DE112021003368T5

DE112021003368T5 - Laserschweissverfahren und laserschweissvorrichtung

Info

Publication number: DE112021003368T5
Application number: DE112021003368.9T
Authority: DE
Inventors: Jingbo Wang; Tsutomu Sugiyama; Shunsuke Kawai; Kenzo Shibata; Masashi Ishiguro; Atsuhiro Kawamoto
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2020-10-05
Filing date: 2021-10-01
Publication date: 2023-05-04
Also published as: JPWO2022075209A1; WO2022075209A1

Abstract

Bereitgestellt wird ein Laserschweißverfahren, das einen Schweißschritt zum Schweißen eines Werkstücks durch Bestrahlen einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl umfasst, der zweidimensional zum Schweifen gebracht wird, während er in einer X-Richtung vorgeschoben wird. In dem Schweißschritt wird der Laserstrahl zum Schweifen gebracht, um ein vorbestimmtes Muster auf der Oberfläche des Werkstücks zu zeichnen. Die Wärmemenge, die dem Werkstück zugeführt wird, wird auch gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls in dem vorbestimmten Muster gesteuert. Das vorbestimmte Muster ist ein kontinuierliches Muster, in dem zwei ringförmige Muster an einem Punkt miteinander in Kontakt sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Laserschweißverfahren und eine Laserschweißvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Laserschweißen ermöglicht das Durchführen von Schweißen bei hoher Geschwindigkeit und mit hoher Qualität, da ein Werkstück eines zu schweißenden Gegenstands mit einem Laserstrahl bestrahlt wird, der eine hohe Leistungsdichte aufweist. Insbesondere ermöglicht das Abtasten des Schweißens zum Durchführen von Schweißen, während eine Oberfläche des Werkstücks mit einem Laserstrahl bei hoher Geschwindigkeit abgetastet wird, das Bewegen des Laserstrahls mit hoher Geschwindigkeit zu einem nächsten Schweißpunkt während einer Periode, während der kein Schweißen durchgeführt wird, und ermöglicht somit die Verkürzung der Gesamtschweißzeit (siehe z. B. PTL 1). Herkömmlich vorgeschlagene Abtastverfahren mit einem Laserstrahl umfassen ein Verfahren zum Abtasten mit einem Laserstrahl bei gleichzeitigem Zeichnen eines Lissajous-Musters auf einer Oberfläche eines Werkstücks (siehe z. B. PTL 2 und PTL 3).
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur

PTL 1: Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2005-095934
PTL 2: Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. S60-177983
PTL 3: Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. H11-1 04877

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Technische Aufgabe
Die herkömmliche Ausgestaltung, die in jeder von PTL 2 und 3 offenbart ist, erlaubt derweil für gewöhnlich das Zeichnen eines Lissajous-Musters mit einer in Bezug auf seinen Mittelpunkt (nachfolgend auch als ein Ausgangspunkt bezeichnet) symmetrischen Form.
Werkstücke, die tatsächlich zu schweißen sind, weisen indes verschiedene Formen auf. Wenn zum Beispiel Plattenelemente mit unterschiedlichen Dicken durch Stumpfschweißen geschweißt werden, weist ein Werkstück eine asymmetrische Wärmekapazität auf beiden Seiten durch eine Schweißlinie auf, die einem Stumpfteil der Plattenelemente entspricht. Auf ähnliche Weise kann ein Werkstück in Abhängigkeit von einer Verbindungsstellenform des Werkstücks eine asymmetrische Wärmekapazität auf beiden Seiten durch die Schweißlinie aufweisen.
Dieser Fall kann dazu führen, dass Schweißraupen aufgrund der asymmetrischen Wärmekapazität des Werkstücks auf beiden Seiten durch eine Schweißlinie unterschiedliche Formen aufweisen, wenn das Schweißen durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl durchgeführt wird, während das vorhergehend beschriebene symmetrische Lissajous-Muster gezeichnet wird. Wenn zum Beispiel die Abgabe des Laserstrahls in einer Schweißung des Werkstücks in Übereinstimmung mit einer niedrigeren Wärmekapazität auf einer Seite angepasst wird, fehlt einem Teil, der eine höhere Wärmekapazität auf der entgegengesetzten Seite aufweist, die Menge der Wärmezufuhr und somit ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Schweißraupe erhalten wird, die eine zufriedenstellende Form aufweist, geringer. Alternativ wird, wenn die Abgabe des Laserstrahls in Übereinstimmung mit einer höheren Wärmekapazität auf einer Seite angepasst wird, die Menge der Wärmezufuhr in einem Teil, der eine niedrigere Wärmekapazität auf der entgegengesetzten Seite aufweist, übermäßig und somit kann eine schlechte Schweißung, wie beispielsweise Durchbrennen, auftreten. Ein solches Problem tritt auch auf, wenn das Abtastmuster des Laserstrahls kein Lissajous-Muster, sondern zum Beispiel ein kontinuierliches Muster ist, in dem zwei kreisförmige Muster an einem Punkt miteinander in Kontakt sind.
Die vorliegende Erfindung erfolgt im Hinblick auf einen solchen Punkt und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Laserschweißverfahren und eine Laserschweißvorrichtung bereitzustellen, die eine Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl bestrahlen, während ein vorbestimmtes Muster gezeichnet wird, wobei das Laserschweißverfahren und die Laserschweißvorrichtung in der Lage sind, eine Schweißraupe in einer vorteilhaften Form auf dem Werkstück zu bilden.
Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der vorhergehenden Aufgabe umfasst ein Laserschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung einen Schweißschritt zum Schweißen eines Werkstücks durch Bestrahlen einer Oberfläche des Werkstücks mit einem Laserstrahl durch zweidimensionales Schweifen des Laserstrahls und gleichzeitiges Bewirken, dass der Laserstrahl sich in einer ersten Richtung bewegt. In dem Schweißschritt wird der Laserstrahl zum Schweifen gebracht, um ein vorbestimmtes Muster auf der Oberfläche des Werkstücks zu zeichnen, und eine dem Werkstück zugeführte Wärmemenge wird gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls in dem vorbestimmten Muster gesteuert. Das vorbestimmte Muster ist ein kontinuierliches Muster, in dem zwei ringförmige Muster an einem Punkt miteinander in Kontakt sind.
Eine Laserschweißvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens einen Laseroszillator, der einen Laserstrahl erzeugt, einen Laserkopf, der den Laserstrahl empfängt und ein Werkstück mit dem Laserstrahl bestrahlt, und eine Steuereinrichtung, die den Betrieb des Laserkopfs und die Abgabe des Laserstrahls steuert. Der Laserkopf umfasst einen Laserscanner, der den Laserstrahl in jeder von einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung, welche die erste Richtung schneidet, zum Schweifen bringt. Die Steuereinrichtung treibt den Laserscanner an und steuert ihn, um zu bewirken, dass der Laserstrahl ein vorbestimmtes Muster auf einer Oberfläche des Werkstücks zeichnet. Die Steuereinrichtung steuert mindestens eines von der Zeichengeschwindigkeit und der Abgabe des Laserstrahls gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks. Das vorbestimmte Muster ist ein kontinuierliches Muster, in dem zwei ringförmige Muster an einem Punkt miteinander in Kontakt sind.
Vorteilhafter Effekt der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht das Bilden einer Schweißraupe in einer vorteilhaften Form auf einem Werkstück.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht einer Ausgestaltung einer Laserschweißvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
2 ist eine schematische Ansicht einer Ausgestaltung eines Laserscanners.
3A ist ein schematisches Diagramm eines Werkstücks.
3B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IIIB-IIIB in 3A.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines anderen Werkstücks.
5 ist ein Diagramm, das ein Abtastmuster eines Laserstrahls veranschaulicht.
6 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Zeichenposition und einer Abgabe eines Laserstrahls veranschaulicht.
7 ist ein Diagramm, das ein Abtastmuster eines Laserstrahls gemäß einer ersten Abwandlung veranschaulicht.
8 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Zeichenposition und einer Abgabe eines Laserstrahls veranschaulicht.
9 ist ein Diagramm, das ein Abtastmuster eines Laserstrahls gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
10 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Zeichenposition und einer Abgabe eines Laserstrahls veranschaulicht.
11 ist ein Diagramm, das eine Positionsbeziehung zwischen einem Laserstrahl und einem Schmelzbad, das in einem Werkstück gebildet wird, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
12 ist ein Diagramm, das ein Abtastmuster eines Laserstrahls veranschaulicht.
13 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Zeichenposition und einer Abgabe eines Laserstrahls veranschaulicht.
14 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Zeichenposition eines Laserstrahls und einer Zeichengeschwindigkeit des Laserstrahls gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
15 ist ein Diagramm, das eine andere Beziehung zwischen einer Zeichenposition eines Laserstrahls und einer Zeichengeschwindigkeit des Laserstrahls veranschaulicht.
16 ist ein Diagramm, das noch eine andere Beziehung zwischen einer Zeichenposition eines Laserstrahls und einer Zeichengeschwindigkeit des Laserstrahls veranschaulicht.
17A ist ein Diagramm, das ein erstes Abtastmuster eines Laserstrahls gemäß einer zweiten Abwandlung veranschaulicht.
17B ist ein Diagramm, das ein zweites Abtastmuster eines Laserstrahls gemäß der zweiten Abwandlung veranschaulicht.
18A ist ein Diagramm, das ein drittes Abtastmuster eines Laserstrahls gemäß der zweiten Abwandlung veranschaulicht.
18B ist ein Diagramm, das ein viertes Abtastmuster eines Laserstrahls gemäß der zweiten Abwandlung veranschaulicht.
18C ist ein Diagramm, das ein fünftes Abtastmuster eines Laserstrahls gemäß der zweiten Abwandlung veranschaulicht.
19 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Kombination von Parametern beim Zeichnen eines Lissajous-Musters veranschaulicht.
20A ist ein Diagramm, das ein erstes Abtastmuster eines Laserstrahls gemäß einer dritten Abwandlung veranschaulicht.
20B ist ein Diagramm, das ein zweites Abtastmuster eines Laserstrahls gemäß der dritten Abwandlung veranschaulicht.
20C ist ein Diagramm, das ein drittes Abtastmuster eines Laserstrahls gemäß der dritten Abwandlung veranschaulicht.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ist rein veranschaulichend und ist nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder ihre Verwendung einzuschränken.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
[Ausgestaltungen der Laserschweißvorrichtung und des Laserscanners]
1 veranschaulicht eine schematische Ansicht einer Ausgestaltung einer Laserschweißvorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel und 2 veranschaulicht eine schematische Ansicht einer Ausgestaltung eines Laserscanners. 3A ist eine schematische Ansicht eines Werkstücks und 3B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IIIB-IIIB in 3A. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines anderen Werkstücks.
In der folgenden Beschreibung kann eine Richtung parallel zu einer Bewegungsrichtung des Laserstrahls LB von dem Reflexionsspiegel 33 hin zu dem Laserscanner 40 als eine X-Richtung bezeichnet werden, eine Richtung parallel zu einer optischen Achse des Laserstrahls LB, der von dem Laserkopf 30 emittiert wird, kann als eine Z-Richtung bezeichnet werden und eine Richtung orthogonal zu jeder von der X-Richtung und der Z-Richtung kann als eine Y-Richtung bezeichnet werden. Wenn eine Oberfläche des Werkstücks 200 als eine flache Oberfläche gebildet ist, kann eine XY-Ebene, welche die X-Richtung und die Y-Richtung umfasst, im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Werkstücks 200 sein oder kann einen gewissen Winkel in Bezug auf die Oberfläche des Werkstücks 200 bilden.
Wie in 1 veranschaulicht, umfasst die Laserschweißvorrichtung 100 den Laseroszillator 10, die optische Faser 20, den Laserkopf 30, die Steuereinrichtung 50 und den Manipulator 60.
Der Laseroszillator 10 ist eine Laserstrahlquelle, die mit Leistung von einer Leistungsversorgung (nicht veranschaulicht) versorgt wird und die den Laserstrahl LB erzeugt. Der Laseroszillator 10 kann eine einzige Laserstrahlquelle umfassen oder kann mehrere Lasermodule umfassen. Im letzteren Fall werden die Laserstrahlen, die von entsprechenden mehreren Lasermodulen emittiert werden, in den Laserstrahl LB kombiniert und dann als dieser emittiert. Die Laserstrahlquelle oder die Lasermodule, die in dem Laseroszillator 10 verwendet werden, werden in geeigneter Weise in Übereinstimmung mit einem Material, einer Form einer Schweißung oder dergleichen des Werkstücks 200 ausgewählt.
Zum Beispiel kann ein Faserlaser oder ein Scheibenlaser oder ein Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (YAG) als die Laserstrahlquelle verwendet werden. In diesem Fall weist der Laserstrahl LB eine Wellenlänge auf, die in einem Bereich von 1000 nm bis einschließlich 1100 nm eingestellt ist. Als die Laserstrahlquelle oder das Lasermodul kann auch ein Halbleiterlaser verwendet werden. In diesem Fall weist der Laserstrahl LB eine Wellenlänge auf, die in einem Bereich von 800 nm bis einschließlich 1000 nm eingestellt ist. Als die Laserstrahlquelle oder das Lasermodul kann auch ein Laser mit sichtbarem Licht verwendet werden. In diesem Fall weist der Laserstrahl LB eine Wellenlänge auf, die in einem Bereich von 400 nm bis einschließlich 600 nm eingestellt ist.
Die optische Faser 20 ist optisch an den Laseroszillator 10 gekoppelt und der Laserstrahl LB, der in dem Laseroszillator 10 erzeugt wird, fällt auf der optischen Faser 20 ein und wird dann durch das Innere der optischen Faser 20 hin zum Laserkopf 30 durchgelassen.
Der Laserkopf 30 ist an einem Endteil der optischen Faser 20 angebracht, um den Laserstrahl LB hin zu dem Werkstück 200 zu emittieren, wobei der Laserstrahl LB durch die optische Faser 20 durchgelassen wird.
Der Laserkopf 30 umfasst die Kollimationslinse 32, den Reflexionsspiegel 33, die Kondensorlinse 34 und den Laserscanner 40, die als optische Bauteile dienen, und das Gehäuse 31 bringt diese optischen Bauteile in seinem Inneren unter und bewahrt dabei eine vorbestimmte Platzierungsbeziehung zwischen ihnen.
Die Kollimationslinse 32 empfängt den Laserstrahl LB, der von der optischen Faser 20 emittiert wird. Die Kollimationslinse 32 wandelt den Laserstrahl LB in kollimiertes Licht um und bewirkt, dass das kollimierte Licht auf dem Reflexionsspiegel 33 einfällt. Die Kollimationslinse 32 ist mit einem Treiber (nicht veranschaulicht) verbunden und ist dazu ausgestaltet, in der Lage zu sein, sich als Reaktion auf ein Steuersignal von der Steuereinrichtung 50 in der Z-Richtung zu verlagern. Das Verlagern der Kollimationslinse 32 in der Z-Richtung bewirkt, dass die Fokusposition des Laserstrahls LB geändert wird und es somit dem Laserstrahl LB ermöglicht wird, in geeigneter Weise in Übereinstimmung mit der Form des Werkstücks 200 emittiert zu werden. Das heißt, die Kollimationslinse 32 in Kombination mit dem Treiber (nicht veranschaulicht) wirkt auch als ein Fokuspositionsanpassungsmechanismus für den Laserstrahl LB. Der Treiber kann die Kondensorlinse 34 verlagern, um die Fokusposition des Laserstrahls LB zu ändern.
Der Reflexionsspiegel 33 reflektiert den durch die Kollimationslinse 32 durchgelassenen Laserstrahl LB, um zu bewirken, dass der Laserstrahl LB auf dem Laserscanner 40 einfällt. Der Reflexionsspiegel 33 ist mit einer Oberfläche versehen, die einen Winkel von etwa 45 Grad in Bezug auf die optische Achse des durch die Kollimationslinse 32 durchgelassenen Laserstrahls LB bildet.
Die Kondensorlinse 34 kondensiert den Laserstrahl LB auf der Oberfläche des Werkstücks 200, wobei der Laserstrahl LB durch den Reflexionsspiegel 33 reflektiert wird und durch den Laserscanner 40 zum Schweifen gebracht wird.
Wie in 2 veranschaulicht, ist der Laserscanner 40 ein bekannter Galvo-Scanner, der den ersten Galvo-Spiegel 41 und den zweiten Galvo-Spiegel 42 umfasst. Der erste Galvo-Spiegel 41 umfasst den ersten Spiegel 41a, die erste Drehwelle 41b und den ersten Treiber 41c. Der zweite Galvo-Spiegel 42 umfasst den zweiten Spiegel 42a, die zweite Drehwelle 42b und den zweiten Treiber 42c. Der Laserstrahl LB, der durch die Kondensorlinse 34 durchgelassen wird, wird am ersten Spiegel 41a reflektiert und wird ferner am zweiten Spiegel 42a reflektiert. Dann wird die Oberfläche des Werkstücks 200 mit dem Laserstrahl LB bestrahlt.
Zum Beispiel sind der erste Treiber 41c und der zweite Treiber 42c jeweils ein Galvo-Motor und die erste Drehwelle 41b und die zweite Drehwelle 42b sind jeweils Abtriebswellen des Motors. Obgleich dies nicht veranschaulicht ist, wird, wenn der erste Treiber 41c durch einen Treiber, der als Reaktion auf ein Steuersignal von der Steuereinrichtung 50 betätigt wird, drehbar angetrieben wird, der erste Spiegel 41a, der an der ersten Drehwelle 41b angebracht ist, um die Achse der ersten Drehwelle 41b gedreht. Auf ähnliche Weise wird, wenn der zweite Treiber 42c durch einen Treiber, der als Reaktion auf ein Steuersignal von der Steuereinrichtung 50 betätigt wird, drehbar angetrieben wird, der zweite Spiegel 42a, der an der zweiten Drehwelle 42b angebracht ist, um die Achse der zweiten Drehwelle 42b gedreht.
Wenn der erste Spiegel 41a drehbar um die Achse der ersten Drehwelle 41b zu einem vorbestimmten Winkel bewegt wird, wird der Laserstrahl LB in der X-Richtung zum Schweifen gebracht. Wenn der zweite Spiegel 42a drehbar um die Achse der zweiten Drehwelle 42b zu einem vorbestimmten Winkel bewegt wird, wird der Laserstrahl LB in der Y-Richtung zum Schweifen gebracht. Das heißt, der Laserscanner 40 ist dazu ausgestaltet, den Laserstrahl LB zweidimensional innerhalb der XY-Ebene zum Schweifen zu bringen, um den Laserstrahl LB hin zu dem Werkstück 200 zu emittieren.
Die Steuereinrichtung 50 steuert die Laseroszillation des Laseroszillators 10. Insbesondere führt die Steuereinrichtung 50 die Laseroszillationssteuerung durch Bereitstellen von Steuersignalen für einen Ausgangsstrom, Ein/Aus-Zeit und dergleichen für eine Leistungsversorgung (nicht veranschaulicht) durch, die mit dem Laseroszillator 10 verbunden ist.
Die Steuereinrichtung 50 steuert auch den Betrieb des Laserkopfs 30 in Übereinstimmung mit Inhalt eines ausgewählten Laserschweißprogramms. Insbesondere führt die Steuereinrichtung 50 Antriebssteuerung auf dem Laserscanner 40 und dem Treiber (nicht veranschaulicht) der Kollimationslinse 32 durch, die in dem Laserkopf 30 bereitgestellt sind. Die Steuereinrichtung 50 steuert ferner den Betrieb des Manipulators 60. Das Laserschweißprogramm ist in einem Speicher (nicht veranschaulicht) gespeichert, der in der Steuereinrichtung 50 oder an einem anderen Ort bereitgestellt ist, und wird in der Steuereinrichtung 50 durch einen Befehl von der Steuereinrichtung 50 aufgerufen.
Die Steuereinrichtung 50 umfasst eine integrierte Schaltung (nicht veranschaulicht), wie beispielsweise eine Large-Scale Integration (LSI) oder einen Mikrocomputer. Wenn das Laserschweißprogramm, das Software ist, auf der integrierten Schaltung durchgeführt wird, werden die vorhergehend beschriebenen Funktionen der Steuereinrichtung 50 implementiert. Die Steuereinrichtung 50, die den Betrieb des Laserkopfs 30 steuert, und die Steuereinrichtung 50, welche die Abgabe des Laserstrahls LB steuert, können getrennt bereitgestellt werden.
Der Manipulator 60 ist ein Gelenkarmroboter und ist an dem Gehäuse 31 des Laserkopfs 30 angebracht. Der Manipulator 60 ist mit der Steuereinrichtung 50 verbunden, um die Übertragung und den Empfang eines Signals dazwischen zu ermöglichen, und bewegt den Laserkopf 30 und bewirkt dabei, das ein vorbestimmter Weg in Übereinstimmung mit dem vorhergehend beschriebenen Laserschweißprogramm gezeichnet wird. Eine andere Steuereinrichtung (nicht veranschaulicht) kann zum Steuern des Betriebs des Manipulators 60 bereitgestellt werden.
Die in 1 veranschaulichte Laserschweißvorrichtung 100 kann Laserschweißen auf Werkstücken 200 durchführen, die verschiedene Formen aufweisen. Zum Beispiel wird Stoßschweißen durch Bestrahlen einer Verbindungsstelle des Werkstücks 200 mit dem Laserstrahl LB durchgeführt, wobei die Verbindungsstelle durch anstoßende Endoberflächen des ersten Plattenelements 210 und des zweiten Plattenelements 220 gegeneinander gebildet wird, wobei das erste Plattenelement 210 und das zweite Plattenelement 220 hinsichtlich des Materials identisch, aber hinsichtlich der Dicke unterschiedlich sind, wie in 3A und 3B veranschaulicht. Wie in 4 veranschaulicht, wird Überlappschweißen durch Emittieren des Laserstrahls LB zu einer Ecke einer Verbindungsstelle des Werkstücks 200 durchgeführt, in dem das dritte Plattenelement 230 und das vierte Plattenelement 240 mit ihren jeweils voneinander verlagerten Endoberflächen miteinander überlappt werden. Es versteht sich indes von selbst, dass Formen der Werkstücke 200, die Laserschweißen zu unterziehen sind, nicht auf die in 3A, 3B und 4 veranschaulichten Beispiele beschränkt sind.
[Mathematischer Ausdruck des Lissajous-Musters]
5 veranschaulicht ein Abtastmuster eines Laserstrahls und der Laserstrahl LB wird zum Schweifen gebracht, um ein Lissajous-Muster (das nachfolgend auch als Lissajous-Figur bezeichnet wird) in der XY-Ebene, in diesem Fall auf der Oberfläche des Werkstücks 200, zu zeichnen.
Das in 5 veranschaulichte Lissajous-Muster weist eine Breite in der X-Richtung auf, die gleich einer Breite in der Y-Richtung ist, und die Breite in der Y-Richtung ist im Wesentlichen gleich der Breite W in der Y-Richtung einer Schweißraupe (nicht veranschaulicht), wenn die Schweißgeschwindigkeit sehr hoch ist. Im Gegensatz dazu nimmt, wenn die Schweißgeschwindigkeit niedrig ist, die Breite der Schweißraupe unter dem Einfluss der Wärmeleitung zu. Somit ist die Breite des Lissajous-Musters in der Y-Richtung leicht schmaler als die Breite der Schweißraupe in der Y-Richtung. In der Beschreibung der vorliegenden Anmeldung bedeutet „im Wesentlichen gleich“ oder „im Wesentlichen identisch“, dass Steuerungsergebnisse von entsprechenden Steuerungszielen identisch oder mit einem Fehler eines Steuerungssystems identisch sind, und muss nicht heißen, dass beide Steuerungsziele strikt gleich oder identisch sind. Darüber hinaus wird „im Wesentlichen gleich“ oder „im Wesentlichen identisch“ auch mit der Bedeutung der Gleichheit oder Identifizierung verwendet, was Herstellungstoleranzen und Zusammenbautoleranzen jedes Bauteils und dergleichen umfasst.
Das in 5 veranschaulichte Lissajous-Muster wird durch Vibrieren des Laserstrahls LB mit einer vorbestimmten Frequenz in der X-Richtung in einer Sinuswellenform und Vibrieren des Laserstrahls LB mit einer Frequenz, die sich von derjenigen in der X-Richtung unterscheidet (1/2 der Frequenz in der X-Richtung), in der Y-Richtung in einer Sinuswellenform erhalten. Wie vorhergehend beschrieben, werden die Abtastmuster in der X-Richtung und der Y-Richtung des Laserstrahls LB basierend auf Drehbewegungen des ersten Spiegels 41a und des zweiten Spiegels 42a bestimmt. Wenn das in 5 veranschaulichte und durch Antreiben des ersten Spiegels 41a erhaltene Lissajous-Muster eine Positionskoordinate aufweist, die als X1 bezeichnet wird, und das in 5 veranschaulichte und durch Antreiben des zweiten Spiegels 42a erhaltene Lissajous-Muster eine Positionskoordinate aufweist, die als Y1 bezeichnet wird, werden die Positionskoordinaten X1, Y1 allgemein durch die folgenden Ausdrücke (1) beziehungsweise (2) ausgedrückt.
$X 1 = a \times sin (nt)$
$Y 1 = b \times sin (mt + φ)$
wo a eine Amplitude des in 5 veranschaulichten Lissajous-Musters in der X-Richtung ist, b eine Amplitude des in 5 veranschaulichten Lissajous-Musters in der Y-Richtung ist, n eine Frequenz des ersten Spiegels 41a ist, m eine Frequenz des zweiten Spiegels 42a ist, t die Zeit ist und φ eine Phasendifferenz, wenn der erste Spiegel 41a oder der zweite Spiegel 42a angetrieben wird, insbesondere eine Winkeldifferenz ist, die zwischen dem ersten Spiegel 41a und dem zweiten Spiegel 42a am Zeitpunkt der Drehbewegung bereitgestellt wird.
Die Positionskoordinaten X1, Y1, die in den Ausdrücken (1), (2) angegeben sind, werden durch ein ortsfestes Koordinatensystem des Lissajous-Musters in einem Zustand ausgedrückt, in dem der Laserkopf 30 an einer Position befestigt ist.
Die Frequenz n und die Frequenz m entsprechen Antriebsfrequenzen des ersten Spiegels 41a beziehungsweise des zweiten Spiegels 42a.
Das in 5 veranschaulichte Lissajous-Muster ist ein Lissajous-Muster in der Form einer 8, das einem Fall entspricht, in dem in den Gleichungen (1), (2) a = 1, b = 1, n = 2, m = 1 und φ = 0 sind. Die Amplituden a und b werden mit 1 normalisiert. Die Phasendifferenz φ in den Ausdrücken (1), (2) kann eine beliebige von 0 Grad und 180 Grad sein. Das Lissajous-Muster weist eine tatsächliche Größe oder eine Amplitude in jeder von der X-Richtung und der Y-Richtung auf, die etwa 1 mm bis 10 mm beträgt.
Hier werden, wenn eine Zeichendistanz des Lissajous-Musters in der X-Richtung an einer vorbestimmten zeitlichen Veränderung Δt durch ΔX bezeichnet wird, eine Zeichendistanz des Lissajous-Musters in der Y-Richtung durch ΔY bezeichnet wird und eine Zeichendistanz des Lissajous-Musters an der zeitlichen Veränderung Δt durch ΔL bezeichnet wird, wie in 5 veranschaulicht, ΔX, ΔY, ΔL durch die jeweiligen Ausdrücke (3) bis (5) ausgedrückt.
$Δ X = a \times n \times cos (nt) \times Δ t$
$Δ Y = b \times m \times cos (mt + φ) \times Δ t$
$Δ L = Δ t \times {{(Δ X)}^{2} + {(Δ Y)}^{2}}^{1 / 2}$
Somit wird die Zeichengeschwindigkeit V des Lissajous-Musters durch den folgenden Ausdruck (6) ausgedrückt.
$V = Δ L / Δ t$
[Laserschweißverfahren]
6 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einer Zeichenposition und einer Abgabe eines Laserstrahls.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ermöglicht das Bestrahlen der Oberfläche des Werkstücks 200 mit dem Laserstrahl LB, während der Laserkopf 30 durch den Manipulator 60 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit in der X-Richtung bewegt wird. Der Laserstrahl LB wird ferner zweidimensional unter Verwendung des Laserscanners 40 zum Schweifen gebracht, um das in 5 veranschaulichte Lissajous-Muster auf die Oberfläche des Werkstücks 200 zu zeichnen. Die vorliegende Ausführungsform ist mit einem Beispiel beschrieben, in dem das in 3A und 3B veranschaulichte Werkstück 200 stoßgeschweißt wird.
Das in 5 veranschaulichte Lissajous-Muster wird durch zum Schweifen bringen des Laserstrahls LB in Richtungen der in 5 veranschaulichten Pfeile AR1 und AR2 vom Ausgangspunkt O während eines Zyklus erhalten. Insbesondere wird der Laserstrahl LB vom Ausgangspunkt O zum Schweifen gebracht, um die Zeichenpositionen A, B, C, O, D, E, F und O in dieser Reihenfolge während eines Zyklus zu durchqueren.
Das Laserschweißen wird durch Emittieren des Laserstrahls LB entlang eines Stoßteils des ersten Plattenelements 210 und des zweiten Plattenelements 220 durchgeführt, wobei der Stoßteil einer Schweißung des Werkstücks 200 entspricht. Wie in 3A veranschaulicht, erstreckt sich der Stoßteil entlang der X-Richtung und entspricht der vorhergehend beschriebenen Schweißlinie. Dann weist das erste Plattenelement 210 eine Dicke in der Z-Richtung auf, die größer als eine Dicke des zweiten Plattenelements 220 in der Z-Richtung ist, wie in 3B veranschaulicht. Das erste Plattenelement 210 und das zweiten Plattenelement 220 sind hinsichtlich des Materials identisch. Somit weist das erste Plattenelement 210 eine höhere Wärmekapazität auf als das zweite Plattenelement 220. Das heißt, die Wärmekapazität des Werkstücks 200 ist in Bezug auf die Schweißlinie, die einer Kontaktoberfläche zwischen einer Endoberfläche des ersten Plattenelements 210 und einer Endoberfläche des zweiten Plattenelements 220 entspricht, asymmetrisch.
Wenn Laserschweißen wie vorhergehend beschrieben auf dem Werkstück 200 durchgeführt wird, während das in 5 veranschaulichte Lissajous-Muster auf der Oberfläche des Werkstücks 200 mit dem Laserstrahl LB gezeichnet wird, kann das vorhergehend beschriebene Problem auftreten, wenn die Abgabe P des Laserstrahls LB konstant ist.
Das in 5 veranschaulichte Lissajous-Muster weist eine in der X-Richtung und der Y-Richtung symmetrische Form auf. Somit ist, wenn der Stoßteil des ersten Plattenelements 210 und des zweiten Plattenelements 220 mit dem Laserstrahl LB bestrahlt wird, der sich in der X-Richtung bewegt, auch die Wärmemenge, die dem Werkstück 200 zugeführt wird, in Bezug auf die Schweißlinie symmetrisch.
Wie vorhergehend beschrieben, weist der Stoßteil des ersten Plattenelements 210 und des zweiten Plattenelements 220 eine Wärmekapazität auf, die in Bezug auf die Schweißlinie asymmetrisch ist. Aus diesem Grund kann, wenn versucht wird, eine Schweißraupe entlang des Stoßteils zu bilden, die Form der Schweißraupe zusammenfallen. Zum Beispiel fehlt, wenn Laserschweißen mit der Wärmemenge durchgeführt wird, die dem Werkstück 200 unter Verwendung des Laserstrahls LB zugeführt wird, wobei die zugeführte Wärmemenge sich für das zweite Plattenelement 220 eignet, das eine niedrige Wärmekapazität aufweist, die Wärmemenge, die dem ersten Plattenelement 210 zugeführt wird, das eine hohe Wärmekapazität aufweist, und somit kann die Form der Schweißraupe zusammenfallen. Im Gegensatz dazu wird, wenn Laserschweißen mit der Wärmemenge durchgeführt wird, die dem Werkstück 200 unter Verwendung des Laserstrahls LB zugeführt wird, wobei die zugeführte Wärmemenge sich für das erste Plattenelement 210 eignet, das eine hohe Wärmekapazität aufweist, die Wärmemenge, die dem zweiten Plattenelement 220 zugeführt wird, das eine niedrige Wärmekapazität aufweist, übermäßig und somit kann eine schlechte Schweißung, wie beispielsweise Durchbrennen, auftreten.
Somit ermöglicht das vorliegende Ausführungsbeispiel das Zeichnen des Lissajous-Musters durch Steuern der Abgabe P des Laserstrahls LB, um zu bewirken, dass die Abgabe P1 des Laserstrahls LB, der zu dem ersten Plattenelement 210 emittiert wird, höher ist als die Abgabe P2 des Laserstrahls LB, der zu dem zweiten Plattenelement 220 emittiert wird. Das heißt, die Abgabe P des Laserstrahls LB wird gesteuert, um zu bewirken, dass die Abgabe P1 des Laserstrahls LB durch einen Pfad von Positionen O, A, B, C und O in dieser Reihenfolge höher ist als die Abgabe P2 des Laserstrahls LB durch einen Pfad von Positionen O, D, E, F und O in dieser Reihenfolge, wobei die Pfade in 5 veranschaulicht sind.
Diese Steuerung ermöglicht das Zuführen unterschiedlicher Wärmemengen zu entsprechenden Seiten durch eine Schweißlinie des Stoßteils des ersten Plattenelements 210 und des zweiten Plattenelements 220, wobei der Stoßteil eine Schweißung des Werkstücks 200 ist, das eine in Bezug auf die Schweißlinie asymmetrische Wärmekapazität aufweist. Folglich kann die Schweißraupe in einer vorteilhaften Form gebildet werden. Darüber hinaus kann das Auftreten von schlechter Schweißung, wie beispielsweise Durchbrennen, verhindert werden.
Zum Ändern der Abgabe P des Laserstrahls LB können eine steigende Flanke und eine fallende Flanke der Abgabe P des Laserstrahls LB gesteuert werden, wie in 6 durch eine gestrichelte Linie angegeben.
Wenn zum Beispiel der Laserstrahl LB sich von der Zeichenposition des Ausgangspunkts O zur Zeichenposition D bewegt, kann die Abgabe P des Laserstrahls LB von P1 auf P2 vermindert werden, bis die Periode t1 von einem Zeitpunkt verstrichen ist, an dem der Laserstrahl LB den Ausgangspunkt O durchquert hat. Die Steuerungskurve S1 der Abgabe P kann in diesem Fall linear oder gekrümmt sein. Wenn der Laserstrahl LB sich von der Zeichenposition des Ausgangspunkts O zur Zeichenposition A bewegt, kann die Abgabe P des Laserstrahls LB von P2 auf P 1 erhöht werden, bis die Periode t2 von dem Zeitpunkt verstrichen ist, an dem der Laserstrahl LB den Ausgangspunkt O durchquert hat. Die Steuerungskurve S2 der Abgabe P kann in diesem Fall linear oder gekrümmt sein.
Das Steuern der Abgabe P des Laserstrahls LB, wie durch die Steuerungskurven S 1, S2 angegeben, erleichtert das stabile Erreichen eines Zielwerts der Abgabe P.
[Effekte und dergleichen]
Wie vorhergehend beschrieben, umfasst das Laserschweißverfahren gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel den Schweißschritt des Schweißens des Werkstücks 200 durch Bestrahlen der Oberfläche des Werkstücks 200 mit dem Laserstrahl LB, der zweidimensional zum Schweifen gebracht wird, während er in der X-Richtung (ersten Richtung) vorgeschoben wird.
Der Schweißschritt ist dazu ausgestaltet, den Laserstrahl LB nicht nur mit einer ersten Frequenz, die der Frequenz n entspricht, entlang der X-Richtung in einer Sinuswellenform, sondern auch mit einer zweiten Frequenz, die der Frequenz m entspricht, entlang der Y-Richtung in einer Sinuswellenform zum Vibrieren zu bringen. Folglich wird der Laserstrahl LB zum Schweifen gebracht, um das Lissajous-Muster auf der Oberfläche des Werkstücks 200 zu zeichnen.
Die dem Werkstück 200 zugeführte Wärmemenge, insbesondere die Abgabe P des Laserstrahls LB, wird ferner gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls LB in dem Lissajous-Muster gesteuert.
Diese Steuerung ermöglicht das Bilden einer Schweißraupe in einer vorteilhaften Form durch Zuführen unterschiedlicher Wärmemengen zu entsprechenden Seiten durch die Schweißlinie der Schweißung des Werkstücks 200, das eine asymmetrische Wärmekapazität aufweist.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ermöglicht es, dass der Stoßteil des ersten Plattenelements 210 und des zweiten Plattenelements 220 eine asymmetrische Wärmekapazität in der X-Richtung, in der die Schweißlinie sich erstreckt, aufweisen, wobei der Stoßteil eine Schweißung in dem Werkstück 200 ist. Dieser Fall ermöglicht es, dass eine erste Region der Schweißung, die eine hohe Wärmekapazität aufweist, oder das erste Plattenelement 210, während des Zeichnens des Lissajous-Musters eine höhere Abgabe P des emittierten Laserstrahls LB empfängt als eine zweite Region der Schweißung, die eine niedrige Wärmekapazität aufweist, oder das zweite Plattenelement 220.
Diese Ausgestaltung ermöglicht das Zuführen unterschiedlicher Wärmemengen zu entsprechenden Seiten durch die Schweißlinie der Schweißung des Werkstücks 200, das eine asymmetrische Wärmekapazität aufweist. Folglich kann die Schweißraupe in einer vorteilhaften Form gebildet werden. Darüber hinaus kann das Auftreten von schlechter Schweißung, wie beispielsweise Durchbrennen, verhindert werden.
Die Laserschweißvorrichtung 100 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst mindestens den Laseroszillator 10, der den Laserstrahl LB erzeugt, den Laserkopf 30, der den Laserstrahl LB empfängt und der den Laserstrahl LB auf das Werkstück 200 anwendet, und die Steuereinrichtung 50, die den Betrieb des Laserkopfs 30 und die Abgabe P des Laserstrahls LB steuert.
Der Laserkopf 30 umfasst den Laserscanner 40, der den Laserstrahl LB in jeder von der X-Richtung (der ersten Richtung) und der Y-Richtung (der zweiten Richtung), welche die X-Richtung schneidet, zum Schweifen bringt.
Die Steuereinrichtung 50 bringt den Laserstrahl LB nicht nur mit der ersten Frequenz entlang der X-Richtung in einer Sinuswellenform, sondern auch mit der zweiten Frequenz entlang der Y-Richtung in einer Sinuswellenform zum Vibrieren. Folglich treibt die Steuereinrichtung 50 den Laserscanner 40 an und steuert ihn, um zu bewirken, dass der Laserstrahl LB ein Lissajous-Muster auf der Oberfläche des Werkstücks 200 zeichnet.
Die Steuereinrichtung 50 steuert ferner die dem Werkstück 200 zugeführte Wärmemenge, insbesondere die Abgabe P des Laserstrahls LB, gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls LB in dem Lissajous-Muster.
Die Laserschweißvorrichtung 100 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ermöglicht ferner das Bilden einer Schweißraupe in einer vorteilhaften Form durch Zuführen unterschiedlicher Wärmemengen zu entsprechenden Seiten durch die Schweißlinie der Schweißung des Werkstücks 200, das eine in Bezug auf die Schweißlinie asymmetrische Wärmekapazität aufweist.
Die Laserschweißvorrichtung 100 umfasst ferner den Manipulator 60, an dem der Laserkopf 30 angebracht ist, und die Steuereinrichtung 50 steuert den Betrieb des Manipulators 60. Der Manipulator 60 bewirkt, dass der Laserstrahl 30 sich in eine vorbestimmte Richtung in Bezug auf die Oberfläche des Werkstücks 200 bewegt.
Das Bereitstellen des Manipulators 60 auf diese Weise ermöglicht das Ändern einer Schweißrichtung des Laserstrahls LB. Darüber hinaus kann Laserschweißen einfach auf dem Werkstück 200 durchgeführt werden, das eine komplexe Form, wie beispielsweise eine dreidimensionale Form, aufweist.
Der Laseroszillator 10 und der Laserkopf 30 sind durch die optische Faser 20 verbunden und der Laserstrahl LB wird von dem Laseroszillator 10 durch die optische Faser 20 zum Laserkopf 30 durchgelassen.
Das Bereitstellen der optischen Faser 20 auf diese Weise ermöglicht das Durchführen von Laserschweißen auf dem Werkstück 200, das an einer Position entfernt von dem Laseroszillator 10 angeordnet ist. Folglich kann ein Freiheitsgrad bei der Platzierung jedes Bauteils der Laserschweißvorrichtung 100 verbessert werden.
Der Laserscanner 40 umfasst den ersten Galvo-Spiegel 41, der den Laserstrahl LB in der X-Richtung zum Schweifen bringt, und den zweiten Galvo-Spiegel 42, der den Laser-Strahl LB in der Y-Richtung zum Schweifen bringt.
Der Laserscanner 40, der so ausgestaltet ist, wie vorhergehend beschrieben, ermöglicht es, den Laserstrahl LB zweidimensional zum Schweifen zu bringen. Der bekannte Galvo-Scanner wird für den Laserscanner 40 verwendet und somit kann eine Steigerung der Kosten der Laserschweißvorrichtung 100 niedrig gehalten werden.
Der Laserkopf 30 umfasst ferner die Kollimationslinse 32 und die Kollimationslinse 32 ist dazu ausgestaltet, eine Fokusposition des Laserstrahls LB entlang der Z-Richtung zu ändern, die jede von der X-Richtung und der Y-Richtung schneidet. Das heißt, die Kollimationslinse 32 Kombination mit dem Treiber (nicht veranschaulicht) wirkt auch als ein Fokuspositionsanpassungsmechanismus für den Laserstrahl LB.
Diese Ausgestaltung ermöglicht das einfache Ändern der Fokusposition des Laserstrahls LB, derart dass der Laserstrahl LB in geeigneter Weise in Übereinstimmung mit der Form des Werkstücks 200 emittiert werden kann.
Obgleich der Laserkopf 30 im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der X-Richtung bewegt wird, um den Laserstrahl LB in der X-Richtung vorzuschieben, ist die vorliegende Erfindung nicht in besonderer Weise darauf beschränkt. Wenn zum Beispiel der Stoßteil des ersten Plattenelements 210 und des zweiten Plattenelements 220 sich in der Y-Richtung erstreckt, kann der Laserkopf 30 in der Y-Richtung bewegt werden, um den Laserstrahl LB in der Y-Richtung vorzuschieben. Die Form des Lissajous-Musters kann dementsprechend geändert werden. Sogar dieser Fall erfordert das Steuern der Abgabe P, um unterschiedliche Wärmemengen zu entsprechenden Seiten durch die Schweißlinie der Schweißung des Werkstücks 200 zuzuführen, das eine in Bezug auf die Schweißlinie asymmetrische Wärmekapazität aufweist.
Darüber hinaus ist eine Zeichenrichtung des Lissajous-Musters auch nicht in besonderer Weise auf die vorhergehenden Beschreibung beschränkt. Zum Beispiel kann das Lissajous-Muster gezeichnet werden, indem der Laserstrahl LB vom Ausgangspunkt O zum Schweifen gebracht wird, um die Zeichenpositionen C, B, A, O, F, E, D und O in dieser Reihenfolge während eines Zyklus zu durchqueren. Alternativ kann das Lissajous-Muster gezeichnet werden, indem der Laserstrahl LB vom Ausgangspunkt O zum Schweifen gebracht wird, um die Zeichenpositionen D, E, F, O, A, B, C und O in dieser Reihenfolge während eines Zyklus zu durchqueren. Darüber hinaus kann das Lissajous-Muster gezeichnet werden, indem der Laserstrahl LB vom Ausgangspunkt O zum Schweifen gebracht wird, um die Zeichenpositionen F, E, D, O, C, B, A, und O in dieser Reihenfolge während eines Zyklus zu durchqueren. Es versteht sich von selbst, dass die zeitliche Steuerung oder dergleichen des Änderns der Abgabe P des Laserstrahls LB in Übereinstimmung mit einer Änderung in der Reihenfolge der Zeichenpositionen geändert wird.
Zum Durchführen von Laserschweißen auf dem in 4 veranschaulichten Werkstück 200 kann das im vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigte Verfahren angewandt werden. An einer Ecke einer Verbindungsstelle des Werkstücks 200, in der das dritte Plattenelement 230 und das vierte Plattenelement 240 mit ihren voneinander versetzten Endoberflächen gestapelt sind, weist ein gestapelter Teil (erste Region) des dritten Plattenelements 230 und des vierten Plattenelements 240 eine höhere Wärmekapazität auf als der Teil (zweite Region) von lediglich dem dritten Plattenelement 230. Somit wird der Laserstrahl LB im gestapelten Teil derart gesteuert, dass die Abgabe P des Laserstrahls LB höher ist als in dem Teil von lediglich dem dritten Plattenelement 230.
Diese Steuerung ermöglicht das Erreichen des vorhergehend beschriebenen Effekts. Das heißt, unterschiedliche Wärmemengen können zu entsprechenden Seiten durch die Schweißlinie der Schweißung des Werkstücks 200 zugeführt werden, das eine in Bezug auf die Schweißlinie asymmetrische Wärmekapazität aufweist, derart dass eine Schweißraupe in einer vorteilhaften Form gebildet werden kann. Darüber hinaus kann das Auftreten von schlechter Schweißung, wie beispielsweise Durchbrennen, verhindert werden.
<Erste Abwandlung>
7 veranschaulicht ein Abtastmuster des Laserstrahls gemäß der vorliegenden Abwandlung und 8 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einer Zeichenposition und einer Abgabe des Laserstrahls. Der Einfachheit der Beschreibung halber bezeichnen 7, 8 und die folgenden Zeichnungen die gleichen Teile wie diejenigen im ersten Ausführungsbeispiel mit den gleichen Bezugszeichen und deren Details werden nicht beschrieben.
Die vorliegende Abwandlung unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel in einer Zeichenrichtung des Lissajous-Musters. Das in 7 veranschaulichte Lissajous-Muster wird durch zum Schweifen bringen des Laserstrahls LB in Richtungen der in 7 veranschaulichten Pfeile AR3 und AR4 vom Ausgangspunkt O während eines Zyklus erhalten. Insbesondere wird der Laserstrahl LB vom Ausgangspunkt O zum Schweifen gebracht, um die Zeichenpositionen C, B, A, O, F, E, D und O in dieser Reihenfolge während eines Zyklus zu durchqueren.
Wie im ersten Ausführungsbeispiel steuert sogar die vorliegende Abwandlung das Steuern der Abgabe P des Laserstrahls LB, um zu bewirken, dass die Abgabe P1 des Laserstrahls LB, der zu dem ersten Plattenelement 210 emittiert wird, höher ist als die Abgabe P2 des Laserstrahls LB, der zu dem zweiten Plattenelement 220 emittiert wird. In diesem Fall wird die Abgabe P des Laserstrahls LB gesteuert, um zu bewirken, dass die Abgabe P1 des Laserstrahls LB durch einen Pfad von Positionen O, C, B, A und O in dieser Reihenfolge höher ist als die Abgabe P2 des Laserstrahls LB durch einen Pfad von Positionen O, F, E, D und O in dieser Reihenfolge, wobei die Pfade in 7 veranschaulicht sind.
Sogar die vorliegende Abwandlung ermöglicht das Erreichen von Effekten, die denjenigen ähnlich sind, die durch die im ersten Ausführungsbeispiel gezeigte Ausgestaltung erreicht werden. Das heißt, unterschiedliche Wärmemengen können zu entsprechenden Seiten durch die Schweißlinie der Schweißung des Werkstücks 200 zugeführt werden, das eine in Bezug auf die Schweißlinie asymmetrische Wärmekapazität aufweist, derart dass eine Schweißraupe in einer vorteilhaften Form gebildet werden kann. Darüber hinaus kann das Auftreten von schlechter Schweißung, wie beispielsweise Durchbrennen, verhindert werden.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
9 veranschaulicht ein Abtastmuster eines Laserstrahls gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel und 10 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einer Zeichenposition und einer Abgabe des Laserstrahls. Obgleich dies nicht veranschaulicht ist, wird eine Schweißung des Werkstücks 200 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eingestellt, um eine Wärmekapazität aufzuweisen, die auf beiden Seiten durch eine Schweißlinie gleich ist.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel unterscheidet sich darin von der im ersten Ausführungsbeispiel veranschaulichten Ausgestaltung, dass die Abgabe P des Laserstrahls LB in der Nachbarschaft des Ausgangspunkts O des Lissajous-Musters im Vergleich zu anderen Teilen während des Zeichnens des Lissajous-Musters vermindert wird.
Insbesondere wird die Abgabe P des Laserstrahls LB zwischen dem Ausgangspunkt O und jeder von den Zeichenpositionen A', C', D' und F' auf P3 eingestellt und die Abgabe P des Laserstrahls LB wird an den anderen Zeichenpositionen des Lissajous-Musters auf P1 (P1 > P3) eingestellt, wie in 9 und 10 veranschaulicht. Die Steuereinrichtung 50 führt Steuerung der Abgabe P des Laserstrahls LB durch, wie vorhergehend beschrieben.
Wie vorhergehend beschrieben, durchquert der Laserstrahl LB, wenn das Lissajous-Muster durch den Laserstrahl LB auf der Oberfläche des Werkstücks 200 gezeichnet wird, zum Beispiel einmal die Zeichenposition A, während der Laserstrahl LB den Ausgangspunkt O während eines Zyklus zweimal durchquert. Im Allgemeinen ist die Geschwindigkeit, mit welcher der Laserstrahl 30 durch den Manipulator 60 in der X-Richtung bewegt wird, oder die Geschwindigkeit, mit welcher der Laserstrahl LB sich in der X-Richtung bewegt, viel niedriger als die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB, wenn das Lissajous-Muster gezeichnet wird.
Somit ist die Wärmemenge, die dem Ausgangspunkt O während des Zeichnens des Lissajous-Musters zugeführt wird, höher als die Wärmemenge, die den anderen Zeichenpositionen, wie beispielsweise den Zeichenpositionen A, B, C, D, E und F, zugeführt wird. Wie vorhergehend beschrieben, verschlechtert sich die Form einer Schweißraupe, da die Wärmemenge, die der Oberfläche des Werkstücks 200 zugeführt wird, lokal ungleichmäßig wird.
Somit verhindert das vorliegende Ausführungsbeispiel, dass die Wärmemenge, die der Oberfläche des Werkstücks 200 zugeführt wird, lokal ungleichmäßig wird, indem die Abgabe P des Laserstrahls LB in der Nachbarschaft des Ausgangspunkts O des Lissajous-Musters im Vergleich zu anderen Teilen vermindert wird. Folglich kann die Schweißraupe in einer vorteilhaften Form gebildet werden. Darüber hinaus kann das Auftreten von schlechter Schweißung, wie beispielsweise Durchbrennen, verhindert werden.
Dann kann eine Distanz vom Ausgangspunkt O zu jeder von den Zeichenpositionen A', C', D' und F' in geeigneter Weise in Abhängigkeit von einer Form einer Schweißung des Werkstücks 200, einer Plattendicke, einem Material des Werkstücks 200 und dergleichen geändert werden. Wenn zum Beispiel ein Zyklus des Lissajous-Musters als 360 Grad betrachtet wird und die Distanz mit einem Winkel ersetzt wird, der in Bezug auf den Ausgangspunkt O betrachtet wird, ist der Winkel vorzugsweise größer als 0 Grad und beträgt zwischen 3 und einschließlich 15 Grad.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
11 veranschaulicht eine Positionsbeziehung zwischen einem Laserstrahl und einem Schmelzbad, das in einem Werkstück gebildet wird, gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 12 veranschaulicht ein Abtastmuster des Laserstrahls und 13 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einer Zeichenposition und einer Abgabe des Laserstrahls.
Wie in 11 veranschaulicht, wird, wenn das Werkstück 200 mit dem Laserstrahl LB bestrahlt wird, Metall, welches das Werkstück 200 bildet, schnell erhitzt und geschmolzen und somit wird das Schmelzbad 201 an und nahe an der mit dem Laserstrahl LB bestrahlten Region gebildet. Das Metall wird in der mit dem Laserstrahl LB bestrahlten Region verdampft und dann wird die Dampfkapillare 202 von der Oberfläche des Werkstücks 200 nach innen gebildet. Wenn der Laserstrahl LB das Innere der Dampfkapillare 202 erreicht, wird das Metall zur Innenseite des Werkstücks 200 geschmolzen und somit wird eine Einbrandtiefe des Werkstücks 200 sichergestellt. 11 veranschaulicht eine Bestrahlungsposition des Laserstrahls LB, wobei die Bestrahlungsposition dem Ausgangspunkt O des in 5 veranschaulichten Lissajous-Musters entspricht.
Das Werkstück 200 wird in der dritten Region 203, die sich vor der Bestrahlungsposition des Laserstrahls LB entlang einer Bewegungsrichtung des Schweißens befindet, oder in diesem Fall der X-Richtung, nicht ausreichend erhitzt und somit wird kein Schmelzbad 201 gebildet. Im Gegensatz dazu ist die vierte Region 204, die sich hinter der Bestrahlungsposition des Laserstrahls LB befindet, bereits ausreichend durch den Laserstrahl LB erhitzt. Somit befindet sich die vierte Region 204 im Inneren des Schmelzbads 201 oder in einem Teil, wo das Schmelzbad 201 erstarrt ist. Das heißt, die vierte Region 204 umfasst das Schmelzbad 201.
Wie vorhergehend beschrieben, ist es erforderlich, dass eine hohe Wärmemenge dem geschmolzenen Werkstück 200 in einer Region vor dem Ausgangspunkt O des Lissajous-Musters entlang einer Schweißline zugeführt wird, wobei die Region der Bestrahlungsposition des Laserstrahls LB entspricht. Im Gegensatz dazu reicht die zugeführte Wärmemenge zum Aufrechterhalten des bereits gebildeten Schmelzbads 201 in einer Region hinter dem Ausgangspunkt O des Lissajous-Musters aus.
Es wird ein Fall betrachtet, in dem die zugeführte Wärmemenge oder in diesem Fall die Abgabe P des Laserstrahls LB angepasst wird, um für die Region hinter dem Ausgangspunkt O des Lissajous-Musters geeignet zu sein. Wenn das Lissajous-Muster, wie in 5 veranschaulicht, eine symmetrische Form aufweist, reicht die dem Werkstück 200 zugeführte Wärmemenge in der Region vor dem Ausgangspunkt O nicht aus. Somit kann die Form einer Schweißraupe, insbesondere die Form am Zeitpunkt der Schweißraupenbildung, unregelmäßig sein. Wenn hingegen die Abgabe P des Laserstrahls LB angepasst wird, um für die Region vor dem Ausgangspunkt O des Lissajous-Musters geeignet zu sein, wird die in das Schmelzbad 201 zugeführte Wärme in der Region hinter dem Ausgangspunkt O übermäßig und das Schmelzbad 201 kann somit instabil werden. Dieser Fall führt dazu, dass die Wahrscheinlichkeit des Erhalts einer Schweißraupe in einer vorteilhaften Form geringer ist. Diese Art von Problem kann sowohl bei Werkstücken 200, die eine Wärmekapazität aufweisen, die auf beiden Seiten durch eine Schweißlinie gleich ist, als auch bei Werkstücken 200 auftreten, die eine Wärmekapazität aufweisen, die auf beiden Seiten durch die Schweißlinie asymmetrisch ist.
Somit bewirkt das vorliegende Ausführungsbeispiel, dass die Abgabe P des zu emittierenden Laserstrahls LB zwischen der dritten Region 203 und der vierten Region 204 geändert wird, die vorhergehend beschrieben sind. Insbesondere unterscheidet sich das vorliegende Ausführungsbeispiel von der im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Ausgestaltung in den folgenden Punkten, wenn Laserschweißen auf dem Werkstück 200 durchgeführt wird, indem bewirkt wird, dass der Laserstrahl LB sich in der X-Richtung bewegt.
Das heißt, während des Zeichnens des Lissajous-Musters wird die Abgabe P des Laserstrahls LB in der dritten Region 203, die mit dem Laserstrahl LB bestrahlt wird und sich vor dem Schmelzbad 201 befindet, das auf dem Werkstück 200 in der X-Richtung gebildet wird, im Vergleich mit derjenigen in der vierten Region 204 erhöht, die das Schmelzbad 201 umfasst und mit dem Laserstrahl LB bestrahlt wird und sich hinter der dritten Region 203 befindet.
Insbesondere wird die Abgabe P des Laserstrahls LB auf einem Zeichenweg durch die Zeichenpositionen O, A und B in dieser Reihenfolge und auf einem Zeichenweg durch die Zeichenpositionen O, D und E in dieser Reihenfolge auf P1 eingestellt, wobei die Zeichenwege sich entlang der X-Richtung in Bezug auf den Ausgangspunkt O in Vorwärtsrichtung befinden, wie in 12 und 13 veranschaulicht. Dann wird die Abgabe P des Laserstrahls LB auf einem Zeichenweg durch die Zeichenpositionen B, C und O in dieser Reihenfolge und einem Zeichenweg durch die Zeichenpositionen E, F, O in dieser Reihenfolge auf P4 (P4 < P1) eingestellt, wobei die Zeichenwege sich entlang der X-Richtung in Bezug auf den Ausgangspunkt O in Rückwärtsrichtung befinden. Die Steuereinrichtung 50 führt Steuerung der Abgabe P des Laserstrahls LB durch, wie vorhergehend beschrieben.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ermöglicht das Fördern der Bildung des Schmelzbads 201 in der dritten Region 203, die bisher noch nicht erhitzt oder geschmolzen ist, durch Einstellen der Abgabe P1 des Laserstrahls LB, der zur dritten Region 203 zu emittieren ist, um höher zu sein als die Abgabe P4 des Laserstrahls LB, der zur vierten Region 204 zu emittieren ist. Das Senken der Abgabe P4 des Laserstrahls LB ermöglicht das Verhindern übermäßiger Vibration des Schmelzbads 201. Diese Funktion ermöglicht nicht nur das Einsparen von Laserenergie, ohne dass mehr Laserenergie als notwendig zu der vierten Region 204 zugeführt wird, sondern auch das Verhindern einer Schweißraupe, die in der vierten Region 204 eine Wellenform aufweist. Diese Funktion ermöglicht ferner die Verbesserung der Schweißqualität durch Verhindern, dass das Werkstück 200 eine Einbrandtiefe aufweist, die tiefer als ein erwünschter Wert ist, um das Auftreten schlechter Schweißung, wie beispielsweise Durchbrennen, zu vermindern.
Wenn eine Bewegungsrichtung des Schweißens die Y-Richtung ist, kann die Abgabe P des Laserstrahls LB auf einem Zeichenweg durch die Zeichenpositionen O, A, B, C und O in dieser Reihenfolge auf P 1 eingestellt werden, wobei der Zeichenweg sich entlang der Y-Richtung in Bezug auf den Ausgangspunkt O in Vorwärtsrichtung befindet, und die Abgabe P des Laserstrahls LB kann auf einem Zeichenweg durch die Zeichenpositionen O, D, E, F und O in dieser Reihenfolge auf P4 eingestellt werden, wobei der Zeichenweg sich entlang der Y-Richtung in Bezug auf den Ausgangspunkt O in Rückwärtsrichtung befindet. Dieser Fall ermöglicht auch den vorhergehend beschriebenen Effekt oder das Fördern der Bildung des Schmelzbads 201 in der dritten Region 203 und das Verhindern, dass die Schweißraupe eine Wellenform aufweist. Dieser Fall ermöglicht ferner die Verminderung des Auftretens schlechter Schweißung, wie beispielsweise Durchbrennen, die Verbesserung der Schweißqualität und das Einsparen von Laserenergie.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
14 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einer Zeichenposition eines Laserstrahls und einer Zeichengeschwindigkeit des Laserstrahls gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 15 veranschaulicht eine andere Beziehung zwischen einer Zeichenposition eines Laserstrahls und der Zeichengeschwindigkeit des Laserstrahls und 16 veranschaulicht noch eine andere Beziehung zwischen einer Zeichenposition eines Laserstrahls und der Zeichengeschwindigkeit des Laserstrahls.
Das erste bis dritte Ausführungsbeispiel und die erste Abwandlung können es ermöglichen, dass die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB während des Zeichnens des Lissajous-Musters konstant ist, wie in 14 veranschaulicht. Mit anderen Worten, die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB kann über die gesamte Länge des Lissajous-Musters konstant gemacht werden. Diese Zeichengeschwindigkeit erleichtert die Steuerung der Wärmemenge, die dem Schmelzbad 201 zugeführt wird (siehe 11).
Das erste Ausführungsbeispiel zeigt das Beispiel, in dem die Abgabe P des Laserstrahls LB gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls LB in dem Lissajous-Muster gesteuert wird, um unterschiedliche Wärmemengen auf beiden Seiten durch die Schweißlinie der Schweißung des Werkstücks 200 zuzuführen, das eine in Bezug auf die Schweißlinie asymmetrische Wärmekapazität aufweist.
Alternativ kann die Wärmemenge, die dem Werkstück 200 zugeführt wird, auch durch Ändern der Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls LB geändert werden. Zum Beispiel nimmt, wenn die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB vermindert wird, die Wärmemenge, die pro Zeichenlängeneinheit zugeführt wird, zu. Das heißt, es kann ein Effekt wie mit der Erhöhung der Abgabe P des Laserstrahls LB erhalten werden.
Somit kann die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB gesteuert werden, wie in 15 veranschaulicht, anstatt die Abgabe P des Laserstrahls LB gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls LB in dem Lissajous-Muster zu steuern, wie in 6 veranschaulicht. Die Steuereinrichtung 50 führt Steuerung der Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB durch, wie vorhergehend beschrieben.
Das heißt, die Zeichengeschwindigkeit V1 des Laserstrahls LB auf dem ersten Plattenelement (erste Region) 210 wird während des Zeichnens des Lissajous-Musters für das in 3A und 3B veranschaulichte Werkstück 200 eingestellt, um niedriger zu sein als die Zeichengeschwindigkeit V2 des Laserstrahls LB auf dem zweiten Plattenelement (zweite Region) 220, das eine niedrigere Wärmekapazität aufweist als das erste Plattenelement 210 (V1 > V2).
Diese vorhergehend beschriebene Steuerung ermöglicht das Erreichen von Effekten, die denjenigen ähnlich sind, die durch die Ausgestaltung erreicht werden, die im ersten Ausführungsbeispiel gezeigt ist. Das heißt, unterschiedliche Wärmemengen können zu entsprechenden Seiten durch die Schweißlinie der Schweißung des Werkstücks 200 zugeführt werden, das eine in Bezug auf die Schweißlinie asymmetrische Wärmekapazität aufweist, derart dass eine Schweißraupe in einer vorteilhaften Form gebildet werden kann. Darüber hinaus kann das Auftreten von schlechter Schweißung, wie beispielsweise Durchbrennen, verhindert werden.
Die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB kann gesteuert werden, wie in 16 veranschaulicht, anstatt die Abgabe P des Laserstrahls LB zwischen einer Region vor dem Schmelzbad 201 und dem Schmelzbad 201 zu ändern, wie in 13 veranschaulicht. Die Steuereinrichtung 50 führt Steuerung der Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB durch, wie vorhergehend beschrieben.
Das heißt, die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB wird eingestellt, um während des Zeichnens des Lissajous-Musters in der dritten Region 203 (siehe 11) niedriger zu sein als in der vierten Region 204 (siehe 11).
Insbesondere wird die Zeichengeschwindigkeit des Laserstrahls LB auf einem Zeichenweg durch die Zeichenpositionen O, A und B in dieser Reihenfolge und auf einem Zeichenweg durch die Zeichenpositionen O, D und E in dieser Reihenfolge auf V1 eingestellt, wobei die Zeichenwege sich entlang der X-Richtung in Bezug auf den Ausgangspunkt O in Vorwärtsrichtung befinden, wie in 16 veranschaulicht. Dann wird die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB auf einem Zeichenweg durch die Zeichenpositionen B, C und O in dieser Reihenfolge und einem Zeichenweg durch die Zeichenpositionen E, F, O in dieser Reihenfolge auf V2 (V1 > V2) eingestellt, wobei die Zeichenwege sich entlang der X-Richtung in Bezug auf den Ausgangspunkt O in Rückwärtsrichtung befinden.
Diese vorhergehend beschriebene Steuerung ermöglicht das Erreichen von Effekten, die denjenigen ähnlich sind, die durch die Ausgestaltung erreicht werden, die im dritten Ausführungsbeispiel gezeigt ist. Das heißt, diese Steuerung ermöglicht nicht nur das Fördern der Bildung des Schmelzbads 201 in der dritten Region 203, sondern auch das Verhindern, dass die Schweißraupe eine Wellenform aufweist. Dieser Fall ermöglicht ferner die Verminderung des Auftretens schlechter Schweißung, wie beispielsweise Durchbrennen, die Verbesserung der Schweißqualität und das Einsparen von Laserenergie.
Obgleich dies nicht veranschaulicht ist, kann die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB gesteuert werden, anstatt die Abgabe P des Laserstrahls LB in der Nachbarschaft des Ausgangspunkts O des Lissajous-Musters zu ändern, wie in 10 veranschaulicht. Die Steuereinrichtung 50 führt Steuerung der Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB durch, wie vorhergehend beschrieben.
Zum Beispiel kann die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB zwischen dem Ausgangspunkt O und jeder von den Zeichenpositionen A', C', D' und F', die in 10 veranschaulicht sind, auf V1 eingestellt werden und die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB kann an anderen Zeichenpositionen des Lissajous-Musters auf V2 (V1 > V2) eingestellt werden.
In einer Gesamtansicht der im vorliegenden Ausführungsbeispiel, dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel und der ersten Abwandlung gezeigten Ausgestaltungen lässt sich sagen, dass das Laserschweißverfahren und die Laserschweißvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung die folgenden Ausgestaltungen aufweisen.
Darüber hinaus lässt sich in einer Gesamtansicht der im vorliegenden Ausführungsbeispiel und dem ersten bis dritten gezeigten Ausführungsbeispiel gezeigten Ausgestaltungen sagen, dass das Laserschweißverfahren und die Laserschweißvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung die folgenden Ausgestaltungen aufweisen.
Das heißt, das Laserschweißverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung steuert die Wärmemenge, die dem Werkstück 200 zugeführt wird, gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls LB in dem Lissajous-Muster. Genauer gesagt, wird mindestens eines von der Zeichengeschwindigkeit V und der Abgabe P des Laserstrahls LB gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls LB in dem Lissajous-Muster gesteuert.
Die Laserschweißvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst die Steuereinrichtung 50, welche die Wärmemenge, die dem Werkstück 200 zugeführt wird, gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls LB in dem Lissajous-Muster steuert. Genauer gesagt, steuert die Steuereinrichtung 50 mindestens eines von der Zeichengeschwindigkeit V und der Abgabe P des Laserstrahls LB gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls LB in dem Lissajous-Muster.
Diese Steuerung ermöglicht das Bilden einer Schweißraupe in einer vorteilhaften Form durch Zuführen unterschiedlicher Wärmemengen zu entsprechenden Seiten durch eine Schweißlinie einer Schweißung des Werkstücks 200, das eine in Bezug auf die Schweißlinie asymmetrische Wärmekapazität aufweist.
Diese Steuerung ermöglicht auch das Fördern der Bildung des Schmelzbads 201 in der dritten Region 203, die bisher noch nicht erhitzt oder geschmolzen wurde. Darüber hinaus kann eine übermäßige Vibration des Schmelzbads 201 verhindert werden. Folglich kann verhindert werden, dass die Schweißraupe eine Wellenform aufweist. Diese Steuerung ermöglicht ferner die Verbesserung der Schweißqualität durch Verhindern, dass das Werkstück 200 eine Einbrandtiefe aufweist, die tiefer als ein erwünschter Wert ist, um das Auftreten schlechter Schweißung, wie beispielsweise Durchbrennen, zu vermindern.
Zum Ändern der Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB können eine steigende Flanke und eine fallende Flanke der Zeichengeschwindigkeit V gesteuert werden, wie in 15 und 16 durch gestrichelte Linien angegeben.
Für das in 15 veranschaulichte Beispiel kann, wenn der Laserstrahl LB sich von der Zeichenposition des Ausgangspunkts O zur Zeichenposition D bewegt, die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB von V2 auf V1 erhöht werden, bis die Periode t3 von dem Zeitpunkt, an dem der Laserstrahl LB den Ausgangspunkt O durchquert hat, verstrichen ist. Die Steuerungskurve S3 der Zeichengeschwindigkeit V kann in diesem Fall linear oder gekrümmt sein. Wenn der Laserstrahl LB sich von der Zeichenposition des Ausgangspunkts O zur Zeichenposition A bewegt, kann die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB von V2 auf V1 vermindert werden, bis die Periode t4 von dem Zeitpunkt, an dem der Laserstrahl LB den Ausgangspunkt O durchquert hat, verstrichen ist. Die Steuerungskurve S4 der Zeichengeschwindigkeit V kann in diesem Fall linear oder gekrümmt sein.
Für das in 16 veranschaulichte Beispiel kann, wenn der Laserstrahl LB sich von der Zeichenposition B zur Zeichenposition C bewegt, die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB von V2 auf V1 erhöht werden, bis die Periode t3 von dem Zeitpunkt, an dem der Laserstrahl LB die Position B durchquert hat, verstrichen ist. Die Steuerungskurve S3 der Zeichengeschwindigkeit V kann in diesem Fall linear oder gekrümmt sein. Wenn der Laserstrahl LB sich von der Zeichenposition des Ausgangspunkts O zur Zeichenposition D bewegt, kann die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB von V2 auf V1 vermindert werden, bis die Periode t4 von dem Zeitpunkt, an dem der Laserstrahl LB den Ausgangspunkt O durchquert hat, verstrichen ist. Die Steuerungskurve S4 der Zeichengeschwindigkeit V kann in diesem Fall linear oder gekrümmt sein.
Das Steuern der Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB, wie durch die Steuerungskurven S3, S4 angegeben, erleichtert das stabile Erreichen eines Zielwerts der Zeichengeschwindigkeit V.
<Zweite Abwandlung>
17A veranschaulicht ein erstes Abtastmuster eines Laserstrahls gemäß der vorliegenden Abwandlung und 17B veranschaulicht ein zweites Abtastmuster. 18A veranschaulicht ein drittes Abtastmuster eines Laserstrahls gemäß der vorliegenden Abwandlung, 18B veranschaulicht ein viertes Abtastmuster und 18B veranschaulicht ein fünftes Abtastmuster. 19 veranschaulicht ein Beispiel einer Kombination von Parametern, wenn ein Lissajous-Muster gezeichnet wird.
Die Parameter a, b, n und m, die in den Ausdrücken (1) und (2) im tatsächlichen Laserschweißen gezeigt sind, können in geeigneter Weise in Abhängigkeit von einem Material, einer Verbindungsstellenform, einer Plattendicke, einer erforderlichen Raupenformbreite und dergleichen des Werkstücks 200 geändert werden. Somit ist das Abtastmuster des Laserstrahls LB nicht in besonderer Weise auf das in 5 veranschaulichte Muster beschränkt.
Zum Beispiel kann der Parameter a vermindert werden, um eine Amplitude des Lissajous-Musters in der X-Richtung zu vermindern, wie in 17A und 17B veranschaulicht. Die Frequenz n kann auf 1 eingestellt werden und die Frequenz m kann auf 2 eingestellt werden, um ein Abtastmuster zu bilden, das durch Drehen des in 5 veranschaulichten Lissajous-Musters um 90 Grad erhalten wird, wie in 18A veranschaulicht. Der Parameter b kann vermindert werden, um eine Amplitude in der Y-Richtung des in 18A veranschaulichten Lissajous-Musters zu vermindern, wie in 18B und 18C gezeigt.
Die Parameter a, b, die in den Ausdrücken (1) beziehungsweise (2) veranschaulicht sind, weisen Werte auf, die nicht in besonderer Weise auf die in 17A, 17B und 18A bis 18C veranschaulichten Beispiele beschränkt sind und die zum Beispiel zweckmäßige Werte innerhalb eines in 19 veranschaulichten Bereichs sein können. 19 zeigt eine Mustergruppe 1, welche die in 5 und 17A und 17B veranschaulichten Lissajous-Muster sind, und eine Mustergruppe 2, welche die in 18A bis 18C veranschaulichten Lissajous-Muster sind.
Wenn ein Verhältnis der Frequenz n des ersten Spiegels 41a zur Frequenz m des zweiten Spiegels 42a, d. h. ein Verhältnis der ersten Frequenz, die eine Vibrationsfrequenz in der X-Richtung des Laserstrahls LB ist, zur zweiten Frequenz, die eine Vibrationsfrequenz in der Y-Richtung ist, auf 2:1 oder 1:2 eingestellt wird, kann ein Lissajous-Muster in der Form einer 8 erhalten werden. Der erste Spiegel 41a und der zweite Spiegel 42a weisen jeweils eine Antriebsfrequenz auf, die in Abhängigkeit von einer Form des Werkstücks 200 oder einer erforderlichen Raupenform geändert werden kann, solange das Verhältnis der Frequenzen beibehalten wird.
<Dritte Abwandlung>
20A bis 20C veranschaulichen jeweils ein erstes bis drittes Abtastmuster eines Laserstrahls gemäß der vorliegenden Abwandlung. 20A bis 20C zeigen jeweils Pfeile, die Zeichenrichtungen eines Laserstrahls LB angeben.
Das Abtastmuster des Laserstrahls LB der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf das im ersten Ausführungsbeispiel oder der Abwandlung beschriebene Lissajous-Muster beschränkt. Zum Beispiel kann das Abtastmuster ein Verbundmuster aus zwei kreisförmigen Mustern sein, die in Bezug auf die X-Achse symmetrisch angeordnet sind, während sie am Ausgangspunkt O miteinander in Kontakt sind, wie in 20A veranschaulicht. Alternativ kann das Abtastmuster ein Verbundmuster aus zwei elliptischen Mustern sein, die in Bezug auf die X-Achse symmetrisch angeordnet sind, während sie am Ausgangspunkt O miteinander in Kontakt sind, wie in 20B veranschaulicht. Obgleich 20B ein Beispiel veranschaulicht, in dem jedes der zwei elliptischen Muster eine Hauptachse in der Y-Richtung und eine Nebenachse in der X-Richtung aufweist, kann die Hauptachse in der X-Richtung liegen und die Nebenachse kann in der Y-Richtung liegen. Wie in 20C veranschaulicht, kann das Abtastmuster ein Verbundmuster aus zwei Rhombusmustern sein, die in Bezug auf die X-Achse symmetrisch angeordnet sind, während sie am Ausgangspunkt O miteinander in Kontakt sind. Obgleich dies nicht veranschaulicht ist, kann jedes der Abtastmuster, die in 20A bis 20C veranschaulicht sind, ein kombiniertes Muster aus zwei ringförmigen Mustern sein, die in Bezug auf die Y-Achse symmetrisch angeordnet sind. In diesem Fall kann jedes der zwei ringförmigen Muster ein Muster sein, das von den in 20A bis 20C veranschaulichten Beispielen um 90 Grad gedreht ist. Die Größe von jedem der zwei ringförmigen Muster kann ferner in geeigneter Weise geändert werden.
Das heißt, das Abtastmuster des Laserstrahls LB in der vorliegenden Patentschrift kann ein Muster sein, in dem zwei ringförmige Muster kontinuierlich sind und an einem Punkt miteinander in Kontakt sind, und ist nicht auf die in 20A bis 20C veranschaulichten Beispiele und deren Abwandlungen beschränkt. Diese Muster werden durch Antreiben des ersten Spiegels 41a und des zweiten Spiegels 42a gemäß einem vorbestimmten Antriebsmuster erhalten.
Somit umfasst das Laserschweißverfahren der vorliegenden Offenbarung den Schweißschritt, in dem der Laserstrahl LB zum Schweifen gebracht wird, um ein vorbestimmtes Muster auf der Oberfläche des Werkstücks 200 zu zeichnen.
Die Wärmemenge, die dem Werkstück 200 zugeführt wird, wird auch gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls LB in dem vorbestimmten Muster gesteuert.
Die Steuereinrichtung 50 in der Laserschweißvorrichtung 100 der vorliegenden Offenbarung treibt den Laserstrahl 40 an und steuert ihn derart, dass der Laserstrahl LB ein vorbestimmtes Muster auf der Oberfläche des Werkstücks 200 zeichnet.
Die Steuereinrichtung 50 steuert auch die Wärmemenge, die dem Werkstück 200 zugeführt wird, gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls LB in dem vorbestimmten Muster.
Das „vorbestimmte Muster“ ist das Abtastmuster des Laserstrahls LB, in dem zwei ringförmige Muster kontinuierlich sind und an einem Punkt, in diesem Fall dem Ausgangspunkt O, miteinander in Kontakt sind. Genauer gesagt, sind die zwei ringförmigen Muster miteinander identisch. Es versteht sich von selbst, dass das „vorbestimmte Muster“ das in der vorliegenden Patentschrift offenbarte Lissajous-Muster umfasst. Das in 20C veranschaulichte Muster erfordert aufgrund einer kurzen Zeichenlänge in einem Endteil in der Y-Richtung Aufmerksamkeit beim Steuern der Wärmemenge, die dem Werkstück 200 gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls LB in dem Muster zugeführt wird. Im Gegensatz dazu erleichtert das Abtastmuster des Laserstrahls LB, in dem zwei kreisförmige oder elliptische Muster kontinuierlich sind und am Ausgangspunkt O miteinander in Kontakt sind, wie in 20A oder 20B veranschaulicht, die Steuerung der Wärmemenge, die dem Werkstück 200 gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls LB in dem Muster zugeführt wird, da eine Zeichenlänge in einem Endteil in der Y-Richtung ausreichend sichergestellt werden kann.
Das Laserschweißverfahren und die Laserschweißvorrichtung 100, die ausgestaltet sind, wie vorhergehend beschrieben, ermöglichten das Erreichen ähnlicher Effekte wie derjenigen, die durch die im ersten bis vierten Ausführungsbeispiel und der ersten und zweiten Abwandlung beschriebenen Ausgestaltungen erreicht werden.
(Andere Ausführungsbeispiele)
Ein anderes Ausführungsbeispiel kann durch geeignetes Kombinieren von Komponenten gebildet werden, die in dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel und der ersten bis dritten Abwandlung beschrieben sind.
Zum Beispiel kann, wenn jedes Abtastmuster, das in der zweiten Abwandlung veranschaulicht ist, gezeichnet wird, die Abgabe P des Laserstrahls LB gesteuert werden, wie im ersten bis dritten Ausführungsbeispiel gezeigt. Wie im vierten Ausführungsbeispiel beschrieben, kann auch die Zeichengeschwindigkeit V des Laserstrahls LB gesteuert werden.
Im zweiten bis vierten Ausführungsbeispiel und der zweiten und dritten Abwandlung kann ein vorbestimmtes Muster gezeichnet werden, indem der Laserstrahl LB vom Ausgangspunkt O zum Schweifen gebracht wird, zum Beispiel um die Zeichenpositionen C, B, A, O, F, E, D und O in dieser Reihenfolge während eines Zyklus zu durchqueren. Alternativ kann das vorbestimmte Muster gezeichnet werden, indem der Laserstrahl LB vom Ausgangspunkt O zum Schweifen gebracht wird, um die Zeichenpositionen D, E, F, O, A, B, C und O in dieser Reihenfolge während eines Zyklus zu durchqueren. Darüber hinaus kann das vorbestimmte-Muster gezeichnet werden, indem der Laserstrahl LB vom Ausgangspunkt O zum Schweifen gebracht wird, um die Zeichenpositionen F, E, D, O, C, B, A, und O in dieser Reihenfolge während eines Zyklus zu durchqueren. Es versteht sich von selbst, dass die zeitliche Steuerung oder dergleichen des Änderns der Zeichengeschwindigkeit V oder der Abgabe P des Laserstrahls LB in Übereinstimmung mit einer Änderung in der Reihenfolge der Zeichenpositionen geändert wird.
Obgleich 1 das Beispiel veranschaulicht, in dem die Kondensorlinse 34 an einer Stufe vor dem Laserscanner 40 angeordnet ist, kann die Kondensorlinse 34 an einer Stufe nach dem Laserscanner 40 oder an einer Position zwischen dem Laserscanner 40 und einer Strahlemissionsöffnung des Laserstrahls 30 angeordnet werden.
Der Laserstrahl LB kann ein Abtastmuster des Lissajous-Musters aufweisen, indem der Laserstrahl LB nicht nur mit einer ersten Frequenz entlang der X-Richtung in einer Kosinuswellenform, sondern auch mit einer zweiten Frequenz entlang der Y-Richtung in einer Kosinuswellenform zum Vibrieren gebracht wird. Es versteht sich von selbst, dass die Amplituden a, b des ersten Spiegels 41a und des zweiten Spiegels 42a, die Frequenzen n, m des ersten Spiegels 41a und des zweiten Spiegels 42a und die Phase φ in diesem Fall in geeigneter Weise geändert werden.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Das Laserschweißverfahren und die Laserschweißvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung sind nützlich, da eine Schweißraupe in einer vorteilhaften Form gebildet werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Laseroszillator
20: optische Faser
30: Laserkopf
31: Gehäuse
32: Kollimationslinse
33: Reflexionsspiegel
34: Kondensorlinse
40: Laserscanner
41: erster Galvo-Spiegel
41a: erster Spiegel
41b: erste Drehwelle
41c: erster Treiber
42: zweiter Galvo-Spiegel
42a: zweiter Spiegel
42b: zweite Drehwelle
42c: zweiter Treiber
50: Steuereinrichtung
60: Manipulator
200: Werkstück
201: Schmelzbad
202: Dampfkapillare
203: dritte Region
204: vierte Region
210: erstes Plattenelement (erste Region)
220: zweites Plattenelement (zweite Region)
230: drittes Plattenelement
240: viertes Plattenelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP S60177983 [0002]

Claims

Laserschweißverfahren, das einen Schweißschritt zum Schweißen eines Werkstücks durch Bestrahlen einer Oberfläche des Werkstücks mit einem Laserstrahl durch zweidimensionales Schweifen des Laserstrahls bei gleichzeitigem Bewirken umfasst, dass der Laserstrahl sich in einer ersten Richtung bewegt, wobei der Schweißschritt Folgendes umfasst: zum Schweifen bringen des Laserstrahls, um ein vorbestimmtes Muster auf der Oberfläche des Werkstücks zu zeichnen, und Steuern einer Wärmemenge, die dem Werkstück zugeführt wird, gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls in dem vorbestimmten Muster, wobei das vorbestimmte Muster ein kontinuierliches Muster ist, in dem zwei ringförmige Muster an einem Punkt miteinander in Kontakt sind.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, wobei das vorbestimmte Muster ein Lissajous-Muster in Form einer 8 oder einer Form einer seitwärts gedrehten 8 ist, und wobei der Schweißschritt das zum Schweifen bringen des Laserstrahls umfasst, um das Lissajous-Muster auf der Oberfläche des Werkstücks durch zum Vibrieren bringen des Laserstrahls nicht nur mit einer ersten Frequenz in der ersten Richtung in einer Sinuswellenform, sondern auch mit einer zweiten Frequenz in einer zweiten Richtung, welche die erste Richtung schneidet, in einer Sinuswellenform umfasst.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 2, wobei ein Verhältnis der ersten Frequenz zur zweiten Frequenz 2:1 oder 1:2 beträgt.
Laserschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eines von der Zeichengeschwindigkeit und der Abgabe des Laserstrahls gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls in dem vorbestimmten Muster gesteuert wird.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 4, wobei das Werkstück eine Schweißung umfasst, die eine erste Region auf einer Seite und eine zweite Region auf einer anderen Seite durch eine Schweißlinie umfasst, wobei die zweite Region eine niedrigere Wärmekapazität aufweist, die niedriger als diejenige der ersten Region ist, und die erste Region während des Zeichnens des vorbestimmten Musters eine höhere Abgabe des Laserstrahls als die zweite Region aufweist.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 4, wobei das Werkstück ein Schmelzbad, das entlang der ersten Richtung während des Zeichnens des vorbestimmten Musters gebildet wird, eine Region vor dem Schmelzbad, wobei die Region mit dem Laserstrahl bestrahlt wird und als eine dritte Region definiert ist, und eine Region umfasst, die das Schmelzbad hinter der dritten Region umfasst, wobei die Region, die mit dem Laserstrahl rückwärts bestrahlt wird, als eine vierte Region definiert ist, und die dritte Region eine höhere Abgabe des emittierten Laserstrahls empfängt als die vierte Region.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 4, wobei das vorbestimmte Muster einen Ausgangspunkt und eine Nachbarschaft des Ausgangspunkts umfasst, wobei die Nachbarschaft während des Zeichnens des vorbestimmten Musters eine niedrigere Abgabe des Laserstrahls empfängt als andere Teile.
Laserschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zeichengeschwindigkeit des Laserstrahls über eine gesamte Länge des vorbestimmten Musters konstant sein muss.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 4, wobei das Werkstück eine Schweißung umfasst, die eine erste Region auf einer Seite und eine zweite Region auf einer anderen Seite durch eine Schweißlinie umfasst, wobei die zweite Region eine niedrigere Wärmekapazität aufweist, die niedriger als diejenige der ersten Region ist, und die erste Region während des Zeichnens des vorbestimmten Musters eine niedrigere Zeichengeschwindigkeit des Laserstrahls aufweist als die zweite Region.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 4, wobei das Werkstück ein Schmelzbad, das entlang der ersten Richtung während des Zeichnens des vorbestimmten Musters gebildet wird, eine Region vor dem Schmelzbad, wobei die Region mit dem Laserstrahl bestrahlt wird und als eine dritte Region definiert ist, und eine Region umfasst, die das Schmelzbad hinter der dritten Region umfasst, wobei die Region, die mit dem Laserstrahl rückwärts bestrahlt wird, als eine vierte Region definiert ist, und die dritte Region den Laserstrahl mit einer niedrigeren Zeichengeschwindigkeit empfängt als die vierte Region.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 4, wobei das vorbestimmte Muster einen Ausgangspunkt und eine Nachbarschaft des Ausgangspunkts umfasst, wobei die Nachbarschaft den Laserstrahl während des Zeichnens des vorbestimmten Musters mit einer höheren Zeichengeschwindigkeit empfängt als andere Teile.
Laserschweißvorrichtung, die mindestens Folgendes umfasst: einen Laseroszillator, der einen Laserstrahl erzeugt; einen Laserkopf, der den Laserstrahl empfängt und ein Werkstück mit dem Laserstrahl bestrahlt; und eine Steuereinrichtung, die den Betrieb des Laserkopfs und die Abgabe des Laserstrahls steuert, wobei der Laserkopf einen Laserscanner umfasst, der den Laserstrahl in jeder von einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung, welche die erste Richtung schneidet, zum Schweifen bringt, die Steuereinrichtung dazu ausgestaltet ist, den Laserscanner anzutreiben und zu steuern, um zu bewirken, dass der Laserstrahl ein vorbestimmtes Muster auf einer Oberfläche des Werkstücks zeichnet, die Steuereinrichtung auch dazu ausgestaltet ist, mindestens eines von der Zeichengeschwindigkeit und der Abgabe des Laserstrahls gemäß einer Zeichenposition des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks zu steuern, und das vorbestimmte Muster ein kontinuierliches Muster ist, in dem zwei ringförmige Muster an einem Punkt miteinander in Kontakt sind.
Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 12, wobei das vorbestimmte Muster ein Lissajous-Muster in Form einer 8 oder einer Form einer seitwärts gedrehten 8 ist, und die Steuereinrichtung den Laserscanner antreibt und steuert, um es dem Laserstrahl zu erlauben, das Lissajous-Muster auf der Oberfläche des Werkstücks durch zum Vibrieren bringen des Laserstrahls nicht nur mit einer ersten Frequenz in der ersten Richtung in einer Sinuswellenform, sondern auch mit einer zweiten Frequenz in der zweiten Richtung in einer Sinuswellenform zu zeichnen.
Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 13, wobei ein Verhältnis der ersten Frequenz zur zweiten Frequenz 2:1 oder 1:2 beträgt.
Laserschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, die ferner einen Manipulator umfasst, an dem der Laserkopf angebracht ist, wobei die Steuereinrichtung einen Betrieb des Manipulators steuert, und der Manipulator den Laserkopf in einer vorbestimmten Richtung gegen die Oberfläche des Werkstücks bewegt.
Laserschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Laseroszillator und der Laserkopf durch eine optische Faser verbunden sind, und der Laserstrahl von dem Laseroszillator durch die optische Faser zum Laserkopf durchgelassen wird.
Laserschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der Laserscanner einen ersten Galvo-Spiegel, der dazu ausgestaltet ist, den Laserstrahl in der ersten Richtung zum Schweifen zu bringen, und einen zweiten Galvo-Spiegel umfasst, der dazu ausgestaltet ist, den Laserstrahl in der zweiten Richtung, welche die erste Richtung schneidet, zum Schweifen zu bringen.
Laserschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei der Laserkopf ferner einen Fokuspositionsanpassungsmechanismus umfasst, und der Fokuspositionsanpassungsmechanismus dazu ausgestaltet ist, zu bewirken, dass eine Fokusposition des Laserstrahls sich entlang einer Richtung ändert, die jede von der ersten Richtung und der zweiten Richtung schneidet.