(57)【要約】  レーザ溶接システム(1)が提供される。上記レーザ溶接システム(1)は、レーザ・ビームを生成すべく構成されたレーザ源(3)と、上記レーザ・ビームとは異なるビーム・プロフィールを形成すべく構成されたビーム成形手段(4、5、17)と、上記成形済みビーム・プロフィールの少なくとも一部分を遮蔽すべく構成された遮蔽手段と、を含む。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム・プロフィールを有するレーザ・ビームを生成すべく構成されたレーザ源と、
前記ビーム・プロフィールとは異なる成形済みビーム・プロフィールを形成すべく構成されたビーム成形手段と、
前記成形済みビーム・プロフィールの少なくとも一部分を遮蔽すべく構成された遮蔽手段と、
を備える、レーザ溶接システム。
【請求項２】
前記遮蔽手段により、前記成形済みビーム・プロフィールの全体面積の少なくとも20％が遮蔽される、請求項１に記載のレーザ溶接システム。
【請求項３】
前記レーザ源は、ダイオード・レーザ、好適には、200μm〜800μm、更に望ましくは300〜500μmのスポットサイズを有するダイオード・レーザを備える、請求項１または２に記載のレーザ溶接システム。
【請求項４】
前記レーザ・ビームは、600nm〜1,200nmの波長を有する、請求項１から３のいずれか一つの請求項に記載のレーザ溶接システム。
【請求項５】
前記ビーム成形手段は回折的光学素子を備え、且つ／又は、前記成形済みビーム・プロフィールはトップハット・プロフィールを備える、請求項１から４のいずれか一つの請求項に記載のレーザ溶接システム。
【請求項６】
前記遮蔽済みビーム・プロフィールを、レーザ溶接を実施する目標物の溶接ラインに沿って導向すべく構成された導向手段を備える、請求項１から５のいずれか一つの請求項に記載のレーザ溶接システム。
【請求項７】
前記レーザ・ビーム・プロフィールの遮蔽部分は、前記成形済みビーム・プロフィールの全体面積の少なくとも50％を備える、請求項１から６のいずれか一つの請求項に記載のレーザ溶接システム。
【請求項８】
前記遮蔽手段は、少なくとも一種類のレーザ吸収材料を備える、請求項１から７のいずれか一つの請求項に記載のレーザ溶接システム。
【請求項９】
前記遮蔽手段の形状は、三角形状及び矩形状の内から選択される、請求項１から８のいずれか一つの請求項に記載のレーザ溶接システム。
【請求項１０】
前記遮蔽手段は、２つの三角形状のシールドを備える、請求項１から９のいずれか一つの請求項に記載のレーザ溶接システム。
【請求項１１】
前記遮蔽手段は、交差形または線形の内の一方から選択された遮蔽済みビーム・プロフィールを形成すべく構成される、請求項１から１０のいずれか一つの請求項に記載のレーザ溶接システム。
【請求項１２】
目標物の溶接ラインに沿う箇所に基づいて前記遮蔽手段を調節すべく構成された調節手段を備える、請求項１から１１のいずれか一つの請求項に記載のレーザ溶接システム。
【請求項１３】
レーザ・ビームを成形して所望のレーザ・ビーム・プロフィール形成する段階と、
前記成形済みレーザ・ビーム・プロフィールの面積の一部分が遮蔽されて溶接用プロフィールを形成する如く、少なくとも一つのレーザ・シールドを調節する段階と、
溶接作業を実施するために、前記溶接用プロフィールを、目標物の溶接ラインに沿う進行方向に導向する段階と、
を有する、レーザ溶接のための方法。
【請求項１４】
前記一部分は、前記成形済みビーム・プロフィールの全体の少なくとも20％である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記調節段階は、所望のレーザ・ビーム・プロフィールの更なる成形に帰着する、請求項１３または１４に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１６】
前記成形段階は、トップハット・プロフィールの形成に帰着する、請求項１３から１５のいずれか一つの請求項に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１７】
前記目標物は、好適にはリチウム・イオン・バッテリに対する、長寸のバッテリ・ケース及びカバーである、請求項１３から１６のいずれか一つの請求項に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１８】
前記調節段階は、前記溶接ラインに沿う箇所に基づいて実施される、請求項１３から１７のいずれか一つの請求項に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１９】
ビーム・プロフィールを有するレーザ・ビームを生成すべく構成されたレーザ源と、
前記レーザ・ビームの前記ビーム・プロフィールとは異なる成形済みビーム・プロフィールを形成すべく構成されたビーム成形器と、
前記成形済みビーム・プロフィールの少なくとも一部分を遮蔽すべく構成された少なくとも一つのレーザ・シールドと、
を備える、レーザ溶接システム。
【請求項２０】
前記成形済みビーム・プロフィールの全体面積の少なくとも20％は、前記少なくとも一つのレーザ・シールドにより遮蔽される、請求項１９に記載のレーザ溶接システム。
【請求項２１】
前記レーザ源はダイオード・レーザを備える、請求項１９に記載のレーザ溶接システム。
【請求項２２】
前記ダイオード・レーザは200μm〜800μmのスポットサイズを有する、請求項２１に記載のレーザ溶接システム。
【請求項２３】
前記レーザ・ビームは、600nm〜1,200nmの波長を有する、請求項１９に記載のレーザ溶接システム。
【請求項２４】
前記ビーム成形器は回折的光学素子を備え、且つ、前記成形済みビーム・プロフィールはトップハット・プロフィールである、請求項１９に記載のレーザ溶接システム。
【請求項２５】
前記遮蔽済みビーム・プロフィールを、レーザ溶接を実施する目標物の溶接ラインに沿って導向すべく構成された一つ以上の光学素子及びコントローラを備える、請求項１９に記載のレーザ溶接システム。
【請求項２６】
前記レーザ・ビーム・プロフィールの前記遮蔽部分は、前記成形済みビーム・プロフィールの全体面積の少なくとも50％を備える、請求項１９に記載のレーザ溶接システム。
【請求項２７】
前記少なくとも一つのレーザ・シールドは、少なくとも一種類のレーザ吸収材料を備える、請求項１９に記載のレーザ溶接システム。
【請求項２８】
前記少なくとも一つのレーザ・シールドの形状は、三角形状及び矩形状の内から選択される、請求項１９に記載のレーザ溶接システム。
【請求項２９】
前記少なくとも一つのレーザ・シールドは、２つの三角形状のレーザ・シールドを備える、請求項２８に記載のレーザ溶接システム。
【請求項３０】
前記少なくとも一つのレーザ・シールドは、交差形または線形の内の一方から選択された遮蔽済みビーム・プロフィールを形成すべく構成される、請求項１９に記載のレーザ溶接システム。
【請求項３１】
目標物の溶接ラインに沿う箇所に基づいて前記少なくとも一つのレーザ・シールドを調節すべく構成された調節器を備える、請求項１９に記載のレーザ溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示内容は、溶接のためのシステム及び方法に関し、更に詳細には、光学素子及びシールドを用いて溶接用成形済みプロフィールを形成するレーザ溶接に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、バッテリ、燃料電池などの電子的デバイスの製造において、構成要素の設計態様は、溶接により相互に組立てられる(例えば２枚以上の薄寸の金属板などの)種々の部材片を伴うことが多い。
【０００３】
典型的に、各金属板は、溶接用支持体上に相互に位置決め且つ載置される。次に、(例えば、レーザ、電子ビーム／プラズマ、アーク溶接機、及び／または、他の同様のデバイスなどの)溶接デバイスが使用されて、溶接作業が実施され得る。
【０００４】
例えば、ケース及びカバー内に(リチウム・イオンなどの)バッテリを囲繞するとき、バッテリの内側部分が上記ケース内に組立てられ、もしくは、載置されると共に、上記カバーが所定位置に載置され、且つ、レーザ溶接作業が実施されて、上記ケース及びカバーを固着し、上記バッテリをシール閉じし得る。
【０００５】
しかし、レーザ・エネルギがバッテリの内側部分に進入するという一定の状況においては、(例えば、電極に対する損傷などの)不都合な効果が生じ得る。これに加え、溶接作業がケースをカバーに対して完全にはシールしないので、問題が生じ得るという可能性がある。
【０００６】
幾つかの利用可能な技術に依れば、ファイバ・レーザを介して形成されたレーザ・ビームが使用されて、(例えば回折的な光学素子などの)光学素子を用いて複数の熱源点を対称的な交差形状にて生成すると共に、結果的な多点ビームにより溶接作業が実施される。例えば、一つの設定においては、下位熱源点による４個の角隅部により囲繞された中央部分に主要熱源点が生成されることで、矩形のプロフィール(profile)が形成される。例えば、2014年6月16日に出願された日本特許出願2014-123850号を参照されたい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
現在、更なる高エネルギを消費するファイバ・レーザは典型的に、その更に小寸のスポットサイズに基づいて種々のレーザ溶接作業を実施するために導入される。しかし、斯かるファイバ・レーザは、単位パワー当たりで不都合に高い操業コストを有し得ると共に、一定の材料を溶接するためには不都合な波長にて発光することがある。
【０００８】
更に、利用可能なダイオード・レーザは、更に少量のエネルギを消費するが、減少された間隙領域内で溶接作業を実施するには典型的に不都合なスポットサイズを有し、その場合、溶接用レーザ・ビームの侵入による(例えば、内部バッテリ構成要素などの)周囲領域に対する損傷のリスクが高まる。
【０００９】
従前のシステムは、パワー、及び、不都合な効果の可能性の両方における減少が達成され得るという効果的で効率的な溶接のためにシステムを欠くことが確認された。従って、本開示内容の主要目的は、現在において入手可能であるシステム及び方法の欠点を克服するシステム及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示内容の実施形態に依れば、レーザ溶接システムが提供される。上記システムは、ビーム・プロフィールを有するレーザ・ビームを生成すべく構成されたレーザ源と、上記ビーム・プロフィールとは異なる成形済みビーム・プロフィールを形成すべく構成されたビーム成形手段と、上記成形済みビーム・プロフィールの少なくとも一部分を遮蔽すべく構成された遮蔽手段と、を含んでいる。例えば、上記遮蔽手段により、上記成形済みビーム・プロフィールの全体面積の少なくとも20％が遮蔽され得る。
【００１１】
上述された如きレーザ溶接システムを提供することにより、種々のビーム・プロフィールのレーザ源を使用し、且つ、上記遮蔽手段の調節／載置に依りレーザ・ビーム・プロフィールを成形することが可能となる。故に、単位パワー出力当たりでは低いエネルギ消費量を有するが、その他の点では、減少された間隙領域における溶接に対して不適切であるという、例えばダイオード・レーザなどのレーザ源を使用することが可能となる。
【００１２】
上記レーザ源は、ダイオード・レーザ、好適には、200μm〜800μm、更に望ましくは300〜500μmのスポットサイズを有するダイオード・レーザを含み得る。更に、上記レーザ・ビームは、600nm〜1,200nm、更に望ましくは800nm〜900nmの波長を有し得る。
【００１３】
上記ビーム成形手段は回折的光学素子を含み得、且つ／又は、上記成形済みビーム・プロフィールはトップハット・プロフィールを備える。
【００１４】
幾つかの実施形態に依ると、上記遮蔽済みビーム・プロフィールを、レーザ溶接を実施する目標物の溶接ラインに沿って導向すべく構成された導向手段が配備され得る。
【００１５】
上記レーザ・ビーム・プロフィールの遮蔽部分は、上記成形済みビーム・プロフィールの全体面積の少なくとも50％を備え得る。
【００１６】
上記遮蔽手段は、少なくとも一種類のレーザ吸収材料を含み得る。
【００１７】
上記遮蔽手段の形状は、三角形状及び矩形状の内から選択され得る。
【００１８】
幾つかの実施形態に依ると、上記遮蔽手段は、２つの三角形状のシールドを含み得る。
【００１９】
上記遮蔽手段は、交差形または線形の内の一方から選択された遮蔽済みビーム・プロフィールを形成すべく構成され得る。
【００２０】
幾つかの実施形態に依ると、上記システムは、目標物の溶接ラインに沿う箇所に基づいて上記遮蔽手段を調節すべく構成された調節手段を含み得る。
【００２１】
更なる実施形態に依ると、レーザ溶接のための方法が提供される。該方法は、レーザ・ビームを成形して所望のレーザ・ビーム・プロフィール形成する段階と、上記成形済みレーザ・ビーム・プロフィールの面積の少なくとも一部分が遮蔽されて溶接用プロフィールを形成する如く、少なくとも一つのレーザ・シールドを調節する段階と、溶接作業を実施するために、上記溶接用プロフィールを、目標物の溶接ラインに沿う進行方向に導向する段階と、を含む。上記一部分は、上記面積の20％以上であり得る。
【００２２】
上述された如きレーザ溶接方法を提供することにより、種々のビーム・プロフィールのレーザ源を使用し、且つ、上記シールドの調節に依りレーザ・ビーム・プロフィールを成形することが可能となる。故に、単位パワー出力当たりでは低いエネルギ消費量を有するが、その他の点では、減少された間隙領域における溶接に対して不適切であるという、例えばダイオード・レーザなどのレーザ源を使用することが可能となる。
【００２３】
上記調節段階は、所望のレーザ・ビーム・プロフィールの更なる成形に帰着し得ると共に、トップハット・プロフィールの形成に帰着し得る。
【００２４】
上記目標物は、好適にはリチウム・イオン・バッテリに対する、長寸のバッテリ・ケース及びカバーであり得る。
【００２５】
上記調節段階は、上記溶接ラインに沿う箇所に基づいて実施され得る。
【００２６】
更なる実施形態に依れば、レーザ溶接システムが提供される。該システムは、ビーム・プロフィールを有するレーザ・ビームを生成すべく構成されたレーザ源と、上記レーザ・ビームの上記ビーム・プロフィールとは異なる成形済みビーム・プロフィールを形成すべく構成されたビーム成形器と、上記成形済みビーム・プロフィールの少なくとも一部分を遮蔽すべく構成された少なくとも一つのレーザ・シールドと、を含む。幾つかの実施形態に依ると、上記成形済みビーム・プロフィールの全体面積の少なくとも20％は、上記少なくとも一つのレーザ・シールドにより遮蔽され得る。
【００２７】
上記レーザ源はダイオード・レーザを備え得ると共に、上記ダイオード・レーザは200μm〜800μmのスポットサイズを有する。
【００２８】
上記レーザ・ビームは、600nm〜1,200nm、更に望ましくは800nm〜900nmの波長を有し得る。
【００２９】
上記ビーム成形器は回折的光学素子を含み得、且つ、上記成形済みビーム・プロフィールはトップハット・プロフィールであり得る。
【００３０】
上記システムは更に、上記遮蔽済みビーム・プロフィールを、レーザ溶接を実施する目標物の溶接ラインに沿って導向すべく構成された一つ以上の光学素子及びコントローラを含み得る。
【００３１】
上記レーザ・ビーム・プロフィールの上記遮蔽部分は、上記成形済みビーム・プロフィールの全体面積の少なくとも50％を備え得る。上記少なくとも一つのレーザ・シールドは、少なくとも一種類のレーザ吸収材料を含み得る。
【００３２】
上記少なくとも一つのレーザ・シールドの形状は、三角形状及び矩形状の内から選択される。
【００３３】
上記少なくとも一つのレーザ・シールドは、２つの三角形状のレーザ・シールドを含み得る。
【００３４】
上記少なくとも一つのレーザ・シールドは、交差形または線形の内の一方から選択された遮蔽済みビーム・プロフィールを形成すべく構成され得る。
【００３５】
幾つかの実施形態に依ると、上記システムは、目標物の溶接ラインに沿う箇所に基づいて上記少なくとも一つのレーザ・シールドを調節すべく構成された調節器を含み得る。上記調節器は、単一もしくは複数のシールドを移動させて上記遮蔽済みビーム・プロフィールの形状を変化させるべく構成された一台以上のサーボモータを含み得る。
【００３６】
別様に相反する場合を除き、上述の各要素及び本明細書における要素の組み合わせが為され得ることが意図される。
【００３７】
上述の概略的な説明及び以下の詳細な説明は、いずれも、例示的かつ説明的であるにすぎず、権利請求された如き開示内容を制限するものでないことは理解されるべきである。
【００３８】
取入れられて本明細書の一部を構成する添付図面は、開示内容の実施形態を図示すると共に、記述内容と協働して、その原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１Ａ】先行技術の溶接用プロフィールを示す図である。
【図１Ｂ】図１Ａの溶接用プロフィールを用いて溶接する走査技術を示す概略図である。
【図１Ｃ】ガウス・ファイバ・レーザのレーザ・ビーム、及び、ビーム分割の後における結果的なプロフィールの例示的な表現図である。
【図１Ｄ】ガウス・ダイオード・レーザのレーザ・ビーム、及び、ビーム分割の後における結果的なプロフィールの例示的な表現図である。
【図２Ａ】本開示内容の実施形態に係る代表的な溶接システムを示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示された溶接システムの近傍における目標物の例示的な表現図である。
【図３Ａ】代表的なガウス・ダイオード・レーザ・スポットを示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａのダイオード・レーザ・スポットの形状変更に続く結果的な成形済みレーザ・ビーム・プロフィールを示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｂの成形済みレーザ・ビーム・プロフィールに関して導入され得る代表的なレーザ・シールド形態である。
【図４Ａ】図３Ｂの成形済みレーザ・ビーム・プロフィールに関する一つ以上のレーザ・シールドの代表的形態を示す図である。
【図４Ｂ】図３Ｂの成形済みレーザ・ビーム・プロフィールに関する一つ以上のレーザ・シールドの代表的形態を示す図である。
【図５】溶接され得る種々の材料に対する種々の波長における吸収比を示すグラフである。
【図６】本開示内容の実施形態に係る代表的な方法を明らかとするフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
次に、その例が添付図面中に示される本開示内容の好適実施形態に対して詳細な参照が為される。可能である場合は常に、各図を通し、同一もしくは同様の部材を参照すべく同一の参照番号が使用される。
【００４１】
図１Ａは、先行技術の溶接用プロフィールを示す一方、図１Ｂは、図１Ａの溶接用プロフィールを用いて溶接する走査技術を示す概略図である。上述された如く、先行技術システムにおいては、少なくとも５個の熱源点30が使用されており、これは、過剰なエネルギ消費量、ならびに、種々の“ゴースト・ビーム”33の生成に帰着し得る。
【００４２】
図１Ｂに示された如く、図１Ａのプロフィール35を用いて溶接ラインを走査するとき、ゴースト・ビーム33が、溶接されるべき間隙の間を通り、目標物2の内側部分に進入し得ることがあり得る。これは、不都合な効果に繋がり得る。
【００４３】
図１Ｃは、その後に分割されて交差形式の溶接用プロフィール61にて熱源点30を形成する先行技術のガウス・ファイバ・レーザ・ビーム103を示している。斯かるプロフィール61は先行技術において知られているが、斯かるプロフィールは、約50μmのスポットサイズを有するファイバ・レーザを用いて形成される。
【００４４】
図１Ｄは、ファイバ・レーザ・ビーム103を用いて獲得されたのと同様のプロフィールの獲得を試行する上で、(例えば、400μm超などの)更に広幅のスポットサイズを有するガウス・ダイオード・レーザ・ビーム104を分割した結果を例証している。結果的なプロフィール61'は、制限されたスペースにおける溶接に対して概略的に不都合であると共に、とりわけ、エネルギの不均一な分布の故に、溶接されるべき部材の種々の部分に対する損傷に帰着し得る。
【００４５】
図２Ａは、本開示内容の実施形態に従い、上記問題を克服すべく構成された代表的な溶接システム1を示す一方、図２Ｂは、図２Ａに示された溶接システムの近傍における目標物の例示的な表現図である。溶接システム1は、レーザ源3と、コリメータ4と、(例えば、回折的光学素子(DOE)などの)ビーム調節器5と、導向ユニット14と、一つ以上のシールド20と、コントローラ12とを含み得る。当業者であれば、本開示内容の有効範囲から逸脱せずに、更に多いまたは更に少ない構成要素が存在し得ることを理解し得よう。
【００４６】
レーザ源3は、例えばレーザ発振器などの、レーザ・ビームを提供する任意の適切なデバイスを含む。レーザ源3は、(例えば、約600nm〜1,200nm、更に望ましくは800nm〜900nmの)任意の波長、及び、目標物2に関連する材料を溶接するに適したエネルギ・レベルにてレーザ光を提供し得る。例えば、適切なレーザ源は、ダイオード・レーザを含む。
【００４７】
コリメータ4は、選択的に溶接システム1内に配備され得ると共に、レーザ源3により提供されたレーザ光を平行化すべく構成され得る。例えば、レーザ源3により提供されたレーザ光は、(例えば光ファイバなどの)供与媒体を通過して、所望箇所に到達し得る。上記供与媒体を出射すると同時に、レーザ光はコリメータ4を介して平行化されて、望ましくは、例えばビーム調節器5などの付加的な光学素子を通過する前に、各光波を整列させ且つビームを狭幅化し得る。故にコリメータ4は、任意のレンズ、ミラー、または、レーザ光を平行化するための他の適切な素子であり得る。
【００４８】
図３Ａは、ガウス・ダイオード・レーザ・スポット104を示す一方、図３Ｂは、ビーム調節器5によるガウス・ダイオード・レーザ・スポット104の形状変更に続く結果的な成形済みレーザ・ビーム・プロフィール62を示している。ビーム調節器5は、レーザ源3により提供されたレーザ・ビームを、所望の成形済みレーザ・ビーム・プロフィール62へと成形し得る一つ以上の光学素子を備え得る。例えば、ビーム調節器5は、レーザ源3により提供された入射レーザ・ビーム104を、(例えば、矩形状のトップハット(top-hat)、円形のトップハット、正方形のトップハットなどの)トップハット・プロフィールへと成形し得る一つ以上の(例えば回折格子などの)一つ以上の回折的光学素子、及び／または、一つ以上のビーム成形器を備え得る。代表的なビーム調節器5は、TOPAG社によるFBS-ガウス−トップハット集束ビーム成形器(FBS - Gauss- to-Top Hat Focus Beam Shaper)、または、HOLO/OR社からのトップハット成形器(top-hat shaper)から選択され得る。当業者であれば、これらの例は制限的でないこと、及び、他の任意で適切なデバイスが導入され得ることを理解し得よう。
【００４９】
図３Ｃは、ビーム調節器5によるレーザ・ビームの成形に続いて導入され得る代表的なレーザ・シールド形態である。一つ以上のシールド20は、レーザ光を吸収及び／または反射して、成形済みレーザ・ビーム・プロフィールの各部分に関連するレーザ光が目標物2に衝当することを阻止すべく構成され得る。例えば、一つ以上のシールド20は、(例えば、フロック加工紙、遮蔽ゴムなどの)少なくとも一つのレーザ吸収材料を含み得る。これに加え、斯かるレーザ吸収材料は、一つ以上のシールド20の冷却を促進すべく、且つ、それらの耐久性を高めるべく、一層以上の(例えば金属などの)熱吸収／放散材料に対して結合され得る。
【００５０】
一つ以上のシールド20は、ビーム調節器5と光学素子7との間に位置され得る。代替的に、または、これに加え、一つ以上のシールド20は、光学素子7とレンズ17との間に位置され得る。当業者であれば、所望に応じて、レンズ17と目標物2との間にも一つ以上のシールドが位置され得、上記の位置決めは例示的にすぎないことを理解し得よう。
【００５１】
現在の考察において、一つ以上のシールドは、ビーム調節器5と光学素子7との間に配置される。
【００５２】
一つ以上のシールド20は、所望の遮蔽効果を生成する任意の適切な形状で形成され得る。例えば、一つ以上のレーザ・シールド20は、三角形状、矩形状、円形状などであり得る。
【００５３】
幾つかの実施形態に依ると、一つより多いレーザ・シールド20が導入される場合、各レーザ・シールド20は、別のレーザ・シールド20に関して独特の形状であり得る。例えば、第1のレーザ・シールド20は、三角形状である得る一方、第2のレーザ・シールドは矩形状である。代替的に、一つ以上のレーザ・シールド20の全てのレーザ・シールド20が、同一形状であり得る。
【００５４】
当業者であれば、各レーザ・シールド20は、特定の溶接用途に基づいて形状化して導入され得ることを理解し得よう。例えば、ビーム調節器5によりトップハット・プロフィールが生成されるという本開示内容の実施形態に依れば、図３Ｃに示された如く、全体的な成形済みビーム・プロフィールの少なくとも20％を遮蔽すべく、２つのレーザ・シールド20が導入され得る。当業者が理解する様に、この例は限定的であることは意図されない。
【００５５】
一つ以上のレーザ・シールド20は、(例えば、サーボモータ、位置決めデバイスなどを用いて)調節されることで、遮蔽されつつある成形済みレーザ・ビーム・プロフィール62の面積を調節し得る。例えば、溶接作業の間において、一つ以上のシールド20の内の少なくとも一つは、成形済みレーザ・ビーム・プロフィールの面積の少なくとも20％が遮蔽される如く、調節され得る。斯かる調節は、例えば、一つ以上のレーザ・シールド20を、成形済みレーザ・プロフィールを囲繞する所望位置まで回転させる段階、成形されたプロフィール面積の幾分かが、一つ以上のレーザ・シールド20により遮断される如く、一つ以上のレーザ・シールドを径方向に移動させる段階、及び／または、一つ以上のレーザ・シールド20の長手方向位置を、成形済みプロフィールに沿って調節する段階を含み得る。例えば、図３Ｃを参照すると、一つ以上のレーザ・シールド20は径方向に(すなわち、矢印に従って)調節されることで、プロフィール62の大きな面積を遮蔽し得る。
【００５６】
この調節は、現在において溶接が行われつつある位置に基づいて実施され得る。例えば、幾つかの実施形態に依ると、溶接ライン9の一定の箇所にては線形の溶接用プロフィール(図４Ｂ参照)を形成することが有用であり得る一方、溶接ライン9の他の部分にては、交差形状の溶接用プロフィール(図４Ａ参照)が好適であり得る。
【００５７】
図４Ａ及び図４Ｂは、成形済みレーザ・ビーム・プロフィール62に関する一つ以上のレーザ・シールド20の代表的形態を示している。図４Ｂに示された如く、線形プロフィールを形成させるべく、一つ以上のレーザ・シールド20を調節することが可能であり得る。レーザ・ビーム・プロフィール62の進行方向に依存して、斯かる形態によれば、上記線形プロフィールの前端部分は、目標物2の一部を照射して加熱し、目標物2の比較的に広幅の領域にわたる溶融池の形成を開始させ得る。
【００５８】
図４Ａに示された如く、一つ以上のレーザ・シールド20はまた、交差形状プロフィールを形成する様にも調節され得る。この配置構成は、溶接ライン9の好適な閉成及び／またはシールを許容し得ることから、溶接されるべき間隙は、該間隙に沿って移動するプロフィール62の狭幅化性質により効果的に閉じられる。
【００５９】
導向ユニット14は、走査を実施すべく、すなわち、溶接作業を実施するために一本以上の出力レーザ・ビームを所望箇所へと導向することを実施すべく構成される。故に、導向ユニット14は、一本以上のレーザ・ビームを目標物2の溶接ライン9へと、且つ、それに沿って導向すべく構成されたコントローラ12及び一つ以上の光学素子7を含み得る。
【００６０】
重要なこととして、コントローラ12は導向ユニット14に関連して論じられるが、当業者であれば、コントローラ12は、導向ユニット14と一体化され得る(すなわち、単一構造であり得る)か、または、導向ユニット14とは別体的に配備され得ることを理解し得よう。当業者であれば更に、コントローラ12の一部は導向ユニット14と共に存在し得る一方、コントローラ12の他の部分は導向ユニット14から離間した箇所において導入されることを理解し得よう。任意の斯かる構成は、本開示内容により包含されることが意図される。
【００６１】
コントローラ12は、命令を生成して導向デバイス14に対して送信し、所望の溶接作業を達成し得る任意の適切な制御デバイスを備え得る。例えば、コントローラ12は、PIC系コントローラ、RISC系コントローラなどを備え得る。コントローラ12は更に、ネットワークを介して指令を受信すべく、例えば、LAN、WAN、インターネット、セル式などの一つ以上のネットワークと接続すべく構成され得る。
【００６２】
本開示内容の実施形態に依れば、一つの代表的な導向ユニット14とコントローラ12との組み合わせは、例えば、MIRAMOTION(Y-Eデータ社)の如きガルバノスキャナ(Galvanoscanner)を備え得る。この例示的なデバイスは限定的であることは意図されない。
【００６３】
各光学素子7は、例えば、光を操作するに適した一枚以上のミラー、ハーフミラー、レンズ、鏡面化レンズ、ファイバなどを含み得る。例えば、各光学素子7は、入射レーザ光線に対して直交させて光を反射すべくレーザ・ビームに対して45°の角度に位置された第1ミラー8を含み得る。走査ミラー11もまた配備され、第1ミラー8から帰着するレーザ・ビームを、目標物2の溶接ライン9に沿う進行方向Tに導向すべく構成され得る。当業者であれば、記述された構成は例示的にすぎないこと、及び、更に多いまたは更に少ない光学的構成要素7が存在し得ることを理解し得よう。例えば、出力レーザ・ビームを集束すべく、一枚以上のレンズ17、及び、保護カバーが存在し得る。
【００６４】
これに加え、導向ユニット14は、自動化様式で光学素子7及び／またはレーザ・シールド20を操作すべく設計された一つ以上の要素を備え得る。例えば、溶接の間において所望の遮蔽及び／または走査動作を実施するために、(不図示の)一つ以上のサーボモータが配備されると共に、該モータは、(例えば走査ミラー11などの)光学素子7及び／または一つ以上のシールド20を回転及び／または別様に操作すべく構成され得る。
【００６５】
本明細書において開示されるシステム及び方法は、任意の適切な材料を溶接すべく使用され得る。図５は、溶接され得る種々の材料に対する吸収比を示す例示的なグラフである。理解され得る如く、ダイオード・レーザにより放出される波長における略々２倍の吸収量に基づくと、本開示内容に対しては、アルミニウム溶接が特に良好に適合され得る。これは、相当のコスト節約に帰着し得る、と言うのも、適切な波長にて更に大きな吸収比を有する材料を溶接するために使用されるエネルギが減少され得るからである。
【００６６】
図６は、本開示内容の実施形態に係る代表的方法を記述するブロック図600である。本開示内容にの方法に依れば、レーザ・ビームは、溶接システム1内に導入されたビーム調節器5に基づいて成形され得る(ステップ605)。例えば、トップハット・ビーム調節器が導入された場合、トップハット・レーザ・プロフィール62が生成され得る。
【００６７】
コントローラ12は次に、一つ以上のシールド20を調節し、更に成形されて遮蔽されたレーザ・プロフィールを形成し得る(ステップ610)。
【００６８】
コントローラ12は次に、走査溶接作業を実施するために、成形かつ遮蔽されたプロフィール62を、目標物2の溶接ライン9の進行方向Tに沿って走査開始し得る(ステップ615)。
【００６９】
プロフィール62を用いた走査の間において、且つ、例えば、プロフィール62の形状、目標物2の形状などの如き要因に依存し、一つ以上のシールド20に対する調節が好適であり得る(ステップ620)。例えば、目標物2の溶接ラインに沿って段部が存在するとき、目標物2の形状の変化に対処すべくプロフィール62を改変することが好適であり得ると共に、コントローラ12はそのとき、一つ以上のシールド20に対する調節を引き起こし得る。当然乍ら、当業者であれば、他の任意で適切なプロフィールが使用され得ることを理解し得よう。そのとき、走査は継続し得、プロフィール62は、所望に応じて改変されることで、溶接ラインに沿って遭遇する種々の形状に対処する。
【００７０】
本開示内容のシステム及び方法を実施する付加的な利点は、目標物2の不都合な領域にゴースト・ビームが進入することが阻止される得ることから、外因的な損傷のリスクが相当に減少されることである。
【００７１】
当業者であれば、本明細書中に記述された構造及び方法に対して変更が為され得ることを理解し得よう。例えば、好適実施形態は、２つの形態の熱源点集合60及び60'を用いて論じられてきたが、当業者であれば、溶接作業に依存して、３つ、４つ、または、それより多い形態の熱源点集合が導入され得ることを理解し得よう。
【００７２】
これに加え、本明細書中に記述された各実施形態は概略的に、２個のレーザ・シールド20に対する参照を含んできた。しかし、当業者であれば、上記の開示内容は、３個、４個、５個、及び、更に多数のレーザ・シールド20が導入される場合において等しく適用可能であることを理解し得よう。
【００７３】
各請求項を含む上記記述の全体にわたり、“備える”という語句は、別様に述べられるのでなければ、“少なくとも一つの〜を備える”と同義であると理解されるべきである。これに加え、各請求項を含め、上記記述において示された一切の範囲は、別様に述べられるのでなければ、その単一もしくは複数の限界値を含むと理解されるべきである。記述された要素に対する特定の値は、当業者に既知である是認された製造もしくは業界の許容範囲内であると理解されるべきであり、且つ、“実質的に”及び／または“約”及び／または“概略的に”という語句の一切の使用は、斯かる是認された許容範囲内に収まることを意味すると理解されるべきである。
【００７４】
一切の国家的な、国際的な、または、他の規格団体の規格(例えば、ISOなど)参照される場合、斯かる参照は、本明細書の優先日の時点でその国家的もしくは国際的な規格団体により定義された規格を参照することが意図される。斯かる規格に対する一切の次続的で実質的な変更は、本開示内容及び／または各請求項の有効範囲及び／または定義を変更することは意図されない。
【００７５】
本明細書における本開示内容は、特定実施形態に関して記述されてきたが、これらの実施形態は、本開示内容の原理及び用途を例示するにすぎないことは理解されるべきである。
【００７６】
明細書及び各実施形態は、例示的にすぎないと見做されるべきであり、本開示内容の真の有効範囲は以下の各請求項により表されることが意図される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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