JP2008544859A - レーザ溶接システム及び方法 - Google Patents

Abstract

レーザ溶接システム及び方法であって、該システムは、ターゲットを溶接するとともに、光軸を有し、レーザビーム２４のソース２２と、レーザビーム２４を、前記光軸３０の周りを回転する一対のレーザスポット３２に変換する回転可能回折格子２６と、前記一対のレーザスポット３２をターゲット３４に集束させるレンズとを含む。

Description

本発明は、一般に溶接システムに関し、より詳細には、レーザ溶接システム及び方法に関する。

現代の製造プロセスは、しばしば異種の材料の接合、例えば、ニッケルを真鍮に、ステンレススチールを銅に、ステンレススチールを真鍮に、又は金属をサーメット（cermet）に接合することを必要とする。異種の材料を融接しようとしても、溶接において形成される金属間相により、ある程度しか成功しない。２つの材料における異なる物理特性は、溶融池形状、凝固微細構造、及び偏析パターンにおいて、複雑な問題をもたらす。現行技術のレーザ溶接技術は、硬く、脆性微細構造であり、弱く、大きな亀裂を有する結果となる。このような溶接は、信頼できず、不安定な溶接プロセスである。

従来の回転するレーザビームを使用するレーザ溶接装置は、複雑な光学系、及び機構を使用している。典型的に、レーザビームは、レーザビームを光軸からそらすとともに、溶接ターゲット上に円形路を生成する、回転光学要素を通過させられる。レーザビームをそらすために使用されるレンズ、鏡、及びプリズムは、放射対称性ではないか、又は光軸に対して非対称に取り付けられ、回転速度を制限する。こうすることは、溶接するターゲットにおいて、レーザビームの安定性及び速度を制限する。ゆっくりした速度は、レーザビームの、溶接ターゲットとの相互作用時間を増加させ、スパッタリング及び粗い溶接を避けるために、ビーム電力の減少を必要とする。相互作用時間が増加されると、異種金属の溶接の冶金学的能力が低下する。光学安定性が低下すると、溶接の正確性も低下する。

上記の不利な点を克服するレーザ溶接システム及び方法を持つことが望ましい。

本発明の一態様は、ターゲットを溶接するとともに、光軸を有するシステムであって、レーザビームのソースと、光軸の周りを回転する一対のレーザスポットに、レーザビームを変換する回転可能回折格子と、該一対のレーザスポットをターゲットに集束させるレンズとを有するシステムを提供する。

本発明の他の態様は、ターゲットを溶接する方法であって、平面の回転可能回折格子を設けるステップと、該回転可能回折格子の平面に対して直交する光軸の周りを、回転可能回折格子を回転させるステップと、分割ビームを生成するために、前記回転可能回折格子に、光軸に沿うレーザビームを向けるステップと、該分割ビームをターゲットに集束させるステップとを有する方法を提供する。

本発明の他の態様は、ターゲットを溶接するシステムであって、平面の回転可能回折格子と、該回転格子を、該回転格子の平面に対して直交する光軸の周りを回転させる手段と、分割ビームを生成するために、前記光軸に沿うレーザビームを、前記回転可能回折格子に向ける手段と、前記分割ビームをターゲットに集束させる手段とを有するシステムを提供する。

本発明の上記及び他の特徴及び利点は、添付の図面とともに読まれる、本発明の好ましい実施例の以下の詳細な説明から、更に明らかになるであろう。詳細な説明及び図面は、本発明を制限するものではなく、単に説明するものであり、本発明の範囲は、請求項及び、それと同じものにより規定されている。

図１及び図２は、それぞれ、本発明によって作られる溶接システムの断面図及び溶接経路の概略図である。該溶接システムは、ターゲットにおいて一対の回転するレーザスポットを生成するために、回転可能回折格子を通じて、レーザビームをそらす。

図１及び図２を参照すると、溶接システム２０は、レーザビーム２４のソース２２と、回転可能回折格子２６と、レンズ２８とを有する。溶接システム２０の光学系は、光軸３０に沿って位置合わせされる。回転可能回折格子２６は、レーザビーム２４を、光軸３０の周りを回転する一対のレーザスポット３２に変換する。静止レンズ２８は、ステージ３８に担持されるワークピース３６に対して、ターゲット３４を溶接するために、一対のレーザスポット３２をターゲット３４に集束させる。図２は、ターゲット３４において溶接５０を形成するレーザスポット３２とともに、溶接プロセスを図示し、すなわち、溶接５０は、まだ完全な円を形成していない。当業者らは、溶接システム２０が、所望であれば完全な円ではない溶接を作るためにも使用され得ることを理解するであろう。回転可能回折格子２６は、高速ベアリング４４により、固定ハウジング４２内に担持される、回転可能ハウジング４０に取り付けられる。速度制御されたＡＣサーボモータ４６は、ベルト４８を通じて、回転可能ハウジング４０を駆動する。回転可能回折格子２６における矢印は、回転可能回折格子２６の回転を図示する。一実施例において、光軸３０は、重力の向きに沿い、その結果回転可能ハウジング４０は、固定ハウジング４２からぶら下がる。

レーザビーム２４のソース２２は、レーザ２１からのレーザビーム２４を伝達するファイバ光学導体、又はレーザの直接出力部であり得る。レーザ２１は、溶接に適したいかなるパルス又は連続レーザ源でもあり得る。一例において、レーザ２１は、１０６４ｎｍの波長で、パルス電力約６００乃至６０００ワットであるレーザビームを生成するネオジムドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザである。一実施例において、レーザは、Trumpf Laser GmbH of Schramberg, Germanyから利用可能であるＨＬ２０４ｐである。レーザビーム２４は、回転可能ハウジング４０に入ると拡散し、拡散ビーム６０になる。当業者らは、溶接、切断、孔あけ、及び／又は融除（ablate）するような特定の用途に適切な様々なタイプのレーザ及び様々なタイプの波長が、所望であれば使用され得るということを理解するであろう。

回転可能回折格子２６は、レーザビーム２４を少なくとも一対のレーザスポット３２に分割することに適した二位相回折格子のような、いかなる回折格子でもあり得る。回転可能回折格子２６は、拡散ビーム６０から、分割ビーム６２を生成し、該回転可能回折格子２６は、光軸３０の周りを回転する回転可能ハウジング４０内に取り付けられる。回転可能回折格子２６は、平面及び放射状に対称性を持つ。回転可能回折格子２６の平面は、光軸３０に対して直交し、光軸３０の周りを高速度で、回転可能回折格子２６が回転することを可能にする。回転可能回折格子２６は、使用される特定のレーザに対して所望であれば、ガラス上にフォトレジストで覆われるか、又は溶融石英においてエッチングされ得る。当業者らは、回転可能回折格子２６のパターンが一対より多くのレーザスポット３２を生成するように選択され得るか、又は多量の分離した回転可能回折格子が使用され得ることを理解するであろう。例えばレーザビームを２つの同一の画像に分割する、１つの回転可能回折格子は、自身のパターンを、４つの分割ビームと二対のレーザスポットとを生成する同じ種類の他の回転可能回折格子に対して直角に位置され得る。

レンズ２８は、前記一対のレーザスポット３２を生成する、ターゲット３４に集束されたビーム６６を供給するように、回転可能回折格子２６からの分割ビームを視準するとともに集束させるいかなる１つ又はグループのレンズであり得る。レンズ２８は、光軸３０に対して固定である。一実施例において、レンズ２８は、Trumpf Laser GmbH of Schramberg, Germanyから利用可能であるＢＥＯ３０集束光学系に見つけられるように、コリメートレンズ５２と集束レンズ５４とを含む。コリメートレンズ５２は、分割ビーム６２からコリメートビーム６４を生成し、集束レンズ５４は、コリメートビーム６４から集束されたビーム６６を生成する。

図示された例において、回転可能回折格子２６は、ターゲット３４における溶接経路５１の直径及びレーザスポット３２の直径を決定するために、拡散ビーム６０内で軸方向に移動され得る。拡散ビーム６０内に回転可能回折格子２６をおくことは、ターゲット３４における溶接経路５１の直径の調整、すなわち、回転可能回折格子２６の位置及び格子定数に従って、レーザスポット３２の間におけるピッチの調整の柔軟性を提供する。他の実施例において、回転可能回折格子２６は、コリメートビーム６４内のコリメートレンズ５２と集束レンズ５４との間に配置され得る。コリメートビーム６４内に回転可能回折格子２６を位置することは、ターゲット３４における溶接経路５１の直径を固定、すなわち回転可能回折格子２６の格子定数に従って、レーザスポット３２の間におけるピッチを固定する。

ターゲット３４及びワークピース３６は、溶接によって接合されるべき２つの部分でもあり得る。一例において、ターゲット３４は、板状（plate）であり、ワークピース３６が、中空の円筒状である。他の例において、ターゲット３４とワークピース３６の両方が板状である。他の例において、ターゲット３４がワイヤであり、ワークピース３６が板状である。ターゲット３４とワークピース３６とは、ニッケルと真鍮、ステンレススチールと銅、ステンレススチールと真鍮、又は金属とサーメットのような異種の材料であり得る。ターゲット３４は金属であり得、ワークピース３６は、金属化プラスチック、セラミック、及び／又は金属化ガラスのような繊細な材料であり得る。溶接の１つの例示的な使用は、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプのセラミックバーナを密閉することである。

ターゲット３４及びワークピース３６は、溶接のための位置にターゲット３４とワークピース３６とを固定するために、ステージ３８に担持され得る。典型的に、ターゲット３４の平面は、光軸３０に対して直交し、それから、ターゲット３４における溶接経路５１は円形である。他の実施例において、ターゲット３４の平面は、光軸３０に対してある角度をなし、その結果ターゲット３４における溶接経路５１は楕円である。該角は、溶接を形成するのに十分な電力を供給するように、レーザスポット３２が、溶接経路５１全体に渡って十分に焦点が合ういかなる角、例えば約２０度より小さい、ターゲット３４の平面と光軸３０との間の角であり得る。一実施例において、ステージ３８は、溶接の間、光軸３０に対して固定される。他の実施例において、ドライバ３９は、ターゲット３４上において、サイクロイドのような複雑な溶接経路を作り上げるように、溶接の間ステージ３８を移動させる。当業者らは、ドライバ３９が、所望であればいかなる軌道においても、例えば線形又は二次元の軌道においても、光軸３０に直交してターゲット３４を移動させるようにプログラムされ得ることを理解するであろう。

空気、窒素、アルゴン、及び／又は酸素のような高純度遮蔽ガスが、冷却及び補助プラズマ形成をするように、ターゲット３４において適用され得る。遮蔽ガスは、特定の材料のターゲット３４及びワークピース３６に対して、要求通り選択され得る。遮蔽ガスの流れは、所望であればクロスフロー、ダウンフロー、及び／又はボックスフローであり得る。

図２を参照すると、一対のレーザスポット３２は、ターゲット３４における溶接５０を生成する溶接経路５１において、光軸３０の周りを回転する。レーザスポット３２の直径は、特定の用途に対して所望であれば、通常約０．１乃至０．６ｍｍの範囲にある。回転可能回折格子２６の高速回転は、ターゲット３４を横切って急速にレーザスポット３２を運動させ、レーザスポット３２とターゲット３４との間の相互作用時間を制限する。ここでは、相互作用時間は、レーザスポット３２にとって、ターゲット３４におけるレーザスポット３２の直径１つ分を移動するのに必要とされる時間として規定される。相互作用時間は、レーザスポット３２が、溶接経路５１全体に沿うある地点にある時間でもある。１０乃至２０ｍｓにおいて行き来する溶接経路５１に対して、相互作用時間は、通常０．１乃至０．２ｍｓである。制限された相互作用時間は、非常に短い時間に、ターゲット３４及びワークピース３６の両方に対して、高いエネルギーをもたらすことにより、確実な溶接を生成する。高いエネルギーは、ターゲット３４を通じてワークピース３６へのキーホール、及びプラズマプルームを形成する。キーホール内におけるレーザ光の反射は、ターゲット３４へのエネルギー伝達を増加させる。キーホールの周りの溶融された金属は、表面張力及び凝固により、移動するレーザスポット３２の背後の領域に流れ、溶接５０を形成する。制限された相互作用時間は、溶接付近のスパッタリングを減少させ、スムーズな溶接表面をもたらす。

所望される相互作用時間は、ターゲット３４及びワークピース３６の材料に依存し、ターゲット３４におけるレーザスポット３２の速度の関数である。ここでは、相互作用時間は、レーザスポット３２にとって、ターゲット３４におけるレーザスポット３２の直径１つ分を移動するために必要とされる時間として規定される。相互作用時間は、レーザスポット３２が、溶接経路５１全体に沿うある地点にある時間でもある。レーザスポット３２の速度は、溶接されるべきターゲット３４及びワークピース３６の構成によって通常設定される、溶接経路５１の直径と、可変である回転可能回折格子２６の回転速度とにより決定される。回転可能回折格子２６の回転速度は、通常、約１５００と４５００ｒｐｍとの間にあり、１００００ｒｐｍより遅い。ターゲット３４におけるレーザスポット３２の速度は、通常約５００ｍｍ／秒であり、約２００乃至８００ｍｍ／秒の範囲内にあり得る。レーザスポット３２のターゲット３４との所望された相互作用時間は、通常約０．２ｍ秒であり、約０．１乃至０．５ｍ秒の範囲内にあり得る。

レーザに対する電力は、特定の溶接結果を生成するために、スイッチオン及びオフ、並びに／又は、時間とともに変化され得る。レーザは、溶接経路５１に沿って２つの分離した溶接を生成するために、レーザスポット３２の１つに対して、溶接経路５１の半分を誘導するのに必要とされる時間よりも短くあてられ得る。レーザは、溶接経路５１に沿って円形の溶接を生成するために、レーザスポット３２の１つに対して、溶接経路の半分を誘導するのに必要とされる時間、あてられ得る。レーザは、溶接経路５１に沿ってマルチパスの溶接を生成するために、レーザスポット３２の１つに対して、溶接経路５１の半分を誘導することが必要とされる時間よりも長くあてられ得る。レーザに対する電力は、溶接の間も時間とともに変化され得る。例えば電力は、溶接の開始の際に鋭くオンになり、溶接のほとんどの間一定に保ち、溶接の終了の際に線が先細るように徐々にオフになる。溶接の終了の際に、電力を徐々にオフにすることは、溶接の最後に孔を残さないことを保証する。

図３及び図４は、本発明にしたがって作られる溶接システムのための溶接経路の概略図である。図３は、二対のレーザスポットを持つ固定のターゲットに対して溶接経路を図示する。図４は、一対のレーザスポットを持つ線形移動ターゲットに対する溶接経路を図示する。

類似の要素は、図２における類似の参照符号を共有して、図３を参照すると、第１の対のレーザスポット３２ａと、第２の対のレーザスポット３２ｂとが、ターゲット３４上に溶接５０を生成する溶接経路５１上において、光軸３０の周りを回転する。図３は、レーザスポット３２ａ、３２ｂとともに、ターゲット３４上で溶接５０を形成する、すなわち溶接５０は完全な円を形成する、溶接プロセスを図示する。当業者らは、溶接システム２０が、所望であれば完全な円よりも少ない溶接を作るように使用され得るということを理解するであろう。二対のレーザスポット３２ａ、３２ｂは、２つの回転可能回折格子を互いに直角に積み重ねることによって生成され得る。当業者らは、いかなる数の回転可能回折格子も、所望の数の対のレーザスポットを生成するために積み重ねられ得ることを理解するであろう。

類似の要素は、図２の類似の参照符号を共有して、図４を参照すると、溶接５０は、溶接システムの光軸に対して垂直な平面における線に沿ってターゲット３４を移動することにより、線形の軌道５８に沿う複雑な溶接経路に沿って生成される。回転可能回折格子の回転速度に対するターゲット３４の速度は、ループ５６が形成される（長サイクロイド）か、又は溶接経路が、連続する２つの交差曲線（短サイクロイド）であるかを決定する。線形軌道５８に沿う複雑な溶接経路は、線状のターゲットをワークピースに取り付けるか、又は２つのプレートを縁に沿って接続するように使用され得る。一実施例において、ワークピース及びターゲット３４を担持するステージに動作可能に接続されるドライバは、ターゲット３４の線形運動を駆動する。当業者らは、ドライバが、特定のターゲット形状に適合されるように、複雑な軌道に沿ってターゲットを駆動するようにプログラムされ得ると理解するであろう。例えば、ドライバは、大きな円形ターゲットの円周付近に円形軌道を提供するようにプログラムされ得、円形ターゲットの縁に沿う複雑な溶接経路となる。

図５は、類似の要素が図１の類似の参照符号と共有して、本発明によってつくられる他の溶接システムの概略的な図である。この実施例において、回転可能回折格子２６は、拡散ビーム６０ではなくコリメートビーム６４内に配置される。

溶接システム２０は、レーザビーム２４のソース２２と、回転可能回折格子２６と、コリメートレンズ５２及び集束レンズ５４を含むレンズ２８とを含む。溶接システム２０の光学系は、光軸３０に沿って位置合わせされる。コリメートレンズ５２と集束レンズ５４との間に位置された回転可能回折格子２６は、ターゲット３４上で光軸３０の周りを回転するレーザスポットの対に、レーザビーム２４を変換する。回転可能回折格子２６を取り付ける回転可能ハウジングと、回転可能ハウジングを駆動する速度制御可能ＡＣサーボモータと、回転可能ハウジングに対する固定ハウジングとは、説明の明確化のために図５から除外されている。

コリメートレンズ５２は、ソース２２から拡散ビーム６０を受け、コリメートビーム６４を生成する。回転可能回折格子２６は、コリメートビーム６４を受け、分割ビーム６２を生成する。集束レンズ５４は、分割ビーム６２を受け、ターゲット３４上に集束された一対のレーザスポットを供給する焦点ビーム６６を生成する。

図６は、本発明による溶接の方法のフローチャートである。ターゲットを溶接する方法は、平面の回転可能回折格子を設けるステップ１００と、回転可能回折格子を、回転可能回折格子の平面に直交する光軸の周りを回転させるステップ１０２と、分割ビームを生成するために、光軸に沿うレーザビームを回転可能回折格子に向けるステップ１０４と、分割ビームをターゲットに集束させるステップ１０６とを有する。一実施例において、該方法は、ターゲットを光軸に対して垂直に移動させ、例えば光軸に対して垂直な線に沿ってターゲットを移動させるステップを更に含む。他の実施例において、該方法は、ターゲットに対して遮蔽ガスを適用するステップを更に有する。

ここに開示される本発明の実施例が、現在好ましく考慮されるが、様々な変更及び修正が、本発明の範囲から逸脱せずになされ得る。例えばここに記載される溶接システムは、ターゲットを溶接、切断、孔あけ、及び／又は融除するように使用され得る。本発明の範囲は、請求項において示され、手段及び等価なものの範囲にある全ての変更は、ここに包含されると意図される。

図１は、本発明によって作られる溶接システムの断面図である。 図２は、本発明によって作られる溶接システムの溶接経路の概略図である。 図３は、本発明によって作られる溶接システムの溶接経路の概略図である。 図４は、本発明によって作られる溶接システムの溶接経路の概略図である。 図５は、本発明によって作られる他の溶接システムの概略図である。 図６は、本発明による溶接方法のフローチャートである。

Claims (22)

1. ターゲットを溶接するとともに、光軸を有するシステムであって、
   レーザビームのソースと、
   前記光軸の周りを回転する一対のレーザスポットに、前記レーザビームを変換する、回転可能回折格子と、
   前記一対のレーザスポットをターゲットに集束させるレンズと、
   を有する、システム。
2. 前記回転可能回折格子が、前記ソースと前記レンズとの間に位置される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記レンズが、コリメートレンズと集束レンズとを有し、前記回転可能回折格子が前記コリメートレンズと前記集束レンズとの間に位置される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記回転可能回折格子の平面が、前記光軸と直交する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記レンズが前記光軸に対して固定である、請求項１に記載のシステム。
6. 前記回転可能回折格子が第１回転可能回折格子であり、前記一対のレーザスポットは第１の対のレーザスポットであり、前記光軸の周りを回転する第２の対のレーザスポットに前記レーザビームを変換する第２回転可能回折格子を更に有するシステムであって、前記レンズが前記第１の対のレーザスポットと、前記第２の対のレーザスポットとを前記ターゲットに集束させる、請求項１に記載のシステム。
7. 前記一対のレーザスポットの１つの、前記ターゲットにおける速度が、約２００ｍｍ／秒と約８００ｍｍ／秒との間である、請求項１に記載のシステム。
8. 前記一対のレーザスポットの１つと、前記ターゲットとの相互作用時間は、約０．１ｍ秒と０．５ｍ秒との間である、請求項１に記載のシステム。
9. 前記回転可能回折格子の回転速度は、約１５００ｒｐｍと約４５００ｒｐｍとの間である、請求項１に記載のシステム。
10. 前記回転可能回折格子が、フォトレジストでコーティングされたガラス格子と、エッチングされた溶融石英格子とからなるグループから選択される、請求項１に記載のシステム。
11. 前記ターゲットと前記光軸との間の角が約２０度よりも小さい、請求項１に記載のシステム。
12. 前記光軸に対して垂直に前記ターゲットを移動するために、前記ターゲットに動作可能に接続されるドライバを更に有する、請求項１に記載のシステム。
13. ターゲットを溶接する方法であって、
    平面の回転可能回折格子を設けるステップと、
    前記回転可能回折格子を、前記回転可能回折格子の平面に直交する光軸の周りを回転させるステップと、
    分割ビームを生成するために、前記光軸に沿うレーザビームを前記回転可能回折格子に向けるステップと、
    前記分割ビームを前記ターゲットに集束させるステップと、
    を有する方法。
14. 前記分割ビームを集束させるステップが、前記分割ビームをコリメートビームに視準するステップと、前記コリメートビームを集束させるステップとを有する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記ターゲットを前記光軸に対して垂直に移動させるステップを更に有する、請求項１３に記載の方法。
16. 前記ターゲットを前記光軸に対して垂直な線に沿って移動させるステップを更に有する、請求項１３に記載の方法。
17. 前記ターゲットに対して遮蔽ガスを適用するステップを更に有する、請求項１３に記載の方法。
18. ターゲットを溶接するシステムであって、
    平面の回転可能回折格子と、
    前記回転可能回折格子を、前記回転可能回折格子の平面に直交する光軸の周りを回転させる手段と、
    分割ビームを生成するために、前記光軸に沿うレーザビームを前記回転可能回折格子に向ける手段と、
    前記分割ビームを前記ターゲットに集束させる手段と、
    を有するシステム。
19. 前記分割ビームを集束させる手段が、前記分割ビームをコリメートビームに視準する手段と、前記コリメートビームを集束させる手段とを有する、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記ターゲットを前記光軸に対して垂直に移動させる手段を更に有する、請求項１８に記載のシステム。
21. 前記ターゲットを、前記光軸に対して垂直な線に沿って移動させる手段を更に有する、請求項１８に記載のシステム。
22. 遮蔽ガスを前記ターゲットに適用させる手段を更に有する、請求項１８に記載のシステム。

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