JPH0780668A

JPH0780668A - 軌道ヘッドレーザ溶接機

Info

Publication number: JPH0780668A
Application number: JP6076260A
Authority: JP
Inventors: Jonathan S Dahm; エスダームジョナサン
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1994-03-10
Publication date: 1995-03-28
Also published as: AU7794894A; US5563391A; WO1995006541A1; US5422456A

Abstract

(57)【要約】【目的】狭いスペースでクリーンな溶接を可能にする
レーザ溶接機を提供する。【構成】光ファイバと、溶接すべき物品を受けるスロ
ットが設けられたホイールを具備し、光ファイバは、ホ
イールに取り付けられていて、ホイールの回転につれ
て、ホイールに巻き付き、物品のまわりに運ばれるよう
になっており、さらに、物品に対してシーリングを施し
て、溶接ゾーンを包囲する室を形成するスリーブが設け
られており、スリーブの湾曲したウインドウが光ファイ
バからのレーザ光を溶接ゾーンに透過するようになって
いるレーザ溶接機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ溶接機に関する
ものであり、とりわけ、レーザ溶接機及びシーリング・
スリーブ、及び、半導体プロセス・ガス・システムのよ
うな狭いスペースにおいて極めてクリーンな溶接を可能
にする方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの集積度が高くなるにつ
れて、ウェーハにおけるフィーチャーの寸法及び深さの
プロファイルが、サブハーフ・ミクロン・レベル未満に
まで低下してきた。デバイスの高信頼性及び低欠陥率を
達成するには、ウェーハにおける超クリーン環境を維持
することが不可欠になる。この要件によって、より高性
能なガス・システムが必要とされるようになり、これに
応じて、よりクリーンな溶接テクノロジが必要とされる
ようになった。プロセス・ガス・システムには、一般
に、互いに溶接しなければならない、隙間のないように
パッキングを施したガス・ライン及びバルブが含まれて
いる。粒状汚染物の発生を減少させるため、クリーン・
ルームまたは同様の環境で、ガス・システムの溶接を実
施したり、不活性ガス・ジェットを利用して、溶融池内
の溶融ステンレス鋼の酸化を弱める場合が極めて多い。
一般に、溶接スポットにおける溶融金属の量、及び、溶
接機によって形成される溶接ゾーンの環境、及び、溶接
方法自体が、ガス・パネル溶接の最大の汚染源である。

【０００３】自動軌跡ヘッド・アーク溶接システムは、
既知のところであり、ステンレス鋼ガス・パネルの溶接
に用いられている。米国特許第４，３７０，５４１号、
第５，１９６，６６４号、第５，１０７，０９０号、第
４，８１０，８４８号、及び、第４，３７２，４７４号
に開示のシステムには、さまさまな特徴及び溶接ヘッド
構成が含まれている。アーク溶接システムは、一般に、
過剰な融解及び蒸発を生じさせる高レベルの熱を発生す
る。溶融金属は、微粒子を捕獲したり、あるいは、酸化
したり、汚染物の発生を増大させたりする可能性があ
る。同様に、溶接される合金中の耐食性金属の蒸発によ
って、溶接部の腐食が増大し、汚染の可能性が高くなる
ことも考えられる。

【０００４】’６６４の特許には、不活性ガス放電によ
って、ガス流が歯車のような粒子発生コンポーネントを
通過しないようにして、溶接の純度を高める、ヒンジ付
きクランプが開示されている。これによって、直接溶接
部に吹き付けられる粒子の発生を減少させることは可能
であるが、溶接環境における粒子の発生を排除すること
にはならない。さらに、ガス・ジェットは、溶融池にお
ける溶融金属の酸化を弱めることはできるが、これを排
除することにはならず、耐食性合金の蒸発を制限させる
こともなく、溶接の純度を高めようとして、ガス・ジェ
ットの圧力を上昇させると、溶融金属のスパッタを生じ
て、粒状汚染物が発生する可能性さえある。

【０００５】’５４１の特許には、溶接ゾーンを包囲し
ており、溶融池の酸化を制限するため、真空排気された
エンクロージャ６内に電子ガン１３が設けられた、エン
ベロープ７が開示されている。溶接素子は、真空室内に
あって、管に対してアークを発生し、溶接に作用するこ
とが可能でなければならない。結果として、真空室は、
溶接ヘッドを入れるのに十分な大きさを備えていなけれ
ばならない。従って、この構成の場合、包囲する真空室
を形成するのに十分なスペースが得られないことが多い
領域において、溶接しなければならない、ガス・パネル
のような用途には簡単に利用することができないし、溶
接ゾーンには、粒状汚染物を発生する可能性のある可動
部分が含まれているので、本質的に、溶接の純度を制限
することになる。

【０００６】レーザ溶接は、先行技術においても周知の
ところであり、米国特許第４，８７９，４５０号、第
４，１４１，４６０号、第４，１６２，３９０号、及
び、ドイツ特許出願第３６２０５８５Ａ１号には、い
くつかの異なる製品を製造するための各種レーザ溶接技
法が開示されている。ドイツ特許出願は、低温ハンダ接
合部のレーザ溶接に関するものである。’０４２の特許
は、真空断熱ボトルのレーザ・シーリングに関するもの
である。’４５０の特許は、圧力変換器、時計の水晶、
または、部品の１つがレーザ・ビームに対して透過性で
ある場合の他の部品に対する溶接に関するものであ
る。’４６０の特許は、隙間閉塞部材を溶融させること
による電球のシーリングに関するものである。’３９０
の特許は、ガス流と排気ポートを利用して、光透過体の
冷却、イオン化粒子の偏向、及び、溶接屑の除去を同時
に行うことに関するものである。これらの技法には、狭
いスペースにおいて突き合わせになった管を溶接した
り、あるいは、狭いスペースにおいて溶接の純度を高め
るために、加圧室を設けることを目指したものはないよ
うに思われる。

【０００７】米国特許第４，０８０，５２５号、第４，
４２９，２１１号、及び、第４，５３３，８１４号に
は、ビームのアライメントをとり、焦点を合わせるリフ
レクタを備えた、レーザ・パイプ溶接装置が開示されて
いる。’８１４の装置の場合、ヒンジ付きのアームによ
って、パイプのまわりをリフレクタが移動する。米国特
許第４，５７８，５５４号，第４，５６４，７３６号、
第４，６７３，７９５号、第４，９６３，７１４号、及
び、第４，９０６，８１２号には、さまざまな特徴を備
えた光ファイバ・レーザ溶接装置が開示されている。’
８１２の装置は、工作物に機械的に係合して、圧力を加
える。’７３６の装置は、手持ち形であり、不活性ガス
・ジェットを含んでいる。これらの装置には、加圧室を
備えているものはないし、あるいは、狭いスペースにお
ける溶接、または、クリーンで、繰り返し可能な溶接に
特に適していると思えるものもないように思われる。

【０００８】従って、所望されるのは、ガス送り出しパ
ネルのような狭いスペースにおいて、低熱入力によるク
リーンな溶接を可能にするレーザ溶接機である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、狭いスペースにおいて高純度の溶接を行うレーザ溶
接機を提供することにある。

【００１０】本発明のもう１つの目的は、高圧不活性ガ
ス室が溶接ゾーンを包囲し、レーザが、該ガス室を介し
て照射することにより、溶接に作用する、レーザ溶接機
を提供することにある。

【００１１】本発明のさらにもう１つの目的は、軌跡溶
接ヘッドを備えた、上述の特徴を有するレーザ溶接機を
提供することにある。

【００１２】本発明のさらにもう１つの目的は、レーザ
を伝送可能な光ファイバ・ケーブルを備えた、上述の特
徴を有するレーザ溶接機を提供することにある。

【００１３】本発明のさらにもう１つの目的は、上述の
特徴を有するレーザ溶接機に用いられて、室を形成し、
その内表面が、溶接物品を形成する合金中の耐食性金属
でコーティングされた、シーリング・スリーブを提供す
ることにある。

【００１４】本発明のもう１つの目的は、ウインドウの
反応度を弱めるために、酸化ハフニウムでコーティング
されたウインドウを備える、上述の特徴を有するシーリ
ング・スリーブを提供することにある。

【００１５】本発明のさらにもう１つの目的は、スピネ
ルから形成される、上述の特徴を有するシーリング・ス
リーブを提供することにある。

【００１６】本発明のさらにもう１つの目的は、上述の
特徴を有するレーザ溶接機を利用したレーザ溶接の方法
を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】以上の及びその他の目的
は、光ファイバ、及び、溶接される物品を受けるための
スロットを備えたホイールから構成され、光ファイバ
は、ホイールに取り付けられていて、ホイールの回転に
つれて、ホイールに巻き付けられ、物品のまわりに運ば
れるようになっており、さらに、物品に対してシーリン
グを施して、溶接ゾーンを包囲する室を形成するスリー
ブが設けられており、スリーブの湾曲したウインドウ
が、光ファイバからのレーザ光を溶接ゾーンに透過する
ようになっている、レーザ溶接機を提供することによっ
て達成される。

【００１８】スリーブには、スリーブを物品に対してク
ランプし、物品をスリーブの軸に沿った中心に配置する
ため、変形可能なシーリング・リングを設けることが望
ましい。溶接ゾーン室から酸素を除去するポンプを設け
ることも望ましい。最も望ましいのは、加圧不活性ガス
を室内に送り込むための供給源を設けて、溶融金属の酸
化及び蒸発を減少させることである。ホイールに取り付
けられたレンズによって、光ファイバを出たレーザ光の
焦点を溶接ゾーンのスポットに合わせながらウインドウ
の広い領域に光を拡散させることも望ましい。

【００１９】レーザは、連続波モードで動作するＮｄ：
ＹＡＧレーザが望ましい。レーザは、準連続動作モード
で、全熱入力を減少させることもできるし、Ｑスイッチ
動作モードによって、各周期の終了時に高エネルギーの
バーストを発生し、ウインドウのエネルギ吸収物質を焼
き払うことも可能である。

【００２０】もう１つの態様によれば、本発明は、溶接
される物品に対してスリーブのシーリングを行うシーリ
ング・リングを備えたスリーブを提供する。シーリング
・リングは、その内径を縮小して、物品に対してスリー
ブのシーリングを行うため、変形可能なＢｅｌｌｖｉｌ
ｌｅワッシャまたはカム・リングであることが望まし
い。シーリング・スリーブは、スピネルまたは軟金属ま
たは他の透明材料から形成し、透明部分またはウインド
ウを具備することが望ましい。スリーブの不透明部分に
は、溶接される合金中の耐食性金属によるコーティング
を含めることも望ましい（例えば、ステンレス鋼の場
合、クロム）。このコーティングによって、スリーブ材
料のガス放出が阻止され、溶接ゾーンに存在する耐食性
金属が増加するので、溶接の質が向上する。レーザ光を
透過するためのスリーブ・ウインドウは、スピネル、低
含水率の水晶、Ｃｏｒｎｉｎｇガラス、または、酸窒化
アルミニウムが望ましく、また、周期律表におけるＩＶ
Ｂ族の遷移金属の酸化物（最も望ましいのはハフニウ
ム）でコーティングを施して、ウインドウの反応度を低
下させ、断熱することが望ましい。

【００２１】もう１つの態様によれば、本発明は、物品
の上に透明な領域を備えたスリーブを配置するステップ
と、物品に対してスリーブのシーリングを施し、透明領
域を溶接ゾーンに隣接させるステップと、ポンプでスリ
ーブから空気を送り出すステップと、ポンプで加圧不活
性ガスをスリーブに送り込み、蒸発を減少させるステッ
プと、光ファイバからのレーザ光を透明領域を介して物
品に向けて送るステップから構成される、物品の溶接方
法に関するものである。

【００２２】本発明及びその特定の特徴及び利点につい
ては、添付の図面を参照しながら下記の詳細な説明を考
察することによって、より明らかになる。

【００２３】図１は、本発明によるレーザ溶接機の正面
等角図である。図２はその溶接ヘット及び固定装置のコ
ンポーネントを見せるため、部分的に分解し、切り欠い
た図である。

【００２４】図３は、駆動機構及び光ファイバ経路を示
すため、ハウジング及び固定具の前部を除去した、図１
のレーザ溶接機の正面図である。

【００２５】図４は、図１のレーザー溶接機のレンズ・
コラム及び光ファイバに関する拡大部分概略図である。

【００２６】図５は、図１のレーザ溶接機のレンズ・コ
ラムに関する拡大側面図である。

【００２７】図６は、図１のレーザ溶接機のホイール及
びリング・ギヤに関する拡大等角図である。

【００２８】図７は、図１のレーザ溶接システムのシー
リング・スリーブに関する実施例の１つの拡大正面断面
図である。

【００２９】図８は、図３のシーリング・スリーブのシ
ーリング・カム・リングに関するさらに拡大された図で
ある。

【００３０】図９は、図３のシーリング・スリーブの実
施例及び図１の固定装置に関する一連の部分拡大図であ
る。Ａ〜Ｃは固定装置の締め付け時における、図６のシ
ーリング・カム・リングの働きを示す。

【００３１】図１０は、図１のレーザ溶接機のシーリン
グ・スリーブに関するもう１つの実施例の拡大正面断面
図である。

【００３２】図１１は、図１のレーザ溶接機のシーリン
グ・スリーブに関するもう１つの実施例の部分拡大正面
断面図である。

【００３３】図１２は、スリーブ及び管の事前シーリン
グを示す、図１のレーザ溶接機に関する部分拡大図であ
る。

【００３４】

【発明を実施するための最良の形態】図１及び図２は、
本発明による軌道ヘッド・レーザ溶接機１０の正面等角
図である。図１には、互いに突き合わせになった管１
２、１３に溶接を行うため、完全に組み立てられた、溶
接機１０が示されている。図２には、管１２、１３また
は他の物品に溶接を行うコンポーネント及びそのアセン
ブリを示すため、部分的に分解し、切り欠いた図によっ
て、溶接機１０が示されている。

【００３５】軌道ヘッド・レーザ溶接機１０は、一般
に、管１２、１３を保持するための固定具１４、管１
２、１３の突き合わせ端部において、溶接ゾーン９０ま
わりにシーリングを施す（図２、７、１０及び１２参
照）ためのスリーブ１６、１６’、１６”、溶接ゾーン
の管１２、１３のまわりにレーザ光を完全に向けるため
の溶接ヘッド１８から構成される。利用する熱入力が少
なくてすむため、ステンレス鋼または他の溶接材料の分
子構造を変化させる度合いが少なくなり、蒸発させる量
が減少し、従って、耐食性合金（例えば、ステンレス鋼
中のクロムまたはマンガン）の損失が少なくなり、より
狭く、平滑なビードで溶接することにより、混入する汚
染粒子の発生が減少し、腐食及び／又は酸化にさらされ
る領域が縮小するので、クリーンな溶接用途には、ティ
グ溶接よりも、レーザ溶接が望ましい。

【００３６】溶接ヘッド１８には、ユーザの手でつかめ
るサイズが望ましい、歯車列２４を収容するハウジング
２０、及び、取付ホイール２６が含まれている。ハウジ
ング２０に接続されたコンジット３０には、光ファイバ
２８、及び、ハウジング２０に取り付けられたモータ２
２の制御用電気ケーブル２５が納められている。コンジ
ット３０は、遠隔のレーザ光源（不図示）及び電子コン
トローラ（やはり、不図示）まで延びている。所望の場
合、レーザ及びコントローラをハウジング２０内に納め
ることもできるが、それによって、狭いスペース内で、
溶接ヘッド１８を十分に操作して、管または他の物品を
溶接することができなくなる可能性があるのは、明らか
である。

【００３７】レーザで溶接するには、連続波モードで動
作するＮｄ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＡＧ、または、ダイオー
ド・レーザが望ましい。ＨｅＮｅレーザまたは他の可視
レーザを利用して、溶接スポットに対するビームの焦点
合わせ及び位置決めが行われる。溶接ビードの平滑さ、
及び、結果としての溶接の純度をあまり低下させること
なく、熱入力量をさらに減少させるため、準連続波モー
ドでレーザを動作させることもできるのは、明らかであ
る。

【００３８】図２及び３を参照すると、矢印３４で示す
ように、モータ２２及び駆動ピニオン２３を双方向に駆
動して、時計廻り方向と反時計廻り方向の両方に、歯車
列２４のピニオン３２を回転させることが可能である。
ピニオン３２は、中間歯車３６によって、リング・ギヤ
３８を駆動ピニオン２３の回転と同じ方向に回転させ
る。

【００３９】次に図６も参照すると、リング・ギヤ３８
は、レンズ・コラム２９に接続された光ファイバ２８を
受けて、リング・ギヤ３８の回転軸Ｘに向かってレーザ
光を導く、取り付けホイール２６に接続されている。リ
ング・ギヤ３８及び取り付けホイール２６には、両方と
も、Ｘ軸に沿って溶接される管１２、１３または他の物
品を受けるためのスロットまたは切り欠き部４０が設け
られている。駆動ピニオン２３によって、矢印２７で示
す第１の方向（図３参照のこと）に、リング・ギヤ３８
及び接続された取り付けホイール２６が回転すると、管
１２、１３のまわりで光ファイバ２８が３６０°進み、
次に、逆の方向に、リング・ギヤ３８及び接続された取
り付けホイール２６が駆動されると、端部が溶接された
管１２、１３から溶接機１０を退出させることが可能に
なる。モータ２２は、比較的高速であって、約０．５秒
以内に光ファイバ２８を３６０°進めることができるの
が望ましい。都合のよいことには、これによって、管に
対する熱入力の総量が減少し、従って、酸化及び汚染を
生じさせる可能性のある溶融金属の総量が減少し、耐食
性の合金元素の蒸発が減少することになる。

【００４０】リング・ギヤ３８が回転すると、光ファイ
バ２８は、光ファイバの破断、亀裂、または、破損の防
止に十分な直径を備えたグループ３０が設けられた、取
り付けホイール２６に巻き付けられたり、あるいは、該
取り付けホイールから巻き戻されたりする。光ファイバ
２８のゆるみ部分は、最小半径ブロック４１を含むハウ
ジング２０内の巻き取りボックス４０（図２参照のこ
と）に納められる。取り付けホイール２６の第２のグル
ーブ３１は、グルーブ３０内にファイバ２８を保持し、
リング・ギヤ３８の回転のためのベアリングとしての働
きもする、ハウジング２０の一部として設けられたリン
グ３３（図２参照のこと）を受ける。ファイバ２８は、
ハウジング２０に入り、安全な半径をもたらすブロック
４１のまわりを回転し、巻き取りボックス４０内にゆる
み部分のループを形成して、ブロック４１に戻り、再
び、グルーブ３０に送り込まれて、さらに、ホイール２
６に取り付けられる。光ファイバ２８が管１２、１３ま
わりを３６０°進むと、光ファイバ２８のループ４３
は、巻き取りボックス４０内において、最小半径ブロッ
ク４１のエッジ４５まで進むことになる。

【００４１】通常は、必要とする安全巻き付け直径が比
較的小さくてすむので、一般に、太さが約４００μｍの
比較的細い光ファイバが望ましい。しかし、ステンレス
鋼及び他の材料の溶接に必要な電力要件のため、所定の
光ファイバ構成には、所定の最小太さしか利用すること
ができない。従って、光ファイバの選択は、制限を受け
る可能性がある。ステンレス鋼のガス・システム溶接に
は、４００μｍの厚さ、及び、約２００ｍｍの最小曲げ
半径を備えた、３Ｍのステップ・インデックス光ファイ
バが有効であることが分かった。さらに、ファイバ軸に
対して約３〜５°のわずかな角度で、光ファイバにレー
ザ光を送りこむことによって、光ファイバは、一貫した
放射強度をもたらすので、溶融池が均等に加熱され、溶
融金属のピーク温度が低下することになる。

【００４２】図４を参照すると、光ファイバ２８の取り
付けを示すため、レンズ・コラム２９が拡大図で示され
ている。光ファイバ２８は、セラミック・カラー９０に
よって包囲され、その内部に末端がくる。カラー９０に
は、光ファイバ２８を受けるための通路９２が設けられ
ている。終端ポイント９４において、通路９２は、レン
ズ・コラム２９の方向において、光ファイバ２８から離
れるように、外側へフレア状になっている。フレア状表
面９６には、フリンジにおける強度の低い光を結合し
て、より均一な放射強度を備えたビーム９８を形成する
ため、反射性コーティングが含まれている。

【００４３】図５を参照すると、レンズ・コラム２９
は、溶接スポット１１２、１１３、１１４の位置を調整
して、溶接ライン９１上に位置するようにするため、バ
ネ１１０と調整ネジ１１１の間の１２０において、取り
付けホイール２６に旋回可能に取り付けられる。

【００４４】固定具１４は、溶接される管１２、１３ま
たは他の物品を受けて、保持するためのホール４４を備
えた、１対の向かい合ったプレート４２から構成され
る。さまざまなサイズの管に適応するため、プレート４
２の一方または両方を取り替えたり、あるいは、ホール
４４にコレット（不図示）を取り付けることも可能であ
る。固定具１４は、溶接ヘッド１０と１つになった一体
部分として示されているが、明らかに、独立したコンポ
ーネントとして設けることも可能である。

【００４５】各固定プレート４２には、そのホール４４
に管１２、１３を受けるために、プレート４２の旋回部
分４８、５０を移動させて、Ｘ軸から離すヒンジ４６が
設けられている。これに関して、プレート４２の旋回部
分４８、５０を分割するライン５４が、ホール４４を横
切ることになる。ネジ付きロッド５６及び協働するラッ
チ５７によって、管１２、１３のまわりの旋回部分４
８、５０、及びクランプ・ホール４４が接続される。

【００４６】固定具１４は、溶接ヘッド１８に接続され
て（あるいは、溶接ヘッドにかぶさるように取り付ける
ことも可能であるが）、ホール４４の中心がＸ軸上にく
るようになっている。Ｘ軸と平行な方向において、互い
に向かうように、及び、互いに離れるように、固定プレ
ート４２を移動させるため、もう１つのネジ付きロッド
または同様のもの５８が設けられている。一方のプレー
ト４２における１つ以上のガイド・シャフト６０が、も
う一方のプレート４２のホール６１に納まることによっ
て、向かい合ったプレートのホール４４は、確実に、ア
ライメントのとれた状態に維持される（図１参照のこ
と）。

【００４７】プレート４２が内側に移動すると、スペー
サ６２（図２参照のこと）がスリーブ１６、１６’、１
６”の端部に押し込まれて、管１２、１３に対するシー
リングが施されることになる。スペーサ６２は、ホール
４４を包囲するリップまたはリッジ６３の形をなすよう
に、プレート４２に直接成形して、設けることも可能で
ある（図１０参照のこと）。

【００４８】次に、図７及び１０を参照すると、矢印６
４で示すように、プレート４２を内側に移動させて、ス
リーブ１６の両側をクランプした後の、管１２、１３に
対するシーリングを施した、シーリング・スリーブの２
つの実施例１６及び１６’が、拡大断面図で示されてい
る。図１１には、矢印６４の方向にプレート４２を移動
させる前の、シーリング・スリーブの実施例１６”が、
部分拡大概略図で示されている。

【００４９】スリーブ１６”は望ましい実施例である
が、多くの共通した特徴を備えているので、まず、スリ
ーブ１６、１６’、１６”について、まとめて論述す
る。スリーブ１６、１６’、１６”は、スピネル、水
晶、Ｃｏｒｎｉｎｇガラス、酸窒化アルミニウム、好ま
しくは、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）−−ウインドウ６
８を通って照射するレーザ光が、ウインドウに捕獲され
た水の分子を解放する可能性を低下させることによっ
て、溶融鋼を酸化させる可能性を低下させるため、含水
率の低いことが最も望ましい−−から製造された、１対
の挿入物６６及び湾曲したウインドウ６８から構成され
る。ウインドウ６８の内表面は、ウインドウの反応度を
弱め、断熱するため、ＩＶＢ属の遷移金属の酸化物、好
ましくは、ハフニウムによるコーティングが施される。

【００５０】挿入物６６には、表面７２にグルーブ７０
が設けられており、シーリングを施して、湾曲したウイ
ンドウ６８のエッジ７４を納めるようになっている。ウ
インドウ６８は、光ファイバ２８から管１２、１３にレ
ーザ光を透過する。レンズ６９は、溶接ゾーン９０内の
所望のスポットにレーザ光の焦点を合わせる。レンズ・
コラム２９には、ファイバ２８を出たレーザ光を、レン
ズ６９に向けて９０°の角度で反射するためのミラー７
１（図３も参照のこと）も含まれている。レンズ６９
は、溶接ポイントにおいて最大パワーを生じる収束ビー
ムを形成し、一方では、スピネル・ウインドウ６８にお
けるかなり広い領域にわたってレーザ・パワーを拡散さ
せて、過熱の可能性を低下させることが望ましい。これ
に関して、レーザは、レーザ・エネルギを吸収して、過
熱を生じる可能性のある、ウインドウ６８に蓄積した物
質を有効に蒸発させる被変調正弦波の各ピークの終了時
に、高エネルギのバーストを発生する、Ｑスイッチ動作
モードを備えることも可能である。

【００５１】スリーブ１６、１６’の挿入物６６は、ス
ピネルまたはプラスチックから形成され、かなり剛性が
高い。一方、スリーブ１６”の挿入物６６は、管１２、
１３のシーリングのため変形可能な、銅のような軟金属
から形成される。とりわけ、挿入物６６が、プラスチッ
クから形成される場合、そして他の挿入物の場合も、湾
曲した窓６８の直下にあるスリーブ１６、１６’、１
６”の表面７２は、水晶内の水分と同様、溶融金属の汚
染につながる可能性のある、高溶接温度による挿入物６
６のガス放出を阻止するため、金属層でコーティングが
施される。コーティングは、溶融池における耐食性金属
の濃度を増して、溶接の耐食性、従って、純度を向上さ
せることの可能な、溶接される合金中の耐食性金属（例
えば、ステンレス鋼の場合には、クロム）が望ましい。
コーティングは、レーザ・エネルギの吸収を阻止するた
め、反射率の高いもの（例えば、クロム）も望ましい。

【００５２】挿入物６６には、スリーブ１６内の固定プ
レート４２によって加圧されるスペーサ６２またはリッ
ジ６３を受ける凹所７６が含まれている。スペーサ６２
及びリッジ６３は、スリーブ１６、１６’、１６”内の
表面８０、８０’、８０”にシーリング・リング７８、
７８’、７８”を押しつけて、リング７８、７８’、７
８”を変形させ、内径を小さくして、挿入物６６と管１
２、１３の間にシールを形成する。これに関して、リン
グ７８、７８’、７８”を変形させると、内径が小さく
なって、管１２、１３をクランプし、かつ、スリーブ１
６、１６’、１６”内において管１２、１３をＸ軸に沿
ったほぼ中心に位置決めするので、これによって、管ま
たは他の物品のサイズの不整合による影響を物品の全周
囲にわたって最小限に抑え、補償することが可能にな
る。

【００５３】表面８０、８０’、８０”は、凹所７６か
らＸ軸に向かって内側に傾斜している。スリーブ１６に
おいて、挿入物６６の表面８０は、湾曲したウインドウ
６８及びもう一方の挿入物６６に向かっても傾斜してい
る。スリーブ１６”において、挿入物６６の表面８０”
の一部は、やはり、ウインドウ６８及びもう一方の挿入
物６６に向かって傾斜している。

【００５４】スリーブ１６、１６’、１６”のそれぞれ
において、軟金属（例えば、銅）部分８２、８２’、８
２”が、挿入物６６と管１２、１３の間にシールを形成
する。

【００５５】スリーブ１６’のリング７８’は、内部バ
ネ８４及び銅箔８２の外層によって形成されたＯリング
から構成される。動作時、スペーサ６２及び固定プレー
ト４２によって、バネ８４が変形すると、箔８２’が管
１２、１３及び表面８０’に押しつけられて、シーリン
グが施される。

【００５６】スリーブ１６のリング７８は、カム・リン
グであり、スリーブ１６”のリング７８”は、Ｂｅｌｌ
ｖｉｌｌｅワッシャである。動作時、スペーサ６２によ
って、リング７８、７８”が変形すると、銅シーリング
領域８２、８２”が物品１２、１３に向かって押しやら
れて、接触し、シーリングが施されることになる。

【００５７】図９のＡ〜Ｃ、図８及び１１を参照する
と、リング７８、７８”は、ウェッジ形状の断面を備え
ており、狭いほうのテーパ状端部８６が内径を形成し、
広いほうの丸い端部８８が外径を形成している。動作
時、スペーサ６２が内側に加圧するにつれて（図９Ａ及
び図１１）、丸い端部８８が表面８０、８０”上をスラ
イドし、回転すると、リングの断面の二等分線Ｂ（図９
Ｂ及び図１１）が、傾斜表面８０、８０”に対してほぼ
平行な初期位置から、管１２、１３に対してより垂直な
最終シーリング位置（図９Ｃ及び図１１のダッシュ・ラ
イン）まで移動または回転することにより、リング７
８、７８”が変形して、リングの内径が縮小され、テー
パ状の端部８６が銅領域８２、８２”を管１２、１３に
押しつけて、シーリングが施されることになる。別個に
示されてはいないが、スリーブ１６”のリング７８”
は、極めてよく似た働きをし、図１１のダッシュ・ライ
ンで示すように、スリーブ１６”の挿入物６６の軟金属
フランジ８９を管１２、１３に対してシールする。

【００５８】本発明の装置によれば、狭いスペースにお
いて極めてクリーンな溶接が可能になる。再び、図７、
１０及び１１を参照すると、スリーブ１６、１６’、１
６”は、溶接ゾーン９０を包囲しており、該溶接ゾーン
内において、溶接スポットに対して光ファイバ２８から
のレーザ光の焦点を合わせ、溶接ライン９１に沿って移
動させることができる。図２に示すように、管１２、１
３の一方は、プラグ９２またはガス・パネル・バルブで
閉じる、または、シーリングを施すことが望ましく、溶
接ゾーンの真空排気のため、矢印９４で示されるよう
に、もう一方の管に対してポンプ（不図示）が接続され
る。溶接ゾーンから酸素及び微粒子を除去すると酸化汚
染の可能性が低下する。また、溶接ゾーンのシーリング
によっても、溶接ヘッド自体のような発生源からの微粒
子による溶融池の汚染が防止される。

【００５９】次に、図１２を参照すると、スリーブ１
６、１６’、１６”は、製造時に膜１０１によってシー
リングを施し、使用に先立つ汚染を防止するのが望まし
い。同様に、スペーサ５２に膜１００を設けて、スペー
サをあらかじめ取り付けることによって、溶接に先立っ
て、管のシーリングが施されるようにすることも可能で
ある。

【００６０】溶接ゾーン９０の真空排気後、該ゾーンに
加圧不活性ガスを送り込むことによって、よりいっそう
クリーンな溶接を行うことが可能になる。圧力が高くな
ると、ステンレス鋼中の耐食性合金元素（例えば、クロ
ム及びマンガン）は、溶接温度において液体の状態を保
ち、蒸発して粒状汚染物を形成することはない。さら
に、圧力が高くなると、蒸気を逃がさない時に、溶融池
がより高温になるので、より速い溶接が可能になる。溶
接ゾーンの容積を縮小することによって、すなわち、シ
ーリング・スリーブのサイズを縮小することによって、
やはり、よりクリーンな溶接が可能になる。例えば、溶
接によって生じるように、所定の温度が上昇すると、よ
り小さい室内における圧力はいっそう上昇することにな
る。高圧によって得られる利点に加えて、室がより小さ
くなると、溶融池との平衡状態に達するのに必要な汚染
蒸気の量が少なくてすむ。

【００６１】本発明の説明は、部品、機能等の特定の構
成に関連して行ってきたが、これらは、可能性のある構
成または機能を全て使い尽くすことを意図したものでは
なく、実際、当該技術の熟練者にとっては、他の多くの
修正及び変更が確認し得るものである。

【００６２】本発明とその態様をまとめて記載すると次
のとおりである。１．レーザ光を伝送する光ファイバと、その回転軸の所
定位置に溶接すべき物品を受けるスロットが設けられた
回転可能なホイールを具備し、前記光ファイバが、前記
ホイールに取り付けられて、レーザ光を溶接ゾーンに向
けて送るようになっていることと、前記光ファイバが、
前記ホイールの回転につれて、前記ホイールに巻き付
き、物品のまわりに運ばれるようになっていることと、
さらに、物品に対してシーリングを施して、溶接ゾーン
を包囲する室を形成するスリーブを具備しており、該ス
リーブの湾曲したウインドウが、前記光ファイバからの
レーザ光を溶接ゾーンに透過するということを特徴とす
る、狭いスペースのためのレーザ溶接機。

【００６３】２．前記スリーブに、その内径を縮小し
て、物品に対してスリーブをクランプし、前記ホイール
の回転軸に沿った中心に物品を位置決めする、変形可能
なリングが設けられていることを特徴とする１に記載の
レーザ溶接機。

【００６４】３．前記光ファイバの端部に隣接して、前
記ホイールにレンズが取り付けられていることと、前記
レンズは、前記湾曲したウインドウを通るレーザ光をで
きるだけ広い領域に行き渡らせ、一方で、該レーザ光の
焦点を溶接ゾーンのスポットに合わせるということを特
徴とする１に記載のレーザ溶接機。

【００６５】４．シーリングを施されたスリーブ室から
酸素を除去するためのガスス・ポンプが設けられている
ことを特徴とする１に記載のレーザ溶接機。

【００６６】５．シーリングを施されたスリーブ室に加
圧不活性ガスを充填するための手段が設けられているこ
とを特徴とする４に記載のレーザ溶接機。

【００６７】６．前記光ファイバを受けて、前記ホイー
ルに転換するためのカラーが設けられていることと、前
記カラーが、前記ファイバを出るビームの放射強度にお
ける均一性を高めるためのフレア状表面を備えているこ
とを特徴とする１に記載のレーザ溶接機。

【００６８】７．前記光ファイバの軸に対して約３〜５
°の角度で、レーザ光を前記光ファイバに入力するため
のレーザが設けられていることを特徴とする１に記載の
レーザ溶接機。

【００６９】８．前記光ファイバにレーザ光を出力する
ためのレーザが設けられていることと、該レーザは、Ｑ
スイッチ動作モードで、周期的高エネルギ・バーストを
発生し、湾曲したウインドウに蓄積する可能性のある溶
融金属の蒸気を除去するということを特徴とする１に記
載のレーザ溶接機。

【００７０】９．前記光ファイバにレーザ光を出力する
ためのレーザが設けられていることと、該レーザは、準
連続動作モードで、物品に対する熱入力の総量を減少さ
せるということを特徴とする１に記載のレーザ溶接機。

【００７１】１０．レーザ光が向けられる溶接ゾーン内
の位置を調整するための手段が設けられることを特徴と
する１に記載のレーザ溶接機。

【００７２】１１．透明領域を備えたスリーブを物品の
上に配置するステップと、スリーブで物品にシーリング
を施し、透明領域が溶接ゾーンに隣接した位置につくよ
うにするステップと、スリーブから空気を除去するステ
ップと、スリーブに加圧不活性ガスを充填し、溶接され
る合金中の金属の蒸発を減少させるステップと、光ファ
イバからのレーザ光を透明領域を介して物品に向けて送
るステップから構成される物品の溶接方法。

【００７３】１２．スリーブによるシーリング・ステッ
プが、スリーブ内のリングを変形させて、リングの内径
を縮小することにより、スリーブを物品に対してクラン
プすることから構成されるということを特徴とする１１
に記載の溶接方法。

【００７４】１３．クランプ・ステップが、軸方向にお
いて、１対の固定プレートを共にスリーブに向かって移
動させ、リングをスリーブ内の表面に押しつけることか
らなるということを特徴とする１２に記載の溶接方法。

【００７５】１４．スリーブの縦軸方向に沿った中心に
物品を位置決めするステップが含まれることを特徴とす
る１１に記載の溶接方法。

【００７６】１５．ある範囲の非ゼロ値間においてレー
ザ光に変調を施すステップが含まれることを特徴とする
１１に記載の溶接方法。

【００７７】１６．固定プレートによって所定位置に保
持された物品にレーザ溶接を施すためのシーリング・ス
リーブにおいて、挿入物と、挿入物に接続された湾曲し
たウインドウと、前記挿入物で物品にシーリングを施す
ためのリングから構成され、前記挿入物の表面が、スリ
ーブの軸に向かって延びることと、前記固定プレート
は、前記リングを前記表面に押しつけて、前記リングを
変形させ、該挿入物で物品にシーリングを施すというこ
とを特徴とするシーリング・スリーブ。

【００７８】１７．前記軸に向かって延びる前記表面
が、前記挿入物から前記湾曲したウインドウに向かって
傾斜していることを特徴とする１６に記載のシーリング
・スリーブ。

【００７９】１８．前記リングが、前記傾斜表面に沿っ
てスライドすることを特徴とする１６に記載のシーリン
グ・スリーブ。

【００８０】１９．前記リングに、ウェッジ形状の断面
が備わっていることと、前記リングが、前記傾斜表面に
押しつけられると、前記リングの広いほうの端部が、前
記傾斜表面上をスライドするということを特徴とする１
８に記載のシーリング・スリーブ。

【００８１】２０．前記挿入物に、フランジが含まれて
いることと、前記リングが変形するにつれて、前記リン
グの断面の二等分線が、物品に対して垂直な位置に向か
って移動し、前記カム・リングの狭いほうの端部が、移
動して、前記フランジに接触し、前記フランジによって
物品にシーリングが施されるということを特徴とする１
９に記載のシーリング・スリーブ。

【００８２】２１．前記リングが変形すると、前記リン
グの内径が縮小されて、物品が前記スリーブ内の中心に
位置決めされるということを特徴とする１６に記載のシ
ーリング・スリーブ。

【００８３】２２．前記スリーブは、その内表面にコー
ティングが施されているということと、該コーティング
が、溶接される合金中の耐食性金属からなることを特徴
とする１６に記載のシーリング・スリーブ。

【００８４】２３．前記湾曲したウインドウが、含水率
の低い水晶であることを特徴とする１６に記載のシーリ
ング・スリーブ。

【００８５】２４．前記湾曲したウインドウが、スピネ
ルであることを特徴とする１６に記載のシーリング・ス
リーブ。

【００８６】２５．前記湾曲したウインドウは、その内
表面にコーティングが施されているということと、該コ
ーティングが、周期表のＩＶＢ族の遷移金属酸化物から
なることを特徴とする１６に記載のシーリング・スリー
ブ。

【００８７】２６．スリーブにシーリングを施すため
に、膜が設けられていることを特徴とする１６に記載の
シーリング・スリーブ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ溶接機の正面等角図。

【図２】図１に示されるレーザ溶接機であって、その溶
接ヘッド及び固定装置のコンポーネントを見せるため、
部分的に分解し、切り欠いた図。

【図３】駆動機構及び光ファイバ経路を示すため、ハウ
ジング及び固定具の前部を除去した、図１のレーザ溶接
機の正面図。

【図４】図１のレーザ溶接機のレンズ・コラム及び光フ
ァイバに関する拡大部分概略図。

【図５】図１のレーザ溶接機のレンズ・コラムに関する
拡大側面図。

【図６】図１のレーザ溶接機のホイール及びリング・ギ
ヤに関する拡大等角図。

【図７】図１のレーザ溶接システムのシーリング・スリ
ーブに関する実施例の１つの拡大正面断面図である。

【図８】図３のシーリング・スリーブのシーリング・カ
ム・リングに関するさらに拡大された図である。

【図９】固定装置の締め付け時における図６のシーリン
グ・カム・リングの働きを示す、図３のシーリング・ス
リーブの実施例及び図１の固定装置に関する一連の部分
拡大図。

【図１０】図１のレーザ溶接機のシーリング・スリーブ
に関する別の実施例の拡大正面断面図。

【図１１】図１のレーザ溶接機のシーリング・スリーブ
に関する別の実施例の部分拡大正面断面図。

【図１２】スリーブ及び管の事前シーリングを示す、図
１のレーザ溶接機に関する部分拡大図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｂ２３Ｋ 101:40

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を伝送する光ファイバと、その回転軸の所定位置に溶接すべき物品を受けるスロッ
トが設けられた回転可能なホイールを具備し、前記光フ
ァイバが、前記ホイールに取り付けられて、レーザ光を
溶接ゾーンに向けて送るようになっていることと、前記
光ファイバが、前記ホイールの回転につれて、前記ホイ
ールに巻き付き、物品のまわりに運ばれるようになって
いることと、さらに、物品に対してシーリングを施して、溶接ゾーン
を包囲する室を形成するスリーブを具備しており、該ス
リーブの湾曲したウインドウが、前記光ファイバからの
レーザ光を溶接ゾーンに透過するということを特徴とす
るレーザ溶接機。
【請求項２】透明領域を備えたスリーブを物品の上に
配置するステップと、スリーブで物品にシーリングを施し、透明領域が溶接ゾ
ーンに隣接した位置につくようにするステップと、スリーブから空気を除去するステップと、スリーブに加圧不活性ガスを充填し、溶接される合金中
の金属の蒸発を減少させるステップと、光ファイバからのレーザ光を透明領域を介して物品に向
けて送るステップからなることを特徴とする物品の溶接
方法。
【請求項３】固定プレートによって所定位置に保持さ
れた物品にレーザ溶接を施すためのシーリング・スリー
ブにおいて、挿入物と、挿入物に接続された湾曲したウ
インドウと、前記挿入物で物品にシーリングを施すため
のリングから構成され、前記挿入物の表面が、スリーブ
の軸に向かって延びることと、前記固定プレートは、前
記リングを前記表面に押しつけて、前記リングを変形さ
せ、該挿入物で物品にシーリングを施すということを特
徴とするシーリング・スリーブ。