JP2022517713A - 特に固体レーザを用いたスパッタフリー溶接のための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ワークピース（３）をレーザビーム溶接するための方法であって、ワークピース（３）上に、少なくとも、第１のレーザビーム（１）を用いて第１のビーム面（４）が生成され、第２のレーザビーム（２）を用いて第２のビーム面（５）が生成され、これらのビーム面は、ワークピース（３）に対して進行方向（ＶＲ）に沿って案内され、ここで、第１のビーム面（４）及び第２のビーム面（５）の面重心（４ａ、５ａ）は一致せず、第１のビーム面（４）は、第２のビーム面（５）に先行し、進行方向（ＶＲ）を横切って測定された第１のビーム面（４）の縦方向延在長さＬＥ１は、第２のビーム面（５）の縦方向延在長さＬＥ２以上である、方法に関し、当該方法は、第１のビーム面（４）の面積が、第２のビーム面（５）の面積よりも大きく、進行方向（ＶＲ）に沿って測定された第１のビーム面（４）の横方向延在長さＢＥ１は、第２のビーム面（５）の横方向延在長さＢＥ２以上であり、第１のレーザビーム（１）のレーザ出力は、第２のレーザビーム（２）のレーザ出力よりも大きく、第２のレーザビーム（２）は、第１のレーザビーム（１）によって生成された溶融池（７）に照射されることを特徴とする。本発明は、ワークピースの全厚にわたって良好なシーム品質でワークピースを高速な進行速度で溶接することができる溶接方法を提示する。

Description

本発明は、ワークピースをレーザビーム溶接するための方法であって、ワークピース上に、少なくとも、第１のレーザビームを用いて第１のビーム面が生成され、第２のレーザビームを用いて第２のビーム面が生成され、これらのビーム面は、ワークピースに対して進行方向に沿って案内され、第１のビーム面及び第２のビーム面の面重心は一致せず、第１のビーム面は、第２のビーム面に先行し、進行方向を横切って測定された第１のビーム面の縦方向延在長さＬＥ_１は、第２のビーム面の縦方向延在長さＬＥ_２以上である、方法に関する。

そのような方法は、独国特許出願公開第１０２０１５１１２５３７号明細書から公知である。

レーザビーム溶接は、構成部品を、高速な溶接速度により、かつ、狭くて細い溶接シーム形状により、かつ、微少な熱歪みにより溶接すべき場合に、使用される。レーザビームによれば、接合すべきワークピース部品間の継ぎ目領域に液状の溶融池が生じる。この溶融池が固化した後、これらの部品は、互いに堅固に結合される。レーザビーム溶接の周知のレーザタイプは、特に、ＣＯ_２レーザ、固体レーザ及びダイオードレーザである。

金属のレーザビーム溶接は、典型的には、深溶け込み溶接として行われる。レーザビーム深溶け込み溶接においては、レーザビームとワークピースとの間の相対運動により、液状の溶融池を介して蒸気毛管（キーホール）が移動する。この場合、進行速度が過度に速いと、溶融スパッタが多く放出され、ノッチの形成によって溶接シームの品質も低下する。基本的には、吸収エネルギーの増加に伴い、溶融流の動特性が増加し、臨界値に達したときには、上述した悪影響が発生する。これは、シームの質量の損失、及び／又は、顕著で周期的な溶融流特性を引き起こす。

高輝度で焦点径が小さい固体レーザのレーザビームを使用すると、ＣＯ_２レーザよりも高い出力密度に基づいて、低スパッタ溶接シーム品質のための限界は、より低速側の進行速度にシフトする。溶融流速度及び溶融池動特性（乱流）は増加し、このことは、溶接シーム欠陥につながる可能性を増加させる。

例えば、ワークピースの全厚にわたって延在する溶接シームが生成される突合せ継手などの貫通溶接プロセスには、通常、ＣＯ_２レーザが使用される。ただし、エネルギーコストの節約を達成するためには、ＣＯ_２レーザを固体レーザに置き換えることが望ましい場合がある。

重ね継手溶接については、より大きい焦点径の第１のレーザビームと、より小さい焦点径の第２のレーザビームとを同軸に重ね合わせることにより、溶融池から上方に放出されるスパッタの形成を大幅に低減することが可能であることが示され、これについては、独国特許出願公開第１０２０１６２２２３５７号明細書又は国際公開第２０１８／０１１４５６号が参照される。

しかしながら、深溶け込み溶接又は貫通溶接について、この方法を使用する試みにおいては、本発明者らは、第２のビーム（コアビーム）の小さい直径は、シーム下面でのスパッタにつながり、そのため、この方法は、シーム上面及びシーム下面の高品質な貫通溶接には適していないことを観察した。

溶融池動特性に作用するために、従来技術においては、種々のさらなる方法が提案されてきた。

独国特許出願公開第１０２６１４２２号明細書からは、レーザビームが別個に集束可能な少なくとも２つの部分ビームに分割され、部分レーザビームの強度及び入射箇所の分割を、可変の光学アレイによって設定することができるレーザ溶接及びはんだ付け方法が公知である。

欧州特許第１００７２６７号明細書、特開２００４－３５８５２１号公報及び特開２００４－１５４８１３号公報からは、種々のレーザビーム又はレーザビームの部分ビームがワークピース上でそれらの焦点がワークピース内部でビーム伝搬方向において互いにずらされて配置されるように収束される、レーザ溶接方法が公知である。ここでは、レーザビーム又は部分ビームのビーム軸線は、互いにずらすことができ、即ち、互いに非同心的に配置されるものとし得る。

独国特許出願公開第１０２０１５２０７２７９号明細書からは、直径の異なる複数の平行に相隣接するファイバコアを備えたマルチコアファイバが、レーザビームのための搬送ファイバとして使用され、それによって、ワークピース表面に、より大きい焦点面（一次ポット）に先行する２つのより小さい焦点面（二次スポット）が、より小さいレーザ出力で形成される、レーザ溶接方法が公知である。

独国特許出願公開第１０２０１５１１２５３７号明細書からは、ワークピース上に円形又は矩形の一次スポットと、横切るように先行する線状焦点又は比較的狭幅な２つの二次スポットとが形成されているレーザ溶接方法が公知である。一次スポット及び二次スポットへのレーザ出力の分割は、ビーム成形光学モジュールのシフト動作によって設定可能である。

隣接して配置された複数の円形の二次スポットから構成され得る先行する線状焦点は、独国特許出願公開第１０２０１６２１８９３８号明細書からも公知である。

米国特許出願公開第２０１７／０３６８６３８号明細書及び米国特許出願公開第２０１８／０２１７４０８号明細書からは、先行する弧状スポットが公知である。

国際公開第２０１８／０９９８５１号及び独国特許出願公開第１０２０１６１０５２１４号明細書からは、回折又は屈折光学素子を用いて溶接又ははんだ付けするための一次スポットと２つの二次スポットとを生成することが公知である。国際公開第２０１８／０５４８５０号からは、スキャナ光学系を用いて焦点面に所望のエネルギー分布を生成するためにビーム成形を行うことが公知である。

独国特許出願公開第１０２０１５１１２５３７号明細書 独国特許出願公開第１０２０１６２２２３５７号明細書 国際公開第２０１８／０１１４５６号 独国特許出願公開第１０２６１４２２号明細書 欧州特許第１００７２６７号明細書 特開２００４－３５８５２１号公報 特開２００４－１５４８１３号公報 独国特許出願公開第１０２０１５２０７２７９号明細書 独国特許出願公開第１０２０１６２１８９３８号明細書 米国特許出願公開第２０１７／０３６８６３８号明細書 米国特許出願公開第２０１８／０２１７４０８号明細書 国際公開第２０１８／０９９８５１号 独国特許出願公開第１０２０１６１０５２１４号明細書 国際公開第２０１８／０５４８５０号

発明の課題
本発明の課題は、ワークピースの全厚にわたって良好なシーム品質でワークピースを高速な進行速度で溶接することができる溶接方法を提示することである。

発明の概要
この課題は、本発明により、冒頭で述べたタイプの方法によって解決され、この方法は、第１のビーム面の面積が、第２のビーム面の面積よりも大きく、進行方向に沿って測定された第１のビーム面の横方向延在長さＢＥ_１は、第２のビーム面の横方向延在長さＢＥ_２以上であり、第１のレーザビームのレーザ出力は、第２のレーザビームのレーザ出力よりも大きく、第２のレーザビームは、第１のレーザビームによって生成された溶融池に照射されることを特徴としている。

第１のレーザビーム及び第２のレーザビームは、ここでは、相互に依存することなく生成することができ、又は、共通の元のレーザビームを分割することによって生成することもできる（元のレーザビームの部分ビームへの分割）。

本発明は、ワークピース上に、先行するより大きい第１のビーム面（先行スポット）及び後続するより小さい第２のビーム面（後続スポット）を生成し、それらの中心（面重心）は一致せず、ここで、先行するスポットの（進行方向を横切る）縦方向長さと、（進行方向に沿った）横方向長さとが、少なくとも後続スポットの直径又は対応する寸法と同等の大きさであり、ここで、先行するレーザビームのレーザ出力は、後続するレーザビームのレーザ出力よりも大きいことを提案する。

本発明者らは、速い進行速度と同時にシーム上面及びシーム下面の良好な品質のためには、先行するスポットが十分に大きい直径又は十分に大きい面積の溶融池の形成を（進行方向に沿って及び進行方向を横切って）開始する必要があることを認識した。その他に、先行するビームは、ワークピース表面において関連する溶融膜を生成するために十分に大きいレーザ出力を備える必要がある。そのように形成された溶融池には第２のビームが集束される。

本発明の枠内においては、ワークピース内への又は溶接すべきワークピース部品内へのエネルギー入射を少量に保持することができ、微少な溶融池動特性を達成することができる。特に、シーム下面におけるスパッタ形成を最小限に抑制することができる。

本発明に係る方法は、このようにして、深溶け込み溶接又は貫通溶接として動作させることができ、即ち、ワークピースは、溶接プロセス中にワークピース下面まで溶融される。この方法は、深溶け込み溶接において行われ、即ち、溶融池において蒸気毛管（キーホール）が生成される。好適には、レーザビームは、ワークピース下面において、ワークピースから出射されるのではなく、むしろ、蒸気毛管（キーホール）は、ワークピース下面において閉じられたままである。

ワークピースに対してレーザビームを案内する場合、レーザビーム及び／又はワークピースを移動させることができる。

第１のビーム面は、典型的には矩形若しくは輪形セグメント形状に形成されている又は典型的には矩形若しくは輪形セグメント形状に形成されている複数の部分ビーム面から構成されている。第１のビーム面が、別個の部分ビーム面から構成されている場合、本発明による第１のビーム面の条件は、部分ビーム面全体（合計）に適用される。第２のビーム面は、典型的には円形若しくは正方形に形成されている。第１のビーム面及び第２のビーム面は、典型的には両方とも、進行方向を含む平面に対して鏡面対称に配置されている。

第１のビーム面の面重心が、進行方向に関して第２のビーム面の面重心の前にある場合、第１のビーム面は、第２のビーム面よりも先行しているものとみなされ、これらの２つのビーム面は、本発明の枠内においては、完全に又は部分的に重なり合うように配置されるものとしてもよいし、又は、好適には互いに分離するように（重なり合わないように）配置されるものとしてもよい。

好適には、第１のレーザビームのビーム発散と第２のレーザビームのビーム発散とは同等であり、又は、第２のレーザビームのビーム発散が第１のレーザビームのビーム発散よりも小さい。このことは、第２のビームのエネルギーが蒸気毛管の下部ゾーン内において初めて吸収されることをもたらしている。

好適には、ビーム面の縦方向延在長さについて、関係式ＬＥ_１≧１．５＊ＬＥ_２、特に好適にはＬＥ_１≧２＊ＬＥ_２が適用され、さらに、ビーム面の横方向延在長さについて、好適には関係式ＢＥ_１≧１．５＊ＢＥ_２が適用される。好適には、第１のレーザビームのレーザ出力ＬＬ_１（場合によっては、すべての部分ビーム面にわたって合計される）及び第２のレーザビームのレーザ出力ＬＬ_２についても、さらに関係式ＬＬ_１≧１．２＊ＬＬ_２、特に好適にはＬＥ_１≧１．５＊ＬＬ_２が適用される。好適には、第１のビーム面の（場合によっては合計された）面積ＦＩ_１及び第２のビーム面の面積ＦＩ_２についても、関係式ＦＩ_１≧２＊ＦＩ_２、特に好適にはＦＩ_１≧３＊ＦＩ_２、極めて好適にはＦＩ_１≧５＊ＦＩ_２が適用される。

本発明に係る方法は、特に、溶接すべきワークピース部品の突合せ継手を備えたワークピースの製造のために使用することができる。特に、チューブ、成形物及びテーラード溶接ブランクは、再加工処理なしで製造することができる。特に０．５ｍｍ乃至３ｍｍの間の厚さを有するワークピースについて、非常に良好なシーム品質が得られている。

本発明に係る方法の好適な変形形態
本発明に係る方法の好適な変形形態においては、レーザビームが１つ又は複数の固体レーザを用いて生成されることが想定されている。固体レーザは、比較的高い輝度と小さい焦点径とを有するレーザビームの生成が可能であり、これにより、通常は、シーム上面及びシーム下面におけるスパッタ形成の傾向が高まり、一般的に溶接シーム欠陥の頻度が増加する。本発明に係る方法の枠内においては、固体レーザが使用される場合でさえ、貫通溶接における高速な進行速度で、良好なシーム品質に活用することができる。

第２のレーザビームの焦点径ＦＤ_２が第１のレーザビームの焦点径ＦＤ_１よりも小さく、第２のレーザビームの出力密度が第１のレーザビームの出力密度よりも大きい変形形態も好適である。この出力密度分布は、シーム品質について有利であることが証明されている。第２のレーザビームの領域においては、蒸気毛管がワークピース内へより深く浸透し、ワークピース材料の溶融がワークピース下面まで作用する可能性がある。一般に、第１及び第２のレーザビームは、典型的にはワークピース表面に集束されるが、例えば、ワークピース表面下方の集束位置を選択することも可能である。

少なくとも進行方向を横切る方向の第２のレーザビームの焦点径ＦＤ_２について、以下の関係式
ＦＤ_２≧ｄ_Ｍｉｎ、
が適用される変形形態は、特に好適であり、ここで、

ｋ_{ｄ，Ｍｉｎ}：３乃至３０ｍｍ^２／ｓの間の材料固有の定数、
ｓ：溶接すべきワークピース厚さ、
ｖ：レーザビーム溶接の進行速度、
である。この条件が順守される場合、シーム下面におけるスパッタ傾向が特に微少になる。ワークピースが厚いほど、（少なくとも）選択すべき第２のレーザビームの焦点径ＦＤ_２は大きくなる。進行速度ｖが速いほど、選択可能な焦点径ＦＤ_２は小さくなる。軟鋼については、ｋ_{ｄ，Ｍｉｎ}は、８乃至２０ｍｍ^２／ｓの間であり、ステンレス鋼については、５乃至２０ｍｍ^２／ｓの間である。第２のレーザビームの焦点が円形である場合、上記条件が一般的に適用され、レーザビームが異なる方向において異なる直径を有すべき場合には、ＦＤ_２についての上記条件は、進行方向を横切る第２のレーザビームの直径に適用される。進行方向においては、直径ｄ_Ｍｉｎを下回ることができる。

この変形形態の好適なさらなる発展形態においては、第１のビーム面の縦方向延在長さＬＥ_１について、以下の関係式
ＬＥ_１≧ｂＭｉｎ
が適用され、ここで、
ｂ_Ｍｉｎ＝２＊ｄ_Ｍｉｎ
である。これにより、シーム品質のさらなる向上を達成することができる。ワークピースが厚いほど、（少なくとも）選択すべき縦方向延在長さＬＥ_１は長くなる。進行速度ｖが速いほど、選択可能な縦方向延在長さＬＥ_１は短くなる。第１のビーム面が別個の部分ビーム面を含む場合、縦方向延在長さＬＥ_１は、進行方向を横切る方向において互いに最も離れたところにある部分ビーム面の縁部間において決定される。

同様に、進行方向に沿った第１のビーム面及び第２のビーム面の面重心間の距離ａについて、以下の関係式
ａ≧ａ_Ｍｉｎ
が適用される、上記変形形態のさらなる発展形態も好適であり、ここで、
ａ_Ｍｉｎ＝２＊ｄ_Ｍｉｎ
である。これによっても、シーム品質のさらなる向上を達成することができる。ワークピースが厚いほど、（少なくとも）選択すべき距離ａは長くなる。進行速度ｖが速いほど、選択可能な距離ａは短くなる。第１のビーム面が別個の部分ビーム面を含む場合、第１のビーム面の面重心は、部分ビーム面の全体について決定される。

ワークピース厚さが異なる複数のワークピースがレーザビーム溶接にかけられ、ワークピースのワークピース厚さが厚いほど、進行方向に沿った第１のビーム面及び第２のビーム面の面重心間の選択される距離ａが長くなることを想定した変形形態も好適である。この手順により、異なるワークピース又はそれらのワークピース厚さへの適合化を行うことができ、これによって、最適化されたシーム品質と進行速度とを達成することができる。

本方法の一変形形態においては、第１のビーム面及び第２のビーム面は、重なり合っている。

代替的な変形形態においては、第１のビーム面及び第２のビーム面は、互いに分離されている。第１のレーザビームと第２のレーザビームとの間の空間的な距離により、第１のレーザビームの作用から第２のレーザビームの作用までの熱伝導及び溶融プロセスをワークピース内において進めることができ、これにより、ワークピース内の条件を第２のレーザビームの作用のために最適化することができる。さらに、特に、２つのレーザの出力密度がどこにも加算されず、ひいては局所的な出力密度ピークが低減されるため、多くの場合、より低い溶融池動特性が達成される。

第１のビーム面が、進行方向を横切る方向に並んで互いに分離された少なくとも２つの部分ビーム面を含み、ここで、特にこれらの部分ビーム面は円形に形成されている変形形態は特に好適である。進行方向を横切るように延在する第１のビーム面の生成は、例えば個々のレーザビームからなるアレイ発生器を用いて並んだ部分ビーム面を介せば特に簡単である。進行方向を横切るように並んだ部分ビーム面は、好適には、第２のビーム面に対して対称に配置される。

第１のビーム面は、進行方向に並んで互いに分離された少なくとも２つの部分ビーム面を含み、特に、これらの部分ビーム面が矩形又は輪形セグメント形状に形成されている変形形態は、好適である。進行方向に並んだ部分ビーム面を使用することにより、特にワークピース厚さを考慮して、エネルギー入力と溶融池形成とを第２のレーザビーム前に所期のように設定することができる。典型的には、第１のビーム面の進行方向に並んだすべての部分ビーム面は、進行方向に関して第２の部分ビーム面の前に配置されている。

進行方向を横切る少なくとも１つの方向の第２のビーム面の焦点径ＦＤ_２について、関係式ＦＤ_２≧ｄ_Ｍｉｎが適用される当該変形形態の、さらに第１のビーム面の進行方向において最前部の部分ビーム面及び第２のビーム面の面重心間の距離ａ’について、以下の関係式
ａ’≧ａ_Ｍｉｎ
が適用されるさらなる発展形態は好適であり、ここで、
ａ_Ｍｉｎ＝２＊ｄ_Ｍｉｎ
である。これにより、特に良好なシーム品質を再び達成することができる。ワークピースが厚いほど、（少なくとも）選択すべき距離ａ’は長くなる。進行速度ｖが速いほど、選択可能な距離ａ’は短くなる。

さらに、異なるワークピース厚さの複数のワークピースがレーザビーム溶接にかけられ、進行方向に並んだ部分ビーム面の数ＮＶは、ワークピース厚さの増加に伴って多くなるように選択されることを想定した、上記変形形態のさらなる発展形態も好適である。この手順により、異なるワークピース又はそれらのワークピース厚さへの適合化を行うことができ、これによって、最適化されたシーム品質と進行速度とを達成することができる。

好適な変化形態においては、レーザビーム溶接は、貫通溶接として操作される。ワークピースは、溶接プロセス中にワークピース下面まで溶融される。好適には、レーザビームは、ワークピース下面において、ワークピースから出射されるのではなく、むしろ、蒸気毛管（キーホール）は、ワークピース下面において閉じられたままである。本発明の枠内においては、ワークピース下面におけるスパッタ形成を最小限に抑制することができ、高いシーム品質を達成することができる。

本発明のさらなる利点は、説明及び図面から明らかになる。同様に、上記において言及した特徴及び以下においてさらに説明する特徴は、本発明に従って、それぞれ個別にそれ自体で使用することができ、または、複数の任意の組合せにより使用することができる。図示され、説明される実施形態は、網羅的なリストとして理解されるべきではなく、むしろ、本発明の説明のための例示的な特徴を備えるものである。

発明及び図面の詳細な説明
本発明は、図面に概略的に示され、実施例を用いてより詳細に説明される。

本発明に係る溶接方法の変形形態に対する溶接シームに沿ったワークピースの断面図を示す。 先行する矩形スポットと、後続する円形スポットとを有する変形形態における、本発明に係る方法の第１のビーム面及び第２のビーム面（ビームパターン）の概略的平面図を示す。 先行するスポットを含む２つの円形部分スポットと、後続する円形スポットとを有する変形形態における、本発明に係る方法の第１のビーム面及び第２のビーム面の概略的平面図を示す。 大きい円形の第１のビーム面及び第１のビーム面の内部にある小さい円形の第２のビーム面を有する変形形態における、本発明に係る方法の第１のビーム面及び第２のビーム面の概略的平面図を示す。 大きい円形の第１のビーム面及び第１のビーム面とは別個にある小さい円形の第２のビーム面を有する変形形態における、本発明に係る方法の第１のビーム面及び第２のビーム面の概略的平面図を示す。 輪形セグメント形状の第１のビーム面及び円形の第２のビーム面を有する変形形態における、本発明に係る方法の第１のビーム面及び第２のビーム面の概略的平面図を示す。 第１のビーム面の複数の矩形の部分ビーム面及び円形の第２のビーム面を有する変形形態における、本発明に係る方法の第１のビーム面及び第２のビーム面の概略的平面図を示す。 第１のビーム面の複数の輪形セグメント形状の部分ビーム面及び円形の第２のビーム面を有する変形形態における、本発明に係る方法の第１のビーム面及び第２のビーム面の概略的平面図を示す。

図１は、本発明に係る溶接方法中に溶接すべきワークピース３をレーザビーム１，２の進行方向ＶＲに沿った断面図において示している。このワークピース３は、２つのワークピース部品からなり、そのうちの第１のワークピース部品は、図平面の上方にあり、第２のワークピース部品は、図平面の下方にある。図１の図平面には、突合せ継手で相互に溶接されるワークピース部品の接触面がある。ワークピース３は、ワークピース厚さｓを有する。

第１のレーザビーム１は、ワークピース３の上面６に第１のビーム面４を生成し、第２のレーザビーム２は、ワークピース３の上面に第２のビーム面５を生成する。図示の変形形態においては、２つのビーム面４，５は、（図１の投影では）上面６において互いに真っ直ぐに隣接し、レーザビーム１，２は、ワークピース３の上面６に対して垂直に延在するビーム軸線を有する。

２つのレーザビーム１，２は、ワークピース３内に拡張する溶融池７を生成し、この溶融池７の内部に蒸気毛管（キーホール）８を生成する。図示の変形形態においては、「結合された」蒸気毛管８が存在し、この蒸気毛管８は、第１のレーザビーム１の領域にも、第２のレーザビーム２の領域にも延在し、さらにまた、それらをわずかに超えて延在している。即ち、レーザビーム１，２の各々の出力密度は、ワークピース材料を局所的に蒸発させるのに十分である。ただし、蒸気毛管８は、第２のレーザビーム２の領域においてワークピース３内部へより深く浸透している。

溶融池７は、ここでは、ワークピース３の下面９まで達し、即ち、ワークピース３は、下面９まで、当該下面９も含めて溶融される（「貫通溶接」）。蒸気毛管８は、図示の変形形態においては、下方に向けて溶融池７又は溶融されたワークピース材料によって完全に取り囲まれている。即ち、蒸気毛管８は、下方に向けて開口しておらず、レーザビーム１，２は、ワークピース３の下面９から出射しない。

溶融池７は、レーザビーム１，２の先行側よりもレーザビーム１，２の後続側（即ち、進行方向ＶＲに関してレーザビーム１，２の後ろ側、図１ではレーザビーム１、２の右側）において、著しく幅広に拡張している。この溶融池７は、溶融池７の後ろ側で再び固化し、それによって、溶接シーム１０が形成される。

図示の変形形態においては、レーザビーム１，２は、ワークピース３の上面６のやや下方に集束されており、ここでは、同等の高さに集束されている（焦点位置１１，１２参照）。

本発明によれば、先行する第１のレーザビーム１の第１のビーム面４の面積は、後続する第２のレーザビーム２の第２のビーム面５の面積よりも大きい。第１のレーザビーム１の集積されたレーザ出力は、第２のレーザビーム２の集積されたレーザ出力よりも大きい。第１のレーザビーム１の焦点径ＦＤ_１は、第２のレーザビーム２の焦点径ＦＤ_２よりも大きいが、第１のレーザビーム１の（ほぼ焦点位置１１で測定される）出力密度（即ち、単位面積当たりの出力）は、第２のレーザビーム２の（ほぼ焦点位置１２で測定される）出力密度よりも小さい。

種々の変形形態における本発明の第１のビーム面４及び第２のビーム面５の面積比及びサイズ比は、図２乃至図８においてより詳細に説明される。

本発明の枠内においては、先行する第１のレーザビーム１は、拡張する溶融池７を生成し、この溶融池７には、第２のレーザビーム２が入射される。本発明による条件、特にビーム面４，５の寸法及び照射されるレーザ出力についての条件を順守することにより、ワークピース３又は溶融池７への比較的少ないエネルギー入力により貫通溶接を行い得ることが達成され、さらに、ワークピース３の上面６においても下面９においても特にスパッタ形成をより少量にして高いシーム品質が高速な進行速度で（進行方向ＶＲ参照）達成される。

図２は、第１のビーム面４がほぼ矩形に形成され、第２のビーム面５がほぼ円板形状に形成されている変形形態において、本発明に係るレーザ溶接方法のためのワークピースの上面に第１のビーム面４及び第２のビーム面５を含むビームパターンを概略的に示している。

それぞれ進行方向ＶＲに対して垂直方向において測定された、第１のビーム面４の縦方向延在長さＬＥ_１は、ここでは、第２のビーム面５の縦方向延在長さＬＥ_２の約２．８倍である。それに応じて、第１のビーム面４を用いて溶融池を生成することができ、これは、進行方向ＶＲを横切る方向において第２のビーム面５よりも顕著により幅広である。

図示の変形形態においては、進行方向ＶＲに沿った第１のビーム面４の横方向延在長さＢＥ_１は、第２のビーム面５の横方向延在長さＢＥ_２と同程度の大きさである。これにより、第２のレーザビームが同時に作用するワークピース材料の幅にわたって、事前に既に第１のレーザビームも同時に作用し、対応する予備熱伝播又は対応する予備溶融も既に行われることが達成される。

第１のビーム面４の面積は、ここでは、第２のビーム面５の面積の約３倍である。

第１のビーム面４の面重心４ａは、ここでは、第２のビーム面５の面重心５ａよりも距離ａだけ先行し、これらのビーム面４，５は互いに分離しており、重なり合わない。

レーザ出力Ｐ_１＝４５００Ｗの第１のレーザビームと、レーザ出力Ｐ_２＝３０００Ｗの第２のレーザビームとを用いて、進行速度ｖ＝１２ｍ／ｍｉｎ及びワークピース厚さｓ＝２ｍｍにより、ワークピースの上面（表面）の高さに２つのレーザビームを集束させる場合、ステンレス鋼からなるワークピース３において非常に良好なシーム品質を達成することができる。

使用するステンレス鋼についての典型的な材料定数ｋ_{ｄ，Ｍｉｎ}が１０ｍｍ^２／ｓで、ワークピース厚さが２ｍｍ、進行速度が１２ｍ／ｍｉｎの場合、以下の関係式

に関する値は、ここでは約０．３２ｍｍとなる。本発明によれば、進行方向ＶＲを横切る方向の第２のビーム面５の焦点径（この焦点径は、ここではＬＥ_２に対応する）は、ｄ_Ｍｉｎ以上であるように選択されるべきである（ここでは、第２のビーム面５が円形であるため、第２のビーム面５の焦点径は、あらゆる方向において同等となり、特にＬＥ_２＝ＢＥ_２の関係性に着目すべきである）。提示された変形形態においては、上記の条件に一致させて、ＬＥ_２は約０．３５ｍｍである。さらに、本発明によれば、距離ａを少なくとも２＊ｄ_Ｍｉｎに選択することが推奨される。提示された変形形態においては、この条件に一致させて、ａが約０．８ｍｍに選択された。最後に、本発明によれば、縦方向延在長さＬＥ_１を少なくとも２＊ｄ_Ｍｉｎに選択することがさらに推奨される。提示された変形形態においては、この条件に一致させて、ＬＥ_１は約０．９ｍｍに選択された。

図３は、第１のビーム面４が２つの部分ビーム面３１，３２を含む、本発明の変形形態のビームパターンを概略的に示している。これらの部分ビーム面３１，３２は、ここでは円板形状に形成され、進行方向ＶＲを横切るように並んで互いに離間されている。第１のビーム面４の縦方向延在長さＬＥ_１は、部分ビーム面３１，３２の全体にわたって、即ち、それらの対向する外縁にわたって決定され、ここでは、第２のビーム面５の縦方向延在長さＬＥ_２の約２．２倍である。横方向延在長さＢＥ_１及びＢＥ_２は、ここでも同等である。第１のビーム面４の面重心４ａは、ここでは、部分ビーム面３１，３２の間において、第２のビーム面５の面重心５ａ前から距離ａのところにある。第１のビーム面４の面積は、ここでは、第２のビーム面５の面積の２倍である。

図４は、１つのビームパターンを示しており、図示の変形形態においては、第１のビーム面４は円板形状で大きく形成され、第２のビーム面５は円板形状で小さく形成され、この場合、第２のビーム面５は、完全に第１のビーム面４の内部に配置されている。第２のビーム面５の領域においては、２つのレーザビームからの（局所的な）レーザ出力がワークピースに加算される。

進行方向ＶＲに関して、第１のビーム面４の面重心４ａは、第２のビーム面５の面重心５ａよりも前に進んでいる。距離ａは、ここでは、ａ＝ＢＥ_１／２－ＢＥ_２／２である。図示の変形形態においては、横方向延在長さＢＥ_１は、横方向延在長さＢＥ_２の約３倍であり、同様のことは、縦方向延在長さＬＥ_１及びＬＥ_２についても当てはまる。

図５は、第１のビーム面４が円板形状で大きく形成され、第２のビーム面５は円形で小さく形成され、この場合、第２のビーム面５は、完全に外側において（進行方向ＶＲに関して）第１のビーム面４の後方に配置されている変形形態のビームパターンを示している。同様に、面重心４ａ，５ａ間の距離ａは、ここでは、ＢＥ_１／２＋ＢＥ_２／２の合計よりも大きくなっている。縦方向延在長さＬＥ_１は、ここでは、ＬＥ_２の約２．４倍であり、同様のことは、横方向延在長さＢＥ_１，ＢＥ_２についても当てはまる。

図６には、第１のビーム面４が輪形セグメント形状で形成され、第２のビーム面５は円板形状である変形形態のビームパターンが示されている。図示の変形形態においては、ビーム面４，５の関連する円中心は、詳細には、第２のビーム面５の面重心５ａで一致しているが、ただし、これらのビーム面４，５は互いに別個である。第１のビーム面４の面重心４ａは、ここでは、ほぼビーム面４の後縁にあり、進行方向ＶＲを横切る方向に関しては中央にある。第１のビーム面４の横方向延在長さＢＥ_１は、ここでは、第２のビーム面５の横方向延在長さＢＥ_２の約１．３３倍である。それに対して、第１のビーム面４の縦方向延在長さＬＥ_１は、第２のビーム面５の縦方向延在長さＬＥ_２の約２．９倍である。面重心４ａ，５ａ間の距離ａは、ここでは、第２のビーム面５の横方向延在長さＢＥ_２の約０．９倍である。

輪形セグメント形状の第１のビーム面４により、非常に均一な熱伝播と、第２のビーム面５の領域に向けて均一な溶融とを得ることもできる。

図７には、第１のビーム面４が、進行方向ＶＲに関して相前後して並んで配置された３つの別個の部分ビーム面７１，７２，７３を含む変形形態のビームパターンが示されている。これらの部分ビーム面７１～７３は、それぞれほぼ矩形に形成され、この場合、進行方向ＶＲを横切る方向において最大の部分ビーム面７１が最前部に配置され、さらなる部分ビーム面７２，７３は、後方に向かって（進行方向ＶＲとは逆方向に）縦方向延在長さが減少している。第１のビーム面４全体について、最前部の部分ビーム面７１は、縦方向延在長さＬＥ_１を決定する。第１のビーム面４全体の横方向延在長さＢＥ_１は、部分ビーム面７３及び７１の（進行方向ＶＲに関する）外縁間において決定される。本発明によれば、ＬＥ_１は、ＬＥ_２の約２倍であり、さらにＢＥ_１は、ＢＥ_２の約２．４倍である。

図示の変形形態においては、第１のレーザビームを用いて大面積にわたって比較的大きいレーザ出力をワークピース内にもたらすために、３つの部分ビーム面７１，７２，７３すべてが同時に使用される。良好なシーム品質のためには、第１のビーム面４の最前部の部分ビーム面７１の面重心７１ａと、第２のビーム面５の面重心５ａとの間の距離ａ’は、少なくとも２＊ｄ_Ｍｉｎに選択されるべきである（ｄ_Ｍｉｎの定義については、先の図１参照）。好適には、第１のビーム面４全体の面重心４ａ（ここでは、第２の部分ビーム面７２内にある）と、第２のビーム面５の面重心５ａとの間のより短い距離ａについても、この距離ａが、同様に少なくとも２＊ｄ_Ｍｉｎになることが適用される。

好適な実施形態においては、第１のビーム面４の同時に使用される部分ビーム面７１～７３の数は変更することができ、及び／又は、使用される部分ビーム面７１～７３の選択は、特に、ワークピースのタイプに応じてワークピースのそれぞれ溶接すべきワークピース厚さｓに適合化させるために行うことができる。ワークピースが厚いほど、相応に、より長い距離ａ’又はａを設定するために、使用すべき部分ビーム面７１～７３は第２のビーム面５の前からさらに前方になる。ワークピースが厚いほど、使用すべき先行する部分ビーム面はより多くなる。

図８は、第１のビーム面４が２つの部分ビーム面７１，７２を含み、これらの部分ビーム面７１，７２が再び進行方向ＶＲに関して相前後して並んで配置されている変形形態のビームパターンを示している。第２のビーム面５は、円板形状に形成されている。

これらの部分ビーム面７１，７２は、それぞれほぼ輪形セグメント形状に形成されており、ここで、進行方向ＶＲを横切る方向において最大の部分ビーム面７１が最も前方に配置されており、これらの部分ビーム面７１，７２及び第２のビーム面５の関連する円中心は、第２のビーム面５の面重心５ａにおいて一致している。第１のビーム面４全体について、最前部の部分ビーム面７１が縦方向延在長さＬＥ_１を決定する。第１のビーム面４全体の横方向延在長さＢＥ_１は、部分ビーム面７２及び７１の（進行方向ＶＲに関する）外縁間において決定される。本発明によれば、ＬＥ_１は、ＬＥ_２の約４．８倍であり、さらにＢＥ_１は、ＢＥ_２の約２．３倍である。

この変形形態においては、（第１の部分ビーム面７１の面重心７１ａと、第２のビーム面５の面重心５ａとの間の）距離ａ’及び（第１のビーム面４全体の面重心４ａと、第２のビーム面５の面重心５ａとの間の）距離ａは、それほど大きく異なっておらず、そのため、これによって、条件ａ’≧２＊ｄ_Ｍｉｎ及びａ≧２＊ｄ_Ｍｉｎを同時に順守することは容易である。この変形形態においても、第１のビーム面４の部分ビーム面７１，７２の数及び選択は、ワークピースのタイプに応じて、特にワークピース厚さｓに応じて行うことができる。

本発明に係る方法は、特に、異なるビーム面４，５又はスポットが、異なるレーザビームから生成される、又は、１つのレーザビームを２つ以上の部分ビームに分割することによって生成されるシステムにより、実現することができる。同様のことは、部分ビーム面についても適用される。好適な変形形態は、例えば、以下のもの、
・直径の異なる２つ以上の平行に相隣接するファイバコアを備えたダブルコアファイバ、
・コアファイバが周囲の環状ファイバに対して偏心して配置されたダブルコアファイバ、
・所望の強度特性（ビームパターン）を生成し、その際、場合によっては（例えば光軸を中心として回転する場合に）変更可能な種々の強度特性（ビームパターン）を生成することができる、レーザ加工処理ヘッド内の回折光学素子、
を使用して可能である。

例えば、レーザ加工処理ヘッド内に配置された回転可能な光学素子によって、第１及び第２のビーム面の共通の回転、又は、第２のビーム面周りの第１のビーム面（若しくはその部分ビーム面）の回転を行うことができる。このことは、湾曲して（非線形に）延在する溶接継手へのビーム面の配列の適合化を可能にする。

本発明に係る方法を用いれば、特に、チューブ、成形物及びテーラード溶接ブランクは、再加工処理なしで製造することができる。スパッタは、全く又はほとんど発生しないため、これによって、システムの停止状態期間が短縮される。（第１のビーム面及び第２のビーム面の面重心を進行方向において互いにずらすことによって）偏心させる取り組みは、レーザ溶接に必要なエネルギーを低減し、さらに（より高速な進行速度を介して）生産性を向上させる可能性も存在する。

１ 第１のレーザビーム
２ 第２のレーザビーム
３ ワークピース
４ 第１のビーム面
４ａ 第１のビーム面の面重心
５ 第２のビーム面
５ａ 第２のビーム面の面重心
６ ワークピースの上面
７ 溶融池
８ 蒸気毛管
９ ワークピースの下面
１０ 溶接シーム
１１ 第１のレーザビームの焦点位置
１２ 第２のレーザビームの焦点位置
３１ 第１のビーム面の部分ビーム面
３２ 第１のビーム面の部分ビーム面
７１ 第１のビーム面の最前部の部分ビーム面
７１ａ 最前部の部分ビーム面の面重心
７２ 第１のビーム面の部分ビーム面
７３ 第１のビーム面の部分ビーム面
ａ 第１のビーム面及び第２のビーム面の面重心間の距離
ａ’ 第１のビーム面の最前部の部分ビーム面及び第２のビーム面の面重心間の距離
ＢＥ_１ 第１のビーム面の横方向延在長さ
ＢＥ_２ 第２のビーム面の横方向延在長さ
ＦＤ_１ 第１のレーザビームの焦点径
ＦＤ_２ 第２のレーザビームの焦点径
ＬＥ_１ 第１のビーム面の縦方向延在長さ
ＬＥ_２ 第２のビーム面の縦方向延在長さ
ＶＲ 進行方向

Claims (15)

1. ワークピース（３）をレーザビーム溶接するための方法であって、
   前記ワークピース（３）上に、少なくとも、第１のレーザビーム（１）を用いて第１のビーム面（４）が生成され、第２のレーザビーム（２）を用いて第２のビーム面（５）が生成され、前記ビーム面は、前記ワークピース（３）に対して進行方向（ＶＲ）に沿って案内され、
   前記第１のビーム面（４）及び前記第２のビーム面（５）の面重心（４ａ，５ａ）は一致せず、前記第１のビーム面（４）は、前記第２のビーム面（５）に先行し、
   前記進行方向（ＶＲ）を横切って測定された前記第１のビーム面（４）の縦方向延在長さＬＥ_１は、前記第２のビーム面（５）の縦方向延在長さＬＥ_２以上である、
   方法において、
   前記第１のビーム面（４）の面積は、前記第２のビーム面（５）の面積よりも大きく、
   前記進行方向（ＶＲ）に沿って測定された前記第１のビーム面（４）の横方向延在長さＢＥ_１は、前記第２のビーム面（５）の横方向延在長さＢＥ_２以上であり、
   前記第１のレーザビーム（１）のレーザ出力は、前記第２のレーザビーム（２）のレーザ出力よりも大きく、
   前記第２のレーザビーム（２）は、前記第１のレーザビーム（１）によって生成された溶融池（７）に照射される、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記レーザビーム（１，２）は、１つ又は複数の固体レーザを用いて生成される、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記第２のレーザビーム（２）の焦点径ＦＤ_２は、前記第１のレーザビーム（１）の焦点径ＦＤ_１よりも小さく、前記第２のレーザビーム（２）の出力密度は、前記第１のレーザビーム（１）の出力密度よりも大きい、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 少なくとも前記進行方向（ＶＲ）を横切る方向の前記第２のレーザビーム（２）の焦点径ＦＤ_２について、以下の関係式
   ＦＤ_２≧ｄ_Ｍｉｎ
   が適用され、ここで、
   

   

   ｋ_{ｄ，Ｍｉｎ}：３乃至３０ｍｍ^２／ｓの間の材料固有の定数、
   ｓ：溶接すべきワークピース厚さ、
   ｖ：レーザビーム溶接の進行速度、
   である、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第１のビーム面（４）の縦方向延在長さＬＥ_１について、以下の関係式
   ＬＥ_１≧ｂ_Ｍｉｎ
   が適用され、ここで、
   ｂ_Ｍｉｎ＝２＊ｄ_Ｍｉｎ
   である、
   請求項４に記載の方法。
6. 前記進行方向（ＶＲ）に沿った前記第１のビーム面（４）及び前記第２のビーム面（５）の前記面重心（４ａ，５ａ）間の距離ａについて、以下の関係式
   ａ≧ａ_Ｍｉｎ
   が適用され、ここで、
   ａ_Ｍｉｎ＝２＊ｄ_Ｍｉｎ
   である、
   請求項４又は５に記載の方法。
7. ワークピース厚さ（ｓ）の異なる複数のワークピース（３）が、レーザビーム溶接にかけられ、前記進行方向（ＶＲ）に沿った前記第１のビーム面（４）及び前記第２のビーム面（５）の前記面重心（４ａ，５ａ）間の距離ａは、より大きいワークピース厚さ（ｓ）を有するワークピース（３）のためにより大きく選択される、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記第１のビーム面（４）及び前記第２のビーム面（５）は、重なり合っている、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記第１のビーム面（４）及び前記第２のビーム面（５）は、互いに分離されている、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記第１のビーム面（４）は、前記進行方向（ＶＲ）を横切る方向に並んで互いに分離された少なくとも２つの部分ビーム面（３１，３２）を含み、特に、前記部分ビーム面（３１，３２）は、円形に形成されている、
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記第１のビーム面（４）は、前記進行方向（ＶＲ）に並んで互いに分離された少なくとも２つの部分ビーム面（７１，７２，７３）を含み、特に、前記部分ビーム面（７１，７２，７３）は、矩形又は輪形セグメント形状に形成されている、
    請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第１のビーム面（４）の前記進行方向（ＶＲ）において最前部の部分ビーム面（７１）及び前記第２のビーム面（５）の面重心（７１ａ，５ａ）の間の距離ａ’について、以下の関係式
    ａ’≧ａ_Ｍｉｎ
    が適用され、ここで、
    ａ_Ｍｉｎ＝２＊ｄ_Ｍｉｎ
    である、
    請求項４及び１１に記載の方法。
13. 異なるワークピース厚さ（ｓ）の複数のワークピース（３）がレーザビーム溶接にかけられ、前記進行方向（ＶＲ）に並んだ前記部分ビーム面（７１，７２，７３）の数ＮＶは、ワークピース厚さ（ｓ）の増加に伴って多くなるように選択される、
    請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記進行方向（ＶＲ）に並んだ前記部分ビーム面（７１，７２，７３）は、前記進行方向（ＶＲ）を横切って測定された、前記第２のビーム面（５）に向かって減少すべき縦方向延在長さを有する、
    請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記レーザビーム溶接は、貫通溶接として操作される、
    請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の方法。

Images