(57)【要約】  本発明は、溶接装置（１）に関する。この溶接装置（１）は、接合領域（５）において第１部材と少なくとも１つの第２部材とを溶接するための入熱を行うエネルギー源（４）、例えばレーザ放射源と、溶接工程におけるプロセス放射（１０）を検出するセンサ（８）とを備えている。本発明によれば、このセンサ（８）は測定プローブ（７）を含んでいる。さらに、本発明は溶接方法にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合領域（５）で第１部材（２）と少なくとも１つの第２部材（３）とを溶接するための入熱を行うエネルギー源（４）、例えばレーザ放射源と、
溶接工程におけるプロセス放射（１０）を検出するセンサ（８）と
を備えている溶接装置において、
前記センサ（８）は測定プローブ（７）を含んでいる、
ことを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
前記第１部材（２）及び／又は第２部材（３）は、管状に有利には周囲が閉じた形状に形成されており、
前記測定プローブ（７）は、前記第１部材（２）及び／又は第２部材（３）に挿入されているか、及び／又は挿入可能であり、溶接工程におけるプロセス放射（１０）が前記第１部材（２）及び／又は第２部材（３）の内部、特に内部周縁で検出される、請求項１記載の溶接装置。
【請求項３】
測定軸（１１）は、前記測定プローブ（７）の長手方向軸に対して、約１０°と約１７０°との間、有利には約３０°と約１５０°との間、特に有利には約５０°と約１３０°との間、更に有利には約７０°と約１１０°との間の角度範囲の角度で配置されている、請求項１又は２記載の溶接装置。
【請求項４】
前記第１部材（２）と第２部材（３）とは、前記測定プローブ（７）とエネルギー源（４）とに対して回転可能に配置されている、請求項１から３のいずれか１項記載の溶接装置。
【請求項５】
前記センサ（８）は、前記プロセス放射（１０）を検出するセンサ素子（１３）、例えばフォトダイオード又はフォトダイオードアレーを含んでいる、請求項１から４のいずれか１項記載の溶接装置。
【請求項６】
前記センサ素子（１３）は、前記測定プローブ（７）の、前記接合領域（５）に隣接して配置された放射受光部分（９）に配置されており、センサ信号は無線で評価回路（１５）に導かれているか、又は前記測定プローブ（７）の棒状部分（１６）に沿って、例えば少なくとも１つのケーブルによって評価回路（１５）に導かれているか、又は
前記センサ素子（１３）は、前記放射受光部分（９）から離隔して配置されており、前記プロセス放射（１０）は、前記棒状部分に沿って評価回路（１５）に導かれている、請求項５記載の溶接装置。
【請求項７】
前記棒状部分（１６）に沿って前記プロセス放射（１０）を導く少なくとも１つの光ファイバー（１７）が設けられている、請求項６記載の溶接装置。
【請求項８】
前記棒状部分（１６）は、該棒状部分（１６）に沿って前記プロセス放射（１０）を導くために、例えば内部を反射コーティングした光導体（１９）として又は、有利には中実のガラス棒として又は、例えば金属製若しくはガラス製の中空体として形成されている、請求項６又は７記載の溶接装置。
【請求項９】
前記放射受光部分（９）に放射偏向装置（２２）が配置されている、請求項６から８のいずれか１項記載の溶接装置。
【請求項１０】
前記棒状部分（１６）の長手方向の伸びは、５ｃｍより大きい、有利には１０ｃｍより大きい、特に有利には１５ｃｍより大きい、更に有利には２０ｃｍより大きい、請求項６から９のいずれか１項記載の溶接装置。
【請求項１１】
前記エネルギー源（４）の出力は、前記センサ（８）によって測定されるプロセス放射（１０）、例えばプロセス放射強度に依存して調節可能である、請求項１から１０のいずれか１項記載の溶接装置。
【請求項１２】
エネルギー源（４）によって、接合領域（５）で第１部材（２）と少なくとも１つの第２部材（３）とを溶接するための入熱を行い、
センサ（８）によって、溶接工程におけるプロセス放射（１０）を検出する
溶接方法において、
前記センサ（８）は測定プローブ（７）を含んでいる、
ことを特徴とする溶接方法。
【請求項１３】
前記第１部材（２）及び／又は第２部材（３）を、管状に有利には周囲が閉じた形状に形成しており、
前記測定プローブ（７）を、前記第１部材（２）及び／又は第２部材（３）に挿入し、溶接工程におけるプロセス放射強度を、前記第１部材（２）及び／又は第２部材（３）の内部、特に内部周縁で検出する、請求項１２記載の溶接方法。
【請求項１４】
前記第１部材（２）と第２部材（３）とを、前記測定プローブ（７）とエネルギー源（４）とに対して回転可能に配置する、請求項１２又は１３記載の溶接方法。
【請求項１５】
前記エネルギー源（４）のエネルギー出力を、前記センサ（８）によって測定されるプロセス放射（１０）、例えばプロセス放射強度に依存して調節する、請求項１２から１４のいずれか１項記載の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念を有する、少なくとも２つの部材を溶接する溶接装置と、請求項１２の上位概念を有する溶接方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接する場合、とりわけ自動車部品及び自動車部品メーカーの部品（Automobilzuliefererkomponenten）をレーザ溶接する場合、例えば溶接深さ、溶接面積及び溶接幅等のような溶接特性パラメータを再現可能にすることは、しばしば小さなプロセスウィンドウでしか可能ではない。とりわけ、この問題点は、細い継手をレーザ溶接するときに、又は太い継手を細い継手に接合させるときに、すなわち、細い接合相手を貫通することなく、太い接合相手を細い接合相手に溶接して固定すべき場合に生じる。
【０００３】
ＤＥ１０２００４０５０１６４Ａ１からは、レーザエネルギを調節するために、センサ（パイロメータ）によって検出された処理温度と相関する、部材裏面でのプロセス放射を制御量として考慮する方法が公知である。この場合、溶接深さは部材裏面でのプロセス放射（温度放射）と相関することと、閉ループを形成することとが前提となる。しかしながら、基本的に、この方法は、溶接工程において、部材裏面の、今日の一般的な光学センサが進入可能な場所でのみ使用される。これに対して、従来のセンサは進入性が限られているので、この方法は、凹部、細い継手等では利用することができない。
【０００４】
発明の開示
本願発明の課題は、凹部、細い継手、周囲が閉じた形状の部材等でも溶接工程におけるプロセス放射を問題なく検出できる溶接装置を提案することである。これは、とりわけ、エネルギー源の出力を調節して入熱を行うためである。さらに、前記課題は、上記溶接装置に対応する最適な溶接方法を提供することでもある。
【０００５】
前記課題は、請求項１の特徴部分を有する溶接装置によって、並びに、請求項１２の特徴部分を有する溶接方法によって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。本発明の枠内に、明細書、請求項及び／又は図面で開示した少なくとも２つの特徴の組合せ全てが含まれている。繰り返しを避けるために、装置により開示された特徴は方法により開示された特徴と見なし、請求できる。同様に、方法により開示された特徴も装置により開示された特徴と見なし、請求できる。
【０００６】
本発明の着眼点は、光学センサ素子を先端部に備えた従来のセンサが、その寸法のせいで、凹部、継手のような周囲が閉じた形状の部材等への挿入には適しておらず、なおのことラジアル方向における測定には適してはいなかったことにある。上述した部材の場合でも問題なく温度検出ないしは温度と相関する溶接工程におけるプロセス放射の検出を、有利にはエネルギー源とは反対側で可能にするために、本願発明は、有利にはパイロメータとして形成されるセンサが測定プローブを含むか又は、有利には測定プローブとして形成されることを提案する。本発明では、測定プローブとは、例えば棒状で有利には細い、つまり小さな半径を有する、長手方向に伸びている形態であると理解されたい。この形態は、センサを少なくとも部分的に凹部、周囲が閉じた部材等へ挿入することを可能にし、それによってプロセス放射、例えばプロセス放射強度を内側で検出することを可能にする。この場合、エネルギー源が外側に、有利には常に部材の、測定プローブと同じ周辺位置（Umfangsposition）に存在すると、特に有利である。更に、溶接装置の１つの実施形態において、この溶接装置がレーザ溶接装置として形成され、またエネルギー源もレーザ放射源として形成されると有利である。本発明による溶接装置は、周縁溶接シームの形成にもスポット溶接にも使用してもよい。
【０００７】
また、溶接装置の１つの実施形態において、第１部材及び／又は第２部材は管状、有利には周囲が閉じた形状で形成されているので、溶接工程における温度を検出するために、測定プローブの長手方向の伸びに沿って両部材のうちの少なくとも１つに測定プローブを挿入する必要がある。これによって、有利には、両部材のうちの少なくとも１つの内部、特に両部材のうちの少なくとも１つないしは部材の組の内部周縁（内面）で、溶接工程における温度を検出することができる。さらに、溶接装置の１つの実施形態は特に有利であるのは、少なくとも２つの部材が互いに異なる厚さの伸びを有していると特に有利であり、ここで有利には、特にラジアル方向の厚さの伸びのより大きな部材をより細い部材の外側に配置して、より細い部材がエネルギー源、例えばレーザ放射源によって外側からより太い部材を通り加熱されるようにしている。測定プローブ状のセンサによって、後で更に説明するように、とりわけ、エネルギー源の出力をプロセス放射及びそれに伴う溶接工程における温度に依存して調節すると、該溶接工程においてより細い部材を貫通しないようにすることができる。換言すると、有利には、センサにより検出されるプロセス放射は、エネルギー出力、エネルギー源例えばレーザ放射源を調節するための制御量である。
【０００８】
本発明の発展形態では、測定プローブの長手方向の伸びに対して横方向つまりラジアル方向で溶接工程における温度を検出可能にするために、利点として、測定軸（測定方向）が測定プローブの長手方向軸に対して角度をもって配置されるようにしている。この測定軸は、いわゆる「ホットスポット」つまり最も高温の個所と、測定プローブ有利には測定プローブの光学センサ素子とを結ぶ真っ直ぐな線である。更に有利には、測定軸はこのようなセンサの面の伸びに対して垂直である。この場合有利には、測定軸は、測定プローブの長手方向軸に対して、約１０°と約１７０°との間、有利には約３０°と約１５０°との間、特に有利には約５０°と約１３０°との間、更に有利には約７０°と約１１０°との間の角度範囲の角度で配置されている。大抵の適用では、測定軸が少なくとも近似的に測定プローブの長手方向の伸びに対して垂直に配置されるか、又は、測定プローブの長手方向軸に対する測定軸のこのような姿勢が得られるように測定プローブが形成されると有利である。更に、測定軸が少なくとも近似的にエネルギー源のレーザ放射の長手方向軸に一致すると有利である。
【０００９】
本発明の発展形態では、利点として、第１部材と第２部材とが測定プローブとエネルギー源とに対して回転可能に配置されるようにしている。この場合、第１部材と第２部材とが固定された測定プローブと固定されたエネルギー源とに対して一緒に回転することができる。また、両部材を定置的に配置して、測定プローブとエネルギー源とが共に回転するようにしてもよい。さらに、上述の部分の全てが回転する実施形態も実現可能である。有利には、測定プローブの少なくとも検出範囲は、エネルギー源ないしはそこから放射されたレーザ放射と同じ両部材の周辺位置にいつでも位置する。
【００１０】
プロセス放射及びそれに伴う溶接領域の温度を検出するために、センサは有利には、少なくとも１つのセンサ素子、例えばフォトダイオード又はフォトダイオードアレーを含んでいる。
【００１１】
上述したセンサ素子、例えば少なくとも１つのフォトダイオードの配置に関して、種々の可能性がある。したがって、少なくとも１つのセンサ素子は、例えば測定プローブに直接配置してもよいし、有利には測定プローブの前方領域に配置してもよいし、特に有利には測定プローブの放射受光部分に配置してもよい。すなわち、この少なくとも１つのセンサ素子は測定プローブの部分に配置されるのである。この測定プローブの部分は、溶接装置の動作中、両部材の接合領域に隣接して配置されており、熱放射を有利には前もって偏向させずに直接検出することができる。この少なくとも１つのセンサ素子をこのように配置する場合には、センサ素子からのセンサ信号は、放射受光部分から離れている評価回路まで無線で伝送することができる。しかしながら、ケーブル接続線を介して伝送するのが望ましく、この場合、ケーブル接続線は、測定プローブの放射受光部分に隣接する測定プローブの棒状部分に沿って外部へガイドされている。
【００１２】
代替的な実施形態によれば、センサ素子は測定プローブの放射受光部分から離隔して配置されており、棒状部分に沿ってセンサ信号が伝送されるのではなく、センサ素子により検出すべきプロセス放射が伝搬されるのである。測定プローブの棒状部分の長手方向の伸びが、５ｃｍより大きい、有利には１０ｃｍより大きい、特に有利には１５ｃｍより大きい、更に有利には２０ｃｍより大きいと、部材深度が大きい場合であっても溶接工程における温度を容易に検出することができるので、特に有利である。
【００１３】
上述した実施形態のために、棒状部分に及び／又は棒状部分内に、放射受光部分からセンサ素子まで放射を導く少なくとも１つの光ファイバー（光導体）が設けられている。
【００１４】
付加的に、又は、代替的に、棒状部分は直接、例えば棒状の導体をガラス棒として設計することによって光導体として形成されてもよい。この場合、ガラス棒は、内部で強く反射するようにコーティングされた中空体、例えば中空シリンダとして設計されていてもよいし、又は、外部で強く反射するようにコーティングされた中実のガラス棒として設計されていてもよい。少なくとも棒状部分の測定プローブがガラス棒として形成されていることによって、光導体自体が測定プローブの機械的機能を引き継ぐので、機械的な安定化処理を省くことができるという利点が得られる。ガラス棒は、この場合検出すべきプロセス放射の波長に適合させることができ、有利には光をガラス棒内部に留めるように反射コーティングされている。ガラス棒の頂部、つまり放射受光部分の領域には、有利には研磨したレンズ面を取り付けることができる。このレンズ面は有利には反射コーティングされておらず、これによって、「ホットスポット」からできる限り多くのプロセス放射が捕捉され、ガラス棒内に入射される。有利には、ガラス棒の、放射受光部分とは反対側の端部に、上述したセンサ並びに場合によっては少なくとも１つの光学フィルタが設けられている。有利には、ガラス棒が中空体として形成された形態では、放射は空気中を伝搬することができる。ガラスは常に波長に依存する吸光係数を有するので、測定プローブが中空の形態では所定の波長の強度が減衰又はブロックされるのが阻止される。これによって、電磁的プロセス放射がＵＶ領域又はそこから離れているＩＲ領域において観察されると特に有利である。なぜならば、これらの領域ではガラスは一般的に透過性ではないためである。
【００１５】
とりわけ、１つの実施形態において、測定プローブの放射受光部分に放射偏向装置、例えば鏡が設けられており、この鏡によって、例えば側面で検出された放射が少なくとも近似的に測定プローブの長手方向に伸びる方向に偏向可能であると有利である。
【００１６】
溶接装置の１つの実施形態において、冒頭で示したように、エネルギー源の出力がセンサにより測定されるプロセス放射及びその温度に依存して調節可能であると特に有利である。有利には、評価装置が調節し、有利には同時に制御するようにエネルギー源に影響を及ぼす。
【００１７】
さらに、本発明は溶接方法を提案する。この本発明による方法は、センサが測定プローブの形態で形成されるか又は測定プローブを含んでおり、とりわけエネルギー源の出力を調節する目的で、溶接工程におけるプロセス放射を凹部ないしは周囲が閉じた形状の部材の場合でも部材の内側から検出できるようにすることを特徴としている。
【００１８】
本発明の更なる利点、特徴及び細部は、次の有利な実施例の記載から、並びに図面に基づいて明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】測定プローブを備えたセンサと、従来技術による従来のセンサとを対比として概略的に示した図
【図２】センサ信号が棒状部分を通して導かれる、測定プローブとして形成されたセンサを備えた溶接装置を代替的に示した図
【図３】測定プローブ状のセンサを備えた溶接装置の代替的な実施形態であり、検出されたプロセス放射が測定プローブの管状部分の光ファイバーを通り導かれている様子を示した図
【図４】測定プローブ状のセンサが設けられた、溶接装置の別の代替的な実施形態であり、このセンサの測定プローブ自体が光ファイバー、例えば反射コーティングされた中実のガラス棒又は反射コーティングされた金属製の中空体として形成されていることを示した図
【図５】測定プローブの放射受光部分に放射偏向装置が設けられている、溶接装置の別の代替的な実施形態を示した図
【００２０】
図１には、溶接装置１が示されている。この溶接装置１は、キャップ状の第１部材２及び管状の第２部材３を含んでいる。これらの部材２，３は、エネルギー源４ここではレーザ放射源によって、接合領域５において互いに溶接される。ここでは、接合領域５の内側のより薄い壁の部材が、外側の部材３を通してレーザ放射６によって溶接される。溶接工程における温度と相関するプロセス放射を監視するために、測定プローブ７を含むセンサ８が設けられている。測定プローブ７は、部材２の内部周縁において溶接工程におけるプロセス放射を検出することができる。このような温度検出は、図平面の右に示した従来技術のパイロメータ１００では可能ではない。というのは、このパイロメータ１００は管状部材３には挿入することができないために、軸方向でしか温度を測定できず、ないしは熱放射を受光することができないためである。
【００２１】
測定プローブ７は、図平面の左に配置された先端の放射受光部分９を含んでいる。放射受光部分９に溶接工程におけるプロセス放射１０が直接捕捉されている。重要な点は、（仮想の）測定軸１１、ここでは測定スポット１２とセンサ素子１３（フォトセンサ）とを結ぶ真っ直ぐな線が長手方向の伸び、つまり測定プローブ７の長手方向軸Ｌに対して垂直に伸びていることである。例えばフォトダイオード又はフォトダイオードアレーとして形成されたセンサ素子１３は、上述した測定プローブ７の先端の放射受光部分９に設けられている。センサ素子１３は、ケーブル接続線１４を介して、部材２，３の外側に配置された評価装置１５に信号接続されている。ケーブル接続線１４は、測定プローブ７の棒状部分１６によってその軸方向で評価装置１５にガイドされている。評価回路１５は、同時に調節装置としても形成されており、検出されたプロセス放射の強度に依存してエネルギー源４の出力を調節し、有利には内側の部材２を溶接により貫通しないようにする。
【００２２】
図示した実施例では、エネルギー源４と、センサ８の測定プローブ７とは定置的に配置されており、部材２，３はその長手方向軸を中心として回転される。測定スポット１２は、エネルギー源４の出力の精確な調節を可能にするように、いつでも「ホットスポット」の下方に位置決めされなければならない。代替的に、部材を回転させることに加えて又は代替的に、測定プローブ７及びエネルギー源４を回転させてもよいし、又はさらに代替的にはレーザ放射６のみを回転させてもよい。この場合、測定軸１１の測定スポット１２（点）がいつでも「ホットスポット」の下方に直接位置するように、レーザ放射６と測定プローブ７とを同期させるように動かすことに注意する必要がある。
【００２３】
図１による溶接装置は、必要なときには、図示されていない光学フィルタを含むことができ、この光学フィルタを介して検出すべきスペクトル領域を測定のために選択することができる。付加的に又は代替的に、相応の光学システム、例えば「ホットスポット」（溶接位置の下方の最も高温のポイント）にフォーカスするためのレンズ又はレンズ構造を設けてもよい。
【００２４】
図２には、同様に構成された溶接装置１が示されている。図を見易くするために、エネルギー源４並びに評価回路１５の表示が省かれたものであることがわかる。ここでわかるのは、センサ素子１３が測定プローブ７の先端の放射受光部分９に配置されているということである。センサ素子１３の電気信号を評価回路１５に導くためのケーブル接続線１４は、測定プローブ７の棒状部分１６によってガイドされている。
【００２５】
図３には、溶接装置１の別の代替的な実施形態が示されている。ここでは、測定プローブ７は光ファイバー１７、例えばグラスファイバーを備えている。ここでは、光ファイバー１７の前端面１８は測定プローブ７の長手方向軸Ｌに平行であり、このことから、長手方向軸Ｌに対して測定軸１１は垂直を向くことになる。換言すると、光ファイバー１７は、測定プローブ７の長手方向軸Ｌに対してラジアル方向の放射１０を受光可能なように配置されている。
【００２６】
光ファイバー１７は、測定プローブ７の先端の放射受光部分９から始まって、測定プローブ７の棒状部分１６の端部に配置されたセンサ素子１３まで延在している。棒状部分１６は、図１と同様の評価装置１５に信号接続されている。この光ファイバー１７は、図示の構造において受光角に応じて温度放射を集め、光ファイバー１７内部で場合によっては図示されていないフィルタリングを通り例えばフォトダイオードなどのセンサ素子１３まで温度放射をガイドする。必要な場合には、光ファイバー１７は、図示されていない例えば少なくとも１つのレンズなどの光学的構造物を前端面１８の領域において用いることにより、精密にフォーカスすることができる。付加的に、又は、代替的に、スペクトル領域を選択する光学フィルタを設けてもよい。この光学フィルタは、有利には、放射受光部分９に、詳細には光ファイバー１７の前端面１８の領域に配置されている。さらに、適切にドーピングすることによって、つまり光ファイバー１７の光学特性を変化させることによって、光学的フィルタリングを既に光ファイバー１７の内部で既に行っていてもよい。
【００２７】
図４には、溶接装置１の別の代替的な実施例が示されている。ここで使用される測定プローブ７自体が光導体１９として形成されている。換言すると、光導体１９は測定プローブ７の機械的な支持機能ないしは保持機能を果たしている。図４に示した実施例では、測定プローブ７は、所望に検出すべきプロセス放射の波長に合わせた中実のガラス棒である。このガラス棒は、反射コーティング部２０で反射コーティングされており、つまり、強く反射するように形成されているので、光がガラス棒内部に留まるようにしている。測定プローブ７の放射受光部分９を成す部分は、研磨されたレンズ面２１を備えており、反射コーティングされていないことによって、可能な限り多量の温度放射が測定スポット１２から捕捉され、ガラス棒内に入射するようにしている。測定プローブ７ないしはガラス棒の、放射受光部分９とは反対側の端部には、例えばフォトダイオードなどのセンサ素子１３が配置されている。また、そこに設けられる光学フィルタも図示されていない。
【００２８】
代替的な実施形態を実現してもよく、この実施形態では、ガラス棒が中実体からなるのではなく、有利には円筒状の中空体として形成されている。この場合、ガラス棒の内面は、観察すべき放射のために強く反射するようにコーティングする必要がある。この実施形態が有利であるのは、プロセス放射が空気中を伝搬可能な点にある。ガラスは常に波長に依存する吸光係数を有するので、測定プローブ７の形態では所定の波長の強度が減衰又はブロックされるのが阻止される。
【００２９】
図示されていない別の代替的な実施形態によれば、ガラスシリンダの代わりに金属シリンダ（中空の金属棒）を使用してもよく、この金属シリンダも、既に説明した同様の機能を満たし、内部周縁で強く反射するようにコーティングされている。
【００３０】
図５には、溶接装置１が概略的且つ簡素化された別の形態で示されている。この溶接装置１は、光導体１９と、放射受光部分９における光導体１９の一端面に配置された放射偏向装置２２とを含んでいる。ここでは、放射偏向装置２２は、測定スポット１２から放射されたプロセス放射１０を測定プローブ７内に偏向する鏡の形態で示されている。図示した実施例では、測定軸１１が測定プローブ７の長手方向軸Ｌに対して角度をもって、ここでは約９５°の角度で配置されているということがわかる。
【００３１】
さらに図５を参照すると、受光されたプロセス放射１０をフォーカスするために、放射受光部分９に直接隣接してレンズ２３が設けられていることがわかる。
【００３２】
測定プローブ７の他端面には、測定プローブ７の棒状部分１６を通ってガイドされたプロセス放射を受光するための光学センサ１３が設けられている。センサ素子１３は、先に説明した実施例の場合のように、評価装置１５に信号接続されている。評価装置１５は同時に、図を見易くするために図５には示していないエネルギー源の出力を調節するための調節装置でもある。
【図１】
2012512031.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2012512031.tif 000007
【国際調査報告】
2012512031.tif 000008
2012512031.tif 000009
2012512031.tif 000010
2012512031.tif 000011
2012512031.tif 000012
2012512031.tif 000013