JP2010533071A - レーザ溶接装置及びレーザ溶接法 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザビーム（３）を少なくとも１つのワークピース（４，１３）上の所定の軌道に沿って第１の運動方向（６）に移動させるためのレーザスキャナー（２）を備えている形式のレーザ溶接装置（１）に関する。本発明に基づき、レーザビーム（３）とワークピース（４，１０）との間の相対速度の増大のためにワークピース（４，１０）を第２の運動方向（８）に駆動する駆動装置（７）を設けてある。さらに本発明は、レーザ溶接法にも関する。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式のレーザ溶接装置、並びに請求項１０の上位概念に記載の形式のレーザ溶接法に関する。

レーザビームを用いて行われるレーザ溶接において、レーザビームは、溶接又は溶着すべき２つ又は複数のワークピース間の継ぎ目区域（溶接区域又は溶着区域）で集光され、つまり焦点（集光点又は収斂点）を継ぎ目区域に合わせられるようになっている。レーザビームのこのような集束又は収斂は、材料の加熱及び融解を生ぜしめ、或いはしばしば局所的な蒸発を生ぜしめることになる。複数のワークピース間の継ぎ目において生じる溶融液の溶け込み及び続く材料の再凝固により、溶接結合が生じている。局所的な熱膨張、或いはビード遷移や材料の凝固により不都合な歪みや変形を生じることになり、このような歪みや変形は、複数のワークピース（被加工物又は工作物）から成る構成部分（製品又は部品）の形状及び寸法を変化させ、ひいては構成部分の機能を低下させ、最悪の場合には構成部分を不良品にしてしまうことになる。殊に同一でない材料の溶接、つまり互いに異なる部材（異種材料）の溶接の場合には、互いに異なる熱膨張係数に起因して溶接中に亀裂を生じることもある。

従来技術において、周壁に沿って延びる継ぎ目を溶接（シーム溶接）する場合には、避けることのできないオーバーラップ区域は、レーザビームにより二回通過又は走査されて、非対称的にしたがって不均一に加熱されている。このような非対称の加熱は、加工成形された構成部分の形状を、所定の平面及び曲面形状、例えば所定の平面形状又は円筒面形状又は平面及び円柱面形状から逸脱させてしまうことになり、このことは殊に弁座のレーザ溶接の場合には極めて不都合であり、それというのは弁のシール機能を損ねることになるからである。

前記欠点を避けるために種々の方法が提案されている。構成部分の歪み若しくは変形を減少させるための１つの手段は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２０３２７Ａ１号明細書に開示してあるように、エネルギーの均一な投入であり、つまり継ぎ目区域の対称的な一様な加熱である。

いわゆる連続的なプラスチック溶着の場合に、スキャナーを用いてレーザビームを、１つのワークピース上の所定の軌道若しくは２つのワークピース間の継ぎ目区域上の所定の軌道に沿って第１の運動方向に運動（移動）させることは知られている。レーザビームの十分に高い運動速度において、材料は継ぎ目区域で溶融され、かつ、凝固する前に、溶融状態で複数回走査されるようになっている。このようにして所定の時間にわたって均一に溶融された継ぎ目区域は、次いで均一に凝固される。

しかしながら上記方法は、金属製のワークピース（被加工物）の溶接のためには実際には用いられないものである。均一に溶融される継ぎ目区域又は接合区域は、殊に、直径の大きな２つのワークピースを互いに溶接したい場合には、つまりレーザビームにより走査すべき軌道が比較的長い場合には、レーザスキャナーを用いることによって達成されるものではない。

本発明の課題は、金属製のワークピースの溶接のために適したレーザ溶接装置を提供することである。さらに本発明の課題は、改善されたレーザ溶接法を提供することである。

前記課題を解決するために本発明の構成によれば、レーザ溶接装置において、レーザビームとワークピースとの間の相対速度の増大のためにワークピースを第２の運動方向に駆動する駆動手段又は駆動装置を設けてあり、レーザ溶接法において、レーザ溶接装置のレーザビームを少なくとも１つのワークピース上の所定の軌道に沿って第１の運動方向に移動させるのに対して、レーザビームとワークピースとの間の相対速度の増大のためにワークピースを第２の運動方向に駆動するようになっている。

本発明の種々の実施態様を従属請求項に記載してある。本発明の種々の構成は単独に、或いは任意に組み合わせて用いられるものである。本発明のレーザ溶接装置のみに関する記載の構成は、レーザ溶接方法の構成として用いられるものであり、また、本発明のレーザ溶接法のみに関する記載の構成も、レーザ溶接装置の構成として用いられるものである。

本発明は、均一に溶融される継ぎ目領域を形成できる閾値速度が、構成部分の幾何学形状、溶融温度、接合又は結合すべき材料或いは部材の熱伝導率に依存しているという知見に基づいている。さらに本発明は、材料に応じて材料内へのエネルギー若しくは熱の少なかれ多かれ大きな流れが生じ、かつ継ぎ目区域に冷却及び凝固が生じるという知見に基づいている。さらに本発明は、溶融状態を形成若しくは維持するために、投入するエネルギー量を、流出するエネルギー量とできるだけ同じにするという知見に基づいている。これまで、レーザスキャナーを用いる方法は、金属製の部材若しくは金属性の材料にとって実用されておらず、それというのは、金属の高い熱伝導率、ひいては構成部分内への熱の流れに起因する高いエネルギー損失に基づき、従来のレーザスキャナーによっては達成し得ないほどに極めて高いレーザビーム若しくは焦点の速度を必要とするからである。このような技術背景から、本発明の技術思想は、レーザビームの焦点のみを、１つのワークピース上の所定の軌道、若しくは少なくとも２つのワークピース間の継ぎ目上の所定の軌道に沿って第１の運動方向に移動（走査）させるだけではなく、追加的にワークピースをも第２の運動方向に駆動して、レーザビームの焦点と接合すべきワークピースとの間の高い相対速度を達成することにある。このために本発明に基づく方法によれば、１つのワークピース若しくは互いに接合又は結合すべき両方のワークピースを第２の運動方向に駆動するようになっており、該方法を実施するための本発明に基づく装置又は構成によれば、１つのワークピース若しくは互いに接合又は結合すべき両方のワークピースを第２の運動方向（回転方向）に駆動するための駆動手段若しくは駆動装置を設けてある。ワークピースの駆動のための駆動装置は、該駆動装置によって、少なくとも１つのワークピースを、該少なくとも１つのワークピースの保持又は固定のための適切な固定装置又は緊締装置と一緒に駆動できるように形成されている。レーザビームの焦点とワークピース若しくは継ぎ目区域との間の高い相対速度により、継ぎ目区域に沿った均一な加熱、ひいては少なくとも１つのワークピースの均一な溶解を達成している。このような構成により、本発明に基づく方法及び本発明に基づく装置は、金属製のワークピース間の溶接、殊に互いに異なる材料若しくは合金から成るワークピース間の溶接に特に適している。

継ぎ目を全長にわたってレーザビームで連続的に複数回走査することにより溶接継ぎ目を形成し、かつ加熱され若しくは溶融される材料内へのエネルギーの投入を改善してあるので、ワークピースをレーザビームの１回だけの走査により溶接する場合に比べて低い出力のレーザビーム源を用いて、所定の溶込み深さを達成できるようになっている。例えば、中ピーク出力のＣＷレーザの使用が可能である。

特に、歪みの影響が極めて問題になるような１２ｍｍより小さい直径のワークピースの加工に際して良好な効果を得ることができ、この場合に特にレーザビーム焦点の移動速度又は走査速度の増大により直径の大きなワークピース間の溶接を可能にしている。

レーザビーム焦点と少なくとも１つのワークピースとの間の特に高い相対速度は、レーザビーム焦点を継ぎ目区域における所定の軌道に沿って移動（運動又は走査）させる第１の運動方向と、ワークピースを駆動（回転運動）する第２の運動方向とによって、つまり焦点とワークピースとを互いに逆向きに運動させることによって達成される。

本発明に基づくレーザ溶接装置及びレーザ溶接装法は、殊に、環状の溶接継ぎ目、つまり周方向で閉じた、すなわち全周にわたって連続的に延びている溶接継ぎ目の形成のために適しており、この場合に、形成すべき溶接継ぎ目は、ワークピースの平らな面、例えばワークピース端面、或いはワークピースの周囲（周面又は周壁）に形成される。このために、少なくとも１つのワークピースは、駆動手段を用いて１つの回転軸（回転軸線）を中心として回転駆動されるようになっている。有利な実施態様では、レーザ溶接装置は、周方向で閉じた、つまり環状の溶接継ぎ目を形成できるように構成されている。追加的に考えられる実施態様によれば、ワークピースを環状の１つの軌道に沿って回転させる回転軸は、ワークピースの複雑な幾何学形状の場合にもエネルギー投入を均一に行うために調節されるようになっている。さらに考えられる実施態様によれば、レーザビームにより走査される軌道又は軌跡は、ワークピースを回転駆動する場合でも、閉じていなくてよく、つまり中断していてよいものである。このような構成は、例えばレーザを所定の円周区分で遮断し、若しくは転向することによって実施できるものである。１つの実施態様では、レーザビーム焦点の移動の軌道の画定のための手段、例えば円錐面鏡又は反射鏡を適切な形状で形成してあり、また該手段はワークピースの速度と同一速度で回転駆動させられるようになっていてよい。

最も簡単な実施態様では、レーザビーム焦点の移動の規定のための軌道は、円形である。円形の軌道は、ワークピースの図形が回転移動によりもとの図形と合同な図形に移る回転対称なワークピースの溶接に特に適している。この場合に、ワークピースは１つの回転軸を中心として回転駆動されるようになっている。回転対称なワークピースとして、簡単な実施形態では例えば円形、円筒形、円柱形、円錐形又は円錐台形等のものが考えられる。

殊にワークピースを回転駆動する場合には、不都合な作用、つまり遠心力による溶融部又は溶融池の盛り上がり（ハンプ）若しくは放出を避ける必要がある。不都合な作用を避けるために実験により明らかなように、直径６ｍｍの丸棒鋼若しくは円筒鋼の溶接の場合に、溶融部の放出に関する回転速度の限界値は、約１２００回／分であり、これは約３０ｍ／分に相当している。レーザビーム焦点の逆方向の約６０ｍ／分の移動速度を考慮すると、つまり反映させると、溶接速度（相対速度）は約９０ｍ／分になっている。

特に有利な実施態様によれば、レーザビーム又はレーザビーム焦点の移動又は走査を規定する軌道は、プログラミングされている。このような構成において軌道は、該軌道がワークピースの輪郭に少なくともほぼ相当するようにプログラミングされていると有利であり、この場合に特に有利には、ワークピースの回転運動がプログラミングに反映されるようになっている。

少なくとも１つのワークピースの周囲若しくは端面縁部に位置する溶接継ぎ目を形成することは、実際には困難なものである。少なくとも１つのワークピース、有利には互いに接触又は隣接する２つのワークピースの全周にわたって延びる溶接継ぎ目の形成のために、本発明の実施態様では、レーザビーム焦点の移動軌道の規定（画定）のための手段は、ワークピースの周囲に、つまりワークピースの内側及び／又は外側に配置されていて、有利には、実質的に軸線方向のレーザビームを、溶接継ぎ目がワークピースの内周に形成されるか、ワークピースの外周に形成されるかに応じて、半径方向外側及び／又は半径方向内側へ転向又は反射するように形成されている。本発明の実施態様によれば、レーザビーム焦点の移動軌道の画定のための手段は、ワークピースと同軸に配置されていてよいものである。Ａ及び／又はＢの記載は、Ａ及びＢの少なくともいずれか一方を意味するものである。

特に良好な効果を得るために、レーザビームの焦点の移動の軌道又は軌跡の規定（画定）のための手段は、少なくとも１つのワークピースの周囲に設けられていて、円錐面鏡（円錐ミラー）若しくは放物面鏡（パラボラミラー）として形成され、或いは、円錐面鏡及び／又は放物面鏡を含んでおり、この場合に、放物面鏡若しくは円錐面鏡は、溶接継ぎ目をワークピースの外周に形成するか、ワークピースの内周に形成するかに応じて、内面鏡（凹曲面鏡）として形成されるか、外面鏡（凸曲面鏡）として形成されている。円錐面状又は放物面状の鏡（ミラー）を設けることが有利であるものの、ワークピースの周面へのレーザビームの転向のための別の幾何学形状の鏡を設けることも可能である。レーザスキャナーの適切な形成によるレーザビーム焦点の移動の軌道のプログラミングの構成に加えて、或いは該プログラミングの構成の代わりに、レーザビーム焦点の移動の軌道の画定のための手段の形状、例えば円錐面鏡又は反射鏡の形状を、ワークピースの輪郭、つまり形成すべき溶接継ぎ目の輪郭に適合させることも可能である。

次に本発明を図示の実施形態に基づき詳細に説明する。

端面側の溶接継ぎ目の形成のためのレーザ溶接装置を示す図である。 ワークピースの外周に配置された溶接継ぎ目の形成のためのレーザ溶接装置を示す図である。 ワークピースの内周に配置された溶接継ぎ目の形成のためのレーザ溶接装置を示す図である。

図面において、同一の構成部分には、同一の符号を付してあり、また同一の機能を有する構成部分にも同一の符号を付してある。

図１に示すレーザ溶接装置１は、レーザスキャナー２を含んでおり、レーザスキャナー２は、レーザビーム３の形成のためのレーザビーム光源を備えていて、レーザビーム３を所定の軌道に沿って移動又は運動させ、つまり図示の実施形態では、第１のワークピース４と、カバー又は蓋として形成された端面側の第２のワークピース１０との間の環状の軌道に沿って移動又は運動（回転運動又は周回運動）させるようになっているものである。図示のレーザ溶接装置１は、ワークピース４，１０の端面側でワークピース４，１０間に環状の溶接継ぎ目を形成するために用いられる。レーザビーム３、ひいてはその焦点５は、所定の速度、図示の実施形態では約６０ｍ／分の速度で第１の運動方向６に、つまり逆時計回り方向に運動させられるようになっている。第１のワークピース４は、駆動装置７により第２のワークピース１０と一緒に、回転軸Ｄを中心として第２の運動方向８に、つまり第１の運動方向６とは逆の時計回り方向に回転駆動されるようになっている。実施形態では両方のワークピース４，１０の回転駆動の速度は、継ぎ目領域９で約３０ｍ／分である。両方の速度は加算されるので、ワークピース４，１０とレーザビーム３の焦点５との間の相対速度、つまり、溶接速度は約９０ｍ／分である。このような構成により、ワークピース４と１０とは、継ぎ目領域９で均質に融解するようになっている。図示の実施形態では、第１のワークピース４も、カバー又は蓋として形成された第２のワークピース１０も、鋼から形成されている。

図２には別の実施形態のレーザ溶接装置１を示してある。レーザ溶接装置１は、レーザビーム３の形成及び運動のためのレーザスキャナー２を含んでいる。レーザビーム３は、逆時計回り方向である第１の運動方向６に回転駆動されるようになっている。レーザビーム３は、ほぼ軸線方向に放射されて、つまりワークピースの軸線（回転軸線）に対してほぼ平行に、より厳密には図示の実施形態でワークピースの軸線に対して鋭角を成して放射されて、内周円錐面形の円錐面鏡１１に当たり、該円錐面鏡（円錐面形ミラー）により、半径方向内側へ第１のワークピース４及び第２のワークピース１０の外周１２に向けて転向（反射）され、これにより焦点５は、相互に接触するワークピース４，１０の外周１２に沿って第１の運動方向６で周方向に運動することになる。溶接速度を高め、ひいては継ぎ目領域９を均質に融解するために、ワークピース４，１０は、駆動装置７によって回転軸Ｄを中心として、時計回り方向である第２の運動方向８に回転駆動されるようになっている。

図３に示す実施形態は、図２の実施形態に類似するものであり、相違点として、レーザビーム３、若しくはその焦点５は、ワークピース４，１０の内周に沿って、逆時計回り方向である第１の運動方向６に運動させられるようになっている。焦点をワークピースの内周（内周面）に沿って運動させるために、中空柱体状若しくは円筒状のワークピース４，１０の内側に、外周円錐面形の円錐面鏡１１を配置してあり、このような構成により、ほぼ垂直方向に放射され、つまり両方のワークピース間の接触面（接触部位により画定される仮想の面）に対して実質的に垂直に、換言すればワークピースの軸線（回転軸）に対してほぼ平行に放射され、つまりより厳密には図示の実施形態でワークの軸線に対して鋭角を成して放射されて円錐面鏡１１に当たって反射されるレーザビーム３は、半径方向外側へ進行して、ワークピース４，１０の内周１４で継ぎ目領域９の接触部位に当たるようになっている。ワークピース４，１３は、駆動装置７により、第２の運動方向８に、つまり第１の運動方向６とは逆の時計回り方向に回転駆動されるようになっている。

１ レーザ溶接装置、 ２ レーザスキャナー、 ３ レーザビーム、 ４ ワークピース、 ５ 焦点、 ６ 運動方向、 ７ 駆動装置、 ８ 運動方向、 ９ 継ぎ目領域、 １０ ワークピース、 １１ 円錐面鏡、 Ｄ 回転軸

Claims (13)

1. レーザ溶接装置であって、レーザビーム（３）を少なくとも１つのワークピース（４，１０）上の所定の軌道に沿って第１の運動方向（６）に移動させるためのレーザスキャナー（２）を備えている形式のものにおいて、前記レーザビーム（３）と前記ワークピース（４，１０）との間の相対速度の増大のために前記ワークピース（４，１０）を第２の運動方向（８）に駆動する駆動装置（７）を設けてあることを特徴とする、レーザ溶接装置。
2. 前記第１の運動方向（６）と前記第２の運動方向（８）とは互いに逆の方向に向いている請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 前記駆動装置（７）は、前記ワークピース（４，１０）を回転駆動するように形成されている請求項１又は２に記載のレーザ溶接装置。
4. レーザビーム（３）の移動を規定する前記軌道は、閉じた軌道として形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
5. レーザビーム（３）の移動を規定する前記軌道は、円形である請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
6. レーザビーム（３）の移動を規定する前記軌道は、プログラミングされており、有利には該軌道を前記ワークピース（４，１０）の輪郭に相当させるようにプログラミングされている請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
7. 前記軌道を規定するための手段は、前記ワークピース（４，１０）の外周（１２）及び／又は内周（１３）に設けられている請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
8. 前記ワークピース（４，１０）の周囲（１２）に設けられていて前記軌道を規定するための手段は、実質的に軸線方向のレーザビーム（３）を半径方向外側又は半径方向内側へ転向するように形成されている請求項７に記載のレーザ溶接装置。
9. 前記ワークピース（４，１０）の周囲（１２）に設けられる、前記軌道を規定するための手段は、円錐面鏡及び／又は放物面鏡を含んでいる請求項８に記載のレーザ溶接装置。
10. レーザ溶接法であって、殊に請求項１から８のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置（１）を用いて行われるレーザ溶接法であって、レーザビーム（３）は、少なくとも１つのワークピース（４，１０）上の所定の軌道に沿って第１の運動方向（６）に移動させられるようになっている形式のものにおいて、前記レーザビーム（３）と前記ワークピース（４，１０）との間の相対速度の増大のために前記ワークピース（４，１０）を第２の運動方向（８）に駆動することを特徴とする、レーザ溶接法。
11. 前記ワークピース（４，１０）を回転駆動する請求項１０に記載のレーザ溶接法。
12. 前記第１の運動方向（６）と前記第２の運動方向（８）とを互いに逆の方向に向ける請求項１０又は１１に記載のレーザ溶接法。
13. 前記ワークピース（４，１０）を４０ｍ／分の速度より小さい速度で、有利には３５ｍ／分の速度より小さい速度で、殊に３０ｍ／分の速度より小さい速度で回転駆動し、及び／又は、前記レーザビーム（３）を前記軌道に沿って、４０ｍ／分の速度より大きい速度で、有利には５０ｍ／分の速度より大きい速度で、殊に６０ｍ／分の速度より大きい速度で移動させる請求項１０から１２のいずれか１項に記載のレーザ溶接法。

Images