JP5864557B2 - 金属薄板部分をレーザ接合する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、フランジを備えた金属薄板部分、特にボディ構成部分をレーザ接合する方法および装置に関する。

接合、特にレーザ接合のためには、接合したい金属薄板にフランジ、すなわち折り曲げられた縁部を設けることができる。こうして、結合フランジを形成することができる。このような結合フランジでは、結合させたい金属薄板のフランジ同士が平らに重ね合わされて、１つのフランジ平面を有する接合継手を形成している。

重ね継手（Ueberlappstoss）におけるＩ型シームのレーザ溶接は、ボディ製造において久しく以前より確立されている。たとえば、ドア乗車口において、またはルーフ縁部に沿って溶接シームがこの原理により形成される。この場合、たいてい「フライングオプティクス（Fliegend. Optiken）」が、定位置固定式または連動式もしくは移動式の緊締技術と相まって使用される。この方法の特別な変化形は、防食層の蒸発性の亜鉛のための脱気条件に影響を与え、こうしてシーム品質を改善するという目的を持っている。以下に、幾つかの方法を例示的に挙げる。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４０４４６０１号明細書に開示されている方法では、連動式の緊締エレメントを意図的に取り付けることにより、重ね合わせ部において、脱気ギャップが生ぜしめられるように金属薄板が変形させられ、これにより溶接品質が改善される。たとえばドア角隅部におけるＲ部での、真っ直ぐではないシームでは、規定されたギャップ形成を実現することが困難である。この方法では、多重継手はコントロール不可能である。

ドイツ連邦共和国特許第１０２４８９５５号明細書に開示されている方法では、脱気装置と相まって、連動する緊締技術によって２つのレーザビーム、すなわち上方から到来するレーザビームと、下方から到来するレーザビームとを使用することにより、３枚の金属薄板の結合が可能となる。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４０４１５０２号明細書に開示されている方法では、レーザ放射線を変調させることにより、蒸気毛細管（キーホール）が安定化され、改善された溶接結果が生ぜしめられる。必要となる変調特性を求めることは、主として経験による求めに頼られており、このことは、具体的な構成部分のための変調特性値を求める際に若干の手間を必要とする。

重ね継手におけるＩ型シームの不都合を回避するために、しばしば重ね継手においてすみ肉溶接が使用される。特に、重ね合わせ範囲における金属薄板の配置の特別な構成により、脱気を改善することができる。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２６１５０７号明細書に開示されている方法では、重ね合わされた金属薄板が、溶接シーム範囲において鋭角の角度で互いに当接し、一方の金属薄板の湾曲部の範囲または湾曲部の近傍において溶接シームが、すみ肉溶接シームとして形成される。すみ肉溶接シームを形成するための接合継手に関してレーザスポットを位置決めする際の所要の精度を実現するために、ドイツ連邦共和国特許第１０００６８５２号明細書に記載の方法では、線材の形の付加材料が、機械的なプローブエレメントとして使用され、エネルギビームに触れて溶融した線材先端部が、ワーク表面に沿って、力が伝達されるように案内される。

ボディ構造内の金属薄板フランジ結合部の接合時におけるビーム方向は、フランジ平面に対して直角または十分に直角な方向、つまり接合したい金属薄板を横断する方向である。その結果、たとえばドア乗車口またはドアシルにおける金属薄板フランジのレーザ接合時に、連動する緊締技術が使用される場合、レーザビームは緊締技術または押圧技術の力作用方向に対して平行またはほぼ平行に向けられる。この場合、汎用の角度は０゜〜１５゜であり、最大角度は２０゜である。

ボディ構造において金属薄板を溶接するための公知の方法には、幾つかの不都合がある。頻繁に使用される、重ね継手におけるＩ型シームのレーザ溶接は、亜鉛の気化に基づき、しばしば低いシーム品質により特徴付けられている。このシーム形状では、結合欠陥を破壊なく検出することは極めて困難であるか、または不可能である。表面上は完璧に見えるシームは、結合欠陥を有している恐れがある。この危険は、重ね継手におけるＩ型シームの場合、特に大きくなる。結合横断面は制限されており、そして特に多枚金属薄板結合の場合に、溶込み深さは、ほとんど再現可能とならない。貫通溶接が生じると、これにより、金属薄板裏面において亜鉛層の損傷が生ぜしめられる。構成部分に対するレーザスポットの、実際には制限されている位置決め精度および必要となる、規定された接合ギャップの維持に基づき、フランジ寸法は比較的大きくなる。

それに比べて、広く普及された、重ね継手におけるすみ肉溶接シームは、亜鉛蒸気の改善された脱気手段に基づき、より高い品質で形成可能である。それと同時に、両接合パートナに対するシーム結合部は光学的に検査可能である。しかし、構成部分重ね継手に対するレーザスポットの位置決め精度が十分でないことにより、シーム形状はしばしばシームガイドシステムを必要とする。結合部横断面を増大させるためには、しばしば付加材料も使用される。上側金属薄板の材料厚さを越えて結合部横断面を増大させることはできない。構成部分に対する所要の溶込み角度に基づき、緊締技術によって、相応するアクセス性が保証されなければならない。このことは、しばしば比較的大きなフランジ寸法と相まってしか可能にならない。このような比較的大きな金属薄板フランジは、車両製造において目標とされる質量低減および燃料節約との関連においては望ましいとは云えない。

本発明の課題は、たとえばボディシェルのドアステップもしくはドア乗車口における重ね継手における端面側からの溶込みによって、シーム強度および製作が改善され得ると同時に、フランジ長さが短縮され得るような、フランジを備えた金属薄板構成部分、特にボディ構成部分をレーザ接合する手段を提供することである。

この課題は、本発明によれば、一方では金属薄板をレーザ接合する方法により解決され、他方では金属薄板をレーザ接合する装置により解決される。

本発明による方法は、それぞれ１つのフランジを備えた複数の金属薄板部分をレーザ接合する方法であって、前記金属薄板部分のフランジが接合されて１つの結合フランジを形成するようになっており、
−前記金属薄板部分を前記結合フランジの範囲で、前記結合フランジに対して直交する横方向に延びる主緊締方向に緊締するステップと、
−それと同時に、レーザビームを前記結合フランジに対してほぼ平行でかつ主緊締方向に対して直交する横方向で、接合したい金属薄板部分の前記フランジのうちの少なくとも１つのフランジの端面に向けることによって、前記結合フランジにおいて端面側で溶込み溶接するステップと
による方法ステップを実施する方法において、
前記加工点を、前記結合フランジに沿って、接合したい金属薄板部分に対して相対的なシーム案内運動の形で主緊締方向および／または間隔方向に案内することを特徴とする、金属薄板部分をレーザ接合する方法である。

本発明による装置は、それぞれ１つのフランジを備えた複数の金属薄板部分をレーザ接合する装置であって、前記金属薄板部分のフランジが接合されて１つの結合フランジを形成するようになっており、
当該装置は、接合したい金属薄板部分を、前記結合フランジに対して直交する横方向に延びる主緊締方向に緊締する緊締装置を有し、
当該装置は、レーザビーム用のビーム案内装置を有し、該ビーム案内装置は、レーザビームを、前記結合フランジに対してほぼ平行でかつ緊締方向に対して直交する横方向で、接合したい金属薄板部分の前記フランジのうちの少なくとも１つのフランジの端面に向けるように構成されている、金属薄板部分をレーザ接合する装置において、
当該装置はさらに補償軸を有し、該補償軸は、当該装置が案内機械に結合されている場合に、前記結合フランジと前記案内機械との間の相対運動に相応してレーザビームを追従させることを特徴とする、金属薄板部分をレーザ接合する装置である。

前記補償軸は、機械的にも光学的にも実現されていてよい１つの補償メカニズムである。機械的な１構成では、補償軸が、複数の光学的なコンポーネントと案内機械との間の可動の結合部により実現されている。光学的な１構成では、補償軸が、ミラーまたはレンズのような可動の光学的なエレメントを用いたシーム案内部により実現されている。

本発明の別の構成では、当該装置の、前記緊締装置と、レーザビームが前記結合フランジに入射する加工点とを一緒に運動させる部分が、少なくとも１つの補償軸によって、前記案内機械に取り付けられた部分に結合されている。

このような装置を用いて、接合したい金属薄板部分のフランジをレーザ接合によって接合して１つの結合フランジを形成し、これらの金属薄板を、その互いに重ね合わされたフランジにより形成された接合継手の範囲で互いに結合することができる。

質量低減のために自動車製造において高強度の材料および最高強度の材料を使用することは、接合個所における減じられた強度に基づき、接合シームの結合横断面を増大させることを必要とする。本発明による方法は、より好都合なシームジオメトリ（シーム幾何学的形状）に基づき、金属薄板厚さは同じままで結合横断面を増大させ、シームを検査可能に形成することを可能にする。プロセス・緊締技術は、より好都合な配置形式に基づき、最小限のフランジ寸法の実現が可能となるように形成され得る。それと同時に、当該方法の特別な実施態様により、プロセス時間の増大なしに１回の作業工程で多枚金属薄板結合部を交互に溶接することが可能となる。このことは、特に確実でかつ廉価な接合コンセプトを実施する際に、付加的な自由度を提供する。

本発明は、レーザビームの溶込み溶接を、金属薄板縁部の整合した位置または十分に整合した位置において継手平面に対して平行または十分に平行に行うと同時に、加工ヘッドに設けられた連動式もしくは可動式の緊締技術ならびに統合されたシーム案内部を使用することにより、特にボディ製造においてフランジを備えた金属薄板部分のレーザ接合時におけるシーム強度および製作が改善され得ると同時に、より短いフランジが可能となるという認識に基づいている。このことは、特にボディ製造におけるドア乗車口または窓開口部におけるフランジ結合部の溶接時に有利である。

好ましくは、補償メカニズムが、位置決め誤差を補償する補償軸と、接合継手の経過もしくは形状を追跡する装置、すなわち接合継手を接合継手に沿って追跡する装置とを有する。位置決め誤差は、たとえば当該装置全体を運動させる案内機械によって生ぜしめられる恐れがある。その場合、案内機械、たとえば工業ロボットによる位置決めは、必ずしも正確であるとは云えない。

好ましくは、前記緊締装置は緊締手段を有し、該緊締手段は当該装置の運転中に、接合したい金属薄板部分に作用し、さらに該緊締手段は、触覚的（taktil）なシーム案内が生ぜしめられるようにビーム案内装置に結合されている。緊締手段はこの場合には、二重機能を有し、すなわち第１には、形成したい結合フランジの範囲において、接合したい金属薄板部分を緊締し、第２にはレーザビームを案内するために働く。このためには、緊締手段が間接的または直接的に、特に機械的にビーム案内装置に結合されている。

択一的または付加的に、当該装置は光学的なシーム案内のための手段を有していてよい。この場合には、当該装置が、レーザビームに対して同軸的な受信ビーム路と、該受信ビーム路に対応する内部または外部の照明ユニットとを有すると有利である。前記受信ビーム路に対応する２つの独立した照明ユニットを有する装置が特に有利である。

前記ビーム案内装置は、接合したい金属薄板にレーザビームが入射する加工点を、前記緊締手段の主緊締方向で追従させることができるようにするために、前記緊締手段の主緊締方向にレーザビームを変向させる少なくとも１つの変向エレメントを有すると有利である。前記変向エレメントは、前記加工点を追従させるための少なくとも１つの回転駆動式のミラーを有すると有利である。少なくとも１つの変向エレメントを備えた構成は、同軸的な受信ビーム路と、この受信ビーム路に対応する１つまたは２つの照明ユニットとを用いて構成されると有利である。

さらに、前記ビーム案内装置が、少なくとも１つの光学的なエレメントを有し、該光学的なエレメントを用いて、主緊締方向Ｆに対して直角に位置する平面に対してレーザビームが成すビーム角度に、可能となる加工点の範囲で種々のビーム角度の間での切換が可能となるように影響が与えられるようになっていると有利である。この場合、前記ビーム案内装置は、光学的なエレメントとして１つまたは複数のミラーを有し、該ミラーは、可能となる加工点の範囲で種々のビーム角度の間での切換が可能となるように配置されていると特に有利である。この場合、前記ビーム案内装置は、光学的なエレメントとして２つまたは２つよりも多いミラーを有し、該ミラーは、種々のビーム角度の間での切換時にその都度、集束レンズから前記加工点までのレーザビームのほぼ等しい長さの光学的経路が生ぜしめられるように配置されていると有利である。さらに、互いに異なる光学的な経路長さは、必要に応じて、集束レンズの運動または別の光学的なエレメントの運動によって補償され得る。

この個所において念のため付言しておくと、ビーム角度は、以下に説明する実施形態において書き込まれた横方向角度に相当する。

緊締手段は、有利な１構成では、フローティング式（浮動式）に支承された少なくとも２つの緊締ローラを包含するか、または択一的に１つの押圧ローラを有してよい。

方法に関しては、溶込み溶接がフランジ平面に対してほぼ平行でかつ緊締時に作用する緊締力Ｆの方向に対してほぼ直角に行われると有利である。この場合、ビームとフランジ平面との間に±６０゜の範囲の角度が可能となる。±４５゜の範囲の角度が有利である。１５゜と−１５゜との間の角度が特に有利である。

レーザビームが前記結合フランジに沿って、接合したい金属薄板部分に対して相対的なシーム案内運動の形で案内され、それと同時に、接合したい金属薄板部分にレーザビームが入射する加工点の位置の、前記シーム案内運動に重畳された位置調節が、少なくとも１つの空間方向で行われると有利である。

さらに、接合したい金属薄板部分にレーザビームが入射する加工点の位置の制御が設定されていると有利である。この場合、制御はセンサにより測定された接合継手ジオメトリ（幾何学的形状）に関連して行われる。

以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。

２枚金属薄板結合部としての重ね継手における端面溶込み溶接を示す概略図である。 ３枚金属薄板結合部としての重ね継手における端面溶込み溶接を示す概略図である。 図２に示した重ね継手の平面図である。 右側の金属薄板が加工点に対してずらされている、２枚金属薄板結合部としての重ね継手における端面溶込み溶接を示す概略図である。 緊締ローラが構成部分の横方向位置を同時にプロービングして、統合された補償軸によって補償運動が行われる、重ね継手において端面溶接するための装置を示す概略図である。 重ね継手において端面溶接するための装置であって、自動的に位置決め可能なミラーと相まって補償軸の機能を満たす、フローティング式に支承された、相対して作用する緊締ローラを備えた装置の別の実施形態を示す概略図である。 図６に示した実施形態の照明部の詳細図である。 ２つの付加的なミラーを備えた、横方向に傾けられた交互の溶込み溶接を行うための別の有利な実施形態を示す概略図である。

２枚金属薄板結合部としての重ね継手における端面溶込み溶接は、概略図（図１）に示したように行われる。接合させたい、それぞれ１つのフランジを備えた２枚の金属薄板には、一般に両金属薄板２の重ね合わせ部に位置する、予定された加工点４において、すなわち接合させたい両金属薄板２の両フランジが重ね合わされている部位において、レーザビーム１が入射する。緊締装置の一部である緊締手段５は、フランジ２の分離平面に対して直交する横方向の力を生ぜしめる。レーザビーム１の作用により、押し合わされたフランジの間には、溶接シーム３が形成される。この溶接シーム３は比較的大きな結合横断面により特徴付けられている。互いに逆向きに作用する一対の力の主緊締方向Ｆ、すなわち作用する緊締力の方向は、公知先行技術とは異なり、フランジの分離平面に対してほぼ直角に延びている。

溶接シームは、一貫して延びる結合部またはステップシーム溶接部として形成され得る。

加工点４へのレーザビーム１の正確な方向付けは、当該装置により行われる。この装置の一部は案内機械、たとえば産業ロボットに固く結合されており、別の部分は案内機械に対して相対的に可動であり、こうして当該装置によるシーム案内を可能にする。

位置決め精度に課せられた高い要求に基づき、シーム案内が必要となる。このことは、本発明による装置においては機械的に触覚的に（taktil）、組み込まれた機械的または光学的なシーム案内によって、組み込まれた補償軸と相まって行われ得る。補償軸は、案内機械および／または接合したい金属薄板による位置決めの不正確性に基づいた、前記装置および接合させたい両金属薄板相互の誤位置決めを補償することができ、そして案内機械、構成部分または前記装置の損傷を回避する。

最も簡単な事例では、レーザビーム１の位置決めが緊締手段５を介して行われる。この場合、ビーム案内装置、たとえばビーム案内レンズ系と緊締手段５とが機械的またはその他の手段により連結されており、この場合、緊締手段の変位により、レーザビーム１の相応する変位が生ぜしめられる。これによって、少なくとも横方向のシーム案内（Ｙ方向、図５参照）が可能となり、たいていはこのことで十分となる。しかし、２つの補償軸による前記装置の相応する構成および緊締手段の相応する構成においては、付加的に間隔方向（ｚ方向、図５参照）においてもシーム案内が可能となる。

少なくとも１つの制御可能な補償軸と相まった光学的なシーム案内により、加工点に対する緊締手段の相対的な位置とは無関係に、接合継手位置の無接触式のプロービングが可能となる。それと同時に、制御可能な補償軸の使用時では、加工プロセス中にレーザビームの位置を変化させて、加工条件に適合させることができる。さらに、たとえば光切断法によって、光学的なシーム案内センサ機構により、接合ギャップの測定および場合によっては加工パラメータの適合が可能となる。

図２には、３枚金属薄板結合部としての端面溶込み溶接を用いた重ね継手が示されている。この３枚金属薄板結合部は、好ましくはステップシームとして形成されている。なぜならば、図面で見て左側の結合の溶接休止中に右側の結合の溶接（破線）が行なわれ得るからである。両加工位置４，４´の間でのレーザビーム１の迅速な切換により、加工ヘッドと構成部分との間では、（案内機械によって生ぜしめられた）前記装置の全体運動として連続的な相対運動が使用され得る。レーザビームを切り換えるためには、本発明の相応する構成において、制御可能な補償軸を一緒に使用することができる。

図３には、図２に示した３枚金属薄板結合部の平面図が示されている。溶接シームは互いに対してずらされている。加工位置間での切換時間は、ステップ間の間隔を生ぜしめる。この原理は４つまたはそれ以上の金属薄板層の溶接のためにも使用され得る。なぜならば、レーザビームのビーム路に対して結合部が障害なく自由に露出しており、重ね合わせ部がいわば同時にレーザビームによって照射され得るからである。この場合にも、連動する可動の緊締手段５は金属薄板２の押合わせを生ぜしめる。シーム案内は、組み込まれた光学的なシーム案内によって、前記装置に組み込まれた少なくとも１つの補償軸と相まって行われる。

レーザスポットを、金属薄板の厚さのほぼ１／２にまで縮小することは、亜鉛焼損を最小限に抑えて、防食を得ると同時に、より高い溶込み深さにより強度を改善するための良好な手段を成す。このような小さなレーザスポットは、シーム案内の使用を必要とするが、しかし僅かな歪み発生を伴う僅かなプロセス熱しか生ぜしめず、しかも、同じ結合横断面を維持したまま、またはそれどころかより大きな結合横断面において、所要のレーザ出力の減少もしくはプロセス速度の増大を生ぜしめる。連動する緊締技術は、構成部分同士の接触を確保し、かつシーム陥没を最小限に抑えるために必要となる。それと同時に、定位置の固定の緊締技術を不要にすることも可能になる。端面からの溶込み溶接は、接合ゾーンにおける「キーホール」を用いた接合の間、互いに当接し合った金属薄板の亜鉛層を、発生した亜鉛蒸気が十分にスムーズに上方へ向かって「キーホール」を通じて流出し得るように照射することを可能にする。ゼロギャップを有する重ね継手におけるＩ型シームの場合に生じるような噴出部（スピッティング）は回避される。したがって、手間のかかる脱気支援を不要にすることができる。

図４には、図面で見て加工点４に対して右側の金属薄板のずれを有する２枚金属薄板結合部としての端面溶込み溶接を用いた重ね継手が示されている。金属薄板が互いに面一に整合しておらず、ひいては共通の端面を形成していないような場合に、図４に断面図で示したように、極めて意識的に、張り出した方の金属薄板から離れる方向に横方向角度（Lateralwinkel）６を調節することができる。これにより、金属薄板２′の張り出した部分によってレーザビームが遮蔽されて影付けが生じることを回避すると同時に、それにもかかわらず接合継手の基部における要求された所要の結合横断面を達成することが可能になる。このことは、多枚金属薄板結合に転用することもできる。

以下に、本発明による装置の種々の実施形態を説明する。

図５に示した実施形態では、緊締手段および緊締装置の一部である緊締ローラが、接合したい金属薄板のフランジの横方向位置を同時にプローブし、そして統合された補償軸による補償運動が行われる。

図６に示した別の実施形態では、互いに逆向きに作用する緊締ローラのフローティング式（浮動式）の軸受け装置が、自動的に位置決め可能なミラーと相まって、補償軸の機能を満たしている。

図７には、図６につき説明した実施形態の照明部の詳細が図示されている。図７の右側には、前方から見た図が、左側には側方から見た図がそれぞれ図示されている。

図８には、２つの付加的なミラーを備えた、横方向に傾けられた相互の溶込み溶接のための有利な実施形態が示されている。２つの付加的なミラーは互いに異なる入射角度において、それぞれ集束レンズから加工点へのレーザビームのほぼ同じ光学的経路を可能にする。

図５には、本発明の可能な１実施形態が図示されている。ファイバコネクタ１０を介してグラスファイバによって当該装置にレーザビームが供給されて、レンズ１１によってコリメーションされる。ビーム供給は択一的には自由ビームを介して行われ得る。レンズは別のビーム成形エレメント、たとえばミラーにより代えられる。ビーム供給部を有する装置部分は、取付け用フランジ１２によって案内機械、たとえば工業ロボットに固く結合されている。主として集束装置と緊締手段とを支持する装置部分は、補償軸９によって、案内機械に固定された部分に結合されている。補償軸９は、好ましくはばねプリロードをかけられた安定した中間位置を有する。コリメーションされたレーザビームは、同軸的に補償軸９を貫く。したがって、可動に支持された部分の移動が生じても、レーザビームの集束特性に影響は与えられない。

この可能な実施形態における集束装置は、第２のレンズとして集束レンズ１３を有する。集束されたレーザビーム１は、位置調整可能なミラー１４に入射し、このミラー１４から、金属薄板を側方からクランプするローラ形の緊締手段５の間を通って接合部位へ変向される。緊締手段はローラ、ドラムあるいはまた緊締フィンガとして形成されていてもよい。緊締手段５は、対称的に緊締作用を及ぼす緊締アーム１５に取り付けられている。緊締力はニューマチック式の緊締駆動装置１６によって、強制案内機構１７と緊締アーム１５とを介して対称的に緊締手段５へ伝達される。このことは、択一的にたとえばハイドロリック式の駆動装置または電気式の駆動装置によっても行なわれ得る。緊締手段の対称的な運動は、溶接したい金属薄板のフランジ２の間でレーザビームをセンタリングする。調節可能なミラー１４は、加工プロセスに応じて加工点４に対するレーザビームの相対的な位置を位置調整するために使用される。接合したい金属薄板により形成された構成部分の変えられた位置は、補償軸９によってＹ方向において、案内機械に対して可動に支持された装置構成要素の直線（リニア）の移動によって補償される。このためには、択一的に回転補償軸も考えられる。接合継手の追跡は、緊締手段５によって間接的にフランジジオメトリ（幾何学的形状）の対称的な機械的プロービングを介して、フランジを形成する金属薄板２の材料厚さを考慮して行われる。この単純な機械的な装置によっては、金属薄板または多重結合部の、１つの構成部分内で変化する厚さを接合することは不可能となるか、または制限された範囲でしか可能でない。この場合、位置調整可能なミラー１４に少なくとも１つのアクチュエータを装備させ、適当な制御部によってこのミラーを位置決め可能なミラーにすることが役立つ。これにより多重結合の場合に接合継手の間での自動的な切換を行うことができるか、または種々異なる金属薄板厚さの場合に、加工点の調節を、金属薄板厚さに適合させて行うことができる。

図６に示したさらに別の有利な実施形態では、互いに相対して作用する緊締手段を備えた緊締アームのフローティング式の支承部が、自動的に位置決め可能なミラーと相まって１つの補償軸の機能を満たしており、そしてシーム案内が、ローラによる機械的なプロービングの代わりに、光学的なセンサを用いて行われる。この光学的なセンサは加工ヘッドに組み込まれている。択一的には、先行するコンベンショナルな光学的なシーム案内センサも使用可能となる。この場合、組み込まれたセンサには、作業レーザビーム路とセンサビーム路とが一緒に案内されかつ同軸的に延びるので、位置決め可能な傾動ミラーの位置決め誤差が補償されるという利点がある。それと同時に、構成部分に対する接近性や、汚染に対する防護も改善される。図５に示した実施形態の機械的な強制ガイド機構は、制御技術的な強制ガイド機構により代えられており、このような制御技術的な強制ガイド機構はそれと同時に、プロセス中にレーザスポットの位置を変えるための手段を容易に提供する。

レーザビームは当該装置にファイバコネクタ１０を介して供給され、コリメーションレンズ１１によってコリメーションされ、レーザビーム１に対して高反射性の部分透過性のミラー２５を介して集束レンズ１３へ導かれ、そして旋回ミラー１８を介して加工点４へ導かれる。旋回ミラー１８は動的な精密位置決め駆動装置２４を有する。緊締手段５は緊締アーム１５に取り付けられており、緊締アーム１５は本実施形態では、回転式の補償軸９によってフローティング式（浮動式）に支承されている。ニューマチック式の緊締駆動装置１６によって形成された緊締力は、緊締アーム１５を介して対称的に緊締手段５へ伝達され、ひいては溶接したい金属薄板２へ伝達される。照明装置１９からレーザビーム１に対して有利には１５〜３５゜の角度を成して発する照明ビーム路２０は、加工点４の周辺部において構成部分の表面に線形投射像（Linienprojektion）２１を発生させるために働く。図７には、線形投射像２１が、別個の詳細図として図示されており、この場合、図面で見て右側には前方から見た図が、左側には側方から見た図が示されている。線形投射像２１の衝突は、受信ビーム路２２の視程内もしくは視範囲内で、加工方向２３において加工点４の手前で先行して行われる。構成部分から拡散により散乱された光線は、レーザビーム１に対してほぼ同軸的な受信ビーム路２２に沿って、位置決め可能な旋回ミラー１８を介して、集束レンズ１３と、部分透過性のミラー２５と、結像レンズ２６とによって画像センサ２７に投影される。「光切断」の画像の評価およびセンサ位置値への換算は、画像評価装置２８において行われる。線形投射像２１を備えた照明装置１９は結像レンズ２６と画像センサ２７と画像評価装置２８と相まって、統合された光学的なシーム案内センサを形成する。光切断の画像に対して相対的なレーザビームの位置は、較正され得ると共に、同軸的な原理に基づき、旋回ミラー１８の運動時に変化しない。横方向（lateral）および間隔方向における加工点４の位置の算出は、制御装置２９において、旋回ミラー１８のミラー位置および光切断の測定値を計算して行われる。それと同時に、制御装置２９はシーム追跡のための軸受け制御を実現する。この場合、旋回ミラー１８の位置決めは、加工ビームの較正された位置と、測定された継手ジオメトリの目標位置とが合致するように行われる。構成部分ジオメトリからの、プログラミングされた案内経路の偏差が生じた際に生ぜしめられる恐れのある横方向の位置偏差は、補償軸９のフローティング式の支承部と、統合されたシーム案内センサとによって旋回ミラー１８によって補償される。また、ある程度の強制案内も生ぜしめられる。制御装置２９はさらに、レーザビームがオフセットを持って接合継手に沿って案内され得るように旋回ミラー１８を位置決めすることを可能にする。当該装置の機能の活性化、フィードバックおよびパラメータ化は、制御装置２９の、設定された外部のインタフェース３０を介して可能となる。保護ガラスおよびクロスジェットのような保護メカニズムは図示されていないが、このような保護メカニズムは工業的に有用な構成のための前提条件とされる。

図８には、特に有利な実施形態が示されている。この実施形態の基本的な機能原理は、図６に示した実施形態と同一である。付加的に２つのミラー３１ａ，３１ｂが配置されており、この場合、レーザビーム１は、フランジ平面に対して互いに異なる２つの角度を成して構成部分に入射することができる。３枚金属薄板フランジ結合の本実施形態では、外側の金属薄板が、内側の金属薄板２に比べて張り出している両金属薄板２′，２′′である。この場合、位置決め駆動装置２４は、図６に示した実施形態に比べて、シーム追跡のための焦点補正用の作動駆動装置として働くだけでなく、付加的に、内側の金属薄板２と、図面で見て左側の張り出した金属薄板２′との結合部と、内側の金属薄板２と、図面で見て右側の張り出した金属薄板２′′との結合部とを加工すると同時に、入射角度を切り換えるための切換器もしくはスイッチとしても働く。プロセスにとって有害な影付けを回避するためには、レーザビームが（図４にも図示されているように）、それぞれ接合継手のところで張り出した金属薄板から離れる方向の横方向角度を持って構成部分へ入射しなければならない。この問題を解決するために、本実施形態では、２つの付加的なミラーが配置されており、この場合、一方の変向ミラー３１ａは、位置Ａにおける旋回ミラー１８ａから発したレーザビーム１ａを、図面で見て左側の外側の金属薄板２′と内側の金属薄板２との間の結合部の位置Ａのための加工点４ａへ向かって変向させ、他方の変向ミラー３１ｂは、位置Ｂにおける旋回ミラー１８ｂから発したレーザビーム１ｂを、図面で見て右側の外側の金属薄板２′′と内側の金属薄板２との間の結合部の位置Ｂのための加工点４ｂへ向かって変向させる。装置全体は、集束レンズ１３と各加工点４ａ，４ｂとの間でのレーザビーム１ａおよびレーザビーム１ｂの光学的な経路が、加工プロセスに影響を与えない範囲で、ほぼ等しくなるように形成されている。加工のために、より大きな入射角度が必要となると、より多くのミラーを配置することもできる。線形投射像２１を備えた照明装置１９ならびに結像レンズ２６、画像センサ２７および画像評価装置２８は、統合された光学的なシーム案内センサを形成している。この場合、位置Ａのための加工点４ａの線形投射像２１の画像は一方のミラー３１ａにより、そして位置Ｂのための加工点４ｂの線形投射像２１の画像は他方のミラー３１ｂにより、各位置１８ａ，１８ｂにおける旋回ミラーと結像レンズ２６とを介して画像センサ２７に戻されて結像される。択一的には、１つよりも多い照明装置を配置することもできる。アクティブな照明ビーム路および受信ビーム路は一緒に較正されていなければならない。たとえば構成部分に対する当該装置の向きのような種々の加工状況のもとで、複数の照明装置が、同軸的なビーム路と相まって、独立したセンサとして機能し得るので、接合継手の一層良好な照明が行われるか、または張り出した金属薄板による過度に強い影付けが回避され得る。付加的に、当該装置のこのような構成は、レーザ焦点をビーム方向に移動させるための装置を備えている。このためには、集束レンズ１３が可動に配置されていて、相応する集束駆動装置３２を介して制御装置２９によって位置決め可能である。このためには、択一的に、ビーム方向における焦点位置に影響を与えるために、光学系において別のエレメントを使用することもできる。集束駆動装置３２は、それと同時にビームスポットの大きさをプロセスまたは接合ギャップに適合させることをも可能にする。さらに、横方向の位置を調節するために、位置決め駆動装置２４を使用することができる。駆動装置を２軸式に構成するか、または別のミラーを使用する場合、付加的に走行方向における調節も可能となる。これにより、被覆およびプロセスに適合された運動重畳が可能になる。

１ レーザビーム
１ａ 位置Ａのためのレーザビーム
１ｂ 位置Ｂのためのレーザビーム
２ 金属薄板
２′，２′′ 張り出した金属薄板
３ 溶接シーム
４，４′ 加工点
５ 緊締手段
６ 横方向角度
７ 機械的なシーム案内機構
８ 光学的なシーム案内機構
９ 補償軸
１０ ファイバコネクタ
１１ コリメーションレンズ
１２ 取付け用フランジ
１３ 集束レンズ
１４ 位置調整可能なミラー
１５ 緊締アーム
１６ 緊締駆動装置
１７ 制御案内機構
１８ 旋回ミラー
１８ａ 位置Ａにおける旋回ミラー
１８ｂ 位置Ｂにおける旋回ミラー
１９ 照明装置
２０ 照明ビーム路
２１ 線形投射像
２２ 受信ビーム路
２２ａ 位置Ａにおける受信ビーム路
２２ｂ 位置Ｂにおける受信ビーム路
２３ 加工方向
２４ 位置決め駆動装置
２５ 部分透過性のミラー
２６ 結像レンズ
２７ 画像センサ
２８ 画像評価装置
２９ 制御装置
３０ インタフェース
３１ａ 位置Ａにおける変向ミラー
３１ｂ 位置Ｂにおける変向ミラー
３２ 集束駆動装置
Ｆ 主緊締方向

Claims (15)

1. それぞれ１つのフランジを備えた複数の金属薄板部分（２）をレーザ接合する装置であって、前記金属薄板部分（２）のフランジが接合されて１つの結合フランジを形成するようになっており、該結合フランジでは、結合させたい金属薄板のフランジ同士が平らに重ね合わされて、１つのフランジ平面を有する接合継手を形成しており、
   当該装置は、接合したい金属薄板部分（２）を、前記結合フランジに対して直交する横方向に延びる主緊締方向に緊締する緊締装置（５）と、レーザビーム（１）用のビーム案内装置とを有し、該ビーム案内装置は、レーザビーム（１）を、前記結合フランジに対してほぼ平行でかつ緊締方向に対して直交する横方向で、接合したい金属薄板部分（２）の前記フランジのうちの少なくとも１つのフランジの端面に向けるように構成されており、
   当該装置はさらに補償軸（９）を有し、該補償軸（９）は、当該装置が案内機械に結合されている場合に、前記結合フランジと前記案内機械との間の相対運動に相応してレーザビーム（１）を追従させるようになっている、金属薄板部分をレーザ接合する装置において、
   前記ビーム案内装置は、少なくとも１つの光学的なエレメントを有し、該光学的なエレメントを用いて、主緊締方向（Ｆ）に対して直角に位置する平面に対してレーザビーム（１）が成すビーム角度に、可能となる加工点（４）の範囲で種々のビーム角度の間での切換が可能となって、それぞれ接合継手のところで張り出した金属薄板から離れる方向の横方向角度（６）が生ぜしめられるように影響が与えられるようになっており、
   当該装置が、接合継手を接合継手に沿って追跡する装置を有し、補償メカニズムが、位置決め誤差を補償する補償軸（９）を有しており、
   前記ビーム案内装置は、光学的なエレメントとして２つまたは２つよりも多いミラーを有し、該ミラーは、種々のビーム角度の間での切換時にその都度、集束レンズから前記加工点までのレーザビームのほぼ等しい長さの光学的経路が生ぜしめられるように配置されていることを特徴とする、金属薄板部分をレーザ接合する装置。
2. 前記補償軸（９）が機械的または光学的に実現されている、請求項１記載の装置。
3. 当該装置の、前記緊締装置と、レーザビーム（１）が前記結合フランジに入射する加工点（４）とを一緒に運動させる部分が、少なくとも１つの補償軸（９）によって、前記案内機械に取り付けられた部分（１２）に結合されている、請求項１または２記載の装置。
4. 前記緊締装置は緊締手段（５）を有し、該緊締手段（５）は当該装置の運転中に、接合したい金属薄板部分（２）に作用し、さらに該緊締手段（５）は、触覚的なシーム案内が生ぜしめられるようにビーム案内装置に結合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 当該装置が、光学的なシーム案内のための手段を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
6. 当該装置が、レーザビーム（１）に対して同軸的な受信ビーム路と、該受信ビーム路に対応する内部または外部の照明ユニットとを有する、請求項５記載の装置。
7. 当該装置が、前記受信ビーム路に対応する２つの独立した照明ユニットを有する、請求項６記載の装置。
8. 前記ビーム案内装置は、接合したい金属薄板（２）にレーザビームが入射する加工点（４）を、前記緊締手段（５）の主緊締方向で追従させることができるようにするために、前記緊締手段（５）の主緊締方向にレーザビーム（１）を変向させるための少なくとも１つの変向エレメント（１４，１８，１８ａ，１８ｂ，２５，３１ａ，３１ｂ）を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 前記変向エレメントは、前記加工点（４）を追従させるための少なくとも１つの回転駆動式のミラー（１４，１８，１８ａ，１８ｂ，２５，３１ａ，３１ｂ）を有する、請求項８記載の装置。
10. 前記ビーム案内装置は、光学的なエレメントとして１つまたは複数のミラーを有し、該ミラーは、可能となる加工点の範囲で種々のビーム角度の間での切換が可能となるように配置されている、請求項１記載の装置。
11. 前記少なくとも１つの光学的なエレメントは、ビーム角度を切り換えるための位置決め駆動装置（２４）に接続されており、該位置決め駆動装置（２４）は、ビーム角度を制御するための制御装置（２９）に接続されており、該制御装置（２９）は光学的なシーム案内センサに接続されている、請求項１記載の装置。
12. それぞれ１つのフランジを備えた複数の金属薄板部分（２）をレーザ接合する方法であって、前記金属薄板部分（２）のフランジが接合されて１つの結合フランジを形成するようになっており、
    −前記金属薄板部分を前記結合フランジの範囲で、前記結合フランジに対して直交する横方向に延びる主緊締方向に連動式に緊締するステップと、
    −それと同時に、レーザビームを前記結合フランジに対してほぼ平行で、かつ前記主緊締方向に対して直交する横方向で、接合したい金属薄板部分（２）の前記フランジのうちの少なくとも１つのフランジの端面に向けることによって、前記結合フランジにおいて端面側で溶込み溶接するステップと
    による方法ステップを実施する方法において、
    前記加工点（４）を、前記結合フランジに沿って、接合したい金属薄板部分（２）に対して相対的なシーム案内運動の形で主緊締方向および／または間隔方向に案内し、
    金属薄板部分が接合継手のところで互いに面一に整合しておらず、ひいては共通の端面を形成していない場合には、接合継手のところで張り出した金属薄板から離れる方向の横方向角度（６）を調節し、
    光学的なエレメントとして、２つまたは２つよりも多いミラーを、種々のビーム角度の間での切換時にその都度、集束レンズから前記加工点までのレーザビームのほぼ等しい長さの光学的経路が生ぜしめられるように配置することを特徴とする、金属薄板部分をレーザ接合する方法。
13. 接合したい金属薄板部分（２）にレーザビームが入射する加工点（４）の位置の、前記シーム案内運動に重畳された位置調節を、少なくとも１つの空間方向で行う、請求項１２記載の方法。
14. 接合したい金属薄板部分（２）にレーザビーム（１）が入射する加工点（４）の位置の制御および／またはビーム変調および／またはレーザ出力の適合を、センサにより測定された接合継手ジオメトリに関連して行う、請求項１２または１３記載の方法。
15. 前記少なくとも１つの光学的なエレメントは、ビーム角度を切り換えるための位置決め駆動装置（２４）に接続されており、該位置決め駆動装置（２４）は、ビーム角度を制御するための制御装置（２９）に接続されており、該制御装置（２９）は光学的なシーム案内センサに接続されている、請求項１２記載の方法。

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