(57)【要約】      （修正有）【課題】治具と干渉することが減少され、狭隘な溶接箇所を溶接することができ、操作性を著しく向上させることができるレーザ照射アーク溶接ヘッドを提供する。【解決手段】レーザ光を被溶接物の溶接箇所に照射するレーザトーチ１２と、溶接箇所に消耗電極ガスシールドアーク溶接を行う溶接トーチ５と、レーザトーチ１２内に設けられて光ファイバ１１によって伝送されたレーザ光を平行光に変換する１枚又は複数枚のコリメートレンズ１３と平行光に変換されたレーザ光を被溶接物へ集光する１枚又は複数枚の集光レンズ１５とからなる集光レンズ光学系とを備え、集光レンズ光学系のうちレーザトーチ先端に設けられた１枚のレンズが固定され、その他のレンズのうち被溶接物上に照射されるレーザ光のスポット径によって予め選択された１枚又は複数枚のレンズを光軸に沿って移動させるレンズスライド機構とを備えたレーザ照射アーク溶接ヘッド。【選択図】図１
2007181840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器から光ファイバによって伝送されたレーザ光を被溶接物の溶接箇所に照射するレーザトーチと、
前記溶接箇所に消耗電極ガスシールドアーク溶接を行う溶接トーチと、
前記レーザトーチ内に設けられて前記光ファイバによって伝送されたレーザ光を平行光に変換する１枚又は複数枚のコリメートレンズと前記平行光に変換されたレーザ光を被溶接物へ集光する１枚又は複数枚の集光レンズとからな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において、
前記集光レンズ光学系のうち前記レーザトーチ先端に設けられた１枚のレンズが固定され、
その他のレンズのうち前記被溶接物上に照射されるレーザ光のスポット径によって予め選択された１枚又は複数枚のレンズを光軸に沿って移動させるレンズスライド機構と、
を備えた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】
請求項１記載のレンズスライド機構が、
モータと、
このモータに連結されたねじとナットとからなるねじアセンブリと、
前記ナットに取り付けられて１枚のレンズを支持するスライド部材とこのスライド部材をガイドするガイドレールとからなるリニアガイドと、
を備えたことを特徴とするレーザ照射アーク溶接ヘッド。
【請求項３】
請求項１記載のレンズスライド機構が、
シリンダとピストンとこのピストンに取り付けられたロッドとからなるシリンダアセンブリと、
前記ロッドに取り付けられて１枚のレンズを支持するスライド部材とこのスライド部材をガイドするガイドレールとからなるリニアガイドと、
を備えたことを特徴とするレーザ照射アーク溶接ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザトーチから被溶接物にレーザ光を照射すると共にガスシールドアーク溶接を行うための改善されたレーザ照射アーク溶接ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。従って、レーザ溶接においては、被溶接物の継手部分を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レーザ照射アーク溶接方法が提案されている。この溶接方法は、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。それ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。
【０００４】
図８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９は一般的なレーザ照射アーク溶接ヘッド６を示す図である。また、図８及び図９は、例えば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。
【０００５】
図８において、アーク溶接用電源装置１によって、溶接ワイヤ送給機２の溶接ワイヤ送給ロール３の回転が制御されて、溶接ワイヤ４が溶接トーチ５を通して送給される。また、アーク溶接用電源装置１によって、溶接トーチ５内に設けられた給電チップと被溶接物７との間に電力が供給されて、アーク８が発生される。
【０００６】
また、レーザ発振機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１２に伝送され、このレーザトーチ１２内の集光レンズ光学系によって被溶接物７に焦点が生じるように収束されて照射される。上記のレーザ光１０を照射する位置は、被溶接物７のアーク８の発生部に対し適宜な距離を持つ位置である。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
レーザ照射アーク溶接を行う場合、被溶接物の材質や板厚に対応して、最適なレーザ光のスポット径を選択することによって、適切な溶接ビードを形成することができる。また、レーザ照射アーク溶接によって、ギャップを有する突合せ継手やフレア継手の溶接を行う場合、ギャップ長さよりも小さいレーザスポット径のとき、レーザ光がギャップを突き抜けて、溶接することができない場合がある。このような場合に、継手形状やギャップ長さに対して、最適なレーザスポット径を選択して溶接を行う必要がある。
【０００８】
ここで、レーザ光のみで溶接を行う場合に、レーザスポット径を変化させる方法として、従来から提案されている幾つかの方法を説明する。図１０は、レーザ光のみで溶接を行う場合に、レーザスポット径を変化させる方法を説明するための図である。同図において、図８に示したレーザ発振機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１２に伝送される。そして、光ファイバ１１の先端から出力されたレーザ光１０は、図１０に示すコリメートレンズ１３によって、平行光に変換される。そして、この平行光に変換されたレーザ光は、集光レンズ１５によって被溶接物７に焦点が生じるように収束されたのち、レーザトーチ１２から出力されて、被溶接物７に照射される。
【０００９】
レーザ溶接のみにおいてスポット径を変化させる方法としては、例えば、同図（Ａ）に示すように、レーザトーチ１２全体を移動させて、レーザスポット径を変化させる方法がある。又は、同図（Ｂ）に示すように、光ファイバの先端１１ａの位置を移動させて、レーザスポット径を変化させる方法がある。又は、同図（Ｃ）に示すように、集光レンズ１５の位置を移動させて、レーザスポット径を変化させる方法がある。
【特許文献１】特開２００３−２０５３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これらの方法のうち１つ、又は幾つかの方法を組み合わせて被溶接物上のレーザスポット径を変更するためには、同図（Ｄ）に示すように、光ファイバの先端１１ａ、集光レンズ１５、又はレーザトーチ１２全体を移動させるためのスペースを、予め設けておく必要があるために、レーザトーチ１２が大型化する。特に、光ファイバの先端１１ａやレーザトーチ１２全体を移動させるには、そのための駆動部が大きくなり、さらに、レーザトーチ１２が大型化する。このようにレーザトーチ１２が大型化すると、図９に示した溶接トーチ５と組み合わせたレーザ照射アーク溶接ヘッド６においては、小型化の妨げとなる。そのために、大型化したレーザ照射アーク溶接ヘッドを使用すると、治具と干渉したり、狭隘な溶接箇所を溶接することができなくなり、レーザ照射アーク溶接ヘッドの操作性が、著しく低下する。
【００１１】
本発明は、治具と干渉することが減少され、狭隘な溶接箇所を溶接することができ、操作性を著しく向上させることができる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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、第１の発明は、
レーザ発振器から光ファイバによって伝送されたレーザ光を被溶接物の溶接箇所に照射するレーザトーチと、
前記溶接箇所に消耗電極ガスシールドアーク溶接を行う溶接トーチと、
前記レーザトーチ内に設けられて前記光ファイバによって伝送されたレーザ光を平行光に変換する１枚又は複数枚のコリメートレンズと前記平行光に変換されたレーザ光を被溶接物へ集光する１枚又は複数枚の集光レンズとからな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において、
前記集光レンズ光学系のうち前記レーザトーチ先端に設けられた１枚のレンズが固定され、
その他のレンズのうち前記被溶接物上に照射されるレーザ光のスポット径によって予め選択された１枚又は複数枚のレンズを光軸に沿って移動させるレンズスライド機構と、
を備えたことを特徴とするレーザ照射アーク溶接ヘッドである。
【００１３】
第２の発明は、
第１の発明に記載のレンズスライド機構が、
モータと、
このモータに連結されたねじとナットとからなるねじアセンブリと、
前記ナットに取り付けられて１枚のレンズを支持するスライド部材とこのスライド部材をガイドするガイドレールとからなるリニアガイドと、
を備えたことを特徴とするレーザ照射アーク溶接ヘッドである。
【００１４】
第３の発明は、
第１の発明に記載のレンズスライド機構が、
シリンダとピストンとこのピストンに取り付けられたロッドとからなるシリンダアセンブリと、
前記ロッドに取り付けられて１枚のレンズを支持するスライド部材とこのスライド部材をガイドするガイドレールとからなるリニアガイドと、
を備えたことを特徴とするレーザ照射アーク溶接ヘッドである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッドは、治具と干渉することが減少され、狭隘な溶接箇所を溶接することができ、操作性を著しく向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
［実施の形態１］
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。
図１は、本発明の実施の形態１のレーザ照射アーク溶接ヘッド２０及びスライド機構制御装置２２を示す図である。同図において、溶接トーチ５は図９に示した溶接トーチ５と同様の構造であるので、説明を省略する。
【００１７】
レーザトーチ２１について説明する。光ファイバの先端１１ａがレーザトーチ２１に接続されていて、レーザ発振機９（図８参照）から出力されたレーザ光１０が、光ファイバ１１によってレーザトーチ２１に伝送される。そして、このレーザトーチ２１内に設けられたコリメートレンズ１３、１４によって、光ファイバの先端１１ａから出力されたレーザ光１０が、平行光に変換される。そして、この平行光に変換されたレーザ光１０が、集光レンズ１５によって被溶接物７に焦点が生じるように収束されたのち、レーザトーチ２１から出力されて、被溶接物７に照射される。
【００１８】
図１に示したレーザトーチ２１おいては、コリメートレンズ１３、１４が２枚、集光レンズ１５が１枚の場合が示されている。しかし、これらのレンズの枚数は、同図に示す枚数に限定されるものではなく、それぞれ１枚又は複数枚のレンズから成る。これらのコリメートレンズ１３、１４及び集光レンズ１５から集光レンズ光学系１６は成る。この集光レンズ光学系１６のうちレーザトーチ２１先端に設けられた１枚の集光レンズ１５が固定されている。
【００１９】
スライド機構制御装置２２内のデータベース２３には、被溶接物７の材質、板厚や継手形状等のデータが予め蓄積されている。これらのデータの中から選択された被溶接物データ信号Ｓ１が、レーザスポット径設定回路２４に入力されて、被溶接物７に対応する最適なレーザスポット径が設定される。そして、設定されたレーザスポット径信号Ｓ２が、レンズスライド指令回路２５に入力される。この回路において、固定された１枚の集光レンズ以外の集光レンズ光学系１６のうち、選定されたレーザスポット径に対応して、スライドされる１枚又は複数枚のレンズが選択される。そして、選択されたレンズをスライドさせるスライド指令信号Ｓ３がレンズスライド機構２６に入力される。
【００２０】
図２は、第１のレンズスライド機構３０を示す図であって、同図（Ａ）は側面図であり、同図（Ｂ）は正面図である。同図において、モータ３１にねじ３２が連結されていて、このねじ３２にナット３３が取り付けられている。これらのねじ３２とナット３３とからねじアセンブリ３４が成る。このナット３３にスライド部材３５が取り付けられていて、このスライド部材３５に１枚のレンズを支持するレンズホルダ３６（図１参照）が取り付けられている。このスライド部材３５は、ガイドレール３７によってガイドされていて、これらのスライド部材３５とガイドレール３７とからリニアガイド３８が成る。スライドさせるレンズの枚数に対応した個数の第１のレンズスライド機構が、レーザトーチ２１の周囲に設けられる。
【００２１】
図３は、第２のレンズスライド機構４０を示す図であって、同図（Ａ）は側面図であり、同図（Ｂ）は正面図である。同図において、エアコンプレッサ４１から出力された圧縮空気が電磁弁４２を介してシリンダ４３に供給される。シリンダ４３内をピストン４４が摺動して、このピストン４４にロッド４５が取り付けられている。これらのシリンダ４３、ピストン４４及びロッド４５からシリンダアセンブリ４６は成る。このロッド４５にスライド部材４７が取り付けられていて、このスライド部材４７に１枚のレンズを支持するレンズホルダ３６（図１参照）が取り付けられている。このスライド部材４７は、ガイドレール４８によってガイドされていて、これらのスライド部材４７とガイドレール４８とからリニアガイド４９が成る。スライドさせるレンズの枚数に対応した数の第２のレンズスライド機構が、レーザトーチ２１の周囲に設けられる。
【００２２】
以下、図１、図４及び図５を参照して、動作を説明する。図４は、集光レンズ光学系内のレンズのスライド状態を説明するための図であり、図５は、レンズをスライドさせたときのレンズスライド量（ｍｍ）とレーザスポット径（ｍｍ）との関係を示す図である。図１において、溶接作業者によって、スライド機構制御装置２２に設けられたデータベース２３内のデータが選択されると、この選択された被溶接物データ信号Ｓ１が、レーザスポット径設定回路２４に入力されて、最適なレーザスポット径が設定される。そして、設定されたレーザスポット径信号Ｓ２が、レンズスライド指令回路２５に入力されて、集光レンズ光学系の固定された１枚の集光レンズ以外のスライドされる１枚又は複数枚のレンズが、選択される。そして、選択されたレンズをスライドさせるスライド指令信号Ｓ３がレンズスライド機構２６に入力される。
【００２３】
そして、図２又は図３に示したレンズスライド機構３０、４０によって、選択されたレンズがスライドされる。この結果、被溶接物７上のレーザスポット径を溶接条件に対応したスポット径とすることができる。このレンズがスライドされてレーザスポッと径が変化する状態を、図４を参照して説明する。同図において、レーザトーチ２１内に２枚のコリメートレンズ１３、１４と１枚の集光レンズ１５が設けられていて、２枚のコリメートレンズ１３、１４のうち第１のコリメートレンズ１３がスライドされる場合を説明する。
【００２４】
図４（Ａ）は、集光レンズ１５の焦点距離が被溶接物７上にあるときのレンズの位置を示している。そして、第１のコリメートレンズ１３を、同図（Ａ）に示す位置から同図（Ｂ）に示す位置までＸ１方向へスライドさせた場合、集光レンズ光学系１６の焦点距離がＸ２方向に移動する。この結果、被溶接物７上のレーザスポット径が大きくなる。逆に、第１のコリメートレンズを、同図（Ａ）に示す位置から同図（Ｃ）に示す位置までＸ２方向へスライドさせた場合、集光レンズ光学系１６の焦点距離がＸ１方向に移動して、この場合も被溶接物上のレーザスポット径が大きくなる。
【００２５】
このようにして第１のコリメートレンズ１３がレンズスライド機構３０、４０によって移動されると、図５に示すように、レーザスポット径が変化する。同図において、第１のコリメートレンズ１３がスライドされる方向として、図４に示すＸ２方向を正とし、Ｘ１方向を負としている。第１のコリメートレンズ１３がＸ２方向に０ｍｍから１４ｍｍまでスライドされることによって、被溶接物７上のレーザスポット径を、最小スポット径の０．３ｍｍから５．７ｍｍまで増加させることができる。逆に、第１のコリメートレンズ１３がＸ１方向に０ｍｍから１２ｍｍまでスライドされることによって、被溶接物７上のレーザスポット径を、最小スポット径の０．３ｍｍから５．７ｍｍまで増加させることができる。
【００２６】
上述したように、本発明の実施の形態１のレーザ照射アーク溶接ヘッドは、集光レンズ光学系のレーザトーチのレーザ光出力側に設けられた１枚のレンズが、レーザトーチのレーザ光出力側先端に固定されている。そして、その他のレンズのうち、被溶接物７上に照射されるレーザ光１０のスポット径によって予め選択された１枚又は複数枚のレンズが、レンズスライド機構によって、光軸に沿って移動される。
【００２７】
従って、被溶接物７上のレーザスポット径を変更するために、従来技術のように、光ファイバの先端１１ａ、集光レンズ１５、又はレーザトーチ２１全体を移動させるためのスペースを、設ける必要がないので、レーザトーチを小型化することができる。この結果、レーザ照射アーク溶接ヘッドが治具と干渉することが減少され、狭隘な溶接箇所を溶接することができ、レーザ照射アーク溶接ヘッドの操作性を、著しく向上させることができる。
【００２８】
さらに、スライド機構制御装置２２内で、被溶接物７の材質や板厚などに対するレーザスポット径を選択することができるので、最適なレーザスポット径に容易に調整することができ、作業効率を著しく向上させることができる。
【００２９】
［実施の形態２］
図６は、本発明の実施の形態２のレーザ照射アーク溶接ヘッド及びスライド機構制御装置を示す図である。同図においても、説明を容易にするために、溶接トーチ５は図１及び図２示した溶接トーチ５と同様の構造であるので、説明を省略する。同図において、ギャップ検出器５０をレーザトーチ２１の溶接方向の前方に設けている。このギャップ検出器５０としては、例えば、線上のレーザ光を溶接継手部に照射して、反射光を受光部で検出することによって、ギャップ長さを解析する方法がある。そして、ギャップ検出器５０から出力されたギャップ検出信号Ｓ４が、スライド機構制御装置５１内のスポット径補正回路５２に入力される。この補正回路５２は、ギャップ検出信号Ｓ４が入力されて、レーザスポット径の補正値を算出し、スポット径補正信号Ｓ５を出力する。この信号Ｓ５が、レーザスポット径設定回路２４に入力されて、被溶接物データ信号Ｓ１によって設定されたレーザスポット径が、ギャップ長さに対応した最適なレーザビームスポット径に補正される。その他の機能は、図１に示した実施の形態１の機能と同機能に同符号を付して、説明を省略する。
【００３０】
以下、動作を説明する。図６において、溶接作業者によって、スライド機構制御装置５１に設けられたデータベース２３内のデータが選択されると、この選択された被溶接物データ信号Ｓ１が、レーザスポット径設定回路２４に入力される。一方、ギャップ検出器５０によって被溶接物７のギャップ長さが検出されて、このギャップ検出器５０から出力されたギャップ検出信号Ｓ４が、スライド機構制御装置５１内のスポット径補正回路５２に入力される。この補正回路５２は、ギャップ検出信号Ｓ４が入力されて、レーザスポット径の補正値を算出し、スポット径補正信号Ｓ５を出力する。この信号Ｓ５が、レーザスポット径設定回路２４に入力されて、被溶接物データ信号Ｓ１によって設定されたレーザスポット径が、ギャップ長さに対応した最適なレーザスポット径に補正される。そして、設定されたレーザスポット径信号Ｓ２が、レンズスライド指令回路２５に入力されて、集光レンズ光学系のうち、固定された１枚の集光レンズ以外のスライドされる１枚又は複数枚のレンズが選択される。そして、選択されたレンズをスライドさせるスライド指令信号Ｓ３がレンズスライド機構２６に入力される。
【００３１】
そして、図２又は図３に示したレンズスライド機構３０、４０によって、選択されたレンズがスライドされる。この結果、被溶接物７上のレーザスポット径を溶接条件及びギャップ長さに対応したスポット径とすることができる。
【００３２】
この結果、実施の形態１のレーザ照射アーク溶接ヘッドが奏する効果に加えて、ギャップ検出器によって検出されたギャップ長さに対応するように、レーザビーム径を補正することができる。そのために、溶接継手部のギャップ長さが変化しても、適切な溶接ビードを形成することができる。
【００３３】
なお、図１乃至図３と図６とに示した電動又は圧縮空気によって自動でスライドするためのレンズスライド機構及びスライド機構制御装置を設ける代わりに、図７に示す手動の第３のレンズスライド機構５３を設けてもよい。図７は、第３のレンズスライド機構５３を示す図である。同図において、スライド部材５４に１枚のレンズを支持するレンズホルダ３６が取り付けられている。このスライド部材５４は、ガイドレール５５によってガイドされている。レーザトーチ２１に目盛５６が設けられていて、スライドさせるレンズの枚数に対応した個数の第３のレンズスライド機構が、レーザトーチ２１の周囲に設けられる。
【００３４】
この結果、第３のレンズスライド機構によってレンズを手動でスライドさせることができるために、レンズスライド機構に駆動装置を設ける必要がない。従って、レーザ照射アーク溶接ヘッドを小型かつ軽量にすることができ、このヘッドの操作性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１のレーザ照射アーク溶接ヘッド２０及びスライド機構制御装置２２を示す図である。
【図２】第１のレンズスライド機構３０を示す図である。
【図３】第２のレンズスライド機構４０を示す図である。
【図４】集光レンズ光学系内のレンズのスライド状態を説明するための図である。
【図５】レンズをスライドさせたときのレンズスライド量（ｍｍ）とレーザスポット径（ｍｍ）との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２のレーザ照射アーク溶接ヘッド及びスライド機構制御装置を示す図である。
【図７】第３のレンズスライド機構５３を示す図である。
【図８】一般的なレーザ照射アーク溶接装置を示す図である。
【図９】一般的なレーザ照射アーク溶接ヘッド６を示す図である。
【図１０】レーザ光のみで溶接を行う場合に、レーザスポット径を変化させる方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３６】
１            アーク溶接用電源装置
２            溶接ワイヤ送給機
３            溶接ワイヤ送給ロール
４            溶接ワイヤ
５            溶接トーチ
６            レーザ照射アーク溶接ヘッド
７            被溶接物
８            アーク
９            レーザ発振機
１０            レーザ光
１１            光ファイバ
１１ａ            光ファイバの先端
１２            レーザトーチ
１３            コリメートレンズ
１５            集光レンズ
１６            集光レンズ光学系
２０            レーザ照射アーク溶接ヘッド
２１            レーザトーチ
２２            スライド機構制御装置
２３            データベース
２４            レーザスポット径設定回路
２５            レンズスライド指令回路
２６            レンズスライド機構
３０            レンズスライド機構
３１            モータ
３３            ナット
３４            アセンブリ
３５            スライド部材
３６            レンズホルダ
３７            ガイドレール
３８            リニアガイド
４０            レンズスライド機構
４１            エアコンプレッサ
４２            電磁弁
４３            シリンダ
４４            ピストン
４５            ロッド
４６            シリンダアセンブリ
４７            スライド部材
４８            ガイドレール
４９            リニアガイド
５０            ギャップ検出器
５１            スライド機構制御装置
５２            スポット径補正回路
５３            レンズスライド機構
５４            スライド部材
５５            ガイドレール
５６            目盛
Ｓ１            被溶接物データ信号
Ｓ２            レーザスポット径信号
Ｓ３            スライド指令信号
Ｓ４            ギャップ検出信号
Ｓ５            スポット径補正信号
【図１】
2007181840.tif 000003
【図２】
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【図３】
2007181840.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007181840.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007181840.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007181840.tif 000011
【図１０】
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