(57)【要約】      （修正有）【課題】溶接溶込みを深くするレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】第１レーザビームＦＬ１と第２レーザビームＦＬ２が使用され、前記第１レーザビームＦＬ１は少なくとも１つの溶接すべき被加工物に打ち当て、かつキーホール開口を有するキーホール型キャピラリーＫＨを作るために焦点を合わせ、前記第２レーザビームＦＬ２は前記第１レーザビームＦＬ１によって作られたキーホールＫＨ開口に焦点を合わせる。レーザビームＦＬ１，ＦＬ２の衝撃点で溶接すべき被加工物の金属が溶融することによって、前記被加工物は漸進的に溶接され、少なくとも１つの金属被加工物、好ましくは２つの金属被加工物が溶接される。また前記第１レーザビームＦＬ１の溶込み深さ（ｘ）は、前記第２レーザビームＦＬ２の溶込み深さ（ｙ）より大きい。【選択図】図２
2008126315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）第１レーザビーム（ＦＬ１）が使用され、前記第１レーザビーム（ＦＬ１）は少なくとも１つの溶接すべき被加工物に打ち当て、かつキーホール開口を有するキーホール型キャピラリー（ＫＨ）を作るために焦点を合わせる；
ｂ）第２レーザビーム（ＦＬ２）が用いられ、前記第２レーザビーム（ＦＬ２）は前記第１レーザビーム（ＦＬ１）によって作られたキーホール（ＫＨ）開口に焦点を合わせる；
ｃ）前記被加工物は溶接すべき被加工物の持つレーザビーム（ＦＬ１，ＦＬ２）の衝撃点で溶接すべき被加工物の金属を溶融することによって漸進的に溶接する、
レーザビーム（ＦＬ１，ＦＬ２）を用いて少なくとも１つの被加工物を溶接する溶接方法であって、
前記第１レーザビーム（ＦＬ１）の溶込み深さ（ｘ）および前記第２レーザビーム（ＦＬ２）の溶込み深さ（ｙ）は、ｙ＞ｘ、ここでｘは前記第１レーザビーム（ＦＬ１）によって作られる前記キーホールの深さである、とすることを特徴とする方法。
【請求項２】
２つの金属被加工物は、共に溶接されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第２レーザビーム（ＦＬ２）の焦点距離（ｆ２）および前記第１レーザビーム（ＦＬ１）の焦点距離（ｆ１）は、ｆ２＞ｆ１、好ましくはｆ２＝ｆ１＋ｘ、ここでｘは前記第１レーザビーム（ＦＬ１）で得られる前記キーホールの深さである、とすることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記レーザビーム（ＦＬ１，ＦＬ２）は、前記２つのビーム（ＦＬ１，ＦＬ２）に分ける主ビームまたは同波長もしくは異なる波長の２つの分離レーザビームから得られることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の方法。
【請求項５】
第１ガス流は開口を保持するために前記第１レーザビームによって作られる蒸発キャピラリーの開口に動的、好ましくは連続、一定のガス圧を作るために用いられ、かつ第２シールドガスはさらに使用し、これは前記第１ガス流に対して周辺に分散させることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の方法。
【請求項６】
前記第１ガスの流量は、約５〜３０Ｌ／分、好ましくは約１０〜２０Ｌ／分であり、前記第２ガスの流量は約１５〜４０Ｌ／分、好ましくは２０〜３０Ｌ／分であることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の方法。
【請求項７】
前記第１ガス流を送り出すノズルは、前記キーホールに直接向けられることを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の方法。
【請求項８】
前記第１、第２のガスは、アルゴン、ヘリウム、窒素およびそれらの混合物から選ばれ、ことによると小さい比率のＣＯ2，酸素または水素から選ばれることを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の方法。
【請求項９】
前記レーザビームは、Ｎｄ：ＹＡＧ，ダイオード、イットリビウムドープファイバーまたはＣＯ2レーザ型のレーザ発生器によって発生されることを特徴とする請求項１〜８いずれか記載の方法。
【請求項１０】
溶接すべき金属被加工物は被覆もしくは被覆されない炭素鋼、アルミニウムまたはステンレス鋼から作られることを特徴とする請求項１〜９いずれか記載の方法。
【請求項１１】
前記第２レーザビーム（ＦＬ２）から前記第１レーザビーム（ＦＬ１）に隔てる間隔ｗは、ａ＜ｗ＜ｂ，ここでａはキーホール開口の幅、ｂはキーホール底の幅である、とすることを特徴とする請求項１〜１０いずれか記載の方法。
【請求項１２】
前記第１レーザビーム（ＦＬ１）および前記第２レーザビーム（ＦＬ２）の中心を通過する直線（Ｄ）は、溶接方向（矢印Ｆ）に平行であるか、または前記溶接方向（矢印Ｆ）に対して１と６０°の間の角度をなすことを特徴とする請求項１〜１１いずれか記載の方法。
【請求項１３】
電気アークは、キーホールおよび溶接池を拡大しかつ安定化にするように前記キーホールに発生することを特徴とする請求項１〜１２いずれか記載の方法。
【請求項１４】
前記第１ガスを送り出す前記ノズルは、前記第２ガスを送り出すノズルより小さなガス流出面積を有することを特徴とする請求項１〜１３いずれか記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、増大した溶接溶込みを伴うレーザ溶接方法に関する。
【発明の開示】
【０００２】
典型的におおよそ１５または２０ｍｍまでの溶込みを持つと称される、深い溶込みレーザ溶接において、前記レーザビームは専用デバイス、例えばレンズ、ミラー、光学ファイバーまたはそれらの組合せによって加工域に焦点を合わせる。衝撃域のエネルギー密度は、蒸発キャピラリーまたはキーホールの少なくとも形成および維持を保証するために十分でなければならない。
【０００３】
これは、レーザビームに伴う溶接がビームの衝撃箇所での材料溶融および蒸発化に依拠するためである。
【０００４】
少なくとも数ＭＷ／ｃｍ2と呼ばれる、十分に高い特有の電力密度にとって、金属蒸発で充填されたキャピラリーまたはキーホールを材料に形成し、かつ材料の芯に直接のエネルギー転移をなす。
【０００５】
キャピラリー壁は、溶融金属から形成され、かつ内部蒸発で確立される衝撃均衡のおかげで維持され、それによって溶接池のコアで開口の種類または中心空洞を形成する。動きに依存して、溶融金属は溶融金属から形成される“溶接池”を背面後半に形成するためにキャピラリーを迂回する。
【０００６】
前記キーホールの開口または空洞の寸法は、前記材料の表面に焦点が合わされたレーザスポットに依存する。
【０００７】
いくつかの方法および装置は、溶接性状を改良し、かつ溶接欠陥を減少するために用いられている。例えば自動レーザ溶接、ビーム形状（長円形のスポット、二重スポットまたは多重スポット等を形成するため）、前記キーホールの開口への衝撃ガス圧力の適用、特別のガス送出ノズルの使用、または他にレーザ／アーク混成溶接を得るためのＴＩＧ，ＭＩＧ／ＭＡＧまたはプラズマのような追加的エネルギー源の使用をなすことを言及するかもしれない。
【０００８】
これらの種々の装置または方法は、キーホール開口の形状を改良し、それをある程度安定化することができる。
【０００９】
これは、溶接すべき被加工物の表面に打ち当てるレーザビームより大きくなる、キーホール寸法の増加を恒例的にもたらす。
【００１０】
したがって、ビーム形状が制御される（長円形のスポット、二重スポット等）場合、キーホール開口の寸法はレーザビームの特有形状断面によって決定されるのに対し、振動ビーム、または支援ガスもしくは追加電力源の使用を伴う自動レーザ溶接において、自動レーザ溶接からもたらされるキーホール空洞の寸法はそのビームより大きくなる。
【００１１】
同様な観測は、キーホールの幅がキーホール前面の傾斜角度およびこの前面からのビーム反射によって決定される高速溶接でなされている。
【００１２】
全てのこれらの方法は、キーホールおよび溶接池の面積を増大させるが、溶接深さが減少されることを時々もたらしたとしても、レーザ溶接溶込み深さを増大させない。
【００１３】
さらに、文献ＵＳ−Ａ−６，６０８，２７８は、２つのレーザビームが用いられ、これらが単一キーホールを得るように溶接すべき結合の平面に順次、次々と、焦点を合わせるレーザ溶接方法を述べている。この方法は、被覆部品、特に亜鉛被覆部品を溶接するときの、溶接に被覆材料の取り込みに限って溶接品質を改良を助長する。文献ＪＰ−Ａ−６０２４０３９５は、ＵＳ−Ａ−６，６０８，２７８によって述べられたのと同様なレーザ溶接方法を教示している。
【００１４】
文献ＥＰ−Ａ−１  ４９１  ２７９は、レーザビームが高結合品質を得るように溶接結合に対して共軸および／または垂直な面で焦点を合わせるいくつかの補助ビームに分けられるレーザ溶接方法を述べている。
【００１５】
文献ＤＥ−Ａ−１９  ９０２  ９０９は、レーザビームが結合面および／または前記結合面のいずれか一方の側面に焦点を合わせるいくつかの補助ビームに分けられるレーザ溶接方法に関する。
【００１６】
さらに、レーザアーク混成溶接に関する文献ＤＥ−Ａ−１０  １１３  ４７１およびＥＰ−Ａ−１  ３５０  ５９０で言及するかもしれない。
【００１７】
したがって、生じる１つの問題は溶接溶込みを深くするように存在するレーザ溶接方法をどのように改良するかである。
【００１８】
この問題の１つの解決は、それゆえ、
ａ）第１レーザビームが使用され、前記第１レーザビームは少なくとも１つの溶接すべき被加工物に打ち当て、かつキーホール開口を有するキーホール型キャピラリーを作るために焦点を合わせる；
ｂ）第２レーザビームが用いられ、前記第２レーザビームは前記第１レーザビームによって作られたキーホール開口に焦点を合わせる；
ｃ）前記被加工物は溶接すべき被加工物の持つレーザビームの衝撃点で溶接すべき被加工物の金属を溶融することによって漸進的に溶接する、かつ
前記第１レーザビームの溶込み深さ（ｘ）および前記第２レーザビームの溶込み深さ（ｙ）は、ｙ＞ｘ、ここでｘは前記第１レーザビームによって作られる前記キーホールの深さである、とする、
少なくとも１つの金属被加工物を溶接する、好ましくは２つの金属被加工物を共に溶接するためにレーザビームを用いる溶接方法である。
【００１９】
場合によって、本発明の方法は１つまたはそれ以上の次の形態を含む：
−  前記第１レーザビームは前記第２レーザビームから分離される；
−  前記第２レーザビームの焦点距離（ｆ２）および前記第１レーザビームの焦点距離（ｆ１）は、ｆ２＞ｆ１、好ましくはｆ２＝ｆ１＋ｘ、ここでｘは前記第１レーザビーム（ＦＬ１）で得られる前記キーホールの深さである、とする；
−  前記レーザビームは、前記２つのビームに分ける主ビームまたは同波長もしくは異なる波長の２つの分離レーザビームから得られる；
−  第１ガス流は開口を保持するために前記第１レーザビームによって作られる蒸発キャピラリーの開口に動的、好ましくは連続、一定のガス圧を作るために用いられ、かつ第２シールドガスはさらに使用し、これは前記第１ガス流に対して周辺に分散させる；
−  前記第１ガスの流量は、約５〜３０Ｌ／分、好ましくは約１０〜２０Ｌ／分であり、前記第２ガスの流量は約１５〜４０Ｌ／分、好ましくは２０〜３０Ｌ／分である；
−  前記第１ガス流を送り出すノズルは、前記キーホールに直接向けられ、−キーホール、または前記キーホールの前もしくは後ろに配置されるその他にほぼ共軸であってもよい。
【００２０】
−  前記第１、第２のガスは、アルゴン、ヘリウム、窒素およびそれらの混合物から選ばれ、ことによると小さい比率のＣＯ2，酸素または水素から選ばれる；
−  前記レーザビームは、Ｎｄ：ＹＡＧ，ダイオード、イットリビウムドープファイバーまたはＣＯ2レーザ型のレーザ発生器によって発生される；
−  溶接すべき金属被加工物は被覆もしくは被覆されない炭素鋼、アルミニウムまたはステンレス鋼から作られる；
−  前記第２レーザビームから前記第１レーザビームに隔てる間隔ｗは、ａ＜ｗ＜ｂ，ここでａはキーホール開口の幅、ｂはキーホール底の幅である、とする；
−  前記第１レーザビームおよび前記第２レーザビームの中心を通過する直線は、溶接方向に平行であるか、または前記溶接方向に対して１と６０°の間、好ましくは１°と４５°の間の角度をなす；
−  電気アークは、キーホールを拡大しかつ安定化にするように前記キーホールに発生する；および
−  前記第１ガスを送り出す前記ノズルは、前記第２ガスを送り出すノズルより小さなガス流出面積を有する。
【００２１】
本発明は、最後に追加される図面を参照して次の説明のためより明確に理解できであろう。
【００２２】
より明確には、図１は単一レーザビームＦＬが用いられる従来に係るレーザ溶接方法を概略的に示し、そのレーザビームは溶接すべき材料に衝突しかつ溶融し、そこにキーホールＫＨを形成する。
【００２３】
前述のように、キーホールレーザ溶接において空洞または開口は溶融金属に作られ、金属はこの空洞ＫＨの前部ＡＶでビームによる漸進的に溶融される。レーザビームは、溶接すべき被加工物に相対的に移動する（矢印Ｆの方向）。溶融金属は、前記キーホールＫＨの後部ＡＲに押出され、溶接結合ＪＳを形成するために凝固する。そのような方法に伴って、キーホールＫＨの開口は問題となる被加工物の上面でレーザビームＦＬの断面にほぼ等しくなる。さらに、ビームの溶込み深さｘは制限され、かつキーホール底の幅ｂは一般的に前記キーホール開口の幅ａと等しいか、小さくなる。したがって、これらの条件の下でのレーザ溶接の場合、溶込みは常に距離ｘに制限される。
【００２４】
図２は、本発明に係るレーザ溶接方法を示す。より明確にはこの場合、方法は一方で、そこに蒸発キャピラリーまたは中心開口ＯＣを持つキーホールＫＨを作るように、溶接すべき被加工物に焦点が合わせる第１レーザビームＦＬ１、および他方で前記第１レーザビームＦＬ１によって作られたキーホールＫＨの中心開口ＯＣに焦点を合わせる第２レーザビームを使用する。
【００２５】
溶接すべき被加工物の漸進的溶接（矢印Ｆによって指示される進行方向）は、それゆえ溶接すべき被加工物上で２つのレーザビームＦＬ１，ＦＬ２の衝撃箇所にて金属溶融により生じる。本発明によれば、第１レーザビームＦＬ１の溶込み深さｘおよび第２レーザビームＦＬ２の溶込み深さｙは、ｙ＞ｘとなる、すなわち第２レーザビームＦＬ２は第１レーザビームＦＬ１より溶接すべき材料により深く貫入する。
【００２６】
換言すれば、ｆ２＞ｆ１となる、好ましくはｆ２＝ｆ１＋ｘとなるよう、焦点距離ｆ２は第２レーザビームＦＬ２で選択され、焦点距離ｆ１は第１レーザビームＦＬ１で選択される。
【００２７】
さらに、２つのビームＦＬ１，ＦＬ２のそれぞれの軸間の間隔ｗは典型的にａとｂの間、すなわちａ≧ｗ≧ｂである。
【００２８】
本発明によれば、第１レーザビームＦＬ１はキーホールを作り、かつ材料に距離ｘで貫入するのに対し、前記キーホールＫＨの中心空洞ＯＣに焦点を合わせられる、第２レーザビームＦＬ２はより大きな距離、すなわちより大きな深さｙを伴って材料を溶融する。
【００２９】
本発明を実施するに当たり、１と２０ｋＷの間の電力を有するレーザデバイスが用いられてもよい。
【００３０】
さらに、本発明をより容易に遂行するに当たり、第１ガスはそこに好ましくはキーホールの開口を拡大することを可能に連続的、均一かつ一定ガス圧力を作用させるようにキーホールの開口に向けて導入してもよい。
【００３１】
第２シールドガス流は、雰囲気不純物による溶接池の汚染を防止する、および／またはＣＯレーザの場合、有害なプラズマ形成を防ぐのを貢献することから、シールドガスで溶接域を覆うように分配することがまた有益であるかもしれない。第１ガスは、第２ガスと同一または異なる組成を有する。
【００３２】
さらに、本発明に係る溶接域の上部視野を拡大する図３の（ａ），（ｂ）に示すように、２つのビームＦＬ１、ＦＬ２の中心は同じ直線Ｄ上に位置し、直線Ｄは矢印Ｆによって指される溶接方向に平行であっても（図３の（ａ）），またはその他非ゼロ角度、例えば溶接方向（矢印Ｆ）に対して１°と４５°の間、すなわち“シフトした”位置にしてもよい（図３の（ｂ））。“シフトした”形態は、いくつかの溶接適用、特に突合せ溶接または重ね溶接での端と端を付けて位置される、異なる厚さを有する被加工物の溶接、或いは重ね溶接または同じ厚さもしくは異なる厚さのいくつかの被加工物の背面溶接のために位置される同じ厚さを有する部品の溶接にとって有益である。
【００３３】
一般に、本発明は効果的に溶接すべく約１〜３０ｍｍ、好ましくは約５〜２０ｍｍの範囲の厚さを持つ被加工物になす。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来のレーザ溶接方法を概略的に示す図。
【図２】本発明を示す図。
【図３】本発明を示す図。
【図１】
2008126315.tif 000003
【図２】
2008126315.tif 000004
【図３】
2008126315.tif 000005