材和雷射減材（切割、清洗、打孔等），具有高加工質量、效率、非接觸等優點，在航空航天、生物醫療、通訊電子等領域應用廣泛。隨著產品精度與性能要求的逐漸提升，對雷射加工的精度、效率及可控性提出了更高要求。因此，雷射加工過程實時監測及調控成為了當前的研究重點。相比於傳統的光聲熱電傳感監測，光學相干成像技術可以與雷射束同軸耦合，從而直接獲取雷射加工結構的尺寸和形貌特徵，具有高成像速度、高測量解析度以及長測量範圍等優點，被廣泛應用於雷射加工過程實時監測中。

西安交通大學的研究團隊在《光學相干成像技術在雷射加工過程實時監測與控制中的應用研究進展》一文系統介紹了光學相干成像系統的基本組成、成像原理，在此基礎上綜述了光學相干成像技術在雷射焊接、雷射增材製造和雷射減材製造實時監測與控制中的應用。最後，歸納了目前光學相干成像技術在雷射加工過程監測中存在的不足和發展趨勢，為雷射加工過程實時監測與控制的研究工作提供了堅實基礎和發展方向。

/ OCT系統組成及成像原理

I 01「OCT系統組成」

圖1 OCT熔深監測原理圖

OCT（optical coherence tomography）熔深監測系統通過將樣品光和雷射焊接光路進行同軸耦合，根據寬譜光源的相干性來獲取匙孔深度信息。主要包括超輻射發光二極體SLD，光纖耦合器，參考臂，樣品臂和光譜儀等部分。其中，參考臂由偏振控制器，光纖準直器，色散補償片，反射鏡等構成，樣品臂通過光纖準直器與雷射焊接光路進行同軸耦合，使得樣品檢測光與加工雷射中心同軸對準，以便在焊接過程中進入匙孔底部對深度進行測量。

根據不同的傳熱模式和是否產生小孔，雷射焊接分為熱導焊和深熔焊。熱導焊僅在金屬材料表層發生熔化，形成熔池；當雷射功率密度達到一定閾值時，金屬材料表層發生氣化，熔池在氣化反衝壓力的作用下向下凹陷形成深熔小孔，這種焊接模式被稱為深熔焊，是雷射焊接領域主要採用的焊接模式，OCT技術路線做熔深檢測時僅適用於深熔焊。

I 02「OCT成像原理」

圖 2 數據處理流程（上）；干涉信號圖（下）

光的干涉指的是；當幾列光波在空間相遇時，部分光波疊加區域光強始終得到加強，而某些疊加區域光強始終被削弱，從而發生穩定的強弱分布的現象。

譜域OCT檢測系統主要是通過分析採集到的干涉頻譜來獲取深度信息。在理想狀態下，採集到的光譜信號應該是延 Z 軸方向排列的 n 個高斯峰，高斯峰的寬度即為該系統的軸向解析度，具有不同的反射率和深度的響應點對應一個高斯峰，干涉光經過光譜儀的光柵後，分布在線陣CCD 上，根據定標得到的 CCD 像素點對應的波數關係，利用快速傅立葉變換得到不同的干涉光譜對應的深度信息，再利用掃描振鏡控制掃描鏡頭沿 X、Y 軸方向移動即可得到表面輪廓的三維信息。

I 03「OCT系統性能指標-關鍵參數-軸向解析度」

圖3 低相干干涉傅立葉域探測示意圖

線陣 CCD 採集到光譜強度是沿 z 軸方向排列的高斯峰，不同的高斯峰代表了具有不同深度的反射點（測量點），當兩個不同波長的高斯峰極點距離小於高斯峰的半高長度時，在圖像上會表現為一個兩者疊加的高斯波形，此時便無法區分這兩個高斯峰所代表的對應點。所以一般將光譜信號進行傅立葉變換後的半峰寬作為 OCT 系統的軸向解析度。

一般採用光源中心波長為 850nm，光源半極值全寬度為 40nm 則系統理論軸向解析度為 8µm，但實際搭建的OCT 系統受到色散等因素的影響，實際軸向解析度要大於理論計算的數值。

I 04「OCT系統性能指標-關鍵參數-橫向解析度」

圖4 解析度計算公式

OCT 系統的橫向解析度獨立於軸向解析度，橫向解析度主要取決於聚焦物鏡的數值孔徑和投射到待測物表面的光斑的尺寸。其中x 為解析度，f 為聚焦物鏡焦距，d0 為物鏡通光口徑、入 為波長，NA為數值孔徑，b 表示焦深。從公式可以看出，通過增大焦距、降低物鏡通光口徑、增大數值孔徑NA，可以提高橫向解析度。但在實際搭建時，需要考慮聚焦光學系統的焦深。當光學系統焦深減小，即聚焦光學系統的有效工作深度會減小，如圖所示，當部分待測物不在焦深範圍內時，光學系統採集到的圖像橫向解析度較差，所以在實際搭建 OCT 系統的過程中需要根據工作要求合理選擇系統參數。

I 05「OCT系統性能指標-關鍵參數-成像深度」

圖5 OCT成像深度示意圖

譜域 OCT 檢測系統成像深度主要受光源中心波長、光譜寬度、以及光譜儀的解析度等因素影響。

光譜儀的光譜解析度為δλ，從公式可以看出譜域 OCT 系統的成像深度主要取決於光譜儀的解析度，可以通過提高光譜儀的成像解析度，增大檢測系統的成像深度。

I 06「OCT系統性能指標-關鍵參數-成像速度」

圖6 雷射焊接質量在線檢測系統原理圖

譜域 OCT 系統成像速度主要由高速線陣 CCD 相機成像性能，橫向掃描裝置的掃描速度以及程序數據處理速度決定。現在主流線陣相機的採集速度一般在 10KHz-50KHz 左右，而譜域 OCT 系統一般利用掃描振鏡完成橫向掃描，其掃描速度最高能達到幾百 KHz，可以輕鬆滿足 OCT系統的掃描成像要求。系統需要對採集到的光譜信號進行線性插值、傅立葉變換，才能得到所需的深度信息，所以系統的數據處理速度是限制譜域 OCT 系統掃描成像速度的主要因素。

/ 基於OCT監測技術研究現狀

I 01「OCT監測研究現狀」

基於 OCT 的雷射焊接過程實時監測可以直接獲取加工中焊接熔深及焊縫截面形貌，更便於觀察、控制焊接過程中的匙孔穩定性，降低外界干擾對焊接過程的影響，在焊接質量控制方面具備顯著優勢，在學術研究領域和應用市場都湧現了大量成果。

圖7 IPG-LDD雷射焊中監測

首先最為眾人所熟知的就是加拿大女王大學的 PAUL 和 JAMES 等提出的內聯相干成像(Inline coherent imaging, ICI)正式打開了 OCT 在焊接過程監測中應用的大門，其將 OCT 集成至雷射加工裝置中，令檢測光與加工光同軸進入加工區域，並將這種 OCT 與加工光同軸探測的方法命名為ICI ，同時也基於該技術創建了 Laser depth dynamics (LDD) 公司，並與2017年被IPG收購，當前已更新到LDD-700系列，應該是當前技術最為領先的OCT工業檢測產品。

I 02「OCT監測研究現狀-熔深閉環控制」

同時德國漢堡工業大學的 NEEF等聯合普雷茨特公司的研究人員將低相干干涉測量儀集成到粉末床選區雷射熔融 (LPBF)增材製造設備中，可用其來區分粉末結構和LPBF 成形結構，從而減少送粉過程中粉末缺失或減少以及粉末沉積在零件表面對零件成形質量的影響；其還可以用於重建LPBF 3D列印零件的表面輪廓，以監測到零件的隆起和變形缺陷。

圖8 OCT熔深閉環示意圖

學者研究了通過 OCT實時監測焊接過程中的熔深，以反饋控制功率、離焦量以實現焊接過程中的恆定熔深，並且其展現了該技術在不同合金焊接過程中實時測量匙孔深度的能力，並且利用該種方法研究了匙孔的產生和演變過程，可用於探索雷射焊接過程機理。

I 03「OCT監測研究現狀-工藝對比優化」

圖9 OCT熔深監測鋁銅對比圖

此外，為探索加工過程工藝參數對OCT信號的影響，德國慕尼黑工業大學工具機與工業管理研究所的MICHAEL 課題組系統地比較了不同加工材料、入射角度、焊接深度等參量下 OCT 信號的差異，結果表明不同材料焊接過程形成的匙孔會對 OCT產生不同的反射作用，且隨著焊縫深度的增加，匙孔波動會更加明顯，鋁散射比銅劇烈；鋁焊接過程比銅穩定、匙孔深度波動小；焊接光斑越大越穩定（多模穩定性好於單模）；焊接頭後傾比前傾焊接過程更穩定。

I 04「OCT監測研究現狀-質量評價」

圖10 基於OCT的雷射焊接質量判斷示意圖

同時也有學者探索了 OCT 信號在評估焊接質量方面的應用。其利用 OCT 對深熔焊匙孔深度進行了測量，將 OCT 測量結果與焊縫表面質量分析結果進行比較，並利用機器學習建立焊縫深度信號與焊縫表面質量之間的相關性，由此可以利用焊縫深度信號來預測焊接過程的表面質量。華中科技大學的 MA 等基於 LDD 的光學相干成像系統對焊接過程中匙孔進行了測量，其可以直接重建出加工過程中匙孔的三維形貌，以此量化匙孔的波動性，並通過提取匙孔的關鍵信息特徵，可以定位到雷射焊接過程焊縫中的氣孔位置，並實現了對焊接件孔隙率的預測。

/ OCT焊接、增材製造、減材製造應用

I 01「OCT雷射焊接工業應用」

圖11 基於OCT的IPG-LD用於動力電池頂蓋滿焊

動力電池頂蓋滿焊熔深檢測應用：識別局部熔深不足，超限。主要應用與對熔深要求較高的場景、電池相關零部件焊接：BUSBAR、軟連接、連接片、防爆閥、極柱等；汽車零部件：座椅、安全氣囊壓力容器、差速器等；

I 02「OCT增材製造應用」

圖12 基於OCT增材製造外觀高精度監測示意圖

除了獲取熔池深度以外，OCT 在雷射增材製造過程監測中的應用主要側重於層三維形貌的獲取以及加工過程的缺陷監測，其可以直接獲取加工過程中表面粗糙度和缺陷，從而優化加工質量；由於其可以實現加工過程各層形貌的重構，因此其還可以用於研究加工過程的形貌演化過程，以闡明加工過程缺陷產生機制。

左圖為實時監測粉末床選區雷射熔融增材製造過程中的熔池演化動態案例，通過對雷射粉末床選區雷射熔融增材製造過程的熔池截面進行實時成像，可以識別加工過程中的液固相變區域及熔池長度區域，並且可以對加工過程中粉末、熔池、基底及凝固區域進行區分，可以用於檢測工藝缺陷，還可以用於探索不同工藝參數下的熔池形貌動態，用於評估各種工藝參數對加工質量的影響，更有效的調整和優化參數。同時針對多層增材疊加時可獲取增材製造每一層處理前後的層厚以及如表面粗糙度、粉末堆積密度等形貌信息，進而可以實現工藝參數的閉環控制，以消除增材製造過程中的突起和凹陷，降低最大粗糙度，為增材製造過程中的實時優化和閉環控制提供了基礎。

I 03「OCT減材製造應用」

圖13 基於OCT的雷射轉孔檢測示意圖

減材製造是相對於「增材製造」而言，通過對材料進行去除來使工件獲得規定的幾何形狀、尺寸和表面質量的加工方法都可以稱為減材製造。而雷射減材製造主要包括雷射切割、打孔、拋光及表面刻蝕等多種加工方式。與雷射焊接、增材製造不同的是，上述加工方式大多採用的連續或長脈衝光源，其加工過程熱效應明顯，容易產生大量的缺陷。而目前的雷射減材製造所用光源逐漸向飛秒雷射發展，其加工具有高精度、極小重鑄層和熱影響、非接觸等顯著優勢，目前被廣泛應用。

然而，由於雷射的高斯分布及其傳輸特性，其在加工盲結構(如盲槽、盲孔)、多層材料中的表面結構去除(如碳纖維表面塗層、天線薄膜等)以及帶中空腔體材料的切割、鑽孔(如渦輪葉片、噴油嘴等)時往往容易出現過燒蝕，導致底部不均勻或過度燒蝕，由此影響加工質量。而 OCT 可以實時獲取加工位置的深度信息，由此實時控制加工深度，可以避免由加工過程波動導致的底部不均勻。並且其還可以監測不同材料介面之間的變化，用於定量控制對單層材料的燒蝕，避免過燒蝕的出現。

OCT在超快雷射打孔、刻蝕過程中的實時測量深度和截面形貌，實現了雷射加工過程孔深的實時測量與反饋，生物組織雷射切割和制孔深度的實時測量與控制，並且將其集成至掃描振鏡中，可以快速實現對溝槽截面形貌和三維表面形貌的重構和反饋控制。總的來說：OCT 在雷射減材製造中的應用目前主要集中於超快雷射切割、制孔、表面刻蝕等應用，用於實時測量雷射燒蝕深度或三維形貌，以實現對燒蝕深度的精確控制或質量的優化。

/ OCT相關產品

圖16 基於OCT的焊中監測產品 IPG-LDD

當前相對成熟的OCT檢測產品當屬IPG-LDD-700，OCT應用到雷射焊接上涉及到對雷射工藝機理層面的深層次理解、涉及對整個焊接光路的優化、涉及對振鏡控制系統的開發，有句話怎麼說的來著：設備只是公司對工藝認知的體現——來自寶利蘇迪，OCT監測也是如此。

/ OCT技術趨勢

整體來說，OCT 技術在雷射加工過程監測領域具有廣闊的應用場景：一方面， OCT 可以直接實時獲取加工過程的深度及形貌信息，能夠幫助我們實時控制並優化加工質量，定位加工缺陷；另一方面，利用 OCT 對加工過程的深度或形貌信息進行實時成像，可以幫助我們理解整個加工過程的演化過程，以探究雷射材料相互作用機理與缺陷形成機制。而從目前的國內外現狀來看，國外研究機構已開展相對較多的研究，並且已經形成商業化儀器產品，在雷射焊接領域開始展開使用。而國內的研究近幾年剛剛開始，目前還處於起步階段。光學相干成像在雷射加工過程監測的應用還處於初級階段，還有許多理論和技術難題亟需進一步研究。為實現更快速、更微觀、更全面、更精準和更智能的雷射加工過程在線監測與控制，應仍需進一步加強 OCT 技術與加工在線監測技術的融合，探索高成像速度、數據處理速度和解析度的 OCT 成像技術，並引入多傳感、多信息進行融合監測，對雷射加工過程進行全方位監控，並進一步結合人工智慧方法建立狀態監測模型，從而實現對加工狀態、缺陷的智能化監測和精準控制。

OCT監測從醫學技術外溢到工業的過程剛剛開始，還有很多工作需要做，該技術還有相當大的發展進步空間，希望業界對其有所關注，推動行業向前發展。

本文主要內容來源於以下論文，以及相關行業研究報告，文章僅做通俗性解讀匯總，如需深入了解敬請前往原文：

梅雪松,孫濤,趙萬芹等.光學相干成像技術在雷射加工過程實時監測與控制中的應用研究進展[J/OL].機械工程學報,2023(15):216-231[2023-09-10].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2187.TH.20230811.1904.010.html.

其餘部分涉及文獻：

謝冠明,王三宏,張躍強等.基於光學相干層析的雷射焊接熔深監測方法[J].光學學報,2023,43(11):146-156.

李培,楊姍姍,丁志華等.傅立葉域光學相干層析成像技術的研究進展[J].中國雷射,2018,45(02):153-163.

呂思航. 基於OCT的雷射焊接質量在線檢測技術研究[D].長春理工大學,2022.DOI:10.26977/d.cnki.gccgc.2021.000615.