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.

Hintergrund und Stand der Technik

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.

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.

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.

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.

Offenbarung der Erfindung

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.

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.

Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Laserschweißsystem anzuge ben, das zum Durchführen des Verfahrens eingerichtet ist.

Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteil hafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der entsprechenden ab hängigen Ansprüche.

Die vorliegende Offenbarung beruht auf dem Grundgedanken, dass ein Laserschweißprozess zum Verschweißen von Werkstücken überwacht wird, d.h. dass bestimmt wird, ob eine durch den Laserschweißprozess ausgebildete Schweißverbindung einen Fehler aufweist, indem Sensordaten von mindestens zwei Sensoren korreliert werden. Dabei kann die Bestimmung, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, insbesondere basierend auf Sensordaten von mehreren Sensoren sowie optional zusätzlich basierend auf zumindest einem 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Einer oder mehrere der genannten Aspekte kann eines oder mehrere der folgenden opti onalen Merkmale aufweisen:

Die Ablenkvorrichtung kann eingerichtet sein, den Laserstrahl innerhalb eines Scanfelds der Ablenkvorrichtung auf dem zumindest einen Werkstück abzulenken.

Wenn bestimmt wird, dass die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann die 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann mittels Algorithmen und/oder mittels eines Verfahrens des maschinellen Lernens, insbesondere unter Verwendung eines künstlichen neuronalen Netzes, erfolgen.

Das Bestimmen, ob die Schweißverbindung einen Fehler aufweist, kann umfassen: getrenntes Auswerten der Sensordaten für jeden der zumindest zwei Sensoren, Kombinieren der 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Ferner kann das Laserschweißsystem eine Schnittstelle aufweisen, um die Sensordaten und Daten des Bearbeitungsparameters, insbesondere Soll-Werte, an eine externe Steuereinheit oder die übergeordnete Steuereinheit, beispielsweise einen externen Rechner, zu übertragen.

Zudem kann das Laserschweißsystem ein Ringlicht aufweisen. Das Ringlicht kann separat schaltbare Segmente aufweisen. Mithilfe des Ringlichts kann durch den Bildsensor ein Bild bzw. Video mit einem hohen Kontrast erhalten werden. Unter Verwendung des Ringlichts kann ein sehr kontrastreiches Bild in einem sogenannten „shape-by-shading“-Verfahren 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.

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.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Laserschweißsystems gemäß Ausführungsfor men der vorliegenden Offenbarung;

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung eines Scanfelds einer Ablenk vorrichtung eines Laserschweißsystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offen barung;

Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Laserschweißpro zesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;

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.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Sensoreinheit 44 ist nicht auf eine Kombination des ersten bis dritten Intensitätssensors beschränkt, sondern kann auch nur einen oder zwei dieser Intensitätssensoren umfassen. Die Intensitätssensoren sind vorzugsweise als Photodioden ausgebildet.

Das Laserschweißsystem 10 umfasst in der in 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.

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 Strahlung

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.

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.

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.

Die Steuereinheit 48 ist eingerichtet, um die Sensordaten zu empfangen, und ist eingerichtet, um Soll-Werte des zumindest einen Bearbeitungsparameters zu empfangen. Die Steuereinheit

48 ist eingerichtet, um basierend auf den Sensordaten von zumindest zwei der Sensoren und basierend auf dem zumindest einen Bearbeitungsparameter zu bestimmen, ob die durch den Laserschweißprozess ausgebildete Schweißverbindung einen Fehler aufweist. Die 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Mit Bezug auf Fig. 1 kann das Regeln durch die Steuereinheit 48 oder durch die übergeord nete Steuereinheit des Laserschweißsystems 10 erfolgen.

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.

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.

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.

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.

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.