JP2004535937A - レーザプラズマハイブリッド溶接のための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、加工品を溶接するために、レーザビーム（１０）とプラズマジェット（１１）とが、加工品近傍のプロセス領域に共に導かれるレーザプラズマハイブリッド溶接のための方法に関する。本発明によれば、フリーマイクロ波誘導プラズマジェット（１１）は、以下の方法ステップ、すなわち、高周波マイクロ波源にマイクロ波を発生させるステップと、マイクロ波を中空導波管（１）に案内するステップと、ガス入口開口部（１４）とガス出口開口部（１５）とを備えるマイクロ波透過管（２）内にプロセスガスを圧力ｐ≧１バール（ｐ≧０．１ＭＰａ）で導入するステップであって、プロセスガスが接線方向の流れ成分を有するように、プロセスガスがガス入口開口部（１４）を通してマイクロ波透過管（２）内に導入されるステップと、電極を使用せずにプロセスガスを点火することによってプラズマ（１２）をマイクロ波透過管（２）の内部に発生させるステップと、管（２）のガス出口開口部（１５）に配置された金属製ノズル（１）を介してプラズマ（１２）を加工空間（１６）内に導入することによってプラズマジェット（１１）を発生させるステップと、を用いて発生される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載されたレーザプラズマハイブリッド溶接のための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、レーザ溶接方法および従来のプラズマ溶接方法、例えばタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接または金属活性ガス（ＭＡＧ）溶接が互いに組み合わせられる取付けについて記載している。これらの方法では、アーク放電は、非溶融電極、通常はタングステン電極と加工品との間で発生し、加工品は部分的に溶融される。レーザビームは、レンズシステムによって加工品の上に集束される。レンズシステムおよび電極は互いに同心に配列される。次に、レーザビームを用いて、部分的に溶融される加工品の狭く深い領域に高エネルギの出力を集中することができる。
【０００３】
レーザプラズマハイブリッド溶接によって加工品を溶接するための別の方法が特許文献２に記載されている。この方法では、加工品を溶接するために利用されるレーザビーム、およびアークは、互いにある角度で配列される。この公知の方法においても、アーク放電は電極と加工品との間で発生する。
【０００４】
公知の方法では、電流強度が電極の耐用年数によって制限されるため、溶接速度が比較的低く、アーク放電性能の制限をもたらすという不都合を有することが実証されている。さらに、溶接すべき加工品の比較的高い熱伝導性の故に、加工品内に導入される熱の相当な部分が溶接シームの周囲に流れ込む。このことにより、加工品に対する高い熱負荷に関してさらなる不都合が生じ、加工品の著しいひずみをもたらす。
【０００５】
さらなる不都合な点として、プロセスガスの使用が制限されることである。例えば、公知の方法では、プロセスガスとして希ガスを使用することが慣例である。例えば酸素、および電極材料に対し腐食性である他のプロセスガスの使用は不可能である。
【０００６】
プラズマジェットの高いアーク拡散、および加工品内に導入される関連した低い電力密度のために、公知のレーザプラズマハイブリッド溶接方法には、高出力レーザが必要である。
【０００７】
さらなる不都合な点として、低い長期間安定性、同様に従来のレーザプラズマハイブリッド溶接システムの高価な構造および操作が含まれる。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第６０３４３４３号明細書
【特許文献２】
独国特許出願公開第１９５００５１２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、レーザプラズマハイブリッド溶接プロセスの投資コストおよび操作コストを低減できかつ溶接速度を向上させることができるレーザプラズマハイブリッド溶接のための方法を提供することである。
【００１０】
上記目的は、請求項１に記載した方法によって達成される。本発明の有利な実施態様は従属請求項の主題を形成する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、フリーマイクロ波誘導プラズマジェットはレーザプラズマハイブリッド溶接のために使用され、またこのジェットは以下のように発生する。すなわち、中空導波管に案内されるマイクロ波は高周波マイクロ波源に発生する。プロセスガスは、それが接線方向の流れ成分を有するように、マイクロ波透過管のガス入口開口部を通して、ガス入口開口部とガス出口開口部とを備えるマイクロ波透過管内に圧力ｐ≧１バール（ｐ≧０．１ＭＰａ）で導入される。プラズマは、電極を用いないプロセスガスの点火によってマイクロ波透過管に発生し、次に、このプラズマは、前記管のガス出口開口部に配置された金属製ノズルを通して加工空間内に導入され、その結果、プラズマジェットが発生する。溶接すべき加工品は、特に加工空間内に配置される。
【００１２】
レーザビームは、固体レーザ、特にＮｄ−ＹＡＧレーザで、またはガスレーザ、特にＣＯ_２レーザまたはエキシマレーザで有利に発生する。しかし、レーザビームをダイオードレーザで発生することも可能である。
【００１３】
本発明の第１の有利な実施態様では、レーザビームはマイクロ波透過管を通って、またノズルの開口部を通って加工空間内に通過する。この場合、例えば、レーザビームおよびプラズマジェットは互いに同心状に走ることが可能である。しかし、ノズルの相応して大きな開口直径を考慮すると、レーザビームおよびプラズマジェットが、配列幾何学によって限定される所定の角度で互いに走ることも可能である。本実施態様の利点は、レーザビームがプラズマの点火および維持を担う役割を果たすことにある。さらに、このことは、レーザプラズマハイブリッド溶接方法のコンパクトな構造の実現を可能にする。
【００１４】
本発明によるレーザプラズマハイブリッド溶接方法の第２の有利な実施態様では、レーザビームはマイクロ波透過管の外側を走る。この場合、適切な配列では、レーザビームおよびプラズマジェットが表面において、または溶接すべき加工品の表面に近接した領域において互いに交差するように、プラズマジェットを発生するための中空導波管装置の外側にレーザビームを発生するためのレーザを位置決めすることが可能である。さらに、レーザビームおよびプラズマジェットはまた、互いに関してレーザビームが溶接プロセスでプラズマジェットに先行するか、あるいはその逆のことが行われるように配列し得る。このことにより、溶接シームの品質の向上および溶接速度の増加が可能になる。
【００１５】
本発明による電極を用いないレーザプラズマハイブリッド溶接方法によって、特に有利なプラズマ特性が得られる。例えば、プラズマの比エンタルピおよび関連するプラズマのエンタルピ流れ密度が増大される。この効果に鑑みて、プラズマの、およびプラズマジェットのプラズマ温度が上昇する。このことにより、従来技術に開示されたレーザプラズマハイブリッド溶接方法と比較して、溶接速度の増加および溶接シームのコスト低下の点で利点が提供される。したがって、本発明によるレーザプラズマハイブリッド溶接方法は、同時に溶接プロセスの広範囲の用途と組み合わせられる運転経済性および応用に関して顕著な利点を提供する電極を用いないレーザプラズマハイブリッド溶接方法を提供する。
【００１６】
さらに、縮径およびジェット角拡散の低減に関するプラズマジェットの特性が向上される。さらに、シリンダ対称のプラズマジェットは、本発明による方法では外部へ向かって平行に展開する。
【００１７】
マイクロ波透過管内へのプロセスガスの接線方向の供給により、前記管のガス出口開口部に向かって方向付けられる軸方向の流れ成分が管内に形成される。このことは、低いビーム角度拡散を有するプラズマジェットの、本発明による発生を支援する。接線方向に送り込まれるプロセスガスによって引き起こされかつノズル出口の方向のノズル断面の狭窄化によってさらに高められる半径方向の加速度によって、非均一に加速される自由電荷キャリアは、狭くなる螺旋経路のノズル出口に向かって移動し、その結果、電荷キャリアの求心加速度が高められる。この移動は、電荷キャリアがノズルから加工空間内に現れた後でも、電荷キャリアによって維持される。異なるイオンおよび電子移動度によって局所的な電荷中立性がないので、プラズマジェットがノズルから現れた後にプラズマジェットの流れ圧縮（ｚピンチ）をもたらす軸方向配向の磁界が、プラズマジェット内に誘導される。これは、磁気流体力学的効果（ＭＨＤ効果）による。
【００１８】
本発明による方法のさらなる利点は、プラズマジェットが、廉価かつ頑丈な高周波システム、例えばマグネトロンまたはクライストロンによって発生できることである。これらの高周波システムにより、最高１００ｋＷの必要な電力範囲および０．９５ＧＨｚ〜３５ＧＨｚの周波数範囲のマイクロ波源が有利に利用可能となる。特に、このシステムは、産業および国内用途に広範囲に使用されている廉価なマイクロ波源を含むので、２．４６ＧＨｚの周波数のマイクロ波を利用することが可能である。
【００１９】
電極を用いないプラズマ発生のため、使用できるプロセスガスに関して、本発明による方法には何らの制限もない。したがって、本発明による方法は従来技術の問題を解決するが、従来技術では、電子誘導プラズマの場合、使用するプロセスガスと電極材料との間で反応が生じ、例えば、タングステン電極の場合では酸化タングステンまたは窒化タングステンの形成をもたらすか、あるいは水素脆性をもたらす。したがって、プロセスに適切なガスまたはガス混合気の適切な選択によって、プラズマと加工品との間の熱伝導の改良と組み合わせて、プラズマの比エンタルピを向上することが可能である。
【００２０】
さらに、電極を用いないレーザプラズマハイブリッド溶接によって、溶接金属内への望ましくない電極材料の導入が回避される。さらに、中断されることのない無人かつ自動化された溶接方法は、常に置き換えなければならない磨耗部品なしに可能である。
【００２１】
本発明によるレーザプラズマハイブリッド溶接方法のさらなる利点は、加工品のプラズマジェットによる熱作用ゾーンがかなり低減され、これによって、熱導入の低下、加工品のひずみ低減、および材料に対する損傷レベルの低下がもたらされる。さらに、本発明によるレーザプラズマハイブリッド溶接方法は、溶接アンダカットの低減および溶接シームの低い気孔率に関して不具合のない溶接を可能にする。
【００２２】
本発明による方法に必要なプラズマの信頼性の高い操作および信頼性の高い点火を保証するために、本発明の有利な実施態様では、マイクロ波を案内するために用意される中空導波管の断面が狭窄化される。この場合、中空導波管は、マイクロ波透過管が中空導波管を通して案内される位置で狭窄化することが好ましい。中空導波管および管は、本発明の好都合な実施態様において互いに垂直に配向される。この利点は、狭窄化断面の位置における電界強度の増加である。このことは、第１にプロセスガスの点火特性を向上し、第２にプラズマの電力密度を増大する。
【００２３】
本発明のさらに有利な実施態様では、スパークギャップを使用して、プラズマを点火することも可能である。
【００２４】
本発明および本発明のさらに有利な実施態様について、図面を参照して以下により詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、本発明による方法を実施するための第１の実施態様の断面図を示している。本実施態様では、レーザビーム１０はマイクロ波透過管２を通過する。図面は、マイクロ波源（図示せず）によって発生したマイクロ波を送る中空導波管３を垂直に通って案内されるマイクロ波透過管２を示している。この場合、商業的に入手可能な導波管を中空導波管３として使用できる。また一方で、マイクロ波透過管２が中空導波管３を通過する領域の断面に狭窄部を有する中空導波管も使用することが可能である。
【００２６】
マイクロ波透過管２はプロセスガス用のガス入口開口部１４とプラズマ１２用のガス出口開口部１５とを有する。プラズマ１２は、マイクロ波透過管２が中空導波管３を通過する領域９のマイクロ波吸収によって発生される。
【００２７】
ガス入口開口部１４において、マイクロ波透過管２はガス供給ユニット８に接続され、またガス出口開口部１５において、マイクロ波透過管２は金属製ノズル１に接続され、このノズルを通して、プラズマ１２がプラズマジェット１１として加工空間１６に流れ込む。金属製ノズル１は膨張ノズルとしても有利に設計し得る。このことにより、プラズマジェット１１における低いジェット拡散に関連してさらなる利点が得られる。
【００２８】
ガス供給ユニット８にはガス給気部４があり、これを通して、プロセスガスがマイクロ波透過管２に供給される。プロセスガスは、流れ込むプロセスガスが接線方向の流れ成分と、同様に、ガス出口開口部１４の方向に配向される軸方向の流れ成分と、を有するように供給される。特に、プロセスガスはマイクロ波透過管２の内部の螺旋経路（図示せず）上を案内される。このことにより、マイクロ波透過管２の内面方向および管軸上の部分真空の形成において、著しいガス求心加速度が生じる。この部分的真空はプラズマ１２の点火も容易にする。
【００２９】
レーザビーム１０はレーザ源（図示せず）で発生し、光ファイバ７によって光学系６に送られる。光学系６は、ガス供給ユニット８の基部に形成された窓５の前に配置され、レーザビーム１０をマイクロ波透過管２内に導入する。管２では、レーザビーム１０はプラズマ１２に対し平行に走り、プラズマジェット１１と共にノズル１を通って加工空間１６内に現れる。
【００３０】
プラズマ１２は、スパークギャップ（図示せず）、例えばアーク放電または点火スパークによって点火することができる。中空導波管システムが最適に設定されるならば、すなわち、マイクロ波の最大電界強度が管軸の位置にあるならば、自発プラズマ点火も可能である。
【００３１】
図２は、本発明による方法を実施するための第２の実施態様の断面図を示している。本実施態様では、レーザビーム１０はマイクロ波透過管２の外側を走る。この場合、レーザビーム１０およびプラズマジェット１１は、それらが、プラズマジェットの伝搬方向に見られるように、ノズル１の下流側に共に導かれるように互いにある角度で配置される。プラズマジェット１１およびレーザビーム１０は、図１に示したように発生する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】レーザビームがマイクロ波透過管を通過する本発明による方法を実施するための第１の実施態様の断面図を示している。
【図２】レーザビームがマイクロ波透過管の外側を走る本発明による方法を実施するための第２の実施態様の断面図を示している。

Claims (10)

1. 加工品を溶接するために、レーザビーム（１０）とプラズマジェット（１１）とが、前記加工品に近接したプロセス領域に共に導かれるレーザプラズマハイブリッド溶接のための方法において、
   前記プラズマジェット（１１）が、以下のプロセスステップ、
   −高周波マイクロ波源にマイクロ波を発生させるステップと、
   −前記マイクロ波を中空導波管（３）に案内するステップと、
   −ガス入口開口部（１４）とガス出口開口部（１５）とを備えるマイクロ波透過管（２）内にプロセスガスを圧力ｐ≧１バール（ｐ≧０．１ＭＰａ）で導入するステップであって、前記プロセスガスが接線方向の流れ成分を有するように、前記プロセスガスが前記ガス入口開口部（１４）を通して前記マイクロ波透過管（２）内に導入されるステップと、
   −電極を用いない前記プロセスガスの点火によってプラズマ（１２）を前記マイクロ波透過管（２）に発生させるステップと、
   −前記管（２）のガス出口開口部（１５）に配置された金属製ノズル（１）を通して前記プラズマ（１２）を加工空間（１６）内に導入することによってプラズマジェット（１１）を発生させるステップと、
   によって発生するフリーマイクロ波誘導プラズマジェットであることを特徴とする方法。
2. 前記レーザビーム（１０）が、固体レーザ、特にＮｄ−ＹＡＧレーザ、またはガスレーザ、特にＣＯ_２レーザまたはエキシマレーザまたはダイオードレーザで発生することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザビーム（１０）がマイクロ波透過管（２）を通して、また前記金属製ノズル（１）を通して案内されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記金属製ノズル（１）が膨張ノズルであることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記レーザビーム（１０）がマイクロ波透過管（２）の外側に案内されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
6. 前記レーザビーム（１０）と前記プラズマジェット（１１）とが、互いに所定角度にあることを特徴とする、請求項３または５に記載の方法。
7. ０．９５ＧＨｚ〜３５ＧＨｚの周波数範囲のマイクロ波を利用して、前記プラズマを発生させることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記マイクロ波透過管（２）に対し垂直に配向される前記中空導波管（３）が、前記管（２）が前記中空導波管（３）を通して案内される位置に、狭窄化断面を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 使用される前記マイクロ波透過管（２）が、ドーピングを行わない純粋な形態のＳｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３から製造された誘電特性を有する管であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. スパークギャップを使用して、前記プラズマ（１２）を点火することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。