CN117729983A - 用于监控激光焊接工艺的方法及相关激光焊接系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于监控激光焊接工艺的方法，该方法包括以下步骤：通过将激光束入射到至少一个工件上以形成焊接连接部来执行焊接过程，其中所述激光束通过偏转装置沿加工路径引导；在激光焊接工艺期间通过至少两个传感器检测传感器数据；并且基于检测到的传感器数据和激光焊接工艺的至少一个加工参数确定所述焊接连接部是否有缺陷。此外，还提供了相关的激光焊接系统。

Description

用于监控激光焊接工艺的方法及相关激光焊接系统

技术领域

本发明涉及一种用于监控激光焊接工艺的方法，尤其用于确定由激光焊接工艺形成的焊接连接部是否有缺陷的方法，本发明还涉及一种适用于执行该方法的激光焊接系统。

背景技术

在激光焊接系统(也称为激光焊接设备或简称设备)中，从激光束源或激光导引光纤一端射出的激光束在光束引导和聚焦光学系统的帮助下照射并聚焦到工件上，以便对工件进行焊接。激光焊接系统可包括激光焊接头，在该激光焊接头中集成有光束引导和聚焦光学元件。在此，激光束沿着所谓的加工路径移动到工件表面，由此在激光束入射到的表面与工件内部一定深度之间的区域形成蒸汽毛细管，也称为钥匙孔。在蒸汽毛细管的区域中，工件材料会因入射的激光功率而剧烈升温，从而汽化。蒸汽毛细管被熔池包围，在该熔池中，材料处于熔融状态。材料冷却后形成焊缝，该焊缝形成焊接后的工件之间的焊接连接部，因此焊接后的工件也可称为(单一)构件。

为确保焊缝或焊接连接部的质量，有必要对激光焊接工艺进行监控。这是因为焊缝中可能会出现在构件性能方面不能容忍的缺陷。例如，如果在焊接后的工件之间存在间隙，则这些工件可能必须作为废品丢弃。尤其，如果存在没有桥接的间隙，则可能不存在机械和/或电气连接或者机械和/或电气连接不足。这些缺陷通常无法用肉眼或显微镜识别，因此通常使用传感器数据来评估焊接连接部。目前的监控解决方案包括过程中监控和过程后监控以及相应的监控系统。过程中监控也用于调节激光焊接工艺。如今，激光焊接工艺和焊缝质量的监控已经可以通过大量的单个监控系统来实现。这些单个监控系统的弱点是，它们各自使用不同的物理变量(如相机图像中的几何特征、热辐射和工艺光)进行评估和分析，并相互分开地进行分析处理。然而，哪种物理参数最适合对质量进行监控，取决于每种情况下材料和工艺的组合。

基于分别预先确定的缺陷标准，可以识别焊接连接部是否有缺陷。根据检测到的缺陷，焊接连接部可分为"正常"或"良好焊接"，即焊接后的工件适合进一步加工或销售，或"不正常"或"不良焊接"，即焊接后的工件为废品。不过，缺陷检测和随后的焊接连接部分类是在各个监控系统中分别且相互独立进行的。

缺陷检测和焊接连接部分类应尽可能可靠和自动化地进行。但通常情况下，上述所有监控系统都会出现所谓的"假废品"。这是指焊接后的工件被监控系统归类为废品，但实际上是正常的。然而，如果焊接后的工件被监控系统归类为正常，但实际上并不正常，则通常会更加不利。这种情况被称为"逃逸"。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于监控激光焊接工艺的方法，借助该方法可以可靠、快速、简单和自动地确定通过激光焊接工艺形成的焊接连接部的缺陷。

本公开的任务是提供一种用于监控激光焊接工艺的方法，通过该方法可以防止或至少减少焊接后的工件的错误分类。尤其，本发明的任务是提供一种用于监控激光焊接工艺的方法，通过该方法可以在对焊接后的工件进行分类时最大限度地降低假废品率和逃逸率。

此外，本发明的任务是提供一种激光焊接系统，该激光焊接系统设置用于执行所述方法。

独立权利要求的主题解决了这些任务。有利的实施方式和拓展是相应从属权利要求的主题。

本公开基于以下基本思想：对焊接工件的激光焊接工艺进行监控，即通过关联至少两个传感器的传感器数据来确定激光焊接工艺形成的焊接连接部是否有缺陷。在此，尤其可以基于多个传感器的传感器数据以及可选地附加地基于激光焊接工艺的至少一个加工参数来确定焊接连接部是否有缺陷。因此，确定焊接连接部是否有缺陷和监控激光焊接工艺是通过对多个传感器的传感器数据以及可选地对激光焊接工艺的至少一个加工参数的数据进行组合分析和/或关联分析来实现的。因此，焊接连接部是否有缺陷的确定不仅基于单个传感器的传感器数据，还基于多个传感器的传感器数据或附加地基于至少一个加工参数的数据。确定焊接连接部是否有缺陷可被用来评估焊接连接部的质量。通过上述做法可显著改善焊接连接部质量评估的基础，并降低错误评估、即对焊接后的工件进行错误分类的危险。因此，假废品和逃逸的比率可以降低。

根据本公开的第一方面，提供了一种用于监控激光焊接工艺的方法，该方法包括以下步骤：通过将激光束入射到至少一个工件上以形成焊接连接部来执行激光焊接工艺，其中激光束通过偏转装置沿加工路径引导；在激光焊接工艺中通过至少两个传感器检测传感器数据；并且基于检测到的传感器数据，例如尤其基于检测到的传感器数据的关联和/或组合来确定焊接连接部是否有缺陷。优选还基于激光焊接工艺中的至少一个加工参数或基于检测到的传感器数据以及至少一个加工参数的关联和/或组合来确定焊接连接部是否有缺陷。换句话说，焊接连接部是否有缺陷的确定可以基于检测到的传感器数据和激光焊接工艺的至少一个加工参数。

根据本公开的第二方面，提供了一种激光焊接系统，该激光焊接系统被设置用于通过将激光束入射到至少一个工件上来执行激光焊接工艺并根据本公开的实施方式执行用于监控激光焊接工艺的方法。上述激光焊接系统包括用于将激光束入射到至少一个工件上以形成焊接连接部的激光焊接头，其中所述激光焊接头包括用于沿加工路径引导激光束的偏转装置、至少两个传感器(其中每个传感器被设置用于在激光焊接工艺中检测相应的传感器数据)和控制单元，所述控制单元被设置用于执行根据本文所述实施方式之一的方法。

焊接连接部可以在单个工件的多个部分或区域之间形成，也可以在至少两个工件之间形成。焊接连接部可通过激光束入射时形成的焊缝形成，该焊缝也可称为焊道。偏转装置也可称为扫描装置、扫描单元或扫描仪。激光焊接系统也可称为扫描系统。激光焊接头也可称为扫描焊接头。激光焊接工艺也可称为激光束焊接过程。确定焊接连接部是否有缺陷也可简称为缺陷确定。

在执行激光焊接工艺时，通常会从激光束与工件之间的相互作用区域发射工艺辐射。所述相互作用区域尤其可以包括激光束入射时形成的蒸汽毛细管和其周围的熔池。可见光波长范围内的工艺辐射也可称为工艺光或等离子辐射。红外波长范围内的工艺辐射也可称为温度辐射、红外辐射或热辐射。工艺辐射通常还包括激光束入射到至少一个工件上时反射的激光束部分，其也可称为背反射。

传感器数据可以基于辐射，即光学测量数据。换句话说，传感器数据可以是来自工件的辐射和/或耦合到激光焊接头中的辐射，例如工艺辐射和/或背反射的测量光束和/或成像辐射。如果将工艺辐射作为传感器数据进行检测，则两个传感器中的至少一个可以包括光电二极管和/或可以设置用于检测预定波长范围内或预定波长的辐射强度。

来自工件的辐射可以耦合到激光焊接头中，并至少部分地与入射的激光束重叠(即尤其与入射的激光束的传播方向相反)。例如，通过第一耦合装置或第一分光器，辐射可以从激光束的光束路径或光束路径中耦合出，确切地说优选在通过偏转装置之后。换句话说，第一分光器可以在入射的激光束的传播方向上布置在偏转装置前面。然后，从激光束的光束路径中耦合出来的辐射可以例如通过第二耦合装置或第二分光器被分束，以便到达第一传感器和第二传感器。

激光焊接头(激光束通过该焊接头入射到工件上)和工件优选至少在激光焊接工艺中、即在焊接连接部形成期间彼此相对静止。因此，在激光焊接工艺中，激光束优选仅由偏转装置沿加工路径偏转。加工路径可以与所需焊缝的走向相对应。不过，本公开也适用于在激光焊接工艺中通过例如轴系统等移动工件的激光焊接系统。例如，激光焊接头可以连接到机器人上。在这种情况下，偏转装置可以使激光束偏转，其中所述机器人同时或同步移动。由此，可以节省循环时间。在这种情况下，激光焊接系统可以具有上级控制单元，该上级控制单元协调机器人和偏转装置的运动。

激光束沿加工路径的偏转可与激光束的振荡运动叠加，后者也可被描述为摇摆运动。摇摆运动一般是指激光束沿加工路径围绕实际加工位置的振荡运动，其振幅可大致对应于所产生的焊缝的宽度。加工速度可定义为激光束沿加工路径入射和偏转的速度。在此，激光束的叠加摇摆运动可以忽略不计。如果激光束进行摇摆运动，则加工速度可描述为激光束沿加工路径的平均速度。替换地，也可以将处理速度定义为当前处理位置沿处理路径的速度。

上述方面中的一个或多个方面可包括以下可选特征中的一个或多个：

偏转装置可设置用于使激光束在至少一个工件上在偏转装置的扫描场内偏转。

如果确定焊接连接部有缺陷，则可将焊接连接部和/或焊接后的工件归类为"不良焊接"、"不正常"和/或废品。如果确定焊接连接部没有缺陷，则可将焊接连接部和/或焊接后的工件归类为"良好焊接"和/或"正常"。被错误归类为"良好焊接"的焊接连接部可称为"逃逸"。被错误归类为废品的焊接连接部可称为"假废品"。

在确定缺陷时考虑的加工参数可包括以下参数中的至少一个：激光焊接头相对于至少一个工件的定向、激光束在至少一个工件上的入射角、激光束在偏转装置扫描场内的位置、激光束通过偏转装置从零位的偏转、激光束的焦点位置、激光束的焦点直径、激光束的焦点形状、加工速度、加工方向、激光束沿加工路径的速度矢量、至少一个工件在偏转装置扫描场内的位置、加工路径在偏转装置扫描场内的位置、工件的材料和/或厚度、偏转装置的偏转元件的调节速度、偏转装置的偏转元件的位置和/或调节角度。

所述缺陷确定可以基于加工参数的额定值进行。所述额定值可在激光焊接工艺期间预定，尤其在焊接连接部形成期间预定。所述额定值可实时提供用于缺陷确定。所述额定值可以是时间分辨或者时间相关和/或时间无关额定值，尤其激光焊接工艺中平均的额定值。例如，所述额定值可由激光焊接头的控制单元，尤其偏转装置的控制单元，或由上级控制单元提供，即优选不对其进行测量。

用于检测传感器数据的至少两个传感器可包括以下传感器中的至少两个：第一强度传感器，优选包括光电二极管，设置用于检测激光焊接工艺中发出的可见光波长范围内的工艺辐射的辐射强度的第一强度数据；第二强度传感器，优选包括光电二极管，设置用于检测红外波长范围内的工艺辐射的辐射强度的第二强度数据；第三强度传感器，优选包括光电二极管，设置用于检测从工件表面反射回来的激光辐射的辐射强度的第三强度数据；传感器，优选包括光电二极管，设置用于检测激光束辐射强度的第四强度数据，以确定激光束的当前入射功率；图像传感器，优选摄像头，设置用于检测图像数据或用于记录工件表面的图像；距离传感器，优选光学相干断层扫描仪，设置用于检测使激光束入射的激光焊接头与工件之间的距离的距离数据和/或设置用于检测激光焊接工艺中产生的蒸汽毛细管深度的距离数据和/或设置用于检测通过激光焊接工艺形成的焊缝表面的表面轮廓数据。激光束的功率也可称为激光功率。图像传感器优选同轴布置，即与激光束的光路或激光焊接头的光轴同轴。优选地，所述工艺辐射或由至少一个传感器检测到的辐射可以通过分光器(如二色镜)与激光束分离。

传感器数据的检测可包括以下步骤中的至少两个：检测发射的可见光波长范围内的工艺辐射的辐射强度的第一强度数据；检测激光焊接工艺中发射的红外波长范围内的工艺辐射的辐射强度的第二强度数据；检测从至少一个工件反射回来的激光束波长的激光辐射的辐射强度的第三强度数据；检测入射的激光束波长的激光束的辐射强度的第四强度数据，以确定当前入射的激光功率；通过记录工件表面的图像和/或视频来检测图像数据；检测焊缝表面的表面轮廓数据；以及检测与工件的距离的距离数据和/或激光焊接工艺中产生的蒸汽毛细管的深度的距离数据。

相应地，检测到的传感器数据可以包括以下传感器数据中的至少两个，尤其两个不同的传感器数据：图像数据，包括至少一个工件的表面的图像和/或蒸汽毛细管和/或熔池的图像、在预定波长范围内或在预定波长的工艺辐射的辐射强度的测量值、在可见光波长范围内的工艺辐射的辐射强度的测量值、在红外波长范围内的工艺辐射强度的测量值、从工件反射回来的激光辐射的辐射强度的测量值、入射的激光束的辐射强度的测量值、焊缝的表面轮廓数据、与工件的距离的距离测量值，以及激光焊接工艺中产生的蒸汽毛细管深度的测量值。

根据优选的实施方式，所述至少一个加工参数包括偏转装置的至少一个参数、例如偏转装置的偏转元件的位置和/或调节角度、激光束在至少一个工件上的入射角、激光束在偏转装置扫描场内的位置、激光束通过偏转装置从零位的偏转、激光束在偏转装置扫描场内的位置、至少一个工件在偏转装置扫描场内的位置、加工路径在偏转装置扫描场内的位置和/或偏转装置偏转元件的调节速度。在确定焊缝是否有缺陷时，通过将偏转装置的这些加工参数中的至少一个包括在内，可以提高缺陷确定的可靠性和质量。这对于以下激光焊接系统来说尤其有利，在这种激光焊接系统中，缺陷的确定是基于辐射，尤其工艺辐射，所述辐射至少部分地穿过激光焊接系统的光学元件，例如偏转装置和聚焦光学元件，例如F-theta物镜。偏转装置的加工参数，例如偏转装置偏转元件的位置，会对用于缺陷确定的传感器数据检测产生影响，例如对用于检测第一至第三强度数据的工艺辐射、用于检测距离数据的光学测量光束、表面轮廓数据和/或图像数据检测产生影响。尤其，偏转装置的加工参数会影响相应传感器数据的信号电平。聚焦光学系统通常只针对激光束的波长进行优化。因此，在穿过聚焦光学系统时，波长不同于激光束波长的辐射会产生色差。通过在缺陷确定时纳入并考虑上述加工参数，可以在缺陷确定时减少聚焦光学系统和偏转装置对传感器数据的影响。

优选地，传感器数据和加工参数数据，尤其加工参数的额定值，例如在时间和/或空间上相互对应。这意味着数据是在同一预定时间段或同一地点检测或记录的。此外，这还意味着在预定时间段内的预定时间点可以存在相应的数据或值。为此，传感器数据和/或加工参数数据能够以相同的采样频率检测或记录。替换地，可以对数据进行内插，或者也可以丢弃数据。

焊接连接部是否有缺陷的确定可以在执行激光焊接工艺期间尤其实时地和/或在执行激光焊接工艺后进行。因此，用于监控激光焊接工艺的方法可以设计为过程中或过程后方法。传感器数据的检测和/或焊接连接部是否有缺陷的确定可在执行激光焊接工艺期间连续和/或重复进行。

确定焊接连接部是否有缺陷可包括确定焊接连接部是否有以下缺陷中的至少一种：焊接后的工件之间通过焊接连接部进行的物理或电气和/或机械连接缺失或不足，和/或焊接后的工件之间存在间隙。例如，如果通过焊接连接部进行的电气连接的导电性等于或小于预定的导电性阈值，则可以确定焊接连接部有缺陷。此外，如果在搭接部或平行对接部中焊接的工件之间的间隙等于或大于间隙阈值，也可以确定焊接连接部有缺陷。

确定焊接连接部是否有缺陷可以通过算法和/或机器学习方法，尤其在使用人工神经网络的情况下来实现。

确定焊接连接部是否有缺陷可包括：分开地分析至少两个传感器中每个传感器的传感器数据，通过逻辑链接将分析组合，并基于组合后的分析确定焊接连接部是否有缺陷。对至少两个传感器中的每个传感器数据进行的分开分析可以分别在考虑所述至少一个加工参数的情况下进行。替换地，也可以在考虑所述至少一个加工参数的情况下分析所述至少两个传感器中的一个或几个传感器的传感器数据。

例如，可以分开地分析其中至少一个传感器的传感器数据，以便仅根据该传感器的传感器数据确定焊接连接部是否有缺陷。这可以采用传统的缺陷确定方式进行。例如，可以分别借助于光电二极管来测量激光焊接工艺中发射的工艺辐射在与工艺光相对应的可见光波长范围和与热辐射相对应的红外波长范围内的强度曲线，以及反射回来的激光辐射的强度曲线，并在此基础上生成相应的强度信号。然后可以相互分开地对强度信号进行分析，例如将各自的强度信号与相应的参考曲线或包络曲线进行比较。根据预先确定的缺陷标准，可以根据对各强度信号的评估识别出焊接连接部是否有缺陷。例如，可根据曲线在包络曲线上的积分或者低于或超过包络曲线来定义缺陷标准。在熔池图像作为传感器数据的情况下，可通过图像处理来识别熔池的几何特征，尤其熔池的形状、大小和/或位方位。根据与预定几何结构的偏差，可以识别焊接连接部是否有缺陷。

然后，可以通过使用逻辑"和"操作将单独分析的结果链接起来。这样可以降低逃逸的比率或概率。替换或附加地，也可以通过使用逻辑"或"操作将结果链接起来。这可以降低假废品的比率或概率。

在这里，单独评估结果以"和"为链接的第一组传感器和单独评估结果以"或"为链接的第二组传感器可以各有至少两个传感器，并且第一组和第二组可以有至少一个不包含在相应另一组中的传感器。因此，在使用两个以上传感器(例如三个传感器)时，可以将两种评估方法结合起来，以同时减少逃逸和假废品。

根据缺陷确定，尤其如果已经确定焊接连接部有缺陷，则可以通过调整或设置至少一个加工参数，尤其激光功率、处理速度和/或激光束的焦点位置，来调节激光焊接工艺。例如，可以使用检测到的传感器信号的关联性来调节激光功率。在另一个例子中，可基于检测到的传感器信号，尤其基于检测到的传感器信号的关联性和/或组合，借助于可变Z准直来设置或调整激光束的焦点位置。所述调节可以通过激光焊接系统的控制单元或上级控制单元进行。焊缝是否有缺陷的确定可在激光焊接工艺期间进行。对至少一个加工参数的调整可以包括对进行缺陷确定所依据的相同加工参数的调整和/或对激光焊接工艺的另一个加工参数的调整，其中该另一个加工参数与用于缺陷确定的加工参数不同。

用于缺陷确定的传感器数据可以是原始数据。因此，无需对检测到的传感器数据进行预处理，即可确定焊接连接部是否有缺陷。例如，人工神经网络可直接基于原始数据确定焊接连接部是否有缺陷。这也可称为"端到端"处理。因此，可以更可靠并且更快速地确定缺陷。此外，还可以实时确定缺陷，从而更可靠并且更精确地监控激光焊接工艺和调节激光焊接工艺。

替换地，在确定缺陷之前，可以对至少两个传感器的传感器数据进行预处理或预分析。例如，这可以由激光焊接系统的处理单元完成。处理单元可以是FPGA(“FieldProgrammable Gate Array”，现场可编程门阵列)。处理单元的功能可以通过控制单元实现，或者可以将处理单元集成到控制单元中。尤其，传感器数据可以与至少一个加工参数相链接，从而使数据在时间上相对应。例如，检测到的传感器数据，尤其第一至第四强度信号中的一个或多个，可以与偏转装置的至少一个加工参数相链接，例如与激光焊接头在偏转装置扫描场内的位置、处理速度、偏转装置偏转元件的位置、姿态和/或调节角度、位置变化速度和/或偏转装置偏转元件的调节速度相链接。因此，可以优化或提高后续分析评估传感器数据和加工参数以及缺陷确定的速度。

偏转装置可以设置成使激光束沿第一轴以至少一个第一偏转角偏转。优选地，偏转装置还被设置为使激光束沿第二轴以第二偏转角偏转，其中第一轴和第二轴彼此成一定角度，例如彼此垂直。偏转装置的最大第一偏转角和/或最大第二偏转角可以分别等于或大于10度，尤其是10至20度。如果偏转装置具有镜作为偏转元件，则这些最大偏转角对应的最大镜角度至少为5度，尤其10度，因为激光束的偏转角度是镜角度的两倍。

偏转装置的扫描场可定义为工件上或工件表面上的一个区域，和/或可通过第一偏转装置的最大第一偏转角和最大第二偏转角预先确定。扫描场的长度和/或宽度可以等于或大于50毫米。例如，扫描场在工件上的尺寸可以大于50mmx50mm，尤其等于或大于约100mmx200mm或250mmx150mm。根据实施方式，扫描场呈椭圆形。在这种情况下，扫描场的长度可表示椭圆长轴的长度，扫描场的宽度可表示椭圆短轴的长度。偏转装置可以设计成大场扫描仪。

为了实现激光束的偏转，偏转装置可以具有第一可动镜和第二可动镜。第一可动镜可围绕第一旋转轴旋转，第二可动镜可围绕第二旋转轴旋转，其中，第一旋转轴和第二旋转轴相互成一定角度，例如，该角度在45°和135°之间，尤其大约75°或90°。为此，镜或第一和第二镜可以设计成电流计镜，或简称Galvo镜。或者，偏转装置也可以具有可动镜，其可以围绕至少两个轴旋转或摆动。因此，偏转装置可以设计成电流计扫描仪或Galvo扫描仪。替换地，偏转装置还可以具有基于MEMS的压电和/或感应驱动装置。替换地，偏转装置也可以设计为棱镜扫描仪或透镜扫描仪。

激光焊接系统，尤其激光焊接头，可以包括第一耦合装置，用于将激光束耦合到偏转装置中并将来自工件的辐射从激光束的光路耦合出。第一耦合装置可以在入射的激光束的传播方向上布置在偏转装置前方。此外，激光焊接系统，尤其激光焊接头，还可以包括第二耦合装置，用于将从激光束的光路中耦合出的辐射分束。第二耦合装置可设置为将部分辐射引向至少两个传感器中的第一传感器并且将另一部分辐射引向至少两个传感器中的第二传感器。

激光焊接系统，尤其激光焊接头，可以包括用于调节激光束焦点位置的准直光学系统。准直光学系统可以沿着准直光学系统的光轴和/或沿着激光束的光束传播方向进行调节，以调节激光束的焦点位置。准直光学系统可包括两个或更多透镜，它们之间的距离至少部分地可变。所述调节可以通过马达进行。控制单元可以控制准直光学系统来调节激光束的焦点位置。

激光焊接系统，尤其激光焊接头，还可以包括用于聚焦激光束的聚焦光学系统。聚焦光学系统可包括两个或更多透镜，它们之间的距离至少部分地可变，以便调节或改变焦点位置。尤其，聚焦光学系统可以设置用于将激光束聚焦到工件上，尤其所述至少一个工件的表面上。聚焦光学系统可以包括F-theta物镜，或者也可以设计成F-theta物镜。F-theta物镜可以是远心的。

控制单元可以设置用于控制激光焊接系统，尤其激光焊接头、至少两个传感器、偏转装置、聚焦光学系统、准直光学系统和/或用于产生激光束的激光源，以执行激光焊接工艺和用于监控激光焊接工艺的方法。

激光焊接系统还可以具有接口，用于将传感器数据和加工参数数据，尤其额定值，传输到外部控制单元或上级控制单元，例如外部计算机。

此外，激光焊接系统还可以具有环形灯。所述环形灯可以具有单独的可切换段。借助环形灯，可以通过图像传感器获得高对比度的图像或视频。在使用环形灯的情况下，可以在所谓的"逐形阴影"方法中记录对比度非常高的图像。此外，激光焊接系统还可以具有用于三角测量的线条发生器。图像传感器可以在使用通过线条发生器在至少一个工件表面上生成的线来检测表面的几何结构和/或通过激光焊接工艺形成的焊缝的几何结构。在此基础上，图像传感器可以检测几何数据作为传感器数据。

所述至少一个工件可包括以下元件之一：电池、电池单体、电池包、电池端子、导电体和/或这些元件的一部分。例如，所述至少一个工件可包括电池单体和导电体。借助于通过激光焊接工艺形成的焊缝，可在电池单体和导电体之间建立电气连接。

附图说明

下面参照附图对本发明进行详细描述。

图1示出根据本公开的实施方式的激光焊接系统的示意图；

图2示出根据本公开的实施方式的激光焊接系统的偏转装置的扫描场的示意图；

图3示出根据本公开的实施方式的用于监控激光焊接工艺的方法的流程图；

图4示出根据实施方式的激光焊接系统的偏转装置的扫描场中的多个工件组的示意图，用于说明根据本公开的实施方式的用于监控激光焊接工艺的方法。

具体实施方式

在下文中，除非另有说明，对于相同和类似作用的元件使用相同的附图标记。

图1示出根据本公开的实施方式的激光焊接系统的示意图。

激光焊接系统10包括激光焊接头12，用于将激光束14入射和引导到至少一个工件上。激光焊接系统10设置用于执行激光焊接工艺，以焊接所述至少一个工件。根据图1所示的实施方式，激光焊接系统10设置用于将两个工件16a、16b焊接在一起。这两个工件16a、16b上下搭接布置，激光束14入射到上部工件16a上，但本公开并不局限于此。例如，工件16a、16b也可以平行搭接或对接搭接布置，激光束14可以入射到两个工件16a、16b上。根据实施方式，所述至少一个工件的焊接可以包括单个工件的多个部分或区域的焊接。在这种情况下，图1中所示的工件16a、16b可视为该单个工件的部分或区域。

所述工件16a、16b的焊接通过激光束14入射到工件16a、16b上并在工件16a、16b上沿预定加工路径18移动进行。加工路径18可以布置在其中一个工件16a、16b上。根据实施方式，加工路径可以布置在两个工件16a、16b上，也可以布置在工件16a、16b之间的边界上。预定加工路径18指示了所需焊缝的走向。所述焊缝形成所述工件16a、16b之间通过激光焊接工艺形成的焊接连接部。当激光束入射到工件16a、16b上时，在激光束入射到的工件16a、16b表面与工件16a、16b内部一定深度之间的区域中形成蒸汽毛细管，也称为钥匙孔。在蒸汽毛细管的区域中，工件材料在激光功率的照射下急剧升温，从而汽化。蒸汽毛细管被熔池包围，在该熔池中，材料熔化。当材料冷却后产生焊缝，从而形成焊接连接部。

激光焊接系统10可以与用于产生激光束14(也称为加工激光束)的激光源20相耦合，以便将激光束14耦合到激光焊接头12中。激光源20可以设计成单模激光器、固体激光器或光纤激光器。激光束14通过光纤21从激光源20传输到激光焊接头12，并从光纤21的一端例如借助光纤耦合器(未示出)耦合到激光焊接头12中。在光纤耦合器的下游设有准直光学系统22，用于准直从光纤21一端发散地出来的激光束14。借助于该准直光学系统22可以调节或校正激光束14的焦点位置。激光束14的焦点位置可以沿着轴调节，该轴可以与激光焊接头12的光轴、尤其聚焦光学系统24的光轴相对应。该轴也可称为Z轴。因此，准直光学系统22可称为(可变)Z准直光学系统或简称(可变)Z准直装置。焦点位置的调节可通过沿准直光学系统22的光轴或激光束14的光束轴调整准直光学系统22的透镜进行。准直光学系统22可以具有用于调整透镜的马达单元(未示出)。准直光学系统22可由激光焊接系统10的上级控制单元(未示出)或控制单元48控制。借助Z准直装置，激光束14的焦点位置可以根据下面描述的传感器的传感器信号进行适当调节。

激光焊接系统10还包括第一耦合装置23a，用于将激光束14耦合到激光焊接头12或偏转装置26中。第一耦合装置23a被设计成分光镜并且例如包括二色镜，它基本上反射具有激光束14波长的光，而允许激光束14波长以外的光基本上通过，也就是说，对于激光束14波长以外的光，该镜基本上是透明的。借助于第一耦合装置23a，工艺辐射在通过偏转装置26后可以从激光束14中分离出来，这些工艺辐射由下文所述的传感器检测为传感器信号。此外，激光焊接头12还包括聚焦光学系统24，用于将激光束12聚焦到所述至少一个工件16a、16b上，尤其所述至少一个工件16a、16b的表面上。根据实施方式，聚焦光学系统24可以设计成F-theta物镜。

为了改变激光束14在所述至少一个工件16a、16b上的位置，并且为了尤其沿加工路径18引导激光束14，激光焊接系统10还包括偏转装置26，用于使激光束14相对于所述至少一个工件16a、16b偏转或偏移。偏转装置26设置用于使激光束14沿两个轴x、y移动或偏转。根据实施方式，两个轴x、y可以相互垂直并定义x-y平面，该x-y平面平行于所述至少一个工件16a、16b的表面，但本公开并不局限于此。偏转装置26也可称为扫描单元或扫描仪。

借助偏转装置26，激光束14可以走过加工路径18。加工速度可定义为激光束14沿加工路径18入射和偏转的速度。在此，激光束14的可能叠加的摇摆运动可以忽略不计。如果激光束实施摇摆运动，则加工速度可以描述为激光束14沿加工路径的平均速度。

图2示出用于说明偏转装置26的扫描场的示意图。偏转装置26设置用于使激光束14沿x轴以第一偏转角偏转并且用于使激光束14沿y轴以第二偏转角偏转。偏转装置26相对于x轴和相对于y轴分别包括零位，对于该零位，激光束14沿各自的轴占据零位。x轴的零位和y轴的零位可被共同视为偏转装置26的扫描场34的中点或中心32。扫描场34的中心32可对应于激光束14的非偏转位置，即激光束14的(一般)零位。在激光束14的非偏转位置中，激光束14可以在所述激光焊接头12和所述至少一个工件16a、16b之间与激光焊接头12的光轴和/或聚焦光学系统24的光轴同轴地延伸。

沿x轴(即绕y轴旋转)的最大第一偏转角28和沿y轴(即绕x轴旋转)的最大第二偏转角30预定了所述至少一个工件16a、16b表面上的扫描场34的边界，在该边界内，偏转装置26可以使激光束14相对于所述至少一个工件16a、16b偏转。根据实施方式，偏转装置26被设计成大场扫描仪。例如，最大第一偏转角28和/或最大第二偏转角30可以大于10度。第一和第二最大偏转角28、30可以根据设计技术预先确定。替换地，用作聚焦光学系统24的F-theta物镜也可以限制最大偏转角28、30。

在图2中示出具有矩形形状的扫描场34，但本公开并不局限于此。扫描场34也可以是圆形或椭圆形。在这种情况下，图2中所示的矩形可视为椭圆形第一扫描场中嵌入面积最大的矩形。

为了实现激光束14的偏转，偏转装置26包括至少一个偏转元件。根据实施方式，偏转装置26包括两个可动镜36a、36b(见图1)作为偏转元件，这两个镜可围绕不同的旋转轴旋转或调节。镜36a、36b可以设计成电流计镜(或振镜)。在这种情况下，偏转装置26可称为电流计扫描仪或Galvo扫描仪。根据未示出的替换实施方式，偏转装置包括可动镜作为偏转元件，该可动镜可以围绕至少两个轴调节。因此，所述至少一个偏转元件的位置或调节角度确定了激光束14从零位32的偏转、激光束14在扫描场34中的位置以及激光束14射到所述至少一个工件16a和16b上的入射角25。在此，入射角25被定义为表面法线与激光束14之间的角度。

偏转装置26的控制单元(未示出)也可以是激光焊接系统10的控制单元，它可以设置为在激光焊接工艺期间向激光焊接系统10的控制单元48传输激光焊接工艺的至少一个加工参数的当前额定值。例如，所述至少一个加工参数可以包括偏转装置26的以下参数之一：激光束14的入射角25、激光束14在偏转装置26的扫描场中的位置、激光束14通过偏转装置26从零位32的偏转、加工速度、加工方向、激光束14沿加工路径18的速度矢量，以及偏转装置26的至少一个偏转元件(例如镜36a、36b)的位置或调节、调节角度和/或调节速度。

根据实施方式，附加地，所述激光焊接头12和/或所述至少一个工件16a、16b还可以彼此相对移动，优选在两个连续的激光焊接工艺之间彼此相对移动。例如，所述至少一个工件16a、16b可以通过第一移动装置(未示出)相对于激光焊接头12移动。替换或附加地，激光焊接头12可以通过第二移动单元(未示出)相对于所述至少一个工件16a、16b移动。例如，第二移动装置可以设计成机器人，并且激光焊接头12可以连接到该机器人上。在激光焊接工艺期间，即在焊缝形成过程期间，激光焊接头12或激光焊接系统10优选相对于所述至少一个工件16a、16b保持静止。

在实施激光焊接工艺中，从所述激光束14和所述至少一个工件16a、16b之间的相互作用区域发出辐射。尤其，所述相互作用区域可包括蒸汽毛细管和熔池。可见光波长范围内的工艺辐射也可称为工艺光或等离子辐射。红外波长范围内的工艺辐射也可称为温度辐射。工艺辐射还包括激光束14入射到所述至少一个工件16a、16b上时该激光束14的被反射的部分。这个被反射的部分也可以称为背反射。

工艺辐射的一部分19被耦合回激光焊接头12或激光焊接系统10，并至少部分地与激光束14叠加。从所述至少一个工件16a、16b开始，工艺辐射的这一部分19通过聚焦光学系统24进入激光焊接头12，并被偏转装置26偏转。然后，该部分19通过第一耦合装置23a从激光束14的光束路径中耦合出。该部分19的辐射强度由预定波长或预定波长范围内的传感器检测，详见下文。

如下文所述，偏转装置26的至少一个偏转元件的位置以及激光束14在至少一个工件16a和16b上的入射角25会影响工艺辐射部分19和光学测量光束43的辐射强度的光谱分布以及图像数据的检测。因此，偏转装置26的至少一个偏转元件的位置和激光束14在至少一个工件16a和16b上的入射角25也决定了由相应传感器输出的传感器数据的信号电平。

激光焊接系统10具有多个传感器，用于在激光焊接工艺中检测传感器数据。这些传感器也可称为传感器系统。该传感器系统优选集成到激光焊接头12中或固定在激光焊接头12上。在图1所示的实施方式中，激光焊接系统10具有测量装置40，用于借助光学测量光束42进行干涉距离测量或光学距离测量。测量装置40设置用于在激光焊接工艺期间测量激光焊接头12与至少一个工件16a、16b之间的距离和/或测量蒸汽毛细管的深度。测量装置40设置用于将距离数据作为传感器数据传输给控制单元。距离数据可包括测量距离值和/或测量深度值。测量装置40还可设置用于检测或扫描通过激光焊接工艺形成的焊缝表面的表面轮廓。这尤其可以在实施激光焊接工艺后进行。表面轮廓的检测也可称为焊缝或焊道的下游检测。测量装置40可以设置用于将相应的表面轮廓数据作为传感器数据传输到控制单元。

根据实施方式，测量装置40包括光学相干断层扫描仪，或者可以设计为光学相干断层扫描仪。换句话说，距离测量可以基于光学相干断层扫描(“optical coherencetomography”，OCT)。这种类型的距离测量基于以下原理：借助干涉仪利用光的相干特性。为此，光学测量光束42被入射到至少一个工件16a、16b上。光学测量光束42的从所述至少一个工件16a、16b反射回来的部分与参考臂(未示出)的光叠加，并产生干涉。通过分析处理叠加的光，可以获得关于相对于至少一个工件16a、16b的距离、焊缝表面轮廓或蒸汽毛细管深度的信息。

激光焊接系统10包括第二耦合装置23b，用于将光学测量光束42耦合到激光焊接头16中并且用于将光学测量光束42与激光束14叠加。第二耦合装置23b设计为分光器并且例如包括二色镜，并且基本上反射与光学测量光束42波长相同的光，而允许与光学测量光束42波长不同的光通过。这样，光学测量光束42被第二耦合装置23b的二色镜反射和偏转并穿过第一耦合装置23a的二色镜，以便耦合到激光焊接头12或偏转装置26中。在穿过偏转装置26和聚焦光学系统24后，光学测量光束24到达所述至少一个工件16a、16b的表面。

激光焊接系统10还包括传感器单元44，用于测量耦合到激光焊接头12中的工艺辐射的辐射强度。为此，激光焊接系统10具有第三耦合装置23c，该第三耦合装置设置用于将工艺辐射的一部分导入传感器单元44。所述第三耦合装置23c被设计成分光器并且例如具有部分透射的镜，从而使得工艺辐射部分地通过该第三耦合装置23c。

传感器单元44具有用于检测强度数据的强度传感器(未示出)。例如，传感器单元的第一强度传感器设置用于测量进入传感器单元44中的可见光波长范围内的工艺辐射的辐射强度，并在此基础上输出第一强度信号。第一强度传感器设置用于测量等离子辐射的辐射强度。在此基础上，可以对工艺光进行分析处理。第一强度信号可包括可见光波长范围内的工艺辐射强度的测量值。测得的值可以作为第一强度数据传输到控制单元48。

第二强度传感器例如设置用于测量红外波长范围内的工艺辐射的辐射强度，并在此基础上输出第二强度信号。第二强度传感器设置用于测量红外或温度辐射的辐射强度。在此基础上，可对熔池动态进行分析处理。第二强度信号可包括红外波长范围内的工艺辐射强度的测量值。测得的值可作为第二强度数据传输到控制单元48。

第三强度传感器例如设置用于测量激光束波长的工艺辐射强度，并在此基础上输出第一强度信号。第三强度传感器设置用于测量背反射的辐射强度。第三强度信号可包括激光束波长的工艺辐射的辐射强度的测量值。测得的值可以作为第三强度数据传输到控制单元48。

传感器单元44并不局限于第一至第三强度传感器的组合，而是也可以只包括其中的一个或两个强度传感器。强度传感器优选设计成光电二极管。

在图1所示的实施方式中，激光焊接系统10还包括第四强度传感器38，用于检测或确定激光束14的照射功率。第四强度传感器38设置用于测量激光束14波长的辐射强度，并在此基础上输出强度信号。该强度信号可包括辐射强度的测量值。基于测得的辐射强度，可以确定激光束14的当前功率、照射功率或使用功率。第四强度传感器38设置用于将第四强度数据传输到控制单元。测得的值可以作为第四强度数据传输到控制单元48。替换或附加地，强度数据可以包括激光束14的所确定的照射功率值。

与传感器单元44的第三强度传感器不同，第四强度传感器不接收背反射的辐射强度。如图1所示，强度传感器38布置成使得准直光学系统22发出的激光束14中未被第一耦合装置23a反射和偏转的部分到达第四强度传感器38。这样，第四强度传感器38测量出之前未被至少一个工件16a和16b反射的激光束14的辐射强度。因此，测得的辐射强度不会受到激光束14和至少一个工件16a、16b之间的相互作用区的过程的影响。因此，根据测得的辐射强度，可以确定和检查激光束14的照射功率。

此外，激光焊接系统10还包括图像传感器46，该图像传感器设置用于生成图像数据。图像传感器46也可称为视觉系统。例如，图像传感器46可以包括摄像头(未示出)，或者也可以设计成摄像头。图像传感器46设置用于检测来自至少一个工件18a、18b表面的辐射的辐射强度47。所述辐射47可以包括可见光波长范围和/或红外波长范围内的光，尤其可以包括工艺辐射的通过第三耦合装置23a的部分。辐射47可以由第四耦合装置23d偏转到图像传感器46。第四耦合装置23d可以包括镜。图像传感器46设置用于检测辐射47的强度。由于在图1所示的激光焊接系统10中，辐射47至少在某些部分与激光束14重叠地、尤其同轴重叠地延伸，因此图1所示的图像传感器46的布置也可称为同轴布置。

图像传感器46尤其设置用于以频率和/或空间分辨的方式检测辐射47的强度，并根据检测到的强度记录至少一个工件16a、16b表面的图像。尤其，所述图像可以显示所述至少一个工件16a、16b表面的具有蒸汽毛细管和熔池的区域。所述图像可以是彩色图像，或者也可以是灰度图像。图像传感器46可以设置为在激光焊接工艺中连续或重复记录图像。图像传感器46可设置用于将记录的一个或多个图像作为图像数据传输到控制单元48。图像传感器46可设置用于记录至少一个工件16a、16b表面的视频。在这种情况下，视频的一帧可视为一幅图像。图像传感器46可以在将捕捉到的图像传输到控制单元之前对其进行图像(预)处理。

本公开并不局限于图1所示的激光焊接系统10或激光焊接头12的配置。尤其，激光焊接系统10或激光焊接头12可以只包括两个或三个传感器38、40、44和46。

控制单元48设置用于接收传感器数据，并且设置用于接收至少一个加工参数的额定值。控制单元48设置用于根据至少两个传感器的传感器数据并且基于至少一个加工参数确定通过激光焊接工艺形成的焊接连接部是否有缺陷。控制单元48还设置用于控制激光焊接头12，尤其偏转装置26和准直光学系统22，以便执行激光焊接工艺。替换地，该功能也可以通过激光焊接头12的控制单元(例如偏转装置26的控制单元)或上级控制单元来实现。控制单元48设置用于控制激光焊接系统10，尤其激光焊接头12和传感器，以便执行激光焊接工艺的监控方法。

图3示出根据本公开的实施方式的激光焊接工艺的监控方法的流程图。该方法可以由图1所示的激光焊接系统10执行。

该方法包括通过将激光束入射到至少一个工件上以形成焊接连接部(S1)来执行根据本公开的实施方式的激光焊接工艺。在此，激光束通过偏转装置沿加工路径引导。例如，激光焊接工艺可以由图1所示的激光焊接系统10执行，以焊接两个工件16a、16b。

在激光焊接工艺中，通过至少两个传感器(S2)检测传感器数据。所述至少两个传感器可以包括图1中激光焊接系统10的两个传感器。例如，所述至少两个传感器可以包括第一至第三强度传感器。根据实施方式，传感器数据在激光焊接工艺中被实时检测并且包括各传感器的当前传感器数据。

作为另外的步骤(S3)，该方法包括根据检测到的传感器数据确定通过激光焊接工艺形成的焊接连接部是否有缺陷。优选地，通过激光焊接工艺形成的焊接连接部是否有缺陷的确定附加地基于激光焊接工艺的至少一个加工参数进行。根据实施方式，确定焊接连接部是否有缺陷的确定基于所述至少一个加工参数的额定数据进行，所述额定数据是在激光焊接工艺中、尤其在焊接连接部形成过程中记录或检测到的。

确定焊接连接部是否有缺陷也可简称为缺陷确定。根据实施方案，确定焊接连接部是否有缺陷可借助于机器学习方法尤其在使用人工神经网络的情况下进行。例如，如果通过工件16a、16b之间焊接连接部进行的电连接的导电性等于或小于预定导电性阈值，则可以确定焊接连接部有缺陷。此外，如果在搭接接头中焊接的工件16a、16b之间的间隙大小等于或大于间隙阈值，则可以确定焊接连接部有缺陷。

根据实施方式，在执行激光焊接工艺后进行缺陷确定。如果确定焊接连接部有缺陷，则可将焊接连接部或焊接工件归类为"不正常"、不良焊接和/或废品。如果确定焊接连接部没有缺陷，则可将焊接连接部或焊接工件归类为"正常"和/或良好焊接。

因此，缺陷确定及焊接后的工件的分类通过将多个传感器的传感器数据和激光焊接工艺中至少一个加工参数的数据相结合来进行。由此，提高了缺陷确定的可靠性。通过上述做法可显著提高评估焊接连接部质量的依据，并降低焊接后的工件分类错误的危险。尤其可以降低假废品和逃逸的危险。

根据优选实施方式，至少一个加工参数是激光束14在至少一个工件16a、16b上的入射角25、激光束14在偏转装置26的扫描场34内的位置、激光束14通过偏转装置26从零位32的偏转、至少一个工件16a、16b在偏转装置26的扫描场34内的位置、加工路径19在偏转装置26的扫描场34内的位置、偏转装置26的偏转元件的调节速度、偏转装置26的偏转元件的位置和/或调节角度。此外，根据实施方式，至少两个传感器的传感器数据包括传感器单元44的第一至第三强度传感器的第一至第三强度数据，其中激光焊接工艺中的第一至第三强度数据包括工艺辐射的辐射强度的测量值。

如前面参照图1和图2所述，偏转装置26的至少一个偏转元件的位置或激光束14射到至少一个工件16a和16b上的入射角25会影响由相应传感器输出的传感器数据、尤其第一至第三强度数据的信号电平。

此外，聚焦光学系统24，尤其在F-theta物镜的情况下，也会对信号电平产生影响。聚焦光学系统24通常只针对激光束14的波长进行优化。因此，如果辐射波长与激光束14波长不同，则聚焦光学系统24会产生色差。偏转装置26会使激光束14从零位32发生较大偏转，从而放大该效应。

通过在缺陷确定中纳入并考虑上述加工参数中的至少一个，可以在缺陷确定中考虑聚焦光学系统24和偏转装置26对传感器数据的影响。这样，可以避免传感器数据信号电平的变化或改变，例如扫描场中不同位置造成的信号电平变化或改变，从而导致不可靠的缺陷确定。信号电平可以表示检测的传感器数据或辐射强度测量值的平均信号电平。尤其，信号电平可以定义为辐射强度测量值的时间平均值。

可以纳入到缺陷确定中的其他加工参数可包括：激光焊接头相对于至少一个工件的定向、激光束的焦点位置、激光束的焦点直径、激光束的焦点形状、加工速度、加工方向、至少一个工件的材料和/或厚度。

参照图1，激光焊接头14相对于至少一个工件16a、16b的定向、加工速度、加工方向、至少一个工件16a、16b的材料或厚度可以由激光焊接头12的控制单元(未示出)、例如偏转装置26的控制单元(未示出)和/或由激光焊接系统10的上级控制单元(未示出)传输到控制单元48。激光束14的焦点位置、激光束14的焦点直径和激光束14的焦点形状可以由准直光学系统22或激光焊接头12的控制单元传输到控制单元48。

通过考虑至少一个工件的材料、尤其材料特性、或厚度，尤其可以确保即使在更换工件批次后也能可靠地进行缺陷确定。材料特性包括表面质量。除其他外，该表面质量通过材料对激光束的反射和耦合性能来描述。因此，如果两批工件的反射和耦合性能不同，则不同的表面质量会对工件的批次更换产生影响。此外，焦点位置、焦点直径、焦点形状、至少一个工件的材料和厚度以及加工速度也会对激光焊接工艺中发射的工艺辐射的辐射强度产生影响。如果在确定缺陷时考虑这些加工参数，则能更可靠地确定缺陷。

相关信号还可用作激光焊接工艺调节的输入参数。如果缺陷检测是在激光焊接工艺中进行的，则可以根据缺陷确定的结果，通过调整或设置至少一个加工参数，尤其加工速度、激光功率和/或激光束的焦点位置，来调节激光焊接工艺。例如，如果已经确定已经形成的焊接连接部没有在工件之间形成电气或机械连接，或者没有形成足够的电气或机械连接，则可以在激光焊接工艺期间提高激光功率和/或降低加工速度。

参照图1，该调节可以通过控制单元48或者通过激光焊接系统10的上级控制单元来进行。

根据缺陷确定结果也可以调节随后的激光焊接工艺。图4示出根据本公开的实施方式的激光焊接系统的偏转装置的扫描场中的多个工件组的示意图，用于说明根据本公开的实施方式的方法。在图4中示出如何在多个工件组上实施用于监控激光焊接工艺的方法。

根据本公开的实施方式，三个相似的工件组G1、G2、G3通过相同的激光焊接工艺相继进行焊接。在此，对于每个激光焊接工艺，即对于三个工件组G1-G3中的每一个，都要执行图3所示的激光焊接工艺监控方法。如图所示，每个工件组G1-G3包括两个待焊接的工件，但本公开不限于此。

三个工件组G1-G3中的每一组都位于图1中激光焊接系统10的偏转装置26的扫描场34中的不同位置。因此用于形成焊缝的分别要走过的加工路径也位于偏转装置26的扫描场34中的不同位置。三个工件组G1-G3包括相似的工件并且对于每个工件组G1-G3都应执行相同的激光焊接工艺。

可以看出，当激光焊接头12在焊接三个工件组G-1G3时固定布置时，激光束14的偏转取决于各工件组G1-G3在扫描场34中的位置，因此也取决于各加工路径在扫描场34中的位置。因此，激光束14的入射角以及耦合到激光焊接头12中的工艺辐射的比例在各工件组G1-G3之间是不同的。例如，与工件组G2相比，对于工件组G1和G3，耦合到激光焊接头12中的工艺辐射比例较小，因为工件组G1和G3的入射角大于工件组G2的入射角。因此，尤其第一至第三强度数据的信号电平在工件组G1-G3之间变化。

根据实施方式，在确定由各激光焊接工艺形成的焊接连接部是否有缺陷时，要考虑到各工件组G1-G3的位置、工件组G1-G3的各加工路径的位置、激光束14的入射角、激光束14从零位的偏转和/或激光束14在偏转装置34的扫描场34中的位置。这样可以确保传感器数据的不同信号电平不会导致不可靠的缺陷确定。加工路径在扫描场34内的位置可定义为加工路径的中心在扫描场中的位置。

此外，根据实施方式，工件组G1-G3上的激光焊接工艺是基于前一次激光焊接工艺的缺陷确定来调节的。例如，如果已确定先焊接的工件组G1的焊接连接部有缺陷，则可相应地调节用于焊接工件组G2和/或G3的激光焊接工艺。例如，可以调整激光功率、激光束14的焦点位置和/或加工速度。

本公开涉及一种用于借助于激光束进行材料加工的系统，尤其激光焊接系统，该系统包括所谓的激光焊接头和传感器系统，优选带有集成传感器系统的激光焊接头。在此，传感器系统的传感器的信号被如此组合和分析处理，使得不仅可以利用单个传感器的信号，还可以利用多个传感器信号的关联性来评估焊接或焊接过程的质量。通过这种方式，可以可靠地自动检测出缺陷，并将假废品率或逃逸率降到最低。此外，来自激光焊接头，尤其扫描单元的信息(如位置、速度)也可纳入到该关联分析中。例如，传感器系统包括以下传感器中的至少两个：用于分析工艺光、熔池动态和背反射的光电二极管，用于确定当前使用的激光功率的光电二极管，光学相干断层扫描，以及视觉图像记录和图像处理(摄像头)。传感器系统可以连接到激光焊接头上。这种做法允许实时显示信号，方便地与焊接结果组合，并相互关联，其中该关联例如可以通过使用神经网络或其他合适的方法(例如人工智能领域的方法)建立。此外，通过对多个传感器的传感器数据进行检测和关联，还可以提供有关激光焊接系统必须进行维护的了解和指示。

Claims (15)

1.一种用于监控激光焊接工艺的方法，该方法包括以下步骤：

-通过激光焊接头执行(S1)激光焊接工艺，所述激光焊接头将激光束(14)入射到至少一个工件(16a，16b)上以形成焊接连接部，其中所述激光束(14)通过偏转装置(26)沿加工路径(18)引导；

-在所述激光焊接工艺期间，通过至少两个传感器(38、40、44、46)检测(S2)来自工件并耦合到激光焊接头中的辐射作为传感器数据，其中所述辐射至少部分地与所述激光束(14)叠加地延伸并在通过所述偏转装置(26)后从所述激光束(14)的光束路径中耦合出，以便到达所述至少两个传感器(38、40、44、46)；并且

-基于检测到的传感器数据和所述激光焊接工艺的至少一个加工参数，确定(S3)所述焊接连接部是否有缺陷。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

-当确定所述焊接连接部有缺陷时，将焊接后的工件(16a、16b)归类为废品。

3.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述加工参数包括以下参数中的至少一个：将所述激光束(14)入射的激光焊接头(12)相对于所述至少一个工件(16a、16b)的定向；激光束在所述至少一个工件上的入射角；激光束(14)的焦点位置；激光束(14)的焦点直径；激光束(14)的焦点形状；加工速度；加工方向；激光束(14)沿加工路径(18)的速度矢量；所述至少一个工件(16a、16b)的材料和/或厚度；和偏转装置(26)的至少一个参数，尤其激光束(14)在偏转装置(26)的扫描场(34)内的位置、激光束(14)通过偏转装置(26)从零位(32)的偏转、加工路径(18)在偏转装置(26)的扫描场(34)内的位置、偏转装置(26)的偏转元件的调节速度和/或偏转装置(26)的偏转元件的调节角度。

4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述至少两个传感器(38、40、44、46)包括以下传感器中的至少两个：

第一强度传感器，优选包括光电二极管，其中所述第一强度传感器设置用于检测在激光焊接工艺期间发射的在可见光波长范围内的工艺辐射的辐射强度的第一强度数据；

第二强度传感器，优选包括光电二极管，其中所述第二强度传感器设置用于检测在红外波长范围内的工艺辐射的辐射强度的第二强度数据；

第三强度传感器，优选包括光电二极管，其中所述第三强度传感器设置用于检测从所述至少一个工件(16a、16b)的表面反射回来的激光辐射的辐射强度的第三强度数据；

第四强度传感器(44)，优选包括光电二极管，其中所述第四强度传感器设置用于检测激光束(14)的辐射强度的第四强度数据以确定入射的激光功率；

图像传感器(46)，优选包括摄像头，其中所述图像传感器设置用于通过记录所述至少一个工件(16a、16b)的表面的图像来检测图像数据；和

距离传感器(40)，优选包括光学相干断层成像仪，其中所述距离传感器设置用于检测相对于所述至少一个工件(16a，16b)的距离的距离数据和/或设置用于检测激光焊接工艺期间产生的蒸汽毛细管的深度的距离数据和/或设置用于检测通过激光焊接工艺形成的焊缝的表面的表面轮廓数据。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，传感器数据的检测包括以下中的至少两个：

-检测在激光焊接工艺期间发射的在可见光波长范围内的工艺辐射的辐射强度的第一强度数据；

-检测在激光焊接工艺期间发射的在红外波长范围内的工艺辐射的辐射强度的第二强度数据；

-检测从所述至少一个工件(16a、16b)反射回来的激光辐射的辐射强度的第三强度数据；

-检测第四强度数据以确定入射的激光功率；

-通过记录所述至少一个工件(16a、16b)的表面的图像检测图像数据，和

-检测将激光束(14)入射的激光焊接头(12)相对于所述至少一个工件(16a，16b)的距离的距离数据和/或在激光焊接工艺期间产生的蒸汽毛细管的深度的距离数据和/或通过激光焊接工艺形成的焊缝的表面的表面轮廓数据。

6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，焊接连接部是否有缺陷的确定在执行激光焊接工艺期间实时进行和/或在执行激光焊接工艺后进行。

7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，确定焊接连接部是否有以下缺陷之一：通过焊接连接部进行的电连接和/或物理连接缺失或不足和/或在焊接后的工件(16a、16b)之间存在间隙。

8.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，焊接连接部是否有缺陷的确定借助于算法和/或借助于机器学习方法，尤其在使用人工神经网络的情况下，进行。

9.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，焊接连接部是否有缺陷的确定包括：

-分开地分析处理所述至少两个传感器(38、40、44、46)中的每个传感器的传感器数据；

-通过逻辑链接将所述分析处理组合；并且

-基于组合后的分析处理来确定焊接连接部是否有缺陷。

10.根据前述权利要求之一所述的方法，还包括：

-当确定存在焊接连接部的缺陷时，通过调整至少一个加工参数来调节激光焊接工艺。

11.根据前述权利要求之一所述的方法，还包括：

-尤其借助于FPGA预处理所述至少两个传感器(38、40、44、46)的传感器数据。

12.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述偏转装置(26)具有大于10度、尤其20度的最大偏转角度，和/或，所述偏转装置(26)具有长度和/或宽度等于或大于50毫米的扫描场(34)。

13.一种激光焊接系统(10)，包括：

-激光焊接头(12)，用于将激光束(14)入射到至少一个工件(16a、16b)上以形成焊接连接部，其中所述激光焊接头(12)包括偏转装置(26)，用于沿加工路径(18)引导所述激光束(14)；

-至少两个传感器(38、40、44、46)，其中每个传感器(38、40、44、46)设置用于在所述激光焊接工艺期间检测来自工件并且耦合到激光焊接头中的辐射作为传感器数据；和

-控制单元(48)，所述控制单元设置用于执行根据前述权利要求之一所述的方法。

14.根据权利要求13所述的激光焊接系统(10)，其中，所述控制单元(48)设置用于基于焊接连接部是否有缺陷的确定尤其通过调整激光功率和/或激光束(14)的焦点位置来调节所述激光焊接工艺。

15.根据权利要求13或14之一所述的激光焊接系统(10)，其中，所述激光焊接头(12)包括以下元件中的至少一个：

-第一耦合装置(23a)，用于将激光束(14)耦合入偏转装置(26)中并且用于将来自工件的辐射从激光束(14)的光路中耦合出，其中所述第一耦合装置(23a)在入射的激光束(14)的传播方向上布置在所述偏转装置(26)前面；

-第二耦合装置(23b)，用于对从激光束(14)的光路中耦合出的辐射进行划分，以便使所述辐射的一部分朝向所述至少两个传感器中的第一传感器并且使所述辐射的另一部分朝向所述至少两个传感器中的第二传感器；

-准直光学系统(22)，用于调节所述激光束(14)的焦点位置；和

-F-theta物镜(24)，用于将所述激光束(14)聚焦到所述至少一个工件(16a、16b)上。