基于光學相干斷層掃描的玻璃纖維污水管道的自動焊接工藝

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、報廢率低以及產量高，同時工藝參數偏差小。其會受到不同設備、污水管道和環境等相關參數的影響[1]。可以保證的是該工藝穩定性和長周期內產品的質量。目前在此領域使用的監控系統大多數是基于位移測量的高溫計系統或破壞性的方法。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有定量[2-3]。而且在沒有設置位移測量或高溫計測量的情況下，無法檢測到焊縫區域的滲漏，這在醫療或藥物制造過程中是不允許的。

為了解決這個問題，本文提出基于光學相干斷層的光學測量系統（OCT）。所提出的方案能夠在標準的激光透射焊接中應用，不包括本領域的反饋控制技術，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的材料，以及有較高氣密性要求焊縫的應用程序。OCT技術作為焊縫表征和質量保證的工具，本文討論了使用該技術的激光透射焊接過，以及使用效果。

1 OCT原則和計量概念

1.1 頻——光學相干斷層掃描（FD-OCT）

FD-OCT是基于低相干干涉測量的技術，但又不同于普通的低相干干涉儀，它通過使用一個電壓元件，找到最大的干擾點，而FD-OCT中的計算結果則是通過獲取的干涉圖頻譜的分析獲得的[4]。對獲取的光譜進行傅立葉變換計算得出了一組回反射剖面深度的函數（程式（1）。圖1是標準的OCT裝置，用于生成干涉圖案和測量位移之間的光程差。基準和測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：總干擾信號為I(p)，光源的光譜強度為G(p),αR為反射振幅臂的基準系數，α(z)為后向散射系數，Z0為偏移點，p是光的波數，n是折射率，2r是在參考臂中的路徑長度，2（r+z）為在對象臂和2z在兩個臂之間的路徑長度差。

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

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

可通過信號處理技術測量單個距離（單背面反射）的軸向分辨率，其分辨率可達微米級。

通常使用FD-OCT系統的超發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，其中心波長可在65～2 100 nm范圍內調整。這使得系統的設計具備了較大的靈活性，從而令最終應用的標本更加完善。

1.2 在線過程監控方案理念

該過程監測方案的理念是基于定制的OCT系統之上，通過激光加工光學器件（光學變焦鏡和掃描單元），用于塑料焊縫表征斷層掃描成像的開發和集成。過程中使用了光束耦合單元（例如：分色鏡）用于同軸激光與測量光束的結合。為消除因坐標變換產生額外的不確定性，本次試驗焊縫成形和整合的斷層圖像將在機床坐標系中直接獲取。對在激光透射焊接機的集成，該掃描系統以塑料的光學特性形式展現焊接的表征。大多數激光透射焊接設備使用的二極管激光器波長為80～1 100 nm，而測量系統的中心波長約為1 000 nm，這使得光束耦合簡化，掃描系統的整體光學成像偏差。這將需要運用大量的在線反饋控制，以保證產品生產過程的質量，但在目前的技術下是不可能實現的。本文使用的激光透射焊接控制系統不同于該系統。解決方案如圖2所示。

圖2 基于定制的OCT系統在線過程監控方案

2 激光透射焊接實驗

本次通過電路激光透射焊接試驗檢測OCT技術的效果。

2.1 試驗步驟、試件材料和幾何形狀

試驗使用了一個350W的二極管激光器和一個原型的光纖激光器351。耦合光束源發射的電磁輻射波長為：90～1 008 nm。使用光纖引導激光輻射到掃描系統中，光纖的纖芯直徑為150 μm，孔徑數為0.22。此外，該實驗裝置是由三個正交排列的線性階段組成的，保證在±5 μm范圍內的可再現性，同時每個階段的最大行進速度保持在250 mm·s-1。如圖3所示。

圖3 焊接試驗裝置機構

2.2 焊接試驗

試驗中，試件材料、玻璃纖維的含量、激光功率P、進給速度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改變樣本實現的，P與V的變化按如下步驟進行：在初步測試中，進料速度為30 mm·s-1，相對的焦點位置和接合壓力保持恒定，夾持壓力0.15 MPa為恒定值。通過不同材料設置不同的功率值，觀察焊縫找出焊縫質量最好時的激光功率值。

實驗觀察2種組合材料，當激光功率設置為30.3 W時，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參數如表1所示。

表1 各種材料的最優工藝參數 單位：W

對不同試件厚度D的焊接試驗和相同材料不同焊縫間隙S的焊接展開試驗研究，通過使用焊縫間隙測量裝置，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節焊縫間隙，如圖4所示。

圖4 調節焊縫間隙

3 OCT試驗

激光透射焊接實驗使用OCT技術制作焊縫的表征，使得焊縫幾何形狀量化。OCT系統是獨立的，不屬于機器集成系統。該測量系統的光源是中心波長為1 325 nm和頻譜帶寬為150 nm的超發光二極管。使用光譜儀獲得的調制光源光譜，其像素達1 024 pt。基于該數據，系統的軸向分辨率能夠小于7.5 μm以及具備約3 mm的空氣測量范圍，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，其反射微弱甚至沒有反射，從而能夠測量出焊縫寬度。氣孔和滲漏產生的反射，通過斷層掃描成像，照片如圖5所示。

圖5 焊縫寬度測量

3.1 焊縫寬度

測定的掃描區域為10 mm×10 mm，使用不同材料、試件厚度、焊縫間隙等工藝參數，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 玻璃纖維增強含量不同的材質的焊縫寬度 單位：mm

3.2 焊縫間隙及缺陷檢測

將不同厚度的間隔物放于試件下表面，OCT系統可以清楚地檢測到焊縫上下間隙并進行分析（如圖6中在焊縫的左側加22.2 μm厚度的墊板）。焊接過程中因受熱產生應力，導致焊后產生變形，因此整條焊縫上的焊縫上下間隙是不一致的。當焊縫上下間隙小于10 μm時很難被檢測。通過顯微成像可以看出，當焊縫上下間隙增加時，焊縫寬度變窄、氣孔等缺陷的出現趨勢增加。

圖6 焊縫間隙檢測

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，測量分析氣孔的大小，對于不同材料樣品，可以檢測到的氣孔高度有40～100 μm，寬度2.1 nm。

4 結論

根據試驗結果，在激光透射焊接中使用的OCT技術主要有以下幾點性能：OCT技術可以清晰地檢測厚度達3 mm的無玻璃纖維加固層組合材料的焊縫表征；運用OCT技術可以檢測焊縫氣孔等缺陷；沒有玻璃纖維增強材料的焊縫上下間隙在1.5～3.0 mm范圍內對OCT系統沒有影響；含有玻璃纖維增強材料的焊縫上下間隙為2.0 mm時，OCT系統可以進行測量并表征；測量系統可以檢測到不同的焊縫間隙。改進的信號處理，可以提高系統的軸向分辨率和測量值的準確度；OCT系統在工業實際運用中沒有任何障礙。

試驗結果表明：OCT技術可作為激光透射焊接質量保證的工具，能夠檢測焊縫缺陷并量化，保證焊接的密封性。由于其測量波長范圍較廣，還可以表征不同類型的聚合物焊縫。但是OCT技術還有很多需要研究改進的地方，特別是對于玻璃纖維增強塑料的焊縫間隙的檢測和軸向分辨率的提高。只有將這些問題解決后OCT技術才能夠在污水管道生產中得到更廣泛的運用。