(57)【要約】【課題】レーザ溶接装置を改善し、溶接継ぎ目変動が阻止されるように構成することである。【解決手段】レーザビーム(2)と、該レーザビーム(2)を加工品(3)の処理ゾーン(3a)にフォーカシングする光学系(4;4')とを有するレーザ溶接装置(1)であって、前記光学系の焦点距離(ｆ)は少なくとも200ｍｍである形式のレーザ溶接装置において、制限装置(6;6')が設けられており、該制限装置は、レーザ溶接の際に発生する、溶接ガスと加熱周囲空気からなる混合気(5)を、フォーカシングされたレーザビーム(2)内で加工品近傍領域(7)に制限する、ことを特徴とするレーザ溶接装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
とりわけ固体レーザにより形成されたレーザビーム(2)と、該レーザビーム(2)を加工品(3)の処理ゾーン(3a)にフォーカシングする光学系(4;4')とを有するレーザ溶接装置(1)であって、前記光学系の焦点距離(ｆ)は少なくとも200ｍｍである形式のレーザ溶接装置において、
制限装置(6;6')が設けられており、
該制限装置は、レーザ溶接の際に発生する、溶接ガスと加熱周囲空気からなる混合気(5)を、フォーカシングされたレーザビーム(2)内で加工品近傍領域(7)に制限する、
ことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
請求項1記載のレーザ溶接装置において、加工品近傍領域(7)は処理ゾーン(3a)から最大で150mm、有利には最大で100mmまで、処理ゾーン(3a)の前方に伸長しているレーザ溶接装置。
【請求項３】
請求項1または2記載のレーザ溶接装置において、制限装置(6)は、フォーカシングされたレーザビーム(2)に向けられたガス流(9)を形成し、
該ガス流はレーザビーム(2)を突き抜けるレーザ溶接装置。
【請求項４】
請求項3記載のレーザ溶接装置において、少なくとも1つのガス流は、処理ゾーン(3a)がガス流によって影響を受けない程度の低い流速を有するレーザ溶接装置。
【請求項５】
請求項3または4記載のレーザ溶接装置において、少なくとも1つのガス流(9)は、レーザビーム(2)のビーム方向で、処理ゾーン(3a)に斜めに、および／または処理ゾーン(3a)の前方の領域に斜めに配向されているレーザ溶接装置。
【請求項６】
請求項3から5までのいずれか一項記載のレーザ溶接装置において、少なくとも1つのガス流(9)はフォーカシングされたレーザビーム(2)に発散性に向けられているレーザ溶接装置。
【請求項７】
請求項3から6までのいずれか一項記載のレーザ溶接装置において、制限装置(6)は複数のガス流(9)をレーザビーム(2)の周囲に形成し、該複数のガス流はレーザビーム(2)を突き抜けるレーザ溶接装置。
【請求項８】
請求項3から7までのいずれか一項記載のレーザ溶接装置において、制限装置(6)は、レーザビーム(2)に対して同芯に配置されたリング状のガス流(9)を形成し、該ガス流はレーザビームを突き抜けるレーザ溶接装置。
【請求項９】
請求項1または2のレーザ溶接装置において、制限装置(6')は、混合気(5)を吸引するための負圧を形成するレーザ溶接装置。
【請求項１０】
請求項1から9までのいずれか一項記載のレーザ溶接装置において、制限装置(6;6')は光学系(4;4')に固定されているレーザ溶接装置。
【請求項１１】
請求項1から9までのいずれか一項記載のレーザ溶接装置において、制限装置(6;6')は、処理ゾーン(3a)と、光学系(4;4')を指示するクロスジェット(11)との間に配置されているレーザ溶接装置。
【請求項１２】
請求項11記載のレーザ溶接装置において、制限装置(6;6')はクロスジェットノズル(12)に配置されているレーザ溶接装置。
【請求項１３】
請求項11記載のレーザ溶接装置において、制限装置(6;6')はクロスジェットノズルに組み込まれているレーザ溶接装置。
【請求項１４】
請求項1から13までのいずれか一項記載のレーザ溶接装置において、処理ゾーン(3a)と制限装置(6;6')との間には、処理ゾーン(3a)を酸化から保護する保護ガスが設けられているレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高性能レーザにより形成された高品質レーザビームと、レーザビームを加工品の処理ゾーンにフォーカシングする光学系とを備えるレーザ溶接装置に関するものであり、光学系の焦点距離は少なくとも２００mmである。
【背景技術】
【０００２】
高いビーム品質を備える高性能レーザ（CO2レーザ、スライスレーザ、スタブレーザ、およびファイバレーザ）では、深部溶接に必要な出力密度が、焦点距離が大きくても（>200mm）でも達成され、これにより大きな作業距離を以て溶接プロセスを実行することができる（リモート溶接）。プロセスガスを必要とせず、作業個所で直接実行されるこのような溶接プロセスでは、次の作用が観察される。貫通溶接の際に溶接結果が非常に大きな溶接深度ないしルーツ形成の変動を示す。この深度変動により、薄板下側に溶接色を僅かに形成する非貫通溶接から飽和貫通溶接までが生じる。この溶接継ぎ目変動は、固体レーザによる溶接の場合、比較的に長い焦点距離を備えるフォーカシング光学系を用いた、スライスレーザの使用によって初めて観察される。溶接継ぎ目変動はとりわけF数（F数＝フォーカシングレンズの焦点距離/フォーカシングレンズ上でのビーム直径）が8より大きい場合に発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式のレーザ溶接装置を改善し、上記の溶接継ぎ目変動が阻止されるように構成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題は本発明により、溶接の際に発生する溶接ガス（溶接煙、金属蒸気）と暖かな環境空気からなる混合物が、フォーカシングされたレーザビーム内で、加工品近傍の領域を制限することにより解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明によれば、レーザ溶接の際に処理ゾーンから発生した溶接煙、同様に発生した金属蒸気がレーザビームの入射方向に移動され、環境空気を加熱する。入射するレーザビームは、溶接ガスと加熱された環境空気からなる混合気によってその強度およびビーム幾何形状が不利に変化される。溶接煙ないし金属蒸気がレーザビームに及ぼす影響は、処理部の出力密度、レーザビームのフォーカシング角度、およびフォーカシングレンズの焦点距離に依存する。焦点距離の小さいフォーカシングレンズによるレーザ溶接の場合、レーザビームの加工品までのビーム路は、溶接ノズルから加工品までの作業距離の小さい従来のレーザ溶接の場合よりも長くはなく、レーザ特性にはプロセスに障害を及ぼす顕著な影響が発生し得る。さらに処理レーザのビーム品質が格段に低い場合には、フォーカシングレンズ上のビーム直径およびビームのフォーカシング角度が大きくなり、そのため加工品の上方の出力密度の高いビームゾーンが小さくなる。
【０００６】
溶接煙と金属蒸気の影響は、形成速度、溶接速度、貫通容積の程度、溶解浴容積、溶接すべき材料、および全体作業空間内の蒸気濃度に依存する。焦点距離の比較的に大きなフォーカシング光学系による溶接の際に、均等なルーツ形成による均等な溶接継ぎ目を得るために、溶接煙および金属蒸気によって惹起されるビーム変化を阻止しなければならない。
【０００７】
本発明によれば、フォーカシングされたレーザビームの領域が光学系の下方で、1つまたは複数のガス流（有利には空気）により、または溶接ガスおよび加熱された環境空気からなる混合気がなくなるよう十分に吸引することにより維持される。適切なガスノズルにより、比較的に容積の小さなガス流がフォーカシングされたレーザビームの方向で処理ゾーンないし継ぎ目ゾーンに向けられ、このガス流がレーザビーム路を突き抜ける。従ってガス流は上方から加工品へ流れる。ガスノズルは、レーザビームの周囲に配置した同芯ノズルまたは複数の個別ノズルの形態とすることができる。ここでガス流の役目は、処理部での酸化に対する保護ガス作用を提供することではなく、入射レーザ光のビーム空間に溶接ガスと加熱空気ができるだけ入り込まないようにすることである。
【０００８】
出力密度の高いCO2レーザによる従来の溶接でも同様に溶接継ぎ目変動が発生し得る。この作用は、レーザビームがレーザ誘導された金属蒸気プラズマ（レーザプラズマ）によって溶接個所の蒸気チャネルに遮閉されるためである。レーザプラズマの遮閉作用を除去するためには、プロセスガス（処理ガス）が加工処理個所で直接必要である。CO2レーザによるリモート溶接の場合も、出力密度が高い場合にはプロセスガスが溶接個所で（すなわち処理部で直接）必要であるが、プロセスガスは通常、処理部の上部を介して供給される。プロセスガスは溶接煙の上昇を付加的に阻止する。これにより上記の問題は、出力密度が低い場合にプロセスガスなしで溶接する場合にだけ生じる。固体レーザ、例えばYAGレーザの波長に対して金属蒸気プラズマは透明である。従ってNd:YAGレーザによる従来の溶接ではプロセスガスは必要ない。
【０００９】
本発明のさらなる利点および有利な構成は、発明の詳細な説明、図面、および請求項に記載されている。
【実施例】
【００１０】
図1に示されたレーザ溶接装置1は、固体レーザ（図示せず）により形成されたレーザビーム2と、レーザビーム2を加工品3の溶接すべき処理ゾーン3aにフォーカシングするフォーカシング光学系4とを有する。この光学系の焦点距離fは少なくとも200mmである。
【００１１】
レーザ溶接の際に処理ゾーン3aから発生する溶接ガス、すなわち溶接煙と金属蒸気は、その際に加熱される周囲空気と共に混合気5を形成する。この混合気は処理ゾーン3aから光学系4の方向に上昇し、入射レーザビーム2の強度とビーム幾何形状を、溶接継ぎ目に関して不利に変化させる（小さく不均一な溶接深度）。混合気5へのレーザビーム2の進入深度を低減するために、フォーカシング光学系4には制限装置6が設けられている。この制限装置6は、レーザ溶接の際に発生した溶接ガスと加熱周囲空気からなる混合気5をフォーカシングされたレーザビーム2内で、最大で100から150mmの加工品近傍の領域7に制限する。
【００１２】
制限装置6は、入射レーザビーム2の周囲に配置された複数のガスノズル8を有し、これらのガスノズル8はそれぞれ比較的容積の小さい発散性のガス流9を上方から処理ゾーン3aおよび処理ゾーン3aの上方領域に向ける。このガスはレーザビーム2に関しては不活性であり、有利には空気である。ここでガス流9の役目は、加工品3の上で酸価に対する保護ガス作用を提供するのではなく、混合気5を入射ビームの加工品から離れたビーム空間から追い出すことである。従って流速が小さく、圧力の低い（例えば0.2bar）のガス流で十分であり、このガス流は溶解および場合により使用される処理ゾーン3aでの保護ガスに影響を与えない。保護ガスを使用することは単に、溶接継ぎ目の上側傾斜面または下側傾斜面を溶解物の冷却中に周囲空気との反応から保護するためである。
【００１３】
図示しない変形実施例では、複数のガスノズル8が、レーザビーム2に対して同芯に配置されたただ1つのリングノズルによって置換される。
【００１４】
図2に示したレーザ溶接装置1は図1のレーザ溶接装置とは、制限装置6のガスノズル8が走査光学系4'に設けられている点で異なっている。この走査光学系は入射ビーム2を側方に偏向するために用いられ、これにより加工品3上の処理面10内で処理ゾーン3aを任意に選択することができる。
【００１５】
図3に示されたレーザ溶接装置1では、制限装置6がただ1つのガスノズル8を有し、このガスノズルは処理ゾーン3aと、入射ビームに対して横に配向された、光学系に近いクロスジェット空気流11との間に配置されている。クロスジェット空気流11は、フォーカシング光学系4を発生する飛沫から保護し、数barの圧力を有するスリット状クロスジェットノズル12により形成される。図示の実施例では、ガスノズル8は付加ノズル（スリットノズルまたは円形ノズル）としてクロスジェットノズル12に組み込まれている。変形実施例としてクロスジェットノズル12の下方に別個のガスノズルを設けることも有利である。
【００１６】
図4に示されたレーザ溶接装置1は図3のレーザ溶接装置1とは、フォーカシング光学系4の代わりに走査光学系4'が設けられている点で異なる。
【００１７】
図5に示されたレーザ溶接装置1では、入射ビーム2の横に配置された制限装置6'が、溶接の際に発生する混合気5を吸引するための負圧を形成する。制限装置6'は加工品近傍の領域7の外に配置されており、これにより混合気5はフォーカシングされたレーザビーム2内で加工品近傍の領域7に制限される。
【００１８】
溶接実験が示すように、制限装置6、6'により従来のレーザ溶接装置と比較して比較的に深く均等な溶接継ぎ目が達成された。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】フォーカシング光学系の設けられた制限装置を有する本発明のレーザ溶接装置の概略図である。
【図２】走査光学系の設けられた制限装置を有する本発明のレーザ溶接装置の概略図である。
【図３】クロスジェットノズルにフォーカシング光学系付きの制限装置が設けられた本発明のレーザ溶接装置の概略図である。
【図４】クロスジェットノズルに走査光学系付きの制限装置が設けられた本発明のレーザ溶接装置の概略図である。
【図５】吸引部として構成された制限装置を有する本発明のレーザ溶接装置の概略図である。
【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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