(57)【要約】【課題】本発明は、溶接部位が離れたものや溶接箇所が多数存在するような被溶接物においても、溶接工程の生産性が低下しないレーザ溶接装置を提供する。【解決手段】金属粉末を供給する複数の開口と前記開口毎の金属粉末の吐出を制御する吐出制御手段を有する送給手段と、被溶接物と送給手段を相対移動させる駆動手段と、吐出した金属粉末の位置にレーザ光を照射するレーザ光位置調整手段を設けたことにより、金属粉末の供給は複数の開口毎の金属粉末の吐出を制御することにより行われるとともにレーザ光の移動には高速なレーザ光位置調整手段を用いることができるため、時間のかかるレーザヘッドや被溶接物の移動を無くすことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振装置と、前記レーザ発振装置から出力するレーザ光を位置決めするレーザ光位置調整手段を備え、金属粉末を供給する複数の開口と前記開口毎の金属粉末の吐出を制御する吐出制御手段を有する送給手段と、被溶接物と送給手段を相対移動させる駆動手段と、吐出した金属粉末の位置にレーザ光を照射するように前記吐出制御手段と前記レーザ光位置調整手段を制御する制御手段を設けたレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記被溶接物に対して前記送給手段の複数の開口を平行に並べて配置した請求項１記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記送給手段が金属粉末を吐出するとほぼ同時にレーザ光位置調整手段でレーザ光を位置決めする請求項１または２記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記送給手段が被溶接物上に吐出した金属粉末の配置を検出する検出手段を設け、前記検出手段の信号を前記制御装置に入力する請求項１から３の何れかに記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記金属粉末とシールド用不活性ガスを供給する供給管を送給手段の複数の開口毎に接続した請求項１から４の何れかに記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
前記吐出制御手段にシールド用不活性ガスの流量を制御するシールド用不活性ガス流量制御手段を設けた請求項５記載のレーザ溶接装置。
【請求項７】
前記レーザ光位置調整手段として、ガルバノスキャナ手段を用いた請求項１から６の何れかに記載のレーザ溶接装置。
【請求項８】
前記被溶接物を少なくとも１軸方向に移動する移動手段を設け、前記レーザ光位置調整手段として、ガルバノスキャナ手段を用いた請求項１から６の何れかに記載のレーザ溶接装置。
【請求項９】
前記被溶接物を少なくとも１軸方向に移動する移動手段を設け、前記レーザ光位置調整手段として、ポリゴンスキャナ手段を用いた請求項１から６の何れかに記載のレーザ溶接装置。
【請求項１０】
前記金属粉末を供給する複数の開口と前記開口毎の金属粉末の吐出を制御する前記吐出制御手段を有する送給手段とを一体化した請求項１から９の何れかに記載のレーザ溶接装置。
【請求項１１】
前記レーザ光位置調整手段として、ｆΘレンズ手段を用いた請求項１から１０の何れかに記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被溶接物上に供給した金属粉末をレーザ光により溶融して溶接を行うレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光で粉末状の材料を溶融させ被溶接物の溶接を行う装置としては、レーザ光照射ノズルの外周に、これと同軸に溶接金属粉末の噴射ノズルを設け、被溶接物に対するレーザ光の照射点の溶融域の近傍へ、前記噴射ノズルから溶接金属粉末を噴射して溶接を行うものがある（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平４−８４６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記従来の装置においては、被溶接物の溶接を行うためには、レーザヘッド自身を溶接部位に移動するか、被溶接物をレーザ照射位置に移動する必要がある。このため特に溶接部位が離れたものや溶接箇所が多数存在するような被溶接物においては、溶接部位に移動するための時間が必要であるため、その移動時間が溶接工程全体の生産性を低下させる原因となっていた。
【０００４】
本発明は、上記従来の課題を解決しようとするものであり、より高速なレーザ溶接を可能とするレーザ溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明の溶接装置は、金属粉末を供給する複数の開口と前記開口毎の金属粉末の吐出を制御する吐出制御手段を有する送給手段と、被溶接物と送給手段を相対移動させる駆動手段と、吐出した金属粉末の位置にレーザ光を照射するレーザ光位置調整手段を設けたことを特徴とする。
【０００６】
この構成によれば、金属粉末の供給は複数の開口毎の金属粉末の吐出を制御することにより行われるとともにレーザ光の移動には高速なレーザ光位置調整手段を用いることができるため、時間のかかるレーザヘッドや被溶接物の移動を無くすことができる。
【０００７】
したがって溶接工程にかかる時間を短縮することができ、溶接工程の生産性を向上することが可能である。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように本発明によると、金属粉末およびレーザ光を溶接部位に供給するための移動時間を大幅に短縮することが可能になり、レーザ溶接工程の生産性を向上させる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１を用いて説明する。
【００１０】
図１に示すレーザ溶接装置は、レーザ発振装置１、レーザ発振装置１から出力するレーザ光を位置決めするレーザ光位置調整手段としての光学スキャナ（Ｚ軸用）２と光学スキャナ（ＸＹ軸用）３と光学スキャナ３に備えられた可動鏡４、金属粉末１０を供給する複数の開口を備えた送給手段の金属粉末噴射ノズル５、シールドガス用ノズル６、金属粉末噴射ノズル５およびシールドガス用ノズル６をＸ軸およびＺ軸方向に移動するための駆動機構７、被溶接物８、被溶接物８に形成される溶接ビード９、金属粉末噴射ノズル５より噴射された金属粉末１０、開口となる金属粉末噴射ノズル５毎の金属粉末１０の吐出を制御する送給手段の吐出制御手段としての金属粉末供給装置１１、金属粉末ホッパー１２、キャリアガス配管１３、シールド用不活性ガス配管１４、金属粉末噴射ノズル５の各開口に対してそれぞれ接続されている金属粉末供給管１５、シールドガス用ノズル６に接続されているシールド用不活性ガス供給管１６、レーザ発振装置１と光学スキャナ２と光学スキャナ３と駆動機構７および金属粉末供給装置１１を制御し、吐出した金属粉末１０の位置にレーザ光を照射するように吐出制御手段とレーザ光位置調整手段を制御する制御装置１７を備えている。
【００１１】
以上のように構成された溶接装置について説明する。
【００１２】
レーザ発振装置１から照射されたレーザ光Ｌは、例えばコリメータなどのような光学素子を組み合わせた光学スキャナ（Ｚ軸用）２によって焦点調整がなされ、Ｚ軸方向の焦点位置が調整された後、複数の可動鏡４より構成される光学スキャナ（ＸＹ軸用）３によって被溶接物８上での照射位置にレーザ光を反射して位置あわせするように構成している。
【００１３】
金属粉末噴射ノズル５は駆動機構７によりＸ軸およびＺ軸方向に移動できるようになっており、開口数に相当する金属粉末供給管１５によって金属粉末供給装置１１に接続されている。金属粉末供給装置１１は金属粉末ホッパー１２から落下する金属粉末１０をキャリアガス配管１３から供給されるガス圧力により金属粉末供給管１５から金属粉末噴射ノズル５へ供給するように構成されている。
【００１４】
金属粉末供給装置１１は各金属粉末供給管１５に対する金属粉末１０の供給を制御することにより金属粉末噴射ノズル５の各開口部からそれぞれ独立して噴射される金属粉末１０の制御を行う。これとともにシールド用不活性ガス配管１４より送られるシールド用不活性ガスの制御をも行うことによりシールド用不活性ガス供給管１６を介してシールドガス用ノズル６から被溶接物８上の溶接部位に供給されるシールド用不活性ガスの制御を行う。
【００１５】
これらの焦点調整や照射位置調整および金属粉末噴射位置調整は、制御装置１７からの指令により制御され、溶接部位に対して金属粉末１０の噴射およびレーザ光Ｌの照射が行われることにより、被溶接物８上に溶接ビード９が形成され、被溶接物８の溶接が行われる。
【００１６】
このように、金属粉末噴射ノズル５の開口をＹ軸方向に平行に複数備えることにより、金属粉末噴射ノズル５をＹ軸方向に移動する必要がなく、レーザ照射位置は光学スキャナ２，３により瞬時に溶接部位に調整できるため、溶接工程の生産性を向上させることができる。
【００１７】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２を図２、図３を用いて説明する。なお、本実施の形態において実施の形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００１８】
図２、図３に示す実施の形態２のレーザ溶接装置は、金属粉末噴射ノズル５より噴射された金属粉末１０の被溶接物８上の配置を検出するための検出装置２０、検出装置２０の信号によりレーザ発振装置１と光学スキャナ２と光学スキャナ３と駆動機構７と金属粉末供給装置１１を制御する制御装置２１を備えている。
【００１９】
以上のように構成された溶接装置について説明する。
【００２０】
制御装置２１の指令により制御された駆動機構７および金属粉末供給装置１１は、金属粉末噴射ノズル５を介して溶接部位に金属粉末１０を供給するように制御される。溶接部位に噴射された金属粉末１０を検出装置２０により検出後、制御装置２１により検出した位置に対応して光学スキャナ２，３を制御することにより、レーザ光Ｌを溶接部位に照射し溶接が行われる。
【００２１】
実施の形態１で示したような構成の場合、図３に示すように被溶接物８に対して金属粉末噴射ノズル５の位置が実線で示す位置と破線で示す位置のように変化すると金属粉末供給管１５の形状が変化するため、配管抵抗が変わり金属粉末噴射ノズル５から噴射される金属粉末噴射のタイミングに誤差が生じたり、駆動機構７や金属粉末供給装置等の装置の配置の違いにより金属粉末噴射のタイミングが異なる場合があり、溶接状態が不安定になる可能性がある。
【００２２】
本実施の形態においては、検出装置２０による金属粉末検出確認後、レーザ光の照射を行うため、金属噴射に対するレーザ光照射を一定のタイミングで行うことができるため、均一な溶接状態を保つことができるとともに、金属粉末噴射位置の確認を行えるため溶接部位と金属粉末噴射位置に誤差が生じた場合でもその補正が可能である。
【００２３】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３を図４、図５を用いて説明する。なお、本実施の形態において実施の形態１、２と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２４】
図４、図５に示す実施の形態３のレーザ溶接装置は、シールド用不活性ガス噴射口を備えた金属粉末噴射ノズル３０、金属粉末噴射ノズル３０に設けられた金属粉末噴射口３１、金属粉末噴射ノズル３０に設けられたシールド用不活性ガス噴射口３２、金属粉末供給装置３３、金属粉末噴射ノズル３０の各シールド用不活性ガス噴射口３２にそれぞれ接続されているシールド用不活性ガス供給管３４、レーザ発振装置１と光学スキャナ２と光学スキャナ３と駆動機構７および金属粉末供給装置３３を制御する制御装置３５を備えている。
【００２５】
実施の形態１〜２と異なるのは、シールドガス用ノズル６の代わりに金属粉末噴射ノズル３０に各金属粉末噴射口３１に対応してシールド用不活性ガス噴射口３２を備えた点である。
【００２６】
以上のように構成された溶接装置について説明する。
【００２７】
金属粉末供給装置３３は各金属粉末供給管１５に対する金属粉末１０の供給を制御することにより金属粉末噴射ノズル３０の各金属粉末噴射口３１からそれぞれ独立して噴射される金属粉末１０の制御を行うとともに各シールド用不活性ガス供給管３４に対するシールド用不活性ガスの供給を制御することにより各金属粉末噴射口３１に対応する各シールド用不活性ガス噴射口３２からそれぞれ独立して噴射されるシールド用不活性ガスの制御を行う。
【００２８】
制御装置３５の指令により制御されたレーザ発振装置１、光学スキャナ２，３、駆動機構７および金属粉末供給装置３３により、溶接部位に対して金属粉末１０が供給されるとともにレーザ光Ｌが照射されることにより、被溶接物８上に溶接ビード９が形成され被溶接物８の溶接が行われる。
【００２９】
本実施の形態においては、例えば図５で黒色円として示した金属粉末噴射口３１から金属粉末１０が噴射する場合、それに対応した斜線円として示したシールド用不活性ガス噴出口３２のみからシールド用不活性ガスが噴射される。このように溶接に必要な部位のみにシールド用不活性ガスを噴射する構造にするとともに、各シールド用不活性ガス噴射口３２から噴出するシールド用不活性ガス流量を一定に制御することにより、シールド用不活性ガス消費量を低減することが可能である。
【００３０】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について図６を用いて説明する。なお、本実施の形態において実施の形態１〜３と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３１】
図６に示す実施の形態４のレーザ溶接装置は、光学スキャナ（Ｙ軸用）４０、光学スキャナ４０に備えられた可動鏡４１、被溶接物８をＸ軸方向に移動するための駆動機構４２、金属粉末噴射ノズル５およびシールドガス用ノズル６をＺ軸方向に移動するための駆動機構４３、レーザ発振装置１と光学スキャナ２と光学スキャナ４０と駆動機構４２と駆動機構４３および金属粉末供給装置１１を制御する制御装置４４を備えている。
【００３２】
以上のように構成されたレーザ溶接装置について説明する。
【００３３】
レーザ発振装置１から照射されたレーザ光Ｌは、例えばコリメータなどのような光学素子を組み合わせた光学スキャナ（Ｚ軸用）２によって焦点調整がなされ、Ｚ軸方向の焦点位置が調整され、可動鏡４１より構成される光学スキャナ（Ｙ軸用）４０によって被溶接物８上での照射位置が調整される。
【００３４】
溶接部位のＸ軸方向の位置調整は駆動機構４２により被溶接物８を移動して調整し、Ｚ軸方向の位置調整は駆動機構４３により金属粉末噴射ノズル５を移動して調整を行う。
【００３５】
制御装置４４の指令により制御されたレーザ発振装置１、光学スキャナ２と光学スキャナ４０と駆動機構４２と駆動機構４３および金属粉末供給装置１１により、溶接部位に対して金属粉末１０が供給されるとともにレーザ光Ｌが照射されることにより、被溶接物８上に溶接ビード９が形成され被溶接物８の溶接が行われる。
【００３６】
本実施の形態においては、被溶接物８をＸ軸方向に移動する駆動機構４２を備えることにより、レーザ光ＬをＸ軸方向に移動させる必要がないため、Ｘ軸用の光学スキャナを省くことができ、光学系を簡素化できる。
【００３７】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５を図７を用いて説明する。なお、本実施の形態において実施の形態１〜４と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３８】
図７に示す実施の形態５のレーザ溶接装置は、ポリゴンミラーより構成されるポリゴンスキャナ（Ｙ軸用）５０、レーザ発振装置１と光学スキャナ２とポリゴンスキャナ５０と駆動機構４２と駆動機構４３および金属粉末供給装置１１を制御する制御装置５１を備えている。
【００３９】
以上のように構成されたレーザ溶接装置について説明する。
【００４０】
レーザ発振装置１から照射されたレーザ光Ｌは、コリメータなどの光学素子を組み合わせた光学スキャナ（Ｚ軸用）２によって焦点調整がなされ、Ｚ軸方向の焦点位置が調整され、ポリゴンミラーより構成されるポリゴンスキャナ（Ｙ軸用）５０によって被溶接物８上での照射位置が調整される。
【００４１】
制御装置５１の指令により制御されたレーザ発振装置１、光学スキャナ２，ポリゴンスキャナ５０、駆動機構４２と駆動機構４３および金属粉末供給装置１１により、溶接部位に対して金属粉末１０が供給されるとともにレーザ光Ｌが照射されることにより、被溶接物８上に溶接ビード９が形成され被溶接物８の溶接が行われる。
【００４２】
本実施の形態においては、Ｙ軸方向のレーザ光照射位置調整にポリゴンスキャナ５０を用いている。光学スキャナとして一般に広く使用されているポリゴンスキャナ５０を用いることで光学系の低コスト化が可能である。
【００４３】
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６を図８を用いて説明する。なお、本実施の形態において実施の形態１〜５と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４４】
図８に示す実施の形態６のレーザ溶接装置は、金属粉末噴射ノズル５、シールドガス用ノズル６、金属粉末供給装置１１および金属粉末ホッパー１２を備えた金属粉末噴射装置６０、金属粉末噴射装置６０をＸ軸およびＺ軸方向に移動するための駆動機構６１、レーザ発振装置１と光学スキャナ２と光学スキャナ３と駆動機構６１および金属粉末噴射装置６０を制御する制御装置６２を備えている。
【００４５】
以上のように構成された溶接装置について説明する。
【００４６】
制御装置６２の指令により制御されたレーザ発振装置１と光学スキャナ２と光学スキャナ３と駆動機構６１および金属粉末噴射装置６０により、溶接部位に対して金属粉末１０が供給されるとともにレーザ光Ｌが照射されることにより、被溶接物８上に溶接ビード９が形成され被溶接物８の溶接が行われる。
【００４７】
本実施の形態においては、金属粉末噴射ノズル５、シールドガス用ノズル６、金属粉末供給装置１１および金属粉末ホッパー１２を一体化し、金属粉末供給管１５を無くすことで、図３に示すような金属粉末供給管１５の形状変化に起因する溶接状態の不安定性を解消することができ、安定した溶接が可能となる。
【００４８】
（実施の形態７）
次に、本発明の実施の形態７を図９を用いて説明する。なお、本実施の形態において実施の形態１〜６と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４９】
図９に示す実施の形態７のレーザ溶接装置は、光学スキャナ（ＸＹ軸用）３と被溶接物８の間に設置されたｆΘレンズ７０、金属粉末噴射ノズル５およびシールドガス用ノズル６をＸ軸方向に移動するための駆動機構７１、被溶接物８をＺ軸方向に移動するための駆動機構７２、レーザ発振装置１と光学スキャナ３と駆動機構７１と駆動機構７２および金属粉末噴射装置１１を制御する制御装置７３を備えている。
【００５０】
以上のように構成された溶接装置について説明する。
【００５１】
レーザ発振装置１から照射されたレーザ光Ｌは、複数の可動鏡４より構成される光学スキャナ（ＸＹ軸用）３によって被溶接物８上での照射位置が調整され、ｆΘレンズ７０により被溶接物８上に集光される。
【００５２】
制御装置７３の指令により制御されたレーザ発振装置１と光学スキャナ３と駆動機構７１と駆動機構７２および金属粉末噴射装置１１により、溶接部位に対して金属粉末１０が供給されるとともにレーザ光Ｌが照射されることにより、被溶接物８上に溶接ビード９が形成され被溶接物８の溶接が行われる。
【００５３】
本実施の形態においては、レーザ光Ｌの集光手段にｆΘレンズ７０を用いることで被溶接物８上でのレーザ光照射位置に関わらずレーザ光Ｌの被溶接物８に対するレーザ照射角度Ａを一定にできるため、より均一な溶接性能を得ることが可能となる。
【００５４】
なお、実施の形態１〜７において、金属粉末を送給するキャリアガスにシールド用不活性ガスを用いれば溶接部位の酸化をより防止することができ、溶接品質が向上する。
【００５５】
なお、実施の形態１〜７においては、レーザ光Ｌの焦点位置と溶接部位が一致しているが、溶接条件により溶接に必要なエネルギー密度は変化するため、溶接部位上で必ずしもレーザ光Ｌの焦点を結ぶ必要はない。
【００５６】
なお、実施の形態１〜７において、被溶接物８のＹ軸方向の長さが金属粉末噴射ノズルのＹ軸方向の長さより長い場合も、被溶接物８あるいは金属粉末噴射ノズルをＹ軸方向に移動できる駆動機構を設けることで溶接可能であり、その場合もＹ軸方向への移動は数回（被溶接物の長さ／金属粉末噴射ノズルの長さ）ですむため溶接工程の時間短縮は可能である。
【００５７】
なお、実施の形態１，２，３，６において、金属粉末噴射ノズルをＸ軸およびＺ軸方向に移動する駆動機構を示しているが、金属粉末噴射ノズルと被溶接物８は相対移動すればよく、金属粉末噴射ノズルの代わりに被溶接物８をＸ軸およびＺ軸方向に移動する駆動機構を備える構成であってもかまわない。
【００５８】
なお、実施の形態４，５において、金属粉末噴射ノズルをＺ軸方向に移動する駆動機構を示しているが、金属粉末噴射ノズルと被溶接物８は相対移動すればよく、金属粉末噴射ノズルの代わりに被溶接物８をＺ軸方向に移動する駆動機構を備える構成であってもかまわない。
【００５９】
なお、実施の形態７において、金属粉末噴射ノズルをＸ軸方向に移動する駆動機構を示しているが、金属粉末噴射ノズルと被溶接物８は相対移動すればよく、金属粉末噴射ノズルの代わりに被溶接物８をＸ軸方向に移動する駆動機構を備える構成であってもかまわない。
【００６０】
なお、実施の形態１〜７において、被溶接物８が平面状の場合は、金属粉末噴射ノズルおよび被溶接物８のＺ軸方向の移動機構は不要である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明のレーザ加工装置によれば、溶接工程にかかる時間を短縮することができ、溶接工程の生産性を向上することが可能なレーザ溶接装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明のレーザ溶接装置の実施の形態１における構成図
【図２】本発明のレーザ溶接装置の実施の形態２における構成図
【図３】本発明のレーザ溶接装置の実施の形態２における金属粉末供給管経路を説明する説明図
【図４】本発明のレーザ溶接装置の実施の形態３における構成図
【図５】本発明のレーザ溶接装置の実施の形態３における金属粉末噴射ノズルの説明図
【図６】本発明のレーザ溶接装置の実施の形態４における構成図
【図７】本発明のレーザ溶接装置の実施の形態５における構成図
【図８】本発明のレーザ溶接装置の実施の形態６における構成図
【図９】本発明のレーザ溶接装置の実施の形態７における構成図
【符号の説明】
【００６３】
１    レーザ発振装置
２    光学スキャナ（Ｚ軸用）
３    光学スキャナ（ＸＹ軸用）
４    可動鏡
５    金属粉末噴射ノズル
６    シールドガス用ノズル
７    駆動機構
８    被溶接物
９    溶接ビード
１０    金属粉末
１１    金属粉末供給装置
１２    金属粉末ホッパー
１３    キャリアガス配管
１４    シールド用不活性ガス配管
１５    金属粉末供給管
１６    シールド用不活性ガス供給管
１７    制御装置
２０    検出装置
２１    制御装置
３０    金属粉末噴射ノズル
３１    金属粉末噴射口
３２    シールド用不活性ガス噴射口
３３    金属粉末供給装置
３４    シールド用不活性ガス供給管
３５    制御装置
４０    光学スキャナ（Ｙ軸用）
４１    可動鏡
４２    駆動機構
４３    駆動機構
４４    制御装置
５０    ポリゴンスキャナ
５１    制御装置
６０    金属粉末噴射装置
６１    駆動機構
６２    制御装置
７０    ｆΘレンズ
７１    駆動機構
７２    駆動機構
７３    制御装置
【図１】
2010207878.tif 000003
【図２】
2010207878.tif 000004
【図３】
2010207878.tif 000005
【図４】
2010207878.tif 000006
【図５】
2010207878.tif 000007
【図６】
2010207878.tif 000008
【図７】
2010207878.tif 000009
【図８】
2010207878.tif 000010
【図９】
2010207878.tif 000011