CN113226623A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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。
技术领域
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。
背景技术
内联相干成像(Inline Coherent Imaging，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(optical path)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。
发明内容
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(butt welded)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(subsurface pocket)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，将成像光束与加工光束一起或“内联地”引导至工件。术语“内联”不要求成像光束和加工光束同轴。成像光束可以与加工光束同轴，或者可以相对于加工光束偏移或成角度。如本文所用，术语“摆动焊接”是指以下焊接工艺：随着加工光束在焊接现场上平移(例如，通过移动工件和/或光束递送系统)，加工光束以相对小的往复移动(“摆动”)来移动。
如本文所用，信号密度(也称为填充因子)是指显示在信号密度阈值(例如，以dB为单位)以上的信号的测量值的百分比。例如，可以通过以下操作来确定ICI信号密度：使用ICI来产生工件或加工区域的多个轴向扫描或A扫描，并且通过确定每个A扫描是否包含信号密度阈值以上的测量点并计算满足该条件的A扫描的百分比来计算ICI信号密度。可以在定义的距离或时间内或在被称为信号密度窗口或信号密度仓的定义的数量的A扫描内计算该百分比，如下文将更详细描述的。多个A扫描可以在沿着工件间隔开的多条轴向线或A线处分别产生，或者可以在一个位置处产生。
这种方法认识到：来自在焊接期间形成的相变区域(PCR)中的某些深度区域的信号密度可能与评估焊接的熔透或质量有关。例如，从开始于工件的顶部并基本结束于工件的已知厚度处的区域发出的增加的信号密度或高信号密度将表明小孔或蒸汽通道正关闭或已关闭。相反，从大致上比所焊接的工件特征的已知厚度更深的距离发出的密度增加的信号或高密度信号可以指示蒸汽通道正打开或是敞开的，从而揭示工件的另一特征(例如气体释放凹穴的底部)，或机器、部件或组装件的另一特征(例如，有意地放置以生成针对ICI系统的强反射并实现本文所述的方法的背板或牺牲材料)，如下文将更详细地描述。
参考图1，与本公开的实施例一致，可以在使用内联相干成像(ICI)系统120的材料加工系统110中使用成像信号密度来监视材料加工。材料加工系统110生成加工光束112并将加工光束112引导至工件102以用于加工工件(例如，焊接)。内联相干成像(ICI)系统120生成成像光束122并将成像光束122与加工光束112一起或“内联”地引导至样品或工件102，以用于将工件成像并生成指示工件和/或材料加工的特性的ICI数据。监视/控制系统130从ICI系统120接收ICI数据，并确定ICI成像信号密度以及其他测量值以用于监视和/或控制材料加工的目的。
材料加工系统110包括加工光束源114，例如激光或电子束源，用于生成加工光束112。材料加工系统110还包括光学器件116，例如准直器和/或透镜，用于将加工光束112递送到工件102以进行材料加工。在示例实施例中，材料加工系统110是激光或电子束焊接系统，并且加工光束可以用于在焊接工艺期间形成蒸汽通道或小孔。材料加工系统110的示例是可从IPG Photonics Corporation(IPG光子公司)获得的激光焊接系统，其中加工光束源114包括光纤激光器。其他材料加工系统也在本公开的范围内。
材料加工系统110的另一示例是摆动焊接系统，其中加工光束以摆动模式快速移动，同时在工件上的焊接现场上扫描。在摆动焊接系统中，光学器件116还可以包括可移动镜或用于以摆动模式移动加工光束的其他有源导向装置或扫描致动器。“摆动”移动的一个示例可以是激光束的往复移动(例如，沿一个或多个轴线)，并且在由小于10°的扫描角度或由小于±5°的最大光束角度位移所定义的相对小的视场内。在美国专利申请公开No.2016/0368089中更详细地描述了摆动焊接系统的示例，该专利申请公开是共有的并且通过引用整体并入本文。摆动焊接系统中使用的ICI的示例在美国专利申请公开号________________(序列号No.16/515,892，于2019年7月18日提交)中进行了更详细的描述，该专利是共有的并且通过引用整体并入本文。
ICI系统120包括：成像光束源124(例如半相干光源)，用于生成成像光束122；以及光学器件126，例如准直器和/或透镜，用于将成像光束122引导至工件。ICI系统120还包括：干涉仪128(例如Michelson(迈克尔逊)干涉仪)，用于根据反射的成像光束122产生干涉测量输出；以及检测器129(例如光谱仪和相机)，用于检测干涉测量输出以产生ICI数据(即，干涉图数据)。干涉测量输出可以基于到工件的至少一个光路长度和至少一个其他光路长度。在示例实施例中，光学器件126可以将成像光束122递送到在焊接工艺期间形成的小孔中，以用于对小孔内的一个或多个位置进行成像。在其他实施例中，ICI系统120可以包括诸如可移动镜(未示出)之类的引导元件，用于将成像光束122引导至小孔内的或相对于工件的不同位置。ICI系统的示例是ICI焊接监视系统，其具有可从IPG Photonics(IPG光子)获得的OmniWELD软件。
本公开中描述的实施例还可以与美国专利No.8,822,875、9,757,817和10,124,410中更详细描述的任何材料加工系统以及ICI系统一起使用，这些专利是共有的并且通过引用整体并入本文。
监视/控制系统130包括硬件(例如，通用计算机)和软件，软件被编程用于根据ICI数据来至少计算成像信号密度和其他测量值。监视/控制系统130还可以记录原始ICI数据和计算出的成像信号密度以及其他测量值。监视/控制系统130还可以在加工期间监视工艺和/或工件。监视/控制系统130可以监视ICI成像信号密度以确定工艺和/或材料的特性，以用于检查或质量保证(例如，合格/失败)。监视/控制系统130还可以响应于包括ICI成像信号密度在内的模拟或数字反馈(即，直接数据输出)来控制材料加工。监视/控制系统130还可以确定和使用其他测量值或度量，该其他测量值或度量包括但不限于：小孔深度、接缝轮廓、工件高度、完成的焊接表面高度、焊珠轮廓、以及其他距离测量值。监视/控制系统130还可以使用ICI来控制监视，包括但不限于成像光束相对于加工光束的定位。
参考图2A，更详细地示出和描述了用于计算ICI成像信号密度的方法210。通常，(例如，使用来自ICI系统120的成像光束源124)生成212成像光束，并将成像光束例如与加工光束一起引导213至工件。在小孔焊接工艺的一个示例中，成像光束可以被引导至焊接小孔中，以及小孔之前和/或之后的其他位置处。成像光束还可以被引导至小孔内部以及小孔之前和/或之后的多个不同的位置处。成像光束可以在小孔或加工区域内对准以改进测量。
根据成像光束中的从工件和/或加工区域反射的至少一个分量产生214(例如，使用ICI系统120中的干涉仪128)干涉测量输出。干涉测量输出基于到工件(例如，样品臂(sample arm))的至少一个光路长度以及至少一个其他光路长度(例如，参考臂(referencearm))。在小孔焊接的示例中，成像光束可以从小孔的侧面、从小孔的底板和/或从小孔下方的诸如搁架(shelf)之类的次表面结构背向散射。
(例如，使用检测器126)检测216干涉测量输出，以产生干涉测量数据，例如干涉图数据，并且根据干涉测量输出(例如，在监视/控制系统130中)确定218成像信号密度。在小孔焊接的示例中，干涉测量数据和成像信号密度至少指示小孔的深度和小孔穿过工件的熔透，如下面将更详细地描述的。然后，可以使用成像信号密度来提供对工件或加工区域(例如焊接)的自动合格/失败或质量保证。成像信号密度数据也可以直接输出到材料加工系统110以提供对材料加工的反馈控制。附加地或备选地，成像信号密度可以被反馈到监视系统130，例如，以调整监视定位或成像光束相对于加工光束或工件的位置。
参考图2B，更详细地示出和描述了用于确定成像信号密度的方法220。根据该方法的该实施例，使用ICI产生222工件的位于在工件的加工区域上间隔开的相应多条A线处的或在时间上间隔开的多个A扫描。在小孔焊接的示例中，随着加工光束执行焊接，可以沿着焊接的长度进行一系列A扫描。
通过以下操作来计算224ICI信号密度：确定多个A扫描中的每一个是否包含在信号密度阈值(例如，以dB为单位)以上的测量点，并在定义的距离或时间内计算A扫描的仓或窗口内的满足该条件的A扫描的百分比。可以针对沿着加工区域定位的多个信号密度仓来计算信号密度，以将成像信号密度表示为沿加工区域的定位的函数。在小孔焊接的示例中，在该区域中的所有可能的总测量值的特定区域内(即，仓或窗口内)得到的该测量值的百分比表示作为焊接长度的函数的小孔信号密度。信号密度阈值(也称为测量值或跟踪阈值)和/或信号密度仓大小可以是用户定义的。可以使用不同的算法来利用沿着加工区域(例如沿着焊接的长度)的信号密度仓或窗口的不同布置来计算成像信号密度，如下面将更详细地描述的。还可以使用已知的平滑算法(例如移动平均值、中值或分位数滤波器)来平滑成像信号密度计算。
参考图3A至图3C，更详细地描述了用于使用信号密度仓或窗口来计算成像信号密度的示例算法。图3A至图3C示出了加工区域的长度(例如焊接的长度)上的信号密度仓或窗口的不同布置下的不同算法。每个信号密度窗口或仓包括固定长度(例如，5μm)或固定时间，该固定长度或固定时间包含固定数量的A线测量点(即，A扫描)，这些测量点在在加工区域上以均匀的样品间隔出现。为了计算成像信号密度，将窗口内检测到的测量值(即，在以dB为单位的阈值以上的测量值)的数量除以窗口内可能的测量值的总数量并乘以100％。
在所示示例中，为了简单起见，每个窗口包括三(3)个测量点或A扫描；然而，信号密度窗口或仓可以包括其他数量的测量点，并且窗口长度可以由用户定义。如果针对所有三(3)个测量点或A扫描都检测到测量值，则该窗口或仓内的信号密度为100％。如果针对三(3)个测量点中的一(1)个检测到测量值，则该窗口或仓内的信号密度为33％。然后，可以将这些计算出的百分比绘制为沿着加工区域的定位的函数。
在图3A中，信号密度算法使用在加工区域的长度上首尾相接地(即，不重叠地)定位的固定窗口。在所示示例中，在每三(3)个测量点之后，基于前三(3)个测量点(即，在向后延伸的窗口内)计算信号密度。使用该算法，信号密度窗口长度可以被设置为沿加工区域的样品间距的倍数，使得每个窗口将在每个窗口内具有一致数量的总的可能测量点。根据该算法，然后可以将百分比绘制为y值，其中沿着加工区域的窗口开始定位作为测量的x值。
在图3B和图3C中，信号密度算法对信号密度窗口进行布置，使得每个信号密度窗口具有一致数量的总的可能测量值。在图3B所示的信号密度算法中，在每个测量点(即，进行测量的每个位置，无论是否检测到测量值)处计算信号密度。在所示示例中，在每个测量点处，基于前三(3)个测量点(即，在向后延伸的窗口内)计算信号密度。在图3C所示的信号密度算法中，在每个跟踪的测量位置(即，检测到在阈值以上的测量值的每个位置)处计算信号密度。在所示示例中，在检测到阈值以上的测量值的每个测量点处，基于前三(3)个测量点(即，在向后延伸的窗口内)计算信号密度。图3C中的这个示例导致更少的信号密度计算以及具有一致数量的总测量的信号密度窗口。尽管这些配置示出了向后延伸的窗口，但窗口也可以以测量点为中心、向前延伸或具有其他配置。
在一些实施例中，使用多个不同的强度阈值水平来计算ICI信号密度。可以单独地使用或以聚合方式使用与每个阈值相关联的信号密度计算，以允许对工艺现象进行更具体的检测。例如，在某些完全熔透小孔焊接应用中，使用某一阈值水平(例如，15dB)，“良好的”焊接可以具有位于特定百分比范围(例如，10–20％)内的信号密度测量值；并且使用另一阈值水平(例如，20dB)，“良好的”焊接可以具有位于另一特定百分比范围(例如，5–8％)内的信号密度测量值。
在一些实施例中，使用动态强度阈值水平来计算ICI信号密度。动态密度阈值水平可以被指定为焊接路径定位的函数或采集时间的函数。用户可以根据有关工艺状况的特定知识来配置自定制动态极限值。在一些实施例中，可以根据A线本身的DC(0延迟)信号水平来修改强度阈值水平。在其他实施例中，可以根据从工件上的另一区域测量的界面密度(interface intensity)来修改密度阈值水平。在进一步的实施例中，可以根据在加工之前测量的界面密度来修改密度阈值水平。此类动态极限值可以用于补偿工艺条件的变化(例如，工件几何形状、材料类型、光束能量、进给率、工件表面污染等的变化)或加工设备的变化(例如，玻璃盖片污染)。
在其他实施例中，可以使用其他测量值(例如上/下小孔深度或小孔信号密度)来缩小在其上考虑信号密度的区域。例如，可以针对多个不同的A线深度带(depth band)来计算ICI信号密度。可以单独地使用或以聚合方式使用每个深度带内的ICI信号密度，以允许对工艺现象进行更具体的检测。例如，在某些完全熔透小孔焊接应用中，可以要求“良好的”焊接在材料的次表面(即，小孔肩部(shoulder)深度)附近具有位于特定百分比范围内的信号密度测量值，以及在材料底表面附近具有位于另一特定范围内的信号密度。在一些实施例中，可以专门设置深度带区域以测量DC(0延迟)密度水平。
可以在质量保证算法中使用成像信号密度来做出焊接的合格/失败确定，这将在下面更详细地描述。例如，针对定义的距离或时间段超过定义的密度极限值或阈值的成像信号密度可以指示导致焊接失败的部分熔透或熔透损失。在其他实施例中，质量保证算法可以基于成像信号密度位于具有上界限和下界限的定义的范围内来确定合格/失败。
在其他实施例中，成像信号密度可以用于监视系统(ICI系统或材料加工系统)的健康状况。从工件表面、从材料加工系统内的特定定位或从ICI系统内的特定定位测量的信号密度可以用于测量系统组件的退化或损坏。材料加工系统组件(例如，玻璃盖片、聚焦光学器件等)和ICI系统组件(例如，递送光纤、干涉仪光学器件等)的退化或损坏导致成像光束传输的下降以及光路的特定阶段处的反射，并且可以通过ICI信号密度随时间的下降来被检测到。
在进一步的实施例中，ICI信号密度可以用于监视处加工单元的健康状况。电池的特定部件(例如，夹持件、固定件、设备、机械等)的信号密度测量值可以用于指示损坏或污染。
在一些实施例中，可以在计算信号密度之前执行A线平均化、平滑化或其他聚合操作。此类操作可以用于使信号密度测量值对散斑或工艺不稳定性更加稳健。在一些实施例中，ICI系统光束递送光学器件可以包括特定光学器件(例如漫射器)以减少散斑。
参考图4A和图4B，计算出的沿着加工区域的信号密度以及ICI原始数据都可以被存储，并通过绘制为沿加工区域(例如沿着焊接)的定位的函数被显示。图4A示出了在小孔焊接工艺期间作为沿焊接的定位的函数的小孔信号密度的示例。图4B示出了指示作为沿着焊接的定位的函数的小孔深度的小孔原始数据。如图所示，在焊接的开始和结束处，成像信号密度较高，在焊接中，成像光束在小孔打开之前和小孔关闭之后从工件的顶表面反射。随着小孔深度增加至完全熔透，成像信号密度降低，然后在完全熔透之后当成像光束从次表面搁架反射时(在原始数据中显示为较亮的信号)，成像信号密度再次增加。在本示例中，这些绘图可以用于监视焊接和焊接工艺。例如，图4A中的信号密度的绘图可以用于执行质量保证和确定故障点，而图4B中的小孔原始数据的绘图可以用于确保小孔信号密度绘图如预期的那样。
参考图5A至图5B，在本文描述的系统和方法可以用于在对接焊接应用中监视焊接熔透，在对接焊接应用中，部件具有沿加工轴线并在焊接区域下方的次表面搁架。如图5A所示，焊接通过挤压配合对接接头，并且朝向部件502上的焊接区域引导加工光束和成像光束(如箭头所示)。图5B示出了在任何小孔形成之前的、在0W的加工光束功率下的部件502和焊接区域503。该部件在焊接区域503下方(例如，在顶面下方约8mm处)形成空隙505和次表面搁架506。图5C示出了在1150–1900W的加工光束功率下具有完全熔透的小孔508。在这种情况下，小孔508使搁架506暴露，使得成像光束穿过小孔508并通过小孔508从搁架506反射回来。图5D示出了在900W的减小的加工光束功率下具有部分熔透的小孔508。在这种情况下，小孔508关闭，并且成像光束522从小孔508的底部509反射。
图5E图示了可以如何使用ICI来在该对接焊应用中监视完全熔透。ICI系统具有用于典型小孔焊接监视的标准视场(例如，总共约12mm)。然而，完整的ICI视场自身折叠，使得下半部分中的任何表面看起来与其上方的表面重叠。该双场可以用于解析来自焊接路径下方沿加工轴线的搁架506的反射。小孔508的完全熔透因此为成像光束提供了清晰的路径，并且允许下表面被成像并且出现在ICI数据中(在重叠到标准场上的双场内)。
参考图6至图9，ICI数据可以用于计算信号密度，并执行质量保证算法以基于焊接的完全熔透、部分熔透、过度熔透和/或熔透损失来使对接焊接合格或失败。图6示出了原始ICI数据，该原始ICI数据针对不同激光功率沿焊接的焊接长度而产生并表示焊接期间的不同熔透状况。在该示例中，将激光控制为功率在200毫秒(ms)内从0上升到1900W，以提供如下功率阶跃：在1900W下持续450毫秒、在1650W下持续400毫秒、在1400W下持续400毫秒、在1150W下持续400毫秒、在900W下持续400毫秒，然后在400毫秒内下降到0W。图6还示出了焊接质量保证算法的期望的合格/失败结果。箭头指示了原始数据示出小孔熔透之后的下部搁架表面和熔透损失之后的小孔底部的情况。当功率变化时，搁架信号的不同变化是明显的。
搁架信号的这种变化可以通过如上所述计算成像信号密度来量化。图7示出了作为沿焊接的距离的函数的信号密度(也称为填充因子)以及作为沿焊接的距离的函数的激光功率。在该示例中，信号密度(或填充因子)是在12dB的密度阈值以上的测量值的移动的百分比。可以看到每个功率阶跃下的信号密度的变化，并且在成像光束对部件的顶表面上的固体材料进行测量的焊接之前和之后可以看到约100％的信号密度值。
图8A至图8E图示了基于信号密度(填充因子)的质量保证算法的结果。在该示例中，如果信号密度在在某一特征距离(例如，1-2mm)内以及在搁架信号附近的窄深度带(例如，200μm)附近保持在某一百分比(例如，10％)以上，则质量保证算法使焊接失败。图8A示出了正确的焊接合格，其中功率为1900W，并且窄深度带内的信号密度指示完全熔透被实现。图8B至图8D示出了正确的焊接失败，因为窄深度带内的信号密度太高，从而指示功率太低。在这种情况下，高信号密度指示功率太低，因为较低的功率导致搁架上的较少破坏以及来自搁架的较多反射。图8E示出了错误的焊接合格，这是因为由于部分熔透小孔信号不够密集以将其自身与在正确工艺条件下观察到的弱搁架信号(图8A)区分开，所以信号密度保持在阈值以下。
在图8E所示的情况下，可以使用其他测量值来正确地使焊接失败。特别地，质量保证算法可以使用如上所讨论的最大信号密度以及距离测量值(例如超出界限的最大连续距离)来使焊接合格或失败。例如，如图9所示，由于超出界限的4mm的连续的测量值的距离，或在搁架信号的位置周围的2050μm与2250μm之间在200μm的窄深度带之外，焊接应该失败(在图8E所示的情况下)。1900W区域(在图8A中所示的情况下)中的超出界限的测量值点不足以导致失败，因此这些情况下的焊接仍将使用该质量保证算法来正确地合格。因此，自动质量保证算法可以将逻辑“或”运算应用于上述讨论的最大信号密度和最大距离测量值值以使焊接失败。在某些应用中也可以使用最小信号密度。
图10A和图10B图示了其他部件几何形状，其中ICI和成像信号密度可以用于在对接焊应用期间监视焊接熔透。图10A中的部件几何形状定义了具有平坦的凹穴底板的次表面凹穴，当小孔打开时，该平坦的凹穴底板将大部分成像光束反射回ICI系统。图10B中的部件几何形状定义了具有包含V形凹槽的凹穴底板的次表面凹穴，该V形凹槽终止于直接沿加工轴线居中的对接接头，在小孔打开时该凹穴地板将凹穴内的光散射并且将成像光束中的较少部分返回到ICI系统。即使具有这种几何形状和从凹穴底板返回的相对较弱的信号，成像信号密度也可以用于监视焊接熔透。
在一些实施例中，可以修改或设计部件几何形状以改善次表面反射。在具有不提供良好的反射率的几何形状的次表面结构(例如，如图10B所示)的情况下，可以对次表面结构进行改性以提高反射率。聚合物层或其他涂层可以用在凹穴底板上，例如，以提高次表面结构的反射率，从而增加从凹穴底板返回的信号的强度。层和/或涂层可以被设计成在工艺期间(例如，在完全熔透期间)被加工光束消耗、蒸发或以其他方式去除。在不存在沿加工轴线的次表面结构的情况下，可以修改或设计部件几何形状，以创建能够反射穿过小孔的成像光束的次表面结构。
当有意地放置背板或牺牲材料以为ICI系统生成强反射时，如果这种材料或背板可以轻易地更新、更换或清洁、抵抗激光或电子束能量和/或抵抗飞溅物的附着，则这是特别有益的。这样的一个示例是让水在铜表面上方或下方流动。在该实施例中，水表面和铜表面可以由ICI系统成像以确认焊接被完全熔透。在另一实施例中，铜表面完全被省略，并且ICI系统对通过焊接接头下方的水、雾(或一些其他流体)的喷射进行成像。如果流体喷射中存在光学散射介质(例如，包括蒸汽的夹带的气体)，则它将针对ICI图像创建多个散射事件，其将很容易与其他信号区分开，从而进一步使用户能够确认光能够穿过工件的接头，并且焊接有可能完全熔透。通过改变ICI系统的积分时间(以调制系统对高速运动伪影的灵敏度)，和/或通过应用对光学相干断层扫描领域的普通技术人员已知的多普勒或散斑方差技术，可以进一步通过示出散射介质的速度处于与来自工艺的其他方面(蒸汽通道、飞溅等)的运动不一致的某一范围内来识别散射介质。图像处理器的应用与ICI积分时间的调制同步，使得在不同积分持续时间下所获取的测量值之间进行差异比较可以是特别有益的。
在一些实施例中，流体包括或包含在用加工能量光束、或与加工光束一起递送的另一光学光束辐射时发射(例如，发荧光)的物质，并且光束递送系统(例如，包括递送光纤)和/或激光被配置为(例如，通过本领域的普通技术人员已知的优化的光学涂层)接收该发射以确认已经发生焊接的完全熔透。根据实施例，可以使用辅助光学传感器来接收这种发射。在PCT/US2018/014218中更详细地公开了具有辅助传感器的ICI系统的示例，PCT/US2018/014218是共有的并且通过引用整体并入本文。这种发射的接收和识别可能会受到来自工艺本身的其他发射的挑战，该其他发射包括来自热工件的黑体辐射。为了克服这个问题，可以通过滤光器和/或以下方式将对该信号的检测与特定的发射波长(例如，荧光线)隔离开：通过(以几kHz或甚至MHz的速率)脉冲发射激发源并将在脉冲期间测量的信号与在其他时间测量的信号进行比较来将其及时隔离。如果脉冲频率与背景噪声变化的速度相差足够大，则识别真实信号和识别穿过焊接的完全熔透变得容易得多。这些构思也可以应用于其他材料加工应用，例如钻孔或切割，以示出何时发生基本不透明的材料的完全熔透。
参考图11A至图11C，本文所述的系统和方法可以用于在对接焊接中监视焊接熔透，该对接焊接在焊接区域下方没有沿加工轴线的任何次表面结构。在该示例中，成像信号密度可以用于区分完全熔透和熔透的边缘损失。图11A至图11C示出了焊接根部(root)的图像，其中激光功率从9.6kW分别下降到不同的激光功率6.0kW、7.0kW和8.0kW。焊接根部在图11A中可见，在图11B中偶尔可见，但在图11C中的整个焊接中熔合是连续的，仅具有一些稀疏的根部。在这个示例中，图11A和图11B中的焊接应该失败，而图11C中的焊接应该合格。
图12A至图12C分别示出了作为图11A至图11C所示的每个焊接的距离的函数的ICI小孔测量。这些图中的每一个指示在功率下降的区域的开始处的一些小孔闭合，如该区域中增加的点密度所示。图13在单个图上示出了作为在图11A至图11C中示出的针对三个焊接的距离的函数的成像信号密度--针对6.0kW下的焊接的信号密度1301A、针对7.0kW下的焊接的信号密度1301B、以及针对8.0kW的焊接的信号密度1301C。在该示例中，测量值或跟踪阈值为17dB，并且成像信号密度在大于2mm内超过2.8％(如虚线所指示)的焊接是不合格的。该成像信号密度的图有助于通过更清楚地区分在成像信号密度以下的合格焊接(即，图11C中的焊接)与在成像信号密度以上的失败焊接(即图11A和图11B中的焊接)来示出合格/失败确定。
图14示出了针对功率从9.6kW下降到6.0kW且速度为3.8m/min和3.5m/min的焊接的ICI小孔测量(顶部)和成像信号密度(底部)。在此示例中，测量值或跟踪阈值为14dB。如图所示，作为距离的函数所绘制的成像信号密度示出了速度的降低产生了焊接合格与焊接失败之间的差异。成像信号密度可以用于改变一个或多个工艺参数，例如焊接速度、功率、散焦和横向加工光束偏移，以改变焊接小孔的几何形状。还可以调整ICI测量设置(例如测量阈值)、信号密度极限值和小孔测量定位，以确保质量保证算法为特定应用提供所需的合格/失败结果。
参考图15A至图15D，用于使用成像信号密度监视材料加工的系统和方法的另一实施例可以用于监视摆动焊接工艺，例如电池标签(tab)激光焊接工艺。这种类型的工艺在电子交通(电动汽车)应用(例如电池组组装件)中很常见，并且通常用于结合各种配置中的导电金属(包括铜和铝)。其他金属(例如钢和其他铁合金)或金属涂层(例如镍)在此类工艺中也很常见。棱柱状、袋状和圆柱状电池是电池组组装件组成成分的非限制性示例。电子交通焊接应用通常采用具有单模激光的摆动焊接技术来提高工艺中涉及的高反射金属的可焊接性。
在该应用中，摆动模式导致成像光束测量位置和相变区域(PCR)定位之间的对准的周期性空间变化。由于摆动模式周围的线性能量密度的变化，摆动模式也可以产生PCR的周期性的时间变化，从而导致小孔蒸汽通道的周期性产生和坍塌。由于这些变化，针对给定的成像光束定位所获得的一系列A扫描可以包括与蒸汽通道对应的A扫描，以及与其近端表面(例如，熔池或工件表面)对应的A扫描。将各个A扫描分类为其对应的类别(例如，PCR、蒸汽通道、工件表面、熔池等)有利于提高测量系统的准确度。
与摆动模式或更具体地与PCR定位的精确时间空间同步可能是不可行的。因此，将A扫描分类为上述类别或类型取决于测量本身中包括的信息。成像信号密度可以用于执行这种分类。图15A图示了沿焊接的A扫描数据(即，光路距离)，并且图15B至图15D图示了使用成像信号密度和静态阈值水平将来自图15A的A扫描数据分类为“小孔”深度或“表面”。还可以采用较复杂的阈值确定和信号分析技术来提高分类准确度。
图15B示出了与图15A中的深度跟踪数据对应的信号密度图。将信号密度与恒定的信号密度阈值水平(在本示例中为0.78)进行比较。信号密度值在阈值以上的A扫描被分类为“表面”，而值在阈值以下的A扫描被分类为“小孔”深度。在图15C中，来自“小孔”A扫描的深度跟踪数据点与来自“表面”A扫描的深度跟踪数据点被分开绘制。分类数据然后可以用于额外的数据处理、质量保证确定和反馈控制信号，例如，如上所述。在该示例中，从“表面”信号中减去“小孔”深度信号以产生相对于工件的局部表面的深度测量值(图15D)。表面参考小孔深度然后可以经受其自己的质量保证确定算法。“表面”信号还可以用于校正由于扫描光学器件引起的光路距离变化。
在脉冲激光焊接应用中也观察到PCR中的类似的周期性时间变化，并且类似的周期性时间变化可以得益于上述分类。虽然以上示例示出了针对周期性PCR变化的A扫描分类，但所描述的分类技术也有益于变化的PCR或其他工件特征的A扫描，其中这些变化本质上是非周期性的。可能产生此类变化的工艺的示例包括具有不同的工艺条件(材料类型、激光功率、焊接速度、焦点、防护气体等)的工艺，或具更多固有不稳定性的工艺。
尽管所示示例示出了“表面”或“小孔”分类，但使用成像信号密度对A扫描进行分类的构思可以用于将A扫描分类为与相变区域或工件子区域的任何方面有关。这些方面包括但不限于：蒸汽通道、蒸汽通道底部、蒸汽通道侧壁、焊接熔透深度、熔池、工件表面、材料成分、材料相、以及材料密度。
上述技术的进一步应用包括对工件的各个方面的分类和识别。对于由多种材料类型组成的工件，信号密度可以用于将一种材料类型与另一材料类型识别开，或将A扫描分类为属于或不属于特定材料类型。不同的材料类型固有的不同光学和几何性质导致由成像系统接收到的不同的信号水平。这些信号水平表现为不同的信号密度读数，结合阈值确定算法，该信号密度读数可以用于将A扫描分类为对应于特定材料类型。这种分类可以用于各种应用，包括但不限于：不同材料激光焊接、激光材料去除、激光清洁、激光增材制造、以及激光标记。
材料相(例如，固体、液体、气体)或材料相的程度(例如，半固体、半液体)对由成像系统接收到的测量信号水平具有类似的影响，并且因此对信号密度具有类似的影响。对信号密度的分析可以用于将一种材料相或材料相的程度与另一材料相或材料相的程度分辨开。这种类型的分类可以有益于激光加工应用，其中其通常有助于区分工艺的固体(例如，工件)、液体(例如，熔池)和气体(例如，小孔焊接中的蒸汽通道)方面。
与上述内容本质上类似，材料密度也会产生信号密度水平的变化。例如，金属粉末颗粒的聚合体(例如粉末基增材制造中使用的聚合体)比其对应的块状固体形式产生更多的漫散射。漫散射通常导致信号密度读数能够同与本质上更镜面(specular)的表面相关联的信号密度读数区分开，例如通过信号稳定性或信号水平。
所包括的示例旨在作为基于信号密度的A扫描分类的益处的简单示例。上述技术可以扩展到其他应用。
更一般的使用包括但不限于将A扫描采集分类到一个或多个单独的通道中。这些通道可能要遭受额外的分析，以测量或量化过程的各个方面。除了将A扫描分类为属于一个通道或另一通道之外，分类还可以包括将A扫描识别为不属于某一通道。
当被应用于例如由于硬件限制或可变的工艺条件而无法对工艺进行预先规划或同步的应用或工艺时，这里描述的技术可能是特别有用的。A扫描的分类通过为工艺的各个方面提供后验同步来帮助克服这些限制。
提供了用于计算内联相干成像信号的密度的系统、方法、算法和软件。这些方法可以用于监视或控制激光材料加工、或对材料、部件、组件、产品等进行一般检查。
在一个实施例中，ICI信号密度是通过以下操作来计算的：确定每个A扫描是否包含在用户定义的信号密度阈值(例如，以dB为单位测量的、在检测器本底噪声以上的，而不包括零延迟点附近的用户定义的区域)以上的测量点；然后计算用户定义的距离或用户定义的时间(称为“仓”)内满足该条件的A扫描的百分比，其中在用户定义的距离或用户定义的时间上信号被累计。
在一些实施例中，可以从获取的第一条A扫描开始，测量首尾相接地定义仓。在一些实施例中，可以以一致的重叠方式来定义仓。在一些实施例中，可以以与满足上述条件的A扫描的定位相关的重叠方式来定义仓。在一些实施例中，所得的百分比值可以通过算法进一步平滑，该算法包括但不限于移动均值、中值或分位数滤波器。
在一些实施例中，由所述方法产生的数据可以用于对激光材料改性工艺的自动合格/失败或质量评估，或用于对材料、部件、组件、产品等的自动合格/失败或质量评估。
在一个实施例中，ICI信号的强度或密度用于监视完全熔透激光或电子束焊接工艺中的蒸汽通道。
在另一实施例中，该方法用于在部分熔透激光或电子束焊接工艺中监视蒸汽通道。
在另一实施例中，该方法用于在传导模式激光或电子束焊接工艺中监视熔池。
在另一实施例中，该方法用于在落在小孔模式和传导模式焊接工艺的典型能量密度环境(regime)之间的中间激光或电子束焊接工艺中监视熔池或初期蒸汽通道。
在另一实施例中，该方法用于在部分熔透或完全熔透激光或电子束焊接工艺中监视熔池。
在另一实施例中，该方法用于在激光或电子束材料改性工艺前或之前监视材料的表面条件或特性。
在另一实施例中，该方法用于在激光或电子束材料改性工艺后或之后监视材料的表面条件或特性。
在另一实施例中，该方法用于在激光或电子束焊接工艺前或之前检查材料的表面条件或特性。
在另一实施例中，该方法用于在激光或电子束焊接工艺后或之后检查材料的表面条件或特性，其中“材料”可以指焊接熔合区本身、周围材料、材料/表面涂层，或与工艺相关的其他表面。
这些方法可以用于在蒸汽通道旨在侵入次表面中空结构(hollow)或空隙的完全熔透激光或电子束焊接工艺中或者在蒸汽通道不旨在侵入次表面中空结构或空隙的完全熔透激光或电子束焊接工艺中监视蒸汽通道。在一些实施例中，次表面中空结构或空隙可以是气体凹穴或类似特征。在一些实施例中，蒸汽通道旨在沿着加工轴线穿过材料进入自由空间中，其中在自由空间中存在另一表面。该自由空间中的表面可以包括要焊接的部件或组装件上的壁架(ledge)或搁架或表面、或周围装置的表面、或被焊接的部件所属的组装件内的另一组件的表面、或在焊接工艺期间在适当位置的牺牲或临时防护装置或防护件的表面、或在焊接单元中存在的夹紧、固定、气体递送或排气疏散设备的表面。
在另一实施例中，该方法与应用于相同ICI数据的其他方法、算法和软件并行使用，以用于提取或计算其他度量或测量值，例如焊接的熔透的深度。在另一实施例中，独立于并行地应用于相同ICI数据的熔透提取方法的深度的结果，这些方法的结果用于监视合格/失败评估或对焊接工艺的某些方面的控制。在另一实施例中，与并行地应用于相同ICI数据的熔透提取方法的深度的结果相结合地，这些方法的结果用于监视合格/失败评估或对焊接工艺的某些方面的控制。
在另一实施例中，这些方法与应用于在相同的激光材料改性工艺期间所获取的ICI数据的其他子集的其他方法、算法和软件并行使用，以用于提取或计算其他度量或测量值。
在另一实施例中，这些方法与应用于在相同的激光或电子束焊接工艺期间所获取的ICI数据的其他子集的其他方法、算法和软件并行使用，以用于提取和/或计算要焊接材料的高度、材料或周围装置上的接缝、接头或边缘的横向定位、完成的焊接的纵向表面轮廓或从其导出的度量和特征、或完成的焊接的横向表面轮廓或从其导出的度量和特征。
在另一实施例中，计算出的信号密度可以与根据相同ICI数据测量的密度聚合地使用或并行地使用，以便更好地提取关于被测量的材料、部件或工艺的相关信息。该密度数据可以被过滤、平滑或平均化。
在另一实施例中，信号密度测量值用于确定动荡(turbulent)工艺(例如，铝/钛/合金焊接)的小孔/焊接稳定性。
在一些实施例中，次表面特征可以被有意设计成以一致或可预测的方式促进ICI光束的背向散射，目的是更有效地使用这些方法。此类特征可以包括气体凹穴或通道、或包含在加工区域下方的部件或组装件内或位于加工光束轴线的区域中的其他位置的其他特征。此类设计可以包括几何形状、表面光洁度、表面角度、材料选择(例如，能够通过荧光或光学散射而被识别)、涂层、覆层、镀覆或旨在使用这些方法促进测量的其他设计要素。此类设计要素还可以包括排气或气流或熔流(melt flow)管理方法，其被设计为以旨在使用这些方法促进测量的方式影响激光工艺。
在另一实施例中，利用ICI系统同时或顺序地照射改性的材料中的相变区域(PCR)的多个特征，并且来自每个区域的信号密度在一个或多个维度上被单独分析，和/或在区域之间被相关，以指示材料改性工艺的一个或多个参数。
在另一实施例中，来工艺中的一个或多个区域的信号密度用于调节该工艺。这种调节可以是实时进行的(工艺内)，或是在多个周期之间进行的。
在一些实施例中，ICI光束被抖动以补偿工艺中的不稳定性，特别是当对接接头的两侧具有不均匀的厚度时。在这些情况下，工件相对于加工光束的运动可能会对PCR的几何形状产生很大影响，并且抖动补偿了由这种运动引起的不稳定性。
在一些实施例中，小孔底部测量的位置基于对接缝位置的其他ICI测量和/或根据PCR本身的ICI测量而改变。
在进一步的实施例中，ICI信号密度是针对完全熔透激光焊接计算的，该完全熔透激光焊接具有被加工轴线横切并大致与加工轴线正交的搁架或焊接的组装件的材料的其他表面，其在与焊接光束递送光学器件相对的侧上从目标焊接接头去除小于10mm。在焊接工艺期间，利用穿过完全熔透的蒸汽通道(即，实现通过通道到达搁架并反向的往返)的ICI光束来测量材料的搁架。ICI信号的密度与从相同ICI数据中并行提取的焊接熔透深度测量值一起计算。结合焊接熔透测量值来将逻辑应用于信号密度测量值，以制定自动合格/失败判定，或生成与激光焊接工艺的自动控制相关的数据。这些方法与用于以下操作的其他方法结合应用：基于接缝定位、材料高度、纵向的完成的焊接表面轮廓及其衍生度量、横向表面轮廓及其衍生度量、以及通过内联相干成像或基于光电二极管的工艺监视系统产生的其他测量值(及其衍生度量)来监视工艺。
本公开的另一方面涉及一种包含计算机可读指令的计算机可读存储介质，所述计算机可读指令在由处理器执行时使处理器(或包含该处理器的设备)执行与本公开一致的成像信号密度计算。当使用时，计算机可读存储介质可以是制品的形式。在一些示例中，计算机可读存储介质可以是非暂时性计算机可读介质或机器可读存储介质，例如但不限于光、磁或半导体存储介质。在任何情况下，存储介质可以包括或存储计算机可执行指令，例如用于计算成像信号密度并使用成像信号密度来监视和/或控制材料加工的方法的操作的指令。可以使用的合适的计算机可读存储介质的非限制性示例包括能够存储电子数据的任何有形介质，包括易失性存储器或非易失性存储器、可移动或不可移动存储器、可擦除或不可擦除存储器、可写或可重写存储器等。计算机可执行指令的示例可以包括任何合适类型的代码，例如源代码、编译代码、解释代码、可执行代码、静态代码、动态代码、面向对象的代码、视觉代码等。
尽管本文描述了本发明的原理，然而本领域技术人员应理解这种描述仅是示例性地，而不是为了限制本发明的范围。除了本文所示和所述的示例性实施例之外，其他实施例也包括在本发明的范围内。本领域技术人员进行的各种修改和替换被视为在本发明的范围内，其中通过所附权利要求来限定本发明的范围。

Claims (52)

1.一种方法，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，所述至少一个其他测量值是距离测量值。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述距离测量值指示熔透的深度。
32.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：对所述工件进行改性以提供用于促进所述成像光束的背向散射的次表面特征。
33.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，所述成像信号密度被用于将A扫描分类为与相变区域或工件子区域的至少一个方面有关。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述相变区域或工件子区域的至少一个方面是以下中的至少一项：蒸汽通道、蒸汽通道底部、蒸汽通道侧壁、焊接熔透深度、熔池、工件表面、材料成分、材料相、以及材料密度。
35.根据权利要求5或6中任一项所述的方法，还包括：使用所述成像信号密度来将A扫描分类为与相变区域或工件子区域的至少一个方面有关。
36.一种监视焊接工艺的方法，所述方法包括：
生成加工光束，并将所述加工光束引导到工件以形成小孔；
生成成像光束，并将所述成像光束引导到所述小孔中；
至少使用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图数据；
使用所述干涉图数据来确定距离测量值；以及
使用所述干涉图数据来计算成像信号密度。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述距离测量值和所述成像信号密度被用于监视焊接熔透。
38.根据权利要求36所述的方法，还包括：使用所述距离测量值和所述成像信号密度来执行自动焊接质量评估。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，如果所述成像信号密度在定义的距离内在信号密度范围之内或之外，并且所述距离测量值示出在距离范围之内或之外的深度，则焊接合格。
40.根据权利要求38所述的方法，其中，如果所述成像信号密度在定义的距离内在信号密度阈值以下，并且所述距离测量值示出在距离范围之内的深度，则所述焊接合格。
41.根据权利要求36所述的方法，其中，所述工件包括沿着轴向扫描线的空隙和搁架结构。
42.根据权利要求36所述的方法，还包括：对所述工件进行改性以提供用于促进所述成像光束的背向散射的次表面特征。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述改性包括：在次表面搁架结构上设置涂层。
44.根据权利要求42所述的方法，其中，所述改性包括：产生次表面搁架结构。
45.根据权利要求36所述的方法，还包括：使用所述成像信号密度，对相变区域或工件子区域的至少一个方面进行分类。
46.一种监视焊接工艺的方法，所述方法包括：
为工件提供用于促进成像光束的背向散射的次表面特征；
生成加工光束，并将所述加工光束引导到工件以形成小孔；
生成成像光束，并将所述成像光束引导到所述小孔中；
至少使用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，所述分量包括来自所述次表面特征的背向散射；
检测所述干涉测量输出以产生干涉图数据；
使用所述干涉图数据来获得测量值。
47.一种系统，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所述加工光束；
内联相干成像ICI系统，被配置为：生成成像光束，与所述加工光束一起朝向所述工件引导所述成像光束，根据所述成像光束的反射产生干涉测量输出，以及检测所述干涉测量输出以产生ICI数据；以及
监视系统，被编程为：接收所述ICI数据，以及至少确定ICI成像信号密度。
48.根据权利要求47所述的系统，其中，所述监视系统被编程用于：接收使用ICI来表示工件的多个A扫描的A扫描数据，以及通过确定所述A扫描中的每一个是否包含在阈值以上的测量点并计算A扫描的仓内满足该条件的A线的百分比来确定ICI信号密度。
49.根据权利要求47所述的系统，其中，所述监视系统被编程用于计算距离测量值。
50.根据权利要求47所述的系统，其中，所述材料加工系统是焊接系统，其中，所述监视系统被编程用于执行焊接质量评估。
51.根据权利要求47所述的系统，其中，所述材料加工系统是摆动焊接系统，并且其中，所述监视系统被编程用于使用所述成像信号密度来对相变区域或工件子区域的至少一个方面进行分类。
52.一种包括计算机可读指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述计算机可读指令在由处理器执行时使所述处理器执行以下操作，所述操作包括：
接收使用ICI来表示工件的多个A扫描的A扫描数据；
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扫描的仓内满足该条件的A扫描的百分比。
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