(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラワイヤ若しくはティグ、マグ、プラズマ等の各種アーク電極とレーザビームの光軸とを同軸化したフィラワイヤ若しくはティグ、マグ、プラズマ等のアーク同軸化レーザ溶接ヘッドにおいて、
凸型ルーフミラー及び凹型ルーフミラーを２枚組合せることにより、レーザビームを２分割して２つの集光レーザビームを作り、フィラワイヤ送給管若しくは電極保持管にレーザビームが照射されないようにしたことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項２】
フィラワイヤとレーザビームの光軸とからなるフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッドにおいて、
凸型ルーフミラー及び凹型ルーフミラーを２枚組合せることにより、レーザビームを間隔を有して２分割して２つの集光レーザビームを作り、上記レーザビーム外側に配置されたフィラワイヤ送給管より上記レーザビームの間隔内のフィラワイヤ案内体を介して集光位置にフィラワイヤを送給するようにしたことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
ティグ、マグ、プラズマ等の各種アーク電極とレーザビームの光軸とからなるティグ、マグ、プラズマ等のアーク同軸化レーザ溶接ヘッドにおいて、
凸型ルーフミラー及び凹型ルーフミラーを２枚組合せることにより、レーザビームを間隔を有して２分割して２つの集光レーザビームを作り、上記レーザビームの間隔内を通る通水管もしくは電極保持管にて支持されて集光位置上方に電極先端を保持することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項４】
上記［請求項１］、［請求項２］又は［請求項３］に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、
レーザビーム伝送用光ファイバの位置、又は凸型ルーフミラー及び凹型ルーフミラーをレンズ中心に対し、光軸に垂直な平面で垂直２方向に可動可能とすることにより、２分割されたレーザビームの強度比あるいはレーザビーム位置を変化させるようにしたことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ加工ヘッドに関し、特にフィラワイヤを送給したりティグ、マグ、プラズマ等の各種アーク溶接用電極を備えたレーザ加工ヘッドであり、レーザ加工の先端加工光学系として有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は従来技術に係る複合溶接ヘッドを概念的に示す説明図である。同図に示すように、この複合溶接ヘッド２３は、レーザ溶接とティグ溶接とを行うもので、レーザ溶接ヘッド２４とティグ溶接ヘッド２５との２つの溶接ヘッドを有している。かかる複合溶接ヘッド２３では、同一溶接部位をレーザ光とティグアークとで加工しており、両方の溶接ヘッド２４，２５を母材１６に対して垂直に設定する事ができないので、いずれか一方の溶接ヘッド２４若しくは２５を前方又は後方に傾け、つまり前進角又は後進角をつけて溶接している。図９では、ティグ溶接ヘッド２５先端のダングステン電極１０を前方に傾けレーザビーム６の集光部６ａにアーク１３が届くよう配慮している。
【０００３】
図１０は従来技術に係るフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド２６を概念的に示す説明図である。同図に示すように、このフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド２６は、全反射ミラー１４及び結像レンズ系４中央に穴をあけてフィラワイヤを通した構造であり、フィラワイヤ７とレーザビーム光軸とを同軸化し、フィラワイヤ送給管８を介してフィラワイヤ７を送給しながら溶接するようにしたものである。このフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド２６では光ファイバ１から出射されたレーザビーム６が全反射ミラー１４で反射され、結像レンズ系４で集光されて母材１６及びフィラワイヤ７の溶融に用いられる。フィラワイヤ７はフィラワイヤ送給装置９から送給される。
【０００４】
図１１は従来技術に係るティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッド２７を概念的に示す説明図である。同図に示すように、このティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッド２７はティグ溶接の電極１０とレーザビーム光軸とを同軸化して、ティグ溶接とレーザ溶接を同時に行うようにしたものであり、その基本構成は、図１０に示すフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド２６と同様であり、電極１０、これを保持する電極保持管１１及び溶接電源１２などが異なっているだけである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如き従来技術のうち、図９に示す複合溶接ヘッド２３では、レーザ溶接ヘッド２４とティグ溶接ヘッド２５という２つの溶接ヘッドを有するので、この溶接ヘッドが大きくなり、溶接方向も２つの溶接ヘッドの前後が決められているので、自由に選択できない。したがって、３次元形状の溶接には不向きであるという問題を有する。図１０に示すフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド２６では、光ファイバ１から出射されるレーザビーム６の中央が光の強度分布の最も強い所であるが、その部分は丁度フィラワイヤ送給管８が位置しているため、フィラワイヤ送給管８に照射されたレーザビーム６は乱反射されビーム伝送損失となってしまい目的によっては有効に用いられないという問題がある。図１１に示すティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッド２７は、図１０に示すフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド２６と同様にレーザビーム６が電極保持管１１に乱反射されビーム出力の損失を生起するという問題がある。
【０００６】
本願発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、３次元形状等の複雑な形状であっても良好にその溶接を行うことができ、同時に照射するレーザビームの損失を生起することなく効率の良い溶接を実現することができるレーザ加工ヘッドを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特定事項は次の点を特徴とする。
【０００９】
１）フィラワイヤ若しくはティグ、マグ、プラズマ等の各種アーク電極とレーザビームの光軸とを同軸化したフィラワイヤ若しくはティグ、マグ、プラズマ等のアーク同軸化レーザ溶接ヘッドにおいて、
凸型ルーフミラー及び凹型ルーフミラーを２枚組合せることにより、レーザビームを２分割して２つの集光レーザビームを作り、フィラワイヤ送給管若しくは電極保持管にレーザビームが照射されないようにしたこと。
【００１０】
２）フィラワイヤとレーザビームの光軸とからなるフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッドにおいて、
凸型ルーフミラー及び凹型ルーフミラーを２枚組合せることにより、レーザビームを間隔を有して２分割して２つの集光レーザビームを作り、上記レーザビーム外側に配置されたフィラワイヤ送給管より上記レーザビームの間隔内のフィラワイヤ案内体を介して集光位置にフィラワイヤを送給するようにしたこと。
【００１１】
３）ティグ、マグ、プラズマ等の各種アーク電極とレーザビームの光軸とからなるティグ、マグ、プラズマ等のアーク同軸化レーザ溶接ヘッドにおいて、
凸型ルーフミラー及び凹型ルーフミラーを２枚組合せることにより、レーザビームを間隔を有して２分割して２つの集光レーザビームを作り、上記レーザビームの間隔内を通る通水管もしくは電極保持管にて支持されて集光位置上方に電極先端を保持すること。
【００１２】
４）上記１），２）又は３）に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、レーザビーム伝送用光ファイバの位置、又は凸型ルーフミラー及び凹型ルーフミラーをレンズ中心に対し、光軸に垂直な平面で垂直２方向に可動可能とすることにより、２分割されたレーザビームの強度比あるいはレーザビーム位置を変化させるようにしたこと。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、図９〜図１１に示す従来技術と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は本発明の第１の実施の形態に係るフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッドを示す断面図である。同図に示すように、このフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド２１は凸型ルーフミラー２及び穴あき凹型ルーフミラー３を有しており、光ファイバ１から出射されたレーザビーム６を凸型ルーフミラー２で反射して２分割するとともに、このように２分割したレーザビーム６を穴あき凹型ルーフミラー３で反射して結像レンズ系４に導くように構成してある。穴あき凹型ルーフミラー３はその中央部にフィラワイヤ送給管８を通すための穴をあけたミラーである。この場合、レーザビーム６の２分割により図３にて後述するようレーザビーム６はその中央部がフィラワイヤ送給管８に当たることがなく、結像レンズ系４を通過して母材１６の表面の結像面で収束し、フィラワイヤ７と母材１６を溶融したキーホール溶接を実現する。
【００１５】
図２は本発明の第２の実施の形態に係るティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッドを示す断面図である。同図に示すように、このティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッド２２も、凸型ルーフミラー２及び穴あき凹型ルーフミラー３を有しており、光ファイバ１から出射されたレーザビーム６を凸型ルーフミラー２で反射して２分割するとともに、このように２分割したレーザビーム６を、電極保持管１１を通すための穴をあけた穴あき凹型ルーフミラー３で反射して結像レンズ系４に導くように構成してある。そして、この場合もレーザビーム６は、レーザビーム６の中央部が電極保持管１１に当たることなく結像レンズ系４を通過して母材１６の表面の結像面で収束し、このように収束したレーザビーム６とティグ溶接の電極１０によるアーク熱によって母材１６を溶融してキーホール溶接を実現する。また、このとき光ファイバ１の位置は、光ファイバ駆動軸１５によってレーザビーム６の光軸に垂直な面で自由に変えることができる。
【００１６】
図３は上記第１及び第２の実施の形態における凹凸ルーフミラーの組合せによるレーザビーム６の２分割を説明するための説明図である。同図に示すように、光ファイバ１から出射されたレーザビーム６は、中央で山形に出っ張った２枚のミラーからなる凸型ルーフミラー２により中心から２分割され半円形の２つのレーザビーム６となって反射される。つまり、光ファイバ１から出射されたレーザビーム６が円形であるのに対して凸型ルーフミラー２で分割されたレーザビーム６は半円形の２つのレーザビーム６となり凹型ルーフミラー３へ向って反射される。このレーザビーム６は、その後中央で谷形に落ち込んだ２枚のミラーからなる凹型ルーフミラー３で反射されて複数の穴あきレンズで構成される結像レンズ系４に入射する。ここで、凸型ルーフミラー２の反射により、円形のレーザビーム６が半円となるが、半円同士の距離を光学系であるミラー２，３の配置と凸型ルーフミラー２及び凹型ルーフミラー３の頂角（山形、谷形）の角度により変えることができ、その間にフィラワイヤ送給管８又は電極保持管１１が位置しているので、フィラワイヤ送給管８又は電極保持管１１にレーザビーム６が照射されることはない。
【００１７】
図４は上記第１及び第２の実施の形態における凹凸ルーフミラーの組合せによるレーザ加工ヘッドにおける集光過程の結像面よりレンズ側５ｍｍの位置及び１０ｍｍの位置でのレーザビーム６のビーム強度分布を示す説明図である。同図に示すように、凸型ルーフミラー２及び凹型ルーフミラー３の組合せにより結像面近傍までレーザビーム６は２分割されており、このため中央のフィラワイヤ送給管８及び電極保持管１１の位置にレーザビーム６の高強度分布が位置することはない。
【００１８】
さらに、レーザビーム６の集光を多少ディフォーカスすることにより、図５に示すように、強度を変えたツインビームを創り出すことができる。そして、このビーム強度分布は、光ファイバ駆動軸１５（図２参照、なお図示はしないが図１の場合も同様に構成してある。）で光ファイバ１の位置を調整することにより、また、凸型ル−フミラ−２や凹型ル−フミラ−３を光軸に垂直な平面で垂直２方向に動くようにすれば、集光部における２つの集光ビーム６のビーム強度を比較的自由に変えることができる。
【００１９】
図１〜図３に示す構造は、凸型ルーフミラー２及び凹型ルーフミラー３を用いてレーザビーム６を半円形に２分割し、フィラワイヤ送給管８や電極保持管１１へのビーム照射を抑制し防止するものである。
しかし、凹型ルーフミラー３の中央に穴をあけ、結像レンズ系４の中央にも穴をあける光学系の構造は、製造工数等の理由から高価なものとなり、また、フィラワイヤ送給管８や電極保持管１１によって光学系に損傷を生じやすいという問題があるため、できれば普通の（穴のあいていない）凹型ルーフミラー３や結像レンズ系４を用いるのが良い。
【００２０】
このため本発明者らは、普通の凹型ルーフミラー３や結像レンズ系４を用いて、レーザビーム光軸とフィラワイヤ７や電極１０を同軸として３次元形状等の複雑な形状の溶接を良好に行ない、またフィラワイヤ送給管や電極保持管へのレーザビームの照射がなく効率良い溶接を行なう改良を行なった。
【００２１】
図６（ａ）は、普通の（穴あきでない）凹型ルーフミラー３や結像レンズ系４を用いてフィラワイヤ７とレーザビーム６の光軸とをビーム集光位置にて同軸化させたものを示す簡略図てある。
すなわち、光ファイバ１から出射されたレーザビームは、凸型ルーフミラー２及び凹型ルーフミラー３にて半円形の２分割されたレーザビーム６とされ、しかも半円のレーザビームどおしは相互にある距離離れたビーム形状となる。そして、この凹型ルーフミラー３のレーザビーム６は、結像レンズ系４を介して集光される。この場合、凹型ルーフミラー３及び結像レンズ系４は穴のない普通の光学部品である。
【００２２】
他方、結像レンズ系４に沿うように隣接してフィラワイヤ送給管８が配置される。そして、このフィラワイヤ送給管８内をレーザビーム６の光軸と平行となるようにフィラワイヤ７が送給される。
フィラワイヤ送給管８の下端には、フィラワイヤ案内体１７が備えられている。このフィラワイヤ案内体１７は、結像レンズ系４の下方にあってフィラワイヤ７を、レーザビーム６の光軸と同軸となるように案内するもので、図６（ｂ）（ｃ）に示す如く細長い直方体形状を有し、片方の端上部から他の片方の端下部までフィラワイヤを案内する孔が形成されている。
【００２３】
フィラワイヤ案内体１７の形状は、結像レンズ系４を出た２つの半円形レーザビーム６間に位置するように細長く形成され、レーザビーム６の照射を受けないようになっている。もっとも、レーザビーム６は母材に向って集光されすぼまるような光束となるので、フィラワイヤ案内体１７を集光位置に密接して配置はできず、集光位置より上方に配置される。また、レーザビーム６の集光具合に従ってフィラワイヤ案内体１７の下部をテーパをつけて全体としてくさび形状としてもよい。いずれにしても、フィラワイヤ案内体１７のレーザビームの直接照射は避けられる。
【００２４】
また、フィラワイヤ案内体１７は、その内部にてフィラワイヤ７の向きが変えられる。このため、フィラワイヤ７の通過孔の形成に当り、図６（ｃ）に示すように上下方向にフィラワイヤ案内体１７を複数分割し、各分割片１７ａ，１７ｂ，１７ｃに直線の孔を形成し、その孔をつなぎ合わせるようにすれば、孔を容易に形成することができる。なお、各分割片１７ａ，１７ｂ，１７ｃは図６（ｃ）では３分割しているが、更に多くすればフィラワイヤ７の更になめらかな案内が可能となる。また、フィラワイヤ案内体１７の分割片１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、図６（ｃ）の如く縦に分割する他、横（長さ）方向に分割することもできる。更に、フィラワイヤ案内体１７は、レーザビーム６が照射されないように形成され置かれるのであるが直接光以外にも他からの反射光が照射されることも考えられるので、外面には高反射率の金コートを施すのがよい。
【００２５】
図６は、フィラワイヤ案内体１７における改良例を示したものであるが、図７はティグ溶接の電極１０の改良例を示している。すなわち、普通の（穴あきでない）凹型ルーフミラー３や結像レンズ系４を用いてタングステンの電極１０とレーザビーム６の光軸とを同軸化させたものである。
光ファイバ１から出射されたレーザビームは、図６と同様、半円形で相互に離間した２分割のレーザビーム６とされ、母材１６上に集光される。
他方、結像レンズ系４の下方にあってレーザビーム６の直接照射を受けない２分割のビーム間でレーザビーム６の光軸上には電極１０が母材１６に向って配置されている。そして、この電極１０は２分割のレーザビーム６間を通るレンズ面と平行な通水管１８にて支持され、電圧が印加される。
なお、電極１０の先端は、レーザビーム１０の集光程度に応じて先細に形成されることになるが、電極１０の先端はアーク発生のため母材１６に密接させないので、母材１６との離間の程度を考慮して決めることができる。
【００２６】
図８（ａ）は、電極１０を結像レンズ系４脇から斜めに保持する構造を示しており、電極保持管１１が通水管１８を途中まで兼ねており、途中から通水管１８がレンズ面と平行となるよう分岐される。
また、電極１０は、その先端がレーザビーム６の光軸上に位置され、しかも図８（ｂ）の如く電極１０は電極保持管１１を含めて２分割したレーザビーム６間に位置される。
なお、上述の図６、７、８に示す例でも前述の図２に示す光ファイバ駆動軸１５による位置調整や凸型ル−フミラ−、凹型ル−フミラの移動にて集光ビ−ム強度を変えることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに詳細に説明した通り、［請求項１］に記載する発明によれば、レーザビームを２分割し、フィラワイヤ送給管又はティグ、マグ、プラズマ等の各種アーク電極保持管にレーザビームが照射されないようにしたので、レーザビームを効率良く溶接のための母材に集中して照射することができる。また、フィラワイヤ送給管又はティグ、マグ、プラズマ等の各種アーク電極保持管はレーザビームと同軸であるため、３次元形状等の複雑な形状であっても作業性が阻害されることなく良好な溶接を行うことができる。［請求項２］及び［請求項３］に記載する発明によればレーザビーム間隔内にあってレーザビーム外側よりフィラワイヤ案内体にてフィラワイヤをビーム集光位置に送給したり、通水管や電極保持管にて電極をビーム集光位置に近づけたので、光学系に穴あき光学系を用いる必要もなく、安価なものとなった。［請求項４］に記載する発明によればレーザビーム伝送用光ファイバの位置、又は凸型ルーフミラー及び凹型ルーフミラーをレンズ中心に対し、光軸に垂直な平面で垂直２方向に可動可能とするようにしたので２分割されたレーザビームの強度比あるいはレーザビームの位置を適宜変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッドを示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッドを示す断面図。
【図３】上記第１及び第２の実施の形態における凹凸ルーフミラーの組合せによる作用を説明するための説明図。
【図４】上記第１及び第２の実施の形態における集光過程の結像面よりレンズ側位置でのビーム強度分布を示す説明図。
【図５】上記第１及び第２の実施の形態における穴あきレンズの整形ビーム強度分布を示す説明図。
【図６】第３の実施の形態を例示した簡略構成図。
【図７】第４の実施の形態を例示した簡略構成図。
【図８】第４の実施の形態の電極の変形例を示した構成図。
【図９】従来技術に係る複合溶接ヘッドを概念的に示す説明図。
【図１０】従来技術に係るフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッドを概念的に示す説明図。
【図１１】従来技術に係るティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッドを概念的に示す説明図。
【符号の説明】
１  光ファイバ
２  凸型ルーフミラー
３  凹型ルーフミラー
４  結像レンズ系
６  レーザビーム
７  フィラワイヤ
８  フィラワイヤ送給管
１０  電極
１１  電極保持管
１４  全反射ミラー
１５  光ファイバ駆動軸
１６  母材
１７  フィラワイヤ案内体
１８  通水管
２１  フィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド
２２  ティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッド
【図１】
0003868116.tif 000002
【図２】
0003868116.tif 000003
【図３】
0003868116.tif 000004
【図４】
0003868116.tif 000005
【図５】
0003868116.tif 000006
【図６】
0003868116.tif 000007
【図７】
0003868116.tif 000008
【図８】
0003868116.tif 000009
【図９】
0003868116.tif 000010
【図１０】
0003868116.tif 000011
【図１１】
0003868116.tif 000012