CN113439002A - 用于借助于激光束加工工件的激光加工系统和用于控制激光加工系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于借助于激光束加工工件的激光加工系统、特别是激光焊接系统，其包括：激光加工头，用于使激光束入射到工件表面上以产生蒸汽毛细管；光学测量装置，用于借助于光学测量射束测量间距；图像检测单元，所述图像检测单元设置用于检测工件表面的区域的图像，该区域包括蒸汽毛细管和通过发射光学测量射束产生的测量点，其中，激光加工系统设置用于基于检测到的图像确定测量点的位置和蒸汽毛细管的位置。一种用于借助于激光束加工工件的方法，其包括以下步骤：使激光束入射到工件表面上以产生蒸汽毛细管；使光学测量射束入射到工件表面上以测量蒸汽毛细管的深度；检测工件表面的区域的图像，该区域包括蒸汽毛细管和通过发射光学测量射束产生的测量点；基于检测到的图像确定测量点的位置和蒸汽毛细管的位置。

Description

用于借助于激光束加工工件的激光加工系统和用于控制激光 加工系统的方法

技术领域

本发明涉及一种用于借助于激光束加工工件激光加工系统、特别是激光焊接系统，以及一种用于控制激光加工系统的方法。优选地，本发明涉及一种具有用于以干涉测量法测量间距的光学相干断层成像仪的激光加工系统，以及一种用于控制其的方法。

背景技术

在用于借助于激光束加工工件的加工系统中，由激光源或激光导体纤维的端部射出的激光束借助于光束引导和聚焦光学器件被聚焦或会聚到待加工的工件上。所述加工可以例如包括激光切割、激光钎焊或激光焊接、特别是激光深熔焊接。激光加工系统可以例如包括激光加工头、特别是焊接头。

在使激光束入射到待加工的工件上时，在发射区域中通过激光能量如此强地加热工件、例如金属的材料，以使得该材料转变到蒸汽状的状态或等离子状态中。这个区域称为所谓的“蒸汽毛细管”或“锁眼(Keyhole)”。

在此值得期望的是，尽可能准确地确定或测量在激光焊接加工时产生的蒸汽毛细管的深度。蒸汽毛细管的深度例如与焊接深度、即下述深度相关，金属在焊接过程期间被融化直至该深度。蒸汽毛细管的深度通常在蒸汽毛细管的最深部位处被测量。该部位也称为“锁眼底部”或“加工基部”。在本公开文件中，以“蒸汽毛细管的深度”或“锁眼深度”表示蒸汽毛细管的最大深度。

蒸汽毛细管的深度是令人很感兴趣的：一方面关于蒸汽毛细管的深度的知识可以推断出焊接连接的强度，也就是说，是否被足够深地焊接，另一方面关于蒸汽毛细管的深度的知识可以确保，在下侧的焊缝是不可见的，也就是说，不存在不期望的焊透。

图1是待加工的工件10在激光加工过程、特别是焊接过程期间的示意性的横截面图，所述激光加工过程由激光加工系统实施。在激光加工过程期间，借助于激光加工系统的激光加工头(未示出)使激光束148入射到工件10的表面16上，其中，激光束沿着所谓的加工方向80移动到表面16上。

在此，在工件10的被激光束148射到的表面16直至工件10内部的一定深度之间的区域中形成蒸汽毛细管12。在蒸汽毛细管的区域中，工件10的材料通过被发射的激光能量如此强地加热，以使得所述材料蒸发。换句话说，所述材料在蒸汽毛细管12的区域中处于蒸汽状的物理状态中。蒸汽毛细管12由下述区域14包围，所述材料在该区域中以熔化状态、即液体物理状态存在。该区域14也称为“熔池”。

蒸汽毛细管的深度的测量典型地无接触地通过借助于光学相干断层成像仪(英文“optical coherence tomography”，简称“OCT”)的光谱干涉技术的间距测量或光学的间距测量进行。为此如图1所示地，光学相干断层成像仪(未示出)的光学测量射束126为了测量蒸汽毛细管12的深度入射到工件10上。在测量射束在工件10上的射入位置、所谓的测量点处，测量射束从工件10反射回到光学相干断层成像仪中。测量射束126可以基本上与激光束148平行地或同轴地延伸。

为了可以准确地测量蒸汽毛细管的深度，光学测量射束必须这样取向，以使得测量射束的光到达蒸汽毛细管的下端部并且从那里反射的光又返回到光学相干断层成像仪中。

然而在此应注意的是，蒸汽毛细管的几何结构特性、例如形状、大小等以及所述蒸汽毛细管在工件表面上的位置与激光加工过程的参数相关。除了进给速度以外，参数例如加工方向、激光束的聚焦大小、工件的材料和焊接几何形状、即焊缝的形状或走向也起着决定性作用。

例如激光束的进给速度的改变具有对蒸汽毛细管的特性的下述影响：蒸汽毛细管的前壁的倾斜角度增大或减小；蒸汽毛细管的最深部位(所谓的“锁眼底部”)或蒸汽毛细管的下开口的位置在焊透时随后移动；蒸汽毛细管的开口在加工方向上增大或减小；或者蒸汽毛细管的开口的位置相对于激光束的横向聚焦位置移动。因为在工件表面上的点需要一定时间，以便达到用于形成蒸汽毛细管的足够的温度。

因为蒸汽毛细管的几何结构特性、特别是其位置和大小如前所述地与相应实施的激光加工过程的参数相关，所以光学测量射束必须能根据相应的激光加工过程被调节或者必须能在相应的激光加工过程期间被调整。测量射束的入射位置(也称为“测量射束的位置”)特别是必须能根据工件或测量射束的聚焦位置被调节或调整。测量射束在材料表面上的位置或测量射束在工件表面上的入射位置特别是必须能相对于蒸汽毛细管在工件表面上的位置被调节或调整，从而确保测量射束始终在用于焊接深度测量准确的位置处射到工件上。在工件表面上的位置也可以称为“横向位置”。

在线性的焊缝、即直线延伸的焊缝的情况中，测量点相对于蒸汽毛细管位置的适合的位置可以对于相应调节的过程参数预先被确定或调节，并且可以然后在实施焊接过程期间保持不变。也就是说，线性的焊缝可以是对于相应的参数的静态位置。

为了测量蒸汽毛细管的最深部位，在此在进行焊接过程之前对于焊接过程的每组参数必须确定光学测量射束的用于焊接深度测量的最优位置。也就是说，光学测量射束相对于激光束或激光加工头的聚焦位置和/或位置的调节、例如取向必须预先被确定。例如通过由偏转单元的偏移或激光加工系统中的其他不准确性引起的、测量射束的位置的改变然而不能被排除并且导致在焊接过程期间与理想测量位置的偏差。在使用振镜扫描仪作为用于测量射束的偏转单元的情况中仅能困难地防止偏移。特别是在批量生产中必须确保，经过几周、几个月或几年时间使测量射束的位置相对于蒸汽毛细管的位置保持不变。此外，为了预先调节测量射束的位置而需要在工件上的测试焊接，以便对于相应组的参数确保借助测量射束的经预先调节的位置测量蒸汽毛细管的最深部位。

在弯曲的焊缝或焊接路径(例如90°曲线、螺旋线、C形几何线等)的情况中需要在焊接过程期间调整测量点的位置。对于在焊接过程期间的每个给定的时间点必须已知用于测量点的焊接深度测量的最优位置并且所述最优位置在激光加工过程期间在时间上准确地被使用，以便不获得关于蒸汽毛细管的错误的深度信息。在弯曲的焊缝的情况中，用于确定蒸汽毛细管的最深部位的方法因此是明显耗费的，因为在弯曲的焊缝的每个区段中存在测量点的不同的最优位置，所述不同的最优位置必须对于每个区段预先被确定或调节。为了准确地焊接深度测量，所述区段必须由此选择为非常小的，或者必须在所述区段之间被内推。

典型地，光学相干断层成像仪具有一个唯一的测量射束。因此可以在给定的时间点上仅仅在工件表面的一个唯一的点上进行间距测量。这意味着，可以在蒸汽毛细管的最深部位上被测量，或者在该最深部位的周围区域(例如蒸汽毛细管的侧壁、工件表面或焊道)中。如果测量射束在预给定的位置上保持不变，则根据获得的间距信息不能确定，测量射束的位置是否是蒸汽毛细管的最深部位，或者测量射束是否射到蒸汽毛细管的侧壁上。

如果在光学相干断层成像仪附近不存在其他用于获得关于蒸汽毛细管的信息的装置，则需要使测量射束的位置在工件表面上移动并且由此根据由光学测量射束的取向已知的测量点位置和测定的间距信息生成高度轮廓图(也称为“深度轮廓图”)或形貌图。这也称为“形貌测量”。此外可以确定或评估蒸汽毛细管的最深部位所处的位置。图2示例性地示出蒸汽毛细管的沿着或平行于加工方向的检测到的深度轮廓图(图2A)以及蒸汽毛细管的横向于激光束的加工方向的检测到的深度轮廓图(图2B)。其中相应地可以看到作为尖峰或尖顶的蒸汽毛细管。

在生成高度轮廓图或者测量形貌图期间，光学测量射束因此暂时未处于蒸汽毛细管的最深部位上。因此在这个时候不能收集到关于焊接深度的可靠的信息。通过光学相干断层成像仪的高采样率(kHz或Hz范围)和快的光束偏转单元(例如振镜扫描仪)虽然可以将所述时间保持为短的，但是不能被减少为零。特别是当焊接深度应被调节到预给定的值时，则有利地或绝对必要地在恒定的或尽可能短的时间段内获得蒸汽毛细管的最深部位的信息。也就是说，光学相干断层成像仪应该优选地尽可能连续地或不中断地测量蒸汽毛细管的最深部位。这意味着，为了不中断地测量焊接深度则必须已知蒸汽毛细管的最深部位的位置。

对借助于光学相干断层成像仪生成工件表面的高度轮廓图的一个替换方案是，建立数学模型，借助于所述数学模型可以将测量射束的最优位置计算为预给定的过程参数的函数。由于多个不同的焊接参数，所述模型是非常复杂的。此外，所述过程需要大的耗费以根据实验建立和评估模型。此外，所述方案不能解决例如在偏转单元偏移或不准确性的情况下测量射束具有误差的位置未被识别的问题。

一个另外的替换方案是使用第二光学相干断层成像仪。第一光学相干断层成像仪在此连续地扫描工件表面，以便生成所述工件表面的高度轮廓图或形貌图。第二光学相干断层成像仪持续地测量蒸汽毛细管的深度。然而这两个断层成像仪必须相对彼此校准，并且不允许在运行中例如由于偏移而相对彼此移动，因为否则第一断层成像仪的入射位置和第二断层成像仪的检测到的深度之间的关联性不再存在。然而出于成本原因，这个变体是不经济的。取而代之，光学相干断层成像仪的测量射束可以被分成两个子光束，其中，所述子光束能够彼此无关地被调节。然而光学相干断层成像仪的供使用的测量范围必须被分成两个范围，因为同时存在两个间距信息。由此减小了供焊接深度测量使用的测量范围。此外，在这个替换方案中也存在当偏移时不能准确地已知测量蒸汽毛细管深度的测量射束的位置的问题。

发明内容

本发明的任务在于，给出一种激光加工系统和一种用于控制激光加工系统的方法，这实现优选地实时地或连续地确定蒸汽毛细管的焊接深度或深度以及用于测量蒸汽毛细管深度的光学测量射束的位置的信息。

该任务通过独立权利要求的主题来解决。有利的构型和进一步方案是从属权利要求的内容。

本发明基于下述构思，借助于图像检测单元不仅检测通过激光加工系统的激光在工件中产生的蒸汽毛细管，而且检测激光加工系统的光学测量装置的光学测量射束的入射位置。图像检测单元可以例如检测由蒸汽毛细管发射或反射的光以及光学测量射束的表示为在工件上的入射位置处的测量点的光并且基于其产生下述图像，所述图像包含蒸汽毛细管和测量射束的入射位置。

由此为了例如通过以干涉测量法测量间距而准确地并且连续地测量蒸汽毛细管的深度可以在加工过程期间光学测量射束的位置和蒸汽毛细管的位置优选地实时地被确定和调节。测量点的位置可以基于此被调节在用于测量蒸汽毛细管的最大深度的相对于蒸汽毛细管的位置的理想位置。也就是说，不需要中断通过光学测量装置对焊接深度或蒸汽毛细管的深度的测量或者对测量位置的调节。光学测量射束在工件上的入射位置以及所述光学测量射束朝向适用于测量蒸汽毛细管的深度的位置的取向可以由此可靠地、成本低廉地并且容易地实现。

根据本公开文件的一个方面，一种激光加工系统、优选地激光焊接系统或用于激光深熔焊接的系统包括：激光加工头，用于使激光束入射到工件、特别是工件表面上以产生蒸汽毛细管；光学测量装置，用于借助于光学测量测量射束间距、特别是测量蒸汽毛细管的深度；图像检测单元，所述图像检测单元设置用于检测工件或工件表面的下述区域的图像，该区域包括蒸汽毛细管和通过发射光学测量射束产生的测量点，其中，激光加工系统或图像检测单元设置用于基于检测到的图像确定测量点的位置和蒸汽毛细管的位置。测量点是在工件上的由光学测量射束入射的位置并且也可以称为光学测量射束的入射点或入射区域。

根据本公开文件的一个另外的方面，一种用于控制激光加工系统的方法包括以下步骤：使激光束入射到工件表面上以产生蒸汽毛细管；使光学测量射束入射到工件表面上以测量蒸汽毛细管的深度；检测工件表面的下述区域的图像，该区域包括蒸汽毛细管和通过发射光学测量射束产生的测量点；和基于检测到的图像确定测量点的位置和蒸汽毛细管的位置。所述方法可以特别是设置用于根据本公开文件的实施方式控制激光加工系统。根据本公开文件的实施方式的激光加工系统可以特别是设置用于实施根据本公开文件的方法。

在下文中列举本公开文件的彼此能组合的优选的方面。

图像检测单元可以安置在激光加工头上或集成在所述激光加工头中。图像检测单元可以是摄像机或数字摄像机，所述摄像机或数字摄像机设置用于拍摄工件、特别是工件的包括蒸汽毛细管和光学测量射束的入射位置的区域的照片。数字摄像机也可以拍摄或产生视频或视频流。

优选地，图像检测单元同轴地布置在激光加工头上。由此可以避免在图像评估时的视差。此外，这实现激光加工系统的紧凑的并且节省空间的设计。优选地，图像检测单元的光轴或光路和测量射束的光轴或光路至少部分地平行地和/或同轴地延伸，优选地至少部分地平行地和/或同轴地在激光加工头中延伸。图像检测单元或图像检测单元的摄像机可以与激光束和/或测量射束的光路同轴地布置。

在一个实施方式中，图像检测单元设置用于检测热辐射、特别是在950nm和1700nm之间的辐射。热辐射通过工件的由激光束加热的表面并且特别是由蒸汽毛细管发射。图像检测单元可以由此包括红外摄像机。图像检测单元可以取而代之或除此以外设置用于探测可见光谱范围的光、优选地在300nm和1100nm之间的光、特别是在400nm和800nm之间的光。

图像检测单元可以在通过蒸汽毛细管或熔池产生的热辐射的波长范围内和/或在光学测量射束的波长范围内具有光谱敏感性。优选地，图像检测单元在测量射束的波长范围内是特别敏感的。这导致在检测到的图像中在测量点和工件表面之间更强的对比度。测量点由此可以特别容易地在检测到的图像上被显示并且然后被评估。特别是可以由此特别可靠地确定测量点的位置。

借助于例如通过相应的图像处理对图像或视频的适合的评估，一方面可以识别或确定蒸汽毛细管在工件上的位置以及蒸汽毛细管和/或熔池的几何结构。例如可以识别熔池的轮廓。此外可以识别或区分工件的熔化区域和/或固化区域。所述识别可以借助于纹理分析进行。另一方面可以确定测量点。特别是可以确定测量点的几何重心和/或蒸汽毛细管的几何重心。这可以通过适合的图像处理方法、例如纹理分析、熔池形状的评估等实现。由此可以确定相对于蒸汽毛细管的位置、优选地相对于蒸汽毛细管的最深部位的、测量点的位置。所述评估可以通过图像检测单元自身或通过激光加工系统的计算单元进行。对这个检测到的图像或这些检测到的图像的评估可以基本上实时地进行。

因此，激光加工系统可以设置用于调节测量射束，以使得所述测量射束为了测量焊接深度而始终准确地、即在工件上的为此最优的位置上取向或定位。测量射束的位置特别是可以相对于蒸汽毛细管的位置和/或激光束的位置被调节。此外可以调节光学测量射束的聚焦位置和/或取向。对测量射束的调节可以实时地进行。此外可以根据图像评估检验，测量射束是否准确地定位或取向。

也就是说，通过设置图像检测单元并且评估由图像检测单元检测到的工件表面的图像可以连续地、即不中断地确定和/或调节测量点的位置。换句话说，测量点的位置可以始终可靠地并且实时地被确定。此外不需要附加的光学测量装置，从而节省成本。

光学测量装置可以设置用于将光学测量射束指向到蒸汽毛细管中。由此可以确定蒸汽毛细管的最大深度。特别是可以根据图像确定或评估蒸汽毛细管的具有最大深度的位置。蒸汽毛细管的在加工方向中的最深部位通常位于蒸汽毛细管的在后的壁上。如果在这种情况中测量射束这样被控制，以使得所述测量射束指向这个位置，则可以确定蒸汽毛细管的最大深度。

激光加工系统或光学测量装置此外可以具有调节装置，所述调节装置设置用于使光学测量射束被调节或取向。调节装置可以例如包括光束偏转单元、例如镜面或振镜扫描仪并且可以由激光加工系统或光学测量装置的计算单元控制。

优选地，图像检测单元具有陷波滤波器，所述陷波滤波器设置用于过滤或阻断激光束的波长范围。由此确保不会由于比光学测量射束和蒸汽毛细管的光功率高的激光束光功率而过调制图像检测单元。此外，由蒸汽毛细管发射或反射的光和测量射束的由工件反射的光可以可靠地由图像检测单元探测，而该光不与激光束的光叠加。

优选地，测量装置包括光学相干断层成像仪。图像检测单元优选地包括摄像机、例如CCD摄像机和/或CMOS摄像机和/或红外摄像机。

根据一个实施方式，照射单元设置在激光加工头上用于例如借助于可见光和/或红外光照射工件表面的检测到的区域。由此可以改善或简化对由图像检测单元检测到的工件区域的图像的评估，因为蒸汽毛细管例如从背景更强地突显并且由此能够更好地被看到。此外，由蒸汽毛细管反射的光的波长范围可以与光的图像检测单元敏感的波长范围(所谓的“光谱敏感性”)相匹配。

照射单元可以设置用于将光耦合输入到激光束的光路中和/或光学测量射束的光路中和/或图像检测单元的光路中。由此可以使照射单元的光在相同的路径上或者以与激光束或光学测量射束相同的方式转向到工件上。换句话说，照射单元的光至少部分地在激光加工系统的加工头内部延伸。由此可以避免激光加工头或激光加工头的端部区段与照射单元相匹配。

激光加工系统或光学测量装置可以具有可视化单元，所述可视化单元设置用于产生用于使光学测量射束的入射点可视化的可视化射束并且耦合输入到测量射束的光路中。通过发射可视化射束产生的可视化点优选地与测量点是同心的。可视化射束的波长可以与图像检测单元的光谱敏感性相匹配。此外，可视化射束的功率可以有针对性地并且与光学测量射束的功率无关地被选择或设定。由此可以特别是选择具有比光学测量射束的功率明显高的功率的可视化射束。此外，可视化射束的波长可以这样选择或设定，以使得可视化射束的反射光尽可能不损失地通过图像检测单元的陷波滤波器。换句话说，可视化射束的波长可以这样选择，以使得陷波滤波器对于可视化射束是基本上透过的。因为测量点与可视化点是同心的，所以可以基于可视化点在检测到的图像中的位置确定测量点的位置。优选地，可视化射束具有与激光束的波长不同的波长。

可视化射束可以借助于激光耦合器被耦合输入到光学测量装置的光导纤维中，光学测量射束在所述光导纤维中被传导。换句话说，可视化射束至少部分地被耦合输入光学测量装置的光导纤维中，即已经在测量射束输入到激光加工头中之前的一点处被耦合输入。因为可视化射束已经被耦合输入到光学测量装置的光导纤维中，所以可视化射束在工件上的与测量射束相同的位置上被反映。也就是说，可以避免由于调节误差、偏转单元的偏移或在激光加工系统的加工头中的其他不准确性导致的、可视化点的位置和测量点的位置之间的横向偏差。

优选地，可视化射束的波长小于测量射束的波长。由此可以避免可视化射束在耦合输入到光学测量装置的光导纤维中时的光功率损失。也就是说，可以使用用于测量射束的波长的单模光纤。

根据一个实施方式，激光加工系统此外包括计算单元。计算单元可以包括或者是激光加工系统的控制单元用于控制所述激光加工系统。计算单元可以设置用于实施图像检测单元和/或光学测量装置的一个或多个功能。计算单元可以特别是设置用于如前所述地评估由图像检测单元检测到的图像，或者基于由图像检测单元检测到的图像确定测量点的位置和/或蒸汽毛细管的位置。此外，计算单元可以设置用于相对于蒸汽毛细管调节或调整光学测量射束的位置或测量点的位置。计算单元可以设置用于实施根据本公开文件的方法。

优选地，测量点的位置相对于蒸汽毛细管的位置实时地被调节并且连续地确定蒸汽毛细管的最大深度。

附图说明

本公开文件的实施例在附图中示出并且下面详细地描述。附图中：

图1示出工件的示意性的横截面图；

图2A和2B示出对工件的深度轮廓图的示例性的测量；

图3示出根据本发明的第一实施方式的激光加工系统的示意图；

图4示出由根据实施方式的激光加工系统的图像检测单元拍摄的图像的示意图；

图5A和5B示出根据本发明的另外的实施方式的激光加工系统的示意图；

图6示出根据本发明的第二实施方式的激光加工系统的示意图；

图7示出方框图，所述方框图阐述根据本发明的一个实施方式的用于借助于激光束加工工件的方法。

具体实施方式

在下述具体的说明中，相同的附图标记表述相同的或彼此相应的元件。

图3是根据本发明的第一实施方式的激光加工系统100的示意图。激光加工系统100包括加工头122、例如激光焊接头或激光切割头。

激光加工系统100此外包括用于提供激光束148(也称为“加工光束”或“加工激光束”)的激光装置(未示出)和设置用于借助于光学测量射束126以干涉测量法测量间距的光学测量装置128。例如测量待加工的工件10和加工头122的端部区段、例如输出嘴或横向输出帘之间的间距。端部区段或输出嘴或横向输出帘具有开口，激光束148可选地与过程气体一起通过所述开口从加工头122输出。

激光加工系统100或者其部分、例如加工头122可以能沿着至少一个加工方向80运动。加工方向80可以是激光加工系统100、例如加工头122的关于工件10的切割或焊接方向和/或运动方向。加工方向80可以特别是水平方向。加工方向80也可以是关于待加工的工件10的表面横向的方向。加工方向80也可以称为“进给方向”。

激光加工系统100可以具有用于将激光束148准直的准直器光学器件130。在加工头122内部，激光束148可以通过适合的光学器件(未示出)以大约90°朝向工件10的方向偏转或被反射。光学器件、例如半透镜可以设置用于使例如由工件10反射的光、例如测量射束126或之后描述的照射单元或可视化单元的光透过到达测量装置128。准直器光学器件130可以集成到加工头122中。加工头122可以例如包括准直器模块132，所述准直器模块集成到加工头122中或者安装在加工头122上。

光学测量装置128可以包括相干断层成像仪或可以是相干断层成像仪。相干断层成像仪可以包括具有宽带光源(例如超辐射发光二极管、简称“SLD”)的评估单元134，所述宽带光源将测量射束耦合到光导体136中。在优选地具有纤维耦合器138的分光器中，测量射束典型地被分成参考支光束140和测量支光束，所述测量支光束通过光导体142被引导到加工头122中。光学测量装置128可以此外包括准直器光学器件144，所述准直器光学器件设置用于将光学测量射束126准直。准直器光学器件144可以集成到加工头122中。加工头122可以例如包括准直器模块150，所述准直器模块集成到加工头122中或安装在加工头122上。

在加工头122中此外设置聚焦光学器件124，所述聚焦光学器件设置用于将激光束148和/或光学测量射束126聚焦到工件10上。聚焦光学器件124可以是用于激光束148和测量射束126的共同的聚焦光学器件、例如聚焦透镜。

在一些实施方式中，激光束148和光学测量射束126可以至少部分地平行地或者甚至同轴地延伸，并且可以特别是至少部分地同轴地叠加。光学测量装置128可以例如设置用于将光学测量射束126耦合输入到激光装置100的光路中。光学测量射束126和激光束148的合并引导可以在准直器光学器件144之后并且在聚焦光学器件124之前进行。替换地，测量射束126的光路和激光束148的光路可以尽可能分开地被引导并且在聚焦光学器件124之后在激光加工头122的开口之前才被合并引导。激光束148和测量射束126的光轴可以在激光加工头122的开口或端部区段的高度上彼此平行地或甚至同轴地延伸，并且优选地基本上垂直于工件10的表面。在这种情况中，可以相应地设置用于测量射束126和激光束148的单独的聚焦透镜，由此可以将这两个光束聚焦到工件10上。

在此所述的用于测量间距的原理基于光学相干断层成像仪的原理，所述光学相干断层成像仪借助于干涉仪利用光的相干性。为了测量间距使光学测量射束126转向到工件10的表面上。测量射束的由表面反射的光映射到光导体142的出射/入射面，在纤维耦合器138中与出自参考支光束140的反射的光叠加并且然后转向回到评估单元134中。叠加的光包含关于参考支光束140和测量支光束之间的路径长度差的信息。该信息在评估单元134中被评估，由此使用者例如获得关于工件表面和加工头122之间的间距或者关于蒸汽毛细管的深度的信息。

为了确定蒸汽毛细管的深度，光学测量射束126指向蒸汽毛细管中并且在蒸汽毛细管中反射回到测量装置128。附加地，与工件表面16的间距或工件表面的位置可以是已知的。测量装置128或评估单元134由此可以基于反射的测量射束确定蒸汽毛细管的深度、即蒸汽毛细管的反射的底部与工件10的表面16的间距。然而为了准确地确定蒸汽毛细管的深度必须使测量射束126指向蒸汽毛细管的最深点。

激光加工装置100此外包括图像检测单元152、例如摄像机。图像检测单元152可以如图3中所示地同轴地布置在激光加工头122上，或者可以同轴地集成在激光加工头122中。图像检测单元152的光路156至少部分地延伸通过加工头122，从而图像检测单元152可以检测工件10的加工区域的图像、特别是工件10的包括蒸汽毛细管12和测量点的区域。在一些实施方式中，图像检测单元152的光轴和光学测量射束126的光轴可以至少部分地平行地延伸，或者可以特别是至少部分地同轴地重叠。换句话说，图像检测单元152可以包括同轴的摄像机。

图像检测单元152设置用于探测，由待加工的工件10反射的光或电磁辐射或者由待加工的工件10发射的光或电磁辐射并且基于其获取或产生工件10的图像、特别是工件10的表面的区域的图像。例如由蒸汽毛细管或熔池发射的热辐射属于发射的光或发射的电磁辐射，所述热辐射由于工件10的材料的增高的温度产生。例如测量射束126的由工件10的表面或蒸汽毛细管的底部反射的光属于反射的光或反射的电磁辐射。

图像检测单元152特别是设置用于检测待加工的工件10的表面的下述区域的图像，该区域包括蒸汽毛细管和测量射束126的入射点或测量点。该区域可以还包括熔池。图像检测单元152可以设置用于在规律的时间间隔内或连续地检测该区域的图像。图像检测单元152可以检测该区域的视频或视频流。通过检测蒸汽毛细管可以根据图像确定蒸汽毛细管的用于测量蒸汽毛细管的深度的理想部位，所述理想部位大致相应于蒸汽毛细管的最深部位。因为测量射束126同样在图像中被检测，所以所述测量射束可以为了深度测量而指向蒸汽毛细管的最深部位，或者可以检验，测量射束126是否指向最深部位。

图像检测单元152或摄像机可以设置用于检测热辐射、即红外光和/或可视光谱范围的光。为了检测蒸汽毛细管可以例如使用硅基的摄像机芯片(例如CCD，CMOS)，所述硅基的摄像机芯片在大约300nm至1100nm的波长范围内是敏感的，或者可以使用铟镓砷基的摄像机芯片，所述铟镓砷基的摄像机芯片在大约950nm至1700nm的波长范围内是敏感的。激光辐射的波长范围优选地被阻断，因为否则出现由于通常具有若干千瓦的激光辐射而过调制摄像机图像的危险。

由此可以检测光学测量射束的入射位置126，图像检测单元152或摄像机在测量射束126的光的波长范围内是敏感的。对于基于所谓的Fourier-Domain-OCT的光学相干断层成像仪的典型的波长或波长范围是800nm至900nm、1000nm至1100nm、1310nm或1550nm。其他辐射波长是可能的。

图像检测单元152可以还具有所谓的陷波滤波器154。陷波滤波器154设置用于阻断加工激光、特别是激光束148的反射光，以便避免过调制检测到的图像。此外可以借助于陷波滤波器154确保，能够明显地在检测到的图像上识别蒸汽毛细管和光学测量射束126的测量点并且不被激光束148的光叠加。

典型的加工激光窄带地在1030nm至1070nm波长范围内、例如在1030nm、1064nm或1070nm下发射。其他辐射波长是可能的。陷波滤波器应该如下地设计或优化，以使得激光束148的光的波长或波长范围被过滤出并且不能被透过到达图像检测单元152。

另一方面，光学测量射束126的波长或波长范围应该这样选择，该波长或波长范围不由陷波滤波器154过滤或阻断。因此，光学测量射束126的波长或波长范围优选地不同于激光束148的光的波长或波长范围。陷波滤波器154可以此外如下地设计，不仅对于测量射束126的波长范围，而且对于可视光谱范围或红外范围是可透过的，从而图像检测单元152可以基于在红外范围内的热辐射或基于可见光检测蒸汽毛细管。替代陷波滤波器154，图像检测单元152也可以如下地设置，即对于激光束148的波长范围是不敏感的。

为了使光学测量射束的入射位置126在图像中是可见的，测量点的强度必须在工件上是足够高的，以便通过图像检测单元152检测到所述强度。特别是当测量射束定向到蒸汽毛细管的开口中时，则显著地减小反射回到或散射到图像检测单元152或摄像机中的部分。仅仅散射或反射在蒸汽毛细管的侧壁上或在位于蒸汽毛细管的开口的区域中的颗粒上进行。如果激光装置和光学相干断层成像仪在类似波长下(例如OCT在1030nm下以及激光器在1070nm下)发射，则对陷波滤波器的需求显著地增高，因为所述陷波滤波器必须完全以更大的数量级抑制激光器，然而OCT的波长必须完全透射。

如果光学相干断层成像仪通过商业上获得的超辐射发光二极管(SLD)运行，则通常提供几十个或几百个毫瓦的光功率。与在加工激光器中多个千瓦的光功率相比，SLD的功率是非常小的。

图4示出示例性地图像400，例如所述图像可以由根据本发明的实施方式的图像检测单元检测或产生。

图像400可以作为数字图像或照片被检测或产生。所述图像可以具有多个像素。

图像400是工件10的区域或区段的俯视图，所述工件由根据本发明的实施方式的激光加工系统加工。图像400在激光加工过程期间被拍摄，所述激光加工过程由根据本发明的实施方式的激光加工系统实施。在图4中，激光加工过程的加工方向80以箭头示出。

图像400以俯视图、即从图像检测单元152的视角示出工件10的下述区域或区段，所述区域或区段包括蒸汽毛细管12、包围蒸汽毛细管12的熔池14以及位于熔池14之后的焊道15。

此外，图像400包含测量点18，所述测量点通过光学测量射束126入射到表面上产生。如同在图4中可看到的那样，测量点18具有圆的形状。然而测量点18根据到表面上的入射角度也可以具有椭圆的或类似圆的形状。因为蒸汽毛细管12的最深点位于所述蒸汽毛细管的在加工方向上在后的壁(参见图1)，所以光学测量射束126必须相应地朝向这个点取向，以便可以准确地确定蒸汽毛细管的深度。光学测量装置可以包括控制装置，所述控制装置设置用于基于由图像检测单元152检测到的数据控制光学测量射束126朝向蒸汽毛细管12的最深点的取向。

激光加工系统或图像检测单元自身可以设置用于几乎实时地进行图像评估，以便在由图像检测单元检测到的图像中确定蒸汽毛细管在工件上的位置12以及测量点18的位置。测量点的几何重心和/或蒸汽毛细管的几何重心例如可以在图像评估中被确定。由此，测量点的位置可以相对于蒸汽毛细管的位置、优选地相对于蒸汽毛细管的最深部位来确定。除了测量蒸汽毛细管的深度以外也可以检测蒸汽毛细管12的周围区域并且例如实施所谓的形貌测量。由此可以直接在焊接过程之前发现缝隙或者可以直接在焊接过程之后测量焊道15的质量。此外可以确定蒸汽毛细管和/或熔池的几何结构。例如可以识别熔池的轮廓。此外可以识别或区分工件的熔化区域和/或固化区域。这可以通过适合的图像处理方法、例如滤波、纹理分析、熔池形状的评估等进行。

此外，激光加工系统或光学测量装置可以设置用于基于对测量点或测量射束的位置和蒸汽毛细管的位置的确定这样调节测量射束126的位置，以使得所述测量射束为了测量焊接深度始终准确地取向或定位。测量射束的位置特别是可以相对于蒸汽毛细管的位置和/或激光束的位置被调节。测量射束的位置可以例如通过光束偏转单元、例如镜面、振镜扫描仪或上述的准直器光学器件来调节。附加地可以调节光学测量射束的聚焦位置和/或取向。对测量射束的调节可以特别是实时地进行。

图5A和5B示出根据本发明的另外的实施方式的激光加工系统200和200‘。

激光加工系统200相应于前面关于图3所述的激光加工系统100，然而具有用于照射加工区域、即工件表面16的下述区域的照射单元256，该区域包括蒸汽毛细管12(以及可选地熔池14)和测量点18。如果由图像检测单元152检测可见光谱范围，则会需要通过照射单元256照射加工区域。激光加工系统200的图像检测单元152则优选地设置用于探测可视光谱范围的光。所述照射可以如图5A中所示地同轴地通过加工头122进行。替换地，照射单元可以如图5B中所示地侧向地、即在外部布置在加工头上。

照射单元256可以布置在激光加工头122上或集成到加工头122中。照射单元256设置用于改善通过图像检测单元152对工件表面16的具有蒸汽毛细管和测量射束的入射位置(测量点18)的区域的成像。照射单元256优选地设置用于发射可见光并且由此照射由图像检测单元152检测到的区域。因为特别是蒸汽毛细管12和熔池14仅仅发射少量在可视光谱范围内的光，所以通过照射单元256的照射可以提高所述蒸汽毛细管和熔池在由图像检测单元152检测到的图像上的可识别性。所述照射可以替换地特别是在使用红外摄像机的情况中也在红外光谱范围内发射。

加工头122例如可以如图5A中所示地包括照射模块260，所述照射模块集成到加工头122中或者安装在加工头122上。由照射单元256发射的光可以耦合输入到激光束148的光路中和/或光学测量射束126的光路中和/或图像检测单元152的光路中。此外，照射模块260可以包括用于将从照射单元256发射到光路中的光准直的准直光学器件258。

根据图5B中所示的实施方式，然而照射单元256这样布置在激光加工头200上，以使得由所述照射单元发射的光直接射入到加工区域，特别是工件的下述区域，该区域包括蒸汽毛细管和/或熔池。换句话说，由照射单元256发射的光在测量射束126和激光束148的光路外部延伸、即不延伸通过加工头122。

图6示出根据本发明的第二实施方式的激光加工系统300。

激光加工系统300相应于前面关于图3所述的激光加工系统100，然而具有用于使光学测量射束126或测量点18可视化的可视化单元370。可视化单元370可以具有光源372，所述光源设置用于产生可视化射束(也称为“可视化射束”)。由于用于光学测量射束126的光源、例如通常的SLD(超辐射发光二极管)的受限的光功率，可视化单元370可以设置有光源372，以便使光学测量射束126在图像中的位置是可见的。

可视化单元370的光优选地被耦合输入到光学测量射束126的光路中。所述耦合输入优选地通过分光器、例如纤维耦合器138实现，所述分光器设置用于将可视化射束耦合输入到光学测量装置128的测量支光束的光导纤维142中。因此，通过使可视化射束入射到工件10上产生的可视化点与测量点18重叠，并且特别是可以与测量点18同心的。

因为由可视化单元370产生的光已经被耦合输入到光学相干断层成像仪的光导纤维中，所以可视化点通过在加工头122中的光学成像而成像到如同测量射束126那样在工件10上相同的横向位置上。不同于通过加工头122中的分光器在加工头122中耦合输入或叠加，在耦合输入到光学相干断层成像仪的光导纤维的情况中不导致由于调节误差或其他不确定性引起的横向偏差。如果光学相干断层成像仪和照射光源具有不同的波长，则虽然会导致两个聚焦位置的轴向移动。然而在两个光束同轴地延伸的情况中不发生聚焦点的横向移动。因此测量点和可视化点是同心的。

因为对可视化单元370的光源372不提出其他要求，所以可以选择尽可能高的光功率的光源372。此外，由光源372产生的光的波长或波长范围可以与图像检测单元152的光谱敏感范围相匹配。在使用具有与激光的波长近似的波长的光学测量值的光学相干断层成像仪的情况中，光源372的波长可以这样选择，以使得该波长在光谱上足够远地远离激光的波长。由此，陷波滤波器154可以如下地优化，以使得所述陷波滤波器最大程度地抑制激光束148的光并且同时关于光源372的波长是最大程度可透过的。

也就是说，可视化射束用于使光学测量射束126的入射点可视化并且使入射测量射束的位置或测量点18在摄像机图像中是更好可见的。因为可视化点与测量点是同心的并且明显比测量点亮并且因此可以更容易地由图像检测单元152探测。

有利的是，由光源372发射的光的波长选择为比光学相干断层成像仪或光学测量射束126的波长更短。典型地，对于光学相干断层成像仪需要使用所谓的单模纤维。所述纤维具有纤芯直径，该纤芯直径大致相应于应传输的波长的十分之一。由此仅仅横向基本模式“TEM00”可以在光波导体中传播。所谓的光导纤维的“Cut-off波长”表示下述波长，直至该波长仅仅可以传播TEM00模式。如果耦合输入更短波的光，则可以形成也更高的横向模式并且称为所谓的多模纤维。对于由光源372产生的光的波长意味着，在光导纤维中的模式充分混合的情况中出口直径大于在单模纤维的情况中的出口直径。然而光分布的中心保持相同，因此该中心和由此测量射束的入射位置的横向位置始终还可以被探测。反之如果光源372的波长选择为比光学相干断层成像仪的波长长，则在耦合输入到光导纤维中时产生极大损失，因此破坏功率强的光源372的效应。

图7示出根据本发明的一个实施方式的用于借助于激光束加工工件的方法。所述方法可以通过根据在此所述的实施方式的激光加工系统实施并且具有以下步骤。

在步骤710中，使激光束148入射到工件表面16上，以便产生蒸汽毛细管。然后或同时在步骤720中使光学测量射束126入射到工件10上，以便测量蒸汽毛细管的深度12。在步骤730中检测工件表面16的下述区域的图像，该区域包括蒸汽毛细管12和通过发射光学测量射束126产生的测量点18。在步骤740中，基于检测到的图像确定在工件10上、确切地说在工件表面16上的测量点18的位置和蒸汽毛细管的位置12。步骤710，720，730和740能够可以说同时地实施，从而能够可以说实时地确定和/或调节测量点18相对于蒸汽毛细管12的相对取向。

确定740的步骤可以包括评估检测到的图像。在评估中还可以识别或探测蒸汽毛细管12和/或测量点18的几何特性。所述评估可以还包括确定蒸汽毛细管12的中心和测量点18的中心。所述中心可以是面积上的重心。所述方法可以还包括调节或调整测量点18的位置的步骤(未示出)。测量点18的位置特别是可以关于蒸汽毛细管12这样被调节，以使得通过光学测量射束126能测量或测量蒸汽毛细管的最大深度12。

也就是说，根据本发明可以同时确定光学测量射束的入射位置、即测量点的位置和蒸汽毛细管12的位置，以便由此使借助于光学测量射束测量到的深度对应于蒸汽毛细管的确定的点。测量点的位置特别是可以相对于蒸汽毛细管这样被调节，以使得可以确定蒸汽毛细管的最大深度。换句话说，测量射束可以指向蒸汽毛细管的具有最大深度的点。这个点通常位于蒸汽毛细管的在加工方向上在后的壁上。测量点和蒸汽毛细管的位置确定可以几乎实时地进行并且由此实现连续地并且可靠地测量蒸汽毛细管的深度。由此可以提高特别是在激光焊接时的加工质量。

Claims (15)

1.一种用于借助于激光束(148)加工工件(10)的激光加工系统(100，200，300)、特别是激光焊接系统，其中，所述激光加工系统包括：

-激光加工头(122)，用于使激光束入射到工件(10)上以产生蒸汽毛细管(12)；

-光学测量装置(128)，用于借助于光学测量射束(126)测量所述蒸汽毛细管(12)的深度；

-图像检测单元(152)，所述图像检测单元设置用于检测所述工件(10)的下述区域的图像(400)，该区域包括所述蒸汽毛细管(12)和通过所述光学测量射束(126)在所述工件(10)上产生的测量点(18)，

其中，所述激光加工系统设置用于基于检测到的图像(400)确定所述测量点(18)的位置和所述蒸汽毛细管(12)的位置。

2.根据权利要求1所述的激光加工系统，其还包括：

调节装置，所述调节装置设置用于相对于所述蒸汽毛细管(12)的位置调节所述测量点(18)的位置，以便确定所述蒸汽毛细管的最大深度。

3.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工系统，其中，所述光学测量装置(128)包括光学相干断层成像仪。

4.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工系统，其中，所述图像检测单元(152)具有陷波滤波器(154)，所述陷波滤波器设置用于阻断所述激光束(148)的波长范围。

5.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工系统，其中，所述图像检测单元(152)在由所述蒸汽毛细管(12)发射的热辐射的波长范围内和/或在所述光学测量射束(126)的波长范围内具有光谱敏感性。

6.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工系统，其中，所述图像检测单元(152)包括摄像机、CCD摄像机、视频摄像机、CMOS摄像机和红外摄像机中的至少一个。

7.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工系统，其中，所述图像检测单元(152)同轴地布置在所述激光加工头(122)上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工系统，其中，所述图像检测单元(152)的光轴和所述测量射束(126)的光轴至少部分地平行地和/或同轴地延伸。

9.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工系统，所述激光加工系统还包括：

-照射单元(256)，用于借助于可见光和/或红外光照射所述工件(10)的检测到的区域。

10.根据权利要求9所述的激光加工系统，其中，所述照射单元(256)布置为使得光在所述激光加工头(122)外部由所述照射单元(256)指向工件(10)。

11.根据权利要求所述的激光加工系统9，其中，所述照射单元(256)设置用于将光耦合输入到所述激光束(148)的光路中和/或所述光学测量射束(126)的光路中和/或所述图像检测单元(152)的光路中。

12.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工系统，其还包括：

可视化单元(370)，所述可视化单元设置用于将用于使所述测量点(18)可视化的可视化射束耦合输入到所述测量射束(126)的光路中，

其中，通过所述可视化射束产生的可视化点与所述测量点(18)是同心的。

13.根据权利要求12所述的激光加工系统，其中，所述可视化单元(370)设置用于将所述可视化射束耦合输入到所述光学测量装置(128)的光导纤维(142)中，所述光学测量射束(126)在所述光导纤维中被引导。

14.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工系统，其还包括计算单元，所述计算单元设置用于相对于所述蒸汽毛细管(12)的位置实时地调节所述测量点(18)的位置，以便连续地确定所述蒸汽毛细管的最大深度。

15.一种用于控制激光加工系统、特别是激光焊接系统的方法(700)，其中，所述方法包括以下步骤：

-使激光束(148)入射(710)到工件(10)上并且产生蒸汽毛细管(12)；

-使光学测量射束(126)入射(720)到所述工件(10)上以测量所述蒸汽毛细管(12)的深度；

-检测(730)所述工件(10)的下述区域的图像(400)，该区域包括所述蒸汽毛细管(12)和通过所述光学测量射束(126)产生的测量点(18)；和

-基于检测到的图像(400)确定(740)所述测量点(18)的位置和所述蒸汽毛细管(12)的位置。

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