本发明专利技术涉及提供了一种用于在激光加工过程期间确定蒸汽毛细管的深度的方法，该方法包括：将加工激光束照射到至少一个工件上用于形成蒸汽毛细管，其中，加工激光束通过第一偏转装置在工件上沿着加工路径在第一扫描场内偏转；将光学测量射束照射到工件上，其中，光学测量射束通过第二偏转装置在工件上相对于加工激光束沿着探测路径在探测区域内偏转，并且随后通过第一偏转装置与加工激光束一起偏转；基于光学测量射束的由工件反射的份额沿着探测路径检测距离测量值；基于所检测的距离测量值确定蒸汽毛细管中的一个的深度和/或位置，其中，基于加工激光束的位置和/或基于加工激光束的偏转和/或基于加工激光束通过第一偏转装置的偏转来确定探测区域的大小。此外，提出一种所属的激光加工系统。种所属的激光加工系统。种所属的激光加工系统。
【技术实现步骤摘要】
用于监控激光加工过程的方法以及所属的激光加工系统
[0001]本专利技术涉及一种用于监控激光加工过程、尤其是激光焊接过程的方法以及一种用于监控激光加工过程的激光加工系统、尤其是激光焊接系统。
技术介绍
[0002]在激光加工系统(也称为激光加工设备或简称设备)中，为了加工工件，从激光束源或激光光导纤维端部发出的加工激光束被聚焦到待加工工件上。加工可以包括激光束焊接。激光加工系统可以包括激光加工头，例如激光焊接头，在该激光加工头中集成有射束引导光学器件。为了加工，激光束照射到工件表面上，其中，激光束沿着所谓的加工路径在表面上运动。在此，在工件表面(激光束照射到该表面上)之间的区域中直至工件内的一定深度形成蒸汽毛细管、也称为键孔(Keyhole)。在蒸汽毛细管的区域中，工件的材料通过所照射的激光功率如此强烈地加热，使得该材料蒸发。蒸汽毛细管被材料处于熔化状态下的区域包围。该区域称为熔池。
[0003]蒸汽毛细管的深度、即在工件的(未加工的)表面和蒸汽毛细管的最深部位之间的距离有较大意义。蒸汽毛细管的深度例如与焊入深度、即工件的材料在加工期间已经熔化的深度相关。一方面，了解蒸汽毛细管的深度或焊接深度允许推断出焊接连接的强度，即是否已经足够深地焊入；另一方面，通过了解蒸汽毛细管的深度可以确保焊缝在下侧不可见，即不存在不期望的焊穿。因此，蒸汽毛细管的深度，也称为键孔深度是对于在激光束焊接中产生的焊接质量的决定性因素。蒸汽毛细管的最深部位也称为键孔底部或加工基底。
[0004]出于这个原因，在激光束焊接期间蒸汽毛细管的深度的测量有较大意义。最近，深度测量或距离测量借助光学相干断层成像(英文“optical coherence tomography”，简称“OCT”)无接触地实现。为此，光学相干断层成像装置的光学测量射束(也称为OCT测量射束)照射到工件上，并且光学测量射束的一部分从工件反射回到光学相干断层成像装置中。然而，为了能够可靠地测量蒸汽毛细管的深度，必须确保光学测量射束在最深部位处进入到蒸汽毛细管中并且从那里反射的光又返回到光学相干断层成像装置中。
[0005]通常，蒸汽毛细管的最深部位的位置与加工激光束的位置不一致。蒸汽毛细管在工件表面上的位置、形状和大小取决于激光加工过程的当前参数。该参数例如包括加工速度(也称为进给速度)、加工方向、加工激光束的功率、加工激光束的焦点大小、工件的材料等。例如，加工速度的提高导致蒸汽毛细管的位置与加工激光束的位置之间的距离增大。
[0006]出于这个原因，将OCT测量射束如此定位在工件上，使得从而能够可靠地求取蒸汽毛细管的最深部位是最大的挑战之一。如果使用所谓的扫描系统作为用于激光束焊接的激光加工系统，在该系统中，加工激光束借助扫描镜或其它偏转单元移过加工路径，则该问题再次被放大。因为加工激光束和OCT测量射束相对于物镜和工件的色像差以及角度变化引起OCT测量射束在工件上位于与加工激光光线不同的位置处。此外，在扫描系统中，尤其在基于扫描仪的焊接系统中，经常以高的加工速度工作，因此典型地蒸汽毛细管的位置与加工激光器的位置或焦点之间的偏差明显大于在固定光学系统中。这种问题由于经常改变焊
接方向和焊接速度而加剧。
[0007]此外，还会出现其它效应如扫描系统的镜反射的偏振相关性、热影响、扫描系统或工件所处的外部轴的运动以及与之相关联的振动、以及接合配对件的波动的材料特性，这些效应可能不利地影响测量。
[0008]利用光学相干断层成像装置测量键孔深度的典型的扫描系统尝试通过扫描OCT测量射束以加工激光束在工件上的位置为中心“随机地”照射键孔。这种扫描典型地具有固定不变的图案(例如圆、平放的“8”字、螺旋)。这意味着，在大多数测量(典型的测量频率位于10kHz至500kHz的范围内)中，OCT测量射束不照射到键孔中，并且必须将少量来自键孔的测量从所有测量的集合中过滤出。因为扫描图案是固定地预给定的，所以扫描图案的大小，即扫描区域必须匹配于键孔的位置最没有把握的过程状况。因此，通常预给定用于扫描图案的大的扫描区域，该扫描区域必须在短时间内被测量射束扫描。这导致来自键孔的测量的部分随着增大的扫描区域大小而变小。如果现在实施仅形成小键孔直径的焊接，则该比例进一步变差。
[0009]测量质量下降的原因在于，一方面光学相干断层成像装置可以工作的测量频率受限，另一方面OCT测量射束的强度被限制。两者都导致，随着用于OCT测量射束的扫描区域大小增大，来自键孔的最深部位产生的信号越来越少，并且从扫描区域的特定大小开始，最终不再获得足够的来自键孔的测量，以便能够做出关于键孔深度的足够精确的结论。
技术实现思路
[0010]本专利技术的任务是给出一种系统和方法，借此能够提高在激光加工过程期间确定蒸汽毛细管的深度和/或位置的可靠性、速度和准确性。
[0011]该任务通过独立权利要求的内容来解决。有利的构型和扩展方案是从属权利要求的内容。
[0012]本专利技术的基本构思在于，在激光加工过程期间确定或限制工件的如下区域，该区域必须被用于干涉或光学测距的光学测量射束(例如用于光学相干断层成像)探测或扫描。该区域(在下面也称为探测区域)的确定通过以下方式实现：探测区域，例如探测区域的大小、位置和形状基于激光加工过程的至少一个当前(过程)参数来确定或匹配。尤其可以基于激光加工射束在第一偏转装置的第一扫描场内的位置来匹配探测区域，在该探测区域中，光学测量射束探测工件表面，用于将激光加工射束沿着预给定的加工路径偏转。由此可以减少错误测量、即在蒸汽毛细管外部测量的概率。
[0013]探测区域也可以称为搜索区域或者说扫描区域，并且可以说明工件上的如下区域，在该区域内，工件被光学测量射束探测，用于确定蒸汽毛细管的位置和深度。探测区域可以相对于激光加工射束是静止的。因此，探测区域可以跟随沿着加工路径偏移的加工射束。探测可以通过使光学测量射束沿着在探测区域内的探测路径照射和偏转以及基于从工件反射回的部分沿着探测路径检测距离测量值来实现。蒸汽毛细管的位置和/或蒸汽毛细管的深度可以随后基于检测到的距离测量值来确定。蒸汽毛细管的位置可以被限定为蒸汽毛细管的最深部位的位置，而蒸汽毛细管的深度可以被限定为工件的(未加工)表面与蒸汽毛细管的最深部位之间的距离。
[0014]探测区域的大小可以表示工件上的探测区域的面积。探测区域的形状可以表示探
测区域的几何形状，即该形状在改变大小时可以是不变的。探测区域的位置可以被限定为探测区域在工件上的中心点或面重心的位置。
[0015]代替利用光学测量射束以固定地预给定的扫描图形移过或探测围绕加工激光束的区域(也称为加工场)，在本专利技术中，搜索蒸汽毛细管的探测区域因此被显著地减小。此外，例如可以根据光学测量射束在工件上的位置或在第一和/或第二扫描场内的位置来匹配该光学测量射束的焦点位置。在干涉测距参数不变的情况下，首先得到光学测量射束的由蒸汽毛细管反射的部分的较高的信号强度和从而得到更好的信噪比。其次，获得明显更多的“来自蒸汽毛细管本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于监控激光加工过程、尤其是激光焊接过程的方法，其包括：
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将加工激光束(14)照射到至少一个工件(18a、18b)上，用于形成蒸汽毛细管，其中，所述加工激光束(14)在所述工件(18a、18b)上通过第一偏转装置(26)沿着加工路径(70)在该第一偏转装置(26)的第一扫描场(64)内偏转，
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将光学测量射束(36)照射到所述工件(18a、18b)上，其中，所述光学测量射束(36)通过第二偏转装置(52)相对于所述加工激光束(14)偏转，并且随后与所述加工激光束(14)一起通过所述第一偏转装置(26)偏转，其中，所述光学测量射束(36)在所述工件(18a、18b)上通过所述第二偏转装置(52)沿着探测路径(82)在探测区域(76)内偏转，
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基于所述光学测量射束(36)的由所述工件(18a、18b)反射的部分沿着所述探测路径(82)检测距离测量值，
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基于检测到的距离测量值确定所述蒸汽毛细管的深度和/或位置，其中，基于所述加工激光束(14)在所述第一扫描场(64)中的位置(68)匹配所述探测区域(76)的大小。2.根据权利要求1所述的方法，其中，还基于所述加工激光束(36)在所述第一扫描场(64)中的位置(68)匹配所述探测区域(76)的位置和/或形状，和/或其中，基于沿着所述加工路径(70)的加工速度匹配所述探测区域(76)的位置、大小和/或形状。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括确定所述蒸汽毛细管的理论位置(80)，以及基于所确定的所述蒸汽毛细管的理论位置(80)来确定所述探测区域(76)的位置。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述加工激光束(14)沿着所述加工路径(70)在没有振荡运动叠加的情况下运动，和/或，其中，所述加工激光束(14)沿着所述加工路径(70)仅通过借助所述第一偏转装置(26)的偏转来运动，和/或，其中，激光加工头在激光加工过程期间相对于所述工件保持静止，所述加工射束(14)通过该激光加工头照射到所述工件上。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述加工激光束(14)的位置(68)越靠近所述第一扫描场(64)的边缘和/或加工速度越大，则所述探测区域(76)的大小确定得越大。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，加工速度越大，则所述探测区域(76)的位置与所述加工激光束(14)的位置(68)之间的距离确定得越大。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述探测区域(76)的位置、形状和/或大小确定为，使得所述加工激光束(14)的位置(68)位于所述探测区域(76)外。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二偏转装置(52)具有第二扫描场(66)，所述第二扫描场小于所述第一扫描场(64)。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述加工激光束(14)的位置(68)是所述加工激光束(14)在所述激光加工过程期间的当前位置，和/或其中，所述探测区域(76)实时地被确定。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述探测区域(76)、尤其是所述探
测区域(76)的位置、形状和/或大小，和/或所述蒸汽毛细管的理论位置(80)基于以下至少一个参数来确定：所述加工激光束的加工方向(74)、所述加工激光束的速度矢量、所述加工激光束(14)的功率、所述至少一个工件(18a、18b)的材料和/或厚度、所述第一偏转装置(26)的偏转角、所述加工激光束(14)在用于所述加工激光束(14)的激光源(12)与所述至少一个工件(18a、18b)之间...
【专利技术属性】
技术研发人员：T，
申请(专利权)人：普雷茨特两合公司，
类型：发明
国别省市：
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