JP2011529401A - ファイバレーザを備えたレーザ溶接工具 - Google Patents

Abstract

本発明は、ワークピースを接続するために溶接シームを作り出すための、そのレーザ光線がリニア駆動部を用いて溶接シームに沿って移動可能であるレーザ溶接工具に関する。
レーザ溶接工具に関して、
− レーザがファイバレーザであり、このファイバレーザが、光ケーブルのためのファイバ（８）と、光源のレーザ光をファイバ（８）内に接続するためのレンズと、レーザ光（１１）の進路を集光するための、ファイバと接続したコリメータ（９）を備えていること、
− コリメータ（９）がリニア駆動部（１２）に配置されており、このリニア駆動部により所定の移動進路（１３）に沿ってコリメータ（９）が移動することができること、
− コリメータ（９）を備えたリニア駆動部（１２）が、レーザ光（１１）のための射出スリット（１７）を有するハウジング（１８）内に配置されており、コリメータ（９）の移動進路（１３）が、射出スリット（１７）に対して平行に延びており、レーザ光（１１）が射出スリット（１７）を通ってだけハウジング（１８）から射出するようにコリメータ（９）が向きを調節されていること、そして
− ハウジング（１８）の射出スリット（１７）がワークピース（１０）の少なくとも一つの上に取付けられている際に、最初にファイバレーザが作動可能であることを提案する。

Description

本発明は、ワークピースを接続するために溶接シームを作り出すための、そのレーザ光線がリニア駆動部を用いて溶接シームに沿って移動可能であるレーザ溶接工具に関する。

自動車産業と供給産業においては、いまだ支配するように、抵抗溶接は車体構造において普通、ロボットを使用して案内される溶接トングにおいて行われる。抵抗溶接は、接合箇所を流れる電流のジュール熱を基礎とした、導電性材料のための溶接方法である。ジュール熱により、接合すべき材料は溶解物になるまで加熱される。融解物の再凝固により、溶接接合が生じる。互いに接合すべき材料は、一般に溶接トングにより、電流が流れる間、および電流が流れた後押圧され、それにより緊密な接合の形成が促進される。

それに比べて、レーザ溶接はますます重要性が増している。特にレーザ溶接は、高い溶接速度、幅が狭くスリムな溶接シームおよびわずかな熱変形でもって接合する必要がある
材料の溶接に使用される。レーザ溶接、もしくは抵抗溶接のようなレーザ溶接は一般に充填材を使用せずに行われる。

レーザ溶接はコリメータを使用して焦点を合わせられる。溶接すべき材料は、レーザ溶接の際にアークスポットであることを特徴とするコリメータの焦点のすぐ近くにある。アークスポットは０．５〜１．０ｍｍの標準直径を有しており、これにより極めて高いエネルギー集中が生じる。レーザ出力を吸収することにより、材料表面に金属の融解温度を超えた温度の極度に急速な上昇が生じるので、融解物が生成される。しかしながら、調達コストが高く、効率が最も悪く、安全装置のためのコストが高いということは、レーザ溶接の長所に対立している。さらに、実際に自動車産業で使用されるガスレーザ溶接機器あるいは固体レーザ溶接機器は寸法が大きく、自動車産業での使用には適していない。そのレーザ光がリニアアクチュエータを使用して溶接シームに沿って移動可能であるレーザ溶接装置のための一実施例は、例えば特許文献１から知られている。

特開２００４−２４３３９３

この従来技術から出発して、本発明の根底をなす課題は、現行の社会基盤において抵抗溶接のために一体化でき、特に溶接工具用の、従来の構成部材工具と処理装置の別の使用が可能となり、（２ｋｗまでの）自動車製造における通常のレーザ溶接能力において必要な人的安全性を保証し、工業上のレーザ溶接工具の構想に制限された短所、特に高い調達費、劣悪な効率ならびに高い安全性に関する費用を削減する、自動車産業の溶接作業のためのレーザ溶接工具を提供することである。

この課題は、冒頭で述べた様式のレーザ溶接工具において、
− レーザがファイバレーザであり、このファイバレーザが、光ケーブルのためのファイバと、光源のレーザ光をファイバ内に接続するためのレンズと、レーザ光（１１）の進路を集光するための、ファイバと接続したコリメータを備えていること、
− コリメータがリニア駆動部に配置されており、このリニア駆動部により所定の移動進路に沿ってコリメータが移動することができること、
− コリメータを備えたリニア駆動部が、レーザ光のための射出スリットを有するハウジング内に配置されており、コリメータの移動進路が、射出スリットに対して平行に延びており、レーザ光が射出スリットを通ってだけハウジングから射出するようにコリメータが向きを調節されていること、そして
− ハウジングの射出スリットがワークピースの少なくとも一つの上に取付けられている際に、最初にファイバレーザが作動可能であることにより解決される。

寸法が小さくて無駄が無く、かつレーザ源が可撓に構成されているファイバレーザを使用することにより、 自動車産業のための抵抗溶接装置の設備内にレーザ溶接工具を一体化することができる。ケーブルの様式による製造すべき溶接シームの近距離内に光を伝達するためのファイバを使用してレーザ放射を行うことが可能になるので、レーザ溶接は制限された状況下でも、この状況は自動車産業内でワークピースを接合する際に度々あるように使用状態になれる。同時に、ファイバレーザはガスレーザおよび固体レーザに比べて放射品質が高いこと、目下のところ３０％を超える高い効率を備えていること、維持費が僅かであること、そしてさらに調達コストが安いことを特徴とする。

ファイバ、特にグラスファイバの所有する中心部分は、ファイバレーザの場合、活性媒体を形成する。ファイバに接続され、かつファイバによりずっと送られるレーザ放射部は、ファイバが長いのでかなり補強される。ファイバレーザは光学式にポンピングされ、ファイバ中心部分に対して平行に、あるいはファイバ内で、レーザ放射はレーザダイオードにより接続される。

連続したシームあるいはスポットシームである溶接シームを調節する際に、必要とされる人的安全性を保証するために、レーザ光が唯一射出スリットを通ってハウジングから放出できるように、コリメータはハウジング内で可動に配置されていて、かつ整向されている。さらに、射出スリットがワークピース上に当てられると、ファイバレーザの機能がまず作動される。レーザ溶接工具により、たとえレーザ溶接工具がロボットアームに固定されていても、ロボットの作業環境内にいる人間にとっての何らかの危険が無くなることなく、この処置の組合せにより、溶接シームは所定の移動ラインに沿って作られる。

ハウジング角部による溶接作業の妨害は、ハウジングが射出スリットの方向で漏斗状に狭くなっていると十分避けられる。

点溶接トングの形式の従来の抵抗溶接装置は、自動車産業において一般には、溶接ロボットで移動させる。この作業動作を変更無く維持するために、レーザ溶接工具は、トング台架と、トング台架に設けられた下方工具と、トング台架に抗してハウジングを移動させる操作ユニットを備えた溶接トングとして構成されており、下方工具の自由端部に押圧部材が配置されており、押圧部材とそれと同じ高さになっている射出スリットは、操作ユニットを用いて互いに向かってかつ互いから離間するように移動可能である。押圧部材はハウジングと下方工具が力の向きを合わせて衝突する際に外側支持部（Gegenlager）を形成する。

溶接トングが衝突する際の最適な負荷の削減は、押圧部材が射出スリットの形状に相応していることにより達せられる。

本発明によるレーザ溶接工具をモジュール化し、同時にコストを削減するために、操作ユニットは、トング台架に保持されたアクチュエータ、ハウジング収容部ならびにハウジング収容部のためのリニアガイドを備えている。ハウジング収容部は、様々なハウジングが短時間でハウジング収容部に固定可能であるように設けられているのが好ましい。したがって、様々な溶接の条件に合わせることが何の問題も無く可能である。

ハウジングはコリメータと、コリメータに割当てられたリニア駆動部ならびに特に漏斗状のレーザ光のハウジング周囲部を少なくとも備えている。コリメータの、かつ同時にレーザ光の一様な移動、あるいはコリメータのための所定の位置の作動開始および保持を正確に制御できるように、コリメータのためのリニア駆動部は、単軸のリニアキャリッジを備えており、このリニアキャリッジはアクチュエータと接続している。アクチュエータは特にサーボモータとして構成されている。電動モータと液圧モータも考慮に値する。

射出スリットをワークピースの一つに当接する際にファイバレーザを作動させることは、
射出スリットが当たる際にファイバレーザのエネルギ供給のスイッチを入れる、特にハウジングに設けられた切換え部材により行なわれる。切換え部材は射出スリットに対して直接隣接した接触部、センサ部材、あるいはスイッチであってもよい。代替え手段として、射出スリットを含む可動なハウジング部分が同時に切換え部材の機能を果たしてもよい。

開放されたレーザ溶接トングをロボットにより溶接すべきワークピースに迅速に位置決めできるように、本発明の有利な形態においては、トング台架が調整モジュール上に設けられており、この調整モジュールにより、レーザ溶接工具を移動させるためのロボットアームに対するトング台架の微妙な補正動作が可能になる。ワークピースに対して例えば２〜３ｍｍの一定した間隔を有している。レーザモジュールの射出スリットは、開放した溶接トングにおいては溶接すべきワークピースから例えば１５０ｍｍである。溶接位置に向かった後まず、調整モジュールを使用した下方工具とハウジング（上方工具）はワークピースに当接する。したがって、
溶接トングの一定の溶接位置に対して、溶接すべきワークピースの位置がわずかに異なることは、溶接位置に向かうことにとって全く問題ない。

ワークピースの位置を変更することなく、レーザ溶接工具の下方工具が常にワークピースに向きが合うように、本発明の形態においては、調整モジュールがロボットアームに固定するための調整基礎台架を備えており、調整基礎台架には、ハウジング収容部のためのリニアガイドと同じ運動方向を備えている、トング台架のためのリニアガイドが設けられており、調整モジュールがトング台架に作用する短行程リニア駆動部を有しており、この短行程リニア駆動部の直線的に作用する動力伝達が行なわれている状態でバネ圧ユニットが接続されている。

幅広の溶接シームを付与するために、コリメータと所定の移動ラインに沿って操作可能なリニアキャリッジの担持部材の間にはスイープジェネレータが設けられている。スイープジェネレータは、（横の）振動を発生させるための電子機器であり、発生する周波数は二つの調整可能な両端値間で周期的に変化する。横振動は、例えば電磁気で、電動モータで、あるいは圧電で発生させてもよい。スイープジェネレータを効果的に制御することにより、振幅と周波数が変えられるコリメータの振り子運動は、所定の移動ラインに対して垂直でありうる。スイープジェネレータのための担持部材は、例えば操作可能なベースプレートを形成する。

以下に本発明を図に基づいて詳細に説明する。

開放状態にある、本発明によるレーザ電極ホルダの斜視図である。 閉鎖状態にある、図１ａによるレーザ電極ホルダを示す図である。 図１による開放した状態にある、側面図および平面図である。 図１による閉鎖した状態にある、側面図および平面図である。 図１および２によるレーザ電極ホルダの機能原理を概略的に説明した図である。

図１は電極として構成されたトング台架（２）（Zangengestell）およびトング台架（２）に設けられた、ほぼ下方工具（３）（Unterwerkzeug）を備えたレーザ電極ホルダ（１）を示しており、下方工具（３）の自由端部（４）には押圧部材（５）がある。トング台架（２）上には、参照符号（６）でもってすべて一緒に表示された操作ユニット（Verfahreneinheit）が設けられており、この操作ユニットは参照符号（７）でもってすべて一緒に表示されたレーザモジュールを押圧部材（５）の方向に移動させるか、あるいは押圧部材から離間させるように移動させる。

図３の概略的説明図に関連して、まずレーザモジュール（７）の構成と動作モードを詳しく説明する。レーザはファイバレーザとして構成されている。レーザダイオードのレーザ照射は、図３には示していない、レーザ照射を接続するためのレンズを介してファイバ（８）内に接続され、このファイバは可撓な導体としてカプセル化されたレーザモジュール（７）内に案内される。そこでファイバ（８）はコリメータ（９）と接続して、レーザ光（１１）を集光させる。参照符号（１２）でもってすべて一緒に表示された、コリメータ（９）のためのリニア駆動部は、唯一の軸線（１３）の方向に可動なリニアキャリッジ（１４）を備えており、このリニアキャリッジは力伝達ベルト伝動機構（１５）を介してサーボモータとして構成されたアクチュエータ（１５）と接続している。

ファイバ（８）の部分を含めたコリメータ（９）を備えたリニア駆動部（１２）は、レーザ光（１１）のための射出スリット（１７）を有するハウジング（１８）内に配置されており、このハウジングは射出スリット（１７）の方向で、ハウジング延長部分（２１）の一部分において漏斗状に狭くなっている。

図３の平面図から明らかな通り、レーザ光（１１）はハウジング（１８）、特に漏斗状の部分（１９）を備えたハウジング延長部分（２１）により完全に取囲まれる。それにより、レーザ光（１１）は射出スリット（１７）からだけ射出することができる。

ファイバレーザを作動させるためのレーザエネルギーは、漏斗状の部分（１９）の正面側に配置された押圧部材（２２）により作動され、この押圧部材はワークピースの一つに当てる際に、選択的には一定の力を加える際に解除をもたらす。同時に接触部として使用される金属製の射出スリット（１７）がワークピースに当たると同時に、例えばフォトカプラーを介してレーザエネルギーが活性化されるループが閉じられる。さらに活性化は溶接トングの押圧部材（５，２２）間の十分な圧縮力の上昇に依存して行われる。力の測定は、例えば下方工具（３）の延長部において、あるいは下方工具（３）の延長部内において、溶接トングの力伝達（Kraftfluss）の力センサを用いて行なわれる。

上記のレーザモジュール（７）は、レーザモジュール（７）の押圧部材（２２）が下方工具（３）の押圧部材（５）と同じ高さになるように操作ユニット（６）上に配置されている。

操作ユニット（６）の構成と動作モードは、同様に図３に基づき詳しく説明する。操作ユニット（６）は、トング台架（２）に保持された、サーボモータの形式のアクチュエータ（２３）、ハウジング収容部（２４）ならびにガイドレールとして形成された、ハウジング収容部（２４）のためのリニアガイド（２５）を備えている。アクチュエータ（２３）は支持具（２６）を用いて固定されている。

ハウジング収容部（２４）は特に図１ａおよび１ｂから明らかなように、長方形の側面形状部として形成されており、下方工具の方を向いたハウジング収容部の正面側にはブラケット（２７）が固定されていて、このブラケットにはサーボモータ（２３）の駆動ロッド（２８）が設けられている。ハウジング収容部（２４）の下側には、案内部材（２９）が設けられており、この案内部材は案内レール（２５）の対応する溝（３１）内に係合している。操作ユニット（６）のアクチュエータ（２３）を用いて、レーザモジュール（７）は自由にプログラム可能な区間（３２）にわたりワークピースまで移動可能である。

最後に、板状のトング台架（２）の下側には、調整モジュール（３３）がトング台架（２）に対して可動に配置されており、この調整モジュールによりロボットアーム（３４）に対するトング台架（２）の微妙な補正動作が可能になる。ロボットアーム（３４）はレーザ溶接トング（１）の調整モジュール（３３）と交換フランジ（３５）を介して接続している。

調整モジュール（３３）の構成は、図３の概略図に関連して詳しく説明する。交換フランジ（３５）には、調整基礎台架（３６）がトング台架（２）のためのリニアガイド（３７）と共に固定されている。リニアガイド（３７）はハウジング収容部（２４）のための
リニアガイド（２５）と同じ運動方向を備えている。

下方工具（３）に相対しているトング台架（２）の端部には、固定フランジ（３８）が設けられている。固定フランジ（３８）と調整基礎台架（３６）の間には、トング台架（２）に作用する短行程シリンダ（３９）ならびにバネ圧ユニット（４１）が中間接続されている。バネ圧ユニット（４１）は直線的に作用する動力伝達が釣合わないように短行程シリンダ（３９）のピストンロッド内に組込まれている。この目的で、スリーブにより取囲まれた圧縮バネはバネ圧ユニットとしてピストンロッド内に組込まれていてもよい。

本発明によるレーザ溶接トング（１）ならびに調整モジュール（３３）の作動モードを図２ａおよび２ｂを基にして以下に詳しく説明する。図２ａは、開放されたレーザ溶接トング（１）がどのようにしてロボットのロボットアーム（３４）により保持された状態で、互いに接続すべきワークピース（１０）に位置決めされるかを示している。トング台架（２）に固定されている下方工具（３）は、調整モジュール（３３）が作動していないと、ワークピースに対して例えば２〜３ｍｍの一定した間隔を有している。この間隔（４２）は、ロボットによる溶接位置に迅速に向かうことが、万一の場合起こり得るワークピース位置の変動を含めて常に可能である程度に選定されている。ワークピースに対するレーザモジュール（７）の間隔（４３）は、操作ユニット（６）の総行程内では自由であり、それは例えば１５０ｍｍである。

レーザ溶接トング（１）をワークピース（１０）に位置決めすることにより、レーザ溶接トング（１）の閉鎖機能（Schliesfunktion）が開始される。その際まず、短行程シリンダ（３９）を作動し、かつ押圧部材（５）を備えた下方部材（５）を一定の力により溶接すべきワークピース（１０）に対して押圧することにより、調節モジュールを作動させる。この力は、ワークピースの位置を変更しなくても、下方工具（３）がワークピースに向かって浮動可能に（schwimmend）整向されるように決められている。一定の力の場合に
移動可能に整向することは、ワークピース位置の変動があった場合、バネ圧ユニット（４１）により確実に行なわれる。調整モジュール（３３）の作動と同時に、操作ユニット（６）がスタートする。ワークピース（１０）に対して間隔（４３）が大きいことが原因で、移動速度が同じ場合、レーザモジュールは射出スリット（１７）と共に、もう一つのワークピース（１０）に衝突する。衝突時に、下方工具（３）の押圧部材（５）ならびにレーザモジュール（７）の押圧部材（２２）は、ワークピース（１０）に互いに面一に並ぶように当接し、かつ溶接すべきワークピース（１０）を正確に一つに繋ぎ合わせる。レーザモジュール（７）の押圧部材（２２）を当接した後まず、溶接工程が始められる。

コリメータ（９）がリニアキャリッジ（１４）に沿って移動することにより、射出スリット（１７）の方向に焦点を合わせられるレーザ光（１１）は、コリメータ（９）の移動ライン（１）に対して平行に移動する。射出スリット（１７）により取囲まれる、ワークピース（１０）の表面領域に沿って、射出スリットの長さにわたり点溶接シームあるいは連続した溶接シームが付与される。

幅広の溶接シームを付与するために、コリメータ（９）と所定の移動ライン（１３）に沿って操作可能なリニアキャリッジ（１４）の担持部材の間にはスイープジェネレータ（１３ａ）が設けられている。スイープジェネレータ（１３ａ）は回転軸線の周りで回転可能に支承されているコリメータ（９）の横振動（Taumelschwingungen）を生じさせる。回転軸線はコリメータ（９）の移動経路（１３）に対して平行に通っている。横振動により、レーザ光（１１）は射出スリット（１７）において最大限その幅に相応した振幅でもって振動し、それにより２ｍｍまで拡大された溶接シームが生じる。

１ レーザ溶接トング
２ トング台架
３ 下方工具
４ 自由端部
５ 押圧部材
６ 操作ユニット
７ レーザモジュール
８ ファイバ
９ コリメータ
１０ ワークピース
１１ レーザ光
１２ リニア駆動部
１３ 軸線
１４ リニアキャリッジ
１５ 力伝達ベルト伝動機構
１６ アクチュエータ
１７ 射出スリット
１８ ハウジング
１９ 部分
２１ ハウジング延長部分
２２ 押圧部材
２３ アクチュエータ
２４ ハウジング収容部
２５ リニアガイド
２６ 支持具
２７ ブラケット
２８ 駆動ロッド
２９ 案内部材
３１ 溝
３２ 区間
３３ 調整モジュール
３４ ロボットアーム
３５ 交換フランジ
３６ 調整基礎台架
３７ リニアガイド
３８ 固定フランジ
３９ 短行程シリンダ
４１ バネ圧ユニット
４２ 間隔
４３ 間隔

Claims (10)

1. ワークピースを接続するために溶接シームを作り出すための、そのレーザ光線がリニア駆動部を用いて溶接シームに沿って移動可能であるレーザ溶接工具において、
   − レーザがファイバレーザであり、このファイバレーザが、光ケーブルのためのファイバ（８）と、光源のレーザ光をファイバ（８）内に接続するためのレンズと、レーザ光（１１）の進路を集光するための、ファイバと接続したコリメータ（９）を備えていること、
   − コリメータ（９）がリニア駆動部（１２）に配置されており、このリニア駆動部により所定の移動進路（１３）に沿ってコリメータ（９）が移動することができること、
   − コリメータ（９）を備えたリニア駆動部（１２）が、レーザ光（１１）のための射出スリット（１７）を有するハウジング（１８）内に配置されており、コリメータ（９）の移動進路（１３）が、射出スリット（１７）に対して平行に延びており、レーザ光（１１）が射出スリット（１７）を通ってだけハウジング（１８）から射出するようにコリメータ（９）が向きを調節されていること、そして
   − ハウジング（１８）の射出スリット（１７）がワークピース（１０）の少なくとも一つの上に取付けられている際に、最初にファイバレーザが作動可能であることを特徴とするレーザ溶接工具。
2. ハウジング（１８）が射出スリット（１７）の方向で漏斗状に狭くなっていることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接工具。
3. レーザ溶接工具が、トング台架（２）と、トング台架（２）に設けられた下方工具（３）と、トング台架（２）に抗してハウジング（１８）を移動させる操作ユニット（６）を備えた溶接トング（１）として構成されており、
   下方工具（３）の自由端部に押圧部材（５）が配置されており、押圧部材（５）とそれと同じ高さになっている射出スリット（１７）が、操作ユニット（６）を用いて互いに向かってかつ互いから離間するように移動可能であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接工具。
4. 押圧部材（５）が射出スリット（１７）の形状に相応していることを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接工具。
5. 操作ユニット（６）が、トング台架（２）に保持されたアクチュエータ（２３）、ハウジング収容部（２４）ならびにハウジング収容部（２４）のためのリニアガイド（２５）を備えていることを特徴とする請求３または４に記載のレーザ溶接工具。
6. コリメータ（９）のためのリニア駆動部（１２）が、単軸のリニアキャリッジ（１４）を備えており、このリニアキャリッジがアクチュエータ（１６）と接続していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のレーザ溶接工具。
7. ハウジング（１８）に、射出スリット（１７）がワークピース（１０）の一つに当たる際にファイバレーザのエネルギ供給のスイッチを入れる切換え部材が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のレーザ溶接工具。
8. トング台架（２）が調整モジュール（３３）上に設けられており、この調整モジュールにより、レーザ溶接工具を移動させるためのロボットアーム（３４）に対するトング台架（２）の微妙な補正動作が可能になることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のレーザ溶接工具。
9. 調整モジュール（３３）がロボットアーム（３４）に固定するための調整基礎台架（３６）を備えており、調整基礎台架（３６）には、ハウジング収容部（２４）のためのリニア案内部（２５）と同じ運動方向を備えている、トング台架（２）のためのリニアガイド（３７）が設けられており、調整モジュール（３３）がトング台架（２）に作用する短行程リニア駆動部（３９）を有しており、この短行程リニア駆動部の直線的に作用する動力伝達が行なわれている状態でバネ圧ユニット（４１）が接続されていることを特徴とする請求項８に記載のレーザ溶接工具。
10. コリメータ（９）と所定の移動ライン（１３）に沿って操作可能なリニア駆動部（１２）の担持部材の間にはスイープジェネレータが設けられていることを特徴とする１〜９のいずれか一つに記載のレーザ溶接工具。

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