(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザおよびプラズマアーク技術を組み合わせ、被加工物の表面に効率的に高エネルギー密度を生成できる溶接に使用するトーチであって、
（ａ）内部キャビティ、光学的に透明な入力および出力端部、および中心軸を有する主本体と、
（ｂ）入力レーザビーム方向付け機構であって、前記主本体の前記入力端部から前記トーチ内に入射された前記入力レーザビームを、前記光学的に透明な出力端部においてビーム半径を有するように、前記中心軸に共線的に前記出力端部まで方向付ける入力レーザビーム方向付け機構と、
（ｃ）前記主本体の前記出力端部に配置した電気絶縁ブッシュであって、
（i）前記中心軸と共線的である開口部と、
（ii）電極を配置するための少なくとも１つのキャビティと、
（iii）出力端部とを含む、電気絶縁ブッシュと、
（ｄ）近位端部と遠位端部とを有する圧縮ノズルであって、前記圧縮ノズルを前記絶縁ブッシュ出力端部に配置し、前記圧縮ノズルは、前記中心軸に中心がある貫通開口部、および前記遠位端部に断面を有し、前記断面は前記中心軸に垂直であり、前記圧縮ノズルの前記貫通開口部は前記入力レーザビーム半径よりも大きい半径を有する、圧縮ノズルと、
（ｅ）前記絶縁ブッシュのキャビティ内に設け、前記圧縮ノズルの前記断面に近い前記中心軸と交差する長手方向軸を有する少なくとも１本の電極であって、前記少なくとも１本の電極の長手方向軸と前記中心軸とが前記主本体に面する鋭角を形成する、少なくとも１本の電極と、
（ｆ）前記圧縮ノズルと前記少なくとも１本の電極との間の領域内に、トーチ内部のプラズマガスを供給するプラズマガス供給機構と、
（ｇ）前記少なくとも１本の電極と被加工物との間に電気アークを形成し、それにより前記プラズマガスを前記圧縮ノズルから発するプラズマとなるようにし、前記主本体から発する前記レーザビームと相互作用させて複合プラズマレーザ放電を形成する電気アーク形成機構と、
を具備するトーチ。
【請求項２】
（ｈ）前記圧縮ノズルを包囲する保護ノズルと、
（ｉ）前記保護ノズルと前記圧縮ノズルとの間の領域内に保護ガスを供給する保護ガス供給機構と、をさらに具備する、請求項１に記載のトーチ。
【請求項３】
前記少なくとも１本の電極は、
（ｉ）遠位端部と近位端部と、
（ii）前記遠位端部近くに配置した蓄熱球と、
（iii）前記少なくとも１本の電極の前記近位端部への熱伝達を低減し、前記電極の前記蓄熱球と近位端部との間に位置する熱伝達低減機構と、をさらに含む、請求項１に記載のトーチ。
【請求項４】
前記熱伝達低減機構は、前記電極の前記蓄熱球と前記近位端部との間に設けたストラップを含む、請求項３に記載のトーチ。
【請求項５】
前記少なくとも１本の電極は、不活性ガスを前記電極の遠位端部周りの領域内に供給し、それにより保護ガスエンベロープを前記少なくとも１本の電極のまわりに発生させる保護ガス供給機構をさらに含み、前記ガスエンベロープは前記少なくとも１本の電極の安定性および寿命を増す、請求項１に記載のトーチ。
【請求項６】
前記少なくとも１本の電極はその長手方向軸に沿って往復移動可能である、請求項１に記載のトーチ。
【請求項７】
前記中心軸と前記少なくとも１本の電極との間の最短距離は、前記中心軸と垂直な断面のレーザビーム半径よりも小さく、前記少なくとも１本の電極の前記遠位端部に位置する、請求項１に記載のトーチ。
【請求項８】
前記絶縁ブッシュのキャビティ内に配置され、前記断面に近い前記中心軸と交差する長手方向軸を有する少なくとも２本の電極を具備し、前記長手方向軸は円錐体の母線上にあり、前記円錐体は、前記中心軸上に頂点を備え、前記円錐体は前記主本体に面するベースを備えている、請求項１に記載のトーチ。
【請求項９】
前記中心軸と前記少なくとも２本の電極の各々の近接点との間の前記距離は前記レーザビーム半径よりも小さい、請求項７に記載のトーチ。
【請求項１０】
少なくとも２本の電極を具備し、前記電極の各々は陰極である、請求項８に記載のトーチ。
【請求項１１】
少なくとも２本の電極を具備し、前記電極の各々は陽極である、請求項８に記載のトーチ。
【請求項１２】
２本の電極を具備し、前記２本の電極のうちの１本は陰極であり、前記２本の電極のうちの１本は陽極である、請求項８に記載のトーチ。
【請求項１３】
前記入力レーザビーム方向付け機構はビーム集束機構を有する光学系を含み、前記光学系を前記主本体の前記入力端部に配置し、前記レーザビームを、トーチ外部の少なくとも一点および前記圧縮ノズルの前記断面背後に集束させる、請求項１に記載のトーチ。
【請求項１４】
前記光学系は、対物レンズおよび集束反射体から成る群から選択される少なくとも１種類の光学要素を含む、請求項１３に記載のトーチ。
【請求項１５】
前記圧縮ノズルは円錐状外部表面と貫通開口部とを有し、前記貫通開口部は内部表面と断面積とを有し、前記圧縮ノズルは、プラズマ流を付加的圧縮および安定化するためのプラズマ流圧縮安定化機構を備えている、請求項１に記載のトーチ。
【請求項１６】
前記プラズマ流圧縮安定化機構は、前記圧縮ノズルの前記円錐状外部表面に配置され、前記円錐状外部表面から間隔を空けた反対側の円錐状表面に配置された溝を含む、請求項１５に記載のトーチ。
【請求項１７】
前記プラズマ流圧縮安定化機構は、前記圧縮ノズルの前記円錐状外部表面および前記円錐状外部表面に近接した反対側の円錐状表面に配置された溝を含む、請求項１５に記載のトーチ。
【請求項１８】
前記溝の少なくとも２本を前記圧縮ノズルの前記円錐状外部表面の母線と平行に前記円錐状外部表面上に配置し、前記溝は、前記圧縮ノズルの前記貫通開口部の前記断面積にほぼ等しい総断面積を有する、請求項１７に記載のトーチ。
【請求項１９】
前記反対側円錐状表面は保護ノズルの貫通開口部の内部表面であり、前記反対側円錐状表面を、前記圧縮ノズルの前記円錐状外部表面と同心に配置し、前記円錐状外部表面から間隔を空けて配置している、請求項１６に記載のトーチ。
【請求項２０】
円錐状ブッシュをさらに含み、前記円錐状ブッシュは内部表面を有し、前記円錐状ブッシュを前記圧縮ノズルと保護ノズルとの間のギャップ内に位置決めしている、請求項１６に記載のトーチ。
【請求項２１】
前記円錐状ブッシュの前記内部表面は前記圧縮ノズルの前記円錐状外部表面に近接している、請求項２０に記載のトーチ。
【請求項２２】
前記少なくとも１本の電極と被加工物との間に前記電気アークを形成する前記機構は、前記入力レーザビームのパルスをアーク電流のパルスと同期化させるための同期装置を含む、請求項１に記載のトーチ。
【請求項２３】
前記電気アーク形成機構は、前記少なくとも２本の電極を前記電気アーク形成機構に接続するための整流器を含む、請求項１に記載のトーチ。
【請求項２４】
前記電気アーク形成機構は、２個のダイオードを介して前記２本の電極と接続した交流電流源を含み、前記２個のダイオードのうちの第１のダイオードの陽極は、前記２本の電極の負電極と前記２個のダイオードのうちの第２のダイオードの陰極とに接続され、前記第２のダイオードの前記陰極は前記２本の電極の正電極と接続されている、請求項１に記載のトーチ。
【請求項２５】
表面を有する被加工物上に高エネルギー密度スポットを形成する方法であって、
（ａ）（i）内部キャビティ、光学的に透明な入力および出力端部、および中心軸を有する主本体と、
（ii）入力レーザビーム方向付け機構であって、前記主本端の前記入力端部から前記トーチ内に入射された前記入力レーザビームを、前記光学的に透明な出力端部においてビーム半径を有するように、前記中心軸と共線的に前記出力端部まで方向付ける入力レーザビーム方向付け機構と、
（iii）前記主本体の前記出力端部に配置した電気絶縁ブッシュであって、
（１）前記中心軸と共線的である開口部と、
（２）電極を配置するための少なくとも１つのキャビティと、
（３）出力端部と、を含む電気絶縁ブッシュと、
（iv）近位端部と遠位端部とを有する圧縮ノズルであって、前記圧縮ノズルを前記絶縁ブッシュ出力端部に配置し、前記圧縮ノズルは、前記中心軸に中心がある貫通開口部と前記遠位端部に断面とを有し、前記断面は前記中心軸と垂直をなし、前記圧縮ノズルの前記貫通開口部は前記入力レーザビーム半径よりも大きい半径を有する、圧縮ノズルと、
（v）前記絶縁ブッシュのキャビティ内に配置され、前記圧縮ノズルの前記断面に近い前記中心軸と交差する長手方向軸を有する少なくとも１本の電極であって、前記少なくとも１本の電極の長手方向軸と前記中心軸とは前記主本体に面する鋭角を形成する、少なくとも１本の電極と、
（vi）前記圧縮ノズルと前記少なくとも１本の電極との間の領域に、トーチ内部のプラズマガスを供給するプラズマガス供給機構と、
（vii）前記少なくとも１本の電極と被加工物との間に電気アークを形成し、それにより前記プラズマガスを前記圧縮ノズルから発するプラズマにし、前記主本体から発する前記レーザビームと相互作用させて複合プラズマレーザ放電を形成する電気アーク形成機構と、
を含む複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチを提供するステップと、
（ｂ）前記主本体の前記中心軸に沿って前記レーザビームを方向付け、それにより前記少なくとも１本の電極を前記レーザビームで加熱し、前記レーザビームを前記主本体外部の焦点で集束させるステップと、
（ｃ）前記主本体と被加工物との間の領域に圧縮したプラズマジェットを形成し、それにより前記レーザビームと前記プラズマジェットとを相互作用させ、被加工物に衝突させるより高いエネルギー密度を有するさらに高圧縮したプラズマジェットを生成し、それにより被加工物上に高エネルギー密度スポットを形成する、ステップと、を含む方法。
【請求項２６】
前記溶接トーチは、
（Viii）前記圧縮ノズルを包囲する保護ノズルと、
（ix）前記保護ノズルと前記圧縮ノズルとの間の領域に保護ガスを供給する保護ガス供給機構と、をさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記少なくとも１本の電極は、前記レーザビームが前記少なくとも１本の電極の前記遠位端部に位置する断面でビーム半径を有するように前記レーザビームを方向付けることによって加熱され、前記ビーム半径は回転の前記中心軸と前記少なくとも１本の電極の近接点との間の半径よりも大きい、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記圧縮プラズマジェットは保護ガスジェットで付加的に圧縮および冷却され、前記保護ガスジェットはプラズマ流を付加的圧縮および安定化するプラズマ流圧縮安定化機構によって発生される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記電気アーク形成機構は、２本の前記電極を有し、前記２本の電極の第１は陰極であり、前記２本の電極の第２は陽極であり、前記２本の電極の各々は律動化電流で給電され、前記陽極がゼロである回路内の前記陰極と前記被加工物との間で負の前記律動化電流を前記電気アークが点弧し、前記陰極がゼロである前記回路内の前記陽極と前記被加工物との間で正の前記律動化電流を前記電気アークが点弧するとき、前記律動化電流はオンである、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記電気アーク形成機構は、所定の周波数および持続時間の電流パルスを発生させることを含み、前記アーク電流パルスは定期的休止をもって加えられ、それにより同期装置が前記アーク電流パルスの前記所定周波数および持続時間を前記入力レーザビームのパルスと調和させるので前記レーザビームパルスを反復する期間は前記アーク電流パルスを反復する期間に等しく、前記レーザビームパルスの各々は２つの連続した前記アーク電流パルス毎の間の前記定期的休止中に開始し、前記２つの連続した前記アーク電流パルス毎の２回目の間に終了する、請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
前記電気アーク形成機構は、所定の周波数および持続時間のアーク電流パルスを発生させることを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３２】
前記電気アーク形成機構は、前記少なくとも２本の電極を前記電気アーク形成機構に接続するための整流器を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３３】
前記電気アーク形成機構は３本の前記電極を有し、シーケンスおよび周波数を有するアーク電流パルスを発生し、前記３本の電極は整流器に接続され、前記３本の電極の各々は、前記整流器の完全動作サイクルの２回の連続間隔中に接続される、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【本発明の分野および背景】
本発明は、一般に、溶接、切断、コーティング、クラッッドに使用する加工トーチ装置に、より詳しくは、レーザおよびプラズマアーク溶接装置の現在の構成を利用して達成可能であるよりも高いエネルギー密度と、被加工物を溶接するための結合効率とを生成する、レーザおよびプラズマアーク溶接技術の特徴を結合した、複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチ、および本発明の複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチを使用するための対応する方法に関する。
【０００２】
溶接は、多くの産業で極めて重要な製造技術である。溶接加工は、それらが、液状材料のたまりを造り、移動するために高エネルギー密度を生成しなければならないので、エネルギー集約型といえる。最も良く知られている溶接法において、溶接ツールと被加工物との間のエネルギー結合効率は、使用される材料および溶接技術にもよるが、せいぜい２０〜３０パーセントである。従って、結合効率を増加できれば重大な経済的利益を得ることができる。溶接品質や生産性のような、溶接加工の他の局面もまた重要なものであり、溶接加工の経済的側面に大きな影響を与え得る。これらの要因の全ては、ある程度、被加工物上で起こり得るエネルギー密度に依存するので、付加的な技術や溶接ツールを開発することによりこの品質を高めるべくより多大な努力がなされている。
【０００３】
以下、用語「被加工物」は、溶接トーチの使用を含む溶接加工を受ける材料、典型的に、金属を指す。以下、用語「高エネルギー密度スポット」は、溶接トーチから生じる大いに集中させたエネルギーの、被加工物上への、非常に局所化した領域、または部分を指す。
【０００４】
これらの技術の１つであるプラズマ溶接は、圧縮したアークを２枚の金属片を溶融させ、一緒に融着させるエネルギー源として使用する加工法である。プラズマ溶接は、シングルパスで厚板を速やかに溶接するために使用でき、しかも高品質の溶接部を生成できるので重工業でごく普通に使用されている。この技術は、電気アークに強制的に不活性ガスを送り込むことで高温の一部イオン化ガス流を生成させることに基づいている。電気アークは、ガスがイオン化状態になり、導電状態になる温度までガスを加熱する。
【０００５】
電界が電極と被加工物との間に励起される場合、イオン化したガスで形成されたプラズマアークは、被加工物に衝突し、材料を溶融させる。プラズマアーク溶接において、プラズマガス流量、アーク電流、および溶接移動速度を適正に選択すると、プラズマアークの高エネルギーおよび運動量が、材料の溶融池をアークに貫通させる動的圧力を生成し、母材金属を完全に貫通する小孔を形成させる条件を造る。その孔は、「キーホール」と称され、そのような特徴が形成される溶接技術は、「キーホール溶接」と称される。キーホール技術において、プラズマ蒸気が材料を貫通し、キーホールを形成するとき溶融金属をその蒸気によって材料のビードの頂部表面に移動させる。プラズマアークトーチを溶接接合部に沿って移動させると、キーホールの前で溶融した金属がプラズマアークの周りから後方に流れて溶接池を形成する。この形式の溶接の主な利点は、最小限の接合部の準備で、材料の溶接をシングルパスで比較的速く実行できることである。加えて、プラズマ溶接の一般的利点は、プラズマアークをキーホール内部に集中させるので、被加工物内の応力すなわち変形を低減することにある。
【０００６】
図１は、典型的な従来技術のプラズマアーク溶接トーチ１０の構成部分を示す。トーチ１０は、出口オリフィス１５を有する圧縮ノズル１４の内部に引き込まれ、そのノズル１４で包囲されている電極１２から構成される。電極１２とノズル１４との間に形成された空間をプレナムチャンバ１６と称する。そのノズル１４は、外部すなわちシールドガスノズル１７で部分的に包囲されている。
【０００７】
トーチ１０の動作において、電流を電極１２と被加工物１８との間、または電極１２とノズル１４との間に流す。オリフィスガスをプレナムチャンバ１６内に強制的に送り込み、それにより、電極１２を包囲する。オリフィスガスが電気アーク内でイオン化状態となり、それにより、プラズマを形成する。プラズマは、プラズマジェット２０としてオリフィス１５から噴出し、被加工物１８に衝突する。電極１２はプレナムチャンバ１６内部に引き込まれるので、プラズマジェット２０を、視準し、圧縮ノズル１４（およびそのような場合、電極１２と被加工物１８との間に加えられた電界）によって被加工物１８の局所領域上に集束させる。これは、被加工物１８へのエネルギー密度を増大させるように働く。通常、補助シールドガスを外部ノズル１７を通して強制的に送り込み、プラズマジェットが衝突する被加工物１８の領域を覆うように使用して、プラズマジェットによって形成される材料溶融池の雰囲気汚染を低減する。
【０００８】
プラズマジェット溶接が、溶接法として多くの重要な利点を備えていても、プラズマ溶接技術には幾つかの重大な限界がある。達成可能な溶接速度だけでなく、貫通キーホールの深さ、故に溶接可能な材料の厚みが、プラズマアークのエネルギー密度によって限定される。加えて、キーホールは、ある動作条件下で潰れる恐れがあり、それにより、溶接接合部を仕上げる障害となる。他の限界は、プラズマのバラツキおよびプラズマ幅のため、ある種類の材料へのこの技術の使用が限定されることである。
【０００９】
プラズマ溶接において、被加工物の位置におけるエネルギー密度は、キーホールを確立する際の最重要パラメータである。キーホールは、溶接トーチに対する被加工物の材料および速度にもよるが、１０〜２５０アンペアの溶接電流範囲で形成する。加えて、プラズマアーク内、ゆえに被加工物上の加熱スポット内の有効エネルギー密度は、プラズマアーク内の熱伝達の機構に依存する。
【００１０】
これに関して、プラズマアークから環境への三種類の熱伝達損失モード：対流伝熱；熱伝導；および放射伝熱、がある。熱伝達のこれらのモードは、プラズマアークの温度を、しいては被加工物におけるエネルギー密度を減少させる。熱伝導機構は、通常、ほとんどの動作条件下で無視できるほどのものである。プラズマアークが比較的低温度で動作する場合、環境への対流熱損失が顕著となる。但し、プラズマアークの温度が増すと、温度の四乗に比例する放射伝熱損失が顕著となる。散逸的な電流の流れや温度に因りプラズマアークがいかに増大しても放射伝熱損失で相殺される熱平衡状態が存在する。この状態が、プラズマ溶接加工の最大出力密度を限定し、それにより、より厚みのある板を溶接、すなわち溶接速度を増す能力を、ゆえに、この溶接加工の生産性を制限することになる。
【００１１】
通常プラズマアーク溶接中、放射熱伝達は、約２００〜２５０アンペアの電流、および約３〜３．５キロワットのプラズマ出力密度で顕著となる。プラズマ溶接でより高い出力パワー密度を達成するのは、既存技術では物理的に不可能である。溶接トーチからの電力消費を増大させることによって出力密度を増大させるいかなる試みも、溶接効率を低下させることになる。溶接速度をより高速にすると、プラズマアークが不安定になり、溶接品質が低下することになる。被加工物上の加熱スポットが溶接トーチ軸からたちまち遅れるので、高速プラズマ溶接を達成することは難しい。このような空間的不安定性が溶接品質を低下させる原因である。
【００１２】
被加工物上の溶接ポイントにおいて高エネルギー密度を達成できる他の種類の溶接加工法には、レーザビーム溶接がある。この溶接加工も、溶接される材料内にキーホールを形成することに依存し、工業界で多くの用途があることが分かっている。被加工物に加えられる出力密度に関して、レーザビーム溶接を電子ビーム溶接と比較することができる。レーザビーム溶接の利点は、これを異なる雰囲気条件におけるだけでなく大気中でも実行できるが、電子ビーム溶接は真空中でなければ実行できないことにある。レーザビームが伝搬する雰囲気を調節して、被加工物へのエネルギー伝達を最適化する、故に、溶接加工を最適化することができる。キーホールモードでのレーザビーム溶接は比較的大きな貫通深さを提供し、他の従来型溶接技術と比べて比較的高速度で、より厚みのある材料の溶接ができるようになる。レーザビーム溶接はまた、非常に精密であり、被加工物内で熱歪が小さく、溶加材料の使用を最小限に抑え、それによりコストの節減となり、より経済的に使用できる溶接技術である。
【００１３】
レーザビーム溶接にもまた幾つかの重大な限界がある。これには典型的に、キーホールを生成し、維持するために大規模高出力ガスレーザ、固体レーザ、またはダイオードレーザが必要である。溶接可能な材料の貫通深さや厚みは、被加工物に結合されるレーザビームの出力と量とによって決まる。これは、レーザ出力を増大させることで性能を改善できることを示唆している。この方法は、レーザ誘起プラズマが形成されるので、限られた値のものとなる、つまり、このようなプラズマはレーザビームエネルギーを反射し、それにより、被加工物に伝わるエネルギー量を減少させるからである。
【００１４】
被加工物へのレーザビームの伝達も、このプラズマの組成および伝搬特性の影響を受ける。金属プラズマは、キーホール壁上に発生する圧力のため、溶接加工中にキーホールを維持するために不可欠であることが分かっている。但し、プラズマの元素状態で存在する組成または電子密度がレーザビームの反射を引き起こすほど高くなる場合には有害となる。その密度が過度に低くなるか、または過度に高くなる場合、溶接加工の効率が低下するか、またはその加工が全体的に終了する。
【００１５】
プラズマからのエネルギー損失に加えて、レーザビーム溶接は、高い金属表面反射率がインピンジングレーザビームを、金属表面に送り込む代わりにその表面で反射させるので、金属のような材料で開始するのが難しい。これには通常、キーホールを確立するためにかなり高いレーザービーム出力を使用しなければならない。一旦、溶接を開始し、キーホールを形成すると、金属本体がレーザ放射加熱の黒体として作用するので、レーザエネルギーを低減してその溶接を継続することができる。被加工物表面から、およびイオン化蒸気プラズマから去る反射エネルギーの量を減少させることによって、被加工物へ伝達されるレーザビーム出力の量を改良すると、溶接効率をかなり高めることができ、レーザの出力要求を低減できる。他の重要な限界は、レーザが本質的に、レーザビームの入力側から出力側への出力変換に関して非常に効率が悪いことである。
【００１６】
レーザビーム溶接中、熱が被加工物に伝わる幾つかの機構がある。これら機構の各々の相対的重要性は、レーザビームのエネルギーと出力密度とによって決まる。質的に、レーザ出力が１〜２キロワット未満である場合、レーザビームエネルギーは、光学的に吸収され、入射スポットで材料を溶融させる。この状況において、レーザビームと材料との間の熱伝達は、材料の熱特性による決まる。材料の表面反射率は、表面に伝送されるレーザエネルギーの何分の一かを厳格に低減し得る。この場合の被加工物へのレーザエネルギーの有効結合率は、５〜１０％程度である。
【００１７】
レーザビーム出力が約１〜２キロワットよりも大きいと、材料表面がその沸点温度に達し、金属蒸気プルームが形成する。表面加熱モードからキーホールモードまでの出力の正確な遷移が、レーザービームの出力、溶接速度、および材料の熱特性に依存するエネルギーレベルで起こる。プルーム反動圧力がレーザビームエネルギーをして溶融金属を貫通させてキーホールを形成する。レーザビームは今やキーホール内を通過し、放射熱伝達によって被加工物にエネルギーを伝える。この場合、溶接池内へのレーザビームの吸収は、キーホールが黒体として作用するので、レーザビームが反射表面と相互作用する場合よりもはるかに高い（ある理想的な場合で７０％だけより高くなる）。但し、このモードでは、材料が蒸発し、プラズマリンクが確立されると、プラズマが過度に高温になり、その表面からレーザエネルギーをシールドする。レーザビーム溶接は、通常、キーホールモードで行われるが、特にスレッショルドエネルギーレベル近辺で動作する場合、または溶接速度が過度に速い場合には、レーザビームのバラツキがキーホールの崩壊を引き起こし、重大な製造問題にまで至ることがある。
【００１８】
金属被加工物で反射したレーザ光の量を低減する装置は、「Ｌａｓｅｒ−ｂｅａｍ  Ｏｐｅｒａｔｅｄ  Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ」の名称で米国特許第４，６８９，４６６号に記載されている。この特許は、レーザビームを非圧縮ノズルを通して強制的に送り込み、被加工物上に衝突させるようにした溶接装置について記載している。環状電極をノズル端部に配置して、電極と被加工物の表面との間に電気アーク放電を形成できるようしている。ノズルを通して補助ガスを強制的に送り込み、それが電気アークによってイオン化するとプラズマに変換する。プラズマは反射レーザ光の一部を吸収し、吸収したエネルギーのこの部分を被加工物の表面に伝達する。このように、反射が原因で通常失われる少量のエネルギーを、捕獲し、溶接を形成する加工工程に加える、それにより、加工効率を増大させる。したがって、この溶接装置において、レーザトーチによって生成されたエネルギー量に基づく、レーザトーチと被加工物との間の結合効率は、通常では失われていたであろう少量の反射エネルギーを戻す局部プラズマを形成することで増大される。
【００１９】
上記特許は、レーザビームが非圧縮アークと相互作用する、ゆえに、プラズマの温度がプラズマアークのものよりも低くなる、装置について記載している。その結果、非圧縮アーク内へのレーザビームの吸収を表している吸収係数は比較的低い。したがって、アーク内へのレーザエネルギーの顕著な吸収は、一般に、高出力レーザ（ガスレーザのような）が使用される場合にしか起こらない。これは、このようなレーザを特定用途で使用するにはコストがかかりすぎるような状況では欠点となる。
【００２０】
加えて、先に記述したように、溶接される材料の表面は、その沸点温度に達し、金属蒸気プルームを生成する恐れがある。このプルームは、材料の表面に到達するレーザビームをシールドするように作用し、溶接加工の実行を困難にする。さらに、電気アーク動的圧力は、特に低出力固体レーザ、ガスレーザ、またはダイオードレーザが使用される場合、キーホールモードの動作を開始させるのに不十分となる恐れがある。
【００２１】
数グループの研究者が、レーザビームで電気アーク溶接装置を強化することによってレーザ溶接効率を増大させる可能性について調査した。米国特許第５，８６６，８７０号に記載の最近の試みにおいて、アークは角度をもってレーザビーム下を通過し、そのビームの僅か手前に位置している。組み合わせた溶接能力は、レーザビームのエネルギーをアークのエネルギーに単に加えた場合よりも高い。効率の改良に関する予想される理由は、被加工物の加熱が材料の吸収率の増加を招くからである。複合効果は、溶接トーチが被加工物の位置に十分な高エネルギー密度を生成することができる場合にのみ達成され、それにより、別々にプラズマアークまたはレーザ溶接トーチを加えることで目下達成可能であるよりも、溶接トーチによって生成されたより大きな割合のエネルギーを被加工物に結合させることができる。
【００２２】
複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチについては、米国特許第５，７００，９８９号および第５，７０５，７８５号に記載され、図２〜３で例示されている。これらの溶接トーチ３０（図２）および３０’（図３）は、レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの両方の特徴を組み合わせている。例えば、図２において、レーザビーム３４を、プラズマアークトーチ３０の中心軸３１と共線的となるように対物レンズ３２によって方向付ける。レーザビーム３４は、トーチ３０の底部オリフィスに位置する平面または円錐状の陰極電極３６を通過する。レーザビーム３４の直径よりも小さい直径の同軸開口部３７を陰極３６にドリル穴あけ加工し、レーザビーム３４が陰極３６を通過できるようにする。圧縮ノズル４０は陰極３６を越えて延在するが、レーザビーム３４はノズル４０の中心軸を通過する。外部すなわちシールドノズル４２は、シールドガスを噴射するために使用される２本のノズル間に空間４１を設けて、圧縮ノズル４０を包囲する。標準プラズマアークトーチでは、陰極３６および陽極４０を底端部に備えたチャンバを通してガスを送り込む。陰極３６がレーザ放射で加熱されると、シールドガスがイオン化され、プラズマアークが形成される。レーザビーム３４がノズル４０を通過すると、集束し、陰極３６と被加工物５０との間に形成されたプラズマアークと相互に作用する。プラズマアークとレーザビームとの間で結果として生じた相互作用は、レーザビームとプラズマアークとをさらに圧縮させるように働くプラズマレーザ放電を形成し、被加工物５０に形成された溶接スポットのエネルギー密度を増大させる。
【００２３】
記載のトーチについて示した全ての利点は別として、これもまた、アルゴンやキセノン以外の雰囲気内での陰極動作の低信頼性、所望の円錐形状を有する陰極の製造に関わる製造の複雑さおよび高コスト、溶接加工中に偶然起こり得る溶融金属の飛沫による陰極開口部の潜在的汚染、および交流電源から給電されるそのような陰極を使用する限定的動作構成のような特定の限界を有する。
【００２４】
したがって、被加工物を溶接するための高エネルギー密度および結合効率を生成し、レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの現在使用されている構成についての上記限界を克服する特徴を有する、複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチ、およびそれに対応する方法に対する要求があり、それを有することが有用となろう。
【００２５】
【発明の開示】
本発明は、レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの現在の構成を使用することによって達成可能なものと比べ被加工物を溶接するためにより高いエネルギー密度および結合効率を生成するためのレーザおよびプラズマアーク溶接技術の特徴を組み合わせて成る、複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチ、および本発明の複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチを使用する対応方法に関するものである。
【００２６】
本発明によれば、レーザおよびプラズマアーク技術を組み合わせ、被加工物の表面に高エネルギー密度を効率的に生成することができる、溶接に使用するトーチを提供し、（ａ）内部キャビティ、光学的に透明な入力および出力端部、および中心軸を有する主本体と；（ｂ）入力レーザビーム源と；（ｃ）入力レーザビームを中心軸と共線的に方向付ける第１の機構であって、前記入力レーザビームは前記光学的に透明な出力端部においてビーム半径を有する、第１の機構と；（ｄ）主本体の出力端部に配置した電気絶縁ブッシュであって：（i）中心軸と共線的な開口部；（ii）電極を配置するための少なくとも１つのキャビティ；および（iii）出力端部を含む、電気絶縁ブッシュと；（ｅ）近位端部および遠位端部を有する圧縮ノズルであって、圧縮ノズルは、中心軸上に中心がある貫通開口部および遠位端部の断面を有し、断面は中心軸と垂直をなし、圧縮ノズルの貫通開口部は入力レーザビーム半径よりも大きな半径を有する、圧縮ノズルと；（ｆ）絶縁ブッシュのキャビティ内に配置され、圧縮ノズルの断面に近い中心軸と交差する長手方向軸を有する少なくとも１本の電極であって、少なくとも１本の電極の長手方向軸と中心軸とが、主本体に面する鋭角を形成する、少なくとも１本の電極と；（ｇ）圧縮ノズルと少なくとも１本の電極との間の領域内に、ト−チ内部のプラズマガスを提供する第２の機構と；（ｈ）少なくとも１本の電極と被加工物との間に電気アークを形成し、それによりプラズマガスを圧縮ノズルから噴射するプラズマとなるようにし、主本体から放出するレーザビームと相互作用させて複合プラズマレーザ放電を形成するための第３の機構とを含む。
【００２７】
以下に記載の本発明の好適な実施形態の他の特徴によれば、トーチは：（ｉ）圧縮ノズルを包囲する同心の保護ノズルと、（ｊ）保護ガスを保護ノズルと圧縮ノズルとの間の領域内に供給するための第４の機構とをさらに含む。
【００２８】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、少なくとも１本の電極は：（i）遠位および近位端部；（ii）遠位端部近くに配置した蓄熱球；および（iii）少なくとも１本の電極の近位端部への熱伝達を減少させるための第４の機構であって、蓄熱球と電極の近位端部との間に配置している、第４の機構をさらに含む。
【００２９】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、少なくとも１本の電極内の熱伝達を減少させるための第４の機構は、蓄熱球と電極の近位端部との間に配置したストラップを含む。
【００３０】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、少なくとも１本の電極は、不活性ガスを電極の遠位端部周りに供給し、それにより、電極のまわりに保護ガスエンベロープを発生させるための機構を含み、保護ガスエンベロープは電極の安定性および寿命を増大させる。
【００３１】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、少なくとも１本の電極はその長手方向軸に沿って往復運動可能である。
【００３２】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、中心軸と少なくとも１本の電極との間の最短距離は、中心軸と垂直をなす断面でレーザビーム半径よりも小さく、少なくとも１本の電極の遠位端部に位置している。
【００３３】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、トーチは、絶縁ブッシュのキャビティ内に配置され、断面に近い中心軸と交差する長手方向軸を有する少なくとも２本の電極をさらに含み、長手方向軸は円錐体の母線上に位置し、円錐体は中心軸上にある頂点を備え、円錐体は、主本体に面するベースを備えている。
【００３４】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、中心軸と各電極の近接点との間の距離はレーザビーム半径よりも小さい。
【００３５】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、トーチは２本の電極を含み、２本の電極の各々は陰極である。
【００３６】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、トーチは２本の電極を含み、２本の電極の各々は陽極である。
【００３７】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、トーチは２本の電極を含み、２本の電極の一方は陰極であり、２本の電極の他方は陽極である。
【００３８】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、レーザビームを方向付けるための機構は、ビーム集束機構を有する光学系を含み、光学系を、主本体の入力端部に配置し、レーザビームをトーチ外部および圧縮ノズルの断面背後の点に集束させる。
【００３９】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、光学系は、対物レンズと集束反射体とから成る群から選択された少なくとも１種類の光学要素を含む。
【００４０】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、入力レーザビーム源は固体レーザ、ガスレーザおよびダイオードレーザから成る群から選択される少なくとも１種類のレーザであり、少なくとも１種類のレーザは、連続およびパルスから成る群から選択されたモードで動作する。
【００４１】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、圧縮ノズルは円錐状外部表面と貫通開口部とを有し、貫通開口部は内部表面と断面積とを有し、圧縮ノズルは、プラズマ流の付加的圧縮および安定化のための機構を備えている。
【００４２】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、プラズマ流の付加的圧縮および安定化の機構は、圧縮ノズルの円錐状外部表面に配置され、円錐状外部表面から間隔を空けた反対側の円錐状表面に配置された溝を含む。
【００４３】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、プラズマ流の付加的圧縮および安定化の機構は、圧縮ノズルの円錐状外部表面に配置され、円錐状外部表面に近接した反対側の円錐状表面に配置された溝を含む。
【００４４】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、少なくとも２本の溝は、圧縮ノズルの円錐状外部表面の母線に平行な円錐状外部表面に均一に配置され、これらの溝は総断面積を有し、総断面積は圧縮ノズルの貫通開口部の断面積にほぼ等しい。
【００４５】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、反対側の円錐状表面は、保護ノズルの貫通開口部の内部表面であり、反対側円錐状表面は、圧縮ノズルの円錐状外部表面と同心に、円錐状外部表面から間隔を空けて配置されている。
【００４６】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、トーチは円錐状ブッシュをさらに含み、円錐状ブッシュは内部表面を有し、円錐状ブッシュは圧縮ノズルと保護ノズルとの間のギャップ内に配置されている。
【００４７】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、円錐状ブッシュの内部表面は圧縮ノズルの円錐状外部表面に近接している。
【００４８】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、少なくとも１本の電極と被加工物との間に電気アークを形成するための機構は、入力レーザビームのパルスをアーク電流のパルスと同期させる同期化装置を含む。
【００４９】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、電気アークを形成するための機構は、その機構に少なくとも１本の電極を接続させるための整流器を含む。
【００５０】
記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、トーチは少なくとも１本の電極を２本含み、電気アークを形成するための機構は、２個のダイオードを介して２本の電極と接続させた交流電流源を含み、２個のダイオードの第１の陽極は負電極と２個のダイオードの第２の陰極とに接続され、第２のダイオードの陰極は正電極と接続されている。
【００５１】
本発明の他の態様によれば、表面を有する被加工物上に高エネルギー密度スポットを形成する方法が提供され：（ａ）（i）内部キャビティ、光学的に透明な入力および出力端部、および中心軸を有する主本体と、（ii）主本体の入力端部を通じて入力レーザビームを入力するための入力レーザビーム源と、（iii）光学的に透明な出力端部において半径を有する入力レーザビームを中心軸と共線的に方向付けるための第１の機構と、（iv）（１）中心軸と共線的な開口部、（２）電極を配置するための少なくとも１つのキャビティ、および（３）出力端部：を含む、主本体の出力端部に配置した電気絶縁ブッシュと、（v）近位端部および遠位端部を有する圧縮ノズルであって、電気絶縁ブッシュ出力端部に配置され、中心軸上に中心がある貫通開口部と遠位端部に断面とを有し、断面が中心軸と垂直をなし、圧縮ノズルの貫通開口部が入力レーザビーム半径よりも大きな半径を有する、圧縮ノズルと、（vi）絶縁ブッシュのキャビティ内に配置され、圧縮ノズルの断面に近い中心軸と交差する長手方向軸を有する少なくとも１本の電極であって、少なくとも１本の電極の長手方向軸と中心軸とが、主本体に面する鋭角を形成する、少なくとも１本の電極と、（vii）圧縮ノズルと少なくとも１本の電極との間の領域に、トーチ内部のプラズマガスを提供するための第２の機構と、（viii）少なくとも１本の電極と被加工物との間に電気アークを形成し、それによってプラズマガスを圧縮ノズルから発するプラズマとなるようにし、主本体から発するレーザビームと相互作用させて複合プラズマレーザ放電を形成するための第３の機構とを含む、複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチを提供し；（ｂ）主本体の中心軸に沿ってレーザを方向付け、それにより、少なくとも１本の電極をレーザビームで加熱し、レーザビームを主本体外部の焦点で集束させ；（ｃ）主本体と被加工物との間の領域に圧縮したプラズマジェットを形成し、それにより、レーザビームとプラズマジェットとを相互作用させ、より高圧縮させたプラズマジェットを生成させるステップを含み、より高圧縮させたプラズマジェットは、被加工物に衝突させるためのより高いエネルギー密度を有し、それにより被加工物に高エネルギー密度スポットを形成させる。
【００５２】
本発明の方法の記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、溶接トーチは：（ix）圧縮ノズルを包囲する保護ノズルと；（x）保護ノズルと圧縮ノズルとの間の領域に保護ガスを供給するための第４の機構とを含む。
【００５３】
本発明の方法の記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、少なくとも１本の電極は、レーザビームが少なくとも１本の電極の遠位端部に位置した断面でビーム半径を有し、それにより、ビーム半径が回転の中心軸と少なくとも１本の電極の近接点との間の半径よりも大きくなるようにレーザビームを方向付けることによって加熱される。
【００５４】
本発明の方法の記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、圧縮したプラズマジェットは保護ガスジェットで付加的に圧縮され、冷却され、保護ガスジェットはプラズマ流の付加的圧縮および安定化のための第４の機構によって発生される。
【００５５】
本発明の方法の記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、２本の電極を有する溶接トーチの場合、２本の電極の第１は陰極であり、２本の電極の第２は陽極であり、２本の電極の各々は律動電流で給電され、律動電流は、陽極がゼロである回路内の陰極と被加工物との間で負律動電流を電気アークが点弧し、陰極がゼロである回路内の陽極と被加工物との間で正律動電流を電気アークが点弧するときオンである。
【００５６】
本発明の方法の記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、電気アークを形成するための機構は、所定の周波数および持続時間のアーク電流パルスの発生を含み、アーク電流パルスは、定期的に休止して加えられ、それにより、同期装置がアーク電流パルスの所定周波数および持続時間を入力レーザビームのパルスと調和させるので、反復レーザビームパルスの期間が反復アーク電流パルスの期間に等しくなり、それにより、２つの連続アーク電流パルス毎の間の定期的休止中に開始し、２つの連続アーク電流パルス毎の２回目の間に終了する。
【００５７】
本発明の方法の記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、２本の電極を有する溶接トーチの場合、電気アークを形成するための機構は、所定の周波数および持続時間のアーク電流パルスを発生させることを含む。
【００５８】
本発明の方法の記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、２本の電極を含む溶接トーチの場合、電気アークを形成するための機構は整流器に接続され、整流器は、所定の周波数および持続時間のアーク電流パルスを発生するための第４の機構と２本の電極を接続する。
【００５９】
本発明の方法の記載した好適な実施形態の他の特徴によれば、３本の電極を含む溶接トーチの場合、電気アークを形成するための機構は整流器に接続され、整流器は、シーケンスおよび周波数を有するアーク電流パルスを発生するための第４の機構と３本の電極を接続し、それにより、３本の電極の各々が整流器の完全動作サイクルの２回の連続間隔中に接続される。
【００６０】
【好適な実施態様の説明】
本発明は、複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの現在の構成を使用することで達成可能であるよりも被加工物を溶接するための高いエネルギー密度および結合効率を生成するためのレーザおよびプラズマアーク溶接技術の特徴を組み合わせて成る複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチ、および本発明の複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチを使用するための対応する方法に関するものである。
【００６１】
本発明の少なくとも１つの形態を詳細に説明する前に、本発明は以下の説明で詳述する、または図で例示した構成部分の構造および配置構成の細部へのその用途に限定されるものではないことが理解されるべきである。本発明は、他の形態、または様々に実施すなわち実行されることができる。さらに、ここで採用した術語および用語は、説明を目的としたものであり、限界と見なされるべきではないことが理解されるべきである。したがって、本発明による複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの構成部分、動作、および実行方法は、図面および説明を参照することでより良く理解されよう。ここで示した本発明の例示は説明を目的としたものであり、限界を意味するものではないことに留意すべきである。
【００６２】
図を参照して、図４〜７は、以後、溶接トーチ１００と称される本発明の複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの好適形態を例示する。
【００６３】
本発明の溶接トーチ１００は、中心軸１１１を有する主トーチ本体１１０を含む。主トーチ本体１１０の一端に、対物レンズ１１２を含む光学系を配置する。対物レンズ１１２は、レーザビーム１１４がトーチ本体１１０の中心軸１１１と共線的であり、トーチ１００の外部に位置する焦点ＦＰにおいて集束するように、レーザビーム１１４を集束させるように働く。
【００６４】
図４において、トーチ１００は圧縮ノズル１２０、１本または２本の電極１３０および２３０、電気アークを形成するための機構１４０（図６および７に図示示）、保護ノズル１５０、および保護ノズル１５０内部に保護ガスを供給するためのチャネル１９０を含む。主本体１１０は内部キャビティ１１６を有する。レンズ１１２でレーザビームを方向付けるための機構は、圧縮ノズル１２２の開口部でレーザビーム１１４を一定の半径ｒにする。
【００６５】
主本体１１０の出力端部に電気絶縁材料から製造した絶縁ブッシュ１６０を配置する。絶縁ブッシュ１６０は、中心軸１１１上に中心がある開口部１６２と、電極１３０および２３０を配置するための２つのキャビティ１６４および１６４’とを有する。
【００６６】
圧縮ノズル１２０は、近位端部１２１と遠位端部１２２とを含み、絶縁ブッシュ１６０の遠位端部１５８に配置されている。圧縮ノズル１２０は、中心軸１１１に中心がある貫通開口部１２２を含む。圧縮ノズル１２０の遠位端部に位置する断面１２４は中心軸１１１に垂直である。圧縮ノズル１２０の開口部１２２は、開口部１２２におけるｒよりも大きい半径Ｒを有する。半径Ｒは、０．５〜５ｍｍ、好ましくは、０．５〜３ｍｍ、より好ましくは、１〜２ｍｍである。半径ｒは、０．１〜４ｍｍ、好ましくは、０．１５〜２ｍｍ、より好ましくは、０．２〜１ｍｍである。
【００６７】
絶縁ブッシュ１６０のキャビティ内には、２本の電極１３０および２３０があり、それらは圧縮ノズル１２０の断面１２４に近い中心軸１１１と交差する各々の長手方向軸１３２および２３２を有する。電極１３０および２３０の長手方向軸１３２および２３２と中心軸１１１とは、主本体１１０に面する鋭角Ａを形成する。角度Ａは、４〜６０グラード、好ましくは、５〜４５グラード、より好ましくは５〜２５グラード、最も好ましくは、５〜１５グラードである。
【００６８】
機構１７０はプラズマトーチ１００内部のプラズマガスを、圧縮ノズル１２０と電極１３０および２３０との間の領域内に生じさせる。好ましくは、機構１４０（図６および７）は、電極１３０および２３０と被加工物１８０との間に電気アークを発生でき、それによってプラズマガスをプラズマに変換し、圧縮ノズル１２０から発するプラズマを、これも圧縮ノズル１２０から発するレーザビーム１１４と相互作用させて複合プラズマレーザ放電を形成する。トーチ１００はまた圧縮ノズル１２０を包囲し、圧縮ノズル１２０と同心である保護ノズル１５０を含む。チャネル１９０は、保護ノズル１５０と圧縮ノズル１２０との間の領域に保護ガスを供給する。
【００６９】
図４から７において、各電極１３０および２３０は、遠位端部、近位端部、および遠位端部に蓄熱球２００を有する。電極１３０および２３０は、各電極１３０および２３０の近位端部への熱伝達を減少させる機構を備えている。この機構は、蓄熱球２００と近接電極端部との間に位置決めされ、ストラップ２１０を含む。電極１３０および２３０は、電極１３０および２３０の遠位端部周りの領域に不活性ガスを供給し、それによって電極１３０および２３０の安定性および寿命を増す保護ガスエンベロープを形成するための導管２２０（図６および７に示された）を含む。電極１３０および２３０は、長手方向軸１３２および２３２に沿って往復運動可能である。トーチ１００において、中心軸１１１と電極１３０および２３０の近接点との間の最短距離は、レーザビーム１１４の半径ｒよりも小さい。
【００７０】
図６に示すように、本発明の他の形態では、トーチ１００は、絶縁ブッシュ１６０のキャビティ１６４および２６４の内部に配置され、断面１２４に近い中心軸と交差する長手方向軸１３２および２３２を有する２本の電極１３０および２３０を含む。電極１３０および２３０の長手方向軸１３２および２３２は、円錐体の母線上にあり、その頂点は中心軸１１１上にあり、ベースは主本体１１０に面している。この場合、トーチ１００内での、中心軸１１１と各電極１３０および２３０の近接点との間の距離は、レーザビーム１１４の半径ｒよりも小さい。両方の電極１３０および２３０が陰極、または陽極であるか、または一方が陰極で、他方が陽極であっても良い。
【００７１】
トーチ１００は、３本、４本、またはそれ以上の電極１３０、２３０を包含でき、それによって、電極１３０および２３０の長手方向軸１３２および２３２は、それぞれ、その頂点が中心軸１１１上にある円錐体の母線上に位置し、円錐体のベースが主本体１１０に面している。トーチ１００の多電極形態の場合、中心軸１１１と各電極１３０または２３０の近接点との間の距離は、１本または２本の電極を含むトーチ１００の場合と同様にレーザビーム１１４の半径ｒよりも小さい。
【００７２】
トーチ１００の主本体１１０は、入力端部２４０（図４）を有する。レーザビーム１１４を方向付けるための機構は、ビーム１１４を集束させるための機構２５０を備えている光学系を含み、そこでは、光学系がこの入力端部に配置され、レーザビーム１１４を焦点ＦＰ、トーチ１００の外部、および圧縮ノズル１２０の断面の背後に集束させる。レンズ１１２および反射体２６０は、レーザビーム１１４を集束させるための機構の例である。図４の形態は、レーザビーム１１４を集束させるためのレンズ系１１２を含む。図５の形態では、レーザビーム１１４を集束させるための放物面集束反射体２６０を有する。
【００７３】
入力レーザビーム源１１４（図４および５）は、レーザが連続またはパルスモードのいずれかで動作する固体レーザ、ガスレーザ、またはダイオードレーザであっても良い。圧縮ノズル１２０は貫通開口部１２２と円錐状外部表面１２６とを有し、円錐状外部表面１２６および円錐状外部表面１２６に近接するか、またはそれから間隔を空けた反対側の円錐状表面に配置した溝１２８のようなプラズマ流の付加的圧縮および安定化の機構を包含しても良い。圧縮ノズル１２０の円錐状外部表面１２６の母線と平行に、円錐状外部表面１２６上に均一に構成される３本またはそれ以上の溝１２８があっても良い。溝１２８の総面積は、ほぼ圧縮ノズル１２０の開口部１２２の断面積に等しい。反対側の円錐状表面の例は、保護ノズル１５０の内部表面１５２であり、その表面は圧縮ノズル１２０の円錐状外部表面１２６と同心であり、それから間隔を空けて配置されている。あるいは、反対側円錐状表面は、圧縮ノズル１２０の円錐状外部表面１２６に近接し、圧縮ノズル１２０と保護ノズル１５０との間のギャップ内にある付加円錐状ブッシュ１５４の内部表面であっても良い。
【００７４】
図６に例示したトーチ１００の代わりの形態において、電極１３０および２３０と被加工物１８０との間に電気アークを同期して発生させるための機構１４０を包含する。機構１４０は、入力レーザビーム１１４のパルスをアーク電流のパルスと同期させるための同期装置２８０と連結している。２本またはそれ以上の電極１３０および２３０を含むトーチ１００の場合、電気アークを発生させるための機構１４０は、一組の多電極に適切な接続を行うために整流器２９０と連結している。
【００７５】
電気アークを発生させるための機構１４０の例は、２個のダイオード２９２および２９４を介して、電極１３０および２３０に、それぞれ接続した交流電流源であり、図７に例示したように、第１のダイオード２９２の陽極は負電極１３０と第２のダイオード２９４の陰極とに接続され、第２のダイオード２９４の陰極は正電極２３０に接続されている。
【００７６】
本発明の溶接トーチ１００を動作させる場合、電流を電極２３０と陽極、典型的には被加工物１８０との間に確立する。外部レーザ源（図示せず）から供給されたレーザービーム１１４を対物レンズ１１２（図４）に通過させて、レーザビーム１１４を主本体１１０の中心軸１１１に沿って共線的に伝搬させる。圧縮ノズル１２０は、中心軸１１１とレーザビーム１１４とに共線的となるようにプラズマ束を方向付ける。その結果、トーチ１００から発する高圧縮されたエネルギーの高エネルギー密度スポット、すなわち非常に局所化した領域を被加工物１８０の表面上に形成させる。レーザビーム１１４は、主本体１１０の中心軸１１１に沿って伝搬するので、電極１３０および２３０をレーザビーム１１４で加熱させる。レーザビーム１１４は、主本体１１０の外部の焦点ＦＰに集束する。主本体１１０と被加工物１８０との間の領域において、圧縮したプラズマジェットが形成され、それにより、レーザビームとプラズマジェットとを相互作用させ、被加工物１８０上に伝達される非常に高エネルギー密度を有するより高圧縮されたプラズマジェットを生成させる。
【００７７】
トーチ１００の動作中、圧縮ノズル１２０から発するプラズマを、プラズマ流の付加的圧縮および安定化の機構で発生させた保護ガスジェットによって付加的に圧縮および冷却する。このような機構は、例えば、圧縮ノズル１２０の円錐状外部表面１２６に、および円錐状外部表面１２６に近接するか、またはそれから間隔を空けた反対側の円錐状表面に設けた溝１２８（図４および５）を含む。
【００７８】
例えば図６に示したように、２本の電極１３０および２３０を備えたトーチ１００の場合、一方の電極は陰極であり、他方が陽極であり、交流電流で給電され、電気アークは、陰極と被加工物１８０との間を負電流半サイクルで点弧し、陽極と被加工物１８０との間を正電流半サイクルで点弧する。このような電気構成において、交流電流は被加工物１８０を通過する。この加工中、被加工物１８０の表面の酸化物層は破戒され、これは溶接加工にとって都合が良く、溶接接合部の品質および信頼性を改良させる。さらに、同時に、律動直流電流が各電極に流れ、それにより各電極への熱負荷を減少させる、つまり各電極１３０および２３０の寿命を延長させることになる。この現象の重要性は、純粋タングステンから陽極、およびトリウムタングステンから陰極のような、異なる材料から各電極を造ることが可能となることにある。
【００７９】
本発明の複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの機能に重要なレーザプラズマ放電の形成は、以下のように起こる。図４〜７で例示したトーチ１００の形態によれば、中心軸１１１と各電極１３０または２３０の近接点との間の距離は、レーザビーム１１４の半径ｒよりも小さい。このような幾何学的構成では、レーザビーム１１４の有限部分が、トーチ中心軸１１１に面する電極１３０または２３０の蓄熱球２００の露出表面のこれらの領域で吸収される。
【００８０】
この効果は、電極１３０または２３０を加熱することになり、それにより、熱電子の放出を増大させる。ゆえに、レーザビーム１１４による電極１３０または２３０の電流と加熱との両方の複合効果が、電子を放出させることとなる。主本体１１０と圧縮ノズル１２０との間に形成したチャンバを通してプラズマガスをポンプ供給し、そこでプラズマガスがイオン化され、プラズマアークを形成する。レーザビーム１１４は、その軸方向に沿ってプラズマアークと相互作用し、次に被加工物１８０と相互作用する複合レーザプラズマ放電を形成する。レーザビーム１１４がプラズマアークを通過すると、少量のレーザビームの光学的吸収が起こり、レーザビームとプラズマアークとの両方のエネルギー分布に影響を与える。プラズマに大量のレーザビームエネルギーを吸収させるために、Ｋ（λ）Ｌ＝１であることが望ましく、ここでＫ（λ）は波長λを有するレーザビームについてのプラズマガスの吸収率であり、Ｌはプラズマを通るレーザビームの伝搬路の長さである。この効果に対し、電極１３０または２３０の蓄熱球２００がレーザビーム１１４で加熱されることが重要である。
【００８１】
非消費性電極を用いてトーチ内に確立したアークが存在する間、微小高温スポット、例えば、陰極スポットまたは活性スポットが陰極の端部表面上に存在することは良く知られている。全強度の溶接電流がその高温スポットを通して流れる。溶接電流は、陰極の表面から電子を熱放出させるエネルギーを供給する。電子放出は、溶接電流を維持するのに不可欠である。陰極１３０および２３０の電子放出表面に付加的活性溶接成分または添加剤を加えることは、陰極１３０および２３０を効率的動作させるのに極めて重要なことである。
【００８２】
アーク電流のみによる単純な陰極加熱の場合、高温スポットの中心温度は、例えば、約３，７００゜Ｋに至るほど非常に高い。高温になると、陰極表面の過度な蒸発および崩壊が起こる。レーザビームによる付加的外部陰極加熱は、この場合、より低密度の放出電子が必要なので、高温スポットの大きさの増大、不均一加熱の減少、および陰極スポットのピーク温度の減少につながる。陰極スポットのピーク温度を低く抑えると、陰極の寿命がかなり増大する。
【００８３】
加えて、例えば、タングステン金属から造られた陰極の熱電子放出は、非常に低仕事関数を有する金属酸化物、例えば、トリウム、ランタン、およびジルコニウムでそれを合金にすることによって改良される。陰極の寿命は、陰極スポット内でのその合金の存在持続期間で決まる。金属酸化原子供給源を形成する主機構は、主陰極体積から陰極スポットの領域近くの陰極表面への原子の拡散である。このような拡散の係数は、温度の高速増加関数であることが知られている。標準陰極の温度は、陰極の内部本体体積の方向で速やかに低下し、その結果として、小部分の陰極体積しか陰極表面に金属酸化物を供給しない。ストラップ２１０を備えた陰極の端部に蓄熱球２００を有する陰極の、本発明の形態は、陰極本体体積の方向で低速の温度減少となり、より多くの陰極体積を残して金属酸化原子を供給する。レーザビームによる付加的加熱の場合、その結果は、高温にある陰極の先端近くでより大きな体積となり、それにより高温でこのより大きな体積が溶接加工中により多くの酸化物を供給し、その結果として、陰極寿命が延長する。
【００８４】
活性ガス、例えば、二酸化炭素の雰囲気内だけでなく、不活性ガス、例えば、ヘリウムの雰囲気内で、低電圧によるアークの点弧、および点弧したアークの安定化を達成することは非常に困難であることが知られている。これらの要因は、レーザおよびプラズマアーク技術の組合せをＣＯ２レーザ、自動化用途、または合金鋼の溶接中に適用する場合には特に重要である。２本または任意数の電極１３０および２３０の各陰極先端部の領域に、アルゴンまたはキセノンのような不活性ガスの独立した流れを構成すると、これらの限界を克服することができ、しかもアークの主要体積への他の活性ガスの使用に関わる利点を維持することができる。そのような独立ガス流を構成することは、各独立電極周りの空間に導管を配置することで実現できる。これは、交流電流の使用を含む。
【００８５】
律動化レーザビームが使用される場合、レーザパルスの放射中、比較的大量の材料が被加工物１８０の表面から蒸発する。この表面材料は、インピンジングレーザ照射とアーク内の熱イオン化との両方でイオン化される。この場合、多数の金属イオンを備えている発生されたプラズマは、レーザエネルギーの一部を吸収する。複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの形態によれば、電気アークを形成する機構１４０は、所定の周波数および持続時間のアーク電流パルスを続いて発生させることを含み、これらのアーク電流パルスは、定期的休止をもって加えられ、それによって同期装置２８０（図６および７）が所定の周波数および持続時間のアーク電流パルスを入力レーザビーム１１４のパルスと調和させるので、反復レーザビームパルスの期間が反復アーク電流パルスの期間に等しい、それにより、各レーザビームパルスは２つの連続アーク電流パルス毎の間の定期的休止中に開始し、２つの連続アーク電流パルス毎の２回目の間に終了する。複合レーザおよびプラズマアーク加工は、被加工物１８０上への高出力律動化レーザの作用によって発生される金属蒸気のイオン加速度を減少させる。このような加工において、金属蒸気プルームによるエネルギー吸収が低減される。
【００８６】
例えば、Ａｌ、Ｍｇおよびそれらの合金など、難溶性酸化膜を使用する可融性金属を溶接する場合、酸化膜の除去が被加工物回路内に交流電流を使用することで容易になる。たった１本の電極を使用すると、電極の急速な劣化を招いてしまう。正規の極性構成を有する電流が流れる少なくとも２本の電極１３０および２３０を使用すると、実質的に電極の耐久性および寿命を増大させる。２本の電極１３０および２３０を有するトーチ１００の電気アークを形成するための機構１４０は、所定周波数で電流の交流パルスを発生する。この場合、順極性電流が第１（負）電極を通じて流れ、逆極性電流が第２（正）電極を通じて流れ、それで、機構１４０は、互いに連結されている２個のダイオード２９２および２９４を介してそれぞれの電極に接続されている。
【００８７】
溶接加工を行うある条件下では、高エネルギー密度スポットの作用下で被加工物１８０に形成される溶接バス内で円状または線状に運動する溶融金属波を発生させる必要がある。この溶融金属波は、溶接バス内の溶融金属の表面領域上のプラズマ柱圧力を変更することで形成される。これを実行するために、図６で例示したように、２本の電極１３０および２３０を備えたトーチから電気アークを形成するための機構１４０は整流器２９０を含み、それにより、整流器２９０は電極１３０および２３０を、既知シーケンスおよび周波数を有する交流電流のアークを形成するための機構１４０に接続する。３本の電極を備えたトーチ１００から電気アークを形成するための機構１４０は、整流器２９０を含み、それは３本の電極を、所定シーケンスおよび周波数の交流電流のアークを形成するための機構に接続する、ここで、各電極は整流器２９０の完全動作サイクル時間の２回の連続した間隔中に接続される。
【００８８】
レーザビーム１１４は、プラズマと相互作用し、吸収されるので、レーザビーム軸に沿ってプラズマ温度および電流密度が増す。プラズマアークの安定性は、一部、プラズマ内の電流密度の増大に関連した電界および磁界の結合の結果として、増大する。プラズマアークの動作電圧の減少は、修正した電界により、実現されても良い。
【００８９】
レーザビームとプラズマとの間の直接相互作用についてのこれらの特徴に加えて、レーザービーム１１４と被加工物１８０との間に間接的相互作用があり、それらはエネルギー密度、ゆえに、被加工物１８０の表面における結合効率をさらに増すように作用する。レーザビーム１１４が被加工物１８０に衝突すると、被加工物１８０のアブレーションが起こる。被加工物１８０の表面が蒸発すると、それが表明プラズマジェットを形成する。表面ジェットのイオン化電位は、通常に使用するオリフィスおよびシールドガスのものよりも低い。その結果、被加工物１８０のレーザスポット上の位置におけるプラズマの表面プラズマのイオン化および導電性の程度が増す。この増大のため、電気アークからの電流がこの領域に流入する。これは、プラズマアークをさらに圧縮させるように作用し、プラズマアークが被加工物１８０に衝突する位置におけるエネルギー密度および結合効率を増す。
【００９０】
レーザビーム１１４とプラズマアークとの間でのこの増大する相互作用で起こる主要な物理的効果は、（i）増大したエネルギー密度を生成するプラズマアークの圧縮；（ii）被加工物１８０の熱を受けるゾーン、または高温スポットの低減；（iii）プラズマ温度の増大；（iv）プラズマアーク安定性の増大；および（v）エネルギー消費の低減を含む。この総正味効果は、被加工物１８０に高エネルギー密度スポットを生成し、レーザビームおよび電気アークの複合エネルギーをより効率的に被加工物１８０へ結合、すなわち伝えることである。レーザビーム１１４のエネルギーは、幾つかの要因によってより効率的に被加工物１８０へ結合される。プラズマアーク、またはプラズマジェットによるキーホールの形成は、レーザビーム１１４の黒体表面放射体として作用し、それによって、被加工物１８０へのレーザビーム１１４エネルギーの吸収を増す。レーザビームエネルギーはキーホールを形成するために不要であるので、より高い割合のレーザビームエネルギーが被加工物１８０上に到達する。加えて、増大させたプラズマ結合のような通常のレーザ溶接加工と比べて、誘起した金属、または表面プラズマがキーホールを維持するために不要であるので、より効率的な結合が起こる。
【００９１】
同様に、プラズマアーク、またはプラズマジェットは、プラズマアーク軸に沿ってレーザ誘起イオン化が起こるので、より効率的に被加工物１８０へ結合される。プラズマアーク、またはプラズマジェットは、レーザビーム１１４で加熱されるので、他の場合では不可欠あったよりも低い電圧／電流で動作する。溶接トーチ１００において、主本体１１０から圧縮ノズル１２０までの体積領域にわたるレーザ発生イオン化チャンバは、プラズマアークに対してより低い電気抵抗を有する高電子密度を提供する。この複合レーザおよびプラズマアーク相互作用はまた、プラズマアークを圧縮および安定させる付加効果を有し、ここで電子密度の比較的小さな増加でこれらの効果を達成することができる。
【００９２】
発明者は、プラズマの温度および電子密度を含む、プラズマ状態の関数としてレーザエネルギーをプラズマアークまたはプラズマジェットに結合することについての物理的特性および熱伝達特性を調査した。助変数の研究は、光学的高温計やレーザプローブビーム偏向技術を用いて、空間的に、温度および電子密度勾配を測定することによるプラズマアークの特徴を含んだ。試験は、低出力およびより高いエネルギー効率のレーザ源の使用となる最適プラズマアーク条件を決定することによって、所定レーザ源で被加工物の表面におけるエネルギー密度を増大させることを目的に行った。
【００９３】
発明者は、被加工物へのレーザプラズマ放電のより良好な結合を達成するには、固体レーザ、ガスレーザ、またはダイオードレーザのいずれの場合も、プラズマアーク出力は、レーザ出力値の０．１〜１０倍、好ましくは、０．２５〜５倍、より好ましくは、０．５〜２倍であることが望ましいと決定した。本発明の複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの動作について記述した条件下で、レーザを溶接装置として単独で使用する場合の溶接動作を実行するのに必要な出力の約半分で、固体レーザ、ガスレーザ、またはダイオードレーザを用いて同じ動作を行うことができる。
【００９４】
発明者は、本発明の複合溶接トーチおよび方法の使用に適用可能な溶接動作の以下の特性および変数も研究した：（i）レーザ出力、電流、電圧、混合体、およびオリフィスおよびシールドガスの流れの関数としてプラズマアーク内のレーザビームの強度および光学的吸収率；および（ii）レーザ出力の関数として放電軸上のプラズマアーク温度。これらの調査結果は、プラズマアークの特性に関わるレーザ出力を増大させる効果が主にプラズマの吸収率の変化によるものであることを示す。さらに、レーザ出力の増加は一般にプラズマ温度の上昇を招くが、それにはスレッショルドレベルがあり、それを超えてレーザ出力が増大すると複合放電の強度、つまり、被加工物の表面における出力密度が減少することになる。
【００９５】
本発明を、その特定の形態に関して説明してきたが、多くの代替物、修正、および変形が当業者には容易に理解されようことは明らかである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内にあるこのような代替物、修正、および変形の全てを包含することを意図としている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  典型的な従来技術のプラズマアーク溶接トーチの構成部分を例示する概略図である。
【図２】  従来技術の複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの構成部分を例示する概略図である。
【図３】  従来技術の複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの構成部分を例示する概略図である。
【図４】  本発明による、複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの第１の好適形態の断面を例示する概略図である。
【図５】  本発明による、複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの第２の好適形態の断面を例示する概略図である。
【図６】  本発明による、同期装置を含む、複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの下部を例示する概略図である。
【図７】  本発明による、整流器を含む、複合レーザおよびプラズマアーク溶接トーチの下部を例示する概略図である。
【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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