(57)【要約】【課題】ハンドトーチを用いたレーザ溶接において、安全性を確保しつつ、送り速度を安定化して溶接の作業性を向上する。【解決手段】レーザ溶接装置１は、レーザ光源１１と、ハンドトーチ１２と、コンタクトチップ１３に所定周期ＴＢの振動を生じさせる振動素子１４と、ワーク２とコンタクトチップ１３とが通電状態である場合にレーザ光源１１によるレーザ光の出力を許容し、非通電状態である場合に出力を禁止するインターロック回路１５と、を備える。インターロック回路１５は、ワーク２とコンタクトチップ１３とが通電状態から非通電状態に移行したときに、非通電状態の持続時間が所定周期ＴＢよりも長い時間に設定された閾値ＴＣに満たないうちはレーザ光源１１によるレーザ光の出力を継続させ、非通電状態の持続時間が閾値ＴＣ以上となった場合にレーザ光源１１によるレーザ光の出力を停止させる制御部１６を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワーク同士をレーザ溶接するレーザ溶接装置であって、
前記レーザ溶接に用いられるレーザ光を出力するレーザ光源と、
前記ワークに当接させられるコンタクトチップが取り付けられ、前記レーザ光源から出力された前記レーザ光を前記コンタクトチップを通して出射させるハンドトーチと、
前記ハンドトーチから前記レーザ光が出射されているときに前記コンタクトチップに所定周期の振動を生じさせる振動素子と、
前記ワークと前記コンタクトチップとが通電状態である場合に前記レーザ光源による前記レーザ光の出力を許容し、前記ワークと前記コンタクトチップとが非通電状態である場合に前記レーザ光源による前記レーザ光の出力を禁止するインターロック回路と、を備え、
前記インターロック回路は、前記ワークと前記コンタクトチップとが前記通電状態から前記非通電状態に移行したときに、前記非通電状態の持続時間が前記所定周期よりも長い時間に設定された閾値に満たないうちは前記レーザ光源による前記レーザ光の出力を継続させ、前記非通電状態の持続時間が前記閾値以上となった場合に前記レーザ光源による前記レーザ光の出力を停止させる制御部を有する、レーザ溶接装置。
【請求項２】
前記振動素子は、前記ハンドトーチに固定されている、請求項１記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば鉄道車両構体には、雨等が車両内に入り込まないように水密性が要求される。水密性を確保するために、近年では、溶接部自体によってワークの水密性を確保可能なレーザ溶接が着目されている。例えば特許文献１に記載の鉄道車両用構体では、外板の端部の外面側に出入口枠の端部を重ね合わせ、出入口枠の端部と外板の主面とをレーザ溶接によって連続溶接している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１１２３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザ溶接に用いられる溶接装置としては、例えばレーザ光を出射させるハンドトーチを備えたレーザ溶接装置がある。このようなレーザ溶接装置では、ワークに対するハンドトーチの倣い性を確保するためのコンタクトチップがハンドトーチの先端部分に取り付けられる。ワークに当接させたコンタクトチップをガイドとすることで、ハンドトーチを安定して移動させることができ、所定の溶接予定線に沿ってレーザ溶接することが可能となる。
【０００５】
このようなレーザ溶接装置では、ワーク表面に例えばバリや研磨による傷、又は凹凸等（以下、バリ等という）がある場合、コンタクトチップの先端がバリ等に引っ掛かることでハンドトーチの進行が阻害され、ハンドトーチの送り速度が低下してしまうおそれがある。また、このようなレーザ溶接装置には、溶接時における安全性の確保のためのインターロック回路が搭載されている。インターロック回路では、ワークとコンタクトチップとが通電状態である場合にレーザ光の出力が許容され、ワークとコンタクトチップとが非通電状態である場合にレーザ光の出力が禁止される。そのため、引っ掛かりを回避するためにコンタクトチップをワークから離間させると、インターロック回路によってレーザ光の出力が意図せず停止されてしまい、溶接の作業性が低下するおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、ハンドトーチを用いたレーザ溶接において、安全性を確保しつつ、送り速度を安定化して溶接の作業性を向上できる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】
【０００７】
本発明のレーザ溶接装置は、ワーク同士をレーザ溶接するレーザ溶接装置であって、レーザ溶接に用いられるレーザ光を出力するレーザ光源と、ワークに当接させられるコンタクトチップが取り付けられ、レーザ光源から出力されたレーザ光をコンタクトチップを通して出射させるハンドトーチと、ハンドトーチからレーザ光が出射されているときにコンタクトチップに所定周期の振動を生じさせる振動素子と、ワークとコンタクトチップとが通電状態である場合にレーザ光源によるレーザ光の出力を許容し、ワークとコンタクトチップとが非通電状態である場合にレーザ光源によるレーザ光の出力を禁止するインターロック回路と、を備え、インターロック回路は、ワークとコンタクトチップとが通電状態から非通電状態に移行したときに、非通電状態の持続時間が所定周期よりも長い時間に設定された閾値に満たないうちはレーザ光源によるレーザ光の出力を継続させ、非通電状態の持続時間が閾値以上となった場合にレーザ光源によるレーザ光の出力を停止させる制御部を有する。
【０００８】
このレーザ溶接装置では、振動素子によってコンタクトチップに振動を生じさせることで、コンタクトチップをワークから断続的に離間させることができる。これにより、ワーク表面のバリ等によってコンタクトチップの進行が阻害されることを抑制でき、ハンドトーチの送り速度を安定化することが可能となる。また、このレーザ溶接装置のインターロック回路では、ワークとコンタクトチップとが通電状態から非通電状態に移行したときに、非通電状態の持続時間が所定周期よりも長い時間に設定された閾値に満たないうちはレーザ光源によるレーザ光の出力が継続され、非通電状態の持続時間が閾値以上となった場合にレーザ光源によるレーザ光の出力が停止される。これにより、振動素子によるコンタクトチップの振動に起因してレーザ光源によるレーザ光の出力が意図せず停止されてしまうことを回避できると共に、コンタクトチップが人為的にワークから離された場合にはレーザ光源によるレーザ光の出力を停止して安全性を確保できる。よって、このレーザ溶接装置によれば、ハンドトーチを用いたレーザ溶接において、安全性を確保しつつ、送り速度を安定化して溶接の作業性を向上できる。
【０００９】
また、本発明のレーザ溶接装置では、振動素子は、ハンドトーチに固定されていてもよい。これにより、交換部品であるコンタクトチップに対して振動素子が共通化されるので、コストを低減できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ハンドトーチを用いたレーザ溶接において、安全性を確保しつつ、送り速度を安定化して溶接の作業性を向上できるレーザ溶接装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置の概略図である。
【図２】インターロック回路による制御を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１に示されるレーザ溶接装置１は、例えば板状のワーク２同士を所定の溶接予定線に沿ってレーザ溶接するための装置である。レーザ溶接装置１は、レーザ光源１１と、ハンドトーチ１２と、振動素子１４と、インターロック回路１５と、を備えている。
【００１４】
レーザ光源１１は、レーザ光を出力するレーザ発振器である。レーザ光源１１は、例えばファイバレーザ発振器であり、所定のパルス幅ＴＡ（例えば、０．００２秒〜０．０２秒）のパルス光（換言すれば、所定の周波数（例えば、１０Ｈｚ〜５０Ｈｚ）のパルス光）を出力する。レーザ光源１１は、箱状の本体３に内蔵されている。レーザ光源１１のオンオフは、後述する制御部１６によって制御される。
【００１５】
ハンドトーチ１２は、レーザ光源１１から出力されたレーザ光を外部に出射させる部分である。ハンドトーチ１２は、本体３から延びる可撓性のケーブル１７の先端に設けられている。ハンドトーチ１２は、例えば、レーザ溶接を行う作業者が把持し易い外径の略円筒状をなしている。ハンドトーチ１２の外周面には、滑り止めや保護ガラス等が設けられている。
【００１６】
ハンドトーチ１２の先端には、コンタクトチップ１３が着脱自在に取り付けられる。コンタクトチップ１３は、中空の筒状部材であり、ハンドトーチ１２を通ったレーザ光は、コンタクトチップ１３を通ってコンタクトチップ１３の先端から外部に出射する。コンタクトチップ１３は、ハンドトーチ１２の先端に取り付けられた状態において、コンタクトチップ１３の中心軸とレーザ光源１１から導光されるレーザ光の光軸とが略一致するように設計されている。
【００１７】
コンタクトチップ１３は、導電性材料により形成されている。コンタクトチップ１３を形成する導電性材料は、ワーク２に傷を発生させない観点から、ワーク２の形成材料よりも硬度が低い材料であると好適である。例えばワーク２がステンレス鋼板である場合、コンタクトチップ１３を形成する導電性材料としては、例えば銅、銅合金、又は導電性カーボン等が挙げられる。
【００１８】
コンタクトチップ１３の先端部は、コンタクトチップ１３の先端側が切り欠かれることによって先細り形状をなしており、当該先端部には、溶接時にワーク２に当接してワーク２に対する倣い面となる当接面が形成されている。溶接時には、作業者は、ハンドトーチ１２をワーク２に対して移動方向Ｄの進行側に傾け、コンタクトチップ１３の当接面をワーク２に当接させる。そして、ワーク２に当接させたコンタクトチップ１３をガイドとして、ハンドトーチ１２を溶接予定線に沿って移動方向Ｄに移動させることによって、レーザ溶接部Ｗを線状に形成する。なお、溶接の態様は、ワーク同士をレーザ溶接するものであれば任意の態様であってよく、例えば、板状のワーク同士の隅肉溶接、板状のワーク同士の重ね合わせ部分における端面溶接、又は柱状のワーク同士のフレア溶接等であってもよい。
【００１９】
振動素子１４は、例えば圧電素子（ピエゾ素子）であり、印加された電圧に従って振動を発生させる。振動素子１４は、例えばハンドトーチ１２内に固定されており、ハンドトーチ１２に振動を付加することによって、コンタクトチップ１３にその中心軸に沿って所定の周期ＴＢ（例えば、１×１０−５秒〜５×１０−５秒）の振動（換言すれば、所定の周波数（例えば、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）の振動）を生じさせる。振動素子１４によるコンタクトチップ１３の振動の振幅は、例えば数μｍ程度である。振動素子１４のオンオフは、例えばレーザ光源１１のオンオフと同期されており、制御部１６によって制御される。すなわち、振動素子１４は、ハンドトーチ１２からレーザ光が出射されているときにコンタクトチップ１３に振動を生じさせる。
【００２０】
インターロック回路１５は、本体３に内蔵された制御部１６と、ワーク２及び制御部１６に接続されたアース１８と、ケーブル１７を通ってコンタクトチップ１３及び制御部１６に接続された配線（図示せず）とによって構成されている。インターロック回路１５は、ワーク２とコンタクトチップ１３とが導通している場合に成立し、ワーク２とコンタクトチップ１３とが非導通である場合に不成立となる。
【００２１】
制御部１６は、例えば、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス、及びハードディスク等を備えたコンピュータである。制御部１６は、ワーク２とコンタクトチップ１３とが通電状態である場合にレーザ光源１１によるレーザ光の出力を許容し、ワーク２とコンタクトチップ１３とが非通電状態である場合にレーザ光源１１によるレーザ光の出力を禁止する。また、制御部１６は、レーザ光源１１のオンオフに合わせて振動素子１４のオンオフを制御する。
【００２２】
より具体的には、制御部１６は、例えば、ワーク２とコンタクトチップ１３とが非通電状態から通電状態に移行したときに、レーザ光源１１にレーザ光の出力を開始させると共に、振動素子１４に振動を開始させる。また、制御部１６は、ワーク２とコンタクトチップ１３とが通電状態から非通電状態に移行したときには、非通電状態の持続時間が所定の閾値ＴＣに満たないうちはレーザ光源１１によるレーザ光の出力及び振動素子１４の振動を継続させ、非通電状態の持続時間が閾値ＴＣ以上となった場合にレーザ光源１１によるレーザ光の出力及び振動素子１４の振動を停止させる。
【００２３】
この閾値ＴＣは、コンタクトチップ１３の振動の周期ＴＢよりも長い時間（例えば、１×１０−３秒）に設定されている。より具体的には、閾値ＴＣは、例えば周期ＴＢの１０倍〜２００倍の範囲に設定されている。また、閾値ＴＣは、レーザ光源１１から出力されるレーザ光のパルス幅ＴＡの１／４０倍〜１／２倍の範囲に設定されている。
【００２４】
図２を参照しつつ、溶接時におけるインターロック回路１５による制御を更に説明する。溶接開始時に作業者がコンタクトチップ１３をワーク２に当接させ、ワーク２とコンタクトチップ１３とが非通電状態から通電状態に移行すると、インターロック回路１５によって、レーザ光源１１によるレーザ光の出力が開始されると共に、振動素子１４による振動が開始される。図２に示されるように、溶接時には、振動素子１４によってコンタクトチップ１３に微細な振動が生じることで、コンタクトチップ１３がワーク２から断続的に離間し、コンタクトチップ１３とワーク２とが通電状態と非通電状態との間での移行を繰り返す。コンタクトチップ１３とワーク２とが通電状態と非通電状態とを繰り返すタイミングは、振動素子１４によるコンタクトチップ１３の振動の周期ＴＢに対応する。
【００２５】
インターロック回路１５では、上述したように、非通電状態の持続時間が閾値ＴＣに満たないうちはレーザ光源１１によるレーザ光の出力及び振動素子１４の振動が継続される。そのため、図２に示されるように、振動素子１４によるコンタクトチップ１３の振動に起因してコンタクトチップ１３がワーク２から断続的に離間したとしても、レーザ光源１１によるレーザ光の出力及び振動素子１４の振動が継続される。また、インターロック回路１５では、上述したように、非通電状態の持続時間が閾値ＴＣ以上となった場合にレーザ光源１１によるレーザ光の出力及び振動素子１４の振動が停止される。そのため、図２に示されるように、例えば時点Ｔ１においてコンタクトチップ１３が人為的に（例えば、作業の中断又は終了等のために）ワーク２から離された場合には、非通電状態の持続時間が閾値ＴＣ以上となる時点Ｔ２において、レーザ光源１１によるレーザ光の出力が停止される。
【００２６】
以上説明したレーザ溶接装置１では、溶接時に、振動素子１４によってコンタクトチップ１３に微細な振動を生じさせることで、コンタクトチップ１３をワーク２から断続的に離間させることができる。これにより、ワーク２の表面のバリ等に引っ掛かることによってコンタクトチップ１３の進行が阻害されることを抑制でき、ハンドトーチ１２の送り速度を安定化することが可能となる。また、コンタクトチップ１３に生じる振動によってワーク２とコンタクトチップ１３との間の摩擦が低減されるため、ハンドトーチ１２の送り易さを向上できる。
【００２７】
また、レーザ溶接装置１のインターロック回路１５では、ワーク２とコンタクトチップ１３とが通電状態から非通電状態に移行したときに、非通電状態の持続時間が周期ＴＢよりも長い時間に設定された閾値ＴＣに満たないうちはレーザ光源１１によるレーザ光の出力が継続され、非通電状態の持続時間が閾値ＴＣ以上となった場合にレーザ光源１１によるレーザ光の出力が停止される。これにより、振動素子１４によるコンタクトチップ１３の振動に起因してレーザ光源１１によるレーザ光の出力が意図せず停止されてしまうことを回避できると共に、コンタクトチップ１３が人為的にワーク２から離された場合にはレーザ光源１１によるレーザ光の出力を停止して安全性を確保できる。
【００２８】
すなわち、振動素子１４の振動によってコンタクトチップ１３をワーク２から断続的に離間させる場合、仮に、従来のレーザ溶接装置のように、ワーク２とコンタクトチップ１３とが通電状態から非通電状態に移行したときにレーザ光源１１によるレーザ光の出力を直ちに停止させる制御を行うと、振動素子１４によるコンタクトチップ１３の振動に起因してレーザ光源１１によるレーザ光の出力が意図せず停止されてしまうこととなる。これに対して、レーザ溶接装置１では、非通電状態の持続時間が閾値ＴＣに満たないうちはレーザ光源１１によるレーザ光の出力が継続されるので、振動素子１４によるコンタクトチップ１３の振動に起因してコンタクトチップ１３がワーク２から断続的に離間したとしても、レーザ光源１１によるレーザ光の出力が継続される。その結果、振動素子１４によるコンタクトチップ１３の振動に起因してレーザ光源１１によるレーザ光の出力が意図せず停止されてしまうことが回避される。
【００２９】
また、コンタクトチップ１３が人為的にワーク２から離された場合には、非通電状態の持続時間が閾値ＴＣ以上となった時点において、レーザ光源１１によるレーザ光の出力が停止される。このように、コンタクトチップ１３が人為的にワーク２から離された場合にはレーザ光源１１によるレーザ光の出力を停止して安全性を確保できる。よって、レーザ溶接装置１によれば、ハンドトーチ１２を用いたレーザ溶接において、安全性を確保しつつ、送り速度を安定化して溶接の作業性を向上できる。また、送り速度を安定化することにより、溶接不良の発生を抑制してレーザ溶接の品質を向上することもできる。
【００３０】
また、レーザ溶接装置１では、閾値ＴＣが周期ＴＢの１０倍〜２００倍の範囲に設定されている。閾値ＴＣが周期ＴＢの１０倍以上であることにより、振動素子１４により発生される振動に数％から数十％程度のばらつきがあったとしても、振動素子１４によるコンタクトチップ１３の振動に起因してレーザ光源１１によるレーザ光の出力が意図せず停止されてしまうことを確実に回避できる。また、閾値ＴＣが周期ＴＢの２００倍以下であることにより、コンタクトチップ１３が人為的にワーク２から離された場合にレーザ光の出力をより確実に停止できる。
【００３１】
また、レーザ溶接装置１では、レーザ光源１１から出力されるレーザ光は、パルス光であり、閾値ＴＣは、レーザ光のパルス幅ＴＡの１／４０倍〜１／２倍の範囲に設定されている。これにより、非通電状態の持続時間が閾値ＴＣ以上となってレーザ光源１１によるレーザ光の出力が停止されるまでの間にハンドトーチ１２から出射されるレーザ光の光量を低減でき、安全性をより確実に確保できる。すなわち、レーザ光源１１から出力されるレーザ光の鉄に対する反射率は６０％程度であり、溶接時にはワーク２に照射されるレーザ光の６０％程度が周囲に拡散されていることを考慮すると、非通電状態の持続時間が閾値ＴＣ以上となってレーザ光源１１によるレーザ光の出力が停止されるまでの間にハンドトーチ１２から出射されるレーザ光の光量を十分に小さくでき、安全性を確保できる。
【００３２】
また、レーザ溶接装置１では、振動素子１４は、ハンドトーチ１２に固定されている。これにより、交換部品であるコンタクトチップ１３に対して振動素子１４が共通化されるので、コストを低減できる。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、振動素子１４は、超音波モータ等であってもよい。また、振動素子１４は、ハンドトーチ１２の外面に固定されていてもよく、コンタクトチップ１３に固定されていてもよい。
【００３４】
また、振動素子１４のオンオフは、例えばハンドトーチ１２に設けられたスイッチによって手動にて切り替えられてもよい。この場合、例えば溶接作業の開始時に作業者が振動素子１４をオンにすればよい。この構成によれば、例えば、バリ等の有無を目視等によって予め確認して、振動素子１４によるコンタクトチップ１３の振動が不要である場合には振動素子１４を振動させることなく溶接作業を行うことで、省エネルギー化を図ることができる。なお、バリ等の有無の確認は、レーザ光源１１によるレーザ光の出力が停止された状態のハンドトーチ１２を溶接予定線に沿って移動させることによって行われてもよい。この場合、例えばハンドトーチ１２にスイッチを設け、制御部１６がレーザ光源１１によるレーザ光の出力を許容し且つ当該スイッチがオンである場合に、レーザ光源１１によるレーザ光の出力が開始される構成とすればよい。
【００３５】
また、レーザ溶接装置１には、保護メガネが付属していてもよい。保護メガネの左右のレンズには、例えば、ハンドトーチ１２から出射するレーザ光に対応する波長の光をカットする機能が付加される。このような保護メガネを装着することにより、レーザ溶接の際にレーザ光（若しくはその反射光）が作業者の目に直接入射してしまうことを防止でき、レーザ溶接時における作業者の安全性の向上が図られる。
【符号の説明】
【００３６】
１…レーザ溶接装置、２…ワーク、１１…レーザ光源、１２…ハンドトーチ、１３…コンタクトチップ、１４…振動素子、１５…インターロック回路、１６…制御部、ＴＡ…パルス幅、ＴＢ…周期、ＴＣ…閾値。
【図１】
2017159321.tif 000003
【図２】
2017159321.tif 000004