JP5577239B2 - 少なくとも二つの構成部品をクランプ留めするためのクランプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接装置において、少なくとも二つの構成部品をクランプ留めするための、クランプ装置に関している。

この種のクランプ装置は様々な印刷刊行物から公知である。例えば特許文献１は、加工部品用、特に、二部加工部品の縁周りの外周縁上に見えるプラスチック製接合面のレーザ透過溶接（Laser-Durchstrahlschweissen）用の溶接ブラケットを示している。第１の加工部品は、構成部品を吊り下げるためのキャリヤによって保持される。第２の加工部品にはクランプチャックが取り付けられて、接合面へクランプ圧を加えるために実際の溶接線の外側で保持される。

特許文献２に係る溶接装置では、圧力効果が水力、空気圧、圧延又は他の締め具によって生ぜられる。明確に、レーザビームの隣で照射領域に沿って進む圧力ローラが明らかにされている。このやり方の著しい不利益は、圧力ローラを動かすことによって、当該ローラの移動方向に沿って接線力が加えられるということである。この力は、レーザ照射が透過する接合相手内に張力を生ずる。さらに、加工部品表面にかかる圧力ローラによって上記表面の破損が、引き起こされるかもしれない。

特許文献３は、プラスチック容器の蓋用レーザ溶接装置を開示しており、当該蓋は、二重輪の形状をしたクランプ固定具によって溶接シームの領域内で容器縁上に押し付けられる。二つのクランプ輪間の間隙は、こうして完全にレーザ透過窓によって覆われ、それによって真下の領域は蓋が固定されたときに封鎖され、付加的に過圧される。この方法は、容器上に均等に蓋を据えさせることを目的としている。レーザビームは窓と、二つの輪間の間隙とを通り抜けて溶接領域に当たる。クランプ圧は、加工部品上方に設置された中心圧シリンダによってもたらされる。この構成は、溶接が必要なより小さい構成部品を目的としていない。

本発明の背景に関して、主要な使用領域で、つまり透過溶接でクイックルックが行われるべきである。ここで、必須なレーザ出力の溶接領域への伝達は、レーザビーム波範囲に対して完全に透過性又は少なくとも半透過性である第１構成部品の蓋を通り抜けて進むレーザビームによって成し遂げられる。レーザエネルギーは、少なくとも部分的に、下側の接合相手で吸収される。結果として生じる熱は、下側の接合相手を部分的に溶かす。第１構成部品である蓋も、第２構成部品である下側の接合相手から蓋への熱伝達によって部分的に溶ける。二つの接合相手間の結合が、溶接領域での圧力を介して結果として生じる。レーザビームは溶接シームに沿って相対的に移動する。

圧力効果を作り出すために、斯かる技術分野で進取的な状態を象徴する特許文献１は外側クランプ装置を開示しており、接合相手上における反対向きのクランプ力が溶接シームの一方の側に加えられる。これによって、溶接シームに沿って照射された接合相手上に溶接品質にとって欠陥である片側歪となる。圧力分布は溶接シームに向かって小さくなり、構成部品の外側変形を引き起こし得る。このようにして、溶解した部分が固化した後に溶接シーム内で又は溶接シームの隣で亀裂を生じ得る歪がプラスチック構造中に生じ得る。

さらに、構成部品での溶接シームの外側に外側クランプ装置を取り付けるための材料が殆んど無いか全く無い場合には、外側クランプ装置を用いることが困難である。

DE 199 24 469 A1 DE 195 10 493 A1 US 5 049 720 A

本発明の課題は、従来技術に対する上述した問題に基づいて、接合されるべき二つの構成部品をそれらの寸法に関係なくあらゆる場合にクランプ留めするということが可能で、問題の多い外側クランプ技術を不要にするクランプ装置を創り出す事にある。

この課題は、請求項１の特徴構成によって解決される。当該クランプ装置は、
− 工作機械であるレーザ溶接装置の、循環ビーム路の内側に配置された内側クランプ固定具であって、内側から構成部品をクランプ留めするためのクランプ面を有している、内側クランプ固定具と、
− 内側クランプ固定具を外側にあるクランプチャックと結合するための薄い結合支柱であって、ビーム路をレーザ溶接装置から構成部品まで通す、クランプチャック内の間隙を橋渡しする、結合支柱とを備えて構成される。

本発明は、レーザに基づいた工作機械において今まで、内側に位置するクランプ部品に関連する陰り効果のために用いられることの無かった内側クランプ技術を提案する。これに関連して本発明は、内側クランプ固定具を外側にあるクランプチャックに固定する薄い結合支柱によって生じるような、レーザビームの僅かな中断が、溶接シームにさほど有害というわけではないという発見に由来している。溶接シームの長さ方向に沿っても熱伝導が生じることから、結合支柱によって陰にされた領域にも十分なエネルギーが供給され、それによって接合相手双方の完璧な溶解と溶接が成し遂げられ得る。

本発明特有の内側クランプ、特に好ましくは外側クランプと組み合わせた内側クランプによって、クランプ圧力分布が全溶接シームに対し遥かに均一となり、溶接シーム内及び周辺で応力が低く抑えられることとなる。これは、溶接シームの均一性を改善し、且つ、より低いレーザ出力を用いて、所望の溶接結果を達成可能とした。これは、加工部品処理中のパルス回数（時間）減少という結果ももたらすことができる。

更に有利な実施形態にしたがうと、ビーム路を橋渡しする結合支柱によって外側の個々のクランプチャック上に配置された多数の個々のクランプ固定具によって、３次元構成部品の張力のために内側張力がもたらされる。好ましくは各結合支柱と共に内側クランプ固定具は、例えばピストンシリンダ駆動装置の形体をしたクランプ駆動装置によって圧力を加えられ得るクランプレバーの部分である。

本発明の好ましい実施形態、更なる特徴、詳細及び利点は、従属請求項及び添付の図面に基づいた以下の実施例の記述からもたらされる。

クランプ装置を有するレーザ溶接装置の斜視図である。 図１に図示した構成の側面図である。 構成部品の内側クランプを備えたクランプ装置の上面図である。 図３の交線IV-IVに対応するクランプ装置の断面図である。 図３の交線V-Vに対応するクランプ装置の断面図である。 組み合わさった内側及び外側クランプを有するクランプ装置の上面図である。 図６の交線VII-VIIに対応するクランプ装置の断面図である。 図６の交線VIII-VIIIに対応するクランプ装置の断面図である。 個々のクランプ固定具を備えて成る内側クランプ装置の、他の実施形態の側面図である。 個々のクランプ固定具を備えて成る内側クランプ装置の、他の実施形態の上面図である。

図１及び２が明らかとしているように、レーザ溶接装置は、全体として１で表示されているレーザ溶接ヘッドで作られており、その構成において従来技術であり、そのためこれ以上記載する必要はない。上記レーザ溶接ヘッド１は、スキャナーシステムとして、又は移動可能なコンター溶接ヘッド（Konturschweisskopf）として設計され得る。

スキャン装置２を介して、図２中点線で示したレーザビーム３は、以下に記載するクランプ装置５によって保持された加工部品４を処理するために規定されたビーム路１０（図３及び図６参照）を通過する。

図３〜５は、加工部品４の限定的な内側クランプ用クランプ装置５の構成を例示している。加工部品４は二つの構成部品から作られている、つまり、立方体様で上部が開いた下部構成部品６と、下部構成部品６の上部に載り且つ下部構成部品６の外側壁と同じ高さである蓋７とで作られている。後者である蓋は、レーザビーム３の波長に対して透過性で熱可塑性の材料で作られており、一方で下部構成部品６は、レーザビーム吸収性で熱変形可能な材料で作られている。レーザビーム３は、蓋７を通り抜けて、蓋の下縁８と下部構成部品６の上縁９から成る溶接領域内に入り、上述した透過溶接手法によって二つの構成部品６，７を一緒に溶解させる。

両構成部品６，７をクランプ留めするために、下部構成部品６は加工部品キャリヤ１８内に保持される。蓋７のため、図３、６中に点線で示されたレーザビーム路１０内にある内側クランプ固定具１１による内側クランプがもたらされる。内側クランプ固定具１１は、クランプ輪の形体で図３〜５中に示唆されたクランプチャック１６に、縦（長さ）側面１３及び横側面１４の上部中央に配置された結合支柱１５を用いることによって取り付けられる。結合支柱１５は、レーザ溶接ヘッド１から構成部品６，７までビーム路１０を通すクランプチャック内の間隙１７を橋渡しする。

それら結合支柱は、特に図３で分かるように、薄片状をしており、その平坦な主面がレーザビーム３の方向と本質的に平行で、それ自体垂直に延びている。さらにこの主面は、ビーム路１０に直角に存在し、それによってレーザビーム３は最小限だけ陰る。特定の用途のためには、斜め配置の結合支柱が示されてもよい。

内側クランプ固定具１１のクランプ面１２は、図４及び図５で分かるように、蓋７の形状に合わせられ、蓋の下縁８と下部構成部品６の上縁９との間の溶接領域に適用される溶接シームに合わせられる。このようにクランプチャック１６によって加えられたクランプ圧は、蓋７を介して、加工部品キャリヤ１８によって平衡を保たれた下部構成部品６で均一に分散される。

更に図３〜５中に図示されたように、間隙１７に面している内側クランプ固定具１１の表面は、狭い横側面１４とクランプチャック１６の対応する表面２０とでビーム方向に対して傾き、それによって間隙１７はレーザビーム３のビーム方向に対して円錐形に広がる。このようにしてレーザビーム３は、狭い側面の領域に溶接シームを形成する場合のように、平坦な角度であってすら、障害無く溶接領域に到達することが可能である。

図３に従った上面図から、凹部２２が、狭い側面を橋渡ししている２つの結合支柱１５での両平坦側面に見える。それらは結合支柱１５の形状をレーザビーム３の焦線に合わせるために用いられる。

図４及び５に対応する両断面描写から分かるように、一列に延び且つ反対方向に向いた各結合支柱１５は、全内側クランプ固定具１１を越えて延び且つ中央で切欠き２４にて交差する共有のストリップ形状の金属シート２３、２３’上に作られる。各金属シート２３、２３’は、その外側末端でリング様クランプチャック１６に固定される。また間隙１７内に於いて、金属シート２３、２３’はそれらの底部縁でくぼみ２５を有し、それによって、金属シート２３、２３’の面に対し斜めに進むレーザビーム３にとって陰り量が最小化される。両金属シート２３、２３’は、内側クランプ固定具１１の上部で覆い２６によって保持される。

図６〜８に示されたクランプ装置設計の場合、図３〜５で示された設計と比較して内側クランプがほとんど変更されていない。合致する構成部品には、同じ参照番号が付されており、さらなる説明を要しない。

図３〜５とは対照的に、図６〜８に示された設計では、内側クランプに加えて、クランプチャック１６の下側に取り付けられたクランプ輪２７によって実現された外側クランプを有している。これは、外側から加工部品４を捉え、クランプ開口部の内側周縁に沿って延びる固定要素２８によって上方から蓋７の縁に加工部品を固定する。上記内側クランプと共に、ビーム路１０の両側で蓋の下縁８と下側構成部品６の上縁９との間の溶接領域が、クランプ留めされる。

内側クランプ装置が図９及び図１０中に示されており、下側構成部品６上で蓋７を引っ張るために多数の内側クランプ固定具１１’が用いられる。そしてまた、これら内側クランプ固定具１１’は、薄いラック様結合支柱１５’によってクランプ装置の外側クランプチャック１６’に結合される。上面図（図１０）においてクランプレバー２９の凹部２２によって形成されたこれら結合支柱１５’を介して、レーザビーム３のビーム路１０は橋渡しされる。更に、ビーム焦線への結合支柱１５’の適応は、上下のくぼみ２５の結果として生じる。

クランプレバー２９自体は、詳細に示されてはいない加工部品収容部の外側に配置された支持体３０に、回転軸３１でピボット回転可能に支承されている。クランプレバーの、内側クランプ固定具１１’とは反対側で上側に曲がったレバーアーム３２上に、ピストンシリンダ駆動装置３４の各ピストンロッド３３が蝶番留めされている。ピストンシリンダ駆動装置３４によって、個々の内側クランプ固定具１１’は、クランプ留めされるべき構成部品、つまり蓋７を、下側構成部品６に対してレーザ溶接装置のビーム路１０に沿って作り出されるべき溶接シームの範囲内で上方から加圧するように、加圧され得る。ピストンロッド３３を引っ込めることによって、内側クランプ固定具１１’が上方にピボット回転され、それによって加工部品４はレーザ溶接装置から取り除かれ得る。

ラック様結合支柱１５’のために、レーザ処理ビームの陰りが、作り出されるべき溶接シームの欠損の恐れがない程度に僅かであるにもかかわらず、特に高い品質要求のために、ビーム路を横断する各クランプ固定具１１’は選択的に、ピストンシリンダ駆動装置３４によって上方へピボット回転されてもよい。

上記の全ての実施形態について、加工部品収容部を下方から付勢して、それによってクランプされるべき構成部品を一体になった内側クランプ固定具又は多数になった内側クランプ固定具１１’に押しやることによってクランプ圧を実行することができることに更に注目されたい。この場合、例えば図９及び１０に係る実施形態のピストンシリンダ駆動装置３４は省略される。

Claims (9)

1. レーザ溶接装置にて少なくとも二つの構成部品（６、７）をクランプ留めするためのクランプ装置であって、
   − 前記少なくとも二つの構成部品のうちの第１構成部品（６）を装着するためのキャリヤ（１８）と、
   − 前記少なくとも二つの構成部品のうちの第２構成部品（７）を固定して両方の構成部品（６、７）間の接合面（８、９）にクランプ圧をもたらすために各クランプ固定具を配置する、少なくとも一つのクランプチャック（１６）と
   を備えて構成されるクランプ装置において、
   − 各クランプ固定具が、前記少なくとも二つの構成部品（６、７）を内側クランプ留めするためのクランプ面（１２）を有し且つレーザ溶接装置のレーザビーム（３）の循環するビーム路（１０）に配置される内側クランプ固定具（１１、１１’）として設計されること、
   − レーザビーム（３）のための間隙（１７）が、前記クランプチャック（１６）内に形成され、各内側クランプ固定具（１１、１１’）を外側に位置する前記クランプチャック（１６）から分けていること、及び、
   − 前記内側クランプ固定具（１１、１１’）を外側に位置する前記クランプチャック（１６、１６’）に結合するためのすくなくとも一つの結合支柱（１５，１５’）が、溶接シームに沿って縦方向になされる熱伝導が結合支柱によって陰にされる領域に十分なエネルギーを与えることで、結合支柱によるレーザビームの僅かな中断が前記溶接シームに有害とならないほどに、薄く形成され、レーザ溶接装置のビーム路（１０）を前記少なくとも二つの構成部品（６、７）に適用可能とする前記間隙（１７）に橋渡しされること
   を特徴とする、クランプ装置。
2. 前記結合支柱（１５、１５’）が薄片状であり、その平坦な主面は、レーザ溶接装置のレーザビーム（３）に対して平行に延在することを特徴とする、請求項１に記載のクランプ装置。
3. 前記内側クランプ固定具（１１、１１’）のクランプ領域（１２）が、前記接合面（８、９）に対して平行に延在することを特徴とする、請求項１又は２に記載のクランプ装置。
4. 前記クランプチャック（１６）が、レーザ溶接装置の循環するビーム路（１０）の外側に配置された外側クランプ固定具（２７）を有し、この外側クランプ固定具（２７）が、前記少なくとも二つの構成部品（６、７）を外側クランプ留めするためのクランプ面（２８）を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のクランプ装置。
5. 前記内側クランプ固定具（１１、１１’）と前記外側クランプ固定具（２７）の少なくとも一方が複数の部品で作られることを特徴とする、請求項４に記載のクランプ装置。
6. 前記内側クランプ固定具（１１）を支えるために、前記結合支柱（１５）が、前記内側クランプ固定具（１１）内にはめこまれた二つの交差するシート金属ストリップ（２３、２３’）に形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のクランプ装置。
7. 三次元構成部品のクランプ留めのために、複数の個々の内側クランプ固定具（１１’）が各々、外側に位置する個々のクランプチャック（１６’）に、前記結合支柱（１５’）を介して配置されることを特徴とする、請求項１に記載のクランプ装置。
8. 前記クランプチャック（１６’）が各々、クランプ駆動装置によって付勢可能な、結合支柱（１５’）を保持するクランプレバー（２９）を備えることを特徴とする、請求項７に記載のクランプ装置。
9. 前記クランプ駆動装置がピストンシリンダ駆動装置（３４）であることを特徴とする、請求項８に記載のクランプ装置。

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