(57)【要約】【課題】レーザ光の照射によって生じる溶融池の周囲に安定した酸化防止雰囲気を容易に形成し、溶接部の品質低下を防止する。【解決手段】板材Ｗに照射されるレーザ光Ｌの光軸ＬＳに対し傾けられて、斜めからシールドガスＧを噴射するためのノズル本体部３ａを有するレーザ溶接用ガス供給ノズル３であって、ノズル本体部３ａの先端３ｅは、ノズル本体部３ａの管軸線ＮＳに直交する基準面ＳＰに対して傾き、光軸ＬＳに直交する平面ＰＡ上に設けられていることを特徴とする。【選択図】  図３
2007253216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接体に照射されるレーザ光の光軸に対し傾けられて、斜めからシールドガスを噴射するためのノズル本体部を有するレーザ溶接用ガス供給ノズルであって、
前記ノズル本体部の先端は、前記ノズル本体部の管軸線に直交する基準面に対して傾き、且つ前記光軸に直交する平面上に設けられていることを特徴とするレーザ溶接用ガス供給ノズル。
【請求項２】
被溶接体にレーザ光を照射するレーザヘッドと、
前記レーザヘッドに取り付けられ、且つ前記レーザ光の光軸に対し傾けられて、斜めからシールドガスを噴射するためのノズル本体部を有するガス供給ノズルと、を備え、
前記ノズル本体部の先端は、前記ノズル本体部の管軸線に直交する基準面に対して傾き、且つ前記光軸に直交する平面上に設けられていることを特徴とするレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドガスを噴射するレーザ溶接用ガス供給ノズル及びレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被溶接体にレーザ光を照射した際の溶融池の酸化を防止するため、溶融池に向けてシールドガスを噴射するガス供給ノズルを備えたレーザ溶接装置が知られている。この種のレーザ溶接装置として、溶融池を囲むシールドボックスと、シールドボックスを貫通して延在し、且つ、シールドボックスに対して可動するガス供給ノズルとを有する装置がある（特許文献１参照）。このレーザ溶接装置では、溶融池をシールドボックスによって囲むことで、溶融池の周囲に酸化防止雰囲気を形成し、且つ、ガス供給ノズルから溶融池に向けてシールドガスを噴射することで、溶融池の周囲におけるプラズマの生成を抑制する。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１３６７９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のレーザ溶接装置では、シールドボックスを用いなければ、溶融池の周囲に安定した酸化防止雰囲気を形成することはできなかった。そして、レーザ走査における制約や被溶接体の形状による制約などによってシールドボックスを取り付けることができない場合には、一定ガス圧の安定した酸化防止雰囲気を形成することが難しく、溶融池の酸化に起因して溶接ビードの形状不良や焼けこげなどが生じ、溶接部の品質低下につながり易かった。
【０００５】
本発明は、レーザ光の照射によって生じる溶融池の周囲に安定した酸化防止雰囲気を容易に形成でき、溶接部の品質低下を防止できるレーザ溶接用ガス供給ノズル及びレーザ溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、被溶接体に照射されるレーザ光の光軸に対し傾けられて、斜めからシールドガスを噴射するためのノズル本体部を有するレーザ溶接用ガス供給ノズルであって、ノズル本体部の先端は、ノズル本体部の管軸線に直交する基準面に対して傾き、且つ光軸に直交する平面上に設けられていることを特徴とする。
【０００７】
このレーザ溶接用ガス供給ノズルを用いてシールドガスを噴射させると、シールドガスは、光軸に沿った方向に噴出して被溶接体に衝突し、さらに、被溶接体の表面に沿うようにして広がり、レーザ光の照射によって生じる溶融池の周囲で酸化防止雰囲気を形成する。その結果として、溶融池は大気から遮断され、溶融池における酸化が防止されて溶接ビードの形状不良や焼けこげが抑止される。特に、このレーザ溶接用ガス供給ノズルによれば、ノズル本体部の先端をレーザ光の光軸に直交させることで、溶融池の周囲に安定した酸化防止雰囲気を形成することができるため、シールドボックスを用いなくても酸化防止雰囲気を容易に形成できる。
【０００８】
また、本発明に係るレーザ溶接装置は、被溶接体にレーザ光を照射するレーザヘッドと、レーザヘッドに取り付けられ、且つレーザ光の光軸に対し傾けられて、斜めからシールドガスを噴射するためのノズル本体部を有するガス供給ノズルとを備え、ノズル本体部の先端は、ノズル本体部の管軸線に直交する基準面に対して傾き、且つ光軸に直交する平面上に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
このレーザ溶接装置によれば、レーザヘッドから被溶接体に向けてレーザ光が照射されるとともに、ガス供給ノズルにおけるノズル本体部の先端から被溶接体に向けてシールドガスが噴射される。シールドガスは、光軸に沿った方向に噴出して被溶接体に衝突し、被溶接体の表面に沿うように広がり、レーザ光の照射によって生じる溶融池の周囲で酸化防止雰囲気を形成する。その結果として、溶融池は大気から遮断され、溶融池における酸化が防止されて溶接ビードの形状不良や焼けこげが抑止される。特に、このレーザ溶接装置によれば、ガス供給ノズルにおけるノズル本体部の先端をレーザ光の光軸に直交させることで溶融池の周囲に安定した酸化防止雰囲気を形成することができるため、シールドボックスを用いなくても酸化防止雰囲気を容易に形成できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、レーザ光の照射によって生じる溶融池の周囲に安定した酸化防止雰囲気を容易に形成でき、溶接部の品質低下を防止する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明に係るレーザ溶接用ガス供給ノズル及びレーザ溶接装置の好適な実施の形態について詳細に説明をする。
【００１２】
[第１の実施の形態]
（レーザ溶接装置）
図１〜図３に示すように、レーザ溶接装置１は、溶接用熱源としてＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザを用いる溶接装置である。レーザ溶接装置１は、被溶接体としてのステンレス製の板材Ｗに向けてレーザ光Ｌを照射するレーザヘッド２と、レーザ光Ｌの光軸ＬＳに対し傾けられて、斜め上方からシールドガス（通称「アシストガス」、「加工ガス」ともいう）Ｇを噴射するガス供給ノズル３とを備える。レーザヘッド２及びガス供給ノズル３は、二枚の板材Ｗが重ね合わせられた箇所における直線状の接合予定線ＳＳに沿って移動する。
【００１３】
レーザヘッド２は、ケース２ａ内にレーザ発振部２ｂを備える。ＹＡＧレーザは、光励起形の個体レーザであり、レーザ発振部２ｂは、発振波長が１．０６μｍのレーザ光Ｌを出射する。レーザ光Ｌの光軸ＬＳ上には、光学ガラス製の集光レンズ２ｃが配置され、集光レンズ２ｃを透過したレーザ光Ｌは、極めて小さな点に集光される。
【００１４】
なお、以下の説明において、レーザ光Ｌの光軸ＬＳに直交し、且つレーザヘッド２の移動方向に沿った方向をＸ軸方向、Ｘ軸及びレーザ光Ｌの光軸ＬＳに直交する方向をＹ軸方向、レーザ光Ｌの光軸ＬＳに沿った方向をＺ軸方向として説明する
【００１５】
レーザヘッド２のケース２ａには、レーザヘッド２の進行方向に対して後方側に突き出したブラケット２ｄが設けられており、ブラケット２ｄには、第１リニアアクチュエータ４が取り付けられている。第１リニアアクチュエータ４は、サーボモータとサーボモータの出力軸に形成されたボールねじとを有し、ボールねじの回転により、ブラケット２ｄに対してＹ軸方向に直線移動する。第１リニアアクチュエータ４には、第２リニアアクチュエータ５が取り付けられている。第２リニアアクチュエータ５も第１リニアアクチュエータ４と同様のサーボモータ及びボールねじを有し、ボールねじの回転により、第１リニアアクチュエータ４に対してＸ軸方向に直線移動する。第２リニアアクチュエータ５には、第３リニアアクチュエータ６が取り付けられている。第３リニアアクチュエータ６は、サーボモータ及びボールねじと、サーボモータ及びボールねじを収容する筐体６ａと、ボールねじの回転によって、筐体６ａからＺ軸方向に直線移動するロッド６ｂとを有する。
【００１６】
ロッド６ｂの先端には、Ｕ字状のノズルブラケット６ｃが設けられている。図２に示すように、ノズルブラケット６ｃには、ガス供給ノズル３を挟むようにして左右一対の側壁６ｆ，６ｇが設けられ、各側壁６ｆ，６ｇには軸受け６ｄ，６ｅが組込まれている。一対の軸受け６ｄ，６ｅには、ガス供給ノズル３のノズル本体部３ａから突出している一対の軸部３ｂ，３ｃが支持される。軸部３ｂ，３ｃは、ノズル本体部３ａの基端３ｄの近傍に設けられると共に、レーザ光Ｌの光軸ＬＳを含む平面ＰＬに対して直交して延在する。ノズル本体部３ａの管軸線ＮＳは、光軸ＬＳを含む平面ＰＬ上に位置し、ノズル本体部３ａは、光軸ＬＳを含む平面ＰＬ上で、回転軸線Ｃを中心に傾動する。
【００１７】
ノズルブラケット６ｃの一方の側壁６ｆには、傾動サーボモータ８が固定されている。傾動サーボモータ８のシャフトは、減速ギヤを介して一方の軸部３ｃに連結されている。傾動サーボモータ８の駆動によって軸部３ｂ，３ｃが回転し、ガス供給ノズル３が傾動する。なお、前述した傾動サーボモータ８及び第１〜第３リニアアクチュエータ４〜６によってノズルアクチュエータ９が構成される。
【００１８】
傾動サーボモータ８には、アブソリュート型のロータリーエンコーダ１１が取り付けられている。ロータリーエンコーダ１１は、軸部３ｃの回転角度に応じて絶対的な２進コード情報を出力することで、軸部３ｃの回転角度を検出する。アブソリュート型のロータリーエンコーダ１１を採用することで、電源を切って、再度通電しても直ちに軸部３ｃの回転角度を取得できる。
【００１９】
ガス供給ノズル３のノズル本体部３ａは、銅製で、且つ全長に渡って同一内径の直状管であり、層流を形成するために、内径の５倍程度の長さを有する。さらに、ノズル本体部３ａには、閉塞された基端３ｄと、開放された先端３ｅとが形成されている。図１及び図３に示すように、先端３ｅは、管軸線ＮＳに直交する基準面ＳＰに対して、角度γの傾きを有するように切断されて形成される。ガス供給ノズル３の周壁には、ガス供給ノズル３内に連通する管継ぎ手部３ｆが設けられ、管継ぎ手部３ｆには、シールドガスＧを供給するためのホース３ｇが固定されている。シールドガスＧは不活性ガスであるアルゴンを含有する。圧縮されたシールドガスＧは、ホース３ｇを介してガス供給ノズル３内に供給され、ガス供給ノズル３の先端３ｅから噴射される。ガス供給ノズル３は、ノズルアクチュエータ９によって可動するが、ノズル本体部３ａの先端３ｅは、レーザ光Ｌに直交する平面ＰＡ（図３参照）内で保持される。
【００２０】
図１及び図３に示すように、レーザヘッド２の上端部には、支柱部２ｅを介してマニピュレータ１２の可動アーム部１２ａが固定されている。マニピュレータ１２は、可動アーム部１２ａを移動させることで、レーザヘッド２をＸ軸方向に移動させる。板材Ｗを載せる溶接台１３上には、二枚の板材Ｗが重ね合わせられた状態で載せられる。板材Ｗは平板であり、溶接台１３上で水平方向に延在する。レーザヘッド２は、鉛直方向で、且つ二枚の板材Ｗが重なった箇所における直線状の接合予定線ＳＳに向けてレーザ光Ｌを照射する。さらに、レーザヘッド２は、マニピュレータ１２の作動によって溶接台１３上で直線的に移動する。このレーザヘッド２の移動に伴い、レーザ光Ｌの照射部は、接合予定線ＳＳに沿って走査される。レーザ光Ｌの照射によって、板材Ｗには溶融池Ｓが生じ、レーザ光Ｌが通過した後には、溶融池Ｓが固化してレーザ溶接部ＬＪが形成される。
【００２１】
図３に示すように、レーザ溶接装置１は、バスを介して接続されたＣＰＵ１４、ＲＯＭ１６及びＲＡＭ１７等によって構成される主制御処理部１８を有する。ＣＰＵ１４は、マニピュレータ１２、レーザ発振部２ｂ、第１〜第３リニアアクチュエータ４〜６の各サーボモータ、傾動サーボモータ８及びロータリーエンコーダ１１に有線もしくは無線によって信号送受信可能に接続されている。ＣＰＵ１４は、レーザ溶接装置１全体の動作制御を行い、特に、レーザ光Ｌの照射強度及びレーザ走査速度を制御するレーザ走査制御部１４ａと、ガス供給ノズル３の可動を制御するノズル制御部１４ｂとを有する。レーザ走査制御部１４ａは、レーザ発振部２ｂに対してレーザ光Ｌの照射強度を設定する照射強度設定信号及びレーザ光Ｌの照射開始と停止に関するＯＮ／ＯＦＦ信号を出力し、さらに、マニピュレータ１２に対してレーザ走査速度を設定する速度設定信号、レーザ走査開始信号及びレーザ走査停止信号を出力する。また、ノズル制御部１４ｂは、ロータリーエンコーダ１１で検出した回転角度に基づいてノズルアクチュエータ９にガス供給ノズル３を可動させる制御信号を出力し、ガス供給ノズル３のノズル本体部３ａの先端３ｅを、光軸Ｌに直交する平面ＰＡ上に配置させる。なお、ＣＰＵ１４は、ガス供給ノズル３に供給されるシールドガスＧの流路を開閉する制御弁（図示省略）にも信号送受信可能に接続されており、制御弁に対する開閉信号をも出力する。
【００２２】
ＣＰＵ１４には、操作部としてのタッチパネル１９が信号送受信可能に接続されている。タッチパネル１９の液晶画面上には、レーザ溶接の初期条件やレーザ溶接の開始を指示するためタッチ部が表示されている。タッチパネル１９は、液晶画面上における作業者の指が触れた位置を検出し、その位置情報に基づく初期設定信号を出力する。ＣＰＵ１４には、タッチパネル１９から出力された初期設定信号が入力され、ＣＰＵ１４は、初期設定信号に応じた制御を実行するために、レーザヘッド２、マニピュレータ１２、ノズルアクチュエータ９に対して各種信号を出力する。
【００２３】
（レーザ溶接方法）
レーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接方法について説明する。レーザ溶接を行う場合には、図１に示すように、レーザヘッド２から照射されるレーザ光Ｌの照射部を板材Ｗの接合予定線ＳＳに合わせ、その照射部を、接合予定線ＳＳに沿って所定の速度で移動させることでレーザ走査を行う。また、レーザ走査と同時に、ガス供給ノズル３からシールドガスＧを噴射させる。シールドガスＧは、ガス供給ノズル３の先端３ｅから光軸Ｌに沿って噴射され、板材Ｗの表面に衝突する。そして、シールドガスＧは、板材Ｗの表面に衝突した後に、溶融池Ｓに向けて広がっていき、溶融池Ｓの周囲に一定ガス圧の酸化防止雰囲気ＳＡが形成される。酸化防止雰囲気ＳＡの形成によって溶融池Ｓは大気から遮断される。そして、安定した酸化防止雰囲気ＳＡを形成しながらレーザ走査を行った場合（図５（ａ）参照）は、酸化防止雰囲気ＳＡを形成せずにレーザ走査を行った場合（図５（ｂ）参照）に比べて、溶接ビードの形状が安定し、さらに、焼けこげも抑止される。そして、ガス供給ノズル３におけるノズル本体部３ａの先端３ｅをレーザ光Ｌの光軸ＬＳに直交させることで溶融池Ｓの周囲に安定した酸化防止雰囲気ＳＡを形成することができるため、シールドボックス（特許文献１参照）を用いなくても酸化防止雰囲気ＳＡを容易に形成できる。
【００２４】
本発明は、上記の各実施形態に限定されない。例えば、溶接用熱源としてＣＯ２レーザを用いても良い。また、ガス供給ノズルのノズル本体部は、全長に渡って同一内径の直状管に限定されず、先端の内径が縮径していたり、流路途中にくびれをもった管であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係るレーザ溶接装置の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のII−II線に沿った断面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿った断面図である。
【図４】レーザ溶接装置のブロック図である。
【図５】レーザ溶接部を示す写真であり、（ａ）は、酸化防止雰囲気を形成しながらレーザ走査を行ったレーザ溶接部を示す写真であり、（ｂ）は、酸化防止雰囲気を形成せずにレーザ走査を行ったレーザ溶接部を示す写真である。
【符号の説明】
【００２６】
１…レーザ溶接装置、２…レーザヘッド、３…ガス供給ノズル（レーザ溶接用ガス供給ノズル）、３ａ…ノズル本体部、３ｅ…先端、Ｗ…板材（被溶接体）、Ｌ…レーザ光、ＬＳ…光軸、Ｇ…シールドガス、ＮＳ…管軸線、ＳＰ…基準面、ＰＡ…平面。
【図１】
2007253216.tif 000003
【図２】
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【図３】
2007253216.tif 000005
【図４】
2007253216.tif 000006
【図５】
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