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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-06-06
(54)【発明の名称】金属を継合するための螺旋状レーザ溶接方法
(51)【国際特許分類】
B23K 26/28 20140101AFI20240530BHJP
B23K 26/32 20140101ALI20240530BHJP
B23K 26/073 20060101ALI20240530BHJP
B23K 26/21 20140101ALI20240530BHJP
B23K 26/322 20140101ALI20240530BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20240530BHJP
【ＦＩ】
B23K26/28
B23K26/32
B23K26/073
B23K26/21 F
B23K26/322
B23K26/00 N
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023574151
(86)(22)【出願日】2022-05-17
(85)【翻訳文提出日】2024-01-17
(86)【国際出願番号】 EP2022063348
(87)【国際公開番号】W WO2022253568
(87)【国際公開日】2022-12-08
(31)【優先権主張番号】17/338,109
(32)【優先日】2021-06-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】508175020
【氏名又は名称】コアレイズ オーワイ
(74)【代理人】
【識別番号】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(74)【代理人】
【識別番号】100181674
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 貴敏
(74)【代理人】
【識別番号】100181641
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】230113332
【弁護士】
【氏名又は名称】山本 健策
(72)【発明者】
【氏名】ナルヒ， マッティ
(72)【発明者】
【氏名】パユコスキ， ヘンリ
【テーマコード（参考）】
4E168
【Ｆターム（参考）】
4E168BA14
4E168BA82
4E168BA87
4E168BA88
4E168DA02
4E168DA36
4E168DA39
4E168DA43
4E168EA17
4E168KA04
(57)【要約】
レーザ溶接方法は、レーザ放射（１２０）を、随意に、それらの間に１枚またはそれを上回る介入金属シートを伴う、金属部品（１１４）上に配置される第１の金属シート（１１２）の上に集束させるステップを含む。レーザ放射（１２０）は、金属部品（１１４）をともにスポット溶接するために、少なくとも１つの螺旋状経路をトレースするように操向される。レーザ放射（１２０）は、安定的なキーホールを維持するために、中心ビーム（１２２Ｃ）と、環状ビーム（１２２Ａ）とを含む。一方法は、例えば、高いガス含有量および／または異種組成物を伴うアルミニウム部品を溶接するように調整され、レーザ放射（１２０）は、最初に、外方向螺旋状経路（８１０）をトレースし、次いで、内方向螺旋状経路（８３０）をトレースする。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アルミニウムを継合するためのレーザ溶接方法であって、アルミニウム部品上に配置される第１のアルミニウムシートの上にレーザ放射を集束させるステップであって、前記レーザ放射は、中心ビームと、前記中心ビームを囲繞する環状ビームとを含む、ステップと、
前記集束されたレーザ放射を制御し、前記第１のアルミニウムシートを前記アルミニウム部品に溶接するように、前記第１のアルミニウムシート上の複数の経路をトレースするステップであって、前記制御するステップは、
外方向螺旋状経路をトレースしながら、前記中心ビームおよび環状ビームの個別の第１のパワーを持続するステップであって、前記外方向螺旋状経路は、中央場所から始まり、前記中央場所を中心として、かつそこから離れるように螺旋状になる、ステップと、
前記外方向螺旋状経路をトレースした後、外側経路をトレースしながら、前記中心ビームおよび環状ビームのパワーを前記個別の第１のパワーから個別の第２のパワーまで漸減させるステップであって、前記外側経路は、前記中央場所から視認されると、前記螺旋状経路の周辺に存在する、ステップと、
前記外側経路をトレースした後、前記中央場所に向かって、内方向螺旋状経路をトレースしながら、最初に、（ａ）前記中心ビームおよび環状ビームのパワーを前記個別の第２のパワーから個別の第３のパワーまで漸増させ、続いて、（ｂ）前記環状ビームの第３のパワーを持続し、その第３のパワーとより低い第４のパワーとの間で、繰り返し前記中心ビームをパルス出力し、最終的に、（ｃ）前記中心ビームおよび環状ビームのパワーを低減させる、ステップと
を含む、ステップと
を含む、方法。
【請求項2】
前記低減させるステップは、前記中心ビームをオフにし、前記環状ビームのパワーを前記第３のパワーから漸減させる、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記低減させるステップは、前記環状ビームのパワーをゼロまで漸減させる、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記アルミニウム部品は、第２のアルミニウムシートである、前記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項5】
前記外側経路は、前記中央場所を中心として、少なくとも１つの完全回路を完了する閉ループを含む、前記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項6】
前記外側経路は、前記中央場所を中心として完全回転を完了しない開経路である、前記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項7】
前記制御するステップによって引き起こされるアルミニウム融解が、前記アルミニウム部品の内側部分内にあるある深さにおいて終端する、前記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項8】
前記第１のアルミニウムシートおよび前記アルミニウム部品のうちの少なくとも１つが、鋳造アルミニウムまたは鋳造アルミニウム合金である、前記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項9】
前記第１のアルミニウムシートは、押出成型アルミニウムまたは押出成型アルミニウム合金であり、前記アルミニウム部品は、鋳造アルミニウムまたは鋳造アルミニウム合金である、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
１枚またはそれを上回る介入アルミニウムシートが、前記第１のアルミニウムシートと前記アルミニウム部品との間に配置され、前記制御するステップは、前記第１のアルミニウムシート、前記介入アルミニウムシート、および前記アルミニウム部品をともに溶接する、
前記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項11】
前記制御するステップはさらに、前記中央場所において、前記外方向螺旋状経路をトレースするステップに先立って、前記中心ビームおよび環状ビームのパワーを個別の初期パワーから前記個別の第１のパワーまで漸減させるステップを含む、前記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項12】
前記環状ビームの第１、第２、および第３のパワーはそれぞれ、前記第１、第２、および第３のパワーおよび前記中心ビームの対応するものを超過する、前記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項13】
界面におけるコーティングを含む金属部品のスタックを継合するためのレーザ溶接方法であって、前記金属部品のスタックの上にレーザ放射を集束させるステップであって、前記金属部品は、（ｉ）第１の金属シートと、（ｉｉ）最遠金属部品と、（ｉｉｉ）前記第１の金属シートと前記金属部品との間に、０枚、１枚、またはいくつかの介入金属シートとを含み、前記金属部品のうちの少なくとも１つは、近隣の金属部品との界面におけるコーティングを有し、前記界面は、前記２つの近隣の金属部品間の直接接触を伴って、またはそれらの間の間隙を伴って構成され、前記レーザ放射は、前記第１の金属シート上に入射し、中心ビームと、前記中心ビームを囲繞する環状ビームとを含む、ステップと、
前記集束されたレーザ放射を制御し、前記金属部品のスタックをともに溶接するように、前記第１の金属シート上の少なくとも１つの経路をトレースし、それによって、また、前記界面における前記コーティングを少なくとも部分的に蒸発させるステップであって、前記制御するステップは、
内方向螺旋状経路をトレースするステップと、
前記内方向螺旋状経路をトレースしながら、最初に、（ａ）前記中心ビームおよび環状ビームの個別の第１のパワーを持続し、続いて、（ｂ）同時に、前記中心ビームのパワーをその第１のパワーからゼロワットまで漸減させ、環状ビームのパワーをその第１のパワーから非ゼロの第２のパワーまで漸減させ、最終的に、（ｃ）前記環状ビームをオフにするステップと
を含む、ステップと、
を含む、方法。
【請求項14】
前記最遠金属部品は、金属シートである、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記金属部品のそれぞれは、鋼鉄から作製され、前記コーティングは、亜鉛を含む、請求項１３または請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
前記金属部品のそれぞれは、銅または銅合金から作製され、前記コーティングは、ニッケルを含む、請求項１３または請求項１４に記載の方法。
【請求項17】
前記制御するステップによって引き起こされる金属融解が、前記最遠金属部品の内側部分内にある前記スタックにおけるある深さにおいて終端する、請求項１３－１６のいずれかに記載の方法。
【請求項18】
前記環状ビームの第１のパワーは、前記中心ビームの第１のパワーを超過する、請求項１３－１７のいずれかに記載の方法。
【請求項19】
前記制御するステップはさらに、前記内方向螺旋状経路をトレースするステップに先立って、前記個別の第１のパワーにおいて、前記中心ビームおよび環状ビームを用いて閉ループをトレースするステップを含み、前記閉ループは、前記内方向螺旋状経路の周辺に存在し、前記内方向螺旋状経路の始点において終了する、請求項１３－１８のいずれかに記載の方法。
【請求項20】
前記間隙は、前記レーザ放射を受光する前記スタックの側面に最近接する前記２つの近隣の金属部品のうちの１つの厚さの６０％以下である、請求項１３－１９のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（優先権）
本願は、その開示が、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０２１年６月３日に出願された、米国出願整理番号第１７／３３８，１０９号の優先権を主張する。
本願は、その開示が、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０２１年６月３日に出願された、米国出願整理番号第１７／３３８，１０９号の優先権を主張する。
【0002】
本発明は、概して、金属シート、特に、困難な材料組成物を伴う金属シートのレーザ溶接に関する。
【背景技術】
【0003】
レーザ溶接は、集中型熱源としてレーザビームを使用し、典型的には金属から作製される、２つの部品を局所的に融解および継合する。レーザビームは、比較的小さいスポットに集束され、高いパワー密度および小さい熱影響区域を結果としてもたらし得る。レーザ溶接は、したがって、正確度および高度な制御が、要求されるとき、魅力的な技法である。さらに、レーザ溶接は、自動化にも十分に適している。
【0004】
レーザ溶接では、集束されたレーザビームは、各溶接スポットまたは線を精密に位置決めする一方、付随的な加熱を最小限にする。２つの主要なレーザ溶接体系を区別することは、有用である。伝導溶接は、より低いレーザパワーおよびより低いレーザパワー密度において生じる。吸収されたレーザパワーは、照射された材料を加熱し、それによって、継合されることになる各部品内の材料を融解し、これは、流動し、混合され、次いで、凝固する。キーホール溶接は、照射された材料の一部を気化させるために十分である、より高いレーザパワーおよびより高いレーザパワー密度において生じる。囲繞する融解された材料への気化された材料の圧力は、融解された材料を通してチャネルを開放する。キーホールとして当技術分野において公知の本チャネルは、特性的な狭く深い外形を有し、これは、レーザビームの深い貫通を可能にする。仕上げられたキーホール溶接は、概して、伝導溶接よりも狭く、深く、かつ強い。
【0005】
レーザ溶接は、様々な構成において配列される様々な材料に関与する、幅広い溶接問題に成功裏に適用されている。ある事例では、レーザ溶接が、別の溶接技法に取って代わる。他の事例では、レーザ溶接は、従来の非レーザ溶接技法による溶接にとって好適ではない構造の溶接を有効にする。
【0006】
自動車産業は、レーザ溶接をますます採択している、いくつかの製造業界のうちの１つである。自動車業界では、レーザ溶接が、現在のところ、シャーシ、本体フレーム、ドア、エンジン部品、および（電気およびハイブリッド車両のための）バッテリ等の多くの異なる車両部品を溶接するために使用されている。小さい熱影響区域、および概して良好に制御され、微調整可能なプロセスの利点を伴って、レーザ溶接は、従来の溶接技法を使用するときよりも薄く小さい部品を自動的かつ確実に溶接するために使用され得る。レーザ溶接は、したがって、より軽量かつより効率的な車両に対する需要を満たすために、自動車製造技術を進歩させることに役立っている。例えば、レーザ溶接は、軽量な本体部品の正確な溶接、および電気化学バッテリ内の接続およびそれへの接続（例えば、金属箔スタックとバッテリタブとの間の接続およびバッテリタブと母線との間の接続）を促進する。車体部品の場合では、溶接される材料は、典型的には、鋼鉄、アルミニウム、および／またはアルミニウム合金である。バッテリの場合では、溶接される材料は、多くの場合、銅を含むが、アルミニウムまたはアルミニウム合金も含むことができる。
【0007】
スポット溶接は、重複する部品をレーザ溶接するために使用され得る、多数の溶接型の１つである。２つの重複する部品をともにスポットレーザ溶接するとき、レーザビームは、部品のうちの一方の上に入射し、第２の部品との界面に至るまで、および第２の部品の中への少なくともある程度の距離まで、本部品を通して局所的に融解する。スポットレーザ溶接は、２枚、３枚、またはそれを上回る金属部品のスタックに適用されてもよい。キーホール溶接は、多くのシナリオにおいて、強力なスポット溶接継合部を形成することが示されている。定常レーザビームを用いて達成され得るよりも大きなスポット溶接を形成するために、レーザビームは、操向され、螺旋状パターンをトレースし得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0008】
本明細書に開示されるものは、二重ビームレーザ放射を用いて螺旋形状パターンをトレースすることによって、金属部品のスタックをともにスポット溶接するように構成される、螺旋状レーザ溶接方法である。二重ビームレーザ放射は、片側から金属スタック上に入射し、スタックを通して融解し、最遠金属部品に到達する。金属部品は、２枚またはそれを上回る金属シートのスタックであってもよい。代替として、レーザ放射を受光するスタックの側から最遠である、スタックの最遠金属部品は、より厚く、非シート様金属構造であってもよい。
【0009】
本開示の方法は、キーホール溶接を利用し、具体的には、ある特に困難なシナリオにおいて、強力な溶接継合部を達成するように調整される。キーホール溶接は、材料を融解および混合することにおいては有効であるが、結果として生じる溶接継合部の品質が、封入されたガス、冷却率の相違、スパッタに起因する材料損失等の問題点によって損なわれ得る。
【0010】
スパッタは、キーホール溶接における望ましくない影響であり、キーホール内の対流は、金属液滴が溶接プロセスの間に射出されるほど十分に激しい。本液滴の射出は、制御不良な方式において、溶接塊の体積を低減させる。
【0011】
融解プール内のガスは、可能性として、いくつかの問題を課す。融解プール内のガス気泡の存在は、スパッタを引き起こし得る。ガスが、最終的な冷却プロセスの間に捕捉されたままであるとき、封入されたガスの存在によって引き起こされる残留応力は、溶接継合部内の亀裂につながり得る。冷却の前またはその間に解放されない場合、封入されたガスは、結果として生じる溶接塊内に実質的サイズの空所および／またはより小さい孔を形成する。
【0012】
冷却率の相違は、特に、異種材料が、ともに溶接されるとき、生じる可能性が高い。同じまたは類似する材料の部品をレーザ溶接するとき、部品間の真の金属結合が、溶接継合部において形成され得、溶接塊の材料組成は、比較的均一である。異種材料をレーザ溶接するとき、異なる材料間で金属結合を形成することは、不可能であり得る。代わりに、溶接部は、２つの材料の混在物を含有し得る。混合物が、不均一であるとき、２つの材料間のいかなる実質的な冷却率の相違も、融解プールの冷却に応じて、応力誘発性亀裂につながり得る。
【0013】
亀裂、空所、多孔性、および材料損失は、溶接継合部の強度を損なわせ得る。加えて、溶接構造が電流を帯びることが意図されるシナリオでは、例えば、バッテリ用途では、溶接継合部の伝導性は、これらの影響によって悪影響を及ぼされ得る。
【0014】
本方法では、レーザ溶接は、２つのビーム、すなわち、中心ビームと、中心ビームを囲繞する環状ビームとを含む、二重ビームレーザ放射によって実施される。中心および環状ビームの個別のパワーは、相互から独立して制御され、所望の結果を達成する。本二重ビームレーザ放射は、単一のレーザビームよりも安定的であり、良好に制御されたキーホールを維持することができる。本キーホールのより高い安定性は、同時に、（ａ）スパッタを最小限にし、（ｂ）キーホールが開放している持続期間を最大限にし、それによって、封入されたガスの解放を促進することが可能である。本方法は、螺旋形状パターンに沿って、二重ビームレーザ放射をトレースし、そうでなければガス封入および亀裂を起こす傾向がある材料に関与するシナリオであっても、最小限の封入されたガスおよび最小限の（または無）亀裂を伴って、強力な溶接継合部を確実に生成する。また、亀裂を回避する、または少なくとも最小限にする目的のために、本方法は、螺旋状パターンの中心に向かって移動しながら、制御されたレーザパワーの漸減を伴って完結する。
【0015】
上記で述べられたプロセスの特徴から利益を享受して、本方法は、異種金属、封入されたガスを伴う金属、および溶接プロセスの間に蒸発するコーティングを伴う金属を溶接することが可能である。一方法は、封入されたガスを伴うアルミニウム部品をともに溶接するように調整され、封入されたガスを適切に解放するために、外方向螺旋状および内方向螺旋状の両方を伴う同一領域をトレースし、内方向螺旋状の部分に沿って、中心ビームのパルス出力を伴う。アルミニウム部品は、異種組成物のものであってもよい。別の方法は、内方向螺旋状をトレースし、亜鉛コーティングされた鋼鉄またはニッケルコーティングされた銅等のコーティングされた金属部品を溶接するように調整される。従来のレーザ溶接方法は、特に、部品間に間隙が存在しないとき、そのようなコーティングの存在下で、良好な溶接継合部を確実に生産することに苦戦している。本方法は、ゼロ間隙構成に関してさえも、高品質な溶接継合部を確実に達成する。実際、本方法の溶接継合部の品質は、本質的に、ゼロ間隙から、部品の厚さに応じて、例えば、約０．５ミリメートルまたは可能性としてそれを上回る間隙まで延在する範囲内で、間隙サイズを問わない。
【0016】
一側面では、アルミニウムを継合するためのレーザ溶接方法は、アルミニウム部品上に配置される第１のアルミニウムシートの上にレーザ放射を集束させるステップと、集束されたレーザ放射を制御し、第１のアルミニウムシートをアルミニウム部品に溶接するように、第１のアルミニウムシート上の複数の経路をトレースするステップとを含む。レーザ放射は、中心ビームと、中心ビームを囲繞する環状ビームとを含む。制御するステップは、外方向螺旋状経路をトレースしながら、中心および環状ビームの個別の第１のパワーを持続するステップを含む。外方向螺旋状経路は、中央場所から始まり、中央場所を中心として、かつそこから離れるように螺旋状になる。制御するステップはさらに、外方向螺旋状経路をトレースした後、外側経路をトレースしながら、中心および環状ビームのパワーを個別の第１のパワーから個別の第２のパワーまで漸減させるステップを含む。外側経路は、中央場所から視認されると、螺旋状経路の周辺に存在する。加えて、制御するステップは、外側経路をトレースした後、中央場所に向かって、内方向螺旋状経路をトレースしながら、最初に、（ａ）中心および環状ビームのパワーを個別の第２のパワーから個別の第３のパワーまで漸増させ、続いて、（ｂ）環状ビームの第３のパワーを持続し、その第３のパワーとより低い第４のパワーとの間で、繰り返し中心ビームをパルス出力し、最終的に、（ｃ）中心ビームをオフにし、環状ビームのパワーをゼロまで漸減させるステップを含む。
【0017】
別の側面では、界面におけるコーティングを有する、金属部品のスタックを継合するためのレーザ溶接方法は、金属部品のスタックの上にレーザ放射を集束させるステップと、集束されたレーザ放射を制御し、金属部品のスタックをともに溶接するように、金属部品のスタックの第１の金属シート上の少なくとも１つの経路をトレースし、それによって、また、界面におけるコーティングを少なくとも部分的に蒸発させるステップとを含む。金属部品は、（ｉ）第１の金属シートと、（ｉｉ）最遠金属部品と、（ｉｉｉ）第１の金属シートと金属部品との間の０枚、１枚、またはいくつかの介入金属シートとを含む。金属部品のうちの少なくとも１つは、近隣の金属部品との界面におけるコーティングを有する。界面は、２つの近隣の金属部品間の直接接触を伴って、またはそれらの間に間隙を伴って構成される。レーザ放射は、第１の金属シート上に入射し、中心ビームと、中心ビームを囲繞する環状ビームとを含む。制御するステップは、内方向螺旋状経路をトレースするステップと、内方向螺旋状経路をトレースしながら、最初に、（ａ）中心および環状ビームの個別の第１のパワーを持続し、続いて、（ｂ）同時に、中心ビームのパワーをその第１のパワーからゼロワットまで漸減させ、環状ビームのパワーをその第１のパワーから非ゼロの第２のパワーまで漸減させ、最終的に、（ｃ）環状ビームをオフにするステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【0018】
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する、付随の図面は、本発明の好ましい実施形態を概略的に図示し、上記に与えられる概要および下記に与えられる好ましい実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を解説する役割を果たす。
【0019】
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【発明を実施するための形態】
【0032】
発明の詳細な説明
ここで図面を参照すると、同様の構成要素は、同様の番号によって指定され、図１は、金属部品を溶接するための１つのレーザ溶接装置１００を概略的に図示する。装置１００は、二重ビームレーザ放射１２０を標的の上に集束させ、標的上の螺旋状経路１３０等の１つまたはそれを上回る経路をトレースするように構成される。
ここで図面を参照すると、同様の構成要素は、同様の番号によって指定され、図１は、金属部品を溶接するための１つのレーザ溶接装置１００を概略的に図示する。装置１００は、二重ビームレーザ放射１２０を標的の上に集束させ、標的上の螺旋状経路１３０等の１つまたはそれを上回る経路をトレースするように構成される。
【0033】
図１に描写されるシナリオでは、装置１００は、２つの重複する金属部品、すなわち、金属シート１１２および金属部品１１４をともに溶接する。本明細書では、用語「金属シート」は、１０ミリメートル以下の厚さを伴う金属部品を指し、したがって、キロワット範囲内の平均パワーを伴う集束されたレーザ放射が、その厚さを通して融解し得る。本明細書で使用されるように、用語「金属シート」は、１００ミクロン未満の厚さを伴う金属箔、および平坦ではない金属部品を含む。用語「金属シート」はまた、本明細書で使用されるように、１０ミリメートルよりも厚い、１つまたはそれを上回る他の部分を有する金属部品の局所的なシート様部分も指す。したがって、金属シート１１２の厚さ１１２Ｔは、１０ミリメートルまたはそれ未満である。溶接による金属部品１１２および１１４の継合が、レーザ放射１２０が、金属シート１１２の厚さ１１２Ｔを通して融解することを要求する一方、金属部品１１４の厚さ１１４Ｔを通して融解することは、必要とされない。したがって、金属部品１１４は、金属シートである場合とそうではない場合があり、厚さ１１４Ｔは、１０ミリメートルを超過する場合とそうではない場合がある。
【0034】
図２は、標的上に集束される際、例えば、図１に描写されるような金属シート１１２上に集束される際のレーザ放射１２０の横方向外形２００を示す。レーザ放射１２０は、中心ビーム１２２Ｃと、中心ビーム１２２Ｃを囲繞する環状ビーム１２２Ａとを含む。環状ビーム１２２Ａのパワーの少なくとも大部分は、中心ビーム１２２Ｃの直径の外側にある。図２に描写される実施形態では、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａは、円形である。以下の議論は、円形ビームを仮定するが、楕円形ビームに容易に拡張される。中心ビーム１２２Ｃは、１／ｅ２の直径２１０Ｃを有する。環状ビーム１２２Ａは、外側の１／ｅ２の直径２１２Ａと、内側の１／ｅ２の直径２１４Ａとを有する。環状ビーム１２２Ａの内径２１４Ａは、中心ビーム１２２Ｃの直径２１０Ｃを超過する。中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａの組み合わせられたパワーは、中心ビーム１２２Ｃの外径２１０Ｃと環状ビーム１２２Ａの内径２１４Ａとの間にある、円２２０に沿って最小値を獲得する。一実施例では、直径２１０Ｃは、５０～５００ミクロンの範囲内にあり、外径２１２Ａは、直径２１０Ｃの２～３倍の範囲内にある。別の実施例では、直径２１０Ｃは、１５～５０ミクロンの範囲内にあり、外径２１２Ａは、直径２１０Ｃの４～１０倍の範囲内にある。レーザ放射１２０は、例えば、９００～１，２００ナノメートルの範囲内の波長を伴う、近赤外線であってもよい。
【0035】
再度、図１を参照すると、装置１００は、レーザ源１７０と、中心パワーコントローラ１７２と、環状パワーコントローラ１７４と、光ファイバ１７８と、ビーム送達モジュール１８０とを含む。レーザ源１７０は、レーザ放射を発生させる。レーザ源１７０は、中心ビーム１２２Ｃを形成するために、発生されたレーザ放射の１つの部分を光ファイバ１７８の中心コアの中に、かつ環状ビーム１２２Ａを形成するために、発生されたレーザ放射の別の部分を光ファイバ１７８の環状コアの中に結合する。レーザ源１７０から光ファイバ１７８の中にレーザ放射を結合する目的のために、装置１００は、米国特許第１０，８０７，１９０号および米国特許出願公開第２０１９／０１１８２９９号（その両方が、参照することによってそれらの全体として本明細書に組み込まれる）において議論されるものに類似する、ファイバ結合技法を実装し得る。
【0036】
中心パワーコントローラ１７２は、必要に応じて、中心ビーム１２２Ｃのパワーを調節する。環状パワーコントローラ１７４は、必要に応じて、環状ビーム１２２Ａのパワーを調節する。一実装では、レーザ源１７０は、中心パワーコントローラ１７２によって制御され、中心ビーム１２２Ｃを発生させるために特化される少なくとも１つのレーザと、環状パワーコントローラ１７４によって制御され、環状ビーム１２２Ａを発生させるために特化される少なくとも１つの他のレーザとを含む。
【0037】
ビーム送達モジュール１８０は、光ファイバ１７８からレーザ放射１２０を受光する。ビーム送達モジュール１８０は、レーザ放射１２０を標的の上に集束させ、必要に応じて、レーザ放射１２０を操向し、例えば、螺旋状経路１３０をトレースする。ビーム送達モジュール１８０は、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａを全体としてともに操向し、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａを相互から独立して、空間的に操作することが可能である必要はない。ビーム送達モジュール１８０は、集束レンズまたは対物レンズと、当技術分野において公知であるようなビーム操向光学系とを含んでもよい。
【0038】
装置１００はさらに、中心パワーコントローラ１７２、環状パワーコントローラ１７４、およびビーム送達モジュール１８０の動作を管理する、マスタコントローラ１９０を含んでもよい。マスタコントローラは、例えば、中心パワーコントローラ１７２、環状パワーコントローラ１７４、およびビーム送達モジュール１８０によって実施されることになる動作を規定する、機械可読命令を含有するコンピュータである。
【0039】
図１に描写されるシナリオでは、ビーム送達モジュール１８０は、レーザ放射１２０を金属シート１１２の表面１１２Ｓの上に集束させる。表面１１２Ｓは、金属部品１１４から金属シート１１２の反対側にある。ビーム送達モジュール１８０は、レーザ放射１２０を用いて、螺旋状経路１３０を含む、１つまたはそれを上回る経路をトレースする。ビーム送達モジュール１８０が、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａをともに集束させ、操向する一方、中心パワーコントローラ１７２および環状パワーコントローラ１７４は、金属シート１１２および金属部品１１４をともに溶接するために、必要に応じて、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａの個別のパワーを相互から独立して調節する。例えば、中心ビーム１２２Ｃのパワーは、環状ビーム１２２Ａのパワーとは異なる率において、漸増または漸減され得る、または環状ビーム１２２Ａが、連続的にオンである一方、中心ビーム１２２Ｃが、パルス出力する、またはオフにされ得る。
【0040】
図３は、二重ビームレーザ放射１２０を用いた螺旋状レーザ溶接を使用して、アルミニウムを継合するための一方法３００に関するフローチャートである。方法３００は、装置１００によって実施され得、アルミニウムシートを１つまたはそれを上回る他のアルミニウムシートに、および／または別のアルミニウム部品に溶接するために使用され得る。各アルミニウムシート／部品は、実質的に、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作製される。本明細書の範囲から逸脱することなく、表面は、溶接するステップに先立って、ある程度の酸化および／または汚染を呈し得る。
【0041】
アルミニウムは、融解されるとき、比較的粘性である。アルミニウムが、概して、ある程度の捕捉されたガスを含有し、高い粘度が、そのようなガスの解放を妨げるため、アルミニウムの従来のレーザ溶接は、特に、著しい多孔性および実質的サイズの空所を伴う溶接塊を生産する傾向があり、スパッタもまた起こす傾向がある。鋳造アルミニウム等のある形態のアルミニウムは、比較的大量のガスを含有する傾向がある。方法３００は、捕捉されたガスの解放を最適化するように調整される。少なくとも本理由のために、方法３００は、部品のうちの１つまたはそれを上回るものが、鋳造アルミニウム部品であるとき等、部品のうちの１つまたはそれを上回るものが、高いガス含有量を有するときであっても、アルミニウム部品間の高品質かつ低多孔性の溶接継合部を形成することが可能である。例えば、方法３００は、１つまたはそれを上回る押出成型されたアルミニウムシートを鋳造アルミニウム部品に溶接するために使用されてもよい。一般に、方法３００は、封入されたガスの制御された解放を促進し、応力を最小限にし、それによって、スパッタおよび多孔性、および冷却の間に形成する亀裂のリスクを最小限にする。
【0042】
方法３００は、ステップ３１０と、３２０とを含む。ステップ３１０は、レーザ放射１２０を、随意に、それらの間に配置される１つまたはそれを上回る他の介入アルミニウムシートを伴う、別のアルミニウム部品上に配置される第１のアルミニウムシートの上に集束させる。ステップ３２０は、レーザ放射１２０を制御し、集束されると、第１のアルミニウムシート上の複数の経路をトレースし、それによって、第１のアルミニウムシートをアルミニウム部品（および存在する場合、介入アルミニウムシート）に溶接する。
【0043】
ステップ３１０および３２０の詳細を議論するステップに進む前に、方法３００によって溶接され得るアルミニウム部品の異なる構成について述べる。図４、５、および６は、それに対して方法３００が適用され得る、金属部品の例示的構成、および方法３００によって形成される例示的溶接塊を図示する。方法３００の文脈内では、図４、５、および６に示される金属部品はそれぞれ、アルミニウム部品である。
【0044】
図４は、構成４００を示し、金属シート１１２は、それらの間に他の介入金属シートを伴わずに、金属部品１１４上に配置され、方法３００の実施によって引き起こされる金属融解は、金属部品１１４の中に、途中までのみ延在する。金属シート１１２は、それらの間の界面４１４Ｆに沿って、金属部品１１４と直接接触していてもよい。本明細書の範囲から逸脱することなく、小さい間隙が、例えば、位置付け許容誤差または表面の非平坦性に起因して、界面４１４Ｆに沿って定位置に存在し得る。金属部品１１４は、界面４１４Ｆと反対側の金属部品１１４の側面上に、表面４１４Ｓを有する。金属シート１１２および金属部品１１４は、構成４００において配列されるように、表面１１２Ｓと４１４Ｓとの間に組み合わせられた厚さ４１０Ｔを有する。金属シート１１２および／または金属部品１１４が非平面であるシナリオでは、厚さ４１０Ｔは、レーザ放射１２０が溶接の間に金属シート１１２上に入射する領域内で測定される、局所的な厚さである。
【0045】
方法３００を構成４００に適用するとき、方法３００は、レーザ放射１２０を金属シート１１２の表面１１２Ｓの上に指向し、金属シート１１２を通して、界面４１４Ｆを横断して、かつ金属部品１１４の中に融解するが、金属部品１１４全体を通して、表面４１４Ｓまで融解しない。方法３００は、それによって、表面１１２Ｓから始まり、金属部品１１４の内側部分内で終端する、溶接塊４５０を形成し、したがって、溶接塊４５０の深さ４５０Ｄは、厚さ４１０Ｔよりも浅い。溶接塊４５０は、深さ４５０Ｄを超過し得る、幅４５０Ｗを有する。例えば、幅４５０Ｗは、深さ４５０Ｄの１～５倍の範囲内であってもよい。方法３００が、構成４００では、金属部品１１４全体を通して、表面４１４Ｓまで融解しようとしないため、金属部品１１４によって提供される、対応するヒートシンクが、レーザ放射１２０が、界面４１４Ｆを横断して融解しないように防止しない限り、金属部品１１４の厚さ４１４Ｔは、事実上、金属シート１１２の厚さ１１２Ｔを超過し得る。構成４００の一実施例では、厚さ１１２Ｔは、１～５ミリメートルの範囲内にあり、厚さ１１４Ｔは、２～３０ミリメートルの範囲内にあり、幅４５０Ｗは、３～１５ミリメートルであり、深さ４５０Ｄは、少なくとも１ミリメートルだけ金属部品１１４の中に延在する。代替として、深さ４５０Ｄは、例えば、金属部品１１４が、比較的薄く、表面４１４Ｓが溶接プロセスの徴候を示さないことが好ましいとき、１ミリメートル未満だけ金属部品１１４の中に延在してもよい。溶接塊４５０は、典型的には、表面１１２Ｓにおいて、またはその近傍で最幅広であり、したがって、幅４５０Ｗは、それを中心として獲得され、界面４１４Ｆにおける溶接塊４５０の幅は、幾分、より小さい。
【0046】
図５は、構成５００を示し、これは、方法３００の実施によって発生される、金属融解、および関連付けられる溶接塊５５０が、金属部品１１４全体を通して、表面４１４Ｓまで延在することを除いて、構成４００に類似する。構成５００では、金属部品１１４は、厚さ１１２Ｔに類似する、厚さ１１４Ｔを伴う金属シートであり得る。溶接塊５５０の幅５５０Ｗは、厚さ４１０Ｔを超過し得る。しかしながら、溶接塊５５０の外周のみが、レーザ溶接の間、金属シート１１２および金属部品１１４の中実部分によって支持されるため、幅５５０Ｗを厚さ４１０Ｔの約３倍未満に限定することが、好ましくあり得る。幅５５０Ｗが、本限界を超過することが可能にされる場合、レーザ放射１２０は、実質的量の融解された金属を吹き飛ばし得る。そのような吹き飛ばしは、溶接塊５５０のサイズおよび強度を損なわせ得、最悪の場合では、金属シート１１２および金属部品１１４を通して延在する開口を形成することさえある。構成５００の一実施例では、厚さ１１２Ｔおよび１１４Ｔはそれぞれ、１～３ミリメートルの範囲内にあり、幅５５０Ｗは、厚さ４１０Ｔの結果として生じる値の３倍未満である。
【0047】
図６は、構成６００を示し、これは、金属シート１１２と金属部品１１４との間に介入金属シート６１６を含むことを除いて、構成４００に類似する。金属シート６１６は、厚さ１１２Ｔに類似する、厚さ６１６Ｔを有する。金属シート１１２および６１６は、界面６１６Ｆにおいて衝合し、金属シート６１６および金属部品１１４は、界面６１４Ｆにおいて衝合する。界面６１６Ｆおよび６１４Ｆはそれぞれ、界面４１４Ｆに類似する性質を有する。方法３００が、構成６００に適用されるとき、レーザ放射１２０は、金属シート１１２を通して、界面６１６Ｆを横断して、金属シート６１６を通して、界面６１４Ｆを横断して、金属部品１１４の中に融解するが、表面４１４Ｓに至るまで融解しない。結果として生じる溶接塊６５０は、金属部品１１４の内側部分内で終端し、表面１１２Ｓと４１４Ｓとの間の金属シート１１２および６１６および金属部品１１４の組み合わせられた厚さ６１０Ｔ未満である、深さ６５０Ｄを有する。構成６００の一実施例では、厚さ１１２Ｔおよび６１６Ｔはそれぞれ、１～３ミリメートルの範囲内にあり、厚さ４１４Ｔは、２～３０ミリメートルの範囲内にあり、幅６５０Ｗは、３～１５ミリメートルである。金属部品１１４の中への深さ６５０Ｄの広がりは、構成４００では、金属部品１１４の中への溶接塊４５０の広がりに類似し得る。
【0048】
構成６００は、方法３００による金属融解に対して修正され得、これは、構成５００に到達するために、構成４００の修正に類似する様式において、金属部品１１４全体を通して、表面４１４Ｓまで延在する。加えて、構成６００は、金属シート１１２と金属部品１１４との間に、１枚を上回る介入金属シート６１６を含むように拡張されてもよい。
【0049】
再度、図３を参照すると、ステップ３１０の一実施例では、レーザ源１７０は、レーザ放射１２０を発生させ、ビーム送達モジュール１８０は、図４、５、および６を参照して上記に議論される構成のうちのいずれか１つにおいて配列されるように、中心ビーム１２２Ｃと、環状ビーム１２２Ａとを含む、レーザ放射１２０を金属シート１１２の表面１１２Ｓの上に集束させる。ステップ３２０の関連する実施例では、ビーム送達モジュール１８０は、レーザ放射１２０を操向し、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａを用いて、表面１１２Ｓ上の複数の経路をトレースする。
【0050】
ステップ３２０は、ステップ３２４と、３２６と、３２８とを含み、列挙される順序において実施される。ステップ３２０の実施は、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａのパワーを操作しながら、複数の経路をトレースするステップに関与する。図７は、ステップ３２０において利用されるレーザパワースキームを示し、図８Ａ、８Ｂ、および８Ｃは、それぞれ、ステップ３２４、３２６、および３２８において、集束されたレーザ放射１２０によってトレースされる、３つの経路を示す。中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａは、連続波ビームであってもよい。中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａのパワーは、要求に応じて、それぞれ、中心パワーコントローラ１７２および環状パワーコントローラ１７４によって調節され得る。
【0051】
ステップ３２４は、図８Ａに示される、外方向螺旋状経路８１０をトレースする。外方向螺旋状経路８１０は、時間ｔ１において、中央場所ＬＣから始まり、時間ｔ２において、中央場所ＬＣを中心として、かつそこから離れるように螺旋状になり、外側場所ＬＯに到達する。図８Ａに描写される実施例では、螺旋状経路８１０は、アルキメデス螺旋に類似し、したがって、中央場所ＬＣを中心とした連続回転が、ほぼ等距離にあり、分離距離８１２によって特徴付けられる。分離距離８１２は、環状ビーム１２２Ａの直径２１２Ａによって決定され、例えば、少なくとも直径２１２Ａと同程度に大きいが、直径２１２Ａの２倍以下であり得る。本明細書の範囲から逸脱することなく、螺旋状経路８１０は、アルキメデス螺旋状とは異なる形状をとり得る。
【0052】
外方向螺旋状経路８１０をトレースしながら、ステップ３２４は、中心ビーム１２２ＣのパワーＰＣ１および環状ビーム１２２ＡのパワーＰＡ１を持続する（図７参照）。ＰＡ１は、ＰＣ１よりも高くあり得る。中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａのこれらのパワーは、その上にレーザ放射１２０が入射する、アルミニウムシートの表面（例えば、金属シート１１２の表面１１２Ｓ）から、存在する場合、任意の介入アルミニウムシート（例えば、金属シート６１６）を通して、かつその上にレーザ放射１２０が入射する、アルミニウムシート（例えば、金属部品１１４）から最遠のアルミニウム部品の中に、またはそれを通して延在する、キーホールを伴う局所的な融解プールを維持するために十分であるように設定される。キーホールおよび囲繞する融解プールは、ステップ３２４の間、外方向螺旋状経路８１０に沿って、レーザ放射１２０とともに移動する。キーホールは、レーザ放射１２０が入射する領域に対して位置決めされる。融解プールは、概して、レーザ放射１２０の後方に尾部を有するであろう。
【0053】
従来、キーホール溶接は、典型的には、略正規分布またはフラットトップ横方向強度分布を伴う、単一のレーザビームによって実施される。本単一のレーザビームのパワー密度は、キーホールを形成するために十分に高く設定される。しかしながら、キーホールの対流機構は、多くの場合、非常に激しいため、著しいスパッタは、不可避であり、キーホールは、予測不能に開放および閉鎖する。他方、方法３００は、環状ビームの存在から利益を享受し、（ａ）金属内に課される温度勾配を制御し、（ｂ）中心ビームに対するパワー密度要件を低減させる。レーザ放射１２０を用いて、外方向螺旋状経路８１０をトレースするとき、環状ビーム１２２Ａの部分８２４Ｌは、中心ビーム１２２Ｃを先導し、環状ビーム１２２Ａの別の部分８２４Ｔは、中心ビーム１２２Ｃを後追する。先導部分８２４Ｌは、材料を予熱し、したがって、キーホールは、相対的に容易に、確立および維持される。後追部分８２４Ｔによって提供される加熱は、キーホールの後方の材料の温度をより緩やかに低下させ、キーホールを後追する温度勾配を低減させ、冷却された材料内の応力を最小限にする役割を果たす。方法３００は、それによって、スパッタを通して殆どまたは全く材料損失を伴わずに、かつ最小限の応力を伴って、安定的なキーホールを達成する。方法３００によって達成される改良されたキーホールの安定性は、キーホールが、開放されるときにのみ、封入されたガスが、キーホールを介して逃散し得るため、アルミニウム内に封入されるガスを解放することに役立つ。
【0054】
ステップ３２４単独では、１つまたはそれを上回る部品が、実質的量の捕捉されたガスを含有するとき、アルミニウム部品間の満足な溶接継合部を達成するために不十分であることを見出している。ステップ３２４が、付加的な溶接を付随しない場合、ガスは、融解された材料内に封入されたままであり、典型的には、最終的な溶接塊が、実質的サイズの空所および関連する応力誘発性亀裂を有するという結果をもたらす。同様に、ステップ３２４単独では、異種組成物のアルミニウム部品をともに溶接するために不十分であることも見出している。ここで、外方向螺旋状経路８１０に沿った単一の経路は、十分な混合を提供せず、溶接塊は、したがって、冷却に応じて、亀裂する傾向がある。したがって、方法３００はさらに、ステップ３２８を含む。ステップ３２８は、図８Ｃに示される内方向螺旋状経路８３０を中央場所ＬＣに向かって戻るようにトレースする。しかしながら、ステップ３２４において、外方向螺旋状経路８１０のトレースが、材料を高温のままに残すため、ステップ３２８が、ステップ３２４を完結することに応じて、同一のパワーレベルを伴って、即座に始動される場合、材料は、非常に熱くなるであろう。スパッタは、不可避である可能性が高いであろう。そのような過熱を防止するために、ステップ３２８は、（ａ）低減されたパワーレベルから開始し、（ｂ）ステップ３２４および３２８の螺旋状経路の周辺に存在する面積を照射するステップ３２６によって、ステップ３２４から分離される。
【0055】
ステップ３２６は、時間ｔ２とｔ３との間の、図８Ｂに示される外側経路８２０をトレースする。外側経路８２０は、時間ｔ２において、外側場所ＬＯから開始する。外側経路８２０は、中央場所ＬＣから半径方向に視認されると、外方向螺旋状経路８１０の周辺に存在する（図８Ｂは、半径方向８９０の実施例を示す）。外側経路８２０をトレースしながら、ステップ３２６は、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａのパワーを、それぞれ、パワーＰＣ１およびＰＡ１から、それぞれ、パワーＰＣ２およびＰＡ２まで漸減させる（図７参照）。ＰＣ２およびＰＡ２は両方とも、ＰＣ１よりも低い。ＰＣ２およびＰＡ２は、ゼロであってもよい。
【0056】
一実装では、外側経路８２０は、閉経路、例えば、図８Ｂに示されるような円を含む。本実装では、ステップ３２６はさらに、方法３００によって形成される溶接塊が、所望の形状の良好に画定された外周を有することを確実にする役割を果たし得る。ステップ３２６は、本閉ループを１回トレースし得、本場合では、外側経路８２０は、外側場所ＬＯから開始し、終了する。代替として、ステップ３２６は、閉ループに沿って、中央場所ＬＣを中心として、１つを上回る回路を実施し、本場合では、外側経路８２０は、外側場所ＬＯまたは閉ループ上の別の終端点ＬＴのいずれかにおいて終了する。十分であるとき、閉ループに沿った単一の回路は、本実装における全体的な処理時間を最小限にする。
【0057】
別の実装では、外側経路８２０は、中央場所ＬＣを中心とした完全回路を完了させる前に、終端点ＬＴにおいて終了する、開経路である。本実装では、終端点ＬＴの場所は、それが、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａのパワーを、それぞれ、ＰＣ２およびＰＡ２まで傾斜させるために要する時間によって定義され得る。完全回路を完了させる前の外側経路８２０の終端は、より小さい溶接塊を結果としてもたらし、これは、いくつかのシナリオでは、好ましくあり得る。
【0058】
本明細書の範囲から逸脱することなく、外側経路８２０は、外方向螺旋状経路８１０の連続部であり、外方向螺旋状経路８１０の拡張されたバージョンの外側端部においてレーザパワーを漸減させる、ステップ３２６に対応し得る。
【0059】
ステップ３２８は、図８Ｃに示されるように、時間ｔ３において始動され、内方向螺旋状経路８３０を中央場所ＬＣまで戻るようにトレースする。内方向螺旋状経路８３０の幾何学的性質は、外方向螺旋状経路８１０のものに類似し得る。内方向螺旋状経路８３０は、外側経路８２０が終了する場所から開始する。したがって、内方向螺旋状経路８３０は、（図８Ｃに描写されるように）外側場所ＬＯまたは終端点ＬＴのいずれかから開始する。内方向螺旋状経路８３０をトレースするプロセスは、３つの区画、すなわち、（１）時間ｔ３における外側場所ＬＯ（または終端点ＬＴ）から時間ｔ４における場所ＬＰまでの第１の区画、（２）時間ｔ４における場所ＬＰから時間ｔ５における場所ＬＲまでの第２の区画、および（３）時間ｔ５における場所ＬＲから時間ｔ６における中央場所ＬＣまでの第３の区画において行われる。第１の区画をトレースしながら、ステップ３２８は、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａのパワーを、それぞれ、ＰＣ２およびＰＡ２から、それぞれ、パワーＰＣ３およびＰＡ３まで漸増させる（図７参照）。図７に描写される実施例では、ＰＣ３は、ＰＣ２を超過し、ＰＡ３は、ＰＡ２およびＰＣ３の両方を超過する。しかしながら、他の関係が、いくつかのシナリオでは、有利であり得る。次に、第２の区画をトレースしながら、ステップ３２８は、（ａ）環状ビーム１２２ＡのパワーＰＡ３を持続し、（ｂ）ＰＣ３とより低いパワーＰＣ４との間で中心ビーム１２２Ｃを繰り返しパルス出力する（図７参照）。ＰＣ４は、オフパワー、すなわち、ゼロワットであってもよい。中心ビーム１２２Ｃのパルス出力率は、０．５～５キロヘルツの範囲内であり得る。最終的に、第３の区画をトレースしながら、ステップ３２８は、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａのパワーを低減させる。本パワー低減の一実施形態では、ステップ３２８は、中心ビーム１２２Ｃをオフにし、環状ビーム１２２Ａをゼロワットまで漸減させる（図７参照）。ＰＣ４が非ゼロであるとき、ステップ３２８は、（ａ）例えば、第３の区画を始動するステップに応じて、そのパワーをゼロワットに切り替える、または（ｂ）第３の区画のトレースの間、そのパワーをゼロワットまで漸減させることによって、中心ビーム１２２Ｃをオフにし得る。本明細書の範囲から逸脱することなく、ステップ３２８は、環状ビーム１２２Ａにおける非ゼロパワー、例えば、２０％またはそれ未満のＰＡ３を用いて完結し得る。
【0060】
内方向螺旋状経路８３０の第２の区画の間の中心ビーム１２２Ｃのパルス出力は、ステップ３２４における外方向螺旋状経路８１０のトレース後、融解された材料内に捕捉されたガスを解放するために有効であることが証明されている。環状ビーム１２２Ａの漸減は、急激なオフとは対照的に、材料の冷却を減速させ、応力を解放し、溶接塊の亀裂を防止する役割を果たす。レーザ放射１２０が定常である間にパワーを漸減させることは、溶接塊内に孔または窪みを生産する傾向があることを見出している。したがって、ステップ３２８は、レーザ放射１２０の最終的な漸減を実施しながら、内方向螺旋状経路８３０に沿って移動する。
【0061】
ステップ３２０はさらに、ステップ３２４に先行する、ステップ３２２を含んでもよい。時間ｔ０において、ステップ３２２は、中央場所ＬＣにおいて、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａの初期パワーＰＣ０およびＰＡ０において、それぞれ、レーザ放射１２０をオンにする。ＰＡ０は、ＰＣ０を超過してもよい。時間ｔ０から時間ｔ１まで、レーザ放射１２０を中央場所ＬＣに指向し続けながら、ステップ３２２は、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａのパワーを、それぞれ、ＰＣ１およびＰＡ１まで漸減させる。ステップ３２２において、レーザ放射１２０によって堆積されるエネルギーは、融解プールを形成し、キーホールを確立することに役立つ。ステップ３２２を省略する実施形態は、最初に、ステップ３２４において、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２ＡのパワーＰＣ１およびＰＡ１を用いて、それぞれ、レーザ放射１２０をオンにする。
【0062】
一実施形態では、ステップ３２４の持続時間は、１５０～３００ミリ秒であり、ステップ３２６の持続時間は、２５～１００ミリ秒であり、ステップ３２８の持続時間は、１５０～３００ミリ秒であり、（含まれる場合）ステップ３２２の持続時間は、２５～１００ミリ秒である。方法３００は、１秒未満以内に完了され得る。ある実装では、ＰＣ０、ＰＡ０、ＰＣ１、ＰＡ１、ＰＣ３、およびＰＡ３はそれぞれ、平均パワーのキロワットを超過する。例えば、ＰＣ０、ＰＡ０、ＰＣ１、ＰＡ１、およびＰＡ３は、２～４キロワットの範囲であり得、ＰＣ３は、０．５～２．５キロワットの範囲内であり得、ＰＣ２、ＰＣ４、およびＰＡ２は、０～０．２キロワットの範囲内であり得る。パワーレベルは、関与されるアルミニウム部品の厚さに従って、結果として生じる溶接塊が、最遠アルミニウム部品を貫通する、またはむしろ、その内側場所において終端するべきかどうかに基づいて調整され得る。
【0063】
方法３００は、シールドガスを溶接区域に提供するステップを含み、溶接塊の上部層（例えば、最近傍表面１１２Ｓ）内の細孔を防止し、プラズマ形成を防止し、周囲酸素への暴露を最小限にすることにさらに役立ち得る。シールドガスは、例えば、アルゴンまたは窒素である。
【0064】
経路８１０、８２０、および８３０は、単一の連続的経路を形成するために接続する。ステップ３２０は、時計回りまたは反時計回り方向において、経路８１０、８２０、および８３０のそれぞれをトレースし得る。本方向は、経路毎に同一である必要はない。例えば、内方向螺旋状経路８３０は、外方向螺旋状経路８１０と同じであるが、外方向よりもむしろ、逆行して、かつ内方向においてトレースされ得る。経路８１０、８２０、および８３０の組み合わせによってトレースされる面積は、３～１５ミリメートルの範囲内において、一般的な広がり、例えば、図８Ｃに示されるような直径８７０Ｄを有し得る。
【0065】
図９は、それらの間の界面におけるコーティングを含む、金属部品を継合するための一方法９００に関するフローチャートである。方法９００は、装置１００によって実施され得る。方法９００は、亜鉛コーティングされた鋼鉄またはニッケルコーティングされた銅を溶接するために使用されてもよい。
【0066】
溶接されることになる金属部品間の界面におけるコーティングの存在は、コーティングが、金属部品自体を融解するために要求される温度よりも低い温度において蒸発するとき、課題を提示する。例えば、鋼鉄の融解温度は、典型的には、摂氏約１，３７０度であるのに対し、亜鉛の蒸発温度は、摂氏９０７度にすぎない。効率的なガス逃散ルートの不在下では、コーティングの蒸発によって生産されるガスは、キーホール溶接の間に、著しいスパッタを引き起こす。そのようなコーティングされた金属部品の従来のキーホールレーザ溶接では、金属部品は、ガスのための代替逃散ルートを提供するために十分に大きい間隙によって相互から分離される。方法９００は、そのような間隙を要求しない。その代わりに、方法９００は、コーティングの蒸発によって生産されるガスが、最小限の（または無）スパッタを伴って、キーホールを経由して効率的に逃散することを可能にするように調整される。方法９００は、したがって、金属部品が、相互と直接接触しているとき、スパッタを最小限にすることが可能であり、したがって、高品質な溶接継合部を達成する。方法９００がまた、部品が、ある程度の量の間隙によって相互から分離されるとき、スパッタを最小限にし、高品質な溶接継合部を達成することを見出している。亜鉛コーティングされた鋼鉄の場合では、間隙が比較的小さくある限り、溶接継合部の品質が、間隙の存在を問わないことを見出している。間隙サイズに従って、任意のプロセスパラメータを修正することさえなく、同一の溶接継合部の品質が、小さい間隙および無間隙に関して達成される。キーホールが、（入射するレーザ放射により近接する）上部シートから下方のシートまたは部品の上に融解された金属を押進する傾向があるため、上部シートの厚さは、それに対して溶接継合部の品質を問わない、最大間隙サイズを定義する一次因子である。あるシナリオでは、溶接継合部の品質は、間隙が、上部シートの厚さの０（間隙がない）～約６０％の範囲内にある限り、間隙サイズを問わない。
【0067】
方法９００は、ステップ９１０と、９２０とを含む。ステップ９１０は、レーザ放射１２０を金属部品のスタックの上に集束させる。金属部品のスタックは、随意に、それらの間に配置される１枚またはそれを上回る介入金属シートを伴う、金属部品上に配置される第１の金属シートから成る。金属部品は、金属シートである場合とそうではない場合がある。ステップ９２０は、レーザ放射１２０を制御し、集束されると、第１の金属シートを金属部品（および存在する場合、介入金属シート）に溶接するように、第１の金属シート上の少なくとも１つの経路をトレースする。本溶接は、金属部品間の界面におけるコーティングを含む、レーザ放射１２０の経路内に配置されるコーティングの蒸発を引き起こす。
【0068】
図１０および１１は、方法９００によって溶接され得る、金属シート／部品の例示的構成を図示する。方法９００の文脈内では、各金属シート／部品は、随意に、亜鉛または亜鉛合金によってコーティングされる鋼鉄から作製される、または各金属シート／部品は、随意に、ニッケルまたはニッケル合金によってコーティングされる銅または銅合金から作製される。本明細書の範囲から逸脱することなく、表面は、溶接するステップに先立って、ある程度の酸化および／または汚染を呈し得る。
【0069】
図１０は、２層スタックを伴う構成１０００を図示する。構成１０００は、（ａ）金属シート１１２および金属部品１１４のうちの少なくとも１つが、界面４１４Ｆにおいて、その上にコーティングを有し、（ｂ）間隙１０１０Ｇが、界面４１４Ｆにおいて存在し得ることを除いて、構成４００および５００に類似する。金属シート１１２は、界面４１４Ｆに面する金属シート１１２の表面におけるコーティング１０１２Ｃを有する、および／または金属部品１１４は、界面４１４Ｆに面する金属部分１１４の表面におけるコーティング１０１４Ｃを有する。金属シート１１２および金属部品１１４の他の表面も、同様にコーティングされてもよい。典型的なシナリオでは、金属シート１１２および金属部品１１４のうちの少なくとも１つの全ての表面が、コーティングされる。間隙１０１０Ｇは、０（無間隙）～１ミリメートル、または金属シート１１２の厚さの０～６０％の範囲内であり得る。
【0070】
方法９００によって形成される溶接塊は、方法３００によって形成されるものに類似する寸法を有し得る。溶接塊（図１０には示されない）は、図５の溶接塊５５０に類似する様式において、金属部品１１４を貫通する、または図４の溶接塊４５０に類似する様式において、金属部品１１４の内側部分内で終端し得る。
【0071】
図１１は、金属シート１１２と金属部品１１４との間の介入金属シート６１６を含む、構成１１００を図示する。構成１１００は、（ａ）金属シート１１２、金属シート６１６、および金属部品１１４のうちの少なくとも１つが、対応する界面におけるコーティングを有すること、（ｂ）間隙が、界面６１６Ｆおよび６１４Ｆのうちの１つまたはそれを上回るものにおいて存在し得ることを除いて、構成６００に類似する。コーティングに対して、金属シート１１２は、界面６１６Ｆにおけるコーティング１０１２Ｃを有し得、金属シート６１６は、界面６１６Ｆにおけるコーティング１１１６Ｃ（１）および界面６１４Ｆにおけるコーティング１１１６Ｃ（２）のうちの一方または両方を有し得、金属部品１１４は、界面６１４Ｆにおけるコーティング１０１４Ｃを有し得る。界面６１６Ｆおよび６１４Ｆはそれぞれ、図１０の間隙１０１０Ｇに類似する間隙を伴って構成され得る。構成１１００は、１枚を上回る介入金属シート６１６を含むために、容易に拡張される。
【0072】
構成１１００（図１１には示されない）において、方法９００によって形成される溶接塊は、図５の溶接塊５５０に類似する様式において、金属部品１１４を貫通する、または図６に描写される溶接塊６５０に類似する様式において、金属部品１１４の内側部分内で終端し得る。
【0073】
再度、図９を参照すると、ステップ９１０の一実施例では、レーザ源１７０は、レーザ放射１２０を発生させ、ビーム送達モジュール１８０は、図１０および１１を参照して上記に議論される構成のいずれか１つにおいて配列されるように、中心ビーム１２２Ｃと、環状ビーム１２２Ａとを含む、レーザ放射１２０を金属シート１１２の表面１１２Ｓの上に集束させる。ステップ９２０の実施例では、ビーム送達モジュール１８０は、レーザ放射１２０を操向し、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａを用いて、表面１１２Ｓ上の少なくとも１つの経路をトレースする。ステップ９２０の実施は、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａのパワーを操作しながら、少なくとも１つの経路をトレースするステップに関与する。中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａのパワーは、要求に応じて、それぞれ、中心パワーコントローラ１７２および環状パワーコントローラ１７４によって調節され得る。中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａは、連続波ビームであってもよい。
【0074】
ステップ９２０は、内方向螺旋状経路をトレースする、ステップ９２４を含む。ステップ９２０はさらに、ステップ９２２に先行し、レーザ放射１２０を用いて閉ループをトレースする、ステップ９２２を含み得る。閉ループは、内方向螺旋状経路を囲繞し、内方向螺旋状経路に関する始点において終了する。したがって、ステップ９２０が、ステップ９２２を含むとき、閉ループおよび内方向螺旋状経路は、１つの連続的経路を形成する。
【0075】
図１２は、ステップ９２２を含む、ステップ９２０の実施形態において利用される、レーザパワースキームを示す。図１３は、ステップ９２２および９２４において、集束されたレーザ放射１２０によってトレースされる、経路を示す。
【0076】
ステップ９２４は、内方向螺旋状経路１３２０をトレースする。内方向螺旋状経路１３２０は、図８Ｃの内方向螺旋状経路８３０に類似する。内方向螺旋状経路１３２０は、時間ｔ１において、外側場所ＬＯから始まり、中央場所ＬＣを中心として、かつそれに向かって螺旋状になり、時間ｔ３において、中央場所ＬＣに到達する。内方向螺旋状経路１３２０をトレースするプロセスは、２つの区画、すなわち、（１）時間ｔ１における外側場所ＬＯから時間ｔ２における場所ＬＲまでの第１の区画、および（２）時間ｔ２における場所ＬＲから時間ｔ３における中央場所ＬＣまでの第２の区画において行われる。第１の区画をトレースしながら、ステップ９２４は、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａのパワーを、それぞれ、パワーＰＣ０およびＰＡ０において持続する。ＰＡ０は、図１２に描写されるように、ＰＣ０よりも大きくあり得る。次に、第２の区画をトレースしながら、ステップ９２４は、中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａのパワーを、それぞれ、０および非ゼロパワーＰＡ１まで漸減させる。最終的に、時間ｔ３において、中央場所ＬＣに到達するとき、ステップ９２４は、環状ビーム１２２Ａをオフにする。
【0077】
中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２ＡのパワーＰＣ０およびＰＡ０は、それぞれ、存在する場合、任意の介入金属シート（例えば、金属シート６１６）を通して、かつ最遠金属部品（例えば、金属部品１１４）の中に、またはそれを通して、第１の金属シートの表面（例えば、金属シート１１２の表面１１２Ｓ）から延在するキーホールを伴う局所的な融解プールを維持するように設定される。方法３００のステップ３２４を参照して上記に議論されるように、キーホールおよび囲繞する融解プールは、ステップ９２４の間、内方向螺旋状経路１３２０に沿って、レーザ放射１２０とともに移動する。中心ビーム１２２Ｃおよび環状ビーム１２２Ａの両方を含むことによって、方法９００は、方法３００を参照して上記に議論されるように、スパッタを通して殆どまたは全く材料損失を伴わずに、安定的なキーホールを達成する。方法９００によって達成される、改良されたキーホールの安定性は、金属内に封入されたガスを解放することに役立ち、金属スタックにおける界面において、任意のコーティングの蒸発によって発生されるガスのための効率的な逃散ルートを提供する。方法９００が、銅または銅合金に適用されるとき、環状ビーム１２２Ａの存在は、付加的な利益を有し、すなわち、環状ビーム１２２Ａの先導部分８２４Ｌによって提供される予熱が、銅／銅合金内の位相遷移を、レーザ放射１２０のより高いレベルの吸収によって特徴付けられる状態に誘発し得る。環状ビーム１２２Ａは、それによって、中心ビーム１２２Ｃに対するパワー要件をさらに低減させる。内方向螺旋状経路１３２０の第２の区画をトレースする間のレーザパワーの緩やかな漸減は、材料の冷却を減速させ、応力を解放し、溶接塊の亀裂を防止する役割を果たす。本パワーの漸減は、方法３００のステップ３２８を参照して上記に議論されるように、溶接塊内に孔または窪みを形成しないように防止するために、定常であることとは対照的に、レーザ放射１２０が、内方向螺旋状経路１３２０に沿って移動する間に実施される。
【0078】
含まれる場合、ステップ９２２は、時間ｔ０と時間ｔ１との間の、閉ループ１３１０をトレースする。閉ループ１３１０は、内方向螺旋状経路１３２０の周辺に存在する。閉ループ１３１０は、外側場所ＬＯにおいて終了し、円であってもよい。ステップ９２２は、閉ループ１３１０の少なくとも１つの完全回路を完了する。閉ループ１３１０は、（図１３に示されるように）内方向螺旋状経路１３２０と同一の方向において、または反対方向において、中央場所ＬＣの周囲を回転し得る。ステップ９２２は、主に、方法９００によって形成される溶接塊の良好に画定される外周を確実にする役割を果たす。そのような外周が、要求されないとき、ステップ９２２を省略し、例えば、空間的制約の影響を被るときに、より小さい溶接塊を達成する、または全体的な処理時間を最小限にすることは、有利であり得る。
【0079】
方法９００によって印加されるパワーＰＣ０およびＰＡ０は、１．５～５キロワットの範囲内にあり得る一方、ＰＡ１は、０．０５～１．０キロワットの範囲内にあり得る。内方向螺旋状経路１３２０および閉ループ１３１０（含まれる場合）によってトレースされる面積は、３～１５ミリメートルの範囲内で、一般的な広がり、例えば、図１３に示されるような直径１３７０Ｄを有し得る。方法９００は、５００ミリ秒未満以内に完了され、ステップ９２４のパワー漸減部分の持続時間は、３０～１００ミリ秒の範囲内にあり得る。（時間ｔ１とｔ２との間の）安定したレーザパワーを用いて実施される部分ステップ９２４は、パワー漸減に先行する、処理時間の６０～１００パーセントを占め得る。
【0080】
方法９００は、シールドガスを溶接区域に提供するステップを含んでもよく、溶接塊の上部層内の細孔を防止することにさらに役立つ。シールドガスは、窒素であってもよい。
【0081】
本発明が、好ましい実施形態および他の実施形態の観点において、上記に説明される。しかしながら、本発明は、本明細書に説明され、描写される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付される請求項によってのみ限定される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【国際調査報告】