DE102009030311B4

DE102009030311B4 - Spaltsteuervorrichtung und Laser-Überlappungsschweissverfahren

Info

Publication number: DE102009030311B4
Application number: DE102009030311.1A
Authority: DE
Inventors: Shigeki Saitoh; Naoki Ozawa; Tsutomu Okamoto
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2029-06-25
Also published as: DE102009030311A1; JP2010005632A; JP5353087B2; CN101612692A; CN101612692B; US20090314750A1

Abstract

Spaltsteuervorrichtung (100) zur Verwendung mit einer Laser-Schweißvorrichtung zum Überlappungsschweißen eines Basismaterials (20) und eines Lagenmaterials (26) miteinander, wobei die Spaltsteuervorrichtung (100) aufweist: eine Laserführung (10), die zum Führen eines Laserstrahls (B) zu einer Fokussierposition (S) eingerichtet ist, eine Spalthalteeinheit (12), die zum Vorschub des Basismaterials (20) und des Lagenmaterials (26) in einer Vorschubrichtung (U) zu der Fokussierposition (S) und zum Bilden eines vorbestimmten Spalts (t) zwischen dem Basismaterial (20) und dem Lagenmaterial (26) an zumindest einem Teil der Fokussierposition (S) eingerichtet ist, und eine Presseinheit (14; 60; 70), die zum Pressen des Basismaterials (20) und des Lagenmaterials (26) gegeneinander an einer Pressposition (P) eingerichtet ist, die um einen vorbestimmten Abstand (x) in der Vorschubrichtung (U) von der Fokussierposition (S) entfernt ist, wobei die Spalthalteeinheit (12) eine erste Halterung (24), die zum Drehen des Basismaterials (20) um eine Drehachse des Basismaterials (20) in der Vorschubrichtung (U) eingerichtet ist, sowie eine zweite Halterung (28), die zum Überlagern des Lagenmaterials (26) auf einem Außenumfang des Basismaterials (20) konfiguriert ist, aufweist, und die Presseinheit (14; 60; 70) eine Pressrolle oder -walze (30), deren Außenumfang an der Pressposition (P) in Kontakt mit dem Lagenmaterial (26) kommt und derart drehbar gelagert ist, dass sie der Drehung des Basismaterials (20) in der Vorschubrichtung (U) folgt, und einen Pressrahmen (32; 64; 74), der zum drehbaren Halten der Pressrolle oder -walze (30) und zum Pressen des Außenumfangs der Pressrolle oder -walze (30) zu der Pressposition (P) konfiguriert ist, aufweist.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet des Laserschweißens und insbesondere auf ein technisches Gebiet des Laser-Überlappungsschweißens.
Laserbearbeitung ist eine Technik, bei der ein Laserstrahl auf einen sehr kleinen Fleck mit hoher Energiedichte fokussiert und ein Objekt bearbeitet wird. Die Laserbearbeitung umfasst Schneiden, Bohren, Schweißen, Wärmebearbeitung und dgl.. Das Laserschweißen umfasst Stoßschweißen, bei dem zwei Objekte aneinanderstoßend angeordnet werden und eine Schweißung parallel zu einer Stoßfläche ausgeführt wird, Kantenschweißen, bei dem ein Schweißen parallel zu einer Rand- bzw. Kantenfläche einer Randverbindung durchgeführt wird, sowie Überlappungsschweißen, bei dem Objekte einander überlagert bzw. überlappt werden und das Schweißen senkrecht zu einer Überlappungsfläche durchgeführt wird.
Die JP2004-090054A offenbart ein Verfahren, bei dem ein Spalt bzw. Zwischenraum zwischen Objekten durch Pressen der überlappenden Objekte mit einer Druckrolle entfernt und ein Laserstrahl auf diese Pressposition fokussiert wird, um die Schweißqualität zu verbessern.
Die JP2005-052868A offenbart ein Verfahren, bei dem Grate an überlappenden Rändern ausgebildet und Kantenschweißen durchgeführt wird, wobei ein Spalt durch die Grate gebildet wird, um die Schweißqualität sicherzustellen.
Die JP2003-138935A offenbart ein Verfahren, bei dem eine Platte um den Außenumfang einer Zwischenanordnung gewickelt und dann Laserschweißen auf dem gesamten Umfang der Zwischenanordnung durchgeführt wird, um einen Fahrzeug-Auspuff einfacher auszubilden.
Die Schweißqualität hängt mit einem Durchgangsloch („keyhole”) zusammen, das an einem Objekt ausgebildet ist. Insbesondere wird die Schweißqualität des Durchdringungsschweißens, bei dem ein Durchgangsloch von einer Vorderfläche des Objekts zu einer Rückfläche des Objekts ausgebildet wird, durch eine Vorderflächen-Schweißnahtbreite, eine Eindringtiefe, eine Rückflächen-Schweißnahtbreite, ein Verhältnis zwischen der Oberflächenschweißnahtbreite und der Eindringtiefe (Aspektverhältnis), Auswirkungen eines Inertgases und das Verhalten von Verunreinigungen auf der Oberfläche oder der Beschichtung des Objekts beeinflusst.
In der JP2004-090054A wird das Überlappungsschweinen an der Pressposition durchgeführt, um einen Spalt zu entfernen, um die Eindring-Bearbeitung zu stabilisieren. Wenn die Objekte jedoch in engen Kontakt miteinander kommen, um den Spalt vollständig zu entfernen, werden anhaftende Stoffe (Öl, Metallpulver und dgl.) an der Oberfläche des Metalls verdampft und expandieren, wodurch Schweißdefekte wie Stiftlöcher (”pinholes”) hervorgerufen werden. Wird der Spalt vollständig entfernt, werden also Stiftlöcher (Blaslöcher, Porosität und Vertiefungen) oder Einsenkungen durch den Einfluß der Verunreinigungen hervorgerufen. Infolgedessen wird eine schlechte Schweißqualität wie die Verminderung der Ermüdungsfestigkeit, die Verschlechterung einer Abdichtungseigenschaft oder Defekte im Erscheinungsbild hervorgerufen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, einen Spalt, beispielsweise beim Schweißen von galvanisierten Stahlplatten, so vorzusehen, dass die schlechte Schweißqualität wie eine schlechte Durchdringung oder eine Unterfüllung nicht auftritt.
In der JP2005-052868A wird nicht das Überlappungsschweißen sondern das Kantenschweißen durchgeführt, während ein Spalt durch Grate gebildet wird, um die schlechte Schweißqualität wie Blaslöcher oder Einsenkungen zu verbessern. Dieses Verfahren erfordert jedoch einen komplexen Mechanismus zum Ausbilden von Graten und kann nicht auf das Überlappungsschweißen angewandt werden. Ferner ist es bei dem Kantenschweißen schwierig, die selbe Festigkeit wie bei dem Überlappungs-Eindringschweißen sicherzustellen.
In der JP2003-138935A wird zum Herstellen eines zylindrischen Elements mit einem kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt eine Platte um den Außenumfang der Zwischenanordnung gewickelt und Laserschweißen sodann an dem gesamten Umfang der Zwischenanordnung ausgeführt. Entsprechend ist es möglich, das zylindrische Element auf einfache Weise herzustellen. Wenn jedoch ein Spalt zwischen den um den Außenumfang gewickelten Platten gebildet wird, ist es schwierig, die Eindring-Bearbeitung zu stabilisieren. Andererseits wird, falls kein Spalt zwischen den Platten ausgebildet wird, ein Fehler wie ein Stiftloch gebildet.
Wird beispielsweise ein besonders großer Spalt (50% oder mehr der Blechstärke von 0,7 [mm]) zwischen Edelstahlblechen gebildet, wird nur das obere Blech durchgebrannt, so dass ein Eindringschweißen nicht erreicht und ein Loch gebildet wird. Entsprechend wird es notwendig, eine visuelle Überprüfung und einen Dichtigkeitstest zum Überprüfen einer Dichtungseigenschaft nach dem Schweißen durchzuführen. Wenn bei diesen Tests irgendwelche Probleme hinsichtlich der Dichtungseigenschaft herausgefunden werden, sollte ein Lichtbogenschweißen oder dgl. in einer Nachbearbeitung durchgeführt werden.
Gemäß obiger Beschreibung ist es in dem genannten Stand der Technik nicht möglich, die Bildung eines Stiftlochs zu unterdrücken, während die Eindringbearbeitung beim Überlappungsschweißen stabilisiert wird. Das bedeutet, dass es schwierig ist, gleichzeitig eine Festigkeit und eine Dichtungseigenschaft der Verschweißung und ein gutes Ergebnis sicherzustellen. Außerdem ist es nicht möglich, ein zylindrisches Element auf einfache Weise herzustellen, während die Festigkeit beibehalten und eine gute Dichtungseigenschaft sichergestellt ist, wie das beim Überlappungsschweißen möglich wäre.
Aus der JP2002-086286A ist eine Spaltsteuervorrichtung zur Verwendung mit einer Laser-Überlappungsschweißvorrichtung bekannt, und die DE10215017 A1 enthält einen Hinweis auf die Zuführung eines Schutzgases zu einer Schweißstelle beim Überlappungsschweißen von Blechverbindungen.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spaltsteuervorrichtung, die zur Verwendung mit einer Laser-Überlappungsschweißvorrichtung konfiguriert ist, sowie ein Laserschweißverfahren vorzusehen, das gleichzeitig die Festigkeit und die Dichtungseigenschaft des Laser-Überlappungsschweißens sicherstellt und die Wahrscheinlichkeit einer schlechten Schweißqualität verringert.
Um die obige Aufgabe zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Spaltsteuervorrichtung in Vorschlag gebracht, die zur Verwendung mit einer Laserschweißvorrichtung zum Überlappungsschweißen von Objekten miteinander eingerichtet ist, konfiguriert ist, wobei die Spaltsteuervorrichtung die Merkmale des Patentanspruches 1 umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Laser-Überlappungsschweißverfahren zum Verschweißen von Objekten miteinander in Vorschlag gebracht, das die Merkmale des Patentanspruches 6 umfasst.
Wenn die Bedeutungen der in jedem Anspruch genannten Begriffe interpretiert und die Erfindung gemäß jedem Anspruch mit Bezug auf den Inhalt dieser Beschreibung und die Zeichnungen erkannt wird, bietet die Erfindung gemäß jedem Anspruch die folgenden Vorteile in Bezug auf den Stand der Technik.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt die Spaltsteuervorrichtung die Laserstrahlen zu der Fokussierposition, während der vorbestimmte Spalt bzw. Zwischenraum an zumindest einem Teil der Fokussierposition (Laserflecken) ausgebildet wird, und führt einen Pressvorgang an der Pressposition aus. Da der zwischen den Objekten gebildete Spalt auf den vorbestimmten Spalt an der Fokussierposition eingestellt wird und zur Pressposition hin so gesteuert wird, dass er sich verringert, ist es möglich, ein Schmelzen an den Objekten durchzuführen, während die Verunreinigungen der Oberfläche oder das Abschirmgas zur Außenseite ausgetragen werden, wodurch das Auftreten der geringen Schweißqualität unterdrückt wird. Ferner ist es möglich, die selbe Dichtungseigenschaft wie beim Nahtschweißen zu erreichen, indem die Objekte an der Pressposition, welche sich um den vorbestimmten Abstand in der Vorschubrichtung von der Fokussierposition beabstandet befindet, gepresst werden. Durch das punktuelle Pressen der Objekte ist es möglich, eine gute äußere Erscheinung eines durch die Objekte gebildeten Produkts einzuhalten und die Festigkeit des Produkts zu erhöhen. Ferner ist es möglich, ein Produkt mit einer hohen Dichtungseigenschaft bei gutem Ertrag durch Ausführen der Laserschweißung an der Fokussierposition, bei der der vorbestimmte Spalt zwischen den Objekten gebildet wird, und durch Pressen an der Pressposition stabil herzustellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer hervorgehen, in der zeigen:
1(A) eine schematische Ansicht, welche ein strukturelles Beispiel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
1(B) und 1(C) schematische Ansichten, welche strukturelle Beispiele anderer, nicht zur Erfindung gehörender Spaltsteuervorrichtungen zeigen,
2(A), 2(B) und 2(C) photographische Darstellungen, die die Ergebnisse von Schweißexperimenten gemäß der ersten Ausführungsform zeigen,
3 eine Seitenansicht, die eine Spaltsteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt,
4 eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A von 3,
5(A), 5(B), 5(C) und 5(D) schematische Ansichten, die Prozesse bei Überlappungsschweißen gemäß der ersten Ausführungsform zeigen,
6 eine perspektivische Ansicht, die die Spaltsteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt,
7(A) eine perspektivische Ansicht, die eine Nahtschweiß-Presseinheit gemäß der ersten Ausführungsform zeigt,
7(B) eine perspektivische Ansicht, die eine Punktschweiß-Presseinheit gemäß der ersten Ausführungsform zeigt,
8 eine Teil-Vorderansicht, die die Spaltsteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt,
9(A) eine photographische Darstellung, die ein Beispiel eines nicht fehlerhaften Produktes zeigt, und 9(B) eine photographische Darstellung, die ein Beispiel einer schlechten Schweißqualität zeigt, wobei ein Spalt gemäß der ersten Ausführungsform vorhanden ist, und
10 ein Ablaufdiagramm, das Prozesse beim Laserschweißen gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Eine erste Ausführungsform entspricht einer Spaltsteuervorrichtung 100, die zur Verwendung mit einer Laser-Überlappungsschweißvorrichtung konfiguriert ist, und eine zweite Ausführungsform entspricht einem in 10 gezeigten Laserschweißverfahren.
[Erste Ausführungsform]
1. Druck-Überlappungsschweißen
1.1 Schweißspalt t und Abstand x zwischen Fokussier- und Belastungspunkt
Gemäß 1(A) umfasst eine Spaltsteuervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform einen Lasermechanismus 10, der Laserstrahlen B zu einer Fokussierposition S leitet, eine Spalthalteeinheit (12), die Objekte in einer Vorschub- bzw. Förderrichtung U zu der Fokussierposition S fördert und einen vorbestimmten Schweißspalt t zwischen den Objekten an einem Teil oder an der gesamten Fokussierposition S bildet, sowie eine Presseinheit 14, die eines der Objekte einem anderen der Objekte überlagert und die Objekte an einen Belastungspunkt P presst bzw. mit Druck beaufschlagt. Der Belastungspunkt P ist von der Fokussierposition S um einen Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x in der Vorschubrichtung der Objekte entfernt.
Der Lasermechanismus 10 fokussiert kohärentes Licht, das durch einen Laseroszillator erzeugt wird, durch ein optisches System und richtet die Laserstrahlen B auf die Fokussierposition S. Ein Festkörperlaser wie ein YAG-Laser oder ein Gaslaser wie ein CO₂-Laser kann als dieser Laser verwendet werden. Das optische System kann im Falle des CO₂-Lasers die Reflektion eines Spiegels und im Falle des YAG-Lasers eine optische Faser verwenden. Der Lasermechanismus 10 umfasst einen Roboter, der die Position des Laseroszillators oder des optischen Systems in zwei oder drei Richtungen steuert.
Die Laserstrahlen B werden auf die Fokussierposition S fokussiert und wenden eine hohe Energie auf das eine der Objekte an. Die Laserstrahlen B werden in den Objekten absorbiert und schmelzen einen Teil der Objekte. Die Fokussierposition S entspricht einem Laserfleck mit einer Fläche nicht einem Punkt. Durch Bewegen der Fokussierposition S relativ zu den Objekten nach dem Schmelzen der Objekte fällt die Temperatur des geschmolzenen Abschnitts der Objekte durch die Atmosphäre ab, so dass sich der geschmolzene Abschnitt verfestigt. Schweißen ist eine Operation zum Integrieren von zwei oder mehr Elementen durch Hitze, Druck oder eine Kombination davon, so dass die miteinander verbundenen Elemente durchgängig verbunden sind. Beim Laserschweißen werden die Objekte unter Verwendung von durch das Fokussieren der Laserstrahlen B erzeugter Hitze geschmolzen, wobei dann die geschmolzenen Teile der Objekte verfestigt werden, so dass eine Kontinuität zwischen den Objekten erreicht wird und die Objekte dadurch aneinander befestigt werden.
Die Objekte sind zwei oder mehrere Metalle, die miteinander zu verbinden sind. Beispielsweise kann Edelstahl als das Material verwendet werden. Hier wird das Objekt, das für das Überlappungsschweißen nicht verformt wird, als ein Basismaterial 20 bezeichnet, und das Objekt, das zum Überlappungsschweißen verformt wird, wird als ein Blech- bzw. Lagenmaterial 26 oder eine Biegefläche 27 bezeichnet. Bei einem in 1(A) gezeigten Beispiel ist das Basismaterial 20 ein zylindrisches Metall, und das Blech- bzw. Lagenmaterial 26 ist ein Metallblech, das um das Basismaterial 20 herumzuwickeln ist. In einem in 1(B) gezeigten Beispiel ist das Basismaterial 20 ein Metall, das horizontal vorgesehen ist, und das Blech- bzw. Lagenmaterial 26 ist ein Metallblech, das dem Basismaterial 20 zu überlagern ist. Eine Blech- bzw. Lagenmaterialhalterung 28 fördert das Blech- bzw. Lagenmaterial 26 in der Förderrichtung U.
Die Spalthalteeinheit 12 bildet einen Schweißspalt t zwischen dem Basismaterial 20 und dem Lagenmaterial 26 an einem Teil oder an der gesamten Fokussierposition S durch Halten des Basismaterials 20 und des Lagenmaterials 26. Das bedeutet, dass der Spalt t an allen Laserflecken gebildet werden kann. Außerdem kann der Spalt t an einem Teil der Laserflecken gebildet werden, während die Objekte an den anderen Laserflecken in engen Kontakt miteinander kommen. Die Spalthalteeinheit 12 umfasst eine Basismaterialhalterung 24 und eine Lagenmaterialhalterung 28. Die Basismaterialhalterung dreht das Basismaterial 20, das eines der zu verschweißenden Objekte ist, um eine Drehachse 22 des Basismaterials 20 in der Förderrichtung U. Die Lagenmaterialhalterung 28 überlappt bzw. überlagert das Lagenmaterial 26, welches ein anderes der zu verschweißenden Objekte ist, über dem bzw. den Außenumfang des Basismaterials 20.
In den in 1(A) und 1(B) gezeigten Beispielen bildet die Spalthalteeinheit 12 einen Schweißspalt t durch den Umfang eines Kreises, der eine Drehachse des Basismaterials 20 oder des Lagenmaterials 26 als Mitte besitzt. In einem in 1(C) gezeigten Beispiel bildet die Spalthalteeinheit einen Schweißspalt t durch Anwendung eines Spalt-Maßes.
Gemäß 1(A) hält die Basismaterialhalterung 24 das Basismaterial 20 so, dass das Basismaterial um die Drehachse 22 im Uhrzeigersinn (in der Förderrichtung U) gedreht werden kann. Die Lagenmaterialhalterung 28 hält und fördert das Lagenmaterial und bildet einen Schweißspalt t zwischen dem Basismaterial 20 und dem Lagenmaterial 26 durch eine Zugwalze oder -rolle 40. Bei dem in 1(B) gezeigten Beispiel hält die Basismaterialhalterung 24 (nicht dargestellt) das Basismaterial 20 und die Zugwalze 40 fördert das Lagenmaterial 26 zu dem Basismaterial 20 von oben, um den Schweißspalt t zu bilden. In dem in 1(C) gezeigten Beispiel wird der Schweißspalt t nicht durch eine Zugwalze 40 sondern ein Spalt-Maß 41 gebildet. Die Spalthalteeinheit 12 umfasst demnach das Spalt-Maß 41, das zwischen dem Basismaterial 20 und dem Lagenmaterial 26 vor der Fokussierposition S in der Vorschub- bzw. Förderrichtung U (linke Seite der Fokussierposition S in 1(C)) angeordnet ist, um einen Spalt bzw. Zwischenraum zwischen dem Basismaterial 20 und dem Lagenmaterial 26 zu bilden. Das Spalt-Maß 41, die Fokussierposition S und der Belastungspunkt P sind in dieser Reihenfolge in der Vorschub- bzw. Förderrichtung U angeordnet.
Der Schweißspalt t ist ein Abstand zwischen einem Punkt, an dem eine Kontaktfläche (eine Rückfläche) des Lagenmaterials 26, die in Kontakt mit dem Basismaterial 20 kommen soll, die Bestrahlungsrichtung des Laserstrahls B schneidet, und einem Punkt, an dem eine Oberfläche des Basismaterials 26 die Bestrahlungsrichtung des Laserstrahls B schneidet. Der Punkt, an dem das Basismaterial 26 den Laserstrahl B schneidet, wird als ein Fokussierpunkt bezeichnet, der durch T₁ in 1(A), durch T₂ in 1(B) und durch T₃ in 1(C) bezeichnet ist.
Die Fokussierposition S ist eine Position an der Oberfläche des Lagenmaterials 26. Eine Fokalposition in der Bestrahlungsrichtung des Laserstrahls B kann gemäß der Dicke des Objekts bestimmt werden. Die durch die Laserstrahlen B aufgebrachte Energie durchdringt das Lagenmaterial 26, passiert den Schweißspalt t und dringt in das Basismaterial 20 ein. Im allgemeinen wird beim Laserschweißen ein Inertgas (Abschirm- bzw. Schutzgas, Argongas oder Heliumgas) oder Seitengas zur Fokussierposition S eingeblasen. Bei dem in 1(A) gezeigten Beispiel bläst eine Gasdüse 44 Schutzgas ein und schirmt die Bestrahlungsposition des Laserstrahls B gegenüber der Atmosphäre ab. Das Schutzgas wird unter einem Schutzgaswinkel θ eingeblasen. Der Schutzgaswinkel θ ist ein Winkel, der zwischen der Einblasrichtung des Schutzgases und einer geraden Linie, die senkrecht zur Bestrahlungsrichtung des Laserstrahls B ist, gebildet ist. Vorzugsweise ist der Schutzgaswinkel im Bereich von 15° bis 30°. Seitengas zum Abblasen von erzeugten Plasma kann zur Fokussierposition S eingeblasen werden und das in den 1(A) und 1(B) gezeigte Abschirm- bzw. Schutzgas wirkt außerdem als das Seitengas hinsichtlich des Einblaswinkels θ.
In dieser Ausführungsform ist es möglich, das Schutzgas, welches zwischen den Objekten vorliegt, zur Außenseite auszutragen, indem der Laserstrahl B auf die Position gerichtet wird, an dem der Schweißspalt t besteht, um die Verringerung der Schweißqualität zu verhindern, die durch das zwischen dem Basismaterial 20 und dem Lagenmaterial 26 vorliegende Schutzgas hervorgerufen wird. In einem Fall, bei dem das Basismaterial 20 und/oder das Lagenmaterial 26 galvanisiert sind, kann die Beeinträchtigung der Schweißqualität durch das Verdampfen der Beschichtung hervorgerufen werden. Bei dieser Ausführungsform ist es jedoch möglich, die Verschlechterung der Schweißqualität, die durch den Einfluß der Verunreinigungen wie Teilchen der Plattierung hervorgerufen wird, zu unterdrücken, weil die Laserschweißung an der Position ausgeführt wird, an der der Schweißspalt t vorliegt.
Die Presseinheit 14 preßt bzw. drückt das Basismaterial 20 und das Lagenmaterial 26 an den Belastungspunkt P. Der Belastungspunkt P ist vor der Fokussierposition S um einen vorbestimmten Abstand in der Förder- bzw. Vorschubrichtung U (in einer Richtung entgegengesetzt der Schweißrichtung) entfernt. Der Belastungspunkt P ist auf einer Ebene definiert, an der sich das Lagenmaterial 26 und das Basismaterial 20 während des Schweißens im wesentlichen überlappen bzw. überlagern. Vorzugsweise ist der Belastungspunkt P auf einer geraden Linie parallel zu einer Schweißlinie positioniert und nicht auf der Schweißlinie oder einer Schweißnaht 18. Das bedeutet, dass der Belastungspunkt P entlang der Schweißnaht 18 an einer Position gelegen ist, die eine Schweißnaht 18 nicht überlappt bzw. überlagert. Ferner kann das Pressen bzw. Druckbeaufschlagen an einem Punkt durch eine Rolle bzw. Walze oder dgl. durchgeführt werden. Ein Abstand zwischen der Fokussierposition S und dem Belastungspunkt P in der Förderrichtung U wird als der Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x bezeichnet. Der Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x ist exakt ein Abstand zwischen der Fokussierposition S und einem Schnittpunkt einer geraden Linie, welche senkrecht zur Schweißrichtung ist und durch den Belastungspunkt P verläuft, und einer geraden Linie, die parallel zu der Schweißlinie auf der Schweißnaht 18 ist. Anders gesagt ist der Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x ein Abstand zwischen der Fokussierposition S und dem Belastungspunkt P in der Förder- bzw. Vorschubrichtung U. Während die Schweißnaht 18 oder ein Durchgangsloch 16 in einer Richtung entgegengesetzt der Schweißrichtung fortschreiten (in der Förderrichtung U in den 1(A) und 1(B)) wird der Schweißspalt t an der Fokussierposition S vermindert und wird am Belastungspunkt P Null. Durch sequentielles Verringern des Schweißspalts t auf Null während das Durchgangsloch 16 ausgebildet wird, ist es möglich, das Schutzgas oder Verunreinigungen der Beschichtung zur Atmosphäre auszutragen und eine hochqualitative Schweißung zu erreichen.
In einem Raum, in dem die Spaltsteuervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform installiert ist, kann der Belastungspunkt P und die Position einer Presswalze bzw. -rolle 30 fixiert sein, während die Position des einen Laserstrahl B emittierenden Lasermechanismus 10 variabel sein kann. In diesem Fall kann der Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x durch Fixieren des Belastungspunktes P und durch Bewegen der Position des Lasermechanismus 10 variabel sein. Beispielweise ist es bei den in 1(A) und 1(B) gezeigten Beispielen möglich, den Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x durch Antreiben des Lasermechanismus 10 so einzustellen, dass die Position des Laserstrahls B horizontal in den 1(A) und 1(B) bewegt wird. Ferner ist es möglich, den Schweißspalt t durch Einstellen einer Position der Spalthalteeinheit 12 einzustellen.
Der Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x kann vorab gemäß einer Fördergeschwindigkeit der Objekte (des Lagenmaterials 26 und des Basismaterials 28 in 1(A)) eingestellt werden.
Beispielsweise wird in einem Beispiel, bei dem zwei Blech- bzw. Lagenmaterialien mit einer Dicke von 0,7 [mm] mit dem Basismaterial 20 mit einer Dicke von 1,5 [mm] mit einer CO₂-Laserausgangsleistung von 3 [kW] verschweißt werden, die Fördergeschwindigkeit in dem Bereich von 1 bis 6 [m/min] eingestellt, der Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x wird in dem Bereich von 3 bis 7 [mm] eingestellt, und der Schweißspalt t wird in dem Bereich von 0,05 bis 0,3 [mm] eingestellt. Es ist bevorzugt, dass die Fördergeschwindigkeit in dem Bereich von etwa 2 bis 3 [m/min] der Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x innerhalb 5 [mm] und der Schweißspalt t innerhalb 0,3 [mm] eingestellt wird. Allgemein ist es zum Erhöhen der Schweißgeschwindigkeit (der Fördergeschwindigkeit) erforderlich, eine Laserausgangsleistung zu erhöhen. Außerdem hängt es von der Wellenlänge oder den Eigenschaften des Lasers ab.
Zusätzlich werden bei dem Beispiel, bei dem ein Spalt-Maß 41 zwischen das Basismaterial 20 und das Lagenmaterial 26 gemäß 1(C) eingeführt wird, wenn der Messeinrichtungsspalt z auf 0,5 [mm] eingestellt wird, die Objekte in einer normalen Richtung von 1(C) mit der Schweißgeschwindigkeit (der Fördergeschwindigkeit) von 3 [m/min] gefördert, der Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x wird auf 3 [mm] eingestellt und ein Schweißspalt des anderen Abschnitts als die Fokussierposition S wird auf etwa 0 [mm] so eingestellt, dass ein sehr kleiner Zwischenraum bzw. Spalt partiell gebildet wird, so dass es möglich ist, ein Eindringschweißen auf zufriedenstellende Weise auszuführen. Das Ergebnis dieses Schweißexperiments ist in 2(A) dargestellt. Außerdem ist es möglich, wenn der Schweißspalt auf 0,2 [mm] und der Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x auf 5 [mm] eingestellt wird, ein Eindringschweißen in zufriedenstellender Weise auszuführen. Das Ergebnis dieses Schweißexperiments ist in 2(B) gezeigt.
Andererseits ist es möglich, wenn der Schweißspalt auf 0,4 [mm] und der Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x auf 7 [mm] eingestellt wird, ein Eindringschweißen auszuführen, wobei aber eine Unterfüllung auftritt. Ferner wird ein Eindringschweißen nicht vollständig durchgeführt, wenn der Schweißspalt auf 0,4 [mm] und der Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x auf 10 [mm] eingestellt wird. Das Ergebnis dieses Schweißexperiments ist in 2(C) dargestellt.
Gemäß verschiedener experimenteller Ergebnisses ist es zum Ausführen eines Pressens bzw. Druckbeaufschlagens vor der Verfestigung bevorzugt, dass das Pressen bzw. Druckbeaufschlagen an dem Belastungspunkt P ausgeführt wird, nachdem etwa 0,1 [s] vergangen sind, nachdem der Laserstrahl auf die Fokussierposition S gerichtet wurde. Das bedeutet, dass der Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x so eingestellt werden kann, dass die Objekte von der Fokussierposition S zu dem Belastungspunkt P für etwa 0,1 [s] gefördert werden, um das Eindringschweißen in zufriedenstellender Weise auszuführen.
Außerdem können der Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x und der Schweißspalt t vorläufig gemäß einem Schweißradius R eingestellt werden.
Um den Schweißspalt sequentiell auf etwa 0 in Richtung des Belastungspunktes P zu verringern, können die Objekte durch Fördern eines der Objekte entlang einer geraden Linie und durch Fördern des anderen der Objekte entlang einem Bogen (einem Umfang) überlagert bzw. überlappt werden. In diesem Fall kann der Schweißradius R als ein Krümmungsradius des Bogens interpretiert werden, und eine Beziehung zwischen dem Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x und dem Schweißspalt t kann vorab gemäß dem Krümmungsradius des Bogens eingestellt werden. Der Schweißradius R ist ein Radius R1 des rotierenden zylindrischen Basismaterials in dem in 1(A) gezeigten Beispiel, und ist ein Radius R2 einen Kreises, der dem Förderweg des Lagenmaterials 26 in dem in 1(B) gezeigten Beispiel überlappt bzw. überlagert ist. Wenn der Förderweg mit der Presswalze bzw. -rolle 30 kombiniert wird, kann der Schweißradius R ein Radius R der Presswalze bzw. -rolle 30 sein.
Ferner kann der Schweißradius R auch keinem perfekten Kreis oder einer Kugel sondern einer Ellipse entsprechen und durch den Krümmungsradius definiert sein.
Der Schnitt zwischen dem Kreis und des Objekts und dem Laserstrahl B wird als die Basismaterial-Fokussierposition T(x, y) bezeichnet. Wenn die absoluten Werte von x und y unter Verwendung von R dargestellt werden, können der Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x und der Schweißspalt t durch die folgenden Ausdrücke definiert werden. x² + y² = R² y = R – t t = R – (R² – x²)^–2
In dem in 1(A) gezeigten Beispiel ist die Basismaterial-Fokussierposition T₁(x₁, y₁) an dem Umfang des zylindrischen Basismaterials 20 positioniert und durch die folgenden Ausdrücke dargestellt. x₁ ² + y₁ ² = R₁ ² y₁ = R₁ – t t = R₁ – (R₁ ² – x₁ ²)^–2
In dem in 1(B) gezeigten Beispiel ist die Basismaterial-Fokussierposition T₂(x₂, y₂) an der überlappten bzw. überlagerten Oberfläche des zylindrischen Lagermaterials 26 positioniert und durch die folgenden Ausdrücke dargestellt. x₂ ² + y₂ ² = R₂ ² y₂ = R₂ – t t = R₂ – (R₂ ² – x₂ ²)^–2
*1.1. Wirkung des Schweißspalts t und des Fokussier-Belastungspunkt-Abstands x
Es ist möglich, den Spalt zwischen den Objekten zu steuern, indem eine Positionsbeziehung zwischen dem Belastungspunkt P und der Fokussierposition S des Laserstrahls B gemäß obiger Beschreibung eingestellt werden, und die Bildung eines Stiftlochs zu unterdrücken, die durch die Verdampfung oder das Einblasen der Anhaftungen verursacht wird.
Das bedeutet, dass es möglich ist, das Schmelzen durchzuführen, während die Beschichtung des Objekts, die Verunreinigungen der Oberfläche oder das Schutzgas zur Außenseite ausgetragen werden, wenn der Laserstrahl B aufgestrahlt wird, während der Schweißspalt t gebildet wird. Entsprechend ist es möglich, das Auftreten einer geringen Schweißqualität zu verhindern. Ferner ist es möglich, dieselbe Abdichtungseigenschaft wie beim Nahtschweißen zu erreichen, indem das Pressen bzw. Druckbeaufschlagen an den Belastungspunkt P durchgeführt wird, der dem Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x entspricht, um eine gute äußere Erscheinung eines Produkts, das aus den Objekten durch einen punktuellen Druck gebildet wird, einzuhalten, und die Festigkeit des Produkts zu erhöhen. Ferner ist es möglich, ein Produkt bei einem hohen Ertrag stabil herzustellen, das eine hohe Abdichtungseigenschaft besitzt, indem das Pressen bzw. Druckbeaufschlagen an dem Belastungspunkt P entsprechend dem Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x und dem Schweißspalt t ausgeführt wird.
Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, unabhängig voneinander sowohl Festigkeit als auch Schweißqualität durch Steuern des Schweißspalts t so sicherzustellen, dass der Schweißspalt zum Belastungspunkt P hin auf diese Weise vermindert wird.
1.2. Wickel-Druck- bzw. Pressschweißen
Gemäß 3 umfasst die Presseinheit 14 eine Druck- oder Presswalze bzw. -rolle 30, die um einen Drehwellenkörper 31 gedreht wird, derart, dass sie der Rotation des Basismaterials 20 folgt, sowie einen Pressrahmen 32, der die Presswalze 30 so trägt, dass die Presswalze rotieren kann und den Außenumfang der Presswalze 30 zum Belastungspunkt P hin drückt.
Die Presswalze 30 kommt in Kontakt mit dem Lagenmaterial 26 an einem Punkt, der an dem Außenumfang der Presswalze 30 positioniert ist, und drückt das Lagenmaterial 26 und das Basismaterial 20 an dem Belastungspunkt P. Ferner wird die Presswalze 30 so gedreht, dass sie der Halterung des Basismaterials 20, die durch die Basismaterialhalterung 24 erfolgt, und der Rotation des Basismaterials in der Förderrichtung folgt. Die Presswalze 30 kann auch als ein Rad bezeichnet werden.
Der Pressrahmen 32 umfasst ein Druck- oder Presswalzen-Halteteil 34, das die Presswalze 30 so hält, dass die Presswalze gedreht werden kann, sowie ein Presswalzen-Drehteil 36, das den Außenumfang der Presswalze 30 durch Drehen des Presswalzen-Halteteils 34 und der Presswalze 30 als einzelnen Körper zum Belastungspunkt P hin bewegt.
Ferner ist in dem in 3 gezeigten Beispiel eine Rolle oder Walze 42 zum Verhindern einer Ablösung vorgesehen, um das Ablösen des geschweißten Lagenmaterials 26 zu verhindern.
Die 4 ist eine Querschnittansicht entlang einer Linie A-A von 3 und zeigt einen Querschnitt an dem Belastungspunkt P. Gemäß 4 wird ein Laserschweißen gleichzeitig an beiden Enden des zylindrischen Elements durch ein Paar Laserstrahlen B₁ und B₂ durchgeführt. Bei dieser Ausführungsform ist ein Paar (linker und rechter) Presswalzen 30 angeordnet, um das Schweißen an beiden Enden des Basismaterials 20 durchzuführen. Das bedeutet, dass die Presseinheit 14 eine linke Press- oder Druckwalze oder -rolle 30A, die um einen Drehwellenkörper 31A gedreht wird, sowie eine rechte Press- oder Druckwalze 30B, die um einen Drehwellenkörper 31B gedreht wird, umfasst. Gemäß 4 können die Pressrollen 30A und 30B zur Innenseite eines zu schweißenden Objekts geneigt sein, um den zum Aufstrahlen des Laserstrahls B und zum Einblasen des Schutzgases erforderlichen Raum zu gewährleisten.
Gemäß 4 umfasst das Basismaterial 20 dicke Abschnitte 20A, die an linken und rechten Enden ausgebildet und parallel zu dem Lagenmaterial 26 sind, sowie Scheibenabschnitte 20B, die in einer Kreisform an den Seitenflächen des Basismaterials 20 ausgebildet sind. Das Lagenmaterial 26 ist mehrmals um das Basismaterial 20 herumgewickelt. In dem in 4 gezeigten Beispiel ist das Lagenmaterial zweimal in Querschnittansicht um das Basismaterial herumgewickelt.
Die von dem Lasermechanismus 10 aufgestrahlten Laserstrahlen B₁ und B₂ bringen eine hohe Energiedichte auf das Objekt an der Fokussierposition S auf. Entsprechend wird ein Metalldampf mit hohem Druck an der bestrahlten Metalloberfläche erzeugt. Zusätzlich werden die Zugangslöcher 16 in dem geschmolzenen Metal ausgebildet. Die Zugangslöcher 16 absorbieren die Energie der Laserstrahlen B₁ und B₂ und übertragen die Wärme an die umgebenden Bereiche. Die überlappten bzw. überlagerten beiden Lagenmaterialien 26 und die dicken Abschnitte 20A und 20B des Basismaterials 20 werden durch die Hitze geschmolzen und die Zugangslöcher 16 durchsetzen die Lagenmaterialien zu der Rückfläche des dicken Abschnitts. Danach drückt das Paar der Druck- bzw. Pressrollen oder -walzen 30A und 30B die Objekte, die geschmolzen sind, an dem Belastungspunkt P. Die Zugangslöcher 16, die geschmolzenen Abschnitte darstellen, werden nach der Druckbeaufschlagung an dem Belastungspunkt P verfestigt. Bei dieser Ausführungsform wird der Spalt durch Durchführen der Druckbeaufschlagung während eines Abkühlprozesses korrigiert, während Verunreinigungen oder dgl. durch den Schweißspalt t während des Erhitzens gemäß obiger Beschreibung zur Außenseite der Zugangslöcher 16 geleitet werden. Entsprechend gibt es keinen Spalt während der Verfestigung. Da das Schweißen durch einen schnellen Aufheizprozess unter Verwendung des Laserstrahls B, einen Spalt-Korrekturprozess und einem schnellen Abkühlprozess durchgeführt wird, ist es möglich, das Schweißen zwischen den Materialien mit hohen Schmelzpunkten oder zwischen unterschiedlichen Arten von Metallen, die unterschiedliche Wärmeübertragungskoeffizienten haben, zufriedenstellend durchzuführen.
Diese Ausführungsform entspricht dem Überlappungs-Eindringschweißen. In dem in 4 gezeigten Beispiel ist eine Eindringtiefe L eine Länge, die erhalten wird durch Addieren der Dicke des Lagenmaterials 26 zu der Dicke des dicken Aabschnitts 20A des Basismaterials 20. Ein Verhältnis (Aspektverhältnis L/W₁) der Eindringtiefe L zu einer Oberflächennahtbreite W₁ oder einer Rückflächennahtbreite W2 hängt mit der Schweißqualität zusammen und bestimmt die Leistung des Laserschweißens. Das Durchgangsloch 16 wird zur Schweißnaht 18 und die Breite der Schweißnaht 18 ist die Oberflächenschweißnahtbreite W₁. Außerdem bleiben eingedrückte Vertiefungen 19, die durch die Druckrollen 30 gebildet werden, auf der Oberfläche des Lagenmaterials 26.
Prozesse zum Herstellen eines zylindrischen Produktes durch Laserschweißen sind in den 5(A) bis 5(D) dargestellt. Gemäß den 5(A) bis 5(D) wird das zylindrische Element hergestellt, indem das Lagenmaterial 26 mehrmals um das Basismaterial 20 herumgewickelt wird. Hierbei ist ein hohler Abschnitt des Basismaterials 20 nicht dargestellt. Gemäß 5(A) wird das Lagenmaterial 26, das eine Länge entsprechend dem Mehrfachen des Umfangs des Basismaterials 20 in einer Richtung entsprechend einer langen Seite 50 der Lage bzw. des Blechs entspricht, auf die dicken Abschnitte 20A des Basismaterials 20 aufgelegt. Nachfolgend werden beide Enden einer kurzen Seite 52 der Lage bzw. des Blechs mit beiden Enden des Basismaterials 20 verbunden, so dass das Lagenmaterial 26 den dicken Abschnitten 20A des Basismaterials 20 überlappt bzw. überlagert wird. Ferner werden die Laserstrahlen B₁ und B₂ aufgestrahlt und das Pressen bzw. Druckbeaufschlagen wird durch die Presseinheit 14, beispielsweise die Pressrolle 30, ausgeführt. Während das Basismaterial 20 gedreht und das Lagenmaterial 26 in der Förderrichtung U (einer Richtung entgegengesetzt der Schweißrichtung) zugeführt wird, wird das Laserschweißen ausgeführt. Die Schweißnaht 18 wird durch das Aufstrahlen der Laserstrahlen B₁ und B₂ gebildet und die eingedrückten Vertiefungen 19 werden durch das Drücken bzw. Pressen ausgebildet.
Das Basismaterial 20 wird gedreht und das Lagenmaterial 26 wird gemäß 5(B) zugeführt, so dass das Laserschweißen durchgeführt wird, während das Lagenmaterial 26 um das Basismaterial 20 herumgewickelt wird. In einem in 5(C) gezeigten Zustand ist das Lagenmaterial 26 einmal um das Basismaterial 20 herumgewickelt und das Lagenmaterial 26 wird weiter um das aufgewickelte Lagenmaterial 26 herumgewickelt. Die Schweißabschnitte werden bei dem Laserschweißen entsprechend der zweiten oder weiteren Wicklung weiter aufgeschmolzen, gepresst bzw. gedrückt und verfestigt.
Nachdem das mehrfache Wickeln abgeschlossen ist, wie in 5(D) dargestellt ist, wird Punktschweißen an Schweißflecken 54 an dem Ende 52A des Lagenmaterials 26 entsprechend der kurzen Seite 52 der Lage durchgeführt. Da der Schweißspalt t durch die Pressrolle 30 korrigiert wurde und das Pressen bzw. Drücken an dem Belastungspunkt P bei dieser Ausführungsform fortgesetzt ausgeführt wird, ist eine Abdichtungseigenschaft hervorragend. Da das Lagenmaterial mehrmals herumgewickelt wird, ist es möglich, die Luftdichtigkeit des zylindrischen Elements einfach und stabil sicherzustellen, obwohl das Dichtschweißen an dem Ende 52A des Lagenmaterials 26 nicht durchgeführt wird. Da das Ende 52A des Lagenmaterials 26 nicht mit anderen Elementen kollidiert, wenn das zylindrische Element eingebaut wird, kann das Lagenmaterial an den Schweißflecken 54 durch einfaches Durchführen von Punktschweißen befestigt bzw. fixiert werden. Selbst wenn das Punktschweißen nicht an den Schweißflecken 54 ausgeführt wird, kann das durch diese Ausführungsform hergestellte zylindrische Element Luftdichtigkeit sicherstellen. Entsprechend wird Gas in dem zylindrischen Element nicht zur Außenseite austreten, selbst wenn ein Wassertauchtest durchgeführt wird.
*1.2. Auswirkung des Wicklungsschweißens
Wie oben beschrieben ist es möglich, wenn die Laserstrahlen B auf einen Punkt fokussiert werden, an dem der Schweißspalt t gebildet wird, ein Eindringschweißen auszuführen, während das Abschirm- bzw. Schutzgas, die Beschichtung auf der Oberfläche des Objekts, Verunreinigungen freigesetzt werden, und die Bildung eines Stiftlochs zu unterdrücken. Wenn ferner die Pressrolle 30 den Belastungspunkt P drückt, bevor die geschweißten Abschnitte verfestigt sind, nachdem die Laserstrahlen B fokussiert wurden, wird der Schweißspalt t entfernt.
Entsprechend ist es möglich, eine sehr gute Dichtungseigenschaft bei großem Ertrag stabil sicherzustellen.
Beispielsweise gibt es einen Mechanismus, der einen Spalt durch Drücken eines Abschnitts nahe einem Schweißpunkt mit einer fingerartigen Metallplatte korrigiert. Da eine gedrückte Fläche jedoch groß ist, wird eine große Kraft benötigt, um ausreichend Druck aufzubringen, um einen Spalt durch partielles Verformen einer Platte zu korrigieren. Außerdem traten Wicklungsfehler auf, die durch die Verformung eines bearbeiteten Produkts oder die Exzentrizität eines Rotationszentrums hervorgerufen wurden. In dieser Hinsicht kann, da ein Schweizspalt t durch die Pressrolle (Rad) 30 bei dieser Ausführungsform korrigiert wird, eine Spaltkorrekturkraft im Fall der Druckrolle 30 4,5 mal so groß sein, wie bei dem Fall des Drückens unter Verwendung der Metallplatte, obwohl eine Spaltkorrekturkraft (beispielsweise etwa 980,665 [N] (100 [kgf])) konstant ist. Da ferner die Pressrolle 30 das Drücken durchführt, während sie gedreht wird, um der Rotation des Basismaterials 20 zu folgen, ist es möglich, die Formgenauigkeit zu verbessern und ein gutes Erscheinungsbild einzuhalten.
Das Aufwickeln wird durchgeführt und das Punktschweißen wird an mehreren Positionen durchgeführt. Im Vergleich zu einem Verfahren, bei dem das Laserschweißen anschließend an dem gesamten Umfang durchgeführt wird, tritt hinsichtlich der Abdichtungseigenschaft kaum ein Fehler auf. Beispielsweise ist es nicht notwendig, einen Wassertauchtest durchzuführen, sondern es kann ein berührungsloser Test unter Verwendung von Wellen (Licht, Schall oder dgl.) verwendet werden. Gemäß dem Verfahren im Stand der Technik werden, falls ein Fehler der Abdichtungseigenschaft auftritt, Leckagepositionen in einem nachfolgenden Prozess identifiziert, Bogenschweißen wird durchgeführt und eine Abdichtungseigenschaft muss erneut getestet werden. Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, ein Produkt herzustellen, das bei sehr hohem Durchsatz eine Abdichtungseigenschaft über einem vorbestimmten Niveau aufweist, und es ist möglich, einen Herstellungsprozess bei geringen Kosten zu verbessern.
Da weiterhin die Schweißqualität im Vergleich zu einem Verfahren, bei dem das Laserschweißen an dem gesamten Umfang nach dem Wickeln durchgeführt wird, verbessert ist, kann die Anzahl der Wicklungen verringert sein. Entsprechend ist es möglich, das Gewicht bzw. die Masse und die Fertigungskosten eines Produkts zu senken.
1.3. Details der Spaltsteuervorrichtung
Ein Beispiel einer Spaltsteuervorrichtung, die zum Herstellen eines Schalldämpfers eines Auspuffs durch Laserschweißen eingesetzt wird, wird im folgenden anhand der 6 bis 9(B) beschrieben.
Gemäß 6 umfasst eine Spaltsteuervorrichtung zwei Lasermechanismen 10, die den beiden Enden eines Schalldämpfers entsprechen, eine Nahtschweiß-Presseinheit 60 (sh. 7(A)), die ein Pressen bzw. Drücken an einen Belastungspunkt P während des Laserschweißens der beiden Enden ausführt, sowie eine Punktschweiß-Presseinheit 70 (sh. 7(B)), die ein Pressen bzw. Drücken ausübt, wenn Punktschweißen an dem Ende 52A des Lagenmaterials 26 durchgeführt wird.
Die Lasermechanismen 10 umfassen Schweißbrenner 80, die Laserstrahlen B₁ und B₂ abstrahlen, Luftvorhänge 82, die verhindern, dass Spritzer während des Schweißens anhaften, und Brenner-Antriebsteile 84, die eine Fokussierposition S durch Antreiben der Schweißbrenner 80 in X- und Y-Achsenrichtungen auf eine Ebene, von der eine senkrechte Linie parallel zu der Bestrahlungsrichtung des Laserstrahls B ist, steuern. Ein Paar Lasermechanismen 10 strahlt gleichzeitig Laserstrahlen B₁ und B₂ beim Durchführen der Nahtschweißung auf beide Enden des Schalldämpfers. Entsprechend werden Schweißnähte 18 gebildet. Wenn das Wicklungsschweißen des Lagenmaterials 26 abgeschlossen ist, werden die Lasermechanismen von dem Ende 52A des Lagenmaterials 26 zu den Positionen der Schweißflecken 54 bewegt und führen ein Punktschweißen an drei Positionen in dem in 6 (und 5(A) bis 5(D)) gezeigten Beispiel aus.
Gemäß 6 und 7(A) umfasst die Nahtschweiß-Presseinheit 60 einen Nahtpress-Drehkörper 62, einen Nahtpressrahmen 64, ein Nahtpressrollen-Halteteil 66 und eine Nahtpressrollenhalterung 68. Die Nahtschweiß-Presseinheit 60 drückt bzw. presst die Druck- bzw. Pressrollen oder -walzen 30A und 30B gegen das Lagenmaterial 26 an dem Belastungspunkt P, der von der Fokussierposition S um den Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x entfernt ist, durch Drehen des Nahtpress-Drehkörpers 62. Entsprechend werden die gedrückten Vertiefungen 19 gebildet.
Gleichermaßen umfasst die Punktschweiß-Presseinheit 70, gemäß der Darstellung in 6 und 7(B), auch einen Punktpress-Drehkörper 72, einen Punktpressrahmen 74, ein Punktpressrollen-Halteteil 76 und eine Punktpressrollenhalterung 78. Die Punktschweiß-Presseinheit 70 presst bzw. drückt Druck- bzw. Pressrollen oder -walzen 30C, 30D und 30E gegen das Lagenmaterial 26 durch Drehen des Punktpressrollen-Halteteils 76. Der Spalt am Ende 52A des Lagenmaterials 26 wird durch das Drücken bzw. Pressen eingestellt.
Gemäß 7(A) umfasst die Nahtpressrollenhalterung 68 ein Drehwellenelement 68A, das eine Drehwelle der Pressrolle 30B hält und die Pressrolle lagert, ein Neigungselement 68B, das das Drehwellenelement 68A um einen Winkel hält, der einem Neigungswinkel der Pressrolle 30B entspricht, sowie ein Verbindungselement 68C, das das Neigungselement 68B mit dem Nahtdruckrollen-Halteteil 66 verbindet.
Ein Ende des Nahtpressrahmens 64 ist mit einer Außenumfangsoberfläche des Nahtpress-Drehkörpers 62 verbunden und eine untere Oberfläche des anderen Endes des Nahtpressrahmens ist mit einer oberen Oberfläche des Nahtpressrollen-Halteteils 66 verbunden. Die Nahtpressrollenhalterung 68 besitzt im wesentlichen dieselbe Länge wie beide Enden des Basismaterials 20 in der Longitudinalrichtung, und die Seitenoberflächen der Pressrollen 30A und 30B und die Nahtpressrollenhalterung 68 sind an einer Position entsprechend dem Belastungspunkt P gelagert. Jedes der Elemente kann festgeschraubt sein. Wenn ferner das Nahtpressrollen-Halteteil 66 und die Nahtpressrollenhalterung 68 lösbar vorgesehen sind, ist es möglich, die Einstellung gemäß der Position des Belastungspunkts P durchzuführen.
Das Nahtpressrollen-Halteteil 66 hält zwei Press- bzw. Druckrollen oder -walzen 30A und 30B, die zum Nahtschweißen verwendet werden, indem sie das Verbindungselement 68C, welches die Pressrolle 30B hält, und das Verbindungselement 68C, das die Pressrolle 30A hält, halten. Der Nahtpressrahmen 64 wird zusammen mit dem Nahtpressrollen-Halteteil 66 als ein einzelner Körper gemäß der Drehung des Nahtpress-Drehkörpers 62 auf und ab bewegt. Aus diesem Grund werden, wenn der Nahtpress-Drehkörper 62 im Uhrzeigersinn in der Zeichnung durch einen Motor oder dgl. (nicht dargestellt) gedreht wird, der Nahtpressrahmen 64 und der Nahtpressrollen-Halteteil 66 nach unten bewegt, derart, dass die Pressrollen 30A und 30B, die um die Drehachse um den Neigungswinkel entsprechend der Neigung des Neigungselements 68B drehen, gegen das Lagenmaterial 26 gedrückt werden.
Gemäß 7(B) umfasst die Punktschweiß-Presseinheit 70 einen Punktpress-Drehkörper 72, der drehbar vorgesehen ist, einen Punktpressrahmen 74, der an dem Außenumfang des Punktpress-Drehkörpers 72 angebracht ist, der gemäß der Drehung des Press-Drehkörpers auf und ab bewegt wird und der andere Abschnitte der Punktschweiß-Presseinheit 70 haltert, ein Punktpressrollen-Halteteil 76, das mit der oberen Oberfläche des Punktpressrahmens 74 verbunden ist, und eine Punktpressrollenhalterung 78, die zusammen mit dem Punktpressrollen-Halteteil 76 als ein einzelner Körper auf und ab bewegt wird und die Pressrollen 30C, 30D und 30E auf und ab bewegt.
Die Punktpressrollenhalterung 78 umfasst ein Drehwellenelement 78A, ein Neigungselement 78B und ein Verbindungselement 78C wie die Nahtpressrollenhalterung 68. Ferner umfasst das Punktpressrollen-Halteteil 76 ein flaches Element 76A, das an einer oberen Oberfläche des Punktpressrahmens 74 vorgesehen ist, Aufrichtelemente 76B, die von der oberen Oberfläche des flachen Elements 76A aufgerichtet sind bzw. abstehen und ein Halteelement 76C halten, wobei das Haltelement 76C zusammen mit den Aufrichtelementen 76B als ein einzelner Körper auf und ab bewegt wird und die Punktpressrollenhalterung 78 hält.
Da das Nahtpressrollen-Halteteil 66 an der vorderen Seite des Halteelements 76C des Punktpressrollen-Halteteils 76 in der Förderrichtung U positioniert ist, ist das Verbindungselement 78C der Punktpressrollenhalterung 78 kürzer als das Verbindungselement 68C der Nahtpressrollenhalterung 68 in der Förderrichtung U.
Da die Nahtschweiß-Presseinheit 60 und die Punktschweiß-Presseinheit 70 gemäß der Darstellung in den 6 und 7 unabhängig voneinander sind, werden sie ohne gegenseitige Beeinflussung betätigt und sind so angeordnet, dass sie den Antrieb des Lasermechanismus nicht behindern.
Gemäß 8 umfasst die Spaltsteuervorrichtung unabhängige Gasdüsen 44A, 44B, 44C, 44D und 44E, die an zwei Positionen, die an der Naht zu verschweißen sind, und an drei Positionen, die an Punkten zu verschweißen sind, vorgesehen sind.
Die 9(A) zeigt einen Querschnitt eines nicht fehlerhaften Produkts. Selbst wenn etwas Schmutz durch den Spalt gefangen wird, wird das Eindringschweißen durchgeführt und eine hohe Abdichtungseigenschaft ist gewährleistet. Die 9(B) zeigt einen Querschnitt eines nach dem Stand der Technik hergestellten fehlerhaften Produkts. Es gibt eine Unterfüllung (Ausnehmung einer Naht) und es wird kein Eindringschweißen durchgeführt.
*1.3. Wirkungen von Details der Spaltsteuervorrichtung
Die in den 6 bis 8 gezeigte Spaltsteuervorrichtung besitzt einen Mechanismus, der die Nahtschweiß-Presseinheit 60 und die Punktschweiß-Presseinheit 70 unabhängig voneinander macht und das Pressen bzw. Drücken durch den Nahtpressrahmen 64 oder den Punktpressrahmen 74 ausführt. Entsprechend ist es möglich, einen Schalldämpfer eines Auspuffs durch zwei Schweißbrenner 80 mit hoher Geschwindigkeit und hoher Qualität herzustellen, während die Bewegungsräume von zwei Lasermechanismen 10 sichergestellt sind. Wenn ferner die Positionsbeziehung zwischen dem Belastungspunkt P und der Fokussierposition S (Laserbestrahlungspunkt) durch die Pressräder 30A und 30B gesteuert wird, wenn das Schweißen durchgeführt wird, während der Schweißspalt t korrigiert wird, ist es möglich, ein Schweißmittel vorzusehen, das einen erforderlichen Schweißspalt t an dem Lagenmaterial 26 (obere Platte) und dem Basismaterial 20 oder dem gewickelten Lagenmaterial 26 (untere Platte) geometrisch ausbildet und das Schweißen durchführt.
Da der Kreis der Pressrolle 30 und der Kreis des Basismaterials 20 in Kontakt miteinander kommen, während sie gedreht werden, ist es möglich, einen Schalldämpfer eines Auspuffs mit hoher Rundhaltigkeit (Formgenauigkeit) als sekundären Effekt zu erhalten.
Da ferner eine grundlegende Logik zum Steuern des Spalts durch den Controller des Schweißbrenners 80 erreicht wird, ist es möglich, den Schweißbrenner 80 zu einem optimalen Bestrahlungspunkt gemäß der Form eines Werkstücks (unterschiedliche Durchmesser) zu bewegen.
[Zweite Ausführungsform]
2.1. Laser-Überlappungsschweißverfahren
Die zweite Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen unterschiedlicher Produkte durch Überlappungslaserschweißen unter Verwendung der Spaltsteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
Gemäß 10 werden bei einem Laser-Überlappungsschweißverfahren zuerst Objekte überlappt bzw. überlagert, während ein vorbestimmter Schweißspalt t an einem Teil oder an der gesamten Fokussierposition S der Laserstrahlen B in der Bestrahlungsrichtung des Laserstrahls B gebildet wird (Schritt S1). In dem in 1(A) gezeigten Beispiel wird das Lagenmaterial 26 dem Basismaterial 20 überlappt bzw. überlagert.
Dann wird Abschirm- bzw. Schutzgas zur Fokussierposition S eingeblasen und der Laserstrahl B beginnt aufgestrahlt zu werden (Schritt S2). Ein Durchgangsloch 16 wird an dem Objekt durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl B gebildet und ein Schmelzabschnitt dringt in das Objekt ein.
Nachfolgend werden die Relativpositionen des Objekts und die Fokussierposition S so bewegt, dass der Laserstrahl B sich in der Schweißrichtung bewegt (Schritt S3). Beispielsweise bewegt sich in dem in 1(A) gezeigten Beispiel der gestoppte Laserstrahl B relativ in der Schweißrichtung durch Drehen des Basismaterials 20 im Uhrzeigersinn in der Zeichnung. Wenn ferner die Relativpositionen bewegt werden, werden die überlappenden Oberflächen des Lagenmaterials und des Basismaterials an dem Belastungspunkt P, der von der Fokussierposition S in der Schweißrichtung um den Fokussier-Belastungspunkt-Abstand x entfernt ist, gedrückt bzw. gepresst (Schritt S4). Außerdem bewegen sich die Relativpositionen zu dem anderen Ende einer Schweißlinie, so dass ein Nahtschweißen an dem Lagenmaterial und dem Basismaterial erfolgt (Schritt S5).
*2.1. Wirkung des Laser-Überlappungsschweißens
Es ist möglich, ein zylindrisches Element (1(A) und 5(A) bis 5(D)), eine Platte (1(B)), einen Auspuffschalldämpfer (6 und dgl.) durch das Laser-Überlappungsschweißen herzustellen. Es ist möglich, die Abdichtungseigenschaft jedes Produkts durch Verhindern einer geringen Schweißqualität stabil zu erreichen. Da ferner die Verfestigung erfolgt, nachdem das Drücken bzw. Pressen durch die Pressrolle durchgeführt wird, ist es möglich, die äußere Erscheinung und die Festigkeit, die die Designanforderungen erfüllen, stabil sicherzustellen. Außerdem ist es möglich, hergestellte Produkte zu erreichen, die sehr ähnlich der Schätzung wie einer vorausgehenden Simulation sind, und zwar durch Eindring- bzw. Tiefschweißen und kontinuierliches Drücken bzw. Pressen an dem Belastungspunkt, der relativ versetzt ist.
2.2. Wicklungsschweißverfahren
Das Überlappungsschweißen ist sehr effektiv bei dem Wicklungsschweißen eines Lagenmaterials.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf die 5(A) bis 5(D) und 10 wird das Lagenmaterial 26 dem Außenumfang des zylindrischen Basismaterials 20, wie in 5(A) gezeigt, überlappt bzw. überlagert (Schritt S1). Danach wird, wenn die Relativposition bewegt wird, das Basismaterial 20 um die Drehachse 22 des zylindrischen Basismaterials 20 gemäß 5(B) gedreht (Schritt S2). Zusätzlich wird gemäß 5(C) das Lagenmaterial um das Basismaterial in vorbestimmter Anzahl herum gewickelt, indem das Lagenmaterial 26 überlappt bzw. überlagert wird und das Basismaterial 20 gedreht wird (Schritte S3 bis S5). Ferner wird gemäß 5(D) an dem Ende der Schweißlinie ein Punktschweißen an den Schweißflecken 54 des Basismaterials und des Lagenmaterials, das um das Basismaterial herumgewickelt ist, an dem Ende 52A des Lagenmaterials 26 in einer Richtung parallel zu der Drehachse durchgeführt (Schritt S6).
*2.1. Wirkung des Laser-Wicklungsschweißens
Bei dem Laser-Wicklungsschweißen gemäß 5(A) bis 5(D) und 10 ist es möglich, die oben genannten verschiedenen Wirkungen zu erzielen. Insbesondere wenn das Drücken bzw. Pressen durch die Drehung des Basismaterials 20 und die Drehung der Pressrolle 30 erfolgt, während die Schweißqualität sichergestellt ist, ist es möglich, ein gutes Erscheinungsbild eines Produkts zu erzielen.

Claims

Spaltsteuervorrichtung (100) zur Verwendung mit einer Laser-Schweißvorrichtung zum Überlappungsschweißen eines Basismaterials (20) und eines Lagenmaterials (26) miteinander, wobei die Spaltsteuervorrichtung (100) aufweist: eine Laserführung (10), die zum Führen eines Laserstrahls (B) zu einer Fokussierposition (S) eingerichtet ist, eine Spalthalteeinheit (12), die zum Vorschub des Basismaterials (20) und des Lagenmaterials (26) in einer Vorschubrichtung (U) zu der Fokussierposition (S) und zum Bilden eines vorbestimmten Spalts (t) zwischen dem Basismaterial (20) und dem Lagenmaterial (26) an zumindest einem Teil der Fokussierposition (S) eingerichtet ist, und eine Presseinheit (14; 60; 70), die zum Pressen des Basismaterials (20) und des Lagenmaterials (26) gegeneinander an einer Pressposition (P) eingerichtet ist, die um einen vorbestimmten Abstand (x) in der Vorschubrichtung (U) von der Fokussierposition (S) entfernt ist, wobei die Spalthalteeinheit (12) eine erste Halterung (24), die zum Drehen des Basismaterials (20) um eine Drehachse des Basismaterials (20) in der Vorschubrichtung (U) eingerichtet ist, sowie eine zweite Halterung (28), die zum Überlagern des Lagenmaterials (26) auf einem Außenumfang des Basismaterials (20) konfiguriert ist, aufweist, und die Presseinheit (14; 60; 70) eine Pressrolle oder -walze (30), deren Außenumfang an der Pressposition (P) in Kontakt mit dem Lagenmaterial (26) kommt und derart drehbar gelagert ist, dass sie der Drehung des Basismaterials (20) in der Vorschubrichtung (U) folgt, und einen Pressrahmen (32; 64; 74), der zum drehbaren Halten der Pressrolle oder -walze (30) und zum Pressen des Außenumfangs der Pressrolle oder -walze (30) zu der Pressposition (P) konfiguriert ist, aufweist.
Die Spaltsteuervorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Abstand (x) vorher gemäß einer Vorschubgeschwindigkeit des Basismaterials (20) und des Lagenmaterials (26) eingestellt ist.
Die Spaltsteuervorrichtung (100) gemäß Anspruch 2, wobei der vorbestimmte Abstand (x) vorher so eingestellt ist, dass das Basismaterial (20) und das Lagenmaterial (26) von der Fokussierposition (S) zu der Pressposition (P) für 0,1 Sekunde vorgeschoben werden.
Die Spaltsteuervorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei, wenn das Lagenmaterial (26) entlang einer geraden Linie vorgeschoben und das Basismaterial (20) entlang einem Radius (R) von der Fokussierposition (S) zu der Pressposition (P) vorgeschoben wird, eine Beziehung zwischen dem vorbestimmten Abstand (x) und dem vorbestimmte Spalt (t) vorher gemäß dem Radius (R) eingestellt ist.
Die Spaltsteuervorrichtung (100) gemäß Anspruch 4, wobei die Beziehung die folgende Gleichung erfüllt: t = R – (R² – x²)^–2 wobei t der vorbestimmte Spalt, x der vorbestimmte Abstand und R der Radius ist.
Ein Laser-Überlappungs-Schweißverfahren zum Verschweißen eines Basismaterials (20) und eines Lagenmaterials (26) miteinander, mit den Schritten: Anordnen des Lagenmaterials (26) auf einem Außenumfang des Basismaterials (20) unter Bildung eines vorbestimmten Spalts (t) zwischen dem Basismaterial (20) und dem Lagenmaterial (26) an zumindest einem Teil einer Fokussierposition (S) eines Laserstrahls (B), Einblasen eines Abschirm- oder Schutzgases zu der Fokussierposition (S), Aufstrahlen des Laserstrahls (B) auf die Fokussierposition (S), Vorschieben des Basismaterials (20) und des Lagenmaterials (26) relativ zu der Fokussierposition (S), so dass der Laserstrahl (B) in einer Richtung entgegen einer Vorschubrichtung (U) fortschreitet, wobei das Basismaterial (20) um eine Drehachse des Basismaterials (20) gedreht wird und das Lagenmaterial (26) um das Basismaterial (20) in vorbestimmter Häufigkeit gewickelt wird, Pressen des Basismaterials (20) und des Lagenmaterials (26) gegeneinander an einer Pressposition (P), die von der Fokussierposition (S) um einen vorbestimmten Abstand (x) in der Vorschubrichtung (U) beabstandet ist, und Nahtverschweißen des Basismaterials (20) und des Lagenmaterials (26) miteinander mittels des Laserstrahls (B) bis zu einem Ende, und Punktschweißen eines Endabschnitts des Lagenmaterials (26).