JP2012503554A - ダイナミックジェットノズルを用いるｃｏ２レーザー溶接方法 - Google Patents

Abstract

本発明は金属部品のレーザー溶接方法であって、ＣＯ₂レーザービームを発生させることと、前記ガスまたはガス混合物からなる保護ガスジェットを部品の間にある接合面の方向に供給することと、金属部品の金属をレーザービームによって溶融および気化させて金属蒸気キャピラリを発生させ、この金属蒸気キャピラリの外側に伝播してそれにより金属プラズマプルームを前記接合面の上方に形成する金属プラズマの同時発生を伴うこととを含む方法に関する。保護ガスジェットは、さらに、接合面の上方に形成する金属プラズマプルームに向けられる。ガスジェットは好ましくは、それが金属プラズマプルームの頂部に接触して部品上で前記部品の金属がビームによって溶融していない場所に衝突するように向けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は溶接レーザービームを発生させるためのＣＯ₂レーザー発生器とヘリウムを含まないまたはヘリウムを低い割合でのみ含有する保護ガスとを用いるレーザー溶接方法に関する。

レーザービーム溶接は、より従来的な他のプロセス、たとえばプラズマ溶接、ＭＩＧ（金属溶接棒と不活性ガスとによる）溶接またはＴＩＧ（タングステンと不活性ガスとによる）溶接などと比較して、非常に高い溶け込み深度を高速で得るのに役立つので、非常に有効な接合方法である。

これは、１つ以上のミラーまたはレンズを使用して溶接される部品の接合面上にレーザービームを集束させるのに用いられる高い出力密度、たとえば１０⁶Ｗ／ｃｍ²超までの出力密度のおかげである。

これらの高出力密度は溶接される部品の表面において激しい金属蒸発を引き起こし、この蒸発は、外向きに広がることによって、金属プールの進行性の空洞化を引き起こしおよび部品の厚さ、すなわち接合面における「キーホール」と呼ばれる細くて深い蒸気キャピラリの形成をもたらす。前記キャピラリは、エネルギー付与が表面において起こるより従来的なアーク溶接プロセスとは対照的に、レーザービームエネルギーの直接的な付与を部品の厚さにおいて深くすることを可能にする。

蒸気キャピラリは金属蒸気と金属蒸気プラズマとの混合物からなり、これはレーザービームを吸収しそれによりエネルギーをこのキャピラリ自体の中にトラップする性質を有する。

キャピラリの外側での金属プラズマの伝播は熱く輝いた金属プラズマプルーム（plume）を生み出す。

１０．６μｍの波長のレーザービームを発生させるＣＯ₂レーザーデバイスを用いるレーザー溶接での知られている問題はブランケットガスすなわち保護ガス中での望まれないプラズマの形成である。

これは、自由電子を有するブランケットガスすなわち保護ガスを散布することによって、金属蒸気プラズマがそこでイオン化を起こしうるからである。ブランケットガスのイオン化は入射レーザービームによって維持され、金属プラズマプルームの直上のブランケットガス中に大きなプラズマを形成させうる。

実際、保護ガス中のこの望まれないプラズマは入射レーザービームを強く吸収し、これは溶接作業にとって有害である。保護ガス中での望まれないプラズマ発生の前記機構は「逆制動放射」という名称で知られている。そういうわけで、入射レーザービームはブランケットガスプラズマによって強く妨害されることがある。

ブランケットガスプラズマとレーザービームとの相互作用は様々な形態が考えられるが、通常は入射レーザービームの吸収および／または回折の効果によって説明され、ターゲットの表面上での有効レーザー出力密度を実質的に下げ、溶け込み深度の減少か、またはビームと材料との間のカップリング不良を引き起こし、それにより溶接プロセスの一時的中断をもたらす。

それを超えるとプラズマが発生する出力密度閾値は使用されるブランケットガスのイオン化ポテンシャルに依存し、レーザービーム波長の二乗に反比例する。したがって、純アルゴン下でＣＯ₂レーザー発生器を用いて溶接を行うことは非常に難しいが、この作業はＹＡＧレーザー発生器よりも遥かに少ない問題を以って実行可能である。

一般に、ＣＯ₂レーザー発生器を用いるレーザー溶接では、使用されるブランケットガスはヘリウムであり、これは高いイオン化ポテンシャルを有し、少なくとも４５ｋＷのレーザー密度までは、ブランケットガスプラズマの発生を抑える助けとなる。

しかし、ヘリウムは高価なガスであるという欠点を有しており、多くのレーザー使用者はヘリウムよりも高価でないがそれでもブランケットガスプラズマの発生を抑える助けとなる他のガスまたはガス混合物を使用することを好んで選び、そうすることでヘリウムを用いて得られるものと同様の溶接結果をより低いコストで生む。

さらに、L'Air Liquide（登録商標）は、純ヘリウムを用いたものと実質的に同じ結果を得るための、１２ｋＷよりも低いＣＯ₂レーザー出力用の窒素およびヘリウムかまたはアルゴンおよびヘリウムを含有したガス混合物をLASAL MIX（登録商標）という商品名で販売しており、当該混合物の組成は操作パラメータ、レーザービームおよび溶接される材料に応じて選択または調節される。

しかし、これらガス混合物も高い割合のヘリウムを含有しており、これは特に経済的観点からすると理想的でない。

したがって、生じる課題は、溶接レーザービームを発生させるためのＣＯ₂レーザー発生器により送出されるレーザービームと、好ましくはヘリウムを含まないまたは小さな割合のヘリウム、すなわち５０体積％よりも遥かに低いヘリウムのみを含有する保護ガスとによって溶接作業を実行することにあり、前記保護ガスは、保護ガスとしてヘリウムまたは高い割合のヘリウム、すなわち５０体積％を超えるヘリウムを含有するガスを使用する以外同じ作業条件下で行われるレーザー溶接プロセスのものと少なくとも等価な溶け込みを得るのに役立ち、および／または、好ましくは出力（約２０ｋＷまでは）および入射レーザービームの集束条件とは無関係に、ブランケットガス中にプラズマを少ししかまたは全く発生させず、および／または、溶接ビード中の外観および冶金学的品質（細孔など）の点で溶接品質の低下をもたらさないものである。

本発明の解決策は、したがって、接合面に沿って互いに接して位置決めされた１つ以上の金属部品のレーザー溶接方法であって：
ａ）レーザービームをＣＯ₂レーザー発生器を使用して発生させ、
ｂ）ノズルにガスまたはガス混合物を供給し、前記ノズルを使用して前記ガスまたはガス混合物から形成される保護ガスのジェットを接合面に向けて送り、
ｃ）レーザービームを使用して金属部品の金属を溶融させるかまたは気化させて、部品の厚内で接合面に金属蒸気キャピラリの形成をもたらし、金属プラズマの同時形成を伴い、これは、金属蒸気キャピラリの外側での伝播によって、接合面の上方に金属プラズマプルームを形成し、
ノズルから送出される保護ガスジェットを接合面の上方に形成される金属プラズマプルームに向けるかまたはその方に送り、それが金属プラズマプルームの頂部に接触して部品上で前記部品の金属がビームによって溶融していない場所に衝突するようにする、すなわち、ガスジェットがレーザーヘッドと面した前記部品の上面に衝突するようにする、ことを特徴とする。

本発明の文脈では、ＣＯ₂レーザー発生器は約１０．６μｍの波長を有するレーザービームを発生させるためのデバイスまたはエネルギー源を意味し、一方「１つ以上の金属部品」は２つの別々の金属部品か、または、たとえば、Ｏ型に付形され、その後溶接管を得るために溶接される金属板の２つの長軸エッジをそれ自体が有した単一部品か、または単一部品の互いに溶接される２つの部材を意味している。

場合に応じて、本発明の方法は以下の特徴のうち１つ以上を含んでもよい：
−保護ガスは３５体積％未満の割合のヘリウム、好ましくは２５体積％未満のヘリウム、さらに好ましくは１５体積％未満のヘリウム、好ましくは１０体積％未満のヘリウム、さらにより好ましくは５体積％未満のヘリウムを含む、
−保護ガスはヘリウムを含まない、
−工程ｃ）において、金属部品の金属を、接合面の端から端まで、溶融される部品に対するビームの相対運動によって徐々に溶融および気化させる、
−ガスジェットを、溶接される部品の上面上での前記ガスジェットと前記レーザービームとの衝突点の間で計った前記ガスジェットの軸と前記レーザービームの軸との距離（Ｄ）が、ガスジェットを送出するノズルの内径（Ｄ’）の１．５倍以上になるように向ける、
−内径（Ｄ’）のノズルの端部を部品の上面に対して１ｍｍないし５０ｍｍの高さに位置決めする、
−ノズルを、ガスジェットのまたはノズルの軸の角度（θ）が部品の上面に対して５°ないし７０°の間、好ましくは約３０°ないし５０°になるように、部品の上面に対して位置決めする、
−ノズルを、溶接されるプレート平面におけるノズルの軸の投影に対する溶接ビードの軸の傾斜角（α）が＋１７０°ないし−１７０°になるように、接合面に対して位置決めする、
−ガスジェットは４０ないし２０００ｍ／ｓの速度でおよび／または１ないし１０ｂａｒの圧力で供給される、
−ノズルは１つ以上のガス供給オリフィスを有する、
−ノズルは０．５ｍｍないし２０ｍｍの、好ましくは２ないし４ｍｍの内径（Ｄ’）を有する、
−ガスまたはガス混合物はＡｒ、Ｎ₂、ＣＯ₂およびＯ₂から形成される群のうち１種以上の成分を含有し、任意にＨｅを含有する、
−部品はアルミニウムもしくはアルミニウム合金、チタンもしくはチタン合金、マグネシウムもしくはマグネシウム合金、インコネル、炭素鋼またはステンレス鋼、特に、鋼であって、亜鉛、アルミニウム合金、ポリマーもしくは複数種の有機成分、特に塗料がめっきされた鋼からなる、
−溶接される部品は、当該用途に応じて、０．１ないし２０ｍｍ、好ましくは１ないし１０ｍｍの厚さを有する、
−少なくとも８ｍｍ厚である厚いプレートの場合、様々なエッジ調製、たとえば特にベベル、固着面などの製造を考えることができる。後者の場合、固着面の厚さは０．１ｍｍないし２０ｍｍ、好ましくは１ないし１０ｍｍの厚さの範囲内になければならない、
−レーザー出力は少なくとも２ｋＷであり、好ましくは４ｋＷないし１２ｋＷである。

本発明の実施形態についての以下の説明は添付の例示的図面および以下に挙げる例を参照して提供される。

図１ないし図３は本発明の実施形態によるレーザー溶接方法の原理を示しており、ここでは２つの別々の金属部品７が互いに溶接される。溶接される部品７は第１に互いに接して位置決めされてそれにより接合面８が得られ、これにレーザービーム９が当たって金属が溶融し、その後これが再固化して溶接ビードを作り出す。

従来、レーザービーム９はＣＯ₂レーザー発生器を使用して得られ、その後、ビームを溶接される部品７の厚さ中のそれらの接合面８に集束させるように設計された１つ以上の集光デバイス、たとえば光学レンズまたはミラーを備えた集束管に光路を介して伝送される。

保護ガスまたはガス混合物は、ガス供給ノズル４を介して、溶接領域、すなわち接合面のうちレーザービームが溶融している金属３と相互作用する領域に向けて、気体状の保護をそこに提供しかつ空気中の不純物による溶接プールのおよびそれゆえに得られる溶接ビードの汚染を防ぐために送られる。

実際、レーザービーム９は溶接される部品７に当たって、金属部品７の金属の一部の溶融または気化を引き起こし、部品７の厚さの中のおよび前記接合面８での金属蒸気キャピラリ２またはキーホールの形成と、それと同時の金属プラズマの形成とをもたらす。

前記金属プラズマは、金属蒸気キャピラリ２の外側での伝播により、金属プラズマプルーム１を接合面８の上方におよびそれにより溶融プール３の上方に形成する。

本発明のある実施形態によると、ノズル４、すなわちそれの軸５を、それが送出するガスジェットが、接合面８の上方に形成される金属プラズマプルーム１に向けられるが１枚以上のプレート７の上面７ａ上の金属が溶融していない場所６に衝突するように方向を合わせる。

実際、前記ノズル４の１つの役割は、急速ガス流すなわちまたはジェットを生じさせ、これを溶接プロセス、たとえばキャピラリ２、金属プール３または金属プラズマプルーム１に直接影響を与えるのを避けるように方向を合わせることにある。このガスジェットは金属プラズマプルーム１の近傍に、図１に示すように、金属プラズマプルーム１の頂部、すなわちプラズマプルーム１の頂点に接触するように送られる。

換言すると、本発明において用いられるガスジェットは金属プラズマおよび／または飛出た粒子にではなく、ブレークダウン機構に対応する保護ガス中でのプラズマの望まれない効果に対して作用することを目的としている。それゆえに、ガスジェットはこの望まれない効果を制限するのに役立つ。ノズルは保護ガスプラズマを吹き飛ばすが溶接プラズマは吹き飛ばさない。

より正確には、急速ガスジェットはそこでの望まれないプラズマの発生を起こしうる自由電子をもつブランケットガスの散布を制限することを目的としており、前記望まれないプラズマは、それが入射レーザービーム９のエネルギーの一部を吸収するであろうし、これがレーザー溶接プロセスの害であろうから、溶接作業にとって有害である。

金属プラズマプルーム１によってイオン化された保護ガス粒子は、レーザービーム領域の外側で、ノズル４によって送出されたガスに連行される。このようにして、逆制動放射機構は起こらずおよび有害な望まれないプラズマは金属プラズマプルーム１の上方に形成されない。

好ましくは、ガスジェットのまたはノズル４の軸５と、レーザービームの軸との間の距離Ｄは、図１に示すように、ノズル４の内径Ｄ’の１．５倍に少なくとも等しくなければならない。

ガスジェットの方位は、その軸５に沿ったノズル４のおかげで、溶接ビード８の軸にある必要がない、すなわち溶接方向Ｖと平行になっている必要がない。実際、ガスジェットは、図２に示すように、斜めから到達してもよいし、または溶接ビードの軸に対して角度αに沿った任意の方位で到達してもよい。満たされるべき唯一の条件はガスジェットが溶融プール３と相互作用しないことを確実にすることである。

溶接ビード軸とノズル軸の溶接されるプレート平面における投影との間の角度（α）（図２）は＋１７０°ないし−１７０°でなければならず好ましくは＋１５０°ないし−１５０°である。この角度の値はレーザー溶接プロセスの最中においては固定されるのが好ましい。理想的には、この角度の値は０に近くなければならず、これはガスジェットの衝突点がレーザービームの推定軌道と一致することを意味している。

ノズル４のプレート７の表面に対する傾斜角θは５°ないし７０°、好ましくは４０°ないし５０°である。

プレートの表面からのノズルの底部の高さは約１ないし５０ｍｍであり、好ましくは少なくとも４ｍｍでありおよび／または１０ｍｍ超であり、好ましくは８ｍｍ以下である。

ノズル４の出口断面の形状は重要でなく、たとえばそれは円形、楕円、正方形、矩形、台形などでもよい。しかし、円形出口断面を有した円筒形ノズルが好ましい。

ノズルは複数のガス出口オリフィスを備えていてもよい。使用するノズルのそこを通ってガスが出て行くノズル４の出口端で計った内径は、有利には０．５ｍｍないし２０ｍｍであり、好ましくは少なくとも１ないし２ｍｍでありかつ１０ｍｍ以下であり、好ましくは約４ｍｍ以下である。

ノズル出口でのガスの速度は４０ないし２０００ｍ／秒でなければならず、好ましくは少なくとも約１００ないし１５０ｍ／秒でありおよび／または５００ｍ／秒以下であり、好ましくは２５０ｍ／秒以下である。ガス圧は約１ｂａｒないし１０ｂａｒでなければならず、好ましくは２ｂａｒないし５ｂａｒであり、好ましくは約４ｂａｒ以下である。

本発明の方法のおかげで、ビームを発生させるのに使用されるレーザーデバイスがＣＯ₂タイプである場合に特に、および用いられる入射レーザービームの出力および集束条件とは無関係に、特に４５ｋＷ未満、好ましくは２０ｋＷ未満のレーザー出力の場合に、ヘリウム以外の保護ガスの使用が可能である。

たとえば、好適なガスまたはガス混合物は以下の成分：Ａｒ、Ｎ₂、Ｏ₂、ＣＯ₂の１種以上と、任意に、本発明の方法はヘリウムなしでも完全に機能するが、低い割合のヘリウムとから形成されていてもよいし、これらを含有していてもよい。

しかし、当然のことながら、酸化性ガスたとえばＨ₂、ＣＨ₄などは、明らかなる安全面の理由から、上述のガスを有する混合物において、それらの爆燃および引火性閾値を超えて使用することはできない。

例
本発明のレーザー溶接方法の有効性をチェックすることを目的とした試験を、１２ｋＷまでの出力であって、焦点距離が２５０ｍｍのパラボラ型の銅製ミラーによって集束される出力を送出するＣＯ₂レーザー発生器を用い、および内径が２ｍｍの円筒形ノズルを使用して行った。

ノズル／部品距離は約６ｍｍでありおよびその傾斜角（角度θ）は約４５°であった。ガスを供給するノズルの軸は、図１に示すように、接合面（α＝０）上でのレーザービームの衝突点の前面に３ｍｍの距離を以って位置決めした。

以下のガスの各々を用いて部品をレーザー溶接した：
−１５ｌ／分、３０ｌ／分および４５ｌ／分で送出されるＡｒ
−１５ｌ／分、３０ｌ／分および４５ｌ／分で送出されるＮ₂
−１５ｌ／分、３０ｌ／分および４５ｌ／分で送出されるＣＯ₂
−および、比較として、従来技術の方法により、すなわち、内径が１０ｍｍであり、プレートの表面に対して４５°に方向を合わせられおよびその軸が集束レーザービームの衝突点に一致する従来の円筒形ノズルを使用して３０ｌ／分で送出されるヘリウムを用いる。

以下の例にしたがって、幾つかのタイプの位置決めされた部品に対して、エッジとエッジとを溶接する溶接試験を行った。

全ての場合おいて、放射ガスジェットを、ノズルによって、互いに溶接される部品の間にある接合面の上方に形成された金属プラズマプルームに向けて送った。

例１：亜鉛めっきされた厚さの異なるプレート
亜鉛表面膜でめっきされた鋼部品を溶接して、車体の製造において通常使用される溶接構造、いわゆる「テーラードブランク」構造にした。

より正確には、プレートの側面のエッジとエッジとを、これら部品間に僅かな隙間をとって位置決めした。

プレートの厚さは同じでもよいしまたは異なっていてもよい。

厚さの異なる（１．９ｍｍおよび０．７ｍｍ）２枚のプレートのエッジとエッジとを位置決めして、その後以下を使用して溶接したものに対してまず試験を行った：
−６ｋＷのレーザー出力、
−５ｍ／分の溶接速度、
−プレート表面に対して４５°の傾斜角を有した管状ノズル、および
−ガスジェットの軸の衝突はビーム衝突点（α＝０）の前方約４ｍｍのところであった。

例２：亜鉛めっきされた同様の厚さのプレート
例２で行った試験の条件は、以下の点を除いて例１のものと同じであった：
−２枚のプレートは各々１．２ｍｍの同じ厚さを有していた、および
−溶接速度は６．５ｍ／分であった。

例３：鋼管
この例３では、２ｍｍ厚のステンレス鋼板に溶接を行い、長手方向のエッジを合わせてプレチューブに付形してＯ型の断面を得て、続けてこれらのエッジを互いに溶接して溶接管を得た。プレートのエッジはそれゆえに、互いに溶接する前に、ある隙間および限られた高さのずれを有したエッジ−エッジ配置で並置される。

これら試験の条件は以下であった：
−レーザー出力５ｋＷ、
−溶接速度４ｍ／分、
−プレート表面に対して４５°の傾斜角を有した管状ノズル、および
−ガスジェットの軸の衝突はビーム衝突点（α＝０）の前方約６ｍｍのところであった。

結果は、外側の固体部分上でのガスジェットの軸の衝突を、α＝９０°で、６ｍｍの距離となるように位置決めすることによって確認した。α＝０の方位でも得られた結果は同様であった。

例４：塗装した５ｍｍ厚の軟鋼部品
この例４では、同様の厚さ（５ｍｍ）を有し、および塗装された軟鋼部品であって、造船所での船の製造に典型的に使用されるものと同様のものを互いに溶接した。

これらの試験の条件は以下であった：
−レーザー出力１０ｋＷ、
−溶接速度２．５ｍ／分、
−プレートの表面に対して４０°の傾斜角を有した管状ノズル、および
−ガスジェットの軸の衝突はビーム衝突点（α＝０）の前方６ｍｍのところであった。

結果を、外側の固体部分上でのガスジェットの軸の衝突を、α＝９０°で、６ｍｍの距離となるように位置決めすることによって確認した。α＝０およびα＝９０°の両方の方位で得られた結果は同様であった。

例５：塗装した８ｍｍ厚の軟鋼部品
例５は、部品が８ｍｍの厚さを有しており、試験条件のうちの幾つかを僅かに変更した、すなわち：
−溶接速度１．２ｍ／分、および
−ビーム衝突点（α＝０）の前面約２．５ｍｍのガスジェットの軸の衝突
以外、例４と同様である。

以下の表はこれらの試験で得られた結果を、参照として役立つヘリウムを用いた標準的なプロセスで行われたレーザー溶接と比較して示している（凡例：０＝同様の結果；１＝優れた結果；２＝乏しい結果）。

試験されたガス（Ａｒ、Ｎ₂、ＣＯ₂）を３０ｌ／分および４５ｌ／分で用いる上述の例において行われた試験で得られた溶接ビードの表面を目視で検査し、本発明によって得られたビードの品質、すなわち、ビードの上面および下面での外観が、標準的なレーザー溶接プロセスで用いられるヘリウムで得られたもの（参照）と同様（０）であったことがわかった。

しかし、有利なことに、本発明の方法によって得られた溶接ビードは、この溶接ビードの何れの側でも、ヘリウムを使用する標準プロセスによるものよりも煤の堆積（depot de fumees）が少なかった（１）。

さらに、ビード断面の拡大図から、溶接断面もヘリウムで得られた参照と同じであった（０）ことがわかる。実際、ビードのＸ線像から、このビードが該ビード中に、ヘリウムを用いる参照のプロセスを使用して得られたものよりも多くの細孔またはブローホールを有していないという事実が確認される。

しかし、窒素の使用がある溶接条件下で得られる溶接ビードの冶金学に僅かに影響を与えうることは強調されるべきである。

全ての場合において、溶け込みも、標準プロセスを使用してヘリウムで得られたものと同様であった（０）。

これらの試験から、上述の例における様々な材料および溶接配置に対して首尾よく試験されたように、高出力ＣＯ₂レーザー発生器を用いるレーザー溶接プロセスが、ヘリウム以外のガスを用いて、得られる溶接ビードの品質および外観にも溶け込みにも害を与えることなく有効に用いることができることが証明される。

本発明の特徴的な流量操作範囲は現存のものである。たとえば、約２０ｌ／分未満の低い流量の場合、気体環境への金属プラズマプルームのイオン化を制限することはもはや有効ではない。望まれないプラズマが金属プラズマプルームの上方に形成される。たとえば、１５ｌ／分の流量で行われた試験によってこの点が確認された。これら条件下では、レーザービームと材料との間でのカップリングはもはや有効でなく、プレートは溶接されない。この効果は用いられるガスのタイプとは無関係である。流量はそれゆえに本発明の実施において得られる結果をさらに向上させるために考慮しなければならないパラメータである。

実際、本発明によって、すなわち急速ガスジェットを金属プラズマプルームの近傍に発生させてこれを金属プラズマプルームの頂部に接触するように方向を合わせた溶接ノズルの使用は、自由電子を有するブランケットガスの散布を制限するのに役立ち、およびそれにより、入射レーザービームのエネルギーの一部を吸収し、レーザー溶接プロセスにとって有害であるため、溶接作業にとって有害であろうしおよびレーザー溶接プロセスにとって有害であろう望まれないプラズマの発生を防ぐ。

したがって、これは、典型的に４ないし２０ｋＷの高出力での、ヘリウムを含有していないかまたはヘリウムを低い割合，たとえば約２０％未満，でのみを含有しているガスまたはガス混合物、特に、Ａｒ、Ｎ₂、ＣＯ₂、Ｏ₂およびこれらの混合物などのガスを使用するプラズマ溶接を実施するのに役立つ。

図１は、本発明の実施形態によるレーザー溶接方法の原理を示しており、ここでは２つの別々の金属部品７が互いに溶接される。 図２は、本発明の実施形態によるレーザー溶接方法の原理を示しており、ここでは２つの別々の金属部品７が互いに溶接される。 図３は、本発明の実施形態によるレーザー溶接方法の原理を示しており、ここでは２つの別々の金属部品７が互いに溶接される。

Claims (10)

1. 接合面に沿って互いに接して位置決めされた１つ以上の金属部品のレーザー溶接方法であって：
   ａ）レーザービームをＣＯ₂レーザー発生器を使用して発生させ、
   ｂ）ノズルにガスまたはガス混合物を供給し、前記ノズルを使用して前記ガスまたはガス混合物から形成される保護ガスのジェットを前記接合面に向けて送り、
   ｃ）レーザービームを使用して前記金属部品の金属を溶融させるかまたは気化させて、前記部品の厚さ内で前記接合面に金属蒸気キャピラリの形成をもたらし、金属プラズマの同時形成を伴い、これは、前記金属蒸気キャピラリの外側での伝播によって、前記接合面の上方に金属プラズマプルームを形成し、
   前記ノズルから送出される前記保護ガスジェットを前記接合面の上方に形成される前記金属プラズマプルームに向けるかまたはその方に送り、それが前記金属プラズマプルームの頂部に接触して部品上で前記部品の金属がビームによって溶融していない場所に衝突するようにすることを特徴とする方法。
2. 工程ｃ）において、前記金属部品の金属を、前記接合面の端から端まで、溶融される前記部品に対する前記ビームの相対運動によって徐々に溶融および気化させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ガスジェットを、溶接される前記部品の上面上での前記ガスジェットと前記レーザービームとの衝突点の間で計った前記ガスジェットの軸と前記レーザービームの軸との距離（Ｄ）が、前記ガスジェットを送出する前記ノズルの内径（Ｄ’）の１．５倍以上になるように向けることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 内径（Ｄ’）の前記ノズルの端部を前記部品の上面に対して１ｍｍないし５０ｍｍの高さに位置決めすることを特徴とする請求項１ないし３のうちの１項に記載の方法。
5. 前記ノズルを、溶接されるプレート平面における前記ノズルの軸の投影に対する溶接ビードの軸の傾斜角（α）が＋１７０°ないし−１７０°になるように、前記接合面に対して位置決めすることを特徴とする請求項１ないし４のうちの１項に記載の方法。
6. 前記ノズルを、前記ガスジェットのまたは前記ノズルの軸の角度（θ）が前記部品の上面に対して５°ないし７０°になるように、前記部品の上面に対して位置決めすることを特徴とする請求項１ないし５のうちの１項に記載の方法。
7. 前記ガスジェットを４０ないし２０００ｍ／秒の速度で供給することを特徴とする請求項１ないし６のうちの１項に記載の方法。
8. 前記ガスまたはガス混合物がＡｒ、Ｎ₂、ＣＯ₂およびＯ₂から形成される群のうち１種以上の成分を含有し、さらに任意にＨｅを含有することを特徴とする請求項１ないし７のうちの１項に記載の方法。
9. 前記部品が、鋼であって、亜鉛、アルミニウム合金、ポリマーまたは１種以上の有機成分、特に塗料がめっきされた鋼からなることを特徴とする請求項１ないし８のうちの１項に記載の方法。
10. 前記ガスまたはガス混合物が最大で２０体積％のヘリウムを含有することを特徴とする請求項１ないし９のうちの１項に記載の方法。

Images