(57)【要約】  加工物の溶接点に対して約２ｋＷより大きい出力レベルでレーザビームを向ける少なくとも１つのミラーを含む機構と、溶接点に遮蔽ガスを向けるために構成される装置とを含む遠隔ビームレーザ溶接システム。
2008518785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物の溶接点に対して約２ｋＷより大きい出力レベルのレーザビームを向ける少なくとも１つのミラーを含む機構と、溶接点に遮蔽ガスを向けるために構成される装置とを含む遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項２】
前記装置は、また、溶接点の近傍で締結力を提供するように構成される請求項１の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項３】
前記装置は、本体と本体から延びる複数の脚を有する請求項１の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項４】
各々の脚は傾斜面を含む請求項３の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項５】
前記装置は、２つの脚の間で延びるブリッジを含み、前記本体、前記脚および前記ブリッジが加工物を溶接できる区域を定める請求項４の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項６】
前記装置は、遮蔽ガスを向けるために溶接点の近傍に設けられる少なくとも１つの出口を含む請求項１の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項７】
前記装置は、遮蔽ガスを向けるために溶接点の近傍に設けられる複数の出口を含む請求項１の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項８】
前記装置は、遮蔽ガスを複数の出口に進める室を含む請求項７の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項９】
遮蔽ガスは、ヘリユウム、窒素、空気から成るグループから選択される少なくとも１つのガスを含む請求項１の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項１０】
レーザビームは約４ｋＷより大きい出力レベルで提供される請求項１の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項１１】
レーザビームはＣＯ２レーザを使用して提供される請求項１の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項１２】
さらに、遮蔽ガスを溶接点へ向けるために構成される少なくとも１つの追加装置を含む請求項１の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項１３】
ある流れ方向を有する遮蔽ガス流を加工物上の溶接点に提供すること、遠隔ビームレーザ溶接システムを使用して溶接点にレーザビームを向けること、レーザビームと溶接点の近傍で形成されるプラズマ柱との間の相互作用を減らすために流れ方向と異なる方向でレーザビームを運動させて溶接部を形成することから成る加工物の方法。
【請求項１４】
レーザビームを運動するステップは、流れ方向と実質的に垂直である方向にレーザビームを運動することから成る請求項１３の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項１５】
レーザビームを運動するステップは、レーザビームを全体的に円形のパターンで運動することから成る請求項１３の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項１６】
レーザビームを運動するステップは、レーザビームを全体的にＺ形状パターンで運動することから成る請求項１３の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項１７】
レーザビームを運動するステップは、実質的に流れ方向と対向する方向にレーザビームを運動することから成る請求項１３の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項１８】
レーザビームを運動するステップは、主として流れ方向と同じ方向でない方向でレーザビームを運動することから成る請求項１３の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項１９】
レーザビームは、約２ｋＷより大きい出力レベルで提供される請求項１３の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項２０】
レーザビームは、ＣＯ２レーザを使用して提供される請求項１３の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【請求項２１】
遮蔽ガスは、ヘリユウム、窒素、空気および、それらの混合物から成るグループから選択される請求項１３の遠隔ビームレーザ溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００４年１０月２９日に提出された米国仮特許出願６０／６２３２８４号の特典を主張し、その開示事項が全て引用によりここに組込まれている。
【０００２】
本発明は、全体として金属部分の遠隔ビームレーザ溶接に関するものである。より特別には、本発明は遠隔ビームレーザ溶接工程により形成される溶接の品質を改良する方法と装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
レーザ溶接は、レーザビームのエネルギーが溶接を形成するために加工物を溶解して蒸発する非接触溶接工程である。自動車産業でのレーザ溶接システムの使用は、改良される生産品質、生産効率および従来の溶接工程（例えば、抵抗スポット溶接、ガス金属アーク溶接（例えば、金属不活性ガス（ＭＩＧ））、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）等）と比較されるものとして柔軟性に対する増加する需要と共に拡大している。
【０００４】
レーザが従来の溶接工程に対する代わりとして自動車産業で初期に使用されていた時、加工ヘッド（レーザビームが溶接システムから加工物へ伝えられる個所）は、典型的にはロボットアームの端部に装着されて、加工ヘッド（すなわちロボットアーム）は、溶接作業中に実質的に加工物の近くに配置されなければならなかった。そのようなシステムの速度は、溶接工程中に各溶接点に対してロボットアームを再配置する必要性により制限されるけれども、そのようなシステムは、今日、なお普通に使用されている。
【０００５】
ごく最近では、遠隔ビームレーザ溶接システムはレーザ溶接工程の効率を改良するために開発された。遠隔ビームレーザ溶接システムにおいて、加工ヘッドは加工物から遠ざかる距離に配置され、典型的には溶接工程中に停止したままである。加工ヘッドに接続されるミラーシステムは、加工物上で溶接される種々のスポット（例えば、溶接点、溶接接合点等）にレーザビームを向けるために採用される。
【０００６】
レーザ溶接操作中に採用する２つの溶接方法は拡散溶接とキーホール溶接である。拡散溶接では、レーザビームは材料の第１層を完全に貫通し、材料の第２層を部分的にだけ通る。拡散溶接工程では、十分な溶接が行われたかどうかを決めることは、度々、困難である。キーホール溶接では、レーザビームは材料の第１層も第２層も完全に貫通する。第２層の貫通は、完全な貫通が達成されたことを示す溶接物の跡（例えば、熱の影響を受けた区域、熱応力マーク等）を残すであろう。
【０００７】
他のレーザ溶接工程と同様に、遠隔ビームレーザ溶接工程中に、レーザビームは加工物上に向けられ、加工物を通る少なくとも部分通路で「キーホール」として知られる孔を形成する。用語「加工物」は、ここでは、一般的に共に溶接される２つ以上の部分（例えば、材料等）を説明するために使用される。図１で示されるように、加工物１０は溶接工程中に加工物内に形成されるキーホール１８を有する第１材料１２と第２材料１４とを含む。溶融金属は、レーザビーム５６が加工物１０を貫通するにつれて溶融プール２０を形成するためにキーホール周辺に移動される。レーザビーム５６が溶接点（例えば、溶接物の個所）の区域から離れて運動するにつれて、溶融プール２０は溶融物を形成するために再凝固する。
【０００８】
レーザビームが加工物を貫通するために、キーホールは開いていなければならない。キーホールは開いていることに加えて、キーホールは、減少した気孔率の溶接を提供するために貫通中に安定したままでなければならない。
【０００９】
以前には、遠隔ビームレーザ溶接システムは、比較的に低出力レベル（例えば、２キロワット（ｋＷ）以下）が使用されていた。遠隔ビームレーザ溶接システムで２ｋＷ以下の出力レベルを有するレーザビームを使用すると、発生されるプラズマの基本的な組成、または、電子密度はキーホールの形成および／または安定性に不利に影響をしなかった。したがって、比較的に低出力の遠隔ビームレーザ溶接システムは、レーザ誘発プラズマの形成から生じる重大な不利な結果なしに操作ができる。
【００１０】
ごく最近では、自動車製造業者は、レーザビームにより達成できる貫通深さ、貫通の品質および／または材料を通る貫通速度を増加するために、高出力レーザ（例えば、約２ｋＷより大きい出力レベルで操作するＣＯ２レーザ）を使用することを探求している。しかしながら、入ってくるレーザビームを反射し、吸収し、キーホールの安定性を脅かすレーザ誘発プラズマが貫通中に発生されるので、高出力レーザの使用は制限される（例えば、溶接工程中に発生されるプラズマ柱を示す図１を参照）。溶接工程中のキーホールの不安定性または崩壊は、加工物の溶接品質および全体の生産に重大な問題を生じることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、２ｋＷより大きい出力レベルを有するレーザを利用し、そのような工程により形成される溶接で貫通を増加し、および／または気孔率を減少する改良された遠隔ビームレーザ溶接工程のための必要性がある。また、そのような工程で形成されるレーザ誘発プラズマの影響を減少し、排除する遠隔ビームレーザ溶接工程のための必要性がある。この開示を受ける者にとって明白であるように１つ以上のこれらの有利な特徴または他の有利な特徴を含む工程および／またはシステムのための必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施例は、約２ｋＷより大きい出力レベルでレーザビームを加工物の溶接点に向ける少なくとも１つのミラーを含む機構と、溶接点に遮蔽ガスを向けるために構成される装置とを含む遠隔ビームレーザ溶接システムに関するものである。
【００１３】
本発明の他の実施例は、加工物上の溶接点に遮蔽ガスの流れを提供することを含む加工物の溶接方法に関するものであり、遮蔽ガスは流れ方向を有し、遠隔ビームレーザ溶接システムを使用して溶接点にレーザビームを向ける。この方法は、また、レーザビームと、溶接点の近傍に形成されるプラズマ柱との間の相互作用を減らすために、流れ方向とは異なる方向にレーザビームを運動することにより溶接を形成することを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施例によると、遠隔ビームレーザ用のシステムおよび工程は、生じる溶接の品質を改良し、比較的に高出力（例えば、ほぼ２ｋＷ以上の大きさ）のレーザの使用に関連する困難さを克服することが提供される。この実施例によると、貫通中に発生されるプラズマはキーホールを維持するために抑制されたり、または、向け直され、それが、加工物を通るより完全な貫通と、溶接工程中に形成されるキーホールの改良された安定性を可能にする。
【００１５】
図２を参照すると、貫通を増加し、および／または遠隔ビームレーザ溶接工程により形成される溶接の気孔率を減少する方法は、溶接工程中に加工物１０の溶接点１６に対して遮蔽ガス（図２で矢印４２で表される）を供給する（例えば、吐出する、分配する、放出する、提供する等）ステップを含む。この開示のために、語句「溶接点」は一般的に溶接点の近く、および／または溶接点を意味するために使用される。この語句は、この開示を通して遮蔽ガスの供給に関して使用され、以下で詳述するように、締結力を付加することに関して使用される。この語句は一般的に遮蔽ガスを有効に吐出し、および／または締結力を伝えるための十分に近い位置を説明するために使用される。
【００１６】
なお、図２を参照すると、遠隔ビームレーザ溶接システム５０（例えば、ＣＯ２レーザを利用する）は、一般的に加工物１０から遠方の距離５４に配置される加工ヘッド５２を含む。加工物１０は一般的に共に溶接される２つの材料である第１層１２と第２層１４を含む。加工ヘッド５２は加工物１０上のレーザビーム５６の位置を選択的に変えることができるミラー装置（図示せず）を含む。レーザビーム５６は図２の矢印６０により表される方向で加工物１０に関して運動される。実施例によると、レーザビーム５６は、約２ｋＷ以上の大きい、好ましくは、約４ｋＷの出力レベルを有し、約１ｍの遠方の距離５４に配置される。遮蔽ガスは遮蔽ガス源５８から供給される。遠隔ビームレーザ溶接システム５０は加工物１０を通るキーホール１８を形成し、それにより、溶接部２２を形成するために冷却および再凝固する金属の溶融プール２０を形成する。
【００１７】
上記のように、遠隔ビームレーザ溶接システムが約２ｋＷ以上の出力レベルを有するレーザビームを利用する時、貫通中に発生されるレーザ誘起プラズマ（図１で示されるように、例えば、キーホール内側に存在するキーホールプラズマ２２および／またはキーホール外側に存在するプラズマ柱２３）は、一層の貫通に対して障害として作用する。プラズマはレーザビームのエネルギーを反射および／または吸収することにより、レーザビームの貫通を妨げ、それにより、キーホールの安定性を脅かす。キーホールの不安定性は溶接内での気孔率を増加し、および／または不均一な貫通を生じ、それで、不均一な溶接を生じる。さらに、厳しいキーホールの不安定性はキーホールの崩壊を生じ、それより、それ以上の貫通を遮断し、層間が溶接されないことになる。遮蔽ガス４２は貫通を増加し、および／または、レーザ誘起プラズマと相互作用をし、および他方では、レーザビームのエネルギーを減少する（例えば、レーザビームの焦点を外す）プラズマを抑制することにより気孔率を減少する。
【００１８】
貫通を達成できる程度および／または速度は、遠隔ビームレーザ溶接工程の全体効率に影響するため、可能である時はいつでも最適化され、または、一定に保持されなければならない。レーザ誘起プラズマを抑制することにより、改良された遠隔ビームレーザ溶接工程が実現され、すなわち、遠隔ビームレーザ溶接工程は加工物１０内への貫通の高程度および／または高速度、より一貫した貫通および減少した気孔率を有する改良された仕上げ溶接を提供する。
【００１９】
ここで説明する方法は、各種の遠隔レーザビーム溶接用途に採用でき、一般的に加工物を通る貫通を妨げるプラズマ（例えば、レーザビームを反射し、それによりレーザビームのエネルギーを減少するプラズマ等）を発生するような十分な出力レベルを有するレーザを利用する任意の遠隔ビームレーザ溶接用途に応用できる。一実施例では、ここで説明する方法はシートバックフレームのような車両シートフレームの溶接中に採用される。開示される実施例は車両シートフレームの溶接に使用される方法として説明され、図示されるが、開示される実施例の特徴は、レーザビーム出力がプラズマを発生する他の遠隔ビームレーザ溶接工程に等しく応用できる。
【００２０】
図３は、遠隔ビームレーザ溶接工程により共に溶接されるために設計される車両シートフレームシステム２００の斜視図である。
シートフレームシステム２００は、一対の離間した側部支持部材２１０、２１２と、上方横断支持部材２１４と、複数の溶接点１６で共に溶接されるために構成される下方横断支持部材２１６とを含む。車両シートフレームシステム２００の溶接方法は、レーザビーム５６が加工ヘッド５２から特定の溶接点へ向けられる前、および／または向けられる間に各溶接点１６に遮蔽ガスを供給するステップを含む。
【００２１】
遠隔ビームレーザ溶接システム５０が車両シートフレームシステム２００（例えば、溶接点の周囲２０を有する車両シートフレームシステムで、溶接工程は５秒位で短くできる。）を溶接できる速度を考慮して、遮蔽ガスは全溶接工程中に供給することもできるか、または、レーザビーム５６により、現在溶接されている溶接点１６と一致して間欠的に適用することもできる。
【００２２】
図４乃至図８を参照すると、取付具システム１００の形式の装置または機構は、溶接点１６に遮蔽ガスを供給するために構成されるいくつかの実施例により示される。取付具システム１００は層１２、層１４（図２で示される）を有する加工物１０を溶接するために適する。実施例によると、取付具システム１００は車両シートフレームまたは類似の構造物の溶接に適する取付具システムとして説明される。
【００２３】
取付具システム１００は遮蔽ガス（全図面で矢印４２により表される）を溶接点１６に供給するためと、締結力を溶接点へ伝えるために設計される。遮蔽ガスを溶接点へ供給するために使用される取付具と、締結力を溶接点に与えるために使用される取付具として機能する単一取付具システムを提供すると、溶接点周囲で必要とされる工具を有利に減少する。しかしながら、遮蔽ガスを与え、締結力を与えるために別々の取付具または部品とすることもできる。そのような別々の部品は、溶接点の周囲で工具を最小にすることができる。溶接点の周囲で工具を最小にすることは、レーザビーム５６のための有効な「視線」（すなわち、加工ヘッド５２と溶接点１６と間で延びる線）の柔軟性を増加する。理解できるように、視線は、レーザビームから許容可能な溶接を達成するために妨害されないよう維持されねばならない。
【００２４】
上記の方法で使用される遮蔽ガスは、比較的に高出力のレーザビーム（例えば、約２ｋＷ以上の大きい出力レベルを有するレーザビーム）により発生されるプラズマを抑制または向き直す（例えば、移動する、減少する、消散する等）ために十分である任意の適切なガスまたは適切なガス混合物にできる。任意の実施例によると、遮蔽ガスは不活性ガスまたは不活性ガスの混合物または不活性ガスを含むものである。一実施例によると、遮蔽ガスはヘリュウムである。他の実施例によると、遮蔽ガスとして窒素が使用される。他の実施例によると、遮蔽ガスとして空気が使用される。理解できるように、採用される遮蔽ガスのタイプは、溶接される特定材料および関係する経済性に基づいて変えることができる。
【００２５】
取付具システム１００は、遮蔽ガス入口１２２として示される第１開口（例えば、開口、オリフィス、孔等）と、遮蔽ガス出口１２４として示される第２開口とを有する本体部分１２０として示されるベースを含む。入口１２２は遮蔽ガス供給源５８（図２で示される）と流体接続され、実施例によると、導管１２３または任意の他の適切な装置（例えば、管、ダクト、通路等）により遮蔽ガス供給源５８と流体接続される。出口１２４は入口１２２と流体接続され、溶接点１６に遮蔽ガスを供給（例えば、吐出、分散、提供等）するために溶接点に向けて開く。
【００２６】
取付具システム１００は、さらに、締結システム１８０に操作可能に接続される取付部分１６０を含む。締結システム１８０は順次、溶接点１６に伝えられる取付具システム１００への締結力（図６乃至図８で矢印１６１で表される）を提供する。締結力１６１は、層間の所要の隙間幅を達成し、維持するために必要な量だけ、第１層と第２層を引き寄せるために十分な程度である。実施例によると、締結システム１８０は比較的に迅速に作用する空気シリンダである。ゆっくり作用する流体シリンダ、機械式アクチュエータ、モータ等を含む他の締結システムを採用できるが、これらに制限されない。
【００２７】
取付具システム１００は、さらに、締結力１６１を第１層１２および／または第２層１４へ伝えるために構成される中間面１３０として示される締結面（例えば、底面等）を含む。中間面１３０は第１層１２と適合するために構成され、したがって、第１層の表面輪郭に対応する表面輪郭を有することができる。実施例によると、中間面１３０は車両シートフレームシステム２００（図３乃至図５を参照）の側支持部材２１０、２１２および／または上下支持部材２１４、２１６の内の一方と相互に作用し、または、接触するために構成される比較的に平坦な表面である。
【００２８】
理解できるように、許容できる溶接を達成するため、第１層１２と第２層１４との間の隙間寸法（例えば、幅）を最小にする必要がある。実施例によると、層１２、１４間の隙間寸法は約０．３ｍｍ以下（および／または加工物の最も薄い材料の厚さの約２％である隙間寸法）であり、好ましくは約０．１ｍｍである。理解できるように、溶接技術の改良および特別なレーザ溶接技術の改良により、より大きい隙間寸法を許容できる。
【００２９】
実施例によると、取付具システム１００に作用する締結システム１８０により、加工物１０に加えられる力の量を測定するため、遠隔ビームレーザ溶接工程に力測定システム（図示せず）が使用される。加工物１０に加えられる力の大きさを知ることにより、加工物１０の材料間の存在する隙間寸法を決定できる。したがって、遠隔ビームレーザ溶接工程は、所要の隙間寸法が達成されるまで、溶接点を溶接することを断つように構成でき、および／または制御（例えば、プログラム、操作等により）できる。力測定システムは、歪計またはロードセルとして提供できる。実施例によると、力測定システムは溶接工程中に加工物１０を支持するために構成される構造体またはベースに接続される。実施例によると、力測定システムは、力の大きさの可視出力表示を与えるために表示ユニットおよび／または処理ユニット（図示せず）に操作可能に接続される。理解できるように、力が締結システム１８０により加えられる時に溶接品１０の材料間に存在する隙間寸法の指示を提供するために構成される任意の数の力測定システムおよび／または他のシステムを使用できる。
【００３０】
取付具システム１００は、さらに、レーザビーム５６の視線との任意の干渉を最小にする構成を維持する間、溶接点１６に伝えることができる締結力を増加するために設計される少なくとも１つの補助締結面（例えば、延長部、突出部等）を含む。特別な実施例によると、補助締結面は、本体部分１２０から外方へ延びる一対の離間脚１３２、１３４の底面１３３、１３５により提供される。本体部分１２０と共に脚１３２、１３４は溶接個所１６の周囲でＵ形窓（レーザビームアクセス域）を定める。
【００３１】
脚１３２、１３４は本体部分１２０と一体に形成されるが、他の実施例では、任意の適切な固着具を使用して本体部分１２０に接続される別部材にできる。脚１３２、１３４の追加は、溶接される部材間で所要の隙間寸法を達成し、維持するために加工物１０の少なくとも２つの部材をより均一に引寄せることを意図するためである。理解できるように、取付具システム１００は２つの脚に限定されず、レーザビームの視線を干渉しない間、必要とされる隙間寸法を維持するために設計される任意の構成を含むことができる。
【００３２】
図示の特別な実施例によると、脚１３２、１３４は、それぞれ、角度のある表面または傾斜表面１３６、１３８を含む。傾斜表面１３６、１３８は加工ヘッド５２から放射するレーザビーム５６のための追加の隙間を提供することを意図するものである。図４乃至図８は脚１３２と脚１３４の両方に傾斜表面を含むが、他の実施例によると、加工ヘッド５２および本体部分１２０の位置により、一方の脚だけが傾斜表面を含むことができる。
【００３３】
溶接前および／または溶接中に、遮蔽ガスは遮蔽ガス源５８から取付具システム１００に供給される。遮蔽ガスは入口１２２を通して本体部分１２０に入る。遮蔽ガスは本体部分１２０に入ると直ちに、遮蔽ガスは出口１３０を通して出る前に導管、通路またはチャネル（図９乃至図１７ではマニホールドの実施例が示される）を通過する。実施例によると、室（図示せず）が入口１２２と出口１２４との間に配置され、遮蔽ガスを収容して保持するために構成される。そのような構成において、遮蔽ガスが溶接点１６に適用される前に遮蔽ガスの圧力および／またはガス流速度を調整するために、室は少なくとも部分的に使用できる。
【００３４】
取付具システム１００は遮蔽ガスの解放を選択的に制御する弁または弁システム（図示せず）を任意に含む。例えば、溶接の直前まで、遮蔽ガスが本体部分１２０に入るのを妨げるために弁を使用できる。他の実施例では、溶接の直前まで、本体部分１２０内で遮蔽ガスを保持するために弁を使用できる。さらに、遮蔽ガスが与えられるタイミングを制御するために制御システム（図示せず）が利用されるであろう。ある用途では、遮蔽ガスの解放を特定の溶接点１６の溶接工程と共調する制御システムを有することが望ましい。他の実施例では、全溶接工程に亘り、および溶接工程の間で遮蔽ガスを与えることが望ましい。
【００３５】
図６乃至図８を参照すると、出口１２４は溶接点１６に遮蔽ガスを提供するために選択的に配置される。実施例によると、出口１２４は溶接個所１６の全区域に遮蔽ガスが入る（例えば、満ち溢れる等）ことができるために寸法が決められる。出口１２４は種々の形状を含むことができるが、図６で示されるような形状が実質的に矩形である単一開口に限定されず、図７で示されるような形状が実質的に丸くまたは円形である単一開口、図８で示されるような複数の孔を有することができる。理解できるように、任意数の構成や形状を出口１２４に提供できる。
【００３６】
取付具システム１００の部品および／または要素に使用される材料は、鋼、種々の他の合金またはＳＡＥ  Ｊ２３４０３４０ＸＦ鋼のような高強度金属および鋼合金を含み、当業者により選択できる。実施例によると、取付具システム１００の部品および／または要素は焼入鋼から製造される。
【００３７】
実施例（図示せず）によると、取付具システム１００は、遮蔽ガスの供給および締結装置として機能するよりむしろ、遠隔レーザビーム溶接工程中に溶接点１６へ遮蔽ガス４２を簡単に供給するために設計できる。そのような構成のために、取付具システム１００は、遮蔽ガス供給源からの遮蔽ガスを受入れる入口と、溶接点へ遮蔽ガスを分散する出口とを有するノズルを含むことができる。ノズルを支持してノズルを溶接個所へ向けるため、ブラケット機構または他の構造を設けることができる。
【００３８】
遮蔽ガスを溶接点１６に適用する完全な効率を実現するため、レーザビームが各溶接点１６（ここでは、「溶接パターン」と称する）での加工物の表面に関して追従する通路は、遮蔽ガスが溶接点に供給される方向（例えば、遮蔽ガスの流れ方向）により指図されなければならない。遮蔽ガスを特別な方向（すなわち、流れ方向）に適用する時に、溶接パターンと、溶接中に達成されるレーザ貫通の品質（例えば、大きさ等）および／または気孔率の品質レベルとの間に関係があることが発見された。より特定すると、レーザビームが、大体において遮蔽ガス源から遠ざかる方向に加工物に関して運動される（すなわち、レーザが大体においてガス流と同じ方向で運動される）時に、溶接部は、減少される貫通および／または増加される気孔率を経験することが発見された。また、レーザビームが遮蔽ガス流に「対向」または反対である方向に運動される（すなわち、レーザビームが遮蔽ガス源に向けて運動する）時に、溶接部が、減少された気孔率を有する比較的に高品質な貫通となることが発見された。
【００３９】
図９乃至図１７は溶接パターンの種々の実施例を図示するものであり、レーザビームは、遮蔽ガス４２の流れ方向に対して実質的に横断する（すなわち、垂直）方向へ常に運動するか、または、遮蔽ガス４２の流れ方向に実質的に入る（例えば、正面に向かう、方向へ向かう、反対、対向等）方向へ常に運動する。図９乃至図１７において、矢印４２は遮蔽ガスおよび遮蔽ガスの流れ方向を表す。そのような溶接パターンは、遮蔽ガスがレーザ誘発プラズマとより良く相互作用でき、それにより、プラズマを抑制し、レーザビームの貫通を改良し、および／または生じる溶接内の気孔率を減少することにより、遮蔽ガスの効率を最適化する。各溶接パターンのために、レーザビームが溶接パターンに沿って従う方向は矢印３５により表される。理解できるように、遮蔽ガスの流れ方向がレーザビームの流れ方向に関して変化されるならば、溶接パターンは変化できる。
【００４０】
図９を参照すると、一実施例による溶接パターンが示される。レーザビームは出発点３０で溶接を開始して終点４０で溶接を停止する。図示の溶接パターンは、遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に平行である方向で延びる第１部分３１（例えば、部分、脚等）と、遮蔽ガス４２の流れ方向に対して部分的に横断する（例えば、対角線）方向に延びる第２部分３２と、遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に平行である方向へ延びる第３部分３３とを有する実質的にＺ形状溶接パターンである。対角線の第２部分３２は、遮蔽ガスの流れ方向と実質的に平行である方向へ延びる第１成分３７と、遮蔽ガス４２の流れ方向に実質的に横断する方向へ延びる第２成分３９とを有するものとして定めることができる。図１８は第１成分３７と第２成分３９を示す。第１成分３７の大きさは、好ましくは第２成分３９の大きさより小さい。レーザビームは、遮蔽ガス４２の流れ方向である方向で第１部分３１と第３部分３３に沿って運動する。
【００４１】
図１０は溶接パターンの第２実施例を示すものであり、レーザビームは遮蔽ガス４２の流れ方向に対して実質的に横断する方向か、または、実質的に遮蔽ガス４２の流れ方向にある方向へ常に運動する。レーザビームは出発点３０で開始して終点４０で停止する。図示の溶接パターンは遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に平行である方向へ延びる第１部分３１と、遮蔽ガス４２の流れ方向と部分的に横断する方向へ延びる第２部分３２とを含む。再び図１８を参照すると、第２部分３２は、遮蔽ガスの流れ方向と実質的に平行である方向へ延びる第１成分３７と、遮蔽ガス４２の流れ方向に実質的に横断する方向へ延びる第２成分３９とを有するものとして定めることができる。第１成分３７の大きさは、好ましくは第２成分３９の大きさより小さい。
【００４２】
図１１は溶接パターンの第３実施例を示すものであり、レーザビームは遮蔽ガス４２の流れ方向に対して実質的に横断するか、または、実質的に遮蔽ガス４２の流れ方向にある方向へ常に運動する。レーザビームは出発点３０で開始して終点４０で停止する。図示の溶接パターンは、遮蔽ガス４２の流れ方向と部分的に横断する方向へ延びる第１部分３１と、遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に平行である方向へ延びる第２部分３２を含む。再び図１８を参照すると、第１部分３１は遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に平行である方向へ延びる第１成分３７と、遮蔽ガス４２の流れ方向に実質的に横断する方向へ延びる第２成分３９とを有するものとして定めることができる。第１成分３７の大きさは、好ましくは第２成分３９の大きさより小さい。
【００４３】
図１２は溶接パターンの第４実施例を示すものであり、レーザビームは遮蔽ガス４２の流れ方向に対して実質的に横断する方向か、または、実質的に遮蔽ガス４２の流れ方向にある方向へ常に運動する。レーザビームは出発点３０で開始して終点４０で停止する。図示の溶接パターンは、遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に平行に延びる第１部分３１と、曲線部分である第２部分３２と、遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に平行に延びる第３部分３３とを含む。図１９を参照すると、第２部分３２が遮蔽ガス４２の流れ方向から離れて（すなわち、遮蔽ガス４２の流れ方向でなく、または、実質的に横断しないで）運動する任意の位置において、第２部分は湾曲縁を含まず、湾曲縁では、遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に横断して延びる第２成分４５より大きく、遮蔽ガス４２の流れ方向と平行に伸びる第１成分４３を有する接線４１を引き出すことができる。レーザビームは遮蔽ガス４２の流れ方向である方向で第１部分３１と第３部分３３に沿って運動する。
【００４４】
図１３は溶接パターンの第５実施例を示すものであり、レーザビームは遮蔽ガス４２の流れ方向に対して実質的に横断する方向か、または、実質的に遮蔽ガス４２の流れ方向にある方向へ常に運動する。図示の溶接パターンは出発点３０で開始して終点４０へ延びる曲線部分である第１部分３１を含む。再び図１９を参照すると、第１部分３１が遮蔽ガス４２の流れ方向から離れて運動する任意の位置において、第１部分は湾曲縁を含まず、湾曲縁では、遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に横断して延びる第２成分４５より大きく、遮蔽ガス４２の流れ方向と平行に伸びる第１成分４３を有する接線４１を引き出すことができる。
【００４５】
図１４は溶接パターンの第６実施例を示すものであり、レーザビームは遮蔽ガス４２の流れ方向に対して実質的に横断する方向か、または、実質的に遮蔽ガス４２の流れ方向にある方向へ常に運動する。レーザビームは出発点３０で溶接を開始して終点４０溶接を停止する。図示の溶接パターンは、遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に平行に延びる第１部分３１と、遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に横断する方向に延びる第２部分３２を含む。
【００４６】
図１５は溶接パターンの第７実施例を示すものであり、レーザビームは遮蔽ガス４２の流れ方向に対して実質的に横断する方向か、または、実質的に遮蔽ガス４２の流れ方向にある方向へ常に運動する。図示の溶接パターンは、遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に平行である方向へ延びる第１部分３１と、遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に横断する方向に延びる第２部分３２と、遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に平行である方向へ延びる第３部分３３とを含む。レーザビームは遮蔽ガス４２の流れ方向である方向で第１部分３１に沿って運動する。
【００４７】
図１６は溶接パターンの第８実施例を示すものであり、レーザビームは遮蔽ガス４２の流れ方向に対して実質的に横断する方向か、または、実質的に遮蔽ガス４２の流れ方向にある方向へ常に運動する。図示の溶接パターンは、開始点３０と終点４０との間で遮蔽ガス４２の流れ方向に部分的に横断する方向で延びる第１部分３１を含む。再び図１８を参照すると、第１部分３１は遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に平行である方向へ延びる第１成分３７と、遮蔽ガス４２の流れ方向に実質的に横断する方向へ延びる第２成分３９とを有するものとして定めることができる。第１成分３７の大きさは、好ましくは第２成分３９の大きさより小さい。
【００４８】
図１７は溶接パターンの第９実施例を示すものであり、レーザビームは遮蔽ガス４２の流れ方向に対して実質的に横断する方向か、または、実質的に遮蔽ガス４２の流れ方向にある方向へ常に運動する。図示の溶接パターンは、開始点３０と終点４０との間で遮蔽ガス４２の流れ方向と実質的に横断する方向へ延びる第１部分３１を含む。
【００４９】
ここで示される種々の実施例は、特別な形状と設計を有するような取付具システム（例えば、取付具システム１００）を図示したが、他の実施例によると、そのような取付具システムに他の構成を使用できることに注意をすべきである。例えば、図２０は他の実施例による取付具システム３００の概要頂部断面図である。図２０によると、取付具システム３００は、取付具システム３００の後に向く本体部分３３１と、２つの脚３３２、３３４と、２つの脚３３２と脚３３４との間で延びる前方部分またはブリッジ３３６（この特別な構成は他の実施例と異なるけれども、図２０での半円形の構成を持つものとして図示される）とを含む。本体部分３３１、脚３３２、３３４、ブリッジ３３６は共に、取付具システム３００の部分により取り囲まれる溶接パターン（例えば、図２０で示されるように、溶接パターンは取付具システム３００のこれらの部分により定められる開口内に形成される。）を提供する区域を定める。脚３３２、３３４に接続されるブリッジ３３６を提供することにより、相互の初期の接触中に加工物の層を保持するため、一層均一な締結力を加工物に加えることができる。
【００５０】
また、図２０で図示されるように、図９乃至図１７で図示される取付具システム１００は取付具の後表面に設けられる開口から遮蔽ガスを受入れるが、実施例によると、そのようなガスは取付具３００の側内に形成される入口を通して受入れることができる。図２０で図示されるように、管またはホース３４０は、取付具３００の側内に開口に接続でき、ねじ連結部３４２（例えば、ボルト等）で場所に固定できる。溶接を行うための区域に遮蔽ガス（矢印４２で図示される）を送るマニホールドとして作用する室またはチャネル３３３が取付具３００内に設けられる。図２０で示されるように、他の実施例によると異なる数の開口を設けることができるけれども、溶接点へ遮蔽ガスを吐出するために６つの開口が取付具内に形成される。
【００５１】
種々の実施例が、ここで説明され、一実施例に関して説明された特徴は他の実施例に関連して利用できることは、この開示を再検討することで理解されるであろう。１つのそのような実施例によると、遠隔ビームレーザ溶接システムにより形成される溶接の貫通を増加し、および／または溶接の気孔率を減少する方法は、レーザビームが溶接点に当てられる前および／または当てられる時に、溶接点に遮蔽ガスを供給するステップを含む。実施例によると、遮蔽ガスは、ヘリュウムまたはアルゴンのような不活性ガスおよび／または不活性ガスの混合物または不活性ガスを含む混合物である。他の実施例では、遮蔽ガスは窒素および／または空気を含むことができる。遮蔽ガスはレーザ誘発プラズマと相互作用し、レーザ誘発プラズマを抑制する。
【００５２】
他の実施例によると、約２ｋＷより大きい出力レベルを有する遠隔ビームレーザ溶接システムにより加工物を溶接する方法は、加工物の部材間で所要の隙間幅を達成し、維持するために加工物に締結力を加えるステップと、加工物上の溶接点にレーザビームを向けるステップと、遮蔽ガスを溶接点に供給するステップとを含む。この方法は、任意に加工物に加えられる締結力を測定して所要の隙間寸法が達成されたかどうかを決めるため、力測定システムを採用するステップを含む。実施例によると、力測定システムは歪計／ロードセルであり、その出力は所要の隙間寸法と相互関係を付けるために校正される。
【００５３】
他の実施例によると、約２ｋＷより大きい出力レベルを有する遠隔ビームレーザ溶接システムにより加工物を溶接する方法は、レーザビームが遮蔽ガスの流れ方向から実質的に離れる方向である方向で運動しない溶接パターンを提供するステップを含む。そのような溶接パターンは遮蔽ガスの効率を最適化するために構成され、それにより、貫通を増加し、および／または、気孔率を減少する。
【００５４】
他の実施例によると、遠隔ビームレーザにより提供される溶接パターンは、３つの部分を有する実質的にＺ形状にされる。第１部分と第３部分は遮蔽ガスの流れ方向と実質的に平行に整列される方向へ延びる。第２部分は第１部分と第３部分の間で実質的に対角線に延びる。第２部分の対角線は、遮蔽ガスと実質的に平行に延びる第１成分と、遮蔽ガスと実質的に垂直に延びる第２成分とを含む。一実施例では、第１成分の大きさは、第２成分の大きさより大きくはない。レーザビームは、遮蔽ガスの流れ方向（例えば、流れに向かう、流れに向く等）で第１部分と第３部分に沿って運動する。
【００５５】
他の実施例によると、遠隔ビームレーザ溶接システムを使用する取付具システムは溶接工程中に遮蔽ガスを溶接点に供給する。取付具システムは、遮蔽ガス源から遮蔽ガスを受けるための第１開口または入口と、遮蔽ガスを溶接点に提供するための第２開口または出口とを有する本体部分を含む。導管は第１開口と第２開口を流体接続する。本体部分は、任意に第１開口と第２開口との間で配置され、溶接中に必要とされるまで遮蔽ガスを受入れ、保持するために構成される室を含む。
【００５６】
他の実施例によると、遠隔ビームレーザ溶接システムを使用する取付具システムは、さらに、締結装置として機能するために構成され、溶接される加工物の少なくとも２つの部材を共に引寄せるために、締結システムからの締結力を溶接点の付近に伝えるために構成される全体が平坦な表面を有する締結機構を含む。
【００５７】
他の実施例によると、遠隔ビームレーザ溶接工程中に発生されるプラズマを抑制する方法は、取付具システムを溶接点の付近または近く（遮蔽ガスを有効に吐出し、レーザ誘発プラズマを有効に抑制するために接近して）に配置するステップと、遮蔽ガスを取付具システムに吐出するステップとを含む。取付具システムは遮蔽ガス入口と遮蔽ガス出口を含む。この方法は、さらに、遮蔽ガスが、貫通中に発生されるレーザ誘発プラズマを抑制するように取付具システムからの遮蔽ガスを溶接点へ供給するステップを含む。遮蔽ガスはレーザビームが溶接点を貫通する前に供給できるか、および／または、遮蔽ガスはレーザビームが溶接点を貫通するにつれて供給できる。
【００５８】
他の実施例によると、遠隔ビームレーザ溶接システムを使用する少なくとも２つの部材を共に溶接する方法は、０．３ｍｍ以下の隙間寸法が達成されて維持されるまで、締結力を溶接点に加えるステップと、加工ヘッドから溶接点に放射するレーザビームを加えるステップとを含む。この方法は、さらに、レーザビームが溶接点に加えられる前および／または加えられている間に遮蔽ガスを溶接点に提供するステップを含む。この方法は、さらに、締結力を加え、遮蔽ガスを供給するために単一取付具システムを提供するステップを含む。この方法は、任意に、０．３ｍｍ以下の隙間寸法が達成されるかどうかを決めるために、溶接点に加えられる締結力を測定する力測定システムを採用するステップを含む。実施例によると、力測定システムは歪計／ロードセルである。
【００５９】
この方法およびシステムは、遠隔ビームレーザ溶接工程のための種々な有利な特徴を提供することは、この開示を受ける者により理解されるであろう。例えば、そのような方法とシステムは、レーザビームの増加される貫通程度および／または貫通速度と、約２ｋＷより大きい出力レベルを有するレーザを採用する遠隔ビームレーザ溶接工程中に形成される溶接の減少された気孔率を提供する。そのような方法とシステムは、また、遠隔ビームレーザ溶接システムのレーザビームのエネルギーを反射および／または吸収するレーザ誘発プラズマを抑制することにより、遠隔ビームレーザ溶接工程中にキーホールの安定性を維持することが意図される。取付具システムは遠隔ビームレーザ溶接工程中に遮蔽ガスを溶接点に供給するために作用し、締結装置としても機能する。
【００６０】
本発明は、この詳細な説明で述べ、または、図面で図示した細部または方法に限定されないことが分かる。本発明は、他の実施例で可能であり、また、種々な仕方で実施または実行ができる。また、ここで採用される用語や専門用語は示される実施例に関する説明にためであり、限定されるものとしてみなしてはならないことが分かる。
【００６１】
種々の実施例で示される取付具システムの要素の構造および配置は実例として与えただけであることに注意することが重要である。さらに、種々の実施例で示される溶接パターンは全てはないことに注意することが重要である。本発明のいくつかの実施例は、この開示において詳細に説明されているが、この開示を再検討する当業者は、新規な教示や請求の範囲で引用される主題の利点を実質的に逸脱することなく、変更（例えば、寸法の変化、寸法、構造、形状、種々な要素の割合、パラメータの値、装着配置、材料、色、方位等）が可能であることを容易に理解するであろう。例えば、図の全てに示される溶接パターンのスケールは例示の目的のためだけである。したがって、全てのそのような変更は開示される本発明の範囲内に含まれることが意図される。任意の工程または方法の順番または順序は他の実施例により変更でき、また、再び順序を決めることができる。他の代用、変更、変化および／または省略は、この開示で表現される本発明の精神を逸脱することなく、種々の実施例の設計、操作条件および配置において行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】レーザ溶接工程の基本要素を図示する概要図である。
【図２】実施例による加工物を溶接する遠隔ビームレーザシステムの概要図である。
【図３】遠隔ビームレーザ溶接工程により溶接されるための構成される車両シートフレームの斜視図である。
【図４】実施例による遠隔ビームレーザ溶接工程中に、加工物を締結し、遮蔽ガスを供給するために構成される複数の取付具システムの斜視図である。
【図５】実施例による図４の取付具システムの拡大図である。
【図６】第１実施例による取付具システムの斜視図である。
【図７】第２実施例による取付具システムの斜視図である。
【図８】第３実施例による取付具システムの斜視図である。
【図９】変化する溶接パターンが図示される溶接点を定める取付具システムの概要頂部断面図である。
【図１０】変化する溶接パターンが図示される溶接点を定める取付具システムの概要頂部断面図である。
【図１１】変化する溶接パターンが図示される溶接点を定める取付具システムの概要頂部断面図である。
【図１２】変化する溶接パターンが図示される溶接点を定める取付具システムの概要頂部断面図である。
【図１３】変化する溶接パターンが図示される溶接点を定める取付具システムの概要頂部断面図である。
【図１４】変化する溶接パターンが図示される溶接点を定める取付具システムの概要頂部断面図である。
【図１５】変化する溶接パターンが図示される溶接点を定める取付具システムの概要頂部断面図である。
【図１６】変化する溶接パターンが図示される溶接点を定める取付具システムの概要頂部断面図である。
【図１７】変化する溶接パターンが図示される溶接点を定める取付具システムの概要頂部断面図である。
【図１８】溶接パターンの部分を定める成分の概要図である。
【図１９】溶接パターンの部分の接線の成分の概要図である。
【図２０】実施例による取付具システムの概要頂部断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０  加工物  １２  第１層  １４  第２層  １６  溶接点
１８  キーホール  ２０  溶融プール  ２２  溶接部  
４２  遮蔽ガス  ５２  加工ヘッド５４  遠方距離  
５６  レーザビーム  ５８  遮蔽ガス源
【図１】
2008518785.tif 000003
【図２】
2008518785.tif 000004
【図３】
2008518785.tif 000005
【図４】
2008518785.tif 000006
【図５】
2008518785.tif 000007
【図６】
2008518785.tif 000008
【図７】
2008518785.tif 000009
【図８】
2008518785.tif 000010
【図９】
2008518785.tif 000011
【図１０】
2008518785.tif 000012
【図１１】
2008518785.tif 000013
【図１２】
2008518785.tif 000014
【図１３】
2008518785.tif 000015
【図１４】
2008518785.tif 000016
【図１５】
2008518785.tif 000017
【図１６】
2008518785.tif 000018
【図１７】
2008518785.tif 000019
【図１８】
2008518785.tif 000020
【図１９】
2008518785.tif 000021
【図２０】
2008518785.tif 000022
【国際調査報告】
2008518785.tif 000023
2008518785.tif 000024
2008518785.tif 000025
2008518785.tif 000026
2008518785.tif 000027