EP4334073A1 - Method for monitoring a laser welding process, and associated laser welding system - Google Patents
Method for monitoring a laser welding process, and associated laser welding systemInfo
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- EP4334073A1 EP4334073A1 EP22727798.5A EP22727798A EP4334073A1 EP 4334073 A1 EP4334073 A1 EP 4334073A1 EP 22727798 A EP22727798 A EP 22727798A EP 4334073 A1 EP4334073 A1 EP 4334073A1
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- B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials
- B23K31/125—Weld quality monitoring
Definitions
- the present invention relates to a method for monitoring a laser welding process, in particular for determining whether a welded connection formed by the laser welding process has a defect, and a laser welding system that is set up to carry out the method.
- a laser welding system also referred to as a laser welding system or system for short
- the laser beam emerging from a laser beam source or from the end of a laser conducting fiber is irradiated and focused on the workpieces with the aid of beam guiding and focusing optics to weld workpieces.
- the laser welding system can include a laser welding head in which the beam guiding and focusing optics are integrated.
- the laser beam is moved along a so-called processing path over the surface of the workpiece, whereby a vapor capillary, also known as a keyhole, forms in an area between the surface on which the laser beam is radiated and down to a certain depth within a workpiece.
- the material of the workpiece heats up so much due to the irradiated laser power that it vaporizes.
- the vapor capillary is surrounded by a molten pool in which the material is in a molten state.
- a weld seam forms, which forms the welded connection between the welded workpieces, whereby the welded workpieces can also be referred to as a (single) component.
- the monitoring of The laser welding process and the weld seam quality can already be observed today using a large number of individual monitoring systems.
- a weakness of these individual monitoring systems is that they each use different physical variables, eg geometric features in a camera image, thermal radiation and process lighting, for evaluation and analysis and evaluate them separately from one another.
- which physical parameters are best suited for quality monitoring depends on the combination of material and process in each individual case.
- the weld can be classified as "okay” or "good weld", i.e. the welded workpieces are suitable for further processing or for sale, or as "bad” or “bad weld", i.e. the welded ones Workpieces are rejects and must be classified.
- the detection of defects and the subsequent classification of the welded connection is carried out separately and independently in the individual monitoring systems.
- the present disclosure is based on the concept of monitoring a laser welding process for welding workpieces, i.e. determining whether a weld joint formed by the laser welding process has a defect, by correlating sensor data from at least two sensors.
- the determination of whether the welded joint has a defect can be made based in particular on sensor data from a number of sensors and optionally also based on at least one processing parameter of the laser welding process.
- the determination of whether the welded connection has a defect and the monitoring of the laser welding process are therefore carried out by means of a combined and/or correlated evaluation of the sensor data from a number of sensors and optionally data relating to the at least one processing parameter of the laser welding process.
- the determination of whether the welded connection has a defect is based not only on sensor data from a single sensor, but also on sensor data from a number of sensors or additionally on data from the at least one processing parameter. Determining whether the weld joint has a defect is used to evaluate the quality of the weld joint.
- the procedure described can significantly improve the basis for evaluating the quality of the welded joint and reduce the risk of incorrect evaluation, i.e. incorrect classification of the welded workpieces. In this way, the rate of false rejects and escapes can be reduced.
- a method for monitoring a laser welding process comprising the steps of: carrying out the laser welding process by radiating a laser beam onto at least one workpiece to form a welded joint, the laser beam being deflected by a deflection device along a processing path is performed, detecting sensor data by at least two sensors during the laser welding process, and determining whether the weld joint has a defect, based on the detected sensor data, eg in particular based on a correlation and/or combination of the recorded sensor data.
- the determination of whether the welded connection has a defect is also based on at least one processing parameter of the laser welding process or on a correlation and/or combination of the recorded sensor data and the at least one Be working parameters.
- determining whether the welded connection has a defect can be based on the recorded sensor data and at least one processing parameter of the laser welding process.
- a laser welding system is specified that is set up to carry out a laser welding process by irradiating the laser beam onto the at least one workpiece, and to carry out the method for monitoring the laser welding process according to embodiments of the present disclosure.
- the laser welding system comprises a laser welding head for radiating a laser beam onto at least one workpiece to form a welded joint, the laser welding head comprising a deflection device for guiding the laser beam along a processing path, at least two sensors, each of the sensors for acquiring corresponding sensor data during the laser welding process is set up, and a control unit set up to carry out a method according to one of the embodiments described herein.
- the weld may be formed between portions or portions of a single workpiece or between at least two workpieces.
- the welded connection can be formed by a weld seam formed when the laser beam is irradiated, which can also be referred to as a weld bead.
- the deflection device can also be referred to as a scanning device, scanner unit or scanner.
- the laser welding system can also be referred to as a scanner system.
- the laser welding head can also be referred to as a scanner welding head.
- the laser welding process can also be referred to as a laser beam welding process. Determining whether the welded connection has a defect can also be referred to as defect determination for short.
- process radiation is usually emitted from an interaction area between the laser beam and the workpiece.
- the interaction area can in particular comprise a vapor capillary formed when the laser beam is irradiated and a molten pool surrounding it.
- the process radiation in a visible wavelength range can also be referred to as process lights or plasma radiation.
- the process radiation in an infrared wavelength range can also referred to as temperature, infrared or thermal radiation.
- the process radiation generally also includes a portion of the laser beam that is reflected when the laser beam is radiated onto the at least one workpiece, which portion can also be referred to as a back reflection.
- the sensor data can be based on radiation, i.e. on optical measurement data.
- radiation emanating from the workpiece and/or coupled into the laser welding head can be detected as sensor data, for example process radiation and/or a back-reflected measuring beam and/or imaging radiation.
- process radiation is detected as the sensor data
- at least one of the two sensors can include a photodiode and/or be set up to detect a radiation intensity in a specified wavelength range or at a specified wavelength.
- the radiation emanating from the workpiece can be coupled into the laser welding head and can be superimposed on the irradiated laser beam at least in sections (i.e. in particular against the direction of propagation of the irradiated laser beam).
- the radiation can be decoupled from the beam path or beam path of the laser beam, e.g. by a first coupling device or a first beam splitter, preferably after passing through the deflection device.
- the first beam splitter can be arranged in front of the deflection device in the propagation direction of the incident laser beam.
- the radiation coupled out of the beam path of the laser beam can then be divided, e.g. by a second coupling device or by a second beam splitter, in order to impinge on the first sensor and the second sensor.
- the laser welding head through which the laser beam is radiated onto the workpiece, and the workpiece are preferably arranged stationary relative to one another at least during the laser welding process, ie during the formation of the welded joint.
- the laser beam is preferably deflected along the processing path solely by the deflection device.
- the processing path can correspond to a course of a desired weld seam.
- the present disclosure is also applicable to laser welding systems in which the workpiece is moved during the laser welding process by an axis system, for example.
- the laser welding head can be attached to a robot.
- the deflection device can deflect the laser beam, with the robot moving at the same time or synchronously. Cycle time can be saved as a result.
- the laser welding system can have a higher-level control unit that coordinates the movements of the robot and the deflection device.
- the deflection of the laser beam along the processing path can be superimposed on an oscillating movement of the laser beam, which can also be referred to as a wobbling movement.
- An oscillating movement of the laser beam around an actual machining position along the machining path is generally referred to as a wobbling movement, the amplitude of which can speak approximately to the width of a resulting weld seam.
- a processing speed can be defined as a speed at which the laser beam is irradiated and deflected along the processing path.
- a superimposed wobbling movement of the laser beam can be ignored.
- the processing speed can be referred to as an average speed of the laser beam along the processing path.
- the processing speed can be defined as a speed of the current processing position along the processing path.
- One or more of the mentioned aspects can have one or more of the following optional features:
- the deflection device can be set up to deflect the laser beam within a scanning field of the deflection device on the at least one workpiece.
- the weld and/or the welded workpiece may be classified as a bad weld, a bad weld, and/or a reject. If it is determined that the weld joint has no defect, the weld joint and/or the welded workpiece can be classified as a "good weld” and/or as "okay". A welded joint incorrectly classified as a "good weld” can be referred to as an "escape”. A welded joint incorrectly classified as a scrap can be referred to as a "false scrap".
- the processing parameter taken into account when determining the error can include at least one of the following parameters: an alignment of the laser welding head to the at least one workpiece, an angle of incidence of the laser beam on the at least one workpiece, a position of the laser beam within a scanning field of the deflection device, a deflection of the laser beam by the deflection device from a zero position, a focus position of the laser beam, a focus diameter of the laser beam, a focus shape of the laser beam, a processing speed, a processing direction, a Velocity vector of the laser beam along the processing path, a position of the at least one workpiece within the scanning field of the deflection device, a position of the processing path within the scanning field of the deflection device, a material and/or a thickness of the workpiece, an adjustment speed of a deflection element of the deflection device, a position and /or an adjustment angle of a deflection element of the deflection device.
- the error can be determined based on target values for the processing parameters.
- the target values can be specified during the laser welding process, in particular during the formation of the welded connection.
- the target values can be provided in real time for error determination.
- the setpoint values can be time-resolved or time-dependent and/or time-independent setpoint values, in particular averaged over the laser welding process.
- the target values can be provided, for example, by a control unit of the laser welding head, in particular a control unit of the deflection device, or by the higher-level control unit, i.e. they are preferably not measured.
- the at least two sensors for acquiring the sensor data can include at least two of the following sensors: a first intensity sensor, preferably comprising a photodiode, set up to acquire first intensity data of a radiation intensity of the process radiation emitted during the laser welding process in a visible wavelength range; a second intensity sensor, preferably comprising a photodiode, set up to acquire second intensity data of a radiation intensity of the process radiation in an infrared wavelength range; a third intensity sensor, preferably comprising a photodiode, set up to acquire third intensity data of a radiation intensity of a laser radiation reflected back from a surface of the workpieces; a sensor, preferably a photodiode, set up to acquire fourth intensity data of a radiation intensity of the laser beam in order to determine a current radiated power of the laser beam; an image sensor, preferably a camera, set up to capture image data or to record an image of a surface of the workpiece; a distance sensor, preferably an optical coherence tomograph, set
- the power of the laser beam can also be referred to as laser power.
- the image sensor is preferable arranged coaxially, ie coaxially to the beam path of the laser beam or to the optical axis of the laser welding head.
- the process radiation or the radiation detected by at least one of the sensors can preferably be separated from the laser beam by a beam splitter, such as a dichroic mirror.
- the acquisition of the sensor data can include at least two of the following steps: acquisition of first intensity data of a radiation intensity of the process radiation emitted in a visible wavelength range, acquisition of second intensity data of a radiation intensity of the process radiation emitted during the laser welding process in an infrared wavelength range, acquisition of third intensity data of a Radiation intensity of a laser beam reflected back by the at least one workpiece at a wavelength of the laser beam, acquisition of fourth intensity data of a radiation intensity of the irradiated laser beam at a wavelength of the laser beam to determine a current irradiated laser power, acquisition of image data by recording an image and/or video of a surface of the workpiece, acquiring surface profile data of the surface of the weld, and acquiring distance data of a distance to the work piece and/or a depth of a vapor capillary generated during the laser welding process.
- the recorded sensor data can include at least two, in particular two different, of the following sensor data: Image data including at least one image of a surface of the at least one workpiece and/or an image of the vapor capillary and/or the melt pool, measured values of a radiation intensity of the process radiation in in a specified wavelength range or at a specified wavelength, measured values of a radiation intensity of the process radiation in a visible wavelength range, measured values of a radiation intensity of the process radiation in an infrared wavelength range, measured values of a radiation intensity of the laser radiation reflected back from the workpieces, measured values of a radiation intensity of the incident laser beam , surface profile data of the weld, measurements of a distance to the workpiece, and measurements of the depth of the vapor capillary created during the laser welding process.
- Image data including at least one image of a surface of the at least one workpiece and/or an image of the vapor capillary and/or the melt pool
- the at least one processing parameter comprises at least one parameter of the deflection device, for example the position and/or the adjustment angle of the deflection element of the deflection device, the angle of incidence of the laser beam on the at least one workpiece, the position of the laser beam within the scanning field of the deflection device, the Deflection of the laser beam by the deflection device from a zero position, the position of the laser beam within the scan field Deflection device, the position of the at least one workpiece within the scanning field of the deflection device, the position of the processing path within the scanning field of the deflection device, and/or the adjustment speed of a deflection element of the deflection device.
- the deflection device for example the position and/or the adjustment angle of the deflection element of the deflection device, the angle of incidence of the laser beam on the at least one workpiece, the position of the laser beam within the scanning field of the deflection device, the Deflection of the laser beam by the deflection device from a zero position, the position of the laser
- processing parameters of the deflection device when determining whether the weld seam has a defect, the reliability and quality of the defect determination can be improved.
- This is particularly advantageous for laser welding systems in which the error determination is based on radiation, in particular the process radiation, which runs at least in sections through optical elements of the laser welding system, for example the deflection device and focusing optics, for example an F-Theta lens.
- Processing parameters of the deflection device such as the position of a deflection element of the deflection device, can have an influence on the sensor data recorded for error determination, i.e. for example on the process radiation for recording the first to third intensity data, the optical measuring beam for recording the distance data, the surface profile data and /or on capturing the image data.
- processing parameters of the deflection device can influence a signal level of the corresponding sensor data.
- the focusing optics are usually only optimized for the wavelength of the laser beam. Therefore, when passing through the focusing optics, chromatic aberration can occur with radiation having a different wavelength than the wavelength of the laser beam.
- the influence of the focusing optics and the deflection device on the sensor data when determining the error can be reduced.
- the sensor data and the data of the processing parameter in particular the target values of the processing parameter, preferably correspond, e.g. in terms of time and/or space. This may mean that the data was collected or recorded during the same specified period of time or at the same place. Furthermore, this can mean that corresponding data or values are available for specified points in time within a specified period of time.
- the sensor data and/or the data of the processing parameter can be recorded or recorded with the same sampling frequency. Alternatively, the data can be interpolated, or data can be discarded.
- Determining whether there is a fault in the welded connection can take place while the laser welding process is being carried out, in particular in real time, and/or after the laser welding process has been carried out. Accordingly, the method for monitoring a laser welding process can be designed as an in-process or post-process method. The acquisition of the sensor data and / or determining whether an error in the Welded connection is present, can be carried out continuously and / or repeatedly during the implementation of the laser welding process.
- Determining whether the welded joint has a defect may include determining whether the welded joint has at least one of the following defects: a missing or insufficient physical or electrical and/or mechanical connection through the welded joint between welded workpieces and/or a Gap between welded workpieces. For example, it may be determined that the weld has a defect if the conductivity of the electrical connection through the weld is equal to or less than a predetermined conductivity threshold. Further, the weld may be determined to have a defect if the size of the gap between workpieces welded in the lap or parallel butt is equal to or greater than a gap threshold.
- Determining whether the welded connection has a defect can be carried out using algorithms and/or using a machine learning method, in particular using an artificial neural network.
- Determining whether the welded joint has a defect may include: separately evaluating the sensor data for each of the at least two sensors, combining the evaluations by a logical operation, and determining whether the welded joint has a defect based on the combined evaluation.
- the separate evaluation of the sensor data for each of the at least two sensors can take place in each case taking into account the at least one processing parameter.
- the sensor data for one or some of the at least two sensors can be evaluated taking into account the at least one processing parameter.
- the sensor data for at least one of the sensors can be evaluated separately to the effect that it is determined whether, based on the sensor data of this sensor, the welded connection alone has a defect.
- This can be done in a conventional manner for error determination.
- a photodiode can be used to measure an intensity curve of the process radiation emitted during the laser welding process in a visible wavelength range corresponding to the process lighting and in an infrared wavelength range corresponding to the heat radiation and an intensity curve of the laser radiation that is reflected back, and based on this, a corresponding intensity signal is generated.
- the intensity signals can then be analyzed separately from one another, for example by comparing the respective intensity signal with corresponding reference curves or envelope curves is compared.
- Error criteria can be defined, for example, as a function of an integral of the curves over the envelope curves or of falling below or exceeding the envelope curves.
- geometric features of the melt pool in particular the shape, size and/or position of the melt pool, can be recognized by means of image processing. Based on deviations from specified geometries, it can be detected here whether the welded joint has a defect.
- results of the separate evaluations can then be linked using a logical "and" operation. This can reduce the odds or probability of escapes.
- results can be linked by a logical “or” operation. This can reduce the rate or probability of false rejects.
- the laser welding process can be controlled based on the defect determination, in particular if it has been determined that the welded connection has a defect, by adjusting or setting at least one processing parameter, in particular the laser power, the processing speed and/or the focal position of the laser beam.
- at least one processing parameter in particular the laser power, the processing speed and/or the focal position of the laser beam.
- a correlation of the detected sensor signals can be used to control the laser power.
- a focus position of the laser beam can be adjusted or adjusted based on the detected sensor signals, in particular based on a correlation and/or combination of the detected sensor signals, by means of a variable z-collimation.
- the regulation can be done by the control unit of the laser welding system or a higher-level control unit.
- the determination of whether the weld has a defect can be made during the performance of the laser welding process.
- Adjusting at least one processing parameter may include adjusting the same processing parameter based on which the error determination was performed, and/or adjusting another processing parameter of the laser welding process
- the sensor data used for error determination can be raw data. Determining whether the welded connection has a defect can therefore be carried out without pre-processing the recorded sensor data. For example, an artificial neural network can determine whether the welded joint has a defect directly based on the raw data. This can also be referred to as “end-to-end” processing. As a result, the error determination can be carried out more reliably and quickly. Furthermore, the error determination can be carried out in real time and the monitoring of the laser welding process and the control of the laser welding process can be carried out more reliably and precisely.
- the sensor data from the at least two sensors can be pre-processed or pre-evaluated before the fault is determined. This can be done, for example, by a processing unit of the laser welding system.
- the processing unit can have an FPGA (“Field Programmable Gate Array”).
- the functionality of the processing unit can be implemented by the control unit or the processing unit can be integrated into the control unit.
- the sensor data can be linked to the at least one processing parameter in such a way that the data correspond in time.
- the recorded sensor data in particular one or more of the first to fourth intensity signals, can be linked to at least one processing parameter of the deflection device, e.g an adjustment angle of a deflection element of the deflection device, a speed of a position change and/or an adjustment speed of the deflection element of the deflection device.
- processing parameter of the deflection device e.g an adjustment angle of a deflection element of the deflection device, a speed of a position change and/or an adjustment speed of the deflection element of the deflection device.
- the deflection device can be set up to deflect the laser beam by at least a first deflection angle along a first axis.
- the deflection device is additionally set up to deflect the laser beam by a second deflection angle along a second axis, the first and second axes being arranged at an angle to one another, for example perpendicular to one another.
- the maximum first deflection angle and/or the maximum second deflection angle of the deflection device can each be equal to or greater than 10 degrees, in particular 10 up to 20 degrees. If the deflection device has mirrors as deflection elements, these maximum deflection angles correspond to maximum mirror angles of at least 5 degrees, in particular 10 degrees, since the laser beam is deflected by twice the mirror angle.
- the scanning field of the deflection device can be defined as a region on the workpiece or on the workpiece surface and/or can be predetermined by a maximum first and a maximum second deflection angle of the first deflection device.
- a length and/or a width of the scan field can be equal to or greater than 50 mm.
- the scan field can, for example, have a size of more than 50 mm ⁇ 50 mm, in particular equal to or larger than approximately 100 mm ⁇ 200 mm or 250 mm ⁇ 150 mm, on the workpiece.
- the scan field has an elliptical shape.
- the length of the scan field can indicate the length of the major axis of the ellipse and the width of the scan field can indicate the length of the minor axis of the ellipse. From the steering device can be designed as a large field scanner.
- the deflection device can have a first movable mirror and a second movable mirror.
- the first moveable mirror may be rotatable about a first axis of rotation and the second moveable mirror may be rotatable about a second axis of rotation, the first axis of rotation and the second axis of rotation being at an angle, e.g. at an angle between 45° and 135°. in particular of about 75 ° or 90 ° to each other.
- the mirror or the first and second mirrors can be designed as galvanometer mirrors, or galvo mirrors for short.
- the deflection device can have a movable mirror that can be rotated or pivoted about at least two axes. Accordingly, the deflection device can be designed as a galvanometer or galvo scanner. Alternatively, the deflection device can have MEMS-based, piezoelectric and/or inductive drives. Alternatively, the deflection device can be designed as a prism scanner or lens scanner.
- the laser welding system in particular the laser welding head, can include a first coupling device for coupling the laser beam into the deflection device and for coupling out the radiation emanating from the workpiece from a beam path of the laser beam.
- the first coupling device can be arranged in front of the deflection device in the propagation direction of the incident laser beam.
- the laser welding system in particular the laser welding head, can comprise a second coupling device for dividing the radiation coupled out of the beam path of the laser beam.
- the second Coupling device can be set up to direct part of the radiation onto a first of the at least two sensors and another part of the radiation onto a second of the at least two sensors.
- the laser welding system in particular the laser welding head, can include collimation optics for adjusting the focal position of the laser beam.
- the collimation optics can be adjusted along an optical axis of the collimation optics and/or along a beam propagation direction of the laser beam in order to set the focus position of the laser beam.
- the collimation optics can comprise two or more lenses, the distances between which can be changed, at least in part.
- the adjustment can be motorized.
- the control unit can control the collimation optics to adjust the focal position of the laser beam.
- the laser welding system in particular the laser welding head, can also include focusing optics for focusing the laser beam.
- the focusing optics can include two or more lenses, the distances between which can be changed at least in part in order to set or change the focus position.
- the focusing optics can in particular be directed in order to focus the laser beam on the workpiece, in particular on a surface of the at least one workpiece.
- the focusing optics can include an F-Theta lens or be designed as such.
- the F-Theta lens can be telecentric.
- the control unit can be set up to control the laser welding system, in particular the laser welding head, the at least two sensors, the deflection device, the focusing optics, the collimation optics and/or a laser source for generating the laser beam, in order to control the laser welding process and the method for monitoring the La to carry out the welding process.
- the laser welding system can have an interface in order to transmit the sensor data and data of the processing parameters, in particular desired values, to an external control unit or the superordinate control unit, for example an external computer.
- the laser welding system can have a ring light.
- the ring light can have separately switchable segments. With the help of the ring light, an image or video with a high contrast can be obtained by the image sensor. Using the ring light, a very high-contrast image can be recorded using a so-called "shape-by-shading" process.
- the laser welding system can have a line generator for triangulation.
- the image sensor can be generated using by the line generator lines generated on the surface of the at least one workpiece detect a geometry of the surface and/or a geometry of a weld seam formed by the laser welding process. Based on this, the image sensor can capture geometry data as sensor data.
- the at least one workpiece can include one of the following elements: a battery, a battery cell, a battery pack, a battery connection, an arrester and/or a part of these elements.
- the at least one workpiece can include a battery cell and an arrester.
- An electrical connection between the battery cell and the conductor can be established by means of the weld seam formed by the laser welding process.
- FIG. 1 shows a schematic view of a laser welding system according to embodiments of the present disclosure
- FIG. 2 shows a schematic view illustrating a scanning field of a deflection device of a laser welding system according to embodiments of the present disclosure
- FIG. 3 shows a flow diagram of a method for monitoring a laser welding process according to embodiments of the present disclosure
- FIG. 4 shows a schematic view of several workpiece groups in a scan field of a deflection device of a laser welding system according to embodiments to illustrate a method for monitoring a laser welding process according to embodiments of the present disclosure.
- FIG. 1 shows a schematic view of a laser welding system according to embodiments of the present disclosure.
- the laser welding system 10 includes a laser welding head 12 for radiating and directing a laser beam 14 onto at least one workpiece.
- the laser welding system 10 is set up to carry out a laser welding process for welding the at least one workpiece.
- the laser welding system 10 is set up to weld two workpieces 16a, 16b to one another.
- the two workpieces 16a, 16b are arranged in a lap joint and the laser beam 14 is irradiated onto the workpiece 16a lying on top, but the present disclosure is not limited to this.
- the workpieces 16a, 16b can also be arranged, for example, in a parallel joint or in a butt joint, and the laser beam 14 can be irradiated onto both workpieces 16a, 16b.
- the welding of the at least one workpiece can comprise a welding of parts or regions of an individual workpiece. In this case, the workpieces 16a, 16b shown in Figure 1 can be considered as parts or portions of this single workpiece.
- the workpieces 16a, 16b are welded by irradiating the laser beam 14 onto the workpieces 16a, 16b and moving the laser beam 14 along a predetermined machining path 18 on the workpieces 16a, 16b.
- the machining path 18 can be arranged on one of the workpieces 16a, 16b.
- the processing path can be arranged on both or on a boundary between the workpieces 16a, 16b.
- the specified processing path 18 indicates the course of a desired weld seam.
- the weld seam forms the weld connection to be formed by the laser welding process between the workpieces 16a, 16b.
- a vapor capillary also referred to as a keyhole, forms in an area between the surface of the workpieces 16a, 16b onto which the laser beam is radiated, down to a certain depth within the workpieces 16a, 16b , out.
- the material of the workpiece heats up so much due to the irradiated laser power that it vaporizes.
- the vapor capillary is surrounded by a melt pool in which the material is melted. As the material cools, the weld seam that forms the weld joint is formed.
- the laser welding system 10 can be coupled to a laser source 20 for generating the laser beam 14 , also referred to as a processing laser beam, in order to couple the laser beam 14 into the laser welding head 12 .
- the laser source 20 can be embodied as a single-mode laser, as a solid-state laser or as a fiber laser.
- the laser beam 14 is a Optical fiber 21 is transmitted from the laser source 20 to the laser welding head 12 and is coupled into the laser welding head 12 from one end of the optical fiber 21, for example by means of a fiber coupler (not shown).
- a collimation optics 22 arranged after the fiber coupler is set up to collimate the laser beam 14 emerging divergently from the end of the optical fiber 21 .
- the focal position of the laser beam 14 can be adjusted or corrected with the aid of the collimation optics 22 .
- the axis along which a focal position of the laser beam 14 can be adjusted can correspond to an optical axis of the laser welding head 12, in particular an optical axis of a focusing lens system 24. This axis can also be referred to as the z-axis.
- the collimator optics 22 can be referred to as (variable) z-collimator optics or, for short, as (variable) z-collimation.
- the focus position can be adjusted by adjusting a lens of the collimator optics 22 along the optical axis of the collimator optics 22 or a beam axis of the laser beam 14 .
- the collimating optics 22 can have a motor unit (not shown) for adjusting the lens.
- the collimator optics 22 can be controlled by a superordinate control unit (not shown) of the laser welding system 10 or the control unit 48 .
- the focus position of the laser beam 14 can be suitably set as a function of the sensor signals from the sensors described below.
- Laser welding system 10 also includes a first coupling device 23a for coupling laser beam 14 into laser welding head 12 or into deflection device 26.
- First coupling device 23a is designed as a beam splitter and includes, for example, a dichroic mirror that emits light with the wavelength of laser beam 14 substantially reflects and substantially transmits light of a different wavelength than that of the laser beam 14, i.e. the mirror is substantially transparent to light of a different wavelength than that of the laser beam 14.
- Process radiation which is detected as sensor signals by the sensors described below, can be separated from the laser beam 14 after passing through the deflection device 26 with the aid of the first coupling device 23a.
- the laser welding head 12 includes focusing optics 24 for focusing the laser beam 12 on the at least one workpiece 16a, 16b, in particular on a surface of the at least one workpiece 16a, 16b.
- the focusing optics 24 can be embodied as an F-Theta lens.
- the laser welding system 10 also includes a deflection device 26 for deflecting or Deflection of the laser beam 14 relative to the at least one workpiece 16a, 16b. From the deflection device 26 is set up to move or deflect the laser beam 14 along two axes x, y. According to embodiments, the two axes x, y can be perpendicular to one another and define an xy plane that is arranged parallel to a surface of the at least one workpiece 16a, 16b, but the present disclosure is not limited to this.
- the deflection device 26 can also be referred to as a scanner unit or scanner.
- the processing path 18 can be traversed by the laser beam 14 with the aid of the deflection device 26 .
- a processing speed can be defined as a speed at which the laser beam 14 is irradiated and deflected along the processing path 18 . Any superimposed wobble movement of the laser beam 14 can be ignored.
- the processing speed may be referred to as an average speed of the laser beam 14 along the processing path.
- the deflection device 26 is set up to deflect the laser beam 14 along the x-axis by a first deflection angle and to deflect the laser beam 14 along the y-axis by a second divert deflection angle.
- the deflection device 26 has a zero position with respect to the x-axis and with respect to the y-axis, for which the laser beam 14 assumes a zero position along the respective axis.
- the zero position of the x-axis and the zero position of the y-axis can be viewed together as the center point or center 32 of a scan field 34 of the deflection device 26 who the.
- the center 32 of the scan field 34 may correspond to an undeflected position of the laser beam 14, i.e. a (general) null position of the laser beam 14.
- laser beam 14 can run between laser welding head 12 and the at least one workpiece 16a, 16b coaxially with an optical axis of laser welding head 12 and/or an optical axis of focusing optics 24.
- a maximum first deflection angle 28 along the x-axis (ie rotation about the y-axis) and a maximum second deflection angle 30 along the y-axis (ie rotation about the x-axis) give an edge of the scan field 34 on the surface of the at least one work piece 16a, 16b, within which the deflection device 26 can deflect the laser beam 14 with respect to the at least one workpiece 16a, 16b.
- the deflection device 26 is designed as a large field scanner.
- the maximum first deflection angle 28 and/or the maximum second deflection angle 30 may be greater than 10 degrees.
- the first and second maximum deflection angles 28, 30 can be predetermined by design.
- an F-theta objective set as the focusing optics 24 can limit the maximum deflection angles 28 , 30 .
- the scan field 34 is shown as having a rectangular shape, but the present disclosure is not so limited.
- the scan field 34 can also have a circular or an elliptical shape.
- the rectangle shown in FIG. 2 can be regarded as a rectangle with the largest area inscribed in the elliptical first scan field.
- the deflection device 26 comprises at least one deflection element.
- the deflection device 26 comprises two movable mirrors 36a, 36b (see FIG. 1) as a deflection element, which can be rotated or adjusted about different axes of rotation.
- the mirrors 36a, 36b can be designed as galvanometer mirrors.
- the deflection device 26 can be referred to as a galvanometer scanner or galvo scanner.
- the deflection device comprises a movable mirror as the deflection element, which mirror can be adjusted about at least two axes.
- the position or the adjustment angle of the at least one deflection element therefore determine the deflection of the laser beam 14 from the zero position 32, the position of the laser beam 14 in the scan field 34 and the angle of incidence 25 of the laser beam 14 on the at least one workpiece 16a, 16b.
- the angle of incidence 25 is defined as the angle between a normal to the surface and the laser beam 14 .
- at least one processing parameter can include, for example, one of the following parameters of deflection device 26: the angle of incidence 25 of laser beam 14, the position of laser beam 14 in the scanning field of deflection device 26, a deflection of laser beam 14 by deflection device 26 from zero position 32, the processing speed , a processing direction, a speed vector of the laser beam 14 along the processing path 18, and a position or adjustment, an adjustment angle and/or an adjustment speed of the at least one deflection element of the deflection device 26, for example the mirror 36a, 36b.
- the laser welding head 12 and/or the at least one workpiece 16a, 16b can also be moved relative to one another, preferably between two consecutive laser welding processes.
- the at least one workpiece 16a, 16b can be moved relative to the laser welding head 12 by a first movement unit (not shown).
- the laser welding head 12 can be moved relative to the at least one workpiece 16a, 16b by a second movement unit (not shown).
- the second movement unit can be designed as a robot, for example, and the laser welding head 12 can be attached to the robot.
- the laser welding head 12 or the laser welding system 10 preferably remains stationary relative to the at least one workpiece 16a, 16b.
- the laser beam 14 and the at least one workpiece 16a, 16b are emitted from an interaction region.
- the area of interaction can in particular include the vapor capillary and the melt pool.
- the process radiation in a visible wavelength range can also be referred to as process lights or plasma radiation.
- the process radiation in an infrared wavelength range can also be referred to as thermal radiation.
- the process radiation also includes a portion of the portion of the laser beam 14 that is reflected when the laser beam 14 is radiated onto the at least one workpiece 16a, 16b. This reflected portion can also be referred to as a back reflection.
- a portion 19 of the process radiation is coupled back into the laser welding head 12 or the laser welding system 10 and runs at least in sections superimposed with the laser beam 14.
- this portion 19 of the process radiation enters the focusing optics 24 Laser welding head 12 and is also deflected by the deflection device 26.
- the portion 19 is then coupled out of the path of the laser beam 14 by the first coupling device 23a.
- the radiation intensity of this portion 19 is detected by sensors at predetermined wavelengths or in predetermined wavelength ranges, as described in detail below.
- the position of the at least one deflection element of the deflection device 26 and thus the angle of incidence 25 of the laser beam 14 on the at least one workpiece 16a, 16b have an influence on the spectral distribution of the radiation intensity of the process radiation component 19 and of the optical measuring beam 43 and on the acquisition of image data , as below is described.
- the position of the at least one deflection element of the deflection device 26 and the angle of incidence 25 of the laser beam 14 on the at least one workpiece 16a, 16b therefore also determine a signal level of the sensor data output by the corresponding sensors.
- the laser welding system 10 has a number of sensors for acquiring sensor data during the laser welding process.
- the sensors can also be referred to as sensors.
- the sensor system is preferably integrated into the laser welding head 12 or attached to it.
- the laser welding system 10 has a measuring device 40 for interferometric distance measurement or for optical distance measurement using an optical measuring beam 42 .
- the measuring device 40 is set up to measure a distance between the laser welding head 12 and the at least one workpiece 16a, 16b during the laser welding process and/or to measure a depth of the vapor capillary.
- the measuring device 40 is set up to transmit distance data to the control unit as sensor data.
- the distance data may include measured distance values and/or measured depth values.
- the measuring device 40 can also be set up to record or scan a surface profile of a surface of the weld seam formed by the laser welding process. This can be done in particular after the laser welding process has been carried out. Capturing the surface profile can also be referred to as post inspection of the weld or weld bead.
- the measuring device 40 can be set up to transmit corresponding surface profile data to the control unit as sensor data.
- the measuring device 40 comprises an optical coherence tomograph or can be embodied as an optical coherence tomograph.
- the distance measurement can be based on optical coherence tomography (OCT).
- OCT optical coherence tomography
- This type of distance measurement is based on the principle of using the coherence properties of light with the help of an interferometer.
- the optical measuring beam 42 is radiated onto the at least one workpiece 16a, 16b.
- the portion of the optical measuring beam 42 reflected back by the at least one workpiece 16a, 16b is superimposed with light from a reference arm (not shown) and caused to interfere.
- a reference arm not shown
- the laser welding system 10 includes a second coupling device 23b for coupling the optical measurement beam 42 into the laser welding head 16 and for superimposing of the optical measuring beam 42 with the laser beam 14.
- the second coupling device 23b is designed as a beam splitter and comprises, for example, a dichroic mirror, which essentially reflects light with the wavelength of the optical measuring beam 42, and light with a different wavelength than that of the optical measuring beam 42 essentially lets happen.
- the optical measuring beam 42 is thus reflected and deflected by the dichroic mirror of the second coupling device 23b and passes through the dichroic mirror of the first coupling device 23a in order to be coupled into the laser welding head 12 or into the deflection device 26 . After passing through the deflection device 26 and the focusing optics 24, the optical measuring beam 24 impinges on the surface of the at least one workpiece 16a, 16b.
- the laser welding system 10 also includes a sensor unit 44 for measuring a radiation intensity of the process radiation coupled into the laser welding head 12 .
- the laser welding system 10 has a third coupling device 23c, which is set up to direct part of the process radiation into the sensor unit 44 .
- the third coupling device 23c is designed as a beam splitter and has, for example, a partially transparent mirror, so that the process radiation partially passes through the third coupling device 23c.
- the sensor unit 44 has intensity sensors (not shown) for acquiring intensity data.
- a first intensity sensor of the sensor unit is set up, for example, to measure a radiation intensity of the process radiation that has entered the sensor unit 44 in a visible wavelength range and to output a first intensity signal based thereon.
- the first intensity sensor is set up to measure the radiation intensity of the plasma radiation. Based on this, the process lighting can be evaluated.
- the first intensity signal can include measured values of the radiation intensity of the process radiation in the visible wavelength range. The measured values can be transmitted to the control unit 48 as first intensity data.
- a second intensity sensor is set up, for example, to measure a radiation intensity of the process radiation in the infrared wavelength range and to output a first intensity signal based thereon.
- the second intensity sensor is set up to measure the radiation intensity of the infrared or temperature radiation. Based on this, the melt pool dynamics can be evaluated.
- the second intensity signal can include measured values of the radiation intensity of the process radiation in the infrared wavelength range.
- the measured values can be transmitted to the control unit 48 as second intensity data.
- a third intensity sensor is set up, for example, to measure a radiation intensity of the process radiation at a wavelength of the laser beam and based on this to output a first intensity signal.
- the third intensity sensor is set up to measure the radiation intensity of the back reflection.
- the third intensity signal can include measured values of the radiation intensity of the process radiation at the wavelength of the laser beam. The measured values can be transmitted to the control unit 48 as third intensity data.
- the sensor unit 44 is not limited to a combination of the first to third intensity sensors, but may include only one or two of these intensity sensors.
- the intensity sensors are preferably designed as photodiodes.
- the laser welding system 10 also includes a fourth intensity sensor 38 for detecting or determining an irradiated power of the laser beam 14.
- the fourth intensity sensor 38 is set up to measure a radiation intensity at the wavelength of the laser beam 14 and based on this to output an intensity signal.
- the intensity signal can include measurements of the radiation intensity. Based on the measured radiation intensity, the current or irradiated or used power of the laser beam 14 can be determined.
- the fourth intensity sensor 38 is set up to transmit fourth intensity data to the control unit.
- the measured values can be transmitted to the control unit 48 as fourth intensity data.
- the intensity data can include determined values of the radiated power of the laser beam 14 .
- the fourth intensity sensor does not receive the radiation intensity of the back reflection.
- the intensity sensor 38 is arranged in such a way that the portion of the laser beam 14 emerging from the collimating optics 22 that was not reflected and deflected by the first coupling device 23a impinges on the fourth intensity sensor 38.
- the fourth intensity sensor 38 thus measures the radiation intensity of laser radiation of the laser beam 14 that was not previously reflected by the at least one workpiece 16a, 16b.
- the measured radiation intensity is therefore not influenced by the processes in the interaction zone between the laser beam 14 and the at least one workpiece 16a, 16b.
- the radiated power of the laser beam 14 can therefore be determined and checked on the basis of this measured radiation intensity.
- the laser welding system 10 includes an image sensor 46 which is set up to generate image data.
- the image sensor 46 can also be referred to as a vision system.
- the image sensor 46 can include a camera (not shown), for example, or can be embodied as a camera.
- the image sensor 46 is set up to measure a radiation intensity of radiation
- the radiation 47 can include light in the visible wavelength range and/or in the infrared wavelength range, and can in particular include part of the process radiation that has passed through the third coupling device 23a.
- the radiation 47 can be directed onto the image sensor 46 by a fourth coupling device 23d.
- the fourth coupling device 23d can comprise a mirror.
- the image sensor 46 is set up to detect an intensity of the radiation 47 . Since in the laser welding system 10 shown in FIG. 1 the radiation 47 runs at least partially overlapping, in particular coaxially, with the laser beam 14, the arrangement of the image sensor 46 shown in FIG. 1 can also be referred to as a coaxial arrangement.
- the image sensor 46 is set up in particular to detect the intensity of the radiation 47 with frequency and/or spatial resolution and to record an image of the surface of the at least one workpiece 16a, 16b based on the detected intensity.
- the image can show a region of the surface of the at least one workpiece 16a, 16b with the vapor capillary and the molten pool.
- the image can be color or grayscale.
- the image sensor 46 can be set up to record images continuously or repeatedly during the laser welding process.
- the image sensor 46 is set up to transmit the recorded image or images to the control unit 48 as image data.
- the image sensor 46 can be set up to record a video of the surface of the at least one workpiece 16a, 16b. In this case, a frame of video can be viewed as an image.
- the image sensor 46 can perform image (pre-)processing of the recorded image before it is transmitted to the control unit.
- the disclosure is not limited to the configuration of the laser welding system 10 or the laser welding head 12 shown in FIG. 1 .
- the laser welding system 10 or the laser welding head 12 can comprise only two or three of the sensors 38 , 40 , 44 and 46 .
- the control unit 48 is set up to receive the sensor data and is set up to receive target values of the at least one machining parameter.
- the control unit 48 is set up to determine, based on the sensor data from at least two of the sensors and based on the at least one processing parameter, whether the Laser welding process trained weld joint has a defect.
- the control unit 48 is also set up to control the laser welding head 12, in particular the deflection device 26 and the collimation optics 22, in order to carry out the laser welding process.
- this functionality can be implemented by a control unit of the laser welding head 12, for example the control unit of the deflection device 26, or by the higher-level control unit.
- the control unit 48 is set up to control the laser welding system 10, in particular the laser welding head 12 and the sensors, in order to carry out the method for monitoring the laser welding process.
- FIG. 3 shows a flow diagram of the method for monitoring a laser welding process according to embodiments of the present disclosure. The method can be carried out by the laser welding system 10 according to FIG. 1 .
- the method includes performing the laser welding process according to embodiments of the present disclosure by irradiating a laser beam onto at least one workpiece to form a welded joint (SI).
- the laser beam is guided along a processing path by a deflection device.
- the laser welding process can be carried out, for example, by the laser welding system 10 according to FIG. 1 for welding the two workpieces 16a, 16b.
- sensor data are recorded by at least two sensors (S2).
- the at least two sensors can include the two sensors of the laser welding system 10 of FIG. 1 .
- the at least two sensors can include the first to third intensity sensors.
- the sensor data is recorded in real time during the laser welding process and includes current sensor data from the respective sensors.
- the method includes determining whether the welded joint formed by the laser welding process has a defect, based on the sensor data recorded. It is preferably determined whether the welded joint formed by the laser welding process has a defect, additionally based on at least one processing parameter of the laser welding process. According to embodiments, it is determined whether the welded connection has a defect based on target data of the at least one processing parameter that were recorded or recorded during the laser welding process, in particular during the formation of the welded connection. Determining whether the welded joint has a defect can also be referred to as defect determination for short. According to embodiments, the determination of whether the welded connection has a defect is carried out by means of machine learning methods, in particular using an artificial neural network.
- the weld may be determined that the weld has a defect if the conductivity of the electrical connection through the weld between the workpieces 16a, 16b is equal to or less than a predetermined conductivity threshold. Further, the weld may be determined to have a defect if the size of the gap between lap welded workpieces 16a, 16b is equal to or greater than a gap threshold.
- the error is determined after the laser welding process has been carried out. If the weld is determined to have an imperfection, the weld or workpiece may be classified as bad, poor weld, and/or scrap. If it is determined that the weld joint has no defect, the weld joint or the welded workpiece can be classified as "pass" and/or as a good weld.
- Defect determination and thus also classification of the welded workpieces are thus carried out by combining the sensor data from a number of sensors and data relating to the at least one processing parameter of the laser welding process. This increases the reliability of error determination.
- the procedure described can significantly increase the basis for evaluating the quality of the welded joint and reduce the risk of incorrect classification of the welded workpieces. In particular, this can reduce the risk of false rejects and escapes.
- the at least one processing parameter is the angle of incidence 25 of the laser beam 14 on the at least one workpiece 16a, 16b, the position of the laser beam 14 within the scan field 34 of the deflection device 26, the deflection of the laser beam 14 by the deflection device 26 from the zero position 32, the position of the at least one workpiece 16a, 16b within the scan field 34 of the deflection device 26, the position of the processing path 19 within the scan field 34 of the deflection device 26, the adjustment speed of the deflection element of the deflection device 26, the position and/or the adjustment angle of the deflection element of the deflection device 26.
- the sensor data of the at least two sensors include the first to third intensity data of the first to third intensity sensors of the sensor unit 44, wherein the first to third intensity data during the laser welding process include measured values of the radiation intensity of the process radiation.
- the position of the at least one deflection element of deflection device 26 or the angle of incidence 25 of laser beam 14 on at least one workpiece 16a, 16b can determine a signal level of the sensor data output by the corresponding sensors, in particular the first to third intensity data.
- the focusing optics 24, in particular in the case of an F-Theta lens, can have an influence on the signal levels.
- the focusing optics 24 is usually only optimized for the wavelength of the laser beam 14 .
- the focusing optics 24 can therefore cause chromatic aberration to radiation having a different wavelength than the wavelength of the laser beam 14 . This effect is intensified by a large deflection of the laser beam 14 from the zero position 32 by the deflection device 26 .
- the influences of the focusing optics 24 and the deflection device 26 on the sensor data can be taken into account when determining the error.
- the signal level can indicate an average signal level of the recorded sensor data or the measured values of the radiation intensity.
- the signal level can be defined in particular as the mean value over time of the measured values of the radiation intensity.
- Other processing parameters that can be included in the error determination can include: an alignment of the laser welding head to the at least one workpiece, a focal position of the laser beam, a focal diameter of the laser beam, a focal shape of the laser beam, a processing speed, a processing direction, a material and/or a thickness of the at least one workpiece.
- the alignment of the laser welding head 14 to the at least one workpiece 16a, 16b, the processing speed, the processing direction, the material, the thickness of the at least one workpiece 16a, 16b can be controlled by the control unit (not shown) of the laser welding head 12, for example the control unit of the deflection device 26 (not shown) and/or by the higher-level control unit (not shown) of the Laser welding system 10 are transmitted to the control unit 48.
- the focal position of the laser beam 14, the focal diameter of the laser beam 14 and the focal shape of the laser beam 14 can be transmitted from the collimating optics 22 or the control unit of the laser welding head 12 to the control unit 48.
- the surface quality is one of the material properties. This is described, among other things, by the reflection and coupling behavior of the material for the laser beam. A different surface quality can have an impact when changing batches of workpieces if the reflection and coupling behavior differ between two batches.
- the focal position, the focal diameter, the focal shape, the material and the thickness of the at least one workpiece and the processing speed also have an influence on the radiation intensity of the process radiation emitted during the laser welding process. If these processing parameters are taken into account in the error determination, the error determination can be carried out more reliably.
- the correlated signals can also serve as input parameters for laser welding process control. If the defect determination is carried out during the laser welding process, the laser welding process can be regulated based on the result of the defect determination by adapting at least one processing parameter, in particular the processing speed, the laser power and/or the focus position of the laser beam, or is set. If, for example, it has been determined that the welded joint that has already been formed does not produce any or an insufficient electrical or mechanical connection between the workpieces, the laser power can be increased during the laser welding process and/or the processing speed can be reduced.
- the regulation can be performed by the control unit 48 or by the superordinate control unit of the laser welding system 10 .
- FIG. 4 shows a schematic view of several workpiece groups in a scanning field of a deflection device of a laser welding system according to embodiments to illustrate a method according to embodiments of the present disclosure.
- FIG. 4 illustrates how the method for monitoring laser welding processes is carried out on a number of workpiece groups.
- Three workpiece groups G1, G2, G3 of the same type are welded one after the other by the same laser welding process according to embodiments of the present disclosure.
- the method for monitoring the laser welding process according to FIG. 3 is carried out for each laser welding process, ie for each of the three workpiece groups G1-G3.
- each of the workpiece groups G1-G3 includes two workpieces to be welded, but the present disclosure is not limited thereto.
- Each of the three workpiece groups G1-G3 is located at a different position in the scan field 34 of the deflection device 26 of the laser welding system 10 according to FIG. 1.
- the processing path to be followed to form the weld seam is therefore also located at a different position in the scan field 34 of the deflection device 26.
- the three workpiece groups GI GS include workpieces of the same type and the same laser welding process is to be carried out for each of the workpiece groups G1-G3.
- the deflection of the laser beam 14 depends on the position of the respective workpiece group G1-G3 in the scan field 34 and thus on the position of the respective processing path in the scan field 34 Accordingly, the angle of incidence of the laser beam 14 and thus a proportion of the process radiation coupled into the laser welding head 12 differs between the workpiece groups G1-G3. For example, a smaller proportion of the process radiation is coupled into the laser welding head 12 for the workpiece group Gl and G3 than for the workpiece group G2, since the angle of incidence for the workpiece groups Gl and G3 is greater than for the workpiece group G2.
- the signal levels of the first to third intensity data vary between the workpiece groups G1-G3.
- the position of the respective workpiece group G1-G3, the position of the respective processing path for the workpiece groups G1-G3, the angle of incidence of the laser beam 14, the deflection of the laser beam 14 from the zero position and/or the position of the laser beam 14 in the scan field 34 of the deflection device 34 when determining whether the weld joint formed by the respective laser welding process has a defect is taken into account.
- the position of a machining path within the scan field 34 can be defined as the position of the center of the machining path in the scan field.
- the laser welding process on the workpiece groups G1-G3 is regulated based on the error determination for a previous laser welding process. If, for example, it was determined for the workpiece group G1 welded first that the welded connection has a defect, the laser welding process for welding the workpiece groups G2 and/or G3 can be regulated accordingly. For example, the laser power, the focal position of the laser beam 14 and/or the processing speed can be adjusted.
- the present disclosure relates to a system for material processing using a laser beam, in particular a laser welding system, which includes a so-called laser welding head and a sensor system, preferably a laser welding head with integrated sensor system.
- the signals from the sensors of the sensor system are combined and evaluated in such a way that not only the signals from the individual sensors but also a correlation of the signals from a number of sensors can be used to evaluate the quality of the weld or the welding process. In this way, errors can be detected automatically and reliably with minimal false rejects or with a minimal escape rate.
- Information from the laser welding head, in particular a scanner unit e.g. position, speed
- the sensor system includes at least two of the following sensors, for example: photodiodes to evaluate the process lighting, the melt pool dynamics and the back reflection, photodiodes to determine the laser power currently used, optical coherence tomography, and visual image recording and image processing (camera).
- the sensors can be connected to the laser welding head. This type of procedure allows the signals to be displayed in real-time, conveniently combined with the results of the welds and correlated with one another, with the correlation being able to be established, for example, by using neural networks or other suitable methods, e.g. from the field of artificial intelligence .
- neural networks or other suitable methods e.g. from the field of artificial intelligence .
- insights and information regarding the need for maintenance of the laser welding system can also be obtained.
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Abstract
The invention relates to a method for monitoring a laser welding process, said method comprising the following steps: carrying out the laser welding process by emitting a laser beam onto at least one workpiece to form a welded joint, the laser beam being guided along a processing path by a deflection device; collecting sensor data by at least two sensors during the laser welding process; and determining, on the basis of the collected sensor data and at least one processing parameter of the laser welding process, whether the welded joint has a defect. The invention also relates to an associated laser welding system.
Description
Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses und dazugehöriges Laserschweißsystem Method for monitoring a laser welding process and associated laser welding system
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißpro zesses, insbesondere zum Bestimmen, ob eine durch den Laserschweißprozess ausgebildete Schweißverbindung einen Fehler aufweist, und ein Laserschweißsystem, das eingerichtet ist, um das Verfahren durchzuführen. The present invention relates to a method for monitoring a laser welding process, in particular for determining whether a welded connection formed by the laser welding process has a defect, and a laser welding system that is set up to carry out the method.
Hintergrund und Stand der Technik Background and prior art
In einem Laserschweißsystem, auch als Laserschweißanlage oder kurz Anlage bezeich net, wird zum Verschweißen von Werkstücken der von einer Laserstrahlquelle oder ei nem 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 Laser leistung 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 ent steht eine Schweißnaht, die die Schweißverbindung zwischen den verschweißten Werkstü cken bildet, wobei die verschweißten Werkstücke auch als (einzelnes) Bauteil bezeichnet werden können. In a laser welding system, also referred to as a laser welding system or system for short, the laser beam emerging from a laser beam source or from the end of a laser conducting fiber is irradiated and focused on the workpieces with the aid of beam guiding and focusing optics to weld workpieces. The laser welding system can include a laser welding head in which the beam guiding and focusing optics are integrated. The laser beam is moved along a so-called processing path over the surface of the workpiece, whereby a vapor capillary, also known as a keyhole, forms in an area between the surface on which the laser beam is radiated and down to a certain depth within a workpiece. In the area of the vapor capillary, the material of the workpiece heats up so much due to the irradiated laser power that it vaporizes. The vapor capillary is surrounded by a molten pool in which the material is in a molten state. When the material cools down, a weld seam forms, which forms the welded connection between the welded workpieces, whereby the welded workpieces can also be referred to as a (single) component.
Um die Qualität der Schweißnaht bzw. der Schweißverbindung sicherzustellen, ist es erfor derlich, den Laserschweißprozess zu überwachen. Denn es können Fehler in einer Schweiß naht 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 ge ringem 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-Überwa- chung 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 ein zelnen Überwachungssysteme ist es, dass diese jeweils unterschiedliche physikalische Grö ßen, z.B. geometrische Merkmale in einem Kamerabild, eine Wärmestrahlung und ein Pro zessleuchten, 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. In order to ensure the quality of the weld seam or the welded joint, it is necessary to monitor the laser welding process. This is because defects can occur in a weld seam which cannot be tolerated in relation to the properties of the component. For example, if there is a gap between the welded workpieces, these may have to be discarded as rejects. Particularly in the case of a gap without bridging, a mechanical and/or electrical connection may not be present or may be insufficient. Often these defects cannot be seen with the naked eye or microscope, which is why sensor data are usually used to evaluate the welded joint. Current monitoring solutions include in-process and post-process monitoring and monitoring systems. In-process monitoring is also used to control the laser welding process. The monitoring of The laser welding process and the weld seam quality can already be observed today using a large number of individual monitoring systems. A weakness of these individual monitoring systems is that they each use different physical variables, eg geometric features in a camera image, thermal radiation and process lighting, for evaluation and analysis and evaluate them separately from one another. However, which physical parameters are best suited for quality monitoring depends on the combination of material and process in each individual case.
Basierend auf jeweils vorgegebenen Fehlerkriterien kann erkannt werden, ob die Schweiß verbindung einen Fehler aufweist. Ausgehend von den erkannten Fehlern kann die Schweiß verbindung 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 „Schl echtsch weißung“, d.h. die verschweißten Werkstücke sind Ausschuss, klassifiziert wer den. Die Erkennung von Fehlern und die anschließende Klassifikation der Schweißverbin dung erfolgt in den einzelnen Überwachungssystemen aber getrennt und unabhängig vonei nander. Based on the error criteria specified in each case, it can be recognized whether the welded connection has an error. Based on the detected defects, the weld can be classified as "okay" or "good weld", i.e. the welded workpieces are suitable for further processing or for sale, or as "bad" or "bad weld", i.e. the welded ones Workpieces are rejects and must be classified. The detection of defects and the subsequent classification of the welded connection is carried out separately and independently in the individual monitoring systems.
Die Detektion der Fehler bzw. die Klassifikation der Schweißverbindung soll möglichst si cher und automatisiert erfolgen. In der Regel weisen jedoch alle erwähnten Überwachungs systeme 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 ver schweißte Werkstücke von einem Überwachungssystem als in Ordnung klassifiziert werden, diese in Wirklichkeit jedoch nicht in Ordnung sind. Dieser Fall wird als „Escape“ bezeichnet. The detection of defects and the classification of the welded joint should be as reliable and automated as possible. As a rule, however, all the monitoring systems mentioned have what is known as a “sham committee”. These are welded workpieces that are classified as rejects by a monitoring system, but are actually OK. As a rule, however, it is more disadvantageous if welded workpieces are classified as OK by a monitoring system, but in reality they are not OK. This case is referred to as an "escape".
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses anzugebenen, mithilfe dessen Fehler einer durch den Laserschweiß prozess ausgebildeten Schweißverbindung zuverlässig, schnell, einfach und automatisiert be stimmt werden können. It is an object of the present disclosure to specify a method for monitoring a laser welding process, with the aid of which defects in a welded joint formed by the laser welding process can be determined reliably, quickly, easily and automatically.
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 Auf gabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Überwachen eines
Laserschweißprozesses anzugeben, mit dem sowohl eine Scheinausschuss- als auch eine Es cape- Quote bei der Klassifikation von verschweißten Werkstücken minimiert werden kann. It is an object of the present disclosure to provide a method for monitoring a laser welding process, by means of which incorrect classification of welded workpieces can be prevented or at least reduced. In particular, it is an object of the present invention to provide a method for monitoring a specify the laser welding process, with which both a false reject and an escape quota can be minimized in the classification of welded workpieces.
Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Laserschweißsystem anzuge ben, das zum Durchführen des Verfahrens eingerichtet ist. It is also an object of the present disclosure to specify a laser welding system configured to perform the method.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteil hafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der entsprechenden ab hängigen Ansprüche. These objects are solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments and further developments are the subject of the corresponding dependent claims.
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 Bearbei tungsparameter des Laserschweißprozesses erfolgen. Die Bestimmung, ob die Schweißver bindungen einen Fehler aufweist, und die Überwachung des Laserschweißprozesses erfolgen also durch eine durch kombinierte und/oder korrelierte Auswertung der Sensordaten der meh reren 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 Bearbeitungsparame ters. 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 Werkstü cke, verringert werden. Somit kann die Quote von Scheinausschuss und von Escapes verrin gert werden. The present disclosure is based on the concept of monitoring a laser welding process for welding workpieces, i.e. determining whether a weld joint formed by the laser welding process has a defect, by correlating sensor data from at least two sensors. The determination of whether the welded joint has a defect can be made based in particular on sensor data from a number of sensors and optionally also based on at least one processing parameter of the laser welding process. The determination of whether the welded connection has a defect and the monitoring of the laser welding process are therefore carried out by means of a combined and/or correlated evaluation of the sensor data from a number of sensors and optionally data relating to the at least one processing parameter of the laser welding process. Accordingly, the determination of whether the welded connection has a defect is based not only on sensor data from a single sensor, but also on sensor data from a number of sensors or additionally on data from the at least one processing parameter. Determining whether the weld joint has a defect is used to evaluate the quality of the weld joint. The procedure described can significantly improve the basis for evaluating the quality of the welded joint and reduce the risk of incorrect evaluation, i.e. incorrect classification of the welded workpieces. In this way, the rate of false rejects and escapes can be reduced.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Überwa chen eines Laserschweißprozesses angegeben, das Verfahren umfassend die Schritte: Durch führen des Laserschweißprozesses durch Einstrahlen eines Laserstrahls auf zumindest ein Werkstück zum Ausbilden einer Schweißverbindung, wobei der Laserstrahl durch eine Ab lenkvorrichtung 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, z.B.
insbesondere basierend auf einer Korrelation und/oder Kombination der erfassten Sensorda ten. 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 Be arbeitungsparameters. Mit anderen Worten kann das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, auf den erfassten Sensordaten und zumindest einem Bearbeitungspa rameter des Laserschweißprozesses basieren. According to a first aspect of the present disclosure, a method for monitoring a laser welding process is specified, the method comprising the steps of: carrying out the laser welding process by radiating a laser beam onto at least one workpiece to form a welded joint, the laser beam being deflected by a deflection device along a processing path is performed, detecting sensor data by at least two sensors during the laser welding process, and determining whether the weld joint has a defect, based on the detected sensor data, eg in particular based on a correlation and/or combination of the recorded sensor data. Preferably, the determination of whether the welded connection has a defect is also based on at least one processing parameter of the laser welding process or on a correlation and/or combination of the recorded sensor data and the at least one Be working parameters. In other words, determining whether the welded connection has a defect can be based on the recorded sensor data and at least one processing parameter of the laser welding process.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserschweißsystem an gegeben, das eingerichtet ist, um einen Laserschweißprozess durch Einstrahlen des Laser strahls auf das zumindest eine Werkstück durchzuführen, und um das Verfahren zum Über wachen des Laserschweißprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenba rung durchzuführen. Das Laserschweißsystem umfasst einen Laserschweißkopf zum Ein strahlen eines Laserstrahls auf zumindest ein Werkstück zum Ausbilden einer Schweißver bindung, 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 einge richtet ist, und eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der hierin beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. According to a second aspect of the present disclosure, a laser welding system is specified that is set up to carry out a laser welding process by irradiating the laser beam onto the at least one workpiece, and to carry out the method for monitoring the laser welding process according to embodiments of the present disclosure. The laser welding system comprises a laser welding head for radiating a laser beam onto at least one workpiece to form a welded joint, the laser welding head comprising a deflection device for guiding the laser beam along a processing path, at least two sensors, each of the sensors for acquiring corresponding sensor data during the laser welding process is set up, and a control unit set up to carry out a method according to one of the embodiments described herein.
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 Laserschweiß system 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 Schweißver bindung einen Fehler aufweist, kann auch kurz als Fehlerbestimmung bezeichnet wer den. The weld may be formed between portions or portions of a single workpiece or between at least two workpieces. The welded connection can be formed by a weld seam formed when the laser beam is irradiated, which can also be referred to as a weld bead. The deflection device can also be referred to as a scanning device, scanner unit or scanner. The laser welding system can also be referred to as a scanner system. The laser welding head can also be referred to as a scanner welding head. The laser welding process can also be referred to as a laser beam welding process. Determining whether the welded connection has a defect can also be referred to as defect determination for short.
Beim Durchführen des Laserschweißprozesses wird in der Regel aus einem Wechselwir kungsbereich zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück Prozessstrahlung emittiert. Der Wechselwirkungsbereich kann insbesondere eine beim Einstrahlen des Laserstrahls ausgebil dete Dampfkapillare und ein diese umgebendes Schmelzbad umfassen. Die Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbereich kann auch als Prozessleuchten oder Plasmastrah lung bezeichnet werden. Die Prozessstrahlung in einem infraroten Wellenlängenbereich kann
auch als Temperatur-, Infrarot- oder Wärmestrahlung bezeichnet werden. Die Prozessstrah lung umfasst in der Regel auch einen beim Einstrahlen des Laserstrahls auf das zumindest eine Werkstück reflektierten Anteil des Laserstrahls, der auch als Rückreflex bezeichnet wer den kann. When carrying out the laser welding process, process radiation is usually emitted from an interaction area between the laser beam and the workpiece. The interaction area can in particular comprise a vapor capillary formed when the laser beam is irradiated and a molten pool surrounding it. The process radiation in a visible wavelength range can also be referred to as process lights or plasma radiation. The process radiation in an infrared wavelength range can also referred to as temperature, infrared or thermal radiation. The process radiation generally also includes a portion of the laser beam that is reflected when the laser beam is radiated onto the at least one workpiece, which portion can also be referred to as a back reflection.
Die Sensordaten können auf Strahlung, d.h. auf optischen Messdaten, beruhen. Mit anderen Worten kann als Sensordaten eine vom Werkstück ausgehende und/oder in den Laserschweiß kopf eingekoppelte Strahlung erfasst werden, beispielsweise Prozessstrahlung und/oder ein rückreflektierter Messstrahl und/oder bildgebende Strahlung. Wenn als Sensordaten Prozess strahlung erfasst wird, kann zumindest einer der beiden Sensoren eine Photodiode umfassen und/oder eingerichtet sein, eine Strahlungsintensität in einem vorgegebenen Wellenlängen bereich oder bei einer vorgegebenen Wellenlänge zu erfassen. The sensor data can be based on radiation, i.e. on optical measurement data. In other words, radiation emanating from the workpiece and/or coupled into the laser welding head can be detected as sensor data, for example process radiation and/or a back-reflected measuring beam and/or imaging radiation. If process radiation is detected as the sensor data, at least one of the two sensors can include a photodiode and/or be set up to detect a radiation intensity in a specified wavelength range or at a specified wavelength.
Die vom Werkstück ausgehende Strahlung kann in den Laserschweißkopf einkoppeln und dabei zumindest streckenweise überlagert mit dem eingestrahlten Laserstrahl verlaufen (d.h. insbesondere entgegen der Ausbreitungsrichtung des eingestrahlten Laserstrahls). Die Strah lung kann aus dem Strahlverlauf bzw. Strahlengang des Laserstrahls, z.B. durch eine erste Einkoppel Vorrichtung bzw. einen ersten Strahlteiler, ausgekoppelt werden, und zwar vorzugs weise nach Passieren der Ablenkvorrichtung. Mit anderen Worten kann der erste Strahlteiler in Ausbreitungsrichtung des eingestrahlten Laserstrahls vor der Ablenkvorrichtung angeord net sein. Anschließend kann die aus dem Strahlengang des Laserstrahls ausgekoppelte Strah lung, z.B. durch eine zweite Einkoppelvorrichtung bzw. durch einen zweiten Strahlteiler, auf- geteilt werden, um auf den ersten Sensor und den zweiten Sensor zu treffen. The radiation emanating from the workpiece can be coupled into the laser welding head and can be superimposed on the irradiated laser beam at least in sections (i.e. in particular against the direction of propagation of the irradiated laser beam). The radiation can be decoupled from the beam path or beam path of the laser beam, e.g. by a first coupling device or a first beam splitter, preferably after passing through the deflection device. In other words, the first beam splitter can be arranged in front of the deflection device in the propagation direction of the incident laser beam. The radiation coupled out of the beam path of the laser beam can then be divided, e.g. by a second coupling device or by a second beam splitter, in order to impinge on the first sensor and the second sensor.
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 Bearbei tungspfad kann einem Verlauf einer gewünschten Schweißnaht entsprechen. Die vorlie gende 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 wer den. 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, überla gert sein. Als Wobbelbewegung wird in der Regel eine oszillierende Bewegung des La serstrahls um eine eigentliche Bearbeitungsposition entlang des Bearbeitungspfads be zeichnet, deren Amplitude in etwa einer Breite einer resultierenden Schweißnaht ent sprechen kann. Eine Bearbeitungsgeschwindigkeit kann definiert sein als eine Ge schwindigkeit, mit der der Laserstrahl entlang des Bearbeitungspfads eingestrahlt und abgelenkt wird. Dabei kann eine überlagerte Wobbelbewegung des Laserstrahls unbe rücksichtigt 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 Bearbeitungs pfads definiert sein. The laser welding head, through which the laser beam is radiated onto the workpiece, and the workpiece are preferably arranged stationary relative to one another at least during the laser welding process, ie during the formation of the welded joint. Thus, during the laser welding process, the laser beam is preferably deflected along the processing path solely by the deflection device. The processing path can correspond to a course of a desired weld seam. However, the present disclosure is also applicable to laser welding systems in which the workpiece is moved during the laser welding process by an axis system, for example. For example, the laser welding head can be attached to a robot. In this case, the deflection device can deflect the laser beam, with the robot moving at the same time or synchronously. Cycle time can be saved as a result. In this case, the laser welding system can have a higher-level control unit that coordinates the movements of the robot and the deflection device. The deflection of the laser beam along the processing path can be superimposed on an oscillating movement of the laser beam, which can also be referred to as a wobbling movement. An oscillating movement of the laser beam around an actual machining position along the machining path is generally referred to as a wobbling movement, the amplitude of which can speak approximately to the width of a resulting weld seam. A processing speed can be defined as a speed at which the laser beam is irradiated and deflected along the processing path. A superimposed wobbling movement of the laser beam can be ignored. When the laser beam wobbles, the processing speed can be referred to as an average speed of the laser beam along the processing path. Alternatively, the processing speed can be defined as a speed of the current processing position along the processing path.
Einer oder mehrere der genannten Aspekte kann eines oder mehrere der folgenden opti onalen Merkmale aufweisen: One or more of the mentioned aspects can have one or more of the following optional features:
Die Ablenkvorrichtung kann eingerichtet sein, den Laserstrahl innerhalb eines Scanfelds der Ablenkvorrichtung auf dem zumindest einen Werkstück abzulenken. The deflection device can be set up to deflect the laser beam within a scanning field of the deflection device on the at least one workpiece.
Wenn bestimmt wird, dass die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann die Schweiß verbindung und/oder das verschweißte Werkstück als „Schl echtsch weißung“, 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 ver schweißte Werkstück als „Gutschweißung“ und/oder als „in Ordnung“ klassifiziert werden. Eine fälschlicherweise als „Gutschweißung“ klassifizierte Schweißverbindung kann als „Es cape“ bezeichnet werden. Eine fälschlicherweise als Ausschuss klassifizierte Schweißverbin dung kann als „Scheinausschuss“ bezeichnet werden. If the weld is determined to have a defect, the weld and/or the welded workpiece may be classified as a bad weld, a bad weld, and/or a reject. If it is determined that the weld joint has no defect, the weld joint and/or the welded workpiece can be classified as a "good weld" and/or as "okay". A welded joint incorrectly classified as a "good weld" can be referred to as an "escape". A welded joint incorrectly classified as a scrap can be referred to as a "false scrap".
Der bei der Fehlerbestimmung berücksichtigte Bearbeitungsparameter kann zumindest einen der folgenden Parameter umfassen: eine Ausrichtung des Laserschweißkopfes zu dem zumin dest einen Werkstück, ein Einfallwinkel des Laserstrahls auf das zumindest eine Werkstück, eine Position des Laserstrahls innerhalb eines Scanfelds der Ablenkvorrichtung, eine Auslen kung 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 Ablenk vorrichtung, eine Stellung und/oder einen Verstellwinkel eines Ablenkelements der Ablenk vorrichtung. The processing parameter taken into account when determining the error can include at least one of the following parameters: an alignment of the laser welding head to the at least one workpiece, an angle of incidence of the laser beam on the at least one workpiece, a position of the laser beam within a scanning field of the deflection device, a deflection of the laser beam by the deflection device from a zero position, a focus position of the laser beam, a focus diameter of the laser beam, a focus shape of the laser beam, a processing speed, a processing direction, a Velocity vector of the laser beam along the processing path, a position of the at least one workpiece within the scanning field of the deflection device, a position of the processing path within the scanning field of the deflection device, a material and/or a thickness of the workpiece, an adjustment speed of a deflection element of the deflection device, a position and /or an adjustment angle of a deflection element of the deflection device.
Die Fehlerbestimmung kann basierend auf Soll-Werten für den Bearbeitungsparameter erfol gen. 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 gemit telte, Soll-Werte sein. Die Soll-Werte können beispielsweise von einer Steuereinheit des La serschweißkopfes, insbesondere einer Steuereinheit der Ablenkvorrichtung, oder von der übergeordneten Steuereinheit bereitgestellt werden, d.h. sie sind vorzugsweise nicht gemes sen. The error can be determined based on target values for the processing parameters. The target values can be specified during the laser welding process, in particular during the formation of the welded connection. The target values can be provided in real time for error determination. The setpoint values can be time-resolved or time-dependent and/or time-independent setpoint values, in particular averaged over the laser welding process. The target values can be provided, for example, by a control unit of the laser welding head, in particular a control unit of the deflection device, or by the higher-level control unit, i.e. they are preferably not measured.
Die zumindest zwei Sensoren zum Erfassen der Sensordaten können zumindest zwei der fol genden Sensoren umfassen: einen ersten Intensitätssensor, vorzugweise umfassend eine Pho todiode, eingerichtet zum Erfassen von ersten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität der während des Laserschweißprozesses emittierten Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wel lenlängenbereich; einen zweiten Intensitätssensor, vorzugweise umfassend eine Photodiode, eingerichtet zum Erfassen von zweiten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität der Pro zessstrahlung in einem infraroten Wellenlängenbereich; einen dritten Intensitätssensor, vor zugweise umfassend eine Photodiode, eingerichtet zum Erfassen von dritten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität einer von einer Oberfläche der Werkstücke rückreflektierten Laser strahlung; einen Sensor, vorzugweise eine Photodiode, eingerichtet zum Erfassen von vierten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität des Laserstrahls zum Ermitteln einer aktuellen ein gestrahlten Leistung des Laserstrahls; einen Bildsensor, vorzugsweise eine Kamera, einge richtet zum Erfassen von Bilddaten bzw. zum Aufnehmen eines Bildes von einer Oberfläche des Werkstücks; einen Abstandssensor, vorzugsweise einen optischen Kohärenztomogra phen, eingerichtet zum Erfassen von Abstandsdaten eines Abstands zwischen dem den Laser strahl einstrahlenden Laserschweißkopf zu dem Werkstück und/oder eingerichtet zum Erfas sen von Abstandsdaten einer Tiefe einer während des Laserschweißprozesses erzeugten Dampfkapillare und/oder eingerichtet zum Erfassen von Oberflächenprofildaten einer Ober fläche einer durch den Laserschweißprozess gebildeten Schweißnaht. Die Leistung des La serstrahls 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 ei nem der Sensoren erfasste Strahlung durch einen Strahlteiler, wie etwa einem dichroitischen Spiegel, von dem Laserstrahl getrennt werden. The at least two sensors for acquiring the sensor data can include at least two of the following sensors: a first intensity sensor, preferably comprising a photodiode, set up to acquire first intensity data of a radiation intensity of the process radiation emitted during the laser welding process in a visible wavelength range; a second intensity sensor, preferably comprising a photodiode, set up to acquire second intensity data of a radiation intensity of the process radiation in an infrared wavelength range; a third intensity sensor, preferably comprising a photodiode, set up to acquire third intensity data of a radiation intensity of a laser radiation reflected back from a surface of the workpieces; a sensor, preferably a photodiode, set up to acquire fourth intensity data of a radiation intensity of the laser beam in order to determine a current radiated power of the laser beam; an image sensor, preferably a camera, set up to capture image data or to record an image of a surface of the workpiece; a distance sensor, preferably an optical coherence tomograph, set up to acquire distance data of a distance between the laser welding head radiating the laser beam and the workpiece and/or set up to acquire distance data of a depth of a vapor capillary produced during the laser welding process and/or set up to acquire Surface profile data of a surface of a weld formed by the laser welding process. The power of the laser beam can also be referred to as laser power. The image sensor is preferable arranged coaxially, ie coaxially to the beam path of the laser beam or to the optical axis of the laser welding head. The process radiation or the radiation detected by at least one of the sensors can preferably be separated from the laser beam by a beam splitter, such as a dichroic mirror.
Das Erfassen der Sensordaten kann zumindest zwei der folgenden Schritte umfassen: Erfas sen von ersten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität der emittierten Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbereich, Erfassen von zweiten Intensitätsdaten einer Strah lungsintensität der während des Laserschweißprozesses emittierten Prozessstrahlung in einem infraroten Wellenlängenbereich, Erfassen von dritten Intensitätsdaten einer Strahlungsinten sität 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 Dampf kapillare. The acquisition of the sensor data can include at least two of the following steps: acquisition of first intensity data of a radiation intensity of the process radiation emitted in a visible wavelength range, acquisition of second intensity data of a radiation intensity of the process radiation emitted during the laser welding process in an infrared wavelength range, acquisition of third intensity data of a Radiation intensity of a laser beam reflected back by the at least one workpiece at a wavelength of the laser beam, acquisition of fourth intensity data of a radiation intensity of the irradiated laser beam at a wavelength of the laser beam to determine a current irradiated laser power, acquisition of image data by recording an image and/or video of a surface of the workpiece, acquiring surface profile data of the surface of the weld, and acquiring distance data of a distance to the work piece and/or a depth of a vapor capillary generated during the laser welding process.
Dementsprechend können die erfassten Sensordaten zumindest zwei, insbesondere zwei ver schiedene, 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 ei nem vorgegebenen Wellenlängenbereich oder bei einer vorgegebenen Wellenlänge, Mess werte einer Strahlungsintensität der Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbe reich, Messwerte einer Strahlungsintensität der Prozessstrahlung in einem infraroten Wellen längenbereich, Messwerte einer Strahlungsintensität der von den Werkstücken zurückreflek tierten 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. Accordingly, the recorded sensor data can include at least two, in particular two different, of the following sensor data: Image data including at least one image of a surface of the at least one workpiece and/or an image of the vapor capillary and/or the melt pool, measured values of a radiation intensity of the process radiation in in a specified wavelength range or at a specified wavelength, measured values of a radiation intensity of the process radiation in a visible wavelength range, measured values of a radiation intensity of the process radiation in an infrared wavelength range, measured values of a radiation intensity of the laser radiation reflected back from the workpieces, measured values of a radiation intensity of the incident laser beam , surface profile data of the weld, measurements of a distance to the workpiece, and measurements of the depth of the vapor capillary created during the laser welding process.
Gemäß bevorzugter Ausführungsformen umfasst der zumindest eine Bearbeitungsparameter zumindest einen Parameter der Ablenkvorrichtung, beispielsweise die Stellung und/oder den Verstell winkel des Ablenkelements der Ablenkvorrichtung, der Einfallwinkel des Laser strahls auf das zumindest eine Werkstück, die Position des Laserstrahls innerhalb des Scanfelds der Ablenkvorrichtung, die Auslenkung des Laserstrahls durch die Ablenkvorrich tung 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 Ablenk vorrichtung, und/oder die Verstellgeschwindigkeit eines Ablenkelements der Ablenkvorrich tung. Durch die Einbeziehung zumindest eines dieser Bearbeitungsparameter der Ablenkvor richtung bei der Bestimmung, ob die Schweißnaht einen Fehler aufweist, kann die Zuverläs sigkeit und Güte der Fehlerbestimmung verbessert werden. Dies ist insbesondere bei Laser schweißsystemen vorteilhaft, bei denen die Fehlerbestimmung auf Strahlung, insbesondere die Prozessstrahlung, basiert, die zumindest abschnittsweise durch optische Elemente des La serschweißsystems, 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 Fehlerbestim mung erfassten Sensordaten haben, also beispielsweise auf die Prozessstrahlung zum Erfas sen der ersten bis dritten Intensitätsdaten, den optischen Messstrahl zum Erfassen der Ab standsdaten, der Oberflächenprofildaten und/oder auf das Erfassen der Bilddaten. Insbeson dere 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 Bearbei tungsparameter bei der Fehlerbestimmung können die Einflüsse der Fokussieroptik und der Ablenkvorrichtung auf die Sensordaten bei der Fehlerbestimmung reduziert werden. According to preferred embodiments, the at least one processing parameter comprises at least one parameter of the deflection device, for example the position and/or the adjustment angle of the deflection element of the deflection device, the angle of incidence of the laser beam on the at least one workpiece, the position of the laser beam within the scanning field of the deflection device, the Deflection of the laser beam by the deflection device from a zero position, the position of the laser beam within the scan field Deflection device, the position of the at least one workpiece within the scanning field of the deflection device, the position of the processing path within the scanning field of the deflection device, and/or the adjustment speed of a deflection element of the deflection device. By including at least one of these processing parameters of the deflection device when determining whether the weld seam has a defect, the reliability and quality of the defect determination can be improved. This is particularly advantageous for laser welding systems in which the error determination is based on radiation, in particular the process radiation, which runs at least in sections through optical elements of the laser welding system, for example the deflection device and focusing optics, for example an F-Theta lens. Processing parameters of the deflection device, such as the position of a deflection element of the deflection device, can have an influence on the sensor data recorded for error determination, i.e. for example on the process radiation for recording the first to third intensity data, the optical measuring beam for recording the distance data, the surface profile data and /or on capturing the image data. In particular, processing parameters of the deflection device can influence a signal level of the corresponding sensor data. The focusing optics are usually only optimized for the wavelength of the laser beam. Therefore, when passing through the focusing optics, chromatic aberration can occur with radiation having a different wavelength than the wavelength of the laser beam. By including and taking into account the processing parameters mentioned when determining the error, the influence of the focusing optics and the deflection device on the sensor data when determining the error can be reduced.
Vorzugsweise entsprechen sich die Sensordaten und die Daten des Bearbeitungsparameters, insbesondere die Soll-Werte des Bearbeitungsparameters, z.B. in zeitlicher und/oder räumli cher Hinsicht. Dies kann bedeuten, dass die Daten während desselben vorgegebenen Zeit raums bzw. an demselben Ort erfasst bzw. aufgezeichnet wurden. Ferner kann dies bedeuten, dass für vorgegebene Zeitpunkte innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums entsprechende Da ten oder Werte vorhanden sind. Dazu können die Sensordaten und/oder die Daten des Bear beitungsparameters mit derselben Samplingfrequenz erfasst bzw. aufgezeichnet werden. Al ternativ können die Daten interpoliert werden, oder es können Daten verworfen werden. The sensor data and the data of the processing parameter, in particular the target values of the processing parameter, preferably correspond, e.g. in terms of time and/or space. This may mean that the data was collected or recorded during the same specified period of time or at the same place. Furthermore, this can mean that corresponding data or values are available for specified points in time within a specified period of time. For this purpose, the sensor data and/or the data of the processing parameter can be recorded or recorded with the same sampling frequency. Alternatively, the data can be interpolated, or data can be discarded.
Das Bestimmen, ob ein Fehler der Schweißverbindung vorliegt, kann während der Durchfüh rung des Laserschweißprozesses, insbesondere in Echtzeit, und/oder nach der Durchführung des Laserschweißprozesses erfolgen. Dementsprechend kann das Verfahren zum Überwa chen eines Laserschweißprozesses als In-Prozess- oder als Post-Prozess-Verfahren ausgebil det 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. Determining whether there is a fault in the welded connection can take place while the laser welding process is being carried out, in particular in real time, and/or after the laser welding process has been carried out. Accordingly, the method for monitoring a laser welding process can be designed as an in-process or post-process method. The acquisition of the sensor data and / or determining whether an error in the Welded connection is present, can be carried out continuously and / or repeatedly during the implementation of the laser welding process.
Das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann das Bestimmen um fassen, ob die Schweißverbindung zumindest einen der folgenden Fehler aufweist: eine feh lende 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 Verbin dung 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. Determining whether the welded joint has a defect may include determining whether the welded joint has at least one of the following defects: a missing or insufficient physical or electrical and/or mechanical connection through the welded joint between welded workpieces and/or a Gap between welded workpieces. For example, it may be determined that the weld has a defect if the conductivity of the electrical connection through the weld is equal to or less than a predetermined conductivity threshold. Further, the weld may be determined to have a defect if the size of the gap between workpieces welded in the lap or parallel butt is equal to or greater than a gap threshold.
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. Determining whether the welded connection has a defect can be carried out using algorithms and/or using a machine learning method, in particular using an artificial neural network.
Das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann umfassen: getrenntes Auswerten der Sensordaten für jeden der zumindest zwei Sensoren, Kombinieren der Aus wertungen durch eine logische Verknüpfung, und Bestimmen, ob die Schweißverbindung ei nen 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. Determining whether the welded joint has a defect may include: separately evaluating the sensor data for each of the at least two sensors, combining the evaluations by a logical operation, and determining whether the welded joint has a defect based on the combined evaluation. The separate evaluation of the sensor data for each of the at least two sensors can take place in each case taking into account the at least one processing parameter. Alternatively, the sensor data for one or some of the at least two sensors can be evaluated taking into account the at least one processing parameter.
Beispielsweise können die Sensordaten für zumindest einen der Sensoren getrennt dahinge hend ausgewertet werden, dass bestimmt wird, ob basierend auf den Sensordaten dieses Sen sors allein die Schweißverbindung einen Fehler aufweist. Dies kann auf herkömmliche Weise zur Fehlerbestimmung erfolgen. Beispielsweise kann mittels jeweils einer Photodiode ein In tensitätsverlauf der beim Laserschweißprozess emittierten Prozessstrahlung in einem sichtba ren Wellenlängenbereich entsprechend dem Prozessleuchten und in einem infraroten Wellen längenbereich entsprechend der Wärmestrahlung und ein Intensitätsverlauf der zurückreflek tierten Laserstrahlung gemessen und darauf basierend wird ein entsprechendes Intensitätssig nal erzeugt werden. Anschließend können die Intensitätssignale getrennt voneinander analy siert werden, beispielsweise indem das jeweilige Intensitätssignal mit entsprechenden
Referenzkurven oder Hüllkurven verglichen wird. Basierend auf jeweils vorgegebenen Feh lerkriterien kann erkannt werden, ob gemäß der Auswertung des jeweiligen Intensitätssignals die Schweißverbindung einen Fehler aufweist. Fehlerkriterien können beispielsweise abhän gig von einem Integral der Verläufe über den Hüllkurven oder von einem Unter- oder Über schreiten 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 Abweichun gen von vorgegebenen Geometrien kann hier erkannt werden, ob die Schweißverbindung ei nen Fehler aufweist. For example, the sensor data for at least one of the sensors can be evaluated separately to the effect that it is determined whether, based on the sensor data of this sensor, the welded connection alone has a defect. This can be done in a conventional manner for error determination. For example, a photodiode can be used to measure an intensity curve of the process radiation emitted during the laser welding process in a visible wavelength range corresponding to the process lighting and in an infrared wavelength range corresponding to the heat radiation and an intensity curve of the laser radiation that is reflected back, and based on this, a corresponding intensity signal is generated. The intensity signals can then be analyzed separately from one another, for example by comparing the respective intensity signal with corresponding reference curves or envelope curves is compared. Based on the error criteria specified in each case, it can be recognized whether the welded connection has an error according to the evaluation of the respective intensity signal. Error criteria can be defined, for example, as a function of an integral of the curves over the envelope curves or of falling below or exceeding the envelope curves. In the case of an image of the melt pool as sensor data, geometric features of the melt pool, in particular the shape, size and/or position of the melt pool, can be recognized by means of image processing. Based on deviations from specified geometries, it can be detected here whether the welded joint has a defect.
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 logi sche „oder“-Operation“ verknüpft werden. Dadurch kann die Quote oder die Wahrscheinlich keit von Scheinausschuss reduziert werden. The results of the separate evaluations can then be linked using a logical "and" operation. This can reduce the odds or probability of escapes. Alternatively or additionally, the results can be linked by a logical “or” operation. This can reduce the rate or probability of false rejects.
Hierbei können eine erste Gruppe von Sensoren, deren Ergebnisse der getrennten Auswertun gen „und“ verknüpft sind, und eine zweite Gruppe von Sensoren, deren Ergebnisse der ge trennten 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 Auswertungsme thoden möglich, um Escapes und Scheinausschuss gleichzeitig zu reduzieren. A first group of sensors, whose results of the separate evaluations are linked "and", and a second group of sensors, whose results of the separate evaluations are linked "or", each have at least two sensors, and the first group and the second group can have at least one sensor that is not included in the respective other group. Thus, when using more than two sensors, for example three sensors, a combination of the two evaluation methods is possible in order to reduce escapes and false rejects at the same time.
Basierend auf der Fehlerbestimmung, insbesondere wenn bestimmt wurde, dass die Schweiß verbindung einen Fehler aufweist, kann der Laserschweißprozess geregelt werden, indem zu mindest ein Bearbeitungsparameter, insbesondere die Laserleistung, die Bearbeitungsge schwindigkeit und/oder die Fokuslage des Laserstrahls, angepasst oder eingestellt wird. Bei spielsweise 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 ba sierend 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 Bear beitungsparameters, 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 Fehlerbestim mung herangezogen wurde. The laser welding process can be controlled based on the defect determination, in particular if it has been determined that the welded connection has a defect, by adjusting or setting at least one processing parameter, in particular the laser power, the processing speed and/or the focal position of the laser beam. For example, a correlation of the detected sensor signals can be used to control the laser power. In a further example, a focus position of the laser beam can be adjusted or adjusted based on the detected sensor signals, in particular based on a correlation and/or combination of the detected sensor signals, by means of a variable z-collimation. The regulation can be done by the control unit of the laser welding system or a higher-level control unit. The determination of whether the weld has a defect can be made during the performance of the laser welding process. Adjusting at least one processing parameter may include adjusting the same processing parameter based on which the error determination was performed, and/or adjusting another processing parameter of the laser welding process, wherein the other processing parameter is not the same as that used to determine the error.
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 di rekt basierend auf den Rohdaten bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler auf weist. 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 Laser schweißprozesses können zuverlässiger und genauer erfolgen. The sensor data used for error determination can be raw data. Determining whether the welded connection has a defect can therefore be carried out without pre-processing the recorded sensor data. For example, an artificial neural network can determine whether the welded joint has a defect directly based on the raw data. This can also be referred to as “end-to-end” processing. As a result, the error determination can be carried out more reliably and quickly. Furthermore, the error determination can be carried out in real time and the monitoring of the laser welding process and the control of the laser welding process can be carried out more reliably and precisely.
Alternativ können vor der Fehlerbestimmung die Sensordaten der zumindest zwei Sensoren vorverarbeitet oder vorausgewertet werden. Dies kann beispielsweise durch eine Verarbei tungseinheit 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. Bei spielsweise können die erfassten Sensordaten, insbesondere eines oder mehrere der ersten bis vierten Intensitätssignale, mit zumindest einem Bearbeitungsparameter der Ablenkvorrich tung verknüpft werden, z.B. mit einer Position des Laserschweißkopfes in einem Scanfeld der Ablenkvorrichtung, einer Bearbeitungsgeschwindigkeit, einer Position, einer Stellung und/oder eines Verstell winkeis eines Ablenkelements der Ablenkvorrichtung, einer Ge schwindigkeit einer Positionsänderung und/oder einer Verstellgeschwindigkeit des Ablen kelements der Ablenkvorrichtung. Dadurch kann die Geschwindigkeit der anschließenden Auswertung der Sensordaten und des Bearbeitungsparameters und die Fehlerbestimmung op timiert bzw. erhöht werden. Alternatively, the sensor data from the at least two sensors can be pre-processed or pre-evaluated before the fault is determined. This can be done, for example, by a processing unit of the laser welding system. The processing unit can have an FPGA (“Field Programmable Gate Array”). The functionality of the processing unit can be implemented by the control unit or the processing unit can be integrated into the control unit. In particular, the sensor data can be linked to the at least one processing parameter in such a way that the data correspond in time. For example, the recorded sensor data, in particular one or more of the first to fourth intensity signals, can be linked to at least one processing parameter of the deflection device, e.g an adjustment angle of a deflection element of the deflection device, a speed of a position change and/or an adjustment speed of the deflection element of the deflection device. As a result, the speed of the subsequent evaluation of the sensor data and the processing parameters and the error determination can be optimized or increased.
Die Ablenkvorrichtung kann eingerichtet sein, um den Laserstrahl um zumindest einen ersten Ablenkwinkel entlang einer ersten Achse abzulenken. Vorzugsweise ist die Ab lenkvorrichtung zusätzlich eingerichtet, um den Laserstrahl um einen zweiten Ablenk winkel entlang einer zweiten Achse abzulenken, wobei die erste und die zweite Achse zueinander in einem Winkel angeordnet sind, beispielsweise senkrecht zueinander ste hen. 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 auf weist, entsprechend diese maximalen Ablenkwinkel maximalen Spiegelwinkeln von mindestens 5 Grad, insbesondere von 10 Grad, da der Laserstrahl um das Doppelte des Spiegelwinkels abgelenkt wird. The deflection device can be set up to deflect the laser beam by at least a first deflection angle along a first axis. Preferably, the deflection device is additionally set up to deflect the laser beam by a second deflection angle along a second axis, the first and second axes being arranged at an angle to one another, for example perpendicular to one another. The maximum first deflection angle and/or the maximum second deflection angle of the deflection device can each be equal to or greater than 10 degrees, in particular 10 up to 20 degrees. If the deflection device has mirrors as deflection elements, these maximum deflection angles correspond to maximum mirror angles of at least 5 degrees, in particular 10 degrees, since the laser beam is deflected by twice the mirror angle.
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 xl50 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 Ab lenkvorrichtung kann als Großfeldscanner ausgebildet sein. The scanning field of the deflection device can be defined as a region on the workpiece or on the workpiece surface and/or can be predetermined by a maximum first and a maximum second deflection angle of the first deflection device. A length and/or a width of the scan field can be equal to or greater than 50 mm. The scan field can, for example, have a size of more than 50 mm×50 mm, in particular equal to or larger than approximately 100 mm×200 mm or 250 mm×150 mm, on the workpiece. According to embodiments, the scan field has an elliptical shape. In this case, the length of the scan field can indicate the length of the major axis of the ellipse and the width of the scan field can indicate the length of the minor axis of the ellipse. From the steering device can be designed as a large field scanner.
Um die Ablenkung des Laserstrahls zu bewirken, kann die Ablenkvorrichtung einen ers ten beweglichen Spiegel und einen zweiten beweglichen Spiegel aufweisen. Der erste bewegliche Spiegel kann um eine erste Rotationsachse drehbar sein und der zweite be wegliche Spiegel kann um eine zweite Rotationsachse drehbar sein, wobei die erste Ro tationsachse und die zweite Rotationsachse in einem Winkel, z.B. in einem Winkel zwi schen 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 be weglichen Spiegel aufweisen, der um zumindest zwei Achsen drehbar oder schwenkbar ist. Dementsprechend kann die Ablenkvorrichtung als Galvanometer- oder Galvo-Scan- ner ausgebildet sein. Die Ablenkvorrichtung kann alternativ MEMS-basierte, piezoe lektrische und/oder induktive Antriebe aufweisen. Alternativ kann die Ablenkvorrich tung als Prismenscanner oder Linsenscanner ausgebildet sein. In order to bring about the deflection of the laser beam, the deflection device can have a first movable mirror and a second movable mirror. The first moveable mirror may be rotatable about a first axis of rotation and the second moveable mirror may be rotatable about a second axis of rotation, the first axis of rotation and the second axis of rotation being at an angle, e.g. at an angle between 45° and 135°. in particular of about 75 ° or 90 ° to each other. For this purpose, the mirror or the first and second mirrors can be designed as galvanometer mirrors, or galvo mirrors for short. Alternatively, the deflection device can have a movable mirror that can be rotated or pivoted about at least two axes. Accordingly, the deflection device can be designed as a galvanometer or galvo scanner. Alternatively, the deflection device can have MEMS-based, piezoelectric and/or inductive drives. Alternatively, the deflection device can be designed as a prism scanner or lens scanner.
Das Laserschweißsystem, insbesondere der Laserschweißkopf, kann eine erste Einkoppelvor richtung zum Einkoppeln des Laserstrahls in die Ablenkvorrichtung und zum Auskoppeln der vom Werkstück ausgehenden Strahlung aus einem Strahlengang des Laserstrahls umfassen. Die erste Einkoppelvorrichtung kann in Ausbreitungsrichtung des eingestrahlten Laserstrahls vor der Ablenkvorrichtung angeordnet sein. Ferner kann das Laserschweißsystem, insbeson dere der Laserschweißkopf, eine zweite Einkoppelvorrichtung zum Aufteilen der aus dem Strahlengang des Laserstrahls ausgekoppelten Strahlung umfassen. Die zweite
Einkoppelvorrichtung kann eingerichtet sein, um einen Teil der Strahlung auf einen ersten der zumindest zwei Sensoren und einen anderen Teil der Strahlung auf einen zweiten der zumindest zwei Sensoren zu richten. The laser welding system, in particular the laser welding head, can include a first coupling device for coupling the laser beam into the deflection device and for coupling out the radiation emanating from the workpiece from a beam path of the laser beam. The first coupling device can be arranged in front of the deflection device in the propagation direction of the incident laser beam. Furthermore, the laser welding system, in particular the laser welding head, can comprise a second coupling device for dividing the radiation coupled out of the beam path of the laser beam. The second Coupling device can be set up to direct part of the radiation onto a first of the at least two sensors and another part of the radiation onto a second of the at least two sensors.
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 Strahlausbreitungsrich tung des Laserstrahls verstellt werden, um die Fokuslage des Laserstrahls einzustellen. Die Kollimationsoptik kann zwei oder mehr Linsen umfassen, deren Abstände zumindest teil weise zueinander veränderlich sind. Die Verstellung kann motorisch erfolgen. Die Steuer einheit kann die Kollimationsoptik zum Einstellen der Fokuslage des Laserstrahls zu steuern. The laser welding system, in particular the laser welding head, can include collimation optics for adjusting the focal position of the laser beam. The collimation optics can be adjusted along an optical axis of the collimation optics and/or along a beam propagation direction of the laser beam in order to set the focus position of the laser beam. The collimation optics can comprise two or more lenses, the distances between which can be changed, at least in part. The adjustment can be motorized. The control unit can control the collimation optics to adjust the focal position of the laser beam.
Das Laserschweißsystem, insbesondere der Laserschweißkopf, kann ferner eine Fokussierop tik 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 ein gerichtet 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 telezent- risch ausgebildet sein. The laser welding system, in particular the laser welding head, can also include focusing optics for focusing the laser beam. The focusing optics can include two or more lenses, the distances between which can be changed at least in part in order to set or change the focus position. The focusing optics can in particular be directed in order to focus the laser beam on the workpiece, in particular on a surface of the at least one workpiece. The focusing optics can include an F-Theta lens or be designed as such. The F-Theta lens can be telecentric.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, um das Laserschweißsystem, insbesondere den Laserschweißkopf, die zumindest zwei Sensoren, die Ablenkvorrichtung, die Fokussier optik, die Kollimationsoptik und/oder eine Laserquelle zum Erzeugen des Laserstrahls zu steuern, um den Laserschweißprozess und das Verfahren zum Überwachen des La serschweißprozesses durchzuführen. The control unit can be set up to control the laser welding system, in particular the laser welding head, the at least two sensors, the deflection device, the focusing optics, the collimation optics and/or a laser source for generating the laser beam, in order to control the laser welding process and the method for monitoring the La to carry out the welding process.
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. Furthermore, the laser welding system can have an interface in order to transmit the sensor data and data of the processing parameters, in particular desired values, to an external control unit or the superordinate control unit, for example an external computer.
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 auf genommen werden. Zudem kann das Laserschweißsystem einen Liniengenerator zur Trian gulation 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. In addition, the laser welding system can have a ring light. The ring light can have separately switchable segments. With the help of the ring light, an image or video with a high contrast can be obtained by the image sensor. Using the ring light, a very high-contrast image can be recorded using a so-called "shape-by-shading" process. In addition, the laser welding system can have a line generator for triangulation. The image sensor can be generated using by the line generator lines generated on the surface of the at least one workpiece detect a geometry of the surface and/or a geometry of a weld seam formed by the laser welding process. Based on this, the image sensor can capture geometry data as sensor data.
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. The at least one workpiece can include one of the following elements: a battery, a battery cell, a battery pack, a battery connection, an arrester and/or a part of these elements. For example, the at least one workpiece can include a battery cell and an arrester. An electrical connection between the battery cell and the conductor can be established by means of the weld seam formed by the laser welding process.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben. The invention is described in detail below with reference to figures.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Laserschweißsystems gemäß Ausführungsfor men der vorliegenden Offenbarung; 1 shows a schematic view of a laser welding system according to embodiments of the present disclosure;
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung eines Scanfelds einer Ablenk vorrichtung eines Laserschweißsystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offen barung; 2 shows a schematic view illustrating a scanning field of a deflection device of a laser welding system according to embodiments of the present disclosure;
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Laserschweißpro zesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; 3 shows a flow diagram of a method for monitoring a laser welding process according to embodiments of the present disclosure;
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht mehrerer Werkstückgruppen in einem Scanfeld einer Ablenkvorrichtung eines Laserschweißsystems gemäß Ausführungsformen zur Veranschau lichung eines Verfahrens zum Überwachen eines Laserschweißprozesses gemäß Ausfüh rungsformen der vorliegenden Offenbarung. 4 shows a schematic view of several workpiece groups in a scan field of a deflection device of a laser welding system according to embodiments to illustrate a method for monitoring a laser welding process according to embodiments of the present disclosure.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Laserschweißsystems gemäß Ausführungsfor men der vorliegenden Offenbarung. Unless otherwise noted, the same reference numbers are used below for the same elements and those with the same effect. 1 shows a schematic view of a laser welding system according to embodiments of the present disclosure.
Das Laserschweißsystem 10 umfasst einen Laserschweißkopf 12 zum Einstrahlen und Rich ten eines Laserstrahls 14 auf zumindest ein Werkstück. Das Laserschweißsystem 10 ist ein gerichtet, um einen Laserschweißprozess zum Verschweißen des zumindest einen Werk stücks durchzuführen. Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist das Laserschweiß system 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 einzel nen Werkstücks umfassen. In diesem Fall können die in Fig. 1 gezeigten Werkstücke 16a, 16b als Teile oder Bereiche dieses einzelnen Werkstücks betrachtet werden. The laser welding system 10 includes a laser welding head 12 for radiating and directing a laser beam 14 onto at least one workpiece. The laser welding system 10 is set up to carry out a laser welding process for welding the at least one workpiece. According to the embodiment shown in FIG. 1, the laser welding system 10 is set up to weld two workpieces 16a, 16b to one another. The two workpieces 16a, 16b are arranged in a lap joint and the laser beam 14 is irradiated onto the workpiece 16a lying on top, but the present disclosure is not limited to this. The workpieces 16a, 16b can also be arranged, for example, in a parallel joint or in a butt joint, and the laser beam 14 can be irradiated onto both workpieces 16a, 16b. According to embodiments, the welding of the at least one workpiece can comprise a welding of parts or regions of an individual workpiece. In this case, the workpieces 16a, 16b shown in Figure 1 can be considered as parts or portions of this single workpiece.
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 Be arbeitungspfads 18 auf den Werkstücken 16a, 16b. Der Bearbeitungspfad 18 kann auf einem der Werkstücke 16a, 16b angeordnet sein. Gemäß Ausführungsformen kann der Bearbei tungspfad 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 Schweißver bindung 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 Laser leistung 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. The workpieces 16a, 16b are welded by irradiating the laser beam 14 onto the workpieces 16a, 16b and moving the laser beam 14 along a predetermined machining path 18 on the workpieces 16a, 16b. The machining path 18 can be arranged on one of the workpieces 16a, 16b. According to embodiments, the processing path can be arranged on both or on a boundary between the workpieces 16a, 16b. The specified processing path 18 indicates the course of a desired weld seam. The weld seam forms the weld connection to be formed by the laser welding process between the workpieces 16a, 16b. When the laser beam is radiated onto the workpieces 16a, 16b, a vapor capillary, also referred to as a keyhole, forms in an area between the surface of the workpieces 16a, 16b onto which the laser beam is radiated, down to a certain depth within the workpieces 16a, 16b , out. In the area of the vapor capillary, the material of the workpiece heats up so much due to the irradiated laser power that it vaporizes. The vapor capillary is surrounded by a melt pool in which the material is melted. As the material cools, the weld seam that forms the weld joint is formed.
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 Laser schweißkopf 12 eingekoppelt. Eine im Anschluss an den Faserkoppler angeordnete Kollima tionsoptik 22 ist eingerichtet, um den aus dem Ende der Lichtleitfaser 21 divergent austreten den 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 Laser strahls 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 ge steuert werden. Mithilfe der z-Kollimation kann die Fokuslage des Laserstrahls 14 in Abhängigkeit der Sensorsignale der nachfolgend beschriebenen Sensoren passend ein gestellt werden. The laser welding system 10 can be coupled to a laser source 20 for generating the laser beam 14 , also referred to as a processing laser beam, in order to couple the laser beam 14 into the laser welding head 12 . The laser source 20 can be embodied as a single-mode laser, as a solid-state laser or as a fiber laser. The laser beam 14 is a Optical fiber 21 is transmitted from the laser source 20 to the laser welding head 12 and is coupled into the laser welding head 12 from one end of the optical fiber 21, for example by means of a fiber coupler (not shown). A collimation optics 22 arranged after the fiber coupler is set up to collimate the laser beam 14 emerging divergently from the end of the optical fiber 21 . The focal position of the laser beam 14 can be adjusted or corrected with the aid of the collimation optics 22 . The axis along which a focal position of the laser beam 14 can be adjusted can correspond to an optical axis of the laser welding head 12, in particular an optical axis of a focusing lens system 24. This axis can also be referred to as the z-axis. Accordingly, the collimator optics 22 can be referred to as (variable) z-collimator optics or, for short, as (variable) z-collimation. The focus position can be adjusted by adjusting a lens of the collimator optics 22 along the optical axis of the collimator optics 22 or a beam axis of the laser beam 14 . The collimating optics 22 can have a motor unit (not shown) for adjusting the lens. The collimator optics 22 can be controlled by a superordinate control unit (not shown) of the laser welding system 10 or the control unit 48 . With the aid of the z-collimation, the focus position of the laser beam 14 can be suitably set as a function of the sensor signals from the sensors described below.
Das Laserschweißsystem 10 umfasst ferner eine erste Einkoppelvorrichtung 23a zum Einkoppeln des Laserstrahls 14 in den Laserschweißkopf 12 bzw. in die Ablenkvorrich tung 26. Die erste Einkoppelvorrichtung 23a ist als Strahlteiler ausgebildet und umfasst beispielsweise einen dichroitischen Spiegel, der Licht mit der Wellenlänge des Laser strahls 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. Mit hilfe der ersten Einkoppelvorrichtung 23 a lässt sich Prozessstrahlung, die durch die nachfolgend beschriebenen Sensoren als Sensorsignale erfasst wird, nach Passieren der Ablenkvorrichtung 26 vom Laserstrahl 14 trennen. Zudem umfasst der Laserschweiß kopf 12 eine Fokussieroptik 24 zum Fokussieren des Laserstrahls 12 auf das zumindest eine Werkstück 16a, 16b, insbesondere auf eine Oberfläche des zumindest einen Werk stücks 16a, 16b. Die Fokussieroptik 24 kann gemäß Ausführungsformen als F-Theta- Objektiv ausgebildet sein. Laser welding system 10 also includes a first coupling device 23a for coupling laser beam 14 into laser welding head 12 or into deflection device 26. First coupling device 23a is designed as a beam splitter and includes, for example, a dichroic mirror that emits light with the wavelength of laser beam 14 substantially reflects and substantially transmits light of a different wavelength than that of the laser beam 14, i.e. the mirror is substantially transparent to light of a different wavelength than that of the laser beam 14. Process radiation, which is detected as sensor signals by the sensors described below, can be separated from the laser beam 14 after passing through the deflection device 26 with the aid of the first coupling device 23a. In addition, the laser welding head 12 includes focusing optics 24 for focusing the laser beam 12 on the at least one workpiece 16a, 16b, in particular on a surface of the at least one workpiece 16a, 16b. According to embodiments, the focusing optics 24 can be embodied as an F-Theta lens.
Um die Position des Laserstrahls 14 auf dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b zu verän dern, 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 Ab lenkvorrichtung 26 ist eingerichtet, um den Laserstrahl 14 entlang zweier Achsen x, y zu bewegen bzw. abzulenken. Die zwei Achsen x, y können gemäß Ausführungsformen zuei nander 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. In order to change the position of the laser beam 14 on the at least one workpiece 16a, 16b, and in particular to guide the laser beam 14 along the processing path 18, the laser welding system 10 also includes a deflection device 26 for deflecting or Deflection of the laser beam 14 relative to the at least one workpiece 16a, 16b. From the deflection device 26 is set up to move or deflect the laser beam 14 along two axes x, y. According to embodiments, the two axes x, y can be perpendicular to one another and define an xy plane that is arranged parallel to a surface of the at least one workpiece 16a, 16b, but the present disclosure is not limited to this. The deflection device 26 can also be referred to as a scanner unit or scanner.
Mithilfe der Ablenkvorrichtung 26 kann der Bearbeitungspfad 18 durch den Laserstrahl 14 abgefahren werden. Eine Bearbeitungsgeschwindigkeit kann definiert sein als eine Ge schwindigkeit, mit der der Laserstrahl 14 entlang des Bearbeitungspfads 18 eingestrahlt und abgelenkt wird. Dabei kann eine etwaige überlagerte Wobbelbewegung des Laser strahls 14 unberücksichtigt bleiben. Wenn der Laserstrahl eine Wobbelbewegung aus führt, kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit als eine mittlere Geschwindigkeit des La serstrahls 14 entlang des Bearbeitungspfads bezeichnen. The processing path 18 can be traversed by the laser beam 14 with the aid of the deflection device 26 . A processing speed can be defined as a speed at which the laser beam 14 is irradiated and deflected along the processing path 18 . Any superimposed wobble movement of the laser beam 14 can be ignored. When the laser beam wobbles, the processing speed may be referred to as an average speed of the laser beam 14 along the processing path.
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung eines Scanfelds der Ablenk vorrichtung 26. Die Ablenkvorrichtung 26 ist eingerichtet, um den Laserstrahl 14 entlang der x-Achse um einen ersten Ablenkwinkel abzulenken und um den Laserstrahl 14 ent lang 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 Mit telpunkt oder Zentrum 32 eines Scanfelds 34 der Ablenkvorrichtung 26 betrachtet wer den. Das Zentrum 32 des Scanfelds 34 kann einer nicht abgelenkten Stellung des Laser strahls 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 Fokus sieroptik 24 verlaufen. 2 shows a schematic view illustrating a scan field of the deflection device 26. The deflection device 26 is set up to deflect the laser beam 14 along the x-axis by a first deflection angle and to deflect the laser beam 14 along the y-axis by a second divert deflection angle. The deflection device 26 has a zero position with respect to the x-axis and with respect to the y-axis, for which the laser beam 14 assumes a zero position along the respective axis. The zero position of the x-axis and the zero position of the y-axis can be viewed together as the center point or center 32 of a scan field 34 of the deflection device 26 who the. The center 32 of the scan field 34 may correspond to an undeflected position of the laser beam 14, i.e. a (general) null position of the laser beam 14. In the non-deflected position of laser beam 14, laser beam 14 can run between laser welding head 12 and the at least one workpiece 16a, 16b coaxially with an optical axis of laser welding head 12 and/or an optical axis of focusing optics 24.
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 Werk stücks 16a, 16b vor, innerhalb dessen die Ablenkvorrichtung 26 den Laserstrahl 14 be züglich des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b ablenken kann. Gemäß Ausführungs formen 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 ein gesetztes F-Theta-Objektiv die maximalen Ablenkwinkel 28, 30 begrenzen. A maximum first deflection angle 28 along the x-axis (ie rotation about the y-axis) and a maximum second deflection angle 30 along the y-axis (ie rotation about the x-axis) give an edge of the scan field 34 on the surface of the at least one work piece 16a, 16b, within which the deflection device 26 can deflect the laser beam 14 with respect to the at least one workpiece 16a, 16b. According to embodiments, the deflection device 26 is designed as a large field scanner. For example the maximum first deflection angle 28 and/or the maximum second deflection angle 30 may be greater than 10 degrees. The first and second maximum deflection angles 28, 30 can be predetermined by design. Alternatively, an F-theta objective set as the focusing optics 24 can limit the maximum deflection angles 28 , 30 .
In Fig. 2 ist das Scanfeld 34 mit einer rechteckigen Form gezeigt, die vorliegende Of fenbarung ist hierauf aber nicht beschränkt. Das Scanfeld 34 kann auch eine kreisför mige oder eine elliptische Form aufweisen. In diesem Fall kann das in Fig. 2 gezeigte Rechteck als ein in das elliptische erste Scanfeld eingeschriebenes Rechteck mit dem größten Flächeninhalt betrachtet werden. In FIG. 2, the scan field 34 is shown as having a rectangular shape, but the present disclosure is not so limited. The scan field 34 can also have a circular or an elliptical shape. In this case, the rectangle shown in FIG. 2 can be regarded as a rectangle with the largest area inscribed in the elliptical first scan field.
Um die Ablenkung des Laserstrahls 14 zu bewirken, umfasst die Ablenkvorrichtung 26 zumindest ein Ablenkelement. Gemäß Ausführungsformen umfasst die Ablenkvorrich tung 26 als Ablenkelement zwei bewegliche Spiegel 36a, 36b (siehe Fig. 1), die um unterschiedliche Rotationsachsen drehbar oder verstellbar sind. Die Spiegel 36a, 36b können als Galvanometer-Spiegel ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Ablenkvor richtung 26 als Galvanometer-Scanner oder Galvo-Scanner bezeichnet werden. Gemäß alternativer, nicht gezeigter Ausführungsformen umfasst die Ablenkvorrichtung als Ab lenkelement 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 La serstrahls 14 im Scanfeld 34 und den Einfallswinkel 25 des Laserstrahls 14 auf das zu mindest eine Werkstück 16a, 16b. Dabei ist der Einfallswinkel 25 als der Winkel zwischen einer Normalen auf die Oberfläche und dem Laserstrahl 14 definiert. In order to bring about the deflection of the laser beam 14, the deflection device 26 comprises at least one deflection element. According to embodiments, the deflection device 26 comprises two movable mirrors 36a, 36b (see FIG. 1) as a deflection element, which can be rotated or adjusted about different axes of rotation. The mirrors 36a, 36b can be designed as galvanometer mirrors. In this case, the deflection device 26 can be referred to as a galvanometer scanner or galvo scanner. According to alternative embodiments that are not shown, the deflection device comprises a movable mirror as the deflection element, which mirror can be adjusted about at least two axes. The position or the adjustment angle of the at least one deflection element therefore determine the deflection of the laser beam 14 from the zero position 32, the position of the laser beam 14 in the scan field 34 and the angle of incidence 25 of the laser beam 14 on the at least one workpiece 16a, 16b. In this case, the angle of incidence 25 is defined as the angle between a normal to the surface and the laser beam 14 .
Eine Steuereinheit (nicht gezeigt) der Ablenkvorrichtung 26, die auch die Steuereinheit des Laserschweißsystems 10 sein kann, kann eingerichtet sein, während des Laser schweißprozesses aktuelle Soll-Werte von zumindest einem Bearbeitungsparameter des Laserschweißprozesses an die Steuereinheit 48 des Laserschweißsystems 10 zu übertra gen. Der zumindest eine Bearbeitungsparameter kann beispielsweise einen der folgen den Parameter der Ablenkvorrichtung 26 umfassen: den Einfallswinkel 25 des Laser strahls 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 Verstell winkel 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 Ro boter befestigt sein. Während eines Laserschweißprozesses, d.h. während des Ausbil dens einer Schweißnaht, bleibt der Laserschweißkopf 12 bzw. das Laserschweißsystem 10 vorzugsweise stationär zum zumindest einen Werkstück 16a, 16b. A control unit (not shown) of deflection device 26, which can also be the control unit of laser welding system 10, can be set up to transmit current target values of at least one processing parameter of the laser welding process to control unit 48 of laser welding system 10 during the laser welding process at least one processing parameter can include, for example, one of the following parameters of deflection device 26: the angle of incidence 25 of laser beam 14, the position of laser beam 14 in the scanning field of deflection device 26, a deflection of laser beam 14 by deflection device 26 from zero position 32, the processing speed , a processing direction, a speed vector of the laser beam 14 along the processing path 18, and a position or adjustment, an adjustment angle and/or an adjustment speed of the at least one deflection element of the deflection device 26, for example the mirror 36a, 36b. According to embodiments, the laser welding head 12 and/or the at least one workpiece 16a, 16b can also be moved relative to one another, preferably between two consecutive laser welding processes. For example, the at least one workpiece 16a, 16b can be moved relative to the laser welding head 12 by a first movement unit (not shown). Alternatively or additionally, the laser welding head 12 can be moved relative to the at least one workpiece 16a, 16b by a second movement unit (not shown). The second movement unit can be designed as a robot, for example, and the laser welding head 12 can be attached to the robot. During a laser welding process, ie during the formation of a weld seam, the laser welding head 12 or the laser welding system 10 preferably remains stationary relative to the at least one workpiece 16a, 16b.
Beim Durchführen des Laserschweißprozesses wird aus einem Wechselwirkungsbereich zwi schen dem Laserstrahl 14 und dem zumindest einen Werkstück 16a, 16b emittiert. Der Wech selwirkungsbereich kann insbesondere die Dampfkapillare und das Schmelzbad umfassen. Die Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbereich kann auch als Prozessleuch ten oder Plasmastrahlung bezeichnet werden. Die Prozessstrahlung in einem infraroten Wel lenlängenbereich kann auch als Temperaturstrahlung bezeichnet werden. Die Prozessstrah lung 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. When the laser welding process is carried out, the laser beam 14 and the at least one workpiece 16a, 16b are emitted from an interaction region. The area of interaction can in particular include the vapor capillary and the melt pool. The process radiation in a visible wavelength range can also be referred to as process lights or plasma radiation. The process radiation in an infrared wavelength range can also be referred to as thermal radiation. The process radiation also includes a portion of the portion of the laser beam 14 that is reflected when the laser beam 14 is radiated onto the at least one workpiece 16a, 16b. This reflected portion can also be referred to as a back reflection.
Ein Anteil 19 der Prozessstrahlung wird wieder in den Laserschweißkopf 12 bzw. das Laser schweißsystem 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 ausge koppelt. Die Strahlungsintensität dieses Anteils 19 wird durch Sensoren bei vorgegebenen Wellenlängen bzw. in vorgegebenen Wellenlängenbereichen erfasst, wie nachfolgend im De tail beschrieben ist. A portion 19 of the process radiation is coupled back into the laser welding head 12 or the laser welding system 10 and runs at least in sections superimposed with the laser beam 14. Starting from the at least one workpiece 16a, 16b, this portion 19 of the process radiation enters the focusing optics 24 Laser welding head 12 and is also deflected by the deflection device 26. The portion 19 is then coupled out of the path of the laser beam 14 by the first coupling device 23a. The radiation intensity of this portion 19 is detected by sensors at predetermined wavelengths or in predetermined wavelength ranges, as described in detail below.
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 Ein fluss 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. The position of the at least one deflection element of the deflection device 26 and thus the angle of incidence 25 of the laser beam 14 on the at least one workpiece 16a, 16b have an influence on the spectral distribution of the radiation intensity of the process radiation component 19 and of the optical measuring beam 43 and on the acquisition of image data , as below is described. The position of the at least one deflection element of the deflection device 26 and the angle of incidence 25 of the laser beam 14 on the at least one workpiece 16a, 16b therefore also determine a signal level of the sensor data output by the corresponding sensors.
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 Fig. 1 gezeigten Ausführungsform eine Messvor richtung 40 zur interferometri sehen Abstandsmessung bzw. zur optischen Abstandsmessung mithilfe eines optischen Messstrahls 42 auf. Die Messvorrichtung 40 ist eingerichtet, um wäh rend 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 einge richtet sein, um ein Oberflächenprofil einer Oberfläche der durch den Laserschweißprozess gebildeten Schweißnaht zu erfassen oder abzutasten. Dies kann insbesondere nach der Durch führung 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 Oberflächen- profildaten an die Steuereinheit zu übertragen. The laser welding system 10 has a number of sensors for acquiring sensor data during the laser welding process. The sensors can also be referred to as sensors. The sensor system is preferably integrated into the laser welding head 12 or attached to it. In the embodiment shown in FIG. 1 , the laser welding system 10 has a measuring device 40 for interferometric distance measurement or for optical distance measurement using an optical measuring beam 42 . The measuring device 40 is set up to measure a distance between the laser welding head 12 and the at least one workpiece 16a, 16b during the laser welding process and/or to measure a depth of the vapor capillary. The measuring device 40 is set up to transmit distance data to the control unit as sensor data. The distance data may include measured distance values and/or measured depth values. The measuring device 40 can also be set up to record or scan a surface profile of a surface of the weld seam formed by the laser welding process. This can be done in particular after the laser welding process has been carried out. Capturing the surface profile can also be referred to as post inspection of the weld or weld bead. The measuring device 40 can be set up to transmit corresponding surface profile data to the control unit as sensor data.
Die Messvorrichtung 40 umfasst gemäß Ausführungsformen einen optischen Kohärenztomo graphen oder kann als optischer Kohärenztomograph ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die Abstandsmessung auf optischer Kohärenztomographie („optical coherence to- mography“, 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. According to embodiments, the measuring device 40 comprises an optical coherence tomograph or can be embodied as an optical coherence tomograph. In other words, the distance measurement can be based on optical coherence tomography (OCT). This type of distance measurement is based on the principle of using the coherence properties of light with the help of an interferometer. For this purpose, the optical measuring beam 42 is radiated onto the at least one workpiece 16a, 16b. The portion of the optical measuring beam 42 reflected back by the at least one workpiece 16a, 16b is superimposed with light from a reference arm (not shown) and caused to interfere. By evaluating the superimposed light, information about the distance from the at least one workpiece 16a, 16b, the surface profile of the weld seam or the depth of the vapor capillary can be obtained.
Das Laserschweißsystem 10 umfasst eine zweite Einkoppelvorrichtung 23b zum Ein koppeln 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 Spie gel, der Licht mit der Wellenlänge des optischen Messstrahls 42 im Wesentlichen re flektiert, und Licht mit einer anderen Wellenlänge als die des optischen Messstrahls 42 im Wesentlichen passieren lässt. Der optische Messstrahl 42 wird also von dem dichro itischen Spiegel der zweiten Einkoppelvorrichtung 23b reflektiert und abgelenkt und passiert den dichroitischen Spiegel der ersten Einkoppelvorrichtung 23a, um in den La serschweißkopf 12 bzw. in die Ablenkvorrichtung 26 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. The laser welding system 10 includes a second coupling device 23b for coupling the optical measurement beam 42 into the laser welding head 16 and for superimposing of the optical measuring beam 42 with the laser beam 14. The second coupling device 23b is designed as a beam splitter and comprises, for example, a dichroic mirror, which essentially reflects light with the wavelength of the optical measuring beam 42, and light with a different wavelength than that of the optical measuring beam 42 essentially lets happen. The optical measuring beam 42 is thus reflected and deflected by the dichroic mirror of the second coupling device 23b and passes through the dichroic mirror of the first coupling device 23a in order to be coupled into the laser welding head 12 or into the deflection device 26 . After passing through the deflection device 26 and the focusing optics 24, the optical measuring beam 24 impinges on the surface of the at least one workpiece 16a, 16b.
Das Laserschweißsystem 10 umfasst ferner eine Sensoreinheit 44 zum Messen einer Strah lungsintensität 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 Einkoppelvor richtung 23c ist als Strahlteiler ausgebildet und weist beispielsweise einen teildurchlässigen Spiegel auf, sodass die Prozessstrahlung die dritte Einkoppel Vorrichtung 23c teilweise pas siert. The laser welding system 10 also includes a sensor unit 44 for measuring a radiation intensity of the process radiation coupled into the laser welding head 12 . For this purpose, the laser welding system 10 has a third coupling device 23c, which is set up to direct part of the process radiation into the sensor unit 44 . The third coupling device 23c is designed as a beam splitter and has, for example, a partially transparent mirror, so that the process radiation partially passes through the third coupling device 23c.
Die Sensoreinheit 44 weist Intensitätssensoren (nicht gezeigt) zum Erfassen von Intensitäts daten 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 Plas mastrahlung zu messen. Basierend darauf kann das Prozessleuchten ausgewertet werden. Das erste Intensitätssignal kann Messwerte der Strahlungsintensität der Prozessstrahlung im sicht baren Wellenlängenbereich umfassen. Die gemessenen Werte können als erste Intensitätsda ten an die Steuereinheit 48 übertragen werden. The sensor unit 44 has intensity sensors (not shown) for acquiring intensity data. A first intensity sensor of the sensor unit is set up, for example, to measure a radiation intensity of the process radiation that has entered the sensor unit 44 in a visible wavelength range and to output a first intensity signal based thereon. The first intensity sensor is set up to measure the radiation intensity of the plasma radiation. Based on this, the process lighting can be evaluated. The first intensity signal can include measured values of the radiation intensity of the process radiation in the visible wavelength range. The measured values can be transmitted to the control unit 48 as first intensity data.
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 Mess werte der Strahlungsintensität der Prozessstrahlung im infraroten Wellenlängenbereich um fassen. 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 Strah lungsintensität 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 wer den. A second intensity sensor is set up, for example, to measure a radiation intensity of the process radiation in the infrared wavelength range and to output a first intensity signal based thereon. The second intensity sensor is set up to measure the radiation intensity of the infrared or temperature radiation. Based on this, the melt pool dynamics can be evaluated. The second intensity signal can include measured values of the radiation intensity of the process radiation in the infrared wavelength range. The measured values can be transmitted to the control unit 48 as second intensity data. A third intensity sensor is set up, for example, to measure a radiation intensity of the process radiation at a wavelength of the laser beam and based on this to output a first intensity signal. The third intensity sensor is set up to measure the radiation intensity of the back reflection. The third intensity signal can include measured values of the radiation intensity of the process radiation at the wavelength of the laser beam. The measured values can be transmitted to the control unit 48 as third intensity data.
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. The sensor unit 44 is not limited to a combination of the first to third intensity sensors, but may include only one or two of these intensity sensors. The intensity sensors are preferably designed as photodiodes.
Das Laserschweißsystem 10 umfasst in der in Fig. 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. Basie rend auf der gemessenen Strahlungsintensität kann die aktuelle bzw. eingestrahlte oder ver wendete 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. Alterna tiv können die Intensitätsdaten ermittelte Werte der eingestrahlten Leistung des Laserstrahls 14 umfassen. In the embodiment shown in Fig. 1, the laser welding system 10 also includes a fourth intensity sensor 38 for detecting or determining an irradiated power of the laser beam 14. The fourth intensity sensor 38 is set up to measure a radiation intensity at the wavelength of the laser beam 14 and based on this to output an intensity signal. The intensity signal can include measurements of the radiation intensity. Based on the measured radiation intensity, the current or irradiated or used power of the laser beam 14 can be determined. The fourth intensity sensor 38 is set up to transmit fourth intensity data to the control unit. The measured values can be transmitted to the control unit 48 as fourth intensity data. Alternatively, the intensity data can include determined values of the radiated power of the laser beam 14 .
Im Gegensatz zum dritten Intensitätssensor der Sensoreinheit 44 empfängt der vierte Intensi tätssensor nicht die Strahlungsintensität des Rückreflexes. Wie in Fig. 1 gezeigt ist der Inten sitätssensor 38 derart angeordnet, dass der Anteil des aus der Kollimieroptik 22 ausgetretenen Laserstrahls 14, welcher nicht von der ersten Einkoppelvorrichtung 23a reflektiert und abge lenkt 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 gemesse nen 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 Bild daten 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 StrahlungIn contrast to the third intensity sensor of the sensor unit 44, the fourth intensity sensor does not receive the radiation intensity of the back reflection. As shown in FIG. 1, the intensity sensor 38 is arranged in such a way that the portion of the laser beam 14 emerging from the collimating optics 22 that was not reflected and deflected by the first coupling device 23a impinges on the fourth intensity sensor 38. The fourth intensity sensor 38 thus measures the radiation intensity of laser radiation of the laser beam 14 that was not previously reflected by the at least one workpiece 16a, 16b. The measured radiation intensity is therefore not influenced by the processes in the interaction zone between the laser beam 14 and the at least one workpiece 16a, 16b. The radiated power of the laser beam 14 can therefore be determined and checked on the basis of this measured radiation intensity. Furthermore, the laser welding system 10 includes an image sensor 46 which is set up to generate image data. The image sensor 46 can also be referred to as a vision system. The image sensor 46 can include a camera (not shown), for example, or can be embodied as a camera. The image sensor 46 is set up to measure a radiation intensity of radiation
47 von der Oberfläche des zumindest einen Werkstücks 18a, 18b zu detektieren. Die Strah lung 47 kann Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und/oder im infraroten Wellenlängen bereich umfassen, und kann insbesondere einen Teil der Prozessstrahlung umfassen, der die dritte Einkoppel Vorrichtung 23 a passiert hat. Die Strahlung 47 kann von einer vierten Ein koppelvorrichtung 23d auf den Bildsensor 46 gelenkt werden. Die vierte Einkoppelvorrich tung 23d kann einen Spiegel umfassen. Der Bildsensor 46 ist eingerichtet, eine Intensität der Strahlung 47 zu detektieren. Da bei dem in Fig. 1 gezeigten Laserschweißsystem 10 die Strah lung 47 zumindest streckenweise überlappend, insbesondere koaxial, mit dem Laserstrahl 14 verläuft, kann die in Fig. 1 dargestellte Anordnung des Bildsensors 46 auch als koaxiale An ordnung bezeichnet werden. 47 to be detected from the surface of the at least one workpiece 18a, 18b. The radiation 47 can include light in the visible wavelength range and/or in the infrared wavelength range, and can in particular include part of the process radiation that has passed through the third coupling device 23a. The radiation 47 can be directed onto the image sensor 46 by a fourth coupling device 23d. The fourth coupling device 23d can comprise a mirror. The image sensor 46 is set up to detect an intensity of the radiation 47 . Since in the laser welding system 10 shown in FIG. 1 the radiation 47 runs at least partially overlapping, in particular coaxially, with the laser beam 14, the arrangement of the image sensor 46 shown in FIG. 1 can also be referred to as a coaxial arrangement.
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 insbeson dere einen Bereich der Oberfläche des zumindest einen Werkstücks 16a, 16b mit der Dampf- kapillare und dem Schmelzbad zeigen. Das Bild kann ein Färb- 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 auf genommenen 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 durchfüh ren, bevor es an die Steuereinheit übertragen wird. The image sensor 46 is set up in particular to detect the intensity of the radiation 47 with frequency and/or spatial resolution and to record an image of the surface of the at least one workpiece 16a, 16b based on the detected intensity. In particular, the image can show a region of the surface of the at least one workpiece 16a, 16b with the vapor capillary and the molten pool. The image can be color or grayscale. The image sensor 46 can be set up to record images continuously or repeatedly during the laser welding process. The image sensor 46 is set up to transmit the recorded image or images to the control unit 48 as image data. The image sensor 46 can be set up to record a video of the surface of the at least one workpiece 16a, 16b. In this case, a frame of video can be viewed as an image. The image sensor 46 can perform image (pre-)processing of the recorded image before it is transmitted to the control unit.
Die Offenbarung ist nicht auf die in Fig. 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. The disclosure is not limited to the configuration of the laser welding system 10 or the laser welding head 12 shown in FIG. 1 . In particular, the laser welding system 10 or the laser welding head 12 can comprise only two or three of the sensors 38 , 40 , 44 and 46 .
Die Steuereinheit 48 ist eingerichtet, um die Sensordaten zu empfangen, und ist eingerichtet, um Soll-Werte des zumindest einen Bearbeitungsparameters zu empfangen. Die SteuereinheitThe control unit 48 is set up to receive the sensor data and is set up to receive target values of the at least one machining parameter. The control unit
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 Steuerein heit 48 ist ferner dazu eingerichtet, den Laserschweißkopf 12, insbesondere die Ablenkvor richtung 26 und die Kollimationsoptik 22 zu steuern, um den Laserschweißprozess durchzu führen. 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 Laserschweiß system 10, insbesondere den Laserschweißkopf 12 und die Sensoren zu steuern, um das Ver fahren zum Überwachen des Laserschweißprozesses durchzuführen. 48 is set up to determine, based on the sensor data from at least two of the sensors and based on the at least one processing parameter, whether the Laser welding process trained weld joint has a defect. The control unit 48 is also set up to control the laser welding head 12, in particular the deflection device 26 and the collimation optics 22, in order to carry out the laser welding process. Alternatively, this functionality can be implemented by a control unit of the laser welding head 12, for example the control unit of the deflection device 26, or by the higher-level control unit. The control unit 48 is set up to control the laser welding system 10, in particular the laser welding head 12 and the sensors, in order to carry out the method for monitoring the laser welding process.
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Überwachen eines Laserschweißprozes ses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren kann durch das Laserschweißsystem 10 gemäß Fig. 1 durchgeführt werden. 3 shows a flow diagram of the method for monitoring a laser welding process according to embodiments of the present disclosure. The method can be carried out by the laser welding system 10 according to FIG. 1 .
Das Verfahren umfasst das Durchführen des Laserschweißprozesses gemäß Ausführungsfor men der vorliegenden Offenbarung durch Einstrahlen eines Laserstrahls auf zumindest ein Werkstück zum Ausbilden einer Schweißverbindung (Sl). Dabei wird der Laserstrahl durch eine Ablenkvorrichtung entlang eines Bearbeitungspfads geführt. Der Laserschweißprozess kann beispielsweise durch das Laserschweißsystem 10 gemäß Fig. 1 zum Verschweißen der zwei Werkstücke 16a, 16b durchgeführt werden. The method includes performing the laser welding process according to embodiments of the present disclosure by irradiating a laser beam onto at least one workpiece to form a welded joint (SI). The laser beam is guided along a processing path by a deflection device. The laser welding process can be carried out, for example, by the laser welding system 10 according to FIG. 1 for welding the two workpieces 16a, 16b.
Während des Laserschweißprozesses werden Sensordaten durch zumindest zwei Sensoren erfasst (S2). Die zumindest zwei Sensoren können die zwei Sensoren des Laserschweißsys tems 10 von Fig. 1 umfassen. Beispielsweise können die zumindest zwei Sensoren die ersten bis dritten Intensitätssensoren umfassen. Die Sensordaten werden gemäß Ausführungsfor men in Echtzeit währen des Laserschweißprozesses erfasst und umfassen aktuelle Sensorda ten der jeweiligen Sensoren. During the laser welding process, sensor data are recorded by at least two sensors (S2). The at least two sensors can include the two sensors of the laser welding system 10 of FIG. 1 . For example, the at least two sensors can include the first to third intensity sensors. According to embodiments, the sensor data is recorded in real time during the laser welding process and includes current sensor data from the respective sensors.
Als weiteren Schritt (S3) umfasst das Verfahren das Bestimmen, ob die durch den Laser schweißprozess ausgebildete Schweißverbindung einen Fehler aufweist, basierend auf den erfassten Sensordaten. Vorzugsweise erfolgt das Bestimmen, ob die durch den Laserschweiß prozess ausgebildete Schweißverbindung einen Fehler aufweist, zusätzlich basierend auf zu mindest einem Bearbeitungsparameter des Laserschweißprozesses. Gemäß Ausführungsfor men erfolgt das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, basierend auf Soll-Daten des zumindest einen Bearbeitungsparameters, die während des Laserschweißpro zesses, insbesondere während des Ausbildens der Schweißverbindung, aufgezeichnet oder erfasst wurden.
Das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann auch kurz als Fehler bestimmung 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. As a further step (S3), the method includes determining whether the welded joint formed by the laser welding process has a defect, based on the sensor data recorded. It is preferably determined whether the welded joint formed by the laser welding process has a defect, additionally based on at least one processing parameter of the laser welding process. According to embodiments, it is determined whether the welded connection has a defect based on target data of the at least one processing parameter that were recorded or recorded during the laser welding process, in particular during the formation of the welded connection. Determining whether the welded joint has a defect can also be referred to as defect determination for short. According to embodiments, the determination of whether the welded connection has a defect is carried out by means of machine learning methods, in particular using an artificial neural network. For example, it may be determined that the weld has a defect if the conductivity of the electrical connection through the weld between the workpieces 16a, 16b is equal to or less than a predetermined conductivity threshold. Further, the weld may be determined to have a defect if the size of the gap between lap welded workpieces 16a, 16b is equal to or greater than a gap threshold.
Die Fehlerbestimmung erfolgt gemäß Ausführungsformen nach der Durchführung des Laser schweißprozesses. 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. According to embodiments, the error is determined after the laser welding process has been carried out. If the weld is determined to have an imperfection, the weld or workpiece may be classified as bad, poor weld, and/or scrap. If it is determined that the weld joint has no defect, the weld joint or the welded workpiece can be classified as "pass" and/or as a good weld.
Die Fehlerbestimmung und damit auch die Klassifikation der verschweißten Werkstücke er folgt also durch Kombination der Sensordaten von mehreren Sensoren und Daten über den zumindest einen Bearbeitungsparameter des Laserschweißprozesses. Dadurch wird die Zu verlässigkeit 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 wer den. Defect determination and thus also classification of the welded workpieces are thus carried out by combining the sensor data from a number of sensors and data relating to the at least one processing parameter of the laser welding process. This increases the reliability of error determination. The procedure described can significantly increase the basis for evaluating the quality of the welded joint and reduce the risk of incorrect classification of the welded workpieces. In particular, this can reduce the risk of false rejects and escapes.
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 Verstell winkel des Ablenkelements der Ablenkvorrichtung 26. Ferner umfassen gemäß Ausführungsformen die Sensordaten der zumindest zwei Sensoren die ersten bis drit ten Intensitätsdaten der ersten bis dritten Intensitätssensoren der Sensoreinheit 44, wobei die
ersten bis dritten Intensitätsdaten während des Laserschweißprozesses Messwerte der Strah lungsintensität der Prozessstrahlung umfassen. According to preferred embodiments, the at least one processing parameter is the angle of incidence 25 of the laser beam 14 on the at least one workpiece 16a, 16b, the position of the laser beam 14 within the scan field 34 of the deflection device 26, the deflection of the laser beam 14 by the deflection device 26 from the zero position 32, the position of the at least one workpiece 16a, 16b within the scan field 34 of the deflection device 26, the position of the processing path 19 within the scan field 34 of the deflection device 26, the adjustment speed of the deflection element of the deflection device 26, the position and/or the adjustment angle of the deflection element of the deflection device 26. Furthermore, according to embodiments, the sensor data of the at least two sensors include the first to third intensity data of the first to third intensity sensors of the sensor unit 44, wherein the first to third intensity data during the laser welding process include measured values of the radiation intensity of the process radiation.
Wie zuvor mit Bezug auf Fig. 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 Senso ren ausgegebenen Sensordaten, insbesondere der ersten bis dritten Intensitätsdaten, beeinflus sen. As described above with reference to Figs. 1 and 2, the position of the at least one deflection element of deflection device 26 or the angle of incidence 25 of laser beam 14 on at least one workpiece 16a, 16b can determine a signal level of the sensor data output by the corresponding sensors, in particular the first to third intensity data.
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 Wel lenlänge 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. Furthermore, the focusing optics 24, in particular in the case of an F-Theta lens, can have an influence on the signal levels. The focusing optics 24 is usually only optimized for the wavelength of the laser beam 14 . The focusing optics 24 can therefore cause chromatic aberration to radiation having a different wavelength than the wavelength of the laser beam 14 . This effect is intensified by a large deflection of the laser beam 14 from the zero position 32 by the deflection device 26 .
Durch Einbeziehen und Berücksichtigen zumindest eines der genannten Bearbeitungspara meter bei der Fehlerbestimmung können die Einflüsse der Fokussieroptik 24 und der Ablenk vorrichtung 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 unzuverläs sigen 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. By including and taking into account at least one of the processing parameters mentioned when determining the error, the influences of the focusing optics 24 and the deflection device 26 on the sensor data can be taken into account when determining the error. In this way it can be avoided that variable or changing signal levels of the sensor data, which originate for example from different positions in the scan field, lead to an unreliable fault determination. The signal level can indicate an average signal level of the recorded sensor data or the measured values of the radiation intensity. The signal level can be defined in particular as the mean value over time of the measured values of the radiation intensity.
Weitere Bearbeitungsparameter, die in die Fehlerbestimmung einfließen können, können um fassen: 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. Other processing parameters that can be included in the error determination can include: an alignment of the laser welding head to the at least one workpiece, a focal position of the laser beam, a focal diameter of the laser beam, a focal shape of the laser beam, a processing speed, a processing direction, a material and/or a thickness of the at least one workpiece.
Mit Bezug auf Fig. 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 La serstrahls 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. With reference to Fig. 1, the alignment of the laser welding head 14 to the at least one workpiece 16a, 16b, the processing speed, the processing direction, the material, the thickness of the at least one workpiece 16a, 16b can be controlled by the control unit (not shown) of the laser welding head 12, for example the control unit of the deflection device 26 (not shown) and/or by the higher-level control unit (not shown) of the Laser welding system 10 are transmitted to the control unit 48. The focal position of the laser beam 14, the focal diameter of the laser beam 14 and the focal shape of the laser beam 14 can be transmitted from the collimating optics 22 or the control unit of the laser welding head 12 to the control unit 48.
Durch Berücksichtigen des Materials, insbesondere der Materialeigenschaften, bzw. der Di cke des zumindest einen Werkstücks kann insbesondere sichergestellt werden, dass die Fehlerbestimmung auch nach einem Chargenwechsel der Werkstücke zuverlässig durchge führt 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 Pro zessstrahlung. Werden diese Bearbeitungsparameter bei der Fehlerbestimmung berücksich tigt, kann die Fehlerbestimmung zuverlässiger durchgeführt werden. By considering the material, in particular the material properties, or the thickness of the at least one workpiece, it can be ensured in particular that the error determination can be reliably carried out even after a batch change of the workpieces. The surface quality is one of the material properties. This is described, among other things, by the reflection and coupling behavior of the material for the laser beam. A different surface quality can have an impact when changing batches of workpieces if the reflection and coupling behavior differ between two batches. The focal position, the focal diameter, the focal shape, the material and the thickness of the at least one workpiece and the processing speed also have an influence on the radiation intensity of the process radiation emitted during the laser welding process. If these processing parameters are taken into account in the error determination, the error determination can be carried out more reliably.
Die korrelierten Signale können auch als Inputparameter einer Laserschweißprozessregelung dienen. Für den Fall, dass die Fehlerbestimmung während des Laserschweißprozesses durch geführt wird, kann basierend auf dem Ergebnis der Fehlerbestimmung der Laserschweißpro zess geregelt werden, indem zumindest ein Bearbeitungsparameter, insbesondere die Bear beitungsgeschwindigkeit, die Laserleistung und/oder die Fokuslage des Laserstrahls, ange passt oder eingestellt wird. Wenn beispielsweise bestimmt wurde, dass die bereits ausgebil dete Schweißverbindung keine oder eine unzureichende elektrische bzw. mechanische Ver bindung zwischen den Werkstücken herstellt, kann während des Laserschweißprozesses die Laserleistung erhöht und/oder die Bearbeitungsgeschwindigkeit verringert werden. The correlated signals can also serve as input parameters for laser welding process control. If the defect determination is carried out during the laser welding process, the laser welding process can be regulated based on the result of the defect determination by adapting at least one processing parameter, in particular the processing speed, the laser power and/or the focus position of the laser beam, or is set. If, for example, it has been determined that the welded joint that has already been formed does not produce any or an insufficient electrical or mechanical connection between the workpieces, the laser power can be increased during the laser welding process and/or the processing speed can be reduced.
Mit Bezug auf Fig. 1 kann das Regeln durch die Steuereinheit 48 oder durch die übergeord nete Steuereinheit des Laserschweißsystems 10 erfolgen. With reference to FIG. 1 , the regulation can be performed by the control unit 48 or by the superordinate control unit of the laser welding system 10 .
Basierend auf dem Ergebnis der Fehlerbestimmung kann auch ein nachfolgender Laser schweißprozess geregelt werden. Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht mehrerer Werkstück gruppen in einem Scanfeld einer Ablenkvorrichtung eines Laserschweißsystems gemäß Aus führungsformen zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In Fig. 4 ist veranschaulicht, wie das Verfahren zum Überwachen von Laserschweißprozessen an mehreren Werkstückgruppen durchgeführt wird.
Es werden nacheinander drei gleichartige Werkstückgruppen Gl, 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 Fig. 3 durchgeführt. Wie gezeigt umfasst jede der Werkstückgruppen G1-G3 zwei zu verschweißende Werkstücke, die vorliegende Offenbarung ist hierauf aber nicht beschränkt. Based on the result of the error determination, a subsequent laser welding process can also be controlled. FIG. 4 shows a schematic view of several workpiece groups in a scanning field of a deflection device of a laser welding system according to embodiments to illustrate a method according to embodiments of the present disclosure. FIG. 4 illustrates how the method for monitoring laser welding processes is carried out on a number of workpiece groups. Three workpiece groups G1, G2, G3 of the same type are welded one after the other by the same laser welding process according to embodiments of the present disclosure. The method for monitoring the laser welding process according to FIG. 3 is carried out for each laser welding process, ie for each of the three workpiece groups G1-G3. As shown, each of the workpiece groups G1-G3 includes two workpieces to be welded, but the present disclosure is not limited thereto.
Jede der drei Werkstückgruppen G1-G3 befindet sich an einer anderen Position im Scanfeld 34 der Ablenkvorrichtung 26 des Laserschweißsystems 10 gemäß Fig. 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 GI GS umfassen gleichartige Werkstücke und es soll derselbe Laserschweißprozess für jede der Werkstückgruppen G1-G3 durchgeführt werden. Each of the three workpiece groups G1-G3 is located at a different position in the scan field 34 of the deflection device 26 of the laser welding system 10 according to FIG. 1. The processing path to be followed to form the weld seam is therefore also located at a different position in the scan field 34 of the deflection device 26. The three workpiece groups GI GS include workpieces of the same type and the same laser welding process is to be carried out for each of the workpiece groups G1-G3.
Wie zu erkennen ist, ist bei stationärer Anordnung des Laserschweißkopfes 12 beim Ver schweißen 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 ein gekoppelten Prozessstrahlung zwischen den Werkstückgruppe G1-G3. Beispielsweise wird für die Werkstückgruppe Gl und G3 ein kleinerer Anteil der Prozessstrahlung in den Laser schweißkopf 12 eingekoppelt als für die Werkstückgruppe G2, da der Einfallwinkel für die Werkstückgruppen Gl 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. As can be seen, with a stationary arrangement of the laser welding head 12 when welding the three workpiece groups G-1G3, the deflection of the laser beam 14 depends on the position of the respective workpiece group G1-G3 in the scan field 34 and thus on the position of the respective processing path in the scan field 34 Accordingly, the angle of incidence of the laser beam 14 and thus a proportion of the process radiation coupled into the laser welding head 12 differs between the workpiece groups G1-G3. For example, a smaller proportion of the process radiation is coupled into the laser welding head 12 for the workpiece group Gl and G3 than for the workpiece group G2, since the angle of incidence for the workpiece groups Gl and G3 is greater than for the workpiece group G2. As a result, in particular, the signal levels of the first to third intensity data vary between the workpiece groups G1-G3.
Gemäß Ausführungsformen werden die Position der jeweiligen Werkstückgruppe G1-G3, die Position des jeweiligen Bearbeitungspfad für die Werkstückgruppen G1-G3, der Einfallswin kel 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 Bestim mung, ob die durch den jeweiligen Laserschweißprozess ausgebildete Schweißverbindung einen Fehler aufweist, berücksichtigt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die variieren den 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 Gl 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 Bear beitungsgeschwindigkeit angepasst werden. According to embodiments, the position of the respective workpiece group G1-G3, the position of the respective processing path for the workpiece groups G1-G3, the angle of incidence of the laser beam 14, the deflection of the laser beam 14 from the zero position and/or the position of the laser beam 14 in the scan field 34 of the deflection device 34 when determining whether the weld joint formed by the respective laser welding process has a defect is taken into account. This can ensure that the varying signal levels of the sensor data do not lead to an unreliable error determination. The position of a machining path within the scan field 34 can be defined as the position of the center of the machining path in the scan field. Furthermore, according to embodiments, the laser welding process on the workpiece groups G1-G3 is regulated based on the error determination for a previous laser welding process. If, for example, it was determined for the workpiece group G1 welded first that the welded connection has a defect, the laser welding process for welding the workpiece groups G2 and/or G3 can be regulated accordingly. For example, the laser power, the focal position of the laser beam 14 and/or the processing speed can be adjusted.
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. Da bei 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 Schweiß prozesses zu bewerten. Auf diese Weise können Fehler sicher und mit minimalem Scheinaus schuss bzw. mit minimaler Escape-Rate automatisch detektiert werden. Des Weiteren können auch Informationen aus dem Laserschweißkopf, insbesondere einer Scannereinheit, (z.B. Po sition, 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 Ermitt lung der aktuell verwendeten Laserleistung, eine optische Kohärenztomographie, und eine visuelle Bildaufnahme und Bildverarbeitung (Kamera). Die Sensorik kann an den Laser schweißkopf angeschlossen sein. Diese Art des Vorgehens erlaubt es, die Signale echtzeitfä hig 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.
The present disclosure relates to a system for material processing using a laser beam, in particular a laser welding system, which includes a so-called laser welding head and a sensor system, preferably a laser welding head with integrated sensor system. The signals from the sensors of the sensor system are combined and evaluated in such a way that not only the signals from the individual sensors but also a correlation of the signals from a number of sensors can be used to evaluate the quality of the weld or the welding process. In this way, errors can be detected automatically and reliably with minimal false rejects or with a minimal escape rate. Information from the laser welding head, in particular a scanner unit (e.g. position, speed) can also be included in this correlation evaluation. The sensor system includes at least two of the following sensors, for example: photodiodes to evaluate the process lighting, the melt pool dynamics and the back reflection, photodiodes to determine the laser power currently used, optical coherence tomography, and visual image recording and image processing (camera). The sensors can be connected to the laser welding head. This type of procedure allows the signals to be displayed in real-time, conveniently combined with the results of the welds and correlated with one another, with the correlation being able to be established, for example, by using neural networks or other suitable methods, e.g. from the field of artificial intelligence . In addition, by acquiring and correlating sensor data from a number of sensors, insights and information regarding the need for maintenance of the laser welding system can also be obtained.
Claims
1. Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses, das Verfahren umfassend die Schritte: 1. Method for monitoring a laser welding process, the method comprising the steps:
Durchführen (Sl) des Laserschweißprozesses durch einen Laserschweißkopf, der ei nen Laserstrahl (14) auf zumindest ein Werkstück (16a, 16b) zum Ausbilden einer Schweiß verbindung einstrahlt, wobei der Laserstrahl (14) durch eine Ablenkvorrichtung (26) entlang eines Bearbeitungspfads (18) geführt wird, Carrying out (Sl) the laser welding process using a laser welding head, which radiates a laser beam (14) onto at least one workpiece (16a, 16b) to form a welded connection, the laser beam (14) being guided by a deflection device (26) along a processing path (18 ) to be led,
Erfassen (S2) von einer vom Werkstück ausgehenden und in den Laserschweißkopf eingekoppelten Strahlung als Sensordaten durch zumindest zwei Sensoren (38, 40, 44, 46) während des Laserschweißprozesses, wobei die Strahlung zumindest streckenweise überla gert mit dem Laserstrahl (14) verläuft und nach Passieren der Ablenkvorrichtung (26) aus dem Strahlverlauf des Laserstrahls (14) ausgekoppelt wird, um auf die zumindest zwei Sen soren (38, 40, 44, 46) zu treffen; und Detection (S2) of radiation emanating from the workpiece and coupled into the laser welding head as sensor data by at least two sensors (38, 40, 44, 46) during the laser welding process, with the radiation running at least partially superimposed on the laser beam (14) and subsequently Passing the deflection device (26) from the beam path of the laser beam (14) is decoupled in order to hit the at least two sensors (38, 40, 44, 46); and
Bestimmen (S3), ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, basierend auf den erfassten Sensordaten und zumindest einem Bearbeitungsparameter des Laserschweißprozes ses. Determining (S3) whether the welded connection has a defect, based on the recorded sensor data and at least one processing parameter of the laser welding process.
2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt: 2. The method of claim 1, further comprising the step of:
Klassifizieren des verschweißten Werkstücks (16a, 16b) als Ausschuss, wenn be stimmt wird, dass die Schweißverbindung einen Fehler aufweist. classifying the welded workpiece (16a, 16b) as scrap if it is determined that the weld joint has a defect.
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 La serstrahls (14), einen Fokusdurchmesser des Laserstrahls (14), eine Fokusform des Laser strahls (14), eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Bearbeitungsrichtung, einen Geschwin digkeitsvektor des Laserstrahls (14) entlang des Bearbeitungspfads (18), ein Material und/oder eine Dicke des zumindest einen Werkstücks (16a, 16b), und zumindest einen Para meter 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 Bearbeitungs pfads (18) innerhalb des Scanfelds (34) der Ablenkvorrichtung (26), eine Verstellgeschwin digkeit eines Ablenkelements der Ablenkvorrichtung (26), und/oder einen Verstell winkel ei nes Ablenkelements der Ablenkvorrichtung (26).
3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the processing parameter comprises at least one of the following parameters: an alignment of a laser welding head (12) irradiating the laser beam (14) with respect to the at least one workpiece (16a, 16b), an angle of incidence of the laser beam on the at least a workpiece, a focal position of the laser beam (14), a focal diameter of the laser beam (14), a focal shape of the laser beam (14), a processing speed, a processing direction, a speed vector of the laser beam (14) along the processing path (18), a material and/or a thickness of the at least one workpiece (16a, 16b), and at least one parameter of the deflection device (26), in particular a position of the laser beam (14) within a scan field (34) of the deflection device (26), a deflection of the laser beam (14) by the deflection device (26) from a zero position (32), the position of the processing path (18) within the Scan field (34) of the deflection device (26), an adjustment speed of a deflection element of the deflection device (26), and/or an adjustment angle of a deflection element of the deflection device (26).
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Sen soren (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 Strah lungsintensität einer während des Laserschweißprozesses emittierten Prozessstrahlung in ei nem 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 Strah lungsintensität einer von einer Oberfläche des zumindest einen Werkstücks (16a, 16b) rück- reflektierten 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 Ober fläche des zumindest einen Werkstücks (16a, 16b); und einen Abstandssensor (40), vorzugsweise umfassend einen optischen Kohärenztomo graphen, 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 Dampf kapillare und/oder eingerichtet zum Erfassen von Oberflächenprofildaten einer Oberfläche einer durch den Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the at least two sensors (38, 40, 44, 46) include at least two of the following sensors: a first intensity sensor, preferably including a photodiode, wherein the first intensity sensor is set up to detect first Intensity data of a radiation intensity of a process radiation emitted during the laser welding process in a visible wavelength range; a second intensity sensor, preferably comprising a photodiode, the second intensity sensor being set up to acquire second intensity data of a radiation intensity of the process radiation in an infrared wavelength range; a third intensity sensor, preferably comprising a photodiode, the third intensity sensor being set up to acquire third intensity data of a radiation intensity of a laser radiation reflected back from a surface of the at least one workpiece (16a, 16b); a fourth intensity sensor (44), preferably comprising a photodiode, the fourth intensity sensor being set up to acquire fourth intensity data of a radiation intensity of the laser beam (14) in order to determine an irradiated laser power; an image sensor (46), preferably comprising a camera, wherein the image sensor is set up to capture image data by recording an image of a surface of the at least one workpiece (16a, 16b); and a distance sensor (40), preferably comprising an optical coherence tomograph, the distance sensor being set up to acquire distance data of a distance to the at least one workpiece (16a, 16b) and/or set up to acquire distance data of a depth of a material generated during the laser welding process Vapor capillary and/or set up to acquire surface profile data of a surface of a weld seam formed by the laser welding process.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Erfassen der Sensor daten zumindest zwei der folgenden umfasst: 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the acquisition of the sensor data comprises at least two of the following:
Erfassen von ersten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität einer während des La serschweißprozesses emittierten Prozessstrahlung in einem sichtbaren Wellenlängenbereich, Erfassen von zweiten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität der während des La serschweißprozesses emittierten Prozessstrahlung in einem infraroten Wellenlängenbereich, Erfassen von dritten Intensitätsdaten einer Strahlungsintensität einer von dem zumin dest einen Werkstück (16a, 16b) rückreflektierten Laserstrahlung, Acquisition of first intensity data of a radiation intensity of a process radiation emitted during the laser welding process in a visible wavelength range, acquisition of second intensity data of a radiation intensity of the process radiation emitted during the laser welding process in an infrared wavelength range, acquisition of third intensity data of a radiation intensity of one of the at least one workpiece ( 16a, 16b) back-reflected laser radiation,
Erfassen von vierten Intensitätsdaten zum Ermitteln einer eingestrahlten Laserleis tung,
Erfassen von Bilddaten durch Aufnehmen eines Bildes von einer Oberfläche des zu mindest einen Werkstücks (16a, 16b), und acquisition of fourth intensity data for determining an irradiated laser power, Capturing image data by capturing an image of a surface of the at least one workpiece (16a, 16b), and
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 Oberflä- chenprofildaten einer Oberfläche einer durch den Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht. Detection of distance data of a distance between a laser welding head 12) radiating the laser beam (14) and the at least one workpiece (16a, 16b) and/or a depth of a vapor capillary produced during the laser welding process and/or of surface profile data of a surface of a surface formed by the laser welding process Weld.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen, ob ein Fehler der Schweißverbindung vorliegt, während der Durchführung des Laserschweißprozes ses in Echtzeit und/oder nach der Durchführung des Laserschweißprozesses erfolgt. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the determination of whether there is a defect in the welded connection takes place in real time while the laser welding process is being carried out and/or after the laser welding process has been carried out.
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). A method according to any one of the preceding claims, wherein it is determined whether the weld joint has one of the following defects: a missing or insufficient electrical and/or physical connection through the weld joint and/or a gap between welded workpieces (16a, 16b).
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, mittels Algorithmen und/oder mittels eines Ver fahrens des maschinellen Lernens, insbesondere unter Verwendung eines künstlichen neuro nalen Netzes, erfolgt. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the determination of whether the welded connection has a defect is carried out using algorithms and/or using a machine learning method, in particular using an artificial neural network.
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), 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein determining whether the welded joint has a defect comprises: evaluating the sensor data separately for each of the at least two sensors (38, 40, 44, 46),
Kombinieren der Auswertungen durch eine logische Verknüpfung, und Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, basierend auf der kom binierten Auswertung. combining the scores by a logical operation, and determining whether the weld has a defect based on the combined score.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: 10. The method according to any one of the preceding claims, further comprising:
Regeln des Laserschweißprozesses, wenn bestimmt wurde, dass ein Fehler der Schweißverbindung vorliegt, durch Anpassen zumindest eines Bearbeitungsparameters. Controlling the laser welding process when it has been determined that there is a defect in the weld joint by adjusting at least one processing parameter.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: Vorverarbeiten, insbesondere mittels eines FPGA, der Sensordaten der zumindest zwei Sensoren (38, 40, 44, 46).
11. The method according to any one of the preceding claims, further comprising: pre-processing, in particular by means of an FPGA, the sensor data of the at least two sensors (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. 12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the deflection device (26) has a maximum deflection angle of greater than 10 degrees, in particular 20 degrees, and/or wherein the deflection device (26) has a scan field (34), its length and/or width is equal to or greater than 50 mm.
13. Laserschweißsystem (10), umfassend: einen Laserschweißkopf (12) zum Einstrahlen eines Laserstrahls (14) auf zumindest ein Werkstück (16a, 16b) zum Ausbilden einer Schweißverbindung, wobei der Laserschweiß kopf (12) eine Ablenkvorrichtung (26) zum Führen des Laserstrahls (14) entlang eines Bear beitungspfads (18) umfasst, zumindest zwei Sensoren (38, 40, 44, 46), wobei jeder der Sensoren (38, 40, 44, 46) zum Erfassen von der vom Werkstück ausgehenden und in den Laserschweißkopf eingekop pelten Strahlung als Sensordaten während des Laserschweißprozesses eingerichtet ist, und eine Steuereinheit (48), die eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der vorste henden Ansprüche durchzuführen. 13. Laser welding system (10), comprising: a laser welding head (12) for radiating a laser beam (14) onto at least one workpiece (16a, 16b) to form a welded joint, the laser welding head (12) having a deflection device (26) for guiding the laser beam (14) along a processing path (18), at least two sensors (38, 40, 44, 46), each of the sensors (38, 40, 44, 46) for detecting the emanating from the workpiece and into the laser welding head coupled-in radiation is set up as sensor data during the laser welding process, and a control unit (48) which is set up to carry out a method according to one of the preceding claims.
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. 14. Laser welding system (10) according to claim 13, wherein the control unit (48) is set up to regulate the laser welding process, in particular by adjusting the laser power and/or the focus position of the laser beam (14), based on the determination of whether the welded connection has an error.
15. Laserschweißsystem (10) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei der Laser schweißkopf (12) zumindest eines der folgenden Elemente umfasst: eine erste Einkoppel Vorrichtung (23a) zum Einkoppeln des Laserstrahls (14) in die Ablenkvorrichtung (26) und zum Auskoppeln der vom Werkstück ausgehenden Strahlung aus einem Strahlengang des Laserstrahls (14), wobei die erste Einkoppel Vorrichtung (23a) in Aus breitungsrichtung des eingestrahlten Laserstrahls (14) vor der Ablenkvorrichtung (26) ange ordnet ist; eine zweite Einkoppelvorrichtung (23b) zum Aufteilen der aus dem Strahlengang des Laserstrahls (14) ausgekoppelten Strahlung, um einen Teil der Strahlung auf einen ersten der zumindest zwei Sensoren und einen anderen Teil der Strahlung auf einen zweiten der zumin dest zwei Sensoren zu richten; 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).
15. Laser welding system (10) according to one of claims 13 or 14, wherein the laser welding head (12) comprises at least one of the following elements: a first coupling device (23a) for coupling the laser beam (14) into the deflection device (26) and for Decoupling the radiation emanating from the workpiece from a beam path of the laser beam (14), the first coupling device (23a) being arranged in front of the deflection device (26) in the direction of propagation of the irradiated laser beam (14); a second coupling device (23b) for dividing the radiation coupled out of the beam path of the laser beam (14) in order to direct part of the radiation to a first of the at least two sensors and another part of the radiation to a second of the at least two sensors; collimation optics (22) for adjusting the focal position of the laser beam (14), and an F-Theta lens (24) for focusing the laser beam (14) onto the at least one workpiece (16a, 16b).
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