JP5090463B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明はプラスチック、特にパイプ及びキャリア板でできている少なくとも２つの部品をレーザ溶接する方法に関する。

複数の異なる用途のために、２つのプラスチック部材を溶接することが必要とされ得る。例えば、２つのハウジング部品を溶接できる。例えば、チャージされた内燃機関のチャージエアクーラーのために用いられるプラスチック製熱交換器を製造するために、複数の個々のパイプの各端部にキャリア板を溶接することが必要とされ得る。ここで、極めて限られた空間で、複数の溶接継手が実行されなければならず、加えて、比較的密封されなければならない。

特許文献１から、熱交換器に、キャリア板に対して平面状に当接する、放射状に突出したフランジを有するプラスチックパイプを設けることは公知である。少なくともフランジの領域で、プラスチックパイプは、レーザ溶接の間、使用するレーザビームに対する比較的高い透過率を有する。それとは対照的に、キャリア板は、レーザビームに対する比較的低い透過率を有する。ここで、それがキャリア板の材料に達する場合にだけ、レーザビームはキャリア板に対して垂直なフランジを貫通することができ、吸収される。それによって、キャリア板及びフランジ間の界面で、所望の溶接場所を形成できる。周知の方法の実施のために、フランジは、それぞれのパイプよりもかなり大きい直径を有しているので、比較的大きい据付空間が必要である。

特許文献２から、２つのアルミニウム部品をレーザ溶接するための方法が公知である。ここで、熱交換器と１本のパイプとがそれぞれ、パイプがキャリア板と同一平面上になるまで、キャリア板に挿入される。それから、パイプの前側端をレーザビームによってプレートに溶接できる。

国際公開第２００７/０６５２７１号パンフレット 米国特許５,７４９,４１４号明細書

本発明は、上記課題に関し、上述したタイプの方法のために、特に、それが比較的小さい空間のみを必要とし、特に熱交換器のためのコンパクトな設計を実現できるという点を特徴とする、改良された実施形態を提案する。

この課題は、本発明にかかる独立項の主題によって解決される。有利な実施形態は、従属項の主題である。

本発明は、それぞれの溶接場所に屈折及び／又は反射による溶接作業の間、レーザビームを偏向させる一般概念に基づく。この段取りでは、レーザビームが、また、例えば現存の据付空間状態のためにレーザビームによって直接達することができない溶接場所に到達することができる。本発明は、それゆえに、レーザビームによって、線形直接突き合わせの従来の溶接方法により実現され得ない溶接プロセスの実行を可能にする。

レーザビームに対する浸透性部品が、それぞれの溶接場所に反射によってレーザビームを偏向させる少なくとも１つの反射面を有する実施形態が、特にこのために有利である。このため、それが外側から部品の領域による反射面上に、そして、それぞれの溶接場所に突き当たるレーザビームを導くように、反射面はそれぞれの部品に配置され得る。あるいは、レーザビームが反射面上へ内部から突き当たり、そうすると、部品内部からそれぞれの溶接場所に当たるように、それぞれの反射面を形成することもできる。反射面は、それゆえに、それぞれの部品の一体的な部分である。レーザビームの反射がそれぞれの迎え角によって調節可能であるように、この種の反射面は、例えば、全反射によって働くことができる。加えて、それぞれの反射面は、反射コーティングを有することができる。例えば、それぞれの部品は、少なくともそれぞれの反射面の領域において、適切な金属によって金属で覆われることができ、又は、電流を流され得る。

他の実施形態では、屈折面上へ外側から突き当たるレーザビームがそれぞれの部品に屈折面で貫入し、その後、部品内部からそれぞれの溶接場所に当たるように、レーザビームに対する浸透性部品は少なくとも１つの屈折面が形成され得る。それゆえに、迎え角の適切な調整によって、レーザビームは、所望の溶接場所の方向を目指すことができる。代替実施形態では、両方の部品がレーザビーム（特に半吸収効果）に対する吸収効果を有するという点で、本発明に基礎付けられた課題が解決される。２つの部品は、部品間に隙間が所定の隙間幅によって存在するように各々位置決めされる。レーザビームは、隙間幅に対して直角に走る隙間伸長部分と平行して隙間に照射され得る。このために、隙間の中で各々対向している２つの部品壁区分を十分な高温で加熱し、それらの半吸収特徴のために、それらが融解して互いに溶け合うことによって隙間が閉じるように、隙間の寸法は選択され、それぞれのレーザビームに適応する。本発明の更に重要な特徴及び効果は、従属項、図面及び図面に基づく形状の関連する説明に現れる。

これまでに述べ、又は後述する特徴が、それぞれ言及された組合せだけでなく、他の組合せや、本発明の範囲から外れないものに適用できることを理解すべきである。

溶接継手が作り出される領域の２つの部品を示す横断面図である。 異なる実施形態の図１相当図である。 図２の実施形態を示す斜視図である。 異なる実施形態の更なる断面図を示す図１相当図である。 複数の部品を有する溶接継手により接続される部品を示す平面図である。 反射器を示す平面図である。 反射器の領域の部品を示す断面図である。 異なる実施形態の図５相当図である。 反射器を示す拡大平面図である。 異なる実施形態を示す図８相当の平面図である。 異なる実施形態を示す図１相当の断面図である。 更なる実施形態を示す図１１相当図である。 更なる実施形態を示す図１相当図である。 別の実施形態を示すの図１相当図である。

本発明の好ましい例示的実施形態は、図面に示され、更に詳細に以下の記載において説明される。そこにおいて、同じ参照番号は、同一又は類似であるか、機能的に同一の部品に関連する。

以下に記載されているレーザ溶接方法は、主に２つの任意のプラスチック部材を接合することに適用できる。しかしながら、例えば、チャージエアクーラーとして用いられることが可能であるプラスチック製熱交換器を製造することが、特に関心を持たれている。したがって、１つの部品は、好ましくはプラスチックでできているパイプに関すると共に、他の部品は、好ましくはプラスチックでできているキャリア板に関する。概して、複数のこの種のパイプは、レーザ溶接方法によって、この種のキャリア板のそれらの終端のうちの少なくとも１つに接続固定される。

図１によれば、このようなレーザ溶接方法によって、第１部品１及び第２部品２を各々接続固定できる。第１部品は、単に典型的に構成され、概略の限定なく、例えばキャリア板１であり、第２部品２も概略の限定なく、例えばパイプ２に関する。ここでは、両方の部品１，２は、プラスチックで製造される。好ましくは、キャリア板１のプラスチックは、レーザ溶接のために使われ、矢によって象徴的に示されるレーザビーム３に対する比較的高い透過率を有するように選択される。主としてキャリア板１は、レーザビーム３に対して浸透性又は透明に設計され得る。それとは対照的に、パイプ２は、レーザビーム３に対して比較的低い透過率を有する。特に、パイプ２は、レーザビーム３に対する吸収手段で設計される。これは、例えば、プラスチックが、特に炭素粒子で黒く着色されるプラスチック材料を有することで達成され得る。しかしながら、レーザビーム３に対する透過率は、少なくとも図１〜１２の実施形態において、パイプ２よりもキャリア板１で高い。

本発明によれば、レーザビームは、それぞれ屈折又は反射によって以外は、直接それぞれの溶接場所に届かない。これは、結果として、必要な据付空間に関して有利となる。

図１は、具体的に、キャリア板１に組み込まれる丸い移行領域５を有する貫通開口部４を示す。貫通開口部４は、パイプ２の内部６に連通している。パイプ２は、挿入プロセスを容易にするために引込面取り部８を設けられ得るパイプ容器７に、軸方向に挿入される。貫通開口部４の領域において、キャリア板１は、内側へ放射状に突出し、パイプ２が挿入された状態において軸方向に当接するカラー９を有する。しかしながら、パイプ２と容器７との間に放射状に、公差に依存して変化できる環状隙間１０を見ることができる。この環状隙間１０の領域において、パイプ２とキャリア板１との間の環状に連続する円周溶接継手が行われる。図１４に示される実施形態を除き、環状隙間１０は必要でない。容器７へのパイプ２の圧縮嵌めが好ましいが、それは、公差に依存し、必ずしも達成され得ない。それゆえに、実施例は、一定の比率で描かれていないとして理解されるべきである。

このために、キャリア板１は、少なくとも１つの反射面１１を有する。反射面１１は、ここ容器７の領域で、キャリア板１の外側輪郭の適切に設計された領域により形成される。第１に、方向１２を示す折れ線に対応して、レーザビーム３は、パイプ２から向きがそれているキャリア板１の外壁１３上へ、パイプ２の長手方向と平行して突き当たることができる。キャリア板１の透明性のため、最初、レーザビームは、反射面１１に当たるまで、キャリア板１の中で伸びることができる。反射面１１は、キャリア板１及び周囲の領域（一般に空気）の材料との間に媒体転移（media transition ）により形成され、例えば、全反射によって働くことができる。レーザビーム３の伝播方向に関し、反射面１１は、反射面１１上にレーザビーム３が突き当たるときに、レーザビーム３がパイプ２に向かう方向へ偏向するようにレーザビーム３の全反射が起こるべく、選択される特定の傾斜角によって設けられる。そこで、レーザビーム３は、ここで丸によって示され、１４が付されるそれぞれの溶接場所に当たる。それから、この溶接場所１４の領域において、レーザビーム３は、パイプ２の吸収材料に当たる。それによって、パイプ２のプラスチック及びキャリア板１のプラスチックを融解するための熱が放たれる。パイプ２の回転対称の形状に対応し、連続する溶接継ぎ目が存在するまで、レーザビーム３は、回動手段の縦中央軸２８回りに導かれる。したがって、反射面１１は、またパイプ２の縦中央軸２８に関して回転対称で形成される。図１に示す実施形態において、レーザビーム３は、それゆえに反射面１１上の内部から突き当たり、キャリア板１内部からそれぞれの溶接場所１４に当たる。

図２は、レーザビーム３が外側から反射面１１上に突き当たり、それからキャリア板１の領域１５を通過し、それぞれの溶接場所１４に到着する他の実施形態を示す。前述の領域１５は、溶接継ぎ目を生成する間に溶け、パイプ２を有する溶接継手を生成する環状カラーによって、ここに形成される。本例において、キャリア板１上に、この反射面１１の実現のために、各貫通開口部４をそれぞれ囲んで又は縁取る環状反射材領域１６が形成される。貫通開口部４に嵌入されるパイプ２は、反射材領域１６に侵入し、カラー１５に当接する。反射材領域１６は、パイプ２に面している側に、特にパイプ２の縦中央軸２８に関して回転対称で形成される反射面１１を有する。

図３は、全周溶接継ぎ目１７を、カラー１５が実質的に完全に変形したもので製造した後の図２の構成の斜視図を示す。また、反射面１１及びパイプ２が、溶接継ぎ目１７によって、キャリア板１と接続されることを示す。

反射面１１の反射効果を改善することを可能とするために、主に反射面１１上へ適切な方法で、反射コーティングを塗布することができる。例えば、反射層は、金属で覆われることができるか、ラッカーを塗られることができるか、吹き付けられることができるか、又は、電流を流され得る。主に、反射コーティングを塗布するための追加的な手段なしで、反射面上のレーザビーム３の反射もまた全反射によって働く。

図４に示される変形例において、反射面１１の代わりに、少なくとも１つの屈折面１８が設けられる。屈折面１８は、またキャリア板１に形成され、レーザビーム３が外側からキャリア板１の材料を通って、この屈折面１８へ貫入され、屈折面１８によって、その方向を変え、キャリア板１の中で、それぞれの溶接場所１４へその新しい方向で進むという点も特徴とする。屈折面１８の傾斜角の適切な選択によって、そして、この屈折面１８上のレーザビーム３の傾斜角の対応する選択によって、レーザビームは、キャリア板１の中で系統的にそれぞれの溶接場所１４を目指すことができる。また、この屈折面１８が、パイプ２の縦中央軸２８に回転対称で伸びると有利である。

図１〜４の実施形態において、反射面１１又は屈折面１８は、それらの各々が１本のパイプ２に正確に割り当てられるように、それぞれキャリア板１に各々配置される。

ここで、図５〜９は、反射器１９が、複数の異なる溶接場所１４に達することができ、加えて、異なるパイプ２に配置され得る手段により用いられる実施形態を記載する。図５によれば、例えば、熱交換器２７の断面に示されるように、５本のパイプ２が簡略化された方法で図示される。更に、キャリア板１に、２つの反射器１９が設けられている。レーザビーム３は、横から反射器１９に達し、それゆえにパイプ２の縦中央軸２８と平行な方向に対して垂直に方向を変えることができる。反射器１９上の異なる反射面１１を照射すること、また、傾斜角度を変えることによって、複数の異なる溶接場所１４が複数のパイプ２に生成されることが可能であり、それにより、スペースが限られた状況であっても、所望の溶接継手を製造することができる。

図５に示す実施形態において、それぞれの反射器１９は、例えば、はちの巣構造を有し、その外壁に置かれて複数の異なる溶接場所１４に達することができる６つの反射面１１を有する。ここで、各々の反射面１１は、垂直にキャリア板１の平面まで伸びることができる。

それとは対照的に、図６は、５つの斜めの反射面１１を備えるプリズム反射器１９の拡大図を示す。図７によれば、この種の反射器１９で、レーザビーム３は、キャリア板１に対して主として垂直に、反射器１９の上に突き当たることができる。その後、それぞれの反射面１１によって、それぞれの溶接場所１４の方へ所望の屈折が生じる。本例においても、各々の貫通開口部４の領域で、キャリア板１は、カラー１５を備えている。カラー１５は、主にキャリア板１の一体化した部分であり得る。主に、別々の部品としてカラー１５を取り付けることも可能である。少なくともこのカラー１５の領域で、キャリア板１は、レーザビーム３の光のために浸透する。カラー１５は、溶接継ぎ目の生成の間、多少溶解してパイプ２とキャリア板１との所望の結合を提供する。

図８によれば、それぞれの反射器１９によって、複数の溶接場所１４と、特に複数のパイプ２とを、キャリア板１に溶接させることができる。連続的なとぎれない溶接継ぎ目を形成するために、相対運動が必要であることは、明らかである。このために、レーザビーム３は、キャリア板１と関連して移動することができる。図８によれば、複数のこの種の反射器１９は、複数のパイプ２をキャリア板１に溶接するために設けられ得る。

反射器１９は、主としてキャリア板１の一体的な部品となり得る。更にまた、それぞれのキャリア板１とは別に反射器１９を用意して、それらをそれぞれのキャリア板１に取り付けることも可能である。この際、反射器１９は、永久にキャリア板１に取り付けられることが可能である。また、一時的にだけ、すなわち、特に、溶接プロセスの用途にだけ、反射器をキャリア板１に取り付けることも可能である。

図９は、レーザビーム３がそれぞれの反射面１１に当たる迎え角を変えることによって、レーザビーム３を異なる溶接場所１４に当てることが可能であることを示す。同時に、それぞれのレーザビーム３の方向１２の中の行路長さが変化すると述べることができる。また、迎え角は、それぞれのレーザビーム３が、パイプ２の吸収材料上のそれぞれの溶接場所１４の中に最後に突き当たるように変化する。これによって、吸収効果及びそれゆえに異なる溶接場所１４の中の熱発現は、異なって発生することができる。ここで、それぞれのパイプ２の円周に沿って一律の溶接継ぎ目を得ることを可能とするために、レーザビーム３が、光路及び／又は光線角度に対する力に関して適合され得るように、溶接方法を実施することができる。例えば、レーザビームの力は、パルス周波数によって、そして、振幅により、調整され得る。このことにより設定され得る溶接パラメータは、望ましくは溶接温度と、更にはそれぞれの溶接場所１４へのレーザビーム３の露出時間とである。

図１０，１１及び１２は、再びキャリア板１上に、屈折面１８がそれぞれのパイプ１２に対して形成される実施形態を示す。図１０に示す構成によれば、個々の隣接するパイプ２は、各々の近くに相対的に位置決めされることができ、それによってコンパクトな設計を実現することができる。図１１及び１２によれば、レーザビーム３は、キャリア板１の平面に関して、比較的大きな角度により伝播され得る。図１２に示す実施形態において、レーザビーム３は、それゆえにパイプ２の縦中央軸２８と平行して、キャリア板１の平面と実質的に直角をなすように方向を定められる。回転対称及び円錐又は先細の屈折面１８に突き当たると、レーザビーム３は、キャリア板１の材料に、すなわち屈折面１８を形成するためにキャリア板１に設けられて、それぞれの貫通開口部４を囲むカラー１５に向かって、その方向１２に沿って貫入する。屈折面１８の媒体転移で、レーザビーム３の所望の屈折が起こり、それによって、レーザビーム３の伝播方向は変化する。示された実施形態において、レーザビーム３は、パイプ２に向かう方向において、それぞれ屈折するか又は偏向する。それから、それぞれカラー１５又はキャリア板１の材料の範囲内で、レーザビーム３は、それぞれの溶接場所１４まで伸びる。

図１２によれば、屈折面１８に沿ったレーザビーム３の位置を変化させることができ、それによって発生する溶接継ぎ目のための深さ効果を実現できる。例えば、パイプ２の軸方位において、比較的広い溶接継ぎ目を実現できる。図１２において、半径方向において異なる３つの位置がレーザビーム３に対して具体的に示され、それによって３つの溶接場所１４に、それらの境界で互いに流れ込んで達することができる。

図１２から、隣接するパイプ２が各々の極めて近くに配置され得ることが理解できる。例えば、それらの距離２０は、それらの外径２１よりも小さいか、又は、それらの内径２２よりも小さい。

上述した実施形態において、反射面１１は、溶接プロセスの間、少なくとも直接キャリア板１上で利用可能である。ここで図１３に、キャリア板１の一体的な部分でないが、再び反射器１９が用いられる実施形態を示す。反射器１９は、ここで、むしろパイプ２に割り当てられる。このために、反射器１９は、溶接プロセスのために、パイプ２に挿入される別々の部品を形成する。本実施形態において、パイプ２はレーザビーム３に対するより高い透過率により設計され、キャリア板１がレーザビーム３を吸収するように設計される。反射器１９は、ここでピン形状に形成され、複数の反射面１１が形成され得る反射器頭部２３を支える。最後にキャリア板１とパイプ２との間に閉じた環状溶接継ぎ目が形成され得るように、レーザビーム３はそれから個々の反射面１１を目標とすることができ、それらを異なる角度に向けることができる。加えて、主に反射器頭部２３上の１つの反射面１１だけで働くことが可能であり、反射器１９を回動手段で駆動することができ、それによって、適当な構成で、基本的に定常であるレーザビーム３のために、環状走向を、所望の閉じた環状溶接継ぎ目を生じるために実現することができる。例えば、反射器１９のピン形の円筒形本体が、その長手方向に関して約４５度の角度で切断されるように、反射器頭部２３を実現できる。これによって、レーザビーム３の軸方向衝突時に、レーザビーム３に対する実質的に放射状に偏向させる方向１２を生成できる反射面１１がつくられる。パイプ２の縦中央軸２８に反射器１９を同軸に回転させることによって、キャリア板１上のレーザビーム３の衝突の方向又は位置は、円形に移動し、閉じたリングを形成する。

図１４に示す実施形態において、２つのプラスチック部品、ここではキャリア板１及びパイプ２が、半吸収に設計される。これは、各々のこれらのプラスチック部品１，２が、少なくともレーザビーム３に対する特定の被吸収性を有することを意味する。ここで、少なくとも、キャリア板１は、完全吸収ではなく、少なくともレーザビーム３に対する部分的な透過率を有する。溶接方法を実施するために、それらの間、つまりキャリア板１とパイプ２との間に、隙間１０が再び発生する（図１参照）ように、２つの部品１，２がそれぞれ位置決めされる。しかしながら、この隙間１０は、パイプ２の縦中央軸２８に関して放射状に測定される所定の隙間幅２４を有する。レーザビーム３は、ここで隙間の１０の伸び方向２５と平行して照射され、隙間１０に向かって、横向きに隙間幅２４まで伸びる。前述の伸び方向２５は、二重矢印によって図１４において示され、パイプ２の縦中央軸２８と平行して伸びる。レーザビーム３は、それゆえに、隙間１０にパイプ２の縦中央軸２８と平行して照射される。パイプ２とキャリア板１との間に所望の溶接継手を生成できるために、隙間幅２４とレーザビーム３とは正確に相関している。特に、隙間幅２４は、レーザビーム３の直径にほぼ等しく、そこにおいて、直径は詳細にここでは限定されない。特に、隙間幅２４は、レーザビーム３の直径よりも最大で１０倍大きい。キャリア板１及びパイプ２の半吸収材料と関連し、一方ではパイプ２の、他方ではキャリア板１の、隙間１０の中で互いに対向している壁断面で所望の加熱が起こる。これによって、壁断面は、表層で溶け、図１４に示す溶接継手２６を生成するために互いに溶け合うことができる。

図１４に示す実施形態において、またカラー９は、それが軸方向にキャリア板１の貫通開口部４に挿入されるときに、パイプ２が軸方向に当接できるように設けられる。この点で、カラー９、それゆえにキャリア板１の一体的な部分は、キャリア板１の上面１３又はパイプ２から向きがそれている外壁１３に関する隙間１０を覆う。ここで、レーザビーム３が、キャリア板１のこの領域（カラー９）を通って、隙間１０へ照射され得ることは注目すべきである。これは、キャリア板１のために選択される半吸収又は半透明の特徴を有する材料によって可能にされる。

Claims (1)

1. プラスチック製のパイプ（２）及びキャリア板（１）でできている少なくとも２つの第１及び第２部品（１，２）をレーザ溶接する方法であって、
   上記第１部品（１）は、少なくとも特定の領域で、レーザ溶接の間に使用するレーザビーム（３）を透過可能な透過率を有し、
   上記第２部品（２）は、少なくとも特定の領域で、レーザ溶接の間に使用する上記レーザビーム（３）を吸収可能な透過率を有し、
   上記第１部品（１）の上に又は中に、上記それぞれの溶接場所（１４）に反射によって上記レーザビーム（３）を偏向させる少なくとも１つの反射面（１１）を形成し、
   上記レーザビーム（３）は、外側から上記反射面（１１）上に突き当たり、上記第１部品（１）の領域（１５）を通過して上記それぞれの溶接場所（１４）に当たり、
   上記それぞれの反射面（１１）は、反射コーティングを有する及び／又は全反射によって働き、
   上記レーザビーム（３）は、
   その力に関し、
   そのパルス周波数及び振幅が、
   それぞれの反射面（１１）又は屈折面（１８）からのそれぞれの溶接場所（１４）への光路長さ並びに、対向する反射面（１１）及び／又は屈折面（１８）の光線角度に合わせ、
   異なる溶接場所（１４）で、溶接温度及び露出時間を調整して一律の溶接継ぎ目を得るように、調整される
   ことを特徴とする方法。

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