(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上の重なる金属ピースを連結するための手操作可能なレーザー溶接ガンであって、
縦軸に沿って延在する細長い支持柱と、
前記支持柱に沿って軸方向に移動可能な光学ヘッドであって、該光学ヘッドの保護窓を通る経路に沿ってレーザービームを溶接ゾーン上に集光するように構成される光学系を備える光学ヘッドと、
前記保護窓から前記経路の下流に沿って前記支持柱に取付けられている第１アームであって、
定位置と前記第１アームが前記金属ピースの一つを押し付ける溶接位置との間で軸方向に移動するように前記光学ヘッドに結合されて、溶接の間に前記溶接ゾーンの外側にレーザー出射が漏れることを防止するために前記溶接ゾーンを囲み、
上流側の開放端及び下流側の開放端で構成された細長いトンネルであって、前記レーザービームと、加圧ガス状の媒体の軸方向に流れる第１ストリームと、前記第１ストリームの圧力より低く且つ空気渦が形成されるのを防止するように選択される第２圧力で軸方向に流れるガス状の媒体の第２ストリームと、によって軸方向に横断されるように構成された細長いトンネルを画定する内周面により構築された第１アームと、
前記トンネルの下流側の開放端と流体連通すると共に、前記トンネルの前記上流側の開放端と前記下流側の開放端との間に気圧勾配が生成される際に、前記トンネルから前記第１ストリーム及び前記第２ストリームを抽出するように操作可能であり、前記トンネル内の溶接破片が前記第１ストリーム及び前記第２ストリームと共に前記下流側の開放端から抜き出る第１真空源と、
を備える、レーザー溶接ガン。
【請求項２】
前記支持柱に着脱可能に連結された第２静止アームと、
互いに整合されていると共に、前記第１アーム及び前記第２静止アームのそれぞれに着脱可能に取り付けられた第１圧力末端部及び第２圧力末端部と、
を更に備え、
前記第１圧力末端部及び前記第２圧力末端部は、レーザービームを用いた溶接作業の間、予め定められた力で、溶接されるそれぞれの金属ピースを押し付け、
前記第１圧力末端部及び前記第２圧力末端部のそれぞれが、該末端部の接触面より硬い材料から構成されるプレートを有し、前記プレートが、前記接触面に固定されているか前記接触面に着脱自在に取り付けられている、請求項１に記載のレーザー溶接ガン。
【請求項３】
前記第２静止アームが一緒に連結されてＬ字形状を画定する第１構成要素及び第２構成要素で構成されており、
前記第２静止アームの前記第１構成要素が該静止アームを前記支持柱に着脱可能に結合するように構成されたファスナーユニットを備えて前記第１構成要素が前記縦軸に平行に延在する、請求項２に記載のレーザー溶接ガン。
【請求項４】
前記静止アームの前記第２構成要素は、前記静止アームの載置位置で前記縦軸に対して垂直に延在しており、
前記第２構成要素は、中空内部を画定する内側表面で構成される、請求項３に記載のレーザー溶接ガン。
【請求項５】
前記静止アームの前記第２構成要素の自由端と流体連通する真空ユニットを更に備え、
前記真空ユニットは、該真空ユニットから前記溶接破片を除去するのに十分な前記中空内部内の圧力差を生成するように操作可能である、請求項４に記載のレーザー溶接ガン。
【請求項６】
前記静止アームの前記第２構成要素に着脱自在に組み込まれており、溶接される前記金属ピースを通過して伝搬する光ビームを検出するように構成された光検出器を、更に備え、
測定された強度が基準値に合致しない場合には、前記レーザービームのパワーが調整されてシームの品質が向上されるように、反射光の強度が前記基準値に整合される、請求項４に記載のレーザー溶接ガン。
【請求項７】
前記静止アームは、溶接破片を受ける着脱可能な底部を有するように構成されており、前記溶接破片は、前記底部を移動させると該底部から除去される、請求項４に記載のレーザー溶接ガン。
【請求項８】
前記縦軸に移動可能に載置されており、前記縦軸に直交する面内において延在する支持板を更に備え、
前記光学ヘッド及び前記第１アームが前記支持板に載置されており、該支持板から逆の軸方向に延在する、請求項１に記載のレーザー溶接ガン。
【請求項９】
第１アームが、
周面を備え、前記下流側の開放端に向かって先細となっている円錐台形状を有するハウジングと、
前記下流側の開放端に向かって狭くなっており、且つ前記ハウジングの上流領域と軸方向に重なる周囲壁で構成される凹んだフランジと、
前記フランジの凹部に受け取られて前記ハウジング内に軸方向に延在し、前記ハウジングの上流端と重畳するＴ字状の管とで構成されており、
前記管が、前記フランジと共に大きな環状スペースを画定し、かつ、前記ハウジングと共に軸方向の細い通路を画定するようになっており、
前記環状スペースと前記通路とが流体連通され、ガス状の媒体の前記第１ストリームが前記環状スペースに入り、前記ハウジングの下流端に向かって前記通路を通って前記トンネルに更に軸方向に流れ込む、請求項１に記載のレーザー溶接ガン。
【請求項１０】
前記支持柱に沿って前記支持板を移動させるように操作可能な第１アクチュエータと、
シームに所望の長さを提供するように操作可能な第２アクチュエータと、
前記シームに正弦波状を提供するように操作可能であり、且つ前記支持板に移動可能に結合された第３アクチュエータと、
を更に備える、請求項８に記載のレーザー溶接ガン。
【請求項１１】
前記第１アクチュエータは、複数の離間した連続的な位置の中の一つに前記支持板を直線的に移動させるように操作可能であり、
前記複数の離間した連続的な位置は、
前記第１アームが第１距離で前記溶接ゾーンから離間する定位置と、
前記第１アームが前記第１距離より小さな第２距離で前記溶接ゾーンから離間する開位置と、
前記第１アームが前記開位置と前記溶接ゾーンとの間に位置する閉位置と、
前記第１アームが所望の力でワークピースを押し付ける把持位置と、を含む、請求項１０に記載のレーザー溶接ガン。
【請求項１２】
前記第１アクチュエータは、前記開位置と前記閉位置の間における前記支持板の線速度より早い線速度で前記定位置と前記開位置との間に前記支持板を移動させるように操作可能である、請求項１１に記載のレーザー溶接ガン。
【請求項１３】
最高数ｋＷレベルのパワーを有するレーザービームを出射するファイバーレーザーをさらに備える、請求項１に記載のレーザー溶接ガン。
【請求項１４】
前記レーザー溶接ガンのハウジングを外部ガイドに連結する懸架装置を更に備え、
該懸架装置は、前記レーザー溶接ガンが
前記縦軸の周囲を回転するように、
前記縦軸に交差して延在する垂直軸の周囲を回転するように、
前記縦軸及び前記垂直軸に交差して延在する枢支軸に対して傾くように、そして
溶接されるワークピースの方へ線形に移動し、且つワークピースから離れて線形に移動するように操作可能であるように構成されている、請求項１に記載のレーザー溶接ガン。
【請求項１５】
変位可能なアームを有するレーザー手操作可能なガンによって、２つ以上の金属ピースを溶接する方法であって、
前記変位可能なアームの内部表面によって画定されるトンネルを介してレーザー出射をガイドするステップと、
前記トンネルを介して加圧ガス状の媒体の第１ストリームを導くステップであって、前記変位可能なアームが前記ガンの支持柱に移動可能に載置されるステップと、
前記トンネルの上流端及び下流端の間に気圧勾配を生成するステップと、
前記気圧勾配を生成するステップと同時に、前記第１ストリームより低く、且つ前記トンネル内に渦動を引き起こすには不十分である圧力下でガス状の媒体の第２ストリームを前記トンネルにもたらして、前記第１ストリームと平行して前記第２ストリームをガイドするステップであって、前記第１ストリーム及び前記第２ストリームは、下流端を通って出るステップと、
前記変位可能なアームから上流に載置されており、前記変位可能なアームと共に移動可能な光学ヘッドを介して溶接ゾーンにレーザービームを導くステップと、を備え、
前記第１ストリーム及び前記第２ストリームが、前記トンネルを通って前記光学ヘッドへ流れる溶接破片の少なくとも一部を前記トンネルの前記下流端を介して運び出して前記溶接破片と前記光学ヘッドの保護窓との間の衝突を実質的に最小化する、２つ以上の金属ピースを溶接する方法。
【請求項１６】
前記溶接ゾーンにビームを導く前に溶接されるワークピースの方へ前記支持柱に沿って前記変位可能なアームを前進させるステップをさらに有する、請求項１５に記載の２つ以上の金属ピースを溶接する方法。
【請求項１７】
前記変位可能なアームを前進させるステップは、
第１速度で定位置から開位置まで前記溶接ゾーンに向かって前記変位可能なアームをガイドするステップと、
前記第１速度より低い第２速度で前記開位置から閉位置まで前記変位可能なアームを移動させるステップと、
前記変位可能なアームを前記閉位置から圧力末端部がワークピースを促して把持位置まで前進させるステップと、を含む、請求項１６に記載の２つ以上の金属ピースを溶接する方法。
【請求項１８】
前方のワークピース上の前記変位可能なアームの圧力と、前記変位可能なアームの前記把持位置における前記前方のワークピースと前記圧力末端部との間の接触と、を制御するステップを更に備える、請求項１７に記載の２つ以上の金属ピースを溶接する方法。
【請求項１９】
前記前方のワークピースと前記圧力末端部とが接触しない場合、レーザー出射を防止するステップを更に備える、請求項１８に記載の２つ以上の金属ピースを溶接する方法。
【請求項２０】
Ｌ字状の静止アームを前記支持柱に着脱可能に取り付けるステップを更に備え、前記変位可能なアームが支持柱に沿って移動するときそれぞれのアームの圧力末端部が整列配置される、請求項１５に記載の２つ以上の金属ピースを溶接する方法。
【請求項２１】
前記静止アームの前記圧力末端部を通って該静止アームの中空内部に落下する溶接破片を除去するステップを更に備える、請求項２０に記載の２つ以上の金属ピースを溶接する方法。
【請求項２２】
前記溶接破片を除去するステップが、
前記中空内部の中に圧力差を生成するステップを含み、前記溶接破片が前記Ｌ字状の静止アームの自由端を通って、前記中空内部から導かれる、請求項２１に記載の２つ以上の金属ピースを溶接する方法。
【請求項２３】
前記溶接破片を除去するステップが、
前記静止アームの底部を取り出すステップを含み、該底部に蓄積された前記溶接破片に接近する請求項２１に記載の２つ以上の金属ピースを溶接する方法。
【請求項２４】
溶接されるワークピースを通って伝搬するレーザーの出射を検出するステップと、
検出された前記出射のピークパワーを決定するステップと、
検出された前記出射の平均パワーを決定するステップと、
前記ピークパワーと前記平均パワーとの間の比率を計算して、前記比率と基準値とを整合させるステップと、
計算された前記比率に対応してレーザーの出力パワーを変更して、必要に応じて、レーザービームのパワーを調整して溶接点の品質を改善するステップと、を更に備える、請求項１５に記載の２つ以上の金属ピースを溶接する方法。
【請求項２５】
ウォーブリング周波数と前記レーザービームによって製造されるシーム溶接の長さを制御するステップを更に備える、請求項１５に記載の２つ以上の金属ピースを溶接する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示は、シーム溶接点を生成するための手操作可能な溶接ガンの分野に関し、特にファイバーレーザーを備える手操作可能な溶接ガンに関する。特に、丈夫であり、軽量構成からなり、そして改良型のレーザービーム・デリバリーシステム、有効な溶接破片排除システム、及び溶接品質制御システムを有するように構成された手操作可能な溶接ガンに関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接は、幾つかの金属部品又はシート材料を連結して組立体とする組立て方法として共通して使用される。従来の溶接方法は簡単に利用でき、例えば、アーク及び抵抗スポット溶接を含む。かなり最近、レーザー溶接技術が進歩して、従来型の溶接に有利な幾つかの溶接の効果があると判明された。例えば、レーザービームを鋭く集光することによって、金属部品の周囲の部分に導入される熱を少なくし、より速く溶接することができるようになる。
【０００３】
正確に自動化されたレーザー溶接又は正確な手動レーザー溶接は、合成製造材料（ｃｏｍｐｌｅｘ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ｍａｔｅｒｉａｌ）への熱損傷及び熱応力の潜在的危険を除去しながら、高度な精度を有する産業レーザー部品に実行され得る。周知のレーザースポット溶接及びレーザーシーム溶接ガンは、高精密アセンブリ、感圧性密封アセンブリ及び他の独自に設計されたアセンブリを含む。したがって、レーザー溶接機の設計は、単純でなく、後述するように幾つかの構造上の課題を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらの課題のうちの１つは、複雑な幾何学的構造を有するワークピースの溶接を含む。例えば、自動車の胴板は、溶接作業が実行される間に、クランピングシステム（ｃｌａｍｐｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）が胴板を保持するように押し付けられる溶接ステーションへ運搬される。空間的な制約（ｓｐａｃｅ  ｃｏｎｆｉｎｅｓ）が特定のクランピング及び溶接装置の必要な操縦及び適切な機能のための有用な場所を制限するので、溶接される部分の幾つかの構成によっては、その特定のクランピング及び溶接装置を用いることができない。生産性及び効率を最大にするために、幾つか異なる構成のクランピング及び溶接装置が、クランピング及び溶接装置の構成、速度及びコストに応じて溶接ステーション内で利用されなければならない。そのような方法は、減少した効率及び高い経費を伴うことができる。
【０００５】
従って、複数のガンを有する必要性を実質的に取り除く構成を有するコンパクトで、軽量で、且つ丈夫な手操作可能なレーザー装置溶接ガンに対するニーズが存在する。
【０００６】
更なる課題は、溶接のために典型的に使われる、例えばレーザーＣＯ２及びＮｄ：ＹＡＧの構成と関係する。両方のレーザー構成は、人間の目に見えない電磁放射スペクトルのうち赤外線領域において作動する。
【０００７】
Ｎｄ：ＹＡＧは、約１．０６ミクロンの波長で作動する。この波長は、導電材料によって非常によく吸収され、典型的に大部分の金属に対して約２０〜３０パーセントの反射率を有する。一方、ＣＯ２レーザーの遠赤外線（１０．６ミクロン）の出力波長は、大部分の金属に対して約８０パーセント〜９０パーセントの初期反射率を有するが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーでの最高出力より非常に大きい１０，０００ワットを容易に供給できる。
【０００８】
上述したレーザー・タイプの両方ともに、かなりの物理的寸法によって特徴づけられる。例えば、Ｃ０２システムは、必要とされる高パワーを達成するために平均的には一室を占める場合がある。これらのレーザー・タイプ間の他の共通性は、低いウォールプラグ効率（ｗａｌｌ  ｐｌｕｇ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）、すなわち、光出力への電力からの低いエネルギー変換率である。
【０００９】
従って、コンパクトで且つ効率的な構造を有するレーザー構成を有する、手操作可能なレーザー溶接ガンに対する他のニーズが存在する。
【００１０】
周知のロボット的に作動されるファイバーレーザー溶接機に起因する更なる別の課題は、ヘッドに収容される光学系に致命的に打撃を与えることができる溶接ゾーンからの破片による光学ヘッドの保護窓に対する衝撃に関する。この課題に克服するために、空気の加圧ジェットは、高速度で、チャネルの縦軸に交差して、レーザーヘッドから光ガイドチャネルの下流に注入される。そのジェットが光伝搬にある角度をもって注入されるので、それはクロスジェットとして知られている。
【００１１】
しかし、クロスジェットも、幾つかの問題点を有する。第１に、  高速度のため、クロスジェットクロスジェットは、チャネルの中で渦を形成する。次に、渦は、中央チャネルゾーンとチャネル周辺部との間に気圧勾配を形成する。中央ゾーンにおいて低圧力を有するので、溶接破片は、このゾーンに沿って蓄積されて、比較的容易に保護窓に損害を与える。しかし、クロスジェットの更なる望ましくない結果は、気圧勾配がレーザービームに悪影響を及ぼすということである。また、クロスジェットは、高い雑音レベルが付随する。
【００１２】
従って、上述した課題を解決するためのレーザーヘッド保護システム対する更なるニーズが存在する。
【００１３】
更なる別の課題は、溶接ゾーンの周囲、特に２つのアームのクランピング構造を有する周知の溶接システムの支持アーム内の溶接破片の蓄積から生じる。破片蓄積は、溶接点の品質に有害であり、更に溶溶接機のアームに損傷を与える。
【００１４】
その結果、溶接ゾーンから溶接破片を除去するシステムで構成されるレーザー・ベースの手操作可能な溶接ガンに対する更なるニーズが存在する。
【００１５】
更なる課題は、溶接点の品質の制御欠如に起因する。しかし、溶接点の品質は溶接プロセスで最も重要なパラメータとまではいかないが、重要なパラメータの一つである。
【００１６】
したがって、溶接点の品質に基づいてレーザー出力を自動的に調節するためのシステムを有するように構成される手操作可能な溶接レーザーガンに対する更なるニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
構造的に、開示された手操作可能なレーザー溶接ガンは、大きいサイズのベアリング２４に嵌入されて、プーリーアセンブリの組合せによって、外部ガイド上に中刷りされる。その結果、溶接ガンはその縦軸周囲を回転するように、溶接されるワークピースへ線形に移動するように、その縦軸に対して垂直に延在する垂直軸周囲を回転するように、その縦軸及びその垂直軸に交差して延在する枢支軸に対して傾くように、操作可能である。開示されたガンは、上述したニーズの全てに対処する構造的な構成要素及びこれらの構成要素の異なる組合せにより構成される。特徴の幾らかは、他に加えてすぐ下において簡単に開示されており、本出願の明細書中に詳細に更に説明される。
【００１８】
クロスジェット課題に対処する特徴の一つは、加圧空気ストリームの光ガイドチャネル内への導入である。その加圧されたストリームは、その縦軸と平行する光ガイドチャネルに圧入される。以下において、「オーバージェット」と称される、そのような運搬（ｄｅｌｉｖｅｒｙ）技術によって、中心ゾーンと周辺ゾーンとの間に気圧勾配が事実上無くなる。その結果、光学ヘッドの保護窓に向かって流れる小さい粒子又は破片は、第１ストリームによって、効果的に返される。第１ストリームは、ビーム品質に影響を及ぼすことなく、保護窓の寿命を延長する。さらに、クロスジェット構造に関連する高いレベルのノイズは、開示されたオーバージェット構成を用いてかなり減らされる。
【００１９】
他の特徴によれば、オーバージェットに加えて、トンネルは、比較的大きな溶接破片を除去すると共にオーバージェットと平行して流れる空気の第２ストリームにより横断される。トンネル内に負圧を生成するポンプは、オーバージェットと平行してトンネルの上流側の端に、遅い速度で大量の周囲空気を導く。トンネルから両方のストリームを除去するアウトレットが溶接ゾーンの近くに位置するので、そのストリームはアウトレットを介して異なる大きさの溶接破片を運び出す。
【００２０】
他の特徴は、ガンに導かれるレーザービームを出射する高パワーのファイバーレーザー源である。出力保護窓によって保護されるビーム集光光学系を有する光学ヘッドは、そのガンに載置されて溶接されるワークピース上に更に集光されるレーザービームを受ける。好ましくは、ファイバーレーザーは、約５００ミクロンのビームスポットを有するｋＷレベルのマルチモードビームを出力するために利用される。代替的に、必要に応じて、レーザー源は、実質的に単一モードのビームを出射するように構成されることができる。
【００２１】
他の特徴によれば、ガンは、該ガンの縦軸に沿って延在する中央支持柱を有するように構成される。様々なアセンブリは、中央支持柱に載置され、これらのアセンブリによって発生する負荷を中央支持柱が受ける運動的に閉回路を画定する。周知の従来技術とは対照的に、開示された構成は、負荷発生アセンブリと中央支持柱との間に限定された数の中間構成要素を有する。したがって、開示されたガンは、軽量剛性構造で構成される。
【００２２】
他の特徴によれば、中央支持柱に結合されたアセンブリの一つは、溶接されるワークピースをクランピングして、保持するように操作可能なクランピングシステム（ｃｌａｍｐｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）を含む。クランピングシステムは、１アーム構成、又はアームのうちの１つのアームが支持柱から有効に分離されることができる２アーム構成を有することができる。
【００２３】
両構成の共通点は、支持柱に載置されるガイドレールに沿って摺動するように作動する、変位可能なアームである。１アーム構成は、２つ以上のワークピースをクランピングすることが必要でないときに用いられ得る。これは、外部の保持手段が一緒にワークピースを支持するときに生じる。
【００２４】
更なる別の特徴は、静止Ｌ字状のアームが内側チャネルを備える、上記の２つアーム構成に関する。内側チャネルにおいて、溶接作業の間に蓄積される溶接破片を除去するために負圧が形成され得る。チャネルを真空状態にすることに替えて、又は、チャネルを真空状態にすることに加えて、下側アームは、オペレータが手動で蓄積された破片を掃除することを可能にする着脱可能な底部を有することができる。
【００２５】
更なる特徴によれば、静止アームは、溶接点を通って漏れる光を検出するように操作可能な光検出器を、更に備えている。溶接点を通って伝搬するレーザー出射の検出されたパワーに応じて、その品質は決定される。そして、必要に応じて、レーザー出力が調整される。
【００２６】
開示の装置の上記の特徴及び他の特徴は、図面によって伴われる以下の具体的な説明からより直ちに明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】手操作可能なレーザー装置溶接ガンの典型的レイアウトを示す一般的な図である。
【図２】開示のレーザーガンをある平面に移動させるためのアセンブリを図式的に示す図である。
【図３】開示のレーザーガンを図２の平面と異なる平面に移動させるためのアセンブリを図式的に示す図である。
【図４Ａ】完全に組み立てられた開示のガンの等角図である。
【図４Ｂ】ハウジングアセンブリを有しない開示のガンの等角図である。
【図４Ｃ】溶接ゾーンから初期の定位置まで引っ込められる変位可能な把持アームを有する図４Ａ及び図４Ｂに示された開示のガンの一側面図である。
【図４Ｄ】一緒に把持溶接位置に移動させられる両方の把持アームを有する図４Ａ及び図４Ｂに示された開示のガンの別の側面図である。
【図４Ｅ】図４Ａ〜図４Ｃに示された開示のガンの上面図である。
【図５Ａ】開示されたガンの図式的な側面図である。
【図５Ｂ】開示されたガンの閉鎖性運動学的な方式の線図である。
【図６Ａ】変位可能なアームの高位側面図である。
【図６Ｂ】図６Ａの組み立てられた変位可能なアームを有するガンの図である。
【図６Ｃ】図６Ａのアームの上面図である、
【図７Ａ】アームと前方のワークピースとの所望の接触をモニタすると共に、アーム自体の構造統合性を示すように操作可能な安全機構を備える図６Ａの変位可能なアームの図である。
【図７Ｂ】安全機構の動作を例示している電気回路構成を示す図である。
【図７Ｃ】圧力末端部の直角図である。
【図７Ｄ】圧力末端部の側面図である。
【図８】開示されたガンの静止アームの等角図である。
【図９】開示された自動シームガンの操作上の原則を図示する簡略ブロック図である。
【図１０】開示された手操作可能なレーザーガンの動作の原則を図示する流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
参照は、現在、添付の図面に図示される開示の幾つかの実施形態に詳細になされる。可能な場合は、図面及び説明において同じ又は類似の部分又はステップを言及するために、同一又は類似の参照番号が用いられる。図面は、簡略化された形であって、正確な寸法ではない。
【００２９】
図１は、開示された手操作可能なレーザーガン・システム１０の一般的な動作の原則を図示する。開示された溶接ガン１２は、オペレータにより加わる力に対応して外部ガイドに沿って摺動するように、ガン支持体２０によって、外部ガイド１４上に吊るされる。代替的に、ガン支持体２０は、ガンを所望の位置に運搬する可動外部構造上に吊るされ得る。
【００３０】
レーザーシステム１６は、ある便利な位置に配置されており、ｋＷレベルに達することができる高パワーのビームを好ましくは単一モードで出力するように構成されている。高パワーのファイバーレーザーが高効率、少ない寸法及び高いパワーを含む理由のために好まれるが、レーザー１６は他の従来の構成を有することができる。運搬ファイバーは、レーザー１６からガン１２までレーザービームを導く。光学レーザーヘッドまでガン１２を通過するファイバーの少なくとも一部は、スリーブ１８により保護されている。
【００３１】
図２を参照すると、溶接ガン１２は、異なる平面においてオペレータによって容易に動かされることができる。例えば、ガン１２の縦軸Ａ−Ａに対して垂直に延在する軸Ｂに対して、二重矢印２６により示されるように互いに反対向きとなる方向に旋回できる。旋回は、ガン支持体２０に結合された、機構、例えばプーリー２２により実現される。
【００３２】
図３は、ガン１２に縦軸Ａ−Ａに対する回転運動を提供する機構を図示する。その機構は、例えば、ベアリング２４を含む異なる構成を有することができる。ガン全体がオペレータにより印加されるトルクに対応して回転するように、ベアリング２４はガン支持体２０上に吊るされて、ガン１２の中間部を囲む。
【００３３】
図４Ａ〜図４Ｅは、開示された手操作可能なガン１２をより詳細に図示する。特に図４Ａを参照すると、ガン１２は、近位ハウジング２８及び遠位ハウジング３０を含むハウジングアセンブリを有して構成される。ハウジングは、容易に分解されることができて、図示されているように組み立てられると、後述するように、オペレータを変位可能な内側構成要素から完全に分離するようにベアリング２４の側面に位置できる。
【００３４】
近位ハウジング２８の後方側面３２は、スタート／終了溶接ボタン３５を有するレバー３４、制御電子機器ハウジング３６、レーザー溶接ガン１２をそれぞれの外部の供給源に結合する複数のコネクタ及び所望のパラメータの手動導入のためのインタフェースを支持するコントロールパネルとして構成される。特に、コネクタ３８は、ファイバーを囲むと共にファイバーを外部の機械的負荷から保護する材料から製造されるスリーブ１８を受ける。コネクタ４０は、高圧の下で外部電源からガン１２にガス状の媒体を導くパイプを係合する。コネクタ４２は、冷却媒体をガン内へ及びガン外へ運搬するそれぞれの管を受けるように構成される。更なる別のコネクタは、電力ケーブルを受ける。ケーブル及び管のいずれもオペレータの仕事を妨げないように、コントロールパネルはオペレータが操作ガン１２を容易に操縦できるように人間工学的に構成される。
【００３５】
溶接の間、オペレータはベアリングアセンブリ２４に載置されるハンドル４４のうちの１つの上を一方の手で保つと共に、他方の手でレバー３４を引く。ハンドル４４は、ガン支持体２０にガン１２を結合する切り抜き２５を有する（図２）。遠位ハウジング３０は、オペレータによって、容易にアクセスされることができないすべての可動部分を囲む。２本の把持アーム、変位可能なアーム４６及び静止アーム４８は、ガン１２の外部を完成させる。
【００３６】
図４Ｂは、アーム４６が静止アーム４８のそばに移動される閉アーム位置にある手操作可能なレーザーガン１２の内部を図示する。ガン１２の構成は、例えば、中空内部を有することができる軽金属プロフィールから構成される主支持柱５０に基づく。柱５０は、縦軸Ａ−Ａと平行して、ガン１２の全長にわたって実質的に延在する。ガン１２のこの構成によって、主支持柱５０がこの柱に結合されるガンの可動部分によって発生する負荷の全てを受けることができる。このような負荷分布は、生成された負荷が閉じられた閉鎖性運動学的なループを主支持柱上に画定する。
【００３７】
柱５０の反対側の細長側は、支持板５４により架橋される１本の幅広いレール又は一対の分離されたガイドレール５２を備える。支持板５４は、軸Ａ−Ａに沿って摺動して、後述するように、複数の所定のアーム位置のうちの一つにアーム４６を動かす。
【００３８】
図４と組み合わせて図５Ａを簡単に参照すると、モーター５６及び伝動装置５８を含むことができる電気機械式アクチュエータによって発生する力に応じて光伝搬路に沿ってプレート５４が直線状に移動する。モーター及び伝動装置、例えばベルト・伝動装置５８（図４Ｂ）の様々な構成が用いられ得る。そして、両方の部品は線形可動プレート５４に載置される。概略的に示されるように、伝動装置５８はプレート５４に線形状の力（ｌｉｎｅａｒ  ｆｏｒｃｅ）を印可するピストンを含む。プレート５４は、対応して、変位可能なアーム４６（の開位置と閉位置と（それぞれ図４Ｃ及び図４Ｄ）の間においてレール５２上に載置されたリニアベアリング６０によって柱５０に沿って摺動する。プレート５４は、その中に、一対の離間した側面６２を更に含んでいるフレームの一部である。側面６２は、好ましくは三角形の横断面によって構成される。
【００３９】
図４Ｂを再び参照すると、支持プレート５４の上流側は、電気機械手段だけでなく、コネクタ６４によって保護スリーブ１８にビーム運搬ファイバーを受ける光学ヘッド６２も支持する。スリーブは、プレート５４が溶接ゾーンの方へ進むにつれて締まる弛み部を有する。レーザーヘッド６２に運搬される約５００ミクロンのレーザー出射のビームスポットについては、ヘッド６２は、例えば、周知の従来技術より大きなある距離における溶接ゾーンからヘッドの出力で保護窓を除去する約３００ｍｍの焦点距離により構成されることができる。
【００４０】
正弦波溶接点を生成するためのウォーブリング機構（ｗｏｂｂｌｉｎｇ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）６６及び溶接点に所望の長さを提供するためのリニアモータも、光学ヘッド及び電気機械式アクチュエータに加えてプレート５４に載置される。
【００４１】
プレート５４の反対側の下流側は、圧力末端部６８で終端する変位可能なアーム４６を支持する。圧力末端部６８は、変位可能なアーム４６の下流に着脱自在に載置される。
如何なる放出が圧力末端部の内部から外側で漏れないように、圧力末端部６８は溶接されるワークピースのうちの１つを押圧して、レーザービームを囲むように構築される。このような特徴により、開示されたガンは通常の使用のすべての条件で最も安全であるクラス１レーザーとして分類される。アーム４６と一緒にプレート５４がすぐ下で述べられる複数の所定の位置に沿って移動する。
【００４２】
図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、変位可能なアーム４６は、まず最初に溶接ゾーンからかなりの距離にある定位置（ｈｏｍｅ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）７１（図５Ｂ）にある。オペレータは、スタートボタン３５を押すことによって、アーム移動を開始する（図４Ｂ及び図４Ｅ）。アーム４６は、まず、最初に開位置７３まで第１線速度で移動し、ワークピースから少し離れた距離で止まる。位置７３に対するアーム４６の移動はモニタされる。そして、物体が途中で検出される場合、物体が除去されるまでアーム４６は停止する。アーム４６は、第１線速度より遅い第２速度で閉位置７５に更に移動し、ワークピースの厚みの関数であるワークピースからの予め定められた距離で停止する。最後に、アームは、アームが所望の圧力でワークピースを押圧する溶接／把持位置７７に移動する。
【００４３】
図６Ａ〜図６Ｃを参照すると、変位可能なアーム４６は、多機能構成要素であるように構成される。すなわち、把持機能に加えて、このアームの内部はレーザービーム及び流体の流れのためのガイドとして機能する。ガス状の媒体のストリームのうちの１つは、光学ヘッド６２（図６Ａ）の出力端に取り付けられる保護ガラス窓の露出を、光伝搬方向と逆方向における溶接ゾーンから散乱するスパーク及び小さい粒子又は破片から防止するか又は少なくとも実質的に最小化するために形成される。他の空気ストリームは、加圧ストリームより低い圧力で第１ストリームと平行して進行して、より大きな粒子を処理する。
【００４４】
特に図６Ａ及び図６Ｂに再び戻ると、アーム４６は、中空の細長い内部を有するように構築されている。中空の細長い内部は、アーム４６の入力端と出力端との間のガンの縦軸Ａ−Ａに沿って延在するトンネル７５を画定する。アームは、着脱自在にアーム４６を支持板５４（図６Ｂ）に結合するフランジ７１によって覆われるハウジング８２（図６Ｂ）を含む。ハウジング構造は、モノリシック仕上げであることができ、又は複数の構成要素から組み立てられることが可能である。示すように、例えば、ハウジング８２は、溶接ゾーンの方へテーパーがついている一般に円錐台形の二部構造を含む。
【００４５】
フランジ７１は、図６Ｂに示すように、その入力端７２でへこんでおり、多段周囲壁で構成される。多段周囲壁は、ハウジング８２の上流端（光及び空気の経路に沿って）に重なる軸方向に延在する肩部７４で終わる。短いＴ字状の管８４はフランジ７１のへこんだ端に受け取られて内部へ延在して、短いＴ字状の管８４がハウジング８２の上流端と軸方向に重畳してこの端から内部へ出射状に離間して配置される。
【００４６】
上述したハウジング、フランジ及び管の相対的な位置は、相対的に大きな第１環状スペース８８及び軸方向に延在する相対的に細い通路９０を画定する。相対的に細い通路９０は、その両端のうち一端によって第１環状スペース８８に通じており、他端によってハウジング８２の内部と通じでいる。
【００４７】
環状スペース８８は、出射状に延在する入口８５（図６Ａ）で加圧ガス状の媒体のジェット、例えば加圧空気のジェットを受ける。加圧空気ジェットが空間８８を満たすにつれて、加圧空気ジェットは軸Ａ‐Ａと平行してハウジング８２の室内又はトンネル７５に軸通路９０（図６Ｂ）を通って流れ出る（図６Ａ）。圧縮空気がトンネルを通って流れるにつれて、実際にその圧力は大気圧までに低くなる。トンネルに沿って初期加圧された空気ストリームの軸方向の運搬及び更なる流れは、以下「オーバージェット」と称される。オーバージェットは、小さい溶接破片が光学ヘッド６２（図４Ｂ）の保護ガラス窓に損傷を与えるのを効果的に防止し、それによってレーザーヘッドの寿命が劇的に増加する。
【００４８】
図６Ｂ、図４Ｂ〜図４Ｅを参照すると、移動可能なアーム４６の構成によって、小さい粒子に加えて、溶接ゾーンにおいて生成された大きな粒子も除去するためにトンネル内に負圧が形成される。そのような圧力は、ハウジング８２の上流領域に沿ってどこにでも設けられるインレット９４を用いて、又は空気ガイドとしての光学ヘッド用いることによってさえ形成することができる。上述したように、この第２空気ストリームは、圧縮空気の第１ストリームのそれより低い圧力で、そして、それ故、低速度でトンネルに入る。好ましくは、第２ストリームは、大気圧下にある。結局、周知の装置において高速でトンネルに入る加圧クロスジェットに対して典型的な空気渦動（ａｉｒ  ｖｏｒｔｅｘｅｓ）が除去されるように、第２ストリームの圧力は、選択される。
【００４９】
図４Ｃ〜図４Ｅにより良く示されているが、吸引アウトレット９６は、圧力末端部（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｅｎｄ  ｐｉｅｃｅ）６８の近くのハウジング８２内のトンネルに通じていて（図４Ｃ）、トンネル７５の上流端及び下流端の間に気圧勾配を形成するホース９８を介して外部の負圧生成源４４と流体連通している。第２空気ストリームは、トンネル内のオーバージェットの空気体積を実質的に超える体積でトンネル７５に吸い込まれる。両方の空気ストリームは、軸方向に一方向性を有し、トンネルに沿った空気経路のより大きいストレッチ（ｓｔｒｅｔｃｈ）に沿って、実質的に同じである相対的に低い圧力下にある。オーバージェット、第２空気ストリームの低速度及び高体積、及び両方のストリームの均一な方向が組み合わさることで空気ストリーム間の干渉を事実上除去し、小さい溶接破片及び大きな溶接破片の有効な排出を提供して、トンネルを横断するレーザービームの品質に影響を及ぼさない。
【００５０】
図５Ｂに加えて図７Ａ及び図７Ｂを参照すると、変位可能なアーム４６の圧力末端部６８は、アームと前方のワークピースとの所望の接触をモニタするように操作可能な安全機構１０５を備えている。安全機構１０５は、圧力末端部６８の構造統合性を制御するようにも構成される。
【００５１】
特に、機構１０５は、圧力部分６８のそれぞれの側に沿って延在すると共に予め圧縮応力が与えられており、且つ軸方向に移動可能な２つの端子１０７を含む。最初に予め圧縮応力が与えられるときの最初のプレストレス条件（ｐｒｅ−ｓｔｒｅｓｓｅｄ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）において、両方の端子１０７は予め定められた距離で末端部６８の端部１１３を超えて延在する。前方のワークピース及びアーム４６が正しく配置される場合、両方の端子１０７はワークピースの表面と接触する。しかし、位置が正しくない場合には、以下に説明されるように、少なくとも一つの端子１０７がワークピースを押し付けずに、レーザーが出射されることができない。
【００５２】
図７Ｂ上の電気回路は、３つの構成要素、互いに電気的に直列的に接続される２つのサイド端子１０７とワイヤ１１１とを含む。安全機構は、直列に端子１１２の各々に電気的に接続するワイヤ１１４を更に含む。これらの構成要素のうちの少なくとも１つがマイクロ制御装置１２５により受信される信号を生成しない場合、回路は開いたままとなり、その制御装置はレーザー１６の電源に制御信号を出力しない。その結果、不活性化のままである。
【００５３】
ワイヤ１１１は、末端部６８の端部１１３から近い距離で末端部６８の周辺部に形成された閉溝（ｃｌｏｓｅｄ  ｇｒｏｏｖｅ）に載置される。末端部６８が損傷して、ワイヤ１１１が前方のワークピースの表面と直接接触すると、そのワイヤが容易に壊れ、レーザー源は動作しない。
【００５４】
図７Ｃ及び図７Ｄを参照すると、圧力末端部６８はそれぞれ、アームに結合して、処理されるワークピースに接する接触面を有する。接触面１０３の過剰な摩耗を防止するために、末端部の残りの部分より大きい硬度を有する材料からなるプレート１０１は、接触面１０３に結合される。プレート１０１は、接触面１０３に溶接されることができる。代替的に、図示されるように、プレート１０１は、ファスナー１０５によって、接触面１０３に着脱自在に取り付けられる。
【００５５】
プレート１０１がファスナー１０５により連結される場合、その内側表面はワイヤ１１１を収容するように溝が付けられている。溶接の場合には、これらのパーツが溶接される前に、管は表面１０３とプレート１０１との間に配置される。これから、ワイヤ１１１は、管を通って引っ張られる。プレート１０１の追加は、末端部の有効寿命を延ばすだけでない。プレート１０１の追加は、開示された装置のアセンブリ及びそのメンテナンスを容易にする。
【００５６】
図８及び図４Ｂを参照すると、静止Ｌ字状のアーム４８は、アーム４８が支持柱５０に取り付けられるときに、ガン１０の縦軸Ａ‐Ａ’と平行して延在する部品１０６を備えている。その一方で、構成要素１０２は同じ軸である縦軸Ａ‐Ａ’と垂直に延在する。構成要素１０６は、如何なる適切なタイプのファスナー１０４（図７）によって、支持柱５０（図４Ｂ）に着脱自在に取り付けられる。したがって、ガン１２が、単一の変位可能なアーム４６によって用いられることが可能である。
【００５７】
溶接の間、破片は、底なし圧力末端部（ｂｏｔｔｏｍｌｅｓｓ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｅｎｄ  ｐｉｅｃｅ）６８を通過してアームの構成要素１０２の内部に深く入りこむことができる。除去されない場合、蓄積された破片はこの構成要素に損害を与えることができ、一般に溶接点の品質に悪影響を及ぼすことができる。蓄積を防止するために、構成要素１０２の中空内部は、外部ポンプと流体連通する。後者は、ポンプ１００（図４Ｃ）、又はコネクタ１０８によって受けられるホース１１０を用いて破片の除去に十分な気圧勾配を生成するために作動可能な異なるポンプであることができる。圧力‐排気技術（ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｅｖａｃｕａｔｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）に加えて、構成要素１０２の底部は、蓄積された破片の更なる除去のために分離されることができる。
【００５８】
図８に加えて図９を参照すると、ワークピースが溶接される間に、レーザー１６（図１）の出力パワーは連続的に制御される。光学ヘッド６２が予め定められた周波数でウォーブリング（ｗｏｂｂｌｉｎｇ）する間に光学ヘッド６２（図４Ｂ）が予め定められた長さに沿って移動するにつれて、レーザービームは前後のワークピースを通って延びる通路をつくるように重畳するシートを溶解させる。ビームがより遠くに移動するにつれて、溶融金属は逆の方向に流れて通路を塞ぐが、レーザービームにより通路が横断される前ではない。通過したレーザービームの測定された強度は、溶接点の品質を表す。測定された強度が基準値より高い場合、以下に説明されるように、通路はあまりに大きくなり、レーザーの出力は低減する。逆にいえば、測定された強度が基準値より低い場合、出力レーザーパワーは増加する。
【００５９】
図９の特定の実現において、光検出器１１２は、静止アーム４８の構成要素１０２において設けられている貫通ネスト（ｔｈｒｏｕｇｈ  ｇｏｉｎｇ  ｎｅｓｔ）１１４（図８）に載置される。検出器１１２は、示された構成において構成要素１０２の底部から反射される出射を検知して、アンプ１１６において増補された信号を生成する。反射光は、光ピークに対応する高強度を有するより高いか、又はより低いレベルの強度を備えることができる。Ａ／Ｄコンバータ１１８において変換されると、即座に、信号のパワーの平均値（Ｖａｖ）及びピーク値（Ｖｐｅａｋ）は、マイクロ制御装置１２５において決定される。マイクロ制御装置は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）として公知の一種の集積回路であることができる。フィールドプログラマブルゲートアレイは、例えば、積分器及びピーク検出器の機能１２０を含む様々な機能を実行することができ、軽量構造を備える。アナライザ１２２は、決まったパワーを処理して、平均値（Ｖａｖ）対ピーク値（Ｖｐｅａｋ）の比率に対応する制御信号を出力する。比率が基準値より小さいか又は大きい場合には、後者はレーザーパワー源１２６にフィードバックされる。対応して、レーザービームパワーは、所望のシームを有するように増加又は低減されることができる。上述されたパワー制御機能は、異なる構成によって容易に実現されることができる。静止アームに替えて、溶接ゾーンの背面上に設けられており、随意的に環境照明から分離されたその内部を有する如何なる光トラップ構成が検出器と組み合わせられて使われ得る。したがって、開示の単一のアーム構成に集積されるレーザー１６は、上述された技術によって制御されることもできる。さらに、反射光を検知することに替えて、センサー１１２は入射光を直接検出するために配置されることができる。
【００６０】
図１０は、開示されたガン１２の動作を図示する。ガン１２の制御機構に取り入れられるすべての制御装置がＦＰＧＡプラットフォームに基づく点に注意すべきである。ＦＰＧＡプラットフォームは、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）プラットフォームに基づくある程度同様に構成されたガンと比較して、ガン１２の総重量をかなり低減する。
【００６１】
ステップ１２０に示すように、オンボタン３５を押すことに対応して、加圧媒質の外部源はトンネル７５（図６Ａ、図６Ｂ）内に、オーバージェットを提供するように操作され始める。ステップ１２２及びステップ１２４のそれぞれに示されているように、オーバージェットと同時に、又は、オーバージェットに続いて、ワークピース上の所望の圧力、溶接の長さ及びウォーブリング周波数がセットされるまで、モーター５６（図４Ｂ及び５）が作動する。上記の開示されたステップの全てが完了されると、モーター５６は移動可能なアーム４６を定位置から参照番号１２６として表示された開位置（図５Ｂ）に移動させ始める。アーム４６が比較的高い速度で開位置に向かって進む間に、経路に沿ったいかなる障害物の存在もステップ１２８で連続的に制御される。ステップ１３０で閉位置までのアーム１４の更なる移動が相対的に遅い速度で行われる。ステップ１３２においては、最後的にアーム４６が溶接位置に移動してワークピース上に所望の圧力を提供する。
【００６２】
ステップ１３４において示されているように、溶接位置において、圧力末端部６８とワークピースの表面との接触が検証される。接触制御の後に、又は、前のどこかで、ポンプ１０（図４Ｄ）が作動して溶接破片と共にすべての空気ストリームを引く圧力勾配を形成する。上記の全てのステップ後だけ、ステップ１３６によって示されているように、レーザーはビームを出力して、溶接作業が始まる。上述され、且つステップ１３８に示されているように、溶接作業の間に、シームの品質は制御される。ステップ１４０で、必要に応じて、ビームのパワーが調整される。ステップ１５０で一旦溶接作業が完了されると、すべてのポンプ及びレーザー源はオフにされる。これによって、かなりエネルギー消費を節約して、開示されたガンを省エネ技術として特徴付けるのを助ける。
【００６３】
開示されたガンは、一例として与えられた以下のパラメータにより構成されることができる。
【００６４】
【表１】
0006356135.tif 000002
【００６５】
最も実際的且つ好適な実施形態と思われるものが示され、且つ説明されているが、開示された構成及び方法からの新しい試みはそれ自身を当業者に暗示していて、本発明の精神と範囲から逸脱することなく用いられることが可能であることは明らかである。したがって、本発明は、例えば、ファイバーレーザーに関して説明され、且つ図示された特定の構造に制限されないが、添付の請求の範囲の範囲内になることができるすべての変更態様と結合されるもの解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００６６】
１０  レーザーガン・システム
１２  溶接ガン
１４  外部ガイド
１６  レーザーシステム
１８  スリーブ
２０  ガン支持体
２２  プーリー
【図１】
0006356135.tif 000003
【図２】
0006356135.tif 000004
【図３】
0006356135.tif 000005
【図４Ａ】
0006356135.tif 000006
【図４Ｂ】
0006356135.tif 000007
【図４Ｃ】
0006356135.tif 000008
【図４Ｄ】
0006356135.tif 000009
【図４Ｅ】
0006356135.tif 000010
【図５Ａ】
0006356135.tif 000011
【図５Ｂ】
0006356135.tif 000012
【図６Ａ】
0006356135.tif 000013
【図６Ｂ】
0006356135.tif 000014
【図６Ｃ】
0006356135.tif 000015
【図７Ａ】
0006356135.tif 000016
【図７Ｂ】
0006356135.tif 000017
【図７Ｃ】
0006356135.tif 000018
【図７Ｄ】
0006356135.tif 000019
【図８】
0006356135.tif 000020
【図９】
0006356135.tif 000021
【図１０】
0006356135.tif 000022