DE102021111349A1 - Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses und dazugehöriges Laserschweißsystem - Google Patents

Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses und dazugehöriges Laserschweißsystem Download PDF

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Rüdiger Moser
Stefan Birmanns
Fabian Becker
Igor Shkarban
Livia Barazzetti
Maurizio Kempf
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Abstract

Es ist ein Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses angegeben, das Verfahren umfassend die Schritte: Durchführen des Laserschweißprozesses durch Einstrahlen eines Laserstrahls auf zumindest ein Werkstück zum Ausbilden einer Schweißverbindung, wobei der Laserstrahl durch eine Ablenkvorrichtung entlang eines Bearbeitungspfads geführt wird, Erfassen von Sensordaten durch zumindest zwei Sensoren während des Laserschweißprozesses, und Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, basierend auf den erfassten Sensordaten und zumindest einem Bearbeitungsparameter des Laserschweißprozesses. Ferner ist ein dazugehöriges Laserschweißsystem angegeben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses, insbesondere zum Bestimmen, ob eine durch den Laserschweißprozess ausgebildete Schweißverbindung einen Fehler aufweist, und ein Laserschweißsystem, das eingerichtet ist, um das Verfahren durchzuführen.
  • Hintergrund und Stand der Technik
  • In einem Laserschweißsystem, auch als Laserschweißanlage oder kurz Anlage bezeichnet, wird zum Verschweißen von Werkstücken der von einer Laserstrahlquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf die Werkstücke eingestrahlt und fokussiert. Das Laserschweißsystem kann einen Laserschweißkopf umfassen, in dem die Strahlführungs- und Fokussieroptik integriert sind. Dabei wird der Laserstrahl entlang eines sogenannten Bearbeitungspfads über die Oberfläche der Werkstücke bewegt, wodurch sich in einem Bereich zwischen der Oberfläche, auf die der Laserstrahl eingestrahlt wird, bis hin zu einer gewissen Tiefe innerhalb eines Werkstücks eine Dampfkapillare, auch als Keyhole bezeichnet, ausbildet. Im Bereich der Dampfkapillare erhitzt sich das Material des Werkstücks durch die eingestrahlte Laserleistung so stark, dass es verdampft. Die Dampfkapillare ist von einem Schmelzbad umgeben, in dem das Material in einem geschmolzenen Zustand ist. Beim Abkühlen des Materials entsteht eine Schweißnaht, die die Schweißverbindung zwischen den verschweißten Werkstücken bildet, wobei die verschweißten Werkstücke auch als (einzelnes) Bauteil bezeichnet werden können.
  • Um die Qualität der Schweißnaht bzw. der Schweißverbindung sicherzustellen, ist es erforderlich, den Laserschweißprozess zu überwachen. Denn es können Fehler in einer Schweißnaht auftreten, welche in Bezug auf die Eigenschaften des Bauteils nicht toleriert werden können. Liegt beispielsweise ein Spalt zwischen den verschweißten Werkstücken vor, müssen diese unter Umständen als Ausschuss verworfen werden. Insbesondere bei einem Spalt ohne Überbrückung kann eine mechanische und/oder elektrische Verbindung nicht oder in zu geringem Maße vorliegen. Oft sind diese Fehler mit bloßem Auge oder Mikroskop nicht zu erkennen, daher werden in der Regel Sensordaten zur Bewertung der Schweißverbindung herangezogen. Aktuelle Lösungen für die Überwachung umfassen eine In- und eine Post-Prozess-Überwachung und entsprechende Überwachungssysteme. Die In-Prozess-Überwachung wird auch zum Regeln des Laserschweißprozesses eingesetzt. Die Überwachung des Laserschweißprozesses und der Schweißnahtqualität kann heute bereits durch eine Vielzahl von einzelnen Überwachungssystemen wahrgenommen werden. Eine Schwäche dieser einzelnen Überwachungssysteme ist es, dass diese jeweils unterschiedliche physikalische Grö-ßen, z.B. geometrische Merkmale in einem Kamerabild, eine Wärmestrahlung und ein Prozessleuchten, zur Bewertung und Analyse heranziehen und getrennt voneinander auswerten. Welche physikalischen Größen am besten zur Überwachung der Qualität geeignet sind, hängt jedoch im Einzelfall von der Kombination von Werkstoff und Prozess ab.
  • Basierend auf jeweils vorgegebenen Fehlerkriterien kann erkannt werden, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist. Ausgehend von den erkannten Fehlern kann die Schweißverbindung als „in Ordnung“ oder „Gutschweißung“, d.h. die verschweißten Werkstücke sind geeignet für die Weiterverarbeitung oder für den Verkauf, oder als „nicht in Ordnung“ oder „Schlechtschweißung“, d.h. die verschweißten Werkstücke sind Ausschuss, klassifiziert werden. Die Erkennung von Fehlern und die anschließende Klassifikation der Schweißverbindung erfolgt in den einzelnen Überwachungssystemen aber getrennt und unabhängig voneinander.
  • Die Detektion der Fehler bzw. die Klassifikation der Schweißverbindung soll möglichst sicher und automatisiert erfolgen. In der Regel weisen jedoch alle erwähnten Überwachungssysteme einen sogenannten „Scheinausschuss“ aus. Hierbei handelt es sich um verschweißte Werkstücke, welche von einem Überwachungssystem als Ausschuss klassifiziert werden, in Wirklichkeit jedoch in Ordnung sind. Nachteilhafter ist es in der Regel jedoch, wenn verschweißte Werkstücke von einem Überwachungssystem als in Ordnung klassifiziert werden, diese in Wirklichkeit jedoch nicht in Ordnung sind. Dieser Fall wird als „Escape“ bezeichnet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses anzugebenen, mithilfe dessen Fehler einer durch den Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißverbindung zuverlässig, schnell, einfach und automatisiert bestimmt werden können.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses anzugeben, durch das eine falsche Klassifikation von verschweißten Werkstücken verhindert oder zumindest reduziert werden kann. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses anzugeben, mit dem sowohl eine Scheinausschuss- als auch eine Escape- Quote bei der Klassifikation von verschweißten Werkstücken minimiert werden kann.
  • Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Laserschweißsystem anzugeben, das zum Durchführen des Verfahrens eingerichtet ist.
  • Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der entsprechenden abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Offenbarung beruht auf dem Grundgedanken, dass ein Laserschweißprozess zum Verschweißen von Werkstücken überwacht wird, d.h. dass bestimmt wird, ob eine durch den Laserschweißprozess ausgebildete Schweißverbindung einen Fehler aufweist, indem Sensordaten von mindestens zwei Sensoren korreliert werden. Dabei kann die Bestimmung, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, insbesondere basierend auf Sensordaten von mehreren Sensoren sowie optional zusätzlich basierend auf zumindest einem Bearbeitungsparameter des Laserschweißprozesses erfolgen. Die Bestimmung, ob die Schweißverbindungen einen Fehler aufweist, und die Überwachung des Laserschweißprozesses erfolgen also durch eine durch kombinierte und/oder korrelierte Auswertung der Sensordaten der mehreren Sensoren und optional von Daten über den zumindest einen Bearbeitungsparameter des Laserschweißprozesses. Demnach basiert die Bestimmung, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, nicht nur auf Sensordaten eines einzelnen Sensors, sondern auf Sensordaten von mehreren Sensoren bzw. zusätzlich auf Daten des zumindest einen Bearbeitungsparameters. Das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, dient zur Bewertung der Qualität der Schweißverbindung. Durch das beschriebene Vorgehen kann die Basis für die Bewertung der Qualität der Schweißverbindung signifikant verbessert werden und die Gefahr einer Falschbewertung, d.h. einer falschen Klassifikation der verschweißten Werkstücke, verringert werden. Somit kann die Quote von Scheinausschuss und von Escapes verringert werden.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses angegeben, das Verfahren umfassend die Schritte: Durchführen des Laserschweißprozesses durch Einstrahlen eines Laserstrahls auf zumindest ein Werkstück zum Ausbilden einer Schweißverbindung, wobei der Laserstrahl durch eine Ablenkvorrichtung entlang eines Bearbeitungspfads geführt wird, Erfassen von Sensordaten durch zumindest zwei Sensoren während des Laserschweißprozesses, und Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, basierend auf den erfassten Sensordaten, insbesondere basierend auf einer Korrelation und/oder Kombination der erfassten Sensordaten. Vorzugsweise basiert das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, auch auf zumindest einem Bearbeitungsparameter des Laserschweißprozesses bzw. auf einer Korrelation und/oder Kombination der erfassten Sensordaten sowie des zumindest einen Bearbeitungsprameters.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserschweißsystem angegeben, das eingerichtet ist, um einen Laserschweißprozess durch Einstrahlen des Laserstrahls auf das zumindest eine Werkstück durchzuführen, und um das Verfahren zum Überwachen des Laserschweißprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung durchzuführen. Das Laserschweißsystem umfasst einen Laserschweißkopf zum Einstrahlen eines Laserstrahls auf zumindest ein Werkstück zum Ausbilden einer Schweißverbindung, wobei der Laserschweißkopf eine Ablenkvorrichtung zum Führen des Laserstrahls entlang eines Bearbeitungspfads umfasst, zumindest zwei Sensoren, wobei jeder der Sensoren zum Erfassen von entsprechenden Sensordaten während des Laserschweißprozesses eingerichtet ist, und eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der hierin beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen.
  • Die Schweißverbindung kann zwischen Teilen oder Bereichen eines einzelnen Werkstücks oder zwischen mindestens zwei Werkstücken ausgebildet werden. Die Schweißverbindung kann durch eine beim Einstrahlen des Laserstrahls ausgebildeten Schweißnaht, die auch als Schweißraupe bezeichnet werden kann, gebildet sein. Die Ablenkvorrichtung kann auch als Scanvorrichtung, Scannereinheit oder Scanner bezeichnet werden. Das Laserschweißsystem kann auch als Scannersystem bezeichnet werden. Der Laserschweißkopf kann auch als Scannerschweißkopf bezeichnet werden. Der Laserschweißprozess kann auch als Laserstrahlschweißprozess bezeichnet werden. Das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann auch kurz als Fehlerbestimmung bezeichnet werden.
  • Beim Durchführen des Laserschweißprozesses wird in der Regel aus einem Wechselwirkungsbereich zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück Prozessstrahlung emittiert. Der Wechselwirkungsbereich kann insbesondere eine beim Einstrahlen des Laserstrahls ausgebildete Dampfkapillare und ein diese umgebendes Schmelzbad umfassen. Die Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbereich kann auch als Prozessleuchten oder Plasmastrahlung bezeichnet werden. Die Prozessstrahlung in einem infraroten Wellenlängenbereich kann auch als Temperatur-, Infrarot- oder Wärmestrahlung bezeichnet werden. Die Prozessstrahlung umfasst in der Regel auch einen beim Einstrahlen des Laserstrahls auf das zumindest eine Werkstück reflektierten Anteil des Laserstrahls, der auch als Rückreflex bezeichnet werden kann.
  • Der Laserschweißkopf, durch den der Laserstrahl auf das Werkstück eingestrahlt wird, und das Werkstück sind vorzugsweise zumindest während des Laserschweißprozesses, d.h. während des Ausbildens der Schweißverbindung, stationär zueinander angeordnet. Somit wird der Laserstrahl während des Laserschweißprozesses vorzugsweise allein durch die Ablenkvorrichtung entlang des Bearbeitungspfads abgelenkt. Der Bearbeitungspfad kann einem Verlauf einer gewünschten Schweißnaht entsprechen. Die vorliegende Offenbarung ist aber auch auf Laserschweißsysteme anwendbar, bei denen das Werkstück während des Laserschweißprozesses durch beispielsweise ein Achssystem bewegt wird. Beispielsweise kann der Laserschweißkopf an einem Roboter befestigt sein. In diesem Fall kann die Ablenkvorrichtung den Laserstrahl auslenken, wobei sich gleichzeitig oder synchron der Roboter bewegt. Dadurch kann Taktzeit eingespart werden. Hierbei kann das Laserschweißsystem eine übergeordnete Steuereinheit aufweisen, die die Bewegungen des Roboters und der Ablenkvorrichtung koordiniert.
  • Das Ablenken des Laserstrahls entlang des Bearbeitungspfads kann mit einer oszillierenden Bewegung des Laserstrahls, die auch als Wobbelbewegung bezeichnet werden kann, überlagert sein. Als Wobbelbewegung wird in der Regel eine oszillierende Bewegung des Laserstrahls um eine eigentliche Bearbeitungsposition entlang des Bearbeitungspfads bezeichnet, deren Amplitude in etwa einer Breite einer resultierenden Schweißnaht entsprechen kann. Eine Bearbeitungsgeschwindigkeit kann definiert sein als eine Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl entlang des Bearbeitungspfads eingestrahlt und abgelenkt wird. Dabei kann eine überlagerte Wobbelbewegung des Laserstrahls unberücksichtigt bleiben. Wenn der Laserstrahl eine Wobbelbewegung ausführt, kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit als eine mittlere Geschwindigkeit des Laserstrahls entlang des Bearbeitungspfads bezeichnen. Alternativ kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit als eine Geschwindigkeit der aktuellen Bearbeitungsposition entlang des Bearbeitungspfads definiert sein.
  • Einer oder mehrere der genannten Aspekte kann eines oder mehrere der folgenden optionalen Merkmale aufweisen:
    • Die Ablenkvorrichtung kann eingerichtet sein, den Laserstrahl innerhalb eines Scanfelds der Ablenkvorrichtung auf dem zumindest einen Werkstück abzulenken.
  • Wenn bestimmt wird, dass die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann die Schweißverbindung und/oder das verschweißte Werkstück als „Schlechtschweißung“, als „nicht in Ordnung“ und/oder als Ausschuss klassifiziert werden. Wenn bestimmt wird, dass die Schweißverbindung keinen Fehler aufweist, kann die Schweißverbindung und/oder das verschweißte Werkstück als „Gutschweißung“ und/oder als „in Ordnung“ klassifiziert werden. Eine fälschlicherweise als „Gutschweißung“ klassifizierte Schweißverbindung kann als „Escape“ bezeichnet werden. Eine fälschlicherweise als Ausschuss klassifizierte Schweißverbindung kann als „Scheinausschuss“ bezeichnet werden.
  • Der bei der Fehlerbestimmung berücksichtigte Bearbeitungsparameter kann zumindest einen der folgenden Parameter umfassen: eine Ausrichtung des Laserschweißkopfes zu dem zumindest einen Werkstück, ein Einfallwinkel des Laserstrahls auf das zumindest eine Werkstück, eine Position des Laserstrahls innerhalb eines Scanfelds der Ablenkvorrichtung, eine Auslenkung des Laserstrahls durch die Ablenkvorrichtung von einer Nullstellung, eine Fokuslage des Laserstrahls, einen Fokusdurchmesser des Laserstrahls, eine Fokusform des Laserstrahls, eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Bearbeitungsrichtung, einen Geschwindigkeitsvektor des Laserstrahls entlang des Bearbeitungspfads, eine Position des zumindest einen Werkstücks innerhalb des Scanfelds der Ablenkvorrichtung, eine Position des Bearbeitungspfads innerhalb des Scanfelds der Ablenkvorrichtung, ein Material und/oder eine Dicke des Werkstücks, eine Verstellgeschwindigkeit eines Ablenkelements der Ablenkvorrichtung, eine Stellung und/oder einen Verstellwinkel eines Ablenkelements der Ablenkvorrichtung.
  • Die Fehlerbestimmung kann basierend auf Soll-Werten für den Bearbeitungsparameter erfolgen. Die Soll-Werte können während des Laserschweißprozesses, insbesondere während des Ausbildens der Schweißverbindung, vorgegeben werden. Die Soll-Werte können in Echtzeit für die Fehlerbestimmung bereitgestellt werden. Die Soll-Werte können zeitaufgelöste bzw. zeitabhängige und/oder zeitunabhängige, insbesondere über den Laserschweißprozess gemittelte, Soll-Werte sein. Die Soll-Werte können beispielsweise von einer Steuereinheit des Laserschweißkopfes, insbesondere einer Steuereinheit der Ablenkvorrichtung, oder von der übergeordneten Steuereinheit bereitgestellt werden, d.h. sie sind vorzugsweise nicht gemessen.
  • Die zumindest zwei Sensoren zum Erfassen der Sensordaten können zumindest zwei der folgenden Sensoren umfassen: einen ersten Intensitätssensor, vorzugweise umfassend eine Photodiode, eingerichtet zum Erfassen von ersten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität der während des Laserschweißprozesses emittierten Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbereich; einen zweiten Intensitätssensor, vorzugweise umfassend eine Photodiode, eingerichtet zum Erfassen von zweiten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität der Prozessstrahlung in einem infraroten Wellenlängenbereich; einen dritten Intensitätssensor, vorzugweise umfassend eine Photodiode, eingerichtet zum Erfassen von dritten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität einer von einer Oberfläche der Werkstücke rückreflektierten Laserstrahlung; einen Sensor, vorzugweise eine Photodiode, eingerichtet zum Erfassen von vierten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität des Laserstrahls zum Ermitteln einer aktuellen eingestrahlten Leistung des Laserstrahls; einen Bildsensor, vorzugsweise eine Kamera, eingerichtet zum Erfassen von Bilddaten bzw. zum Aufnehmen eines Bildes von einer Oberfläche des Werkstücks; einen Abstandssensor, vorzugsweise einen optischen Kohärenztomographen, eingerichtet zum Erfassen von Abstandsdaten eines Abstands zwischen dem den Laserstrahl einstrahlenden Laserschweißkopf zu dem Werkstück und/oder eingerichtet zum Erfassen von Abstandsdaten einer Tiefe einer während des Laserschweißprozesses erzeugten Dampfkapillare und/oder eingerichtet zum Erfassen von Oberflächenprofildaten einer Oberfläche einer durch den Laserschweißprozess gebildeten Schweißnaht. Die Leistung des Laserstrahls kann auch als Laserleistung bezeichnet werden. Der Bildsensor ist vorzugsweise koaxial angeordnet, d.h. koaxial zum Strahlengang des Laserstrahls bzw. zur optischen Achse des Laserschweißkopfs. Vorzugsweise kann die Prozessstrahlung bzw. die von zumindest einem der Sensoren erfasste Strahlung durch einen Strahlteiler, wie etwa einem dichroitischen Spiegel, von dem Laserstrahl getrennt werden.
  • Das Erfassen der Sensordaten kann zumindest zwei der folgenden Schritte umfassen: Erfassen von ersten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität der emittierten Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbereich, Erfassen von zweiten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität der während des Laserschweißprozesses emittierten Prozessstrahlung in einem infraroten Wellenlängenbereich, Erfassen von dritten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität einer von dem zumindest einen Werkstück rückreflektierten Laserstrahlung bei einer Wellenlänge des Laserstrahls, Erfassen von vierten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität des eingestrahlten Laserstrahls bei einer Wellenlänge des Laserstrahls zum Ermitteln einer aktuellen eingestrahlten Laserleistung, Erfassen von Bilddaten durch Aufnehmen eines Bildes und/oder Videos von einer Oberfläche des Werkstücks, Erfassen von Oberflächenprofildaten der Oberfläche der Schweißnaht, und Erfassen von Abstandsdaten eines Abstands zu dem Werkstück und/oder einer Tiefe einer während des Laserschweißprozesses erzeugten Dampfkapillare.
  • Dementsprechend können die erfassten Sensordaten zumindest zwei, insbesondere zwei verschiedene, der folgenden Sensordaten umfassen: Bilddaten umfassend zumindest ein Bild von einer Oberfläche des zumindest einen Werkstücks und/oder ein Bild von der Dampfkapillare und/oder dem Schmelzbad, Messwerte einer Strahlungsintensität der Prozessstrahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich oder bei einer vorgegebenen Wellenlänge, Messwerte einer Strahlungsintensität der Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbereich, Messwerte einer Strahlungsintensität der Prozessstrahlung in einem infraroten Wellenlängenbereich, Messwerte einer Strahlungsintensität der von den Werkstücken zurückreflektierten Laserstrahlung, Messwerte einer Strahlungsintensität des eingestrahlten Laserstrahls, Oberflächenprofildaten der Schweißnaht, Messwerte eines Abstands zu dem Werkstück, und Messwerte der Tiefe der während des Laserschweißprozesses erzeugten Dampfkapillare.
  • Gemäß bevorzugter Ausführungsformen umfasst der zumindest eine Bearbeitungsparameter zumindest einen Parameter der Ablenkvorrichtung, beispielsweise die Stellung und/oder den Verstellwinkel des Ablenkelements der Ablenkvorrichtung, der Einfallwinkel des Laserstrahls auf das zumindest eine Werkstück, die Position des Laserstrahls innerhalb des Scanfelds der Ablenkvorrichtung, die Auslenkung des Laserstrahls durch die Ablenkvorrichtung von einer Nullstellung, die Position des Laserstrahls innerhalb des Scanfelds der Ablenkvorrichtung, die Position des zumindest einen Werkstücks innerhalb des Scanfelds der Ablenkvorrichtung, die Position des Bearbeitungspfads innerhalb des Scanfelds der Ablenkvorrichtung, und/oder die Verstellgeschwindigkeit eines Ablenkelements der Ablenkvorrichtung. Durch die Einbeziehung zumindest eines dieser Bearbeitungsparameter der Ablenkvorrichtung bei der Bestimmung, ob die Schweißnaht einen Fehler aufweist, kann die Zuverlässigkeit und Güte der Fehlerbestimmung verbessert werden. Dies ist insbesondere bei Laserschweißsystemen vorteilhaft, bei denen die Fehlerbestimmung auf Strahlung, insbesondere die Prozessstrahlung, basiert, die zumindest abschnittsweise durch optische Elemente des Laserschweißsystems, beispielsweise die Ablenkvorrichtung und eine Fokussieroptik, z.B. ein F-Theta-Objektiv, verläuft. Bearbeitungsparameter der Ablenkvorrichtung, etwa die Stellung von einem Ablenkelement der Ablenkvorrichtung, können Einfluss auf die zur Fehlerbestimmung erfassten Sensordaten haben, also beispielsweise auf die Prozessstrahlung zum Erfassen der ersten bis dritten Intensitätsdaten, den optischen Messstrahl zum Erfassen der Abstandsdaten, der Oberflächenprofildaten und/oder auf das Erfassen der Bilddaten. Insbesondere können Bearbeitungsparameter der Ablenkvorrichtung Einfluss auf eine Signalhöhe der entsprechenden Sensordaten haben. Die Fokussieroptik ist für gewöhnlich lediglich für die Wellenlänge des Laserstrahls optimiert. Beim Durchlaufen der Fokussieroptik kann daher chromatische Aberration bei Strahlung mit einer anderen Wellenlänge als die Wellenlänge des Laserstrahls auftreten. Durch Einbeziehen und Berücksichtigen der genannten Bearbeitungsparameter bei der Fehlerbestimmung können die Einflüsse der Fokussieroptik und der Ablenkvorrichtung auf die Sensordaten bei der Fehlerbestimmung reduziert werden.
  • Vorzugsweise entsprechen sich die Sensordaten und die Daten des Bearbeitungsparameters, insbesondere die Soll-Werte des Bearbeitungsparameters, z.B. in zeitlicher und/oder räumlicher Hinsicht. Dies kann bedeuten, dass die Daten während desselben vorgegebenen Zeitraums bzw. an demselben Ort erfasst bzw. aufgezeichnet wurden. Ferner kann dies bedeuten, dass für vorgegebene Zeitpunkte innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums entsprechende Daten oder Werte vorhanden sind. Dazu können die Sensordaten und/oder die Daten des Bearbeitungsparameters mit derselben Samplingfrequenz erfasst bzw. aufgezeichnet werden. Alternativ können die Daten interpoliert werden, oder es können Daten verworfen werden.
  • Das Bestimmen, ob ein Fehler der Schweißverbindung vorliegt, kann während der Durchführung des Laserschweißprozesses, insbesondere in Echtzeit, und/oder nach der Durchführung des Laserschweißprozesses erfolgen. Dementsprechend kann das Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses als In-Prozess- oder als Post-Prozess-Verfahren ausgebildet sein. Das Erfassen der Sensordaten und/oder Bestimmen, ob ein Fehler der Schweißverbindung vorliegt, kann während der Durchführung des Laserschweißprozesses kontinuierlich und/oder wiederholt durchgeführt werden.
  • Das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann das Bestimmen umfassen, ob die Schweißverbindung zumindest einen der folgenden Fehler aufweist: eine fehlende oder unzureichende physikalische bzw. elektrische und/oder mechanische Verbindung durch die Schweißverbindung zwischen verschweißten Werkstücken und/oder einen Spalt zwischen verschweißten Werkstücken. Beispielsweise kann bestimmt werden, dass die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, wenn die Leitfähigkeit der elektrischen Verbindung durch die Schweißverbindung gleich oder kleiner als ein vorgegebener Leitfähigkeit-Schwellwert liegt. Weiter kann bestimmt werden, dass die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, wenn die Größe des Spalts zwischen im Überlapp- oder Parallelstoß verschweißten Werkstücken gleich oder größer als ein Spalt-Schwellwert ist.
  • Das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann mittels Algorithmen und/oder mittels eines Verfahrens des maschinellen Lernens, insbesondere unter Verwendung eines künstlichen neuronalen Netzes, erfolgen.
  • Das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann umfassen: getrenntes Auswerten der Sensordaten für jeden der zumindest zwei Sensoren, Kombinieren der Auswertungen durch eine logische Verknüpfung, und Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, basierend auf der kombinierten Auswertung. Das getrennte Auswerten der Sensordaten für jeden der zumindest zwei Sensoren kann jeweils unter Berücksichtigung des zumindest einen Bearbeitungsparameters erfolgen. Alternativ kann die Auswertung der Sensordaten für einen oder einige der zumindest zwei Sensoren unter Berücksichtigung des zumindest einen Bearbeitungsparameters erfolgen.
  • Beispielsweise können die Sensordaten für zumindest einen der Sensoren getrennt dahingehend ausgewertet werden, dass bestimmt wird, ob basierend auf den Sensordaten dieses Sensors allein die Schweißverbindung einen Fehler aufweist. Dies kann auf herkömmliche Weise zur Fehlerbestimmung erfolgen. Beispielsweise kann mittels jeweils einer Photodiode ein Intensitätsverlauf der beim Laserschweißprozess emittierten Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbereich entsprechend dem Prozessleuchten und in einem infraroten Wellenlängenbereich entsprechend der Wärmestrahlung und ein Intensitätsverlauf der zurückreflektierten Laserstrahlung gemessen und darauf basierend wird ein entsprechendes Intensitätssignal erzeugt werden. Anschließend können die Intensitätssignale getrennt voneinander analysiert werden, beispielsweise indem das jeweilige Intensitätssignal mit entsprechenden Referenzkurven oder Hüllkurven verglichen wird. Basierend auf jeweils vorgegebenen Fehlerkriterien kann erkannt werden, ob gemäß der Auswertung des jeweiligen Intensitätssignals die Schweißverbindung einen Fehler aufweist. Fehlerkriterien können beispielsweise abhängig von einem Integral der Verläufe über den Hüllkurven oder von einem Unter- oder Überschreiten der Hüllkurven definiert sein. Im Fall eines Bild des Schmelzbades als Sensordaten können mittels Bildverarbeitung geometrische Merkmale des Schmelzbades, insbesondere Form, Größe und/oder Lage des Schmelzbades, erkannt werden. Basierend auf Abweichungen von vorgegebenen Geometrien kann hier erkannt werden, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist.
  • Die Ergebnisse der getrennten Auswertungen können anschließend durch eine logische „und“-Operation verknüpft werden. Dadurch kann die Quote oder die Wahrscheinlichkeit von Escapes reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich können die Ergebnisse durch eine logische „oder“-Operation“ verknüpft werden. Dadurch kann die Quote oder die Wahrscheinlichkeit von Scheinausschuss reduziert werden.
  • Hierbei können eine erste Gruppe von Sensoren, deren Ergebnisse der getrennten Auswertungen „und“ verknüpft sind, und eine zweite Gruppe von Sensoren, deren Ergebnisse der getrennten Auswertungen „oder“ verknüpft sind, jeweils zumindest zwei Sensoren aufweisen, und die erste Gruppe und die zweite Gruppe können zumindest einen Sensor aufweisen, der nicht in der jeweils anderen Gruppe enthalten ist. Somit ist bei der Verwendung von mehr als zwei Sensoren, beispielsweise drei Sensoren, eine Kombination der beiden Auswertungsmethoden möglich, um Escapes und Scheinausschuss gleichzeitig zu reduzieren.
  • Basierend auf der Fehlerbestimmung, insbesondere wenn bestimmt wurde, dass die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann der Laserschweißprozess geregelt werden, indem zumindest ein Bearbeitungsparameter, insbesondere die Laserleistung, die Bearbeitungsgeschwindigkeit und/oder die Fokuslage des Laserstrahls, angepasst oder eingestellt wird. Beispielsweise kann eine Korrelation der erfassten Sensorsignale zur Regelung der Laserleistung verwendet werden. In einem weiteren Beispiel kann mittels einer variablen z-Kollimation eine Fokuslage des Laserstrahls basierend auf den erfassten Sensorsignalen, insbesondere basierend auf einer Korrelation und/oder Kombination der erfassten Sensorsignale, eingestellt bzw. angepasst werden. Das Regeln kann durch die Steuereinheit des Laserschweißsystems oder eine übergeordnete Steuereinheit erfolgen. Die Bestimmung, ob die Schweißnaht einen Fehler aufweist, kann während der Durchführung des Laserschweißprozesses erfolgen. Das Anpassen von zumindest einem Bearbeitungsparameter kann das Anpassen desselben Bearbeitungsparameters, basierend auf welchem die Fehlerbestimmung durchgeführt wurde, und/oder das Anpassen eines anderen Bearbeitungsparameters des Laserschweißprozesses umfassen, wobei der andere Bearbeitungsparameter nicht derselbe ist, der zur Fehlerbestimmung herangezogen wurde.
  • Die zur Fehlerbestimmung verwendeten Sensordaten können Rohdaten sein. Das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann demnach ohne eine Vorverarbeitung der erfassten Sensordaten erfolgen. Beispielsweise kann ein künstliches neuronales Netz direkt basierend auf den Rohdaten bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist. Dies kann auch als „end-to-end“-Verarbeitung bezeichnet werden. Dadurch kann die Fehlerbestimmung zuverlässiger und schneller erfolgen. Ferner kann die Fehlerbestimmung in Echtzeit und die Überwachung des Laserschweißprozesses und Regelung des Laserschweißprozesses können zuverlässiger und genauer erfolgen.
  • Alternativ können vor der Fehlerbestimmung die Sensordaten der zumindest zwei Sensoren vorverarbeitet oder vorausgewertet werden. Dies kann beispielsweise durch eine Verarbeitungseinheit des Laserschweißsystems erfolgen. Die Verarbeitungseinheit kann einen FPGA („Field Programmable Gate Array“) aufweisen. Die Funktionalität der Verarbeitungseinheit kann durch die Steuereinheit implementiert sein oder die Verarbeitungseinheit kann in die Steuereinheit integriert sein. Insbesondere können die Sensordaten derart mit dem zumindest einen Bearbeitungsparameter verknüpft werden, dass die Daten sich zeitlich entsprechen. Beispielsweise können die erfassten Sensordaten, insbesondere eines oder mehrere der ersten bis vierten Intensitätssignale, mit zumindest einem Bearbeitungsparameter der Ablenkvorrichtung verknüpft werden, z.B. mit einer Position des Laserschweißkopfes in einem Scanfeld der Ablenkvorrichtung, einer Bearbeitungsgeschwindigkeit, einer Position, einer Stellung und/oder eines Verstellwinkels eines Ablenkelements der Ablenkvorrichtung, einer Geschwindigkeit einer Positionsänderung und/oder einer Verstellgeschwindigkeit des Ablenkelements der Ablenkvorrichtung. Dadurch kann die Geschwindigkeit der anschließenden Auswertung der Sensordaten und des Bearbeitungsparameters und die Fehlerbestimmung optimiert bzw. erhöht werden.
  • Die Ablenkvorrichtung kann eingerichtet sein, um den Laserstrahl um zumindest einen ersten Ablenkwinkel entlang einer ersten Achse abzulenken. Vorzugsweise ist die Ablenkvorrichtung zusätzlich eingerichtet, um den Laserstrahl um einen zweiten Ablenkwinkel entlang einer zweiten Achse abzulenken, wobei die erste und die zweite Achse zueinander in einem Winkel angeordnet sind, beispielsweise senkrecht zueinander stehen. Der maximale erste Ablenkwinkel und/oder der maximale zweite Ablenkwinkel der Ablenkvorrichtung können jeweils gleich oder größer als 10 Grad sein, insbesondere 10 bis 20 Grad. Für den Fall, dass die Ablenkvorrichtung als Ablenkelemente Spiegel aufweist, entsprechend diese maximalen Ablenkwinkel maximalen Spiegelwinkeln von mindestens 5 Grad, insbesondere von 10 Grad, da der Laserstrahl um das Doppelte des Spiegelwinkels abgelenkt wird.
  • Das Scanfeld der Ablenkvorrichtung kann als Bereich auf dem Werkstück bzw. auf der Werkstückoberfläche definiert sein, und/oder durch einen maximalen ersten und einen maximalen zweiten Ablenkwinkel der ersten Ablenkvorrichtung vorgegeben sein. Eine Länge und/oder eine Breite des Scanfelds kann gleich oder größer als 50 mm sein. Das Scanfeld kann beispielsweise eine Größe von mehr als 50 mm x 50 mm, insbesondere gleich wie oder größer als ca. 100 mm x 200 mm oder 250 mm x150 mm, auf dem Werkstück aufweisen. Gemäß Ausführungsformen weist das Scanfeld eine Ellipsenform auf. In diesem Fall kann die Länge des Scanfelds die Länge der Hauptachse der Ellipse und die Breite des Scanfelds die Länge der Nebenachse der Ellipse angeben. Die Ablenkvorrichtung kann als Großfeldscanner ausgebildet sein.
  • Um die Ablenkung des Laserstrahls zu bewirken, kann die Ablenkvorrichtung einen ersten beweglichen Spiegel und einen zweiten beweglichen Spiegel aufweisen. Der erste bewegliche Spiegel kann um eine erste Rotationsachse drehbar sein und der zweite bewegliche Spiegel kann um eine zweite Rotationsachse drehbar sein, wobei die erste Rotationsachse und die zweite Rotationsachse in einem Winkel, z.B. in einem Winkel zwischen 45° und 135°, insbesondere von ca. 75° oder von 90°, zueinanderstehen. Dazu kann der Spiegel bzw. können der erste und zweite Spiegel als Galvanometer-Spiegel, kurz Galvo-Spiegel, ausgebildet sein. Alternativ kann die Ablenkvorrichtung einen beweglichen Spiegel aufweisen, der um zumindest zwei Achsen drehbar oder schwenkbar ist. Dementsprechend kann die Ablenkvorrichtung als Galvanometer- oder Galvo-Scanner ausgebildet sein. Die Ablenkvorrichtung kann alternativ MEMS-basierte, piezoelektrische und/oder induktive Antriebe aufweisen. Alternativ kann die Ablenkvorrichtung als Prismenscanner oder Linsenscanner ausgebildet sein.
  • Das Laserschweißsystem, insbesondere der Laserschweißkopf, kann eine Kollimationsoptik zum Einstellen der Fokuslage des Laserstrahls umfassen. Die Kollimationsoptik kann entlang einer optischen Achse der Kollimationsoptik und/oder entlang einer Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls verstellt werden, um die Fokuslage des Laserstrahls einzustellen. Die Kollimationsoptik kann zwei oder mehr Linsen umfassen, deren Abstände zumindest teilweise zueinander veränderlich sind. Die Verstellung kann motorisch erfolgen. Die Steuereinheit kann die Kollimationsoptik zum Einstellen der Fokuslage des Laserstrahls zu steuern.
  • Das Laserschweißsystem, insbesondere der Laserschweißkopf, kann ferner eine Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls umfassen. Die Fokussieroptik kann zwei oder mehr Linsen umfassen, deren Abstände zumindest teilweise zueinander veränderlich sind, um die Fokuslage einzustellen bzw. zu ändern. Die Fokussieroptik kann insbesondere eingerichtet sein, um den Laserstrahl auf das Werkstück, insbesondere auf eine Oberfläche des zumindest einen Werkstücks, zu fokussieren. Die Fokussieroptik kann ein F-Theta-Objektiv umfassen oder als solches ausgebildet sein. Das F-Theta-Objektiv kann telezentrisch ausgebildet sein.
  • Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, um das Laserschweißsystem, insbesondere den Laserschweißkopf, die zumindest zwei Sensoren, die Ablenkvorrichtung, die Fokussieroptik, die Kollimationsoptik und/oder eine Laserquelle zum Erzeugen des Laserstrahls zu steuern, um den Laserschweißprozess und das Verfahren zum Überwachen des Laserschweißprozesses durchzuführen.
  • Ferner kann das Laserschweißsystem eine Schnittstelle aufweisen, um die Sensordaten und Daten des Bearbeitungsparameters, insbesondere Soll-Werte, an eine externe Steuereinheit oder die übergeordnete Steuereinheit, beispielsweise einen externen Rechner, zu übertragen.
  • Zudem kann das Laserschweißsystem ein Ringlicht aufweisen. Das Ringlicht kann separat schaltbare Segmente aufweisen. Mithilfe des Ringlichts kann durch den Bildsensor ein Bild bzw. Video mit einem hohen Kontrast erhalten werden. Unter Verwendung des Ringlichts kann ein sehr kontrastreiches Bild in einem sogenannten „shape-by-shading“-Verfahren aufgenommen werden. Zudem kann das Laserschweißsystem einen Liniengenerator zur Triangulation aufweisen. Der Bildsensor kann unter Verwendung von durch den Liniengenerator auf der Oberfläche des zumindest einen Werkstücks erzeugten Linien eine Geometrie der Oberfläche und/oder eine Geometrie einer durch den Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht erfassen. Darauf basierend kann der Bildsensor Geometriedaten als Sensordaten erfassen.
  • Das zumindest eine Werkstück kann eines der folgenden Elemente umfassen: eine Batterie, eine Batteriezelle, ein Batteriepack, einen Batterieanschluss, einen Ableiter und/oder einen Teil dieser Elemente. Beispielsweise kann das zumindest eine Werkstück eine Batteriezelle und einen Ableiter umfassen. Mittels der durch den Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht kann eine elektrische Verbindung zwischen der Batteriezelle und dem Ableiter hergestellt werden.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben.
    • 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Laserschweißsystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
    • 2 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung eines Scanfelds einer Ablenkvorrichtung eines Laserschweißsystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
    • 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Laserschweißprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
    • 4 zeigt eine schematische Ansicht mehrerer Werkstückgruppen in einem Scanfeld einer Ablenkvorrichtung eines Laserschweißsystems gemäß Ausführungsformen zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Überwachen eines Laserschweißprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Laserschweißsystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • Das Laserschweißsystem 10 umfasst einen Laserschweißkopf 12 zum Einstrahlen und Richten eines Laserstrahls 14 auf zumindest ein Werkstück. Das Laserschweißsystem 10 ist eingerichtet, um einen Laserschweißprozess zum Verschweißen des zumindest einen Werkstücks durchzuführen. Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das Laserschweißsystem 10 eingerichtet, um zwei Werkstücke 16a, 16b miteinander zu verschweißen. Die zwei Werkstücke 16a, 16b sind im Überlappstoß angeordnet und das Einstrahlen des Laserstrahls 14 erfolgt auf das oben liegende Werkstück 16a, die vorliegende Offenbarung ist hierauf aber nicht beschränkt. Die Werkstücke 16a, 16b können beispielsweise auch im Parallelstoß oder im Stumpfstoß angeordnet sein und das Einstrahlen des Laserstrahls 14 kann auf beide Werkstücke 16a, 16b erfolgen. Das Verschweißen des zumindest einen Werkstücks kann gemäß Ausführungsformen ein Verschweißen von Teilen oder Bereichen eines einzelnen Werkstücks umfassen. In diesem Fall können die in 1 gezeigten Werkstücke 16a, 16b als Teile oder Bereiche dieses einzelnen Werkstücks betrachtet werden.
  • Das Verschweißen der Werkstücke 16a, 16b erfolgt durch Einstrahlen des Laserstrahls 14 auf die Werkstücke 16a, 16b und Bewegen des Laserstrahls 14 entlang eines vorgegebenen Bearbeitungspfads 18 auf den Werkstücken 16a, 16b. Der Bearbeitungspfad 18 kann auf einem der Werkstücke 16a, 16b angeordnet sein. Gemäß Ausführungsformen kann der Bearbeitungspfad auf beiden oder auf einer Grenze zwischen den Werkstücken 16a, 16b angeordnet sein. Der vorgegebene Bearbeitungspfad 18 gibt den Verlauf einer gewünschten Schweißnaht an. Die Schweißnaht bildet die durch den Laserschweißprozess auszubildende Schweißverbindung zwischen den Werkstücken 16a, 16b. Beim Einstrahlen des Laserstrahls auf die Werkstücke 16a, 16b bildet sich in einem Bereich zwischen der Oberfläche der Werkstücke 16a, 16b, auf die der Laserstrahl eingestrahlt wird, bis hin zu einer gewissen Tiefe innerhalb der Werkstücke 16a, 16b eine Dampfkapillare, auch als Keyhole bezeichnet, aus. Im Bereich der Dampfkapillare erhitzt sich das Material des Werkstücks durch die eingestrahlte Laserleistung so stark, dass es verdampft. Die Dampfkapillare ist von einem Schmelzbad umgeben, in dem das Material geschmolzen ist. Beim Abkühlen des Materials entsteht die Schweißnaht, die die Schweißverbindung bildet.
  • Das Laserschweißsystem 10 kann an eine Laserquelle 20 zum Erzeugen des Laserstrahls 14, auch als Bearbeitungslaserstrahl bezeichnet, gekoppelt werden, um den Laserstrahl 14 in den Laserschweißkopf 12 einzukoppeln. Die Laserquelle 20 kann als Single-Mode-Laser, als Festkörperlaser oder als Faserlaser ausgebildet sein. Der Laserstrahl 14 wird über eine Lichtleitfaser 21 von der Laserquelle 20 zum Laserschweißkopf 12 übertragen und von einem Ende der Lichtleitfaser 21, z.B. mittels eines Faserkopplers (nicht gezeigt), in den Laserschweißkopf 12 eingekoppelt. Eine im Anschluss an den Faserkoppler angeordnete Kollimationsoptik 22 ist eingerichtet, um den aus dem Ende der Lichtleitfaser 21 divergent austretenden Laserstrahl 14 zu kollimieren. Mithilfe der Kollimationsoptik 22 kann die Fokuslage des Laserstrahls 14 eingestellt oder korrigiert werden. Die Achse, entlang die eine Fokuslage des Laserstrahls 14 einstellbar ist, kann einer optischen Achse des Laserschweißkopfes 12, insbesondere einer optischen Achse einer Fokussieroptik 24 entsprechen. Diese Achse kann auch als z-Achse bezeichnet werden. Demnach kann die Kollimatoroptik 22 als (variable) z-Kollimatoroptik oder kurz als (variable) z-Kollimation bezeichnet werden. Das Einstellen der Fokuslage kann durch Verstellen einer Linse der Kollimatoroptik 22 entlang der optischen Achse der Kollimatoroptik 22 bzw. einer Strahlachse des Laserstrahls 14 erfolgen. Die Kollimatoroptik 22 kann eine Motoreinheit (nicht gezeigt) zur Verstellung der Linse aufweisen. Die Kollimatoroptik 22 kann durch eine übergeordnete Steuereinheit (nicht gezeigt) des Laserschweißsystems 10 oder die Steuereinheit 48 gesteuert werden. Mithilfe der z-Kollimation kann die Fokuslage des Laserstrahls 14 in Abhängigkeit der Sensorsignale der nachfolgend beschriebenen Sensoren passend eingestellt werden.
  • Das Laserschweißsystem 10 umfasst ferner eine erste Einkoppelvorrichtung 23a zum Einkoppeln des Laserstrahls 14 in den Laserschweißkopf 12. Die erste Einkoppelvorrichtung 23a ist als Strahlteiler ausgebildet und umfasst beispielsweise einen dichroitischen Spiegel, der Licht mit der Wellenlänge des Laserstrahls 14 im Wesentlichen reflektiert und Licht mit einer anderen Wellenlänge als die des Laserstrahls 14 im Wesentlichen passieren lässt, d.h. der Spiegel ist für Licht mit einer anderen Wellenlänge als die des Laserstrahls 14 im Wesentlichen transparent. Mithilfe der ersten Einkoppelvorrichtung 23a lässt sich Prozessstrahlung, die durch die nachfolgend beschriebenen Sensoren als Sensorsignale erfasst wird, vom Laserstrahl 14 trennen. Zudem umfasst der Laserschweißkopf 12 eine Fokussieroptik 24 zum Fokussieren des Laserstrahls 12 auf das zumindest eine Werkstück 16a, 16b, insbesondere auf eine Oberfläche des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b. Die Fokussieroptik 24 ist gemäß Ausführungsformen als F-Theta-Objektiv ausgebildet.
  • Um die Position des Laserstrahls 14 auf dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b zu verändern, und um insbesondere den Laserstrahl 14 entlang des Bearbeitungspfades 18 zu führen, umfasst das Laserschweißsystem 10 ferner eine Ablenkvorrichtung 26 zum Ablenken oder Auslenken des Laserstrahls 14 relativ zu dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b. Die Ablenkvorrichtung 26 ist eingerichtet, um den Laserstrahl 14 entlang zweier Achsen x, y zu bewegen bzw. abzulenken. Die zwei Achsen x, y können gemäß Ausführungsformen zueinander senkrecht sein und eine x-y-Ebene definieren, die parallel zu einer Oberfläche des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b angeordnet ist, die vorliegende Offenbarung ist hierauf aber nicht beschränkt. Die Ablenkvorrichtung 26 kann auch als Scannereinheit oder Scanner bezeichnet werden.
  • Mithilfe der Ablenkvorrichtung 26 kann der Bearbeitungspfad 18 durch den Laserstrahl 14 abgefahren werden. Eine Bearbeitungsgeschwindigkeit kann definiert sein als eine Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl 14 entlang des Bearbeitungspfads 18 eingestrahlt und abgelenkt wird. Dabei kann eine etwaige überlagerte Wobbelbewegung des Laserstrahls 14 unberücksichtigt bleiben. Wenn der Laserstrahl eine Wobbelbewegung ausführt, kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit als eine mittlere Geschwindigkeit des Laserstrahls 14 entlang des Bearbeitungspfads bezeichnen.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung eines Scanfelds der Ablenkvorrichtung 26. Die Ablenkvorrichtung 26 ist eingerichtet, um den Laserstrahl 14 entlang der x-Achse um einen ersten Ablenkwinkel abzulenken und um den Laserstrahl 14 entlang der y-Achse um einen zweiten Ablenkwinkel abzulenken. Die Ablenkvorrichtung 26 umfasst bezüglich der x-Achse und bezüglich der y-Achse jeweils eine Nullstellung, für die der Laserstrahl 14 entlang der jeweiligen Achse eine Nullposition einnimmt. Die Nullposition der x-Achse und die Nullposition der y-Achse können gemeinsam als Mittelpunkt oder Zentrum 32 eines Scanfelds 34 der Ablenkvorrichtung 26 betrachtet werden. Das Zentrum 32 des Scanfelds 34 kann einer nicht abgelenkten Stellung des Laserstrahls 14, d.h. einer (allgemeinen) Nullstellung des Laserstrahls 14, entsprechen. In der nicht abgelenkten Stellung des Laserstrahls 14 kann der Laserstrahls 14 zwischen dem Laserschweißkopf 12 und dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b koaxial zu einer optischen Achse des Laserschweißkopfes 12 und/oder einer optischen Achse der Fokussieroptik 24 verlaufen.
  • Ein maximaler erster Ablenkwinkel 28 entlang der x-Achse (d.h. Drehung um y-Achse) und ein maximaler zweiter Ablenkwinkel 30 entlang der y-Achse (d.h. Drehung um x-Achse) geben einen Rand des Scanfeld 34 auf der Oberfläche des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b vor, innerhalb dessen die Ablenkvorrichtung 26 den Laserstrahl 14 bezüglich des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b ablenken kann. Gemäß Ausführungsformen ist die Ablenkvorrichtung 26 als Großfeldscanner ausgebildet. Beispielsweise kann der maximale erste Ablenkwinkel 28 und/oder der maximale zweite Ablenkwinkel 30 größer als 10 Grad sein. Der erste und zweite maximale Ablenkwinkel 28, 30 kann konstruktionstechnisch vorgegeben sein. Alternativ kann ein als Fokussieroptik 24 eingesetztes F-Theta-Objektiv die maximalen Ablenkwinkel 28, 30 begrenzen.
  • In 2 ist das Scanfeld 34 mit einer rechteckigen Form gezeigt, die vorliegende Offenbarung ist hierauf aber nicht beschränkt. Das Scanfeld 34 kann auch eine kreisförmige oder eine elliptische Form aufweisen. In diesem Fall kann das in 2 gezeigte Rechteck als ein in das elliptische erste Scanfeld eingeschriebenes Rechteck mit dem größten Flächeninhalt betrachtet werden.
  • Um die Ablenkung des Laserstrahls 14 zu bewirken, umfasst die Ablenkvorrichtung 26 zumindest ein Ablenkelement. Gemäß Ausführungsformen umfasst die Ablenkvorrichtung 26 als Ablenkelement zwei bewegliche Spiegel 36a, 36b (siehe 1), die um unterschiedliche Rotationsachsen drehbar oder verstellbar sind. Die Spiegel 36a, 36b können als Galvanometer-Spiegel ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Ablenkvorrichtung 26 als Galvanometer-Scanner oder Galvo-Scanner bezeichnet werden. Gemäß alternativer, nicht gezeigter Ausführungsformen umfasst die Ablenkvorrichtung als Ablenkelement einen beweglichen Spiegel, der um zumindest zwei Achsen verstellbar ist. Die Stellung bzw. der Verstellwinkel des zumindest einen Ablenkelements bestimmen also die Auslenkung des Laserstrahls 14 von der Nullposition 32, die Position des Laserstrahls 14 im Scanfeld 34 und den Einfallswinkel 25 des Laserstrahls 14 auf das zumindest eine Werkstück 16a, 16b. Dabei ist der Einfallswinkel 25 als der Winkel zwischen einer Normalen auf die Oberfläche und dem Laserstrahl 14 definiert.
  • Eine Steuereinheit (nicht gezeigt) der Ablenkvorrichtung 26, die auch die Steuereinheit des Laserschweißsystems 10 sein kann, kann eingerichtet sein, während des Laserschweißprozesses aktuelle Soll-Werte von zumindest einem Bearbeitungsparameter des Laserschweißprozesses an die Steuereinheit 48 des Laserschweißsystems 10 zu übertragen. Der zumindest eine Bearbeitungsparameter kann beispielsweise einen der folgenden Parameter der Ablenkvorrichtung 26 umfassen: den Einfallswinkel 25 des Laserstrahls 14, die Position des Laserstrahls 14 im Scanfeld der Ablenkvorrichtung 26, eine Auslenkung des Laserstrahls 14 durch die Ablenkvorrichtung 26 von der Nullstellung 32, die Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Bearbeitungsrichtung, einen Geschwindigkeitsvektor des Laserstrahls 14 entlang des Bearbeitungspfads 18, und eine Stellung oder Verstellung, einen Verstellwinkel und/oder eine Verstellgeschwindigkeit des zumindest einen Ablenkelements der Ablenkvorrichtung 26, beispielsweise der Spiegel 36a, 36b.
  • Gemäß Ausführungsformen können zusätzlich der Laserschweißkopf 12 und/oder das zumindest eine Werkstück 16a, 16b relativ zueinander bewegt werden, vorzugsweise zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserschweißprozessen. Beispielweise kann das zumindest eine Werkstück 16a, 16b durch eine erste Bewegungseinheit (nicht gezeigt) relativ zum Laserschweißkopf 12 bewegt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Laserschweißkopf 12 relativ zum zumindest einen Werkstück 16a, 16b durch eine zweite Bewegungseinheit (nicht gezeigt) bewegt werden. Die zweite Bewegungseinheit kann beispielsweise als Roboter ausgebildet sein und der Laserschweißkopf 12 kann am Roboter befestigt sein. Während eines Laserschweißprozesses, d.h. während des Ausbildens einer Schweißnaht, bleibt der Laserschweißkopf 12 bzw. das Laserschweißsystem 10 vorzugsweise stationär zum zumindest einen Werkstück 16a, 16b.
  • Beim Durchführen des Laserschweißprozesses wird aus einem Wechselwirkungsbereich zwischen dem Laserstrahl 14 und dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b emittiert. Der Wechselwirkungsbereich kann insbesondere die Dampfkapillare und das Schmelzbad umfassen. Die Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbereich kann auch als Prozessleuchten oder Plasmastrahlung bezeichnet werden. Die Prozessstrahlung in einem infraroten Wellenlängenbereich kann auch als Temperaturstrahlung bezeichnet werden. Die Prozessstrahlung umfasst zudem einen Anteil des beim Einstrahlen des Laserstrahls 14 auf das zumindest eine Werkstück 16a, 16b reflektierten Anteil des Laserstrahls 14. Dieser reflektierte Anteil kann auch als Rückreflex bezeichnet werden.
  • Ein Anteil 19 der Prozessstrahlung wird wieder in den Laserschweißkopf 12 bzw. das Laserschweißsystem 10 eingekoppelt und verläuft dabei zumindest streckenweise überlagert mit dem Laserstrahl 14. Ausgehend von dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b tritt dieser Anteil 19 der Prozessstrahlung über die Fokussieroptik 24 in den Laserschweißkopf 12 ein und wird auch von der Ablenkvorrichtung 26 abgelenkt. Anschließend wird der Anteil 19 durch die erste Einkoppelvorrichtung 23a aus dem Strahlverlauf des Laserstrahls 14 ausgekoppelt. Die Strahlungsintensität dieses Anteils 19 wird durch Sensoren bei vorgegebenen Wellenlängen bzw. in vorgegebenen Wellenlängenbereichen erfasst, wie nachfolgend im Detail beschrieben ist.
  • Die Stellung des zumindest einen Ablenkelements der Ablenkvorrichtung 26 und damit der Einfallwinkel 25 des Laserstrahls 14 auf das zumindest eine Werkstück 16a, 16b haben Einfluss auf die spektrale Verteilung der Strahlungsintensität des Prozessstrahlungs-Anteils 19 sowie des optischen Messstrahls 43 und auf das Erfassen von Bilddaten, wie nachfolgend beschrieben ist. Die Stellung des zumindest einen Ablenkelements der Ablenkvorrichtung 26 und der Einfallwinkel 25 des Laserstrahls 14 auf das zumindest eine Werkstück 16a, 16b bestimmen daher auch eine Signalhöhe der von den entsprechenden Sensoren ausgegebenen Sensordaten.
  • Das Laserschweißsystem 10 weist mehrere Sensoren zum Erfassen von Sensordaten während des Laserschweißprozesses auf. Die Sensoren können auch als Sensorik bezeichnet werden. Die Sensorik ist vorzugsweise in den Laserschweißkopf 12 integriert oder daran befestigt. Das Laserschweißsystem 10 weist in der in 1 gezeigten Ausführungsform eine Messvorrichtung 40 zur interferometrischen Abstandsmessung bzw. zur optischen Abstandsmessung mithilfe eines optischen Messstrahls 42 auf. Die Messvorrichtung 40 ist eingerichtet, um während des Laserschweißprozesses einen Abstand zwischen dem Laserschweißkopf 12 und dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b zu messen und/oder um eine Tiefe der Dampfkapillare zu messen. Die Messvorrichtung 40 ist eingerichtet, um als Sensordaten Abstandsdaten an die Steuereinheit zu übertragen. Die Abstandsdaten können Werte des gemessenen Abstands und/oder Werte der gemessenen Tiefe umfassen. Die Messvorrichtung 40 kann ferner eingerichtet sein, um ein Oberflächenprofil einer Oberfläche der durch den Laserschweißprozess gebildeten Schweißnaht zu erfassen oder abzutasten. Dies kann insbesondere nach der Durchführung des Laserschweißprozesses erfolgen. Das Erfassen des Oberflächenprofils kann auch als nachgelagerte Inspektion der Schweißnaht oder Schweißraupe bezeichnet werden. Die Messvorrichtung 40 kann eingerichtet sein, um als Sensordaten entsprechende Oberflächenprofildaten an die Steuereinheit zu übertragen.
  • Die Messvorrichtung 40 umfasst gemäß Ausführungsformen einen optischen Kohärenztomographen oder kann als optischer Kohärenztomograph ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die Abstandsmessung auf optischer Kohärenztomographie („optical coherence tomography“, OCT) basieren. Diese Art der Abstandsmessung beruht auf dem Prinzip, sich unter Zuhilfenahme eines Interferometers die Kohärenzeigenschaften von Licht zunutze zu machen. Dazu wird der optische Messstrahl 42 auf das zumindest eine Werkstück 16a, 16b eingestrahlt. Der von dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b zurückreflektierte Anteil des optischen Messstrahls 42 wird mit Licht eines Referenzarms (nicht gezeigt) überlagert und zur Interferenz gebracht. Durch Auswerten des überlagerten Lichts können Informationen über den Abstand zu dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b, das Oberflächenprofil der Schweißnaht bzw. über die Tiefe der Dampfkapillare erhalten werden.
  • Das Laserschweißsystem 10 umfasst eine zweite Einkoppelvorrichtung 23b zum Einkoppeln des optischen Messstrahls 42 in den Laserschweißkopf 16 und zum Überlagern des optischen Messstrahls 42 mit dem Laserstrahl 14. Die zweite Einkoppelvorrichtung 23b ist als Strahlteiler ausgebildet und umfasst beispielsweise einen dichroitischen Spiegel, der Licht mit der Wellenlänge des optischen Messstrahls 42 im Wesentlichen reflektiert, und Licht mit einer anderen Wellenlänge als die des optischen Messstrahls 42 im Wesentlichen passieren lässt. Der optische Messstrahl 42 wird also von dem dichroitischen Spiegel der zweiten Einkoppelvorrichtung 23b reflektiert und abgelenkt und passiert den dichroitischen Spiegel der ersten Einkoppelvorrichtung 23a, um in den Laserschweißkopf 12 eingekoppelt zu werden. Nach Durchlaufen der Ablenkvorrichtung 26 und der Fokussieroptik 24 trifft der optische Messstrahl 24 auf die Oberfläche des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b.
  • Das Laserschweißsystem 10 umfasst ferner eine Sensoreinheit 44 zum Messen einer Strahlungsintensität der in den Laserschweißkopf 12 eingekoppelten Prozessstrahlung. Dazu weist das Laserschweißsystem 10 eine dritte Einkoppelvorrichtung 23c auf, die eingerichtet ist, um einen Teil der Prozessstrahlung in die Sensoreinheit 44 zu lenken. Die dritte Einkoppelvorrichtung 23c ist als Strahlteiler ausgebildet und weist beispielsweise einen teildurchlässigen Spiegel auf, sodass die Prozessstrahlung die dritte Einkoppelvorrichtung 23a teilweise passiert.
  • Die Sensoreinheit 44 weist Intensitätssensoren (nicht gezeigt) zum Erfassen von Intensitätsdaten auf. Ein erster Intensitätssensor der Sensoreinheit ist beispielsweise eingerichtet, um eine Strahlungsintensität der in die Sensoreinheit 44 eingetretenen Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbereich zu messen und basierend darauf ein erstes Intensitätssignal auszugeben. Der erste Intensitätssensor ist eingerichtet, um die Strahlungsintensität der Plasmastrahlung zu messen. Basierend darauf kann das Prozessleuchten ausgewertet werden. Das erste Intensitätssignal kann Messwerte der Strahlungsintensität der Prozessstrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich umfassen. Die gemessenen Werte können als erste Intensitätsdaten an die Steuereinheit 48 übertragen werden.
  • Ein zweiter Intensitätssensor ist beispielsweise eingerichtet, um eine Strahlungsintensität der Prozessstrahlung in dem infraroten Wellenlängenbereich zu messen und basierend darauf ein erstes Intensitätssignal auszugeben. Der zweite Intensitätssensor ist eingerichtet, um die Strahlungsintensität der Infrarot- oder Temperaturstrahlung zu messen. Basierend darauf kann die Schmelzbaddynamik ausgewertet werden. Das zweite Intensitätssignal kann Messwerte der Strahlungsintensität der Prozessstrahlung im infraroten Wellenlängenbereich umfassen. Die gemessenen Werte können als zweite Intensitätsdaten an die Steuereinheit 48 übertragen werden.
  • Ein dritter Intensitätssensor ist beispielsweise eingerichtet, um eine Strahlungsintensität der Prozessstrahlung bei einer Wellenlänge des Laserstrahls zu messen und basierend darauf ein erstes Intensitätssignal auszugeben. Der dritte Intensitätssensor ist eingerichtet, um die Strahlungsintensität des Rückreflexes zu messen. Das dritte Intensitätssignal kann Messwerte der Strahlungsintensität der Prozessstrahlung bei der Wellenlänge des Laserstrahls umfassen. Die gemessenen Werte können als dritte Intensitätsdaten an die Steuereinheit 48 übertragen werden.
  • Die Sensoreinheit 44 ist nicht auf eine Kombination des ersten bis dritten Intensitätssensors beschränkt, sondern kann auch nur einen oder zwei dieser Intensitätssensoren umfassen. Die Intensitätssensoren sind vorzugsweise als Photodioden ausgebildet.
  • Das Laserschweißsystem 10 umfasst in der in 1 gezeigten Ausführungsform ferner einen vierten Intensitätssensor 38 zum Detektieren oder Ermitteln einer eingestrahlten Leistung des Laserstrahls 14. Der vierte Intensitätssensor 38 ist eingerichtet, um eine Strahlungsintensität bei der Wellenlänge des Laserstrahls 14 zu messen und basierend darauf ein Intensitätssignal auszugeben. Das Intensitätssignal kann Messwerte der Strahlungsintensität umfassen. Basierend auf der gemessenen Strahlungsintensität kann die aktuelle bzw. eingestrahlte oder verwendete Leistung des Laserstrahls 14 ermittelt werden. Der vierte Intensitätssensor 38 ist eingerichtet, um vierte Intensitätsdaten an die Steuereinheit zu übertragen. Die gemessenen Werte können als vierte Intensitätsdaten an die Steuereinheit 48 übertragen werden. Alternativ können die Intensitätsdaten ermittelte Werte der eingestrahlten Leistung des Laserstrahls 14 umfassen.
  • Im Gegensatz zum dritten Intensitätssensor der Sensoreinheit 44 empfängt der vierte Intensitätssensor nicht die Strahlungsintensität des Rückreflexes. Wie in 1 gezeigt ist der Intensitätssensor 38 derart angeordnet, dass der Anteil des aus der Kollimieroptik 22 ausgetretenen Laserstrahls 14, welcher nicht von der ersten Einkoppelvorrichtung 23a reflektiert und abgelenkt wurde, auf den vierten Intensitätssensor 38 trifft. Der vierte Intensitätssensor 38 misst somit die Strahlungsintensität von Laserstrahlung des Laserstrahls 14, die nicht vorher durch das zumindest eine Werkstück 16a, 16b reflektiert wurde. Die gemessene Strahlungsintensität ist daher nicht beeinflusst von den Vorgängen in der Wechselwirkungszone zwischen dem Laserstrahl 14 und dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b. Basierend auf dieser gemessenen Strahlungsintensität kann daher die eingestrahlte Leistung des Laserstrahls 14 ermittelt und überprüft werden.
  • Ferner umfasst das Laserschweißsystem 10 einen Bildsensor 46, der eingerichtet ist, um Bilddaten zu erzeugen. Der Bildsensor 46 kann auch als Visionssystem bezeichnet werden. Der Bildsensor 46 kann beispielsweise eine Kamera (nicht gezeigt) umfassen, oder als Kamera ausgebildet sein. Der Bildsensor 46 ist eingerichtet, eine Strahlungsintensität von Strahlung 47 von der Oberfläche des zumindest einen Werkstücks 18a, 18b zu detektieren. Die Strahlung 47 kann Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und/oder im infraroten Wellenlängenbereich umfassen, und kann insbesondere einen Teil der Prozessstrahlung umfassen, der die dritte Einkoppelvorrichtung 23a passiert hat. Die Strahlung 47 kann von einer vierten Einkoppelvorrichtung 23d auf den Bildsensor 46 gelenkt werden. Die vierte Einkoppelvorrichtung 23d kann einen Spiegel umfassen. Der Bildsensor 46 ist eingerichtet, eine Intensität der Strahlung 47 zu detektieren. Da bei dem in 1 gezeigten Laserschweißsystem 10 die Strahlung 47 zumindest streckenweise überlappend, insbesondere koaxial, mit dem Laserstrahl 14 verläuft, kann die in 1 dargestellte Anordnung des Bildsensors 46 auch als koaxiale Anordnung bezeichnet werden.
  • Der Bildsensor 46 ist insbesondere eingerichtet, um die Intensität der Strahlung 47 frequenz- und/oder ortsaufgelöst zu erfassen und basierend auf der erfassten Intensität ein Bild der Oberfläche des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b aufzunehmen. Das Bild kann insbesondere einen Bereich der Oberfläche des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b mit der Dampfkapillare und dem Schmelzbad zeigen. Das Bild kann ein Farb- oder ein Grauwertbild sein. Der Bildsensor 46 kann eingerichtet sein, während des Laserschweißprozesses kontinuierlich oder wiederholt Bilder aufzunehmen. Der Bildsensor 46 ist eingerichtet, um das oder die aufgenommenen Bilder als Bilddaten an die Steuereinheit 48 zu übertragen. Der Bildsensor 46 kann eigerichtet sein, ein Video der Oberfläche des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b aufzunehmen. In diesem Fall kann ein Frame des Videos als ein Bild betrachtet werden. Der Bildsensor 46 kann bereits eine Bild(vor-)verarbeitung des aufgenommenen Bildes durchführen, bevor es an die Steuereinheit übertragen wird.
  • Die Offenbarung ist nicht auf die in 1 gezeigte Konfiguration des Laserschweißsystems 10 bzw. des Laserschweißkopfs 12 beschränkt. Insbesondere kann das Laserschweißsystem 10 bzw. der Laserschweißkopf 12 lediglich zwei oder drei von den Sensoren 38, 40, 44 und 46 umfassen.
  • Die Steuereinheit 48 ist eingerichtet, um die Sensordaten zu empfangen, und ist eingerichtet, um Soll-Werte des zumindest einen Bearbeitungsparameters zu empfangen. Die Steuereinheit 48 ist eingerichtet, um basierend auf den Sensordaten von zumindest zwei der Sensoren und basierend auf dem zumindest einen Bearbeitungsparameter zu bestimmen, ob die durch den Laserschweißprozess ausgebildete Schweißverbindung einen Fehler aufweist. Die Steuereinheit 48 ist ferner dazu eingerichtet, den Laserschweißkopf 12, insbesondere die Ablenkvorrichtung 26 und die Kollimationsoptik 22 zu steuern, um den Laserschweißprozess durchzuführen. Alternativ kann diese Funktionalität durch eine Steuereinheit des Laserschweißkopfes 12, beispielsweise der Steuereinheit der Ablenkvorrichtung 26, oder durch die übergeordnete Steuereinheit implementiert sein. Die Steuereinheit 48 ist eingerichtet, um das Laserschweißsystem 10, insbesondere den Laserschweißkopf 12 und die Sensoren zu steuern, um das Verfahren zum Überwachen des Laserschweißprozesses durchzuführen.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Überwachen eines Laserschweißprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren kann durch das Laserschweißsystem 10 gemäß 1 durchgeführt werden.
  • Das Verfahren umfasst das Durchführen des Laserschweißprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung durch Einstrahlen eines Laserstrahls auf zumindest ein Werkstück zum Ausbilden einer Schweißverbindung (S 1). Dabei wird der Laserstrahl durch eine Ablenkvorrichtung entlang eines Bearbeitungspfads geführt. Der Laserschweißprozess kann beispielsweise durch das Laserschweißsystem 10 gemäß 1 zum Verschweißen der zwei Werkstücke 16a, 16b durchgeführt werden.
  • Während des Laserschweißprozesses werden Sensordaten durch zumindest zwei Sensoren erfasst (S2). Die zumindest zwei Sensoren können die zwei Sensoren des Laserschweißsystems 10 von 1 umfassen. Beispielsweise können die zumindest zwei Sensoren die ersten bis dritten Intensitätssensoren umfassen. Die Sensordaten werden gemäß Ausführungsformen in Echtzeit währen des Laserschweißprozesses erfasst und umfassen aktuelle Sensordaten der jeweiligen Sensoren.
  • Als weiteren Schritt (S3) umfasst das Verfahren das Bestimmen, ob die durch den Laserschweißprozess ausgebildete Schweißverbindung einen Fehler aufweist, basierend auf den erfassten Sensordaten. Vorzugsweise erfolgt das Bestimmen, ob die durch den Laserschweißprozess ausgebildete Schweißverbindung einen Fehler aufweist, zusätzlich basierend auf zumindest einem Bearbeitungsparameter des Laserschweißprozesses. Gemäß Ausführungsformen erfolgt das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, basierend auf Soll-Daten des zumindest einen Bearbeitungsparameters, die während des Laserschweißprozesses, insbesondere während des Ausbildens der Schweißverbindung, aufgezeichnet oder erfasst wurden.
  • Das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann auch kurz als Fehlerbestimmung bezeichnet werden. Das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, erfolgt gemäß Ausführungsformen mittels Verfahrens des maschinellen Lernens, insbesondere unter Verwendung eines künstlichen neuronalen Netzes. Beispielsweise kann bestimmt werden, dass die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, wenn die Leitfähigkeit der elektrischen Verbindung durch die Schweißverbindung zwischen den Werkstücken 16a, 16b gleich oder kleiner als ein vorgegebener Leitfähigkeit-Schwellwert liegt. Weiter kann bestimmt werden, dass die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, wenn die Größe des Spalts zwischen im Überlappstoß verschweißten Werkstücken 16a, 16b gleich oder größer als ein Spalt-Schwellwert ist.
  • Die Fehlerbestimmung erfolgt gemäß Ausführungsformen nach der Durchführung des Laserschweißprozesses. Wenn bestimmt wird, dass die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann die Schweißverbindung bzw. das verschweißte Werkstück als „nicht in Ordnung“, Schlechtschweißung und/oder als Ausschuss klassifiziert werden. Wenn bestimmt wurde, dass die Schweißverbindung keinen Fehler aufweist, kann die Schweißverbindung bzw. das verschweißte Werkstück als „in Ordnung“ und/oder als Gutschweißung klassifiziert werden.
  • Die Fehlerbestimmung und damit auch die Klassifikation der verschweißten Werkstücke erfolgt also durch Kombination der Sensordaten von mehreren Sensoren und Daten über den zumindest einen Bearbeitungsparameter des Laserschweißprozesses. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Fehlerbestimmung erhöht. Durch das beschriebene Vorgehen kann die Basis für die Bewertung der Qualität der Schweißverbindung signifikant erhöht werden und die Gefahr einer falschen Klassifikation der verschweißten Werkstücke kann verringert werden. Insbesondere kann dadurch die Gefahr von Scheinausschuss und von Escapes reduziert werden.
  • Der zumindest eine Bearbeitungsparameter ist gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Einfallwinkel 25 des Laserstrahls 14 auf das zumindest eine Werkstück 16a, 16b, die Position des Laserstrahls 14 innerhalb des Scanfelds 34 der Ablenkvorrichtung 26, die Auslenkung des Laserstrahls 14 durch die Ablenkvorrichtung 26 von der Nullstellung 32, die Position des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b innerhalb des Scanfelds 34 der Ablenkvorrichtung 26, die Position des Bearbeitungspfads 19 innerhalb des Scanfelds 34 der Ablenkvorrichtung 26, die Verstellgeschwindigkeit des Ablenkelements der Ablenkvorrichtung 26, die Stellung und/oder der Verstellwinkel des Ablenkelements der Ablenkvorrichtung 26. Ferner umfassen gemäß Ausführungsformen die Sensordaten der zumindest zwei Sensoren die ersten bis dritten Intensitätsdaten der ersten bis dritten Intensitätssensoren der Sensoreinheit 44, wobei die ersten bis dritten Intensitätsdaten während des Laserschweißprozesses Messwerte der Strahlungsintensität der Prozessstrahlung umfassen.
  • Wie zuvor mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben, können die Stellung des zumindest einen Ablenkelements der Ablenkvorrichtung 26 bzw. der Einfallwinkel 25 des Laserstrahls 14 auf das zumindest eine Werkstück 16a, 16b eine Signalhöhe der von den entsprechenden Sensoren ausgegebenen Sensordaten, insbesondere der ersten bis dritten Intensitätsdaten, beeinflussen.
  • Ferner kann die Fokussieroptik 24, insbesondere im Fall eines F-Theta-Objektivs, Einfluss auf die Signalhöhen haben. Die Fokussieroptik 24 ist für gewöhnlich lediglich auf die Wellenlänge des Laserstrahls 14 optimiert. Die Fokussieroptik 24 kann daher eine chromatische Aberration bei Strahlung mit einer anderen Wellenlänge als die Wellenlänge des Laserstrahls 14 verursachen. Dieser Effekt wird durch eine große Auslenkung des Laserstrahls 14 von der Nullstellung 32 durch die Ablenkvorrichtung 26 verstärkt.
  • Durch Einbeziehen und Berücksichtigen zumindest eines der genannten Bearbeitungsparameter bei der Fehlerbestimmung können die Einflüsse der Fokussieroptik 24 und der Ablenkvorrichtung 26 auf die Sensordaten bei der Fehlerbestimmung berücksichtigt werden. So kann vermieden werden, dass veränderliche oder wechselnde Signalhöhen der Sensordaten, die beispielsweise von unterschiedlichen Positionen im Scanfeld herrühren, zu einer unzuverlässigen Fehlerbestimmung führen. Die Signalhöhe kann ein mittleres Signalniveau der erfassten Sensordaten bzw. der gemessenen Werte der Strahlungsintensität angegeben. Die Signalhöhe kann insbesondere als zeitlicher Mittelwert der gemessenen Werte der Strahlungsintensität definiert sein.
  • Weitere Bearbeitungsparameter, die in die Fehlerbestimmung einfließen können, können umfassen: eine Ausrichtung des Laserschweißkopfes zu dem zumindest einen Werkstück, eine Fokuslage des Laserstrahls, einen Fokusdurchmesser des Laserstrahls, eine Fokusform des Laserstrahls, eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Bearbeitungsrichtung, ein Material und/oder eine Dicke des zumindest einen Werkstücks.
  • Mit Bezug auf 1 können die Ausrichtung des Laserschweißkopfes 14 zu dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b, die Bearbeitungsgeschwindigkeit, die Bearbeitungsrichtung, das Material, die Dicke des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b von der Steuereinheit (nicht gezeigt) des Laserschweißkopfes 12, beispielsweise der Steuereinheit der Ablenkvorrichtung 26 (nicht gezeigt) und/oder von der übergeordneten Steuereinheit (nicht gezeigt) des Laserschweißsystems 10 an die Steuereinheit 48 übertragen werden. Die Fokuslage des Laserstrahls 14, der Fokusdurchmesser des Laserstrahls 14 und die Fokusform des Laserstrahls 14 kann von der Kollimieroptik 22 oder der Steuereinheit des Laserschweißkopfes 12 an die Steuereinheit 48 übertragen werden.
  • Durch Berücksichtigen des Materials, insbesondere der Materialeigenschaften, bzw. der Dicke des zumindest einen Werkstücks kann insbesondere sichergestellt werden, dass die Fehlerbestimmung auch nach einem Chargenwechsel der Werkstücke zuverlässig durchgeführt werden kann. Zu den Materialeigenschaften zählt die Oberflächengüte. Diese wird unter anderem durch das Reflexions- und Einkopplungsverhalten des Materials für den Laserstrahl beschrieben. So kann eine andere Oberflächengüte einen Einfluss beim Chargenwechsel von Werkstücken haben, wenn sich die Reflexions- und Einkopplungsverhalten zwischen zwei Chargen unterscheiden. Die Fokuslage, der Fokusdurchmesser, die Fokusform, das Material und die Dicke des zumindest einen Werkstücks und die Bearbeitungsgeschwindigkeit haben zudem Einfluss auf die Strahlungsintensität der beim Laserschweißprozess emittierten Prozessstrahlung. Werden diese Bearbeitungsparameter bei der Fehlerbestimmung berücksichtigt, kann die Fehlerbestimmung zuverlässiger durchgeführt werden.
  • Die korrelierten Signale können auch als Inputparameter einer Laserschweißprozessregelung dienen. Für den Fall, dass die Fehlerbestimmung während des Laserschweißprozesses durchgeführt wird, kann basierend auf dem Ergebnis der Fehlerbestimmung der Laserschweißprozess geregelt werden, indem zumindest ein Bearbeitungsparameter, insbesondere die Bearbeitungsgeschwindigkeit, die Laserleistung und/oder die Fokuslage des Laserstrahls, angepasst oder eingestellt wird. Wenn beispielsweise bestimmt wurde, dass die bereits ausgebildete Schweißverbindung keine oder eine unzureichende elektrische bzw. mechanische Verbindung zwischen den Werkstücken herstellt, kann während des Laserschweißprozesses die Laserleistung erhöht und/oder die Bearbeitungsgeschwindigkeit verringert werden.
  • Mit Bezug auf 1 kann das Regeln durch die Steuereinheit 48 oder durch die übergeordnete Steuereinheit des Laserschweißsystems 10 erfolgen.
  • Basierend auf dem Ergebnis der Fehlerbestimmung kann auch ein nachfolgender Laserschweißprozess geregelt werden. 4 zeigt eine schematische Ansicht mehrerer Werkstückgruppen in einem Scanfeld einer Ablenkvorrichtung eines Laserschweißsystems gemäß Ausführungsformen zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In 4 ist veranschaulicht, wie das Verfahren zum Überwachen von Laserschweißprozessen an mehreren Werkstückgruppen durchgeführt wird.
  • Es werden nacheinander drei gleichartige Werkstückgruppen G1, G2, G3 durch denselben Laserschweißprozess gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung geschweißt. Dabei wird für jeden Laserschweißprozess, d.h. für jede der drei Werkstückgruppen G1-G3, das Verfahren zum Überwachen des Laserschweißprozesses gemäß 3 durchgeführt. Wie gezeigt umfasst jede der Werkstückgruppen G1-G3 zwei zu verschweißende Werkstücke, die vorliegende Offenbarung ist hierauf aber nicht beschränkt.
  • Jede der drei Werkstückgruppen G1-G3 befindet sich an einer anderen Position im Scanfeld 34 der Ablenkvorrichtung 26 des Laserschweißsystems 10 gemäß 1. Damit befindet sich auch der jeweils abzufahrende Bearbeitungspfad zur Ausbildung der Schweißnaht an einer anderen Position im Scanfeld 34 der Ablenkvorrichtung 26. Die drei Werkstückgruppen G1-G3 umfassen gleichartige Werkstücke und es soll derselbe Laserschweißprozess für jede der Werkstückgruppen G1-G3 durchgeführt werden.
  • Wie zu erkennen ist, ist bei stationärer Anordnung des Laserschweißkopfes 12 beim Verschweißen der drei Werkstückgruppen G-1G3 die Auslenkung des Laserstrahls 14 abhängig von der Position der jeweiligen Werkstückgruppe G1-G3 im Scanfeld 34 und damit von der Position des jeweiligen Bearbeitungspfads im Scanfeld 34. Demnach unterscheidet sich der Einfallwinkel des Laserstrahls 14 und somit ein Anteil der in den Laserschweißkopf 12 eingekoppelten Prozessstrahlung zwischen den Werkstückgruppe G1-G3. Beispielsweise wird für die Werkstückgruppe G1 und G3 ein kleinerer Anteil der Prozessstrahlung in den Laserschweißkopf 12 eingekoppelt als für die Werkstückgruppe G2, da der Einfallwinkel für die Werkstückgruppen G1 und G3 größer ist als für die Werkstückgruppe G2. Dadurch wiederum variieren insbesondere die Signalhöhen der ersten bis dritten Intensitätsdaten zwischen den Werkstückgruppen G1-G3.
  • Gemäß Ausführungsformen werden die Position der jeweiligen Werkstückgruppe G1-G3, die Position des jeweiligen Bearbeitungspfad für die Werkstückgruppen G1-G3, der Einfallswinkel des Laserstrahls 14, die Auslenkung des Laserstrahls 14 von der Nullstellung und/oder die Position des Laserstrahls 14 im Scanfeld 34 der Ablenkvorrichtung 34 bei der Bestimmung, ob die durch den jeweiligen Laserschweißprozess ausgebildete Schweißverbindung einen Fehler aufweist, berücksichtigt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die variierenden Signalhöhen der Sensordaten nicht zu einer unzuverlässigen Fehlerbestimmung führen. Die Position eines Bearbeitungspfads innerhalb des Scanfelds 34 kann als die Position der Mitte des Bearbeitungspfads im Scanfeld definiert sein.
  • Ferner wird gemäß Ausführungsformen der Laserschweißprozess an den Werkstückgruppen G1-G3 basierend auf der Fehlerbestimmung für einen vorangegangenen Laserschweißprozess geregelt. Wenn beispielsweise für die als erstes geschweißte Werkstückgruppe G1 bestimmt wurde, dass die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann der Laserschweißprozess zum Verschweißen der Werkstückgruppen G2 und/oder G3 entsprechend geregelt werden. Beispielsweise kann die Laserleistung, die Fokuslage des Laserstrahls 14 und/oder die Bearbeitungsgeschwindigkeit angepasst werden.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahl, insbesondere ein Laserschweißsystem, welches einen sogenannten Laserschweißkopf und eine Sensorik umfasst, vorzugsweise einen Laserschweißkopf mit integrierter Sensorik. Dabei werden die Signale der Sensoren der Sensorik derart kombiniert und ausgewertet, dass nicht nur die Signale der einzelnen Sensoren sondern auch eine Korrelation der Signale aus mehreren Sensoren genutzt werden kann, um die Qualität der Schweißung bzw. des Schweißprozesses zu bewerten. Auf diese Weise können Fehler sicher und mit minimalem Scheinausschuss bzw. mit minimaler Escape-Rate automatisch detektiert werden. Des Weiteren können auch Informationen aus dem Laserschweißkopf, insbesondere einer Scannereinheit, (z.B. Position, Geschwindigkeit) in diese Korrelationsauswertung einfließen. Die Sensorik umfasst beispielsweise mindestens zwei der folgenden Sensoren: Photodioden zur Auswertung des Prozessleuchtens, der Schmelzbaddynamik und des Rückreflexes, Photodioden zur Ermittlung der aktuell verwendeten Laserleistung, eine optische Kohärenztomographie, und eine visuelle Bildaufnahme und Bildverarbeitung (Kamera). Die Sensorik kann an den Laserschweißkopf angeschlossen sein. Diese Art des Vorgehens erlaubt es, die Signale echtzeitfähig darzustellen, mit den Ergebnissen der Schweißungen komfortabel zusammenzuführen und miteinander zu korrelieren, wobei die Korrelation beispielsweise durch die Verwendung neuronaler Netze oder sonstiger geeigneter Methoden, z.B. aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz, hergestellt werden kann. Zudem können sich durch das Erfassen und Korrelieren von Sensordaten von mehreren Sensoren auch Erkenntnisse und Hinweise in Bezug auf eine notwendige Wartung des Laserschweißsystems ergeben.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses, das Verfahren umfassend die Schritte: - Durchführen (S1) des Laserschweißprozesses durch Einstrahlen eines Laserstrahls (14) auf zumindest ein Werkstück (16a, 16b) zum Ausbilden einer Schweißverbindung, wobei der Laserstrahl (14) durch eine Ablenkvorrichtung (26) entlang eines Bearbeitungspfads (18) geführt wird, - Erfassen (S2) von Sensordaten durch zumindest zwei Sensoren (38, 40, 44, 46) während des Laserschweißprozesses, und - Bestimmen (S3), ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, basierend auf den erfassten Sensordaten und zumindest einem Bearbeitungsparameter des Laserschweißprozesses.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt: - Klassifizieren des verschweißten Werkstücks (16a, 16b) als Ausschuss, wenn bestimmt wird, dass die Schweißverbindung einen Fehler aufweist.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Bearbeitungsparameter zumindest einen der folgenden Parameter umfasst: eine Ausrichtung eines den Laserstrahl (14) einstrahlenden Laserschweißkopfes (12) zu dem zumindest einen Werkstück (16a, 16b), ein Einfallwinkel des Laserstrahls auf das zumindest eine Werkstück, eine Fokuslage des Laserstrahls (14), einen Fokusdurchmesser des Laserstrahls (14), eine Fokusform des Laserstrahls (14), eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Bearbeitungsrichtung, einen Geschwindigkeitsvektor des Laserstrahls (14) entlang des Bearbeitungspfads (18), ein Material und/oder eine Dicke des zumindest einen Werkstücks (16a, 16b), und zumindest einen Parameter der Ablenkvorrichtung (26), insbesondere eine Position des Laserstrahls (14) innerhalb eines Scanfelds (34) der Ablenkvorrichtung (26), eine Auslenkung des Laserstrahls (14) durch die Ablenkvorrichtung (26) von einer Nullstellung (32), die Position des Bearbeitungspfads (18) innerhalb des Scanfelds (34) der Ablenkvorrichtung (26), eine Verstellgeschwindigkeit eines Ablenkelements der Ablenkvorrichtung (26), und/oder einen Verstellwinkel eines Ablenkelements der Ablenkvorrichtung (26).
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Sensoren (38, 40, 44, 46) zumindest zwei der folgenden Sensoren umfassen: einen ersten Intensitätssensor, vorzugweise umfassend eine Photodiode, wobei der erste Intensitätssensor eingerichtet ist zum Erfassen von ersten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität einer während des Laserschweißprozesses emittierten Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbereich; einen zweiten Intensitätssensor, vorzugweise umfassend eine Photodiode, wobei der zweite Intensitätssensor eingerichtet ist zum Erfassen von zweiten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität der Prozessstrahlung in einem infraroten Wellenlängenbereich; einen dritten Intensitätssensor, vorzugweise umfassend eine Photodiode, wobei der dritte Intensitätssensor eingerichtet ist zum Erfassen von dritten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität einer von einer Oberfläche des zumindest einen Werkstücks (16a, 16b) rückreflektierten Laserstrahlung; einen vierten Intensitätssensor (44), vorzugweise umfassend eine Photodiode, wobei der vierte Intensitätssensor eingerichtet ist zum Erfassen von vierten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität des Laserstrahls (14) zum Ermitteln einer eingestrahlten Laserleistung, einen Bildsensor (46), vorzugsweise umfassend eine Kamera, wobei der Bildsensor eingerichtet ist zum Erfassen von Bilddaten durch Aufnehmen eines Bildes von einer Oberfläche des zumindest einen Werkstücks (16a, 16b), und einen Abstandssensor (40), vorzugsweise umfassend einen optischen Kohärenztomographen, wobei der Abstandssensor eingerichtet ist zum Erfassen von Abstandsdaten eines Abstands zu dem zumindest einen Werkstück (16a, 16b) und/oder eingerichtet zum Erfassen von Abstandsdaten einer Tiefe einer während des Laserschweißprozesses erzeugten Dampfkapillare und/oder eingerichtet zum Erfassen von Oberflächenprofildaten einer Oberfläche einer durch den Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Erfassen der Sensordaten zumindest zwei der folgenden umfasst: - Erfassen von ersten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität einer während des Laserschweißprozesses emittierten Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbereich, - Erfassen von zweiten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität der während des Laserschweißprozesses emittierten Prozessstrahlung in einem infraroten Wellenlängenbereich, - Erfassen von dritten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität einer von dem zumindest einen Werkstück (16a, 16b) rückreflektierten Laserstrahlung, - Erfassen von vierten Intensitätsdaten zum Ermitteln einer eingestrahlten Laserleistung, - Erfassen von Bilddaten durch Aufnehmen eines Bildes von einer Oberfläche des zumindest einen Werkstücks (16a, 16b), und - Erfassen von Abstandsdaten eines Abstands eines den Laserstrahl (14) einstrahlenden Laserschweißkopfes 12) zu dem zumindest einen Werkstück (16a, 16b) und/oder einer Tiefe einer während des Laserschweißprozesses erzeugten Dampfkapillare und/oder von Oberflächenprofildaten einer Oberfläche einer durch den Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen, ob ein Fehler der Schweißverbindung vorliegt, während der Durchführung des Laserschweißprozesses in Echtzeit und/oder nach der Durchführung des Laserschweißprozesses erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bestimmt wird, ob die Schweißverbindung einen der folgenden Fehler aufweist: eine fehlende oder unzureichende elektrische und/oder physikalische Verbindung durch die Schweißverbindung und/oder einen Spalt zwischen verschweißten Werkstücken (16a, 16b).
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, mittels Algorithmen und/oder mittels eines Verfahrens des maschinellen Lernens, insbesondere unter Verwendung eines künstlichen neuronalen Netzes, erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, umfasst: - getrenntes Auswerten der Sensordaten für jeden der zumindest zwei Sensoren (38, 40, 44, 46), - Kombinieren der Auswertungen durch eine logische Verknüpfung, und - Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, basierend auf der kombinierten Auswertung.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: - Regeln des Laserschweißprozesses, wenn bestimmt wurde, dass ein Fehler der Schweißverbindung vorliegt, durch Anpassen zumindest eines Bearbeitungsparameters.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: - Vorverarbeiten, insbesondere mittels eines FPGA, der Sensordaten der zumindest zwei Sensoren (38, 40, 44, 46).
  12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ablenkvorrichtung (26) einen maximalen Ablenkwinkel von größer als 10 Grad, insbesondere 20 Grad, und/oder wobei die Ablenkvorrichtung (26) ein Scanfeld (34) aufweist, dessen Länge und/oder Breite gleich oder größer als 50 mm ist.
  13. Laserschweißsystem (10), umfassend: - einen Laserschweißkopf (12) zum Einstrahlen eines Laserstrahls (14) auf zumindest ein Werkstück (16a, 16b) zum Ausbilden einer Schweißverbindung, wobei der Laserschweißkopf (12) eine Ablenkvorrichtung (26) zum Führen des Laserstrahls (14) entlang eines Bearbeitungspfads (18) umfasst, - zumindest zwei Sensoren (38, 40, 44, 46), wobei jeder der Sensoren (38, 40, 44, 46) zum Erfassen von entsprechenden Sensordaten während des Laserschweißprozesses eingerichtet ist, und - eine Steuereinheit (48), die eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  14. Laserschweißsystem (10) nach Anspruch 13, wobei die Steuereinheit (48) eingerichtet ist, um den Laserschweißprozess, insbesondere durch Anpassen der Laserleistung und/oder der Fokuslage des Laserstrahls (14), zu regeln, basierend auf der Bestimmung, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist.
  15. Laserschweißsystem (10) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, ferner umfassend zumindest eines der folgenden: - eine Kollimationsoptik (22) zum Einstellen der Fokuslage des Laserstrahls (14), und - ein F-Theta-Objektiv (24) zum Fokussieren des Laserstrahls (14) auf das zumindest eine Werkstück (16a, 16b).
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117655525B (zh) * 2023-12-29 2024-05-24 惠州市振邦精密五金有限公司 一种动力电池连接片的自动焊接方法及其装置
CN117900621A (zh) * 2024-01-23 2024-04-19 深圳市九州智焊未来科技有限公司 一种基于分光棱镜的焊接质量实时监测系统
CN117644290B (zh) * 2024-01-29 2024-04-05 宁波吉宁汽车零部件有限公司 一种高强钢激光飞行焊工艺及焊接系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004056524A1 (en) 2002-12-20 2004-07-08 Koninklijke Philips Electronics N.V. A method and a device for laser spot welding
US20050011867A1 (en) 2003-07-16 2005-01-20 Fanuc Ltd Laser welding unit
US20150266131A1 (en) 2014-03-20 2015-09-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Laser welding inspection apparatus and laser welding inspection method
DE102018129441A1 (de) 2018-11-22 2020-05-28 Precitec Gmbh & Co. Kg Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses mithilfe von tiefen faltenden neuronalen Netzen
WO2021023368A1 (de) 2019-08-05 2021-02-11 Trumpf Laser Gmbh Verfahren zum anzeigen eines oct-abgetasteten bereichs einer werkstückoberfläche und/oder zum vermessen von oberflächenmerkmalen sowie zugehöriges oct-system

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE508398T1 (de) * 2001-03-29 2011-05-15 Lasx Ind Inc Steuerung für einen laser mit prädiktiven modellen des bewegungssystems des laserstrahls
US10124410B2 (en) * 2010-09-25 2018-11-13 Ipg Photonics Corporation Methods and systems for coherent imaging and feedback control for modification of materials
EP2851154B1 (de) * 2012-05-15 2019-08-28 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Schweissverfahren, schweissvorrichtung und batterieherstellungsverfahren
JP7390680B2 (ja) * 2019-10-09 2023-12-04 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 レーザ溶接品質検査の方法及びレーザ溶接品質検査装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004056524A1 (en) 2002-12-20 2004-07-08 Koninklijke Philips Electronics N.V. A method and a device for laser spot welding
US20050011867A1 (en) 2003-07-16 2005-01-20 Fanuc Ltd Laser welding unit
US20150266131A1 (en) 2014-03-20 2015-09-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Laser welding inspection apparatus and laser welding inspection method
DE102018129441A1 (de) 2018-11-22 2020-05-28 Precitec Gmbh & Co. Kg Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses mithilfe von tiefen faltenden neuronalen Netzen
WO2021023368A1 (de) 2019-08-05 2021-02-11 Trumpf Laser Gmbh Verfahren zum anzeigen eines oct-abgetasteten bereichs einer werkstückoberfläche und/oder zum vermessen von oberflächenmerkmalen sowie zugehöriges oct-system

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