CN103857490A - 用于识别激光加工过程期间缺陷的方法以及激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于识别在利用激光束（14）加工过程期间的缺陷的方法，为了借助于加工头（12）生成焊缝或者割缝，所述激光束沿着预定的任意的焊接轨迹或者切割轨迹（34）在待加工的工件（18）上方运动，所述方法包括以下步骤：a）借助于探测器（40）二维空间分辨地探测从工件侧发出的和/或反射的辐射，所述探测器设置在所述加工头（12）中或者所述加工头上；b）依据用于控制所述激光束（14）沿所述切割轨迹或者焊接轨迹运动的控制数据、或者依据所述激光束（14）沿所述焊接轨迹或者切割轨迹（34）事前所获得的实际位置数据，在所述探测器（40）的探测场域（46）中选择至少一个探测场域片段；c）分析处理在所选择的探测场域片段中被二维空间分辨地探测的辐射；以及d）依据在所选择的探测场域片段中被分析处理的辐射，识别切割棱边或者所述焊缝上的缺陷。本发明还涉及一种用于实施按照本发明的方法的激光加工装置（10）。

Description

用于识别激光加工过程期间缺陷的方法以及激光加工装置

技术领域

本发明涉及一种用于识别在激光加工过程期间缺陷的方法以及激光加工装置。

背景技术

在激光加工工件时采用过程监测装置，以便识别过程期间的缺陷。因此，例如可能在激光焊接工件时形成了焊缝的接合缺陷，其中，在相互焊接的工件之间局部地不存在材料锁合连接。因为在这种接合缺陷的情况下焊缝从外部观察看起来是无缺陷的，因此通常必须考虑用于清楚识别该焊缝缺陷的间接判定参数。

在文献WO2008/145237A1关于此公开了一种方法，在该方法中采用相对于激光束同轴地定向的探测器，以便在传感装置的探测场域中二维空间分辨地探测从工件侧发出的辐射。通过分析处理在连接到液态熔池上的凝固的熔体的区域中和/或在焊缝的液态熔池的区域中事前所探测的辐射来识别焊缝缺陷。在该方法中焊接直线焊缝，从而激光束的焦斑和产生的焊缝在摄像机的工件侧的探测场域中、也就是其工件侧的图像检测区域中具有固定已知的（中心的）位置。直线焊缝走向允许摄像机图像的简单分析处理，因为必须分析处理在图像中事前所确定的、总是相同的部位上仅仅受限的图像区域。

然而在实践中，在激光加工过程时也产生这样的截面或者焊缝：该截面或者焊缝具有可自由编程的、例如曲线形状。

在切割或者焊接任意成形的轨迹时，割缝、熔池和焊缝在用于图像分析处理的摄像机图像中的位置是不可预见的，因为该位置与加工头的进给方向有关。出于这个原因，为了识别缺陷必须相应分析处理光电探测器的整个探测场域，以便可靠地探测割缝或者焊缝的位置。这鉴于所采用的探测器在实践中所需要的视觉上和时间上的分辨率（图像重复率）是极端复杂、耗费运算和耗费时间的。此外，在加工头与设置在该加工头中的扫描光学设备相对于待加工的工件在实践中通常叠加地运动的情况下（例如在远程激光焊接的情况下），该问题再次进一步变得困难。

由文献DE 10 2008 062 866 A1公开一种用于识别在焊缝上的缺陷的方法，该焊缝在前述的激光扫描器焊接过程的进程中产生。在完成焊缝之后，在那里利用通过上述方式相对于激光束同轴地定向的摄像机来探测从工件侧发出的热辐射，并且依据所探测的热辐射的分析处理来识别焊缝上的缺陷。在该方法中，在确定焊缝上的缺陷时不再可以调整地干预到焊接过程中。除此之外必须相应中断用于焊缝检查的激光焊接过程，这在时间和成本方面不太有利。

文献DE 10 2007 025 463 A1公开了一种激光扫描器钎焊方法，其中，为了监测钎焊过程同样在扫描头的探测光路中设置相对于激光束同轴地定向的摄像机。工件的点式激光加工以快速的顺序在工件的多个加工位置上实现。为了允许几乎实时监测在单个加工点上的加工过程，相应通过扫描器的控制信号来触发摄像机的图像拍摄。于是，各个图像拍摄对应于相应不同的加工顺序，从而得出每个加工点的每一个图像序列。随后可以单独地分析处理这些图像序列。

由文献DE 10 2007 024 510 B3公开了用于实时监测激光扫描器加工过程的方法，其中，借助于激光束将额定断裂线引入到工件中。在工件的背向激光束的侧上，通过位置固定的矩阵摄像机来检测相应的加工区域、也就是沿预定的加工轨迹待引入到工件中的额定断裂部位。为了监测激光加工过程，读出和分析处理该矩阵摄像机的CMOS探测器的仅仅已知的像素，对于这些像素期待所述测量辐射的撞击。由此可以减小对于探测的辐射的分析处理所需要的运算和时间成本。由于在空间上静止的并且相对于激光束非同轴地定向的探测器的原因，该方法难以灵活地应用。因此不予考虑使用静止设置的测量光学设备，特别是在机器人技术支持的远程激光焊接过程中、例如在对于轿车的车身上。

发明内容

本发明的任务在于提供一种用于识别在激光加工过程期间可自由编程的任意成形的焊缝上或者任意成形的割缝上的缺陷的方法以及一种激光加工装置，所述方法和所述装置克服了现有技术的缺点，特别是允许更快速、更简单并且在此更可靠地识别在非直线焊缝或非直线割缝上的缺陷。

涉及该方法的任务按照本发明通过具有在权利要求1中所提出的特征的方法解决，并且涉及该加工装置的任务通过具有在权利要求17中所提出的特征的加工装置解决。

本发明的对象的其它优点和有利的设计方案产生于说明书、权利要求书以及附图。

在按照本发明用于识别缺陷的方法中，通过自身已知的方式借助于探测器探测从工件侧发出的辐射和/或由照明装置指向工件并且在那里反射的辐射。该探测器设置在加工装置的加工头中或其上。按照本发明，依据用于控制激光束沿加工轨迹的运动的控制数据（也就是依据激光束的额定位置数据）或者依据激光束沿焊接-或切割轨迹事前所获取的实际位置数据来选择在探测器的探测场域中的至少一个探测场域片段作为检查区域。仅仅在该探测场域片段中实现了探测测量值的分析处理。额定位置数据或实际位置数据给出关于预定轨迹的情况，激光束沿着该轨迹在待加工的工件上方运动。轨迹曲线的走向也用作用于分析处理探测数据的预先认识。

优选从用于至少一个设置在扫描加工头中的偏转器件（例如扫描镜）绕其摆动轴线摆动运动的控制数据来获取激光束的额定位置数据。在不具有扫描光学设备的加工头中，激光束的额定位置数据从用于控制加工头相对于工件的相对运动的控制数据推导出。在加工头和扫描光学设备叠加运动的情况下，激光束的额定位置数据从扫描光学设备和加工头的控制数据的组合中产生。

为了在加工期间获取激光束的实际位置数据，特别是可以使用在加工头中设置的辐射偏转器件绕其摆动轴线的位置数据（例如其相应的摆动角）、或使用相对于偏转器件绕其摆动轴线摆动的速度测量值/-向量。替代地或附加地可以包含加工头沿/绕其运动轴线的位置坐标和/或速度向量。

基于这些信息，尽管焊缝或割缝在探测场域内部的位置和定向持续变化，还是可以可靠地在探测场域中限定作为检查区域所选择的探测场域片段。通过这种方式，该探测场域片段可以与激光束的赶在前面的激光焦斑同步地一起引导。因此，焊缝或者割缝可以在其产生期间在总是相同的轨迹区段上相对于激光束在工件上方运动的焦斑来针对缺陷被检查。

在探测器的整个探测场域上二维空间分辨地探测的辐射，仅仅在一个或多个限定的探测场域片段的区域中被分析处理。为此分析处理该探测器（例如CCD或CMOS探测器）这样的图像点（像素）的相应测量信号，这些图像点对应于探测场域中相应被限定的探测场域片段（探测场域分区域）。与探测器的整个探测场域相比，所述探测场域片段仅是探测场域的很小的分区域。由此使得相应待分析处理的数据量的范围最小化，这提供了时间上的优点。也可以想到的是，如果所采用的探测摄像机允许的话，主要仅仅针对依据已知的轨迹曲线被动态地一起引导的探测场域片段来拍摄图像数据。

用于激光束运动的控制数据（即激光束的额定位置数据）和/或激光束在加工过程期间的实际位置数据，优选在所述加工过程开始之前或者在过程期间实时地由所述加工头的控制单元传送至分析处理单元，用于分析处理由所述探测器二维空间分辨地探测的辐射。由此，既不必为了探测由工件发出的辐射、也不必为了分析处理在相应选择的探测场域片段中所探测的辐射而中断激光加工过程。这使得在加工过程期间实时地识别缺陷成为可能，这提供了在制造技术上的优点。

所述控制数据或者实际位置数据优选经由数据线从激光加工装置的控制单元传送至分析处理单元。在此，控制数据可以在分析处理单元的存储器中暂存或者例如对于重复的相同的焊接过程持久地被存储。替代地，分析处理单元也可以是激光加工装置的控制单元的一部分，从而通过软件实现将轨迹信息传输至分析处理单元。

焊缝（即直接连接到液态熔池上的凝固的熔体）的热图像可以众所周知地给出关于相互焊接的工件（特别是板件）之间连接的情况。在工件之间完全材料连接的情况下，由于热传导到两个工件中的原因比较快速地实现冷却。如果存在焊缝的接合缺陷、即焊缝具有一个或多个在工件之间未完全材料连接的区域，则干扰了到工件中的热流。因此，焊缝在出现这样的接合缺陷的情况下更长时间地保持热。通过分析处理在探测器的探测场域的探测场域片段的区域中所探测的（热）辐射，可以求得到工件中的地点上或时间上的热导出，并由此识别焊缝的接合缺陷，因为冷却的焊缝的热梯度显著变化。

因为激光束通常在焊接时以恒定速度在相互待焊接的工件上方运动，所以绕工件侧的激光加工面构成基本上静止的温度区。因此，到一个/多个工件中的热导出在时间上的走向，可以通过空间分辨的测量来确定。在此，二维空间分辨的测量使得非常可靠的测量值的获得成为可能。

在按照本发明的方法的优选的变型中，所述至少一个探测场域片段是连接到液态熔池上的凝固的熔体的轮廓截面。在这种情况下，可以通过分析处理沿着凝固的熔体的轮廓截面二维空间分辨地所探测的辐射来确定对于在凝固的熔体中的热导出的至少一个特征值。并且预给出针对在凝固的熔体中的热导出的、优选通过试验确定的参考值。然后，通过至少一个特征值与至少一个预定的参考值的比较来识别在焊缝上的缺陷。

在另一优选的变型中，沿着以下所述的至少两个探测场域片段所探测的辐射被分析处理：所述探测场域片段相互间隔、垂直或者接近垂直于焊缝延伸并且构造成轮廓截面。所述两个轮廓截面中的一个轮廓截面优选直接选在熔池后面，并且至少另一个轮廓截面选择以限定的间距与所述熔体相对较远。在两个轮廓截面中的每个轮廓截面上分析处理垂直于焊缝的热辐射的分布，从而可以获取焊缝的相应最热的部位、即所探测的辐射的强度最大值。与在焊缝的走向中的单个点的探测相比，最热部位的这种可靠的探测显著提高了测量的可靠性。为了分析处理，可以从轮廓截面的辐射的强度最大值计算出一个系数。如果该系数超过预定的参考值或者该系数的倒数低于预定的参考值，则存在接合缺陷。预定的参考值是应用特定的并且必须提前相应通过试验获取。替代地或补充地，可以通过类似的方法依据相应的轮廓半值宽度来实现接合缺陷的识别。

在另一特别优选的变型中，沿以下所述的轮廓截面所探测的辐射被分析处理：所述轮廓截面基本上平行于焊接轨迹、优选在焊缝的对称轴线上延伸。沿该轮廓截面的辐射强度（该辐射强度相应于在例如借助于摄像机的拍摄中的像素亮度）具有针对到该构件中的热导出表征的走向。

因此可以确定一个特征值，其方法是：将沿着轮廓截面的辐射强度（在空间上）的走向与一个模型的走向、优选与一个指数函数相比较。沿着轮廓截面的辐射强度的走向可以通过一个数学模型、例如指数函数来描述：

I=B*exp(C*X)-A

其中，I是辐射强度，A是（均匀接收的）背景辐射的份额，并且X是沿轮廓截面的位置，并且其中匹配系数“B”和“C”是针对到工件中的热传输表征的变量。在出现接合缺陷时，系数“B”的结果是上升，而系数“C”变得明显更小。

在此，指数函数与焊缝的热轨迹相匹配的品质可以通过合适的数值、例如通过缺陷平方的和（所谓的卡方误差）描述。在匹配成功的情况下，对于每个探测图像的特征值具有小的数值。如果在焊缝走向中或在时间顺序的探测图像中求得局部高的卡方误差，则这表明热轨迹的局部干扰、例如工件中的孔。

根据本发明的一个优选的改进方案，所述至少一个探测场域片段包括具有激光束的焦斑的焊缝的液态熔池。在分析处理所述探测场域片段中所探测的辐射时，确定了所述探测场域片段中辐射的强度分布，其中，依据该强度分布来定位所述液态熔池的强度最小区域，并且依据该强度最小区域的相对位置和/或依据所定位的强度最小区域的强度来识别焊缝上的缺陷。

在空间分辨地探测在所述液态熔池的接近毛细的熔体的区域中所发出的辐射的情况下，在搭接位置上焊接时通常表明为辐射的强度最小区域，该强度最小区域通过激光焦斑引起。众所周知，小面积的强度最小区域可以位于激光束的焦斑内部，该小面积的强度最小区域代表毛细开口。强度最小区域或最大区域理解为这样的区域：该区域的辐射强度处于其余的液态熔池的辐射强度之下或之上。随后的实施方案不涉及位于激光焦斑内部的小面积的强度最小区域，而是涉及参照加工方向位于激光焦斑的强度最小区域后面的、相比较大面积的强度最小区域。已经证实的是，由该强度最小区域的特征可以推断出焊接缺陷。

因此，为了识别焊缝的接合缺陷可以将激光的焦斑的后棱边与被定位的强度最小区域的前棱边之间的间距来与一个预定的极限间距相比较。发明者已经认识到，如果强度最小区域的面与激光的焦斑相交，则可以认为工件之间好的材料连接。如果该强度最小区域与激光的焦斑分离，则这表明焊缝的接合缺陷。

通过强度最小区域的主要的前棱边（或者由强度最小区域的形状所插值的前棱边）相对于激光的焦斑的后棱边的间距进行分析处理，可以判定焊缝质量、即识别焊缝上的缺陷。在相交的情况下认为板件之间材料连接。在间距超过可限定的或已限定的极限间距的情况下诊断出接合缺陷。该极限间距通过测试焊接来获取并且可以在个别情况下也采用零值或者负值，从而立刻通过强度最小区域与激光束的焦斑的分离来识别接合缺陷。

在补充的或替代的变型中，如果未找到所探测的辐射的强度最小区域，则探测该焊缝上的接合缺陷。在激光焦斑后面的强度最小区域是由于板件之间所必要的缝隙而指示的熔池空缺。如果上板件和下板件一开始分离的熔体在激光照射面后面熔合成一个共同的熔池，则熔池空缺出现。所述缝隙在该情况下被桥接并且产生板件之间的材料连接。然而如果上板件和下板件的熔体不熔合，则在激光束的已知焦斑内部辐射最大区域或必要时可能已知的毛细管开口在焊接期间基本上是可见的。于是，在激光束的焦斑后面的强度最小区域消失，这表明了接合缺陷。在这种情况下，上板件和下板件的各个熔体单独地凝固并且产生所谓的“假朋友”。

在一个特别有利的变型中，将在此所描述的方法与其它上述方法组合。在焊接过程期间在液体熔体上被接收的信号提供了缺陷预测，并且自然不能检测在冷却时通过凝固的熔体的变化所产生的焊缝的变化。例如关于接合缺陷的进一步的信息被获得，其方法是：直接紧接着焊接之后观察凝固的熔体的区域。在此，借助于组合的分析处理立刻检查：在接近毛细的熔体的监测中宣告发生的焊缝缺陷是否在冷却的焊缝中在相同的部位上出现。因此，通过确保焊缝缺陷识别实现了过程监测的高可靠性，所述焊缝缺陷识别通过组合分析处理来自接近毛细的液体熔体的几何特征以及来自凝固的熔体的热图数据来实现。

在一个特别优选的变型中，在识别焊缝上的缺陷之后干预到激光扫描器焊接过程中，由此，使得焊接过程的调节成为可能。在此可以影响单个或多个焊接参数（如焊接速度、辐射强度、张力等等），以便改善焊接的质量。为了空间分辨地探测辐射，针对可见的辐射、近红外、中红外或远红外采用了空间分辨的探测器。此外，优选采用CCD摄像机、CMOS摄像机、二极管阵列或者铟镓砷热摄像机或者比色高温测量设备或者不同探测器类型的组合。最后提及的温度测量装置通过在两种不同波长的情况下同时测量所发出的辐射来空间分辨地获取监测区域中的温度。为了识别接合缺陷或焊透缺陷，可以如上所示采用探测器的探测场域中的两个探测场域片段：接近毛细的液体熔体的区域和凝固的熔体的区域。在探测器设置在扫描头（例如与激光束同轴）的探测光路中的情况下，可以利用仅一个摄像机环绕地监测焊缝的接近毛细的熔体的区域和凝固的熔体的区域。

优选的是，在近红外、优选在1μm至2μm之间波长范围内二维空间分辨地探测所发出的辐射。该范围特别适合于检测所述凝固的熔体的热辐射。在该波长范围内的辐射同时也可以用于观察所述液体熔体。清楚的是，特别是为了分析处理所述液态熔池的几何结构，附加地或替代地也可以空间分辨地探测在其他波长范围内（例如在可见光范围内）的辐射。

附图说明

上文所提到的以及还将进一步解释的特征可以各自单独地或多个任意组合地应用。所示的和所述的实施方式不应理解为穷举，而是更确切地说对于本发明的描述具有示例性的表征。

其中：

图1：一种激光扫描器焊接装置的方框图，其中，激光束借助于扫描头沿着预定的焊接轨迹在相互待焊接的工件上方运动，其中，在扫描头的探测光路中设有探测器，该探测器相对于激光束同轴地定向，以探测从工件侧发出的辐射；

图2：在激光扫描器焊接过程期间具有液态熔池的焊缝的示意图，该熔池具有强度最小区域；

图3a、b：不具有强度最小区域（图3a）或具有与激光束的焦斑分离的强度最小区域（图3b）的焊缝的液态熔池的示意图；

图4：具有两个探测场域片段的焊缝的类似于图2的图像，所述探测场域片段作为轮廓截面相对于焊缝垂直地延伸；

图5a、b：被探测的辐射沿图4的轮廓截面的强度分布的示意图；

图6：具有在焊缝的对称轴线上延伸的轮廓截面的图4的焊缝的示意图；以及

图7：被探测的辐射在图6的轮廓截面中的强度分布的示意图。

具体实施方式

图1示出了具有扫描头12的激光扫描器焊接装置10的方框图，由未进一步示出的激光束源所产生的激光束14被引导穿过该扫描头。扫描头12可以沿/绕相互正交设置的运动轴线16相对于待相互焊接的工件18（在此为预镀锌的板件）运动，并且该扫描头为了引导并且束集所述激光束14而具有多个光学构件。对于激光束14不可穿透的分光器20用于将激光束朝被万向支承的偏转器件22（在此为扫描镜）的方向偏转，该扫描镜可以绕两个相互正交设置的摆动轴线24相对于工件18倾翻。

在激光光路26中设有沿激光光路可移动的调整透镜28，借助于该调整透镜可以调节激光束14相对于工件18的聚焦位置。聚焦光学设备30设置在扫描镜的后面。

激光束14在此朝工件18对准。为了焊接两个工件18，借助于可摆动支承的扫描镜或借助于扫描头12沿/绕其运动轴线16的附加重叠的（必要时可机器人技术支持的）运动，使激光束14可以在工件上方运动。

可编程的控制单元32用于控制（或调节）激光束14沿预定的焊接轨迹34的运动，沿该焊接轨迹应产生连接所述工件18的焊缝36。此外，控制单元32用于控制（或调节）其它激光束参数、例如聚焦位置和/或强度。

为了光学地监测激光焊接过程、即特别是为了识别焊缝36上的缺陷，在扫描头12内或其上设有摄像机38。摄像机38具有（光电）探测器40（在此为CMOS芯片），其设置在扫描头12的探测光路26’中。如图1中所示，探测光路26’包括扫描镜22和分光器20。除此之外，探测光路在此包括聚焦透镜30、成像光学设备42以及光学过滤器44。由此，探测光路26’在聚焦透镜30与分光器20之间与激光光路26重合。

探测器40用于二维空间分辨地

探测从工件侧发出的、处于近红外的波长范围内的辐射（未示出）。在激光束14相对于工件运动时，探测器40的在此矩形的探测场域46与激光束14沿焊接轨迹28同步地一起运动。在此示出的实施例中，探测器相对于激光束同轴地定向，然而该探测器也可以相对于激光束非同轴地定向。

与探测器40连接的、具有存储器50的分析处理单元48用于读取和分析处理在该探测器40的整个探测场域46中所二维空间分辨地探测的辐射。分析处理单元48经由数据线52与控制单元32连接。控制单元32被编程用于将激光束14的额定位置数据（即控制数据，其用于激光束14沿预定焊接轨迹34相对于工件18的运动控制）提前或者在激光扫描器焊接过程期间经由数据线52传送至分析处理单元48。替代的是，控制装置也可以被编程用于，在激光束14沿焊接轨迹28运动时，借助于未进一步示出的传感装置检测所述扫描镜绕其摆动轴线24的或扫描头12绕/沿其运动轴线16的相应位置坐标和/或速度向量，并且将在此获得的测量数据经由数据线52（实时）传送至分析处理单元48。这些控制-或测量数据相应地暂存或存储在分析处理单元48的存储器50中。

在激光焊接过程期间，由于扫描镜22绕其摆动轴线24调节运动或扫描头12相对于工件18附加重叠地相对运动的原因，在探测器40的探测场域46中冷却的焊缝36的位置连续地变化。但非常耗费运算和耗费时间的是，为了检查焊缝的缺陷而分析处理由探测器40在其整个探测场域46中所探测的辐射。

出于该目的，依据在分析处理单元48的存储器50中所存储的控制-或测量数据（即依据激光束14的额定-或者实际位置数据，这些数据描绘了激光的焊接轨迹的位置）限定了探测器40的二维探测场域46中的一个或多个焊缝检查区域、例如焊缝的轮廓截面。

接着，所述工件18可选择地在探测场域的借助于焊接轨迹信息所限定的探测场域片段中被二维空间分辨地探测的辐射（也就是说，在探测器40的、为此根据时间分别在空间上对应的图像点上）被分析处理，以便识别在焊缝36上的缺陷。

图2示出了液态熔池54，该液态熔池在沿预定的焊接轨迹34激光焊接所述工件（未示出）时绕激光束的焦斑56产生，在该焦斑上构成蒸汽毛细管。激光束的焦斑56在焊接过程期间沿焊接方向R（该焊接方向在此相应于XY坐标系的X方向）以恒定的速度在待相互焊接的工件上方运动。逆着焊接方向R，凝固的熔体58连接到液态熔池54上，该凝固的熔体形成焊缝36。

在搭接位置上激光焊接工件时会导致工件之间的焊缝36的接合缺陷，其中，焊缝36从外部观察看起来是无缺陷的，即使在两个工件之间通过焊缝36没有形成材料锁合连接。为了识别这样的接合缺陷或者焊缝中的其它缺陷，依据用于激光束沿预定焊接轨迹34运动的控制-或测量数据（如图2中所示）限定了探测器的探测场域46中的第一探测场域片段60，该第一探测场域片段包含具有激光束的焦斑56的液态熔池54的片段。

在探测场域46的第一探测场域片段60中所测量的辐射强度具有在激光束的焦斑56内部的强度最大区域，也就是说，在那里的辐射强度高于环绕的液态熔池54中的辐射强度。

在搭接位置上焊接时，通常在激光束的焦斑56后面构成与该焦斑相邻的强度最小区域62。在激光束的焦斑56后面的强度最小区域62表明由于工件之间缝隙的原因而熔池空缺。如果上工件和下工件的熔体在激光束的焦斑56后面熔合，则出现所述熔池空缺。于是，该缝隙被桥接并且生成工件之间的材料连接。

如果工件18的熔体不熔合，则基本上只有具有辐射最大值的焦斑56或必要时可能毛细开口在焊接过程期间是可见的，并且在焦斑后面的强度最小区域整体消失，如图3a中所示。如果情况如此，则认为焊缝36上存在接合缺陷。

如果强度最小区域62与焦斑56相交（如图2中所示），则此外可以认为工件之间存在好的材料连接。与其相反，如果强度最小区域56与焦斑56在空间上分离（如图3b中所示），则表明焊缝36的接合缺陷。

通过对强度最小区域62主要的前棱边64（或者由强度最小区域62的形状所插值的前棱边64）相对于焦斑56的后棱边66的间距d进行分析处理，可以评定焊缝36的质量。当间隔d超过已定义的、通过测试焊接所获取的极限间距时诊断为接合缺陷。

在焊接过程期间在液态熔池54中所接收的（测量）信号提供了缺陷预测，并且自然不能检测在冷却时通过凝固的熔体58的变化所产生的焊缝36的变化。因此，附加于或者替代于上述对图2和图4中所示出的第二探测场域片段68和68’中由熔池54所发出的辐射进行分析处理，可以对由凝固的熔体58所发出的、并且被二维空间分辨地探测的辐射进行分析处理，以便获取针对凝固的熔体58中的热导出的一个或多个特征值。通过将所述特征值与预定的、优选通过试验获取的参考值相比较，可以随后获取焊缝中的缺陷。

随后依据图4至7示例性地阐述了用于测量和分析处理到工件中的地点上或时间上的热导出的两个可能的变型。得出了图4和图6中所示出的直线焊缝走向的示图，其方式是：依据用于激光束的运动的控制-或测量数据，将实际上弯曲的焊接轨迹换算为直线轨迹。在这两种情况下，第二探测场域片段68、68’和78是被构造为轮廓截面的焊缝检查区域、即探测场域中所探测的辐射的二维辐射分布中的一维截面。

与分析处理整个二维分布相比，通过将所测量的辐射的分析处理限于沿着焊缝36依据预知的轨迹曲线所确定的位置上的一个或多个轮廓截面，可以显著加速地实施该分析处理以探测焊缝缺陷，从而该分析处理可以以降低的运算成本并且实时地实现。

为了阐明第一变型，在图4中示出了两个探测场域片段68、68’的位置，它们是焊缝36的凝固的熔体58中的轮廓截面。探测场域片段68、68’例如相互以4.5mm的间距垂直于焊缝36延伸，其中，第一探测场域片段68比较远离于熔池54，并且第二探测场域片段68’几乎直接在熔池54后面延伸。

在图5a和5b中记录了沿着所述两个轮廓截面分别探测的辐射的所属的强度分布70、70’。该辐射强度分别绕最大值72、72’基本上高斯分布，其中，通过双箭头示出了该分布的半值宽度。为了确定针对轮廓截面之间的热导出的特征值可以由强度分布的最大值72、72’形成系数。然而，对于确定所述特征值通常更有利的是，该系数由相应的轮廓高度74、74’、即最大值72、72’之间的差值和背景辐射76、76’的强度曲线确定。在此获取了背景辐射76、76’的强度曲线，其方法是：整个辐射的强度分布70、70’的走向被追踪直至高斯分布的边缘，并且这些边缘通过一条直线连接。由此确保了，对于确定所述特征值不考虑背景辐射76、76’的份额。

为了求得接合缺陷，将该系数与参考值比较。在工件之间完全接合的情况下，热导出比较快速地延伸到工件中。工件之间的接合缺陷引起了到工件中的缓慢热流，从而如果所计算的系数超过参考值或该系数的倒数低于该参考值，则可以推断出这种缺陷。所述参考值是应用特定的并且通过试验获取。

轮廓截面的半值宽度可以被分析处理作为可替代的或可选择的附加特征。由于侧向地热导出到构件中的原因，第二轮廓截面的半值宽度自然相比于第一轮廓截面显著更宽。半值宽度的分析处理优选如上所述借助于系数形成来实现并且同样可以被考虑作为判定特征。

除此之外，由强度走向70、70’所出现的不对称性（该不对称性表明了热不对称地导出到构件中）可以获得关于焊缝结果的其它结论。借助于不对称的热导出，在相同板件厚度和板件类型的条件下，在对焊位置上焊接I焊缝时，有缺陷的横向缝定位是可见的。这种情况可能例如在板件焊接的应用时（例如在拼焊板焊接、型材焊接和管式纵向焊接和-横向焊接时）出现。

在第二测量-和分析处理变型方案中（依据图6阐明），依据在分析处理单元（图1）的存储器中所存储的激光束14的额定-或实际位置数据来分析处理所述探测场域中的第三探测场域片段78。第三探测场域片段78构造成沿着与预定的焊接轨迹34重合的对称轴线80的、焊缝32的单个轮廓截面。在图7中示出了沿着该轮廓截面所探测的辐射82、82’的强度走向。

沿着该轮廓截面的强度I（该强度相应于利用CMOS摄像机38拍摄的图像的像素亮度）具有表征的走向，该走向可以以一个数学模型、例如指数函数来描述：

I=B*exp(C*X)-A                               (1)。

在该情况下，匹配系数“B”和“C”描述了针对到工件中的热传输的特征，并且“A”描述了背景辐射的份额。在出现接合缺陷的情况下，系数“B”的结果是上升，并且系数“C”显著变得更小。由公式（1）的指数函数得出的、与沿焊缝36的对称轴线80在凝固的熔体58中探测的辐射82、82’的强度分布相匹配的品质，通过以卡方误差形式的方差总和来描述。在成功匹配的情况下，对于每个摄像机图像的特征值都具有小的数值。如果在焊缝走向中或图像序列中求得局部高的卡方误差，则这表明热痕迹的局部干扰、例如构件中的孔。

清楚的是，优选第一探测场域片段60（图2）和第二探测场域片段68、68’（图4、5）的分析处理都通过上述方式执行。在此，借助于组合的分析处理立刻检查了：在接近毛细的液态熔池54的监测中宣告发生焊缝缺陷是否在冷却的焊缝36中同一位置上出现。因此，通过确保所述焊缝缺陷识别来实现了过程监测的高可靠性，所述焊缝缺陷识别通过组合地分析处理来自接近毛细的液态熔池54的几何特征和来自凝固的熔体58的热图数据实现。用于质量提高的焊接过程的直接调节，可以依据通过干预到焊接过程中（例如通过改变辐射强度或者焊接速度的变化）或者干预到***技术中（例如张力的跟踪）所获得的测量值实现。

为了二维空间分辨地探测发出的辐射，对于可见光范围或者近红外范围（优选1μm至2μm之间的波长）直至远红外范围到可以采用空间分辨的探测器（图1）。替代所示出的CMOS摄像机也可以采用CCD摄像机、光电二极管阵列、铟镓砷（InGaAs）热摄像机或者比色高温测量设备。同样可采用不同探测器类型的组合。

Claims (12)

1.一种用于识别在利用激光束（14）加工过程期间的缺陷的方法，为了生成焊缝（36）或者割缝，所述激光束借助于加工头（12）沿着预定的任意的焊接轨迹或者切割轨迹（34）在待加工的工件（18）的上方运动，所述方法包括以下步骤：

a）借助于探测器（40）二维空间分辨地探测从工件侧发出的和/或反射的辐射（70，70’，82，82’），所述探测器设置在所述加工头（12）中或者所述加工头上；

b）依据用于控制所述激光束（14）沿所述切割轨迹或者焊接轨迹（34）运动的控制数据、或者依据所述激光束（14）沿所述焊接轨迹或者切割轨迹（34）事前所获得的实际位置数据，在所述探测器（40）的探测场域（46）中选出至少一个探测场域片段（60，68，68’，78）；

c）分析处理所选出的探测场域场域片段（60，68，68’，78）中的被二维空间分辨地探测的辐射（70，70’，82，82’）；以及

d）依据在所选出的探测场域片段（60，68，68’，78）中被分析处理的辐射（70，70’，82，82’），识别切割棱边或者所述焊缝（36）上的缺陷。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从用于控制至少一个设置在所述加工头（12）中的偏转器件（22）绕其摆动轴线（24）摆动和/或用于控制所述加工头（12）与所述工件（18）相对运动的控制数据求得所述激光束（14）的控制数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从设置在所述加工头（12）中的偏转器件（22）的位置坐标和/或速度向量、和/或从所述加工头（12）沿/绕其运动轴线（16）的位置坐标和/或速度向量，求得所述激光束（14）的实际位置数据。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将所述激光束（14）的控制数据和/或实际位置数据在加工过程期间实时地或者在所述加工过程开始之前由所述加工头的控制单元传送至分析处理单元（48），用于分析处理由所述探测器（40）二维空间分辨地探测的辐射。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述至少一个探测场域片段（68，68’）是连接到焊缝（36）的液态熔池（54）上的凝固的熔体（58）的轮廓截面，所述轮廓截面相对于所述焊缝（36）垂直或者接近垂直地延伸。

6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，选择两个探测场域片段（68，68’）作为两个相互间隔的、相对于所述焊缝（36）垂直或者接近垂直地延伸的轮廓截面，其中，所述两个轮廓截面中的一个轮廓截面（68’）直接设置在所述熔池（54）后面，并且第二轮廓截面（68）以定义的间距相对于所述熔池（54）较远地设置。

7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述至少一个探测场域片段（78）是连接到焊缝（36）的液态熔池（54）上的凝固的熔体（58）的轮廓截面，所述轮廓截面平行或者接***行于焊接方向（R）、优选在所述焊缝（36）的对称轴线（80）上延伸。

8.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述至少一个探测场域片段（60）包括具有所述激光束（14）的焦斑（56）的液态熔池（54）；在分析处理所述探测场域片段（60）中所探测的辐射时，确定被探测的辐射在所述探测场域片段（60，78）上的强度分布；其中，依据所述强度分布来定位所述探测场域片段（60，68，68’，78）中的液态熔池（54）的强度最小区域（62），并且依据所述强度最小区域（62）相对于所述焦斑（56）的相对位置和/或依据所定位的强度最小区域（62）的强度来识别所述焊缝（36）上的缺陷，或者在（相对）不可定位的强度最小区域（62）的情况下识别所述焊缝的接合缺陷。

9.一种激光加工装置（10），具有：

-加工头（12），借助于所述加工头能够使激光束（14）沿预定的焊接轨迹或者切割轨迹（34）在待加工的工件（18）上方运动；

-控制单元（32），用于所述激光束（14）沿所述预定的焊接轨迹或者切割轨迹（34）的运动控制；

-探测器（40），用于二维空间分辨地探测一探测场域（46）内部的、工具侧所发出的辐射（70，70’，82，82’）；以及

-分析处理单元（42），用于分析处理在所述探测场域（40）中所探测的辐射（70，70’，82，82’）；

-其中，所述控制单元（32）被编程，以便将用于控制所述激光束（14）沿所述焊接轨迹或者切割轨迹（34）运动的控制数据、也就是所述激光束（14）的额定位置数据、和/或所述激光束（14）沿所述焊接轨迹或者切割轨迹（34）事前所获取的实际位置数据传送至所述分析处理单元（48），以及

-其中，所述分析处理单元（48）被编程用于实施根据权利要求1所述方法的方法步骤b）至d）。

10.根据上一个权利要求所述的激光加工装置，还具有：

-至少一个可摆动地设置的偏转器件（22），借助于所述偏转器件能够使激光束（14）沿预定的焊接轨迹或者切割轨迹（34）在所述工件（18）上方运动，

-其中，所述探测器（40）设置在扫描头（12）的探测光路（26’）中，所述探测光路包括所述至少一个偏转器件（22）。

11.根据权利要求9或10所述的激光加工装置，其中，所述控制单元（32）被编程，以便从控制数据来求得所述激光束（14）的额定位置数据，所述控制数据用于控制至少一个设置在所述加工头（12）中的偏转器件（22）绕其摆动轴线（24）的摆动和/或用于控制所述加工头（12）与所述工件（18）相互间的相对运动。

12.根据权利要求9至11之一所述的激光加工装置，其中，所述控制单元（32）被编程，以便从至少一个设置在所述加工头（12）中的偏转器件（22）的位置坐标和/或速度向量、和/或从所述加工头（12）沿/绕其运动轴线（16）的位置坐标和/或速度向量来求得所述激光束（14）的实际位置数据。

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