[发明专利]使用内联相干成像(ICI)监视和/或控制摆动处理的系统和方法

说明书

系统和方法可以用于监视和/或控制在摆动图案中移动工艺光束的材料处理，例如摆动焊接工艺。当至少一个工艺光束根据工件的处理部位(例如，焊接部位)上的摆动图案移动时，内联相干成像(ICI)系统将成像光束至少部分地独立于工艺光束移动到摆动图案上的一个或多个测量位置并在那些位置上获得ICI测量值(例如，深度测量值)。ICI测量值可以用于例如评估焊接工艺期间的小孔和/或熔体池特性。尽管本申请描述了摆动焊接工艺，但是本文描述的系统和方法也可以与在包括但不限于增材制造、标记和材料去除的处理期间激光或其他能量光束被摆动或抖动的其他材料处理应用一起使用。

相关申请

本申请要求于2019年5月28日提交的标题为“使用内联相干成像(ICI)监视和/或控制摆动焊接的系统和方法”的美国临时申请序列号62/853,368的权益，并要求于2018年7月19日提交的标题为“利用内联相干成像对铜和铝合金的摆动焊接”的美国临时申请序列号62/700,606的权益，在此通过引用将该两件美国临时申请全部并入本文。

技术领域

本公开涉及监视和/或控制材料处理，并且更具体地涉及使用内联相干成像(ICI)监视和/或控制在摆动图案中移动工艺光束的材料处理(例如，摆动焊接)的系统和方法。

背景技术

虽然用于工业应用的非铁合金的激光焊接正在扩大，但是也提出了一些挑战。例如，铝和铜合金对近红外工业激光波长的低吸收阻止了小孔(keyhole)的初始形成，这对于将能量有效地联接到工件中可能是必需的。一旦建立了小孔，熔体的低粘度(例如，与铁合金相比)可能会造成工艺稳定性的降低和缺陷的可能性的提高。

对于诸如铝、铜和其他非铁合金之类的具有挑战性的材料，将高亮度光纤激光源(例如，单模/低模)与动态光束偏转(或光束摆动)结合起来可能是一种在精确控制材料表面上的激光功率分布的同时在光物质相互作用部位保持高水平的辐射强度的有效方法。一种用于更快速、更精确地移动光束的“摆动焊接”技术包括使用可移动的反射镜为摆动图案提供光束，例如，如美国专利申请公开号2016/0368089中更详细地公开的那样，该美国专利申请是共有的并通过引用完全并入本文。这种摆动焊接工艺可以改善工艺稳定性，特别是在焊接铜和铝时，并且还可以提供减少的飞溅和孔隙率以及对完成的焊接几何形状的额外控制的度。因此，稳定、可重复和可控制的结果已被证明具有广泛的工业应用潜力。

对产生这些工业上有利的最终结果的小孔和熔体池动力学的更详细的研究对于进一步利用摆动焊接技术的价值是宝贵的。然而，通过摆动焊接引入的额外自由度可能会使使用通过基于光电二极管的传感器或高速相机进行工艺监视来记录小孔动力学的任务变得更加困难。

发明内容

根据一个方面，一种激光材料处理系统包括：材料改性光束源，该材料改性光束源用于产生工艺光束；以及处理头，该处理头联接到材料改性光束源并且包括至少一个工艺光束扫描致动器，该至少一个工艺光束扫描致动器用于在工件的处理部位上根据摆动图案沿至少一个轴线来引导和移动工艺光束。内联相干成像(ICI)系统光学地联接到处理头，并且包括至少一个成像光束扫描致动器，该至少一个成像光束扫描致动器用于至少部分地独立于工艺光束使成像光束定位。控制系统至少控制材料改性光束源、工艺光束扫描致动器和成像光束扫描致动器。控制系统被编程为使处理头在摆动图案中扫描工艺光束，并使成像光束扫描致动器将成像光束与摆动图案协同地移动到处理部位上的多个测量位置。

根据另一方面，提供了一种用于监视摆动焊接工艺的方法。该方法包括：将工艺光束和来自内联相干成像(ICI)系统的至少一个成像光束引导到工件的焊接部位；将工艺光束在工件的焊接部位上的摆动图案中移动；将至少一个成像光束至少部分地独立于工艺光束移动到焊接部位上的多个测量位置；以及当工艺光束在摆动图案中移动时，从多个测量位置获得ICI测量值。

附图说明

通过阅读以下结合附图的具体实施方式，将更好地理解这些以及其他特征和优点，在附图中：