CN115246035A - 用于监控激光加工过程的方法以及所属的激光加工*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及提供了一种用于在激光加工过程期间确定蒸汽毛细管的深度的方法，该方法包括：将加工激光束照射到至少一个工件上用于形成蒸汽毛细管，其中，加工激光束通过第一偏转装置在工件上沿着加工路径在第一扫描场内偏转；将光学测量射束照射到工件上，其中，光学测量射束通过第二偏转装置在工件上相对于加工激光束沿着探测路径在探测区域内偏转，并且随后通过第一偏转装置与加工激光束一起偏转；基于光学测量射束的由工件反射的份额沿着探测路径检测距离测量值；基于所检测的距离测量值确定蒸汽毛细管中的一个的深度和/或位置，其中，基于加工激光束的位置和/或基于加工激光束的偏转和/或基于加工激光束通过第一偏转装置的偏转来确定探测区域的大小。此外，提出一种所属的激光加工***。

Description

用于监控激光加工过程的方法以及所属的激光加工***

技术领域

本发明涉及一种用于监控激光加工过程、尤其是激光焊接过程的方法以及一种用于监控激光加工过程的激光加工***、尤其是激光焊接***。

背景技术

在激光加工***(也称为激光加工设备或简称设备)中，为了加工工件，从激光束源或激光光导纤维端部发出的加工激光束被聚焦到待加工工件上。加工可以包括激光束焊接。激光加工***可以包括激光加工头，例如激光焊接头，在该激光加工头中集成有射束引导光学器件。为了加工，激光束照射到工件表面上，其中，激光束沿着所谓的加工路径在表面上运动。在此，在工件表面(激光束照射到该表面上)之间的区域中直至工件内的一定深度形成蒸汽毛细管、也称为键孔(Keyhole)。在蒸汽毛细管的区域中，工件的材料通过所照射的激光功率如此强烈地加热，使得该材料蒸发。蒸汽毛细管被材料处于熔化状态下的区域包围。该区域称为熔池。

蒸汽毛细管的深度、即在工件的(未加工的)表面和蒸汽毛细管的最深部位之间的距离有较大意义。蒸汽毛细管的深度例如与焊入深度、即工件的材料在加工期间已经熔化的深度相关。一方面，了解蒸汽毛细管的深度或焊接深度允许推断出焊接连接的强度，即是否已经足够深地焊入；另一方面，通过了解蒸汽毛细管的深度可以确保焊缝在下侧不可见，即不存在不期望的焊穿。因此，蒸汽毛细管的深度，也称为键孔深度是对于在激光束焊接中产生的焊接质量的决定性因素。蒸汽毛细管的最深部位也称为键孔底部或加工基底。

出于这个原因，在激光束焊接期间蒸汽毛细管的深度的测量有较大意义。最近，深度测量或距离测量借助光学相干断层成像(英文“optical coherence tomography”，简称“OCT”)无接触地实现。为此，光学相干断层成像装置的光学测量射束(也称为OCT测量射束)照射到工件上，并且光学测量射束的一部分从工件反射回到光学相干断层成像装置中。然而，为了能够可靠地测量蒸汽毛细管的深度，必须确保光学测量射束在最深部位处进入到蒸汽毛细管中并且从那里反射的光又返回到光学相干断层成像装置中。

通常，蒸汽毛细管的最深部位的位置与加工激光束的位置不一致。蒸汽毛细管在工件表面上的位置、形状和大小取决于激光加工过程的当前参数。该参数例如包括加工速度(也称为进给速度)、加工方向、加工激光束的功率、加工激光束的焦点大小、工件的材料等。例如，加工速度的提高导致蒸汽毛细管的位置与加工激光束的位置之间的距离增大。

出于这个原因，将OCT测量射束如此定位在工件上，使得从而能够可靠地求取蒸汽毛细管的最深部位是最大的挑战之一。如果使用所谓的扫描***作为用于激光束焊接的激光加工***，在该***中，加工激光束借助扫描镜或其它偏转单元移过加工路径，则该问题再次被放大。因为加工激光束和OCT测量射束相对于物镜和工件的色像差以及角度变化引起OCT测量射束在工件上位于与加工激光光线不同的位置处。此外，在扫描***中，尤其在基于扫描仪的焊接***中，经常以高的加工速度工作，因此典型地蒸汽毛细管的位置与加工激光器的位置或焦点之间的偏差明显大于在固定光学***中。这种问题由于经常改变焊接方向和焊接速度而加剧。

此外，还会出现其它效应如扫描***的镜反射的偏振相关性、热影响、扫描***或工件所处的外部轴的运动以及与之相关联的振动、以及接合配对件的波动的材料特性，这些效应可能不利地影响测量。

利用光学相干断层成像装置测量键孔深度的典型的扫描***尝试通过扫描OCT测量射束以加工激光束在工件上的位置为中心“随机地”照射键孔。这种扫描典型地具有固定不变的图案(例如圆、平放的“8”字、螺旋)。这意味着，在大多数测量(典型的测量频率位于10kHz至500kHz的范围内)中，OCT测量射束不照射到键孔中，并且必须将少量来自键孔的测量从所有测量的集合中过滤出。因为扫描图案是固定地预给定的，所以扫描图案的大小，即扫描区域必须匹配于键孔的位置最没有把握的过程状况。因此，通常预给定用于扫描图案的大的扫描区域，该扫描区域必须在短时间内被测量射束扫描。这导致来自键孔的测量的部分随着增大的扫描区域大小而变小。如果现在实施仅形成小键孔直径的焊接，则该比例进一步变差。

测量质量下降的原因在于，一方面光学相干断层成像装置可以工作的测量频率受限，另一方面OCT测量射束的强度被限制。两者都导致，随着用于OCT测量射束的扫描区域大小增大，来自键孔的最深部位产生的信号越来越少，并且从扫描区域的特定大小开始，最终不再获得足够的来自键孔的测量，以便能够做出关于键孔深度的足够精确的结论。

发明内容

本发明的任务是给出一种***和方法，借此能够提高在激光加工过程期间确定蒸汽毛细管的深度和/或位置的可靠性、速度和准确性。

该任务通过独立权利要求的内容来解决。有利的构型和扩展方案是从属权利要求的内容。

本发明的基本构思在于，在激光加工过程期间确定或限制工件的如下区域，该区域必须被用于干涉或光学测距的光学测量射束(例如用于光学相干断层成像)探测或扫描。该区域(在下面也称为探测区域)的确定通过以下方式实现：探测区域，例如探测区域的大小、位置和形状基于激光加工过程的至少一个当前(过程)参数来确定或匹配。尤其可以基于激光加工射束在第一偏转装置的第一扫描场内的位置来匹配探测区域，在该探测区域中，光学测量射束探测工件表面，用于将激光加工射束沿着预给定的加工路径偏转。由此可以减少错误测量、即在蒸汽毛细管外部测量的概率。

探测区域也可以称为搜索区域或者说扫描区域，并且可以说明工件上的如下区域，在该区域内，工件被光学测量射束探测，用于确定蒸汽毛细管的位置和深度。探测区域可以相对于激光加工射束是静止的。因此，探测区域可以跟随沿着加工路径偏移的加工射束。探测可以通过使光学测量射束沿着在探测区域内的探测路径照射和偏转以及基于从工件反射回的部分沿着探测路径检测距离测量值来实现。蒸汽毛细管的位置和/或蒸汽毛细管的深度可以随后基于检测到的距离测量值来确定。蒸汽毛细管的位置可以被限定为蒸汽毛细管的最深部位的位置，而蒸汽毛细管的深度可以被限定为工件的(未加工)表面与蒸汽毛细管的最深部位之间的距离。

探测区域的大小可以表示工件上的探测区域的面积。探测区域的形状可以表示探测区域的几何形状，即该形状在改变大小时可以是不变的。探测区域的位置可以被限定为探测区域在工件上的中心点或面重心的位置。

代替利用光学测量射束以固定地预给定的扫描图形移过或探测围绕加工激光束的区域(也称为加工场)，在本发明中，搜索蒸汽毛细管的探测区域因此被显著地减小。此外，例如可以根据光学测量射束在工件上的位置或在第一和/或第二扫描场内的位置来匹配该光学测量射束的焦点位置。在干涉测距参数不变的情况下，首先得到光学测量射束的由蒸汽毛细管反射的部分的较高的信号强度和从而得到更好的信噪比。其次，获得明显更多的“来自蒸汽毛细管”的距离测量值，因为光学测量射束更频繁地经过蒸汽毛细管。尤其对于激光焊接过程得出所产生焊缝的每单位长度上更多的来自蒸汽毛细管的测量值。

根据本发明的第一方面给出一种用于在激光加工过程期间监控激光加工过程或确定蒸汽毛细管的深度和/或位置的方法，该方法包括：将加工激光束照射到至少一个工件上，用于形成蒸汽毛细管，其中，将加工激光束通过第一偏转装置在工件上沿着加工路径在第一扫描场内偏转；将光学测量射束照射到工件上，其中，将光学测量射束在工件上通过第二偏转装置相对于加工激光束沿着探测路径偏转，并且随后与加工激光束一起通过第一偏转装置偏转；基于光学测量射束的由工件反射的部分，尤其借助光学相干断层成像沿着探测路径检测距离测量值；基于检测到的距离测量值确定蒸汽毛细管的深度和/或位置，其中，基于至少一个参数确定或匹配探测区域的大小。换言之，可以将用于测量射束的探测区域如此匹配于相应的加工状况，即基于至少一个参数，使得该探测区域为最小。

在此，基于以下参数中的至少一个来确定或匹配探测区域的大小：加工激光束在工件上的位置、加工激光束在第一扫描场内的位置、加工激光束关于工件的角度或定向、加工激光束通过第一偏转装置的偏转、加工方向、加工速度、加工速度矢量或加工射束的速度矢量、加工激光束的功率、至少一个工件的材料和/或厚度、第一偏转装置的偏转角、加工激光束在用于加工激光束的激光源和至少一个工件之间的光路长度、光学测量射束在光学测量射束的辐射源和至少一个工件之间的光路长度、加工激光束的焦点位置、光学测量射束的焦点位置、加工激光束的横截面形状，尤其加工激光束在焦点中的横截面形状、光学测量射束的横截面形状，尤其光学测量射束在焦点中的横截面形状，以及激光加工***、尤其激光加工头和工件相对彼此的定向。

根据本发明的第二方面给出一种激光加工***、尤其是激光焊接***。该激光加工***包括：激光加工头，用于将加工激光束照射到至少一个工件上来形成蒸汽毛细管，其中，激光加工头包括第一偏转装置，用于使加工激光束在工件上沿着加工路径在第一扫描场内偏转；用于尤其借助光学相干断层成像进行干涉测距的测量装置，该测量装置设置为用于将光学测量射束照射到至少一个工件上，并且包括第二偏转装置，用于使光学测量射束在工件上相对于加工激光束沿着探测路径在探测区域内偏转；耦合装置，用于将光学测量射束耦合到激光加工头中，该耦合装置在加工激光束的射束传播方向上布置在第一偏转装置之前，使得光学测量射束能够与加工激光束一起被第一偏转装置偏转，其中，测量装置设置为用于基于光学测量射束的由工件反射的部分来沿着探测路径检测距离测量值，用于确定蒸汽毛细管的深度和/或位置。

测量装置可以设置为用于基于上述参数中的至少一个来确定或匹配探测区域的大小。

激光加工***或其中所包含的控制单元可以设置为用于执行根据实施方式的用于确定蒸汽毛细管的深度的方法。

这些参数可以是在激光焊接过程期间的当前参数。该方法可以在激光加工过程期间被执行。尤其，该方法可以作为在线方法(Inline-Verfahren)来执行。探测区域可以被实时地确定或匹配。由此能够在激光加工过程期间的任意时刻并且基于当前的参数确定探测区域的位置、大小、形状。

探测区域可以紧随激光加工射束地布置。探测区域优选相对于激光加工射束的(当前)位置来确定并且因此激光加工射束可以是静止的。换言之，探测区域可以跟随激光加工射束的运动。优选地，激光加工头和工件至少在激光加工过程期间、即在形成焊缝期间相对彼此静止地布置，激光加工射束通过所述激光加工头照射到工件上。因此，在激光加工过程期间，激光加工射束优选地仅被第一偏转装置沿着加工路径偏转。加工路径可以相应于所期望的焊缝的走向。然而，本发明也可应用于这样的激光加工***，其中工件在加工期间例如通过轴***运动。另一种可能性在于，激光加工头固定在机器人上。在这种情况下，第一偏转装置使激光加工射束偏移，其中，机器人同时或同步地运动。由此可以节约节拍时间。在这种情况下，存在上级的控制装置，其协调机器人和第一和/或第二偏转单元的运动。激光加工射束的运动优选在没有振荡运动或所谓的摆动运动叠加的情况下进行。然而，如果激光加工射束沿着加工路径的运动与优选地具有小幅度的振荡运动、即所谓的摆动运动叠加，则探测区域的位置可以跟随激光加工射束沿着加工路径的运动，优选地在不考虑摆动运动的情况下。

激光加工过程可以是激光焊接过程或激光束焊接过程、尤其是激光束扫描焊接过程。激光加工***可以设置为用于通过将加工激光束照射到工件上来执行激光加工过程。

第一偏转装置和第二偏转装置也可以称为扫描装置或扫描仪。激光加工***也可以称为扫描***。

一个或多个所述的方面可以包括一个或多个以下可选的特征：

根据实施方式，探测区域的位置和/或形状可以基于加工激光束的位置、尤其基于加工激光束在第一扫描场内的位置来确定。替代地或附加地，探测区域的位置、大小和/或形状可以基于沿着加工路径的加工速度和/或基于加工方向和/或基于加工速度矢量、即基于加工激光束的速度矢量来确定。

根据实施方式，可以确定蒸汽毛细管的理论位置，并且可以基于蒸汽毛细管的所确定的理论位置来确定探测区域的位置，使得所确定的理论位置被包含在探测区域中。尤其可以基于蒸汽毛细管的所确定的理论位置来确定探测区域的位置，使得蒸汽毛细管的所确定的理论位置相应于探测区域的中心点或面重心。蒸汽毛细管的理论位置可以基于当前的过程参数来确定。蒸汽毛细管的多个理论位置例如可以针对不同的过程参数保存在表格中。

可以如此确定探测路径，使得探测路径的开始或起始点相应于蒸汽毛细管的理论位置。

所述方法可以在激光加工过程期间连续地和/或重复地和/或迭代地执行。例如，可以确定探测区域的中心点或面重心，使得该中心点或面重心相应于蒸汽毛细管的之前由距离测量值确定的位置。

所确定或所匹配的探测区域的大小可以小于第二扫描场的大小。可以这样地确定探测区域的大小，使得探测区域的大小等于或大于蒸汽毛细管的(理论)大小的五倍。蒸汽毛细管的大小可以基本上相应于蒸汽毛细管在工件表面上的面积。

加工激光束的位置越靠近第一扫描区域的边缘和/或加工速度越大，则探测区域的大小可以被确定为越大。激光加工射束被第一偏转装置例如从零位态偏转得越强，则探测区域的大小可以被确定为越大。零位态可以表示激光加工射束的未偏转的定向，即激光加工射束未被第一偏转装置偏转。优选地，激光加工射束在零位态中与激光加工头的光学轴线或聚焦光学器件的光学轴线同轴地延伸。

加工速度越大，则探测区域在工件表面上的位置与加工激光束在工件表面上的位置之间的距离可以被确定为越大。

可以如此确定探测区域的位置、形状和/或大小，使得加工激光束的位置位于探测区域外。探测区域可以沿着加工路径和/或在加工方向上紧随加工激光束的位置地布置。

探测区域的形状可以基于加工方向来匹配和/或定向。例如也可以基于加工方向，将圆形形状或液滴形状确定为探测区域的形状。在不是点对称的形状，例如液滴形状、梯形形状、三角形形状的情况下，形状可以根据加工方向或加工射束的速度矢量定向。

探测路径或其一部分可以具有“8”字、平放的“8”字、哑铃、花生、螺旋、圆和/或圆弧的形状。探测路径或其一部分可以具有之字形、锯齿形、矩形和/或回曲形形状。

可以基于表格值和/或在使用人工神经网络的情况下确定探测区域。替代地或附加地，可以基于所述参数的函数关系来匹配探测区域。可以基于实验和/或模拟获得表格值。探测区域可以替代地或附加地基于理论值和/或实验值和/或分析值或它们的组合被确定或保存。根据实施方式，可以对不存在的表格值进行内插或外推。人工神经网络可以基于实验数据来训练。

此外，探测区域、尤其是探测区域的位置、形状和/或大小和/或蒸汽毛细管的理论位置可以基于激光加工***的至少一个另外的参数来确定，例如基于第一和/或第二偏转装置的镜相对彼此的定向，和/或基于门架或机器人、尤其是机器人臂的参数，借助于该门架或机器人改变激光加工头和工件之间的相对位置。

光学测量射束的耦合可以在加工激光束的射束传播方向上在第一偏转装置之前进行。耦合装置，例如分束器或分色镜可以在射束传播方向上布置在第一偏转装置之前。

第一偏转装置可以设置为用于使加工激光束沿着第一轴线偏转至少第一偏转角。优选地，第一偏转装置附加地设置为用于使加工激光束沿着第二轴线偏转第二偏转角，其中，第一轴线和第二轴线相对彼此以一角度布置，例如相对彼此垂直。第一偏转装置的第一最大偏转角和/或第二最大偏转角可以分别等于或大于10度、尤其为10至20度。这些偏转角相应于至少+/-5度，尤其+/-10度的镜角度，因为射束偏转了镜角度的两倍。

第二偏转装置可以设置为用于使测量射束沿着第一轴线偏转至少第一偏转角。优选地，第二偏转装置附加地设置为用于使测量射束沿着第二轴线偏转第二偏转角，其中，第一轴线和第二轴线相对彼此以一角度布置，例如相对彼此垂直。第二偏转装置的第一最大偏转角和/或第二最大偏转角可以分别小于10度，并且优选可以小于3度，尤其为约2度。

第一偏转装置的第一扫描场可以限定为在工件、尤其是工件表面上的区域，和/或通过第一偏转装置的第一和第二最大偏转角来预给定。第二偏转装置的第二扫描场可以限定为在工件、尤其是工件表面上的区域，和/或通过第二偏转装置的第一和第二最大偏转角来预给定。第一扫描场的长度和/或宽度可以等于或大于50mm。第一扫描场例如可以在工件上具有大于50x50mm的大小、尤其是等于或大于约100x200mm或250x150mm。在工件上的第二扫描场的长度和/或宽度可以小于30mm、优选小于15mm，例如为约10mm。根据实施方式，第一和/或第二扫描场具有椭圆形形状。在这种情况下，扫描场的长度可以说明椭圆长轴的长度，而扫描场的宽度可以说明椭圆短轴的长度。

第二偏转装置可以具有小于第一扫描场的第二扫描场。第一偏转装置可以构造为大场扫描仪和/或第二偏转装置可以构造为小场扫描仪。

为了引起加工激光束的偏转，第一偏转装置可以具有第一可运动的镜和第二可运动的镜。第一可运动的镜可以绕着第一旋转轴线转动，并且第二可运动的镜可以绕着绕第二旋转轴线转动，其中，第一旋转轴线和第二旋转轴线相对彼此成角度，例如在45°至135°之间的角度，尤其约75°或90°的角度。为此，所述镜或者说第一镜和第二镜可以构造为检流计镜(Galvanometer-Spiegel)、简称检流镜(Galvo-Spiegel)。替代地，第一偏转装置可以具有可绕着至少两个轴线转动或枢转的可运动的镜。与此相应地，第一偏转装置可以构造为检流计扫描仪或检流扫描仪。替代地，第一偏转装置可以构造为棱镜扫描仪或透镜扫描仪。

为了引起测量射束的偏转，第二偏转装置可以具有第一可运动的镜和第二可运动的镜。第一可运动的镜可以绕着第一旋转轴线转动，而第二可运动的镜可以绕着第二旋转轴线转动，其中，第一旋转轴线和第二旋转轴线相对彼此成角度，例如在45°至135°之间的角度，尤其约75°或90°的角度。替代地，第二偏转装置可以具有能够绕着至少两个轴线旋转或枢转的可运动的镜。为了使所述镜或者说第一和第二镜运动，第二偏转装置可以包括相应的至少一个检流计驱动器。因此，第一镜和第二镜可以构造为检流计镜、简称检流镜。与此相应地，第二偏转装置可以构造为检流计扫描仪或检流扫描仪。替代地，第二偏转装置可以构造为棱镜扫描仪或透镜扫描仪。

第一偏转装置和/或第二偏转装置可以替代地具有基于MEMS驱动器、压电驱动器和/或感应驱动器。

此外，光学测量射束的焦点位置可以优选与激光加工射束的焦点位置无关地被调整。光学测量射束的焦点位置可以根据激光加工射束和/或光学测量射束在第一扫描场中的位置来匹配。尤其，光学测量射束可以聚焦到工件上、尤其工件的表面上。光学测量射束聚焦到工件或工件表面上具有如下优点：由此可以获得光学测量射束从蒸汽毛细管反射的部分的更高的信号强度并且因此可以获得更好的信噪比。

为了调整光学测量射束的焦点位置，激光加工***可以具有用于准直光学测量射束的准直装置。该准直装置可以包括准直光学器件。该准直光学器件可以沿着准直装置的光学轴线和/或沿着光学测量射束的射束传播方向被调节。该调节例如可以马达式地进行。测量装置可以设置为用于控制准直装置，使得光学测量射束的焦点位置基于光学测量射束在第一扫描场内的位置和/或基于光学测量射束在第二扫描场内的位置来调整。由此可以根据加工激光束和/或光学测量射束在第一扫描场中的方位和/或根据光学测量射束在第二扫描场中的方位来匹配光学测量射束的聚焦。

用于光学测量射束的准直装置可以在光学测量射束的射束传播方向上布置在耦合装置之前。

激光加工***还可以具有用于准直加工激光束的准直装置。用于加工激光束的准直装置可以在加工激光束的射束传播方向上布置在耦合装置之前。用于加工激光束或其一部分的准直装置可以沿着准直装置的光学轴线和/或沿着加工激光束的射束传播方向被调节，以便调整加工激光束的焦点位置。准直装置可以包括两个或更多个透镜，这些透镜彼此间的距离至少部分地可变化。该调节例如可以马达式地进行。激光加工***的控制单元可以设置为用于控制准直装置，使得加工激光束的焦点位置基于加工激光束在第一扫描场内的位置来调整。

此外，激光加工***可以包括用于聚焦加工激光束和/或光学测量射束的聚焦装置。聚焦装置可以包括两个或更多个透镜，这些透镜彼此间的距离至少部分地可变化，以便调整或改变焦点位置。聚焦装置尤其可以设置为用于将加工激光束聚焦到工件上、尤其聚焦到工件的表面上。聚焦装置可以在加工激光束的射束传播方向上布置在第一偏转装置之后。

优选地，光学测量射束和/或激光加工射束的聚焦通过F-θ物镜实现。该F-θ物镜优选地不但设计为用于光学测量射束的波长，而且设计为用于激光加工射束的波长。该F-θ物镜可以远心地布置。

测量装置可以构造为光学相干断层成像装置或者包括该光学相干断层成像装置。构造为光学相干断层成像装置的测量装置可以具有动态的参考分束，用于扩展测量范围。

此外，通过第二偏转装置可以确定用于偏转光学测量射束的偏移量，用于补偿光学测量射束相对于加工激光束的色像差。光学测量射束可以在考虑所确定的偏移量的情况下沿着探测路径偏转。所述偏移量也可以被＝称为偏差。根据实施方式，可以基于表格值确定偏移量。该表格值可以保存在激光加工***的控制单元中。在此，可以对不存在的表格值进行内插或外推。

激光加工***还可包括控制单元，该控制单元设置为用于控制激光加工***和/或其元件，以便执行激光加工过程或用于监控激光加工过程或用于确定蒸汽毛细管的深度和/或位置的方法。控制单元尤其可以设置为用于控制激光加工头、第一偏转装置、第二偏转装置、用于光学测量射束的准直装置和/或用于加工激光束的准直装置。测量装置的功能可以集成在控制单元中，或测量装置可以集成在控制单元中。

激光加工***还可以包括用于产生加工激光束的激光源，或设置为用于将加工激光束从用于产生加工激光束的激光源例如通过纤维耦合器耦合到加工头中。激光源也可以简称为激光器。激光器可以构造为单模激光器、多模激光器、固体激光器和/或纤维激光器。激光加工***可以包括用于将激光束从激光源引导至激光加工头的光导纤维。激光加工***可以包括其它传感器，例如光电二极管、高温计和/或摄像头。其它传感器可以用于从距离测量值中找出表示蒸汽毛细管深度的那些值。激光加工***还可以包括用于向外部***传输数据的接口。

所述至少一个工件可以包括电池单体。加工激光束的照射可以实现用于电池单体的触点接触。替代地或附加地，所述至少一个工件可以包括功率电子构件。加工激光束的照射可以实现用于功率电子构件的焊接。替代地或附加地，所述至少一个工件可以包括移动电话构件。加工激光束的照射可以实现用于焊接用于移动电话的构件。

附图说明

在下面根据附图详细地描述本发明。

图1A根据本发明的实施方式的激光加工***的框图；

图1B根据本发明的实施方式的激光加工***的示意图；

图2用于直观阐明根据本发明的实施方式的用于激光加工***的第一偏转装置的第一扫描场的示意图；

图3根据本发明的实施方式的用于在激光加工过程期间确定蒸汽毛细管的深度的方法的流程图；

图4A-4D工件表面的示意图，用于图示出确定根据实施方式的探测区域；

图5用于直观阐明在根据实施方式的探测区域内的探测路径的示意图。

在下面，只要没有另外说明，对于相同的和相同作用的元件使用相同的附图标记。

具体实施方式

图1A是根据本发明的实施方式的激光加工***的框图，图1B是其示意图。

激光加工***10可以耦合到用于产生加工激光束14(也简称为加工射束或激光束)的激光源12上，以便将加工激光束14耦合到激光加工***10的激光加工头16中。激光加工***10包括激光加工头16，用于将加工激光束14照射和指向至少一个工件18a、18b。激光源12可以构造为单模激光器、固体激光器或纤维激光器。

激光加工***10可以设置为用于执行激光焊接过程，用于焊接至少一个工件18a、18b。在这种情况下，激光加工***10可以构造为激光焊接***并且激光加工头16可以构造为激光焊接头。例如，激光加工***10可以设置为用于将两个工件18a、18b彼此焊接。如在图1B中所示的那样，两个工件18a、18b以搭接接头布置，但本发明不限于此。工件例如也可以以平行接头或对接接头布置。

通过将加工激光束14沿着用于形成焊缝的加工路径照射到至少一个工件18a、18b上实现所述至少一个工件18a、18b的焊接(参见图4A至图4D)。在加工激光束14照射到至少一个工件18a、18b上时，工件18a、18b的材料如此强烈地加热，使得该材料蒸发。由此，在工件18a、18b的表面之间的区域中产生蒸汽毛细管(未示出)，直至工件18a、18b中的一定深度。蒸汽毛细管的深度对于评价激光焊接过程的质量具有突出的意义，因为该深度尤其允许推导出焊接连接强度的结论。激光加工***10设置为用于确定蒸汽毛细管的深度和/或位置。

加工激光束14通过激光加工***10的光导纤维20从激光源12传递至激光加工头16并且从光导纤维20的一端部例如借助纤维耦合器耦合到激光加工头16中。衔接于纤维耦合器布置的准直装置21具有准直光学器件22，用于准直从光导纤维20的端部发散地射出的加工激光束14。借助于准直装置21可以调整或校正加工激光束14的焦点位置。轴线(沿着该轴线能够调节加工激光束14的焦点位置)可以相应于激光加工头16的光学轴线、尤其是聚焦光学器件24的光学轴线。该轴线也可以称为z轴。因此，准直光学器件22可以称为z准直光学器件或简称为z准直。焦点位置的调整可以通过调节准直光学器件22沿着准直光学器件22的光学轴线或加工激光束14的射束轴线进行。准直装置21可以具有用于调节准直光学器件22的马达单元。

此外，激光加工头16包括具有聚焦光学器件24的聚焦装置23，用于将加工激光束14聚焦到工件18a、18b上。聚焦光学器件24例如可以构造为F-θ-光学器件或者包括该F-θ-光学器件。

为了改变加工激光束14在工件18a、18b上的位置，并且为了尤其将加工激光束14沿着加工路径照射，激光加工***10还包括第一偏转装置26，用于使加工激光束14相对于工件18a、18b偏转或偏移。第一偏转装置26设置为用于使加工激光束14关于工件18a、18b沿两个轴线x、y(参见图2)运动和偏转。根据实施方式，两个轴线x、y可以彼此垂直并且平行于工件18a、18b的表面，但是不限于此。第一偏转装置26也可以称为扫描仪。借助于第一偏转装置26，加工路径可以被加工激光束14移过。

第一偏转装置26设置为用于使加工激光束14沿着x轴以第一偏转角偏转并且使加工激光束14沿着y轴以第二偏转角偏转。偏转装置26关于x轴和关于y轴分别包括零位态，对于该零位态，加工激光束14沿着相应的轴线占据零位置(参见图2)。x轴的零位置和y轴的零位置可以被共同地视为第一偏转装置26的第一扫描场64的中心点或中心30。第一扫描场64的中心30可以相应于加工激光束14的非偏转位态，即加工激光束14的(一般)零位态。在加工激光束14的非偏转位态中，加工激光束14可以在激光加工头16和工件14之间与激光加工头16的光学轴线和/或聚焦光学器件24的光学轴线同轴地延伸。

沿着x轴(即绕着y轴转动)的第一最大偏转角28和沿着y轴(即绕着x轴转动)的第二最大偏转角29在工件18a、18b的表面上预给定第一扫描场64的边缘，在该边缘内第一偏转装置26可以使加工激光束14相对于工件18a、18b偏转。根据实施方式，第一偏转装置26构造为大场扫描仪。例如，第一最大偏转角28和/或第二最大偏转角29可以大于10度。第一和第二最大偏转角可以在构造技术上预给定。替代地，作为聚焦装置使用的F-θ物镜可以限制最大偏转角。

在图2中，第一扫描场64以矩形形状示出，但本发明不限于此。第一扫描场64也可以具有圆形或椭圆形的形状。在这种情况下，在图2中所示的矩形可以被视为内接于椭圆的第一扫描场64中的、具有最大面积的矩形。

根据实施方式，第一偏转装置26包括两个可运动的镜32a、32b，这两个镜可绕着不同的旋转轴线转动。这两个镜32a、32b可以构造为检流计镜。在这种情况下，第一偏转装置26可以称为检流计扫描仪或检流扫描仪。

根据实施方式，激光加工头16和/或工件18a、18b可以附加地相对彼此运动，优选在两个相继的激光加工过程之间运动。例如，工件18a、18b可以通过第一运动单元(未示出)相对于激光加工头16运动。替代地或附加地，激光加工头16可以通过第二运动单元(未示出)相对于工件18a、18b运动。第二运动单元例如可以构造为机器人，并且激光加工头16可以固定在机器人上。在激光加工过程期间，即在形成焊缝期间，激光加工头16或激光加工***10优选相对于工件18a、18b保持静止(相对速度为零)。

激光加工***10还包括测量装置34，用于借助于光学测量射束36进行干涉或光学测距。测量装置34例如设置为用于测量激光加工头16与工件18a、18b之间的距离。

测量装置34根据实施方式包括光学相干断层成像装置或可以构造为光学相干断层成像装置。换言之，测距可以基于光学相干断层成像(“optical coherencetomography”，OCT)。测量装置34包括分析评估单元38，其具有宽带光源，例如超发光二极管，简称SLD。光源39将测量光耦合到光导纤维40中。在优选构造为纤维耦合器的分束器42中，测量光被划分为参考分束44和测量分束46。测量分束46的测量光作为光学测量射束36通过光导纤维传递至准直装置48并且从光导纤维的端部耦合到准直装置48中，以便被照射到工件18a、18b上。

准直装置48具有准直光学器件50，用于准直从光导纤维的端部发散地射出的光学测量射束36。借助于准直光学器件50可以调整光学测量射束36的焦点位置。轴线(沿着该轴线能够调节光学测量射束36的焦点位置)可以相应于激光加工头16的光学轴线、尤其是聚焦光学器件24的光学轴线。该轴线也可以称为z轴。因此，准直光学器件50可以称为z准直光学器件50或者简称为z准直。焦点位置的调整可以通过沿着准直光学器件50的光学轴线或光学测量射束36的射束传播方向调节准直光学器件50来实现。这种调节可以马达式地进行。

根据实施方式，参考分束44可以构造为动态的参考分束。由此可以扩展测量装置34的测量范围。

在这里所说明的用于测距的原理基于光学相干断层成像的原理，其借助干涉仪利用光的相干特性。为了测距，将光学测量射束36照射到工件18a、18b的表面上。光学测量射束36的从表面反射回的部分成像到测量分束46的光导纤维端部上、在分束器42中与来自参考分束44的测量光的反射回的部分叠加并且导致干涉。叠加的光包含关于在参考分束44和测量分束46之间的位移长度差的信息。这些信息通过分析评估单元38来分析评估。由此可以获得关于与工件18a、18b的距离或在工件18a、18b和激光加工头16之间的距离的信息。

为了确定蒸汽毛细管的深度，光学测量射束36必须指向蒸汽毛细管中并且从蒸汽毛细管的底部反射回到测量装置34或分析评估单元38。如果附加地已知与工件18a、18b的表面的距离，则测量装置34或分析评估单元38可以确定蒸汽毛细管的深度，即确定从蒸汽毛细管的最深部位到工件18a、18b的表面的距离。然而，因为蒸汽毛细管的最深部位的准确位置是未知的，所以测量射束36沿着探测路径在探测区域内运动，以便在该探测区域内探测或扫描工件表面。

为了改变测量射束36在工件18a、18b上的位置，以便从而在不同位置处测量与工件18a、18b的距离，测量装置34包括用于使光学测量射束36相对于工件18a、18b偏转或偏移的第二偏转装置52。在不同位置处测量与工件18a、18b的距离也可以称为对工件的探测。第二偏转装置52设置为用于使测量射束36相对于工件18a、18b沿着两个轴线运动和偏转。这两个轴线可以相应于第一偏转装置26的x和y轴线，但本发明不限于此。第二偏转装置52也可以称为扫描仪。借助于第二偏转装置52可以探测工件18a、18b的表面和蒸汽毛细管。

第二偏转装置52具有第一最大偏转角和第二最大偏转角。基于第二偏转装置52的第一最大偏转角和第二最大偏转角，第二偏转装置52具有第二扫描场66(参见图4A-4D)，在该第二扫描场内，第二偏转装置52可以使光学测量射束36关于工件18a、18b最大偏转。根据实施方式，第二偏转装置52构造为小场扫描仪。例如，第二偏转装置52的第一最大偏转角和/或第二最大偏转角可以小于10度。因此，第二扫描场66的面积或大小可以小于第一扫描场64的面积或大小。第二扫描场66可以具有矩形、圆形或椭圆形的形状。第一和第二最大偏转角可以在构造技术上预给定。

根据实施方式，第二偏转装置52包括两个可运动的镜54a、54b，这两个镜可绕着不同旋转轴线转动。镜54a、54b可以构造为检流计镜。在这种情况下，第二偏转装置52可以称为检流计扫描仪或检流扫描仪。

激光加工头16还包括用于将光学测量射束36耦合到激光加工头16中的耦合装置56。耦合装置56设置为用于将加工激光束14与测量射束36叠加。耦合装置56例如包括分束器58。根据实施方式，分束器58可以实施为二向色镜或者包括二向色镜。分束器58可以使测量射束36的光通过并且反射加工激光束14的光。根据实施方式，(未偏移的)光学测量射束36和(未偏移的)加工激光束14可以至少区段地彼此平行和/或同轴地延伸。

光学测量射束36通过耦合装置56耦合到激光加工头16中在光学测量射束36或加工激光束14的射束传播方向上在第一偏转装置26之前进行。尤其，光学测量射束36和加工激光束14不但通过第一偏转装置26而且通过聚焦装置23。因此，光学测量射束36与加工激光束14一起通过第一偏转装置26偏转。在忽略色像差的情况下，第二偏转装置52的第二扫描区域66的中心可以相应于加工激光束14在工件18a、18b上的位置。测量射束36随后与加工激光束14一起通过聚焦装置23的聚焦光学器件24聚焦。

因为仅测量射束36延伸通过第二偏转装置52，所以光学测量射束36通过第二偏转装置52相对于加工激光束14偏转并且与加工激光束14通过第一偏转装置26的偏转无关。

激光加工***10还具有中央控制单元60。根据本发明的实施方式，中央控制单元60设置为用于控制激光加工***10或元件，以便执行激光加工过程和执行用于确定蒸汽毛细管的深度和/或位置的方法。例如，中央控制单元60设置为用于控制激光源12，以便接通和关断加工激光束14(激光控制开/关)或以便调整或调制加工激光束14的功率(功率调制)。此外，中央控制单元60可以设置为用于控制聚焦装置23，用于调整或校正加工激光束14的焦点位置。中央控制单元60还可以设置为用于控制第一偏转装置26，以便使加工激光束14在工件18a、18b上偏转并且尤其随着加工激光束14移过加工路径。此外，中央控制单元60设置为用于将关于加工激光束14在第一扫描场中的位置和加工激光束14的当前功率的信息传递给测量装置34的控制单元62。

控制单元62设置为用于控制分析评估单元38、准直装置48和第二偏转装置52。例如，控制单元62设置为用于向分析评估单元38输出用于控制动态参考分束44的信号。此外，控制单元62设置为用于控制准直装置48，以便调整或校正光学测量射束36的焦点位置，并且以便尤其调整光学测量射束36在z方向上的焦点位置。此外，控制单元62可以设置为用于向第二偏转装置52输出控制信号，以便调整测量射束36的位置。

控制单元62还可以设置为用于针对光学测量射束36确定色像差的校正、尤其作为加工激光束14的位置的函数。可以沿着x、y和/或z轴确定校正。此外，控制单元62可以设置为用于针对光学测量射束36确定沿x轴和y轴的蒸汽毛细管的位置与加工激光束14的可能偏差的校正。最后，控制单元62可以设置为用于确定测量射束36的探测区域和扫描策略，如下面详细地描述的那样。尤其可以在蒸汽毛细管的理论位置周围确定探测区域。

控制单元62的所述功能中的一个或多个可以通过中央控制单元60来实现和/或控制单元62可以集成到中央控制单元60中。

如上所述，因为蒸汽毛细管的准确位置(最深部位)是未知的，所以在探测区域76内利用测量射束36探测工件表面。在此，根据本发明，可以通过基于至少一个参数匹配探测区域76或以尽可能小的大小确定探测区域76来降低错误测量或者说在不相应于蒸汽毛细管的(最深部位)的位置处的测量的频率。测量装置34或控制单元62因此设置为用于确定用于光学测量射束36的探测区域76(参见图4A-4D)。用于光学测量射束36的探测区域76表示在工件18a、18b的表面上的一区域，在该区域内，光学测量射束36被定向和偏转到工件18a、18b的不同位置上。在不同位置处，可以基于光学测量射束36的之前所描述的从工件18a、18b的表面反射的部分分别检测或测量与工件18a、18b的距离，以便获得相应的距离测量值。光学测量射束36照射到在探测区域76内的不同位置上可以沿着探测路径82进行(参见图5)。探测路径82可以例如具有螺旋形或之字形形状。在探测区域76内的探测路径82的确定也可以称为扫描策略的确定。

随后，基于沿着探测路径82在探测区域76内检测到的距离测量值，可以确定蒸汽毛细管的位置78(参见图4A-4D、图5)和蒸汽毛细管的深度。探测区域也可以称为对于蒸汽毛细管的位置78的搜索区域，因为基于在探测区域76内检测到的距离测量值确定蒸汽毛细管的位置78。例如，求出最大距离测量值的位置被确定为蒸汽毛细管的位置78。

因此，探测区域与瞬时过程状况的匹配也是必要的，因为蒸汽毛细管的(实际)位置78不一定与加工激光束14在工件18a、18b上的位置一致或与该位置具有恒定的偏差。这取决于激光加工过程的不同参数。因此，在蒸汽毛细管的位置78和加工激光束14的位置68之间可以存在间距或偏差，该间距或偏差可以是可变化的。这在图4A-4D中直观示出，其中蒸汽毛细管的位置78沿着加工路径70紧随着加工激光束14在工件18a、18b上的位置68地布置。所述偏差尤其取决于激光加工过程的参数，也称为过程参数。这包括加工激光束14在工件18a、18b上和/或关于第一扫描场的位置68、加工激光束14相对于工件18a、18b的角度、加工激光束14通过第一偏转装置的偏转角或当前偏移、沿着加工路径70的加工速度、加工射束的加工矢量或速度矢量、加工激光束14的功率、工件18a、18b的材料和厚度。

这些参数对加工激光束的位置与蒸汽毛细管的位置、尤其蒸汽毛细管的最深部位之间的偏差的影响可以与激光加工***的配置，例如焦距、所使用的光学器件等相关，并且必要时必须针对相应的***单独地确定。这例如可以通过模拟、实验和测量来进行。为了在确定的或预给定的激光加工过程期间确定蒸汽毛细管的(理论)位置，将关于过程参数对蒸汽毛细管位置的影响的信息在激光加工***的控制单元中保存为用于随后的、类似的或相同的激光加工过程的表格值或函数关系。替代地或附加地，也可以在使用人工神经网络的情况下进行确定，该人工神经网络利用所述信息来训练。

因此，在激光加工过程期间蒸汽毛细管的实际位置不是很容易地已知的。同时，测量装置的测量频率受限制。也就是说，每单位时间仅能获得有限数量的距离测量值。如果通过光学测量射束探测在第二偏转装置的整个第二扫描区域内的工件表面，则从蒸汽毛细管的最深部位检测到相对少的距离测量值。由此不能足够精确地得出蒸汽毛细管的深度的结论。

本发明基于以下基本思想：在激光加工过程期间，借助光学测量射束基于在激光加工过程期间的当前的过程参数来匹配或优化用于探测工件的探测区域。这使得能够根据在激光加工过程期间加工激光束的当前和变化的位置来确定探测区域。

因此，代替如现有技术中的利用测量射束在固定预给定的探测区域中或在第二偏转装置的整个第二扫描场内在加工激光束的位置周围探测工件，在本发明中，探测工件并搜索蒸汽毛细管的探测区域显著地被限制。由此提高了在沿着探测路径在探测区域内探测期间光学测量射束照射到蒸汽毛细管中的概率。因此，获得更多的来自蒸汽毛细管的距离测量值。尤其，由此在每单位时间或探测路径或加工路径的每单位长度上产生更多的来自蒸汽毛细管的距离测量值。因此，蒸汽毛细管的深度可以更有效、更快速和更精确地检测。

图3示出根据本发明的实施方式的用于在激光加工过程期间确定蒸汽毛细管的位置和深度的方法的流程图。该方法可以通过之前参照图1A和1B所描述的激光加工***10来执行。

图4A-4D示出根据实施方式的工件的表面的示意图，用于直观阐明探测区域的确定和匹配。

所述方法开始于通过将加工激光束14照射到图1A、1B所示的工件18a、18b上来执行激光加工过程，例如激光焊接过程，用于形成蒸汽毛细管(S1)。在此，加工激光束14在位于上方的工件18a上通过第一偏转装置26沿着加工路径70在该第一偏转装置26的第一扫描场64内偏转。

此外，在激光加工过程期间，将光学测量射束36照射到工件18a上，以便基于光学测量射束36的由工件18a反射的部分沿着探测路径82检测距离测量值(S2)。在此，光学测量射束36在工件18a上通过第二偏转装置52相对于加工激光束14沿着在探测区域内的探测路径偏转。此外，通过第一偏转装置26使光学测量射束36与加工激光束14一起偏转。在此，探测区域76、尤其是探测区域76的大小在第二扫描场66内基于激光加工过程的当前参数来确定和匹配。这例如可以基于关于过程参数对蒸汽毛细管的位置相对于加工激光束的位置的影响的信息实现。这些信息可以作为表格值保存在中央控制单元60或控制单元62中。根据实施方式，可以在使用人工神经网络的情况下实现探测区域的确定和匹配。

在最后的步骤S3中，基于检测到的距离测量值来确定蒸汽毛细管的深度和/或位置。

在图4A-4D中示出第一偏转装置26在工件18a上的第一扫描区域64。此外，示出第二偏转装置52的第二扫描区域66，用于将测量射束36相对于加工激光束14偏转并且与加工激光束无关。第二扫描区域66的面积或大小小于第一扫描区域64的面积或大小。

此外，在图4A-4D中示出加工激光束14在第一扫描场64中的位置68。加工激光束14的位置68可以被限定为在工件表面上的斑点的中心点，例如面重心，该斑点在加工激光束14照射在工件18a上时产生。根据实施方式，斑点是圆形的，但本发明不限于此。

加工激光束14的位置68可以被限定为加工激光束14在工件18a的表面上的位置。相应地可以限定光学测量射束36的位置83(参见图5)。探测区域76的位置可以被限定为探测区域76在工件表面上的中心点或面重心的位置。

在忽略色像差的情况下，用于光学测量射束36的第二偏转装置52的第二扫描区域66始终包括加工激光束14的位置68，并且加工激光束14的位置68可以相应于第二扫描区域66的中心点。这是因为，在被第二偏转装置52偏转之后，光学测量射束36随后与加工激光束14叠加并且可以与加工激光束14一起被第一偏转装置26偏转。

在图4A-4D中还直观示出加工路径70和在此紧随地形成的焊缝72，在激光焊接过程期间沿着所述加工路径引导加工激光束14。此外，示出加工速度矢量74。加工速度矢量74也可以构成与工件表面平行的二维矢量。加工速度矢量74与加工路径70相切。加工速度是加工速度矢量74的量值。

因此，加工速度可以被限定为加工激光束14沿着加工路径70照射和偏转的速度。在此可以忽略加工激光束14的可能叠加的摆动运动。摆动运动通常是指绕着真正的加工位置的振荡运动，其振幅通常大致相应于所产生的焊缝的宽度。当加工激光束14实施摆动运动时，可以将加工速度称为加工激光束14沿着加工路径70的平均速度。然而优选地，加工激光束14沿着加工路径70的偏移不与振荡的摆动运动叠加。

此外，在图4A-4D中绘制出蒸汽毛细管的实际位置78和蒸汽毛细管的理论或期望位置80。根据实施方式，可以首先基于前述的当前过程参数来确定理论位置80。替代地或附加地，可以确定蒸汽毛细管的位置与加工激光束14的位置68之间的理论期望偏差。随后，可以基于理论位置80和理论偏差来确定探测区域76。例如，可以确定探测区域76，使得探测区域76的中心点相应于期望位置80。

如在图4A中所示的那样，探测区域76例如被确定为圆形。此外，探测区域76的面积小于用于测量射束36的第二扫描区域66的面积。因此，与使用整个第二扫描区域66进行搜索的情况相比，可以限制搜索蒸汽毛细管的区域，并且可以加速搜索。

图4B示出探测区域76与加工激光束14的位置68匹配的情况。相比于图4A，加工激光束14沿着加工路径70进一步偏转。由此，加工激光束14的位置68和加工方向74改变。尤其，加工激光束14的位置68更靠近第一扫描区域64的右侧边缘。

与图4A相比，与此相应地，探测区域76的位置基于加工激光束14的改变的位置和改变的加工方向74来匹配。此外，相比于图4A，探测区域76变大。这需要如此实现：在第一扫描区域64的边缘上，第一偏转装置26和聚焦光学器件24对测量射束36的光学误差和影响增大，所述光学误差和影响典型地仅针对加工激光束14被优化。为了确保蒸汽毛细管的实际位置78始终位于探测区域76内，当加工激光束14的位置68与第一扫描区域64的边缘之间的距离减小时，探测区域76的大小可以增大。然而，探测区域76的大小仍小于第二扫描区域66的大小。根据实施方式，随着加工激光束14被第一偏转装置26偏转的增大，即随着沿着x和/或y轴的偏转角的增大，探测区域76的大小也可以增大。

在图4C中，加工速度提高。换言之，加工速度矢量74的量值增加。如可看到的那样，相比于图4A的情况，探测区域76的面积变大。然而在图4C中，探测区域76仍小于第二扫描区域66。此外，由于更高的加工速度，探测区域76的位置与加工激光束14的位置68之间的距离增加。这基于如下认识：随着加工速度的增大，蒸汽毛细管的理论位置80与加工激光束14的位置68之间的距离或偏差变大。

图4D示出相比于图4C探测区域76’的形状或几何形状被匹配的情况。在图4D中，探测区域76’具有液滴形状。根据其它实施方式，探测区域可以具有卵形形状、椭圆形形状、梯形形状或三角形形状。在图4D中附加地绘制出图4C的探测区域76。虽然探测区域76’具有与探测区域76基本上相同的长度，但探测区域76’的宽度相对于探测区域76减小。因此，用于检测蒸汽毛细管的位置和深度的待搜寻的面积可以被进一步优化和减小。

图5直观示出在图4A的被确定或匹配的探测区域76内的探测路径82。从蒸汽毛细管的理论位置80出发，通过使光学测量射束36在工件18a、18b上的位置83沿着之字形探测路径82偏转来探测工件18a的表面，以便检测距离测量值，用于确定蒸汽毛细管的位置78和蒸汽毛细管的深度。因此，探测路径例如在蒸汽毛细管的理论位置80处开始。探测路径也可以螺旋形地向外延伸，优选地以蒸汽毛细管的理论位置80为起点。

根据实施方式，用于在激光加工过程期间确定蒸汽毛细管的位置或蒸汽毛细管的深度的方法可以重复地或迭代地执行，以便可靠地确定运动的蒸汽毛细管的位置或深度。例如，蒸汽毛细管可以沿着加工路径紧随着加工激光束。为此，例如在第一步骤中如上所述地确定蒸汽毛细管的位置。在随后的第二步骤中，在第一步骤中所确定的蒸汽毛细管的位置被用作探测区域的中心点，用于在第二步骤中确定蒸汽毛细管的位置和/或深度。因此，根据实施方式，探测区域的位置跟随加工激光束沿着加工路径的位置，其中，探测区域紧随加工激光束地布置。

根据实施方式，在工件18a、18b的批次变换(Chargenwechsel)之后，可以首先增大探测区域。由此可以考虑批次之间的工件18a、18b的厚度、材料或其它参数的可能改变。

根据实施方式，在光学测量射束36在工件18a上通过第二偏转装置52照射和偏转时，即在光学测量射束36定位在工件18a、18b上时，由控制单元62或由中央控制单元60考虑和保持光学测量射束36与加工激光束14之间的色偏差。这例如可以通过以下方式发生：该偏差作为加工激光束和光学测量射束的波长以及光学测量射束36在第一扫描场64中的位置的函数通过测量或模拟来确定并且保存在控制单元中，例如作为表格或函数关系。随后，在光学测量射束36沿着探测路径82偏转时，可以考虑并校正该偏差。色偏差也可以称为测量射束36相对于加工激光束14的色像差，并且意味着由激光加工头16的针对加工激光束14设计和制作的元件引起的测量射束36的色像差。测量射束36的色像差基于测量射束36的波长与加工激光束14的波长不同。光学测量射束36的色像差例如可以由聚焦光学器件24引起。

根据其它实施方式，根据光学测量射束36在第一扫描场64中的位置来匹配或校正该光学测量射束的聚焦。这例如可以通过准直光学器件50的运动实现。这尤其可以通过所谓的马达式的准直实现。聚焦的匹配或马达式的准直也可以作为过程参数的函数来控制。该过程在使用F-θ光学器件的情况下对于聚焦光学器件22也是有利的，因为这样的光学器件通常仅针对加工激光束14的波长设计和优化。

优选地，激光加工***10包括另外的传感器，例如光电二极管、高温计和/或摄像头。它们可以被用于基于由测量装置34检测的距离测量值来确定或滤过出说明或表示距键孔底部或距蒸汽毛细管的最深部位的距离的参量。为此，必要时也可以使用人工智能的方法，为此作为示例应提及神经网络，对此利用实验数据训练该神经网络。

根据实施方式，激光加工***10还包括接口，以便将数据，例如蒸汽毛细管的确定的位置78和/或深度传输给外部***。

本发明包括用于利用扫描***进行激光束焊接的方法和激光加工***，其中，在激光束焊接过程期间借助于OCT测量求取蒸汽毛细管的深度和位置。该扫描***包括用于使加工激光束以及OCT测量射束偏移的第一扫描仪和用于使OCT测量射束偏移的第二扫描仪以及用于第二扫描仪的控制单元，该控制单元根据不同的过程参数确定OCT测量射束的扫描区域。

Claims (17)

1.一种用于监控激光加工过程、尤其是激光焊接过程的方法，其包括：

-将加工激光束(14)照射到至少一个工件(18a、18b)上，用于形成蒸汽毛细管，其中，所述加工激光束(14)在所述工件(18a、18b)上通过第一偏转装置(26)沿着加工路径(70)在该第一偏转装置(26)的第一扫描场(64)内偏转，

-将光学测量射束(36)照射到所述工件(18a、18b)上，其中，所述光学测量射束(36)通过第二偏转装置(52)相对于所述加工激光束(14)偏转，并且随后与所述加工激光束(14)一起通过所述第一偏转装置(26)偏转，其中，所述光学测量射束(36)在所述工件(18a、18b)上通过所述第二偏转装置(52)沿着探测路径(82)在探测区域(76)内偏转，

-基于所述光学测量射束(36)的由所述工件(18a、18b)反射的部分沿着所述探测路径(82)检测距离测量值，

-基于检测到的距离测量值确定所述蒸汽毛细管的深度和/或位置，

其中，基于所述加工激光束(14)在所述第一扫描场(64)中的位置(68)匹配所述探测区域(76)的大小。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，还基于所述加工激光束(36)在所述第一扫描场(64)中的位置(68)匹配所述探测区域(76)的位置和/或形状，和/或

其中，基于沿着所述加工路径(70)的加工速度匹配所述探测区域(76)的位置、大小和/或形状。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括确定所述蒸汽毛细管的理论位置(80)，以及基于所确定的所述蒸汽毛细管的理论位置(80)来确定所述探测区域(76)的位置。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述加工激光束(14)沿着所述加工路径(70)在没有振荡运动叠加的情况下运动，和/或，

其中，所述加工激光束(14)沿着所述加工路径(70)仅通过借助所述第一偏转装置(26)的偏转来运动，和/或，

其中，激光加工头在激光加工过程期间相对于所述工件保持静止，所述加工射束(14)通过该激光加工头照射到所述工件上。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述加工激光束(14)的位置(68)越靠近所述第一扫描场(64)的边缘和/或加工速度越大，则所述探测区域(76)的大小确定得越大。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，加工速度越大，则所述探测区域(76)的位置与所述加工激光束(14)的位置(68)之间的距离确定得越大。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述探测区域(76)的位置、形状和/或大小确定为，使得所述加工激光束(14)的位置(68)位于所述探测区域(76)外。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二偏转装置(52)具有第二扫描场(66)，所述第二扫描场小于所述第一扫描场(64)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述加工激光束(14)的位置(68)是所述加工激光束(14)在所述激光加工过程期间的当前位置，和/或

其中，所述探测区域(76)实时地被确定。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述探测区域(76)、尤其是所述探测区域(76)的位置、形状和/或大小，和/或所述蒸汽毛细管的理论位置(80)基于以下至少一个参数来确定：

所述加工激光束的加工方向(74)、所述加工激光束的速度矢量、所述加工激光束(14)的功率、所述至少一个工件(18a、18b)的材料和/或厚度、所述第一偏转装置(26)的偏转角、所述加工激光束(14)在用于所述加工激光束(14)的激光源(12)与所述至少一个工件(18a、18b)之间的光路长度、所述光学测量射束(36)在该光学测量射束(36)的辐射源与所述至少一个工件(18a、18b)之间的光路长度、所述加工激光束(14)的焦点位置、所述光学测量射束(36)的焦点位置、所述加工激光束(14)在焦点中的横截面形状、所述光学测量射束(36)在焦点中的横截面形状以及所述激光加工***(10)、尤其是激光加工***(10)的激光加工头(16)和所述至少一个工件(18a、18b)相对彼此的定向。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述探测路径(82)在所述探测区域(76)内具有数字“8”、平放的数字“8”、哑铃、花生、螺旋、圆、圆弧、之字形和/或回曲形的形状。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于表格值和/或在使用人工神经网络的情况下和/或基于函数关系来确定所述探测区域(76)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个工件(18a、18b)包括电池单体并且所述加工激光束(14)的照射实现用于所述电池单体的触点接触。

14.一种激光加工***(10)、尤其是激光焊接***，其包括：

-激光加工头(16)，用于将加工激光束(12)照射到至少一个工件(18a、18b)上，用于形成蒸汽毛细管，其中，所述激光加工头(16)包括第一偏转装置(26)，用于使加工激光束(14)在所述工件(18a、18b)上沿着加工路径(70)在第一扫描场(64)内偏转；

-用于干涉测距的测量装置(34)，所述测量装置设置为用于将光学测量射束(36)照射到所述至少一个工件(18a、18b)上，并且包括第二偏转装置(52)，用于使所述光学测量射束(36)在所述工件(18a、18b)上相对于所述加工激光束(14)沿着探测路径(82)在探测区域(76)内偏转；

-耦合装置(56)，用于将所述光学测量射束(36)耦合到所述激光加工头(16)中，所述耦合装置在所述加工激光束(14)的射束传播方向上布置在所述第一偏转装置(26)之前，使得所述光学测量射束(36)能够与所述加工激光束(14)一起被所述第一偏转装置(26)偏转，

其中，所述测量装置(34)设置为用于基于所述光学测量射束(36)的由所述工件(18a、18b)反射的部分沿着所述探测路径(82)检测距离测量值，用于确定所述蒸汽毛细管的深度和/或位置(78)，并且基于所述加工激光束(14)在所述第一扫描场(64)内的位置(68)来匹配所述探测区域(76)的大小。

15.根据权利要求14所述的激光加工***，其中，所述第一偏转装置(26)设置为用于使所述加工激光束(14)沿着第一轴线(x)偏转第一最大偏转角(28)并且用于使所述加工激光束(14)沿着第二轴线(y)偏转预给定的第二最大偏转角(29)，其中，所述第一轴线和第二轴线(x，y)彼此垂直，

其中，所述第一扫描场(64)通过所述第一最大偏转角(28)和所述第二最大偏转角(29)预给定，其中，所述第一最大偏转角(28)和/或所述第二最大偏转角(29)等于或大于10度。

16.根据权利要求14或15所述的激光加工***，其中，所述测量装置(34)包括准直装置(48)，用于调整所述光学测量射束(36)的焦点位置，

其中，所述测量装置(34)设置为用于控制所述准直装置(48)，以便基于所述光学测量射束(36)在所述第一扫描场(64)内和/或在所述第二扫描区(66)内的位置来调整所述光学测量射束(36)的焦点位置。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的激光加工***，其中，所述测量装置(34)是光学相干断层成像装置或者包括该光学相干断层成像装置。

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