JP2012525980A - レーザービームを用いて溶接するレーザー溶接システムおよびレーザー溶接方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザービームの供給源（１）と、レーザービームを平行にするように適合されたコリメータ（２）と、平行にされたレーザービームを被溶接物（４）上の集中点に集束するように適合された集束手段（３）とを備える、レーザー溶接システムに関する。均質な溶接領域を可能にするため、コリメータ（２）と集束手段（３）との間に光学素子（５）が配置され、光学素子は、平行レーザービームの軸線に対してある角度で延びる第１の方向に沿ってレーザービームの出力分布を拡散させるように適合される。代替の解決策によれば、光学素子（５）はレーザービームの供給源（１）とコリメータ（２）との間に配置される。

Description

本発明は、レーザービームの供給源と、レーザービームを平行にするように適合されたコリメータと、平行にされたレーザービーム（以下、「平行レーザービーム」という）を被溶接物上の集中点（concentrated point）に集束するように適合された集束手段とを備えるレーザー溶接システムに関する。さらに、本発明はまた、それに対応する、レーザービームを用いた溶接方法に関する。

レーザービームを用いた溶接方法は、異なる被加工物を互いに接合するのに使用される溶接方法である。レーザービームは、薄く深い溶接線を可能にする集中熱源（concentrated heat source）を提供する。レーザー溶接プロセスは、多くの場合、例えば自動車産業など、大量生産に関連する用途で使用される。

使用されるレーザービームは、一般的には約１ＭＷ／ｃｍ^２の範囲の出力密度を有する。したがって、レーザービームの集中熱によって影響を受けるのは小さい領域である。レーザービームの幅は、例えば０．２ｍｍ〜１３ｍｍであるが、溶接プロセスにはより狭い幅が使用される。レーザービームによって放射される熱の浸透深さは、供給される出力量に比例し、合焦点の場所にも依存する。合焦点が最適に設定してあれば、最大の浸透（penetration：溶け込み）が得られる。

用途に応じて、連続レーザービームまたはパルスレーザービームを使用することができる。例えばカミソリ刃などの薄い材料を互いに溶接するのには、ミリ秒長のパルスが使用され、一方で、連続レーザーシステムは深い溶接線に使用される。

レーザー溶接方法は、例えばカーボン鋼、高級鋼、アルミニウム、チタン、およびプラスチックを溶接することができる広範なプロセスである。溶接速度は放射される出力量に比例するが、被加工物の種類および厚さに依存する。ガスレーザーは高性能であるため、大量生産用途に特に適している。

既知のレーザー溶接プロセスでは、プラスチック板、フィルム、および射出成形部品は、鋭く集束されたレーザービームによって溶接され、逐点法（point-by-point manner）で集束されたレーザービームが、プラスチック材料を溶接または溶融するのに使用される。溶接線の進行は、レーザービームのプログラム可能なビームガイド（beam guide）または被加工物の移動によって実現される。

しかし、強度のガウス分布によって非均一な溶融が起こるので、ビーム強度の分布は、逐点法で集束されたレーザービームを使用する平面接続の欠点である。

図１は、従来技術によるレーザー溶接システムの処理光学系によって発生するレーザービームのガウス出力分布のプロファイルを示す。この種の出力分布では、エネルギーの大部分、約９０％が、ホット・スポットとして知られる中央に存在する。この種のレーザービームは、もっぱら逐点レーザー溶接を可能とする。

すなわち、溶接スポットの位置を非常に精密に決定しなければならないため、溶接スポットの一部のみが強度に寄与し、この種のレーザー溶接プロセスは特にエラーを起こしやすい。溶接スポットの位置が良くない場合、不都合なエネルギー入力が得られることになる。それに加えて、例えば、ばね鋼を溶接しなければならない場合、溶接スポットの位置が良くないことが、ばね鋼上の溶接スポットの焼損につながる恐れがある。

本発明は、均質な溶接領域が得られるようにする、レーザー溶接システムおよびレーザービームを用いた溶接方法を開示することを目的とする。

この目的は、独立請求項の主題によって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項の主題を形成する。

本発明の一実施形態によれば、レーザー溶接システムは、レーザービームの供給源と、レーザービームを平行にするように適合されたコリメータと、被溶接物上の集中点に平行レーザービームを集束するように適合された集束手段とを備える。コリメータと集束手段との間には光学素子が配置され、光学素子は、平行レーザービームの軸線に対してある角度で延びる第１の方向に沿ってレーザービームの出力分布を拡散させるように適合される。

本発明の好ましい一実施形態によれば、二焦点素子が、光学素子とコリメータとの間に配置される。

本発明の好ましい一実施形態によれば、二焦点素子が、光学素子と集束手段との間に配置される。

本発明の一実施形態によれば、レーザー溶接システムは、レーザービームの供給源と、レーザービームを平行にするように適合されたコリメータと、被溶接物上の集中点に平行レーザービームを集束するように適合された集束手段とを備える。レーザービームの供給源とコリメータとの間には光学素子が配置され、光学素子は、平行レーザービームの軸線に対してある角度で延びる第１の方向に沿ってレーザービームの出力分布を拡散させるように適合される。

本発明の好ましい一実施形態によれば、第１の方向は平行レーザービームの軸線に対してほぼ垂直に延びる。本発明の好ましい一実施形態によれば、二焦点素子が、コリメータと集束手段との間に配置される。

本発明の好ましい一実施形態によれば、光学素子は、被溶接物上の少なくとも２つの点にレーザービームの出力分布を拡散させるように適合され、上述した少なくとも２つの点は好ましくは連続して配置される。

本発明の好ましい一実施形態によれば、光学素子は、被溶接物上の少なくとも１つの線に沿ってレーザービームの出力分布を拡散させるように適合される。

本発明の好ましい一実施形態によれば、光学素子は、被溶接物上の少なくとも２つの線に沿ってレーザービームの出力分布を拡散させるように適合され、上述した少なくとも２つの線は連続して配置される。

本発明の好ましい一実施形態によれば、光学素子は、上述した第１の方向および第２の方向に沿ってレーザービームの出力分布を拡散させるように適合される。第２の方向は、平行レーザービームの軸線および第１の方向に対してある角度で延びる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、第２の方向は、平行レーザービームの軸線および第１の方向に対してほぼ垂直に延びる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、光学素子は、被溶接物上の立方形、長方形、台形、楕円形、または環状のパターンのうち、少なくとも１つにしたがって、レーザービームの出力分布を拡散させるように適合される。

本発明の好ましい一実施形態によれば、光学素子はマイクロレンズの配列である。

本発明の好ましい一実施形態によれば、光学素子は回折光学素子である。

本発明の一実施形態によれば、レーザービームを用いる溶接方法は、レーザービームを発生させるステップと、コリメータを用いてレーザービームを平行にするステップと、被溶接物の集中点に集束手段を用いて平行レーザービームを集束させるステップとを含む。この溶接方法では、レーザービームの出力分布を平行レーザービームの軸線に対してある角度で延びる第１の方向に沿って拡散させるため、平行レーザービームはコリメータと集束手段との間の光学素子を通過する。

本発明の一実施形態によれば、レーザービームを用いる溶接方法は、レーザービームを発生させるステップと、コリメータを用いてレーザービームを平行にするステップと、被溶接物の集中点に集束手段を用いて平行レーザービームを集束させるステップとを含む。この溶接方法では、レーザービームの出力分布を平行レーザービームの軸線に対してある角度で延びる第１の方向に沿って拡散させるため、発生させたレーザービームはレーザービームの供給源とコリメータとの間の光学素子を通過する。

以下、添付図面に示される構成に基づいて、本発明を詳述する。図中、本発明によるレーザー溶接システムと同様の、またはそれに対応する要素には同じ参照番号が付される。

図１は、レーザービームのガウス出力分布のプロファイルを示す図である。 図２は、本発明の一実施形態によるレーザー溶接システムの処理光学系を通過した後のレーザービームの出力分布のプロファイルを示す図である。 図３は、本発明のさらなる一実施形態によるレーザー溶接システムの処理光学系を通過した後のレーザービームの出力分布のプロファイルを示す図である。 図４は、本発明によるレーザー溶接システムの第１の実施形態による処理光学系の概略図である。 図５は、図４に示した処理光学系を通過した後のレーザービームの出力分布のプロファイルを示す図である。 図６は、本発明によるレーザー溶接システムの第２の実施形態による処理光学系の概略図である。 図７は、図６に示した処理光学系を通過した後のレーザービームの出力分布のプロファイルを示す図である。 図８は、本発明によるレーザー溶接システムの第３の実施形態による処理光学系の概略図である。 図９は、図８に示した処理光学系を通過した後のレーザービームの出力分布のプロファイルを示す図である。

図２は、本発明の一実施形態によるレーザー溶接システムの処理光学系によって発生するレーザービームの出力分布のプロファイルを示す。図１に示したガウス出力分布と比較すると、出力が中央に位置するホット・スポットのみに集中しておらず、より広い面積にわたって分布しているので、レーザービームの出力分布がより均質であることが図２から明白である。

図２に示されるレーザービームの中央部の出力は、図１に示したレーザービームの対応部分の出力よりも低い。但し、その代わりに、図２に示されるレーザービームの縁部に位置する部分の出力は、図１に示したレーザービームの対応部分の出力よりも高い。したがって、本発明のこの実施形態によれば、図２に示されるレーザービームの出力分布は、平行レーザービームの軸線に対して垂直に延びる第１の方向Ｘに沿って拡散される。

図２は、平行レーザービームの軸線に対して垂直に延びる第１の方向Ｘに沿ったレーザービームの出力分布の拡散を示すが、本発明は、平行レーザービームの軸線に対して９０°の角度に限定されず、光学素子は、平行レーザービームの軸線に対して所望する任意の角度で延びる第１の方向に沿って、レーザービームの出力分布を拡散させるように適合される。これは、平行レーザービームの軸線に対して対応する角度で光学素子を配置すること、例えば、平行レーザービームの軸線に関して光学素子の主要面を傾けることによって、達成することができる。

それに加えて、本発明の好ましい一実施形態によれば、図２に示されるレーザービームの出力分布は、平行レーザービームの軸線および第１の方向Ｘに対して垂直に延びる第２の方向Ｙに沿って拡散される。

図２は、第１の方向Ｘおよび第２の方向Ｙに沿ったレーザービームの出力分布の拡散を示し、第１の方向Ｘおよび第２の方向Ｙは平行レーザービームの軸線に対して、かつ互いに対して垂直であるが、この種の例は本発明の好ましい一実施形態である。本発明はこれに限定されず、それどころか、レーザービームの出力分布は、軸線および第１の方向に対して所望する任意の角度で延びる第２の方向に沿って拡散される。

図３は、レーザービームの出力分布が方向Ｘのみに沿って拡散される、本発明の別の実施形態を示す。但し、レーザービームの出力は、図７に示すように、同様に方向Ｙに沿って分布させることもできる。本発明は特定の角度に限定されず、レーザービームの出力は、実際には所望する任意の角度で分布させることができる。

本発明の一実施形態によれば、光学素子は、被溶接物の少なくとも２つの点上にレーザービームの出力分布を拡散させるように適合され、少なくとも２つの点は連続して配置される。レーザービームの出力分布はまた、例えば図３に見られるように、被溶接物上の少なくとも１つの線に沿って拡散させることができる。但し、レーザービームの出力分布はまた、被溶接物上の２つの線に沿って拡散させることができ、少なくとも２つの線は連続して配置される。

この種の均質な溶接領域を本発明によって達成できる方法を、以下に説明する。

図４は、本発明によるレーザー溶接システムの第１の実施形態による処理光学系の概略図である。処理光学系は、レーザービームの供給源１と、レーザービームを平行にするコリメータ２と、被溶接物４上に平行レーザービームを集束する集束手段３、例えばレンズとを備える。

光学素子５は、コリメータ２と集束手段３との間に配置される。光学素子５は、レーザービームの出力分布を、平行レーザービームの軸線に対してある角度で延びる方向に沿って少なくとも拡散させる。

図４の実施形態では、光学素子５は、その面がコリメータ２の面および集束手段３の面に対してほぼ平行に延びるようにして配置される。しかし、光学素子５は、その面がコリメータ２の面および集束手段３の面に対してある角度で配置されるように、傾けることができる。したがって、レーザービームの出力分布を、平行レーザービームの軸線に対して所望する任意の角度で延びる方向に沿って拡散させることができる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、光学素子５はマイクロレンズの配列である。

光学系および測定値をミリメートル範囲へとサイズ縮小しなければならない、いかなる場合にもマイクロレンズが使用される。但し、小型レンズは、例えば、光ファイバーの連結用に、または「フラット」光学系として知られる分野で、光学データ伝送のシステムにも使用される。この場合、１つの大きいレンズの代わりに、多数の小さいレンズが互いに隣接して使用され、したがってはるかに短い結像距離が得られる。したがって、原物とイメージとがはるかに近くなる。これによって、光学装置全体の奥行きを大幅に低減することができる。これらの平面光学系は、現在、様々なタイプのスキャナーおよび複写機で既に使用されている。原文書はマイクロレンズを用いて走査され、感光ドラムに転写される。

本発明のさらなる好ましい一実施形態によれば、光学素子５は、マイクロレンズの配列ではなく回折光学素子である。

回折光学素子は、微細構造がプロットされる基板であって、ほぼあらゆる所望の回折効果を発生させることができる。特定の微細構造はリソグラフィ・エッチング方法によって形成される。回折光学素子は、回折によって格子上でレーザービームを成形するか、またはレーザービームを複数の部分ビームに分割するのに使用される。例えばＺｎＳｅ、ＺｎＳ、またはＧａＡｓなど、種々の材料を使用することができる。

コリメータ２と集束手段３との間に配置される光学素子５により、平行レーザービームの出力分布を、平行レーザービームの軸線に対してある角度で延びる第１の方向に沿って拡散させることができる。図５は、第１の方向Ｙに沿った、平行レーザービームの軸線に対して垂直な出力分布の拡散を示す。

但し、本発明の一実施形態によれば、レーザービームの出力分布は、第１の方向および第２の方向に沿って拡散させることもできる。第２の方向は、平行レーザービームの軸線および第１の方向に対して垂直に延びる。レーザービームの出力分布は、拡散させる被加工物上の立方形、長方形、台形、楕円形、または環状のパターンのうち少なくとも１つにしたがって拡散させることができる。対応するパターンは、光学素子の対応する選択によって実施される。

図６は、本発明によるレーザー溶接システムの第２の実施形態による処理光学系の概略図である。

処理光学系は、レーザービームの供給源１と、レーザービームを平行にするコリメータ２と、被溶接物４上に平行レーザービームを集束する集束手段３、例えばレンズとを備える。

この実施形態では、光学素子５は、レーザービームの供給源１とコリメータ２との間に配置される。図７は、第１の方向Ｙに沿った出力分布の拡散を示す。但し、出力分布は所望する任意の角度で拡散させることもできる。

図８は、本発明によるレーザー溶接システムの第３の実施形態による処理光学系の概略図である。

処理光学系は、レーザービームの供給源１と、レーザービームを平行にするコリメータ２と、被溶接物４上に平行レーザービームを集束する集束手段３、例えばレンズとを備える。

この実施形態では、第２の実施形態と同様に、光学素子５は、レーザービームの供給源１とコリメータ２との間に配置される。それに加えて、二焦点素子がコリメータ２と集束手段３との間に配置される。図９は、第１の方向Ｙに沿った、二焦点素子によって発生する２つのレーザービームの出力分布の拡散を示す。

本発明によって、平行レーザービームの軸線に対してある角度で延びる方向に沿って出力分布が拡散されることで、均質な溶接領域を得ることができるようになる。これにより、溶接スポットの位置が良くない場合における、より有利なエネルギー入力が確保される。本発明は、スタンピング作業中における線溶接に特に適している。

Claims (16)

1. レーザービームの供給源（１）と、
   前記レーザービームを平行にするように適合されたコリメータ（２）と、
   平行にされた前記レーザービームを被溶接物（４）上の集中点に集束するように適合された集束手段（３）とを備え、
   前記コリメータ（２）と前記集束手段（３）との間に光学素子（５）が配置され、
   前記光学素子が、前記平行にされたレーザービームの軸線に対してある角度で延びる第１の方向に沿って前記レーザービームの出力分布を拡散させるように適合された、レーザー溶接システム。
2. 二焦点素子（６）が前記光学素子（５）と前記コリメータ（２）との間に配置される、請求項１に記載のレーザー溶接システム。
3. 二焦点素子（６）が前記光学素子（５）と前記集束手段（３）との間に配置される、請求項１に記載のレーザー溶接システム。
4. レーザービームの供給源（１）と、
   前記レーザービームを平行にするように適合されたコリメータ（２）と、
   平行にされた前記レーザービームを被溶接物（４）上の集中点に集束するように適合された集束手段（３）とを備え、
   前記レーザービームの前記供給源（１）と前記コリメータ（２）との間に光学素子（５）が配置され、
   前記光学素子が、前記平行にされたレーザービームの軸線に対してある角度で延びる第１の方向に沿って前記レーザービームの出力分布を拡散させるように適合された、レーザー溶接システム。
5. 前記第１の方向が、前記平行にされたレーザービームの前記軸線に対してほぼ垂直に延びる、請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザー溶接システム。
6. 二焦点素子（６）が前記コリメータ（２）と前記集束手段（３）との間に配置される、請求項４または５に記載のレーザー溶接システム。
7. 前記光学素子（５）が、前記被溶接物（４）上の少なくとも２つの点上に前記レーザービームの出力分布を拡散させるように適合され、
   前記少なくとも２つの点が好ましくは連続して配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザー溶接システム。
8. 前記光学素子（５）が、前記被溶接物（４）上の少なくとも１つの線に沿って前記レーザービームの出力分布を拡散させるように適合された、請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザー溶接システム。
9. 前記光学素子（５）が、前記被溶接物（４）上の少なくとも２つの線に沿って前記レーザービームの出力分布を拡散させるように適合され、
   前記少なくとも２つの線が好ましくは連続して配置される、請求項８に記載のレーザー溶接システム。
10. 前記光学素子（５）が、前記第１の方向および第２の方向に沿って前記レーザービームの出力分布を拡散させるように適合され、
    前記第２の方向が、前記平行にされたレーザービームの前記軸線および前記第１の方向に対してある角度で延びる、請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザー溶接システム。
11. 前記第２の方向が、前記平行にされたレーザービームの前記軸線および前記第１の方向に対してほぼ垂直に延びる、請求項１０に記載のレーザー溶接システム。
12. 前記光学素子（５）が、前記被溶接物（４）上の立方形、長方形、台形、楕円形、または環状のパターンのうち少なくとも１つにしたがって、前記レーザービームの出力分布を拡散させるように適合された、請求項１０または１１に記載のレーザー溶接システム。
13. 前記光学素子（５）がマイクロレンズの配列である、請求項１から１２のいずれか一項に記載のレーザー溶接システム。
14. 前記光学素子（５）が回折光学素子である、請求項１から１２のいずれか一項に記載のレーザー溶接システム。
15. レーザービームを発生させるステップと、
    コリメータ（２）を用いて前記レーザービームを平行にするステップと、
    平行にされた前記レーザービームを被溶接物（４）上の集中点に集束手段（３）を用いて集束するステップとを含み、
    前記レーザービームの出力分布を前記平行にされたレーザービームの軸線に対してある角度で延びる第１の方向に沿って拡散させるため、前記平行にされたレーザービームが前記コリメータ（２）と前記集束手段（３）との間の光学素子（５）を通過する、レーザービームを用いる溶接方法。
16. レーザービームを発生させるステップと、
    コリメータ（２）を用いて前記レーザービームを平行にするステップと、
    平行にされた前記レーザービームを被溶接物（４）上の集中点に集束手段（３）を用いて集束するステップとを含み、
    前記レーザービームの出力分布を前記平行にされたレーザービームの軸線に対してある角度で延びる第１の方向に沿って拡散させるため、前記発生されたレーザービームが前記レーザービームの前記供給源（１）と前記コリメータ（２）との間の光学素子（５）を通過する、レーザービームを用いる溶接方法。