JP2004195552A - レーザー溶接用レンズ組立部品 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接領域の温度分布を均一にでき、接続部にバブリング、ガス発生がおきず、高品位な溶接を実現できるレーザ溶接用レンズ組立部品を提供する。
【解決手段】溶接領域で、１番目の部品３０と２番目の部品３２を溶接するためのレーザー溶接用レンズ組立部品１０は、レーザービームを出射するレーザー源１６を含んでいる。光ファイバー１４は、レーザービームを受け取り、伝達を可能にするためにレーザー源１６とつなぐことができる。レンズは、光ファイバー１４からのレーザービームを受け取るために位置されており。レンズは、溶接領域全体にほぼ均一な温度を生み出すためにレーザービーム反射するために形作られた沿曲面３６を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、部品を溶接により接合させるために用いるレーザー溶接に関するものである。

レーザーの溶接は、一般的には、例えば熱可塑性の部品などのプラスチックまたは樹脂製の部品を溶接領域で、接合するために用いられる。溶接においてレーザーを用いた例は、米国特許第４，６３６，６０９号明細書に記載されている。一般に知られているように、レーザーは、所定の周波数において電磁気の放射線の集束ビームを作り出す。（すなわち、干渉性の単一の放射線）
いろいろなタイプのレーザーを利用できるが、赤外線レーザーまたは非干渉性源は、溶接領域の加熱用として、放射性エネルギーの比較的に経済的なソースを提供する。赤外線溶接の特有の例としてＴＴＩＲ（Through-Transmission Infrared Welding）が知られている。ＴＴＩＲ溶接は、１番目のプラスチック部分から、２番目のプラスチック部分へ通す光ファイバー、導波管、または光導体によって導かれる赤外線の放射線を生産できる赤外線レーザーを用いている。

この１番目のプラスチック部分は、一般的に、その部分を通じてレーザーからのレーザービームを通すので、しばしば伝達要素と言われる。しかし、２番目のプラスチック部分は、一般に、溶接領域で熱を生み出すためにレーザービームの放射性エネルギーを吸収するので、しばしば、吸収性のある要素（吸収要素）と言われる。

溶接領域におけるこの熱は、融解されることにより伝達要素と吸収要素をもたらすことにより、互いに溶接される。しかし、従来のレーザーシステムによって生じた熱によると、一貫性があり、確かで、審美的で満足のいく溶接ができない。従って、過度の浪費および／または高い製造コストを生じる。

赤外線レーザーによって生じた放射性のエネルギーは、多数の伝達装置を通じて、または、単に目標の溶接領域で直線のレーザービームを通じて目標の溶接領域に達する。前記伝達装置は、例えば、単一の光ファイバー、または光ファイバー束、導波管、伝導体、またはそれに似た他のものである。

光ファイバー束の場合には、その束は、一点を溶接するために使われるレーザービームの一つの地点源が配置されているかまたは、直線的に溶接するために使われるほぼ直線的に配置されたレーザービームを形成するために配置される。それらの配置されたファイバー束と伝達装置は互いに、設計において多数の特有の損害を生じる。

例えば、単一の光ファイバーは、一般的に、通常ガウスの強度のレーザー持つ出射ビームを出す。これは、目標の溶接領域の中央は、その溶接領域の外端に対して放射線エネルギーの更なる集中を受けるというものである。溶接領域の中央に近い放射線エネルギーの更なる集中により、その領域が過熱する。結果、溶接領域の中央領域において、不利なバブリングおよび／またはガス発生が起こる。しかし、この溶接領域の中央領域における過熱と、結果生じるバブリングおよび／またはガス発生は、光ファイバー束を用いることによって簡単に克服できる。

光ファイバー束は、単一の光ファイバーからの通常ガウスのもしくは放物線状のレーザー強度出射を実質的に全体に均一なレーザー強度で出射される。
米国特許第４，６３６，６０９号明細書

しかしながら、それでもまだ、溶接領域の中央域は過熱される。当業者の間では、光ファイバー束からの、全体的にほぼ均一な、レーザー強度出射は、トップハット配置として知られている。これは、近い分野の用途において、比較的正確な表現である。

ほぼ均一なレーザー出射が光ファイバー束に使われることに成功したが、こうした均一な強度のビームは、溶接領域の中央において、過熱、バブリングおよび／またはガス発生を減らす必要がないということが今日の技術で欠けているところである。
熱転写の法則のために、均一の強度のビームさえも、熱は溶接領域の中央よりも溶接領域の端沿いの方がより速く高まる。

その結果、一貫した溶接接合部を生産するために、目標の溶接領域全体に渡って、均一に分布した温度にすることができる装置を備えた高い技術の必要がある。

さらには、溶接接合部のバブニングまたはガス発生を最小限にする装置を備えつけるための高い技術の必要がある。

さらに、より均一の温度分布を作るために、溶接領域の端に目標の放射線エネルギーを再配分することができる装置を製造するための高い技術が必要である。加えて、従来技術の欠点を克服した装置と方法を備えた高い技術の必要性がある。

本発明の原理によると、溶接領域で１番目の部品と２番目の部品を溶接するレーザー溶接用レンズ組立部品は、有利な構造を備えている。レーザー溶接用レンズ組立部品は、レーザービームを出射するレーザー源を備えている。光ファイバーは、レーザービームを受け取り、伝達するためにレーザー源とつながれている。レンズは、光ファイバーからレーザービームを受け取るために位置されている。

レンズは、溶接領域全体にほぼ一様な温度を生み出すために屈折レーザービームを形成する沿曲面（contoured face）を備えている。さらにまた、本発明の適用範囲は、以下に規定した明細書の詳細な説明等から明らかになる。明細書の詳細な説明と具体例は、発明のより好ましい実施例を表しているとはいえ、実施例の目的を表しているだけであり、発明の範囲の限界範囲を示しているのではない。本発明は、明細書の詳細な説明に図面を加えるとよりいっそう発明を理解することができる。

以上のように、本発明に係るレーザー溶接用レンズ組立部品によれば、溶接領域の温度分布を均一にできる。従って、接続部にバブリング、ガス発生がおきず、高品位な溶接を実現できるという効果を奏する。

以下の説明は、より好ましい実施例のある典型例にすぎず、発明のすべてを表したものではない。

本発明の第１の実施例によると、一般に参照数字１０でさししめされたレーザー溶接用レンズ組立部品の図によって与えられる。

図１および図２の一番よい視野によると、レーザー溶接用レンズ組立部品１０は、多数の光ファイバー１４が集まった光ファイバー束１２を含んでいる。光ファイバー１４は、一般に、レーザービームの形状において放射線エネルギーを運ぶかまたは、伝達することができる円形のパターンで配列されている。

光ファイバー束１２は、動作可能にするためにレーザー源１６と結びついている。例えば、よく知られて原理でいうと、赤外線レーザーである。レーザー溶接用レンズ組立部品１０は、さらに、導波管１８とテーラードレンズ２０と窓部２２をも含んでいる。導波管１８は、境界面２４に沿って光ファイバー１２とつながっている。光ファイバー束１２は、テーラードレンズ２０にほぼ近接した導波管１８の内側の終端２６まで延びている。

テーラードレンズ２０は、導波管１８の内側にしっかりと保持されており、溶接領域２８全体が均一な温度分布になるようにレーザービームを分布することができる。これは、以下の記載によりにより明らかになる。窓部２２は、導波管１８の端とつながっている。そして、窓部２２で、周囲の汚染および／または損傷からテーラードレンズ２０を保護するために保持されている。

レーザー源１６は、光ファーバー束１２によって運ばれたレーザービームを出射する。

このレーザービームは、テーラードレンズ２０を通りぬけ、溶接領域２８を越えて均一な温度分布を達成するために分布される。そして、レーザービームは導波管１８から出射し、伝達可能部として知られている最初のプラスチック部分３０を通りぬける。伝達可能部３０は、一般に、レーザービームを通過させる。

レーザービームは、２番目のプラスチック部分３２によって吸収される。これは、吸収部として知られている。吸収部３２は、一般に、溶接領域２８で熱を生み出すために、レーザービームの放射線エネルギーを吸収する。この熱によって伝達可能部３０と吸収部３２は溶かされ、こうしてともに溶接される。

上述の通り、図１と図２によると、テーラードレンズ２０は、溶接領域２８全体に、均一な温度分布のレーザービームを配分することができる。

これにより、溶接領域２８全体で、均一な溶接ができる。こうして、溶接領域２８またはその近くでの過熱、バブリングおよび／またはガス発生を防ぐことができる。テーラードレンズ２０の実際の断面は、溶接領域２８の先端に沿って強度を強くするようにまた、溶接領域２８全体に均一な温度を分布するようにレーザービームを配分する特徴のある部分である。

図３から図５については、本発明の第２の実施例を表している。図に示された参照数字１０´によって示された部材はレーザー溶接用レンズ組立部品である。

図１と図２を一番よい方向から見ると、レーザー溶接用レンズ組立部品１０´は、多数の光ファイバー１４が集まった光ファイバー束１２´を含んでいる。光ファイバー１４は、一般に、レーザービームの形の放射線エネルギーを伝達するかまたは運ぶことができる並行して配置されている。よく知られた原理によると、光ファイバー１２´は、使用可能にするためにレーザー源１６とつながっている。レーザー溶接用レンズ組立部品１０´は、さらに、直線の溶接導波管３５とテーラードレンズ２０´を含んでいる。

直線の溶接導波管３５は、境界面２４´に沿って光ファイバー束１２´とつながっている。光ファイバー束１２´は、テーラードレンズ２０´にほぼ近接した直線の溶接導波管３５内側の終端２６´まで延びている。テーラードレンズ２０´は、直線の導波管３５の内部にしっかりと固定されており、細長い溶接領域２８全体に、均一な温度分布でレーザービームを分布する。これについては、以下に詳しく述べる。

レーザー源１６は、光ファイバー束１２´によって運ばれたレーザービームを出射するという働きをする。このレーザービームはテーラードレンズ２０´を通過し、均一な温度分布の中で配分される。それから、レーザービームは、直線の導波管３５を抜け出し、最初のプラスチック部分３０を通過する。これは伝達可能部として知られている。伝達可能部３０は、一般に伝達可能部を通じて、レーザービームを通過させる。

そして、レーザービームは、２番目のプラスチック部分３２によって吸収される。これは、吸収部として知られている。吸収部３２は、一般に、溶接領域２８で熱を作り出すために、レーザービームの放射線エネルギーを吸収する。この熱は、伝達可能部３０と吸収部３２を溶かし、こうしてともに溶接する。

レーザー溶接用レンズ組立部品１０´は、テーラードレンズ２０´が細長い形のために、直線の溶接に用いられる細長いレーザービームを出射することができる。上述した通り、テーラードレンズ２０と２０´は、溶接領域２８全体に渡って均一な温度分布となるようにレーザービームを配分することができる。これにより、溶接領域２８全体に渡って均一に溶接することができる。こうして、溶接領域２８若しくは、溶接領域２８の近くでの過熱、バブリング、および／またはガス発生を防ぐ。

図１および図２を特に参照すると、テーラードレンズ２０が、ほぼ円筒形の形状をしており、平らな側面３４と沿曲面３６を含んでいる。同様に、図３から図５に関しては、テーラードレンズ２０は、ほぼ細長い形状をしており平らな側面３４´と沿曲面３６´を含んでいる。

望ましいレーザービーム分布にするためには、平らな側面３４、３４´も、当然、沿曲沿曲面にしてよい。沿曲面３６と３６´の形は、入射光線の位置から出射光線の位置への写像プロセス（a process of mapping）によって決まる。これにより、同じ温度分布にできる。沿曲面３６、３６´の正確な輪郭を決定する過程を、今から一つの適用例について論じることにする。

特に図６に関しては、温度分布グラフは、テーラードレンズ２０を使用することなしに、光ファイバー束１２を抜け出した均一な強さのレーザービームの温度分布を描いたものが示されている。この温度分布は、一般には放物線の形をしており、こうして、分布の中央の温度Ａは、端の温度よりも高い。分布の中央の高い温度は、前述の過熱、バブリング、および／またはガス発生を溶接領域若しくはその近辺で引き起こす。

しかし、溶解領域全体で均一な温度を達成するためには、有限要素分析（ＦＥＡ：finite element analysis）プログラムを用いる必要である。このプログラムは、均一な温度を達成することができる強度の分布を決定する。それゆえ、図７示すように、レーザー強度分布グラフは、溶接領域２８で均一な温度（Ｔ）を達成するために、レーザーの強度分布（ｑ）を描いている。

図７の頂点Ｂと谷間Ｃからわかることは、溶接領域２８の外端の強度を高める必要があるということである。熱伝導原理によると、溶接領域２８の外端はそれらを囲む非熱領域（冷領域）についての温度を上げるために、レーザー強度を上げる必要がある。しかし、溶接領域２８の中央は、比較的レーザー強度を下げる必要がある、なぜなら、そこは、熱域により囲われているからである。こうして、さらにすばやく温度が上げられる。

光強度出射を溶接部（ｑｘ）で望ましい均一溶接温度にするために、次の式を使う必要がある。

ｑｘ＝ｑ＊（Ｔ−Ｔ_０）／（Ｔｘ−Ｔ_０）
ｑｘは、望ましいｘ地点で与えられる光強度出射である。ｑはＦＥＡプログラムにおいて用いられる最初の均一な光強度である。Ｔは、望ましい均一な溶接温度である。Ｔｘは、ＦＥＡプログラムから導かれたｘ地点で与えられた温度である。そしてＴ_０は、大気温度である。入射光が平行な光線であると仮定すれば、均一な温度分布にするために、入射光線の位置と出射光線の位置を対応させて、所定のｘ位置における出射光の実際の強度を用いる。

入射光線を曲げて望ましい出射光線位置にするために屈折の所定の位置指標を必要とする所定のｘ地点でレンズ傾斜を計算する必要がある。その傾斜は、図８で示されたレンズの形の特徴によりまとめられる。

特に図８を参照すると、一般的なガウス分布の入射レーザービームのための望ましいレンズの形は、ほぼ凹状の発散レンズであることがわかる。しかし、沿曲面３６のより好ましい形状を近くで見ると、この特徴の用途に望ましい形状は、実際は、複雑な形状であることがわかる。これは、凸状の部分、凹状の部分の両方を含む。

図８の曲線の中央部分は、一般に、０．０５インチから０．２インチの凹部を有する形をしており、その中央（一般には、Ｄで示す）から外側に向かって傾斜が急になっている。しかし、約０から０．０５インチと約０．２から０．２５インチの間の曲面の部分は、一般には、中央の凹部部分（一般にはＥで示す）から外側にいくにつれて傾斜が緩やかになっている凸部である。

しかしながら、沿曲面３６の特有の形状は、上で示された特有のパラメーターによる。そしてパラメーターにより変化していく。上記の分析と計算をレーザー溶接用レンズ組立部品１０´（直線の溶接に適用）にあてはめると、図９から、均一なレーザー強度（ｑ）のための最初の温度分布曲線は、図６で示されたものとはわずかに異なる。しかし、まだなお、特徴のあるドーム形の曲線であることがわかる。

それゆえ、ほぼ均一な温度分布を達成するためには、図１０の先端Ｆからわかるように、先端にレーザー光を分布させる必要がある。上記の方程式とその計算結果を適用すると、レンズの形は、図１１で示されるような特定用途（この場合は、直線の溶接）用に再決定される。図１０からわかるように、沿曲面３６´はやはり複雑な形である。これは、凹部と凸部の部分を含む。

沿曲面３６´の中央部分は、ほぼ０．０３インチから０．０９インチの凹部の形を有しており、その中央（一般に、Ｇで示す）から外側にいくにつれて傾斜が急になっている。約０から０．０３インチと約０．０９から０．１３インチの曲線の形状は、一般に凸であり、中央の凹部分（一般に、Ｈで示す）から外側にいくにつれてだんだん傾斜は緩やかになっている。

より望ましくは、テーラードレンズ２０、２０´は、シリコン材料を用いた場合である。しかし、テーラードレンズ２０、２０´は、レンズの構成として通常使われているあらゆる材料でもよい、例えば、ガラス、アクリル、プラスチック、ポリカーボネートなどが含まれる。

しかし、シリコンを用いる利点は、テーラードレンズ２０´と境界面２４´が、溶接の周りの隅若しくは、硬いおよび／または複雑な域を通り抜けることができるようにできており、機械的に曲がっている。それに加えて、シリコンを用いることの利点は、そこについた微粒子や他の破片を防ぐことができる。

沿曲面３６、３６´の形状は特定の出射位置からの光強度の分析と解析から決定されるのが望ましいが、本発明の多数の利点は、図１２から分かるように、導波管５１と結合された凹状発散レンズ５０にあることがわかる。凹状発散レンズ５０は、平凹システム、凹平システム、凹凹システム、若しくは他のあらゆる発散レンズシステムであるだろう。

凹状発散レンズ５０の形、導波管５１の長さおよび内径は、レーザービームが凹状発散レンズ５０を抜け出したときに、今や円錐状のレーザービームが導波管５１の内部５２で反射するように選択される。凹状発散レンズ５０から出射方向への導波管５１の長さ５４は、溶接領域２８の中央部よりも端部の方でレーザー強度分布を高くするために、円錐状のレーザービームの所定部分だけを内部５２で反射させるように選ばれる。

その結果、前の実施例とつなげると、凹状発散レンズ５０と導波管５１は、溶接領域２８全体に均一の温度分布を達成するために、特有のレーザー強度分布にするために協働する。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、一般的な溶接技術、特に、均一な溶接をするために改良した方法や装置に関するものである。レーザーの溶接は、一般的には、例えば熱可塑性の部品などのプラスチックまたは樹脂製の部品を溶接領域で、接合するために用いられる。

本発明の第１の実施例のレーザー溶接用レンズ組立部品の端面図である。 図１のレーザー溶接用レンズ組立部品の２−２断面図である。 本発明の第２の実施例に基づいたレーザー溶接用レンズ組立部品の斜視図である。 本発明の第２の実施例に基づいたレーザー溶接用レンズ組立部品の端面図である。 図４のレーザー溶接用レンズ組立部品の５−５断面図である。 均一な強度、スポット溶接、レーザービームの温度分布を表したグラフである。 均一な温度、スポット溶接、レーザービームのために正規化された強度分布を表したグラフである。 本発明の原理に基づいた均一な温度分布を成し遂げることができるスポット溶接のためのより好ましいレンズの形を表したグラフである。 均一強度、直線の溶接、レーザービームのための温度分布を表したグラフである。 均一温度、直線の溶接、レーザービームのために正規化されたレーザー強度分布を表したグラフである。 本発明の原理に基づいた均一な温度分布を成し遂げることができる直線の溶接のためにより望ましいレンズの形を表したグラフである。 本発明の第３の実施例に基づいたレーザー溶接用レンズ組立部品の断面図である。 本発明の原理に基づいて均一な温度のレーザービームを分布させることができるレンズの形を決定する方法のステップを表したフローチャートである。

符号の説明

１０ レーザー溶接用レンズ組立部品
１０´ レーザー溶接用レンズ組立部品
１４ 光ファイバー
１６ レーザー源
１８ 導波管
２０ テーラードレンズ（レンズ）
２０´ テーラードレンズ（レンズ）
２６ 終端（一端）
２８ 溶接領域
３６ 沿曲面
３６´ 沿曲面
５０ 凹状発散レンズ（レンズ）

Claims (24)

1. 溶接領域で、１番目の部品と２番目の部品を溶接するためのレーザー溶接用レンズ組立部品は、
   レーザービームを出射するレーザー源と、
   前記レーザービームを受け取り、伝達するための前記レーザー源と動作可能に接続した光ファイバーと、
   前記光ファイバーからの前記レーザービームを受け取るように位置決めされたレンズであって、溶接領域全体にほぼ均一な温度をもたらすために前記レーザービームを反射する形状の沿曲面を有するレンズと
   を備えているレーザー溶接用レンズ組立部品。
2. 前記レンズは、発散レンズである請求項１に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
3. 前記沿曲面は、少なくとも一つの凹部と少なくとも一つの凸部を含んでいる請求項１に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
4. 前記沿曲面の形が、ほぼ均一な温度の光強度をもたらすために入射光線位置から出射光線位置への写像によって決定される請求項１に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
5. 前記光ファイバーとつながっており、そこで前記レンズを保持している導波管をさらに有している請求項１に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
6. 前記レンズは、シリコン、アクリル、プラスチック、ポリカーボネート、ガラスから構成される組から選ばれる材料から作られたレーザー溶接用レンズ組立部品。
7. 前記レンズは、ほぼ円形である請求項１に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
8. 前記レンズは、ほぼ細長い形状をした請求項１に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
9. 前記ほぼ細長いレンズは、所定の溶接形状をなして曲げることができるようにほぼ曲がりやすい請求項８に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
10. 溶接領域で１番目の部品と２番目の部品を溶接するためのレーザー溶接用レンズ組立部品であって、
    レーザービームを出射するレーザー源と、
    前記レーザービームを受け取り、伝達するための前記レーザー源と動作可能に接続した光ファイバーとを有しており、
    前記光ファイバーからの前記レーザービームを受け取るように位置決めされたレンズであって、溶接領域全体にほぼ均一な温度をもたらすために前記レーザービームを反射する形状の沿曲沿曲面が前記レーザービームを反射する形状をしており、前記沿曲面の形は、溶接領域でほぼ均一な温度を達成するための強度にされた光を作るために入射光線位置と出射光線位置を対応させて決定されたレンズとを有するレーザー溶接用レンズ組立部品。
11. 前記レンズは、発散レンズである請求項１０に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
12. 前記沿曲面が少なくとも一つの凹部と少なくとも一つの凸部を有している請求項１０に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
13. 前記光ファイバーの一端と接続され、前記レンズを保持する導波管をさらに有している請求項１０に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
14. 前記レンズは、シリコン、アクリル、プラスチック、ポリカーボネート、ガラスを含んだ組から選ばれた材料からなる請求項１０に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
15. 前記レンズは、ほぼ円形をしているレーザー溶接用レンズ組立部品。
16. 前記レンズは、ほぼ細長い形状をしているレーザー溶接用レンズ組立部品。
17. 前記細長いレンズは、所定の形状をなして曲がることができるように、ほぼ曲がり易くなっている請求項１６に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品
18. 溶接領域で１番目の部品と２番目の部品を溶接するためのレーザー溶接用レンズ組立部品であって、
    レーザービームを出射するレーザー源と、
    反射する内側表面を持つ導波管と、
    前記反射する内側表面の出射方向への長さを規定するために導波管に配置され、前記レーザービームを受け取ることが可能であり、前記レーザービームを反射する形状の沿曲面を持った発散レンズとを
    有しており、
    前記沿曲面の形と前記反射する内側表面の出射方向への長さは、溶接領域でほぼ均一な温度を達成できる光強度分布を生み出すように選択されているレーザー溶接用レンズ組立部品。
19. レーザー溶接用レンズ組立部品は、前記沿曲面は凹状である請求項１８に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
20. 前記レーザービームを受け取り、伝達するための前記導波管とレーザー源との間をつなぐことが可能な光ファイバーをさらに含む請求項１８に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
21. 前記レンズは、シリコン、アクリル、ポリカーボネート、ガラスを含んだ組から選択された材料からできている請求項１８に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
22. 前記レンズは、ほぼ円形である請求項１８に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
23. 前記レンズは、ほぼ細長い形状である請求項１８に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品。
24. 前記細長いレンズは、所定形状をなして曲がることができるように、ほぼ曲がり易くなっている請求項２３に記載のレーザー溶接用レンズ組立部品

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