(57)【要約】  システム及び方法は、ウォブル溶接加工などの加工ビームがウォブルパターンで動かされる材料加工を監視及び／または制御するために使用されうる。少なくとも１つの加工ビームはワークピースの加工箇所（例えば溶接個所）でウォブルパターンに従って動かされる一方、ＩＣＩシステムは、ウォブルパターンの１つまたは複数の測定位置に、加工ビームとは少なくとも部分的に独立して撮像ビームを動かし、それらの位置においてＩＣＩ測定値（例えば深さ測定値）を得る。ＩＣＩ測定値は、例えば、溶接加工の間のキーホール及び／または溶融プール特性を評価するために使用されうる。本出願はウォブル溶接加工を説明するが、本明細書で説明されるシステム及び方法はまた、レーザーまたはその他のエネルギービームが、限定することなく、アディティブ製造、マーキング及び材料除去を含む加工の間、ウォブルまたはディザーされるその他の材料加工用途でも使用されうる。
2021530360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工ビームを発生させるための材料改変ビーム源と、
前記材料改変ビーム源に結合され、ワークピースの加工箇所上の少なくとも１つの軸においてウォブルパターンに従って、前記加工ビームの方向を変更し、動かすための少なくとも１つの加工ビーム走査アクチュエーターを含む、加工ヘッドと、
前記加工ヘッドに光学的に結合され、撮像ビームを少なくとも部分的に前記加工ビームとは独立に位置決めするための少なくとも１つの撮像ビーム走査アクチュエーターを含む、インラインコヒーレントイメージング（ＩＣＩ）システムと、
少なくとも前記材料改変ビーム源、前記加工ビーム走査アクチュエーター及び前記撮像ビーム走査アクチュエーターを制御するための制御システムと、を含み、
前記制御システムが、前記加工ヘッドに前記ウォブルパターン内で前記加工ビームを走査させるようにプログラムされ、
前記制御システムが、前記撮像ビーム走査アクチュエーターに、前記ウォブルパターンと協調して前記加工箇所における複数の測定位置に前記撮像ビームを動かさせるようにプログラムされた、レーザー材料加工システム。
【請求項２】
前記加工ヘッドが、前記加工ビームを溶接個所の前記ウォブルパターンに従って方向を変更し、動かすためのウォブルヘッドである、請求項１に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項３】
前記材料改変ビーム源がファイバーレーザーである、請求項１に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項４】
前記加工ビームが前記ワークピース上の前記ウォブルパターン内で動かされる間、前記加工ヘッド及び前記ワークピースの少なくとも１つを、互いに対して並進運動移動するための少なくとも１つの移動ステージをさらに含む、請求項１に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項５】
前記ＩＣＩシステムが、前記少なくとも１つの加工ビーム走査アクチュエーターの下流において前記加工ヘッドに光学的に結合された、請求項１に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項６】
前記制御システムが、前記撮像ビーム走査アクチュエーターに、前記加工ビームの移動とは反対の方向に、前記ウォブルパターンと同期して前記ウォブルパターンに沿って前記撮像ビームを動かさせるようにプログラムされた、請求項５に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項７】
前記制御システムが、前記撮像ビーム走査アクチュエーターに、前記加工ビームの方向に、ウォブルパターンと同期して前記ウォブルパターンに沿って前記撮像ビームを動かさせるようにプログラムされた、請求項５に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項８】
前記ＩＣＩシステムが、前記少なくとも１つの加工ビーム走査アクチュエーターの上流で溶接ヘッドに光学的に結合された、請求項１に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項９】
前記撮像ビームがウォブルパターンを少なくとも部分的に取り囲む走査パターンで加工箇所を走査するように、前記制御システムが、前記撮像ビーム走査アクチュエーターに前記撮像ビームを動かさせるようにプログラムされた、請求項１に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項１０】
前記制御システムが、前記ＩＣＩシステムからの測定値に応じて、ウォブル幾何形状、ウォブル周期、ウォブル速度及びウォブルの大きさの少なくとも１つを調整するように前記加工ビーム走査アクチュエーターを制御するように構成された、請求項１に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項１１】
前記制御システムが、前記ＩＣＩシステムからの測定値に応じて、前記加工ビームのパワーを制御するように構成された、請求項１に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項１２】
前記加工ビーム走査アクチュエーターが、前記ワークピースにおいて±３０ｍｍの最大ビーム変位で前記加工ビームを動かすように構成された、請求項１に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項１３】
前記加工ビーム走査アクチュエーターが、ウォブルの大きさを提供するために±５°の最大ビーム角度変位で前記加工ビームを動かすように構成された、請求項１に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの加工ビーム走査アクチュエーター及び前記少なくとも１つの撮像ビーム走査アクチュエーターが、ガルバノメーター走査ミラー、多角形走査ミラー、ＭＥＭＳベース走査ミラー、圧電走査ミラー及び回折ベースビームスキャナーからなる群から選択された、請求項１に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項１５】
前記制御システムが、前記撮像ビームが前記ウォブルパターン内の前記加工ビームの位置に従って前記ワークピースの表面において前記加工ビームから動的にオフセットされるように、前記撮像ビーム走査アクチュエーターに前記撮像ビームを動かさせるようにプログラムされた、請求項１に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項１６】
加工放射を測定するように構成された補助測定システムをさらに含む、請求項１に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項１７】
前記補助測定システムが、１００ｎｍから１ｍｍのスペクトル帯域の加工放射を測定する、請求項１６に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項１８】
前記補助測定システムが、前記加工ビームに対して空間的に局在化された測定を実行するための光学素子を含む、請求項１６に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項１９】
前記補助測定システムが、前記ＩＣＩシステムからの少なくとも１つの出力に基づいて、前記加工ビームから動的にオフセットされた測定位置において、空間的に局在化された測定を実行するように構成された、請求項１８に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項２０】
前記補助測定システムが、前記撮像ビームに対して空間的に局在化された測定を実行するための光学要素を含む、請求項１６に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項２１】
前記制御システムが、前記撮像ビームが前記補助測定システムの少なくとも１つの出力に基づいて前記加工ビームから動的にオフセットされるように、前記撮像ビーム走査アクチュエーターに、前記撮像ビームを動かさせるようにプログラムされた、請求項１６に記載のレーザー材料加工システム。
【請求項２２】
インラインコヒーレントイメージング（ＩＣＩ）システムからワークピースの溶接個所へ加工ビーム及び少なくとも１つの撮像ビームを向ける段階と、
前記加工ビームを前記ワークピースの前記溶接個所においてウォブルパターンで動かす段階と、
前記少なくとも１つの撮像ビームを、前記溶接個所の複数の測定位置へ、前記加工ビームから少なくとも部分的に独立して動かす段階と、
前記加工ビームが前記ウォブルパターンを動く際に、前記複数の測定位置からＩＣＩ測定値を得る段階と、を含む、ウォブル溶接加工を監視する方法。
【請求項２３】
前記加工ビームが前記溶接個所の前記ウォブルパターンを動かされる際に、前記加工ビーム及び前記ワークピースの少なくとも１つを互いに対して並進運動移動する段階をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記撮像ビームを動かす段階が、前記ワークピースの前記溶接個所にわたってＩＣＩ走査パターンで前記加工ビームから独立して前記撮像ビームを走査する段階を含み、前記ＩＣＩ走査パターンが、少なくとも部分的に前記ウォブルパターンを取り囲む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
ＩＣＩ測定値を得る段階が、前記ＩＣＩ走査パターンにおける点において深さ測定値を得る段階を含み、前記方法が、前記溶接個所の３次元画像を形成するために前記深さ測定値を組み合わせる段階をさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
走査がラスター走査を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記撮像ビームを動かす段階が、前記ウォブルパターンの少なくとも一部の周りに局所的に測定ビームをディザリングする段階を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記撮像ビームを動かす段階が、前記ウォブルパターンの複数の固定された測定位置に、前記加工ビームから独立して前記撮像ビームを動かす段階を含み、ＩＣＩ測定値を得る段階が、前記加工ビームが前記ウォブルパターン内を動く際に、固定された前記測定位置における深さ測定値を得る段階を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２９】
少なくとも１つの固定された前記測定位置が、リーディング測定位置、トレイリング測定位置、ファスト測定位置及びスロー測定位置を含む前記ウォブルパターンの周りの４つの測定位置を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記撮像ビームを動かす段階が、前記加工ビームの動きと反対の方向に前記ウォブルビームに沿って前記加工ビームから独立して前記撮像ビームを動かす段階を含み、前記撮像ビームが、交差間隔で前記加工ビームと交差し、ＩＣＩ測定値を得る段階が、前記ＩＣＩシステムを用いて前記ウォブルパターンに沿った点において深さ測定値を得る段階を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項３１】
前記深さ測定値が、前記加工ビーム及び前記撮像ビームが交差する際のキーホールの底部から取得され、前記深さ測定値が、別の時において溶融プールの表面から取得される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記加工ビーム及び前記撮像ビームが交差するときに、キーホールの底部から取得された前記深さ測定値から、キーホール深さを決定する段階をさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記キーホール深さを決定する段階が、前記加工ビーム及び前記撮像ビームが交差する各交差間隔の周りの範囲内の深さ極小値を探索する段階を含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記撮像ビームを動かす段階が、前記加工ビームとは独立して、前記ウォブルパターンに沿った前記加工ビームとともに前記撮像ビームを動かす段階を含み、ＩＣＩ測定値が、前記撮像ビームが前記ウォブルパターンに沿って動く際に得られる、請求項２２に記載の方法。
【請求項３５】
前記撮像ビームが前記ウォブルパターン内の前記加工ビームの位置に従って前記ワークピース表面で前記加工ビームから動的にオフセットされるように、前記撮像ビームが動かされる、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記撮像ビームが前記ウォブルパターン内の変化するキーホールの位置を補償するために、前記ワークピース表面で前記加工ビームから動的にオフセットされるように、前記撮像ビームが動かされる、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記ウォブルパターンが周期的パターンであり、前記撮像ビームが、少なくとも部分的に、前記加工ビームの位置に基づいて周期的な位置合わせ修正を提供するように動かされる、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記ワークピースに対して前記加工ビームを並進運動させるために、前記ワークピースに対して溶接ヘッドを動かす段階をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項３９】
前記加工ビームに対して前記ワークピースを並進運動させるために、溶接ヘッドに対して前記ワークピースを動かす段階をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項４０】
前記ワークピースが異種金属を含み、
前記ＩＣＩ測定値が前記異種金属間の混合の量を表す、請求項２２に記載の方法。
【請求項４１】
前記ワークピースが銅及びアルミニウムの少なくとも１つから選択された材料を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項４２】
前記ワークピースが非鉄合金を含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、「インラインコヒーレントイメージング（ＩＣＩ）を用いた、ウォブル溶接を監視及び／または制御するためのシステム及び方法」と題する、２０１９年５月２８日に出願された米国仮出願第６２／８５３３６８号の利益及び、「インラインコヒーレントイメージングを用いた銅合金及びアルミニウム合金のウォブル溶接」と題する、２０１８年７月１９日に出願された米国仮出願第６２／７００６０６号の利益を主張し、それらはともに、参照により本明細書に完全に組み込まれている。
【０００２】
本開示は、材料加工の監視及び／または制御に関し、より具体的には、加工ビームがウォブル溶接のようなウォブルパターンで移動する材料加工を監視及び／または制御するために、インラインコヒーレントイメージング（Ｉｎｌｉｎｅ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｉｍａｇｉｎｇ，ＩＣＩ）を用いるためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
産業用の非鉄合金のレーザー溶接は拡大しているが、課題もある。例えば、近赤外産業用レーザー波長のアルミニウム及び銅合金による低吸収性は、ワークピース内へのエネルギーの効率的な結合のために必要となりうるキーホールの初期形成に抵抗がある。一度キーホールが確立されると、低粘度の溶融物（例えば鉄合金と比較して）により、加工安定性が低下し、欠陥の可能性が高くなりうる。
【０００４】
アルミニウム、銅及びその他の非鉄合金などの困難な材料に関し、高輝度ファイバーレーザー源（例えば単一モード／低モード）を動的ビーム偏向（またはビームウォブル）と組み合わせることは、光−物質相互作用個所における放射強度を高いレベルに維持しつつ、材料表面におけるレーザーパワーの分布を正確に制御するために有効な手法でありうる。ビームをより素早くより正確に移動させるための「ウォブル溶接（ｗｏｂｂｌｅ−ｗｅｌｄｉｎｇ）」技術の１つは、例えば、米国特許出願公開第２０１６／０３６８０８９号明細書により詳細に開示されているように、ビームでウォブルパターンをもたらすために可動ミラーを使用することを含み、当該文献は共有され、参照により本明細書に完全に組み込まれている。そのようなウォブル溶接加工は、特に銅及びアルミニウムを溶接する際に加工安定性を改善し、また、スパッタ及び多孔性を低減し、完了時の溶接幾何形状にわたる優れた程度の制御を提供しうる。そのため、安定し、繰り返し性があり、制御可能な結果が、幅広い産業用途に関して潜在能力を有して実施されてきた。
【０００５】
このような産業的に好ましい完成品を得るキーホール及び溶融プールの動力学をより詳細に調査することは、ウォブル溶接技術の価値をさらに高める価値があるであろう。しかし、ウォブル溶接によって導入される余分な自由度は、フォトダイオードベースのセンサまたは高速度カメラによる加工監視を用いたキーホール動力学を記録するという既に困難な作業をさらに複雑にしうる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様によれば、レーザー材料加工システムは、加工ビームを発生させるための材料改変ビーム源と、材料改変加工ビーム源に結合され、ワークピースの加工箇所上の少なくとも１つの軸においてウォブルパターンに従って加工ビームの方向を変更し、動かすための少なくとも１つの加工ビーム走査アクチュエーターを含む加工ヘッドと、を含む。インラインコヒーレントイメージング（ＩＣＩ）システムは、加工ヘッドに光学的に結合され、撮像ビームを少なくとも部分的に加工ビームとは独立に位置決めするための少なくとも１つの撮像ビーム走査アクチュエーターを含む。制御システムは、少なくとも材料改変ビーム源、加工ビーム走査アクチュエーター及び撮像ビーム走査アクチュエーターを制御する。制御システムは、加工ヘッドにウォブルパターンで加工ビームを走査させ、撮像ビーム走査アクチュエーターに、ウォブルパターンと協調して加工箇所における複数の測定位置に撮像ビームを動かさせるようにプログラムされる。
【０００７】
別の態様によれば、ウォブル溶接加工を監視するための方法が提供される。本方法は、インラインコヒーレントイメージング（ＩＣＩ）システムからワークピースの溶接個所へ加工ビーム及び少なくとも１つの撮像ビームを向ける段階と、加工ビームをワークピースの加工箇所においてウォブルパターンで動かす段階と、少なくとも１つの撮像ビームを、溶接個所の複数の測定位置へ、加工ビームから少なくとも部分的に独立して動かす段階と、加工ビームがウォブルパターンを動く際に、複数の測定位置からＩＣＩ測定値を得る段階と、を含む。
【０００８】
これらの、並びにその他の特徴及び利点は、図面をともに参照して、以下の詳細な説明を読むことによってより理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の実施形態と整合する、ウォブル溶接パターンを提供し、インラインコヒーレントイメージング（ＩＣＩ）を用いて監視される、レーザー溶接システムの概略的なブロック図である。
【図１Ａ】本開示の実施形態と整合する、ウォブルの目的のためにデュアルミラーによって提供された比較的小さな範囲の動きを有する集束レーザービームの概略図である。
【図２Ａ】本開示の実施形態と整合する、異なるウォブルパターンを、これらのウォブルパターンによって形成されたサンプル溶接とともに示す概略図である。
【図２Ｂ】本開示の実施形態と整合する、異なるウォブルパターンを、これらのウォブルパターンによって形成されたサンプル溶接とともに示す概略図である。
【図２Ｃ】本開示の実施形態と整合する、異なるウォブルパターンを、これらのウォブルパターンによって形成されたサンプル溶接とともに示す概略図である。
【図２Ｄ】本開示の実施形態と整合する、異なるウォブルパターンを、これらのウォブルパターンによって形成されたサンプル溶接とともに示す概略図である。
【図３Ａ】本開示の実施形態と整合する、標準的な溶接の顕微鏡画像である。
【図３Ｂ】ウォブルパターンを用いて形成された溶接の顕微鏡画像である。
【図４】本開示の実施形態と整合する、一体に組み立てられ、集束ビームを放出するコリメーターモジュール、ウォブラーモジュール及びコアブロックモジュールを有するレーザー溶接ヘッドの斜視図である。
【図５】本開示の実施形態と整合する、一体に組み立てられ、集束ビームを放出するコリメーターモジュール、ウォブラーモジュール及びコアブロックモジュールを有するレーザー溶接ヘッドの斜視図である。
【図６】本開示の実施形態と整合する、ウォブル溶接を監視するために使用されうる、ＩＣＩシステムの概略ブロック図である。
【図７】本開示の実施形態と整合する、ＩＣＩを用いてウォブル溶接を監視する方法を示すフロー図である。
【図８】溶接個所にわたるラスター走査パターンで撮像ビームを動かし、加工ビームウォブルパターンを囲むことによって、ＩＣＩを用いてウォブル溶接を監視する一例の図である。
【図９】図８に示されるような撮像ビームをラスター走査することによって形成された円形ウォブルパターンおよび変動するウォブル直径を有するステンレス鋼の溶接のための平均化深さマップを示す。
【図１０】撮像ビームを加工ビームウォブルパターンに沿った複数の固定された測定位置に動かすことによって、ＩＣＩを用いてウォブル溶接を監視する別の例の図である。
【図１１】図１０に示されるような固定された測定位置において測定された溶接距離の関数としての貫入深さのプロットである。
【図１２】図１０に示されるような固定された測定位置において測定された平均貫入深さの棒グラフである。
【図１３】ウォブルパターンに沿った加工ビームの方向とは反対の方向に撮像ビームを動かすことによって、ＩＣＩを用いてウォブル溶接を監視するさらなる例の図である。
【図１４】図１３に示されるように撮像ビームが動く際に測定される溶接に沿った距離の関数としての、貫入深さのプロットである。
【図１５】図１３に示されるように撮像ビームが動く際に異なる溶接速度における回転角の関数としての平均貫入深さのプロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の実施形態と整合するシステム及び方法は、材料加工を監視及び／または制御するためにインラインコヒーレントイメージング（ＩＣＩ）を用い、加工ビームはウォブル溶接加工などのウォブルパターンで動かされる。少なくとも１つの加工ビームはワークピースの加工箇所（例えば溶接個所）上のウォブルパターンに従って動かされる一方、ＩＣＩシステムは、撮像ビームを、加工ビームに対して少なくとも部分的に独立に、ウォブルパターン上の１つまたは複数の測定位置に移動させ、これらの位置においてＩＣＩ測定（例えば深さ測定）を得る。ＩＣＩ測定は、例えば、溶接加工においてキーホール及び／または溶融プールの特性を評価するために使用されうる。本出願はウォブル溶接加工を説明するが、本明細書で説明されるシステム及び方法はまた、レーザーまたはその他のエネルギービームが、限定されずに付加製造、マーキング及び材料除去を含む加工中にウォブルされる、またはディザーされる、その他の材料加工用途で使用されてもよい。
【００１１】
１つの実施形態において、撮像ビームは、溶接個所の深さマップを形成するためにウォブルパターンを囲む複数の測定位置にわたる走査パターン（例えばラスター走査）で溶接個所を走査するために動かされる。別の実施形態において、１つまたは複数の撮像ビームは、ウォブルパターンにおける１つまたは複数の固定測定位置に動かされる。さらなる実施形態において、撮像ビームが加工ビームの移動とは反対の方向に、ウォブルパターンに沿って動かされる。さらなる別の実施形態において、撮像ビームは、例えば、動的オフセット制御及び／または周期的な位置整合修正を提供するために、ウォブルパターンに沿うが加工ビームとは独立して加工ビームの方向に動かされる。
【００１２】
本明細書で使用されるように「ウォブル」とは、１０°未満の走査角度で、または±５°の最大ビーム角度変位によって画定される比較的小さな視野内でのレーザービームの（少なくとも１つの軸での）往復運動を指す。一例において、ＩＣＩシステムは、可動ミラーなどの１つまたは複数の走査アクチュエーターを有するレーザー溶接ヘッドで使用されてもよく、これは例えば共有され、参照により本明細書に完全に組み込まれた米国特許出願公開第２０１６／０３６８０８９号明細書により詳細に説明されるように、ウォブルパターンで溶接操作を実施する。走査アクチュエーターは、例えば１から２°の走査角度で画定される比較的小さな視野内で１つまたは複数のビームのウォブル移動を提供する。走査アクチュエーターは、限定されずに、ガルバノメーター走査ミラー、多角形走査ミラー、ＭＥＭＳベース走査ミラー、圧電走査ミラー、回折ベースビームスキャナー、回転プリズム、カリウムタンタルニオブ酸化物（ＫＴＭ）結晶及びその他の種類の走査ミラーまたは光学系を含みうる。レーザー溶接ヘッドはまた、動かされる１つまたは複数のビームを形成するための回折光学素子を含んでもよい。
【００１３】
本明細書で使用されるように、インラインコヒーレントイメージング（ＩＣＩ）は、撮像ビームが加工及び／またはワークピースの特性を測定する目的のために、加工ビームとともに一緒に、または「並列（インライン）」でワークピースに向けられる加工を指す。「インライン」という用語は、撮像ビーム及び加工ビームが同軸であることを必要としない。撮像ビームは、加工ビームと同軸であってもよく、加工ビームに対してオフセットされても角度を付けられてもよい。本開示において説明される実施形態は、例えば、共有され、参照により本明細書に完全に組み込まれている米国特許第８８２２８７５号明細書、第９７５７８１７号明細書及び第１０１２４４１０号明細書により詳細に説明されるように、任意のＩＣＩシステムで使用されてもよい。ＩＣＩシステムは、以下により詳細に説明されるように、加工ビーム走査アクチュエーターの下流に溶接ヘッドに結合されてもよく、加工ビームとは独立に撮像ビームを動かす撮像ビーム走査アクチュエーターを含んでもよい。走査アクチュエーターは、限定されずに、ガルバノメーター走査ミラー、多角形走査ミラー、ＭＥＭＳベース走査ミラー、圧電走査ミラー、回折ベースビームスキャナー、回転プリズム及びその他の種類の走査ミラーまたは光学系を含みうる。
【００１４】
ＩＣＩは、他の非鉄合金と同様に、銅及びアルミニウム合金においてウォブル溶接を監視するために使用されうる。特に、ＩＣＩは、直接的な幾何学的キーホール測定を可能にし、完了した溶接では常に観察可能であるわけではない、位置に応じたキーホール内の周期的な変動を示すためにウォブルパターン内のキーホール深さマッピングを実行するために使用されうる。キーホール及び溶融プールの動力学は、回転と、一般的なキーホールウォブル溶接条件の両方について試験されうる。ＩＣＩ測定は、動的ビーム偏向を使用する溶接加工の動力学に、独自の窓を提供しうる。溶接貫入深さもしくはプロファイル及び／または前処理もしくは後処理部分の測定などのＩＣＩ測定はまた、例えばレーザーパワーやウォブルパターンなどの加工パラメーターを制御するためにも使用されうる。
【００１５】
ＩＣＩは、レーザーキーホール溶接加工の測定に適用される場合、従来のフォトダイオードベースセンサーまたは高速カメラに対して利点を提供する。以下により詳細に説明されるように、ＩＣＩは、溶接の間に、キーホール、溶融プール及び周囲の材料の直接的な幾何学的測定を行う加工光学系を通して、二次撮像ビーム（例えば赤外線ビーム）を送達する。ＩＣＩは、黒体放射または後方散乱した加工光によって影響を受けないという利点を提供し、レーザー溶接においてキーホールの貫入を直接測定することができる。ＩＣＩ測定は、ミクロン規模の精度及びマイクロ秒レベルの時間解像度が可能である。ウォブル溶接中にキーホールの挙動を検査するためにＩＣＩを用いることで、この種類の溶接加工の挙動に新たな洞察が得られる。
【００１６】
図１を参照すると、ウォブル溶接のためのレーザー溶接システム１００が、本開示の実施形態と整合する、ＩＣＩシステム１５０を用いて監視及び／または制御されうる。ＩＣＩシステム１５０は、以下により詳細に説明するように、溶接個所内であってウォブルパターンに沿って１つまたは複数の位置において、１つまたは複数のＩＣＩ測定を行うことによって、ウォブル溶接を監視及び／または制御するために使用されうる。ＩＣＩシステム１５０は、レーザー溶接システム１００の特定の実施形態の文脈で説明されるが、ＩＣＩシステム１５０は、ウォブル溶接のための任意の種類のレーザー溶接システムまたは、レーザーもしくはエネルギービームがウォブルもしくはディザーされるその他の材料加工システムで使用されうる。
【００１７】
図示された実施形態において、レーザー溶接システム１００は、ファイバーレーザー１１２の出力ファイバー１１１（例えばコネクター１１１ａ）に結合されたレーザー溶接ヘッド１１０を含む。レーザー溶接ヘッド１１０は、例えば、溶接ビード１０６を形成するためにシーム１０４を溶接することによって、ワークピース１０２上で溶接を実施するために使用されうる。ＩＣＩシステム１５０は、レーザー溶接ヘッド１１０に、例えば溶接ヘッド１１０上のカメラポートまたはその他の光学ポートに結合されうる。
【００１８】
レーザー溶接ヘッド１１０及び／またはワークピース１０２は、シーム１０４の方向に沿って互いに対して移動または並進運動されうる。レーザー溶接ヘッド１１０は、少なくとも１つの軸に沿って、例えばシーム１０４の長さに沿って、ワークピース１０２に対して溶接ヘッド１１０を並進運動させるための移動ステージ１１４に置かれうる。一例において、移動ステージ１１４は、ＡＢＢ  ＩＲＢ−４４００六軸ロボットなどの多軸ロボットであり、材料またはワークピースは、静止した固定具にクランプされる。さらに、または代替的に、ワークピース１０２は、レーザー溶接ヘッド１１０に対してワークピース１０２を移動または並進運動させるための移動ステージ１０８に置かれうる。
【００１９】
ファイバーレーザー１１２は、近赤外スペクトル範囲（例えば１０６０〜１０８０ｎｍ）のレーザーを発生させることが可能なイッテルビウムファイバーレーザーを含みうる。イッテルビウムファイバーレーザーは、いくつかの実施形態においては１ｋＷに達するパワー及びその他の実施形態には５０ｋＷに達するより高いパワーを有するレーザービームを発生させることができる単一モードまたはマルチモード連続波イッテルビウムファイバーレーザーでありうる。ファイバーレーザー１１２の例は、１００μｍコアプロセスファイバーレーザーを通じて送達されるＹＬＳ−６０００ファイバーレーザー（１０７０波長）等の、ＩＰＧフォトニクス社から入手可能なＹＬＲ  ＳＭシリーズまたはＹＬＲ  ＨＰ  シリーズレーザーを含む。ファイバーレーザー１１２はまた、２０１５年８月１３日に出願され、「マルチビームファイバーレーザーシステム」と題する国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／４５０３７号において開示された種類のようなマルチビームファイバーレーザーを含んでもよく、これは複数のファイバーを介して１つまたは複数のレーザービームを選択的に送達することができる。
【００２０】
図示された実施形態において、レーザー溶接ヘッド１１０は、一般に、出力ファイバー１１１からのレーザービームをコリメートするためのコリメーター１２２と、コリメートされたビーム１１６を反射し、移動させるための少なくとも第１及び第２の可動ミラー１３２、１３４と、集束されたビーム１１８を集束し、ワークピース１０２に送達するための集束レンズ１４２と、を含む。１つの例において、溶接ヘッド１１０は、１５０ｍｍのコリメーター及び３００ｍｍの最終集束光学系（公称集束直径２００μｍの場合）を有するＩＰＧ  Ｄ５０  ウォブル溶接ヘッドである。ＩＣＩシステム１５０は、可動ミラー１３２、１３４の下流において溶接ヘッド１１０に結合されうる。例示された実施形態において、固定ミラー１４４はまた、第２の可動ミラー１３４から集束レンズ１４２へコリメートされたレーザービーム１１６を向けるためにも使用されうる。コリメーター１２２、可動ミラー１３２及び１３４、並びに集束レンズ１４２及び固定ミラー１４４は、以下により詳細に説明されるように、一体に結合されうる別個のモジュール１２０、１３０、１４０に提供されうる。
【００２１】
可動ミラー１３２、１３４は、コリメートビーム１１６を移動し、それによって集束ビーム１１８を少なくとも２つの異なる垂直な軸２、４においてワークピース１０２に対して移動させるために、異なる軸１３１、１３３に関して回動可能である。可動ミラー１３２、１３４は、素早く方向を反転させることができるガルバノメーターモーターによって移動可能なガルバノメーターミラーでありうる。別の実施形態において、ステッパーモーターのような別の機構が、ミラーを動かすために使用されうる。レーザー溶接ヘッド１１０において可動ミラー１３２、１３４を使用することによって、溶接ヘッド１１０全体を動かす必要なく、また回転プリズムを使用することなく、ビームウォブルの目的のために、レーザービーム１１８を正確に、制御可能に、そして素早く移動させることが可能になる。
【００２２】
溶接ヘッド１１０の実施形態において、可動ミラー１３２、１３４は、比較的小さな視野内（例えば±３０ｍｍのワークピースにおける最大ビーム偏位）のみの範囲内で、図１Ａに示されるように１０°未満の走査角α以内で（または±５°の最大ビーム角度変位で）、より具体的には約１から２°の走査角でビーム１１８を回動させることによって、ビーム１１８を移動させ、それによってビームをウォブルさせることが可能になる。対称的に、従来のレーザー走査ヘッドは、概してずっと大きな視野角（例えば５０×５０ｍｍより大きく、最大２５０×２５０ｍｍ）のレーザービームの移動を提供し、より大きな視野角及び走査角に対応するように設計される。そのため、レーザー溶接ヘッド１１０内の比較的小さな視野角のみを提供するための可動ミラー１３２、１３４の使用は、ガルバノメータースキャナーを使用する場合により幅広い視野角を提供するという従来の知見に反しており、反直観的である。視野角及び走査角を制限することは、例えばより高速度を可能にするガルバノメーターミラーを溶接ヘッド１１０内において使用する際に、レンズなどの高額な構成要素の使用を低減することを可能にし、エアナイフ及び／またはガスアシストアクセサリーなどのアクセサリーの使用を可能にすることによって、利点を提供する。
【００２３】
溶接ヘッド１１０の例示的な実施形態におけるより小さな視野角及び走査角のために、第２のミラー１３４は、第１のミラー１３２と実質的に同じ大きさでありうる。対称的に、従来のガルバノメータースキャナーは、一般に、より大きな視野及び走査角度を提供するためのより大きな第２のミラーを使用し、このより大きな第２のミラーは、少なくとも１つの軸における移動速度を制限しうる。そのため、溶接ヘッド１１０のより小さな大きさの第２のミラー１３４（例えば、第１のミラー１３２とほぼ同じ大きさ）は、ミラー１３４が、大きな走査角を提供する従来のガルバノメータースキャナーにおけるより大きなミラーと比較して高速で移動することを可能にする。
【００２４】
集束レンズ１４２は、レーザー溶接ヘッドでの使用が知られており、例えば１００ｍｍから１０００ｍｍの範囲の様々な集束長さを有する集束レンズを含みうる。従来のレーザー走査ヘッドは、Ｆシータレンズ、フィールドフラットニングレンズまたはテレセントリックレンズなどのより大きな直径（例えば３３ｍｍの直径のビームに対して３００ｍｍの直径のレンズ）を有する多要素走査レンズを使用し、ビームをより大きな視野内に集束する。可動ミラー１３２、１３４は比較的小さな視野内でビームを移動させるため、より大きな多要素走査レンズ（例えばＦシータレンズ）は必要とされず、使用されない。本開示と整合する溶接ヘッド１１０の１つの例示的な実施形態において、５０ｍｍの直径のプラノコンベックスＦ３００集束レンズが、約１５×５ｍｍの視野内の移動のために、約４０ｍｍの直径を有するビームを集束するために使用されうる。より小さな集束レンズ１４２の使用はまた、エアナイフ及び／またはガスアシストアクセサリなどの追加的なアクセサリを溶接ヘッド１１０の端部で使用可能にする。従来のレーザー走査ヘッドで必要とされる、より大きな走査レンズは、そのようなアクセサリの使用を制限していた。
【００２５】
レーザー溶接ヘッド１１０の例示的な実施形態は、２つの可動ミラー１３２、１３４を含むが、その他の種類及び数の走査アクチュエーターも、ウォブルパターンを提供するために使用されうる。溶接のための少なくとも２つのビームスポット（例えば溶接の両側）を提供するために、レーザービームを分割するためのビームスプリッターなどのその他の光学構成要素も、レーザー溶接ヘッド１１０において使用されうる。追加的な光学構成要素は、回折光学系を含んでもよく、コリメーター１２２とミラー１３２、１３４との間に配置されてもよい。
【００２６】
保護ウィンドウ１４６が、溶接プロセスによって生成されるデブリからレンズ及びその他の光学系を保護するために、レンズ１４２の前方に提供されてもよい。レーザー溶接ヘッド１１０は、デブリを除去するために保護ウィンドウ１４６または集束レンズ１４２を横切る高速の空気の流動を提供するためのエアナイフ及び／または、溶接プルームを抑制するために溶接個所に同軸にまたは軸を外したシールドガスを送達するためのガスアシストアセンブリーなどの溶接ヘッドアクセサリーを含んでもよい。そのため、可動ミラーを有するレーザー溶接ヘッド１１０は、既存の溶接ヘッドアクセサリと共に使用可能である。
【００２７】
例示された実施形態において、ＩＣＩシステム１５０は、例えばミラー１３２、１３４の下流で、レーザー溶接ヘッド１１０と光学的に結合される。ＩＣＩシステム１５０は、加工ビーム１１８とともにインラインに向けられた撮像ビーム１５２を発生させる。固定ミラー１４４は、加工ビーム１１８を反射し、撮像ビーム１５２を通過させることができるダイクロイックミラーでありうる。ＩＣＩシステム１５０は、以下により詳細に説明されるように、溶接個所及びウォブルパターン上の１つまたは複数の測定位置に撮像ビーム１５２を移動させるための１つまたは複数の走査アクチュエーター（図示されない）を含む。１つの例において、ＩＣＩシステム１５０は、撮像ビームを加工ビームとは独立に配置可能な、第２の対のガルバノメーター走査ミラーを組み込むＩＰＧ  ＬＤＤ−７００  ＩＣＩシステムを含む。別の実施形態において、ＩＣＩシステム１５０は、ミラー１３２、１３４の上流で光学的に結合されうる。
【００２８】
レーザー溶接システム１００の例示的な実施形態はさらに、例えば、溶接ヘッド１１０の感知された状況、シーム１０４の検出された位置並びに／またはレーザービーム１１８の移動及び／もしくは位置に応じて、ファイバーレーザー１１２、可動ミラー１３２、１３４の位置決め及び／または移動ステージ１０８、１１４を制御するための制御システム１６０を含む。制御システム１６０はまた、例えば溶接個所に沿った深さ測定を表す、ＩＣＩシステム１５０からのデータを受信することによって、溶接動作を監視及び／または制御しうる。
【００２９】
制御システム１６０は、例えば、レーザーを遮断することによって、レーザーパワーを変更することによって、またはその他任意の調整可能なレーザーパラメーターを調整することによって、ファイバーレーザー１１２を制御しうる。制御システム１６０は、レーザー１１２をオフにすることなく、ビーム１１８の移動または位置に応じてレーザーパラメーター（例えばレーザーパワー）を制御しうる。可動ミラー１３２、１３４の１つがビーム１１８を範囲外に移動させるか、移動が遅すぎる場合、制御システム１６０は、レーザーによる損傷を避けるために、ビームスポットのエネルギーを動的に制御するためにレーザーパワーを低減しうる。制御システム１６０はさらに、複数ビームファイバーレーザーのレーザービームの選択を制御しうる。
【００３０】
制御システム１６０は、以下により詳細に説明するように、溶接の間のウォブル移動を提供するために、可動ミラー１３２、１３４の１つまたは両方を制御しうる。制御システム１６０はまた、以下に説明するように、溶接個所における撮像ビーム１５２の移動及び／または位置決めを制御するように、ＩＣＩシステム１５０内の走査アクチュエーターを制御しうる。制御システム１６０はまた、ＩＣＩ測定を修正するためのデータ処理システムを含みうる。制御システム１６０はさらに、ＩＣＩ測定の記録を生成するための記録生成器及び、溶接された部分の品質分析を実行するための品質判断システムを含みうる。
【００３１】
そのため、制御システム１６０は、ウォブル溶接加工及びウォブル溶接加工の監視の両方を制御するために、一体として働くレーザー制御、ウォブル制御、動作制御及びＩＣＩ制御を含む。制御システム１６０は、例えば、ハードウェア（例えば汎用コンピュータまたはマイクロコントローラー）並びにファイバーレーザー及びガルバノメーターミラーを制御する際に使用することが知られているソフトウェアを含みうる。既存のガルバノメーター制御ソフトウェアは、本明細書で説明されるように、ガルバノメーターミラーを制御することができるように使用され、例えば改良されうる。
【００３２】
レーザー溶接システム１００はまた、可視及び／もしくはＩＲ感度のあるフォトダイオード並びに／またはカメラなどの補助センサを含む補助測定システム１７０を含んでもよく、そのうちのいくつかは、光ファイバーによって溶接ヘッド１１０に結合されうる。補助測定システム１７０は、例えば１００ｎｍから２０μｍのスペクトル帯域内の加工放射を測定するように構成されうる。補助測定システム１７０は、加工ビーム及び／または測定ビームに対して空間的に局在化された測定を実行するために、アパーチャ、レンズ、走査ミラー、光ファイバーなどの光学素子（そのうちのいくつかは加工レーザーまたはＩＣＩシステムそれ自体に結合されうる）を含みうる。補助センサの例は、参照により本明細書に組み込まれた米国特許第１０１２４４１０号明細書により詳細に記載されている。補助測定システム１７０からの１つまたは複数の出力は、溶接加工の間、ウォブルパターン内の加工ビームの位置に従ってワークピースの表面で加工ビームから撮像ビームを動的にオフセットするために使用されうる。補助測定システム１７０は、ＩＣＩシステムからの少なくとも１つの出力に基づいて、加工ビームから動的にオフセットされた測定位置において、空間的に局在化された測定を実行するように構成されうる。
【００３３】
図２Ａから２Ｄは、周期的な、または反復するウォブルパターンの例を示し、このパターンは、それによって形成されるサンプル溶接とともにシームの撹拌溶接を実行するために使用されうる。図２Ａ及び２Ｂは時計回りの円形パターンを示し、図２Ｂは直線パターンを示し、図２Ｃは８の字パターンを示し、図２Ｄは無限大記号パターンを示している。特定のウォブルパターンが示されているが、限定することなくらせんパターンを含むその他のウォブルパターンも、本開示の範囲内にある。レーザー溶接ヘッド１１０内の可動ミラーを使用する１つの利点は、様々な異なるウォブルパターンに従ってビームを動かす能力である。
【００３４】
図３Ａ及び３Ｂは、標準的な溶接とウォブルパターンによって形成された溶接との比較を示す。本明細書で説明されるレーザー溶接システム及び方法は、典型的に溶接が困難であるチタンなどの材料での溶接を改善するのに使用されうる。
【００３５】
図４及び５は、走査レーザー溶接ヘッド４１０の例示的な例をより詳細に示している。１つの特定の実施形態が示されているが、本明細書で説明されるレーザー溶接ヘッド、システム及び方法のその他の実施形態も、本開示の範囲内にある。図４及び５に示されるように、レーザー溶接ヘッド４１０は、コリメーターモジュール４２０と、ウォブラーモジュール４３０と、コアブロックモジュール４４０と、を含む。ウォブラーモジュール４３０は、前述のような第１及び第２の可動ミラーなどの走査アクチュエーターを含み、コリメーターモジュール４２０とコアブロックモジュール４４０との間に結合される。
【００３６】
コリメーターモジュール４２０は、レーザー溶接ヘッドで使用されることが知られている種類のような固定された対のコリメーターレンズを有するコリメーター（図示されない）を含みうる。別の実施形態において、コリメーターは、ビームスポットの大きさ及び／または焦点位置を調整することが可能な、可動レンズなどのその他のレンズ構成を含みうる。ウォブラーモジュール４３０は、異なる垂直軸に関してガルバノメーターミラー（図示されない）を動かすための第１及び第２のガルバノメーター（図示されない）を含みうる。レーザー走査ヘッド内で使用することが知られているガルバノメーターが使用されうる。ガルバノメーターは、ガルバノメーターコントローラー（図示されない）に接続されうる。ガルバノメーターコントローラーは、ミラーの移動並びにすなわちレーザービームの移動及び／または位置決めを制御するためにガルバノメーターを制御するためのハードウェア及び／またはソフトウェアを含みうる。既知のガルバノメーター制御ソフトウェアが使用されてもよく、本明細書で説明された機能性、例えばシームの発見、ウォブラーパターン及びレーザーとの通信を提供するように修正されてもよい。コアブロックモジュール４４０は、ウォブラーモジュール４３０から受け取られたビームを集束レンズへ、そしてワークピースへ向けなおす固定ミラー（図示されない）を含みうる。ＩＣＩシステムは、例えばコアブロックモジュール４４０に結合されてもよく、コアブロックモジュール４４０内の固定ミラーは、以下により詳細に説明されるように、反射された撮像ビームをＩＣＩシステムへ通過させて戻すことを可能にするダイクロイックミラーを含んでもよい。
【００３７】
図４及び５は、一体に結合されたモジュール４２０、４３０、４４０のそれぞれとともに、集束されたビーム４１８を放出する、組み立てられたレーザー溶接ヘッド４１０を示している。コリメーターモジュール４２０に結合されたレーザービームはコリメートされ、コリメートされたビームはウォブラーモジュール４３０に向けられる。ウォブラーモジュール４３０は、ミラーを用いてコリメートされたビームを動かし、コリメートされた動くビームをコアブロックモジュール４４０へ向ける。次いで、コアブロックモジュール４４０は、動くビームを集束し、集束されたビーム４１８はワークピース（図示されない）へ向けられる。
【００３８】
図６は、干渉計構成を含み、前述のようにウォブル溶接システムを監視するための低コヒーレンス干渉測定を使用するＩＣＩシステム６５０の例を示している。図示された実施形態は、マイケルソン型干渉計を使用するが、マッハツェンダーなどのその他の干渉計構成を有するＩＣＩシステムも、ウォブル溶接システムと共に使用されてもよく、これらは本開示の範囲内にある。
【００３９】
ＩＣＩシステム６５０は、１つまたは複数の撮像ビーム６５２を発生させるための撮像ビーム源６５２と、撮像ビーム６５２を分割するためのスプリッター／コンバイナー６５４と、を含み、少なくとも１つの撮像ビーム成分６５２ａはワークピース６０２の方へ向けられ（すなわち、サンプルアーム６５６に適用され）、少なくとも１つの撮像ビーム成分６５２ｂは参照ミラー６５７の方へ向けられる（すなわち、参照アーム６５８に適用される）。図示された実施形態において、ワークピース６０２の方に向けられた撮像ビーム成分６５２ａは、ウォブル溶接を実行するために使用される加工ビーム６１８を反射するダイクロイックミラー６４４を通過する。撮像ビーム６５２ａを加工ビーム６１８と結合させ、その一方反射された撮像ビーム成分６５２ａをコンバイナー６５４の方へ通過して戻すことを可能にするその他の結合光学系も使用されうる。
【００４０】
ワークピース６０２及び参照ミラー６５７から反射された撮像ビーム成分は、次いでスプリッター／コンバイナー６５４によって結合され、干渉計出力として結合された信号を提供する。ＩＣＩシステム６５０はさらに、反射された撮像ビーム成分６５２ａ、６５２ｂから形成された結合された信号を受信し、検出するための高速スペクトル検出器などの信号検出器６５５を含み、それによって、干渉計出力からのインターフェログラムを生成する。インターフェログラムは、インターフェログラムを処理し、そこから測定値（例えば深さ測定値）を計算するためのインターフェログラムプロセッサー６６１に提供されうる。インターフェログラムプロセッサー６６１は、ＩＣＩシステム６５０または図１に示された制御システム１６０の一部でありうる。
【００４１】
この実施形態において、ＩＣＩシステム６５０はさらに、撮像ビーム成分６５２ａを加工ビーム６１８とは独立に走査するための、２軸ガルバノメータースキャナーまたはその他の能動偏向デバイスなどの１つまたは複数の撮像ビーム走査アクチュエーター６５９を含む。走査アクチュエーター６５９は、例えば、ウォブルパターン内で動くにつれて加工ビーム６１８と実質的に位置合わせされ続けるように撮像ビーム成分６５２ａを走査するために使用されうる。走査アクチュエーター６５９はまた、以下により詳細に説明するように、加工ビーム６１８のウォブルパターンを取り囲む様々な走査パターンで撮像ビーム成分６５２ａを走査するためにも使用されうる。その他の実施形態において、ＩＣＩシステム６５０は、複数のサンプルアーム６５６及び／または複数の参照アーム６５８を含みうる。例えば、異なる光学経路長を有する複数の参照アーム６５８は、撮像ビーム成分６５２ａが走査される際に、光学経路長における変化を考慮するように使用されうる。
【００４２】
図７を参照すると、ＩＣＩを用いたウォブル溶接を監視する方法が示され、説明されている。本方法は、少なくとも１つの加工ビーム（例えば加工ビーム１１８、６１８）及び少なくとも１つの撮像ビーム（例えば、撮像ビーム１５２、６５２ａ）をＩＣＩシステムから溶接個所へ向けることを含む（７１０）。加工ビームは、前述のように、例えば溶接個所上のウォブルパターン内で動かされる（７１２）。撮像ビームは、例えばウォブルパターンを含む溶接個所上の１つまたは複数の測定位置に、加工ビームから少なくとも部分的に独立に動かされる（７１４）。ＩＣＩ測定は、加工ビームがウォブルパターン内を動くにつれて、１つまたは複数の測定位置から得られる（７１６）。撮像ビームは、以下により詳細に説明されるように、例えばキーホール及び／または溶融プール特性を含む、ウォブル溶接の様々な態様を評価できる、異なる位置からのＩＣＩ測定を得るために動かされうる。撮像ビームはまた、同じウォブル経路に沿って、加工ビームと実質的に位置合わせされて動かされうる。撮像ビームはまた、１つまたは複数の測定位置において、局所的にディザーされ、またはウォブルされうる。
【００４３】
ＩＣＩ測定はまた、例えば、１つもしくは複数の加工パラメーター及び／または加工ビームのウォブル移動を調整することによって、ウォブル溶接プロセスを制御するために使用されうる。制御の例は、例えば、共有され、参照により本明細書に完全に組み込まれた米国特許第８８２２８７５号明細書、第９７５７８１７号明細書及び第１０１２４４１０号明細書に説明されるように、フィードバック制御を含む。
【００４４】
図８及び９を参照すると、ＩＣＩを用いたウォブル溶接加工を監視する１つの実施形態は、溶接個所の深さマップを形成するために、ウォブルパターンを取り囲む複数の測定位置にわたって走査パターン内で溶接個所をラスター走査するために、撮像ビーム１５２を動かすことを含む。１つの例において、加工ビーム１１８は、ステンレス鋼（３０４）の試験片における線形ビードオンプレート溶接を実行するために、円形パターンにウォブルされ、溶接方向３に動かされた。各溶接の間、ＩＣＩ測定ビームまたは撮像ビームは、（静止時に）加工ビーム軸を中心に、１．５×１．５ｍｍの正方形格子パターン測定を通じてラスター走査された。格子パターンにおける各点からの深さ測定値は、溶接個所の非対称３次元画像を形成するために結合された。加工パラメーターは、０μｍ（固定光学系溶接と同等）から５００μｍまで変化された、溶接パターン直径を除いて、以下の表１に従って一定に保持された。連続的な溶接の３次元画像は、（ｘ，ｙ）の各位置において、平均深さを計算することによって組み合わされ、未加工の鋼材、キーホール及び溶融プールを含む材料の表面の代表的な深さマップを構築した。
【００４５】
【表１】
2021530360.tif 000003
【００４６】
図９は、異なるウォブル直径（例えばウォブルなし、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ及び５００μｍ）を有するステンレス鋼における溶接について、平均深さマップを示しており、溶接方向は画像の右から左である。各マップは、同一のパラメーターで異なる溶接の間に取得された５つの連続的な３次元画像の組合せである。深さマップの定量的な変化は、１００μｍから２００μｍのウォブル直径の間でみられる。固定ビーム溶接に関し、及び１００μｍのウォブルされたビームの場合に関し、加工は、画像の中心で深い局所化されたキーホールを生成する。
【００４７】
２００μｍの直径及びそれ以上において、溶融プールは、ウォブルパターンの中心に（例えば材料の表面と同様の測定の深さによって示されるように）浸食を開始する。この直径以上では、キーホールのより深い測定値が、リング形状の分布になる。この領域では、キーホールは、加工ビームの動きに従って、より大きな溶融プール内で円形のパターンをトレースしている。換言すれば、ウォブル直径を、加工ビームの集束直径まで増加させると、単一の局所化されたキーホール領域から、材料表面と同じ高さの溶融物の高い中心領域を有する回転キーホールへとキーホール深さ分布が変化した。
【００４８】
これらの結果は、加工ビームの直径を考慮すれば直観的に理解可能である。これらの実験について、焦点において公称１／ｅ＾２のビーム直径は２００μｍであった。ウォブル直径がビーム直径と併せて大きくすると、もはや加工ビームの各回転を通じて、中心において強度が重なる領域がなくなる。その結果、より直径の小さなウォブルパターンと比較して、加工軸における蒸発反跳圧力が不足し、キーホールが明瞭な軌道運動に移行する。ウォブル直径がビーム直径よりも小さい場合、キーホールの深さ分布は、固定ビームのキーホールの分布により類似するように見える。依然として、この領域では、図９に示された画像内には見えないような、加工ビームに従うキーホールの何らかの小規模な軌道運動が存在する可能性がある。これは、より大きな直径のビームを同等の時間平均強度分布で使用する場合には不可能な方法で、溶融プールの動力学及び全体的な加工安定性に影響を与えうる。
【００４９】
図１０から１２を参照すると、ＩＣＩを使用したウォブル溶接加工を監視する別の実施形態は、ウォブルパターンに沿って１つまたは複数の固定位置にＩＣＩ撮像ビーム１５２を動かし、その位置における固定ＩＣＩ測定値を得ることを含む。１つの例において、加工ビーム１１８は、円形のウォブルパターンでウォブルされ、溶接方向３に動かされて、ウォブルパターン内の特定の固定点におけるキーホール深さ振動安定性を観察し、比較することを目的として、銅（１１０）に直線的なビードオンプレート溶接を生成した。キーホール測定は、各溶接の持続時間全体の間、ウォブルパターンの固定位置において連続的に取得された。異なる測定位置が、以下の表２に従う同一のパラメーターで連続的な溶接の間に試験された。
【００５０】
【表２】
2021530360.tif 000004
【００５１】
この例において、静的なＩＣＩ深さ測定値が、円形ウォブルパターンの周囲の４つの主要点（例えば１５２ａからｄ）で取得された。溶接方向に平行な軸に沿った２つの点（例えば１５２ａ、１５２ｂ）を、リーディング（１５２ａ）及びトレイリング（１５２ｂ）と呼び、溶接方向３に対して垂直な軸に沿った２つの点（例えば１５２ｃ、１５２ｄ）を、ファスト（１５２ｃ）及びスロー（１５２ｄ）と呼ぶ。部材に対するヘッドの移動速度と組み合わされた加工ビームの動きは、ウォブルパターンのファスト側とスロー側との間でビームの局所的な移動速度に非対称性をもたらす。ウォブルパラメーターに基づき、加工ヘッドの参照の枠における加工ビームの円周速度は７８５ｍｍ／ｓであった。ウォブルパターンのファスト側において、加工ビームは前方溶接方向３に８３５ｍｍ／ｓで移動し（材料に対して）、ウォブルパターンのスロー側では、ビームは溶接の後ろ方向に７３５ｍｍ／ｓで移動した。
【００５２】
このように取得された深さデータは、加工ビーム１１８が測定ビーム（１５２ａ−ｄ）を通過して交差するときのキーホールの底部からの測定値と、それ以外の時間における溶融プールの表面からの測定値と、を含む。深さデータは、２つのビームのそれぞれの予測された交差間隔内で極小値を探索することによって、キーホールの最小値のセットに還元された。図１１は、同一のパラメーターで、銅の異なるビードオンプレート溶接における４つの測定位置全て（すなわちウォブルパターンのリーディング、トレイリング、スロー及びファスト端）について得られたキーホール深さを示す。図１２は、円形ウォブルパターンの主要点におけるこれらの測定位置のそれぞれに関して平均深さ及び標準偏差を示す。
【００５３】
図１１の４つの深さ測定値のセットのそれぞれは、独自の特徴的な深さ及び安定性の特徴を示している。リーディング及びトレイリングの測定値は、貫入深さ（例えば約４００μｍ）に顕著な相違を示している。キーホールがウォブルパターンのトレイリング端を横切って移動すると（溶融体積の大部分に最も近い）、パターンのリーディング端側におけるよりも大きな貫入深さに達する。パターンのスロー及びファスト端は、深さ及び安定性の両方において相違を示す。ウォブルパターンのスロー端は、パターンのファスト端よりも平均でより大きな深さに達することが観察される。このスロー端における貫入の増大は、その他の測定位置と比較して、深さ測定値のより大きな変動を伴う。ファスト端データで観察されたより深い「スパイク」は、これが、ここで試験されたパラメーターに関してキーホール軌跡の最も安定性の低い領域であることと一致する。ウォブルパターンのスロー側とファスト側との間の加工ビームの表面速度の差に加えて、この非対称性は、移動するキーホールの撹拌効果によって誘導された溶融動力学にも部分的に起因しうる。
【００５４】
図１３から１５を参照すると、ＩＣＩを用いたウォブル溶接加工を監視するさらなる実施形態は、加工ビーム１１８の移動とは反対の方向に、ウォブル周期と同期して、ウォブルパターンに沿って撮像ビーム１５２を動かすことを含む。１つの例において、加工ビーム１１８は、ウォブルパターン内のキーホールの深さの変動を評価できるように、銅（１１０）及びアルミニウム（６０６１）に直線状のビードオンプレート溶接を実施し、円形パターンでウォブルされ、溶接方向３に動かされた。溶接パラメーターは、以下の表３に示されるように、変動された溶接速度を除いて各材料について一定に維持された。ＩＣＩ測定ビームまたは撮像ビーム１５２は、加工ビーム１１８に対して反対方向に回転され、ウォブル周期ごとにキーホールと測定ビームとの複数回の交差を得た。
【００５５】
【表３】
2021530360.tif 000005
【００５６】
得られた深さ情報は、キーホール（ビームが位置合わせされるとき）及び溶融プール表面（ビームがウォブル経路の周囲の異なる位置にいるとき）の測定値を含む。測定ビーム及び加工ビームは、そのそれぞれの回転周波数で決定される、本明細書では「交差間隔」と呼ぶ一定の間隔で会合した。キーホール最小値のセットは、予測される交差間隔のそれぞれの範囲内で極小値を探索することによって、深さデータの各セットから得られた。図１４は、銅のビードオンプレート溶接においてウォブルパターンのリーディング、トレイリング、左及び右の点から測定されたキーホール深さを示しており、ウォブルパターンの各位置は、異なる深さ及び安定性特性を呈している。
【００５７】
次いで、これらのキーホール最小値は、加工軸の周りの極角の関数としてグラフにされた。深さの値は、円形のウォブルパターンの周りに１０度間隔でビン化し、各ビンについて平均及び標準偏差が計算された。溶接方向に対するキーホール深さの極限の配向とともにキーホールの変動の大きさを特徴づけるのに役立つように、正弦波が、位相及び振幅のみを自由変数として使用して、深さの各セットにフィットされた。図１５は、異なる溶接速度における銅及びアルミニウムの溶接に関してウォブルパターンの周りの回転角の関数として、キーホールの最小値の平均貫入深さを示す。各場合の平均貫入は、現れた深さの変動の量及び、溶接の移動方向に対する貫入深さの極限の配向の両方を評価するのに役立つように、正弦波を用いてフィットされる。各グラフにおいて、トレイリング方向は、１８０°で破線で示され、ウォブルパターンのスロー側は９０°であり、ファスト側は２７０°である。
【００５８】
図１５に示された結果に基づき、２つの異なる効果が、ウォブルパターンの周りの異なる位置におけるキーホール深さに対する影響を及ぼしうる。第１の効果は、材料表面にわたって加工ビームの移動速度の関数としてのキーホール深さの変化を仮定する。単独では、この効果は、加工ビーム移動速度の最大及び最小値が生じるウォブルパターンのスロー及びファスト端に向かって、キーホール深さの極限をバイアスする傾向にある。第２の効果は、（加工の後に続く）溶融体積の大部分に近接することによって影響されうる、材料温度の関数としてのキーホール深さの変化を仮定する。理論上、溶接が、溶融プールが完全に確立されるほど十分長く進行すると、加工ビームがウォブルパターンのトレイリング端において入射する材料は、前端部におけるものよりも高温になるはずである。
【００５９】
図１５の結果に基づき、アルミニウム及び銅の両方について、深さの極限は、ウォブルパターンのリーディング／トレイリング軸に向かって生ずるように見える。これは、ウォブルパターン内のキーホール深さにおける支配的な効果として働く、後続の溶融体積への近接と整合する。依然として、表面速度効果に基づき、ウォブルパターンのスローまたはファスト側のいずれかに対する何らかのバイアスを予測するかもしれない。そのような傾向は、銅の溶接部にみられ、全てにおいて、ウォブルパターンのスロー側に向かっておよそ２０°の深さ最大値のシフトを呈している。アルミニウムの結果は、スローまたはファスト端のいずれかに向かう一定の傾向を示していないが、アルミニウムの深さデータは、銅のデータよりも顕著にノイズが多く、これが、フィットされた深さの極限の位置における不整合性を生じた可能性がある。アルミニウムにおけるこの特定の加工の場合において、支配的なキーホール深さの変動は、ウォブルパターンのリーディング端とトレイリング端との間にあることがみられる。
【００６０】
撮像ビーム走査パターンの例が前述されるが、その他の撮像ビーム走査パターンも可能であり、本出願の範囲内にある。
【００６１】
さらなる実施形態において、ウォブル溶接加工は、加工ビームの方向において、ウォブル周期と同期して撮像ビームを動かすことによって、ＩＣＩシステムを用いて監視されうる。撮像ビームは、例えば、動的なオフセット制御を提供するため、及び／または周期的な位置合わせの修正を可能とするために、加工ビームの方向に、しかし加工ビームとは独立に動かされうる。撮像ビームは、加工ビームと実質的に同軸に配置されてもよく、または例えば加工速度に関連付けられた量によって、加工ビームを遅らせる特徴を監視するために、加工ビームを遅らせるように位置合わせされてもよい。前述のように、特定のウォブルパターンにおいて、加工速度は、ウォブルパターンの周りで周期的に変化する。円形のウォブルパターンにおいて、例えば、ウォブルパターンのスロー側及びファスト側が存在し、そのためビームが円形のウォブルパターンに沿って移動すると、撮像ビームの望ましい位置合わせが影響を受けうる。
【００６２】
周期的な位置合わせの修正を提供するために、制御システムは、少なくとも部分的に、ウォブルパターン上のビームの位置に基づいて、加工ビームに対する撮像ビームの位置合わせを修正するために、撮像ビーム走査アクチュエーターが、加工ビームに対して撮像ビームを動かすようにプログラムされうる。円形のウォブルパターンでは、例えば、位置合わせは、スロー側及びファスト側に関して周期的に変更されうる。周期的な位置合わせの修正はまた、加工速度、材料の種類、材料の厚さなどのその他のパラメーターにも基づきうる。
【００６３】
いくつかの実施形態において、本明細書で説明されたレーザー溶接システムの制御システムは、１つまたは複数のその他の因子またはパラメーターに基づいて、撮像ビームの動的オフセット制御を提供するためにプログラムされうる。これらの因子またはパラメーターは、限定することなく、そのウォブルパターン内の加工ビームの位置、加工ビームウォブルパターン（例えばウォブルの幾何形状、ウォブルの大きさ及び／またはウォブルの周期）、ワークピースの幾何形状、材料及び溶接加工パラメーターに基づくオフセットパラメーターが備えられたルックアップテーブル、熱機械的溶接モデル、以前の溶接加工のＩＣＩ測定値、同じ溶接加工内の以前のＩＣＩ測定値、材料に対する加工ビームの瞬間速度ベクトルの少なくとも１つの成分、材料にわたる曲線的な溶接経路、並びにレーザービーム送達システムに対する１つまたは複数の修正（例えば、色収差フィールド修正、焦点面フィールド修正、スポットサイズフィールド修正及び／またはビーム整形修正）を含む。代替的に、または追加的に、ＩＣＩ測定値はまた、例えば、ＩＣＩ測定値を平滑化し、溶接プロセスの均一性を確保するために、前述の因子またはパラメーターの１つまたは複数に基づいて修正されうる（例えば、データ処理システムを用いて）。
【００６４】
本明細書で説明されるシステム及び方法は、溶接貫入プロファイルを監視するために使用されうる。１つの例において、ＩＣＩシステムは、溶接に沿って様々な点における溶接方向に対して横方向に撮像ビームを走査し（例えばラスター走査を用いて）、これらの位置における溶接方向に対して横方向の溶接貫入プロファイルの指標を生成しうる。別の例において、ＩＣＩシステムは、溶接に沿った様々な点において溶接方向に沿って溶接貫入プロファイルの指標を生成するために、溶接方向に沿って撮像ビームを走査しうる。さらなる例において、ＩＣＩシステムは、任意の幾何形状の表面によって定義される仮想的な断面に沿って、溶接貫入プロファイルの指標を生成するために、撮像ビームを走査しうる。制御システムは、ウォブルサイクルの間に２つ以上の位置におけるＩＣＩシステムからの溶接貫入測定に基づいて、レーザーパワーを調整するように構成されうる。具体的に、制御システムは、溶接サイクルを通して溶接貫入の変動を低減するように、レーザーパワーを調整するように構成されうる。前述のように、ＩＣＩ測定値は、例えば、ウォブル溶接の深さが品質保証のために均一な深さとなること及び／またはウォブルされた溶接ビードがシフトされないことを確保するために、１つまたは複数の追加的な因子またはパラメーターに基づいて修正されうる。
【００６５】
さらなる実施形態において、制御システムは、ＩＣＩシステムからの部分測定出力に基づいて加工を調整しうる。制御システムは、例えば、ＩＣＩシステムからの加工前の部分測定出力及び／または加工後の部分測定出力に基づいて加工ビームウォブルパターンを調整するように構成されうる。
【００６６】
溶接システムはまた、その他の方法で、加工ビームに対して測定ビームを制御しうる。ＩＣＩシステムがウォブルヘッド内で走査アクチュエーターの上流に結合される場合、例えば、制御システムは、加工ビーム走査アクチュエーターと相補的に、撮像ビームがワークピース表面上の加工ビームウォブルパターンから効果的にデカップルされるように同期した方法で、撮像ビーム走査アクチュエーターを動かすようにプログラムされうる。代替的に、または追加的に、制御システムは、ウォブルパターンからデカップルされたワークピース表面のＩＣＩ測定を達成するために、それらのウォブルパターンと固定位置との間で加工ビーム走査アクチュエーターをトグルするようにプログラムされうる。制御システムはまた、ウォブルサイクルと時間的に同期されるように、ＩＣＩシステム測定をトリガーするようにもプログラムされうる。
【００６７】
ウォブル溶接の主な利点の１つは、銅、アルミニウム、鋼鉄、ステンレス鋼、チタン及びそれらの様々な被覆やメッキされたものの、一般的な工業合金の組合せなどの異種金属の品質接合に有益な効果があることである。異種金属の接合は、限定なく、電動化された輸送システム（例えば自動車、鉄道および航空機など）を含む様々な用途に有用である。
【００６８】
貫入深さ及び／または加工ダイナミクスを測定するための効果的な手段がウォブルヘッド及びＩＣＩシステムを用いて構成されると、ＩＣＩ測定は、溶接接合を含む材料間の混合の量の代理として特に有効に使用することができる。例えば、銅とアルミニウムのオーバーラップ溶接の際、混合が不十分であると、機械的、電気的接続が悪くなる。混合が過剰であると、金属間化合物相が顕著に存在するため、脆化を生じる。ＩＣＩ観察及び／またはＩＣＩに基づく接合加工の制御は、溶接のこれらの金属的側面が、品質保証のために監視され、並びに／または製造工程、原材料及び環境の変動を補償するように制御されうる。この工程は、開始前の較正及び金属分析との比較によって支援される。
【００６９】
したがって、インラインコヒーレントイメージング（ＩＣＩ）は、加工レーザーによって形成された複合ウォブルパターンを有する場合であっても、ウォブル溶接を監視するのに有利に使用されうる。撮像ビームを異なる測定位置に動かすために様々な技術を用いることにより、溶融プールの形成とともに、キーホール深さ及び安定性を含むウォブル溶接の様々な態様が監視されうる。
【００７０】
本発明の原理が本明細書において説明されたが、この説明は単なる例示のためになされたものであり、本発明の範囲の限定としてなされたものではないことは、当業者は理解すべきである。その他の実施形態は、図示され、本明細書で説明された例示的な実施形態に加えて、本発明の範囲内にある。当業者による変更及び置換は、本発明の範囲内にあるものと考えられ、本発明は、以下の特許請求の範囲によるものを除き、限定されるべきではない。
【符号の説明】
【００７１】
１００  レーザー溶接システム
１０２  ワークピース
１０４  シーム
１０６  溶接ビード
１０８  移動ステージ
１１０  レーザー溶接ヘッド
１１１  出力ファイバー
１１１ａ  コネクター
１１２  ファイバーレーザー
１１４  移動ステージ
１１６  コリメートされたビーム
１１８  集束されたビーム（加工ビーム）
１２０、１３０、１４０  モジュール
１２２  コリメーター
１３２  第１の可動ミラー
１３４  第２の可動ミラー
１４２  集束レンズ
１４４  固定ミラー
１４６  保護ウィンドウ
１５０、６５０  ＩＣＩシステム
１５２、６５２  撮像ビーム
１５２ａ  リーディング点
１５２ｂ  トレイリング点
１５２ｃ  ファスト点
１５２ｄ  スロー点
１６０  制御システム
１７０  補助測定システム
４１０  走査レーザー溶接ヘッド
４１８  集束されたビーム
４２０  コリメーターモジュール
４３０  ウォブラーモジュール
４４０  コアブロックモジュール
６０２  ワークピース
６１８  加工ビーム
６４４  ダイクロイックミラー
６５２ａ、６５２ｂ  撮像ビーム成分
６５４  スプリッター／コンバイナー
６５６  サンプルアーム
６５７  参照ミラー
６５８  参照アーム
６５９  撮像ビーム走査アクチュエーター
６６１  インターフェログラムプロセッサー
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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