JP5389822B2 - キーホールを安定化させることのできるノズルを使用するレーザー溶接法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザービーム溶接において使用されるように設計され、適合され且つ作られたノズル、より単純には「レーザーノズル」と呼ばれるノズルを使用するレーザー溶接方法に関する。前記ノズルは、ノズルがレーザービ−ム溶接方法において使用されたときに、それを通して一方ではレーザービームが他方ではガスが通り抜け、液体金属プールの流体力学をよりよく制御することを可能にする特定の形状を有している。

レーザービーム溶接は、様々な材料、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム及び軽合金などを取り付けるために工業的に広く使用されている周知の方法である。

概略的に述べると、レーザー溶接方法を実施するために、レーザー源又は発振機がレーザービームを発振させるのに使用され、このレーザービームは光ファイバを介して又は他の光学的手段、例えば鏡、レンズなどを介して、溶接されるべき１つ以上の部品へと運ばれる。このビームのエネルギーは、構成部品を溶融させるのを可能にし、こうして、冷却後に、溶融されるべき部品の間に溶接ビードを得ることを可能にする。

溶接ビードの大気不純物による汚染を防ぐため、通常、シールドガスが溶接部を保護するのに使用される。選択されるシールドガスの種類は、特に、溶接されるべき部品を構成する材料の性質に依存するが、ヘリウム、アルゴン、窒素、ＣＯ₂、酸素、水素（ある程度まで）及びこれらの混合物などのガスが従来使用されている。

シールドガス及びレーザービームを送出するために、「レーザーノズル」と一般に呼ばれているノズルが通常使用されている。

レーザー溶接機で使用されるレーザーノズルは、従来、円筒形状、円錐形状又はテーパー形状であり、それらの中心部に中央通路が開けられており、レーザービームがこれを通り抜け、シールドガスが溶接部の上方にレーザービームと同軸で供給されるようにこの中に導入される。

このタイプのノズルは、シールドガスがレーザービームと溶接しようとする材料との間の相互作用の領域の近くに供給され、それを不活性にすることを可能にする。この領域を不活性にすることは、溶融金属プールを大気による汚染から防ぎながら、レーザービームと材料との間の結合を有効にする。

しかしながら、ガス流は通常は層流で遅い。実際のところ、このタイプのノズルにより供給されるガスジェットは、動力学的な力を溶融金属プールに及ぼすものではなく、溶接中に形成する溶融金属プールの流体力学的な流れに影響を及ぼすものではない。

これらのタイプの遅い流れは、標準的な使用条件下で、良好な溶接結果をもたらす。しかしながら、これらのタイプの流れを用いる場合、例えば、亜鉛などで被覆された複数の金属板からなり、それらの間に遊びのないスタックの溶接など、レーザー溶接が不可能な多くの溶接構造体が存在する。

本発明の目的は、特定の溶接ノズル、即ち、動力学的ガスジェットを発生させることができ且つこれを発生させるように設計されたノズルを用いる改善された溶接方法を提供することにある。前記動力学的ガスジェットは、実際のレーザー溶接中に、溶融金属プールと機械的に相互作用をし、更には、このプールの流体力学的な流れと、それによるレーザービーム溶接方法の効率との好適な制御を可能にする。

また、本発明の目的は、場合に応じて、従来の方法よりも好適な溶け込み及び／又は好適な溶接の質、特に優れた冶金学的な質を得ることを可能にする、及び／又は、溶接中に放出された金属蒸気、特に被覆金属板の溶接中の亜鉛蒸気の好適な排気を得ることを可能にする、及び／又は、複数の金属板からなるスタックなどの難しいとされている溶接構造体を溶接させることを可能にするか、若しくは更に幾つかのアセンブリを溶接する場合に溶接速度を高めることを可能にするレーザー溶接方法を提供することにもある。

本発明の解決策は、少なくとも１つの上部表面と、下部表面と、周縁壁とを有し、軸（Ｘ−Ｘ）をもつノズル本体から形成されたレーザービーム溶接ノズルを用いるレーザービーム溶接方法であって、
−ノズル本体の上部表面から下部表面まで延び、前記周縁壁の表面に対して窪んだ外側チャネルを形成するようにノズル本体の周縁壁に設けられた軸方向の切り込みと、
−ノズル本体を貫通して上部表面と下部表面との間に開けられた複数の内側通路と
を備えたノズルが用いられることを特徴とする方法である。

実際のところ、このようなレーザー溶接ノズルを使用することは、溶接キャピラリ及び溶融金属プールと機械的に相互作用をして、溶融金属プールを支持するキャピラリの背壁を押し下げることと、前記キャピラリの口を拡げることと、前記プールの流体力学的な流れを変えることとが可能な動力学的ガスジェットを発生させることを可能にする。実際、レーザーノズルを通して供給されるガスジェットは、キャピラリの口を、ビーム径の少なくとも１倍の深さに亘り、このレーザービームの径の少なくとも２倍に拡げる。

場合に応じて、本発明の方法は、以下の特徴のうちの１つ以上を含むことがある：
−ノズル本体は、半円錐台の全体形状を有しており、前記ノズル本体の周縁壁は、平坦な周縁表面を備えており、そこに外側チャネルを形成する軸方向の切り込みが設けられている；
−ノズルは、２乃至１０個の内側通路、好ましくは３乃至５個の内側通路を有している；
−ノズルの軸方向チャネルは、レーザービームを通すように形成されている；
−ノズルの複数の内側通路は、軸方向チャネルから等距離に開けられている；
−内側通路の径は、０．５ｍｍ乃至５ｍｍ、好ましくは１．５乃至２．５ｍｍである；
−ノズルの内側通路は、ノズルの軸（Ｘ−Ｘ）に向けられている；
−ノズルの内側通路の勾配は、水平面に対して、１０°乃至８０°、好ましくは３０°乃至６０°、より好ましくは４０°乃至５０°である；
−ノズルの内側通路の長さは、５ｍｍ乃至２００ｍｍ、好ましくは２０乃至１００ｍｍ、より好ましくは３０乃至５０ｍｍであり、内側通路の長さは、各内側通路がノズル本体の上部表面と下部表面との間を横切った距離である；
−ノズル本体の上部表面は、ノズルを支持体に、特にレーザー装置に固定するための固定デバイスを有している；
−ノズルは、レーザービーム溶接機に固定されている；
−ノズルの軸方向チャネルにレーザービームが通され、ノズルの内側通路にガス又はガス混合物が通される；
−ヘリウム、アルゴン、窒素、二酸化炭素、酸素、精製した空気及びこれらガスの混合物から選択されるガスが使用される；
−複数の金属板からなるスタックが溶接される；
−複数の被覆金属板が溶接される；
−複数の亜鉛被覆金属板が溶接される；
−レーザービームは、ＣＯ₂レーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、ダイオードレーザー又はイッテルビウムドープファイバレーザータイプのレーザービーム発振機によって発振される。

例として挙げた以下の説明を添付の図面を参照しながら考慮することでより良く理解されるように、本発明はレーザーノズルに関するものであり、その本体１は、「セミアキシャル」デザインであって、レーザービームのための軸方向チャネル２と前記軸方向チャネル２から等距離にある複数のガス注入通路３とを有している。前記ガス通路３を通して供給される様々なガスジェットの衝突点は、レーザービームとの相互作用の領域の付近に向けられている。

換言すると、本発明の方法において使用されるレーザーノズルは、上部表面６と、下部表面７と、前記上部表面６から下部表面７まで延びた略テーパー状の周縁壁５とを有した、軸Ｘ−Ｘをもつノズル本体１から形成されている。

図１ａ及び１ｂに示すように、軸方向の切り込み２は、ノズル本体１の上部表面６と下部表面７との間に延びている。この切り込みは、ノズル本体１の周縁壁５に設けられており、有利には、この壁５の直径壁４を形成する平坦な部分に設けられている。この切り込み２は、その全長に亘って、外側に開いたチャネル、即ち、ノズル本体１の周縁壁５の平坦な直径表面４に対して窪むように位置しており、その内部がその全長に亘って周囲大気と連通しているチャネルを形成している。

切り込み２は、レーザービームが上部表面から下部表面に延びる方向でそれを横切るように、寸法が決められ且つ適合されている。

ガスを運ぶための複数の内側通路３は、ノズル本体１の上部表面６と下部表面７との間に開けられている。

内部通路３は、ノズルのＸ−Ｘ軸に向けられてもよい。

これら通路３を通して供給されるガスジェットは、動圧力を溶融金属プールと蒸気のキャピラリ又はキーホールとに及ぼすことによって、レーザー溶接方法を制御することを可能にする。

本発明に係る方法において使用されるノズルの１つの実施形態を、図１に示す。このノズルは「セミアキシャル」である、即ち、それは、円周の半分のみに亘って概してテーパー状の形状を有し、且つ、その直径の領域に配置された直径壁４とも呼ばれる平坦な壁４を有している。

好ましくは、ガス注入通路３は、軸方向通路２の周りの半円環に沿って対称に位置している。オリフィスの径は、０．５ｍｍ乃至５ｍｍ、好ましくは１．５ｍｍ乃至２．５ｍｍである。注入通路３の数は、１個乃至１０個、好ましくは３個乃至５個である。

注入通路３の勾配は、ノズルのＸ−Ｘ軸に垂直な水平面に対して、１０°乃至８０°、好ましくは４０°乃至５０°である。注入通路３の長さは、５ｍｍ乃至２００ｍｍ、好ましくは３０乃至５０ｍｍである。

ノズル本体１の上部表面６は、ノズルを支持体に、特にレーザー装置に固定させるための固定デバイス８を有している。固定デバイス８は、例えば、ノズル本体１の上部表面６に載っているねじ部品又はリングでもよく、これは、レーザービームをレーザー発振機からノズルへと運ぶ光路の末端に接続、例えばねじ留めされることが可能である。

図２に示すように、「セミアキシャル」ノズルＢは、レーザービームＡの直近に位置しており、一方で溶接されるべき金属板Ｃの上方に、１ｍｍ乃至４０ｍｍ、好ましくは５ｍｍ乃至１０ｍｍの高さＤを以って位置している。

ノズルＢは、２通りの方法で、レーザービームＡに関して中心に置かれるであろう。即ち：
−径が１ｍｍ未満の孔をもつ予め穿孔されたプレートを使用し、前記孔の中に（一般にはＨｅ／Ｎｅタイプの）位置確認レーザービームを、パワーレーザービームに完全にアライメントさせて位置決めさせる（グラフ１ａ）。

−（一般にはタングステン製の）リジッドチップを使用し、これをガス注入チャネル内に滑り込ませる。その後、レーザービームをこのリジッドチップの末端に位置決めさせる。

一般に、ガス通路３は、線状溶接方法の間、レーザービームＡの移動軸に関して対称に配置される。

にもかかわらず、レーザー溶接方法が僅かな方向変換（非線状溶接軌道）を必要とすることがわかっている場合でも、ノズルＢをその軌道に垂直となるように再度位置決めする必要はない。セミアキシャルノズルＢの多くの注入通路３は、非対称な移動にもかかわらず溶接方法を安定化させる。これは、図３に概略的に示されており、これは５つの注入通路３（図３ａ）、３つの注入チャネル３（図３ｂ）、および２つの注入チャネル（図３ｃ）をもつ幾つかのノズルＢを上から見た図である。ベクトルＶ１は、レーザービームＡの速度に対応しており、ベクトルＶ２は、ノズルＢのそれに対応している。ノズルＢは、変化を溶接軌跡の方向にする、即ちベクトルＶ１及びＶ２の間の角度の値を、約±１°乃至±４０°、好ましくは±５°乃至±２０°にすることを可能にする。

通路３から噴出されるガスジェットは、ノズルＢが溶融プールの上方に位置している状態で、キャピラリの前面に向けて方向付けられ得る（図３ａ及び３ｂ）が、このジェットは、溶融金属プールの直上にあるキャピラリの背壁に向けられてもよい（図３ｃ）。

レーザー溶接のために通常使用される全てのガス、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素、二酸化炭素、酸素、精製した空気及びこれらガスの考えられる全ての混合物が、このノズルＢと共に用いられ得る。

オリフィスの各々に注入されるガス流は、互いと独立して、１ｌ／分から５０ｌ／分の間、好ましくは１０から２５ｍｌ／分の間で変化し得る。

ガスジェットの軸は、一般的にノズルＢの注入チャネル３の軸によって特徴付けられる。ジェットの軸と入射レーザービームＡの軸との交点は、好ましくは、溶接されるべき金属板の表面に作られる。一般に、この配置は良好に作動するが、それは用途及びキャピラリに対する又は溶融金属プールに対する所望の動力学的効果に応じて変更されてもよい。

このようにして、ノズルからのガスジェットのいくつかを金属板の表面で合わせ、他のジェットを金属板の表面の下にある溶接キャピラリのより低い高さに合わせることができる。この技術は、中でも、優れた金属蒸気の排気を可能にしつつ、ビードの溶け込みを向上させ、その質を高めることを可能にする（図４参照）。

ガス通路３の向きは、所望される結果に応じて選択される。

例えば、それらの向きを賢明に選択することによって、溶融金属プールをキャピラリの前面から遠くに押し下げて、キャピラリの口を移動に対して長さ方向に引き伸ばすことができる。これは、レーザー溶接方法によって生じる金属蒸気の、キャピラリの外側へのより良好な排気を可能にする。これは、溶接部の冶金学的な質を高め、溶接速度を僅かに高める（〜１０％だけ）。このようにして、新規なレーザー溶接配置、例えば、金属シート間に遊びのないスタックの形態で位置している被覆（亜鉛その他）金属板のレーザー溶接が、このタイプのノズルによって達成できるようになる。実際のところ、キャピラリの口の引き伸ばしは、はじめはスタックされた金属板の界面に局在していた亜鉛蒸気の良好な排気を可能にする（図５参照）。

また、比較的大きな動力学的な力を直接及ぼすことも可能である。これはその後、対流的な熱交換における変更及び溶接における等温線を生じさせる。これは、溶け込みの僅かな減少を伴ってビードを広げることを可能にする。

また、複数のジェットの１つが、金属板の表面の数ミリメートル下、金属板の厚さに応じて典型的には１ｍｍ乃至３ｍｍ下にあるキャピラリの前面に直接ぶつかり、一方で他のジェットが垂直に方向付けられて、キャピラリ及びビードの溶け込みに関与することもある（図６参照）。

通路３の向きは、互いに異なる向きの複数のチャネルを有する複数のノズルを機械加工し、これらのレーザー溶接ノズルを試験することによって、経験的に選択してもよい。

各々の内側通路３の径は、各々の通路の全長に亘って同様でもよいし、変化してもよい。例えば、上部表面６に設けられた各々の通路３の入口のオリフィスの径は、ノズルの下部表面７に設けられた出口の径よりも大きくてもよい。

同様に、通路３又はそれらの入口若しくは出口のオリフィスは、互いに同じでもよいし異なっていてよい。即ち、例えば通路３の径は他の通路３の径よりも大きくてもよい。

ノズル本体は好ましくは中実であり、金属又は金属合金、好ましくは銅又は真鍮の合金から形成されている。

非限定的な例として、ノズルは、高さが２乃至３０ｃｍであり、例えばその平坦な直径表面４で測定した最大径が１乃至１５ｃｍでもよい。

本発明の方法において使用されるノズルは、様々な構造体、特に金属板及び様々な材料からなるスタック、特に亜鉛被覆金属板からなるスタックの溶接のために使用され得る。したがって、これは自動車製造の分野における使用に特に適している。

本発明の方法は、レーザー溶接ノズルを自動溶接機に搭載することによって実施され得る。

Claims (11)

1. 少なくとも１つの上部表面と、下部表面と、周縁壁とを備え、軸をもつノズル本体から形成された、レーザービームによって溶接するためのノズルを用いるレーザー溶接方法であって、
   −前記ノズル本体の前記上部表面と下部表面との間に延び、前記周縁壁の表面に対して窪んだ外側チャネルを形成するようにノズル本体の周縁壁に設けられた軸方向の切り込みと、
   −ノズル本体を貫通して前記上部表面及び前記下部表面の間に開けられた複数の内側通路と
   を備えたノズルを用い、
   前記ノズル本体は平坦な周縁表面を有し、そこに外側チャネルを形成する前記軸方向の切り込みが設けられている
   ことを特徴とする方法。
2. 前記ノズル本体は半円錐台の全体形状を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ノズルは、２乃至１０個の内側通路を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ノズルの前記軸方向チャネルは、レーザービームを通すように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ノズルの前記複数の内側通路は、前記軸方向チャネルから等距離に開けられ、及び／又は前記内側通路の径は０．５ｍｍ乃至５ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記ノズルの前記内側通路は前記ノズルの前記軸の方向に向けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記ノズルの前記内側通路の勾配は水平面に対して１０°乃至８０°であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記ノズルの前記内側通路の長さは５ｍｍ乃至２００ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. レーザービームが前記ノズルの前記軸方向チャネルに通され、ガス又はガス混合物が前記ノズルの前記内側通路に通されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. ヘリウム、アルゴン、窒素、二酸化炭素、酸素、精製した空気及びこれらのガスの混合物から選択されるガスが使用されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の溶接方法。
11. 複数の金属板からなるスタックを溶接することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の溶接方法。

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