(57)【要約】【課題】装置構成のシンプル化及び低コスト化を実現したうえで、ポロシティの発生を少なく抑え得るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】レーザヘッド４からインロー継手Ｗａに照射されるレーザ光Ｌを横切る方向に不活性ガスＧを噴射するノズル１１及びノズル１１とレーザ光Ｌを挟んで対峙してノズル１１から噴射されてレーザ光Ｌを横切った不活性ガスＧを導入するディフューザ１２を具備した負圧環境発生部１０を備え、負圧環境発生部１０のディフューザ１２のガス排出側には、ディフューザ１２から排出された不活性ガスＧの圧力を下げる付加負圧部２０を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を照射するレーザヘッドを備えたレーザ溶接装置であって、
前記レーザヘッドから被溶接物に照射されるレーザ光を横切る方向にガスを噴射するノズル、及び、前記ノズルと前記レーザ光を挟んで対峙して該ノズルから噴射されて前記レーザ光を横切ったガスを導入するディフューザを具備した負圧環境発生部を備えたレーザ溶接装置において、
前記負圧環境発生部の前記ディフューザのガス排出側には、該ディフューザから排出された前記ガスの圧力を下げる付加負圧部を備えているレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記付加負圧部は、付加ガスを噴射する付加ノズル、及び、該付加ノズルから噴射された付加ガスとともに前記負圧環境発生部の前記ディフューザから排出された前記ガスを導入する付加ディフューザを具備している請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記負圧環境発生部における前記ノズルのガス噴射量及び前記付加負圧部における前記付加ノズルの付加ガス噴射量を個別に調整する制御部を備えている請求項２に記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を覆うと共に前記被溶接物を収容する容器を備え、前記容器に前記負圧環境発生部の前記ノズル及び前記ディフューザが固定されている請求項１〜３のいずれか一つの項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記容器内に不活性ガスが充填されている請求項４に記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
前記付加負圧部は、前記負圧環境発生部の前記ディフューザから排出された前記ガスが導入される真空ポンプである請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項７】
レーザヘッドから被溶接物にレーザ光を照射して溶接を行うに際して、
前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を挟んでノズル及びディフューザを対峙させ、
前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を横切る方向に前記ノズルからガスを噴射すると共に前記レーザ光を横切った前記ガスを前記ディフューザに導入して前記被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を生じさせ、
前記ディフューザから排出された前記ガスの圧力を下げる付加負圧部を前記ディフューザのガス排出側に配置して、
前記ディフューザから排出された前記ガスの圧力を前記付加負圧部によりさらに下げつつ溶接を行うレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法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、被溶接物のレーザ光照射部分で生じる高濃度のヒューム（金属蒸気）やスパッタ（金属溶滴）によりレーザ光が遮られて、被溶接物に到達するエネルギー量が少ない場合には、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ヒューム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】
このポロシティは、例えば、インロー継手に対して行う周溶接のような非貫通レーザ溶接の場合に多く発生することが知られており、従来、ポロシティの発生を防止するための手段として、負圧環境下でレーザ溶接を行うレーザ溶接装置が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このレーザ溶接装置は、レーザヘッドの下方に、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配置した構成を成しており、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窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスを噴射するノズルと、レーザ光を挟んでノズルと対峙してレーザ光を横切った不活性ガスを導入して拡散させるディフューザを具備している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
上記したレーザ溶接装置では、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配置しているので、この負圧環境発生機構を使用しない場合と比較して、ポロシティの発生を大幅に抑えることができるものの、溶接品質の観点からは満足できるとまでは言えない状況である。
【０００７】
そこで、上記したレーザ溶接装置において、例えば、不活性ガスの供給源としてアキュムレータを使用することで、被溶接物のレーザ光照射部分の圧力を下げて優れた負圧環境を作り出すことも考えられるが、装置構成が複雑化すると共に装置コストが上昇してしまうという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっている。
【０００８】
本発明は、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、装置構成のシンプル化及び低コスト化を実現したうえで、ポロシティの発生を少なく抑えることが可能なレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法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】
【０００９】
本発明の第１の態様は、レーザ光を照射するレーザヘッドを備えたレーザ溶接装置であって、前記レーザヘッドから被溶接物に照射されるレーザ光を横切る方向にガスを噴射するノズル、及び、前記ノズルと前記レーザ光を挟んで対峙して該ノズルから噴射されて前記レーザ光を横切ったガスを導入するディフューザを具備した負圧環境発生部を備えたレーザ溶接装置において、前記負圧環境発生部の前記ディフューザのガス排出側には、該ディフューザから排出された前記ガスの圧力を下げる付加負圧部を備えている構成としている。
【００１０】
また、本発明の第２の態様において、前記付加負圧部は、付加ガスを噴射する付加ノズル、及び、該付加ノズルから噴射された付加ガスとともに前記負圧環境発生部の前記ディフューザから排出された前記ガスを導入する付加ディフューザを具備している構成としている。
【００１１】
さらに、本発明の第３の態様は、前記負圧環境発生部における前記ノズルのガス噴射量及び前記付加負圧部における前記付加ノズルの付加ガス噴射量を個別に調整する制御部を備えている構成としている。
【００１２】
さらにまた、本発明の第４の態様は、前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を覆うと共に前記被溶接物を収容する容器を備え、前記容器に前記負圧環境発生部の前記ノズル及び前記ディフューザが固定されている構成としている。
【００１３】
さらにまた、本発明の第５の態様は、前記容器内に不活性ガスが充填されている構成としている。
【００１４】
さらにまた、本発明の第６の態様において、前記付加負圧部は、前記負圧環境発生部の前記ディフューザから排出された前記ガスが導入される真空ポンプである構成としている。
【００１５】
一方、本発明の第７の態様は、レーザヘッドから被溶接物にレーザ光を照射して溶接を行うに際して、前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を挟んでノズル及びディフューザを対峙させ、前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を横切る方向に前記ノズルからガスを噴射すると共に前記レーザ光を横切った前記ガスを前記ディフューザに導入して前記被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を生じさせ、前記ディフューザから排出された前記ガスの圧力をさげる付加負圧部を前記ディフューザのガス排出側に配置して、前記ディフューザから排出された前記ガスの圧力を前記付加負圧部によりさらに下げつつ溶接を行う構成としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るレーザ溶接装置では、装置構成のシンプル化及び低コスト化を実現しつつ、ポロシティの発生を減らすことができ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】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置を概略的に示す断面説明図である。
【図２】図１のレーザ溶接装置により接合したシャフト間のインロー継手における部分拡大断面説明図である。
【図３】図１のレーザ溶接装置の付加負圧部を動作させて接合した一対のシャフト間のインロー継手におけるＣＴ画像説明図（ａ）及び付加負圧部を動作させずに接合した一対のシャフト間のインロー継手におけるＣＴ画像説明図（ｂ）である。
【図４】図１のレーザ溶接装置の他の構成例を示す部分拡大断面説明図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るレーザ溶接装置を示す部分断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、本発明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、本発明に係るレーザ溶接装置を一対のシャフト間のインロー継手における周溶接に用いた場合を示している。
【００１９】
図１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、光学系を内蔵してレーザ発振器２から光ファイバ３を介して供給されるレーザ光Ｌを集光して一対のシャフトＷｎ，Ｗｓ間のインロー継手Ｗａに照射するレーザヘッド４と、溶接速度，レーザ出力及びスポット径をコントロールする制御部５を備えており、この実施形態では、レーザ光Ｌの焦点ＬＡがインロー継手Ｗａの表面上に位置するように設定されている。
【００２０】
また、このレーザ溶接装置１は、一対のシャフトＷｎ，Ｗｓのレーザ光照射部分、すなわち、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近に負圧環境を生じさせる負圧環境発生部１０を備えている。
【００２１】
この負圧環境発生部１０は、レーザヘッド４から照射されるレーザ光Ｌを横切る方向に窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスＧを高速で噴射するノズル１１及びこのノズル１１とレーザ光Ｌを挟んで対峙してノズル１１から噴射されてレーザ光Ｌを横切った不活性ガスＧを導入して拡散させるディフューザ１２と、レーザヘッド４から照射されるレーザ光Ｌを覆って焦点ＬＡ付近の負圧環境を維持可能な被覆筒１３ａを有する容器１３と、この容器１３の被覆筒１３ａのレーザヘッド４側を覆う透明カバー１４を具備しており、ノズル１１及びディフューザ１２はいずれも容器１３の被覆筒１３ａに固定されている。
【００２２】
この場合、容器１３は、図外の駆動手段により回転する一対のシャフトＷｎ，Ｗｓを支持するシャフト支持筒１３ｂを被覆筒１３ａと一体で有しており、透明カバー１４と被覆筒１３ａの上端との間にＯリング１５を配置すると共に、シャフト支持筒１３ｂと一対のシャフトＷｎ，Ｗｓとの間にもＯリング１６を配置することで、容器１３の被覆筒１３ａ内の負圧環境が保たれるようにしている。
【００２３】
さらに、このレーザ溶接装置１は、負圧環境発生部１０のディフューザ１２のガス排出側に配置した付加負圧部２０を備えている。
【００２４】
この付加負圧部２０は、付加ガスＧｅを噴射する付加ノズル２１と、この付加ノズル２１から噴射された付加ガスＧｅとともに負圧環境発生部１０のディフューザ１２から排出された不活性ガスＧを導入して合流ガスＧＭとして排出する付加ディフューザ２２を具備している。
【００２５】
つまり、この付加負圧部２０では、負圧環境発生部１０のディフューザ１２から排出された不活性ガスＧの圧力をさらに下げることで、負圧環境発生部１０により既に負圧環境にあるレーザ光照射部分をより減圧するようにしている。
【００２６】
この実施形態では、負圧環境発生部１０のディフューザ１２，付加ノズル２１及び付加ディフューザ２２をいずれも負圧環境が保たれる合流ボックス２３で接続させており、付加ノズル２１からの付加ガスＧｅ及び負圧環境発生部１０のディフューザ１２からの不活性ガスＧを合流させて付加ディフューザ２２に導入する動作をこの合流ボックス２３内で行うようにしている。
【００２７】
また、この実施形態では、不活性ガスボンベ１７から供給される負圧環境発生部１０におけるノズル１１の不活性ガス噴射量及び付加ガスボンベ１８から供給される付加負圧部２０における付加ノズル２１の付加ガス噴射量を制御部５で個別に調整するようにしている。
【００２８】
ここで、負圧環境発生部１０におけるノズル１１及びディフューザ１２の間隔を狭く設定すると、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近に良好な負圧環境を形成できる反面、ノズル１１及びディフューザ１２の間を通して行う溶接状況の観察がし難くなり、一方、ノズル１１及びディフューザ１２の間隔を広く設定すると、溶接状況が観察し易くなるものの、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近における減圧効果が減少する。
【００２９】
したがって、負圧環境発生部１０におけるノズル１１及びディフューザ１２の間隔は、レーザ出力や、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近に要求される負圧の大きさに応じて調整することとしている。
なお、溶接性を維持乃至向上させるために、負圧環境発生部１０と同じ系統又は異なる系統を介して、容器１３の被覆筒１３ａ内に不活性ガスＧを供給するようにしてもよい。
【００３０】
本発明に係るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法において、「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、本発明に係るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法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。
また、レーザ溶接装置によるレーザ溶接も周溶接に限定されない。
【００３１】
次に、このレーザ溶接装置１によって、一対のシャフトＷｎ，Ｗｓ間のインロー継手Ｗａに周溶接を行って、一対のシャフトＷｎ，Ｗｓ同士を接合する場合の要領を説明する。
まず、レーザヘッド４から照射されるレーザ光Ｌを挟んで対峙させた負圧環境発生部１０のノズル１１及びディフューザ１２のうちのノズル１１から、レーザ光Ｌを横切る方向に不活性ガスＧを高速で噴射させると共に、レーザ光Ｌを横切った不活性ガスＧをディフューザ１２に導入する。
【００３２】
これと同時に、付加負圧部２０の付加ノズル２１から付加ガスＧｅを高速で噴射させ、この付加ノズル２１から噴射された付加ガスＧｅを負圧環境発生部１０のディフューザ１２から排出された不活性ガスＧとともに付加ディフューザ２２に導入して、合流ガスＧＭとして拡散させる。
【００３３】
次いで、この状態で溶接を開始して、レーザ光Ｌを一対のシャフトＷｎ，Ｗｓ間のインロー継手Ｗａに照射しつつ、容器１３のシャフト支持筒１３ｂに支持された一対のシャフトＷｎ，Ｗｓを図外の駆動手段により回転させる。
【００３４】
この一対のシャフトＷｎ，Ｗｓの回転により、図２に示すように、インロー継手Ｗａには、非貫通状態で溶接金属Ｗｅが全周にわたって形成され、この間、レーザヘッド４からのレーザ光Ｌの照射によるインロー継手Ｗａの部分の溶融蒸発により、インロー継手Ｗａの部分にキーホールが形成されてその内部からヒュームが噴出する。
【００３５】
しかしながら、負圧環境発生部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、一対のシャフトＷｎ，Ｗｓ間のレーザ光照射部分、すなわち、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近は負圧となっており、加えて、付加負圧部２０の付加ノズル２１からの付加ガスＧｅを負圧環境発生部１０のディフューザ１２から排出された不活性ガスＧとともに付加ディフューザ２２に導入して不活性ガスＧの圧力をさらに下げているので、既に負圧環境にあるレーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近はより減圧されることとなり、キーホールから噴出するヒュームはディフューザ１２に確実に吸引され、この際、ヒュームとともにスパッタが噴出する場合もあるが、これもディフューザ１２に吸引される。
【００３６】
このように、このレーザ溶接装置１では、キーホールで発生するヒュームやスパッタがレーザ光Ｌを遮ることなく負圧環境発生部１０のディフューザ１２に吸引されて除去されるので、ポロシティの発生が少なく抑えられることとなる。
【００３７】
また、このレーザ溶接装置１では、レーザ光照射部分の圧力を下げて優れた負圧環境を作り出すために、高価なアキュムレータなどを使用しないので、装置構成のシンプル化及び低コスト化を図ったうえで、ポロシティの発生を少なく抑え得ることとなる。
【００３８】
そこで、このレーザ溶接装置１の負圧環境発生部１０及び付加負圧部２０のそれぞれに不活性ガスＧ及び付加ガスＧｅを流して、各々における圧力がそれぞれ０．８ＭＰａ，０．０５ＭＰａとなるようにして周溶接を行ったところ、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近には０．０２ａｔｍの負圧環境が形成された。
【００３９】
比較のため、このレーザ溶接装置１の負圧環境発生部１０のみに不活性ガスＧを流して、その圧力が０．５ＭＰａとなるようにして周溶接を行ったところ、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近には０．１６ａｔｍの負圧環境が形成された。
【００４０】
また、負圧環境発生部１０及び付加負圧部２０のそれぞれに不活性ガスＧ及び付加ガスＧｅを流した際のインロー継手Ｗａ及び負圧環境発生部１０だけに不活性ガスＧを流した際のインロー継手Ｗａのそれぞれに対してＣＴ走査を行ったところ、図３（ａ），（ｂ）に示すＣＴ画像を得た。
【００４１】
比較のために行った負圧環境発生部１０だけに不活性ガスＧを流した状況では、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近の負圧環境が０．１６ａｔｍであり、図３（ｂ）のＣＴ画像から、少なからずポロシティＰが発生していることが判る。
【００４２】
これに対して、負圧環境発生部１０及び付加負圧部２０のそれぞれに不活性ガスＧ及び付加ガスＧｅを流した状況では、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近の負圧環境が０．０２ａｔｍであり、図３（ａ）のＣＴ画像から、ポロシティＰが僅かしか発生していないことが判り、したがって、このレーザ溶接装置１によれば、ポロシティＰの発生が大幅に抑えられることが実証できた。
【００４３】
本発明に係るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法の構成は、上記した実施形態に限られるものではなく、他の構成として、例えば、図４に示すように、合流ボックス２３に代えてＹ字状の合流管２５を採用してもよい。この場合は、付加負圧部２０の付加ノズル２１から噴射された付加ガスＧｅと負圧環境発生部１０のディフューザ１２から排出された不活性ガスＧとが合流する際の圧力損失を減らすことができる。
【００４４】
また、他の構成として、例えば、図５に示すように、ディフューザ１２のガス排出側に付加負圧部としての真空ポンプ３０を配置してもよい。
【００４５】
さらに、他の構成として、付加負圧部２０の後流側にさらに付加負圧部を付け足すことも可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１  レーザ溶接装置
４  レーザヘッド
５  制御部
１０  負圧環境発生部
１１  ノズル
１２  ディフューザ
１３  容器
１３ａ  被覆筒（容器）
１３ｂ  シャフト支持筒（容器）
２０  付加負圧部
２１  付加ノズル
２２  付加ディフューザ
３０  真空ポンプ
Ｇ    不活性ガス
Ｇｅ  付加ガス
Ｌ    レーザ光
ＬＡ  レーザ光の焦点
Ｗｎ，Ｗｓ  シャフト（被溶接物）
【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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