JP5383504B2 - レーザビーム溶接装置ならびにレーザビーム溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念によるレーザ溶接装置、ならびに請求項１１の上位概念によるレーザ溶接方法に関する。

公知のレーザ溶接装置では、レーザビーム源により発生されたレーザビームが２つのワークピースの間の接合ゾーンにフォーカシングされる。フォーカシングされるレーザビームの断面は円形であり、焦点直径は従来の適用では１５０から６００μｍの領域内を変化する。レーザビームが材料で吸収されると、発熱し、接合ゾーンに溶融を引き起こす。接合部幾何形状と材料特性に依存して溶解物が混合され、これにより凝固すると接合相手と結合される。溶接継目を形成するために、レーザビームないしレーザ溶接焦点とワークピースとの間で相対運動が行われる。すなわちレーザビームまたはワークピースが所定の送り速度で運動される。

例えば周溶接継目（半径方向溶接継目）を、２つのシリンダ状構成部材の外套に作製するために、構成部材は回転装置によってその対称軸を中心に回転され、一方、レーザビーム源および円形のレーザビーム溶接焦点は定置される。加工時間は、とりわけ加工速度の上昇とともに遠心力にますます影響するため制限されている。遠心力が大きくなると、接合ゾーンから溶融物が不所望にも吐き出されるようになる。公知のレーザビーム溶接装置のさらなる問題は、作製すべき周囲溶接継目の気密性に要求が課せられる場合、すなわち周囲溶接継目が周方向に閉鎖されていなければならない場合、ワークピースを３６０°回転しなければならないことである。したがって溶接角は３６０°よりも大きいが、このことによって溶接継目のオーバラップゾーンが形成される。このオーバラップゾーンは、レーザビーム溶接焦点により２回通過される。溶接継目の非対称性から構成部材の変形が生じ、このことは離心を生じさせ、構成部材に屈曲を引き起こす。その結果、とりわけ構成部材が燃料噴射弁である場合、正常に機能しなかったり、構成部材が破損したりする。

さらにDE 20 2005 015 263 U1から、多数のレーザダイオードがリング状に配置され、これによりリング状のレーザビーム溶接焦点を発生するレーザビーム溶接装置が公知である。ここでの欠点は、多数のレーザダイオードが必要なことと、レーザビーム溶接焦点の領域で均等に強度を分布させるのが非常に難しいことである。そのため、周囲溶接継目を作製する際には、継目相手またはレーザダイオード構成体の回転を諦めなければならない。

DE 20 2005 015 263 U1

本発明の課題は、有利には１つのレーザビーム源だけによってリング状の断面を有するレーザビームを発生することができ、この断面が少なくとも近似的に均等な強度分布を有するレーザビーム溶接装置ならびにレーザビーム溶接方法を提供することである。この装置および方法はとりわけ、周囲が閉鎖された半径方向継目をオーバラップなしで作製するのに適し、これにより溶接継目形成が非対称であることによる構成部材の変形が回避される。

レーザビーム溶接装置に関して、この課題は請求項１の特徴によって解決される。レーザビーム溶接方法に関して、この課題は請求項１１の特徴によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。明細書、請求の範囲および／または図面に開示された少なくとも２つの特徴を組み合わせることも本発明の枠内である。

本発明の基本的技術思想は、レーザビーム源により発生される、通常は円形の強度分布を有するレーザビームを、リング状の強度分布、すなわちリング状の横断面を有するレーザビームに光学装置によって変換することである。このために有利には１つのレーザビーム源だけが使用され、光学装置とは反対側にあるレーザビームはリング状の断面を備え、その作用横断面にわたって均等な強度分布を有する。リング状の横断面は有利には環形の輪郭を描く。しかしこのことは、光学素子の形状によるものであり、必須ではない。例えば楕円形状も考えられる。

本発明の改善形態では、光学装置により発生されるリング状のレーザビームが、実質的に半径方向で２つのワークピースの接合ゾーンに配向され、これにより周囲溶接継目ないし半径方向溶接継目が形成される。ここで偏向は必ずしも正確に半径方向である必要はない。すなわち、レーザビーム源により形成されたレーザビームの光軸に対して、ないしは溶接すべき構成部材の長手軸または対称軸に対して９０°で行う必要はなく、幾何形状の条件に応じて、０°＜α＜１８０°の角度領域で行うことができる。重要なことは、レーザビームが側方で少なくとも１つのワークピースに（すなわち外套面に）偏向されることである。周方向に閉鎖されたレーザビームが、少なくとも部分的に接合ゾーンにほぼ直角に当たると有利である。このように構成されたレーザビーム溶接装置によって、周囲が閉鎖された周囲溶接継目を、オーバラップゾーンなしで作製することができる。これにより構成部材の変形が回避される。接合ゾーンへのエネルギ供給は、溶接継目の全長に沿って均質かつ同時に行われる。さらにレーザビーム源ないし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相対運動を省略することができる。これによりプロセス速度を高めることができる。なぜなら不利な遠心力の影響がないからである。このレーザビーム溶接装置は、直径が＜６０ｍｍの領域の、変形にクリティカルなシリンダ構成部材を溶接するのに適する。しかし相応に出力が強力なレーザを使用すれば、それよりも直径が大きな構成部材も問題なく相互に溶接することができる。

本発明の有利な実施形態によれば、レーザビームを少なくとも１つのシリンダ状構成部材の外套面に偏向するための偏向手段は円錐ミラーとして構成されている。ここで有利には、ミラー面は円錐内側に配置されている。なぜならここで円錐ミラーは、少なくとも１つのワークピースを少なくとも領域的に外側で包囲するように配置することができ、これにより簡単に調整することができるからである。有利には円錐ミラーは、円錐底部の方向から照射される。しかし付加的にまたは択一的に、外側にミラー面を有する円錐ミラーを使用することも考えられる。この円錐ミラーは有利には少なくとも１つの構成部材の内側へ走行することができ、これにより周囲が閉鎖された周囲溶接継目をワークピースの内側に作製することができる。ここで円錐ミラーは有利には円錐先端の方向から照射される。円錐角を選択することによって、リング状のレーザビームの、少なくとも１つのワークピースへの側方での入射角を調整することができる。円錐ミラーは有利には、レーザビーム溶接装置の光軸に対して同心に配置される。これは有利には、回転対称円錐形である。円錐形から異なることにより、円錐形ではない接合ゾーンを照射することができる。

円錐ミラーを軸方向にスライドすることによって、レーザビーム焦点リングの直径が変化する。これによりこの直径を、少なくとも１つの加工すべき、とりわけ回転対称のワークピースの直径に調整することができる。

リング状の横断面を有するレーザビームを形成するために、本発明の改善形態では少なくとも１つのアクシコンが設けられている。アクシコンは、すくなとも部分的に円錐状の光学素子である。有利にはアクシコンは少なくとも軸方向に調整可能に配置されており、これによりレーザビーム焦点リングの入射角を少なくとも１つのワークピース上で変化することができる。

有利にはビーム路中にアクシコンの前方でコリメータが配置される。このコリメータによって平行なビーム経過が形成され、平行なビーム経過はアクシコンにより強制的にリング形状に変換される。有利にはコリメータは、垂直方向にも水平方向にも光軸に対して調整可能である。これによりレーザビーム断面での強度の均等な分布が保証される。

接合領域にフォーカシングされたレーザビームリングを形成するために、少なくとも１つの焦点レンズを備えるフォーカシング装置が、有利にはアクシコンと円錐ミラーとの間に配置されている。ここで接合ゾーンは、有利にはフォーカシング装置の焦点に直接配置される。

本発明の改善形態では有利には、レーザビーム源としてパルス制御されるレーザビーム源が使用される。ここでは高い出力を短いパルス持続時間で出力することができる。良好な結果は、約１５０Ｊの領域のパルスエネルギにより、約５０ｍｓのパルス持続時間で達成された。とりわけパルス制御されるビーム源を使用する場合、熱伝導溶接が行われる。この溶接ではワークピースが溶融され、アスペクト比（深さ対幅）が約１：１の半径方向継目が形成される。アスペクト比が１以上のキーホールを発生させるために、深部溶接プロセスを実現することも考えられる。

有利にはパルス制御されるレーザビーム源により形成されたレーザビームは光学装置に、光導波体によって供給される。有利には光導波体は光軸に対して垂直にも水平にも調整可能である。これによりシステム全体をセンタリングすることができ、レーザビーム溶接装置の光軸を基準にした焦点リングの傾斜位置を除去することができる。

プロセス観察のために、ビーム分配器を介してプロセスビーム路から観察ビーム路を分岐し、これをとりわけデジタルカメラに導くと有利である。観察領域全体を検出するために、観察ビーム路内にも有利には同様にアクシコンを配置する。ここでカメラを軸方向に配向することにより、カメラ画像を調整することができる。結像を改善するためには、十分な照明を保証しなければならない。さらに本発明の対象は、とりわけ円形のレーザビームをリング状のレーザビームに変換する溶接方法である。有利にはレーザ溶接方法は、前記のレーザビーム溶接装置により実施される。

本発明の改善形態では、溶接方法は方法ステップとして、リング状の横断面を有するレーザビームをワークピースに、半径方向溶接継目を形成するために偏向する。ワークピースの外套面への入射角は適用領域と所与の幾何形状に応じて、０°＜α＜１８０°に選択することができる。入射角は有利には、偏向手段として使用される円錐ミラーの円錐角を選択することにより、および／またはアクシコンの位置決めにより調整することができる。

流離には溶接過程中、ワークピースとレーザビーム源ないしリング状のレーザビーム溶接焦点との間で相対運動は行われない。すなわちそれらは相互に位置固定して配置される。

半径方向溶接継目を形成するためのレーザビーム溶接装置の概略的構造図である。

図１は、ワークピースを硬化するためにも使用することのできるレーザ溶接装置１を示す。レーザ溶接装置はレーザビーム源２を有し、このレーザビーム源は円形の横断面を有するパルス制御レーザビーム３を形成する。レーザビーム３は光導波体４を介して光学装置５へ、光軸６（Ｚ軸）に沿って供給される。光導波体４の合流領域７は、光軸に対して垂直かつ水平に（ｙ軸およびｘ軸に沿って）調整可能である（矢印Ａ）。これによりレーザビーム３のセンタリングを行うことができる。拡張されたレーザビームは、光導波体４の合流領域７に間隔を置いて配置された光学装置５のコリメータ８に入射する。このコリメータはレーザビーム３を視準化する。コリメータ８は、ｙ軸に沿って垂直にｘ軸に沿って水平に、光軸（Ｚ軸）に対する位置を調整することができる。これによりレーザビーム３’の強度を均等に分布させることができる（矢印Ｂの運動）。平行に配向されたレーザビーム３’は、軸方向にコリメータ８から離間して配置されたアクシコン９に入射する。アクシコン９は円錐状の入射面１０と、ビーム路に対して横方向に配置された放射面１１を有する。

アクシコン９は軸方向に光軸６に沿って調整することができる（矢印方向Ｃ／Ｚ軸）。これにより後で説明する入射角αを、軸方向に順次配置された２つのワークピース１２，２５（カバー２５と基体１２）上で変化することができる。２つのワークピース１２，２５は、図示しない調整装置によってすべての空間方向で調整することができる（矢印Ｇ）。

アクシコン９によって、平行に配向された円形状の横断面を備えるレーザビーム３’は、リング状の横断面を備えるレーザビーム３"に変換される。このレーザビーム３"は、焦点対物レンズ１３を有するフォーカシング装置１４を透過し、軸方向に離間された円錐ミラー１５に入射する。この円錐ミラー１５は内側にミラー面１６を有する。円錐ミラー１５はリング状レーザビーム１３"を半径方向内側へ、光軸６に対して角度αの下で、ワークピース１２，２５の側方接合ゾーン１７に偏向する。シリンダ状のワークピース１２，２５とフォーカシング装置１４は、リング状レーザビーム３"がワークピース１２，２５の側方接合ゾーン１７にフォーカシングされるように相互に離間して配置されている。円錐ミラー１５を光軸６（矢印Ｄ）に沿ってシフトすることにより、形成されるレーザビーム溶接焦点リング２６の直径を変化することができる。円錐角を選択することにより、レーザビームのワークピース１２への入射角を光軸６ないしワークピース１２，２５の対称軸に対して相対的に調整することができる。全接合ゾーン１７に同時に作用するレーザビームないしレーザビーム焦点リングによって、均質で対称性の周囲溶接継目が発生する。

内側ミラー１６を備える円錐ミラー１５の代わりに、外側円錐面を備える図示しない円錐ミラーを使用することもできる。この円錐ミラーは有利にはワークピース１２，２５内に進入し、レーザビームの偏向を図示のように半径方向内側に行うのではなく、半径方向外側に行う。

観察のため、およびとりわけコンピュータ支援された評価と個々の光学素子の調整のために、ビーム路にはコリメータ８とアクシコン９との間にビームスプリッタ１９が挿入される。このビームスプリッタ１９は平行な観察レーザビーム路２０’を形成する。この観察レーザビーム路２０’は第２のアクシコン２１に入射し、ミラー２２と焦点レンズ２３を介してデジタルカメラ２４に導かれる。そこで観察レーザビーム路は、第２のアクシコン２１により同様に円形リング状に結像される。最適に焦点合わせするために、デジタルカメラ２４は軸方向（矢印Ｆ）に調整可能に配置されている。

Claims (10)

1. レーザビーム源（２）と、レーザビーム路（２０’）に配置された光学装置（５）とを備え、ワークピース（１２）を相互に溶接するためのレーザ溶接装置（１）であって、
   前記光学装置（５）は、前記レーザビーム源（２）により発生されたレーザビーム（３）を、リング状の横断面を備えるレーザビーム（３"）に変換して結像し、
   前記光学装置（５）は、リング状横断面を備える前記レーザビーム（３"）を、周囲溶接継目の形成のために偏向する偏向手段を有し、
   前記偏向手段は、円錐ミラー（１５）として構成されており、
   前記円錐ミラー（１５）は、軸方向に位置変化可能に配置されているレーザビーム溶接装置において、
   前記光学装置（５）に向いた側の光導波体（４）の合流領域（７）が、前記レーザビーム源（２）により形成されたレーザビーム（３）を前記光学装置（５）に供給するために、ｙ軸およびｘ軸に沿って光軸（ｚ軸）に対する位置を変化するように配置されている、ことを特徴とするレーザビーム溶接装置。
2. 請求項１記載のレーザビーム溶接装置において、
   前記光学装置（５）は位置変化可能に配置されたアクシコン（９）を、レーザビーム源（２）により形成されたレーザビーム（３）をリング状の横断面を備えるレーザビーム（３"）に変換するために有する、ことを特徴とするレーザビーム溶接装置。
3. 請求項２記載のレーザビーム溶接装置において、
   前記光学装置（５）は、ビーム路中に前記アクシコン（９）の前方に位置変化可能に配置されたコリメータ（８）を、平行なビーム経過を形成するために有する、ことを特徴とするレーザビーム溶接装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一項記載のレーザビーム溶接装置において、
   前記光学装置（５）は、位置変化可能に配置された少なくとも１つのフォーカシング装置（１４）を有する、ことを特徴とするレーザビーム溶接装置。
5. 請求項１から４までのいずれか一項記載のレーザビーム溶接装置において、
   レーザビーム源（２）は、パルス制御されたレーザビーム（３）を形成するように構成されている、ことを特徴とするレーザビーム溶接装置。
6. 請求項１から５までのいずれか一項記載のレーザビーム溶接装置において、
   少なくとも１つのカメラ（２４）を備えるプロセス観察装置が設けられており、
   前記カメラは、レーザビーム路からビームスプリッタを介して分岐された観察レーザビーム路（２０’）を記録するように配置されている、ことを特徴とするレーザビーム溶接装置。
7. 請求項１から６までのいずれか一項記載のレーザビーム溶接装置（１）を使用するレーザビーム溶接方法において、
   レーザビーム（３）は、リング状横断面を備えるレーザビーム（３"）に変換される、ことを特徴とするレーザビーム溶接方法。
8. 請求項７記載のレーザビーム溶接方法において、
   リング状横断面を備えるレーザビーム（３"）は、半径方向溶接継目を形成するために偏向される、ことを特徴とするレーザビーム溶接方法。
9. 請求項７または８記載のレーザビーム溶接方法において、
   それぞれシリンダ部分を備えるワークピース（１２）が相互に溶接される、ことを特徴とするレーザビーム溶接方法。
10. 請求項７から９までのいずれか一項記載のレーザビーム溶接方法において、
    レーザビーム源（２）と溶接すべきワークピース（１２）は、溶接プロセス時に回転せずに配置されている、ことを特徴とするレーザビーム溶接方法。

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