(57)【要約】  本発明は、複数のレーザ光源（１）を有する、レーザビームによる加工品の同時溶接装置であって、レーザ光源（１）は、レーザ光源（１）から出射される部分光線が、区画ごとに実質的に一定のエネルギ密度を有する、加工品を収容可能な少なくとも１つの半径方向にさらに内方の領域（３）を発生させるように、少なくとも１つの円上に配置される、レーザビームによる加工品の同時溶接装置に関する。
2007521965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレーザ光源（１）を有する、レーザビームによる加工品の同時溶接装置において、レーザ光源（１）は、レーザ光源（１）から出射される部分ビーム（２，２’）が、区画ごとに実質的に一定のエネルギ密度を有する、加工品を収容可能な少なくとも１つの半径方向にさらに内方の領域（３）を発生させるように、少なくとも１つの円上に配置されることを特徴とする装置。
【請求項２】
レーザ光源（１）は、実質的に相互に等間隔をあけて少なくとも１つの円の周上に配置されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
レーザ光源（１）は半導体レーザ素子として構成されることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
半導体レーザ素子は、少なくとも１つのレーザダイオードバー（１０）を含むことを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
各レーザ光源（１）には、レンズ手段（１２，１３）が設けられ、レンズ手段（１２，１３）の少なくとも１つは部分ビーム（２，２’）の速軸コリメーションを発生可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
該装置は、少なくとも１つの第１のミラー要素（４）を有し、該第１のミラー要素（４）は、レーザ光源（１）が配置される少なくとも１つの円よりもさらに半径方向内方に配置され、該第１のミラー要素は、部分ビーム（２，２’）の少なくとも一部を軸線方向に反射可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
該装置は、第１のミラー要素と少なくとも１つの加工品との間の軸線方向距離を変更するための手段を有することを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
第１のミラー要素（４）は、少なくとも区画ごとに円錐形状のミラー要素として構成されることを特徴とする請求項６または７記載の装置。
【請求項９】
該装置は、少なくとも１つの第２のミラー要素（５）を有し、該第２のミラー要素は、第１のミラー要素（４）から軸線方向に間隔をあけて設けられ、第１のミラー要素から反射された部分ビーム（２ｂ）を少なくとも部分的に半径方向外方に反射することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
第２のミラー要素（５）は、少なくとも区画ごとに円錐形状のミラー要素として構成されることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
各レーザ光源（１）は、他のレーザ光源（１）とは独立して動作可能であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、多数のレーザ光源を有する、レーザビームによる加工品の同時溶接装置に関する。
【０００２】
通常のレーザ溶接、特に、いわゆるビーム溶接が、これまで、他の、技術水準から知られる、ねじ留めまたは接着などの継目結合に代わるものとして出現してきた。
【０００３】
ビーム溶接の場合、レーザ光が、レーザ光透過加工品を透過し、第２の加工品の表面で吸収され、したがって、第２の加工品の表面が局所的に溶解する。溶接の前工程の間、互いに押圧される両加工品の表面接触によって、レーザ光を透過する加工品が、局所的に溶解し、したがって、両加工品間の界面領域が冷却されると、レーザ溶接が形成される。
【０００４】
レーザ光源が、溶接継ぎ目の所望の輪郭にそって移動する、いわゆる、軌跡溶着と並んで、２つの加工品を同時に互いに溶着することもすでに知られている。そのために、冒頭で述べたタイプの装置では、加工品の上方にレーザダイオードが設けられ、全溶接継ぎ目を同時に生じせしめることができる。レーザ光による加工品の同時ビーム溶接のためのこのタイプの装置の構成は、確かに高額を要し、必要なレーザ光源の数に依存するコストの問題がある。さらにまた、撓んで湾曲した溶接継ぎ目の進行が制限される。そのほか、技術の水準から知られる装置において、溶接継ぎ目軌跡の変更をする場合、所望の溶接継ぎ目軌跡の進行に常に適していることが必要である、新しいダイオード取付け具を常に必要とする。ここに本発明について述べる。
【０００５】
本発明の課題は、最も自在に、かつ湾曲された溶接継ぎ目を簡易な方法で作ることができる、冒頭で述べたタイプの装置を提供することである。
【０００６】
この課題を解決することによって、独立請求項に特徴として規定された特徴を有する、冒頭で述べたタイプの装置が提供される。本発明に従えば、レーザ光源は、レーザ光源から出射された部分ビームが、区画ごとに、実質的に一定のエネルギ密度の少なくとも１つの、半径方向にさらに内方の領域を発生させ、その領域に加工品が収容されるように、１つの円上に配置される。この半径方向にさらに内方にある、すなわち、少なくとも１つの円内にある領域に、互いに溶接されるべき加工品が収容され、任意に選択可能な溶接継ぎ目に沿って溶接することができる。溶接工程中、レーザ光が透過する加工品は、レーザ光源の少なくとも一部に向けられる。区画ごとに実質的に一定のエネルギ密度の領域が、レーザ光源から放射された部分ビームの重畳から生じる。一定のエネルギ密度の領域の均一性は、特に、用いられるレーザ光源の数によって決定される。充分に多くのレーザ光源が用いられれば、一定のエネルギ密度の領域は、たとえば、ほとんど円形に近くなる。
【０００７】
好ましくは、対称とするために、レーザ光源は少なくとも１つの円の周上に互いに等間隔で設けられる。この方法で、エネルギ密度の範囲とエネルギ密度が実質的に一定である領域は、実際には過小に評価されて見積もられる。
【０００８】
好ましい実施の形態において、レーザ光源は、半導体レーザ素子として形成される。半導体レーザ素子は、好適には、少なくとも１つのレーザダイオードバーを包囲することが可能である。これらのレーザダイオードバーは、加工品の継ぎ目に適した、特にプラスチック製の加工品の継ぎ目に適した約８００〜１０００ｎｍの範囲の波長の光を放射する。
【０００９】
特に好適な実施の形態においては、各レーザ光源にレンズ手段が設けられ、レンズ手段の少なくとも１つが、部分ビームの速軸コリメーションを発生させることが可能である。レンズ手段の交換することによって、特に遅軸方向の各レンズ手段の交換によって、区画ごとに、実質的に一定のエネルギ密度の少なくとも１つの領域を横に拡大または縮小することが可能である。
【００１０】
本発明に従った装置を、レーザ光源の半径方向の放射方向に加工品の溶接を行うために動作させることを可能とするのみならず、第２の加工品を軸線方向にも溶接可能とするために、本発明のさらなる実施の形態において、かかる装置は少なくとも１つのミラー要素を有し、ミラー要素は、レーザ光源が設けられる少なくとも１つの円よりも半径方向に内方に配置され、部分ビームの少なくともいくつかを軸線方向に反射させることが可能である。これによって、たとえばレーザ光を透過するケーシングカバー部を、その材料がレーザ光を吸収するものであるケーシングと溶接することが可能である。さらにまた本発明のこの別の実施の形態は、いわゆる端部突合せ溶接に利用することが可能である。端部突合せ溶接の場合、双方の継ぎ目がレーザ光を等しく吸収し、所望の溶接継ぎ目の推移に沿うべく暖められ、局部的に溶解され、互いに溶接される。
【００１１】
１つの好適な実施の形態における装置は、第１のミラー要素と、加工品の少なくとも１つとの間の軸線方向距離を変更するための手段を有する。これによって、ワーク距離、すなわち第１のミラー要素と加工品との間の距離を変更することができ、従ってこの距離に依存して溶接継ぎ目の幅を適切に変えることが可能である。
【００１２】
閉じた、特に、ほぼ円形の溶接継ぎ目を達成することを可能とするには、特に好ましい実施の形態では、第１のミラー要素は、少なくとも区画ごとに円錐形状ミラー要素として形成される。対称とするために、かかる円錐形状のミラー要素を利用することによって、実質的に円形の溶接継ぎ目を達成することが可能である。この溶接継ぎ目は、円錐形状のミラー要素がしかるべき構成の場合、楕円形状とすることも可能である。基本的には、けれども、所望の溶接継ぎ目の進行に適しているのであれば、多様なミラー要素の利用が可能である。
【００１３】
レーザ光を透過する加工品を半径方向にさらに内方に、そして、レーザ光を吸収する加工品をさらに外方に配置する、本発明に従った装置によって、加工品を互いに溶接可能とするために、特に好ましい実施の形態では、少なくとも第２のミラー要素を有し、これは軸線方向において第１のミラー要素から隔てられ、第１のミラー要素によって反射される部分ビームを少なくとも部分的に半径方向外方に反射させる。
【００１４】
好ましくは、第２のミラー要素は、少なくとも区画ごとに円錐形状ミラー要素として形成される。これによって、円形または楕円形状の溶接継ぎ目を得ることも可能である。
【００１５】
エネルギ密度と、少なくとも１つの領域の実質的に一定のエネルギ密度による照射とを適切に適合させることを可能とするために、および変化させることを可能とするために、特に好ましい実施の形態では、各レーザ光源は、他のレーザ光源から独立して動作可能である。
【００１６】
本発明に従えば、レーザビームによる加工品の同時溶接のための装置が提供され、かかる装置においては、とりわけ、溶接継ぎ目輪郭が少なくとも部分部分で円弧形状の溶接が可能となり、この場合、レーザ光を透過する材料がさらに半径方向内方に配置されるか、半径方向外方に配置されるかについてはどちらでもよい。
【００１７】
本発明のさらなる特徴と利点については、添付の図を参照した、好ましい実施の形態についての以下の説明から明らかになるであろう。
【００１８】
まず図１について述べる。図１において、本発明に従ったレーザビームによる加工品の同時溶接装置の略平面図が示されている。該装置は、複数のレーザ光源１を有し、レーザ光源１は円形に配置され、レーザ光を半径方向内方に出射する。レーザ光源はすべて円の中心から等間隔で配置されている。場合によっては、追加のレーザ光源を、中心を同じくするさらなる円上に配置することが可能であって、その半径は、図１に示された円の半径と異なってもよい。この実施の形態において、レーザ光源１は、対称とするために円の円周上に互いに等間隔で配置されていることがわかる。図１に示されている図では、簡略化のために、８つのレーザ光源が示されているだけである。好ましくは、レーザ光源１は、加工品に適切にレーザ光を照射することを可能とするために、互いに独立して動作可能である。
【００１９】
レーザ光源の構成は、図１ａにおいて平面図で示されている。レーザ光源１は、半導体レーザ素子として、特に光出射面１１を有するレーザダイオードバー１０として形成される。レーザダイオードバー１０に加えて、各レーザ光源１は、この実施の形態においては、２つのレンズ手段１２、１３を有する。第１のレンズ手段１２は、この場合、遅軸コリメーションのために役立つ。第２のレンズ手段１３は、光学的に機能する凹面を有する。さらに図１を参照すれば、レーザ光源１から出射された部分ビーム２，２’は、それぞれ、レーザダイオードバー１０の光出射面１１の法線に関して、反対向きの同じ角度で広がることがわかる。
【００２０】
図１において、各レーザ光源には、それぞれ２つの部分ビーム２，２’が示されている。発明に従った装置においてレーザ光源１が配置される円の半径方向においてさらに内方にある領域３において、部分ビーム２，２’が交差し、したがって、領域３においては部分ビーム２，２’の強度が重畳することがわかる。この方法では、装置の内部に、レーザ光のエネルギ密度が、実質的に一定である領域３が形成される。この領域３は、レーザ光源の数が比較的少ないときには、多角形状である。用いられるレーザ光源の数を増大させて、一定のエネルギ密度のこの領域３をほぼ円形とすることも可能である。実際のところ、一定のエネルギ密度の領域３を発生させるために、たとえば３０のレーザ光源を用いることが可能である。レンズ手段１２，１３の交換によって、特に、遅軸方向に区画ごとに凹状のレンズ手段１３を交換することによって、一定のエネルギ密度の領域３を横方向に拡大、縮小することができる。
【００２１】
領域３に、本発明に従った装置を駆動しているとき、互いに溶接されるべき加工品が収容され、この場合レーザ溶接の推移は任意であって、加工品の形状に、特に加工品間の境界面の推移に依存する。レーザ光源１と、互いに溶接されるべき加工品を収容することが可能である領域３との間の間隔は、特に、レーザ光源１の数、およびレンズ手段１２，１３の光学特性に依存する。レンズ手段１２の後部に屈曲した遅軸ダイバージェンスのみが現れるので、本発明に従った配置によって、およそ２ｍｍのオーダの幅とすることが可能な溶接継ぎ目を作ることが可能である。
【００２２】
図１で示した装置を用いた溶接プロセスについて、図１ｂにもう一度その略側面図が示されている。ビーム溶接の場合、部分ビーム２，２’が、まず、通常６０％より高い透過率を有する、レーザ光を透過する加工品Ｗ１を貫通する。次いで、部分ビーム２，２’は、部分ビーム２，２’を表面付近で吸収する第２の加工品Ｗ２にあたる。この吸収によって、加工品Ｗ１とＷ２の間の境界面において、加工品Ｗ２の局部的溶解が起こる。２つの加工品Ｗ１とＷ２は、既知の押圧力で互いに押圧され、したがって共通の溶接継ぎ目に沿って互いに溶接される。本発明に従った装置によって互いに溶接することが可能である加工品としては、たとえば、あらゆる熱可塑性材料、熱可塑性エラストマとして形成されたあらゆる合成材料が適している。
【００２３】
たとえば、少なくとも区画ごとにレーザ光を吸収するハウジング部分にレーザ光を透過する材料からなるカバー部を溶接することがたびたび必要となる。これは、図１に示した本発明の第１の実施の形態では容易に実現できない。
【００２４】
図２は、本発明の第２の実施の形態の略側面図を示し、これによって、たとえば、透明なカバー部の、レーザ光を吸収するハウジング部への溶接が行われる。この目的のために、この実施の形態においては円錐形状に形成されたミラー要素として具体化された、第１のミラー要素４は、第１のミラー要素４の反射面４０からの部分ビーム２，２’は少なくとも部分的に軸線方向における部分ビーム２ａ，２ａ’として、透明な加工品Ｗ１上で、たとえば、ハウジングカバー部上で反射されるように、図１に従った装置の放射行程に置かれる。部分ビーム２ａ，２ａ’は、透明な加工品Ｗ１を透過し、加工品Ｗ２の表面で吸収される。加工品Ｗ１，Ｗ２の間の界面では、上述したように、レーザ溶接継ぎ目が生じる。
【００２５】
第１のミラー要素４と加工品Ｗ１との間の軸線方向距離を変えることによって、溶接継ぎ目の幅を変更することが可能である。さらにまた、図２に示したようなものとして、ミラー面が他の傾きを有する円錐形状のミラー要素を利用することによって、溶接継ぎ目の輪郭も変えることが可能である。図２に示された円錐形状の実現されたミラー要素４を適用することによって、加工品Ｗ１，Ｗ２は、実質的に円形形状の溶接継ぎ目に沿って、互いに同時に溶接することが可能である。溶接継ぎ目の形状は、円錐形のミラー要素に代わって、任意の形状のミラー要素を利用することによって、適切に変えることが可能である。図２に従った装置は、ビーム溶接に加えて、レーザ光を吸収する、かかる加工品の突合せ溶接にも利用可能である。
【００２６】
図１および図１ｂに従った本発明に従う装置を適用することは、半径方向にさらに外方に位置する加工品Ｗ１の材料は、利用されるレーザ光に対して透過性を有し、半径方向にさらに内方に位置する材料Ｗ２は、対応する波長のレーザ光を吸収することを前提とする。しかしながら、半径方向にさらに外方に位置する加工品がレーザ光を吸収し、半径方向にさらに内方に位置する加工品がレーザ光を透過する、２つの異なる加工品を互いに溶接することが可能であることが好ましいことも多い。このような構成の同時レーザ溶接は、図１および２に示した配置によっては可能ではない。
【００２７】
図３は、本発明の第３の実施の形態を示し、これは、加工品Ｗ１，Ｗ２の同時溶接を可能にし、半径方向にさらに内方に位置する加工品Ｗ１は、レーザ光を透過し、半径方向にさらに外方に位置する加工品Ｗ２はレーザ光を吸収する。第１のミラー要素４の下方に軸線方向に第２のミラー要素５が配置される構成においても、ここに挙げた装置によって、加工品Ｗ１，Ｗ２を互いに溶接することが可能であるとするために、本発明の第３の実施の形態に従い、図２に従った配置にさらに拡大される。第１のミラー要素４のように、この実施の形態においても、第２のミラー要素５は、円錐形状ミラー要素として実施される。レーザ光源１から出射される部分ビーム２，２’はまず、第１のミラー要素４に入射し、少なくとも部分ビーム２ａ，２ａ’として、軸線方向の第１のミラー要素４によって反射される。反射された部分ビーム２ａ，２ａ’は、次いで、第２のミラー要素５の反射面５０に入射し、そこから、少なくとも部分的に半径方向に外方に反射される（部分ビーム２ｂ，２ｂ’）。部分ビーム２ｂ，２ｂ’は、再びレーザ光透過加工品Ｗ１を貫通し、次いで、レーザ光吸収加工品Ｗ２に吸収される。加工品Ｗ１，Ｗ２間の界面で、再び所望の溶接継ぎ目ができる。第２のミラー要素５も、また、第１のミラー要素４も円錐形状にすることが必須ではない。第２のミラー要素５の形状も、溶接されるべき溶接継ぎ目輪郭に依存する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に従った、レーザビームによる加工品の同時溶接装置の略平面図である。
【図１ａ】図１の１ａのユニットを示す。
【図１ｂ】本発明の第１の実施の形態に従うレーザ溶接工程の略側面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に従う装置の略側面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に従う装置の略側面図である。
【図１】
2007521965.tif 000003
【図１ａ】
2007521965.tif 000004
【図１ｂ】
2007521965.tif 000005
【図２】
2007521965.tif 000006
【図３】
2007521965.tif 000007
【国際調査報告】
2007521965.tif 000008
2007521965.tif 000009
2007521965.tif 000010
2007521965.tif 000011