激光焊OCT熔深测量去噪及数据拟合方法研究学术报告

作者及机构
本研究由广东工业大学机电工程学院广东省焊接工程技术研究中心的黄贻蔚、高向东、李来明、马波、张艳喜合作完成，发表于《激光技术》（*Laser Technology*）2024年7月第48卷第4期。

学术背景
本研究属于激光焊接工艺与光学检测技术的交叉领域。激光焊接因其高能量密度特性广泛应用于工业制造，但焊接过程中熔深（穿透深度）的实时监测一直是技术难点。传统熔深检测方法（如高温计、光电二极管等）依赖间接信号，易受干扰且精度不足；X射线成像虽能直接观测匙孔（keyhole）行为，但存在辐射危害。光学相干层析成像（optical coherence tomography, OCT）技术以其非接触、高分辨率的特点成为解决方案，但匙孔焊接中液相/气相的剧烈振荡会导致OCT原始信号含大量噪声，需开发高效去噪算法以提取准确的熔深曲线。本研究旨在提出一种结合百分位滤波（percentile filtering）与移动平均算法（moving average）的OCT熔深曲线拟合方法，提升熔深测量精度。

研究流程

1. 实验系统搭建与数据采集
- 设备配置：
- 激光焊接系统：采用2000W单模准连续光纤激光器（波长1.08μm），倾斜安装以匹配OCT光路。
- OCT检测系统：超辐射发光二极管（SLD）光源，采样率80 kHz，测量光束与加工激光同轴对准，通过分束器实现工件表面基准测量（图1）。
- 研究对象：3 mm厚304不锈钢板材，实验分三组样例（a、b、c），参数如下：
- 样例a：功率500 W，焊接速度20 mm/s，离焦量0 mm；
- 样例b/c：功率500 W/560 W，速度20 mm/s。

2. 数据处理流程
- 原始数据特征：OCT采集的熔深数据呈散点分布（图3），需区分有效信号（匙孔底部反射）与噪声（匙孔壁反射、金属蒸气干扰等）。
- 百分位滤波：
- 算法原理：对时间窗口（τ=200）内的数据排序，取第p百分位数（p=5%、25%、50%）作为当前时刻熔深估计值（公式1-2）。
- 结果：p=5%时曲线与实际熔深吻合最佳，但存在尖峰干扰（图7-8），推测为匙孔坍塌形成气孔所致（与金相观测的气孔证据一致）。
- 移动平均滤波：
- 算法优化：对百分位曲线进行低通滤波（窗口t=300），通过算术平均消除高频噪声（公式3）。
- 滞后效应：因激光倾斜入射，拟合曲线趋势略滞后于实际熔深（图9）。

3. 验证方法
- 金相对照：对焊缝纵剖面精细磨抛，通过电子显微镜获取金相图片（图4a），提取实际熔深曲线（图4b红线）并数值化（图5）。
- 误差分析：定义平均误差e=Σ|δd_i|/(n×d)，δd_i为拟合值与实际值差值，d为实际熔深均值。三组样例对比显示，联合算法误差控制在5%内，较单独百分位滤波精度最高提升15%（表1）。

主要结果
1. 算法性能验证：
- 百分位滤波（p=5%）可初步提取熔深趋势，但尖峰噪声导致局部偏差（样例a误差4.93%）；
- 移动平均滤波显著平滑尖峰，联合算法误差降至4.21%（样例a），证明其鲁棒性（图9-11）。
2. 匙孔动力学关联：OCT信号的不规则性与X射线观测的匙孔坍塌现象（文献[19]）一致，验证了气孔干扰的物理机制。
3. 工艺参数影响：激光入射角度（文献[20]）导致的信号滞后需在工业应用中校准。

结论与价值
1. 科学价值：
- 提出百分位滤波（非线性平滑）与移动平均（线性滤波）的级联去噪框架，为高动态激光焊接过程提供了一种精准的信号处理方法。
- 揭示了OCT噪声与匙孔动态行为的关联性，补充了熔深检测的理论模型。
2. 应用价值：
- 算法可集成于工业OCT系统，实现熔深实时监控（误差%），避免传统方法辐射危害或间接测量的局限。
- 为激光焊接自动化质量控制（如缺陷预警、工艺调整）提供可靠数据支持。

研究亮点
1. 方法创新：首次将百分位滤波与移动平均算法结合用于OCT熔深去噪，兼顾数据分布特性与平滑需求。
2. 多模态验证：通过金相分析、多参数实验（功率/速度）交叉验证算法普适性。
3. 工程导向：算法参数（τ=200，p=5%，t=300）经实验优化，可直接移植至工业设备。

其他发现
- 激光倾斜角引起的信号滞后提示OCT光路需与加工头同步校准，此为未来改进方向。