(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器と、
光路を通して伝送される前記レーザ発振器で発振されたレーザ光を適切なサイズに集光して金属に照射する集光部と、
前記金属の溶融部にシールドガスを供給するガス供給源と、
前記集光部で適切なサイズに集光された前記レーザ光が通過すると共に、前記ガス供給源から送られるシールドガスを前記金属の溶融部に向けて噴出させるノズル孔を有するノズルと、
このノズルのノズル孔を通過するレーザ光に光軸を重ね合わせた撮像カメラを備え、
透明性を有し且つ前記金属よりも融点が高い材質で前記ノズルが形成され、
前記ノズルは底部が平らなカップ状に形成されていると共に該底部の中央に前記ノズル孔が形成され、前記ノズル孔の周囲における前記底部の厚みが前記撮像カメラの被写界深度よりも薄く設定されている
ことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
レーザ発振器と、
光路を通して伝送される前記レーザ発振器で発振されたレーザ光を適切なサイズに集光して金属に照射する集光部と、
前記金属の溶融部にシールドガスを供給するガス供給源と、
前記集光部で適切なサイズに集光された前記レーザ光が通過すると共に、前記ガス供給源から送られるシールドガスを前記金属の溶融部に向けて噴出させるノズル孔を有するノズルと、
このノズルのノズル孔を通過するレーザ光に光軸を重ね合わせた撮像カメラを備え、
透明性を有し且つ前記金属よりも融点が高い材質で前記ノズルを形成し、
前記撮像カメラの近傍に中間結像面を設定し、この中間結像面に、前記ノズル孔と該ノズル孔の周囲との光学距離を補償するべく、前記ノズルとは異なる材質の透明性部材を配置した
ことを特徴とするレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中や狭隘な部位における溶接（切断を含む）に用いるのに好適なレーザ溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、上記したレーザ溶接装置は、レーザ発振器と、光ファイバなどの光路と、集光レンズから主として構成され、このようなレーザ溶接装置において、レーザ発振器で生じたレーザ光は光路を介して伝送され、集光レンズで適切なサイズに集光されて金属に照射される。
この際、金属の溶融部（切断部を含む）の酸化などを防ぐために、アルゴンやヘリウムや窒素などのシールドガスを金属の溶融部に効果的に吹き付けて、ガス雰囲気を一定に保つ必要があることから、通常、集光レンズの金属側には、レーザ光が通過すると共にシールドガスが金属の溶融部に向けて噴出するようにしたノズル孔を有するノズルが配置される。
【０００３】
また、品質保証の観点から、このノズルのノズル孔を通過するレーザ光に光軸を重ね合わせた撮像カメラにより、金属の溶融部を観察する試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2002-239767号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記したレーザ溶接装置において、集光レンズの金属側に配置されるノズルには、熱伝導率が高くそして冷却し易い銅系の金属が多く採用され、このように、ノズルが銅系の金属からなっている場合には、光軸をレーザ光と同軸にした撮像カメラの視野がノズル孔を通しての僅かな部分に制限されてしまい、溶接の全容を明らかにするために必要な溶融部分ないしその周辺部分、特に凝固部分近傍における観察が困難であるという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００６】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、撮像カメラの視野の制限をなくすことができ、その結果、溶融部分ないしその周辺部分の広い範囲を観察することが可能である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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るレーザ溶接装置は、ＣＯ2レーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器などのレーザ発振器と、ミラーや光ファイバなどの光路を通して伝送される前記レーザ発振器で発振されたレーザ光を適切なサイズに集光して金属に照射する放物線面鏡や集光レンズなどの集光部と、前記金属の溶融部にアルゴンやヘリウムや窒素などのシールドガスを供給するガス供給源と、前記集光部で適切なサイズに集光された前記レーザ光が通過すると共に、前記ガス供給源から送られるシールドガスを前記金属の溶融部に向けて噴出させるノズル孔を有するノズルと、このノズルのノズル孔を通過するレーザ光に光軸を重ね合わせた撮像カメラを備え、透明性を有し且つ前記金属よりも融点が高い材質で前記ノズルが形成され、前記ノズルは底部が平らなカップ状に形成されていると共に該底部の中央に前記ノズル孔が形成され、前記ノズル孔の周囲における前記底部の厚みが前記撮像カメラの被写界深度よりも薄く設定されている構成としたことを特徴としており、このレーザ溶接装置の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
この場合、ノズルを形成する材質としては、透明性があってしかも溶接する金属よりも融点が高い人工サファイアやＹＡＧやセラミックＹＡＧを採用することができる。
そして、ノズルにおけるノズル孔の周囲の撮像カメラ側及び金属側は、視界の歪みを回避するべく、互いに平行を成す平面状に形成することが望ましい。
また、ノズルにおけるノズル孔とその周囲の部分とでは、当然のことながら光学距離が異なる。
【０００９】
そこで、本発明の請求項１に係るレーザ溶接装置では、上記したように、前記ノズルの底部を平らなカップ状に形成すると共に該底部の中央にノズル孔を形成して、前記ノズルにおけるノズル孔の周囲の底部の厚みを前記撮像カメラの被写界深度よりも薄く設定するようにしており、このような構成を採用すると、ノズルのノズル孔とその周囲の部分との焦点をほぼ一致させ得ることとなる。
これと同じく、本発明の参考例に係るレーザ溶接装置として、前記ノズルの前記撮像カメラ側に、前記ノズル孔と該ノズル孔の周囲との光学距離を補償するべく、前記ノズルとは異なる材質の透明性部材を配置した構成としたり、本発明の請求項２に係るレーザ溶接装置のように、レーザ発振器と、光路を通して伝送される前記レーザ発振器で発振されたレーザ光を適切なサイズに集光して金属に照射する集光部と、前記金属の溶融部にシールドガスを供給するガス供給源と、前記集光部で適切なサイズに集光された前記レーザ光が通過すると共に、前記ガス供給源から送られるシールドガスを前記金属の溶融部に向けて噴出させるノズル孔を有するノズルと、このノズルのノズル孔を通過するレーザ光に光軸を重ね合わせた撮像カメラを備え、透明性を有し且つ前記金属よりも融点が高い材質で前記ノズルを形成し、前記撮像カメラの近傍に中間結像面を設定し、この中間結像面に、前記ノズル孔と該ノズル孔の周囲との光学距離を補償するべく、前記ノズルとは異なる材質の透明性部材を配置した構成としたりすることが望ましく、これらのような構成を採用した場合にも、ノズルのノズル孔とその周囲の部分との焦点をほぼ一致させ得ることとなる。
【００１０】
本発明に係るレーザ溶接装置において、溶接を進行させるには、レーザ光を適切なサイズに集光して金属に照射する集光部を移動させるケースと、金属を固定したテーブルを移動させるケースと、集光部及びテーブルの双方を移動させるケースとの三通りのケースがあり、各ケースに対応した駆動機構を採用することができる。
本発明に係るレーザ溶接装置では、レーザ発振器で生じたレーザ光、例えば、ＣＯ２レーザ光を光路であるミラーを介して伝送し、集光部である集光レンズで適切なサイズに集光して金属に照射する。
【００１１】
この溶接の開始と同時に、ガス供給源から送られるシールドガスが、集光部で集光したレーザ光が通過するノズルのノズル孔から噴出して、金属の溶融部（切断部を含む）に吹き付けられるので、金属溶融部の酸化が阻止されることとなる。
この溶接の間、ノズルのノズル孔を通過するレーザ光に光軸を重ね合わせた撮像カメラによって、金属の溶融部分ないしその周辺部分を観察する場合には、ノズルが透明性を有し且つ金属よりも融点が高い材質、例えば、人工サファイアで形成されているので、撮像カメラの視野がノズル孔を通しての僅かな部分に制限されることがなく、したがって、溶接の全容を明らかにするために必要な溶融部分ないしその周辺部分、特に凝固部分近傍における観察を行い得ることとなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１，２に係るレーザ溶接装置では、上記した構成としているので、撮像カメラの視野の拡大化を実現でき、その結果、溶融部分ないしその周辺部分の広い範囲を観察することが可能になって、溶接の全容を明らかにすることができるという非常に優れた効果がもたらされるうえ、ノズルのノズル孔とその周囲の部分との焦点をほぼ一致させ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】
【００１３】
【図１】本発明の一実施例に係るレーザ溶接装置の構成説明図である。
【図２】図１におけるレーザ溶接装置により水中溶接を行っている状況を示した断面説明図である。
【図３】図１におけるレーザ溶接装置のノズルの一部を破砕して示す拡大斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１〜図３は本発明に係るレーザ溶接装置の一実施例を示しており、この実施例では、本発明に係るレーザ溶接装置を水中溶接に用いた場合を例に挙げて説明する。
図１に示すように、このレーザ溶接装置１は、ＣＯ２レーザ発振器２と、このＣＯ２レーザ発振器２で発振されたレーザ光Ｌの光路であるハーフミラー３と、このハーフミラー３を通して伝送されるレーザ光Ｌを適切なサイズに集光して水中に沈めた金属Ｍに照射する集光レンズを内蔵した集光部４を備えている。
【００１５】
また、このレーザ溶接装置１は、金属Ｍの溶融部Ｍｗ（切断部を含む）が酸化するのを防ぐためのアルゴンやヘリウムや窒素などのシールドガスを供給するガス供給源５を備えており、集光部４の金属Ｍ側には、図２にも示すように、レーザ光Ｌが通過し、且つ、ガス供給源５からホース６を介して供給されるシールドガスが金属Ｍの溶融部Ｍｗに向けて効率よく噴出するようにしたノズル孔１１を有するノズル１０が配置してある。
【００１６】
さらに、このレーザ溶接装置１は、金属Ｍの溶融部Ｍｗを観察するための撮像カメラ７を備えており、この撮像カメラ７は、ハーフミラー３を貫通する光軸Ｐがノズル１０のノズル孔１１を通過するレーザ光Ｌと同軸を成すようにして配置してある。
この場合、ノズル１０は、図３にも示すように、透明性を有し且つ金属Ｍよりも融点が高い人工サファイアにより略カップ状に形成してあって、ノズル１０のノズル孔１１が形成された底部１２の厚みを撮像カメラ７の被写界深度よりも薄く設定してある。
【００１７】
さらにまた、このレーザ溶接装置１は、金属Ｍをセットしたテーブル８を動作させる図示しない駆動機構を備えており、この駆動機構によりテーブル８を水平方向に動作させることで、金属Ｍの溶融部Ｍｗを移動させるようになっている。
このような構成を成すレーザ溶接装置１では、まず、ＣＯ２レーザ発振器２が起動すると、このＣＯ２レーザ発振器２で発振されたレーザ光Ｌが光路であるハーフミラー３を介して集光部４に伝送される。
【００１８】
伝送されたレーザ光Ｌは、集光部４に内蔵した集光レンズで適切なサイズに集光されて金属Ｍに照射され、これと同時に、駆動機構によりテーブル８を水平方向に動作させることで、金属Ｍの溶融部Ｍｗが移動する。
このとき、ガス供給源５からホース６を介してノズル１０に送られるシールドガスが、集光部４で集光したレーザ光Ｌが通過するノズル１０のノズル孔１１から効率よく噴出して、移動する金属Ｍの溶融部Ｍｗに吹き付けられるので、金属溶融部Ｍｗの酸化が阻止されることとなる。
【００１９】
この溶接の間、ノズル１０のノズル孔１１を通過するレーザ光Ｌに光軸Ｐを重ね合わせた撮像カメラ７によって、金属Ｍの溶融部Ｍｗないしその周辺部分を観察する場合には、ノズル１０が透明性を有し且つ金属よりも融点が高い人工サファイアで形成されているので、撮像カメラ７の視野がノズル孔１１を通しての僅かな部分に制限されることがなく、すなわち、撮像カメラ７の視野がノズル１０の底部１２全体に広がり、したがって、溶接の全容を明らかにするために必要な溶融部Ｍｗないしその周辺部分、特に凝固部分近傍における観察を行い得ることとなる。
【００２０】
この実施例では、ノズル１０のノズル孔１１が形成された底部１２の厚みが撮像カメラ７の被写界深度よりも薄く設定されているので、ノズル１０のノズル孔１１と底部１２との焦点をほぼ一致させ得ることとなり、視界の歪みが生じるのを回避し得ることとなる。
この際、撮像カメラ７の近傍に中間結像面を設定し、この中間結像面に、ノズル孔１１と底部１２との光学距離を補償するべく、ノズル１０とは異なる材質の透明性部材を配置してもよく、このような構成を採用しても、ノズル１０のノズル孔１１と底部１２との焦点をほぼ一致させ得ることとなる。
【００２１】
また、この実施例では、ノズル１０を形成する材質として人工サファイアを採用した場合を説明したが、これに限定されるものではなく、他の材質として、例えば、ＹＡＧやセラミックＹＡＧを採用することができる。
さらに、この実施例では、レーザ発振器としてＣＯ２レーザ発振器２を用いているが、ＹＡＧレーザ発振器を用いてもよく、光路についても、ハーフミラー３だけでなく光ファイバを採用することができ、加えて、集光部４が放物線面鏡を具備していてもよい。
【００２２】
さらにまた、この実施例では、本発明に係るレーザ溶接装置を水中溶接に用いた場合を説明したが、これに限定されるものではなく、大気中の溶接（切断を含む）、特に狭隘な部位における溶接に用いることができる。
本発明に係るレーザ溶接装置の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００２３】
１  レーザ溶接装置
２  ＣＯ２レーザ発振器（レーザ発振器）  
３  ハーフミラー（光路）
４  集光部
５  ガス供給源
７  撮像カメラ
１０  ノズル
１１  ノズル孔
１２  ノズル底部（ノズル孔の周囲部分）
Ｌ  レーザ光
Ｍ  金属
Ｍｗ  金属の溶融部
Ｐ  撮像カメラの光軸
【図１】
0005463104.tif 000002
【図２】
0005463104.tif 000003
【図３】
0005463104.tif 000004