(57)【要約】  第１の平坦な表面と、第１の平坦な表面の反対側に配設された第２の平坦な表面とを有する第１の金属基板の第２の金属基板へのレーザ溶接は、第２の金属基板の端面を第１の平坦な表面に近接して配置することによって実行される。ファイバレーザからの入力レーザビームが生成され、そして、入力レーザビームを受け取り、第１の軸および第２の軸に沿って所定のパターンで移動するビームスポットを有する出力レーザビームを生成して第２の平坦な表面上の標的エリアを照射し、標的エリアは、端面が第１の平坦な表面に近接して位置決めされる第１の平坦な表面の交差領域の上に位置決めされるように構成されたビーム送達システムが設けられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の平坦な表面と、前記第１の平坦な表面の反対側に配設された第２の平坦な表面とを有する第１の金属基板を、第２の金属基板にレーザ溶接するための方法であって、
溶融状態にあるとき、その制御された流れに適した厚さ、表面張力および熱特性を有する前記第１の金属基板および前記第２の金属基板を選択するステップと、
前記第２の金属基板の端面を前記第１の平坦な表面に近接して配置するステップと、
ファイバレーザからの入力レーザビームを生成するステップと、
前記入力レーザビームを受け取り、第１の軸および第２の軸に沿って所定のパターンで移動するビームスポットを有する出力レーザビームを生成するように構成されたビーム送達システムを設けるステップと、
前記入力レーザビームを前記ビーム送達システム内に通過させて、前記ビームスポットで前記第１の金属基板の前記第２の平坦な表面上の標的エリアを照射するステップであって、前記標的エリアは、前記端面が前記第１の平坦な表面に近接して位置決めされる前記第１の平坦な表面の交差領域の上に位置決めされる、ステップとを含む方法。
【請求項２】
照射ステップは、前記第１の金属基板と前記第２の金属基板との間の各々の角エリアに隅肉溶接部が形成されるように二重隅肉溶接部を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
各々の隅肉溶接部は、なめらかな輪郭を有する溶接面を有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
照射ステップは、前記第１の金属基板の厚さおよび前記第２の金属基板の厚さの中を通って延びる溶接領域を形成する、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記溶接領域の断面は、均一な硬さ、低い粒度および低い多孔性のうちの少なくとも１つを有する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第２の金属基板の前記端面を前記第１の金属基板に近接して配置するステップは、前記端面と前記第１の平坦な表面との間にギャップを設け、前記ギャップは、前記第１の金属基板の前記厚さの最大約１／４の距離である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の平坦な表面に対して垂直に入射する基準線から最大１０度の入射角を有するように前記出力レーザビームを位置決めするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１の平坦な表面と、前記第１の平坦な表面の反対側に配設された第２の平坦な表面とを有する第１の金属基板を、前記第１の平坦な表面に近接して位置決めされた端面を有する第２の金属基板にレーザ溶接するためのシステムであって、
入力レーザビームを生成するように構成されたファイバレーザエネルギー源と、
ビーム送達システムとを備え、前記ビーム送達システムが、
前記入力レーザビームを受け取り、第１の軸および第２の軸に沿って所定のパターンで移動するビームスポットを有する出力レーザビームを生成することと、
前記ビームスポットで前記第１の金属基板の前記第２の平坦な表面上の標的エリアを照射することであって、前記標的エリアは、前記端面が前記第１の平坦な表面に近接して位置決めされる前記第１の平坦な表面の交差領域の上に位置決めされる、照射することと
を行うように構成される、システム。
【請求項９】
前記所定のパターンが前記交差領域と位置合わせされるように前記ビーム送達システムを制御するように構成されたコントローラをさらに備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ビーム送達システムは、デフォーカス出力レーザビームを生成するように構成されている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ファイバレーザエネルギー源および前記ビーム送達システムは、前記標的エリアの前記照射が、前記第１の金属基板と前記第２の金属基板との間の各々の角エリアに隅肉溶接部を形成するように構成されている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
各々の隅肉溶接部は、なめらかな輪郭を有する溶接面を有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記標的エリアの前記照射は、前記第１の金属基板の厚さおよび前記第２の金属基板の厚さの中を通って延びる溶接領域を形成する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
前記溶接領域は、均一な硬さ、低い多孔性および低粒度構造のうちの少なくとも１つを有する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ビーム送達システムは、前記第２の平坦な表面に対して垂直に入射する基準線から最大１０度の入射角で前記出力レーザビームを誘導するように構成されている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ビーム送達システムは、前記第１の軸および前記第２の軸に沿って前記所定のパターンを生成するように構成された可動ミラーを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１７】
前記可動ミラーは、前記所定のパターンとして、円形パターン、線形パターン、八の字パターン、および無限パターンのうちの１つを生成するように構成されている、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第１の金属基板および前記第２の金属基板はチタン合金である、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記標的エリアに誘導された不活性遮蔽ガスの流れをさらに含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記第１の金属基板および前記第２の金属基板は、溶融状態にあるとき、その制御された流れに適した厚さ、表面張力および熱特性を有する、請求項８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術分野は、一般に、レーザ溶接に関し、より詳細には、２つの金属基板の裏側表面溶接に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属および金属合金は、海洋、防衛、自動車、鉄道、輸送、採鉱、掘削、航空宇宙、製造および医療業界を含めた様々な産業で使用される。このような産業の全てに共通しているのは、融着ベースのプロセスまたは固体ベースの溶接プロセスで部品を一緒に溶接する要望である。溶接プロセスの例には、いくつか名前を挙げると、ガス−タングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、被覆金属アーク溶接（ＳＭＡＷ）、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、プラズマアーク溶接（ＰＡＷ）、プラズマ溶接（ＰＷ）、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）およびレーザビーム溶接（ＬＢＷ）が含まれる。
【０００３】
特定の用途は、異なる溶接プロセスに対して異なる難問を提示する。例えば航空宇宙産業で使用されるチタン（Ｔｉ）合金は従来、ＥＢＷおよびＧＴＡＷプロセスを使用して溶接される。深溶け込み溶接および「ブラインド」溶接を達成することは可能であるが、このような基板でのＥＢＷの使用は、いくつかの問題を提示し、それには、処理時間が長くコストが高い、冷却率が遅い（大気および対流タイプの冷却が欠けているため）、ならびにｅビームガンでの複雑な継手へのアクセスが制限される、および真空チャンバの必要条件による工作物のサイズが制限されることが含まれる。ｅ−ビームの小さなスポットサイズにより、より小さい継手ギャップで工作物をサイズ変更する必要があるため、継手の準備および必要とされる工具による手作業に関連するコストも高くなる。ＧＴＡＷは、長い処理時間をもたらす低出力密度プロセスであり、低品質の微細構造を提示し、溶接ひずみを受けやすい溶接部をもたらす極めて高い熱入力を含む。ＥＢＷと同様にＬＢＷも、より速い速度で、かつより低いゆがみで深溶け込み溶接を達成することができる高出力密度プロセスであるが、より厚みがあり、より大きな構造体のレーザ溶接は典型的には、小穴がたくさんあり、汚染を呈する溶接部をもたらすことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第１５／１８７，２３５号
【特許文献２】米国仮出願第６２／７２５，０２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
態様および実施形態は、金属基板の一方を形成する頂部プレートの裏側表面にレーザエネルギーを加えることによって金属基板を互いにレーザ溶接するための方法およびシステムを対象としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態によると、第１の金属基板を第２の金属基板にレーザ溶接するための方法が提供される。第１の金属基板は、第１の平坦な表面と、第１の平坦な表面の反対側に配設された第２の平坦な表面とを有し、方法は、溶融状態にあるとき、その制御された流れに適した厚さ、表面張力および熱特性を有する第１の金属基板および第２の金属基板を選択するステップと、第２の金属基板の端面を第１の平坦な表面に近接して配置するステップと、ファイバレーザからの入力レーザビームを生成するステップと、入力レーザビームを受け取り、第１の軸および第２の軸に沿って所定のパターンで移動するビームスポットを有する出力レーザビームを生成するように構成されたビーム送達システムを設けるステップと、入力レーザビームをビーム送達システム内に通過させて、ビームスポットで第１の金属基板の第２の平坦な表面上の標的エリアを照射するステップであって、標的エリアは、端面が第１の平坦な表面に近接して位置決めされる第１の平坦な表面の交差領域の上に位置決めされる、ステップとを含む。
【０００７】
第１の実施形態によると、ビーム送達システムは、デフォーカス出力レーザビーム（ｄｅｆｏｃｕｓｅｄ  ｏｕｔｐｕｔ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ）を生成するように構成されている。
【０００８】
別の実施形態によると、照射ステップは、第１の金属基板と第２の金属基板との間の各々の角エリアに隅肉溶接部が形成されるように二重隅肉溶接部を形成する。別の実施形態において、各々の隅肉溶接部は、なめらかな輪郭を有する溶接面を有する。
【０００９】
別の実施形態において、照射ステップは、第１の金属基板の厚さおよび第２の金属基板の厚さの中を通って延びる溶接領域を形成する。別の実施形態によると、溶接領域の断面は均一な硬さを有する。別の実施形態において、溶接領域は低い粒度を有する。いくつかの実施形態において、溶接領域は低い多孔性を有する。いくつかの実施形態において、溶接領域の断面は、均一な硬さ、低い粒度および低い多孔性のうちの少なくとも１つを有する。
【００１０】
一実施形態によると、第２の金属基板の端面を第１の平坦な表面に近接して配置するステップは、端面と第１の平坦な表面との間にギャップを設け、このギャップは、第１の金属基板の厚さの最大約１／４の距離である。
【００１１】
別の実施形態によると、方法はさらに、第２の平坦な表面に対して垂直に入射する基準線から最大１０度の入射角を有するように出力レーザビームを位置決めするステップを含む。
【００１２】
特定の実施形態では、所定のパターンは、円形パターン、線形パターン、八の字パターンおよび無限パターンのうちの１つである。
【００１３】
別の実施形態において、方法は、不活性遮蔽ガスの流れを標的エリアに誘導するステップを含む。
【００１４】
別の実施形態において、方法は、所定のパターンを交差領域と位置合わせするステップを含む。
【００１５】
別の実施形態において、方法は、ビームスポットを第１の金属基板の長さに沿って誘導するステップを含む。
【００１６】
別の実施形態によると、第１の金属基板を第２の金属基板にレーザ溶接するためのシステムが提供される。第１の金属基板は、第１の平坦な表面と、第１の平坦な表面の反対側に配設された第２の平坦な表面とを有し、第２の金属基板は、第１の平坦な表面に近接して位置決めされた端面を有し、システムは、入力レーザビームを生成するように構成されたファイバレーザエネルギー源と、ビーム送達システムとを含み、ビーム送達システムは、入力レーザビームを受け取り、第１の軸および第２の軸に沿って所定のパターンで移動するビームスポットを有する出力レーザビームを生成することと、ビームスポットで第１の金属基板の第２の平坦な表面上の標的エリアを照射することであって、標的エリアは、端面が第１の平坦な表面に近接して位置決めされる第１の平坦な表面の交差領域の上に位置決めされる、照射することとを行うように構成される。
【００１７】
別の実施形態によると、システムは、所定のパターンが交差領域と位置合わせされるようにビーム送達システムを制御するように構成されたコントローラを含む。
【００１８】
別の実施形態によると、ビーム送達システムは、デフォーカス出力レーザビームを生成するように構成されている。
【００１９】
別の実施形態によると、ファイバレーザエネルギー源およびビーム送達システムは、標的エリアの照射が、第１の金属基板と第２の金属基板との間の各々の角エリアに隅肉溶接部を形成するように構成されている。
【００２０】
いくつかの実施形態によると、各々の隅肉溶接部は、なめらかな輪郭を有する溶接面を有する。
【００２１】
いくつかの実施形態において、標的エリアの照射は、第１の金属基板の厚さおよび第２の金属基板の厚さの中を通って延びる溶接領域を形成する。別の実施形態において、溶接領域は、均一な硬さ、低い多孔性および低粒度構造のうちの少なくとも１つを有する。
【００２２】
いくつかの実施形態において、支持構造は、第１の金属基板の厚さの最大約１／４のギャップが端面と第１の平坦な表面との間に存在するように、第２の金属基板の端面を第１の平坦な表面に近接して位置決めするように構成されている。
【００２３】
別の実施形態において、ビーム送達システムは、第２の平坦な表面に対して垂直に入射する基準線から最大１０度の入射角で出力レーザビームを誘導するように構成されている。
【００２４】
特定の実施形態によると、ビーム送達システムは、第１の軸および第２の軸に沿って所定のパターンを生成するように構成された可動ミラーを含む。
【００２５】
いくつかの実施形態において、可動ミラーは、所定のパターンとして、円形パターン、線形パターン、八の字パターン、および無限パターンのうちの１つを生成するように構成されている。
【００２６】
特定の実施形態によると、第１の金属基板および第２の金属基板はチタン合金である。
【００２７】
いくつかの実施形態において、方法は、標的エリアに誘導された不活性遮蔽ガスの流れをさらに含む。
【００２８】
少なくとも１つの実施形態によると、第１の金属基板および第２の金属基板は、溶融状態にあるとき、その制御された流れに適した厚さ、表面張力および熱特性を有する。
【００２９】
これらの一例の態様および実施形態のさらに他の態様、実施形態および利点は、以下で詳細に考察される。さらに、上述の情報および以下の詳細な記載は、種々の態様および実施形態の単なる例示的な例であり、請求される態様および実施形態の性質および特徴を理解するための概要または枠組みを提供することが意図されていることを理解されたい。本明細書に開示される実施形態は、他の実施形態と組み合わされてもよく、「一実施形態」、「一例」、「いくつかの実施形態」、「いくつかの例」、「代替の一実施形態」、「種々の実施形態」、「１つの実施形態」、「少なくとも１つの実施形態」、「この、および他の実施形態」、「特定の実施形態」などへの言及は、必ずしも互いに排他的ではなく、記載される特定の機能、構造または特徴が少なくとも１つの実施形態に含まれる可能性があることを示すことが意図されている。そのような用語の出現は必ずしも、同じ実施形態を全て指しているとは限らない。
【００３０】
少なくとも１つの実施形態の種々の態様が、添付の図面を参照して以下で考察され、これらの図面は縮尺通りで描かれることは意図されていない。図面は、例示、および種々の態様および実施形態のさらなる理解を提供するために含まれており、この明細書の一部に組み込まれて、それを構成しているが、任意の特定の実施形態の限定の定義としては企図されていない。図面は明細書の残りの部分と併せて、記載され請求される態様および実施形態の原理および作用を説明するような働きをする。図面中で、種々の図面に例示される各同一の、またはほぼ同一の構成要素は、同様の数字によって表されている。明確にする目的で、全ての構成要素が全ての図面でラベル表示されるわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来技術の溶接システムを示す概略ブロック図である。
【図２Ａ】本発明の１つまたは複数の態様によるレーザ溶接システムの概略ブロック図である。
【図２Ｂ】図２Ａのシステムの金属基板の斜視図と組み合わせたレーザおよびビーム送達システムの概略ブロック図である。
【図２Ｃ】一緒に溶接された後の、図２Ａのシステムの金属基板の簡素化された側面図である。
【図２Ｄ】図２Ａのシステムと同様のレーザ溶接システムを使用して形成された２つの金属基板の断面の顕微鏡写真である。
【図３Ａ】本発明の１つまたは複数の態様によるレーザ移動のための異なる所定のパターンを例示する概略図である。
【図３Ｂ】本発明の１つまたは複数の態様によるレーザ移動のための異なる所定のパターンを例示する概略図である。
【図３Ｃ】本発明の１つまたは複数の態様によるレーザ移動のための異なる所定のパターンを例示する概略図である。
【図３Ｄ】本発明の１つまたは複数の態様によるレーザ移動のための異なる所定のパターンを例示する概略図である。
【図３Ｅ】本発明の１つまたは複数の態様によるレーザ移動のための異なる所定のパターンを例示する概略図である。
【図４Ａ】本発明の態様によって使用され得る、レーザ溶接ヘッドを含むシステムの概略ブロック図である。
【図４Ｂ】本発明の１つまたは複数の態様に従ってビーム送達システムによって提供される比較的小さい移動の範囲を有するレーザビームの概略ブロック図である。
【図５Ａ】本発明の１つまたは複数の態様による、一緒に溶接される前の２つの金属基板の上面図であり、３つの異なる構成で配向されるレーザ移動パターンの一例を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の１つまたは複数の態様による、いくつかのプロセスパラメータを組み合わせた、図５Ａの２つの金属基板の側面図である。
【図６】本発明の１つまたは複数の態様による、集束されたレーザ照射の例と、集束されないレーザ照射の例を組み合わせた２つの金属基板の側面図である。
【図７Ａ】本発明の１つまたは複数の態様によるレーザ溶接システムの別の例の概略ブロック図である。
【図７Ｂ】本発明の態様によって使用され得るガス遮蔽装置の底部斜視図である。
【図７Ｃ】図７Ｂに示されるガス遮蔽装置の断面斜視図である。
【図８Ａ】本発明の１つまたは複数の態様による、レーザ移動パターンなしで形成された２つの金属基板の断面の顕微鏡写真である。
【図８Ｂ】本発明の１つまたは複数の態様による、レーザ移動パターンありで形成された２つの金属基板の断面の顕微鏡写真である。
【図９Ａ】本発明の態様によって溶接された金属基板から獲得された硬度測定結果である。
【図９Ｂ】本発明の態様によって溶接された金属基板から獲得された硬度測定結果である。
【図９Ｃ】本発明の態様によって溶接された金属基板から獲得された硬度測定結果である。
【図９Ｄ】本発明の態様によって溶接された金属基板から獲得された硬度測定結果である。
【図１０】本発明の態様によって溶接された２つの金属基板の断面の顕微鏡写真および断面での種々の領域の結晶粒組織を示す種々の顕微鏡写真を含む図である。
【図１１Ａ】本発明の１つまたは複数の態様によって異なるプロセスパラメータで形成された２つの金属基板の写真である。
【図１１Ｂ】本発明の１つまたは複数の態様によって異なるプロセスパラメータで形成された２つの金属基板の写真である。
【図１２Ａ】本発明の１つまたは複数の態様によって異なる揺動プロセスパラメータで形成された２つの金属基板の断面の顕微鏡写真である。
【図１２Ｂ】本発明の１つまたは複数の態様によって異なる揺動プロセスパラメータで形成された２つの金属基板の断面の顕微鏡写真である。
【図１３】図１３Ａから１３Ｄは、本発明の１つまたは複数の態様によって異なるプロセスパラメータで形成された２つの金属基板の断面の顕微鏡写真である。
【図１４Ａ】本発明の態様によって溶接された３つの金属基板の種々の見方の写真である。
【図１４Ｂ】本発明の態様によって溶接された３つの金属基板の種々の見方の写真である。
【図１４Ｃ】本発明の態様によって溶接された３つの金属基板の種々の見方の写真である。
【図１５Ａ】本発明の態様によって一緒に溶接され得る金属基板の代替の構成の図である。
【図１５Ｂ】本発明の態様によって一緒に溶接され得る金属基板の代替の構成の図である。
【図１５Ｃ】本発明の態様によって一緒に溶接され得る金属基板の代替の構成の図である。
【図１６】図１６Ａから１６Ｃは、本発明の態様によって、熱交換器の構成要素を形成するために一緒に溶接された金属基板の種々の見方の写真である。
【図１７】図１７Ａから１７Ｄは、本発明の態様による、別の実施例に従って一緒に溶接された金属基板の種々の見方の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
溶接製造において、「Ｔ字」接続またはＴ字継手は、２つの金属片を一緒に接合するのに使用される溶接接続の１つのタイプであり、そこでは、補強工作物などの第１の金属片は、Ｔの脚（「ウェブ」または「リブ」とも呼ばれる）を形成し、第２の工作物は、Ｔの頂部（「フランジ」または「カバー」とも呼ばれる）である。特定の例では、Ｔ字接続の両方の角は、隅肉溶接で溶接され、この場合、このような溶接継手は、「二重隅肉」（または「両側隅肉」）溶接と呼ばれる（および、両隅肉の存在に加えて、フランジとウェブとの間の境界面全体が全て使われる点において完全溶け込み両側隅肉溶接とも呼ばれる）。二重隅肉溶接の一般的な例は、ガーダーの製造であり、そこでは、補強材は、２つの長い直線の隅肉溶接でガーダーのウェブに取り付けられる。他の例には、円形製造でのＴ字接続が含まれ、例えば管またはパイプへの補強材の接続などである。さらに別の例は、Ｔ字の頂部としての管と、Ｔ字の脚としてのプレートとを使用することを含む。
【００３３】
Ｔ字継手を溶接するための従来技術の溶接システムの一例が図１に示される。溶接エネルギーが、Ｔ字接続の角に加えられて、隅肉を形成する（ここでは、図面に示される右の角のセクションは、溶接エネルギーによって既に加工されている）。二重隅肉溶接を実現するには、少なくとも２つの通路を作成する必要がある、または２つの溶接エネルギー源を使用して同時に溶接を行う必要がある。このタイプの溶接構成は、溶接ヘッドがこのような角領域に容易にアクセスすることができない複雑な継手を溶接するのが難しい。加えて、特定の溶接技術には、上記で考察したような種々の欠点がある。ＧＴＡＷおよびＥＢＷは共に長い処理時間を必要とし、チタン合金のＧＴＡＷ溶接は、ゆがみおよび低品質の微細構造を生じさせる。単に並進させたＬＢＷおよび図１に示されるプロセス構成を使用する、より厚みがあり、より長いチタン合金基板もまた、欠陥（例えば細孔）を有する溶接部を形成することが示されてきた。
【００３４】
開示されるレーザ溶接システムおよびプロセスは、上に記載した問題の多くに対処する。本明細書に記載されるレーザ溶接システムは、レーザビームの形態の溶接エネルギーをＴ字接続の反対側（すなわちカバーパネルまたはフランジの裏側）に加え、レーザビームを制御されたパターンで操作するように構成されたビーム送達システムを含む。本明細書に記載されるシステムおよび方法は、単一の通路を使用して二重隅肉溶接部を形成し、Ｔ字継手の角領域へのアクセスが制限される複雑な溶接構成で使用することが可能である。加えて、溶接構造は、均一な硬さ、低い多孔性および低い粒度を有する。
【００３５】
図２Ａを参照すると、レーザ溶接システムは、全体的に１００で示されており、ファイバレーザ１３０と、ビーム送達システム１３５と、第１の金属基板１０５および第２の金属基板１１０を所望される構成に位置決めするための支持構造体１４５とを含む。第１の金属基板１０５は、第１の平坦な表面１０２と、第１の表面１０２の反対側に配設された第２の平坦な表面１０４とを有する。図２Ａに示される所望される構成は、第２の金属基板１１０が第１の金属基板１０５に対して垂直に位置決めされるように、第２の金属基板１１０の端面１１２を第１の金属基板１０５の第１の平坦な表面１０２に近接して位置決めし、それ故、Ｔ字継手タイプの溶接接続用に設定されている。第１の金属基板１０５はしたがって、「フランジ」または「カバープレート」と本明細書で呼ばれる場合があり、第２の金属基板１１０は、「ウェブ」または「リブ」と呼ばれる場合がある。いくつかの実施形態において、第２の金属基板１１０の端面１１２は、第１の金属基板１０５の幅の寸法に沿って中心に置かれてよい（例えば図２Ｂを参照されたい）。
【００３６】
支持構造体１４５は、第１の金属基板１０５および第２の金属基板１１０を互いに対して所定の配向で保持するように機能する。いくつかの例では、端面１１２は、図２Ａに示されるように第１の平坦な表面１０２に当接しないが、代替の構成では、端面１１２は、図２Ｂに示されるように第１の平坦な表面１０２に当接してもよい。
【００３７】
ビーム送達システム１３５および／または第１の金属基板１０５および第２の金属基板１１０は、少なくとも１つの軸に沿って、例えば第１の金属基板１０５の長さに沿って互いに対して移動されてよい（図２Ｂを参照されたい）。例えばビーム送達システム１３５（および任意選択でファイバレーザ１３０）は、図２Ｂに指摘されるように、ビーム送達システム１３５を第１の金属基板１０５および第２の金属基板１１０に対して移動させるために移動ステージ１５５の上に配置されてもよい。これに加えて、または代替として、第１の金属基板１０５および第２の金属基板１１０が、金属基板をビーム送達システム１３５に対して移動させるために移動ステージの上に配置されてもよい。
【００３８】
特定の実施形態によると、第１の金属基板１０５および第２の金属基板１１０は、それらが溶融状態または液体状態にあるとき、それらを制御された流れに適するようにし、かつそれにより本明細書に記載される裏側溶接プロセスに対して実現可能にする物理的および幾何学的特徴を有する。金属基板は、両側隅肉の形成を維持するために、重力、流量、キーホール圧力などの種々のプロセスの力に対して、金属材料の溶融した「液体のたまり」の表面張力の均衡を保つことを可能にする物理的特性を有する。第１の金属基板１０５および第２の金属基板１１０として使用されるのに適した金属の非制限的な例には、チタンおよびチタン合金が含まれる。いくつかの実施形態において、第１の金属基板１０５および第２の金属基板１１０は、いくつかのステンレス鋼の１つであってもよい。対照的に、純粋なアルミニウムは、開示される裏側溶接プロセスに適さない可能性がある金属である。しかしながら１つまたは複数のアルミニウム合金は、開示されるプロセスにとって望ましい特性を有する場合がある。加えて、第１の金属基板１０５の厚さを含めた金属基板の幾何学形状は、開示される裏側溶接プロセスの機能において特定の役割も有する。例えば、より厚みのある基板に対してはレーザエネルギーを増大させることができるという理解により、金属基板は、高品質の溶接領域を形成するのに十分薄い必要がある。種々の実施形態では、第１の金属基板１０５および第２の金属基板１１０は、そのそれぞれの溶融温度で少なくとも１．５Ｎ／ｍの表面張力を有する。種々の実施形態では、第１の金属基板１０５および第２の金属基板１１０は、大気条件で５０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する。
【００３９】
ファイバレーザ１３０は、本明細書で考察される溶接作業を実行するために十分な出力でレーザビームを生成するためのレーザエネルギー源を提供する。いくつかの実施形態によると、ファイバレーザ１３０は、近赤外スペクトル域（例えば１０６０〜１０８０ｎｍ）でレーザを生成することが可能なイッテルビウムファイバレーザとして構成されてよい。ファイバレーザ１３０は、シングルモードファイバレーザまたはマルチモードファイバレーザであってよく、持続波（ＣＷ）、準続波（ＱＣＷ）、またはパルスモードで作動するように構成されてよい。いくつかの実施形態によると、ファイバレーザ１３０は、少なくとも１ｋＷの出力でレーザビームを生成するように構成されている。本明細書に記載されるレーザ溶接プロセスに適したファイバレーザ１３０の非制限的な例には、ＹＬＳシリーズなどのＩＰＧ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（マサチューセッツ州、オックスフォード）から入手可能なファイバレーザが含まれる。
【００４０】
図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、ファイバレーザ１３０は、ビーム送達システム１３５に結合された送達ファイバ１３２を有する。ビーム送達システム１３５は、送達ファイバ１３２によって伝達された入力レーザビームに関連するレーザエネルギーを受け取り、入力レーザビームのエネルギー分布を、所望される寸法およびエネルギー分布のビームスポット１４２を生成する出力レーザビーム１４０に変換するように構成されている。ビーム送達システム１３５はまた、レーザビームスポット１４２を、以下でさらに詳細に記載されるように、所定のパターン（「レーザ移動パターン」または「揺動パターン」とも呼ばれる）で第１の金属基板１０５の第２の平坦な表面１０４（すなわち裏側表面）上の標的エリアに加えるように構成されている。
【００４１】
少なくとも１つの実施形態によると、ビーム送達システム１３５は、出力ビーム１４０、ビームスポット１４２およびレーザ移動パターンを生成するのに使用される、ミラー、レンズ、プリズム、フィルタ、回折光学装置、ビームスプリッタ、光−機械要素および／または電気−光学要素、偏光子などの種々の光学構成要素を含む自由空間光学部品構成として構成されている。例えば、ビーム送達システム１３５は、送達ファイバ１３２からのレーザ光を平行にするコリメータとして機能する１つまたは複数のカーブミラーまたはカーブレンズを含んでよい。ビーム送達システム１３５はまた、出力ビーム１４０の焦点を調節するための焦点レンズまたは他の構成要素を含んでもよい。
【００４２】
ビーム送達システム１３５は、出力ビーム１４０およびビームスポット１４２を２つの異なる軸（例えばｘ軸およびｙ軸）で第１の金属基板１０５の第２の平坦な表面１０４に対して移動させて溶接シームに沿って所定のパターンを形成するために、異なる軸を中心に枢動可能である、１つまたは複数の可動ミラーなどの構成要素を含む。シームの攪拌溶接を実行するのに使用されるｘ軸およびｙ軸上でのレーザ移動パターンの非制限的な例が、図３Ａ〜図３Ｅに示される。図３Ａは、矢印が溶接方向を示し、ｙ軸がシームとして機能する円形パターン（時計回りまたは反時計回り）を示す。図３Ｂは、無限パターンを実施するために９０度回転させることができる八の字パターンを示し、図３Ｃはジグザグパターンを示す。図３Ｄは、波状運動パターンを示し、図３Ｅは、線形パターンを示す。例示のパターンは排他的ではなく、他のパターンも本開示の範囲内であることを理解されたい。
【００４３】
レーザ移動パターンまたは揺動パターンは、出力ビーム１４０によって出力されたレーザエネルギーを「消散させる」ように機能し、レーザ溶接プロセスに対して１つまたは複数の利点を提供してよい。例えば、レーザ移動パターンは、単一の通路を使用する二重隅肉溶接を可能にし、より幅広の処理窓を提供することができ、従来のレーザ溶接方法と比べて品質が優れた溶接部を形成する。揺動パターンでレーザ出力ビーム１４０を実施するのに適したレーザシステムの例には、ＩＰＧ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからのＷｏｂｂｌｅ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｈｅａｄシリーズが含まれる。
【００４４】
ビーム送達システム１３５の少なくとも１つの可動ミラーは、レーザ移動パターンを与えるために使用されてよい。可動ミラーは、ガルボモータによって可動であるガルバノメータミラーであってよく、これは、素早く反対方向になることが可能である。ステップモータを含めた、ミラーを移動させるための他の機構も本開示の範囲内である。一実施形態において、ビーム送達システム１３５は、異なる垂直軸に対して各々使用される実質的に同一サイズの２つの可動ミラーを含む。他の実施形態において、１つの可動ミラーまたは３つ以上の可動ミラーが使用される場合もある。
【００４５】
レーザ移動パターンを含めた、本発明の１つまたは複数の態様を実施するのに使用され得るレーザ溶接システムの一例が図４Ａに示される。レーザ溶接システム１００は、レーザビーム１４０を工作物１３１に送達するために、ファイバレーザ１３０の出力または送達ファイバ１３２に（例えばコネクタ１３２ａで）結合されたレーザ溶接ヘッド１３４を含む。ファイバレーザ１３０は、図２Ａおよび図２Ｂを参照して上記に記載したファイバレーザ１３０と同様である。レーザ溶接ヘッド１３４は、溶接ビード１０１を形成するためにシーム１０３を溶接することによって、本明細書に記載される金属基板などの工作物１３１上で溶接を実行するのに使用されるビーム送達システム１３５を形成する１つまたは複数のモジュール１２、１３、１４を含む。レーザ溶接ヘッド１３４および／または工作物１３１は、シーム１０３の方向に沿って互いに対して移動されてよい。レーザ溶接ヘッド１３４は、溶接ヘッド１３４を少なくとも１つの軸に沿って、例えばシーム１０３の長さに沿って工作物１３１に対して移動させるための移動ステージ１４１上に配置されてよい。これに加えて、または代替として、工作物１３１が、工作物１３１をレーザ溶接ヘッド１３４に対して移動させるための移動ステージ１４３上に配置されてもよい。
【００４６】
レーザ溶接ヘッド１３４は一般に、出力ファイバ１３２からのレーザビームを平行にするためのコリメータ１３３と、平行ビーム１３６を反射し移動させるための少なくとも第１の可動ミラー１３７および第２の可動ミラー１３９と、ビームを集光させ、集光させたビーム１４０を工作物１３１に送達するための焦点レンズ１４４とを含む。図４Ａに示される例では、第２の可動ミラー１３９からの平行になったレーザビーム１３６を焦点レンズ１４４に誘導するのに固定ミラー１３８も使用される。コリメータ１３３、可動ミラー１３７、１３９および焦点レンズ１４４、ならびに固定ミラー１３８は、別個のモジュール１２、１３、１４に設けられてよく、そのうちの１つまたは複数は、上記に記載したビーム送達システム１３５を形成することができる。レーザ溶接ヘッド１３４はまた、例えばミラー１３７、１３９は、光が第２のミラー１３９から焦点レンズ１４４に向けて反射されるように配置される場合、固定ミラー１３８なしで構築されてもよい。
【００４７】
可動ミラー１３７、１３９は、異なる軸１４７ａ、１４７ｂを中心に枢動可能であることで、平行ビーム１３６を移動させ、これにより集光させたビーム１４０を少なくとも２つの異なる直交する軸２、４で工作物１３１に対して移動させる。可動ミラー１３７、１３９は、ガルボモータによって可動であるガルバノメータミラーであってよい、または他の移動機構、例えばステップモータであってもよい。可動ミラー１３７、１３９をレーザ溶接ヘッド１３４内で使用することで、溶接ヘッド１３４全体を移動させる必要がなく、かつ回転プリズムを使用せずに、ビームを揺動させる目的でレーザビーム１４０を正確に、制御可能に、および迅速に移動させることが可能になる。
【００４８】
少なくとも１つの実施形態によると、可動ミラー１３７、１３９は、図４Ｂの概略図でアルファ（α）によって示される、１０度未満の走査角度内で、および一部の例では、およそ１〜２度の走査角度でビーム１４０を枢動させることによって、比較的小さい視野（例えば３０ｘ３０ｍｍ未満）内のみでビーム１４０を移動させる。このような制限された移動は、「揺動」と呼ばれてよく、レーザ移動パターンを生成することが可能なシステムおよび装置の例は、米国特許出願第１５／１８７，２３５号（以後「２３５出願」と呼ばれる）に開示される揺動モジュールおよびレーザ溶接ヘッドを参照して考察され、この特許は参照により本明細書に組み込まれる。２３５出願に説明されるように、用語「揺動」は、レーザビームの往復運動移動（例えば２軸での）、および１０度未満の走査角度によって定義される比較的小さい視野の中での移動を指している。このような制限された移動は、従来のレーザ走査ヘッドとは対照的であり、従来のレーザ走査ヘッドは、はるかに大きな視野（例えば５０ｘ５０ｍｍ以上の）内でのレーザビームの移動を実現し、より大きな視野および走査角度に適応するように設計されている。比較的小さい視野および小さい走査角度を提供する可動ミラー１３７、１３９の使用は、より速い速度を提供し、レンズなどのより費用の安い構成要素の使用を可能にし、エアナイフおよび／またはガスアシスト付属品などの付属品の使用を可能にする。
【００４９】
可動ミラー１３７、１３９は、比較的小さい視野および走査角度の中でビームを移動させることから、第２のミラー１３９は、第１のミラー１３７と実質的に同じサイズであってよい。対照的に、従来のガルボスキャナは一般に、より大きな第２のミラーを使用して、より大きな視野および走査角度を提供し、より大きな第２のミラーは、少なくとも１つの軸での移動の速度を制限する可能性がある。溶接ヘッド１３４内でより小さいサイズにされた第２のミラー１３９（例えば第１のミラー１３７とおよそ同じサイズ）は、したがって、第２のミラー１３９が、大きな走査角度を提供する従来のガルボスキャナにおけるより大きなミラーと比べてより速い速度で移動することを可能にする。
【００５０】
さらに、可動ミラー１３７、１３９によって提供されるより小さい視野はまた、より大きな直径を有する（例えば３３ｍｍの直径のビームに対して３００ｍｍの直径のレンズ）より大きな複数要素の走査レンズ（例えばＦ−シータレンズ、フィールドフラットニングレンズまたはテレセントリックレンズ）が必要とされず、使用されないことも意味する。このような従来のレーザ走査ヘッドとは対照的に、焦点レンズ１４４は、レーザ溶接ヘッド内で使用するのに知られており、例えば１００ｍｍから１０００ｍｍの範囲の多様な焦点距離を有する焦点レンズを含むことが可能である。一実施形態によると、およそ１５ｘ５ｍｍの視野内での移動のためにおよそ４０ｍｍの直径を有するビームを集光させるために、５０ｍｍの直径の平凸Ｆ３００焦点レンズが使用されてよい。このより小さい焦点レンズはまた、エアナイフおよび／またはガス付属品などの追加の付属品の使用も可能にする。
【００５１】
ビーム送達システムで任意選択で使用され得る他の光学構成要素には、ビームスプリッタおよび回折光学装置が含まれ、後者は、コリメータ１３３とミラー１３７、１３９との間に位置決めされてよい。
【００５２】
図４Ａのレーザ溶接システム１００はまた、少なくとも１つのガス分配管１４９を介してガス源１４８に結合されたガス遮蔽装置１６０を含む。ガス遮蔽装置１６０の一例が、以下で詳細に記載される。遮蔽ガス１７１は、不活性ガスおよび半不活性ガスなど、溶接またはレーザ処理で使用される任意の遮蔽ガスを含んでよい。
【００５３】
レンズおよび他の光学装置を溶接プロセスによって生成される破片から保護するために保護窓１４６がレンズ１４４の前方に設けられてよい。保護窓１４６はまた、ガス遮蔽装置１６０に組み込まれる場合、またはガス遮蔽装置１６０によって置き換えられる場合もある。
【００５４】
一時的に図２Ａおよび図２Ｂに戻って注意を向けると、特定の実施形態によると、ビーム送達システム１３５はまた、大きな視野が望まれる用途のために従来のレーザ走査ヘッドとして機能するように構成された構成要素も含み得る。従来のレーザ走査ヘッドは、大きな直径を有する（例えば３３ｍｍの直径のビームに対して３００ｍｍの直径のレンズ）Ｆ−シータレンズ、フィールドフラットニングレンズまたはテレセントリックレンズなどの複数要素の走査レンズを使用して、より大きな視野内でビームを集光させる。特定の実施形態では、従来の走査ヘッドに含まれる光学部品は、本明細書で考察される揺動パターンを生成するように構成されてもよい。
【００５５】
本明細書で開示される裏側表面溶接システムおよびプロセスは、高品質の溶接を達成するために幅広の処理窓を提供するいくつかのプロセスパラメータを使用する。複数のこのようなプロセスパラメータの非制限的な例が、図５Ａおよび図５Ｂを参照して以下で考察される。
【００５６】
少なくとも１つの実施形態によると、１つまたは複数の「揺動」パラメータは、レーザエネルギー密度の制御など、プロセスの最適化の目的で調節することができる、またはそれ以外の方法で修正することができるプロセスパラメータとして機能してよい。このようなパラメータには、揺動パターン（または「揺動モード」）、揺動周波数、揺動振幅数、および揺動の向きが含まれる。このようなパラメータの１つまたは複数は、レーザビームが有する、金属基板の材料との「相互作用」時間に影響を与える可能性がある。図５Ａは、揺動パターンの３つの異なる向きを例示しており、これらのパターンは、この例では、向きに応じて、無限パターンまたは八の字パターンである。図５Ａは、第１の金属基板１０５の第２の平坦な表面１０４の上面図を示しており、第２の金属基板１１０が垂直に位置決めされ、第１の金属基板１０５の幅寸法に沿って中心に置かれ（すなわち図２Ａおよび図２Ｂでのように）、そして点線によって示されている。各々の向き（すなわち０°、９０°および４５°）において、パターンの中心点は、第２の平坦な表面１０４の中心（および第２の金属基板１１０の端面１１２の中心）を通って伸びる中心線１２７と位置合わせされる。ビーム送達システム１３５は、このような位置合わせおよび配向を実行するように構成され、コントローラ１５０によって調節することができる、またはそれ以外の方法では制御することができる（以下でより詳細に記載される）光学構成要素を含む。揺動パターンは、ビーム送達システム１３５を使用して任意の所望される角度（示されるもの以外）で配向されてよい。
【００５７】
図５Ｂを参照すると、図５Ａの第１の金属基板および第２の金属基板の側面図が示されている。少なくとも１つの実施形態によると、ビーム送達システム１３５は、第２の平坦な表面１０４（および端面１１２）に垂直に入射する基準線１２６から±１０°の入射角シータθで第１の金属基板１０５の第２の平坦な表面１０４にビームスポット１４２を供給する出力レーザビーム１４０を誘導するように構成されてよい。出力レーザビーム１４０はまた、第２の金属基板１１０の長さに沿って（およびしたがって図５Ｂに示される２Ｄ構成の平面内に）伸びる基準線（図５Ｂには示されない）から角度βで±１０°で入射してもよい。いくつかの実施形態において、端面１１２と第１の平坦な表面１０２との間のギャップ１２８は、第１の金属基板１０５の厚さ１０６の最大約１／４の距離であってよい。
【００５８】
少なくとも１つの実施形態によると、ビーム送達システム１３５は、デフォーカス出力レーザビーム１４０を生成するように構成されている。図６は、第１の金属基板１０５と第２の金属基板１１０とを示し、そこでは、左側の出力レーザビームは、第２の平坦な表面１０４と合致する焦点を有し（すなわち集光させた出力レーザビーム）、右の出力レーザビームは、第２の平坦な表面１０４より上に位置決めされた焦点を有する（すなわちデフォーカス出力レーザビーム）。一部の例では、デフォーカス出力レーザビームは、第２の平坦な表面１０４より下に位置決めされた焦点を有する。デフォーカス出力ビーム１４０は、低下したエネルギー密度および増大した直径を有するビームスポット１４２を生成し、これは特定の例では、より高品質の溶接部を形成する。デフォーカスレーザビームは、より多くのガウスビームプロファイル（すなわちより強烈な中心と、半径が増大するにつれて低下する）を有する。デフォーカスレーザビームによって提供される出力分布によって、溶接領域の一方のエリア内のフランジからリブまでの融着、および溶接領域の別のエリア内のフランジの溶融が可能になる。代替の実施形態において、ビーム送達システム１３５は、集光させた出力レーザビームを生成するように構成されている。
【００５９】
少なくとも１つの実施形態によると、レーザ溶接システム１００の１つまたは複数の構成要素、例えばファイバレーザ１３０エネルギー源、ビーム送達システム１３５および移動ステージ１５５は、最適な溶接プロセスを実行するために一セットの作動パラメータを使用して制御されてよい。例えばビーム送達システム１３５は、所望される寸法を有するビームスポット１４２を生成するように構成されてよい。所望される寸法は、レーザ移動パターンならびに第１の金属基板および第２の金属基板の寸法（例えば第２の金属基板１１０の高さまたは厚さ）に依存してよい。ビーム送達システム１３５はまた、ビームスポット１４２に異なる形状を与えるように構成されてもよい。例えば球形の他に、ビームスポット１４２は、ドーナツ形、矩形または楕円形であってもよい。レーザ出力はまた、別の作動パラメータ、ならびに第２の平坦な表面１０４を横切るように移動するパターンの中心点を基準とするビームスポットの速度（進行速度または溶接速度とも呼ばれる）としても機能する。
【００６０】
図７Ａ〜図７Ｃを次に参照すると、いくつかの実施形態によると、レーザ溶接システム１００はまた、標的エリアで不活性遮蔽ガスの流れを誘導するように構成され、図４Ａのレーザ溶接システム１００を参照して上記に挙げた遮蔽装置１６０と同様の遮蔽装置１６０を含んでもよい。図７Ａの例の遮蔽装置１６０は、部分的に透明に示されており、出力レーザビーム１４０の少なくとも一部を収容するように構成されている。例えば遮蔽装置１６０は、出力レーザビーム１４０を含めるように構成された中心孔を有してよい。遮蔽装置１６０はまた、図７Ａに示される例に指摘されるようにビーム送達システム１３５に結合されてもよい。
【００６１】
複数の開口を有する遮蔽ディスクが、第２の平坦な表面１０４に実質的に垂直の方向で不活性遮蔽ガスの流れを誘導するように構成された中心孔に結合されてよい。１つまたは複数の分配管が、遮蔽ディスクの複数の開口に作動可能に結合されてよい。本明細書に開示される方法およびシステムと共に使用するのに好適であり得るそのような遮蔽装置の非制限的な１つの例は、図７Ｂおよび図７Ｃに示され、２０１８年８月３０日に提出された米国仮出願第６２／７２５，０２８号（以後「０２８出願」と呼ばれる）に記載されており、この特許は、参照により本明細書に組み込まれる。図７Ｂおよび図７Ｃは、０２８出願に記載され、全体的に１６０で示されるガス遮蔽装置の底部斜視図および断面斜視図を示す。遮蔽装置１６０は、レーザビーム（例えば上記に記載したような）を工作物まで通すためのネック１６１と、遮蔽ガスを拡散させ溶接領域内で工作物に分配するための、ネック１６１に結合されたガス遮蔽プレート１６６とを含む。ネック１６１は、第１の端部１６３から第２の端部１６５まで延び、レーザビームが遮蔽プレート１６６を通して、遮蔽プレート１６６の反対側にある工作物まで誘導されることを可能にするように構成される中心孔１６４を画定する。遮蔽プレート１６６は、レーザビームを受け取る中心孔１６４と遮蔽プレート１６６が同軸であるように、第２の端部１６５に近接してネック１６１に結合され、中心孔１６４の周りに円周方向に延びる。一部の例では、中心孔１６４は、およそ１０〜６０ｍｍの範囲の直径を有してよい。
【００６２】
遮蔽プレート１６６は、第１の表面１６７上の１つまたは複数のガス入り口１６２と、第１の表面１６７と反対側であり、使用中工作物に面することになる第２の表面１６９上の複数のガス出口１６８とを含む。遮蔽プレート１６６は、ガス入り口１６２を複数のガス出口１６８に流体結合するガス拡散領域１７０を画定する。一部の例では、遮蔽ガスは、ガス入り口を通過してガス拡散領域１７０に入り、その後、工作物に対して実質的に垂直なガス出口１６８から出て行く。したがって、遮蔽プレート１６６およびガス出口１６８は、遮蔽ガスを拡散させ、処理エリアまたは溶接エリア内で遮蔽ガスの層流を提供するように設計され構成されている。多数のガス入り口１６２が、遮蔽プレート１６６の第１の表面１６７の周りに均一に分散されてよい。一部の例では、ガス拡散領域１７０は、Ｓｃｏｔｃｈ−Ｂｒｉｔｅ（商標）Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｐｕｒｐｏｓｅ  Ｓｃｏｕｒ  Ｐａｄｓの名の下に３Ｍから入手可能な不織パッドなどの多孔性材料、またはガス出口１６８からの層流の分配を行うことが可能な任意の他の拡散器材料を含んでもよい。
【００６３】
ガス出口１６８が遮蔽プレート１６６の第２の側１６９のかなりの部分にわたって離間されることで、遮蔽ガスを所定のパターンで、および処理エリアまたは溶接エリア内を移動するレーザビームによって包囲される領域を少なくとも含む比較的幅の広いエリアにわたって分散させてよい。遮蔽プレート１６６の例は、およそ１００ｍｍから１５０ｍｍの範囲内の直径を有してよく、円形形状であってよいが、多角形および長円を含めた他の形状も同様に本開示の範囲内である。ガス出口１６８は、およそ０．２〜５．０ｍｍの範囲内の直径を各々が有する比較的小さい穴または開口であってよい。ガス出口１６８は、遮蔽プレート１６６の第２の側１６９の上に特定のパターンで分散されることで、遮蔽ガスの層流を形成するのに適切な拡散を実現する。図７Ｂに例示されるパターンは、遮蔽プレート１６６の中心部分から遮蔽プレート１６６の外側部分まで延びる線で配置されたガス出口１６８を示す。他のパターンもまた企図され、その非制限的な例には、同心円および半径方向の線が含まれる。ガス出口１６８はまた、ガス遮蔽プレート１６６の第２の表面１６９にわって実質的に均一に分散されてもよい。ガス入り口１６２およびガス出口１６８のサイズ、数および場所、ならびにガス圧は、所望される層流を提供するために変更されてもよい。ガス遮蔽装置１６０はまた、ネック１６１を取り囲むのに使用することができる水ジャケットなどの冷却機構を含んでもよい。
【００６４】
図２Ａおよび図２Ｂに戻って参照すると、作動パラメータ（例えば揺動パラメータ、レーザ出力、ビーム形状および寸法、速度など）は、レーザ溶接システム１００の構成要素を制御するように構成されたコントローラ１５０によって実施されてよい。例えば、コントローラ１５０は、所望されるパターンで移動する、および／または特定のピーク出力、パルス幅、フルエンスなどでレーザエネルギーを出力する特定のサイズおよび寸法のビームスポット１４２を生成するために、ファイバレーザ１３０およびビーム送達システム１３５を制御してよい。ビームスポット１４２は、端面１１２が第１の平坦な表面１０２に近接して位置決めされる第１の平坦な表面１０２の交差領域１２２（図２Ａを参照）の上に位置決めされる第２の平坦な表面１０４上の標的エリアを照射する。コントローラ１５０はまた、移動ステージ１５５に動作可能に結合され、これは図２Ｂに示される例では、矢印によって指摘されるように、ファイバレーザ１３０およびビーム送達システム１３５のうちの少なくとも一方を少なくとも１つの軸内に移動させるように構成されている。この移動は、ビームスポット１４２を、図２Ｂに示される例では第１の金属基板１０５の長さに沿って誘導させる。
【００６５】
一部の例では、コントローラ１５０は、事前設定された、または所定の動作制御スキームに従って動作するように構成されてよく、他の例では、コントローラ１５０は、１つまたは複数のセンサまたは他の入力源（例えばオペレータ）から取得した情報を用いてフィードフォワード制御スキームまたはフィードバック制御スキームで動作するように構成されてもよく、したがってこのような入力源に動作可能に結合されてよい。コントローラ１５０は、システムの構成要素を制御するのに使用され得るハードウェア（例えば汎用コンピュータ）およびソフトウェアを含む。
【００６６】
図４Ａのレーザ溶接システム１００を参照して、制御システム１５０は、例えば溶接ヘッド１３４内で感知された状態、シーム１０３の検出場所、ならびに／またはレーザビーム１４０の移動および／もしくは位置に応答して、ファイバレーザ１３０を制御し、可動ミラー１３７、１３９および／または移動ステージ１４１、１４３を位置決めするのに使用される。レーザ溶接ヘッド１３４は、熱状態を感知するために、それぞれ第１の可動ミラー１３７および第２の可動ミラー１３９に近接した第１の熱センサ１５２ａおよび第２の熱センサ１５２ｂなどのセンサを含んでよい。制御システム１５０は、可動ミラー１３７、１３９に近接する熱状態を監視するためにデータを受け取るために、センサ１５２ａ、１５２ｂに電気接続される。制御システム１５０は、例えば、レーザを中断する、レーザパラメータ（例えばレーザ出力）を変更する、または任意の他の調節可能なレーザパラメータを調節することによってファイバレーザ１３０を制御してよい。例えば制御システム１５０は、センサ１５２ａ、１５２ｂの一方またはその両方によって感知された熱状態、および高出力レーザによって生じた高温または他の状態をもたらすミラーの動作不良を示すものに応答して、ファイバレーザ１３０を中断させてよい。一部の例では、コントローラは、出力ファイバ１４０がコリメータ１３３から切り離されたとき、安全インターロック状態がトリガされレーザが中断されるように、出力ファイバ１４０とコリメータ１３３との間に構成された安全インターロックをトリガすることによってファイバレーザ１３０を中断させてもよい。インターロック経路１５４はしたがって、出力ファイバ１４０と制御システム１５０との間に延びて制御システム１５０が安全インターロック状態をトリガすることを可能にする。制御システム１５０はまた、例えばシーム１０３の検出場所を表すデータをカメラ／検出器（図示せず）から受け取ることによって溶接作業を監視してもよい。
【００６７】
制御システム１５０はまた、カメラ／検出器からのシーム１０３の検出場所に応答して可動ミラー１３７、１３９の位置決めを制御することで、例えば集光させたビーム１４０の位置を修正して、シーム１０３を見つける、追跡する、および／またはたどる場合もある。
【００６８】
図２Ｃおよび図２Ｄを次に参照すると、第２の平坦な表面１０４の標的エリアがレーザエネルギーで照射されると、変化した結晶構造を含み、２つの基板からの金属材料が合体する融着ゾーン（ＦＺ）と、融着ゾーンに隣接する熱影響ゾーン（ＨＡＺ）とを含む溶接領域１２０が、第１の金属基板１０５および第２の金属基板１１０内に形成される。少なくとも１つの実施形態によると、実施例で以下にさらに記載されるように、溶接領域の断面は均一な硬さを有する。溶接領域１２０は、二重隅肉溶接部を含み、ここでは、隅肉溶接部１１５ａおよび１１５ｂは、第１の金属基板１０５と第２の金属基板１１０との間に各々の角エリア１２４ａおよび１２５ｂ内にそれぞれ形成される。隅肉溶接部１１５ａおよび１１５ｂは、図２Ｄの顕微鏡写真に指摘されるようになめらかな輪郭を有する溶接面１１６ａおよび１１６ｂをそれぞれ有する。溶接面におけるなめらかな輪郭は、溶接面に平らでない、もしくは「ぎざぎざになった」もしくは「きめの粗い」外観および／またはへこみを有する溶接面を有する溶接部と比べて、より大きな構造的完全性を有する溶接部を示している。図２Ｄに指摘されるように、溶接領域１２０は、第１の金属基板１０５の厚みおよび第２の金属基板１１０の厚みの中を通って延びてよい。一部の例では、溶接領域の融着ゾーンは、第１の金属基板１０５および第２の金属基板１１０の厚みの中を通って延びてよい。フランジとリブとの間の境界面はそれ故、完全に使われる。溶接領域１２０はまた、低い多孔性および低粒度構造を有してよい。照射はまた、第１の金属基板１０５の第２の平坦な表面１０４内にアンダーカット１１８を形成する。少なくとも１つの実施形態によると、溶接領域の多孔性は、ＳＡＥ航空宇宙材料仕様ＡＭＳ−ＳＴＤ−２２１９およびＡＭＳ−ＳＴＤ−１５９５を含む、１つまたは複数の航空宇宙基準に記載されるＡ、Ｂ、またはＣクラス必要条件に従う。
【００６９】
開示される溶接プロセスはまた、上記で明白には考察されない他のステップおよび行為も含んでよい。例えば金属基板は、照射前および／または照射後に清掃されてもよく、溶接の後、金属基板は、当分野で知られる熱処理プロセスを受ける場合もある。
【００７０】
（実施例）
本明細書に開示されるシステムおよび技術の実施形態の機能および利点は、以下に記載される実施例を基にしてより完全に理解され得る。以下の実施例は、開示されるレーザ溶接システムおよびプロセスの種々の態様を例示することが意図されているが、その完全な範囲を完全に例証することは意図されていない。
【００７１】
以下の実施例は、（３００ｍｍｘ２５ｍｍｘ１．６ｍｍ）の寸法（ＬｘＷｘＨ）を有するチタン合金（グレード５）である金属基板を使用して、図２Ａおよび図２Ｂに描かれるものと同様の構成を使用して実行された。使用されたファイバレーザは、１５，０００ワットの出力パワーを有するＩＰＧ  Ｆｉｂｅｒ  ｌａｓｅｒ  ＹＬＳ  １５０００  （ＩＰＧ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｉｎｃ．、マサチューセッツ州、オックスフォード）であった。ビーム送達システムは、ＩＰＧ  ＦＬＷ−Ｄ５０−Ｗ揺動ヘッド（これもまたＩＰＧ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓから入手可能である）を使用して実装された。
【００７２】
（実施例１）−揺動（レーザ移動パターン）の実施
制御は、レーザ出力が４５００Ｗであり、溶接速度が１５０ｍｍ／ｓであるプロセスパラメータを使用して、揺動パターンを使用せずに実行された。溶接を達成するのに、第１の金属基板の第２の平坦な表面を横切る３つの経路が必要とされ、金属基板の断面の顕微鏡写真が図８Ａに示される。結果は、ＦＺ領域に隣接する大きな別個のＨＡＺ領域、およびＦＺ領域における不均質な外観を示す。溶接面もまた、対称ではなく、不揃いな形状である。
【００７３】
揺動パターンを使用する比較テストが以下のプロセスで実行された。
レーザ出力：２１００Ｗ
速度：２０ｍｍ／ｓ
デフォーカシング：＋１０ｍｍ（第２の平坦な表面より上）
揺動パターン：八の字
揺動周波数：６０Ｈｚ
揺動振幅数：２０ｍｍ
【００７４】
図８Ｂの顕微鏡写真に示される断面を獲得するには単一の通路しか必要とされず、第１の金属基板および第２の金属基板の厚みの中を通って延びるＦＺ、および図８Ａと比べてＦＺに隣接する小さいＨＡＺエリアを示す。ＦＺはまた、均質に見え、溶接面は、図８Ａで形成される隅肉よりもより対称的であり、よりなめらかである。アンダーカットは、０．４１０ｍｍの最大深さであった。
【００７５】
（実施例２）−硬さの結果
図８Ｂを参照して上記で考察した設定を使用して獲得されたサンプルは硬さについてテストされた。溶接領域とベース材料の両方の断面に及ぶ３つの異なるライン（各データポイントの間の距離は、１００〜２００ミクロンであった）に沿った微細硬度プロファイルが、ＤｕｒａＳｃａｎ  ７０微細硬度テスト装置（Ｅｍｃｏ−Ｔｅｓｔ  Ｐｒｕｆｍａｓｃｈｉｎｅｎ  ＧｍｂＨより入手可能）を使用して獲得された。図９Ａは、サンプルの断面および３つのラインの配置の顕微鏡写真を示し、図９Ｂ〜図９Ｄは、各ラインに関して、ビッカース硬さ（ＨＶ）のユニット内での各ラインに関する硬さプロファイルを示す。例えば、硬さの値の範囲は５０ＨＶを超えず、絶対値は、４００ＨＶを超えなかった。結果は、溶接領域のみにわたるのでなく、ベース金属（ＢＭ）と溶接領域の両方のエリアにわたる均一な硬さを示している。例えば汚染の形跡は、このようなグラフにスパイクを生じさせ、これは、酸化を示すものである。
【００７６】
（実施例３）−微細構造テスト
ベース金属および溶接領域の微細構造が、図８Ｂを参照して上記で考察した設定を使用して獲得されたサンプルに対して検査された。結果は図１０に示され、検査された領域の異なる拡大図が、図面でラベル表示されている。結果は、ＦＺが、およそ０．４ｍｍの小さな一次結晶粒度と、数ミクロンのこれより大きな二次粒度を有して均質であることを確認した。ＨＡＺもまた小さく、融着ゾーンに浸透することはなかった。
【００７７】
（実施例４）−揺動最適化テスト１
特定のプロセスパラメータを調節することで、溶接部形成のルート領域上の「スパッター」の形跡を減少させるかどうかを見るためにテストが行われた。図１１Ａおよび図１１Ｂは、以下のＴａｂｌｅ  １（表１）に列挙されたプロセスパラメータを使用して獲得された。
【００７８】
【表１】
2021534977.tif 000003
【００７９】
結果は、低下した揺動振幅数と組み合わせてレーザ出力および速度を低下させると、スパッターが少なくなることを示した。
【００８０】
（実施例５）−揺動最適化テスト２
特定のプロセスパラメータを調節することで、溶接面を含む隅肉の形状が改善するかどうかを見るためにテストが行われた。図１２Ａおよび図１２Ｂは、以下のＴａｂｌｅ  ２（表２）に列挙されたプロセスパラメータを使用して獲得された。
【００８１】
【表２】
2021534977.tif 000004
【００８２】
結果は、揺動周波数を低下させ、揺動振幅数を上げることで隅肉の形状が改善されることを示した。例えば、図１２Ａの隅肉面は図１２Ｂの隅肉面よりもなめらかではない。
【００８３】
（実施例６）−揺動最適化テスト３
図５Ｂを参照すると、揺動パターンに関する異なるオフセット（揺動パターンの中心点と中心線１２７との間）が溶接の品質にどのように影響を与えるかを見るためにテストされた。４つの異なるオフセット（０ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍおよび０．７ｍｍ）が調べられた。結果の顕微鏡写真が図１３Ａ〜図１３Ｄに示される。最も「対称的な」結果は、オフセットが０ｍｍ（すなわちパターンの中心点が中心線１２７と一致する）である場合に獲得され、０．３ｍｍ（およびそれを超える）オフセットは、隅肉の形状およびサイズの両方において非対称を示す。例えば０．７ｍｍのオフセットで形成された溶接部は、片側に隅肉を形成せず、０．３ｍｍのオフセットは、溶接部に不規則な輪郭を与えた。
【００８４】
（実施例７）−Ｉビーム製作
Ｉビームが、３つの金属基板がＴ字継手の各フランジに関して２つの別個の単一の通過ステップを使用する、本明細書に記載される裏側表面溶接プロセスを使用して製作された。レーザ出力は、１２００Ｗであり、溶接速度は７ｍｍ／ｓであり、結果の写真は図１４Ａ〜図１４Ｃに示され、図１４Ａは、上部斜視図であり、図１４Ｂは、側部斜視図であり、図１４Ｃは、断面図である。
【００８５】
他の幾何学構成
図１５Ａ〜図１５Ｃは、本明細書に記載されるシステムおよびプロセスを使用して一緒に溶接され得る金属基板に関する３つの他の構成（重ね継手、角継手およびフレアベベル継手）を示しており、矢印は、レーザビームエネルギーのための標的エリアとして機能する裏側表面を示している。加えて、図２Ｂおよび図１４Ａに示されるものなど直線または線形溶接以外に、溶接部の円形または他のタイプの形状も、開示されるシステムおよび方法と共に可能である。例えば、図１６Ａ〜図１６Ｃは、熱交換器の一部として金属のバッフル構造に溶接された金属管構造の写真である。図１６Ａは、３つの管状構造の各端部に溶接された２つのバッフルを含む構造全体の上部斜視図である。図１６Ｂは、図の中の溶接部のアンダーカット領域と共に構造の上部の拡大図を示し、図１６Ｃは、図の中の溶接面と共に構造体の底部の拡大図を示す。写真から見ることができるように、溶接面は、なめらかな輪郭を有する。
【００８６】
図１７Ａ〜図１７Ｄは、円形溶接部の別の例を示す溶接された金属基板の写真である。この例では、金属プレートは、０．０６インチの厚さを有する金属の管状構造に溶接され（後者はリブを形成する）、プレートの３つの異なる厚さ、０．０６インチ、０．０９インチおよび０．１２５インチがテストされた。図１７Ｂおよび図１７Ｃは、基板の一方からの円形溶接部のアンダーカット領域の図を示しており、図１７Ｄは、溶接面の図を示しており、この面はなめらかな輪郭を有する。各プレートの厚さに関する溶接部は、なめらかな輪郭を有する溶接面を備えた同様の高品質であった。
【００８７】
加えて、システムは、特定の角度にある、および／または傾けられる（すなわち第１の金属基板および第２の金属基板が特定の角度で構成される）溶接を実行するように構成されてよい。例えば第１の金属基板および第２の金属基板は、≦２０度もしくは≦３０度の下向きの角度で、および／または≦２０度で傾けられて構成されてよい。
【００８８】
本発明に従って本明細書に開示される態様は、その用途が、以下の記載または例示される添付の図面に記載される構成要素の構造および配置の詳細に制限されるものではない。このような態様は、他の実施形態を想定することが可能であり、様々な方法で実施される、または実行されることが可能である。特有の実装形態の例は、単なる例示の目的で本明細書に提供されており、制限することは意図されていない。特に、任意の１つまたは複数の実施形態と関連して考察された行為、構成要素、要素および機構は、任意の他の実施形態における同様の役割から除外されることは意図されていない。
【００８９】
また本明細書で使用される表現法および専門用語は、説明の目的であり、限定とみなすべきではない。単数で言及される本明細書のシステムおよび方法の実施例、実施形態、構成要素、要素または行為に対する任意の言及は、複数を含む実施形態を包含してよく、本明細書の実施形態、構成要素、要素または行為に対する複数での任意の言及もまた、１つのみを含む実施形態を包含してよい。単数形または複数形での言及は、目下開示されるシステムまたは方法を、その構成要素、行為または要素に限定することは意図されていない。「含む」、「備える」、「有する」、「収容する」、「包含する」およびその変形形態の本明細書での使用は、その後に列挙される項目およびその等価物ならびに追加の項目を網羅することを意味する。「または」に対する言及は、「または」を使用して記載される任意の用語が、記載される用語のうちの１つ、２つ以上、およびその全てのうちのいずれかを指す場合があるように包括的であるように解釈されてよい。加えて、この文書と、参照により本明細書に組み込まれる引例との間で用語の使用が一致しない場合には、組み込まれた参考文献での用語の使用は、両立しない矛盾に関しては本文書のものに対する補足であり、本文書における用語の使用が管理している。
【００９０】
少なくとも１つの実施例のこのように記載されるいくつかの態様を有することは、種々の変更、修正および改良を当業者が容易に思いつくことになることを理解されたい。例えば本明細書に開示される実施例はまた、他の文脈で使用される場合もある。そのような変更、修正および改良は、この開示の一部であることが意図されており、本明細書で考察される実施例の範囲内にあることが意図されている。したがって上述の記載および図面は、単なる一例である。
【符号の説明】
【００９１】
２、４  直交する軸
１２、１３、１４  モジュール
１００  レーザ溶接システム
１０１  溶接ビード
１０２  第１の平坦な表面
１０３  シーム
１０４  第２の平坦な表面
１０５  第１の金属基板
１０６  第１の金属基板の厚さ
１１０  第２の金属基板
１１２  端面
１１５ａ、ｂ  隅肉溶接部
１１６ａ、ｂ  溶接面
１１８  アンダーカット
１２０  溶接領域
１２２  交差領域
１２４ａ、ｂ  角エリア
１２６  基準線
１２７  中心線
１２８  ギャップ
１３０  ファイバレーザ
１３１  工作物
１３２  送達ファイバ
１３２ａ  コネクタ
１３３  コリメータ
１３４  溶接ヘッド
１３５  ビーム送達システム
１３６  平行ビーム
１３７、１３９  可動ミラー
１３８  固定ミラー
１４０  出力レーザビーム
１４１  移動ステージ
１４２  ビームスポット
１４３  移動ステージ
１４４  焦点レンズ
１４５  支持構造体
１４６  保護窓
１４７ａ、ｂ  可動ミラーの軸
１４８  ガス源
１４９  ガス分配管
１５０  コントローラ、制御システム
１５２ａ、ｂ  熱センサ
１５４  インターロック経路
１５５  移動ステージ
１６０  ガス遮蔽装置
１６１  ネック
１６２  ガス入り口
１６３  第１の端部
１６４  中心孔
１６５  第２の端部
１６６  ガス遮蔽プレート
１６７  第１の表面
１６８  ガス出口
１６９  第２の表面
１７０  ガス拡散領域
１７１  遮蔽ガス
α  走査角度
θ  入射角
【図１】
2021534977.tif 000005
【図２Ａ】
2021534977.tif 000006
【図２Ｂ】
2021534977.tif 000007
【図２Ｃ】
2021534977.tif 000008
【図２Ｄ】
2021534977.tif 000009
【図３Ａ】
2021534977.tif 000010
【図３Ｂ】
2021534977.tif 000011
【図３Ｃ】
2021534977.tif 000012
【図３Ｄ】
2021534977.tif 000013
【図３Ｅ】
2021534977.tif 000014
【図４Ａ】
2021534977.tif 000015
【図４Ｂ】
2021534977.tif 000016
【図５Ａ】
2021534977.tif 000017
【図５Ｂ】
2021534977.tif 000018
【図６】
2021534977.tif 000019
【図７Ａ】
2021534977.tif 000020
【図７Ｂ】
2021534977.tif 000021
【図７Ｃ】
2021534977.tif 000022
【図８Ａ】
2021534977.tif 000023
【図８Ｂ】
2021534977.tif 000024
【図９Ａ】
2021534977.tif 000025
【図９Ｂ】
2021534977.tif 000026
【図９Ｃ】
2021534977.tif 000027
【図９Ｄ】
2021534977.tif 000028
【図１０】
2021534977.tif 000029
【図１１Ａ】
2021534977.tif 000030
【図１１Ｂ】
2021534977.tif 000031
【図１２Ａ】
2021534977.tif 000032
【図１２Ｂ】
2021534977.tif 000033
【図１３】
2021534977.tif 000034
【図１４Ａ】
2021534977.tif 000035
【図１４Ｂ】
2021534977.tif 000036
【図１４Ｃ】
2021534977.tif 000037
【図１５Ａ】
2021534977.tif 000038
【図１５Ｂ】
2021534977.tif 000039
【図１５Ｃ】
2021534977.tif 000040
【図１６】
2021534977.tif 000041
【図１７】
2021534977.tif 000042
【国際調査報告】
2021534977.tif 000043