KR20210032456A - 인라인 간섭 이미징(ici)을 사용하여 워블-가공을 모니터링 및/또는 제어하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

인라인 간섭 이미징(ici)을 사용하여 워블-가공을 모니터링 및/또는 제어하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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크리스토퍼 엠. 갈브래스
조던 에이. 칸코
폴 제이.엘. 웹스터
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아이피지 포토닉스 코포레이션
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Abstract

프로세스 빔이 워블 용접 프로세스와 같이 워블 패턴으로 이동되는 재료 가공을 모니터링 및/또는 제어하기 위해 시스템 및 방법이 사용될 수 있다. 적어도 하나의 프로세스 빔이 작업편의 가공 부위(예를 들어, 용접 부위) 상에서 워블 패턴에 따라 이동되는 동안, ICI 시스템은 프로세스 빔과 적어도 부분적으로 독립적으로 이미징 빔을 워블 패턴 상의 하나 이상의 측정 위치로 이동시키고 해당 위치에서 ICI 측정값(예를 들어, 깊이 측정값)을 획득한다. ICI 측정값(들)은, 예를 들어 용접 프로세스 동안 키홀 및/또는 용융 풀 특성을 평가하는 데에 사용될 수 있다. 본 출원은 워블 용접 프로세스를 설명하지만, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 또한 적층 제조, 마킹 및 재료 제거를 제한없이 포함하는 가공 중에 레이저 또는 다른 에너지 빔이 워블링되거나(wobbled) 디더링되는(dithered) 다른 재료 가공 용례와 함께 사용될 수 있다.

Description

인라인 간섭 이미징(ICI)을 사용하여 워블-가공을 모니터링 및/또는 제어하기 위한 시스템 및 방법
관련 출원
본 출원은 2019년 5월 28일자로 출원된 "Systems and Methods for Monitoring and/or Controlling Wobble-Welding Using Inline Coherent Imaging(ICI)"이라는 명칭의 미국 가출원 제62/853,368호의 이익을 주장하며, 2018년 7월 19일자로 출원된 "Wobble-Welding of Copper and Aluminum Allows with Inline Coherent Imaging"이라는 명칭의 미국 가출원 제62/700,606호의 이익을 주장하고, 이들 출원 모두는 본 명세서에 참조로 전체적으로 포함된다.
기술 분야
본 개시내용은 재료 가공을 모니터링 및/또는 제어하는 것에 관한 것으로, 특히, 프로세스 빔이 워블 용접과 같은 워블 패턴으로 이동하는 재료 가공을 모니터링 및/또는 제어하기 위해 인라인 간섭 이미징(inline coherent imaging)(ICI)을 사용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
산업 용례를 위한 비철 합금의 레이저 용접이 팽창하고 있지만 몇 가지 도전 과제가 있다. 예를 들어, 알루미늄 및 구리 합금에 의한 근적외선 산업용 레이저 파장의 낮은 흡수는 작업편에 에너지를 효율적으로 결합시키는 데에 필요할 수 있는 키홀의 초기 형성을 저지한다. 키홀이 형성되면, (예를 들어, 철 합금에 비해) 용융물의 낮은 점도로 인해 프로세스 안정성이 감소되고 결함 확률이 높아질 수 있다.
알루미늄, 구리 및 기타 비철 합금과 같은 도전 재료의 경우, 고휘도 섬유 레이저 소스(예를 들어, 단일 모드/로우 모드)와 동적 빔 편향(또는 빔 워블링)을 결합하는 것은, 광물질 상호 작용 부위에서 높은 수준의 복사 강도를 유지하면서, 재료 표면에서 레이저 출력 분포를 정확하게 제어하는 데에 효과적인 접근법이 될 수 있다. 빔을 보다 빠르고 정확하게 이동시키기 위한 한가지 "워블 용접" 기술은, 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2016/0368089에 더 상세하게 개시된 바와 같이 빔과 함께 워블 패턴을 제공하기 위해 이동 가능한 거울을 사용하는 것을 포함하고, 상기 출원은 공동 소유이고 본 명세서에 참조로 전체적으로 포함된다. 그러한 워블 용접 프로세스는, 특히 구리와 알루미늄을 용접할 때 프로세스 안정성을 개선할 수 있으며, 또한 스패터 및 다공성을 감소시키고 완성된 용접 기하형상에 대한 추가의 제어 정도를 제공할 수 있다. 따라서, 안정적이고 반복 가능하며 제어 가능한 결과가 광범위한 산업 적용 가능성과 함께 입증되었다.
그러한 산업적으로 유리한 최종 결과를 초래하는 키홀 및 용융 풀 동역학에 대한 보다 상세한 조사는 워블 용접 기술의 가치를 더욱 활용할 수 있는 가치가 있다. 그러나, 워블 용접에 의해 도입된 추가 자유도는, 포토 다이오드 기반 센서 또는 고속 카메라로 프로세스 모니터링을 사용하여 키홀 동역학을 기록하는, 이미 어려운 작업을 더욱 복잡하게 만들 수 있다.
일 양태에 따르면, 레이저 재료 가공 시스템은 프로세스 빔을 생성하기 위한 재료 수정 빔 소스 및 재료 수정 빔 소스에 결합되고 작업편의 가공 부위 상의 적어도 하나의 축에서 워블 패턴에 따라 프로세스 빔을 지향시키고 이동시키기 위한 적어도 하나의 프로세스 빔 스캐닝 액추에이터를 포함하는 가공 헤드를 포함한다. 인라인 간섭 이미징(ICI) 시스템은 가공 헤드에 광학적으로 결합되고 프로세스 빔과 적어도 부분적으로 독립적으로 이미징 빔을 위치 설정하기 위한 적어도 하나의 이미징 빔 스캐닝 액추에이터를 포함한다. 제어 시스템은 적어도 재료 수정 빔 소스, 프로세스 빔 스캐닝 액추에이터, 및 이미징 빔 스캐닝 액추에이터를 제어한다. 제어 시스템은 가공 헤드가 워블 패턴으로 프로세스 빔을 스캔하게 하고 이미징 빔 스캐닝 액추에이터가 워블 패턴과 협력하여 이미징 빔을 가공 부위 상의 복수의 측정 위치로 이동시키게 하도록 프로그래밍된다.
또 다른 양태에 따르면, 워블 용접 프로세스를 모니터링하기 위한 방법이 제공된다. 방법은, 인라인 간섭 이미징(ICI) 시스템으로부터 작업편의 용접 부위로 프로세스 빔 및 적어도 하나의 이미징 빔을 지향시키는 단계; 작업편의 용접 부위 상에서 워블 패턴으로 프로세스 빔을 이동시키는 단계; 적어도 하나의 이미징 빔을 프로세스 빔으로부터 적어도 부분적으로 독립적으로 용접 부위 상의 복수의 측정 위치로 이동시키는 단계; 및 프로세스 빔이 워블 패턴으로 이동함에 따라 복수의 측정 위치로부터 ICI 측정값을 획득하는 단계를 포함한다.
이들 및 기타 특징 및 이점은 도면과 함께 취한 다음의 상세한 설명을 읽으면 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른, 워블 용접 패턴을 제공하고 인라인 간섭 이미징(ICI)을 사용하여 모니터링되는 레이저 용접 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 1a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 워블링을 위해 이중 거울에 의해 제공되는 비교적 작은 이동 범위를 갖는 포커싱된 레이저 빔의 개략도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 개시내용의 실시예에 따른, 이들 워블 패턴에 의해 형성된 샘플 용접과 함께 상이한 워블 패턴을 예시하는 개략도이다.
도 3a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 표준 용접의 현미경사진이다.
도 3b는 워블 패턴을 사용하여 형성된 용접의 현미경사진이다.
도 4 및 도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른, 시준기 모듈, 워블러 모듈, 및 코어 블록 모듈이 함께 조립되고 포커싱된 빔을 방출하는 레이저 용접 헤드의 사시도이다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른, 워블 용접을 모니터링하는 데에 사용될 수 있는 ICI 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른, ICI를 사용하여 워블 용접을 모니터링하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 8은 이미징 빔을 용접 부위를 가로질러 래스터 스캔 패턴으로 이동시키고 프로세스 빔 워블 패턴을 둘러쌈으로써 ICI를 사용하여 워블 용접을 모니터링하는 일 예의 예시이다.
도 9는 도 8에 도시된 바와 같이 이미징 빔을 래스터 스캐닝함으로써 형성된 원형 워블 패턴 및 가변적인 워블 직경을 갖는 스테인리스 강의 용접에 대한 평균 깊이 맵을 예시한다.
도 10은 이미징 빔을 프로세스 빔 워블 패턴을 따라 복수의 고정된 측정 위치로 이동시킴으로써 ICI를 사용하여 워블 용접을 모니터링하는 또 다른 예의 예시이다.
도 11은 도 10에 도시된 바와 같이 고정된 측정 위치에서 측정된 용접 거리의 함수로서 침투 깊이의 플롯이다.
도 12는 도 10에 도시된 바와 같이 고정된 측정 위치에서 측정된 평균 침투 깊이의 막대 그래프이다.
도 13은 워블 패턴을 따라 프로세스 빔의 방향과 반대 방향으로 이미징 빔을 이동시킴으로써 ICI를 사용하여 워블 용접을 모니터링하는 또 다른 예의 예시이다.
도 14는 도 13에 도시된 바와 같이 이미징 빔이 이동함에 따라 측정된 용접을 따른 거리의 함수로서 침투 깊이의 플롯이다.
도 15는 도 13에 도시된 바와 같이 이미징 빔이 이동함에 따라 상이한 용접 속도에서 회전 각도의 함수로서 평균 침투 깊이의 플롯을 도시한다.
본 개시내용의 실시예에 따른 시스템 및 방법은, 프로세스 빔이 워블 용접 프로세스와 같은 워블 패턴으로 이동되는 재료 가공을 모니터링 및/또는 제어하기 위해 인라인 간섭 이미징(ICI)을 사용한다. 적어도 하나의 프로세스 빔이 작업편의 가공 부위(예를 들어, 용접 부위) 상에서 워블 패턴에 따라 이동되는 동안, ICI 시스템은 프로세스 빔과 적어도 부분적으로 독립적으로 이미징 빔을 워블 패턴 상의 하나 이상의 측정 위치로 이동시키고 해당 위치에서 ICI 측정값(예를 들어, 깊이 측정값)을 획득한다. ICI 측정값(들)은, 예를 들어 용접 프로세스 동안 키홀 및/또는 용융 풀 특성을 평가하는 데에 사용될 수 있다. 본 출원은 워블 용접 프로세스를 설명하지만, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 또한 적층 제조, 마킹 및 재료 제거를 제한없이 포함하는 가공 중에 레이저 또는 다른 에너지 빔이 워블링되거나(wobbled) 디더링되는(dithered) 다른 재료 가공 용례와 함께 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 이미징 빔은 워블 패턴을 둘러싸는 다수의 측정 위치에 걸쳐 스캔 패턴(예를 들어, 래스터 스캔)으로 용접 부위를 스캔하도록 이동되어 용접 부위의 깊이 맵을 형성한다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 이미징 빔은 워블 패턴 상의 하나 이상의 고정된 측정 위치로 이동된다. 또 다른 실시예에서, 이미징 빔은 프로세스 빔의 이동과 반대 방향으로 워블 패턴을 따라 이동된다. 또 다른 실시예에서, 이미징 빔은 워블 패턴을 따라 프로세스 빔의 방향으로 이동되지만, 예를 들어 동적 오프셋 제어 및/또는 주기적 정렬 보정을 제공하기 위해 프로세스 빔과는 독립적이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "워블"은 10°미만의 스캔 각도에 의해 또는 ±5°의 최대 빔 각도 변위에 의해 정의된 비교적 작은 시야 내에서 (예를 들어, 적어도 하나의 축에서) 레이저 빔의 왕복 운동을 지칭한다. 일 예에서, ICI 시스템은, 예를 들어 공동 소유이고 본 명세서에 참조로 전체적으로 포함되는 미국 특허 출원 제2016/0368089호에 더 상세하게 설명된 바와 같이, 워블 패턴으로 용접 작업을 수행하는 이동 가능한 거울과 같은 하나 이상의 스캐닝 액추에이터를 갖는 레이저 용접 헤드와 함께 사용될 수 있다. 스캐닝 액추에이터는, 예를 들어 1-2°의 스캔 각도에 의해 정의되는 비교적 작은 시야 내에서 하나 이상의 빔의 워블링 운동을 제공한다. 스캐닝 액추에이터는, 제한없이, 검류계 스캐닝 거울, 다각형 스캐닝 거울, MEMS 기반 스캐닝 거울, 압전 스캐닝 거울, 회절 기반 빔 스캐너, 회전 프리즘, 칼륨 탄탈륨 니오븀 산화물(Potassium Tantalum Niobium Oxide)(KTN) 결정, 및 기타 유형의 스캐닝 거울 또는 광학계를 포함할 수 있다. 레이저 용접 헤드는 또한 이동되는 빔 또는 빔들을 형상화하기 위한 회절 광학 요소를 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 인라인 간섭 이미징(ICI)은 이미징 빔이 프로세스 및/또는 작업편의 특성을 측정하기 위해 프로세스 빔과 함께 또는 프로세스 빔과 "인라인"으로 작업편에 지향되는 프로세스를 지칭한다. "인라인"이라는 용어는 이미징과 프로세스 빔이 동축이 될 것을 요구하지 않는다. 이미징 빔은 프로세스 빔과 동축일 수 있거나 프로세스 빔에 대해 오프셋되거나 각형성될 수 있다. 본 개시내용에 설명된 실시예는, 예를 들어 공동 소유이고 본 명세서에 참조로 전체적으로 포함되는 미국 특허 제8,822,875호, 제9,757,817호 및 제10,124,410호에 더 상세하게 설명된 바와 같이 임의의 ICI 시스템과 함께 사용될 수 있다. ICI 시스템은 프로세스 빔 스캐닝 액추에이터의 하류에 있는 용접 헤드에 결합될 수 있고, 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 프로세스 빔과 독립적으로 이미징 빔을 이동시키는 이미징 빔 스캐닝 액추에이터를 포함할 수 있다. 스캐닝 액추에이터는, 제한없이, 검류계 스캐닝 거울, 다각형 스캐닝 거울, MEM 기반 스캐닝 거울, 압전 스캐닝 거울, 회절 기반 빔 스캐너, 회전 프리즘, 및 기타 유형의 스캐닝 거울 또는 광학계를 포함할 수 있다.
ICI는 구리 및 알루미늄 합금 뿐만 아니라 기타 비철 합금에서 워블 용접을 모니터링하는 데에 사용될 수 있다. 특히, ICI는 직접적인 기하학적 키홀 측정을 가능하게 하며, 완성된 용접에서 항상 관찰될 수 있는 것은 아닌 위치에 대응하는 키홀의 주기적 변동을 입증하도록 워블 패턴 내에 키홀 깊이 맵핑을 수행하는 데에 사용될 수 있다. 키홀 및 용융 풀 동역학은 회전 및 일반적인 키홀 워블 용접 조건 모두에 대해 검사될 수 있다. ICI 측정은 동적 빔 편향을 사용하는 용접 프로세스의 동역학에 대한 고유한 윈도우를 제공할 수 있다. 용접 침투 깊이 또는 프로파일 및/또는 전가공 또는 후가공 부품 측정과 같은 ICI 측정은 또한, 예를 들어 레이저 출력 또는 워블 패턴과 같은 가공 파라미터를 제어하는 데에 사용될 수 있다.
ICI는 레이저 키홀 용접 프로세스의 측정에 적용될 때 종래의 포토다이오드 기반 센서 또는 고속 카메라에 비해 이점을 제공한다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, ICI는 프로세스 광학계를 통해 2차 이미징 빔(예를 들어, 적외선 빔)을 전달하여 용접 중에 키홀, 용융 풀, 및 주변 재료의 직접적인 기하학적 측정을 수행한다. ICI는 흑체 복사 또는 후방 산란 프로세스 광에 의해 눈이 보이지 않지 않는 이점을 제공하며 레이저 용접 중에 키홀의 침투를 직접 측정할 수 있다. ICI 측정은 미크론 수준의 정밀도와 마이크로초 수준의 시간 분해능이 가능하다. ICI를 사용하여 워블 용접 중에 키홀의 거동을 검사하면 그러한 유형의 용접 프로세스의 거동에 대한 새로운 통찰력을 초래한다.
도 1을 참조하면, 워블 용접을 위한 레이저 용접 시스템(100)은 본 개시내용의 실시예에 따른 ICI 시스템(150)을 사용하여 모니터링 및/또는 제어될 수 있다. ICI 시스템(150)은, 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 용접 부위의 하나 이상의 위치에서 그리고 워블 패턴을 따라 하나 이상의 ICI 측정을 수행함으로써 워블 용접을 모니터링 및/또는 제어하는 데에 사용될 수 있다. ICI 시스템(150)이 레이저 용접 시스템(100)의 특정 실시예의 맥락에서 설명되지만, ICI 시스템(150)은 워블 용접을 위한 임의의 유형의 레이저 용접 시스템 또는 레이저 또는 에너지 빔이 워블링되거나 디더링되는 다른 재료 가공 시스템과 함께 사용될 수 있다.
예시된 실시예에서, 레이저 용접 시스템(100)은 (예를 들어, 커넥터(111a)를 이용하여) 섬유 레이저(112)의 출력 섬유(111)에 결합되는 레이저 용접 헤드(110)를 포함한다. 레이저 용접 헤드(110)는, 예를 들어 용접 비드(106)를 형성하기 위해 시임(104)을 용접함으로써 작업편(102)에 용접을 수행하는 데에 사용될 수 있다. ICI 시스템(150)은 레이저 용접 헤드(110)에, 예를 들어 용접 헤드(110) 상의 카메라 포트 또는 다른 광학 포트에 결합될 수 있다.
레이저 용접 헤드(110) 및/또는 작업편(102)은 시임(104)의 방향을 따라 서로에 대해 이동 또는 병진될 수 있다. 레이저 용접 헤드(110)는 적어도 하나의 축을 따라, 예를 들어 시임(104)의 길이를 따라 작업편(102)에 대해 용접 헤드(110)를 병진시키도록 동작 스테이지(114) 상에 위치될 수 있다. 일 예에서, 동작 스테이지(114)는 ABB IRB-4400 6축 로봇과 같은 다축 로봇이고 재료 또는 작업편은 고정된 고정구에 클램핑된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 작업편(102)은 레이저 용접 헤드(110)에 대해 작업편(102)을 이동 또는 병진시키도록 동작 스테이지(108) 상에 위치될 수 있다.
섬유 레이저(112)는 근적외선 스펙트럼 범위(예를 들어, 1060-1080 nm)의 레이저를 생성할 수 있는 이테르븀 섬유 레이저를 포함할 수 있다. 이테르븀 섬유 레이저는, 일부 실시예에서 최대 1 kW의 출력 및 다른 실시예에서 최대 50 kW의 더 높은 출력으로 레이저 빔을 생성할 수 있는 단일 모드 또는 다중 모드 연속파 이테르븀 섬유 레이저일 수 있다. 섬유 레이저(112)의 예는 100 ㎛ 코어 프로세스 섬유 레이저를 통해 전달되는 YLS-6000 섬유 레이저(1070 파장)와 같은 IPG Photonics Corporation에서 입수할 수 있는 YLR SM 시리즈 또는 YLR HP 시리즈 레이저를 포함한다. 섬유 레이저(112)는 또한 2015년 8월 13일자로 출원된 "Multibeam Fiber Laser System"이라는 명칭의 국제 출원 제PCT/US2015/45037호에 개시된 유형과 같은 다중 빔 섬유 레이저를 포함할 수 있는데, 이 다중 빔 섬유 레이저는 하나 이상의 레이저 빔을 다수의 섬유를 통해 선택적으로 전달할 수 있다.
예시된 실시예에서, 레이저 용접 헤드(110)는 일반적으로 출력 섬유(111)로부터의 레이저 빔을 시준하기 위한 시준기(122), 시준된 빔(116)을 반사 및 이동시키기 위한 적어도 제1 및 제2 이동 가능한 거울(132, 134), 및 포커싱하고 포커싱된 빔(118)을 작업편(102)에 전달하기 위한 초점 렌즈(142)를 포함한다. 일 예에서, 용접 헤드(110)는 150 mm 시준기 및 300 mm 최종 포커싱 광학계(200 ㎛의 공칭 초점 직경에 대해)를 갖는 IPG D50 워블 용접 헤드이다. ICI 시스템(150)은 이동 가능한 거울(132, 134)의 하류에 있는 용접 헤드(110)에 결합될 수 있다. 예시된 실시예에서, 고정식 거울(144)이 또한 제2 이동 가능한 거울(134)로부터의 시준된 레이저 빔(116)을 초점 렌즈(142)로 지향시키는 데에 사용된다. 시준기(122), 이동 가능한 거울(132, 134), 초점 렌즈(142) 및 고정식 거울(144)은, 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 함께 결합될 수 있는 별도의 모듈(120, 130, 140)에 제공될 수 있다.
이동 가능한 거울(132, 134)은, 시준된 빔(116)이 이동하게 하고 따라서 포커싱된 빔(118)이 적어도 2개의 상이한 수직축(2, 4)에서 작업편(102)에 대해 이동하게 하기 위해 상이한 축(131, 133)을 중심으로 피봇 가능하다. 이동 가능한 거울(132, 134)은 방향을 빠르게 반전할 수 있는 갈보 모터에 의해 이동 가능한 검류계 거울일 수 있다. 다른 실시예에서, 스테퍼 모터와 같은 다른 메커니즘이 거울을 이동시키는 데에 사용될 수 있다. 레이저 용접 헤드(110)에서 이동 가능한 거울(132, 134)을 사용하면 전체 용접 헤드(110)를 이동시킬 필요 없이 그리고 회전 프리즘을 사용하는 일 없이 빔 워블링을 위해 레이저 빔(118)이 정밀하고 제어 가능하며 신속하게 이동되게 할 수 있다.
용접 헤드(110)의 실시예에서, 이동 가능한 거울(132, 134)은, 빔(118)을 10° 미만의 스캔 각도(α) 내에서(또는 ±5°의 최대 빔 각도 변위로), 특히 도 1a에 도시된 바와 같이 약 1-2°의 스캔 각도 내에서 피봇시켜 빔이 워블링되게 함으로써, 상대적으로 작은 시야(예를 들어, ±30 mm의 작업편에서 최대 빔 변위) 내에서만 빔(118)을 이동시킨다. 이와 달리, 종래의 레이저 스캔 헤드는 일반적으로 훨씬 더 큰 시야(예를 들어, 50 x 50 mm 초과 250 x 250 mm 이하) 내에서 레이저 빔의 이동을 제공하고 더 큰 시야와 스캔 각도를 수용하도록 설계된다. 따라서, 레이저 용접 헤드(110)에서 비교적 작은 시야만을 제공하는 이동 가능한 거울(132, 134)의 사용은 갈보 스캐너를 사용할 때 더 넓은 시야를 제공하는 종래의 통념에 반하고 반직관적이다. 시야 및 스캔 각도를 제한하면, 예를 들어 더 빠른 속도를 가능하게 하여 렌즈와 같은 저렴한 구성요소와 함께 사용하게 하고, 에어 나이프 및/또는 가스 보조 부속품과 같은 부속품과 함께 사용하게 함으로써, 용접 헤드(110)에서 갈보 거울을 사용할 때 이점을 제공한다.
용접 헤드(110)의 예시적인 실시예에서 더 작은 시야 및 스캔 각도 때문에, 제2 거울(134)은 제1 거울(132)과 실질적으로 동일한 크기일 수 있다. 이와 달리, 종래의 갈보 스캐너는 일반적으로 더 큰 시야 및 스캔 각도를 제공하도록 더 큰 제2 거울을 사용하고 더 큰 제2 거울은 적어도 하나의 축에서 이동 속도를 제한할 수 있다. 따라서, 용접 헤드(110)에 있는 더 작은 크기의 제2 거울(134)(예를 들어, 제1 거울(132)과 거의 동일한 크기)은, 큰 스캔 각도를 제공하는 종래의 갈보 스캐너의 더 큰 거울에 비해 거울(134)이 더 빠른 속도로 이동할 수 있게 한다.
초점 렌즈(142)는 레이저 용접 헤드에 사용되는 것으로 공지되고, 예를 들어 100 mm 내지 1000 mm 범위의 다양한 초점 거리를 갖는 초점 렌즈를 포함할 수 있다. 종래의 레이저 스캔 헤드는 빔을 더 큰 시야 내에 포커싱하기 위해 훨씬 더 큰 직경(예를 들어, 33 mm 직경 빔에 대해 300 mm 직경 렌즈)을 갖는 F-세타 렌즈, 필드 평탄화 렌즈, 또는 텔레센트릭 렌즈와 같은 다중 요소 스캐닝 렌즈를 사용한다. 이동 가능한 거울(132, 134)이 비교적 작은 시야 내에서 빔을 이동시키기 때문에, 더 큰 다중 요소 스캐닝 렌즈(예를 들어, F-세타 렌즈)가 필요하지 않고 사용되지 않는다. 본 개시내용에 따른 용접 헤드(110)의 한가지 예시적인 실시예에서, 50 mm 직경의 평볼록(plano convex) F300 초점 렌즈를 사용하여 약 15 x 5의 시야 내에서 이동하도록 약 40 mm의 직경을 갖는 빔을 포커싱할 수 있다. 더 작은 초점 렌즈(142)의 사용은 또한 에어 나이프 및/또는 가스 보조 부속품과 같은 추가 부속품이 용접 헤드(110)의 단부에서 사용되게 한다. 종래의 레이저 스캔 헤드에 필요한 더 큰 스캐닝 렌즈는 그러한 부속품의 사용을 제한하였다.
레이저 용접 헤드(110)의 예시적인 실시예가 2개의 이동 가능한 거울(132, 134)을 포함하지만, 워블 패턴을 제공하기 위해 다른 유형 및 개수의 스캐닝 액추에이터가 또한 사용될 수 있다. 용접을 위한 적어도 2개의 빔 스폿을 (예를 들어, 용접의 양 측면에) 제공하기 위해 레이저 빔을 분할하기 위한 빔 스플리터와 같은 다른 광학 구성요소가 레이저 용접 헤드(110)에 사용될 수도 있다. 추가 광학 구성요소가 또한 회절 광학계를 포함할 수 있으며 시준기(122)와 거울(132, 134) 사이에 위치 설정될 수 있다.
용접 프로세스에 의해 생성된 파편으로부터 렌즈 및 기타 광학계를 보호하기 위해 보호 윈도우(146)가 렌즈(142) 전방에 제공될 수 있다. 레이저 용접 헤드(110)는 또한, 보호 윈도우(146) 또는 초점 렌즈(142)를 가로질러 고속 공기 유동을 제공하여 파편을 제거하기 위한 에어 나이프 및/또는 용접 플룸을 억제하기 위해 차폐 가스를 용접 부위에 동축으로 또는 편축으로 전달하기 위한 가스 보조 부속품과 같은 용접 헤드 부속품을 포함할 수 있다. 따라서, 이동 가능한 거울이 있는 레이저 용접 헤드(110)는 기존의 용접 헤드 부속품과 함께 사용될 수 있다.
예시된 실시예에서, ICI 시스템(150)은, 예를 들어 거울(132, 134)의 하류에 있는 레이저 용접 헤드(110)에 광학적으로 결합된다. ICI 시스템(150)은 프로세스 빔(118)과 인라인으로 지향되는 이미징 빔(152)을 생성한다. 고정식 거울(144)은 프로세스 빔(118)을 반사하고 이미징 빔(152)이 통과할 수 있게 하는 이색 거울(dichroic mirror)일 수 있다. ICI 시스템(150)은, 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 용접 부위의 그리고 워블 패턴 상의 하나 이상의 측정 위치로 이미징 빔(152)을 이동시키기 위한 하나 이상의 스캐닝 액추에이터(도시되지 않음)를 포함한다. 일 예에서, ICI 시스템(150)은, 이미징 빔이 프로세스 빔과 독립적으로 위치 설정될 수 있게 하도록, 2차 쌍의 검류계 스캐너 거울을 통합하는 IPG LDD-700 ICI 시스템을 포함한다. 다른 실시예에서, ICI 시스템(150)은 거울(132, 134)의 상류에 광학적으로 결합될 수 있다.
레이저 용접 시스템(100)의 예시된 실시예는, 예를 들어 용접 헤드(110)의 감지된 상태, 시임(104)의 검출된 위치, 및/또는 레이저 빔(118)의 이동 및/또는 위치에 응답하여, 섬유 레이저(112), 이동 가능한 거울(132, 134)의 위치 설정, 및/또는 동작 스테이지(108, 114)를 제어하기 위한 제어 시스템(160)을 더 포함한다. 제어 시스템(160)은 또한, 예를 들어 용접 부위를 따른 깊이 측정을 나타내는 ICI 시스템(150)으로부터 데이터를 수신함으로써 용접 작업을 모니터링 및/또는 제어할 수 있다.
제어 시스템(160)은, 예를 들어 레이저를 차단하거나, 레이저 출력을 변경하거나, 임의의 다른 조절 가능한 레이저 파라미터를 조절함으로써 섬유 레이저(112)를 제어할 수 있다. 제어 시스템(160)은 또한 레이저(112)를 턴오프하지 않고 빔(118)의 이동 또는 위치에 응답하여 레이저 파라미터(예를 들어, 레이저 출력)를 제어할 수 있다. 이동 가능한 거울(132, 134) 중 하나가 빔(118)을 범위 밖으로 또는 너무 느리게 이동시키면, 제어 시스템(160)은 레이저에 의한 손상을 피하기 위해 레이저 출력을 감소시켜 빔 스폿의 에너지를 동적으로 제어할 수 있다. 제어 시스템(160)은 다중 빔 섬유 레이저에서 레이저 빔의 선택을 추가로 제어할 수 있다.
제어 시스템(160)은, 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 용접 동안 워블 이동을 제공하기 위해 이동 가능한 거울(132, 134) 중 하나 또는 둘 모두를 제어할 수 있다. 제어 시스템(160)은 또한 ICI 시스템(150)의 스캐닝 액추에이터를 제어하여 아래에 설명되는 바와 같이 용접 부위 상의 이미징 빔(152)의 이동 및/또는 위치 설정을 제어할 수 있다. 제어 시스템(160)은 또한 ICI 측정을 보정하기 위한 데이터 처리 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템(160)은 ICI 측정의 기록을 생성하기 위한 기록 생성기 및 용접 부품의 품질 분석을 수행하기 위한 품질 판단 시스템을 더 포함할 수 있다.
따라서, 제어 시스템(160)은 워블 용접 프로세스 및 워블 용접 프로세스의 모니터링 둘 모두를 제어하기 위해 함께 작동하는 레이저 제어, 워블 제어, 동작 제어 및 ICI 제어를 포함한다. 제어 시스템(160)은, 예를 들어 섬유 레이저 및 갈보 거울을 제어하는 데에 사용되는 것으로 공지된 하드웨어(예를 들어, 범용 컴퓨터 또는 마이크로컨트롤러) 및 소프트웨어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기존의 갈보 제어 소프트웨어가 사용될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 바와 같이 갈보 거울이 제어될 수 있게 하도록 수정될 수 있다.
레이저 용접 시스템(100)은 또한 가시 광선 및/또는 IR 감지 포토다이오드와 같은 보조 센서, 및/또는 카메라를 포함하는 보조 측정 시스템(170)을 포함할 수 있으며, 이들 중 일부는 광섬유를 통해 용접 헤드(110)에 결합될 수 있다. 보조 측정 시스템(170)은, 예를 들어 100 nm 내지 20 ㎛의 스펙트럼 대역 내에서 프로세스 복사선을 측정하도록 구성될 수 있다. 보조 측정 시스템(170)은 프로세스 빔 및/또는 측정 빔에 대해 공간적으로 국소화된 측정을 수행하기 위해 애퍼처, 렌즈, 스캐닝 거울, 광섬유(이들 중 일부는 프로세스 레이저 또는 ICI 시스템 자체에 결합될 수 있음)와 같은 광학 요소를 포함할 수 있다. 보조 센서의 예는 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 제10,124,410호에 보다 상세하게 설명되어 있다. 보조 측정 시스템(170)으로부터의 하나 이상의 출력은 용접 프로세스 동안 워블 패턴 내의 프로세스 빔의 위치에 따라 작업편 표면에서 프로세스 빔으로부터의 이미징 빔을 동적으로 오프셋하는 데에 사용될 수 있다. 보조 측정 시스템(170)은 ICI 시스템으로부터의 적어도 하나의 출력에 기초하여 프로세스 빔으로부터 동적으로 오프셋된 측정 위치에서 공간적으로 국소화된 측정을 수행하도록 구성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 그에 의해 형성된 샘플 용접과 함께 시임의 교반 용접을 수행하는 데에 사용될 수 있는 주기적 또는 반복적 워블 패턴의 예를 예시한다. 도 2a 및 도 2b는 시계 방향 원형 패턴을 도시하고, 도 2b는 선형 패턴을 도시하며, 도 2c는 숫자 8 패턴을 도시하고, 도 2d는 무한 패턴을 도시한다. 특정 워블 패턴이 예시되어 있지만, 다른 워블 패턴은 제한 없이 나선형 패턴을 포함하는 본 개시내용의 범위 내에 있다. 레이저 용접 헤드(110)에서 이동 가능한 거울을 사용하는 한 가지 이점은 다양한 여러 워블 패턴에 따라 빔을 이동시키는 능력이다.
도 3a 및 도 3b는 워블 패턴에 의해 형성된 용접과 표준 용접의 비교를 예시한다. 본 명세서에 설명된 레이저 용접 시스템 및 방법은 통상적으로 용접하기 어려운 티타늄과 같은 재료로 용접을 개선하는 데에 사용될 수 있다.
도 4 및 도 5는 스캐닝 레이저 용접 헤드(410)의 예시적인 실시예를 보다 상세하게 예시한다. 하나의 특정 실시예가 도시되었지만, 본 명세서에 설명된 레이저 용접 헤드 및 시스템 및 방법의 다른 실시예는 본 개시내용의 범위 내에 있다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저 용접 헤드(410)는 시준기 모듈(420), 워블러 모듈(430), 및 코어 블록 모듈(440)을 포함한다. 워블러 모듈(430)은 전술한 바와 같이 제1 및 제2 이동 가능한 거울과 같은 스캐닝 액추에이터(들)를 포함하고 시준기 모듈(420)과 코어 블록 모듈(440) 사이에 결합된다.
시준기 모듈(420)은 레이저 용접 헤드에 사용되는 것으로 공지된 유형과 같은 고정된 쌍의 시준기 렌즈를 갖는 시준기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 시준기는 빔 스폿 크기 및/또는 초점을 조절할 수 있는 이동 가능한 렌즈와 같은 다른 렌즈 구성을 포함할 수 있다. 워블러 모듈(430)은 상이한 수직축을 중심으로 갈보 거울(도시되지 않음)을 이동시키기 위한 제1 및 제2 검류계(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 레이저 스캐닝 헤드에 사용되는 것으로 공지된 검류계를 사용할 수 있다. 검류계는 검류계 제어기(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 갈보 제어기는 거울의 이동을 제어하고 이에 따라 레이저 빔의 이동 및/또는 위치 설정을 제어하기 위해 검류계를 제어하기 위한 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 공지된 갈보 제어 소프트웨어가 사용될 수 있고 본 명세서에 설명된 기능, 예를 들어 시임 발견, 워블러 패턴, 및 레이저와의 통신을 제공하도록 수정될 수 있다. 코어 블록 모듈(440)은 워블러 모듈(430)로부터 수신된 빔을 초점 렌즈로, 이어서 작업편으로 재지향시키는 고정식 거울(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. ICI 시스템은, 예를 들어 코어 블록 모듈(440)에 결합될 수 있고, 코어 블록 모듈(440)의 고정식 거울은, 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 반사된 이미징 빔이 ICI 시스템으로 다시 통과되게 하는 이색 거울일 수 있다.
도 4 및 도 5는 각각의 모듈(420, 430, 440)이 함께 결합되고 포커싱된 빔(418)을 방출하는 조립된 레이저 용접 헤드(410)를 도시한다. 시준기 모듈(420)에 결합된 레이저 빔이 시준되고 시준된 빔은 워블러 모듈(430)로 지향된다. 워블러 모듈(430)은 거울을 사용하여 시준된 빔을 이동시키고, 이동하는 시준된 빔을 코어 블록 모듈(440)로 지향시킨다. 코어 블록 모듈(440)은 이어서 이동하는 빔을 포커싱하고 포커싱된 빔(418)은 작업편(도시되지 않음)로 지향된다.
도 6은 간섭계 구성을 포함하고 전술한 바와 같이 워블 용접 시스템을 모니터링하기 위해 저간섭 간섭 측정을 사용하는 ICI 시스템(650)의 예를 도시한다. 예시된 실시예는 마이컬슨(Michelson)-스타일 간섭계를 사용한다; 그러나, 마하-젠더(Mach-Zehnder)와 같은 다른 간섭 측정 구성을 갖는 ICI 시스템이 워블 용접 시스템과 함께 사용될 수도 있으며 본 개시내용의 범위 내에 있다.
ICI 시스템(650)은 하나 이상의 이미징 빔 소스(652)를 생성하기 위한 이미징 빔 소스(652), 및 적어도 하나의 이미징 빔 성분(652a)이 작업편(602)을 향해 지향되고(즉, 샘플 아암(656)에 적용됨) 적어도 하나의 이미징 빔 성분(652b)이 기준 거울(657)을 향해 지향되도록(즉, 기준 아암(658)에 적용됨) 이미징 빔(들)(652)을 분할하기 위한 스플리터/결합기(654)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 작업편(602)을 향해 지향된 이미징 빔 성분(652a)은 워블 용접을 수행하는 데에 사용되는 프로세스 빔(618)을 반사하는 이색 거울(644)을 통과한다. 반사된 이미징 빔 성분(652a)이 결합기(654)를 향해 다시 통과하게 하면서 이미징 빔 성분(652a)을 프로세스 빔(618)과 결합하기 위해 다른 결합 광학계가 또한 사용될 수 있다.
이어서, 작업편(602) 및 기준 거울(657)로부터 반사된 이미징 빔 성분은 스플리터/결합기(654)에 의해 결합되어 결합된 신호를 간섭 측정 출력으로서 제공한다. ICI 시스템(650)은 반사된 이미징 빔 성분(652a, 652b)으로부터 형성된 결합된 신호를 수신하고 검출함으로써 간섭 측정 출력으로부터 간섭도(interferogram)를 생성하는 고속 스펙트럼 검출기와 같은 신호 검출기(655)를 더 포함한다. 간섭도는 간섭도 프로세서(661)에 제공되어 간섭도를 처리하고 그로부터 측정값(예를 들어, 깊이 측정값)을 계산할 수 있다. 간섭도 프로세서(661)는 도 1에 도시된 ICI 시스템(650) 또는 제어 시스템(160)의 일부일 수 있다.
이 실시예에서, ICI 시스템(650)은, 프로세스 빔(618)과 독립적으로 이미징 빔 성분(652a)를 스캐닝하기 위한 2축 갈보 스캐너 또는 다른 능동 편향 디바이스와 같은 하나 이상의 이미징 빔 스캐닝 액추에이터(659)를 더 포함한다. 스캐닝 액추에이터(659)는, 예를 들어 워블 패턴에서 이동할 때 프로세스 빔(618)과 실질적으로 정렬된 상태로 유지하도록 이미징 빔 성분(652a)을 스캔하는 데에 사용될 수 있다. 스캐닝 액추에이터(659)는 또한, 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 프로세스 빔(618)의 워블 패턴을 둘러싸는 다양한 스캔 패턴으로 이미징 빔 성분(652a)을 스캔하는 데에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, ICI 시스템(650)은 다수의 샘플 아암(656) 및/또는 다수의 기준 아암(658)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미징 빔 성분(652a)이 스캔될 때 광학 경로 길이의 변화를 설명하기 위해 상이한 광학 경로 길이를 갖는 다수의 기준 아암(658)이 사용될 수 있다.
도 7을 참조하면, ICI를 사용하여 워블 용접을 모니터링하는 방법이 도시되고 설명된다. 방법은 적어도 하나의 프로세스 빔(예를 들어, 프로세스 빔(118, 618)) 및 적어도 하나의 이미징 빔(예를 들어, 이미징 빔(152, 652a))을 ICI 시스템으로부터 용접 부위로 지향시키는 단계(710)를 포함한다. 프로세스 빔은, 예를 들어 전술한 바와 같이, 용접 부위에서 워블 패턴으로 이동된다(712). 이미징 빔은, 예를 들어 워블 패턴을 포함하는 용접 부위 상의 하나 이상의 측정 위치로 프로세스 빔으로부터 적어도 부분적으로 독립적으로 이동된다(714). ICI 측정값은 프로세스 빔이 워블 패턴으로 이동함에 따라 하나 이상의 측정 위치로부터 획득된다(716). 이미징 빔은 여러 위치에서 ICI 측정값을 획득하도록 이동되어, 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 예를 들어 키홀 및/또는 용융 풀 특성을 비롯하여 워블 용접의 다양한 양태가 평가되게 할 수 있다. 이미징 빔은 또한 동일한 워블 경로를 따라 이동되고 실질적으로 프로세스 빔과 정렬될 수 있다. 이미징 빔은 또한 하나 이상의 측정 위치에서 국소적으로 디더링되거나 워블링될 수 있다.
ICI 측정값은 또한, 예를 들어 하나 이상의 처리 파라미터 및/또는 프로세스 빔의 워블 이동을 조절함으로써 워블 용접 프로세스를 제어하는 데에 사용될 수 있다. 제어의 예는, 예를 들어 공동 소유되고 본 명세서에 참조로 전체적으로 포함되는 미국 특허 제8,822,875호, 제9,757,817호 및 제10,124,410호에 설명된 바와 같은 피드백 제어를 포함한다.
도 8 및 도 9를 참조하면, ICI를 사용하여 워블 용접 프로세스를 모니터링하는 일 실시예는 용접 부위의 깊이 맵을 형성하기 위해 워블 패턴을 둘러싸는 다수의 측정 위치에 걸쳐 스캔 패턴으로 용접 부위를 래스터 스캔하도록 이미징 빔(152)을 이동시키는 것을 포함한다. 일 예에서, 프로세스 빔(118)은 원형 패턴으로 워블링되고 용접 방향(3)으로 이동되어 스테인리스 강(304) 쿠폰에서 선형 비드-온-판 용접을 수행한다. 각 용접 중에, ICI 측정 빔 또는 이미징 빔은, 프로세스 빔 축(고정식일 때) 상에 센터링된, 1.5 x 1.5 mm를 측정하는 정사각형 격자 패턴을 통해 래스터 스캔된다. 격자 패턴의 각 지점으로부터의 깊이 측정값을 결합하여 용접 부위의 비동기 3차원 이미지를 형성한다. 프로세스 파라미터는, 0 ㎛(고정된 광학 용접에 해당)에서 500 ㎛까지 변경되는 워블 패턴 직경을 제외하고는, 아래 표 1에 따라 일정하게 유지된다. 연속적인 용접의 3차원 이미지는 (x,y)의 각 위치에서 평균 깊이를 계산하여 결합되어 버진 강철(virgin steel), 키홀, 및 용융 풀을 포함하는 재료 표면의 대표 깊이 맵을 작성한다.
Figure pct00001
도 9는 용접 방향이 이미지에서 우측으로부터 좌측인 다양한 워블 직경(예를 들어, 워블 없음, 100 ㎛, 200 ㎛, 300 ㎛, 400 ㎛ 및 500 ㎛)을 갖는 스테인리스 강 용접의 평균 깊이 맵을 도시한다. 각각의 맵은 동일한 파라미터를 갖는 여러 용접 동안 획득한 5개의 연속적인 3차원 이미지의 조합이다. 깊이 맵의 정성적 변화는 100 ㎛과 200 ㎛ 워블 직경 사이에서 볼 수 있다. 고정된 빔 용접의 경우 및 100 ㎛ 빔 워블 케이스의 경우, 이 프로세스는 이미지 중심에 깊숙한 국소화된 키홀을 생성한다.
200 ㎛ 직경 이상에서, 용융 풀은 워블 패턴의 중심을 침입하기 시작한다(예를 들어, 재료 표면과 유사한 측정된 깊이로 표시되는 바와 같이). 이 직경 초과에서는, 키홀의 더 깊은 측정값이 링 형상의 분포로 나뉜다. 이 상황에서, 키홀은 그 동작을 통해 프로세스 빔을 따라 더 큰 용융 풀 내에서 원형 패턴을 추적한다. 달리 말하면, 워블 직경을 프로세스 빔의 포커싱된 직경으로 증가시키면, 단일의 국소화된 키홀 영역으로부터 재료 표면과 수평을 이루는 용융물 중심 영역이 높은 회전 키홀로 키홀 깊이 분포가 천이된다.
이들 결과는 프로세스 빔의 직경을 고려할 때 직관적이다. 이들 실험의 경우, 초점에서 공칭 1/e^2 빔 직경은 200 ㎛이다. 빔 직경과 일치하도록 워블 직경이 증가되면, 프로세스 빔의 각 회전에 걸쳐 중심에서 주목할 만한 강도 중첩 영역이 더 이상 없다. 이로 인해, 직경이 더 작은 워블 패턴과 비교할 때 프로세스 축에서 증발 반동 압력이 부족하여, 키홀이 뚜렷한 궤도 운동으로 천이되게 된다. 빔 직경보다 작은 워블 직경의 경우, 키홀 깊이 분포는 고정된 빔 키홀의 분포와 더 비슷해 보인다. 이 상황에서 프로세스 빔을 따르는 키홀의 일부 소규모의 궤도가 여전히 존재할 수 있으며, 이는 도 9에 도시된 이미지에서 보이지 않을 것이다. 이는 동등한 시간 평균 강도 분포를 갖는 더 큰 직경의 빔을 사용할 때 가능하지 않은 방식으로 용융 풀 동역학 및 전체 프로세스 안정성에 영향을 미칠 수 있다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, ICI를 사용하여 워블 용접 프로세스를 모니터링하는 또 다른 실시예는 ICI 이미징 빔(152)을 워블 패턴을 따라 하나 이상의 고정된 위치로 이동시켜 위치(들)에서 고정된 ICI 측정값을 획득하는 것을 포함한다. 일 예에서, 프로세스 빔(118)은 원형 워블 패턴으로 워블링되고 용접 방향(3)으로 이동되어, 워블 패턴 내부의 특정 고정된 지점에서 키홀 깊이 진동 안정성을 관찰하고 비교할 목적으로 구리(110)에서 선형 비드-온 판 용접을 생성한다. 키홀 측정값은 각 용접의 전체 기간 동안 워블 패턴의 고정된 위치에서 지속적으로 취득된다. 아래의 표 2에 따른 동일한 파라미터를 사용하여 연속적인 용접 중에 여러 측정 위치를 검사한다.
Figure pct00002
이 예에서, 정적 ICI 깊이 측정값은 원형 워블 패턴 둘레의 4개의 방위 기점(예를 들어, 152a-d)에서 취득된다. 용접 방향에 평행한 축을 따른 2개의 지점(예를 들어, 152a, 152b)은 선행(152a) 및 후행(152b)으로 지칭되며, 용접 방향(3)에 수직인 축을 따른 2개의 지점(예를 들어, 152c, 152d)은 빠름(152c) 및 느림(152d)으로 지칭된다. 부품에 대한 헤드의 이동 속도와 결합된 프로세스 빔의 동작은 워블 패턴의 빠른 쪽과 느린 쪽 사이에서 빔의 국소적인 이동 속도에 비대칭성을 야기한다. 워블 파라미터에 기초하여, 프로세스 헤드의 기준 프레임에서 프로세스 빔의 원주방향 속도는 785 mm/s이다. 워블 패턴의 빠른 쪽에서, 프로세스 빔은 (재료에 대해) 전진 용접 방향(3)으로 835 mm/s로 이동되고, 워블 패턴의 느린 쪽에서는 빔이 용접 후방을 향해 735 mm/s로 이동된다.
이 방식으로 취득된 깊이 데이터는 프로세스 빔(118)이 측정 빔(152a-d)을 통해 교차할 때 키홀의 바닥으로부터의 측정값, 및 다른 시간에 용융 풀의 표면으로부터의 측정값을 포함한다. 깊이 데이터는 2개의 빔의 각각의 예상 교차 간격 내에서 국소 최소값을 검색하여 키홀 최소값 세트로 감소된다. 도 11은 동일한 파라미터를 갖는 구리의 상이한 비드-온-판 용접 동안 모두 4개의 측정 위치(즉, 워블 패턴의 선행, 후행, 느림 및 빠름 에지)에 대한 결과적인 키홀 깊이를 도시한다. 도 12는 원형 워블 패턴의 방위 기점 상의 이들 각각의 측정 위치에 대한 평균 깊이 및 표준 편차를 도시한다.
도 11의 4개의 깊이 측정 세트 각각은 고유한 특성 깊이와 안정성 특성을 나타낸다. 선행 및 후행 측정값은 침투 깊이에서 현저한 차이를 나타낸다(예를 들어, 약 400 ㎛). 키홀이 워블 패턴의 후행 에지(용융 체적 대부분에 가장 가까운)를 가로질러 이동할 때, 키홀은 패턴의 선행 에지에서보다 더 큰 침투 깊이에 도달한다. 패턴의 느리고 빠른 에지는 깊이와 안정성 모두에서 차이를 보인다. 워블 패턴의 느린 에지는 패턴의 빠른 에지보다 평균적으로 더 큰 깊이에 도달하는 것으로 관찰된다. 느린 에지에서 그러한 증가된 침투는 다른 측정 위치와 비교할 때 깊이 측정값의 더 큰 가변성을 동반한다. 빠른 에지 데이터에서 관찰된 더 깊은 '스파이크'는 여기에서 테스트한 파라미터에 대한 키홀 궤도의 최소 안정적인 영역과 일치한다. 워블 패턴의 느린 쪽과 빠른 쪽 사이의 프로세스 빔 표면 속도의 차이 외에도, 이 비대칭성은 또한 부분적으로 이동하는 키홀의 교반 효과에 의해 유도된 용융 동역학 때문일 수 있다.
도 13 내지 도 15를 참조하면, ICI를 사용하여 워블 용접 프로세스를 모니터링하는 또 다른 실시예는 워블 패턴을 따라 프로세스 빔(118)의 이동과 반대 방향으로 그리고 워블주기와 동기화하여 이미징 빔(152)을 이동시키는 것을 포함한다. 일 예에서, 프로세스 빔(118)은 원형 패턴으로 워블링되고 용접 방향(3)으로 이동되어, 구리(110) 및 알루미늄(6061)의 선형 비드-온-판 용접을 생성하여 워블 패턴 내에서 키홀 깊이의 변동을 평가한다. 용접 파라미터는 아래 표 3에 나타낸 바와 같이 변동된 용접 속도를 제외하고 각 재료에 대해 일정하게 유지되었다. ICI 측정 빔 또는 이미징 빔(152)은 프로세스 빔(118)에 대해 역회전되어, 워블 주기 당 키홀 및 측정 빔이 여러 번 교차하게 된다.
Figure pct00003
결과적인 깊이 정보는 키홀(빔들이 정렬된 경우) 및 용융 풀 표면(빔들이 워블 경로 주변의 상이한 위치에 있는 경우)의 측정값을 포함한다. 측정 및 프로세스 빔은 각각의 회전 주파수에 의해 결정된 규칙적인 간격으로 만나며, 여기서는 '교차 간격'으로 지칭된다. 각각의 예상 교차 간격 내에서 국소 최소값을 검색하여 각각의 깊이 데이터 세트로부터 키홀 최소값 세트를 추출한다. 도 14는 구리의 비드-온-판 용접 동안 워블 패턴의 선행, 후행, 좌측 및 우측 지점으로부터 측정된 키홀 깊이를 도시하는데, 여기서 워블 패턴에서 각각의 위치는 상이한 깊이 및 안정성 특성을 나타낸다.
이들 키홀 최소값은 프로세스 축 둘레의 극각(polar angle) 함수로서 그래프로 표시된다. 깊이 값은 원형 워블 패턴 둘레에 10도 간격으로 비닝되었으며, 각각의 빈의 평균 및 표준 편차가 계산되었다. 키홀 변동의 크기, 뿐만 아니라 용접 방향에 대한 키홀 깊이 극단의 배향을 특성화하는 데에 도움이 되도록, 위상 및 진폭만을 자유 변수로 사용하여 각각의 깊이 세트에 사인파를 피팅하였다. 도 15는 다양한 용접 속도에서 구리 및 알루미늄의 용접에 대한 워블 패턴 둘레의 회전 각도의 함수로서 키홀 최소값의 평균 침투 깊이를 도시한다. 각 경우의 평균 침투는 사인 곡선으로 피팅되어 현재 깊이 가변성의 양 및 용접 이동 방향에 대한 침투 깊이 극단의 배향을 모두 평가하는 데에 도움이 된다. 각 그래프에서, 후행 방향은 180도의 점선으로 마킹되고, 워블 패턴의 느린 쪽은 90도, 빠른 쪽은 270도이다.
도 15에 도시된 결과에 기초하여, 2개의 상이한 효과가 워블 패턴 둘레의 상이한 위치에서 키홀 깊이에 영향을 미칠 수 있다. 제1 효과는 재료 표면에 걸쳐 프로세스 빔의 이동 속도의 함수로서 키홀 깊이 변화를 가정한다. 별개로, 이 효과는 최대 및 최소 프로세스 빔 이동 속도가 발생하는 워블 패턴의 느린 및 빠른 에지를 향해 키홀 깊이 극단을 편향시키는 경향이 있다. 제2 효과는 재료 온도의 함수로서 키홀 깊이 변화를 가정하며, 이는 용융 체적 대부분에 대한 근접도(프로세스 후방에서 뒤따르는)에 의해 영향을 받는다. 이론적으로, 용융 풀이 완전히 확립될 수 있도록 용접이 충분히 오래 진행되면, 워블 패턴의 후행 에지에서 프로세스 빔이 입사되는 재료는 전방 에지보다 더 높은 온도에 있어야 한다.
도 15의 결과에 기초하여, 알루미늄과 구리 모두의 경우, 깊이 극단은 워블 패턴의 선행/후행 축을 향해 발생하는 것으로 보인다. 이는 워블 패턴 내의 키홀 깊이에 대한 우성 효과로서 작용하는 후행 용융 체적에 대한 근접도와 일치한다. 표면 속도 효과에 기초하여 워블 패턴의 느린 또는 빠른 쪽에 약간의 편향이 여전히 있을 것으로 예상된다. 그러한 경향은 구리 용접에 존재하는 것으로 보이며, 모두 워블 패턴의 느린 쪽을 향해 약 20도의 최대 깊이 시프트를 나타낸다. 알루미늄 결과는 느린 또는 빠른 에지에 대한 일관된 경향을 나타내지 않지만, 알루미늄 깊이 데이터는 구리 데이터보다 눈에 띄게 노이즈가 많았으며, 이로 인해 피팅된 깊이 극단의 위치에 불일치가 유발될 수 있다. 알루미늄에서의 이 특정 프로세스의 경우, 우성 키홀 깊이 변동은 워블 패턴의 선행 에지와 후행 에지 사이에 있는 것으로 보인다.
이미징 빔 스캔 패턴의 예를 위에서 설명하였지만, 다른 이미징 빔 스캔 패턴이 가능하며 본 출원의 범위 내에 있다.
또 다른 실시예에서, 워블 용접 프로세스는 이미징 빔을 프로세스 빔의 방향으로 그리고 워블 주기에 동기화하여 이동시킴으로써 ICI 시스템을 사용하여 모니터링될 수 있다. 이미징 빔은 프로세스 빔의 방향으로 이동될 수 있지만, 프로세스 빔과 독립적으로 이동되어, 예를 들어 동역학적 오프셋 제어를 제공하고 및/또는 주기적 정렬 보정을 허용할 수 있다. 이미징 빔은 프로세스 빔과 실질적으로 동축으로 정렬될 수 있거나, 예를 들어, 가공 속도와 관련된 양만큼 프로세스 빔을 지연시키는 피처를 모니터링하기 위해 프로세스 빔을 지연시키도록 정렬될 수 있다. 전술한 바와 같이, 특정 워블 패턴에서, 가공 속도는 워블 패턴 둘레에서 주기적으로 변화한다. 예를 들어, 원형 워블 패턴에서는, 워블 패턴의 느린 쪽과 빠른 쪽이 있으므로, 빔이 원형 워블 패턴을 따라 이동함에 따라 이미징 빔의 원하는 정렬이 영향을 받을 수 있다.
주기적 정렬 보정을 제공하기 위해, 제어 시스템은 이미징 빔 스캐닝 액추에이터(들)가 프로세스 빔에 대해 이미징 빔을 이동시켜, 적어도 부분적으로 워블 패턴 상의 빔 위치에 기초하여 프로세스 빔에 대한 이미징 빔의 정렬을 보정하도록 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 원형 워블 패턴에서, 정렬은 느린 쪽과 빠른쪽에 대해 주기적으로 변화될 수 있다. 주기적 정렬 보정은 또한 프로세스 속도, 재료 유형, 및 재료 두께와 같은 다른 파라미터에 기초할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에 설명된 레이저 용접 시스템의 제어 시스템은 하나 이상의 다른 인자 또는 파라미터에 기초하여 이미징 빔의 동역학적 오프셋 제어를 제공하도록 프로그래밍될 수 있다. 이들 인자 또는 파라미터는 다음을 포함하지만 이에 제한되지 않는다: 워블 패턴 내에서 프로세스 빔의 위치; 프로세스 빔 워블 패턴(예를 들어, 워블 기하형상, 워블 진폭, 및/또는 워블 기간); 작업편 기하형상; 재료 및 용접 프로세스 파라미터에 기초한 오프셋 파라미터로 구성된 참조표; 열 기계 용접 모델; 이전 용접 프로세스의 ICI 측정값; 동일한 용접 프로세스 내에서 이전 ICI 측정값; 재료에 대한 프로세스 빔의 순간 속도 벡터의 적어도 하나의 성분; 재료를 가로지르는 곡선형 용접 경로; 및 레이저 빔 전달 시스템에 대한 하나 이상의 보정(예를 들어, 색수차 필드 보정, 초점면 필드 보정, 스폿 크기 필드 보정, 및/또는 빔 성형 보정). 대안적으로 또는 추가적으로, ICI 측정은, 예를 들어 ICI 측정값을 평활화하고 용접 프로세스에서 균일성을 보장하기 위해 상기 인자 또는 파라미터 중 하나 이상에 기초하여(예를 들어, 데이터 가공 시스템을 사용하여) 보정될 수 있다.
본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 용접 침투 프로파일을 모니터링하는 데에 사용될 수 있다. 일 예에서, ICI 시스템은 (예를 들어, 래스터 스캐닝을 사용하여) 용접을 따라 다양한 지점에서 용접 방향을 가로지르는 이미징 빔을 스캔하여 해당 지점에서 용접 방향을 가로지르는 용접 침투 프로파일의 표시를 생성할 수 있다. 다른 예에서, ICI 시스템은 용접 방향을 따라 이미징 빔을 스캔하여 용접을 따른 다양한 지점에서 용접 방향을 따라 용접 침투 프로파일의 표시를 생성할 수 있다. 추가 예에서, ICI 시스템은 임의의 기하학적 표면에 의해 정의된 가상 단면을 따라 용접 침투 프로파일의 표시를 생성하도록 이미징 빔을 스캔할 수 있다. 제어 시스템은 워블 사이클 동안 하나 초과의 위치에서 ICI 시스템으로부터의 용접 침투 측정값에 기초하여 레이저 출력을 조절하도록 구성될 수 있다. 특히, 제어 시스템은 워블 사이클 전체에 걸쳐 용접 침투 변동을 감소시키기 위해 레이저 출력을 조절하도록 구성될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, ICI 측정값은, 예를 들어 워블 용접 깊이가 품질 보증을 위해 균일한 깊이를 초래하고 및/또는 워블 용접 비드가 시프트되지 않는 것을 보장하기 위해 하나 이상의 추가 인자 또는 파라미터에 기초하여 보정될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제어 시스템은 ICI 시스템으로부터의 부품 측정 출력에 기초하여 가공을 조절할 수 있다. 제어 시스템은, 예를 들어 ICI 시스템으로부터의 전가공 부품 측정 출력 및/또는 후가공 부품 측정 출력에 기초하여 프로세스 빔 워블 패턴을 조절하도록 구성될 수 있다.
용접 시스템은 또한 다른 방식으로 프로세스 빔에 대해 측정 빔을 제어할 수 있다. 예를 들어, ICI 시스템이 워블 헤드의 스캐닝 액추에이터의 상류에 결합되는 경우, 제어 시스템은 이미징 빔 스캐닝 액추에이터를 프로세스 빔 스캐닝 액추에이터에 상보적이고 동기화된 방식으로 이동하도록 프로그래밍되어, 이미징 빔이 작업편 표면 상의 프로세스 빔 워블 패턴으로부터 효과적으로 결합 해제될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제어 시스템은 워블 패턴으로부터 결합 해제된 작업편 표면의 ICI 측정값을 달성하기 위해 워블 패턴과 고정된 위치 사이에서 프로세스 빔 스캐닝 액추에이터를 토글하도록 프로그래밍될 수 있다. 제어 시스템은 또한 워블 사이클과 시간적으로 동기화되도록 ICI 시스템 측정을 트리거하도록 프로그래밍될 수 있다.
워블 용접의 주요 이점 중 하나는 구리, 알루미늄, 강철, 스테인리스 강, 티타늄 및 이들의 다양한 코팅 또는 도금된 버전의 일반적인 엔지니어링 합금의 순열과 같이 이종 금속의 품질 결합에 유익한 효과가 있다는 것이다. 이종 금속의 결합은 제한없이 전동 운송 시스템(예를 들어, 자동차, 기차 및 항공기)을 포함하는 다양한 용례에서 유용하다.
침투 깊이 및/또는 프로세스 동역학을 측정하는 효과적인 수단이 워블 헤드와 ICI 시스템을 사용하여 구성되면, ICI 측정값은 용접 조인트를 구성하는 재료들 사이의 혼합 양에 대한 대용물로서 특히 사용될 수 있다. 예를 들어, 구리와 알루미늄을 중첩 용접할 때, 불충분한 혼합으로 인해 기계적 및 전기적 연결이 열악해진다. 너무 많은 혼합은 금속간 상의 존재가 현저하기 때문에 취성을 야기한다. 결합 프로세스의 ICI 관찰 및/또는 ICI 기반 제어를 통해, 용접 야금의 이들 양태가 품질 보증을 위해 모니터링되고 및/또는 제조 프로세스, 공급 원료 재료 및 환경의 변동을 보상하도록 제어될 수 있다. 이 프로세스는 시작전 교정 및 야금 분석과의 비교에 의해 지원된다.
따라서, 인라인 간섭 이미징(ICI)은 프로세스 레이저에 의해 형성된 복잡한 워블 패턴으로도 워블 용접을 모니터링하는 데에 유리하게 사용될 수 있다. 이미징 빔을 여러 측정 위치로 이동하기 위해 다양한 기술을 사용하여, 키홀 깊이 및 안정성 뿐만 아니라 용융 풀 형성을 포함하여 워블 용접의 다양한 양태가 모니터링될 수 있다.
본 발명의 원리가 본 명세서에 설명되었지만, 이 설명은 본 발명의 범위에 대한 제한이 아니라 단지 예로서만 이루어진다는 것을 본 기술 분야의 숙련자라면 이해해야 한다. 본 명세서에 도시되고 설명된 예시적인 실시예에 더하여 다른 실시예가 본 발명의 범위 내에서 고려된다. 본 기술 분야의 숙련자에 의한 수정 및 대체는 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려되며, 이는 다음의 청구항에 의해 제한되지 않는다.

Claims (42)

  1. 레이저 재료 가공 시스템으로서,
    프로세스 빔을 생성하기 위한 재료 수정 빔 소스;
    재료 수정 빔 소스에 결합되고 작업편의 가공 부위 상의 적어도 하나의 축에서 워블 패턴에 따라 프로세스 빔을 지향시키고 이동시키기 위한 적어도 하나의 프로세스 빔 스캐닝 액추에이터를 포함하는 가공 헤드;
    가공 헤드에 광학적으로 결합된 인라인 간섭 이미징(ICI) 시스템으로서, ICI 시스템은 프로세스 빔과 적어도 부분적으로 독립적으로 이미징 빔을 위치 설정하기 위한 적어도 하나의 이미징 빔 스캐닝 액추에이터를 포함하는, ICI 시스템; 및
    적어도 재료 수정 빔 소스, 프로세스 빔 스캐닝 액추에이터, 및 이미징 빔 스캐닝 액추에이터를 제어하기 위한 제어 시스템을 포함하고, 제어 시스템은 가공 헤드가 워블 패턴으로 프로세스 빔을 스캔하게 하도록 프로그래밍되며, 제어 시스템은 이미징 빔 스캐닝 액추에이터가 워블 패턴과 협력하여 이미징 빔을 가공 부위 상의 복수의 측정 위치로 이동시키게 하도록 프로그래밍되는, 레이저 재료 가공 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 가공 헤드는 용접 부위 상의 워블 패턴에 따라 프로세스 빔을 지향시키고 이동시키기 위한 용접 헤드인, 레이저 재료 가공 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 재료 수정 빔 소스는 섬유 레이저인, 레이저 재료 가공 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 프로세스 빔이 작업편 상에서 워블 패턴으로 이동되는 동안 가공 헤드 및 작업편 중 적어도 하나를 서로에 대해 병진시키기 위한 적어도 하나의 동작 스테이지를 더 포함하는, 레이저 재료 가공 시스템.
  5. 제1항에 있어서, ICI 시스템은 적어도 하나의 프로세스 빔 스캐닝 액추에이터의 하류에 있는 가공 헤드에 광학적으로 결합되는, 레이저 재료 가공 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 제어 시스템은 이미징 빔 스캐닝 액추에이터가 프로세스 빔의 이동과 반대 방향으로 그리고 워블 패턴과 동기화하여 워블 패턴을 따라 이미징 빔을 이동시키게 하도록 프로그래밍되는, 레이저 재료 가공 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 제어 시스템은 이미징 빔 스캐닝 액추에이터가 프로세스 빔의 방향으로 그리고 워블 패턴과 동기화하여 워블 패턴을 따라 이미징 빔을 이동시키게 하도록 프로그래밍되는, 레이저 재료 가공 시스템.
  8. 제1항에 있어서, ICI 시스템은 적어도 하나의 프로세스 빔 스캐닝 액추에이터의 상류에 있는 용접 헤드에 광학적으로 결합되는, 레이저 재료 가공 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 제어 시스템은, 이미징 빔이 워블 패턴을 적어도 부분적으로 둘러싸는 스캔 패턴으로 가공 부위를 스캔하도록 이미징 빔 스캐닝 액추에이터가 이미징 빔을 이동시키게 하도록 프로그래밍되는, 레이저 재료 가공 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 제어 시스템은 ICI 시스템으로부터의 측정값에 응답하여 워블 기하형상, 워블 주기, 워블 속도, 및 워블 진폭 중 적어도 하나를 조절하기 위해 프로세스 빔 스캐닝 액추에이터를 제어하도록 구성되는, 레이저 재료 가공 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 제어 시스템은 ICI 시스템으로부터의 측정값에 응답하여 프로세스 빔의 출력을 제어하도록 구성되는, 레이저 재료 가공 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 프로세스 빔 스캐닝 액추에이터는 ±30 mm의 작업편에서 최대 빔 변위로 프로세스 빔을 이동시키도록 구성되는, 레이저 재료 가공 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 프로세스 빔 스캐닝 액추에이터는 워블 진폭을 제공하기 위해 ±5°의 최대 빔 각도 변위만큼 프로세스 빔을 이동시키도록 구성되는, 레이저 재료 가공 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 프로세스 빔 스캐닝 액추에이터 및 적어도 하나의 이미징 빔 스캐닝 액추에이터는 검류계 스캐닝 거울, 다각형 스캐닝 거울, MEM 기반 스캐닝 거울, 압전 스캐닝 거울, 및 회절 기반 빔 스캐너로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 레이저 재료 가공 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 제어 시스템은, 이미징 빔이 워블 패턴 내의 프로세스 빔의 위치에 따라 작업편 표면에서 프로세스 빔으로부터 동적으로 오프셋되도록 이미징 빔 스캐닝 액추에이터가 이미징 빔을 이동시키게 하도록 프로그래밍되는, 레이저 재료 가공 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 프로세스 복사선을 측정하도록 구성된 보조 측정 시스템을 더 포함하는, 레이저 재료 가공 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 보조 측정 시스템은 100 nm 내지 1 mm의 스펙트럼 대역 내의 프로세스 복사선을 측정하는, 레이저 재료 가공 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 보조 측정 시스템은 프로세스 빔에 대해 공간적으로 국소화된 측정을 수행하기 위한 광학 요소를 포함하는, 레이저 재료 가공 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 보조 측정 시스템은 ICI 시스템으로부터의 적어도 하나의 출력에 기초하여 프로세스 빔으로부터 동적으로 오프셋된 측정 위치에서 공간적으로 국소화된 측정을 수행하도록 구성되는, 레이저 재료 가공 시스템.
  20. 제16항에 있어서, 보조 측정 시스템은 이미징 빔에 대해 공간적으로 국소화된 측정을 수행하기 위한 광학 요소를 포함하는, 레이저 재료 가공 시스템.
  21. 제16항에 있어서, 제어 시스템은, 이미징 빔이 보조 측정 시스템의 적어도 하나의 출력에 기초하여 프로세스 빔으로부터 동적으로 오프셋되도록 이미징 빔 액추에이터가 이미징 빔을 이동시키게 하도록 프로그래밍되는, 레이저 재료 가공 시스템.
  22. 워블 용접 프로세스를 모니터링하는 방법으로서,
    인라인 간섭 이미징(ICI) 시스템으로부터 작업편의 용접 부위로 프로세스 빔 및 적어도 하나의 이미징 빔을 지향시키는 단계;
    작업편의 용접 부위 상에서 워블 패턴으로 프로세스 빔을 이동시키는 단계;
    적어도 하나의 이미징 빔을 프로세스 빔으로부터 적어도 부분적으로 독립적으로 용접 부위 상의 복수의 측정 위치로 이동시키는 단계; 및
    프로세스 빔이 워블 패턴으로 이동함에 따라 복수의 측정 위치로부터 ICI 측정값을 획득하는 단계를 포함하는, 방법.
  23. 제22항에 있어서, 프로세스 빔이 용접 부위 상에서 워블 패턴으로 이동될 때 프로세스 빔 및 작업편 중 적어도 하나를 서로에 대해 병진시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  24. 제22항에 있어서, 이미징 빔을 이동시키는 단계는 이미징 빔을 작업편의 용접 부위를 가로질러 ICI 스캔 패턴으로 프로세스 빔과 독립적으로 스캔하는 단계를 포함하고, ICI 스캔 패턴은 워블 패턴을 적어도 부분적으로 둘러싸는, 방법.
  25. 제24항에 있어서, ICI 측정값을 획득하는 단계는 ICI 스캔 패턴의 지점에서 깊이 측정값을 획득하는 단계를 포함하고, 깊이 측정값을 결합하여 용접 부위의 3차원 이미지를 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  26. 제24항에 있어서, 스캐닝은 래스터 스캐닝을 포함하는, 방법.
  27. 제22항에 있어서, 이미징 빔을 이동시키는 단계는 워블 패턴의 적어도 일부 둘레에서 국소적으로 측정 빔을 디더링하는 단계를 포함하는, 방법.
  28. 제22항에 있어서, 이미징 빔을 이동시키는 단계는 이미징 빔을 프로세스 빔과 독립적으로 워블 패턴 상의 복수의 고정된 측정 위치로 이동시키는 단계를 포함하고, ICI 측정값을 획득하는 단계는 프로세스 빔이 워블 패턴으로 이동할 때 고정된 측정 위치에서 깊이 측정값을 획득하는 단계를 포함하는, 방법.
  29. 제28항에 있어서, 적어도 하나의 고정된 측정 위치는 선행 측정 위치, 후행 측정 위치, 빠른 측정 위치, 및 느린 측정 위치를 포함하는 워블 패턴 둘레의 4개의 측정 위치를 포함하는, 방법.
  30. 제22항에 있어서, 이미징 빔을 이동시키는 단계는 프로세스 빔의 이동과 반대 방향으로 워블 패턴을 따라 프로세스 빔과 독립적으로 이미징 빔을 이동시키는 단계를 포함하고, 이미징 빔은 교차 간격으로 프로세스 빔을 교차하며, ICI 측정값을 획득하는 단계는 ICI 시스템을 사용하여 워블 패턴을 따른 지점에서 깊이 측정을 획득하는 단계를 포함하는, 방법.
  31. 제30항에 있어서, 깊이 측정은 프로세스 빔과 이미징 빔이 교차할 때 키홀의 바닥으로부터 수행되고 깊이 측정은 다른 시간에 용융 풀의 표면으로부터 수행되는, 방법.
  32. 제30항에 있어서, 프로세스 빔과 이미징 빔이 교차할 때 키홀의 바닥으로부터 취해진 깊이 측정값으로부터 키홀 깊이를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  33. 제32항에 있어서, 키홀 깊이를 결정하는 단계는 프로세스 빔과 이미징 빔이 교차하는 각각의 교차 간격 둘레의 범위 내에서 국소 최소 깊이를 검색하는 단계를 포함하는, 방법.
  34. 제22항에 있어서, 이미징 빔을 이동시키는 단계는 프로세스 빔으로부터 독립적으로 그리고 워블 패턴을 따라 프로세스 빔과 함께 이미징 빔을 이동시키는 단계를 포함하고, ICI 측정값은 이미징 빔이 워블 패턴을 따라 이동함에 따라 획득되는, 방법.
  35. 제34항에 있어서, 이미징 빔은, 이미징 빔이 워블 패턴 내의 프로세스 빔의 위치에 따라 작업편 표면에서 프로세스 빔으로부터 동적으로 오프셋되도록 이동되는, 방법.
  36. 제34항에 있어서, 이미징 빔은, 이미징 빔이 워블 패턴 내의 변화하는 키홀 위치를 보상하기 위해 작업편 표면에서 프로세스 빔으로부터 동적으로 오프셋되도록 이동되는, 방법.
  37. 제34항에 있어서, 워블 패턴은 주기적 패턴이고, 이미징 빔은 프로세스 빔의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 주기적 정렬 보정을 제공하도록 이동되는, 방법.
  38. 제22항에 있어서, 작업편에 대해 용접 헤드를 이동시켜 작업편에 대해 프로세스 빔을 병진시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  39. 제22항에 있어서, 용접 헤드에 대해 작업편을 이동시켜 프로세스 빔에 대해 작업편을 병진시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  40. 제22항에 있어서, 작업편은 이종 금속을 포함하고, ICI 측정값은 이종 금속 사이의 혼합량을 나타내는, 방법.
  41. 제22항에 있어서, 작업편은 구리 및 알루미늄 중 적어도 하나로부터 선택된 재료를 포함하는, 방법.
  42. 제22항에 있어서, 작업편은 비철 합금을 포함하는, 방법.
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