(57)【要約】  加熱ユニットおよび溶接装置を有する、改善された融接システムは、複数の作業片の溶接の効率性を高めるように適合される。このシステムは、好ましくは、片面プロセスを有し、前記作業片の一部を最低限の温度まで加熱するように動作可能な第１および第２の電極ホイールと、加熱された部分内に連続溶接部を形成するために協働するように構成された、移動可能なレーザとを備える。この好ましいシステムは、従来のレーザ溶接システムよりも、低いレーザ電力出力または速い溶接スピードでの溶接部製作を可能にしながら、精密性などレーザ溶接の利点を提供する。
2009500177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の作業片を溶接するためのシステムであって、
前記作業片の第１の部分を最低限の温度まで加熱するように構成された加熱ユニットと、
前記第１の部分に係合しそれをさらに加熱するように構成された溶接装置とを備え、前記ユニットおよび装置が、前記複数の作業片を溶接するために協働するように構成される、システム。
【請求項２】
前記ユニットが、第１の電極を備え、前記第１の電極が、前記作業片の第２の部分に係合し、それを通して電流を流すように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記電極および作業片が、前記第１の部分を、第１の部分の融解範囲の少なくとも１０％に等しい温度まで加熱するために協働するように構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記電極および作業片が、前記第１の部分の融解範囲の少なくとも５０％に等しい温度まで前記第１の部分を加熱するために、協働するように構成される、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記ユニットが、第２の電極をさらに備え、前記第２の電極が、前記第１の電極から離隔され前記電流を受け取るように構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記ユニットおよび装置がそれぞれ、連続溶接部を形成するように、直線的に移動可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ユニットが、少なくとも１つの電極ホイールを備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記装置が、前記第１の部分上に少なくとも１つのレーザビームの焦点を合わせるように構成されたレーザを備える、請求項  に記載のシステム。
【請求項９】
前記レーザが、４ｋＷ未満の電力出力を有する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記レーザが、ＹＡＧまたはＣＯ２レーザのいずれかである、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
複数の作業片のタンデム溶接において使用するためのシステムであって、
前記作業片の第１の部分を、前記第１の部分の前記融解範囲の所定の割合と少なくとも等しい温度まで協働して加熱するように構成された、第１および第２の電極ホイールと、
前記第１の部分に係合しそれをさらに加熱するように構成されたレーザとを備え、前記電極およびレーザが、前記作業片に対して移動可能であり、前記複数の作業片の間に連続溶接部を形成するために協働するように構成される、システム。
【請求項１２】
前記ホイールおよびレーザが、片面プロセスを有し、前記ホイールおよびレーザが、前記作業片の片面に係合する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
複数の作業片のレーザ溶接の効率を高める方法であって、
ａ）前記作業片の一部を、加熱ユニットを使用して最低限の温度まで加熱するステップと、
ｂ）前記部分を、前記部分が融解するまでレーザビームを用いてさらに加熱するステップと、
ｃ）前記部分を、前記融解範囲未満の温度まで冷却し、前記部分が再び固化し溶接部を形成することを可能にするステップとを含む方法。
【請求項１４】
前記ステップ（ａ）が、ある量の熱エネルギーを発生するために前記作業片を通して電流を流すステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ステップ（ａ）が、前記ユニットを直線的に移動させるステップをさらに含み、前記ステップ（ｂ）が、前記レーザビームを直線的に移動させるステップをさらに含み、前記ステップ（ｃ）が、連続溶接の形成を可能にするステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記ステップ（ａ）および（ｂ）が、同時に実施される、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接システムに関し、より詳細には、加熱と溶接を組み合わせるための、加熱ユニットおよび溶接装置を備える融接システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
材料の接合および処理プロセスは、産業の進歩のための必要条件である。したがって、複合作業片を接合するために、融接システムが開発されてきた。そのようなシステムの１つである、レーザスポットおよびシーム溶接は、接合中にレーザの熱エネルギーを利用し、たとえば自動車業界において、一般的に使用される。
【０００３】
こうした従来のシステムは、通常、同等の抵抗溶接技術よりも速い溶接スピードをもたらし、より正確かつ精密な溶接部を作り出す。レーザに伴う電力、ならびに作業片の材料成分および初期状態は、溶接幅に対する溶接深さのアスペクト比に正比例する。すなわち、レーザがより強力であり、レーザの焦点が合っているほど、熱エネルギーの密度が高い。しかし、こうした利点は、作業片が受ける応力を最小化するのに役立つが、別の問題をもたらす。たとえば、これらのシステムは、通常、厳密な公差要求、ポロシティー形成、ギャップブリッジの可能性が乏しいこと、および溶接部内の高温割れによって制限される。さらなる問題は、単なる入力エネルギー需要の増大の結果ではなく、高電力のレーザ（すなわち、４ｋＷより大きい電力出力を有するレーザ）に伴うコストが比較的高いことである。
【０００４】
これらのシステムはまた、融接部を製作するために高電力のレーザが使用される場合に、構造的な問題をもたらすことがある。初期室温から、材料の融解範囲よりも高い温度への急速な温度変化は、溶接部形成のスピードとあいまって、閉じこめられた気体によって形成される気孔、および比較的狭い溶接部内の割れが生じることの一因となる。気孔および割れの形成はさらに、溶接部の構造一体性を低減させる。
【０００５】
レーザ放射および電気アークから発生する熱を同時に適用することを特徴とする従来のレーザ・アークハイブリッドシステムなど、別の溶接システムは、同じ理由から高電力のレーザ出力を必要とし、組合せ溶接中に同じ問題を生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
すなわち、コスト、および高電力のレーザ溶接から生じる構造的な非効率性を最小限に抑える、改善されたレーザ溶接システムが、当業界で必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従来のレーザ溶接システムによって生じるこれらおよび別の問題に対応して、本発明は、レーザ溶接システムに伴うコストおよび構造的な非効率性を低減させるための、改善されたシステムを提供する。本発明は、タンデム予備加熱および溶接のための多数の供給源を使用して、作業片を溶接する方法を提供する。本発明はさらに、とりわけ、低電力レーザ溶接の適用可能性を高めるために、加熱ユニットを用いて作業片を実質的に予備加熱するのに有用である。
【０００８】
より具体的には、本発明の第１の態様は、複数の作業片を溶接するためのシステムに関する。このシステムは、好ましくは、第１および第２の電極ホイールと、第１の部分に係合しそれをさらに加熱するように構成されたレーザとを備える。ホイールは、好ましくは、作業片の第１の部分を、第１の部分の融解範囲の所定の割合と少なくとも等しい温度まで、協働して予備加熱するように構成される。ホイールおよびレーザは、好ましくは、作業片に対して移動可能であり、複数の作業片の間に連続溶接部を形成するために協働するように構成される。
【０００９】
本発明の第２の態様は、複数の作業片のレーザ溶接の効率性を高める方法に関する。この方法は、好ましくは、作業片の一部を、加熱ユニットを用いて最低限の温度まで予備加熱するステップと、この部分を、第１の部分が融解するまでレーザビームを用いてさらに加熱するステップと、この部分を再び固化させ溶接部を形成することが可能になるように、この部分を融解範囲未満の温度まで冷却するステップとを含む。
【００１０】
本発明の別の態様および利点は、好ましい（１つまたは複数の）実施形態および添付の図面の図の、以下の詳細な説明により明らかになるであろう。
本発明の好ましい一実施形態を、添付の図面の図を参照しながら以下で詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、溶接部１２を作り出すための、自動車用シートメタルおよびエンジンクレードルなど複数の（すなわち２つ以上の）隣接し重なり合う作業片を溶接するための、改善された融接システム１０に関する。図１から図４に示す例示的な実施形態では、等しい厚さの２つの作業片１４、１６が複数示されているが、システム１０は、より多数の、または様々な厚さを有する構造的構成要素を溶接するために、使用することができる。作業片は、鉄合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン、およびモリブデンを含めた、多種多様な材料で製作することができる。図１に示すように、位置決めされた作業片１４、１６は、少なくとも１つの最も外側の表面１８を有し、表面１８は、部分的に外縁部を画成し、システム１０に対して露出される。アクセス可能性を高めるために、システム１０は、好ましくは片面プロセスをもたらし、すなわち、表面１８のみに沿って、作業片１４、１６に係合する。この構成で、作業片１４、１６は、裏面が背板または締付け固定具（図示せず）によって支持される。本明細書では、作業片に関して説明するが、システム１０が、既存の構造を継ぎ当てるなど、補修または溶接が望まれる別の方法で使用されることも、十分に本発明の範囲に含まれる。
【００１２】
システム１０の構成に移ると、作業片１４、１６の一部を最低限の温度まで上昇させるようにその部分を加熱するために、加熱ユニット２０が設けられている。溶接装置２２は、その部分の融解範囲を超えてその部分をさらに加熱するように、動作可能である。ユニット２０および装置２２は、手動で制御することができ、あるいは、電子機械手段（図示せず）によって制御することができる。より好ましくは、システム１０は、多数の軸に沿ってロボット制御され、プログラムにより調整可能である。
【００１３】
好ましい加熱ユニットは、複数の電極２４、２６を有し、複数の電極２４、２６の部分は、作業片の部分を通る電流（図示せず）を通すように構成されている。作業片２４、２６の抵抗率は、放射および伝導熱エネルギーを生み出し、まもなく溶接される部分を包含する、熱影響部（ＨＡＺ）２８を作り出す（図１参照）。全抵抗は電極間の直線距離に正比例し、したがって、電極を配置しなおすことによって、抵抗、したがって電流を変えることができることを、当業者は理解されたい。「予備加熱された」部分は、溶接ナゲットの形成が望まれる各作業片を通って延びる（図１参照）。
【００１４】
より具体的には、電極２４、２６は、電気的な高さを生じ、それによりそれらの間に電位差を生み出す。たとえば、電極２４に充電される電力は、スポット溶接で通常使用されるのと同様の、２５ｋＶＡから１００ｋＶＡとほぼ等しくすることができ、電極２６は接地される。加熱ユニットは好ましくは、合金鋼または鉄合金の融解範囲の１０％以上、およびより好ましくは２０％以上、ならびにアルミ合金では３０％以上、およびより好ましくは５０％の温度まで部分を加熱するのに十分な量の、熱エネルギーを生成するように構成される。作業片１４、１６は、それらの温度にて大幅に可塑化され、それによって作業可能性および熱感受性の上昇がもたらされることを、さらに理解されたい。最後に、好ましい電極２４、２６は、何らかの適当なスポット溶接用電極、導電接続部、または同様の装置とすることができ、電流は、パルス電流、交流電流、または直流電流とすることができる。
【００１５】
図１から図４にさらに示すように、好ましい装置２２は、レーザ３０を備え、レーザ３０は、外部表面１８の部分を融解範囲より高い温度までさらに加熱するために、適当な電力を有するレーザビーム３０ａを外部表面１８に係合させるように動作することができる。その部分を予備加熱することの、意図された利点の１つとして、レーザ３０は、溶接部１２を形成するために高電力出力を生み出す必要がない。したがって、低電力、すなわち最大４ｋＷのレーザを、本発明のほとんどのシート溶接応用例に利用することができる。ただし、予備加熱される作業片１４、１６の冷却率は、作業片材料の熱伝導率と正比例するので、動作の連続は、機能性のパラメータを有する。すなわち、レーザビーム３０ａの焦点が合わされたエネルギーが、溶解により溶融池を作り出すことができるように、レーザビームは、予備加熱からの最大期間、すなわち５秒以内に当てられなければならない。作業片１４と電極２４との界面における溶接が望ましい場合、電極を（図１の想像線によって示すように）取り外し、レーザをこの期間内に定位置に置かなければならない。レーザビーム３０ａが当てられた後に、溶融池は、周囲の材料および空気によって冷却されて固化し、溶接部１２を形成する。
【００１６】
アークトーチ、個体状態、ハイブリッド溶接システムのような他の溶接システムは、溶接部１２を形成するために使用することができ、レーザビーム３０ａは、最も正確で一貫した従来の溶接手段のうちの１つを提供することを、当業者は理解されたい。別の溶接装置２２と比較した場合の、高電力レーザ溶接の相対的なコストは、予備加熱のより大きい費用便益を実現することも理解されるであろう。最後に、レーザ溶接前の予備抵抗加熱の適用は、接合部の静的応力を大幅に増大するために、さらに有用である。たとえば、ＣＯ２またはＹａｇレーザのいずれかを利用したレーザ溶接の前に、厚さ１．３ｍｍの軟鋼および厚さ１．４ｍｍのアルミニウム（ＡＡ５７５４）作業片に、予備抵抗加熱を適用することによって、それぞれ１５００Ｎおよび２５００Ｎ、または１５％および１００％にほぼ等しい、静的応力の増大がもたらされる。
【００１７】
より好ましくは、また図２から図４に示すように、溶接システム１０はまた、連続またはシーム溶接部を作り出すことが可能となるように、作業片１４、１６に対して移動可能である。この構成では、システム１０は、好ましくは、上方作業片１４および下方作業片１６に回転式に係合する、電極ホイール３２、３４を含む。その他の因子の中でも、レーザ３０に対するホイールの配置は、応用例、使用可能な電力、および作業片のジオメトリに依存する。シーム溶接内で通常使用されるのと同様の適当な銅合金電極ホイールを、この構成で利用することができる。
【００１８】
これは片面プロセスであるので、ホイール圧力を維持するために、下方シート１６の厚さは、上方シートの厚さ以上となるべきである。上方シート１４の厚さは、３ｍｍ未満であることが好ましい。たとえば、厚さ３ｍｍ未満の上方シート１４では、電極ホイール３２、３４は、１４ｍｍ以下のホイール幅を有することができ、８０ｋＶＡ（直流）の電力出力が供給される。第１のホイール３４は、計画された溶接部から、１５ｍｍから５０ｍｍの範囲内の距離Ｓ１離すことができ、下方作業シート１６に接触させられる。図１に示す電極２４の別の位置と同様に、第２のホイール３２は、上方作業片１４に接触しながら（図２、および図４の想像線によって示すように）レーザ３０を前進させることができ、あるいは、溶接部の長手中心線から、（図３および図４に示すように）５ｍｍ以下の距離Ｓ２だけ離隔させることができる。ホイールと作業片との露出されない界面における作業片の温度は、タンデム溶接における最高初期温度となることを理解されたい。しかし、レーザ溶接が実行される場合、レーザビーム３０ａは、作業片１４、１６によってより効率的に吸収され、一般に電流を遮断し、それによって加熱および溶接を同時に生じる。
【００１９】
本発明で使用するのに適したレーザ３０は、ＹＡＧレーザを含むことができる。これらのレーザは、ビーム送達に関して柔軟であることを理解されたい。これはさらに、低出力（４ｋＷ未満）レーザー及び／又は速い溶接速度が使用され、本発明に準ずる加熱ユニットと組み合わせて、厚さ０．８ｍｍ（自動車応用例のための鋼材）から１５ｍｍ（船舶用鋼材）の材料を溶接するために使用される。レーザは、表面１８の上方に、１５０ｍｍから２００ｍｍの範囲内の距離Ｈだけ離隔させ、７０°から９０°（すなわち、レーザヘッドと垂直軸の間の角度）だけ傾斜させることができる。好ましいレーザ３０は、個別のまたは同時の加工能力を有する、低電力のＣＯ２またはファイバレーザとすることもできる。最後に、アルゴンなど不活性ガスのガス流を、２０°から６０°の範囲内の角度にて、毎分１０Ｌから毎分１００Ｌの範囲の吐出速度で、シームに沿って送ることができる。
【００２０】
レーザビーム３０ａは、単一のレーザによって生み出すことができ、複雑な形状の構成要素上で作業するために、光ファイバ導管、および関接を有するロボットアームによって、送達することができる。レーザビーム３０ａはまた、より深い溶接部または多数の同時発生溶接部を作り出すために、作業片の同じまたは別々の部分上に同時または順次に作用する様に構成された、多数のビームに分割することもできる。最後に、複数のシステム１０は、同等の複数の組の作業片を同時に溶接するように、相互接続し、同時に動作可能とすることができる。
【００２１】
すなわち、溶接部を作り出すために複数の作業片を溶接する好ましい方法が提示され、この方法は以下のステップを含む。まず、各作業片をそれぞれ１つの電極と係合させ、それらの間に電流を流すことによって、作業片の一部を、作業片の温度の融解範囲の少なくとも１０％に等しい温度まで加熱する。より好ましくは、その部分を、鋼の融解範囲の２０％、かつアルミニウム合金の融解範囲の３０％未満まで加熱する。次に、レーザビームが、溶融池を形成するために、その部分に係合し、作業片材料の融解範囲を超えてその範囲をさらに加熱する。連続溶接が好ましい場合、電極およびビームを、対応させて移動させる。最後に、融解した材料を融解範囲未満の温度まで冷却し、再び固化することを可能にする。多数のレーザビームを、初期ビームから分離させ、直列または並列のいずれかで作業片に係合させることができる。
【００２２】
当業者は、本発明の精神から逸脱することなく、本明細書で説明したような例示的な実施形態および方法への明らかな修正を加えることができる。本明細書で使用した「複数」という用語は、２つ以上を意味するべきである。本発明者はここに、添付の特許請求の範囲に記載されるような本発明の完全な範囲から実質的に逸脱しないがその範囲外である、何らかのシステムに関する本発明の正当な範囲を決定および判断するために、均等論に依拠するという意図を宣言する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】複数の重なった作業片、特にスポット溶接システムを示す、本発明の好ましい実施形態による構成および溶接システムを示す図である。
【図２】特に移動可能なシステムを示す、重なった構成の複数の作業片および本発明の好ましい実施形態による溶接システムを示す斜視図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態による、作業片および移動システムの上面図である。
【図４】図３の線Ａ−Ａに沿った作業片およびシステムを示す断面図である。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図２】
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【国際調査報告】
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