CN117871539A - 基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测***和方法。该***应用于激光焊接设备中，包括激光干涉成像***、分束模块和图像处理模块，激光干涉成像***出射检测激光束；分束模块将检测激光束分束成第一样品光、第二样品光和第三样品光，激光干涉成像***接收合束后的第一样品光、第二样品光和第三样品光在待焊样品的表面形成的反射光束，并形成干涉图像；图像处理模块对激光干涉成像***的干涉图像进行相位解析，分别获得焊前图像、焊中图像和焊后图像。本发明能够对焊前、焊中以及焊后的质量不分时段地进行实时地、非破坏性地监控，有助于及时发现并纠正潜在的问题，有助于避免缺陷和提高生产效率，确保最终产品的可靠性。

Description

基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测***和方法

技术领域

本发明实施例涉及激光焊接检测技术领域，尤其涉及一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测***和方法。

背景技术

激光焊接是一种高精度的焊接方法，其工艺流程包括：1）准备需要焊接的工件，确保它们的表面干净，并根据设计要求进行正确的定位和夹紧。2）设置激光焊接设备，包括调整激光功率、焦距、激光束直径等参数。这些参数的设置会根据工件的材料和设计要求而变化。3）使用精确的定位***，确保激光焊接焊点准确对准焊缝，以保证焊接的精度和质量。4）在正式焊接之前，常常进行激光预热。这有助于提高焊缝区域的温度，减轻热变形，并改善焊接质量。5）通过激光束瞄准焊缝，激光能量被转化为热能，使工件表面熔化。激光焊接可以分为传统激光焊接和激光深熔焊接两种主要类型，具体工艺参数取决于焊接类型和工件材料。6）在焊接完成后，焊缝区域开始冷却。冷却的过程中要注意控制温度梯度，以防止产生裂缝和变形。

在激光焊接整个工艺流程中，每个步骤都对最终焊接质量产生重要影响，及时发现并纠正潜在的问题，有助于避免缺陷和提高生产效率。然而，目前的焊接质量检测多为焊前检测或焊后检测，不具备焊中检测的能力，无法实现实时地在线全面检测。

发明内容

本发明提供一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测***和方法，以对焊前、焊中以及焊后的质量不分时段地进行实时监控，有助于及时发现并纠正潜在的问题，有助于避免缺陷和提高生产效率，确保最终产品的可靠性。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测***，应用于激光焊接设备中，所述激光焊接设备用于发射焊接激光束，以对相对移动状态下的待焊样品进行激光焊接；

所述检测***包括：

激光干涉成像***，用于出射检测激光束；

分束模块，用于将所述检测激光束进行分束，形成第一样品光、第二样品光和第三样品光，所述第一样品光、所述第二样品光和所述第三样品光两两之间存在相位差，所述第一样品光、所述第二样品光和所述第三样品光在所述待焊样品的移动方向上依次照射所述待焊样品的表面的焊前位置、焊中位置和焊后位置并形成反射光束；所述分束模块还用于将所述第一样品光、所述第二样品光和所述第三样品光的反射光束合束；

所述激光干涉成像***还用于接收合束后的所述第一样品光、所述第二样品光和所述第三样品光在所述待焊样品的表面形成的反射光束，并形成干涉图像；

图像处理模块，用于获取所述激光干涉成像***的所述干涉图像，并对所述激光干涉成像***的所述干涉图像进行相位解析，分别获得焊前图像、焊中图像和焊后图像。

可选地，所述分束模块包括第一耦合器，所述第一耦合器的输出端分别光连接第一光纤、第二光纤和第三光纤；

所述第一光纤用于传输所述第一样品光，所述第二光纤用于传输所述第二样品光，所述第三光纤用于传输所述第三样品光。

可选地，所述分束模块还包括光角度调整架，所述第一光纤、所述第二光纤和所述第三光纤的输出端分别固定在所述光角度调整架上，以使所述第一光纤、所述第二光纤和所述第三光纤的输出端分别对准所述待焊样品的表面的所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置。

可选地，所述第一光纤、所述第二光纤和所述第三光纤两两之间的长度差△L满足：△L≥C/F；其中，F为所述检测激光束的激光脉冲频率，C为光速。

可选地，所述激光干涉成像***包括：

宽带光源，用于出射原始激光束；

第二耦合器，所述宽带光源与所述第二耦合器光连接，所述第二耦合器用于将所述原始激光束分束为参考光束和样品光束；

参考臂，用于传输所述参考光束并将所述参考光束的反射光束反馈至所述第二耦合器；

样品臂，与所述分束模块光连接，用于将所述样品光束作为所述检测激光束传输至所述分束模块，并将合束后的所述第一样品光、所述第二样品光和所述第三样品光在所述待焊样品的表面形成的反射光束反馈至所述第二耦合器，以使所述参考光束的反射光束和合束后的所述第一样品光、所述第二样品光和所述第三样品光的反射光束进行干涉；

光谱探测器，与所述第二耦合器光连接，用于探测所述参考光束的反射光束和合束后的所述第一样品光、所述第二样品光和所述第三样品光的反射光束形成的干涉光，获得所述干涉图像。

可选地，所述激光焊接设备包括第一滤光片和反射振镜；所述焊接激光束依次经所述第一滤光片、所述反射振镜的反射，照射至所述待焊样品的表面；

所述样品臂包括准直镜、第二滤光片和反射镜；

所述样品光束依次经所述准直镜和所述第二滤光片的透射，所述反射镜的反射，所述第一滤光片的透射，以及所述反射振镜的反射，入射至所述第一耦合器中。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测方法，应用于如第一方面任一项所述的基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测***中，所述检测方法包括：

获取所述激光干涉成像***的干涉图像；

对所述激光干涉成像***的干涉图像进行相位解析，分别获得焊前图像、焊中图像和焊后图像。

可选地，对所述激光干涉成像***的干涉图像进行相位解析，分别获得焊前图像、焊中图像和焊后图像，包括：

利用所述干涉图像，绘制在所述待焊样品的移动方向上不同位置的灰度曲线图；

将所述灰度曲线图进行傅里叶变换，由时域曲线转换为频域曲线；

在频域曲线中寻找所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置对应的频率主峰；

提取所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述频率主峰对应的主相位；

在所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述主相位附近进行等相位插值处理，获得所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的附近相位信息；

根据所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述附近相位信息，计算所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的单点深度图像信息；

根据所述待焊样品分别在垂直所述待焊样品移动方向上不同的所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述单点深度图像信息，计算获得所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的截面深度图像；

根据移动过程中不同时刻的所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述截面深度图像，计算获得所述待焊样品在整个焊接过程中分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的立体深度图像。

可选地，根据所述待焊样品分别在垂直所述待焊样品移动方向上不同的所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述单点深度图像信息，计算获得所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的截面深度图像之后，还包括：

根据所述待焊样品在所述焊中位置的截面深度图像，拟合获得所述待焊样品在焊接过程中的熔融深度曲线；

在所述熔融深度曲线中标注出熔融深度评价情况。

可选地，根据所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述附近相位信息，计算所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的单点深度图像信息之后，根据所述待焊样品分别在垂直所述待焊样品移动方向上不同的所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述单点深度图像信息，计算获得所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的截面深度图像之前，还包括：

对所述待焊样品分别在所述焊前位置、焊中位置和焊后位置的单点深度图像信息进行归一化。

本发明实施例的技术方案，通过在检测***中设置激光干涉成像***、分束模块和图像处理模块，利用分束模块将激光干涉成像***的检测激光束分束为不同相位的三束样品光，并照射至待焊样品的焊前、焊中和焊后位置，再利用激光干涉成像***对三束样品光反射后的合束光形成干涉图像，通过图像处理模块将干涉图像进行相位解析，获得待焊样品的焊前、焊中和焊后位置的图像。其中，通过焊前图像可以确保焊接表面的清洁和准备工作，以消除污染物，确保焊接区域的质量；通过焊中图像可以获取焊接过程中的参数和内部的熔融状态，实时监控焊接质量，及时发现并纠正潜在问题，有助于即时调整参数，提高焊接的一致性和效率；通过焊后图像可以对焊接后的焊缝进行质量检测，包括检测缺陷、裂缝、孔洞等，方便进行后续处理，例如去除焊渣、进行表面抛光等，以满足最终产品的外观和功能要求。本发明实施例解决了目前的焊接质量检测多为焊前检测或焊后检测，不具备焊中检测的能力，无法实现实时地在线全面检测的问题，能够对焊前、焊中以及焊后的质量不分时段地进行实时地、非破坏性地监控，有助于及时发现并纠正潜在的问题，有助于避免缺陷和提高生产效率，确保最终产品的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测***的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种激光焊接设备的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种分束模块的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种光干涉成像***的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测方法的流程图；

图6是本发明实施例提供的另一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”。

需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对相应内容进行区分，并非用于限定顺序或者相互依存关系。

需要注意，本发明中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

图1是本发明实施例提供的一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测***的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种激光焊接设备的结构示意图，参考图1和图2，该检测***100应用于激光焊接设备200中，激光焊接设备200用于发射焊接激光束，以对相对移动状态下的待焊样品300进行激光焊接。

检测***100包括：激光干涉成像***110，用于出射检测激光束；分束模块120，用于将检测激光束进行分束，形成第一样品光11、第二样品光12和第三样品光13，第一样品光11、第二样品光12和第三样品光13两两之间存在相位差，第一样品光11、第二样品光12和第三样品光13在待焊样品300的移动方向上依次照射待焊样品300的表面的焊前位置a、焊中位置b和焊后位置c并形成反射光束；分束模块120还用于将第一样品光11、第二样品光12和第三样品光13的反射光束合束；激光干涉成像***110还用于接收合束后的第一样品光11、第二样品光12和第三样品光13在待焊样品300的表面形成的反射光束，并形成干涉图像；图像处理模块130，用于获取激光干涉成像***110的干涉图像，并对激光干涉成像***110的干涉图像进行相位解析，分别获得焊前图像、焊中图像和焊后图像。

其中，激光干涉成像***110实质是指光学相干层析成像（OCT）***，其核心原理为基于光的低相干干涉原理，获取样品的后向散射光，通过对干涉信号的解调与处理，重建得到样品的二维断层或三维立体结构图像。OCT是一种高分辨率的光学成像技术，可以用来观察材料的内部结构和特征，适用于非接触式、实时和高分辨率的成像。本发明本质是将谱域光学相干层析（SD-OCT）***应用于激光焊接质量检测中，在本发明的激光焊接质量监控中，将OCT***即激光干涉成像***110与激光焊接设备200集成，可以实现实时的焊接质量监控，及时发现问题并采取措施。OCT可以在焊接过程中穿透焊缝熔融状态并获取高分辨率的图像，帮助检测焊缝内部的缺陷、气孔、裂纹等问题。对焊接界面的结合情况进行分析，检测是否存在不良结合或界面分离。

谱域OCT***通常使用光源产生激光，其可以是可见光或近红外光，依赖于所需的深度穿透和待焊样品300特性，并且，其中一部分光经过分束器分为样品光，另一部分作为参考光。样品光则通过准直器及短波通滤光片导向焊接区域，确保激光能够照射到感兴趣的焊缝表面。样品光与焊缝表面相互作用，产生反射和散射的光信号，这些光信号包含了有关焊接区域内部结构的信息。反射和散射的光信号返回到SD-OCT***，样品光与参考光再次相遇，形成干涉图像。这个干涉图像的特征由待焊样品300内部的光程差引起，提供了关于焊接区域结构的深度信息。整个过程允许***实时地扫描并获取焊接区域的高分辨率断面图像，从而有助于评估焊缝的质量、检测潜在缺陷，并提供对焊接过程的实时监测。

基于上述的光学相干层析成像检测待焊样品300内部结构的原理，本发明实施例中进一步设置了分束模块120，其主要作用为将OCT***输出的样品光分束为三种不同相位的样品光，且分别照射在待焊样品300的焊前、焊中和焊后位置上，即如图中所述，第一样品光11照射焊前位置a，第二样品光12照射焊中位置b，第三样品光13照射焊后位置，由此可以通过第一样品光11、第二样品光12、第三样品光13的反射光，获取待焊样品300不同焊接位置的图像信息。

再进一步地，基于待焊样品300焊前、焊中、焊后的图像信息，本发明实施例中还设置了图像处理模块130，其主要作用为将OCT***反馈的干涉图像进行相位解析，分别获得待焊样品300焊前、焊中和焊后的图像信息。具体地，由于第一样品光11、第二样品光12和第三样品光13两两之间存在相位差，也即，相位均不相同，在图像处理模块130中，可以根据相位的差异，对三种相位的光线形成的干涉图像进行分离，对应第一样品光11相位的图像则为待焊样品300的焊前位置的图像，对应第二样品光12相位的图像则为待焊样品300的焊中位置的图像，对应第三样品光13相位的图像则为待焊样品300的焊中位置的图像。根据待焊样品300前中后三个位置的图像，即可实现待焊样品300的焊接全过程检测。其中，使用第一样品光11，可以对焊前的焊缝进行图像捕捉和分析，以识别潜在的缺陷、不匀性或其他问题，同时获取详细的表面形状信息，包括焊缝的形状和尺寸；使用第二样品光12，可以获取激光焊接过程中实时熔融状态，能够实时判断当前的焊接状态以及缺陷情况；使用第三样品光13，可以观察焊后焊缝表面的图案，以便检测焊缝的平整度和质量。

上述技术方案，通过在检测***中设置激光干涉成像***、分束模块和图像处理模块，利用分束模块将激光干涉成像***的检测激光束分束为不同相位的三束样品光，并照射至待焊样品的焊前、焊中和焊后位置，再利用激光干涉成像***对三束样品光反射后的合束光形成干涉图像，通过图像处理模块将干涉图像进行相位解析，获得待焊样品的焊前、焊中和焊后位置的图像。其中，通过焊前图像可以确保焊接表面的清洁和准备工作，以消除污染物，确保焊接区域的质量；通过焊中图像可以获取焊接过程中的参数和内部的熔融状态，实时监控焊接质量，及时发现并纠正潜在问题，有助于即时调整参数，提高焊接的一致性和效率；通过焊后图像可以对焊接后的焊缝进行质量检测，包括检测缺陷、裂缝、孔洞等，方便进行后续处理，例如去除焊渣、进行表面抛光等，以满足最终产品的外观和功能要求。本发明实施例解决了目前的焊接质量检测多为焊前检测或焊后检测，不具备焊中检测的能力，无法实现实时地在线全面检测的问题，能够对焊前、焊中以及焊后的质量不分时段地进行实时地、非破坏性地监控，有助于及时发现并纠正潜在的问题，有助于避免缺陷和提高生产效率，确保最终产品的可靠性。

图3是本发明实施例提供的一种分束模块的结构示意图，参考图1-图3，该分束模块120包括第一耦合器121，第一耦合器121的输出端分别光连接第一光纤1221、第二光纤1222和第三光纤1223；第一光纤1221用于传输第一样品光11，第二光纤1222用于传输第二样品光12，第三光纤1223用于传输第三样品光13。

本发明实施例中，可设置第一光纤1221、第二光纤1222和第三光纤1223两两之间的长度差△L满足：△L≥C/F；其中，F为检测激光束的激光脉冲频率，C为光速。

此时，三个光纤两两的长度差大于激光脉冲的波长，可以使样品光由三个光纤输出时产生大于或等于一个波长的相位差，从而能够保证三束样品光具有较大的相位差，可以方便图像处理模块130进行相位解析。

继续图3，进一步地，分束模块120还包括光角度调整架123，第一光纤1221、第二光纤1222和第三光纤1223的输出端分别固定在光角度调整架123上，以使第一光纤1221、第二光纤1222和第三光纤1223的输出端分别对准待焊样品300的表面的焊前位置、焊中位置和焊后位置。

图4是本发明实施例提供的一种光干涉成像***的结构示意图，参考图1-图4，激光干涉成像***110包括：宽带光源111，用于出射原始激光束；第二耦合器112，宽带光源111与第二耦合器112光连接，第二耦合器112用于将原始激光束分束为参考光束和样品光束；参考臂113，用于传输参考光束并将参考光束的反射光束反馈至第二耦合器112；样品臂114，与分束模块120光连接，用于将样品光束作为检测激光束传输至分束模块120，并将合束后的第一样品光11、第二样品光12和第三样品光13在待焊样品300的表面形成的反射光束反馈至第二耦合器112，以使参考光束的反射光束和合束后的第一样品光11、第二样品光12和第三样品光13的反射光束进行干涉；光谱探测器115，与第二耦合器112光连接，用于探测参考光束的反射光束和合束后的第一样品光11、第二样品光12和第三样品光13的反射光束形成的干涉光，获得干涉图像。

需要补充的是，如图4所示，该激光干涉成像***110中还包括隔离器116，宽带光源111通过隔离器116与第二耦合器112光连接，此处隔离器116的作用为避免参考臂113或样品臂114返回的光束入射到宽带光源111中，对宽带光源111产生干扰。

继续参考图1-图4，进一步地，激光焊接设备200包括第一滤光片210和反射振镜220；焊接激光束依次经第一滤光片210、反射振镜220的反射，照射至待焊样品300的表面；样品臂114包括准直镜1141、第二滤光片1142和反射镜1143；样品光束依次经准直镜1141和第二滤光片1142的透射，反射镜1143的反射，第一滤光片210的透射，以及反射振镜220的反射，入射至第一耦合器121中。

其中，第一滤光片210和第二滤光片1142均为短通滤光片，其作用是选择透过***的短波长光，以便优化对于焊接区域的成像和测量。SD-OCT***的光源可能会发出多个波长的光，而短波通滤光片可用于选择特定的短波长光，使其通过***，从而有助于匹配***对焊缝内部结构的最佳探测范围。短波通滤光片可用于排除那些不会提供有关焊接区域深度信息的长波长光，从而优化对焊缝内部结构的深度成像。在焊接区域，可能存在来自其他光源或环境的非相关信号，短波通滤光片可以帮助抑制这些非相关信号，提高成像的信噪比和清晰度。反射振镜220的作用是改变焊接激光束和检测激光束的传播方向，使其在待焊样品300表面实现扫描，即实现依次焊接的过程。此外，该激光焊接设备200中还设置有场镜230和气体喷嘴240。场镜230的作用是引导激光束并将其聚焦到焊接区域，以便实现对焊缝的精确成像和测量。场镜230能够聚焦焊接激光束，使其在焊接区域形成一个小而清晰的聚焦点。这有助于提高***的空间分辨率，使得能够更准确地探测焊接区域的微观结构。场镜230同样用于导引检测激光束的路径，确保检测激光能够准确地照射到焊缝表面，以便获取有关焊接区域的深度信息。场镜230可以调整光路的角度，使其适应不同焊接条件和不同焊缝形状，从而提高***的适用性和灵活性。气体喷嘴240的作用是在激光焊接过程中，焊缝区域可能被烟雾、气体或其他颗粒物污染，影响光学成像质量。气体喷嘴240可通过向焊接区域提供气体流来清理潜在的污染物，确保SD-OCT***获得清晰的成像。高温激光焊接过程中，气体喷嘴240还可用于提供冷却，以防止焊接区域过热。从而有助于保护光学元件和确保SD-OCT***的正常运行。一些激光焊接过程可能涉及气体辅助，例如激光等离子弧焊（Laser Plasma Arc Welding，LPAW）。气体喷嘴240可以用于引导辅助气体流，与焊接区域的激光交互，同时保持焊接区域的清洁。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测方法，图5是本发明实施例提供的一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测方法的流程图，首先，该检测方法应用于本发明任一实施例中的基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测***中，可适用于激光焊接质量检测的情况，该方法可以由基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测***中的图像处理模块来执行，其中该图像处理模块可由软件和/或硬件实现。参考图1-图5，该检测方法包括如下步骤：

S110、获取激光干涉成像***的干涉图像。

该步骤是在激光焊接设备进行激光焊接，且激光焊接质量检测***进行焊前、焊中和焊后检测的同时进行的。在激光焊接质量检测***进行焊接质量检测的过程中，会通过激光干涉成像***出射检测激光束，分束模块会将检测激光束分束为第一样品光、第二样品光和第三样品光，并且分别照射到待焊样品的表面的焊前位置a、焊中位置b和焊后位置c并形成反射光束，分束模块再将第一样品光、第二样品光和第三样品光的反射光束合束；激光干涉成像***则接收合束后的第一样品光、第二样品光和第三样品光在待焊样品的表面形成的反射光束，并形成干涉图像。由此，该步骤中的干涉图像即为激光干涉成像***接收三束样品光的反射光束与参考光形成的干涉图像，如前文所述，此处的干涉图像包含三束样品光采集的待焊样品焊前位置a、焊中位置b和焊后位置c的图像信息。此步骤获取激光干涉成像***的干涉图像，则实质是在焊接过程中实时获取焊前图像信息、焊中图像信息和焊后图像信息的汇总图像信息的过程。

S120、对激光干涉成像***的干涉图像进行相位解析，分别获得焊前图像、焊中图像和焊后图像。

同样如前文所述，此处的干涉图像是三束样品光采集的待焊样品焊前位置a、焊中位置b和焊后位置c的图像信息后的反射光，与参考光形成的干涉图像，该三束样品光两两之间存在相位差。由此，该步骤则实质是利用该三束样品光两两存在相位差的特性，对不同相位的三束样品光进行解析的过程，由此可以将三束样品光在待焊样品焊前位置a、焊中位置b和焊后位置c的图像信息进行提取，实现对待焊样品各位置在焊接过程中焊前、焊中和焊后的监测。

上述技术方案，通过首先获取激光干涉成像***的干涉图像，然后对激光干涉成像***的干涉图像进行相位解析，分别获得焊前图像、焊中图像和焊后图像，其中，通过焊前图像可以确保焊接表面的清洁和准备工作，以消除污染物，确保焊接区域的质量；通过焊中图像可以获取焊接过程中的参数和内部的熔融状态，实时监控焊接质量，及时发现并纠正潜在问题，有助于即时调整参数，提高焊接的一致性和效率；通过焊后图像可以对焊接后的焊缝进行质量检测，包括检测缺陷、裂缝、孔洞等，方便进行后续处理，例如去除焊渣、进行表面抛光等，以满足最终产品的外观和功能要求。本发明实施例解决了目前的焊接质量检测多为焊前检测或焊后检测，不具备焊中检测的能力，无法实现实时地在线全面检测的问题，能够对焊前、焊中以及焊后的质量不分时段地进行实时地、非破坏性地监控，有助于及时发现并纠正潜在的问题，有助于避免缺陷和提高生产效率，确保最终产品的可靠性。

图6是本发明实施例提供的另一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测方法的流程图，本实施例是在上一实施例基础上进行地细化。本实施例中，对于上述实施例的步骤S120、对激光干涉成像***的干涉图像进行相位解析，分别获得焊前图像、焊中图像和焊后图像，具体细化包括如下步骤：

利用干涉图像，绘制在待焊样品的移动方向上不同位置的灰度曲线图；

将灰度曲线图进行傅里叶变换，由时域曲线转换为频域曲线；

在频域曲线中寻找待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置对应的频率主峰；

提取待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的频率主峰对应的主相位；

在待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的主相位附近进行等相位插值处理，获得待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的附近相位信息；

根据待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的附近相位信息，计算待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的单点深度图像信息；

根据待焊样品分别在垂直待焊样品移动方向上不同的焊前位置、焊中位置和焊后位置的单点深度图像信息，计算获得待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的截面深度图像；

根据移动过程中不同时刻的待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的截面深度图像，计算获得待焊样品在整个焊接过程中分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的立体深度图像。

本实施例尚未详尽的内容请参考上一实施例。

如图6所示，本实施例提供的一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测方法，包括如下步骤：

S210、获取激光干涉成像***的干涉图像；

S220、利用干涉图像，绘制在待焊样品的移动方向上不同位置的灰度曲线图；

此步骤则是将干涉图像转换为灰度信息进行表示的过程。需要补充说明的是，在待焊样品相对激光焊接设备移动的过程中，焊中位置在实时变化，同时，本发明实施例的激光焊接质量检测***会在当前时刻的焊前、焊中和焊后位置进行监测，获取干涉图像。因此，此步骤则是对各时刻获取的干涉图像，绘制相应的灰度曲线图的过程。

此外，还需要说明的是，由于激光干涉成像***会受环境噪声、温度噪声等噪声的影响，其生成的干涉图像中会存在噪声信号，因此，在该步骤S220之前，需要对干涉图像进行去底噪处理，以此避免质量监测受环境、温度等的干扰。

S230、将灰度曲线图进行傅里叶变换，由时域曲线转换为频域曲线；

S240、在频域曲线中寻找待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置对应的频率主峰；

上述步骤S230和步骤S240则是将时域图像转换为频域进行分析的过程。由于待焊样品在焊前位置、焊中位置和焊后位置会呈现不同的状态，三束样品光在三个位置的反射光会有明显区别，干涉信息会有区别，在频域上会有一定差异。此两个步骤则是在频域曲线上分别确定出焊前、焊中和焊后位置的对应图像信息的过程。

S250、提取待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的频率主峰对应的主相位；

S260、在待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的主相位附近进行等相位插值处理，获得待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的附近相位信息；

S270、根据待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的附近相位信息，计算待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的单点深度图像信息；

由上述步骤S240可以区分和获得焊前、焊中和焊后位置对应的图像信息的基础上，步骤S250~S270则是基于三个频域信息换算为相位信息，并增加相位信息丰富程度，以利用充分的相位信息还原三个位置的图像信息的过程。具体地，步骤S250中即是将焊前、焊中和焊后对应的频率信息转换为相位信息，步骤S260则是利用焊前、焊中和焊后对应的相位信息作为基础，填补细节相位信息的过程，步骤S270则是利用焊前、焊中和焊后的详细相位信息，转换为图像的过程，并且，由于激光干涉成像的特性，此处利用相位转换的图像实质为对应位置不同深度处的图像，也即单点深度图像。

需要补充说明的是，此步骤S270实质是执行A-Scan一维扫描模式，即沿单一方向即深度方向测量反射信号的强度，其作用是提供关于样品内部结构的深度分布信息。通过分析返回的光信号，可以确定组织的性质，如密度、反射率等。A-Scan可用于检测焊缝熔深的位置和质量。通过测量反射信号的强度和深度分布，可以确定焊缝的存在以及其在焊接材料中的位置和形状。

S280、根据待焊样品分别在垂直待焊样品移动方向上不同的焊前位置、焊中位置和焊后位置的单点深度图像信息，计算获得待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的截面深度图像；

S290、根据移动过程中不同时刻的待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的截面深度图像，计算获得待焊样品在整个焊接过程中分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的立体深度图像。

上述步骤S280和S290则是将焊前、焊中和焊后三个位置的不同深度的点信息，拼接为面信息，再拼接为立体信息的过程。通过上述两步骤，即可获得焊接过程中各位置的立体的监测图像。

同样需要补充说明的是，上述步骤S280则实质是执行B-Scan二维扫描模式，同时沿两个方向即深度方向和垂直待焊样品的移动的水平方向，测量反射信号的强度，生成类似于医学超声的横截面图像，其作用是提供更全面、更直观的组织结构信息，通过将多个A-Scan沿着横向位置排列，可以形成B-Scan图像，显示出样品在不同深度的横截面结构。而上述步骤S290则实质是执行C-Scan三维扫描模式，通过在待焊样品移动方向上的不同位置，对两个方向即深度方向和垂直待焊样品的移动的水平方向进行B-Scan扫描，可以获取样品表面的三维图像，其作用是提供样品表面的整体结构信息。C-Scan图像可以显示样品表面的形状、纹理和任何突出物或凹陷，对于检测表面病变或评估样品表面特征非常有用。

还需要补充的是，在步骤S270获得焊前、焊中和焊后位置的各点深度图像信息后，由于各点深度图像信息可能会因为激光在待焊样品内部的衰减问题，导致不同深度的图像信息存在自然差异。基于此，上述实施例中，在步骤S270之后，在步骤S280之前，可增加如下步骤：S271、对待焊样品分别在焊前位置、焊中位置和焊后位置的单点深度图像信息进行归一化。不同深度的单点深度图像信息可具有统一的参考标准，在步骤S280中进行拼接形成截面图时，能够通过不同深度图像的对比反映熔融状态，获得熔融深度。

在上述实施例基础上，由于步骤S280中可获得待焊样品在焊前、焊中和焊后位置的截面深度图像，即各位置的截面图，针对于此，本发明实施例中，还可在上述步骤S280之后，增加如下步骤：

S281、根据待焊样品在焊中位置的截面深度图像，拟合获得待焊样品在焊接过程中的熔融深度曲线；

S282、在熔融深度曲线中标注出熔融深度评价情况。

此两个步骤的作用为分析焊中位置的熔融状态，利用焊中位置的截面图像可以获知该位置的熔融深度。由于焊接过程中可实时进行焊中图像的采集，此步骤S281则实质是对焊接过程中各位置的焊中的熔融深度进行汇总，获得不同位置的熔融深度曲线，从而方便用户了解焊接过程中各位置的实际熔融状态。步骤S281中的拟合方式可采用Halcon拟合。基于焊接过程中各位置的熔融状态，步骤282则实质是自动标注熔融深度评价情况的过程。本领域技术人员可知，焊中时熔融的深度为焊接质量的重要指标参数，因此，此处的熔融深度评价情况可以理解为焊接质量评价，也即，通过步骤S281和S282可以实现焊中状态的实时自动评价，方便用户及时发现并纠正焊接时存在的问题，从而及时调整参数，保证焊接的质量。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测***，其特征在于，应用于激光焊接设备中，所述激光焊接设备用于发射焊接激光束，以对相对移动状态下的待焊样品进行激光焊接；

所述检测***包括：

激光干涉成像***，用于出射检测激光束；

分束模块，用于将所述检测激光束进行分束，形成第一样品光、第二样品光和第三样品光，所述第一样品光、所述第二样品光和所述第三样品光两两之间存在相位差，所述第一样品光、所述第二样品光和所述第三样品光在所述待焊样品的移动方向上依次照射所述待焊样品的表面的焊前位置、焊中位置和焊后位置并形成反射光束；所述分束模块还用于将所述第一样品光、所述第二样品光和所述第三样品光的反射光束合束；

所述激光干涉成像***还用于接收合束后的所述第一样品光、所述第二样品光和所述第三样品光在所述待焊样品的表面形成的反射光束，并形成干涉图像；

图像处理模块，用于获取所述激光干涉成像***的所述干涉图像，并对所述激光干涉成像***的所述干涉图像进行相位解析，分别获得焊前图像、焊中图像和焊后图像。

2.根据权利要求1所述的检测***，其特征在于，所述分束模块包括第一耦合器，所述第一耦合器的输出端分别光连接第一光纤、第二光纤和第三光纤；

所述第一光纤用于传输所述第一样品光，所述第二光纤用于传输所述第二样品光，所述第三光纤用于传输所述第三样品光。

3.根据权利要求2所述的检测***，其特征在于，所述分束模块还包括光角度调整架，所述第一光纤、所述第二光纤和所述第三光纤的输出端分别固定在所述光角度调整架上，以使所述第一光纤、所述第二光纤和所述第三光纤的输出端分别对准所述待焊样品的表面的所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置。

4.根据权利要求2所述的检测***，其特征在于，所述第一光纤、所述第二光纤和所述第三光纤两两之间的长度差△L满足：△L≥C/F；其中，F为所述检测激光束的激光脉冲频率，C为光速。

5.根据权利要求2所述的检测***，其特征在于，所述激光干涉成像***包括：

宽带光源，用于出射原始激光束；

第二耦合器，所述宽带光源与所述第二耦合器光连接，所述第二耦合器用于将所述原始激光束分束为参考光束和样品光束；

参考臂，用于传输所述参考光束并将所述参考光束的反射光束反馈至所述第二耦合器；

样品臂，与所述分束模块光连接，用于将所述样品光束作为所述检测激光束传输至所述分束模块，并将合束后的所述第一样品光、所述第二样品光和所述第三样品光在所述待焊样品的表面形成的反射光束反馈至所述第二耦合器，以使所述参考光束的反射光束和合束后的所述第一样品光、所述第二样品光和所述第三样品光的反射光束进行干涉；

光谱探测器，与所述第二耦合器光连接，用于探测所述参考光束的反射光束和合束后的所述第一样品光、所述第二样品光和所述第三样品光的反射光束形成的干涉光，获得所述干涉图像。

6.根据权利要求5所述的检测***，其特征在于，所述激光焊接设备包括第一滤光片和反射振镜；所述焊接激光束依次经所述第一滤光片、所述反射振镜的反射，照射至所述待焊样品的表面；

所述样品臂包括准直镜、第二滤光片和反射镜；

所述样品光束依次经所述准直镜和所述第二滤光片的透射，所述反射镜的反射，所述第一滤光片的透射，以及所述反射振镜的反射，入射至所述第一耦合器中。

7.一种基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测方法，其特征在于，应用于如权利要求1-6任一项所述的基于光学相干层析成像的激光焊接质量检测***中，所述检测方法包括：

获取所述激光干涉成像***的干涉图像；

对所述激光干涉成像***的干涉图像进行相位解析，分别获得焊前图像、焊中图像和焊后图像。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，对所述激光干涉成像***的干涉图像进行相位解析，分别获得焊前图像、焊中图像和焊后图像，包括：

利用所述干涉图像，绘制在所述待焊样品的移动方向上不同位置的灰度曲线图；

将所述灰度曲线图进行傅里叶变换，由时域曲线转换为频域曲线；

在频域曲线中寻找所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置对应的频率主峰；

提取所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述频率主峰对应的主相位；

在所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述主相位附近进行等相位插值处理，获得所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的附近相位信息；

根据所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述附近相位信息，计算所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的单点深度图像信息；

根据所述待焊样品分别在垂直所述待焊样品移动方向上不同的所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述单点深度图像信息，计算获得所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的截面深度图像；

根据移动过程中不同时刻的所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述截面深度图像，计算获得所述待焊样品在整个焊接过程中分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的立体深度图像。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，根据所述待焊样品分别在垂直所述待焊样品移动方向上不同的所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述单点深度图像信息，计算获得所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的截面深度图像之后，还包括：

根据所述待焊样品在所述焊中位置的截面深度图像，拟合获得所述待焊样品在焊接过程中的熔融深度曲线；

在所述熔融深度曲线中标注出熔融深度评价情况。

10.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，根据所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述附近相位信息，计算所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的单点深度图像信息之后，根据所述待焊样品分别在垂直所述待焊样品移动方向上不同的所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的所述单点深度图像信息，计算获得所述待焊样品分别在所述焊前位置、所述焊中位置和所述焊后位置的截面深度图像之前，还包括：

对所述待焊样品分别在所述焊前位置、焊中位置和焊后位置的单点深度图像信息进行归一化。