JP2021521012A - レーザ溶接するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明はワークピース（Ｗ）をレーザ溶接するための方法に関し、ワークピース表面へ向けられたレーザビーム（Ｌ）が、溶接される少なくとも１つのワークピース（Ｗ）のワークピース材料がレーザ焦点（Ｆ）の領域で溶融されるような放射強度を有し、レーザ焦点（Ｆ）の領域内で蒸気キャピラリ（Ｄ）が形成され、これは少なくとも部分的に液状の溶融池（Ｓ）によって取り囲まれている。レーザビーム（Ｌ）は、溶接シームを形成するために前記ワークピース表面に対して相対的に送り方向（Ｖ）に移動される。本発明によれば、溶接プロセス中の安定化のために、前記溶融池（Ｓ）は前記ワークピース表面に向けられたガス流（Ｇ）の衝突により機械的に力を加えられる。更に、本発明は、本方法を実行するために形成された装置（１）に関する。

Description

本発明は、レーザ溶接するための方法および装置に関する。

本発明は、特に、ワークピースをレーザ溶接する方法に関し、この場合、ワークピース表面に向けられたレーザビームは、溶接される少なくとも１つのワークピースのワークピース材料がレーザ焦点の領域内で溶融されるような放射強度を有している。レーザ焦点の領域内では、液状の溶融池によって少なくとも部分的に囲まれた蒸気キャピラリが形成される。溶接シームを形成するために、このレーザ焦点はワークピース表面に対して相対的に送り方向に移動される。

さらに、本発明はレーザ溶接するための装置に関し、この装置は、溶接される少なくとも１つのワークピースのための支持体、レーザ焦点においてワークピース表面へ向けられたレーザビームを発生させるためのレーザ光源およびレーザ光学系、ならびに、少なくとも１つのワークピース表面へ向けられたガス流を発生させるためのガス供給部を備えている。少なくとも、このレーザ光学系および支持台は、レーザ焦点が少なくとも１つのワークピース表面の少なくとも一部分に渡って送り方向に案内可能であるように、互いに移動可能に取り付けられている。

レーザ溶接、即ち、レーザビームを用いた１つまたは複数の特に金属のワークピースの溶接、は現在の汎用技術である。これに関しては、一般に、レーザビームはワークピース表面へ向けられるか、または集束され、ワークピース材料がレーザ焦点の領域内で局所的に溶融される。このレーザビームは通常、高い放射強度を有しており、その結果、溶接キャピラリまたは蒸気キャピラリ（「キーホール」、英語：keyhole）がレーザ焦点の領域内に形成される、当該キャピラリからは金属蒸気が逃げる。蒸気キャピラリは少なくとも縁側で液状の溶融物で囲まれている。溶接シームを形成するために、レーザビームはワークピース表面に対して相対的に移動される。

レーザビームを用いて溶接する場合には一般的に、溶接キャピラリの近傍に不活性ガス、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）または窒素（Ｎ_２）が供給される。その目的は、周囲の空気、特に大気中の酸素を排除し、またその結果溶接シームの酸化を避けることである。この目的のために、この不活性ガスは通常、ワークピース表面に対して浅い角度で配向されたノズルを用いて導入される。一般的には、このノズルはワークピース表面に対して０°〜３０°の角度で進む保護ガス流または不活性ガス流を発生する。これは、レーザビームがワークピース表面に対して垂直に進む用途では、従って、ビーム方向に対して、或いは、レーザ光学系の光学軸に対して、６０°〜９０°の角度に相当し、当該レーザ光学はレーザビームをワークピース表面上へ集束させる、または、少なくともワークピース表面に近い領域へ集束させるいずれにせよ、ガス供給部は、溶融池の位置において動圧が生じないように、または、わずかな動圧しか生じないように形成される。これは、一般的には、不活性ガスを供給するために利用されるノズルの適切な配向および寸法決めによって行われる。その目的は溶融池にできるだけ影響を与えないことである。

波長に依存する異なる吸収特性に基づき、特にファイバでガイドされるレーザシステムでは、形成された溶接シームの品質に悪影響を及ぼすスパッタ、ポロシティ、および、それに伴う質量損失のような問題が顕著に発生する。この問題に対処するために、多くの異なる対策が既に提示されている。これらの対策は、例えば、多重焦点、二重スポット等の使用によるワークピース表面上での強度分布の変調に基づいている。

別のアプローチが基本的にFabbroらによって非特許文献１に提案された。キーホール壁（英語：keyhole wall）の配向および膨張の調査に加えて、非常に低い送り速度において約４５°の角度でワークピース表面に当たる不活性ガス流の衝突により、乱流の溶融池の安定化が達成された。

しかしながら、Fabbroらによる非特許文献２から、深溶け込み溶接プロセスで形成される溶融池の流体力学的挙動は、レーザ焦点がワークピース表面に対して相対的に移動される送り速度に、臨界的に依存することが知られている。５ｍ／ｍｉｎまでの低い送り速度の範囲では、いわゆる「ローゼンタール」レジーム（“Rosenthal”-Regime）が存在し、それは強い表面変動を有する比較的大きな溶融池によって特徴つけられている。他の範囲、特により高い送り速度または溶接速度では、流動状態は他の物理的効果によって著しく影響される。蒸気キャピラリと溶融池とからなる結合系のこの流体力学的挙動は「ローゼンタール」レジームとはもはや定性的に異なる。

Fabbro et al. : "Experimental study of the dynamical coupling between the induced vapour plume and the melt pool for Nd-Yag CW laser welding", Jounal of Physics D:Applied Physics Vol.39 (2006)，３９４−４００頁 Fabbro et al. :"Melt Pool and Keyhole Behavior Analysis for Deep Penetation Laser Welding",Journal of Physics D: Applied Physics Vol.43 (2010)、４４５−５０１頁

本発明の課題は、レーザ溶接によって形成される溶接シームの品質を改善するための、広範囲の溶接速度または送り速度で使用可能な対策を提供することにある。

方法技術に関しては、上記課題は、請求項１に記載の特徴を有するレーザ溶接をするための方法によって解決される。

装置に関しては、上記課題は、請求項７に記載の特徴を有するレーザ溶接をするための装置により解決される。

本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象である。

ワークピースをレーザ溶接するための方法では、レーザビームがワークピース表面へ向けられる。このレーザビームは、溶接される少なくとも１つのワークピースのワークピース材料がレーザ焦点の領域内で溶融されるような放射強度を有する。この場合、レーザ焦点の領域内に溶接キャピラリまたは蒸気キャピラリ（「キーホール」、英語：keyhole）が形成され、これは少なくとも部分的に、特には広範囲に渡りに、液状の溶融池によって取り囲まれている。溶接シームを形成するために、このレーザ焦点はワークピース表面に対して相対的に送り方向に移動される。本発明によれば、溶接プロセス中における安定化のために、溶融池はワークピース表面に向けられたガス流の衝突により機械的に力を加えられる。

従って、本発明の核となるのは、溶融池の機械的負荷、すなわち、溶接プロセス中に溶融池へ作用する力が、驚くほどこの溶融池の安定化をもたらすという知見である。特に、これはスパッタおよび細孔形成の減少をもたらし、またそれに関連して、材料損失がより少なくなる。したがって、従来の教えとは異なり、無視できない力が溶融池に働くようにガスの衝突を生じさせることによって、形成された溶接シームの品質を決定的に改善することができる。従来の溶接方法では、不活性ガス流または保護ガス流は、酸素がレーザ焦点のすぐ近くから排除されるが同時に不活性ガス流による溶融池への影響が回避されるように、寸法が決められ、方向付けられる。

特にガスの衝突がビーム軸の方向、或いは、レーザビームに割り当てられた光軸の方向で行われる場合、溶融池の機械的負荷が達成される。溶接接続の突き合わせの種類に応じて、急な角度で溶融池に作用を及ぼすことが考えられ、すなわち、例えば、レーザ焦点の位置でワークピース表面に対して垂直に延びる面法線から逸れない、または僅かしか逸れない方向で溶融池に作用を及ぼすことが考えられる。その目的は、無視できない力の印加を達成することである。

ワークピースに衝突するガスは、例えば、特にヘリウム（Ｈｅ）もしくはアルゴン（Ａｒ）といった希ガスのような保護ガスまたは不活性ガス、または、窒素（Ｎ_２）のような別の不活性ガスである。他の適用分野では、特に溶接シームの酸化が全く問題ないか、または僅かな問題としかならない場合には、溶融池に圧縮空気または酸素（Ｏ_２）を衝突させることが企図されている。

レーザ焦点の位置または領域は、本明細書の文脈においては特に、レーザビームが材料表面に当たる領域を本質的に含んでいると理解すべきである。特に、薄板をレーザ溶接する場合には一般的に、レーザビームをワークピース表面の僅かに上方または下方にある焦点に集束させる。この場合、ワークピース表面には収束性または発散性の放射場が存在する。換言すれば、本発明の範囲には、焦点における放射場が、ワークピース表面から僅かに、特に数枚の板厚分だけ離れている最小の断面膨張を想定した形態も含まれている。

本発明によれば、レーザビームは、溶接シームを形成するためにワークピース表面に対して相対的に或る送り速度で送り方向に移動され、また、ワークピースに衝突するガス流の流体力学的動圧は、この送り速度に比例して選択された基準動圧の少なくとも半分の大きさでかつ最大でも４倍の大きさとなるように、送り速度に応じて調整される。この基準動圧ｐ_ｓは送り速度ｖ_ｗに応じて
ｐ_ｓ＝ｋ×ｖ_ｗ
の関係で与えられ、比例係数ｋはＳＩ単位系ではｋ＝７．２×１０^３Ｐａ・ｓ／ｍである。言い換えれば、パスカルで表される基準動圧ｐ_Sは、ｍ／ｍｉｎ(メートル毎秒)で表される送り速度ｖ_ｗの１２０倍である。このように寸法決めされたガス流を用いて、多くの異なる用途において溶融池を安定させることができる。

一実施形態では、溶融池へのガスの衝突は、送り方向または反送り方向に向けられたガス流によって行われる。供給されるガス流の流れ方向は、レーザビームに割り当てられた光軸に対して３５°未満の角度で延びる。この意味では従って、特にはガス流を供給するノズルは、溶融池の表面へ向けられた力を作用させるために、ワークピース表面に対して比較的急な角度で配置されることが特に提案される。

レーザビームに割り当てられた光軸は、特に、レーザビームを集束させるレーザ光学系の幾何学的形状によって定義される。

一実施形態では、溶融池へのガスの衝突は、送り方向に向けられたガス流によって行われ、このガス流は光軸に対して１０°未満の角度で延びる。１つの可能な応用では、レーザビームが適切に溶接されるワークピース表面に対して垂直に向けられる場合、ガス流の流れ方向は、１０°までの小さな角度で送り方向に「突き刺すように」（独語：stechend）に向けられる。

代替的または追加的に、溶融池へのガスの衝突は、反送り方向に向けられたガス流を用いて、「引きずるように」（独語：schleppend）行われる。反送り方向で行われる「引きずるような」衝突はレーザビームに割り当てられた光軸に関して好ましくは３０°未満の角度で行われる。

さらなる展開では、送り方向に向けられた少なくとも１つのガス流と、反送り方向に向けられた少なくとも１つの別のガス流を用いて同時にガスの溶融池への衝突が行われる。この関連では、特にガス供給部は、複数のガス流を供給するための少なくとも２つのノズルを有しており、当該ノズルは適切に送り方向および反送り方向に向けられている。

一実施形態では、ワークピース表面へのガスの衝突は、略レーザビームの方向或いは光軸の方向で行われる。特に、レーザビームがワークピース表面に垂直に配向されている場合には、溶融池へのガスの衝突は、従ってワークピース表面に垂直に、すなわちレーザ焦点の位置における面法線の方向に行われる。

一実施形態では、レーザビームは、ワークピース表面に対して少なくとも略垂直に、すなわちレーザ焦点の位置における面法線の方向に向けられる。この関連において、レーザビームは好ましくはレーザ焦点の位置での面法線に対して５°以上逸れないビーム方向でワークピース表面に向けられる。

この変形として、例えば、すみ肉溶接が生成される場合には、レーザビームをワークピース表面に対してより大きな角度で入射することもできる。

一実施形態では、ワークピース表面へのガスの衝突は、レーザビームの放射方向に対して同軸に行われる。このような形態に対しては、特に、レーザ溶接のための複数の装置であって、当該レーザ溶接のための装置のガス供給部が、レーザビームを放射方向でワークピース表面へ向けるレーザ光学系の光軸に対して同軸に走る流れ方向を規定する装置、を使用することが企図される。このような実施は有利な方法である程度の方向独立性を有しているが、その理由は、特に送り方向或いは反送りでの非直線的な延伸を有する溶接シームを形成する場合に、ガス流を供給する複数のノズルの面倒な再配向を省くことができるからである。

一実施形態では、ガス流がワークピース表面上へレーザ焦点の周囲の領域内へ向けられ、その領域の半径は、最大で、ガス流を供給するノズルのノズル開口直径の２倍となる。言い換えれば、ガス流は、液状の溶融物を含む溶融池が存在しているワークピース表面の限られた領域に、特にその表面に力を加えるために、狙って向けられる。ガス流をレーザ焦点の周りの領域へ向けて狙って配向することにより、ガス流との相互作用が、場合によって蒸気キャピラリの範囲内に形成されるプラズマプルームを偏向させることのみに限定されないことが保証される。このガス流は溶融池の領域内に溜まるか、あるいは、そこに明確なよどみ点を形成する。

一実施形態では、特にガス供給部の貫流断面に応じて適切に適合される体積流量を、ガス流が有することが企図されている。この貫流断面は、例えば、ガス流を供給するノズルのノズル開口直径によって制限される。貫流断面を通って流れるガス流は、ごく一般的には、一方では、無視できない力が溶融池に加えられるように、他方では、溶融池からの材料の追い出しが少なくとも大幅に回避されるように、寸法決定される。

一実施形態では、ガス流の寸法決定は、流体力学的動圧ｐ_ｄがガスの密度ρおよび流速ｖ_ｇからｐ_ｄ=１／２×ρ×ｖ_ｇ ^２の関係によって与えられるという仮定に基づいて行われる。さらに一実施形態では、流速ｖ_ｇがｖ_ｇ＝ＶＳ／Ａに従い、ガス流の体積流量ＶＳと体積流量ＶＳが流れる貫流断面Ａの商から生じると仮定される。貫流断面は、例えば、ノズルの特に調節可能なノズル開口部の大きさ、または、絞りの特に調節可能な貫流開口の大きさ、または、ガス流が流れる縮小部の大きさにより決定される。

一実施形態では、送り速度は５ｍ／ｍｉｎより大きく、特に少なくとも６ｍ／ｍｉｎである。上述した諸対策は、溶融池がいわゆるローゼンタール・レジームに特徴的な流体力学的挙動を持たない溶接プロセスの改善をもたらすのに特に適している。

レーザ溶接のための装置は、上述の方法を実行するように形成されている。レーザ溶接、特に、深溶け込み溶接のための装置は、溶接される少なくとも１つのワークピースのための支持台、レーザ光源、特にファイバガイドレーザ、ガスレーザ、固体レーザもしくはファイバレーザ、およびワークピース表面に向けられたレーザビームを発生させるためのレーザ光学系、ならびに、特に少なくとも１つのワークピース表面に向けられたガス流を発生させるための１つまたは複数のノズルを有するガス供給部含む。少なくとも、このレーザ光学系および支持台は、ワークピース表面に沿った少なくとも１つの部分にわたってレーザビームを送り方向に案内することができるように、相互に移動可能に取り付けられている。本発明によれば、このガス供給部は、ガスの衝突によりレーザ焦点の領域内に形成された溶融池に機械的に力を加えるように形成されている。これにより生じる溶接プロセスに対する有利な効果は、これに対応するレーザ溶接方法に関連する上述の説明から直接引き出すことができるので、前述の説明を参照されたい。

一実施形態では、ガス流を供給するためのガス供給部が、送り方向にまたは反送り方向にワークピース表面に向けられた少なくとも１つのノズルを有する。このノズルは、レーザ光学系の光軸に対して方向を調整可能であり、または、方向を調整されている。このノズルは光軸に関して、特に、３０°未満の角度で調整可能である。別の実施例では、このノズルは光軸に対して３０°未満の角度で方向を調整されている。レーザ溶接のための装置、特に少なくともノズルとレーザ光学系とを含む加工ヘッドは、溶接プロセス中に溶融池に機械的に力を加えるために、ガスの衝突が、相応に配向された光軸においてワークピース表面に対して急な角度で、すなわち、ワークピース表面に対して垂直に走る表面法線に略沿って、行われ得るように、形成されており、溶接されるワークピースのための支持台に配置されている。

一実施形態では、送り方向に向けられたノズルは、光軸に対して１０°未満の角度で方向を調整可能であり、または、調整されている。これに替えてまたはこれに加えて、反送り方向に向けられたノズルは、光軸に対して３０°未満の角度で方向調整可能であり、または、方向調整されている。一般的に、「突き刺すような」衝突の場合、すなわち、送り方向に向けられたガス流がワークピースに衝突する場合には、「引きずるような」、すなわち、反送り方向に行われる加工の場合よりも小さい入射角が好ましいことが分かっている。

一実施形態では、レーザビームをワークピース表面に向けるレーザ光学系の光軸は、レーザ焦点の位置でワークピース表面に対して垂直に延びる表面法線に対して５°未満の角度で方向調整可能であるか、または、方向調整されている。換言すれば、レーザ溶接のための装置は以下のように形成されている、即ち、レーザ光学系が特には支持台に対して、特には集束された、供給されたレーザビームが例えば面法線に対して略平行にワークピースに向けられ得るように、配置可能であるように、形成されている。

特には、少なくとも１つのノズルが、ワークピース表面に対して垂直に延びる軸に対して回転可能に取り付けられており、これにより、直線的な延伸部を有していない溶接シームを形成する場合であっても、このノズルを常に送り方向または反送り方向に向けることができる。

一実施形態では、ガス供給部が、レーザ光学系の光軸に対して同軸に方向調整された少なくとも１つのノズルを有し、それにより、ワークピースに衝突させるためにこのノズルによって供給されたガス流は、特にはレーザビームに対して同軸に、レーザ焦点の位置でワークピース表面に対して垂直に延びる表面法線の方向において調整可能であり、または、調整されている。レーザ光学系に対してこのように配向されたガス供給部を有する同軸の加工ヘッドは、有利な方法では方向に無関係に形成されている。というのは、少なくとも、加工中にレーザ光学系の光軸がワークピース表面に対して垂直に向けられている場合、このノズルによって供給されるガス流を送り方向に、または、反送り方向において適切に位置決めするために、この加工ヘッドを回転する必要がないからである。

光軸に対して同軸に案内されたガス供給部を有する実施例の構成では、この少なくとも１つのノズルが、貫流断面を画成する、特に円形または円環形の、好適には調節可能なノズル開口面を有している。このノズル開口面はレーザ光学系の光軸と同軸に配置されている。換言すれば、レーザ光学系の光軸は、例えば直接、ガス流を供給し円形のノズル開口面を有するノズルを貫通して延びている。これに代わるものとして、このノズルは、光軸に対して同心に配置された円環形のノズル開口面を有する環状ノズルとして形成されている。

一実施形態では、レーザ溶接装置が、１つの制御ユニットであって、上述した方法の１つに従って、送り速度に応じてガス供給を自動的に調整するための、特に送り速度に応じてガス供給部によって供給されるガス流の流体力学的動圧を自動的に調整するための制御ルーチン、を内部に実装した制御ユニット、を有する。この目的のために特に、この制御ユニットが、ノズル、または、調節可能な貫流断面を有する縮小部のような、ガス流の貫流断面を制限する調節要素と作動連結状態にあることが企図される。

更なる展開形態では、上述した手順により、溶接プロセス中にこの制御ユニットを用いて、ガス流を、特にガス流によって生じる動圧を送り速度に応じて能動的に制御することが企図される。

一実施形態では、レーザ光源は少なくとも３ｋＷ、例えば約４ｋＷまたは４．５ｋＷのレーザ出力を有している。

一実施形態では、レーザ光源が、１０μｍ未満、特に５μｍ未満、好ましくは２μｍ未満、特に好ましくは３５０ｎｍから１３００ｎｍの間の波長のレーザビームを供給するように形成されている。このレーザ光源は、好ましくはファイバでガイドされるレーザである。

以下では、本発明の可能な実施例を、図面を参照してより詳細に説明する。

溶融池に機械的に力を加えるための、反送り方向に向けられたガス供給部を有するレーザ溶接装置を断面図で示す。 溶融池に機械的に力を加えるための、送り方向に向けられたガス供給部を有するレーザ溶接装置を断面図で示す。 溶融池に機械的に力を加えるための、光軸に対して同軸に向けられたガス供給部を有するレーザ溶接装置を断面図で示す。

対応する部品には、すべての図に同じ参照記号が付されている。

図１および図２は、溶接プロセスの際に、特に深溶け込み溶接の際に形成される溶融池Ｓに機械的に力を加えるように形成されたレーザ溶接装置１の第１の実施形態を模式的に図示する。

装置１は、レーザビームＬを集束させる少なくとも１つのレーザ光学系５と、ノズル９を有するガス供給部７とを備えた加工ヘッド３を有する。より詳細には図示しないレーザ光源が、例えば、固体レーザまたはファイバレーザが、レーザビームＬを発生する。レーザ光学系５の光軸Ｏは、溶接されるワークピースＷのワークピース表面に対して略垂直に配向されている。レーザ光学系５はワークピースＷにレーザビームＬを向け、このレーザ光学系５は加工中には窓１１によって保護されている。レーザビームＬのレーザ焦点Ｆは、模式的に図示したこの例では、ワークピース表面の近傍に位置し、そこで、供給されたレーザビームＬの高い強度に基づいて、プラズマプルームを伴う蒸気キャピラリＤを発生させる。この蒸気キャピラリＤは溶融池Ｓ内に位置しており、すなわち、液状の溶融物に囲まれている。また、ワークピースＷは更に詳細には示されていない支持台に固定されており、この支持台は、溶接シームを形成するために、ワークピースＷが供給されたレーザビームＬに対して相対的に送り方向Ｖに案内可能であるか、或いは案内され得るように、加工ヘッド３に対して相対的に移動可能に取り付けられている。

少なくとも、ノズル９を備えたガス供給部７は光軸Ｏに対して回転可能に取り付けられているので、図１に示すように、反送り方向Ｖに向けられたガス流Ｇを発生するために、または、図２に示すように、送り方向Ｖに向けられたガス流Ｇを発生するために、適切にガス供給部７を方向付けることが可能である。図示の例では、ノズル９は光軸Ｏに対して略２５°の角度αで配向されている。このことは、レーザビームＬがワークピース表面に対して垂直に向けられているので、レーザ焦点の位置においてワークピース表面に対して垂直に延びる表面法線Ｎに対する略２５°の角度αでの溶融池Ｓへの衝突に相当する。

図３は、溶接プロセス中に形成された溶融池Ｓに機械的に力を加えるように形成されたレーザ溶接装置１の第２の実施形態の模式的な構成を示す。このレーザ溶接装置１は、ガス供給部の幾何学的形状に関してのみ、図１および図２に示す第１の実施例と構造的に異なるので、この点についての説明を参照されたい。

第２の実施例の加工ヘッド３は同軸ヘッドとして形成されている。すなわち、ノズル９を備えたガス供給部７は、光軸Ｏと同軸に延びるガス流Ｇを発生する。レーザビームＬがワークピース表面に垂直に向けられていると、ガス流Ｇは略表面法線Ｎの方向で、すなわち、約０°の角度αで溶融池Ｇに衝突する。

或るレーザ溶接方法では、レーザビームＬが、レーザ焦点Ｆの領域内でワークピース材料を局所的に溶融させるべく、ワークピース表面に沿って送り方向Ｖに案内される。送り方向Ｖに沿った送り速度ｖ_ｗは、特に１ｍ／ｍｉｎ〜５０ｍ／ｍｉｎ、例えば４ｍ／ｍｉｎ〜２４ｍ／ｍｉｎである。ガス流Ｇが溶融池Ｓに衝突する角度αは、好ましくは０°〜３５°である。ガス流Ｇの貫流断面Ａを制限するノズル９のノズル開口面は、例えば、数ミリメートルの、特に４ｍｍ未満の、例えば約３ｍｍの直径を有する。ノズル開口面は溶接キャピラリまたは蒸気キャピラリＤから一般的には数ミリメートル、例えば、約５ｍｍ〜１５ｍｍ離れている。

溶融池への衝突は、溶融池を安定させるのに適した力で行われるべきであるが、材料を少なくとも大量に追い出すのは避けるべきである。ガス流Ｇの寸法を決定するために、流体力学的圧力ｐ_ｄが適切なパラメータであることが判っており、これは流出ガスの密度ρと流速ｖ_ｇとから簡略化してｐ_ｄ=１／２×ρ×ｖ_ｇ ^２に従って計算できる。流速ｖ_ｇは簡略化して、ｖ_ｇ=ＶＳ／Ａの関係から導出することができる。ここで、ＶＳは貫流断面Ａを通るガス流Ｇの体積流量を示す。通常の寸法決めされたノズルでの体積流量ＶＳは毎分数リットル(ｌ／ｍｉｎ）である。

溶融池Ｓに機械的な力を与えるためのガス流は、特には、生成された流体力学的動圧ｐ_ｄが基準動圧ｐ_ｓの前後の範囲内にあるように調整される。このガス流は、ガスの種類、ノズル開口面積および送り速度ｖ_ｗに応じて、動圧ｐ_ｄが基準動圧ｐ_ｓの少なくとも半分の大きさであり、且つ、基準動圧の最大でも４倍の大きさ、すなわち、（０．５×ｐ_ｓ＜ｐ_ｄ＜４×ｐ_ｓ）となるように、調整される。

基準動圧ｐ_ｓは、ｐ_ｓ=ｋ×ｖ_ｗによって与えられており、ここで、比例係数（ｋ）はＳＩ単位系では、ｋ＝７．２×１０^３Ｐａ・ｓ／ｍである。

具体的な一実施例では、厚さ１．５ｍｍのステンレス鋼シートが溶接される。ファイバガイドレーザが４．５ｋＷのレーザビームＬを供給する。使用されるレーザ光学系５は、例えば、１２０：３００の拡大率を有し、２００μｍのファイバ直径をワークピース表面に投影し、その結果、そこに約０．５ｍｍのスポット直径を有するレーザ焦点が生じる。１２ｍ／ｍｉｎの送り速度ｖ_ｗでアルゴンが溶融池に衝突する。供給されるガス流は、直径３ｍｍのノズル９によって制限された２０ｌ／ｍｉｎの体積流量を有する。これは、約２ｋＰａの流体力学的動圧ｐ_ｄ、すなわち、基準動圧ｐ_ｓの約１．３８倍、に相当する。

本発明はここまで好ましい実施例を参照して説明された。しかしながら、言うまでもなく、本発明は、示された実施例の具体的な構成に限定されるものではなく、むしろ、適当な当業者は、本発明の本質的な基本的考え方から逸脱することなく、本明細書に基づいて変形を導き出すことができる。

１ 装置
３ 加工ヘッド
５ レーザ光学系
７ ガス供給部
９ ノズル
１１ 窓
Ｏ 光軸
Ｌ レーザビーム
Ｗ ワークピース
Ｓ 溶融池
Ｄ 蒸気キャピラリ
Ｖ 送り方向
Ｇ ガス流
α 角度
Ａ 貫流断面

レーザ溶接のための装置は、上述の方法を実行するように形成されている。レーザ溶接、特に、深溶け込み溶接のための装置は、溶接される少なくとも１つのワークピースのための支持台、レーザ光源、特にファイバガイドレーザ、ガスレーザ、固体レーザもしくはファイバレーザ、およびワークピース表面に向けられたレーザビームを発生させるためのレーザ光学系、ならびに、特に少なくとも１つのワークピース表面に向けられたガス流を発生させるための１つまたは複数のノズルを有するガス供給部を含む。少なくとも、このレーザ光学系および支持台は、ワークピース表面に沿った少なくとも１つの部分にわたってレーザビームを送り方向に案内することができるように、相互に移動可能に取り付けられている。本発明によれば、このガス供給部は、ガスの衝突によりレーザ焦点の領域内に形成された溶融池に機械的に力を加えるように形成されている。これにより生じる溶接プロセスに対する有利な効果は、これに対応するレーザ溶接方法に関連する上述の説明から直接引き出すことができるので、前述の説明を参照されたい。

第２の実施例の加工ヘッド３は同軸ヘッドとして形成されている。すなわち、ノズル９を備えたガス供給部７は、光軸Ｏと同軸に延びるガス流Ｇを発生する。レーザビームＬがワークピース表面に垂直に向けられていると、ガス流Ｇは略表面法線Ｎの方向で、すなわち、約０°の角度αで溶融池Ｓに衝突する。

Claims (14)

1. ワークピース（Ｗ）をレーザ溶接する方法であって、ワークピース表面に向けられたレーザビーム（Ｌ）は、溶接される少なくとも１つのワークピース（Ｗ）のワークピース材料がレーザ焦点（Ｆ）の領域内で溶融されるような放射強度を有し、前記レーザ焦点（Ｆ）の領域内に液状の溶融池（Ｓ）によって少なくとも部分的に取り囲まれた蒸気キャピラリ（Ｄ）が形成され、前記レーザビーム（Ｌ）は溶接シームを形成するために前記ワークピース表面に対して相対的に送り方向（Ｖ）に移動され、前記溶融池（Ｓ）は前記溶接プロセス中の安定化のために前記ワークピース表面に向けられたガス流（Ｇ）の衝突により機械的に力を加えられる、方法において、
   前記溶接シームを形成するために前記レーザビーム（Ｌ）が前記ワークピース表面に対して相対的に前記送り方向（Ｖ）に送り速度（ｖ_ｗ）で移動され、
   前記ワークピースに衝突するガス流（Ｇ）の流体力学的動圧（ｐ_ｄ）が、前記送り速度（ｖ_ｗ）に応じて、前記送り速度（ｖ_ｗ）に比例して選ばれた基準動圧（ｐ_ｓ）の少なくとも半分の大きさで、かつ、最大でも４倍の大きさになるように調整され、
   前記基準動圧（ｐ_ｓ）は
   ｐ_ｓ＝ｋ×ｖ_ｗ
   の関係で与えられ、上記比例係数（ｋ）はＳＩ単位系で
   ｋ＝７．２×１０^３ Ｐａ・ｓ／ｍであること、
   を特徴とする溶接方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記溶融池（Ｓ）へのガスの衝突が、前記送り方向（Ｖ）または反送り方向（Ｖ）に向けられたガス流（Ｇ）を用いて行われ、前記ガス流（Ｇ）の流れ方向が、前記レーザビーム（Ｌ）に割り当てられた光軸（Ｏ）に対して３５°未満の角度（α）であること、
   を特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、
   前記溶融池（Ｓ）へのガスの衝突が、前記送り方向（Ｖ）に向けられ前記光軸に対して１０°未満の角度（α）で進むガス流（Ｇ）を用いて行われる、および／または、前記溶融池（Ｓ）へのガスの衝突が、前記反送り方向（Ｖ）に向けられ前記光軸に対して３０°未満の角度（α）で進むガス流（Ｇ）を用いて行われること、
   を特徴とする方法。
4. 請求項１〜３のいずれか1項に記載の方法であって、
   前記ガス流が前記レーザ焦点（Ｆ）の周囲の領域に向けられており、その領域の半径が最大で前記ガス流（Ｇ）を供給する前記ノズル（９）のノズル開口直径の２倍であること、
   を特徴とする方法。
5. 請求項１〜４のいずれか1項に記載の方法であって、
   前記流体力学的動圧（ｐ_ｄ）が前記ガスの密度（ρ）および流速（ｖ_ｇ）からｐ_ｄ＝１／２×ρ×ｖ_ｇ ^２の関係によって与えられ、前記流速ｖ_ｇが、ｖ_ｇ＝ＶＳ／Ａ、すなわち、前記ガス流（Ｇ）の体積流量（ＶＳ）と前記体積流量（ＶＳ）が流れる貫流断面（Ａ）の商、から生じること、
   を特徴とする方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法であって、
   前記送り速度（ｖ_ｗ）が５ｍ／ｍｉｎより大きく、特に少なくとも６ｍ／ｍｉｎであること、
   を特徴とする方法。
7. 請求項１〜６のいずれか1項に記載の方法を実行するために形成されたレーザ溶接装置（１）であって、
   −溶接される少なくとも１つのワークピース（Ｗ）のための支持台と、
   −ワークピース表面へ向けられたレーザビーム（Ｌ）を生成するためのレーザ光源およびレーザ光学系（５）と、
   −前記少なくとも１つのワークピース表面へ向けられたガス流（Ｇ）を発生するためのガス供給部（７）を含み、
   少なくとも前記レーザ光学系と前記支持台が、前記ワークピース表面に沿った少なくとも１つの部分にわたって前記レーザビーム（Ｌ）を送り方向（Ｖ）に案内することができるように、相互に相対的に移動可能に取り付けられている装置において、前記ガス供給部（７）が、前記レーザ焦点（Ｆ）の領域内に形成された前記溶融池（Ｓ）にガスの衝突により機械的に力を加えるように形成されていること、
   を特徴とする、レーザ溶接装置。
8. 請求項７に記載の装置（１）であって、
   前記ガス流（Ｇ）を供給するための前記ガス供給部（７）が、送り方向（Ｖ）又は反送り方向（Ｖ）で、ワークピース表面に向けられた少なくとも１つのノズル（９）を有し、このノズル（９）が、前記レーザ光学系（５）の前記光軸（Ｏ）に対して３０°未満の角度（α）で方向調整可能であるか、または方向調整されていること、
   を特徴とする装置。
9. 請求項８に記載の装置（１）であって、
   前記送り方向（Ｖ）に向けられたノズル（９）が光軸（Ｏ）に対して１０°未満の角度（α）で方向調整されており、および／または、前記反送り方向（Ｖ）に向けられたノズル（９）が前記光軸（Ｏ）に対して３０°未満の角度（α）で方向調整可能であるか、または方向調整されていること、
   を特徴とする装置。
10. 請求項７に記載の装置（１）であって、
    前記ガス供給ラ部（７）が、前記レーザ光学系（５）の前記光軸（Ｏ）に対して同軸に方向調整可能であるか、または方向調整されているノズル（９）を有すること、
    を特徴とする装置。
11. 請求項１０に記載の装置（１）であって、前記ノズル（９）が、貫流断面（Ａ）を画成する、特に、円形または円環形のノズル開口面を有し、このノズル開口面が前記レーザ光学系（５）の前記光軸（Ｏ）に対して同軸に配置されていること、
    を特徴とする装置。
12. 請求項７〜１１のいずれか１項に記載の装置（１）であって、
    前記ガス供給部（７）を前記送り速度（ｖ_ｗ）に応じて自動的に調整するための制御ルーチンを内部に実装した制御ユニットを備え、特に、請求項１〜６の少なくとも１項に記載の方法により、前記ガス供給部（７）の流体力学的動圧（ｐ_ｄ）を前記送り速度（ｖ_ｗ）に応じて自動的に調整すること、
    を特徴とする装置。
13. 請求項７〜１２のいずれか１項に記載の装置（１）であって、
    前記レーザ光源のレーザ出力が少なくとも３ｋＷであること、
    を特徴とする装置。
14. 請求項７〜１３のいずれか１項に記載の装置（１）であって、
    前記レーザ光源が、１０μｍ未満、特に５μｍ未満、好ましくは２μｍ未満、特に好ましくは３５０ｎｍから１３００ｎｍの波長を有するレーザビーム線（Ｌ）を発生するように形成されていること、
    を特徴とする装置。
    
    

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