格物优信红外热像仪：激光焊接过程温度场全域监测与质量闭环控制解决方案

激光焊接凭借能量密度高、热输入可控、热影响区窄、加工效率高等技术优势，广泛应用于新能源动力电池、航空航天构件、轨道交通、精密电子、汽车车身制造等高端制造领域。激光焊接冶金质量高度依赖熔池、匙孔与热影响区的瞬态温度场演化行为，但焊接过程存在毫秒级温度剧烈波动、强激光反射干扰、等离子体与金属蒸汽遮挡、飞溅烟尘等复杂工况，传统热电偶、单点高温计等检测手段存在响应滞后、单点测量、易损毁、无法获取二维温度场等短板，难以支撑工艺量化分析与在线质量闭环控制。本文系统剖析激光焊接测温技术瓶颈，阐述格物优信高速红外热像仪技术架构、核心硬件能力、抗干扰光学设计、热场分析算法，结合动力电池、航空合金、精密器件焊接典型工况，解析从工艺研发、产线在线监测到缺陷预警、数据溯源的完整落地路径，为国产激光焊接装备智能化升级提供技术参考。

一、引言

在智能制造大背景下，激光焊接已经成为高端装备制造核心连接工艺。光纤激光器功率持续提升，从千瓦级向万瓦级高速激光焊接、激光电弧复合焊接方向演进，焊接速度、熔深、材料适配范围持续扩大，铝合金、铜合金、钛合金等高反射难焊材料大规模工业化应用格物优信。焊接质量直接决定产品服役安全性，动力电池顶盖、壳体激光焊接一旦出现虚焊、未熔合、气孔、裂纹，会直接带来电池热失控风险；航空航天薄壁构件焊接产生晶粒粗大、热裂纹，会降低构件疲劳寿命，造成重大安全隐患。

激光焊接冶金过程本质是激光能量耦合形成匙孔与熔池，金属快速熔化、流动、凝固的瞬态物理冶金过程。熔池峰值温度可突破 20003000℃，整个熔池生命周期仅数毫秒，匙孔形态随激光功率、焊接速度、离焦量、保护气状态动态变化，温度场空间梯度极大，熔池、热影响区、母材温度跨越上千摄氏度区间。焊缝缺陷与温度场分布强耦合：峰值温度过高，易出现烧穿、焊缝塌陷、晶粒过度长大；峰值温度不足，会发生未熔合、冷焊；冷却速率异常，会诱发结晶裂纹、气孔缺陷。实现焊接全过程温度场可视化、量化采集，是优化工艺窗口、在线识别缺陷、构建焊接闭环控制系统的必要前提格物优信。

长期以来，国内激光焊接工艺调试高度依赖工程师经验，依靠金相切片、无损探伤等事后检测手段反向迭代工艺参数，试错周期长、成本高昂，无法实现 100% 全流程在线检测。传统测温手段局限性日益凸显：热电偶属于接触式测量，响应时间百毫秒级别，无法捕捉毫秒级熔池瞬态变化，高温熔池环境极易损毁；单点高温计仅获取微小光斑内单点温度，缺失二维温度分布信息，无法评估热影响区温度梯度，飞溅、烟尘、激光反射光极易造成读数漂移甚至探测器饱和损坏格物优信。高速红外热成像以非接触面阵测温、毫秒级成像响应、宽温域测量的技术特性，成为解决激光焊接过程监测的核心技术路线。格物优信立足国产红外探测器自主研发，推出面向激光焊接场景的高速非制冷 XH 系列与制冷型 YOSEEN 6800NA 系列红外热像仪，针对激光强光干扰、高动态温度梯度、微小熔池成像等行业痛点完成光学、硬件、算法深度定制，覆盖实验室工艺研发与自动化产线在线监测两大场景，推动激光焊接从 “经验调参” 向 “数据驱动智能质控” 转型格物优信。

二、激光焊接温度场监测核心技术难点

激光焊接的极端工况，对红外热成像系统光学、探测器、信号处理、算法都提出严苛要求，主要技术难点集中在以下五个维度。

2.1 瞬态高温过程，时间维度捕捉难度大

激光焊接熔池从形成、匙孔振荡、金属流动到凝固冷却，完整过程持续时间仅数毫秒。高速焊接工况下，工件移动速度可达数米每分钟，熔池在视场内停留时间极短。普通工业热像仪帧率通常 2550Hz，单帧时间 20ms 以上，会丢失熔池峰值温度、匙孔振荡等关键瞬态信息，出现数据断层、画面拖影，无法还原真实热演化过程。要完整记录熔池动态，设备需要具备百赫兹级别全幅帧频，热响应时间控制在数毫秒以内，实现和焊接过程时序同步触发采集。

2.2 强激光反射、等离子体弧光光学干扰

激光加工光源能量密度可达 10⁶10⁸W/cm²，大量反射光、散射光伴随等离子体发光、金属蒸汽焰、飞溅火花叠加在一起。普通红外镜头没有针对性滤光设计，强杂光会造成探测器饱和，图像大面积过曝，温度读数严重失真，极端情况下强光直射直接烧毁探测器芯片。干扰光谱包含激光基波、等离子体可见光近红外辐射，需要依靠定制化光谱滤光方案，在保留工件红外热辐射信号的同时，抑制激光波段与等离子体杂散光，这是激光焊接测温首要技术壁垒格物优信。

2.3 宽动态温度梯度，发射率复杂变化

同一帧热图像中，熔池峰值温度 20003000℃，热影响区数百摄氏度，母材接近室温，动态测温跨度超过 2500℃。同时金属熔融状态、固态母材表面、氧化层，发射率数值差异巨大；铜铝等高反射金属固态状态发射率极低，熔化之后发射率显著提升，焊接过程中发射率实时动态变化，普通固定发射率补偿算法会带来显著测温误差，需要适配高温熔融金属的动态辐射校正模型。

2.4 微小熔池 / 匙孔空间分辨率挑战

激光焊接匙孔开口通常小于 1mm，熔池尺寸多在毫米级别，部分精密脉冲激光焊焊点尺寸仅 0.10.5mm。常规工业镜头视场大、空间分辨率不足，熔池在画面中仅占少数像素，温度采样点数不足，无法分辨熔池内部温度分布、匙孔区域热特征。必须搭配微距 / 显微红外光学镜头，缩小观测视场，提升空间分辨率，实现微小熔池区域有效成像测温格物优信。

2.5 产线环境复杂，工程化集成门槛高

工业现场持续存在焊接烟尘、金属飞溅、振动冲击，光学窗口容易被飞溅物污染；设备需要适配机器人焊接工位，支持与 PLC、激光控制系统、机器人控制器时序同步；需要输出标准化数据接口，完成热图、温度数据流实时上传，支持阈值报警、缺陷特征提取；同时满足长时间 7×24 小时连续在线运行，具备良好防护等级与抗振动冲击性能，科研实验室和工业产线对设备要求差异巨大，通用热像仪难以直接落地焊接工位。

三、格物优信激光焊接专用红外热像仪系统技术方案

针对上述行业痛点，格物优信构建分层产品矩阵，分为面向产线大规模在线监测的 XH 高速非制冷系列，以及面向科研工艺研发、高精度微小熔池观测的 YOSEEN 6800NA 制冷型中波热像仪，从探测器硬件、定制光学系统、同步采集、软件算法、工程防护五个维度完成全链路定制化开发格物优信。

3.1 硬件探测器平台选型

3.1.1 XH 系列高速非制冷热像仪（产线在线监测主力机型）

X384H/X640H 作为激光焊接产线主力机型，采用自研氧化钒非制冷焦平面探测器，分辨率 384×288 /640×512，全幅帧频最高 125Hz，热响应时间≤4ms，兼顾帧率、体积、功耗与成本优势，适合大批量自动化产线部署。设备机身紧凑，防护等级 IP67，抗冲击 40g，抗振动 10grms 三轴向，适应焊接工位振动、粉尘工况；供电支持 1236V 工业直流供电，适配车间工控环境，支持 SDK 二次开发，方便对接产线 MES、PLC 系统，实现数据对接与联动报警。

3.1.2 YOSEEN 6800NA 制冷型中波红外热像仪（科研研发、高精度测试）

搭载第三代 MCT 碲镉汞制冷探测器，NETD 噪声等效温差≤20mK，温度分辨能力远高于非制冷机型，可捕捉熔池内部细微温度梯度变化；测温范围40℃~3000℃，可扩展至 3500℃，全帧帧频 200Hz，支持开窗模式进一步提升帧率，适配脉冲激光焊、高速激光焊机理研究。中波 35μm 工作波段，对于高温熔融金属辐射信号采集更有优势，同时对烟尘、水汽穿透性更好，适合铝合金、铜合金等高反射材料焊接机理研究，用于实验室工艺窗口摸索、金相对照试验、匙孔行为分析，输出高精度二维温度场原始数据，为工艺数据库搭建提供原始素材格物优信。

产品选型逻辑：大批量产线在线质量监控优先选用 XH 非制冷高速系列，兼顾性能与成本；新材料新工艺研发、熔池匙孔微观机理研究、微小焊点高精度测温场景，选用 YOSEEN 6800NA 制冷型热像仪。

3.2 定制化抗强光光学系统，解决激光焊接光谱干扰

光学系统是激光焊接测温成败的关键，格物优信不采用简单减光片，而是针对不同工业激光波段（1064nm 光纤激光、绿光激光等）开发专用窄带复合滤光组件，滤除激光基波反射光、等离子体可见光近红外杂散光，保留中波红外热辐射信号，实现 “抑制干扰光，保留焊接本体热辐射”，避免探测器饱和过曝，保证熔池热图像有效成像测温格物优信。

同时提供完整镜头矩阵：标准工业镜头、微距镜头、显微红外镜头，可根据熔池实际尺寸匹配视场。对于动力电池顶盖 0.21mm 微小焊缝，配置微距镜头实现微米级空间分辨率，保证熔池区域足够像素采样；大尺寸构件焊接选用标准镜头兼顾观测范围。光学窗口配套气吹保护组件，压缩空气吹扫镜头保护窗，阻挡飞溅、烟尘附着镜片表面，保障长期在线工作成像质量，降低维护频次。

3.3 多源信号同步触发架构

激光焊接属于瞬态过程，如果热像仪采集时序和激光出光时序错位，会丢失关键焊接阶段数据。系统支持硬件电平触发，可直接接入激光器控制器、机器人 IO 信号，实现激光出光瞬间同步启动热像仪采集，精准对齐预热起弧熔池形成凝固冷却全时序。同时支持外部编码器同步，跟随焊接机器人运动轨迹，消除运动带来的图像模糊问题，保证每一段焊缝对应完整的温度场热图与温度数据流，实现焊缝位置与热数据一一对应，便于后续缺陷定位追溯格物优信。

3.4 专业焊接热场分析软件与智能算法

配套 YoseenIR 专业热分析软件，面向激光焊接场景做深度功能迭代，区别于通用工业测温软件。

二维温度场可视化：实时输出完整热图像，获取熔池、匙孔、热影响区、母材数十万计温度点，直观展示温度梯度分布，不再局限单点读数；可自定义 ROI 感兴趣区域，提取熔池峰值温度、平均温度、热影响区宽度、升降温速率等关键特征参数。

动态发射率补偿模型：针对固态金属、熔融金属发射率突变问题，内置高温熔融金属辐射校正模型，适配钢、铝、铜、钛合金等常见焊接母材，降低熔融状态测温误差。

多维度曲线输出：输出峰值温度曲线、温升速率曲线、冷却速率曲线、热影响区温度变化曲线，可导出 CSV 原始数据，用于和金相结果对标，建立 “温度特征冶金缺陷” 映射关系。

缺陷智能识别与阈值告警：基于温度阈值、温升斜率、区域温差多维度判定逻辑，识别未熔合（峰值温度偏低）、过热烧穿（峰值温度超限）、局部温度异常波动（气孔、匙孔失稳先兆），毫秒级输出开关量报警信号，直接对接产线 PLC，实现报警停机、标记不良工件。

完整数据溯源归档：热图视频、温度原始数据、报警记录自动存储，绑定工件条码，对接 MES 系统，实现每一件产品焊接热过程全记录，满足质量追溯、质检体系审核要求。

开放 SDK 开发包：支持 C++、Python 二次开发，用户可自主开发闭环控制逻辑，将温度特征作为反馈量，实时调节激光功率、焊接速度，搭建激光焊接热场闭环控制系统格物优信。

3.5 工程化防护与安装集成方案

工业焊接工位环境恶劣，设备提供标准化安装支架，支持侧视、斜视角观测，也支持同轴光路集成方案；水冷 / 风冷可选，高温车间环境保障设备机芯稳定工作；防护窗口气吹组件隔离飞溅烟尘；宽电压工业供电，抗电磁干扰，适配机器人激光焊接工作站 7×24 小时不间断在线运行。

四、典型工业应用场景落地实践

4.1 新能源动力电池激光焊接在线监测

动力电池制造中，顶盖密封焊、极柱焊接、壳体封口焊大量使用光纤激光焊。焊接缺陷如虚焊、未熔合、气孔、爆点，会直接带来电池泄露、热失控重大安全风险。传统人工抽检、事后 X 光检测成本高，无法做到全件检测。

应用方案：格物优信 X640H 高速红外热像仪部署在激光焊接工位，搭配抗激光干扰滤光片与微距镜头，硬件 IO 和激光器同步触发，实时采集焊缝区域二维温度场。系统实时提取熔池峰值温度、温度波动特征，当出现峰值温度持续偏低判定为虚焊风险；局部温度骤升骤降识别匙孔失稳、气孔先兆；输出报警信号，标记不良电芯。所有热图像、温度数据与电芯编码绑定归档，实现全件热过程记录。

应用成效：某新能源车企产线实际应用，实现电芯焊接 100% 在线检测，焊接不良识别率显著提升，焊接缺陷漏检大幅下降；海量温度数据支撑工艺迭代，缩小工艺窗口波动，焊缝一致性提升，减少报废返修成本，同时为电池安全溯源提供原始热过程证据格物优信。

4.2 航空航天钛合金、高强钢构件激光焊接工艺研发

航空薄壁钛合金构件对焊接热输入极其敏感，热输入过大晶粒粗化，热输入不足熔深不够，冷却速率不当极易产生热裂纹。研发阶段需要大量工艺试验，研究不同激光功率、焊接速度、离焦量条件下熔池匙孔温度场演化规律，建立工艺窗口。

应用方案：选用 YOSEEN 6800NA 制冷型中波热像仪，搭配微距镜头，硬件同步触发完整捕获毫秒级熔池热场，获取熔池峰值温度、冷却速率、热影响区温度分布，将热成像数据与金相切片、力学性能试验结果做对标，建立温度特征与焊缝组织、力学性能之间的对应关系，快速筛选最优工艺参数组合，缩短新材料新工艺研发周期，减少试样耗材消耗，降低研发成本格物优信。

4.3 铜铝等高反射材料精密激光焊接

铜、铝金属反射率高，激光能量耦合波动大，焊接工艺窗口窄，极易出现熔深不稳定、虚焊缺陷。固态铜铝发射率很低，熔融之后发射率显著变化，给测温带来很大难度。格物优信中波制冷热像仪适配高反射金属焊接场景，依靠中波波段辐射特性优势，配合动态发射率校正算法，有效捕捉熔池真实温度场，用于铜母线、水冷板、电子器件脉冲激光焊接工艺调试与在线监测。

4.4 脉冲激光精密点焊、微型器件焊接

消费电子、传感器元器件脉冲激光点焊，焊点尺寸零点几毫米，焊接持续时间仅毫秒级别。普通测温设备无法捕捉微小焊点热过程。采用格物优信热像仪搭配显微红外镜头，实现微小焊点区域成像，监测焊点升温、熔化、冷却全过程温度曲线，识别过焊、虚焊，服务精密器件制造质控格物优信。

五、红外热成像与其他焊接监测技术对比

当前激光焊接在线监测技术路线丰富，各有技术边界，红外热成像技术具备独特优势，同时也存在技术边界。

高速可见光成像：可以观察熔池、匙孔表面形貌，但是只能获取可见光图像，无法直接得到温度数值，强光下容易过曝，不能反映热影响区温度梯度。

光谱等离子监测：采集等离子体光谱信号，间接反映激光能量耦合状态，属于单点统计信号，没有空间维度信息，无法获取完整二维温度场。

OCT 光学相干层析：可观测匙孔深度形貌，获取熔深信息，但是无法得到温度场分布，设备成本高，工程化难度大。

单点高温计：输出单点温度，缺少面分布，无法评估热影响区，飞溅烟尘容易造成读数失效。

红外热成像（格物优信方案）：非接触获取完整二维温度场，同时得到熔池峰值温度、热影响区温度梯度、升降温速率；可做工艺研发也可以产线大规模部署；短板是直接获取表面温度，无法直接测量焊缝内部熔深，工程上需要结合金相标定，建立温度特征与熔深的映射关系，也可以和 OCT、可见光高速相机做多传感器融合监测，实现形貌 + 温度多维度信息采集，进一步提升监测可靠性。

在实际工程中，红外热成像不是替代其他检测手段，而是作为核心热感知单元，既可以独立完成在线质量预警，也可以与视觉、光谱、OCT 组成多传感融合监测系统，服务高端激光焊接智能化装备。

六、发展趋势与总结

国内激光焊接装备正在快速向智能化、数字化方向演进，传统依靠人工经验的工艺模式正在被数据驱动模式替代。温度场是焊接过程最核心的物理量，红外热成像监测将成为激光焊接工作站的重要感知模块。未来发展方向有几个方面：第一，更高帧频、更高灵敏度国产红外机芯持续迭代，进一步捕捉微秒级瞬态熔池匙孔行为；第二，AI 深度学习算法，基于海量热图像样本，直接从热场特征识别气孔、裂纹、未熔合等多种缺陷，降低人工阈值设置难度；第三，多传感器融合，红外热成像搭配可见光高速成像、OCT、光谱传感器，实现温度、形貌、等离子信号多源信息融合；第四，深度闭环控制，把红外热像仪输出的熔池温度特征实时反馈给激光控制系统，动态调节功率、速度，实现焊接过程自适应闭环；第五，标准化与国产化替代，打破进口热像仪垄断，降低高端焊接监测设备采购与维护成本，适配国内工业产线大规模普及。

格物优信激光焊接红外热像仪解决方案，依托国产自研红外探测器，针对激光焊接强光干扰、毫秒级瞬态热场、微小熔池成像等痛点完成光学、硬件、算法全链条定制，XH 高速非制冷系列满足大批量产线在线监测，YOSEEN 6800NA 制冷型面向科研机理研究，覆盖从实验室工艺开发到自动化产线质量管控全流程。通过二维全域温度场可视化，把看不见的焊接热过程转化为可量化、可存储、可分析的数据，帮助制造企业摆脱纯经验调参模式，优化工艺窗口，降低不良率，实现焊接质量可感知、可预警、可追溯，助力国内激光焊接制造装备智能化升级。