0 引言

新能源汽车的动力电池作为核心部件，其制造质量直接决定整车安全性与可靠性。焊接工序占电池制造关键工序成本的40%，且决定了80%以上的电池系统安全性。激光焊接凭借能量密度高、热影响区窄等优势，已成为动力电池极耳、壳体和极柱焊接的核心工艺，但铝合金等高反射材料在焊接时易受工艺参数波动影响，产生虚焊、气孔和焊穿等缺陷。虚焊、焊穿等缺陷会引发接触电阻异常、局部过热，进而诱发电池热失控、整车召回等安全事故。据行业统计，动力电池包故障中，18.2%源于焊接不良；2025年国内动力电池企业因焊接缺陷导致的模组报废率高达6.7%，直接经济损失超20亿元。

熔深是评价焊接质量的核心指标，熔深不足易引发未焊透、接头失效，熔深过大则直接导致焊穿、单体电池报废。传统离线、有损检测方法存在效率低、滞后性强等局限，难以适配动力电池规模化生产的全流程质控需求。OCT技术凭借微米级分辨率、非接触实时成像特性，可精准检测熔池动态与焊后熔深，通过近红外光干涉原理实现熔深参数在线测量与缺陷实时检测，为动力电池焊接质量闭环控制提供关键技术支撑。

本文以铝合金激光搭接焊为对象，重点探究OCT对熔深的检测准确度及典型焊接缺陷的识别能力，为提升动力电池焊接在线质控水平提供试验依据与理论参考。

1 OCT原理介绍

传统激光焊接质量评定以有损金相检测为金标准，但该方法需对焊缝实施破坏性切割取样，仅能开展抽样检测，无法实现焊缝的100%全检。检测时以局部截面表征焊缝整体质量，样本代表性不足，易引发质量误判，且每次取样均会造成合格工件直接报废。

OCT是一种基于低相干光干涉原理的无创成像技术，能够对生物组织或材料内部进行微米级分辨率的三维层析成像，可实现焊缝100%全区域在线无损检测。其主要组成部分包括宽带低相干光源、探测器以及信号处理与图像重建系统等。在本试验搭建的激光焊接系统中，OCT检测单元集成安装于扫描振镜之上，如图1所示。

图1 OCT原理

工作过程中，OCT探测光源发出的检测光束经振镜偏转后同轴辐照至熔池区域，通过获取熔池区域的背向散射干涉信号，实现焊接过程稳定性监测与焊接缺陷的在线识别。其原理为：光源发射两束光，在熔池内部发生反射和散射，当两束光的光程差小于光源相干长度时，产生可检测的相干信号，再通过光谱分析获得三维或二维重建图像。核心公式为傅里叶变换公式，通过对干涉光谱进行傅里叶变换，可直接获取全深度的反射率信息。

式中，A(z)为样品深度反射率分布；S(k)为干涉光谱；Z₀为光程差对应的深度。

2 检测准确度

OCT系统在实际激光焊接工况下的检测准确度，直接关系到焊接状态的有效判别、工艺缺陷的及时预警以及参数闭环控制的可靠性。若检测精度存在偏差，会直接影响对焊缝熔深合格性的客观判定，严重时还会引发工艺参数误调节，进而诱发未焊透、熔深不足及焊穿失效等质量问题。因此，系统地研究OCT检测精度的变化规律并揭示其内在机理，对提升激光焊接在线监测的稳定性与可靠性具有重要的理论意义与工程应用价值。

2.1 试验方案

本文试验对象为1.5mm+3mm双层1060铝合金板材，焊接方式采用搭接熔焊，其中1.5mm厚铝合金板置于上层，3mm厚板材作为下层基底。焊接过程中通过专用夹具对搭接试样进行刚性夹紧，严格控制板材装配间隙小于0.3mm。焊前采用无水乙醇对待焊区域表面进行擦拭处理，去除油污、氧化膜及杂质，以保证焊接过程稳定性与界面结合质量。具体焊接工艺参数如表1所示。

本研究整体试验方案分为两部分：第一部分在固定焊接工艺参数条件下，对焊后试样沿焊缝进行金相取样，测量实际熔深并统计过程能力指数Cpk，将其作为基准值与OCT在线检测结果进行对比分析，探究OCT在铝合金激光焊接熔深检测中的定量准确度；第二部分通过调节试验条件制备典型焊接缺陷，系统研究OCT对不同缺陷类型的识别能力与识别效率。

为保障检测数据的有效性与可靠性，试验沿焊缝长度方向选取前、中、后三个特征截面开展金相取样分析，各特征截面熔深对应的试样显微形貌如图2所示。试验选取0.5mm、1.0mm和1.5mm三组典型熔深参数，每组熔深均经过多次重复取样验证，过程能力指数Cpk＞1.67，确保熔深样本的测量过程稳定性。为抑制随机误差对测量结果的影响，对每组熔深的金相实测数据取算术平均值作为最终基准值。OCT检测数据采用与金相检测一致的多点平均取样方法，以同步减小检测过程中的随机误差，确保两种检测方式的误差控制逻辑统一。

图2 试样显微形貌图

2.2 原因分析

不同熔深条件下的焊缝金相显微图像如图3所示，图中黄色虚线区域为实际熔深轮廓。金相实测熔深与OCT检测值的对比数据如表2所示。由图3和表2可知：实际熔深为0.5mm时，OCT检测值为0.495mm，二者相对偏差仅1%；熔深增至1.0mm时，OCT检测值为1.025mm，相对偏差升至2.5%；熔深进一步增大至1.5mm时，相对偏差达4.7%。结果表明，OCT检测精度与熔深呈显著相关：熔深越小，检测一致性越高；随实际熔深增大，相对偏差逐步上升，1.5mm时偏差达到峰值4.7%。此外，检测过程中存在小幅波动。试验区间内，OCT检测值与金相基准值的相对偏差为1%~5%，整体偏差随熔深增大持续升高，且最大相对偏差不超过5%。

图3 不同熔深金相

产生上述差异的核心物理原理可归纳为三点：

一是光学穿透衰减效应。OCT基于低相干光背向散射干涉实现深度探测，金属材料对探测波段的入射光存在明显吸收与散射作用。熔深增大意味着光在材料内部传播路径显著延长，光强呈指数衰减，熔池底部深层区域的背向散射信号大幅减弱，信噪比较低，系统难以准确识别真实熔深谷底位置，导致测量值偏小。

二是深熔焊缝几何遮挡效应。浅熔深时焊缝截面相对平缓，OCT光束可近似垂直入射至熔深最低点；随着熔深增加，焊缝多呈深窄、大倾角的“钉形”或漏斗形截面，入射光易被焊缝侧壁反射、遮挡，无法有效照射至熔深最底部并获取反射信号，探测界面被动上移，测量结果系统性偏低。

三是系统探测灵敏度限制。OCT对微弱散射信号的识别存在信噪比阈值，熔深越大，深层返回信号越接近噪声底限，干涉峰值模糊，深度定位精度下降，最终表现为熔深越大、测量误差越大的规律。

OCT的探测信号本质来源于参考光与样品背向散射光的低相干干涉，探测器接收光强满足公式：

式中，I_r,和I_{s ,} 分别为参考光与样品背向散射光强；为波数；为探测深度；g()为光源相干自相关函数。

首先，随熔深增大光学穿透衰减效应。金属对OCT波段入射光存在显著吸收与多重散射，光在介质内传播时强度近似呈指数衰减。随着熔深增大，光在材料内部往返光程显著增加，样品背向散射光强I_s，急剧降低，直接导致干涉公式中的干涉交叉项幅值大幅下降，深层信号信噪比显著劣化，系统无法准确识别熔深谷底对应的干涉极值位置，最终表现为测量值系统性偏小。
其次，深熔焊缝几何遮挡效应。浅熔深工况下焊缝截面平缓，OCT光束近似垂直人射至熔深最低点，光程匹配良好。随着熔深增加，焊缝呈深窄钉形或漏斗形，侧壁倾角增大，光束易被侧壁反射遮挡而无法抵达真实底部。从光学分辨率角度，OCT横向分辨率由聚焦系统决定:

式中，δx为横向分辨率；λ₀为OCT光源的中心波长；f 为聚焦透镜的焦距；D为入射光束的有效口径；NA为光学系统的数值孔径；为正比符号。

大倾角截面会使有效聚焦位置偏离最深点，等效探测界面上移；同时实际光程偏离理想位置，相位位置出现偏移，干涉峰值位置与真实深度不对应，进一步造成测量偏低。

3 对缺陷的识别能力

在激光焊接实际工业化生产中，OCT作为实现焊缝在线无损监测的关键技术，其系统性能不仅需要追求对焊接熔深的高精度定量识别，同时也必须具备对各类焊接缺陷的可靠判别能力。焊缝熔深尺寸直接决定接头承载能力与结构完整性，而焊接缺陷的产生则会显著破坏焊缝连续性与致密性，引发接头强度下降、疲劳寿命劣化乃至服役失效等问题，直接影响整体焊接质量与产品安全可靠性。因此，OCT监测精度与缺陷识别有效性共同构成了焊接过程质量闭环控制的核心依据，对实现工艺稳定调控、缺陷提前预警具有至关重要的意义。

3.1 试验方案

试验方案参照本文上部分实施，通过主动调控焊接工艺参数及试验条件，人为制备典型缺陷试样，系统探究OCT技术对各类焊接缺陷的识别能力。如表3所示的统计结果可以看出，OCT可有效识别炸孔、虚焊、焊缝填充不足及焊接功率波动等缺陷类型，但对激光铝合金焊接中的焊穿缺陷无法实现有效判别。

3.2 原因分析

激光铝合金焊接中OCT无法识别焊穿缺陷的核心本质，是信号链路断裂、成像条件崩塌及环境干扰耦合的三重效应共同作用的结果。铝合金高反射与强散射直接切断了有效干涉信号的传输链路，焊穿形貌的突变特征破坏了低相干干涉与深度重构的基础条件，而焊穿伴随的等离子体与飞溅进一步加剧了光路干扰与信号劣化。三者协同下，OCT的干涉信号、分辨率特性及频域重构能力均无法捕捉焊穿的结构与深度特征，最终表现为焊穿缺陷的完全识别失效。

从OCT光强干涉核心公式可知，正常熔深工况下，焊缝底部为连续、平缓的固液界面，可满足OCT低相干干涉的光程匹配与反射界面连续性要求；而焊穿缺陷会使焊缝底部形成非连续、穿透型、边缘陡峭的通孔结构，失去稳定的背向散射反射面，此时，光源相干自相关函数快速衰减至零，不再满足低相干干涉的核心条件，干涉信号完全消失。

成像分辨率维度也进一步印证了这一理论，OCT横向分辨率由聚焦光学系统决定，公式为，焊穿形成的穿透型结构会使入射光束无法有效聚焦于特定深度点，而是沿侧壁扩散；同时，频域OCT核心公式依赖于干涉光谱的傅里叶变换重构深度信息，焊穿场景下无稳定的反射峰值特征，变换后的深度域反射率分布呈现无特征的平坦状态，系统无法通过峰值定位识别穿透性缺陷。

4 结语

本研究以1.5mm+3mm1060铝合金搭接激光焊为对象，系统探究了OCT技术在动力电池焊接在线质控中的核心性能，明确了其适用边界与精度变化规律。实验证实，OCT熔深检测值与金相实测值一致性良好，相对偏差随熔深增大呈显著递增趋势，在0.5～1.5mm熔深区间内偏差为1%～4.7%，最大不超过5%，完全满足动力电池规模化生产的定量检测精度要求，偏差产生源于光学穿透衰减、深熔焊缝几何遮挡及系统探测灵敏度限制三大机理。在缺陷识别方面，OCT可稳定识别炸孔、虚焊、焊缝填充不足及功率波动等常见缺陷，但受低相干干涉成像原理限制，焊穿缺陷会导致有效干涉信号链路断裂，无法实现有效识别。综上，OCT技术可有效弥补传统金相检测的局限，未来可通过信号增强算法与多传感融合方案，进一步完善其全类型缺陷识别能力。

参考文献

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[2] 李俐群,陈彦宾,雷正龙.铝合金激光焊接缺陷形成机制及在线检测技术[J].激光技术,2019,43(3):289-295.

[3]张冬云,王磊,赵旭东.基于OCT的激光焊接熔深在线测量方法与精度分析[J].机械工程学报,2022,58(12):1-9.

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