(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行光にされたレーザー光を複数分割すると共に複数に分割されたレーザー光を溶接線の軸線方向に並列に配置して集光させる集光光学系統を備えたレーザー溶接ヘッドにおいて、分割前でコリメータ直後のレーザー光が前記溶接線の開先幅よりも広く、分割されたレーザー光が溶接線上で前記溶接線の開先幅よりも狭いことを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
【請求項２】
平行光にされたレーザー光を溶接線に向けて集光する集光光学系と、集光光学系の前側でレーザー光の半分を反射する第１反射手段と、レーザー光の残り半分の集光光学系への入射位置に対し溶接線に沿って隣接する並列位置に第１反射手段で反射された反射レーザー光を反射する第２反射手段とを備え、集光光学系で集光されるレーザー光は、第２反射手段で反射したレーザー光と第１反射手段で反射されない残り半分のレーザー光とが溶接線に沿って並列に２分割された状態となって照射されるレーザー溶接ヘッドにおいて、分割前でコリメータ直後のレーザー光が前記溶接線の開先幅よりも広く、分割されたレーザー光が溶接線上で前記溶接線の開先幅よりも狭いことを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
【請求項３】
平行光にされたレーザー光を複数に分割してそれぞれ反射する少なくとも１対の第１反射手段と、各第１反射手段で反射された反射レーザー光をそれぞれ反射する少なくとも１対の第２反射手段と、各第２反射手段で反射された反射レーザー光がそれぞれ入射され入射された反射レーザー光を溶接線に向けて並列に配置してそれぞれ集光する少なくとも１対の集光光学系とを備え、集光光学系で集光されるレーザー光は、各第２反射手段で反射したそれぞれのレーザー光が溶接線に沿って複数並列に配置されて照射されるレーザー溶接ヘッドにおいて、分割前でコリメータ直後のレーザー光が前記溶接線の開先幅よりも広く、分割されたレーザー光が溶接線上で前記溶接線の開先幅よりも狭いことを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
【請求項４】
請求項３において、レーザー光の分割は２分割であり、第１反射手段、第２反射手段及び集光光学系はそれぞれ１対備えられていることを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
【請求項５】
平行光とされたレーザー光の一部を反射する上第１反射手段と、上第１反射手段で反射されたレーザー光を反射する上第２反射手段と、上第１反射手段で反射されないレーザー光の一部を反射する下第１反射手段と、下第１反射手段で反射されたレーザー光を反射する下第２反射手段と、上第２反射手段で反射された反射レーザー光が入射され入射された反射レーザー光を溶接線に向けて集光する第１集光光学系と、下第２反射手段で反射された反射レーザー光が入射され入射された反射レーザー光を溶接線に向けて集光する第２集光光学系と、上第１反射手段及び下第１反射手段で反射されない残りのレーザー光が入射され入射されたレーザー光を溶接線に向けて集光する第３集光光学系とを備え、第１集光光学系、第２集光光学系及び第３集光光学系でそれぞれ集光されるレーザー光は、溶接線に沿って並列に配置されて照射されるレーザー溶接ヘッドにおいて、分割前でコリメータ直後のレーザー光が前記溶接線の開先幅よりも広く、分割されたレーザー光が溶接線上で前記溶接線の開先幅よりも狭いことを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー溶接ヘッドに関し、狭開先の溶接であっても確実に開先内にレーザー光が照射されるように企図したものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー光は極めて指向性がよく大エネルギーを有しているので、レーザー光を小さな点に集光することにより、狭開先溶接などに利用することができる。
開先溶接を行う場合、開先が狭いほど母材の熱変形を抑えることができるので、高い品質の製品を得るために近年では極めて狭い開先（例えば8mm ）の溶接が望まれてきている。
【０００３】
レーザー光を用いたレーザー溶接では、従来から、長焦点レンズを用いてレーザー光を集光することで狭開先溶接を実施することが考えられている。また、レーザー光を開先底部に案内する導波管を開先内に挿入し、導波管を用いて狭開先溶接を実施することが考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、長焦点レンズを用いてレーザー光を集光しても、装置を大型化して極端に長い焦点距離の長焦点レンズを使用しなければビームの収束角によりレーザー光を十分に小さな点に集光できず、開先の肩部にレーザー光の一部が照射されてしまい、所望のエネルギーのレーザー光が開先底部にまで到達せず、開先底部の溶接性能が劣化する問題が生じていた。また、導波管を用いた場合、開先の底部でのみの溶接となって耐久性に問題があり、実用化に至っていないのが現状である。
【０００５】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、極めて狭い開先であっても装置を大型化することなくレーザー光を開先内に照射することができるレーザー溶接ヘッドを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の構成は、平行光にされたレーザー光を複数分割すると共に複数に分割されたレーザー光を溶接線の軸線方向に並列に配置して集光させる集光光学系統を備えたレーザー溶接ヘッドにおいて、分割前でコリメータ直後のレーザー光が前記溶接線の開先幅よりも広く、分割されたレーザー光が溶接線上で前記溶接線の開先幅よりも狭いことを特徴とする。
【０００７】
また、上記目的を達成するための本発明の構成は、平行光にされたレーザー光を溶接線に向けて集光する集光光学系と、集光光学系の前側でレーザー光の半分を反射する第１反射手段と、レーザー光の残り半分の集光光学系への入射位置に対し溶接線に沿って隣接する並列位置に第１反射手段で反射された反射レーザー光を反射する第２反射手段とを備え、集光光学系で集光されるレーザー光は、第２反射手段で反射したレーザー光と第１反射手段で反射されない残り半分のレーザー光とが溶接線に沿って並列に２分割された状態となって照射されるレーザー溶接ヘッドにおいて、分割前でコリメータ直後のレーザー光が前記溶接線の開先幅よりも広く、分割されたレーザー光が溶接線上で前記溶接線の開先幅よりも狭いことを特徴とする。
【０００８】
また、上記目的を達成するための本発明の構成は、平行光にされたレーザー光を複数に分割してそれぞれ反射する少なくとも１対の第１反射手段と、各第１反射手段で反射された反射レーザー光をそれぞれ反射する少なくとも１対の第２反射手段と、各第２反射手段で反射された反射レーザー光がそれぞれ入射され入射された反射レーザー光を溶接線に向けて並列に配置してそれぞれ集光する少なくとも１対の集光光学系とを備え、集光光学系で集光されるレーザー光は、各第２反射手段で反射したそれぞれのレーザー光が溶接線に沿って複数並列に配置されて照射されるレーザー溶接ヘッドにおいて、分割前でコリメータ直後のレーザー光が前記溶接線の開先幅よりも広く、分割されたレーザー光が溶接線上で前記溶接線の開先幅よりも狭いことを特徴とする。そして、レーザー光の分割は２分割であり、第１反射手段、第２反射手段及び集光光学系はそれぞれ１対備えられていることを特徴とする。
【０００９】
また、上記目的を達成するための本発明の構成は、平行光とされたレーザー光の一部を反射する上第１反射手段と、上第１反射手段で反射されたレーザー光を反射する上第２反射手段と、上第１反射手段で反射されないレーザー光の一部を反射する下第１反射手段と、下第１反射手段で反射されたレーザー光を反射する下第２反射手段と、上第２反射手段で反射された反射レーザー光が入射され入射された反射レーザー光を溶接線に向けて集光する第１集光光学系と、下第２反射手段で反射された反射レーザー光が入射され入射された反射レーザー光を溶接線に向けて集光する第２集光光学系と、上第１反射手段及び下第１反射手段で反射されない残りのレーザー光が入射され入射されたレーザー光を溶接線に向けて集光する第３集光光学系とを備え、第１集光光学系、第２集光光学系及び第３集光光学系でそれぞれ集光されるレーザー光は、溶接線に沿って並列に配置されて照射されるレーザー溶接ヘッドにおいて、分割前でコリメータ直後のレーザー光が前記溶接線の開先幅よりも広く、分割されたレーザー光が溶接線上で前記溶接線の開先幅よりも狭いことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の第１実施形態例に係るレーザー溶接ヘッドの概略構成、図２にはレーザー光が平行に照射された際における図１中の平面状況、図３には図２中のIII-III 線矢視、図４には開先内におけるレーザー光の状況をを表す斜視、図５には図４中の開先部の平面を示してある。
【００１１】
図１に示すように、図示しないＹＡＧレーザー発振器等のレーザー発振器から出力されたレーザー光は光ファイバー１によりレーザー溶接ヘッド２に伝送される。レーザー溶接ヘッド２には、レーザー光３を平行光にするコリメートレンズ系４を備え、平行光にされたレーザー光３を２分割（複数分割）すると共に２分割されたレーザー光３を溶接線６の軸線方向に並列に配置して集光させる集光光学系統７を備えている。
【００１２】
図２、図３に示すように、集光光学系統７は、集光光学系としての集光レンズ系８と、図３中上半分のレーザー光３Ａを集光レンズ系８の前側で反射する第１反射手段としての第１反射鏡９と、第１反射鏡９で反射されたレーザー光３Ａを反射して集光レンズ系８に入射させる第２反射手段としての第２反射鏡１０とを備えている。レーザー光３の残りの半分である図３中下半分のレーザー光３Ｂは集光レンズ系８にそのまま入射される。レーザー光３Ａは、第１反射鏡９で反射されて図３中下方に偏向され、更に、第２反射鏡１０でレーザー光３Ｂと同一高さで隣接する並列位置（図２中下方）に偏向される。これにより、集光レンズ系８で集光されるレーザー光３は、第２反射鏡１０で反射したレーザー光３Ａと第１反射鏡９で反射されないレーザー光３Ｂとが溶接線６に沿って並列に２分割された状態となって照射される（図４、図５参照）。
【００１３】
従って、集光レンズ系８で集光されるレーザー光３は、略半分の幅で溶接線６に沿って並んで照射されることになり、極端に長い焦点距離の集光レンズを用いることなく、即ち、装置を大型化することなく、レーザー光３を狭い幅に集光することができる。この結果、狭い開先１１であっても、開先１１の肩部11a にレーザー光３の一部が照射されることがなく、レーザー光３を開先１１内に確実に照射することが可能になり、コンパクトで狭開先の溶接が可能なレーザー溶接ヘッドとすることができる。しかも、レーザー光３を狭い幅に集光することができるので、板厚が厚い母材に対しても狭開先溶接が可能になる。
【００１４】
本発明の第２実施形態例を図６乃至図８に基づいて説明する。図６には本発明の第２実施形態例に係るレーザー溶接ヘッドのレーザー光が平行に照射された際における平面状況、図７には図６中のVII-VII 線矢視、図８には開先部の平面を示してある。尚、図１乃至図５に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【００１５】
図６、図７に示すように、レーザー溶接ヘッド２０には、レーザー光３を平行光にするコリメートレンズ系４を備え、平行光にされたレーザー光３を２分割（複数分割）し、それぞれ図７中上半分のレーザー光３Ａと図７中下半分のレーザー光３Ｂとして反射する１対の第１反射手段としての第１反射鏡21a,21b を備えている。第１反射鏡21a,21b で反射されたレーザー光３Ａ，３Ｂ（反射レーザー光）はそれぞれ１対の第２反射手段としての第２反射鏡22a,22b で反射され、各第２反射鏡22a,22b で反射されたレーザー光３Ａ，３Ｂは集光光学系としての集光レンズ系23a,23b に入射される。集光レンズ系23a,23b では、入射されたレーザー光３Ａ，３Ｂを溶接線６の軸線方向に並列に配置して集光させる。尚、第１反射手段及び第２反射手段を３対以上の複数対備え、平行光にされたレーザー光３を３分割以上にすることも可能である。
【００１６】
第１反射鏡21a,21b 及び第２反射鏡22a,22b は、集光レンズ系23a,23b に入射されたレーザー光３Ａ，３Ｂを溶接線６の軸線方向に並列に配置させるように適宜傾斜して配されている。即ち、レーザー光３Ａは第１反射鏡21a 及び第２反射鏡22a で反射されて図７中若干下向きに偏向されて集光レンズ系23a に入射され、レーザー光３Ｂは第１反射鏡21b 及び第２反射鏡22b に入射されて図７中若干上向きに偏向されて集光レンズ系23b に入射される。そして、集光レンズ系23a,23b では、入射されたレーザー光３Ａ，３Ｂを溶接線６の開先１１内に軸線方向に並列に配置して集光される。これにより、集光レンズ系23a,23b で集光されるレーザー光３は、第１反射鏡21a 及び第２反射鏡22a で反射されたレーザー光３Ａと第１反射鏡21b 及び第２反射鏡22b で反射されたレーザー光３Ｂとが溶接線６に沿って並列に２分割された状態となって照射される（図８参照）。
【００１７】
従って、集光レンズ系23a,23b で集光されるレーザー光３は、略半分の幅で溶接線６に沿って並んで照射されることになり、装置を大型化することなく、レーザー光３を狭い幅に集光することができる。この結果、狭い開先１１であっても、開先１１の肩部11a にレーザー光３の一部が照射されることがなく、レーザー光３を開先１１内に確実に照射することが可能になり、コンパクトで狭開先の溶接が可能なレーザー溶接ヘッドとすることができる。しかも、レーザー光３を狭い幅に集光することができるので、板厚が厚い母材に対しても狭開先溶接が可能になる。
【００１８】
本発明の第３実施形態例を図９乃至図１１に基づいて説明する。図９には本発明の第３実施形態例に係るレーザー溶接ヘッドのレーザー光が平行に照射された際における平面状況、図１０には図６中のX-X 線矢視、図１１には開先部の平面を示してある。尚、図１乃至図５に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【００１９】
図９、図１０に示すように、レーザー溶接ヘッド３０には、レーザー光３を平行光にするコリメートレンズ系５を備え、平行光にされたレーザー光３を３分割（複数分割）し、それぞれ図１０中上１／３のレーザー光３Ａ（レーザー光３の一部）と図７中下１／３のレーザー光３Ｂとして反射する上第１反射手段及び下第１反射手段としての上第１反射鏡31a 及び下第１反射鏡31b が、図１０中上下に間をあけた状態で備えられている。レーザー光３Ｂは上第１反射鏡31a で反射されないレーザー光３の一部を反射するようになっている。
【００２０】
上第１反射鏡31a で反射されたレーザー光３Ａ（反射レーザー光）は上第２反射手段としての上第２反射鏡32a で反射され、下第１反射鏡31b で反射されたレーザー光３Ｂ（反射レーザー光）は下第２反射手段としての下第２反射鏡32b で反射される。上第２反射鏡32a で反射されたレーザー光３Ａは第１集光光学系としての第１集光レンズ系33a に入射され、第１集光レンズ系33a に入射されたレーザー光３Ａは溶接線６の開先１１内に向けて集光される。下第２反射鏡32b で反射されたレーザー光３Ｂは第２集光光学系としての第２集光レンズ系33b に入射され、第２集光レンズ系33b に入射されたレーザー光３Ｂは溶接線６の開先１１内に向けて集光される。
【００２１】
一方、図１０中真ん中１／３のレーザー光３Ｃ（上第１反射鏡31a 及び下第１反射鏡31b で反射されない残りのレーザー光）は第３集光光学系としての第３集光レンズ系33c に入射され、第３集光レンズ系33c に入射されたレーザー光３Ｃは溶接線６の開先１１内に向けて集光される。
【００２２】
第１集光レンズ系33a 、第２集光レンズ系33b 及び第３集光レンズ系33c では、入射されたレーザー光３Ａ，３Ｂ，３Ｃを溶接線６の開先１１内に軸線方向に並列に配置して集光させる。上第１反射鏡31a 、上第２反射鏡32a 及び下第１反射鏡31b 、下第２反射鏡32b は、第１集光レンズ系33a 及び第２集光レンズ系33b に入射されたレーザー光３Ａ，３Ｂを溶接線６の軸線方向に並列に配置させるように適宜傾斜して配されている。即ち、レーザー光３Ａは上第１反射鏡31a 、上第２反射鏡32a で反射されて図１０中若干下向きに偏向されて第１集光レンズ系33a に入射され、レーザー光３Ｂは下第１反射鏡31b 、下第２反射鏡32b に入射されて図１０中若干上向きに偏向されて第２集光レンズ系33b に入射される。
【００２３】
そして、第１集光レンズ系33a 、第２集光レンズ系33b 及び第３集光レンズ系33c では、入射されたレーザー光３Ａ，３Ｂ，３Ｃをレーザー光３Ｃを真ん中にして溶接線６の軸線方向に並列に配置して集光させる。これにより、第１集光レンズ系33a 、第２集光レンズ系33b 及び第３集光レンズ系33c でレーザー光３は集光され、上第１反射鏡31a 、上第２反射鏡32a で反射されたレーザー光３Ａ，３Ｂ及び上第１反射鏡31a 、上第２反射鏡32a で反射されないレーザー光３Ｃが溶接線６に沿って並列に３分割された状態となって照射される（図１１参照）。
【００２４】
従って、第１集光レンズ系33a 、第２集光レンズ系33b 及び第３集光レンズ系33c で集光されるレーザー光３は、略１／３の幅で溶接線６に沿って並んで照射されることになり、レーザー光３を極めて狭い幅に集光することができる。この結果、極めて狭い開先１１であっても、開先１１の肩部11a にレーザー光３の一部が照射されることがなく、レーザー光３を開先１１内に照射することが更に確実に可能になり、コンパクトで狭開先の溶接が可能なレーザー溶接ヘッドとすることができる。しかも、レーザー光３を狭い幅に集光することができるので、板厚が厚い母材に対しても狭開先溶接が可能になる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明のレーザー溶接ヘッドは、平行光にされたレーザー光を複数分割すると共に複数に分割されたレーザー光を溶接線の軸線方向に並列に配置して集光させる集光光学系統を備えたレーザー溶接ヘッドにおいて、分割前でコリメータ直後のレーザー光が前記溶接線の開先幅よりも広く、分割されたレーザー光が溶接線上で前記溶接線の開先幅よりも狭いので、極めて狭い開先であっても、開先の肩部に照射されることなくレーザー光を開先内に照射することができる。
【００２６】
また、本発明のレーザー溶接ヘッドは、平行光にされたレーザー光を溶接線に向けて集光する集光光学系と、集光光学系の前側でレーザー光の半分を反射する第１反射手段と、レーザー光の残り半分の集光光学系への入射位置に対し溶接線に沿って隣接する並列位置に第１反射手段で反射された反射レーザー光を反射する第２反射手段とを備え、集光光学系で集光されるレーザー光は、第２反射手段で反射したレーザー光と第１反射手段で反射されない残り半分のレーザー光とが溶接線に沿って並列に２分割された状態となって照射されるレーザー溶接ヘッドにおいて、分割前でコリメータ直後のレーザー光が前記溶接線の開先幅よりも広く、分割されたレーザー光が溶接線上で前記溶接線の開先幅よりも狭いので、極めて狭い開先であっても、開先の肩部に照射されることなく、レーザー光を開先内に照射することができる。
【００２７】
また、本発明のレーザー溶接ヘッドは、平行光にされたレーザー光を複数に分割してそれぞれ反射する少なくとも１対の第１反射手段と、各第１反射手段で反射された反射レーザー光をそれぞれ反射する少なくとも１対の第２反射手段と、各第２反射手段で反射された反射レーザー光がそれぞれ入射され入射された反射レーザー光を溶接線に向けて並列に配置してそれぞれ集光する少なくとも１対の集光光学系とを備え、集光光学系で集光されるレーザー光は、各第２反射手段で反射したそれぞれのレーザー光が溶接線に沿って複数並列に配置されて照射されるレーザー溶接ヘッドにおいて、分割前でコリメータ直後のレーザー光が前記溶接線の開先幅よりも広く、分割されたレーザー光が溶接線上で前記溶接線の開先幅よりも狭いので、極めて狭い開先であっても、開先の肩部に照射されることなく、レーザー光を開先内に照射することができる。
【００２８】
また、本発明のレーザー溶接ヘッドは、平行光とされたレーザー光の一部を反射する上第１反射手段と、上第１反射手段で反射されたレーザー光を反射する上第２反射手段と、上第１反射手段で反射されないレーザー光の一部を反射する下第１反射手段と、下第１反射手段で反射されたレーザー光を反射する下第２反射手段と、上第２反射手段で反射された反射レーザー光が入射され入射された反射レーザー光を溶接線に向けて集光する第１集光光学系と、下第２反射手段で反射された反射レーザー光が入射され入射された反射レーザー光を溶接線に向けて集光する第２集光光学系と、上第１反射手段及び下第１反射手段で反射されない残りのレーザー光が入射され入射されたレーザー光を溶接線に向けて集光する第３集光光学系とを備え、第１集光光学系、第２集光光学系及び第３集光光学系でそれぞれ集光されるレーザー光は、溶接線に沿って並列に配置されて照射されるレーザー溶接ヘッドにおいて、分割前でコリメータ直後のレーザー光が前記溶接線の開先幅よりも広く、分割されたレーザー光が溶接線上で前記溶接線の開先幅よりも狭いので、極めて狭い開先であっても、開先の肩部に照射されることなく、レーザー光を開先内に確実に照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態例に係るレーザー溶接ヘッドの概略構成図。
【図２】レーザー光が平行に照射された際における図１中の平面図。
【図３】図２中のIII-III 線矢視図。
【図４】開先内におけるレーザー光の状況を表す斜視図。
【図５】図４中の開先部の平面図。
【図６】本発明の第２実施形態例に係るレーザー溶接ヘッドのレーザー光が平行に照射された際における平面図。
【図７】図６中のVII-VII 線矢視図。
【図８】開先部の平面図。
【図９】本発明の第３実施形態例に係るレーザー溶接ヘッドのレーザー光が平行に照射された際における平面図。
【図１０】図９中のX-X 線矢視図。
【図１１】開先部の平面図。
【符号の説明】
１  光ファイバー
２，２０，３０  レーザー溶接ヘッド
３  レーザー光
４  コリメートレンズ系
６  溶接線
７  集光光学系統
８  集光レンズ系
９，21a,21b   第１反射鏡
１０，22a,22b   第２反射鏡
１１  開先
23a,23b   集光レンズ系
31a   上第１反射鏡
31b   下第１反射鏡
32a   上第２反射鏡
32b   下第２反射鏡
33a   第１集光レンズ系
33b   第２集光レンズ系
33c   第３集光レンズ系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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