(57)【要約】【課題】溶接ヘッドの大型化を抑制することができると共にワイヤの調整自由度を向上させることができるレーザー溶接ヘッドとする。【解決手段】ブスバー１７及びサポートブラケット１１を介してワイヤ８に通電し、ワイヤ８の先端チップ９への供給を通電材（銅パイプ等）と共にする必要をなくし、ワイヤ８の調整の自由度を向上させ、レーザー溶接ヘッド１の周囲に溶接ロボット等の取りまわしのスペースを確保する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗電極となるワイヤが先端チップに供給されてアーク放電により溶接部位の溶接を行なうアーク溶接手段と、入力されたレーザー光を分岐レンズ群で分岐すると共に集光レンズ群を介して分岐したレーザー光を先端チップの周囲から前記溶接部位に集光させるレーザー溶接手段とが一つの本体に備えられたレーザー溶接ヘッドにおいて、
消耗電極となるワイヤの供給系とワイヤに給電を行なう給電系とが独立して設けられていることを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
消耗電極となるワイヤは本体の内部に配置されたフレキシブルチューブを介して先端チップに供給され、ワイヤへの給電を行なうために先端チップに電気的に接続される給電棒部材が本体の外部に配置されたことを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
レーザー光に交差する方向の前記先端チップの位置を調整するチップ位置調整機構を備えたことを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
前記チップ位置調整機構は、
レーザー光に交差する一方向に先端チップを調整する一方向調整手段であることを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
一方向調整手段は、
本体に対して先端チップを互いに反対方向に移動させる一対のねじ部材を備え、一対のねじ部材により先端チップの一方向位置を調整固定することを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
【請求項６】
請求項３に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
チップ位置調整機構は、
レーザー光に交差する二方向に先端チップを調整する二方向調整手段であることを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
二方向調整手段は、
本体に対してレーザー光に交差する第１方向に先端チップを移動させる第１ねじ部材と、第１方向への移動により傾斜面を介して第１方向に交差する方向に先端チップを移動させる第２ねじ部材とから構成され、
第１ねじ部材により第１方向の先端チップの位置を調整固定した後第２ねじ部材により第１方向に交差する方向に先端チップの位置を調整固定する
ことを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
分岐したレーザー光のそれぞれに対応して独立した保護レンズを集光レンズ群の溶接部位側に設けたことを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー加工とアーク加工とを同時に行なうレーザー溶接ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼板等の金属の溶接・切断・穿孔・表面改質処理等の加工技術、例えば、金属同士を接合する溶接技術の一種として、レーザー溶接とアーク溶接が知られている。レーザー光は光学機器により集光して高いエネルギー密度が得られることから深い溶け込みの溶接を行なうことができる。ＭＩＧ溶接等消耗電極となるワイヤを供給するアーク溶接では、開先裕度が高い溶接が可能となる。
【０００３】
近年、レーザー溶接とアーク溶接を同時に行なうことができるレーザー溶接ヘッドが種々開発されている（例えば、特許文献１参照）。レーザー溶接とアーク溶接を同時に行なうことにより、レーザーで生じたプラズマによりアークが安定したり、高価な装置にすることなく高出力を得ることが可能になる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１２２９５０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
レーザー溶接とアーク溶接を同時に行なう場合、電極棒をヘッド内に配置することになる。特に、ＭＩＧ溶接等消耗電極となるワイヤを供給するアーク溶接では、給電を行なうための銅パイプ等と送給されるワイヤを同軸状態にして溶接ヘッド内に配置する必要があった。
【０００６】
溶接ヘッド内にはレーザー光学系が配置されているため、曲げ癖がつかない状態の曲率を保つようにワイヤを配置するためには、溶接ヘッドを構成する場合には、溶接ヘッドの外部に銅パイプ等とワイヤを先端近傍まで配置し、レーザー光を避けた状態で銅パイプ等とワイヤを溶接ヘッド内に設ける必要があった。
【０００７】
このため、溶接ヘッドが大型化すると共に外部に給電用の配管等が存在し、ロボット等による取りまわしに制約を受けることになっていた。また、銅パイプ等とワイヤが同軸状態で配設されているためワイヤの調整自由度が制約され、先端位置を調整し難い状況にあるのが現状であった。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、溶接ヘッドの大型化を抑制することができると共にワイヤの調整自由度を向上させることができるレーザー溶接ヘッドを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明のレーザー溶接ヘッドは、
消耗電極となるワイヤが先端チップに供給されてアーク放電により溶接部位の溶接を行なうアーク溶接手段と、入力されたレーザー光を分岐レンズ群で分岐すると共に集光レンズ群を介して分岐したレーザー光を先端チップの周囲から前記溶接部位に集光させるレーザー溶接手段とが一つの本体に備えられたレーザー溶接ヘッドにおいて、
消耗電極となるワイヤの供給系とワイヤに給電を行なう給電系とが独立して設けられていることを特徴とする。
【００１０】
そして、請求項１に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
消耗電極となるワイヤは本体の内部に配置されたフレキシブルチューブを介して先端チップに供給され、ワイヤへの給電を行なうために先端チップに電気的に接続される給電棒部材が本体の外部に配置されたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項１もしくは請求項２に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
レーザー光に交差する方向の前記先端チップの位置を調整するチップ位置調整機構を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
前記チップ位置調整機構は、
レーザー光に交差する一方向に先端チップを調整する一方向調整手段であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
一方向調整手段は、
本体に対して先端チップを互いに反対方向に移動させる一対のねじ部材を備え、一対のねじ部材により先端チップの一方向位置を調整固定することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
チップ位置調整機構は、
レーザー光に交差する二方向に先端チップを調整する二方向調整手段であることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
二方向調整手段は、
本体に対してレーザー光に交差する第１方向に先端チップを移動させる第１ねじ部材と、第１方向への移動により傾斜面を介して第１方向に交差する方向に先端チップを移動させる第２ねじ部材とから構成され、
第１ねじ部材により第１方向の先端チップの位置を調整固定した後第２ねじ部材により第１方向に交差する方向に先端チップの位置を調整固定する
ことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
分岐したレーザー光のそれぞれに対応して独立した保護レンズを集光レンズ群の溶接部位側に設けたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の一実施形態例に係るレーザー溶接ヘッドの断面、図２には図１中のII-II 線矢視、図３には図２中のIII-III 線矢視、図４には図３中の要部拡大状況、図５には図２中のV-V 線矢視、図６には図２中のVI-VI 線矢視を示してある。
【００１８】
図１、図２に示すように、レーザー溶接ヘッド１の上部には光ファイバ２の先端部が接続されている。光ファイバ２の基端部は、例えば、図示しないＹＡＧレーザー発振器に接続され、ＹＡＧレーザー発振器からのレーザー光３が光ファイバ２により伝送されてレーザー溶接ヘッド１内に導かれる。
【００１９】
レーザー溶接ヘッド１にはコリメートレンズ群４が設けられ、光ファイバ２の先端からでたレーザー光３はコリメートレンズ群４により平行光とされる。コリメートレンズ群４の下側には４５度に傾斜して設けられ平行光の半分を横方向に反射させる第１傾斜ミラー５が配置され、第１傾斜ミラー５の対向部には４５度に傾斜して設けられ第１傾斜ミラー５で横方向に反射されたレーザー光３を下方向に反射させる第２傾斜ミラー６が配置されている。
【００２０】
コリメートレンズ群４で平行光とされた断面円形のレーザー光３は、半分が断面半円形の第１レーザー光３ａとされると共に、半分が第１傾斜ミラー５及び第２傾斜ミラー６で反射されて断面半円形の第２レーザー光３ｂとされ、第１レーザー光３ａと第２レーザー光３ｂが間隔を隔てた平行光とされる。
【００２１】
レーザー溶接ヘッド１の下端部には溶接ヘッド７が設けられ、溶接ヘッド７の内周部には金属製のサポートブラケット１１が取り付けられている。サポートブラケット１１には消耗電極となるワイヤ８が供給される金属製の先端チップ９が支持され、サポートブラケット１１を介して先端チップ９に給電される。
【００２２】
溶接ヘッド７の上部には集光レンズ群１５が配置され、集光レンズ群１５により平行光とされた第１レーザー光３ａと第２レーザー光３ｂが集光される。集光レンズ群１５により集光される途中の第１レーザー光３ａと第２レーザー光３ｂは先端チップ９の側部を通過し、サポートブラケット１１には、集光される途中の第１レーザー光３ａと第２レーザー光３ｂが通過する通過穴１０が形成されている。
【００２３】
図２、図３に示すように、先端チップ９はサポートブラケット１１に取り付けられている。先端チップ９は第１レーザー光３ａ及び第２レーザー光３ｂに交差する方向（図２中左右方向及び紙面に垂直な方向）の位置が二方向調整手段としてのチップ位置調整機構３１により調整されるようになっている。
【００２４】
図３、図４に示すように、先端チップ９の端部の一方側（図中上側）には平行面３３が形成され、平行面３３には第１ねじ部材３２の先端が接触するようになっている。第１ねじ部材３２の回転調整により平行面３３が押し引きされて第１方向（図中上下方向）の位置が調整される。
【００２５】
先端チップ９の端部の他方側（図中下側）には傾斜面３４が形成され、傾斜面３４には第２ねじ部材３５の先端が接触するようになっている。第２ねじ部材３５の回転調整により傾斜面３４が押し引きされて第１方向に交差する第２方向（図中左右方向）の位置が調整される。
【００２６】
尚、図中の符号で３６は第１ねじ部材３２及び第２ねじ部材３５の盲栓となるピンである。つまり、第１ねじ部材３２及び第２ねじ部材３５の調整を行なう場合、ピン３６を外して行い調整後にピン３６を嵌合させる。
【００２７】
上述したチップ位置調整機構３１は、第１ねじ部材３２により先端チップ９の第１方向の位置を調整して第１方向の位置を固定し、その後、第２ねじ部材３５により先端チップ９の第２方向の位置を調整して第２方向の位置を固定する。
これにより、第１レーザー光３ａと第２レーザー光３ｂに対し先端チップ９の位置、即ち、ワイヤ８の供給位置を一致させるように調整することが可能になる。
【００２８】
尚、二方向調整手段を例に挙げてチップ位置調整機構３１を説明したが、一方向調整手段を適用することも可能である。即ち、先端チップ９の端部の他方側（図中下側）に平行面を形成し、平行面に第２ねじ部材３５を接触させることも可能である。この場合、第１ねじ部材３２を第２ねじ部材３５を互いに逆回転させながら位置調整することで、第１方向（図中上下方向）の位置が調整される。
【００２９】
図２、図５に示すように、レーザー溶接ヘッド１の上部からレーザー溶接ヘッド１の内部を通してワイヤ８が供給され、ワイヤ８は案内部材１２により先端チップ９に供給される。ワイヤ８は樹脂等の保護材（フレキシブルチューブ）で被覆され、もしくは樹脂等のフレキシブルチューブに挿入されている。先端チップ９の部位でワイヤ８は先端チップ９に接触した状態で露出するように供給され、保護材で被覆されたワイヤ８は案内部材１２により先端チップ９の中心に案内される（ワイヤ８の供給系）。
【００３０】
図２、図５に示すように、レーザー溶接ヘッド１の上部からレーザー溶接ヘッド１の外部を経由して給電用のブスバー１７が設けられ、ブスバー１７の下端部は通電接続部１８を介してサポートブラケット１１に接続されている。ブスバー１７は図示しない電源に接続され、ブスバー１７から通電接続部１８、サポートブラケット１１を介して先端チップ９に通電され、先端チップ９に支持されるワイヤ８に電力が供給されて消耗電極とされる（給電系）。
【００３１】
ブスバー１７及びサポートブラケット１１を介してワイヤ８に通電するようにしたので、ワイヤ８を通電材（銅パイプ等）と共に先端チップ９に供給する必要がなくなる。このため、ワイヤ８の供給の自由度が向上してレーザー溶接ヘッド１の周囲に溶接ロボット等の取りまわしのスペースが確保される。
【００３２】
即ち、図５に示したように、光ファイバ２の接続部に隣接してワイヤ８を供給する部位１９を束ねることができ、レーザー溶接ヘッド１の周囲にワイヤ８を供給するためのスペースが不要になる。
【００３３】
図２、図６に示すように、集光レンズ群１５の下側には第１レーザー光３ａと第２レーザー光３ｂを独立して透過させる円形の保護レンズ２１，２２を備えたカートリッジ２３が設けられ、保護レンズ２１，２２は第１レーザー光３ａと第２レーザー光３ｂが透過する部位に対向してそれぞれカートリッジ２３に設けられている。
【００３４】
そして、図６に示すように、カートリッジ２３にはワイヤ８が通過するための切欠２４が形成されている。
【００３５】
保護レンズ２１，２２を備えたカートリッジ２３を配設したことにより、第１レーザー光３ａと第２レーザー光３ｂの照射を阻害することなく溶接部の熱や溶融金属などから集光レンズ群１５を保護することができる。
【００３６】
そして、第１レーザー光３ａと第２レーザー光３ｂが透過する部位に対向して保護レンズ２１，２２をそれぞれ独立して設けたので、市販の標準レンズをそのまま使用して特別に保護レンズ２１，２２のための機械加工等が不要になる。また、溶接部の熱や溶融金属などによるダメージを受けた場合に、ダメージを受けた側の保護レンズ２１もしくは保護レンズ２２だけの交換が可能になり、コストを大幅に低減することができる。
【００３７】
上記構成のレーザー溶接ヘッド１では、光ファイバ２で伝送された図示しないＹＡＧレーザー発振器からのレーザー光３が下向きに入光し、コリメートレンズ群４により平行光とされる。コリメートレンズ群４で平行光とされた断面円形のレーザー光３は、半分が断面半円形の第１レーザー光３ａとされると共に、半分が第１傾斜ミラー５及び第２傾斜ミラー６で反射されて断面半円形の第２レーザー光３ｂとされ、第１レーザー光３ａと第２レーザー光３ｂが間隔を隔てた平行光とされる。
【００３８】
第１レーザー光３ａと第２レーザー光３ｂは集光レンズ群１５を通り、保護レンズ２１，２２を透過して先端チップ９の側部から通過穴１０を通って溶接部に集光される。同時に、ワイヤ８が先端チップ９に供給されると共にブスバー１７から通電接続部１８、サポートブラケット１１を介して先端チップ９に通電され、先端チップ９に支持されるワイヤ８に電力が供給されて消耗電極とされる。
【００３９】
これにより、第１レーザー光３ａ及び第２レーザー光３ｂの集光によるレーザー溶接と、ワイヤ８への通電によるアーク溶接（ＭＩＧ溶接）とが同時に行なわれる。
【００４０】
第１レーザー光３ａ及び第２レーザー光３ｂの集光点とワイヤ８の供給位置とを一致させるため、位置調整機構３１の第１ねじ部材３２により先端チップ９の第１方向の位置を調整して第１方向の位置を固定し、その後、第２ねじ部材３５により先端チップ９の第２方向の位置を調整して第２方向の位置を固定する。
【００４１】
これにより、ワイヤ８に曲げ癖等があった場合でも、第１レーザー光３ａ及び第２レーザー光３ｂの集光点に対してワイヤ８の供給位置を一致させるように調整することが可能になる。ワイヤ８には給電のための銅パイプ等が設けられていないため、先端チップ９の位置を調整した場合でも樹脂製の保護材が被覆されたワイヤ８自身の変形により先端チップ９の移動が吸収される。
【００４２】
位置調整機構３１を設けたことにより、第１レーザー光３ａ及び第２レーザー光３ｂの集光点と消耗電極となるワイヤ８の位置を一致させることができ、レーザー位置とアーク位置とを最適な状態に保持することが可能になる。
【００４３】
また、上述したブスバー１７及びサポートブラケット１１を介してワイヤ８に通電するようにしたので、ワイヤ８を通電材（銅パイプ等）と共に先端チップ９に供給する必要がなくなり、ワイヤ８の調整の自由度が向上する。
【００４４】
このため、ワイヤ８の供給の自由度が向上してレーザー溶接ヘッド１の周囲に溶接ロボット等の取りまわしのスペースが確保される。
【００４５】
更に、保護レンズ２１，２２を備えたカートリッジ２３を配設したことにより、第１レーザー光３ａと第２レーザー光３ｂの照射を阻害することなく溶接部の熱や溶融金属などから集光レンズ群１５を保護することができる。
【００４６】
そして、第１レーザー光３ａと第２レーザー光３ｂが透過する部位に対向して保護レンズ２１，２２をそれぞれ独立して設けたので、特別に保護レンズ２１，２２のための機械加工等を行なうことなく市販された標準レンズを使用することができる。また、溶接部の熱や溶融金属などによるダメージを受けた場合に、ダメージを受けた側の保護レンズ２１もしくは保護レンズ２２だけの交換が可能になり、コストを大幅に低減することができる。
【００４７】
尚、本発明のレーザー溶接ヘッド１としては、先端チップ９の位置調整機構３１が備えられていれば、銅パイプ等の通電手段と同軸状のワイヤ８を設けたものや、１枚の保護レンズを備えたものを適用することも可能である。
【００４８】
また、アーク溶接としては、消耗電極となるワイヤを供給するものであば、炭酸ガスアーク溶接や混合ガスシールドアーク溶接等を適用することも可能である。また、場合によっては、ノンガスシールドアーク溶接を適用することも可能である。
【００４９】
また、本発明のレーザー溶接ヘッド１は、切断、穿孔等溶接以外のの加工に適用することも可能である。
【００５０】
【発明の効果】
本発明のレーザー溶接ヘッドは、
消耗電極となるワイヤが先端チップに供給されてアーク放電により溶接部位の溶接を行なうアーク溶接手段と、入力されたレーザー光を分岐レンズ群で分岐すると共に集光レンズ群を介して分岐したレーザー光を先端チップの周囲から前記溶接部位に集光させるレーザー溶接手段とが一つの本体に備えられたレーザー溶接ヘッドにおいて、
消耗電極となるワイヤの供給系とワイヤに給電を行なう給電系とが独立して設けられているので、
ワイヤの供給の自由度が向上してレーザー溶接ヘッドの周囲の取りまわしのスペースを確保することができる。
【００５１】
この結果、溶接ヘッドの大型化を抑制することができると共にワイヤの調整自由度を向上させることができるレーザー溶接ヘッドとなる。
【００５２】
そして、請求項１に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
消耗電極となるワイヤは本体の内部に配置されたフレキシブルチューブを介して先端チップに供給され、ワイヤへの給電を行なうために先端チップに電気的に接続される給電棒部材が本体の外部に配置されているので、
ワイヤの供給の自由度が向上してレーザー溶接ヘッドの周囲の取りまわしのスペースを確保することができる。
【００５３】
また、請求項１もしくは請求項２に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
レーザー光に交差する方向の前記先端チップの位置を調整するチップ位置調整機構を備えたので、レーザー光の集光位置に応じて先端チップの位置を調整することができる。
【００５４】
また、請求項３に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
前記チップ位置調整機構は、
レーザー光に交差する一方向に先端チップを調整する一方向調整手段であるので、先端チップの一方向の位置を調整することができる。
【００５５】
また、請求項４に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
一方向調整手段は、
本体に対して先端チップを互いに反対方向に移動させる一対のねじ部材を備え、一対のねじ部材により先端チップの一方向位置を調整固定するようにしたので、ねじ部材の調整により先端チップの位置を調整することができる。
【００５６】
また、請求項３に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
チップ位置調整機構は、
レーザー光に交差する二方向に先端チップを調整する二方向調整手段であるので、先端チップの二方向の位置を調整することができる。
【００５７】
また、請求項６に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
二方向調整手段は、
本体に対してレーザー光に交差する第１方向に先端チップを移動させる第１ねじ部材と、第１方向への移動により傾斜面を介して第１方向に交差する方向に先端チップを移動させる第２ねじ部材とから構成され、
第１ねじ部材により第１方向の先端チップの位置を調整固定した後第２ねじ部材により第１方向に交差する方向に先端チップの位置を調整固定する
ようにしたので、第１ねじ部材と第２ねじ部材により先端チップの二方向の位置を調整することができる。
【００５８】
また、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
分岐したレーザー光のそれぞれに対応して独立した保護レンズを集光レンズ群の溶接部位側に設けたことを特徴とする。
特別に保護レンズのための機械加工等を行なうことなく市販された標準レンズを使用することができ、また、溶接部の熱や溶融金属などによるダメージを受けた場合に、ダメージを受けた側の保護レンズだけの交換が可能になり、コストを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係るレーザー溶接ヘッドの断面図。
【図２】図１中のII-II 線矢視図。
【図３】図２中のIII-III 線矢視図。
【図４】図３中の要部拡大図。
【図５】図２中のV-V 線矢視図。
【図６】図２中のVI-VI 線矢視図。
【符号の説明】
１  レーザー溶接ヘッド
２  光ファイバ
３  レーザー光
４  コリメートレンズ群
５  第１傾斜ミラー
６  第２傾斜ミラー
７  溶接ヘッド
８  ワイヤ
９  先端チップ
１０  通過穴
１１  サポートブラケット
１２  案内部材
１５  集光レンズ群
１７  ブスバー
１８  通電接続部
１９  供給部位
２１，２２  保護レンズ
２３  カートリッジ
２４  切欠
３１  チップ位置調整機構
３２  第１ねじ部材
３３  平行面
３４  傾斜面
３５  第２ねじ部材
３６  ピン
【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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