(57)【要約】【課題】この発明は、レーザとアークによるハイブリッド（複合型）溶接用の溶接ヘッドに関するもので、溶接ヘッドの小型化が可能で、保護ウインドウへのスパッタ付着やシールドガス流量の増加をすることなく、シールドガスへの空気流入を防止できる溶接ヘッドを提供することである。【解決手段】レーザユニットから被溶接部材７に照射されるレーザ１３と、アーク電極５から被溶接部材７に発生するアーク６とにより被溶接部材７を溶接するための溶接ヘッドであって、アーク電極５の周囲を取り囲むとともに被溶接部材７に向けてシールドガス４を噴射するように形成されたノズル３と、ノズル３の壁面に設けられレーザユニットから照射されたレーザ１３が通過するレーザ通過口１２と、レーザ通過口１２を横断する気体１１によりレーザ通過口１２からノズル３の内部に空気が流入するのを遮断するエアシャッター機構１０とを備えたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザユニットから被溶接部材に照射されるレーザと、アーク電極と上記被溶接部材により発生するアークとにより上記被溶接部材を溶接するための溶接ヘッドであって、上記アーク電極の周囲を取り囲むとともに上記被溶接部材に向けてシールドガスを噴射するように形成されたノズルと、該ノズルの壁面に設けられ上記レーザユニットから照射されたレーザが通過するレーザ通過口と、該レーザ通過口に配置され上記レーザ通過口を横断する気体により上記レーザ通過口から上記ノズルの内部に空気が流入するのを遮断するエアシャッターとを備えたことを特徴とする溶接ヘッド。
【請求項２】
上記エアシャッターは上記レーザ通過口を横断する気体の流入口よりも流出口が大きいことを特徴とする請求項１に記載の溶接ヘッド。
【請求項３】
上記レーザ通過口はレーザの入口側から出口側に向かってテーパー状に広がるように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接ヘッド。
【請求項４】
上記エアシャッターは上記気体の流出口の出口にスパッタ受けが設置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の溶接ヘッド。
【請求項５】
上記レーザ通過口は穴の壁面に溝状の段差が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の溶接ヘッド。
【請求項６】
上記レーザ通過口は複数設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の溶接ヘッド。
【請求項７】
上記レーザ通過口の上記エアシャッターの設置位置よりも溶接部に近い位置に外部空気を取込む負圧抑制穴を設けたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の溶接ヘッド。
【請求項８】
上記エアシャッターの設置位置よりも溶接部に近い位置の上記レーザ通過口を横断して上記エアシャッターの気体の噴射方向と平行に上記ノズルの内部に上記シールドガスを供給するシールドガス供給部を設けたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の溶接ヘッド。
【請求項９】
上記シールドガス供給部から供給されるシールドガスの流速を上記エアシャッターの気体の流速と同等にしたことを特徴とする請求項８に記載の溶接ヘッド。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の溶接ヘッドを備えたことを特徴とする溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば大型構造体などを溶接する際に使用されるレーザとアークによるハイブリッド（複合型）溶接用の溶接ヘッドおよび溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザとアークによるハイブリッド溶接は、レーザヘッドおよびアークトーチを個別に有しているため、レーザがアークトーチに干渉する問題が発生する。これを避けるために、レーザヘッドおよびアークトーチの一方または両方を被溶接部材に対して傾斜させて設ける必要がある。その結果、レーザとアーク間の角度が大きくなり、溶接ヘッドが大型になってしまう。そのため、複雑形状の被溶接部材を溶接する場合、溶接ヘッドが被溶接部材に干渉するため、適用が困難であった。そこで、レーザがアークトーチに干渉しないように、レーザユニットとアークユニットを一体化したハイブリッド溶接用の小型の溶接ヘッドが必要であり、アークトーチの先端にレーザ導入口が設置された小型の溶接ヘッドが提案されている。この溶接ヘッドはレーザ導入口にアーク溶接用のシールドガスと同じガスを用いたエアカーテンもしくは保護ウインドウによる空気流入遮断手段を設置することにより、レーザ導入口からの空気流入を防ぎ、シールドガスの純度が低下することを防止している。（例えば特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２１６４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、溶接ヘッドのレーザ導入口に空気流入遮断手段としてアーク溶接用のシールドガスと同じガスを用いたエアカーテンを用いたものにおいては、溶接に必要なシールドガス流量が増大するため、ランニングコストが高くなるという課題があった。また、保護ウインドウを使用する場合には、スパッタが保護ウインドウに付着し、保護ウインドウを頻繁に交換する必要があるという課題があった。
【０００５】
この発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、溶接ヘッドの小型化が可能で、さらに、保護ウインドウへのスパッタ付着やシールドガス流量の増加をすることなく、シールドガスへの空気流入を防止できる溶接ヘッドを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る溶接ヘッドは、レーザユニットから被溶接部材に照射されるレーザと、アーク電極と上記被溶接部材により発生するアークとにより上記被溶接部材を溶接するための溶接ヘッドであって、上記アーク電極の周囲を取り囲むとともに上記被溶接部材に向けてシールドガスを噴射するように形成されたノズルと、該ノズルの壁面に設けられ上記レーザユニットから照射されたレーザが通過するレーザ通過口と、該レーザ通過口に配置され上記レーザ通過口を横断する気体により上記レーザ通過口から上記ノズルの内部に空気が流入するのを遮断するエアシャッターとを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、アーク電極の周囲を取り囲むとともに被溶接部材に向けてシールドガスを噴射するように形成されたノズルと、該ノズルの壁面に設けられレーザユニットから照射されたレーザが通過するレーザ通過口と、該レーザ通過口に配置され上記レーザ通
過口を横断する気体により上記レーザ通過口から上記ノズルの内部に空気が流入するのを遮断するエアシャッターとを備えており、エアシャッターに使用される気体はノズルの外に流出するため、シールドガスと異なる気体を使用することが可能であり、溶接ヘッドの小型化が可能で、保護ウインドウへのスパッタ付着やシールドガス流量の増加をすることなく、シールドガスへの空気流入を防止できる溶接ヘッドを得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１における溶接ヘッドのノズルを部分断面で示す正面図である。
【図２】この発明の実施の形態１における溶接ヘッドのエアシャッターによる気体の流れを説明する説明図である。
【図３】この発明の実施の形態２における溶接ヘッドのエアシャッターによる気体の流れを説明する説明図である。
【図４】この発明の実施の形態２における溶接ヘッドのエアシャッターを示す部分断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。
【図６】この発明の実施の形態４における溶接ヘッドのスパッタ受けを説明する部分断面図である。
【図７】この発明の実施の形態５における溶接ヘッドのスパッタの飛散を説明する部分断面図である。
【図８】この発明の実施の形態５における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。
【図９】この発明の実施の形態６における溶接ヘッドのノズルを部分断面で示す正面図である。
【図１０】この発明の実施の形態１におけるレーザとアークとによる溶接を説明する説明図である。
【図１１】この発明の実施の形態１におけるレーザとアークとによる溶接を説明する説明図である。
【図１２】この発明の実施の形態７における溶接ヘッドのエアシャッターによる気体の流れを説明する説明図である。
【図１３】この発明の実施の形態７における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態８における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態について説明するが、各図において同一、または相当部分については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における溶接ヘッドのノズルを部分断面で示す正面図、図２はこの発明の実施の形態１における溶接ヘッドのエアシャッターによる気体の流れを説明する説明図、図１０はこの発明の実施の形態１におけるレーザとアークとによる溶接を説明する説明図、図１１はこの発明の実施の形態１におけるレーザとアークとによる溶接を説明する説明図である。
【００１０】
最初に図１０および図１１に基づき一般的なレーザとアークとによる溶接を説明する。従来、レーザとアークとによる溶接はレーザユニットとアークユニットを別々に具備している。そのため、レーザ１３がアークトーチに設けられたシールドガス供給部２と干渉しないように、レーザユニットおよびアークユニットの一方または両方を被溶接部材７に対して傾斜させて設置する必要がある。図１０に示すようにレーザ・アーク間角度θが大きい場合には、シールドガス供給部２を被溶接部材７に近い距離（１５〜２５ｍｍ程度）で設置できるため、アーク電極５から発生されるアーク６をシールドガス供給部２から噴射されるシールドガス４で確実に包み込むことができ、シールド性を確保できる。一方、図１１に示すようにレーザ・アーク間角度θが小さい場合には、レーザ１３との干渉を避けるために、シールドガス供給部２を被溶接部材７から離した位置、もしくは、レーザ１３に干渉しない位置にずらして設置する必要があり、シールドガス４によるシールド性を確保できない。その結果、レーザユニットとアークユニットを別々に具備したハイブリッド溶接用の溶接ヘッドは、レーザ・アーク間角度θを大きくする必要があり、大型の溶接ヘッドになる。なお、一般的にレーザとアークとによるハイブリッド溶接用のシールドガスには、Ａｒ，ＣＯ２またはそれらの混合ガスなどが用いられる。このように溶接ヘッドのサイズが大きい場合、複雑形状をした大型構造体などを溶接しようとすると、被溶接部材７に溶接ヘッドが干渉するため適用ができない。そこで、レーザ１３とアークトーチのシールドガス供給部２とが干渉しないように、レーザユニットとアークユニットを一体化した小型のハイブリッド溶接用の溶接ヘッドが必要となる。
【００１１】
本発明の溶接ヘッドは図１に示すように、アークトーチ１とアーク電極５から成るアークユニットと、光ファイバ８と集光光学系９から成るレーザユニットで構成されており、それぞれのユニットを断面で示すレーザ・アーク用ノズル３で一体化している。また、レーザ・アーク用ノズル３にはレーザ通過口１２が設けられており、そのレーザ通過口１２を横断するようにエアシャッターとなる気体１１を噴射できるようにエアシャッター機構１０が設置されている。さらに、シールドガス４を被溶接部材７に向けて噴射するように、レーザ・アーク用ノズル３にシールドガス供給部２が設置されている。なお図１では、アークトーチ１からシールドガス４を供給するようなシールドガス供給部２が設置されているが、レーザ・アーク用ノズル３の内部にシールドガス４を供給できれば、シールドガス供給部２をどのように設置してもよい。例えば、レーザ・アーク用ノズル３に直接シールドガス供給部２を取り付けることや、レーザ通過口１２を通ってシールドガスを供給できるように設置することが可能である。
【００１２】
このようにレーザユニットとアークユニットを一体にすることにより、レーザ１３がアークトーチ１に干渉しないため、レーザ・アーク間角度θを小さくすることができ、溶接ヘッドのサイズを小型化可能である。また、本発明の溶接ヘッドでは、アーク電極５が突き出たレーザ・アーク用ノズル３の先端から、レーザ１３の照射およびシールドガス４を噴射している。このように近い距離から被溶接部材７にシールドガス４を供給可能なため、レーザ・アーク間角度θを小さくした場合においても、アーク６に対するシールドガス４によるシールド性を確保可能となる。さらに、レーザ・アーク間角度θを小さくできることにより、溶接方向による溶接性能の差を小さくすることができ、レーザ１３を被溶接部材７に対して垂直に近づけて照射することで、より溶込みの深い溶接が可能になる。
【００１３】
レーザユニットとアークユニットを一体化した溶接ヘッドでは、一つのノズル３から被溶接部材７にシールドガス４を供給している。しかし、ノズル３にレーザ１３が通過するためのレーザ通過口１２などの空間を設ける必要があるため、ノズル３内の気密性を確保できず、シールドガス４に空気１４が流入する。シールドガス４に空気が混入することにより、ブローホールや溶接割れなどの溶接不良が発生する。そのため、レーザ通過口１２からシールドガス４に空気１４が流入するのを防止する手段が必要になる。空気１４の流入防止方法として、レーザ通過口１２に保護ウインドウを設置する方法が考えられるが、ハイブリッド溶接は多量のスパッタが発生するため、発生したスパッタが保護ウインドウに付着してレーザ１３の通過を妨げるとともにレーザ１３により加熱されて保護ウインドウが破損する恐れがある。このため保護ウインドウの交換を頻繁に行う必要があり、適切な対応ではない。
【００１４】
本発明の溶接ヘッドは、レーザ・アーク用ノズル３にレーザ通過口１２を設けており、そこからシールドガス４に空気１４が流入する可能性がある。そこで、レーザ通過口１２にレーザ通過口１２を横断するようにエアシャッターとなる気体１１を噴射できるようにエアシャッター機構１０が設置されている。なお、エアシャッター機構１０は気体１１の噴射角度αが９０度〜１２０度になるように設置することが望ましい。また、レーザ通過口１２を横断するものであれば、レーザ・アーク用ノズル３のどの方向から設置しても良い。さらに、エアシャッターに使用する気体１１は、シールドガス４と違う気体、例えば、圧縮空気などを用いることができる。ただし、エアシャッターの気体１１の流出口はレーザ・アーク用ノズル３の外に設置する必要がある。レーザ・アーク用ノズル３の内部に気体１１の流出口を設けた場合、シールドガス４の純度低下や、噴射流の乱れが生じ、アーク６へのシールド性が悪化する可能性がある。
【００１５】
通常、エアシャッターは集光光学系９をスパッタ１６やヒュームから保護するために使用され、一般的なハイブリッド溶接用の溶接ヘッドやレーザ溶接ヘッドにも適用されている。しかし図２に示すように、本発明の溶接ヘッドにおけるエアシャッターは、スパッタ１６やヒュームから集光光学系９を保護するだけでなく、レーザ通過口１２から空気１４がシールドガス４に流入するのを抑制する効果がある。本発明の溶接ヘッドにおいて、エアシャッターの気体１１を流さずに溶接した場合、シールドガス４に空気１４が混入し、多量のブローホールが発生した。一方、エアシャッターの気体１１を流して溶接した場合、シールドガス４に空気１４が混入することなく、溶接不良のない良好な溶接が可能になった。
【００１６】
以上説明したようにレーザ１３とアーク６とによるハイブリッド溶接においては、溶接ヘッドを小型化するために、レーザユニットとアークユニットを一体化する必要がある。その際に、シールドガス４に空気１４が流入するのを抑制しなければならない。本発明の溶接ヘッドを用いることにより、エアシャッターに使用する気体１１はノズル３の外に流出するため、圧縮空気などのシールドガス４と違う気体１１でよく、シールドガス４の流量増加や、新たな装置等を用いることなく、シールドガス４に空気１４の流入を抑制可能な小型のハイブリッド溶接用の溶接ヘッドを提供できる。これにより、大型構造体などの複雑形状の被溶接部材にハイブリッド溶接を適用可能である。さらに、レーザ・アーク間角度θを小さくできることにより、被溶接部材に対して垂直に近い状態でレーザとアークを照射できるため、より溶込みの深い溶接が可能になるとともに溶接方向による溶接性能の差を小さくできる。また、この発明によって、ハイブリッド溶接用の溶接ヘッドの小型化が可能のため、複雑で大型の被溶接部材にハイブリッド溶接を適用でき、シールドガスの流量を増加することなく、シールドガスの純度低下を抑制できるため、溶接のランニングコストも低減可能である。
【００１７】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２における溶接ヘッドのエアシャッターによる気体の流れを説明する説明図、図４はこの発明の実施の形態２における溶接ヘッドのエアシャッターを示す部分断面図である。上記実施の形態１ではノズル３のレーザ通過口１２にエアシャッターを設ける場合について説明したが、一般に気体は狭い空間から広い空間に流出したときに膨張する。この膨張は、気体の流れる速度が速いほど大きい。本発明の溶接ヘッドのエアシャッターに使用する気体１１は、流速２０ｍ／ｓ以上で流れており、エアシャッターの気体１１がレーザ通過口１２に到達したときに膨張する。このため図３に示すように、膨張したエアシャッターの気体１１がレーザ通過口１２に干渉し、エアシャッターの気体１１がシールドガス４に流入してしまう恐れがある。その結果、空気１４が混入することによるシールドガス４の純度の低下や、シールドガス４の流れを乱す。そこで、エアシャッターの気体１１がレーザ通過口１２に干渉しない構造が必要になる。
【００１８】
このため図４に示すように、エアシャッターの気体１１がレーザ通過口１２に流入する流入口よりも、レーザ通過口１２から流出する流出口の方が大きく（広く）なっている。これにより、エアシャッターの気体１１がレーザ通過口１２に到達して膨張しても、レーザ通過口１２と干渉せず、シールドガス４の純度低下や、流れの乱れを抑制することができる。なお、エアシャッターの気体１１のレーザ通過口１２からの流出口は、流入口の２倍以上に拡大することが望ましい。また、エアシャッターの気体１１がレーザ通過口１２に到達するまでの構造を出口に向かって広くなる形状（末広ノズルと同様の形状）にすることにより、エアシャッターの気体１１の急激な膨張を抑制でき、さらにエアシャッターの気体１１とレーザ通過口１２の干渉を抑制可能である。
【００１９】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。上記実施の形態１で説明したように、本発明の溶接ヘッドはレーザ通過口１２を横断するようにエアシャッターの気体１１を供給することで、レーザ通過口１２からシールドガス４への空気１４が流入するのを抑制している。エアシャッターの気体１１が供給されている部分は、一定方向の流れが生じているため、圧力が低下している。一方、レーザ・アーク用ノズル３の内部はシールドガス４で充填されているため、圧力が高くなっている。この圧力差によって、レーザ・アーク用ノズル３の内部からエアシャッターに向かう流れを発生させ、シールドガス４に空気１４が流入するのを抑制している。一般に、レーザ１３が通過する通路は、レーザ１３との干渉を避けるように設けられ、直線形状、もしくは、レーザ１３の入口から出口に向かってテーパー状に細くなっている。一方、図５に示す本発明のレーザ通過口１２は、レーザ１３の入口から出口に向かってテーパー状に広くなっている。ただし、レーザ１３の入口の大きさは、レーザ１３が干渉しないように設定する必要がある。一般に連続した通路を流れる気体は、流れる面積が小さくなるほど、流速が増加し、圧力が小さくなる。つまり、本発明のレーザ通過口１２の構造を用いることにより、レーザ・アーク用ノズル３の内部のシールドガス４の圧力と、エアシャッターの気体１１との圧力差が大きくなる。その結果、レーザ通過口１２からシールドガス４へ空気が流入するのを抑制する効果が高まる。
【００２０】
実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４における溶接ヘッドのスパッタ受けを説明する部分断面図である。一般にレーザ１３とアーク６によるハイブリッド溶接は、多量のスパッタ１６やヒュームが発生する。そのため、レーザユニットの集光光学系９を保護するために、エアシャッターを設置するのが一般的である。本発明の溶接ヘッドは、図１に示すように、エアシャッターの気体１１の流出口外側にアークユニットが設置されており、スパッタ１６によってアークユニットが損傷する可能性がある。また、エアシャッターの気体１１をアークユニットのない方向に噴射した場合、スパッタ１６が被溶接部材７に付着し、溶接の品質が低下する。このように、エアシャッターを設置することにより、集光光学系９にスパッタ１６が付着するのを抑制することができるが、エアシャッターの気体１１で吹き飛ばしたスパッタ１６によって、溶接装置や被溶接部材７に悪影響を及ぼす可能性がある。従って図６に示す本発明は、エアシャッターの気体１１の流出口外側にスパッタ受け１５を設けている。スパッタ受け１５を設置することにより、エアシャッターの気体１１に吹き飛ばされたスパッタ１６を、溶接装置や被溶接部材７に付着することなく回収可能である。
【００２１】
実施の形態５．
図７はこの発明の実施の形態５における溶接ヘッドのスパッタの飛散を説明する部分断面図、図８はこの発明の実施の形態５における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。実施の形態４で説明したように、レーザ１３とアーク６によるハイブリッド溶接は、多量のスパッタ１６やヒュームが発生する。スパッタ１６やヒュームがレーザユニットの集光光学系９に付着することにより、付着した部位でレーザを吸収し、熱レンズ効果による焦点のずれや、集光光学系９が損傷する。一般的に、集光光学系９にスパッタ１６やヒュームが付着しないように、保護ウインドウを設置するが、定期的に保護ウインドウを交換する必要があり、ランニングコストが高くなる。そのため、ハイブリッド溶接では、スパッタ１６やヒュームが集光光学系９に付着するのを抑制する方法が必要になる。スパッタ１６やヒュームが集光光学系９に付着するのを抑制する方法として、エアシャッターが挙げられる。エアシャッターの形状などを工夫することによって、集光光学系９を保護できるが、エアシャッターだけで、特にスパッタ１６が集光光学系９に付着するのを完全に防止するのは困難である。
【００２２】
一般に図７に示すように、レーザ通過口１２に入ったスパッタ１６は、レーザ通過口１２の内壁を反射して、集光光学系９に向かって飛んでくる。そこで本発明のレーザ通過口１２は、図８に示すようにレーザ通過口１２の内壁に溝を設け、段付きの内壁面にしている。この構造にすることにより、レーザ通過口１２の内壁を反射して飛んでいくスパッタ１６が集光光学系９に付着するのを抑制することができる。多くの溝を設置した方が効果的で、螺旋状に溝を切ってもよい。この構造のレーザ通過口１２とエアシャッターを組み合せることにより、スパッタ１６およびヒュームが集光光学系９に付着するのを防止可能である。
【００２３】
実施の形態６．
図９はこの発明の実施の形態６における溶接ヘッドのノズルを部分断面で示す正面図である。上記実施の形態１ではレーザユニットとアークユニットがそれぞれ１組の場合について説明したが、レーザユニットは以下に説明するように複数組設けてもよい。一般にハイブリッド溶接は、レーザ１３の干渉を避けるため、アーク６に対して傾斜をつけてレーザ１３を照射する必要がある。レーザユニットとアークユニットを一体化した本発明の溶接ヘッドでも、アーク電極５とレーザ１３が干渉するため、レーザ・アーク間角度θを５度以上設ける必要がある。レーザ１３の干渉なしで、アーク６と同軸からレーザ１３を照射することが不可能なため、ハイブリッド溶接は溶接方向によって溶接の性能が異なる。例えば、レーザ１３を前進角で照射した場合、後退角で照射したときに比べ、溶込みが浅くなる。
【００２４】
一方、図９に示す溶接ヘッドは、１つのアーク６に対して、複数のレーザ１３を照射できる。レーザ発振器から光ファイバ８を用いてレーザ１３を複数に分岐している。なお、レーザ１３を分岐する方法としてミラー等の光学部品を用いてもよい。多方向からレーザ１３を照射することによって、レーザ１３とアーク６とを同軸に近づけることができ、溶接方向に対する溶接の品質の差を小さくすることが可能である。また、複数のレーザ１３を同時に照射しない場合においても、レーザ１３を照射する光ファイバ８を制御することにより、溶接ヘッドの向きを固定したまま、レーザ１３の照射方向（前進角や後退角など）を変更することができる。さらに、レーザ１３を溶接方向に対して鉛直方向に傾斜させて照射させた場合、溶込みの深い位置まで広範囲の溶融が可能となり、１つのレーザ１３とアーク６の溶接よりも隙間の深い被溶接部材７の溶接ができる。
【００２５】
実施の形態７．
図１２はこの発明の実施の形態７における溶接ヘッドのエアシャッターによる気体の流れを説明する説明図、図１３はこの発明の実施の形態７における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。上記実施の形態１で説明したように、本発明の溶接ヘッドはレーザ通過口１２を横断するようにエアシャッターの気体１１を供給することで、レーザ通過口１２からシールドガス４への空気１４の侵入を防止している。このとき、エアシャッターの気体１１の流速が早いと、エアシャッターの気体１１が供給されているレーザ通過口１２の部分では負圧が生じ、図１２に示すように、ノズル３内のシールドガス４がレーザ通過口１２を通ってエアシャッターの気体１１に巻き込まれるような流れ４１が発生する。そのため、エアシャッターの気体１１の流速が著しく速い場合には、シールドガス４でアーク６を十分にシールドできず、ブローホールや溶接割れなどの溶接不良が発生した。このため、シールドガス４によるアーク６のシールド性を確保するには、エアシャッターの気体１１の流速を１０ｍ／ｓ以下にする必要がある。しかし、エアシャッターの気体１１の流速が低い場合、溶接時に発生するスパッタ１６やヒュームから集光光学系９を保護することが困難である。エアシャッターと集光光学系９との間に集光光学系９を保護するためのエアシャッターを追加設置することで、スパッタ１６やヒュームの集光光学系９への付着を防止することは可能ではあるが、溶接ヘッドの構造が複雑になるという欠点がある。
【００２６】
そこで、図１３に示すように、実施の形態７ではレーザ通過口１２のエアシャッター設置位置よりも溶接部に近いエアシャッターの近傍位置に外部空気を取込む負圧抑制穴１７を設ける。負圧抑制穴１７の形状は、円形だけでなく楕円形状や長丸穴形状および四角形など、どのような形状であってもよい。また、負圧抑制穴１７は必ずしもエアシャッターの気体１１の流れと平行方向でなくてもよく、斜め方向に設置してもよい。このように、レーザ通過口１２のエアシャッターよりも溶接部に近い位置に負圧抑制穴１７を設けることで、負圧抑制穴１７を通ってエアシャッターの気体１１に向かう外部からの空気１４の流れが発生する。このため、ノズル３内のシールドガス４がエアシャッターの気体１１へ巻き込まれるのを軽減できる。このように構成することで、流速２０ｍ／ｓ以上でエアシャッターの気体１１を噴射しても、シールドガス４によりアーク６のシールド性を確保可能であった。このように、エアシャッター近傍のエアシャッターよりも溶接部に近い位置のレーザ通過口１２に負圧抑制穴１７を設置することで、エアシャッターの気体１１の流速がシールドガス４へ与える影響を小さくできる。
【００２７】
実施の形態８．
図１４はこの発明の実施の形態８における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。上記実施の形態７では、エアシャッターの気体１１の流速が速い場合にシールドガス４を巻き込んでしまうのを軽減するために、レーザ通過口１２のエアシャッターよりも溶接部に近い位置に負圧抑制穴１７を設けた場合について説明したが、負圧抑制穴１７を設けてもエアシャッターの気体１１にシールドガス４の巻き込みを完全に抑えることはできず、通常よりシールドガス４の供給流量を多くする必要がある。
そこで、図１４に示すように、実施の形態８では、レーザ通過口１２のエアシャッター設置位置よりも溶接部に近い位置に、レーザ通過口１２を横断してエアシャッターの気体１１の噴射方向と平行にシールドガス供給部２を設け、シールドガス供給部２を通過して所定の流速でノズル３内にシールドガス４を噴射供給するシールドガス供給機構１８を設置した。この構造でシールドガス４をノズル３内に供給することにより、シールドガス供給機構１８から噴射されたシールドガス４の流れ４２によってレーザ通過口１２に発生する負圧と、エアシャッターの気体１１の流れによってレーザ通過口１２に発生する負圧とが同等になり、エアシャッター設置位置とシールドガス供給部２との間のレーザ通過口１２では圧力が低い状態で吊り合うため、シールドガス４がエアシャッターの気体１１に巻き込まれなくなる。なお、シールドガス供給機構１８から噴射されたシールドガス４の流れ４２にノズル３内のシールドガス４がレーザ通過口１２を通って巻き込まれる流れ４１が発生するが、シールドガス供給部２を通過してノズル３内に戻されるため、シールドガス４の供給量は通常通りでよい。
【００２８】
ただし、シールドガス供給機構１８から噴射されシールドガス供給部２を通過してレーザ通過口１２を横断するシールドガス４の流れ４２の流速は、エアシャッターの気体１１の流速以下で同等の流速に設定する必要がある。また、シールドガス４の流れ４２の流速をエアシャッターの気体１１の流速と同等にした状態で、シールドガス４を通常通り（１０から２０Ｌ／ｍｉｎ）供給できるようにシールドガス供給部２の穴形状などを工夫する必要がある。例えば、テーパー形状にして流速を早くする方法や、楕円形状にしてシールドガス供給部２を狭くすることが有効である。なお、図１４に示す方法でシールドガス４を供給した場合、供給されるシールドガス４の流れ４２によってノズル３の内部にスパッタ１６やヒュームが侵入し、ノズル３の内部やシールドガス供給部２の穴内が汚れることによってシールドガス４の流れなどに悪影響を及ぼす可能性がある。このため、図１４に示す方法でシールドガス４を供給する場合、シールドガス４の流れ４２がレーザ通過口１２を通過した位置にフィルタを設けると好適である。
【００２９】
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１  アークトーチ、２  シールドガス供給部、３  ノズル、４  シールドガス、５  アーク電極、６  アーク、７  被溶接部材、８  光ファイバ、９  集光光学系、１０  エアシャッター機構、１１  気体、１２  レーザ通過口、１３  レーザ、１４  空気、１５  スパッタ受け、１６  スパッタ、１７  負圧抑制穴、１８  シールドガス供給機構。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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