(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円周面に冷却水流路がある小径円柱が下端の外フランジから上方に突出し、前記外フランジの下端面に開きレ−ザ光束の光軸が貫通するノズルがあって、該ノズルと連続しそれより大きい開口で前記小径円柱の上端面に開いた空間がある、ノズル部材；
丸穴を有しそこに前記小径円柱を受け入れて前記ノズル部材を支持する絶縁部材；
尖端を有する中実棒状のプラズマ電極；
前記ノズルに向かうレ−ザ光束が通る開口を有し、前記プラズマ電極を、それが前記光軸に対して傾斜しかつ該光軸より退避した位置から尖端が前記空間を通して前記ノズルに指向する姿勢および位置に保持する、前記絶縁部材に結合された電極支持部材；
前記絶縁部材と電極支持部材との間にあってプラズマガスを前記ノズル部材の前記空間に供給する手段； および、
前記レーザ光束を放射するレーザヘッドに前記電極支持部材を結合する手段；
を備えるレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
【請求項２】
前記冷却水流路は前記小径円柱の首部にある；請求項１に記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
【請求項３】
前記プラズマガスを前記ノズル部材の前記空間に供給する手段は、前記レ−ザ光束が通る開口を有し該開口の内周面に、周に沿う方向に開いたプラズマガス流路を有するプラズマガス口、を含む；請求項１又は２に記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
【請求項４】
前記ノズル部材の前記空間は、前記小径円柱の上端面に開いた大きい開口から前記ノズルに連なる小さい開口との間の円錐面で囲まれた；請求項３に記載の、レ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
【請求項５】
前記電極支持部材の、前記レーザ光束を通すための前記開口は、前記プラズマガス口の前記開口よりも小径である；請求項３又は４に記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
【請求項６】
レーザはＹＡＧレーザである、請求項１乃至５のいずれか１つに記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
【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，切断，穴開け，加熱，溶融等の加工を行なうレ−ザ加工装置に関し、特に、レーザとプラズマを複合した加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばレーザ溶接は、低歪，高速溶接が可能であるが、レーザ光はスポット径が小さいことから突合わせ溶接においてギャップ裕度が少なく、溶接材の高い突合わせ精度が要求される。特開平２−５２１８３号公報には、突合わせ精度が粗くてもＣＯ２レーザによる突合わせ溶接を実現するために、ＣＯ２レーザの照射に先行して付き合わせ部をプラズマ溶接するプラズマアーク併用のレーザ溶接方法が開示されている。
【０００３】
この方法によれば、ギャップ裕度が大きくなりレーザ突合わせ溶接の品質が向上する。しかし、レーザ溶接の能率は、あまり向上しない。ここで能率とは、レーザパワーに対する、溶接対象材の厚み×溶接速度、である。
【０００４】
特開平１０−１８０４７９号公報には、レーザトーチの先端部に、プラズマ発生用のリング状又は円錐筒状のプラズマ電極とノズル部材を備えて、レーザ光を該プラズマ電極の中央の開口に通して、溶接対象材の同一点に同時にプラズマジェットとレーザ光を照射する溶接トーチが開示されている。プラズマジェットの中心を通って収束するレーザ光が、プラズマジェットにそれを絞るように作用して、溶接対象材に作用するプラズマジェット密度（エネルギ密度）が高くなって溶接能率が向上する、と説明されている。
【０００５】
しかしながら、リング状又は筒状のプラズマ電極は、一周の全点でアークを発生することができるが、アークが一点に留まってそこが消耗して電極形状が乱れて放電特性が不安定になりやすいと考えられる。つまり、プラズマ電極の安定動作時間が短いと推察される。
【０００６】
特開平１０−２１６９７９号公報には、レーザトーチの先端部に、下端のノズルに連なる円錐状の空間を形成し、そこにリング状又は円錐筒状の陰極電極と陽極電極を上下に設けて、それらの間にプラズマアーク電流を流す、非移行式プラズマ併用のレーザ加工ヘッドが開示されている。しかしながらこれにおいても、アークが一点に留まってそこが消耗して電極形状が乱れて放電特性が不安定になりやすいと考えられる。つまり、プラズマ電極の安定動作時間が短いと推察される。また、非移行式プラズマ発生であるので、ヘッドと溶接対象材との距離裕度が非常に小さいと考えられる。
【０００７】
特開平５−６９１６５号公報には、レーザトーチの先端部に、ＴＩＧ溶接用の筒状電極を備えて、レーザ光を該電極の中央の開口に通して、溶接対象材に照射するレーザ併用のＴＩＧ溶接トーチが開示されている。これにおいても、アークが一点に留まってそこが消耗して電極形状が乱れて放電特性が不安定になりやすいと考えられる。
【０００８】
特開平９−１２２９５０号公報には、レーザ光の集光用レンズ群の光軸位置にＴＩＧ溶接電極を配置した複合溶接ヘッドが開示されている。このＴＩＧ溶接電極は丸鉛筆の中実棒状の電極であり、その下端の尖端にＴＩＧアークが集中し、アークが安定であると推察される。しかしＴＩＧ下端部がトーチ外に露出し、電極の尖端直下にレーザ光が収束するので、溶接ヒュームによってレーザがさえぎられ、溶接能率の改善は低いと推察される。
【０００９】
ところで、アルミへのＹＡＧレーザ溶接は、ブローホールの発生，表面でのレーザ光の反射等の問題がある。すなわち、反射光の戻り光によりレーザ加工ヘッドのレンズ系，光ファイバの破損が起こる場合がある。極端な例ではあるが、ＹＡＧレーザロッドまで破損する場合がある。これを避けるため、加工ヘッドを傾けて直接反射光が加工ヘッド内に戻るのを防いでいる。しかし、加工ヘッドを傾けることによって、アルミ表面でのレーザ光の反射量が増え、有効にレーザ光エネルギを与えられない。また、アルミ表面の酸化皮膜は融点が高いので、高速溶接が困難である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、加工能率が高く、しかもプラズマ発生が安定するレ−ザ／プラズマ複合の加工装置を提供することを第１の目的とし、小出力のＹＡＧレーザで高出力のＹＡＧレーザと同等の加工性能を得ることを第２の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）円周面に冷却水流路(4)がある小径円柱が下端の外フランジから上方に突出し、前記外フランジの下端面に開きレ−ザ光束(21)の光軸(22)が貫通するノズル(2)があって、該ノズル(2)と連続しそれより大きい開口で前記小径円柱の上端面に開いた空間(3)がある、ノズル部材(1)；
丸穴を有しそこに前記小径円柱を受け入れて前記ノズル部材(1)を支持する絶縁部材(6)；
尖端を有する中実棒状のプラズマ電極(18)；
前記ノズル(2)に向かうレ−ザ光束(21)が通る開口(13)を有し、前記プラズマ電極(18)を、それが前記光軸(22)に対して傾斜しかつ該光軸(22)より退避した位置から尖端が前記空間(3)を通して前記ノズル(2)に指向する姿勢および位置に保持する、前記絶縁部材(6)に結合された電極支持部材(12,14)；
前記絶縁部材(6)と電極支持部材(12,14)との間にあってプラズマガスを前記ノズル部材(1)の前記空間(3)に供給する手段(8〜11)； および、
前記レーザ光束(21)を放射するレーザヘッド(17)に前記電極支持部材(12,14)を結合する手段(16)；
を備えるレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
【００１２】
なお、理解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素又は対応事項の符号を、参考までに付記した。以下も同様である。
【００１３】
これによれば、ノズル(2)を通って収束するレーザ光が、プラズマ電極下部に発生するプラズマジェットを通過してそれに作用し、溶接対象材に作用するプラズマジェット密度（エネルギ密度）が高くなって溶接能率が向上する。プラズマ電極(18)が尖った先端を有する中実棒状であるので、プラズマアークが該尖った先端に集中してそこに留まり、安定する。従って、プラズマ照射の安定動作時間が長い。プラズマジェットがヒュームを排斥するので、それらによるエネルギの遮断が少なく、この点からも、溶接能率が向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（２）前記冷却水流路(4)は前記小径円柱の首部にある；上記（１）に記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
【００１５】
（３）前記プラズマガスを前記ノズル部材(1)の前記空間(3)に供給する手段(8〜11)は、前記レ−ザ光束(21)が通る開口を有し該開口の内周面に、周に沿う方向に開いたプラズマガス流路(9)を有するプラズマガス口(8)、を含む；上記（１）又は（２）に記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。これによれば、プラズマガス流路(9)から吹込まれたプラズマガスが旋回しながら前記ノズル部材(1)の前記空間(3)に入って電極(18)のアークで電離されてノズル(2)から小径の旋回流のプラズマジェットになって出る。光軸を中心にしたサイクロン状に旋回するので、プラズマジェット噴射の方向安定性が高い。
【００１６】
（４）前記ノズル部材(1)の前記空間(3)は、前記小径円柱の上端面に開いた大きい開口から前記ノズル(2)に連なる小さい開口との間の円錐面(3)で囲まれた；上記（３）に記載の、レ−ザ／プラズマ複合の加工装置。これによれば、プラズマガスが円錐面(3)に沿って小径の旋回に収束し電極(18)のアークで電離されてノズル２からプラズマジェットになって出る。光軸を中心にしたサイクロン状に旋回して中心に収束するので、プラズマジェット噴射の方向安定性がより高い。
【００１７】
（５）前記電極支持部材(12,14)の、前記レーザ光束(21)を通すための前記開口(13)は、前記プラズマガス口(8)の前記開口よりも小径である；上記（３）又は（４）に記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。これにより、電極支持部材(12,14)が、プラズマガスの旋回流の、レーザ光源に戻る方向の移動をさえぎるので、旋回収束の力が強い。
【００１８】
（６）レーザはＹＡＧレーザである。ＹＡＧレーザは金属材料の光吸収率がＣＯ２レーザの数倍であるので、効率の良い溶接が可能である。また、波長がＣＯ２レーザの１／１０であるので、溶接時に発生するプラズマの影響を受けにくい。ＹＡＧレーザはフレキシブルな光フアイバで伝送できるので、ハンドリングが容易で多関節ロボットの利用も可能である。また、１００ｍ程度までの離れた場所への伝送が可能である。一方、ＹＡＧレーザは、イニシャルコストが高いので、自動車生産ラインのように複数台の設備を導入する場合には、設備費が膨大なものとなるが、レーザ光を時間分割（タイムシェアリング）、空間分割（パワーシェアリング）で、複数の加工ステーションに分配伝送して加工に用いることができ、高い利用効率を得られる。
【００１９】
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【００２０】
【実施例】
図１に本発明の１実施例の主要部を示す。ＹＡＧレーザヘッド１７のＹＡＧレーザ光束２１の光軸２２を中心としたノズル２を有するノズル部材１の外フランジが、図示しない複数のねじ（光軸２２を中心に９０度ピッチで分布する４本）によってノズル受け６に固着されている。ノズル部材１の小径円柱は、ノズル受け６の丸穴に挿入されて円柱外周面がＯリング７を圧縮している。また、前記図示しない複数のねじ止めにより、ノズル部材１の外フランジがＯリング５を圧縮している。ノズル部材１の小径円柱の首部にはリング状の冷却水流路４があり、この流路４が、Ｏリング５と７で気密にシールされている。なお、ノズル受け６には、この流路４に冷却水を供給するための注入ポートおよび流路４から冷却水を排水するための排出ポートがあるが、それらの図示は省略した。
【００２１】
ノズル部材１の小径円柱の内端面には、ノズル２を底としそれに連続する円錐面３があり、これが円錐空間を規定している。
【００２２】
ノズル受け６の内側の端面にはリング状の溝が刻まれており、そこに略小径リング状のプラズマガス口８が嵌め込まれ、その半径方向外方に略大径リング状のガスケット１０があって、ガス口８の外周面との間にリング状のプラズマガス通流空間２３を区画している。ガス口８には、その外周面と内周面に開き内周面の接線方向にガス口８を貫通する複数のプラズマガス注入ノズル９が開けられている。ガスケット１０には、プラズマガス通流空間２３に連通するプラズマガス注入ポート１１がある。
【００２３】
プラズマガス口８およびガスケット１０の上に、電極ホルダ１２があり、その中心穴１３の直径はガス口８の内周面の直径より小さく、したがって電極ホルダ１２は、ガス口８の内空間の庇となり、プラズマガス注入ノズル９からガス口８の内空間に入って旋回するプラズマガスの上方への放散を抑え旋回力を強くする。
【００２４】
電極ホルダ１２には図に示すように、尖った先端を有する中実棒状（丸鉛筆状）のプラズマ電極１８を、それが光軸（トーチ軸）２２に対して傾斜しかつ光軸２２より退避した位置からノズル２に指向する姿勢に受け入れる通し穴があり、その穴をプラズマ電極１８が貫通している。電極ホルダ１２にはその外周面から通し穴に至るねじ穴があり、このねじ穴にねじ込まれた留めねじ１９の締めつけによって、プラズマ電極１８が電極ホルダ１２に固定されている。２０はロックナットである。
【００２５】
電極ホルダ１２には絶縁台１４が載せられている。絶縁台１４，電極ホルダ１２，ブラケット１０およびノズル受け６は、それらを貫通しノズル受け６にねじ込まれた複数個のボルト１５（光軸２２を中心に１２０度ピッチで分布する３本）で一体に固着されている。
【００２６】
ＹＡＧレーザヘッド１７の下端外周の雄ねじに、フランジ付き雌ねじ筒１６がねじ結合しており、この雌ねじ筒１６に、そのフランジのねじ通し穴を貫通し絶縁台１４にねじ込まれた複数のねじ（光軸２２を中心に１２０度ピッチで分布する３本）で、絶縁台１４が固着されている。
【００２７】
この実施例では、プラズマ電極１８の尖つた先端にアーク放電の電界を集中させ、電極の先端部以外への電解集中を避けるように、電極ホルダ１２を導電体（銅製）とし、これに伴って、電極ホルダ１２の絶縁のために、ノズル受け６，プラズマガス口８，ガスケット１０および台１４を絶縁体（セラミック）とした。ノズル部材１は導電体（銅製）である。
【００２８】
プラズマ電極１８とノズル部材１には、パイロット電源ＰＳｐ，高周波高電圧のトリガ回路ＨＦおよびパイロットスイッチＳＷｐを含むパイロット電源回路が接続されており、プラズマ電極１８と突合わせ溶接対象材ＯＢ１には、移行式交流プラズマ電源ＰＳｍおよびメインスイッチＳＷｍを含むメインプラズマ電源回路が接続されている。
【００２９】
冷却水およびプラズマガスの供給を開始し、必要に応じてレーザヘッド１７においてもレーザ集束のためのレンズをパージするガスの供給を開始し、パイロットスイッチＳＷｐをオンにしそしてトリガ回路ＨＦを駆動してノズル部材１／プラズマ電極１８間に電気放電をトリガする。これによりパイロットプラズマが着火すると、トリガ回路ＨＦはオフにしてメインスイッチＳＷｍをオンにする。これにより溶接対象材ＯＢ１／プラズマ電極１８間に移行式交流プラズマアークが発生し、プラズマ溶接動作状態になる。ここでＹＡＧレーザ光束２１の射出を開始すると、レ−ザ／プラズマ複合の、高能率の突合わせ溶接動作状態になる。
【００３０】
交流プラズマアークは、正極，逆極性アークが交互に短い周期で切換りそれぞれ加工対象材すなわち母材に移行するものであり、逆極性アークが母材表面に陰極点を形成し、母材例えばアルミの表面の酸化皮膜（アルミナ）を溶融除去する。この結果、アルミ表面は梨地状に荒れてレーザ光は乱反射し、直接反射光がヘッド内に戻ることが無くなる。梨地状になったアルミ表面は、レーザ光の吸収率が向上する。アルミのレーザ溶接の場合、エネルギ集中度が高く、高速深溶け込み溶接が可能であるが、熱伝導度が高いため溶融池の凝固が早く、シールドガスがトラップされやすくブローホールが発生しやすい。上記実施例の交流プラズマを付加したＹＡＧレーザ溶接では、プラズマによって形成された溶融池は、レーザによる溶融池より大きく、プラズマの溶融池攪拌によってガスが抜けやすく、ブローホールが起きにくい。レーザ光はスポット径が小さいことから突合わせ溶接においてギャップ裕度が少なく、アルミ溶接においては特に、溶融池の凝固が早く、密着した突合わせが必要であって被溶接材の切断および溶接部拘束方法がシビアに要求されるが、プラズマ溶接との複合にする事によりギャップ裕度が緩和される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の１実施例の主要部を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１：ノズル部材        ２：ノズル
３：円錐面            ４：冷却水流路
５：Ｏリング          ６：ノズル受け
７：Ｏリング          ８：プラズマガス口
９：ガス注入ノズル    １０：ガスケット
１１：ガス注入ポート  １３：中心穴
１４：絶縁台          １５：ボルト
１６：雌ねじ筒        １７：ＹＡＧレーザヘッド
１８：プラズマ電極    １９：留めねじ
２０：ロックナット    ２１：ＹＡＧレーザ光束
２２：光軸            ２３：ガス通流空間
【図１】
0003768394.tif 000002