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OCT检测技术在汽车行业的普及率上升

                           发表日期:2022-9-16

光学相干断层扫描 (OCT) 是一种能够通过测量和处理从特定点散射的光的干涉来获得具有微米级分辨率的深度图像的技术。
自 1992 年以来,商业 OCT 系统已在许多体内生物医学应用中广泛用于无创 2D 和 3D 成像,并且自 2000 年代初以来,该技术还被用于手术室以引导激光手术模块。
如今,OCT 已被用于工业应用以及医学应用,例如涂层、纤维组件、MEMS、薄片和艺术品的测量。该技术的成功实施鼓励研究人员还探索使用 OCT 在激光加工过程中实时监测焊接深度的潜力。

卓越的监控能力

通过使用 OCT 扫描仪,不仅可以实现过程中的焊缝监控,还可以实现非接触式焊缝跟踪和非破坏性实时焊缝质量控制,其精度和可靠性是传统过程监控无法实现的。
使用 OCT 优于替代监测技术(例如激光三角测量)的其他好处包括它能够在同轴测量配置下运行并执行全向跟踪。该技术的应用在处理传统的基于摄像头的监控技术无法访问的几何形状时也特别有利,OCT 能够促进包含难以接近的非线性接缝的金属汽车工件的严格、高速焊接。
随着动态可调参考臂的发明,现代 OCT 系统还能够在保持高分辨率的同时实现大而可变的工作距离。它们可以高精度和极高(或极小)的纵横比检测接头、焊缝和缺陷。

OCT不仅能够检测接头位置,还可以在焊接前检测间隙尺寸和入射角,使其能够在线补偿。OCT 系统的同轴对准使用户能够在宽工作角度范围内进行测量。对于钢制工件,OCT 可以在通过焊接光学观察时,在甚至高于 50° 的入射角下清晰地检测表面形貌。
OCT 执行奇异点测量的能力,点的数量和位置可由用户定义。此外,夹具或其他紧固夹具等干扰因素不会影响OCT的跟踪或质量保证结果。该技术还不受激光焊接过程中出现的白热工艺光、散斑和飞溅的影响。

配备 OCT 的激光加工头通过实现具有成本效益的生产和提高产量,提供了许多影响客户利润的优势。该技术提供一致、精确、实时的性能,并通过闭环控制实现灵活、高速、全自动的激光焊接,无需耗时的设置。

汽车行业的普及率上升

由于激光焊接是电动汽车电池和电机生产的关键工艺,随着全球向无排放运输的持续过渡以及由此产生的电动汽车的出现,OCT检测的可能应用数量正在进一步增加市场。
其中包括电力存储和动力传动系统组件的焊接,例如电动机定子中的发夹。已经表明,OCT 技术可以成功地用于快速准确地定位发夹,以及在加工过程中对焊道进行快速定量质量评估。与其他检测技术相比,OCT 的优势在于它不仅提供发夹的 3D 可视化,还提供直接的实时高度测量。每个引脚的精确高度对于调整加工光束的焦点和功率密度至关重要,这使得铜能够以最小的热输入和无飞溅的方式进行焊接。焊接前后发夹对的高度差可以深入了解熔融金属的体积,这与其他测量的粘合表面轮廓参数一起是发夹焊接质量的决定因素,而这又是必不可少的以确保适当的电气效率和机械强度。

快速增长的电动汽车市场需要精确焊接的功能部件。激光焊接与 OCT 等精密传感系统一起为电池供电车辆的发展做出了巨大贡献——白车身轻量化设计的组件连接,需要精确的接缝跟踪,或电机和电池的组件。电子动力总成发夹的焊接(图 2a)就是其中之一。用于电驱动定子的铜线(发夹)必须非常快速地焊接,没有气孔和飞溅物,以确保良好的电接触。铜的高导电性和导热性以及反射率对焊接提出了挑战,因为加工激光束必须在其焦点处与发夹的表面相遇。为此,OCT 沿三条线快速扫描(图 2b),识别引脚之间的间隙位置(图 2c)和引脚之间的错位(图 2d)。每个针脚的精确高度对于调整处理光束的焦点和功率至关重要,对于高度感应 OCT 系统来说不是问题。总测量时间约为 10 ms。 

OCT检测技术在汽车行业的普及率上升
图2:b: OCT扫描轨迹,c.检测垂直发夹不对中,形状和间隙位置的OCT图像,d: 发夹横向不对中的OCT图像

为避免风险,在扫描不透明焊珠表面的测量 OCT 光束的帮助下,在线评估每个发夹对焊珠的质量。为了加快循环时间,仅在大约 10 毫秒内完成了沿 6 毫米线的三次扫描。横向或平行测量是可能的。使用 OCT 获得的焊道高度、形状和不透明度与之前的高度测量相结合,可以揭示焊接质量(图 3)。使用基于相机的质量控制系统无法实现这种在线数值质量表达。 

OCT检测技术在汽车行业的普及率上升
图3:b-d: OCT显示的同一焊道上几乎相同的优质焊缝,f-h: OCT显示的同一焊道上的不良焊接质量

OCT 的微米分辨率可用于检查工业激光焊接过程中的表面孔隙率。TRUMPF PFO33焊头焦距为345mm,配备了Lessmüller Lasertechnik OCT系统可提供强大而快速的在线质量检测。 扫描器光学元件以5至6 m/min的速度沿着圆形焊缝(直径16~33 mm)移动,循环时间<1.5 s。OCT同时扫描垂直于焊接激光束后方的焊接方向,获得3D表面图像(图4a)。通过使用OCT数据,重建并存储整个焊缝结构,以解决零件跟踪问题(图4b)。用OCT对焊接区域进行准确的定量评估,可以记录诸如气孔等缺陷(图4c)。这消除了随后的质量控制工作,即使在很短的周期内也能确保足够好的焊接质量。

OCT检测技术在汽车行业的普及率上升
图4:b: 焊缝截面的3D表面图像,其中孔用箭头标记,c: 孔的三维OCT图像

在深熔焊接过程中,影响焊接质量和揭示焊接过程的一个重要因素是气相毛细(小孔)的深度。OCT是一种已证实的能够在焊接的同时以非破坏性的方式测量同轴加工孔深度的技术。
采用重叠焊缝焊接方法,以70kHz的采集速率,对镀锌钢板(DX56+Z100 ThyssenKrupp钢)进行OCT检测。上下板厚度分别为0.65mm和2.00mm,脱气间隙为0.1mm。以4.0 m/min的焊接速度生产了20个相同的焊缝(图5a)。使用芯径为100 µm、激光功率为1.6 kw的IPG光纤激光器完成焊接。使用图像比为1:6的IntelliWeld PS扫描仪光学元件,使工件表面的激光光斑尺寸约为600 m。焊接光速和测量光束集中在工件表面下,即材料内部。焊接深度被定义为基准点和键孔底部之间的高度差。为了进行参考测量,OCT光束被指向加工点稍前的表面位置。图5b显示焊接深度在短范围内波动,表明焊接过程稳定。

OCT检测技术在汽车行业的普及率上升
图5:a. 垂直红线表示横截面的位置 b. 测量实际孔深的横截面显微图像,用垂线标记

为了将测量的OCT与横截面深度相关联,在每个焊缝上制作了三个横截面(图5b)。在横截面图像上可以看到清晰的焊接边界,其最低点被视为实际焊接深度。
将OCT结果与金相横截面进行了比较,结果表明两者吻合良好。OCT过程中和微观测量之间的平均差异为0.04mm,即9%,这与使用相同激光功率范围和焊接速度的软钢的其他测量结果相当。

OCT是用于工业激光焊接的上游解决方案,能够实现高的工艺灵活性、生产率和可靠性。OCT适用于各种激光加工光学器件,通过执行前、中、后过程控制,确保焊接部件的精度和再现性。OCT在汽车生产线上的成功应用,使其成为当今激光加工趋势的传感技术。OCT可以对焊接发夹进行精确、快速的定位(预处理),并对焊道进行快速、定量的焊后质量评定,保证了快速的焊接过程。OCT测量平均误差小,保证了焊接质量。

参考文献:

  • 1. M. Dale, Laser Systems Europe (Summer 2019).
  • 2. N. Deyneka Dupriez, Laser Tech. J., 3, 46–49 (2018).
  • 3. Ch. Mittelstädt, Th. Mattulat, Th. Seefeld, and M. Kogel-Hollacher, J. Laser Appl., 31 (2019).
  • 4. M. Boley, F. Fetzer, R. Weber, and T. Graf, Opt. Lasers Eng., 129, 56-64 (2019).
       
   
 

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