(57)【要約】【課題】被溶接物のレーザ光照射部分に作り出した負圧環境を壊さずにレーザ光照射部分に溶接ワイヤを送給することができ、溶接ワイヤの送給が必須な溶接箇所に幅広く適用し得るレーザ溶接装置を提供する。【解決手段】レーザ光Ｌが照射される供試体Ｗのレーザ光照射部分Ｗａに負圧環境を生じさせるノズル１１及びディフューザ１２を具備した負圧環境発生機構１０と、負圧環境発生機構１０により負圧環境となるレーザ光照射部分Ｗａに溶接ワイヤ７を送給する溶接ワイヤ送給機構２０を備え、溶接ワイヤ送給機構２０は、溶接ワイヤ７を負圧環境で収納するリール部２１及びケース部２２から成る容器と、溶接ワイヤ７を容器の外部に送り出すワイヤ駆動部２４と、ワイヤ駆動部２４により容器の外部に送り出される溶接ワイヤ７をレーザ光照射部分Ｗａに至るまで密閉状態で覆うコンジットライナ２５を具備している。【選択図】図１
2020019031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ溶接装置であって、
ノズル及びディフューザを具備した負圧環境発生機構と、
前記負圧環境発生機構により負圧環境となる被溶接物のレーザ光射部分に溶接ワイヤを送給する溶接ワイヤ送給機構を備え、
前記溶接ワイヤ送給機構は、前記溶接ワイヤを負圧環境で収納する容器と、前記溶接ワイヤを前記容器の外部に送り出す又は引き出すワイヤ駆動部と、前記溶接ワイヤを前記容器から前記レーザ光照射部分に至るまで密閉状態で覆う被覆管を具備しているレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記溶接ワイヤ送給機構は、前記被覆管の前記レーザ光照射部分側の端部に位置して前記溶接ワイヤを前記レーザ光照射部分に導くワイヤ導入部を具備し、前記ワイヤ導入部は、前記被覆管の前記レーザ光照射部分側の端部に固定される被支持体、及び、前記負圧環境発生機構により負圧環境となる部分に位置して前記被支持体と球面対偶又は回転対偶で接続されるワイヤ支持体を有している請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記溶接ワイヤ送給機構における前記ワイヤ導入部は溶接方向前方側に配置されて、前記レーザ光照射部分に対して前記溶接ワイヤを溶接方向前方から供給する請求項２に記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、溶接熱源としてレーザ光を用いたレーザ溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記したレーザ光を用いたレーザ溶接において、例えば、平板状の被溶接物同士を突合せ溶接する場合には、被溶接物のレーザ光照射部分に金属ヒューム，レーザプルーム等の金属蒸気やスパッタ（金属溶滴）が発生する。この金属蒸気やスパッタがレーザ光を照射するレーザヘッドの光学系に付着すると、レーザ光が遮られて被溶接物へのレーザ照射が不安定になって、被溶接物のレーザ光照射部分に生じるキーホールがその内部に金属蒸気を残したまま塞がれてポロシティ（気泡）となって残留してしまう。
【０００３】
従来、レーザ光照射部分に生じる金属蒸気やスパッタがレーザヘッドの光学系に付着することを防ぐための策を講じたレーザ溶接装置として、負圧環境下でレーザ溶接を行うレーザ溶接装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このレーザ溶接装置は、被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を生じさせる負圧環境発生機構をレーザヘッドの下方に配置した構成を成している。この負圧環境発生機構は、レーザヘッドから照射されるレーザ光を横切る方向に沿って配置されたノズルと、レーザ光を挟んでノズルと対峙して配置されたディフューザを具備している。
【０００５】
このレーザ溶接装置の負圧環境発生機構は、ノズルから噴射された窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスをディフューザに導入して拡散させる（ノズル及びディフューザ間に不活性ガスを増速して流す）ことで、被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を作り出す。これにより、被溶接物のレーザ光照射部分で生じる金属蒸気やスパッタをディフューザに吸引することができる。
【０００６】
したがって、このレーザ溶接装置では、レーザ光照射部分に生じる金属蒸気やスパッタがレーザヘッドの光学系に付着するのを抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−２３１６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上記したレーザ溶接装置では、例えば、レーザ光照射部分に溶接ワイヤを送給して平板状の被溶接物間の開先に肉を盛ろうとすると、溶接ワイヤの送給経路を通してレーザ光照射部分に空気が入り込んでしまい、負圧環境発生機構によって被溶接物のレーザ光照射部分に作り出した負圧環境を維持することが難しい。
【０００９】
つまり、肉盛り溶接箇所等の溶接ワイヤの送給が必須な溶接箇所に上記したレーザ溶接装置を採用することができず、その結果、上記した従来のレーザ溶接装置では、適用可能な溶接箇所が限られてしまうという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっている。
【００１０】
本開示は、上記したような従来の課題を解決するためになされたもので、負圧環境発生機構によって被溶接物のレーザ光照射部分に作り出した負圧環境を壊すことなく、被溶接物のレーザ光照射部分に溶接ワイヤを送給することができ、その結果、肉盛り溶接箇所等の溶接ワイヤの送給が必須な溶接箇所に幅広く適用することが可能なレーザ溶接装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示の第１の態様は、レーザ溶接装置であって、ノズル及びディフューザを具備した負圧環境発生機構と、前記負圧環境発生機構により負圧環境となる被溶接物のレーザ光射部分に溶接ワイヤを送給する溶接ワイヤ送給機構を備え、前記溶接ワイヤ送給機構は、前記溶接ワイヤを負圧環境で収納する容器と、前記溶接ワイヤを前記容器の外部に送り出す又は引き出すワイヤ駆動部と、前記溶接ワイヤを前記容器から前記レーザ光照射部分に至るまで密閉状態で覆う被覆管を具備している構成としている。
【００１２】
また、本開示の第２の態様において、前記溶接ワイヤ送給機構は、前記被覆管の前記レーザ光照射部分側の端部に位置して前記溶接ワイヤを前記レーザ光照射部分に導くワイヤ導入部を具備し、前記ワイヤ導入部は、前記被覆管の前記レーザ光照射部分側の端部に固定される被支持体、及び、前記負圧環境発生機構により負圧環境となる部分に位置して前記被支持体と球面対偶又は回転対偶で接続されるワイヤ支持体を有している構成としている。
【００１３】
さらに、本開示の第３の態様は、前記溶接ワイヤ送給機構における前記ワイヤ導入部は溶接方向前方側に配置されて、前記レーザ光照射部分に対して前記溶接ワイヤを溶接方向前方から供給する構成としている。
【００１４】
本開示の第１の態様では、容器内において溶接ワイヤを負圧環境で収納すると共に、この容器の外部にワイヤ駆動部により送り出される又は引き出される溶接ワイヤをレーザ光照射部分に至るまで被覆管により密閉状態で覆うようにしているので、負圧環境発生機構により負圧環境となるレーザ光照射部分に対して、負圧環境を損なわせることなく溶接ワイヤを送給し得ることとなり、したがって、レーザ溶接装置の適用箇所の拡大化が図られることとなる。
【発明の効果】
【００１５】
本開示に係るレーザ溶接装置では、負圧環境発生機構によって被溶接物のレーザ光照射部分に作り出した負圧環境を壊すことなく、被溶接物のレーザ光照射部分に溶接ワイヤを送給することができ、その結果、溶接ワイヤの送給が必須な溶接箇所に幅広く適用することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本開示の一実施形態に係るレーザ溶接装置を示す斜視説明図である。
【図２】図１のレーザ溶接装置によるレーザ光照射部分を図１Ｘ方向から見た断面説明図である。
【図３】図１のレーザ溶接装置における負圧環境発生機構の要部を図１Ｙ方向から見た部分断面説明図である。
【図４】図１のレーザ溶接装置における溶接ワイヤ送給機構のワイヤ導入部を示す拡大断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本開示の一実施形態に係るレーザ溶接装置を示しており、この実施形態では、本開示に係るレーザ溶接装置を供試体に対する肉盛り溶接に用いた場合を示している。
【００１８】
図１及び図２に示すように、このレーザ溶接装置１は、レーザ発振器２と、光ファイバ３を介してレーザ発振器２と接続するレーザヘッド４と、このレーザヘッド４を移動させる図示しない駆動機構と、供試体（被溶接物）Ｗを収容するチャンバー５と、溶接速度やレーザ出力やレーザ光Ｌのスポット径等をコントロールする制御部６を備えている。
【００１９】
レーザヘッド４はレンズ等の光学系を内蔵しており、レーザ発振器２から供給されるレーザ光Ｌを円錐形状に集光して供試体Ｗに設定したレーザ照射部分Ｗａに照射する。
【００２０】
チャンバー５は、ベース５ａと、このベース５ａ上に供試体Ｗを取り囲むようにして配置された周壁５ｂと、ベース５ａ上で且つ周壁５ｂに取り囲まれる内部に配置された図示上下方向の複数本の支柱５ｃと、これらの支柱５ｃにおける上下方向の適宜位置で固定される支持台５ｄを具備しており、供試体Ｗは支持台５ｄに載置されて所定位置にセットされる。
【００２１】
また、チャンバー５は、周壁５ｂの開放された上部を覆う天井壁５Ａと、この天井壁５Ａに重ねて配置されたＸ方向スライド板５Ｂを具備しており、天井壁５Ａ及びＸ方向スライド板５Ｂには、円錐形状に集光されたレーザ光Ｌが通過する貫通孔５ｇ，５ｈがそれぞれ形成されている。
【００２２】
この場合、Ｘ方向スライド板５Ｂは、天井壁５Ａに形成された図１Ｘ方向の溝５ｅに沿って移動可能となっている。また、Ｘ方向スライド板５Ｂの図１Ｘ方向のほほ中央には図１Ｙ方向の溝５ｆが形成されており、この溝５ｆにはレーザ光Ｌが通過する貫通孔５ｉを有するＹ方向スライド板５Ｃが移動可能に嵌め込まれている。つまり、Ｘ方向スライド板５Ｂ及びＹ方向スライド板５Ｃは、天井壁５Ａ上において、Ｘ−Ｙテーブルを構成している。
【００２３】
また、このレーザ溶接装置１は、チャンバー５に収容された供試体Ｗのレーザ光照射部分Ｗａ付近に、すなわち、レーザ光Ｌの焦点付近に負圧環境を生じさせる負圧環境発生機構１０を備えている。
【００２４】
この負圧環境発生機構１０は、図３に示すように、ノズル１１及びディフューザ１２を具備しており、これらのノズル１１及びディフューザ１２は、いずれもレーザヘッド４の下方にレーザ光被覆筒１４を介して配置されたブロック１３に形成されている。ノズル１１は、レーザ光通過孔１３ａを横切る方向に配置され、一方、ディフューザ１２は、ノズル１１とレーザ光通過孔１３ａを挟んで対峙して配置されている。
【００２５】
そして、ブロック１３はチャンバー５のＹ方向スライド板５Ｃに固定されており、ブロック１３のレーザ光通過孔１３ａ及びＹ方向スライド板５Ｃの貫通孔５ｉは互いに合致している。
【００２６】
ノズル１１は、負圧発生用ガスボンベ８からホース１５を介して供給される窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスＧをレーザヘッド４から照射されるレーザ光Ｌに向けて高速で噴射する。ディフューザ１２は、ノズル１１からレーザ光Ｌに吹き付けられた不活性ガスＧを導入して図３白抜き矢印に示すようにして拡散させる。
【００２７】
このように、負圧環境発生機構１０は、ノズル１１及びディフューザ１２間に不活性ガスＧを増速して流すことで、レーザ光Ｌの焦点（レーザ光照射部分Ｗａ）付近に負圧環境を生じさせると共に、チャンバー５の周壁５ｂに取り囲まれる内部を負圧環境に維持するようになっている。
【００２８】
さらに、このレーザ溶接装置１は、負圧環境発生機構１０により負圧環境となるレーザ光Ｌの焦点に溶接ワイヤ７を送給する溶接ワイヤ送給機構２０を備えている。
この溶接ワイヤ送給機構２０は、溶接ワイヤ７を巻き付け状態で保持するリール部２１と、このリール部２１とともに容器を構成するケース部２２と、このケース部２２の内部に収容されてモータ２３を駆動源としてリール部２１の溶接ワイヤ７を外部に送り出すワイヤ駆動部２４を具備している。このワイヤ駆動部２４には、図示はしないがワイヤ曲がり矯正部が一体で設けられている。
【００２９】
また、この溶接ワイヤ送給機構２０は、ワイヤ駆動部２４によってケース部２２の外部に送り出された溶接ワイヤ７をレーザ光照射部分Ｗａに至るまで密閉状態で覆うコンジットライナ（被覆管）２５と、ホース２７を介してリール部２１及びケース部２２の内部の空気を抜いて負圧環境にする真空ポンプ２８と、真空計２９を具備している。
【００３０】
この場合、ワイヤ駆動部２４の駆動源としてのモータ２３は、ケース部２２の外部に位置しており、このモータ２３の駆動力は、マグネットカップリングや磁性流体を使用したフェローシール等の非接触伝達継手により伝達されるようにしている。なお、モータ２３に替えて真空環境に対応可能なモータを採用して、ケース部２２の内部に収容するようにしてもよい。
【００３１】
また、この溶接ワイヤ送給機構２０は、コンジットライナ２５のレーザヘッド４側の端部に位置するワイヤ導入部３０を具備している。このワイヤ導入部３０は、図４にも示すように、負圧環境発生機構１０のＹ方向スライド板５Ｃに固定されるワイヤ支持体３１と、カバー３２と、コンジットライナ２５のレーザ光照射部分Ｗａ側の端部に固定される被支持体３３を有している。
【００３２】
ワイヤ支持体３１には、コンジットライナ２５をＹ方向スライド板５Ｃの貫通孔５ｉを通してレーザ光照射部分Ｗａに導く挿通孔３１ａが形成されており、この実施形態において、ワイヤ支持体３１を溶接方向（図１矢印方向、図４右方向）の前方側に配置して、レーザ光照射部分Ｗａに対して溶接ワイヤ７を溶接方向前方から供給するようにしている。
【００３３】
一方、被支持体３３は、ワイヤ支持体３１に支持される被支持部３３ａ及びコンジットライナ２５の端部にジョイント３５を介して連結される筒部３３ｂから成っている。
【００３４】
この際、ワイヤ支持体３１における挿通孔３１ａの径はコンジットライナ２５が余裕をもって挿通する太さに形成されていると共に、この挿通孔３１ａのＹ方向スライド板５Ｃとは反対側の部分は球面受座３１ｂとして形成されている。一方、被支持体３３の被支持部３３ａは球状に形成されている。
【００３５】
つまり、ワイヤ支持体３１の球面受座３１ｂと、被支持体３３の球状を成す被支持部３３ａとを互いに球面対偶を成すように接続させることで、レーザ光照射部分Ｗａに対する溶接ワイヤ７の供給角度及び溶接線に対する溶接ワイヤ７のぶれを調整し得るようにしてある。
【００３６】
加えて、被支持体３３の球状を成す被支持部３３ａの先端部には環状溝３３ｃが形成されており、この環状溝３３ｃにＯリング３４を嵌め込んでワイヤ支持体３１の球面受座３１ｂの座面に接触させることで、球面対偶を成すワイヤ支持体３１の球面受座３１ｂと被支持体３３の球状を成す被支持部３３ａとの間の密閉性を維持し得るようにしてある。
【００３７】
本開示に係るレーザ溶接装置において、「負圧環境」とは、９０ｋＰａ以下の圧力の雰囲気を指し、ノズルからの不活性ガスの噴射速度は、ノズル及びディフューザ間を９０ｋＰａ以下の圧力雰囲気にし得る速度である。
そして、本開示に係るレーザ溶接装置に用いられるレーザとしては、ＹＡＧレーザやＣＯ２レーザやファイバーレーザやディスクレーザを挙げることができるが、これらのものに限定されない。
【００３８】
次に、このレーザ溶接装置１によって、供試体Ｗ上に設定した溶接線に沿って肉盛り溶接を行う場合の要領を説明する。
【００３９】
まず、チャンバー５の上部が開放されている周壁５ｂの内部に供試体Ｗを入れて、予め決められた高さに固定した支持台５ｄ上の所定位置に供試体Ｗをセットし、周壁５ｂの上部に天井壁５Ａ，Ｘ方向スライド板５Ｂ及びＹ方向スライド板５Ｃを順次取り付ける。
【００４０】
次いで、チャンバー５のＹ方向スライド板５Ｃに負圧環境発生機構１０のブロック１３を取り付けた後、このブロック１３のレーザ光被覆筒１４にレーザヘッド４を連結し、Ｘ−Ｙテーブルを構成するチャンバー５のＸ方向スライド板５ＢをＸ方向に移動させて、供試体Ｗ上に設定した溶接線にレーザヘッド４から照射されるレーザ光Ｌの焦点（レーザ光照射部分Ｗａ）を合わせる。
【００４１】
次に、溶接ワイヤ送給機構２０におけるワイヤ導入部３０のワイヤ支持体３１の球面受座３１ｂに対して、これと球面対偶を成す被支持体３３の被支持部３３ａを動かして、レーザ光照射部分Ｗａに対する溶接ワイヤ７の供給角度を調整すると共に、溶接線に対する溶接ワイヤ７のぶれを矯正する。
【００４２】
この後、レーザヘッド４から照射されるレーザ光Ｌに向けて負圧環境発生機構１０のノズル１１からレーザ光Ｌを横切る方向に不活性ガスＧを噴射させ、このガスＧをディフューザ１２に導入して拡散させて、レーザ光Ｌの焦点付近に負圧環境を生じさせると共に、チャンバー５の周壁５ｂに取り囲まれる内部も負圧環境にする。
【００４３】
そして、この状態で供試体Ｗに対するレーザ光Ｌの照射を開始し、溶接ワイヤ送給機構２０のワイヤ駆動部２４によってケース部２２の外部に送り出される溶接ワイヤ７を負圧環境下のレーザ光照射部分Ｗａに送給しつつ、Ｘ−Ｙテーブルを構成するチャンバー５のＹ方向スライド板Ｃとともにレーザヘッド４及び負圧環境発生機構１０を図外の駆動機構により、供試体Ｗの溶接線に沿ってＹ方向に一体で移動させる。
【００４４】
この間、供試体Ｗに対するレーザヘッド４からのレーザ光Ｌの照射により、供試体Ｗから金属蒸気やスパッタが噴出するが、負圧環境発生機構１０のノズル１１及びディフューザ１２間に不活性ガスＧを増速して流すことで、供試体Ｗのレーザ光照射部分Ｗａ、すなわち、レーザ光Ｌの焦点付近は負圧環境となっているので、供試体Ｗに対するレーザヘッド４からのレーザ光Ｌの照射により生じる金属蒸気やスパッタの大半は、ディフューザ１２に確実に吸引され、図３白抜き矢印に示すガスに乗って排出される。
【００４５】
上記した実施形態に係るレーザ溶接装置１では、容器を構成するリール部２１及びケース部２２内において溶接ワイヤ７を負圧環境で収納すると共に、リール部２１及びケース部２２の外部にワイヤ駆動部２４により送り出される溶接ワイヤ７をレーザ光照射部分Ｗａに至るまでコンジットライナ２５により密閉状態で覆うようにしているので、負圧環境発生機構１０により負圧環境となるレーザ光照射部分Ｗａに対して、負圧環境を損なわせることなく溶接ワイヤ７を送給し得ることとなり、したがって、レーザ溶接装置１の適用箇所の拡大化を実現し得ることとなる。
【００４６】
また、この実施形態に係るレーザ溶接装置１では、溶接ワイヤ送給機構２０のワイヤ導入部３０におけるワイヤ支持体３１の球面受座３１ｂと、被支持体３３の球状を成す被支持部３３ａとを互いに球面対偶を成すように接続させているので、レーザ光照射部分Ｗａに対する溶接ワイヤ７の供給角度を適宜調整し得ると共に、溶接線に対する溶接ワイヤ７のぶれを矯正し得ることとなる。
【００４７】
さらに、この実施形態に係るレーザ溶接装置１では、溶接ワイヤ送給機構２０のワイヤ導入部３０におけるワイヤ支持体３１を溶接方向（図１矢印方向、図４右方向）の前方側に配置して、レーザ光照射部分Ｗａに対して溶接ワイヤ７を溶接方向前方から供給するようにしているので、溶接ワイヤ７を供給する際の溶接線に対するぶれを少なく抑え得ることとなる。
【００４８】
上記した実施形態に係るレーザ溶接装置１では、レーザ光照射部分Ｗａに対する溶接ワイヤ７の供給角度を調整するための構成として、溶接ワイヤ送給機構２０のワイヤ導入部３０におけるワイヤ支持体３１の球面受座３１ｂと、被支持体３３の球状を成す被支持部３３ａとを互いに球面対偶を成すように接続させる構成を採用しているが、これに限定されるものではなく、溶接ワイヤ送給機構２０のワイヤ導入部３０におけるワイヤ支持体３１と、被支持体３３の被支持部３３ａとを互いに回転対偶を成すように接続させる構成を採用してもよい。
【００４９】
具体的には、ワイヤ導入部３０におけるワイヤ支持体３１に、水平軸を介して被支持体３３の被支持部３３ａを連結することで、ワイヤ支持体３１に対して被支持部３３ａを水平軸回りに回転可能とする構成を採用してもよい。
【００５０】
また、上記した実施形態に係るレーザ溶接装置１では、ケース部２２の内部に収容したワイヤ駆動部２４によって、リール部２１の溶接ワイヤ７をケース部２２の外部に送り出すようにしているが、これに限定されるものではなく、ワイヤ駆動部２４をケース部２２の外部に配置してリール部２１の溶接ワイヤ７をケース部２２の外部に引き出すようにしてもよい。
【００５１】
本開示に係るレーザ溶接装置の構成は、上記した実施形態に限られるものではない。
【符号の説明】
【００５２】
１            レーザ溶接装置
７            溶接ワイヤ
１０          負圧環境発生機構
１１          ノズル
１２          ディフューザ
２０          溶接ワイヤ送給機構
２１          リール部（容器）
２２          ケース部（容器）
２４          ワイヤ駆動部
２５          コンジットライナ（被覆管）
３０          ワイヤ導入部
３１          ワイヤ支持体
３３          被支持体
Ｌ            レーザ光
Ｗ            供試体（被溶接物）
Ｗａ          レーザ光照射部分
【図１】
2020019031.tif 000003
【図２】
2020019031.tif 000004
【図３】
2020019031.tif 000005
【図４】
2020019031.tif 000006