(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの重なった金属部品（４、５；８７、８８）をレーザー溶接するための装置（２）であって、レーザー源（１６）と、重なりゾーンにおいて前記レーザー源（１６）から放射されるレーザー光線（５２）の焦点を合わせるヘッド（１８）と、一方の部品（４；８７）を押圧し、他方の部品（５；８８）を保持する手段（２６；７０、７２；８５）と協働して重なりゾーン（６；８９）の領域で溶接すべき部品を共に押圧された状態に保持する機構（２４）と、溶接すべき前記部品の重なりゾーン（６；８９）に対して前記ヘッド（１８）を相対移動させる手段（１０、１４）とを備えており、前記押圧機構（２４）は、溶接すべき前記部品の重なりゾーンと平行な前記ヘッドの移動を受けて、前記重なりゾーン（６；８９）において前記レーザー光線（５２）の照射領域（５３）の近くの位置で前記溶接すべき部品（４、５；８７、８８）を共に押圧された状態に維持し、前記押圧機構は、前記一方の部品（４；８７）に沿って転動する転動手段（５０）と、前記転動手段を備えて該転動手段を前記一方の部品に対して押圧する要素（４４）とを有し、前記転動手段押圧要素（４４）は、軸線周りに回転自在であり、前記転動手段（５０）が、前記転動手段押圧要素（４４）の前記軸線（Ｘ−Ｘ）周りの回転により、前記重なりゾーン（６）に平行な前記ヘッド（１８）の移動方向に自動的に向くことを特徴とする、少なくとも２つの重なった金属部品をレーザー溶接するための装置。
【請求項２】
前記軸線は前記重なりゾーン（６）と略直交することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記転動手段は前記軸線（Ｘ−Ｘ）周りに前記転動手段押圧要素（４４）に対して回転運動可能なボール（５０）よりなることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記ボール（５０）は前記重なりゾーン（６）に対して傾斜した球路内を移動可能であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記転動手段（５０）を押圧する前記要素は筒（４４）であり、その１つの縁部面が前記転動手段を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記転動手段押圧筒（４４）は前記焦点合わせヘッド（１８）と同軸であることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記転動手段押圧筒（４４）はその軸線（Ｘ−Ｘ）周りに回転自在であることを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
【請求項８】
溶接すべき前記部品の前記重なりゾーン（６；８９）に対して直交する前記ヘッド（１８）と前記押圧機構（２４）との相対的並進移動を行う手段を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記ヘッド（１８）と前記押圧機構（２４）とを支持する共通の可動構造体（１４）を含み、該構造体は前記ヘッドを溶接位置に運ぶと共に、前記重なりゾーン（６；８９）において溶接されるべき部品に対して前記押圧機構（２４）を介して押圧力を与えるよう構成されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、レーザー源と、該レーザー源から放射されるレーザー光線を重なりゾーンで焦点を合わせるためのヘッドと、一方の第１部品を押圧し、他方の部品を保持する手段と協働して重なりゾーンの領域で溶接すべき両部品を共に押圧された状態に保持する機構と、溶接すべき両部品の重なりゾーンに対して上記ヘッドを相対移動させる手段と、よりなる少なくとも２つの重なった金属部品でレーザー溶接を行うための装置に関する。
【０００２】
本発明は特に、鉄道車両用の鋼板製の車体外殻パネルの透過溶接に適用されるものである。
【０００３】
レーザー透過溶接では、金属部品同士をそれらの重なった部分で互いに対向する面にて互いに溶接することができる。
【０００４】
物を差し込みずらい上記部分において対向面同士の間を溶接するために、これらの部品のうち一方にレーザー光線を当ててそれを貫通させて他方の部品を溶かす。溶けた金属はレーザー光線が通過した後に凝固して溶接シームを形成する。
【０００５】
この透過溶接技術を使用するには溶接しようとする部品の対向面同士の間の間隙が重なりゾーンの全体の厚さの１０％以下であることが必要である。
【０００６】
この溶接技術を鉄道車両の車体外殻パネルに応用するには、溶接すべき長さが長いため、上記間隙の制約が問題となる。これらの長さは一般に３０ｍにもなり得る。
【０００７】
他の分野では小さな部品用に、上記間隙の制約を満たすために、２つの部品を重なりゾーンの溶接すべき全体の長さに沿って挟むための均等に間隔を開けたラムが使用される。
【０００８】
しかし、この解決策では、部品を比較的長い距離にわたり溶接するにはラムの数が急増するため特に高価になる。
【０００９】
本発明は重なった部品を比較的長い距離にわたり透過溶接をすることを可能とする安価なレーザー溶接装置を提供することにより上記問題を解決することを目的とする。
【００１０】
このために、本発明の要旨は、レーザー源と、重なりゾーンにおいて上記レーザー源から放射されるレーザー光線の焦点を合わせるヘッドと、一方の第１部品を押圧し、他方の部品を保持する手段と協働して重なりゾーンの領域で溶接すべき部品を共に押圧された状態に保持する機構と、重なりゾーンに対して上記ヘッドを相対移動させる手段と、よりなる、少なくとも２つの重なった金属部品をレーザー溶接するための装置であって、上記押圧機構は溶接すべき上記部品の重なりゾーンと平行な上記ヘッドの移動を受けて、上記重なりゾーンにおいて上記レーザー光線の照射領域の局所的な近くで上記溶接すべき部品を共に押圧された状態に維持してなる装置である。
【００１１】
特定の実施形態によれば、上記装置は以下の特徴の１つ或いは複数を単独として或いは技術的に可能な組合せとして有していても良い：
−  上記押圧機構は、溶接すべき部品の重なりゾーンにおける照射領域の移動向きに対してレーザー光線の照射領域の先に位置する領域内の第１部品上に押圧する手段を含む；
−  上記押圧機構は、上記第１部品に沿って転動する転動手段を含む；
−  上記装置は溶接すべき上記部品の上記重なりゾーンに対して直交する上記ヘッドと上記押圧機構とを相対的並進移動させる手段を更に含む；
−  上記装置は上記ヘッドと上記押圧機構とを支持する共通の可動構造体を更に含み、該構造体は上記ヘッドを溶接位置に運ぶと共に、上記重なりゾーンにおいて溶接されるべき部品に対して上記押圧機構を介して押圧力を与えるよう構成されている；
−  上記機構は筒よりなり、その１つの縁部面は第１部品に沿って転動する転動手段を備えている；
−  上記装置は重なりゾーンと平行なヘッドの選択された移動方向に上記転動手段を向けるべく上記筒をその軸線回りに回転させるための手段を有する；
−  上記筒はその軸線回りに回転自在であり、上記転動手段は、上記筒を上記軸線回りに回転させることにより、上記重なりゾーンに平行な上記ヘッドの移動方向に自動的に向く；
−  上記転動手段はその軸線回りに上記筒に対して回転運動可能なボールよりなる；
−  上記転動手段は幾つかのボールよりなり、筒の軸線回りのボールの回転は制限されている。
【００１２】
本発明は例を目的としてのみ示す以下の説明を添付図面を参照しながら読むことにより更に理解されよう。
【００１３】
図１は重なりゾーン６に沿って重なった２枚の鋼シート４及び５を互いに溶接するレーザー溶接装置２を示す。シート４は重なりゾーン６でシート５の上部（図１において上）に置かれている。シート４の下面７（図１において下）は重なりゾーン６でシート５の上面８に面している。シート４及び５は図示しない手段により互いに対して固定されている。
【００１４】
本質的に装置２は、
−  グランド１２に固定されてそれから起立したスタンド１０と、
−  スタンド１０に取り付けられた支持構造体１４と、
−  スタンド１０に取り付けられたレーザー源１６と、
−  光学的結合手段１９（鎖線で示される）により上記レーザー源１６に光学的に結合された、レーザー光線の焦点を合わせるためのヘッド１８と、
−  不活性ガスのガス源２０と、
−  ヘッド１８により支持されて連結手段２１（二点鎖線により示される）により不活性ガス源２０に連結された、不活性ガスを吹き付けるためのノズル２２と、
−  構造体１４により支持される押圧機構２４と、
−  グランド１２に固定されてスタンド１０より低い高さに設けられた、第２シート５を保持するためのベース２６と、より構成される。
【００１５】
構造体１４は互いに略直交する２本のロッド２８及び３０と、キャリッジ３２と、マウント３４とより構成される。
【００１６】
略水平なロッド２８は図１の平面に対して垂直な水平方向に摺動自在にスタンド１０に取り付けられる。キャリッジ３２は図面で矢印３６に示されるようにロッド２８に沿って水平に摺動自在に取り付けられる。
【００１７】
ロッド３０はキャリッジ３２から略垂直に重なりゾーン６に向けて下方に延びている。ロッド３０は図面で矢印３８に示されるように、キャリッジ３２に沿って垂直に摺動自在に取り付けられる。
【００１８】
マウント３４はロッド３０を下方に延ばしている。このマウント３４は図面で矢印４０に示されるように、ロッド３０の軸線Ｘ−Ｘ回りに回転自在に取り付けられる。
【００１９】
構造体１４は光学的結合手段１９と連結手段２１を支持している。
【００２０】
ヘッド１８と、ヘッド１８を包囲するノズル２２とはロッド３０及びマウント３４と同軸に設けられる。ロッド３０の軸線Ｘ−Ｘは重なりゾーン６に略直交し、ヘッド１８とノズル２２とはこのゾーン６に向けられている。
【００２１】
ヘッド１８及びノズル２２は図面で矢印４２に示すようにマウント３４上で上下方向に摺動自在に取り付けられ、押圧機構２４はマウント３４に固定されている。従って、ヘッド１８及びノズル２２は、押圧機構２４と独立して上昇し重なりゾーン６に接近することができる。
【００２２】
図２により詳細に示すように、押圧機構２４はロッド３０と同軸で、ヘッド１８及びノズル２２を包囲する円形ベースを有する中空の筒４４よりなる。マウント３４に支持されたこの筒４４はマウント３４を下方、従って重なりゾーン６に向けて延ばす。
【００２３】
この筒４４の下縁面４６には、中にボール５０が保持される開口した環状球路４８を備えている。このボール５０は球路５０内を自由に走行できる。ボール５０の下部は縁面４６から下方に突出している。
【００２４】
筒４４の縁面４６及び球路４８は筒４４の軸線Ｘ−Ｘを横断する平面に対して傾斜しており、従って、重なりゾーン６に対して傾斜している。
【００２５】
ボール５０は筒４４及び構造体１４により、重なりゾーン６の領域内でシート４に対して押圧されている。
【００２６】
シート５は、図１の平面に対して直交して形成される直線状の溶接シーム５１の全長に略沿ってシート５の下に延びるベース２６に当接している。
【００２７】
シート４及び５の面７及び８を重なりゾーン６内で互いに溶接するには、ヘッド１８がレーザー源１６により放射されるレーザー光線５２を重なりゾーン６で焦点を合わせる。このレーザー光線５２は照射領域５３で略直交する方向に重なりゾーン６に当たる。光線５２はシート４を通過するに従ってシート４を溶かし、次いでシート５に到達し、シート５を貫通せずにそれを部分的に溶かす。
【００２８】
完全には貫通しない直線状の溶接シーム５１を形成するには、図２の矢印Ｄで示すように、ヘッド１８を支持する構造体１４を板４及び５の縁部に沿って水平に、即ち、図１の平面に対して直交する方向に移動させる。
【００２９】
重なりゾーン６に対して平行なこの移動中に、ヘッド１８、ノズル２２及び押圧機構２４は構造体１４に固定されている。レーザー光線５２及び照射領域５３は矢印Ｄの向き及び方向に移動する。レーザー光線５２が通過すると、溶けた金属が凝固して溶接シーム５１が形成される。
【００３０】
構造体１４の直線移動の間、ヘッド１８の移動の影響を受けるボール５０はシート４に沿って走行し照射領域５３の移動の向きに対して該照射領域５３の前方にとどまる。従って、ボール５０は図２において領域５３の右側に移動する。シート４に沿って転がるボール５０はシート５の面８に対してシート４の面７を押圧し、シート５はベース２６により保持される。従って、重なりゾーン６における部品４と５との間の間隔の制約を満たし、シーム５１を形成することができる。
【００３１】
移動Ｄの向きに対して照射領域５３の後方では、即ち図２の左側では、シート４及び５が溶接シーム５１により互いに押圧されて保持される。
【００３２】
ノズル２２はレーザー光線５２の周囲に不活性ガス流５８を形成する。この流れがシート４の上面５９に当たり、形成された溶接プールを保護する。
【００３３】
支持構造体１４の性質により、ヘッド１８及び押圧機構２４を所定の溶接位置に移動し、次いでこれらの部材を所定の溶接路に沿って移動することが可能となる。押圧機構２４は重なりゾーン６と平行な方向へのヘッド１８の移動、従って照射領域５３の移動を受ける。
【００３４】
重なりゾーン６と直交する方向のヘッド１８の位置を矢印４２で示すように押圧機構２４の位置とは独立して変更しても良い。
【００３５】
ボール５０は図２の右側に示すように球路４８の最も低い点に自身を位置決めする傾向があるため、球路４８を傾斜させることによりボール５０は好適な位置に来る。従って、図１の矢印４０で示すように、筒４４をロッド３０の軸線Ｘ−Ｘ回りに回転させることにより、形成される溶接シーム５１の形状に係わらず、ボール５０を常に光線５２の衝突ゾーン５３より前方に位置づけることができる。
【００３６】
図３は直角を含む溶接シーム５１の形成の一例を示す。
【００３７】
溶接シーム５１の第１直線部５１Ａが形成された後、且つ部分５１Ａに直交する溶接シーム５１の第２部５１Ｂが形成される前の状態の押圧機構２４が直角をなして実線で示されている。図面に矢印５９で示すように図３において筒４４を時計方向に１／４回転させることにより、ボール５０が適切な位置（図３の底部）にきて溶接シーム５１の第２部５１Ｂ（破線）が形成される。押圧機構２４は溶接シームの部分５１Ａ及び５１Ｂの形成にそれぞれ対応する２つの位置で鎖線で示されている。
【００３８】
従って、装置２は透過溶接により、比較的長さの長い、互いに重なったシートに様々な形状のレーザー溶接シームを形成することができる。局部的な押圧機構２４により部品４及び５を挟むための多数のラムを使用せずに比較的経済的にこれらの溶接シームを形成することができる。
【００３９】
構成要素の種々の要素の構造体１４及びヘッド１８をラム及び／或いは電気モータ等の従来の手段で移動させても良い。
【００４０】
このような装置をロボットにより全て作動させても良いし、或いは種々のモータやラムに連結された制御ユニットを使用して自動的に作動させても良い。
【００４１】
図示しない別の形態によれば、マウント３４、従って筒４４をこれらがロッド３０の軸線Ｘ−Ｘ回りに自由に回転できるように取り付けても良い。この場合、ボール５０は重なりゾーン６に平行な方向のヘッド１８の移動に対して自動的に後側に位置決めされる。従って、マウント３４を軸線Ｘ−Ｘ回りに回転させるための手段を必要とせずに、ボール５０はヘッド１８の移動方向がどのような方向であろうがその方向に対して領域５３の後方に自動的に向けられる。この結果は、ヘッド１８の移動の向き及び／或いは方向に変化が生じた時に、筒４４を軸線Ｘ−Ｘ回りに自動的に回転させることにより得られる。
【００４２】
図４に示す別の形態によれば、筒４４の下縁面４６は筒４４の軸線Ｘ−Ｘに対して略直交している。この下縁面４６には３つのハウジング６０Ａ、６０Ｂ及び６０Ｃが形成されている。各ハウジングはそれぞれボール５０Ａ、５０Ｂ及び５０Ｃを保持し、対応するボールと合致する形状を成す。これらのボールは図１〜図３のボール５０と同様に、照射領域５３の先のシート４に沿って転動させることを意図したものである。
【００４３】
ハウジング６０Ａ、６０Ｂ及び６０Ｃは角度αを画成する筒４４の縁面４６の領域に均一に形成されている。この別の形態によれば、シート４及び５の面７及び８はレーザー光線５２の衝突の領域の先でより広い領域にわたり互いに押圧される。
【００４４】
ハウジング６０Ａ、６０Ｂ及び６０Ｃの形状によりボール５０Ａ、５０Ｂ及び５０Ｃは照射領域５３の前方で正確に位置決めされる。
【００４５】
図示しないその他の形態では、転動するボールの数はより多くても良く、また画成される角度αは３６０°と広くても良い。後者の場合、ボールは筒４４の全体の縁面４６にわたり均一に分配され、押圧機構２４はレーザー光線５２の衝突の領域５３の周囲で直接シート４を押圧する。
【００４６】
図示しない他の実施形態では、構造体１４はラムを備えた関節アームシステムよりなり、これにより重なった金属部品をより高い自由度で様々な位置で互いに溶接することができる。
【００４７】
図５及び図６は、それぞれの前縁部６４及び６５が重なった重なりゾーン６に沿って互いに溶接された２枚のシート４及び５のコレクション６２を示している。
【００４８】
全体として長方形のシート４及び５はそれぞれの横方向縁部に沿って２つのＵ字部分７０及び７２に溶接シーム６６〜６９を介して既に溶接されている。
【００４９】
例えばこれらのＵ字部分７０及び７２は鉄道車両の車体のフレーム構造の要素であり、シート４及び５はこの車体の外殻を形成するためのものである。例えば溶接シーム６６〜６９は図１〜図３の装置２を使用して透過溶接により形成され、従ってＵ字部分７０及び７２はベース２６ではなく上記フレーム構造の残りの部分により支持されている。
【００５０】
シート４及び５はＵ字部分７０と７２との間で延びている。従ってシート４及び５は互いに対して固定されている。
【００５１】
シート５の前縁部６５はＬ字状中央部分７４により図５及び図６において下方に延びている。この部分７４はシート５を重なりゾーン６から離れる方向に曲げることにより形成されている。この部分７４は、縁部６５から始まり、シート５の残りの部分に対して直交するＬを形成する２枚の連続する長方形パネル７６及び７８よりなる。この部分７４はシート５の縁部６５の曲げ剛性を高める。
【００５２】
溶接シーム５１（図５に破線で示す）を形成するために上記フレーム構造により保持されるＵ字部分７０及び７２により、溶接装置２の押圧機構２４は重なりゾーン６の領域でシート４に対して押圧される。剛性部分７４により、Ｕ字部分７０と７２との間で、且つ重なりゾーン６内にある面８の領域が曲げに抵抗してシート４及び５の面７及び８がゾーン６内で互いに押圧される。
【００５３】
従って、剛性部７４によれば、Ｕ字部分７０と７２との間で片持ち式に突出する縁部６５の領域の下に保持支持構造体を位置決めすることなしに溶接シーム５１を形成することができる。この特徴により重なったシートを比較的長い長さにわたり、より容易に透過溶接を行うことができる。
【００５４】
図示しない別の形態では、剛性部分は異なる形状でも良く、特にシートの厚い領域により形成しても良い。
【００５５】
剛性部分７４を有する何枚かのシートを互いに接合することができる。従って、前縁部だけが剛性部分７４を有するシートの場合、第１シートは第２シートの後縁部と前縁部との重なり部で接合され、第２シートの後縁部自身は第３シートの前縁部との重なり部に接合され、以降同様に順次接合される。
【００５６】
剛性部分７４を有するこのようなシートは鉄道車両の車体フレームを覆うのに使用することができる。
【００５７】
図７は、本質的にシャーシ８２、トップ或いは屋根８３及び２つの側壁８４よりなる鉄道車両の車体８１を示している。
【００５８】
図８により詳細に示すように、屋根８３は車体８１の全長に沿って互いに均等に配置された、湾曲した横方向の梁８５よりなる支持フレーム構造８４０より構成され、支持フレーム構造８４０上に外殻８６が固定される。
【００５９】
この外殻８６は波形のシートよりなり、図８にはそのうちの２枚が示されている。これら２枚のシート８７及び８８は車体８１の長手方向、即ち図７及び図８の平面に対して直交する方向に延びる重なりゾーン８９に沿って溶接されている。シート８７及び８８は梁８５間の空間でシート８８に設けられた部品７４により互いに溶接されている。上述のように、これらの剛性部分によりシート８７及び８８は片持ち式に突出したゾーンで互いに溶接されている。
【００６０】
剛性部分を備えるこれらのシートはシャーシ２を形成するのにも使用して良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるレーザー溶接装置の正面図である。
【図２】  図１のＩＩ−ＩＩ線拡大断面図である。
【図３】  図１の装置の１つの使用例を示す２枚の重なったシートの部分平面図である。
【図４】  図１の装置の押圧機構の別の形態を示す底面図である。
【図５】  互いに溶接される２枚の重なったシートの切り欠き部の斜視図である。
【図６】  図１の装置を使用して図５のシートを溶接する状態を示した図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】  鉄道車両の車体断面図である。
【図８】  図７の輪ＶＩＩＩの部分の拡大断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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