使用根据内联相干成像ICI确定的成像信号密度来监视材料加工制造技术

系统、方法和装置用于使用针对例如在内联相干成像(ICI)期间被引导到工件或加工区域的成像光束计算的成像信号密度来监视材料加工。例如，可以使用成像信号密度来监视激光和电子束焊接工艺，例如完全熔透焊接或部分熔透焊接。在一些示例中，成像信号密度作为来自小孔底板和/或来自小孔下方的次表面结构的反射的结果来指示焊接熔透。例如，监视可以包括对焊接或材料加工或由此生产的部件的自动合格/失败或质量评估。还可以例如使用成像信号密度数据作为反馈来将成像信号密度用于控制焊接或材料加工。成像信号密度可以单独使用或与其他测量值或度量一起使用，例如与距离或深度测量值一起使用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用根据内联相干成像ICI确定的成像信号密度来监视材料加工相关申请本申请要求于2018年12月19日递交的美国临时申请No.62/782,071的权益，通过引用将该申请整体并入本文。
本公开涉及监视材料加工，并且更具体地，涉及使用根据内联相干成像(ICI)确定的成像信号密度来监视材料加工。
技术介绍
内联相干成像(InlineCoherentImaging，ICI)可以用于通过检测来自工件的、与被引导至工件的加工光束内联(inline)的反射来监视各种类型的过程。ICI总体上涉及：朝向工件引导成像光束连同加工光束并使用干涉仪来接收成像光束的反射，并产生指示工艺和/或工件的特性(例如焊接小孔(keyhole)深度)的输出。在美国专利No.8,822,875、9,757,817和10,124,410中更详细地描述了ICI的示例，这些专利是共有的并且通过引用整体并入本文。激光焊接是可以利用ICI来有效地监视的过程的一个示例。由于加工参数超出公差、输入原料的变化、或熔池和蒸汽通道或小孔中的自然波动或不稳定性，所有类型的激光焊接通常都包含缺陷。直接测量小孔或蒸汽通道熔透对于缺陷检测是非常重要的，而ICI是实现这一目标的第一种工业上可行的技术。ICI对于检测盲/部分熔透蒸汽通道中的缺陷非常有效，但对于完全熔透焊接工艺不那么有效。ICI通常用于测量到背向散射界面(例如，小孔底部)的光路(opticalpath)长度，从而在小孔完全熔透材料时产生不稳定的数据。在利用ICI进行监视时，某些激光焊接技术会带来独特的挑战。例如，在摆动(wobble)焊接技术中，加工光束在焊接期间以摆动模式快速移动。在利用ICI监视摆动焊接时，将成像光束与小孔、相变区域(PCR)或其他工件子区域对准会带来挑战，这是因为加工光束以摆动模式移动。
技术实现思路
与本公开的一个方面一致，一种方法包括：生成加工光束，并将所述加工光束引导到工件以用于材料加工；生成成像光束，并将所述成像光束引导到工件；至少根据成像光束中的从工件反射的分量来产生干涉测量输出；检测干涉测量输出以产生干涉测量数据；以及根据干涉测量数据来确定成像信号密度。与本公开的另一方面一致，一种方法包括：使用内联相干成像(ICI)产生工件的多个A扫描，其中，A扫描按距离或时间间隔开；以及通过以下操作来确定ICI信号密度：确定每个A扫描是否包含在信号密度阈值以上的测量点，以及计算A扫描的仓内满足该条件的A扫描的百分比。与本公开的另一方面一致，一种系统包括：材料加工系统，被配置为生成加工光束并朝向工件引导加工光束；以及内联相干成像(ICI)系统，被配置为：生成成像光束，以与加工光束一起朝向工件引导成像光束，根据成像光束的反射来产生干涉测量输出，以及检测干涉测量输出以产生ICI数据。该系统还包括监视系统，其被编程用于：接收ICI数据并至少确定ICI成像信号密度。附图说明通过结合附图阅读以下详细描述，将更清楚上述和其他特征和优点，在附图中：图1是与本公开的实施例一致的具有内联相干成像(ICI)系统的、能够使用成像信号密度来监视材料加工的材料加工系统的示意图。图2A是与根据本公开的实施例一致的用于使用成像信号密度来监视材料加工的方法的流程图。图2B是与根据本公开的实施例一致的用于确定成像信号密度的方法的流程图。图3A至图3C是与本公开的实施例一致的用于确定成像信号密度的不同信号密度算法的示图。图4A是示出与本公开的实施例一致的作为沿焊接的定位(position)的函数的小孔信号密度图的图像。图4B是示出与本公开的实施例一致的针对沿焊接的多条A线处的一系列A扫描的小孔原始数据图的图像，其指示作为沿焊接的定位的函数的小孔深度。图5A至图5E是与本公开的实施例一致的可以利用激光来对接焊接(buttwelded)并使用成像信号密度来监视的部件的图示。图6是示出与本公开的实施例一致的针对已经被激光对接焊接的部件的原始ICI数据的图像，该原始ICI数据指示作为焊接长度的函数的深度。图7图示与本公开的实施例一致的作为距离(焊接长度)的函数的焊接激光功率和成像信号填充因子(密度)的曲线图。图8A至图8E是示出与本公开的实施例一致的原始ICI数据的图像，该原始ICI数据指示作为出于合格/失败质量保证的目的而仅使用成像信号密度(或填充因子)评估的焊接长度的函数的深度。图9是示出与本公开的实施例一致的原始ICI数据的图像，该原始ICI数据指示作为出于合格/失败质量保证的目的而使用成像信号密度(或填充因子)和距离测量值所评估的焊接长度的函数的深度。图10A和图10B是与本公开的实施例一致的具有次表面凹穴(subsurfacepocket)的其他部件几何形状中的焊接熔透的示意图，该焊接熔透可以使用成像信号密度来监视。图11A至图11C是与本公开的实施例一致的使用不同的激光功率执行的对接焊接的焊接根部的图像，该不同的激光功率可以使用成像信号密度来监视。图12A至图12C是作为焊接长度的函数的、图11A至图11C所示的对接焊接的ICI小孔测量的图。图13是示出作为沿焊接的距离的函数的、图11A至图11C所示的焊接的填充因子(或成像信号密度)的图。图14是示出针对较低速度对接焊接的ICI小孔测量(顶部)和成像信号密度的图。图15A是作为电池标签摆动焊接工艺的焊接长度的函数的深度跟踪A扫描测量的图，在电池标签摆动焊接工艺中，与成像光束定位的小孔对准根据摆动焊接模式而周期性地变化。图15B示出与图15A中的深度跟踪数据对应的信号密度图，其中虚线示出了在后续处理步骤中使用的恒定信号密度阈值水平。图15C示出根据图15B的信号密度和阈值水平而将来自图15A的深度跟踪A扫描测量分类为“表面”和“小孔”深度测量的图，其中分类的通道在曲线图上通过有界区域来标识。图15D示出通过减去图15C中的小孔深度和表面数据而获得的相对于小孔深度的局部表面高度参考的小孔深度的图，其中局部表面高度由零深度处的虚线表示。具体实施方式与本公开一致的系统、方法和装置用于使用针对例如在内联相干成像(ICI)期间被引导到工件或加工区域的成像光束计算的成像信号密度来监视材料加工。例如，可以使用成像信号密度来监视激光和电子束焊接工艺，例如使用脉冲焊接、点焊接和/或摆动焊接执行的完全熔透焊接或部分熔透焊接。在一些示例中，成像信号密度作为来自小孔底板和/或来自小孔下方的次表面结构的反射的结果来指示焊接熔透。监视可以包括对焊接或材料加工或由此生产的部件的自动合格/失败或质量评估。还可以例如使用成像信号密度数据输出作为反馈来将成像信号密度用于控制焊接或材料加工和/或监视。成像信号密度可以单独使用或与其他测量值或度量一起使用，例如与距离或深度测量值一起使用。如本文所用，内联相干成像(ICI)是指以下过程：出于测量工艺和/或工件的特性的目的，将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，包括：/n生成加工光束，并将所述加工光束引导到工件以用于材料加工；/n生成成像光束；/n将所述成像光束引导到工件；/n至少根据成像光束中的从所述工件反射的分量来产生干涉测量输出；/n检测所述干涉测量输出以产生干涉测量数据；以及/n根据所述干涉测量数据来确定成像信号密度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181219 US 62/782,0711.一种方法，包括：
生成加工光束，并将所述加工光束引导到工件以用于材料加工；
生成成像光束；
将所述成像光束引导到工件；
至少根据成像光束中的从所述工件反射的分量来产生干涉测量输出；
检测所述干涉测量输出以产生干涉测量数据；以及
根据所述干涉测量数据来确定成像信号密度。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，检测所述干涉测量输出包括：产生所述工件的多个A扫描，并且其中，确定成像信号密度包括：确定每个A扫描是否包含在信号密度阈值以上的测量点，以及计算A扫描的仓内满足该条件的A扫描的百分比。


3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述工件的所述多个A扫描是在所述工件的加工区域上间隔开的多条A线处产生的。


4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述工件的所述多个A扫描是按时间间隔开的。


5.一种方法，包括：
使用内联相干成像ICI产生工件的多个A扫描，其中，所述A扫描按距离或时间间隔开；以及
通过以下操作来计算ICI信号密度：确定每个A扫描是否包含在信号密度阈值以上的测量点，以及计算A扫描的仓内满足该条件的A扫描的百分比。


6.一种用于使用内联相干成像ICI来监视材料改性工艺的计算机实现的方法，所述方法包括：
使用ICI来接收表示工件的多个A扫描的A扫描数据；以及
通过以下操作来确定ICI信号密度：确定A扫描中的每一个是否包含在阈值以上的测量点，以及计算A线的仓内满足该条件的A线的百分比。


7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，所述信号密度阈值是用户定义的。


8.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，所述仓是用户定义的。


9.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，所述仓是从第一条A线开始首尾相接地定义的。


10.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，所述仓是以重叠的方式定义的。


11.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，所述仓是相对于包含在所述信号密度阈值以上的测量点的A线以重叠的方式来定义的。


12.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，确定所述信号密度包括：将平滑算法应用于计算出的百分比。


13.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：使用所述信号密度来监视材料加工。


14.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：使用所述信号密度来控制材料加工。


15.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：使用所述信号密度来检查材料、部件、组件或产品。


16.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：使用所述信号密度来执行自动合格/失败质量评估。


17.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：使用所述信号密度来在完全熔透焊接工艺期间监视小孔。


18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述完全熔透焊接工艺是对包括次表面空隙的工件执行的。


19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述小孔旨在侵入所述次表面空隙。


20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述小孔不旨在侵入所述次表面空隙。


21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述工件包括沿着加工轴线的位于所述次表面空隙的相对侧上的搁架结构。


22.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：使用所述信号密度来在部分熔透焊接工艺期间监视小孔。


23.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：使用所述信号密度来在完全熔透焊接工艺期间监视熔池。


24.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：使用所述信号密度来在部分熔透焊接工艺期间监视熔池。


25.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：在材料改性工艺前或之前，使用所述信号密度来监视材料表面。


26.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：在材料改性工艺后或之后，使用所述信号密度来监视材料表面。


27.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：在材料改性工艺前或之前，使用所述信号密度来检查材料的表面状况。


28.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：在材料改性工艺后或之后，使用所述信号密度来检查材料的表面状况。


29.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：使用所述成像光束来确定至少一个其他测量值。


30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述至少一个其他...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗·M·加尔布雷思，乔丹·坎科，保罗·J·L·韦伯斯特，科勒·万乌拉茨科，吉纳维芙·艾利沙贝特·海斯，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国;US