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采用光学相干层析成像的激光焊接技术 Laser Welding Using OCT Imaging

光学相干层析成像(OCT)能够通过非接触处理直接从数字模型生成零件。

图1 一种适用于标准激光加工头的OCT原理示意图

Light source:光源

Sensor:传感器

Reference mirror:参考镜

Beamsplitter:分光器

Laser:激光

Welding head:焊接头

Sample/keyhole:试样/匙孔

 

作者:Markus Kogel-Hollacher  德国巴登巴登Precitec研发项目负责人

传感器技术是智能工厂、预测性维护以及过程控制的一个特别重要的主要组成部分。将机械元件转化为智能网络物理系统需要集成用于状态和过程监控的智能传感器。针对该工业领域的传感器系统的开发是Precitec公司主要的业务单元之一。在激光材料加工中使用光学相干层析成像(OCT)已经成为当今过程监控领域的一个重要技术。

OCT工作原理

OCT技术是一种基于低相干干涉技术(LCI)的成像技术,是一种比较成熟的医学检测方法。具有低相干长度光源的干涉仪通常用于测量距离以及人体组织(如角膜)的组分。低相干长度是通过使用发出宽光谱的光源来实现的,符合这种要求的光源通常是超发光二极管(SLDs),其范围约为几十纳米。

常用于激光材料加工的传感器技术是利用光束-材料相互作用产生的辐射来确定加工状态,而OCT则是采用一种耦合到加工激光光束路径中的专用光源。这使得测量位置可以单独或同轴设置,可以轻微地偏离激光光束或单独使用偏转单元。极高的测量频率使这项技术在高速激光加工中也能得到应用。OCT技术又称低相干干涉法,它描述了该方法的基本布局,由参考和测量路径组成。两条路径之间的差异可以精确测量,并且当参考路径固定时,从系统导出的值与路径差异完全匹配,例如激光粉末床熔融(LPBF)或表面刻蚀过程中的匙孔深度或表面拓扑结构(图1)。

创新与效益

除了在传感器组件的机械和光学集成方面所做的努力外,采用OCT技术实现的真正创新是:无论是在深熔焊接还是在激光表面改性,干涉测量的精度不受激光加工区域所产生的电磁辐射的影响。只有从低相干光源发射的特定光才导致基准和测量路径之间的干扰。

OCT传感器原理的这些优点使Precitec在10多年前就开始关注这项技术。无论焊接几何形状和材料如何,只要对测量位置进行精确定位,都可以同轴地测量加工孔的深度,并且不管工件表面情况如何,都可以精确地测定表面结构的形貌。唯一的限制是测量点的尺寸,这与激光加工的光斑尺寸以及在轴向方向上的测量范围的大小相关(图1)。

这项技术为激光制造开辟了新的领域,特别是在以下方面:

•降低现有产品的制造成本

•提高现有产品的质量

•新产品设计

•降低工艺成本

•缩短产品开发周期

•提高质量保证

•早期生产阶段的缺陷检测和纠正

•实时控制过程

所述的这些方面在工业应用中得到了证实。在工业应用中,激光常被用于焊接汽车的安全相关零件(图2)。这是世界上第一次利用OCT传感器来控制激光功率,从而在批量生产过程中控制焊缝的熔深。测量设备的适用性得到了客户的认可,尤其是破坏性试验的大幅减少是客户满意的主要原因之一。

图2 不锈钢焊缝IDM信号提取以及激光功率的三次干扰中断应用实例

OCT测量点的准确定位是该技术工业应用成功实施的关键。为了在生产过程中防止各种外部影响(例如光学元件的热影响)对光斑位置准确定位的影响,Precitec开发了一个名为KeyholeFinder的模块。所有的运动元件都由工业上已经被验证的零件组成,这些零件保证了测量点的静态位置。Keyholefinder模块也是在系统设置期间自动调整OCT传感器的首选解决方案。

在完全监测甚至控制的需求方面而言,激光金属沉积(LMD)和LPBF等增材制造工艺与其他激光应用没有区别。Precitec已在各种应用领域中显示,OCT是最有前途的传感器技术,可以获取激光加工后拓扑的最全面的信息,并且由于该技术采用同轴适配的方式,使得原位监控成为可能。在使用LPBF进行3d打印时,可能出现气孔、变形、涂层缺陷、层偏移以及球化等工艺误差情况,会导致最终加工形貌的变化,而这些形貌变化都可以通过OCT技术来进行监测。

2019年,西门子和Precitec通过将OCT技术集成到Sinumerik控制系统中,展示了一种全闭环控制的LMD工艺。适用于其它激光制造工艺的技术同样适用于LMD,即使吹入工件表面的金属粉末不会改变精确的表面拓扑测量,测量值也可以用作控制回路的输入。这项工作得到了欧盟项目PARDISDE的资助,该项目旨在开发一种高效、经济和可靠的激光增减材制造技术,用于大规模制造金属零部件(图3)。

图3 闭环控制(a)和非控制(b)的加工过程对比

从第一款用于激光材料加工应用的工业版本OCT传感器(由precitec公司提供)面市至今已经有五年时间,这种传感器已经在科学界和工业领域得到了极大关注。现在的激光会议都会有一个关于OCT技术的分会场。当下有一代年轻的科学家正在迅速成长,在他们眼中,根本无法相信在激光加工领域中曾经没有OCT技术。现在在许多大学和研究机构中,这种传感器被用作建立激光加工或评估加工结果的标准,包括连续波、短脉冲以及超短脉冲激光加工。(李波译)

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