(57)【要約】      （修正有）【課題】大型化することがないレーザ照射アーク溶接ヘッドを提供する。【解決手段】レーザ照射アーク溶接ヘッド２７は、溶接トーチボディ４と、給電チップ５と、集光レンズ光学系と、集光レンズ光学系から出力されたレーザ光を導入するレーザ光導入口１９を設け、このレーザ光導入口に空気流入遮断手段２０を設け、給電チップを取囲み溶接トーチボディを通ったシールドガスを噴出し、その形状が給電チップ及びレーザ光に沿って先細り形状である溶接トーチボディの先端に取付けられたレーザ・アークノズル１７とを備え、集光レンズ光学系とレーザ光導入口との間に間隔を設けて、レーザ・アークノズルに対して集光レンズ光学系を移動させることによってアーク発生部に対するレーザ光の照射位置を調整することができるようにし、レーザ・アークノズルからレーザ光の照射、溶接ワイヤの送給及びシールドガスの噴出を行う。【選択図】        図１
2004216441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物を消耗電極ガスシールドアーク溶接及びレーザ溶接するためのレーザ照射アーク溶接ヘッドにおいて、溶接ワイヤ及びシールドガスの通路孔を有し電力の供給を中継する溶接トーチボディと、前記溶接トーチボディを通って送給される前記溶接ワイヤに電力を供給する前記溶接トーチボディの先端に取り付けられた給電チップと、レーザ光を集光して前記被溶接物に照射する集光レンズ光学系と、前記集光レンズ光学系から出力されたレーザ光を導入するレーザ光導入口を設け、このレーザ光導入口に空気流入遮断手段を設け、前記給電チップを取囲み前記溶接トーチボディを通った前記シールドガスを噴出し、その形状が前記給電チップ及び前記レーザ光に沿って先細り形状である前記溶接トーチボディの先端に取り付けられたレーザ・アークノズルとを備え、前記集光レンズ光学系と前記レーザ光導入口との間に間隔を設けて、前記レーザ・アークノズルに対して前記集光レンズ光学系を移動させることによってアーク発生部に対する前記レーザ光の照射位置を調整することができるようにし、前記レーザ・アークノズルから前記レーザ光の照射、前記溶接ワイヤの送給及び前記シールドガスの噴出を行うことを特徴とするレーザ照射アーク溶接ヘッド。
【請求項２】
前記空気流入遮断手段が前記レーザ光導入口の外周から前記レーザ光に対して略直角方向でかつ外周から中心に向かう方向に前記シールドガスを噴出する空気流入遮断手段であることを特徴とする請求項１記載のレーザ照射アーク溶接ヘッド。
【請求項３】
前記集光レンズ光学系の先端と前記レーザ光導入口との間隔に前記レーザ光に対して一方向から略直角方向に空気を噴出してレーザ照射アーク溶接によって発生するスパッタから前記集光レンズ光学系を保護する空気噴出手段を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ照射アーク溶接ヘッド。
【請求項４】
被溶接物を消耗電極ガスシールドアーク溶接及びレーザ溶接するための溶接ワイヤ及びシールドガスの通路孔を有し電力の供給を中継する溶接トーチボディと、前記溶接トーチボディを通って送給される前記溶接ワイヤに電力を供給する前記溶接トーチボディの先端に取り付けられた給電チップと、レーザ光を集光して前記被溶接物に照射する集光レンズ光学系とを備えたレーザ照射アーク溶接ヘッドの前記溶接トーチボディの先端に取り付けられたレーザ・アークノズルであって、前記集光レンズ光学系から出力されたレーザ光を導入するレーザ光導入口を設け、このレーザ光導入口に空気流入遮断手段を設け、前記給電チップを取囲み前記溶接トーチボディを通った前記シールドガスを噴出し、その形状が前記給電チップ及び前記レーザ光に沿って先細り形状であることを特徴とするレーザ・アークノズル。
【請求項５】
前記空気流入遮断手段が前記レーザ光導入口の外周から前記レーザ光に対して略直角方向でかつ外周から中心に向かう方向に前記シールドガスを噴出する空気流入遮断手段であることを特徴とする請求項４記載のレーザ・アークノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、消耗電極ガスシールドアーク溶接又はティグ溶接のアーク発生部又はその周辺部の被溶接物表面にレーザ光を照射することによって高速溶接を行うレーザ照射アーク溶接ヘッドの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等を利用したレーザ溶接は、高エネルギー密度の熱源であるので、２［ｍ／分］を超える高速溶接が可能である。しかし、このレーザ溶接では、重ね継手、突き合わせ継手等への溶接において、その継手部分にギャップがある場合には、レーザ照射部のビームスポットが小さいために溶融金属量が少なくギャップを埋めながら溶接することが難しい。したがって、レーザ溶接においては、被溶接物の継手部分にギャップがない状態にする必要があるために、実用上の適用範囲は非常に限定されていた。
【０００３】
上述したレーザ溶接の上記の問題点を解決する１つの方法として、レーザ照射と消耗電極ガスシールドアーク溶接又はティグ溶接とを併用する複合型のレーザ照射アーク溶接ヘッドが提案されている。この溶接ヘッドは、前述したレーザ照射によって形成される高エネルギー密度の熱源による高速溶接性を確保した上で、アークによって形成される広がりのある熱源によって継手部分を幅広く溶融すると共に溶接ワイヤをギャップ部分に充填することによって、ギャップのある継手部分に対しても良好な高速溶接を行うことができるレーザ照射アーク溶接ヘッドである。
【０００４】
［従来技術１］
図５は、一般的なレーザ照射アーク溶接装置を示す図であり、図６は従来技術のレーザ照射アーク溶接ヘッド１３を示す図である。図５及び図６は、ＹＡＧレーザ又は半導体レーザと消耗電極ガスシールドアーク溶接装置とを使用する場合を示している。
図５において、溶接用電源装置ＰＳは、溶接ワイヤ送給装置ＷＭの溶接ワイヤ送給ロールＷＲの回転を制御して、溶接ワイヤ１が溶接トーチ１５の溶接トーチボディ４を通して送給される。また、溶接用電源装置ＰＳは、溶接トーチ１５内の図６に示す給電チップ５と被溶接物２との間に電力を供給してアーク３を発生させる。また、図６に示すノズル６が給電チップ５を取囲み、このノズル６からシールドガス７が噴出される。
【０００５】
また、レーザ発振装置９から出力されたレーザ光１０は光ファイバ１１によってレーザトーチ１６のレーザトーチボディ１２に伝送され、このレーザトーチボディ１２内に設けられた図６に示す集光レンズ光学系の第１レンズＬ１によって平行光となり、第２レンズＬ２によって被溶接物２に焦点が生じるように収束され、被溶接物２に照射される。上記のレーザ光１０を照射する位置は、被溶接物２のアーク３の発生部に対し適宜な距離を持つ位置である。
保護ガラス８は、ほこりが上記の集光レンズ光学系に付着することを防止したり、消耗電極ガスシールドアーク溶接によって発生するスパッタが集光レンズ光学系に付着することを防止するために設けられている。この保護ガラス８にスパッタが付着して放置しておくと、レーザ光１０が照射されてスパッタの温度が上昇して保護ガラス８が破壊されたり、被溶接物２に照射されるレーザ光１０の出力が減衰されることにより、適切な溶接結果を得ることができない。従って、保護ガラス８を頻繁に交換することが必要であるが、その作業を行う代わりに、通常、クロスジェット１４が上記保護ガラス８の下部に設けられ、上記集光レンズ光学系から出力されたレーザ光１０に対して一方向から略直角方向に空気を噴出してスパッタを除去している。
なお、炭酸ガスレーザの場合は、波長が赤外線領域の１０．６［μｍ］と長いので、光ファイバ１１を使用することができない。従って、レーザ発振装置９から出力されたレーザ光１０を反射ミラーなどを用いてレーザトーチボディ１２に伝送する。
上述した従来技術１は、［発明が解決しようとする課題］で後述する課題を有する。
【０００６】
［従来技術２］
また、レーザ照射アーク溶接ヘッドを小型化するために、レーザ光と溶接ワイヤの送給とを同軸にした溶接ヘッドが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この溶接ヘッドは、レーザ光を反射ミラーで二つに分割して、集光レンズで被溶接物に集光している。さらに、これらの集光レンズの中央部分に孔部を設けて溶接ワイヤを送給して、溶接ワイヤと被溶接物との間に通電してアークを発生させている。従って、この従来技術２は、［発明が解決しようとする課題］で後述する課題を有する。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３２６８２４８号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術１のレーザ照射アーク溶接ヘッドにおいては、レーザトーチ１６と溶接トーチ１５との二つのトーチを使用して溶接を行うために、レーザ光１０とノズル６とが干渉するという問題が発生する。そこで、レーザ光１０とノズル６とが干渉しないように、レーザトーチ１６と溶接トーチ１５との一方又は両方のトーチを被溶接物２に対して傾斜させて設ける必要がある。その結果、レーザ光中心軸ＬＢと給電チップ５との相対角度θが大きくなるために溶接ヘッド１３が大型化する。従って、被溶接物が複雑な形状である場合、この溶接ヘッド１３が溶接部に近づくことができないため、適切な加工を行うことができないという不具合を有する。
【０００９】
次に、上述した従来技術２のレーザ照射アーク溶接ヘッドにおいては、反射ミラーでレーザ光を二つに分割して、集光レンズで絞り込むので、レンズの加工とレンズ及び反射ミラーの配置とが容易ではない。また、多くのレンズと反射ミラーが必要であり、部品点数が多くなる。
さらに、集光レンズ光学系を保護するために保護ガラスが設けられているが、この保護ガラスの下方に、レーザ光を被溶接物に対して照射するノズルが設けられている。そして、このノズルからシールドガスを噴出している。そのために、この保護ガラスにスパッタが付着することを防止するために通常設けられるクロスジェットを、設けることができないので、保護ガラスを頻繁に交換する必要があるという不具合を有する。
【００１０】
本発明は、大型化することがないレーザ照射アーク溶接ヘッドを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
被溶接物を消耗電極ガスシールドアーク溶接及びレーザ溶接するためのレーザ照射アーク溶接ヘッドにおいて、溶接ワイヤ及びシールドガスの通路孔を有し電力の供給を中継する溶接トーチボディと、前記溶接トーチボディを通って送給される前記溶接ワイヤに電力を供給する前記溶接トーチボディの先端に取り付けられた給電チップと、レーザ光を集光して前記被溶接物に照射する集光レンズ光学系と、前記集光レンズ光学系から出力されたレーザ光を導入するレーザ光導入口を設け、このレーザ光導入口に空気流入遮断手段を設け、前記給電チップを取囲み前記溶接トーチボディを通った前記シールドガスを噴出し、その形状が前記給電チップ及び前記レーザ光に沿って先細り形状である前記溶接トーチボディの先端に取り付けられたレーザ・アークノズルとを備え、前記集光レンズ光学系と前記レーザ光導入口との間に間隔を設けて、前記レーザ・アークノズルに対して前記集光レンズ光学系を移動させることによってアーク発生部に対する前記レーザ光の照射位置を調整することができるようにし、前記レーザ・アークノズルから前記レーザ光の照射、前記溶接ワイヤの送給及び前記シールドガスの噴出を行うことを特徴とするレーザ照射アーク溶接ヘッドである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、
前記空気流入遮断手段が前記レーザ光導入口の外周から前記レーザ光に対して略直角方向でかつ外周から中心に向かう方向に前記シールドガスを噴出する空気流入遮断手段であることを特徴とする請求項１記載のレーザ照射アーク溶接ヘッドである。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、
前記集光レンズ光学系の先端と前記レーザ光導入口との間隔に前記レーザ光に対して一方向から略直角方向に空気を噴出してレーザ照射アーク溶接によって発生するスパッタから前記集光レンズ光学系を保護する空気噴出手段を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ照射アーク溶接ヘッドである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、
被溶接物を消耗電極ガスシールドアーク溶接及びレーザ溶接するための溶接ワイヤ及びシールドガスの通路孔を有し電力の供給を中継する溶接トーチボディと、前記溶接トーチボディを通って送給される前記溶接ワイヤに電力を供給する前記溶接トーチボディの先端に取り付けられた給電チップと、レーザ光を集光して前記被溶接物に照射する集光レンズ光学系とを備えたレーザ照射アーク溶接ヘッドの前記溶接トーチボディの先端に取り付けられたレーザ・アークノズルであって、前記集光レンズ光学系から出力されたレーザ光を導入するレーザ光導入口を設け、このレーザ光導入口に空気流入遮断手段を設け、前記給電チップを取囲み前記溶接トーチボディを通った前記シールドガスを噴出し、その形状が前記給電チップ及び前記レーザ光に沿って先細り形状であることを特徴とするレーザ・アークノズルである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、
前記空気流入遮断手段が前記レーザ光導入口の外周から前記レーザ光に対して略直角方向でかつ外周から中心に向かう方向に前記シールドガスを噴出する空気流入遮断手段であることを特徴とする請求項４記載のレーザ・アークノズルである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド２７を示す図であり、図２は、この溶接ヘッドに取付けられたレーザ・アークノズルの部分断面図である。図１及び図２において、溶接トーチボディ４の先端にレーザ・アークノズル１７が取付けられ、溶接トーチボディ４の先端に取付けられた給電チップ５を取囲んでいる。また、溶接トーチボディ４からシールドガス１８が供給される。
【００１８】
また、レーザ・アークノズル１７には、レーザ光導入口１９が設けられていて、レーザトーチボディ１２から出力されたレーザ光１０が導入される。レーザ光導入口１９には、空気が流入することを防止するための空気流入遮断手段が設けられている。この空気流入遮断手段として、例えば、エアーカーテン２０が設けられている。このエアーカーテン２０は、この円周からレーザ光に対して上述したシールドガス１８と同じシールドガス２１を噴出することによって、レーザ光導入口１９から空気が流入してシールドガスの純度が低下することを防止している。また、このシールドガス２１は、レーザ光１０に沿ってレーザ・アークノズル先端１７ａ方向に流れるために、整流されて溶融池に噴出され、シールド性を向上させることができる。また、シールドガス２１がレーザ光１０に沿って流れるために、スパッタが集光レンズ光学系に付着することを防止している。
このエアーカーテン２０の構造を図３及び図４で後述する。
【００１９】
上述した空気流入遮断手段としてエアーカーテン２０を使用する代わりに、レーザ光１０を通過させる材質から成るガラスウィンドウをレーザ光導入口１９に設け空気の流入を防止してもよい。
図１及び図２におけるその他の符号は、図５及び図６に示す同機能に同符号を付して、説明を省略する。
【００２０】
図３及び図４は、本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッドのレーザ・アークノズルに設けられたエアーカーテンを示す図であり、図３（Ａ）はエアーカーテンの斜視図であり、図３（Ｂ）はエアーカーテンの分解図の斜視図であり、図４（Ａ）はエアーカーテンの断面図であり、図４（Ｂ）はエアーカーテンのシールドガスの流れを示す図である。
【００２１】
図３及び図４において、エアーカーテン２０は、エアーカーテンボディ２２とエアーカーテンスリット部材２３とエアーカーテンスリット部材２４とから成る。エアーカーテンボディ２２には、複数個のエアーカーテンボディ噴出孔２２ｂがエアーカーテンボディ凸部２２ｃ及びエアーカーテンボディ凸部２２ｄの円周上に等間隔に設けられている。
エアーカーテンボディ凹部２２ａから第２シールドガス２１が流入されると、エアーカーテンボディ噴出孔２２ｂから噴出されて、エアーカーテンスリット部材２３に衝突して、エアーカーテンスリット部材凹部２３ａに沿って矢印２５及び矢印２６に示すようにレーザ光１０の中心軸ＬＢ方向に噴出される。シールドガス２１は、エアーカーテンボディ噴出孔２２ｂの各孔から均一に噴出されてレーザ光中心軸ＬＢ方向に流れ、図２に示したレーザ・アークノズル先端１７ａ方向へ流れるが、一部はレーザ光導入口１９から流出されるために、空気の流入を防止することができる。
【００２２】
エアーカーテンボディ噴出孔２２ｂの間隔又はエアーカーテンスリット部材凹部２３ａの深さを調整することによって、レーザ光中心軸ＬＢ方向のシールドガス２１の流れを均一にすることができる。
【００２３】
エアーカーテンスリット部材２４におけるシールドガス２１の流れも同様であるので、説明を省略する。
【００２４】
エアーカーテン２０の個数としては、２個の場合を図２に示しているが、レーザ光導入口１９の大きさ及びシールドガス２１の流量等から、レーザ・アークノズル１７内へ空気が流入しないように個数を決定することができる。
【００２５】
シールドガス１８及びシールドガス２１の流量を調整することによって、レーザ・アークノズル１７内でのシールドガスの流れを適切にすることができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２７】
本発明は、被溶接物を消耗電極ガスシールドアーク溶接及びレーザ溶接するためのレーザ照射アーク溶接ヘッドにおいて、溶接ワイヤ及びシールドガスの通路孔を有し電力の供給を中継する溶接トーチボディと、前記溶接トーチボディを通って送給される前記溶接ワイヤに電力を供給する前記溶接トーチボディの先端に取り付けられた給電チップと、レーザ光を集光して前記被溶接物に照射する集光レンズ光学系と、前記集光レンズ光学系から出力されたレーザ光を導入するレーザ光導入口を設け、このレーザ光導入口に空気流入遮断手段を設け、前記給電チップを取囲み前記溶接トーチボディを通った前記シールドガスを噴出し、その形状が前記給電チップ及び前記レーザ光に沿って先細り形状である前記溶接トーチボディの先端に取り付けられたレーザ・アークノズルとを備え、前記集光レンズ光学系と前記レーザ光導入口との間に間隔を設けて、前記レーザ・アークノズルに対して前記集光レンズ光学系を移動させることによってアーク発生部に対する前記レーザ光の照射位置を調整することができるようにし、前記レーザ・アークノズルから前記レーザ光の照射、前記溶接ワイヤの送給及び前記シールドガスの噴出を行うことを特徴とするレーザ照射アーク溶接ヘッドである。
従って、従来技術１で説明したように、レーザ光とノズルとが干渉することがなく、レーザ光と給電チップとが干渉しない傾斜角度に設定することができる。その結果、レーザ光中心軸と給電チップとの相対角度が小さくなるために溶接ヘッドが大型化することがなく、被溶接物が複雑な形状である場合でも、この溶接ヘッドが溶接部に近づくことができ、適切な加工を行うことができる。
また、エアーカーテンから噴出されるシールドガスが、レーザ光に沿って流れて、レーザ・アークノズル先端から溶融池に噴出される。このため、シールド性を向上させることができるので、高速溶接において溶接品質を低下させることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド２７を示す図である。
【図２】本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド２７に取付けられたレーザ・アークのズルの部分断面図である。
【図３】本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッドのレーザ・アークノズルに設けられたエアーカーテンを示す図である。
【図４】本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッドのレーザ・アークノズルに設けられたエアーカーテンを示す図である。
【図５】一般的なレーザ照射アーク溶接装置を示す図である。
【図６】従来技術１のレーザ照射アーク溶接ヘッド１３を示す図である。
【符号の説明】
１            溶接ワイヤ
２            被溶接物
３            アーク
４            溶接トーチボディ
５            給電チップ
６            ノズル
７            シールドガス
８            保護ガラス
９            レーザ発振装置
１０            レーザ光
１１            光ファイバ
１２            レーザトーチボディ
１３            レーザ照射アーク溶接ヘッド
１４            クロスジェット
１５            溶接トーチ
１６            レーザトーチ
１７            レーザ・アークノズル
１７ａ            レーザ・アークノズル先端
１８            シールドガス
１９            レーザ光導入口
２０            エアーカーテン
２１            シールドガス
２２            エアーカーテンボディ
２２ａ            エアーカーテンボディ凹部
２２ｂ            エアーカーテンボディ噴出孔
２２ｃ            エアーカーテンボディ凸部
２２ｄ            エアーカーテンボディ凸部
２３            エアーカーテンスリット部材
２３ａ            エアーカーテンスリット部材凹部
２４            エアーカーテンスリット部材
２５            矢印
２６            矢印
２７            レーザ照射アーク溶接ヘッド
Ｌ１            レンズ
Ｌ２            レンズ
ＬＢ            レーザ光中心軸
ＰＳ            溶接用電源装置
ＷＭ            溶接ワイヤ送給装置
ＷＲ            溶接ワイヤ送給ロール
θ            相対角度
【図１】
2004216441.tif 000003
【図２】
2004216441.tif 000004
【図３】
2004216441.tif 000005
【図４】
2004216441.tif 000006
【図５】
2004216441.tif 000007
【図６】
2004216441.tif 000008