(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ技術とプラズマ・アーク技術とを結合し、工作物の表面において効率的に高エネルギー密度を生じさせることが可能な、溶接等の用途のためのレーザ・プラズモトロン溶接トーチであって、
（ａ）入力レーザ光線源と、
（ｂ）入力端部、出力端部及び回転中心軸を持つ本体と、
（ｃ）前記入力レーザ光線を前記回転中心軸に共直線的に導き、前記レーザ光線を工作物の手前における前記本体の外側の一点に集束させる、前記本体の前記入力端部に配置された光学系と、
（ｄ）前記レーザ光線が前記光学系によって向けられた後に通過するアパーチャが中心にある、前記本体の前記出力端部に配置された負電極と、
（ｅ）前記負電極を覆って配置された圧縮ノズルと、
（ｆ）前記負電極と前記圧縮ノズルとの間の領域内へプラズマガスを供給するための手段と、
（ｇ）前記プラズマ・ガスからプラズマを形成するために、前記負電極と前記工作物との間にアークを生じるための手段とからなり、このアークによって形成されたプラズマは、プラズマ・ジェットとして前記圧縮ノズルから流出するときに前記集束レーザ光線に相互作用し結合プラズマ・レーザ放電を形成することを特徴とし、
前記負電極の前記アパーチャの直径が、前記負電極の位置における前記レーザ光線の直径よりも小さいため、前記レーザ光線は、前記負電極と相互に作用し前記負電極を加熱するので前記負電極からの電子放出が増加されて前記結合プラズマ・レーザ放電の形成が増補される溶接トーチ。
【請求項２】
前記レーザ光線の前記レーザ源がＮｄ：ＹＡＧレーザである請求項１に記載の溶接トーチ。
【請求項３】
前記レーザの出力が３００ワットから５キロワットの間にある請求項２に記載の溶接トーチ。
【請求項４】
前記光学系が対物レンズからなる請求項１に記載の溶接トーチ。
【請求項５】
前記負電極が円錐形である請求項１に記載の溶接トーチ。
【請求項６】
前記レーザ光線の前記レーザ源がＣＯ２レーザである請求項１に記載の溶接トーチ。
【請求項７】
前記レーザの出力が３００ワットから１０キロワットの間にある請求項６に記載の溶接トーチ。
【請求項８】
前記圧縮ノズルのノズル径が１．５ミリメートルから４．０ミリメートルであり、前記圧縮ノズルには、前記ノズル径の半分から前記ノズル径の２倍の間の長さを持つ出口スロートがあり、前記負電極の前記遠心端は、０．５ミリメートルから１．５ミリメートルの間の負電極後退距離によって前記圧縮ノズルから分離されている請求項１記載の溶接トーチ。
【請求項９】
レーザ技術とプラズマ・アーク技術とを結合し、工作物の表面において効率的に高エネルギー密度を生じさせることが可能な、溶接等の用途のためのレーザ・プラズモトロン溶接トーチであって、
（ａ）出力端部及び回転中心軸を持つ本体と、
（ｂ）入力レーザ光線源と、
（ｃ）前記レーザ光線が前記出力端部において光線径を得るように前記回転中心軸に共直線的に前記入力レーザ光線を導くための手段と、
（ｄ）前記本体の前記出力端部に配置され、基端部及び遠心端を持ち、前記レーザ光線が通過するための、前記回転中心軸上に中心が位置するアパーチャを持つ負電極と、
（ｅ）前記負電極と前記工作物との間にアークを形成するための手段とからなり、
前記アパーチャの前記遠心端におけるアパーチャ径は、前記光線径よりも小さく、前記負電極は所定の壁厚を有する壁を有し、前記負電極は、前記基端部よりも前記遠心端により近い位置に膨らんだ部分を有し、この膨らんだ部分は、少なくともその一点における壁厚が、前記膨らんだ部分と前記基端部との間の少なくとも一点における壁厚よりも大きいことを特徴とする溶接トーチ。
【請求項１０】
前記アパーチャ径が前記光線径よりも少なくとも２％小さい請求項９に記載の溶接トーチ。
【請求項１１】
さらに、
（ｆ）前記負電極を覆って配置された圧縮ノズルと、
（ｇ）前記負電極と前記圧縮ノズルとの間の領域内へプラズマ・ガスを供給するための手段と、
（ｈ）前記負電極と前記工作物との間にアークを形成するための手段とからなり、このアークによってプラズマ・ガスからプラズマを形成させ、このプラズマをプラズマ・ジェットとして前記圧縮ノズルから流出させ、レーザ光線と相互に作用させて結合プラズマ・レーザ放電を形成する請求項９に記載の溶接トーチ。
【請求項１２】
前記圧縮ノズルのノズル径が１．５ミリメートルから４．０ミリメートルであり、前記圧縮ノズルには、前記ノズル径の半分から前記ノズル径の２倍の間の長さを持つ出口スロートがあり、前記負電極の前記遠心端は、０．５ミリメートルから１．５ミリメートルの間の負電極後退距離によって前記圧縮ノズルから分離されている請求項１１に記載の溶接トーチ。
【請求項１３】
前記本体には入力端部があり、前記レーザ光線を導くための手段には、前記本体の前記入力端部に配置された光学系が含まれ、レーザ光線は、本体の外側に位置する点に集束される請求項９に記載の溶接トーチ。
【請求項１４】
前記光学系には対物レンズが含まれる請求項１３に記載の溶接トーチ。
【請求項１５】
前記レーザ光線源がＮｄ：ＹＡＧレーザである請求項９に記載の溶接トーチ。
【請求項１６】
前記レーザの出力が３００ワットから５キロワットの間にある請求項１５に記載の溶接トーチ。
【請求項１７】
前記レーザ光線源がＣＯ２レーザである請求項９に記載の溶接トーチ。
【請求項１８】
前記レーザの出力が３００ワットから１０キロワットの間にある請求項１７に記載の溶接トーチ。
【請求項１９】
（ａ）
（ｉ）出力端部及び回転中心軸を持つ本体と、
（ｉｉ）入力レーザ光線源と、
（ｉｉｉ）前記レーザ光線が前記出力端部において光線径を得るように前記回転中心軸に共直線的に前記入力レーザ光線を導くための手段と、
（ｉｖ）前記本体の前記出力端部に配置され、基端部及び遠心端を持ち、前記レーザ光線が通過するための、前記回転中心軸上に中心が位置するアパーチャを持つ負電極と、
（ｖ）前記負電極と前記工作物との間にアークを形成するための手段とからなり、
前記アパーチャは前記遠心端にアパーチャ径を有し、前記負電極は所定の壁厚を有する壁を有し、前記負電極は、前記基端部よりも前記遠心端により近い位置に膨らんだ部分を有し、この膨らんだ部分は、少なくともその一点における壁厚が、前記膨らんだ部分と前記基端部との間の少なくとも一点における壁厚よりも大きいことを特徴とする溶接トーチに於いて、工作物の表面上に高エネルギー密度スポットを形成して溶接を行う溶接方法であって、
（ｂ）前記本体の前記中心軸に沿って前記レーザ光線を導くことによって、
（ｉ）前記レーザ光線によって前記負電極を加熱し、
（ｉｉ）前記レーザ光線を前記本体の外側に位置する焦点に収束させるステップと、
（ｃ）前記本体と前記工作物との間の領域内に、絞られたプラズマ・ジェットを形成することによって、前記レーザ光線及び前記プラズマ・ジェットの相互作用をもたらし、高エネルギー密度を持つ、高度に絞られたプラズマ・ジェットを生成し、前記工作物に当てるステップとからなることを特徴とする溶接方法。
【請求項２０】
前記レーザ光線を導くことによって前記負電極を加熱し、前記レーザ光線が、前記本体の前記出力端部において、前記アパーチャ径よりも大きな光線径を得るようにする請求項１９に記載の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接技法に用いるトーチのデザインに関し、特に、溶接工具によって生成されるエネルギーが工作物へ与えられる効率が、標準のプラズマ及びレーザ溶接トーチによって達成可能な効率よりも、より高い効率をもつ装置を作り出すために、レーザ溶接及びプラズマ・アーク溶接の技術的要素を結合する溶接トーチのデザインに関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接は、多くの産業において極めて重要な製造技術である。溶接の技法は、エネルギー集約的であり、液体物質のたまりを発生させそれを動かすための高エネルギー密度の生成を必要とする。通常の溶接技法において、溶接工具から工作物へのエネルギー投与効率は、使用材質及び溶接技術に依存し、良くても、２０から３０パーセントである。したがって、この投与効率を増すことによって、有意な経済的利益が得られる。溶接技法の他の局面、溶接品質及び生産性の向上等も課題であり、これらは溶接技法の経済性に影響する。これら全ての要因は、ある意味において、工作物に入射するエネルギー密度に依存するものであるため、新しい技術及び溶接工具を開発することによって、このエネルギー量を増やすため多くの努力が費やされている。
【０００３】
これらの技術の一つとして、プラズマ溶接は、絞られたアークが、二つの金属片を融解し融合するためのエネルギー源として用いられる処理である。プラズマ溶接は、単一工程で厚板を高速で溶接可能なため、高品質の溶接を行うために重工業において日常的に用いられている。この技術は、不活性ガスを強制的にアーク内に通すことによって高温の不完全電離ガス流を生成することに基づく。アークは、ガスがイオン化し通電可能な温度に加熱する。
【０００４】
もし、電極と工作物との間に電場が生じるなら、イオン化させられたガスによって形成されたプラズマ・アークは、工作物に当たりその物質を融解する。プラズマ・アーク溶接においては、プラズマガス流量、アーク電流及び溶接移動速度を適切に選択することによって、プラズマ・アークの高エネルギー及び運動量が、アークが物質の溶融池を通過し、基金属を完全に通過する小孔を形成する動圧を生じる状態を作り出す。この孔は「鍵孔」呼ばれ、このような特徴がある溶接技術は「鍵孔溶接」と呼ばれる。この鍵孔技術においては、流れが物質を通過し鍵孔を形成するとき、プラズマの流れによって、溶融金属が物質の溶着ビードの上面に追い出される。プラズマ・アーク・トーチが溶接継手に沿って移動されるので、鍵孔の前部で溶けた金属がプラズマ・アークの周りを後部へ流れ溶接だまりを形成する。この溶接形式の主要な利点は、継手の準備が最も楽で、一回の工程で、比較的に速く溶接が行えることにある。さらに、プラズマ溶接の一般的な利点としては、プラズマ・アークが鍵孔の中に集中するため、工作物の応力あるいは変形が減ることにある。
【０００５】
図１は、従来の技術における典型的なプラズマ・アーク溶接トーチ１０の構成要素を示す。トーチ１０は、吐出口１５を持つ圧縮ノズル１４の内部にはめ込まれて圧縮ノズルによって囲まれた電極１２からなる。電極１２とノズル１４との間に形成された空間は、プレナムチェンバ１６と呼ばれる。ノズル１４は、外側の遮蔽ガス・ノズル１７によって部分的に囲まれている。
【０００６】
トーチ１０の操作においては、電極１２と工作物１８との間に、あるいは電極１２とノズル１４との間に電流を生じさせる。オリフィスガスをプレナムチェンバ１６内に強制的に入れ、それによって電極１２を囲む。オリフィスガスがアーク内でイオン化されプラズマを形成する。プラズマは、プラズマ・ジェット２０として吐出口１５から流出し工作物１８に当たる。電極１２がプレナムチェンバ１６内にはめ込まれているため、（また、電極と工作物との間に電場が生じている場合は、その電場によって）プラズマ・ジェット２０は圧縮ノズルによって工作物の小領域上に一直線に集束される。これは、工作物上のエネルギー密度を増すのに役立つ。補助遮蔽ガスは、通常、外側のノズル１７を介して強制的に送られ、プラズマ・ジェットによって形成される物質溶融池への大気の混入を減らす目的でプラズマ・ジェットが当たる工作物１８上の領域を覆うために用いられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマ・アーク溶接には、溶接技法として多くの重要な利点があるが、この技術にはいくつかの深刻な制限もある。鍵孔侵食の深度、それに関わる溶接適性厚及び達成可能な溶接速度は、プラズマ・アークのエネルギー密度によって制限される。さらに、鍵孔は、いくつかの操作条件下で崩壊し、溶接継手の完成に障害を生じることもある。もう一つの制限は、プラズマの不安定性及びプラズマ幅によって、この技術の適用が特定タイプの物質に限られることにある。
【０００８】
プラズマ溶接において、鍵孔を確立するのに最も重要な要因は、工作物の位置におけるエネルギー密度である。鍵孔は、工作物の材質と、工作物の溶接トーチに対する速度に応じて、１０から２５０アンペアの溶接電流範囲下で形成される。さらに、プラズマ・アーク中の利用可能なエネルギー密度、それから生じる工作物上の加熱スポット内で利用可能なエネルギー密度は、プラズマ・アーク内における熱伝達の仕組みに依存する。
【０００９】
この点に関して、プラズマ・アークから環境への三つのモードの熱伝達損失、すなわち対流、伝導及び放射がある。これらの熱伝達モードは、プラズマ・アークの温度を減らし、結果的に、工作物におけるエネルギー密度を減少するものである。この伝導メカニズムは、ほとんどの操作条件下において通常無視できる程度である。プラズマ・アークが比較的低い温度で作用するとき、環境への対流熱損失が顕著に現れる。しかし、アークの温度が増すとき、温度の４乗に比例する放射熱損失が顕著になる。このため、散逸的な電流及び温度からのプラズマ・アーク・エネルギーの増加が、放射損失によって相殺される平衡状態が存在する。この状態は、プラズマ溶接技法の最大出力密度を制限し、その結果、より厚い板を溶接する、あるいは溶接速度を増すための能力を制限するため、この溶接技法の生産性を抑制するものである。
【００１０】
正常なプラズマ・アーク溶接中、放射伝熱は、約２００から２５０アンペアの電流及び約３から３．５キロワットのプラズマ出力密度に対して顕著になる。プラズマ溶接でより高い出力密度を達成することは、既存の技術では物理的に不可能である。溶接トーチからの出力消費を増加することによって出力密度を増すいかなる試みも、溶接効率の縮小をもたらす。もしより高速度の溶接を試みるなら、プラズマ・アークは不安定になり、溶接が低品質になる。さらに、工作物上の加熱スポットがすぐに溶接トーチ軸の後に移るため、高速プラズマ溶接の達成は困難である。このような空間的な不安定性が低い溶接品質の原因である。
【００１１】
工作物上の溶接点において高エネルギー密度を達成可能なもう一つのタイプの溶接技法が、レーザ溶接である。この溶接技法も溶接材に鍵孔を形成することに基づいており、多くの産業に応用されている。工作物上の出力密度に関しては、レーザ溶接（ＬＢＷ）は、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）と比較可能である。レーザ溶接の利点は、電子ビーム溶接が真空を必要とするのに対して、周囲空気中で、また種々の大気条件下で行うことが可能なことにある。レーザ光線が伝播する大気は、工作物へのエネルギー伝達を最適化するよう調整可能であるため、溶接技法が最適化できる。鍵孔モードでのレーザ溶接は、比較的に大きな浸入深度を提供するため、他の従来の溶接技術と比較して、比較的高速度でより厚い材料を溶接することを可能にする。また、レーザ溶接は、非常に正確であり、工作物への熱変形が少なく、溶加材の必要も少ない。費用が節約できるため、この技術は経済的である。
【００１２】
しかし、レーザ溶接にはいくつかの重大な限界がある。通常、鍵孔を生じさせそれを維持するために、大きな高出力のＣＯ2あるいはＮｄ：ＹＡＧレーザを必要とする。浸入深度及び溶接可能な材料厚は、レーザ光線の出力及び工作物に加えられるエネルギーによって決まる。これは、レーザ出力を増やすことによって高性能が得られることを示唆する。しかし、レーザに誘発されてプラズマが形成され、このプラズマがレーザ光線エネルギーを反射し工作物上に加えられるエネルギー量を減らしてしまうため、このアプローチにはあまり価値がない。
【００１３】
工作物へのレーザ光線の透過は、また、このプラズマの組成及び伝播性質に影響される。金属プラズマは、溶接中、鍵孔壁に作用する圧力を生じるため、鍵孔を保守するのに不可欠であることが既知である。しかし、プラズマの基本的な構成あるいは電子密度がレーザ光線の反射を起こすほどに高くなるなら、有害である。その密度があまりに低く、あるいはあまりにも高くなるなら、溶接効率は減少する。あるいは溶接が不可能になる。
【００１４】
プラズマによるエネルギー損失に加え、金属等の材料にレーザ溶接を開始することは困難である。なぜなら、高表面反射率によって、照射レーザ光線が、その面に作用せずに反射されてしまうためである。このため、鍵孔を確立するために、通常、高レーザ出力が必要となる。一度溶接が開始され鍵孔が形成されたなら、金属体は、レーザ放射加熱に対する黒体として作用するため、レーザ・エネルギーを減少させて溶接を続けることができる。面及びイオン化プラズマから反映されるエネルギーの量を減らすことによって工作物に注入されるレーザ光線出力量を改善することで、溶接効率をかなり増し、レーザの所要電力を減らすことが可能である。もう一つ重大な制限は、レーザは、その性質上、入力からレーザ光線の出力への変換に関して非常に非効率的である。
【００１５】
レーザ溶接中は、いくつかの仕組みによって工作物中に熱が移される。これらの仕組みの各々の相対的な有意性は、レーザ光線のエネルギー及び出力密度に依存する。定性的に、レーザ出力が１から２キロワット（ＫＷ）以下であれば、レーザ光線エネルギーは、光学的に吸収され、入射スポットにおいてその物質を溶かす。この状況では、レーザ光線と物質との間の熱伝達は、物質の熱特性によって決定される。物質の表面反射率は、溶接面へ注入されるレーザ・エネルギーの割合の減少にかなり影響する。この場合における工作物へのレーザ・エネルギーの有効投与は、５から１０％程度である。
【００１６】
レーザ光線出力が約１から２キロワットを超えると、物質表面は気相温度に到達し、金属蒸気プルーム（柱状のもの）が形成される。面加熱モードから鍵孔モードへ厳密に移行する出力は、レーザ光線の出力、溶接速度及び物質の熱特性に依存するエネルギー・レベルにおいて発生する。プルーム反衝圧は、溶融金属を介してレーザ光線エネルギーを浸透させ、鍵孔を形成する。このとき、レーザ光線は鍵孔へ通過し、放射伝熱によって工作物にエネルギーを与える。この場合、溶融池へのレーザ光線の吸収は、鍵孔が黒体として作用するので、レーザ光線が反射面に作用するときよりもかなり高くなる（理想的なケースでは７０％ほど高い）。しかし、このモードにおいては、物質が蒸発しプラズマ・リンクが確立されるとき、プラズマがあまりにも熱くなり過ぎて面へのレーザ・エネルギーをさえぎってしまう可能性がある。レーザ溶接は、通常、鍵孔モードで行われるが、特に、閾値エネルギー・レベルの近くで作動するときの、あるいは溶接速度があまりに大きいときの不安定性は、鍵孔の崩壊を起こすことがあり、深刻な生産上の問題を引き起こす。
【００１７】
金属工作物から反射されるレーザ光の量を減らすための装置が、「レーザ光線による機械加工装置（Laser-beam Operated Machining Apparatus）」と表題が付され  １９８７  年８月２５日に発行された米国特許第４，６８９，４６６号に説明されている。この特許には、レーザ光線が強制的に非圧縮ノズルを通過させられて工作物に当てられる溶接装置が説明されている。電極と工作物の表面との間にアーク放電を形成するための環状の電極がノズルの端部に設けられており、ノズルを介して強制的に送られる補助ガスがアークによってイオン化されてプラズマに変えられる。プラズマは、反射されたレーザ光の一部を吸収し、その吸収されたエネルギーを工作物の表面へ移す。このように、通常反射によって失われるエネルギーの一部が捕らえられ溶接点を形成する工程に利用されるため、処理効率が増す。したがって、この溶接装置では、通常失われてしまう反射エネルギーの一部を周囲のプラズマを形成することによって保持するため、レーザ・トーチによって生成されるエネルギーの投与効率は増加する。
【００１８】
前記の特許は、レーザ光線が非圧縮のアークに作用するため、プラズマの温度がプラズマ・アークのそれよりも低いという特徴がある装置を述べている。その結果、非圧縮アークへのレーザ光線の吸収を表す吸収係数は、比較的低い。したがって、アークへのレーザ・エネルギーのかなりの吸収は、通常、（ＣＯ2レーザ等の）強力なレーザが用いられた場合にのみ生じる。このようなレーザが特定用途に対してあまりにもコスト高な場合は、このことは欠点となる。
【００１９】
さらに、先に述べたように、溶接される材料の表面は、その気相温度に到達し、金属蒸気プルームを生成する。このプルームは、材料の表面からレーザ光線を遮蔽するように作用するため、溶接を続けることが困難になる。さらに、特に、低出力ＣＯ2あるいはＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられた場合、鍵孔モードを開始するのにアーク動圧が十分でないこともある。
【００２０】
アーク溶接装置をレーザ光線で拡張することによってレーザ溶接効率を増すための可能性について、いくつか研究が行われている。最近のアプローチでは、アーク溶接ヘッドの陽極をレーザと結合することで、両熱源と材料とを相互作用させ、一つの結合された熱源として用いることが行われた。アークは、レーザ光線下をある角度で通過するようにし、光線の少し前方に当てられた。この結合溶接能力は、単にレーザ光線のエネルギーがアークのエネルギーに加えられた場合よりも高かった。この構成は、単にレーザ溶接工具のみが用いられた場合に生ずるものと同じ結果を得るのに必要とした全エネルギー消費量は約５％少なかった。効率が改善される説明としては、工作物への加熱が材料の吸収係数を増加するためと考えられる。
【００２１】
プラズマ・アークあるいはレーザ溶接トーチによって現在達成可能なものと比べ、トーチによって生成されるエネルギーがより多くの割合で工作物へ投与されると共に、工作物の位置において高エネルギー密度を生成可能な溶接トーチが望まれる。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、レーザ技術とプラズマ・アーク技術とを結合することによって、工作物の表面において効率的に高エネルギー密度を生じさせることが可能な、溶接等の用途のためのプラズモトロン・トーチが提供される。このプラズモトロン・トーチは、（ａ）入力レーザ光線源と、（ｂ）入力端部、出力端部及び回転中心軸を持つ本体と、（ｃ）入力レーザ光線を中心軸に共直線的に導き、レーザ光線を工作物の手前における本体の外側の一点に集束させる、本体の入力端部に配置された光学系と、（ｄ）レーザ光線が光学系によって向けられた後に通過するアパーチャが中心にある、本体の出力端部に配置された負電極と、（ｅ）負電極を覆って配置された圧縮ノズルと、（ｆ）負電極と圧縮ノズルとの間の領域内へプラズマガスを供給するための手段と、（ｇ）プラズマ・ガスからプラズマを形成するために、負電極と工作物との間にアークを生じるための手段とを含む。このアークによって形成されたプラズマは、プラズマ・ジェットとして圧縮ノズルから流出するときに集束レーザ光線と相互に作用し結合プラズマ・レーザ放電を形成する。負電極のアパーチャの直径が、負電極の位置におけるレーザ光線の直径よりも小さいため、レーザ光線は、負電極と相互に作用し負電極を加熱するので負電極からの電子放出が増加されて結合プラズマ・レーザ放電の形成が増補される。
【００２３】
本発明によれば、レーザ技術とプラズマ・アーク技術とを結合することによって、工作物の表面において効率的に高エネルギー密度を生じさせることが可能な、溶接等の用途のためのプラズモトロン・トーチが提供される。このプラズモトロン・トーチは、（ａ）出力端部及び回転中心軸を持つ本体と、（ｂ）入力レーザ光線源と、（ｃ）レーザ光線が出力端部において光線径を得るように回転中心軸に共直線的に入力レーザ光線を導くための手段と、（ｄ）本体の出力端部に配置され、基端部及び遠心端を持ち、レーザ光線が通過するための、回転中心軸上に中心が位置するアパーチャを持つ負電極と、（ｅ）負電極と工作物との間にアークを形成するための手段とを含む。アパーチャの遠心端におけるアパーチャ径は、光線径よりも小さく、負電極には厚みのある壁があり、負電極は、基端部よりも遠心端により近い位置に膨らんだ部分を有する。この膨らんだ部分は、少なくとも一点における壁厚が、膨らんだ部分と基端部との間の少なくとも一点における壁厚よりも大きい。
【００２４】
本発明によれば、工作物の表面上に高エネルギー密度スポットを形成するための方法が提供される。この方法は、次のステップを含む。（ａ）レーザ・プラズモトロン溶接トーチを提供するステップ、この溶接トーチは、（ｉ）出力端部及び回転中心軸を持つ本体と、（ｉｉ）入力レーザ光線源と、（ｉｉｉ）レーザ光線が出力端部においてある光線径を得るように回転中心軸に共直線的に入力レーザ光線を導くための手段と、（ｉｖ）本体の出力端部に配置され、基端部及び遠心端を持ち、レーザ光線が通過するための、回転中心軸上に中心が位置するアパーチャを持つ負電極と、（ｖ）負電極と工作物との間にアークを形成するための手段とを含む。なお、アパーチャは遠心端にアパーチャ径を有し、負電極には厚みのある壁があり、負電極は、基端部よりも遠心端により近い位置に膨らんだ部分を有し、この膨らんだ部分は、少なくとも一点における壁厚が、膨らんだ部分と基端部との間の少なくとも一点における壁厚よりも大きい。（ｂ）本体の中心軸に沿ってレーザ光線を導くステップ。この結果、（ｉ）レーザ光線によって負電極が均一に加熱され、（ｉｉ）レーザ光線は、本体の外側に位置する焦点に収束される。（ｃ）本体と工作物との間の領域内に、絞られたプラズマ・ジェットを形成するステップ。これによって、レーザ光線及びプラズマ・ジェットの相互作用をもたらし、高エネルギー密度を持つ、より高度に絞られたプラズマ・ジェットを生成し、工作物に当てる。
【００２５】
本発明の目的は、レーザ溶接トーチ及びプラズマ・アーク溶接トーチの両特徴を結合する溶接トーチを提供することである。レーザ光線は、通常、対物レンズから構成される光学系によって導かれるため、プラズマ・アーク・トーチの中心軸に共直線的であり、トーチの底面オリフィスに配置された平面の、あるいは円錐状の負電極を通過する。負電極は、形成されるプラズマ・ジェットをより良く制御するために水冷される。また、負電極には、レーザ光線の直径よりも小さな径の同軸アパーチャが開けられており、レーザ光線は負電極を通過可能である。
【００２６】
負電極の下には、圧縮ノズルが配置されており、このノズルの軸をレーザ光線は通過する。標準的なプラズマ・アーク・トーチのように、底面端部に負電極及びノズルを持つチャンバを介してガスを強制的に供給し、レーザ光線によって負電極が加熱されるとき、通常必要とされるよりもより低い電圧でプラズマ・アークが生じる。レーザ光線がノズルを通過するときに集束し、負電極と工作物との間に形成されるプラズマ・アークと相互に作用し合う。プラズマ・アークとレーザ光線との間の相互作用によって、プラズマ・レーザ放電が形成される。このため、レーザ光線が集束され、工作物上に形成される溶接スポットのエネルギー密度が増加する。また、本発明の溶接トーチは、逆の極性モードでも作動可能である。この目的に対して、水冷電極の内径は、レーザ光線の径よりも僅かに大きい。システム効率が増加し、鍵孔モードで溶接を行うのに、より低出力のレーザが使用可能になるため、レーザ光線源としては、ＣＯ2レーザあるいはＮｄ：ＹＡＧレーザが使用可能である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の目的及び利点は、次の詳細な説明及び添付図面によってさらに明らかになる。
【００２８】
図２及び３は、本発明の溶接トーチ１００の断面図である。トーチ１００は、トーチ本体１１０を含み、その一端に、概して対物レンズ１１２からなる光学系が設けられている。レンズ１１２には、入射レーザ光線１１４を集束させる機能があるため、光線は、トーチ本体１１０の中心軸１１１に共直線になり、トーチ１００外部に位置する焦点ｆｐに集まる。
【００２９】
レンズ１１２の位置から反対側にあるトーチ本体１１０の出力端部１１３には、円錐状の負電極１１６が設けられている。負電極１１６は平面的なデザインであってもよい。中心軸１１１に同軸な円形アパーチャ１１７が負電極１１６を介して開けられているため、レーザ光線１１４はトーチ１００から吐出可能である。アパーチャ１１７の直径は、負電極１１６の位置におけるレーザ光線１１４の直径以下になっている。したがって、トーチ１００の操作においては、レーザ光線１１４が負電極１１６の内側表面を加熱するよう作用する。トーチ１００の本体１１０は、出力端部１１３が負電極ホルダー１２０によって終結する。適切に出口を配置し負電極ホルダー１２０を介して水あるいは他の冷却媒体を供給する。本発明の溶接トーチ１００の下部の部分的な断面図である図３に示されるように、圧縮ノズル１３０が負電極ホルダー１２０を包囲する。これら二つの間には、空間１２２が保たれ、オリフィス・ガスあるいはプラズマ・ガスの注入に用いられる。図２のものと同じ符号が付された図３の要素は、図２の同要素に対応する。
【００３０】
負電極１１６と工作物１４０との間、あるいは負電極１１６と外側ノズルすなわち遮蔽ノズルとの間に電流が確立されるとき、プラズマガスがイオン化されプラズマを形成する。外側ノズル、すなわち遮蔽ノズル１３２は、圧縮ノズル１３０を包囲するが、これら二つの間に設けられた空間１３１は、遮蔽ガスを注入するために用いられる。また、遮蔽ガスを注入する目的で、適当な出口を設けても良い。
【００３１】
図３には、本発明のトーチ１００のいくつかの重要なパラメータを示す。経路のノズル径、すなわちトーチ１００の出口に圧縮ノズル１３０に形成されたオリフィスをｄｎで示し、圧縮ノズル１３０の底面と工作物１４０との間の距離、トーチ離隔をｌｎａで示し、圧縮ノズル１３０の底面とレーザ光線１１４の焦点との間の距離をｆで示し、圧縮ノズル１３０の出口スロート、すなわち経路の長さをｌｎで示し、圧縮ノズル１３０の内側の面からの負電極１１６端部の後退距離をｌｃｎで示す。本発明の溶接トーチの作動が詳細に論じられるとき、これらのパラメータの有意性が明確になる。
【００３２】
図４は負電極１１６の実施例の断面図を示す。図４に示されるように、負電極１１６は、アパーチャ１１７が円錐状の負電極壁２００によって区画形成されて囲まれる環状構造を有する。負電極１１６は、負電極の基端部２０２が負電極ホルダー１２０に付けられており、遠心端２０４が工作物１４０に面する。アパーチャ１１７の内径Ｄａは、トーチ本体１１０の出力端１１３におけるレーザ光線１１４の直径Ｄｂよりも少なくとも２％小さいことが好ましい。壁２００は遠心端２０４に向かって厚くなり膨らんだ部分２１０になる。膨らんだ部分２１０には、膨らんだ部分２１０の少なくとも一点における壁２００厚が膨らんだ部分２１０と基端部２０２との間の少なくとも一点における壁厚よりも大きいという特徴がある。図４に示す負電極１１６の実施例においては、頚部２０６における厚さｄから始めて最大厚Ｄ＞ｄへ、遠心端２０４に向かって壁２００を厚くすることによって膨らんだ部分２１０を形成している。また、基端部２０２においては、負電極１１６と負電極ホルダー１２０との間に優れた熱接触性があるべきである。膨らんだ部分２１０及び優れた熱接触性の目的について次に説明する。
【００３３】
本発明のプラズモトロン溶接トーチ１００の作動においては、負電極１１６と正電極、通常、工作物１４０との間に電流が確立される。外部のレーザ源（図示せず）によって供給されたレーザ光線１１４は、対物レンズ１１２を通過し、本体１１０の中心軸１１１に共直線的に伝播する。負電極１１６の出口アパーチャ１１７は、その位置におけるレーザ光線１１４の幅よりも直径が小さいため、光線１１４の一部は負電極１１６の内面に当たる。
【００３４】
このため、負電極１１６が加熱され電子の放出が増す。したがって、電流と、レーザ光線１１４による負電極１１６の加熱との両方によって、電子が生じる。オリフィス・ガスあるいはプラズマ・ガスが、負電極ホルダー１２０と圧縮ノズル１３０との間に形成されたチャンバ１２２を介して供給されるとき、ガスがイオン化されプラズマ・アークが形成される。
【００３５】
軸方向に沿ってレーザ光線１１４とプラズマ・アークとが相互に作用し、結合レーザ・プラズマ放電を形成され、これが工作物１４０に作用する。レーザ光線１１４がプラズマ・アークを通過するとき、レーザ光線の一部が光学的に吸収されるため、レーザ光線及びプラズマ・アークの両方のエネルギー分布に影響が現れる。プラズマがレーザ光線エネルギーのかなりの量を吸収するためには、Ｋ（λ）・Ｌ＝１であることが望ましい。ここで、Ｋ（λ）は、レーザ光線の波長λにおけるプラズマ・ガスの吸収係数であり、Ｌは、プラズマ内におけるレーザの伝播路の長さである。
【００３６】
方位角の方向に均一に負電極１１６の膨らんだ部分２１０が加熱されること、すなわち、レーザ光線１１４によって加熱されるとき、膨らんだ部分２１０における負電極１１６の温度が、単に、軸１１１から径方向への距離及び軸１１１に平行な距離の関数であって、負電極１１６の周りの方位角度の関数でないことが重要である。図４に示された負電極１１６の構成は、膨らんだ部分  ２１０  の厚くなった領域に余分に熱容量を備え、また頚部２０６において熱伝導率を幾分規制することによって、一様な方位角方向の加熱を促進するものである。この構成は、半径方向における熱伝導以上に、方位角方向における熱伝導に有利である。均一加熱された負電極１１６は、レーザ光線１１４がプラズマ・アークの全容量に作用し易い軸対称形プラズマ放電の形成を促進するため、レーザ光線１１４とプラズマ・アークとの間の結合が最大になる。また、膨らんだ部分２１０が非均一に加熱された場合に膨らんだ部分２１０に生じる熱点は、負電極１１６の有効寿命を２分の１から３分の１までに短くする。負電極１１６の有効寿命は、基端部２０２における負電極１１６と負電極ホルダー１２０との間の優れた熱接触性によって延長される。
【００３７】
レーザ光線がプラズマと相互に作用しプラズマに吸収されるとき、レーザ光線軸に沿ったプラズマ温度及び電流密度が増加する。プラズマ・アークの安定性は、部分的に、プラズマ内における電流密度の増加による電場と磁場との結合の結果として増加する。この改善された電場によってプラズマ・アークの動作電圧の減少が可能である。
【００３８】
これらのレーザとプラズマとの間の直接的な相互作用の特徴に加え、レーザ光線と正電極すなわち工作物との間の間接的な相互作用がある。この作用により、工作物の表面においてさらにエネルギー密度を増加する。レーザ光線が工作物に当たるとき、工作物の浸食が起こる。工作物の表面が蒸発するため、表面にプラズマ・ジェットが形成される。この表面ジェットの電離電位は、一般に使用されるオリフィス・ガスや遮蔽ガスの電位よりも低いため、表面プラズマの電離度及び工作物上のレーザ・スポット上方の位置におけるプラズマの導電度は増加する。この増加に起因して、アークからの電流がこの領域へ流れる。これは、さらにプラズマ・アークを収縮するよう、また、アークが工作物に当たる位置におけるエネルギー密度を増すように作用する。
【００３９】
このレーザ光線とプラズマとの間の増補相互作用から予期される主な物理的効果としては、エネルギー密度を増すためのプラズマ・アークの絞り、工作物上の加熱領域の減少、プラズマ温度の増加、プラズマ・アークの安定性の増加及びエネルギー消費の減少がある。正味効果としては、工作物上により高いエネルギー密度のスポットを発生させること、また、レーザ及びアークのエネルギーを工作物へより効率的に投与することである。
【００４０】
いくつかの要因により、レーザ光線は、より効率的に工作物へ投与可能である。プラズマ・アークあるいはジェットによる鍵孔の形成は、レーザ光線のための黒色面として作用するので、工作物内へのレーザ光線エネルギーの吸収を増す。鍵孔の形成にレーザ・エネルギーが必要とされないため、レーザ光線エネルギーの大部分は、工作物に注がれる。最後に、誘発された金属プラズマすなわち表面プラズマを、通常のレーザ溶接技法のように鍵孔を維持することに必要としないため、より効率的な結合が生じる（増補プラズマ結合）。
【００４１】
同様に、プラズマ・アークあるいはジェットは、プラズマ・アークの軸に沿ったレーザ誘発電離によって、より効率的に工作物に当てられる。プラズマ・アーク、あるいはプラズマ・ジェットは、レーザ光線によって加熱されるため、通常のものと比べ、より低い電圧あるいは電流で作動可能である。レーザによってイオン化された経路は、高電子密度領域を提供し、プラズマ・アークへの電気抵抗を低くする。また、この結合相互作用は、プラズマ・アークを絞り安定させる効果があるため、これらの効果を達成するには、電子密度の比較的少ない増加で十分である。
【００４２】
本発明の発明者による事前の研究においては、レーザとプラズマとの相互作用あるいは結合によって、不安定なアークが安定可能で、また、安定なアークは抵抗が減少可能であることが明らかにされている。レーザ光線と物質表面との間の相互作用にプラズマ・アークが加えられたとき、強力なレーザの効果と同様な効果を得た。プラズマ・アークは、レーザ光線とほぼ同じ大きさの幅に絞られるが、このことは、プラズマの流体力学へのレーザの電場の重要性を示すものである。
【００４３】
本発明の重要性は、工作物に与えられるエネルギー密度を最大にするために、プラズマ・アークの絞りに影響する溶接トーチのこれらパラメータの識別すること及びそれらの最適な数値を決定することにある。発明者は、圧縮ノズルの直径ｄｎが１．５ミリメートルから４．０ミリメートルの間の値、圧縮ノズルの出口スロート長ｌｎが０．５ｄｎから２ｄｎの間の値、また、負電極後退距離ｌｃｎが０．５から１．５ミリメートルの間の値にあるとき、本発明の溶接トーチの性能が改善されることを発見した。
【００４４】
また、発明者は、ＣＯ2レーザをレーザ出力３００ワットから１０キロワットの間で、あるいは  Ｎｄ：ＹＡＧ  レーザをレーザ出力３００ワットから５キロワットの間で用いることによって、本発明が鍵孔モードの溶接を行うことに適用可能であることを確認している。レーザ溶接トーチを鍵孔モードで作動するのに現在必要なレーザ出力が遥かに大きいため、これらの有用なレーザ出力の数値は重要である。したがって、その他の利点に加え、本発明は、より低出力で安価なレーザ源の使用を可能にするため、溶接処理を行うための、より経済的で効率的な手段を提供する。
【００４５】
また、発明者は、プラズマの温度及び電子密度を含むプラズマ状態の関数として、レーザ・エネルギーのプラズマ・アークあるいはジェットへの結合についての物理学及び熱伝達性について調査した。研究目的には、光学的高温計及びレーザ・プローブ・ビーム偏向技術を用いて、温度及び電子密度勾配を三次元的に測ることによるプラズマ・アークの特徴づけが含まれた。研究は、最適プラズマ・アーク状態を決定することによって、与えられたレーザに対して工作物の表面におけるエネルギー密度を増加させることに向けられ、より低出力でエネルギー効率が良いレーザの使用を可能にした。
【００４６】
発明者は、ＣＯ2あるいはＮｄ：ＹＡＧレーザのいずれにかかわらず、より良いレーザ・プラズマ放電の工作物への投与を達成するためには、プラズマ・アーク出力は、レーザ出力値の０．５から５倍にあることが望ましいということを確認した。この用途で説明された条件下においては、溶接装置としてレーザが単独で用いられるときと同じ作動を行うときに要求される出力の約２分の１の出力しか持たないＣＯ2あるいはＮｄ：ＹＡＧレーザで溶接を行うことが可能である。
【００４７】
発明者は、本発明を用いて行われた溶接処理について次の特性を調査した。
【００４８】
１．レーザ出力、電流、電圧、オリフィス・ガス及び遮蔽ガスの混合及び流量の関数としての、プラズマ・アーク内のレーザ光線の輝度及び光学的吸収係数。
２．  レーザ出力の関数としての放電軸上のプラズマ・アーク温度。
【００４９】
これらの調査結果は、プラズマ・アークの特性に対するレーザ出力を増加させることの効果は、主に、プラズマの吸収係数の変化のためであることを示した。さらに、レーザ出力の増加は、概して、プラズマ温度の増加をもたらすが、レーザ出力をさらに増加することが結合放電輝度の減少をもたらし、ゆえに、工作物の表面における出力密度の減少をもたらす閾値レベルが存在する。
【００５０】
ここで用いられた用語及び表現は、説明のための用語として用いられるものであり、限定するためのものではなく、このような用語及び表現を用いることで、上記に示され説明された特徴に同等なもの、あるいはその一部を除去する意図はない。本発明の範囲内において種々の変更が可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な従来のプラズマ・アーク溶接トーチの構成要素を示す断面図である。
【図２】本発明の溶接トーチの断面図である。
【図３】本発明の溶接トーチの下部を表す部分断面図である。
【図４】本発明の負電極の実施例を表す断面図である。
【符号の説明】
１００  溶接トーチ
１１０  トーチ本体
１１２  対物レンズ
１１６  負電極
１１７  アパーチャ
１３０  圧縮ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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