JP2001058285A

JP2001058285A - レーザ溶接用光学ヘッド

Info

Publication number: JP2001058285A
Application number: JP11233629A
Authority: JP
Inventors: Eizo Tsuda; 栄三津田; Hiroshi Watanabe; 寛渡辺; Kaoru Adachi; 馨安達; Kazuhiko Ono; 数彦小野; Taiichi Matsumoto; 泰一松本
Original assignee: Komatsu Ltd; Shin Meiva Industry Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd; Shinmaywa Industries Ltd
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2001-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】安価に製造できると共に、溶接品質を向上す
ることができるレーザ溶接用光学ヘッドを提供するこ
と。【解決手段】レーザ光ＬＡを平面鏡３、４を用いて放
物面鏡５に導き、この放物面鏡５で集光した集光ビーム
ＬＢを溶接部２に照射して溶接を行うレーザ溶接用光学
ヘッド１において、放物面鏡５は、出射光の光軸が入射
光の光軸に対して約３０度ずれる３０度軸外し放物面鏡
であり、放物面鏡５とその直前に配置した平面鏡４との
少なくとも一方を所定の回転軸回りに揺動させて集光ビ
ームＬＢをスキャニングさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ発振器か
ら出力されたレーザ光を伝送光学系によって放物面鏡ま
で導き、放物面鏡によって所定のスポット径に集光した
集光ビームを溶接部に照射することによって溶接を行う
レーザ溶接用光学ヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来のレーザ溶接用光学ヘッド
３１の構成を示す断面図である。レーザ溶接用光学ヘッ
ド（以下、「光学ヘッド」という。）３１は、ヘッド本
体３１ａの先端側に略円筒状のトーチ部３１ｂを有し、
図示しないレーザ発振器から出力されたレーザ光ＬＡは
ヘッド本体３１ａの基端側から入射される。レーザ光Ｌ
Ａは、溶接部３２に対して略垂直方向から平面鏡３３に
入射され、この平面鏡３３によって光軸が約９０度ずれ
るように反射されて放物面鏡３４に入射される。放物面
鏡３４は、レーザ光ＬＡを所定のスポット径に集光した
集光ビームＬＢを作成すると共に、出射光の光軸が入射
光の光軸に対して約９０度ずれる９０度軸外し放物面鏡
であり、集光ビームＬＢをトーチ部３１ｂの先端から溶
接部３２に照射する。集光ビームＬＢは、溶接部３２に
対して垂直方向から照射される。

【０００３】また、ヘッド本体３１ａ側のトーチ部３１
ｂには、フィラー軸３５が装着されている。フィラー軸
３５には、フィラーワイヤ送給ノズル３６、シールドガ
スノズル３７、トラッキング用センサ３８などが取り付
けられている。フィラー軸３５は、フィラー軸用モータ
３９によって駆動される。

【０００４】ところで、レーザ光を用いて溶接を行う場
合、レーザ光のスポット径が小さいため、レーザ光の照
射面積を広くして良好な溶接を行う方法がある。例え
ば、２枚の板を突合せ溶接する際には、その接合線（溶
接線）を中心としてレーザ光の照射位置を一定の振幅で
往復移動（スキャニング）させるウィービング溶接が行
われる。これによって、溶融量が増大して接合が確実と
なると共に、接合線とレーザ光の照射位置との微小な位
置ずれを吸収することができる。

【０００５】レーザ光をスキャニングさせるための構成
としては、様々なものが提案されている。例えば、特開
平２−１４２６９３号公報、特開平５−５７４６６号公
報、特開平７−９１７６号公報には、レーザ光を集光す
るレンズを機械的にスキャニングさせる構成が開示され
ている。また、特開平９−２４８６８４号公報には、レ
ーザ光を集光する９０度軸外し放物面鏡を、直接回転さ
せる構成、あるいはアクチュエータで強制的に振動させ
る構成が開示されている。

【０００６】さらに、特許第２８２９１９２号公報に
は、集光ビームを平面鏡で反射させて溶接部に照射する
ように構成した上で、１枚の平面鏡をスキャニング（１
軸スキャニング）させる構成、あるいは２枚の平面鏡を
スキャニング（２軸スキャニング）させる構成が開示さ
れている。また、特許第２７６９６４７号公報、特許第
２７２７３７９号公報には、集光前のレーザ光を２枚の
偏心ミラーによってスピニング（回転）又はスキャニン
グさせてから、そのレーザ光を集光する構成が開示され
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】９０度軸外し放物面鏡
３４を用いた光学ヘッド３１の場合、放物面鏡３４は図
８に示すように旋盤の加工テーブル４０に取り付けて放
物面を形成している。そして、焦点距離ＦＬが長い放物
面鏡３４を作製するには、大きな回転半径を持つ旋盤が
必要であり、製造コストが高くなるという問題がある。

【０００８】また、９０度軸外し放物面鏡３４には、軸
外し角度が小さい放物面鏡（６０度、４５度、３０度な
ど）に比べて、アライメントの精度が非常に厳しいとい
う欠点がある。即ち、アライメントのずれは集光ビーム
ＬＢのスポット径の拡大という不具合を招くことになる
が、９０度軸外し放物面鏡３４の場合は軸外し角度が小
さい放物面鏡に比べて、微小なずれであっても大幅にス
ポット径が拡大してしまう。そのため、光学ヘッド３１
の調整に非常に手間がかかるという問題がある。

【０００９】一方、放物面鏡３４に代えて球面鏡を用い
て光学ヘッドを構成することもできる。球面鏡は放物面
鏡３４に比べて長焦点のものを容易に作製できるという
長所はあるものの、収差の影響を受けるため、集光性能
が軸外し角度によって大きく劣化するという問題があ
る。

【００１０】また、集光ビームＬＢをスキャニングさせ
る光学ヘッドにおいても、種々の問題点が存在する。例
えば、９０度軸外し放物面鏡３４を強制的に振動させる
場合、光軸がずれるため、溶け込み量が著しく低下す
る。これは、光軸のずれは上述したようにアライメント
のずれに相当するものであり、光軸のずれによってスポ
ット径が拡大してしまうからである。

【００１１】一方、図９に示すように放物面鏡３４によ
って集光された集光ビームＬＢを１枚のミラー４１でス
キャニングする場合、あるいは図１０に示すように２枚
のミラー４２、４３でスキャニングする場合は、高品質
に集光された集光ビームＬＢを得ることができる。しか
し、放物面鏡３４と溶接部３２との間にスキャニング用
のミラー４１、４２、４３を配置する必要があるため、
ワークディスタンスが著しく短くなり、集光ビームＬＢ
がワークや治具と干渉したり、またスペースが狭いため
トラッキング用センサを取り付けることができなくなる
という不具合が生じる。

【００１２】ところで、ミラーの平面形状は一般に円形
であり、従って円の中心を通る軸であればどの軸回りに
スキャニングさせても慣性モーメントは同一である。そ
のため軸回りにどちらの方向にスキャニングさせても、
性能上の差は生じず、問題はない。また、低出力レーザ
であれば、ビーム径が小さいため小型のミラーでよく、
ミラーの重量も比較的軽いので、慣性モーメントは小さ
く、ミラーのスキャニングを容易に行うことができる。

【００１３】しかし、出力が１０ｋＷ以上となる大出力
レーザの場合は、ビーム径が大きくなるため大型のミラ
ーを必要とし、またミラーの材質も無酸素銅を用いるた
め重量も比較的重くなり、慣性モーメントも非常に大き
くなる。そのため、このような大型・大重量のミラーを
スキャニングさせるためには、非常に大型のスキャニン
グ装置を用いる必要があり、光学ヘッドの大型化及びコ
ストアップを招いている。また、ミラーが大型・大重量
であるため、大型のスキャニング装置を用いても適正な
振幅、周波数を維持するのが難しく、溶接品質を劣化さ
せる一因となっている。さらに、慣性モーメントが大き
いため、スキャニングのＯＮ／ＯＦＦやスキャニング振
幅などの条件変更に多大な時間を要し、生産性を低下さ
せる原因となっている。

【００１４】この発明は上記従来の欠点を解決するため
になされたものであって、その目的は、安価に製造でき
ると共に、溶接品質を向上することができるレーザ溶接
用光学ヘッドを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段及び効果】そこで請求項１
のレーザ溶接用光学ヘッドは、レーザ光ＬＡを少なくと
も１つの平面鏡４を用いて放物面鏡５に導き、この放物
面鏡５で集光した集光ビームＬＢを溶接部２に照射して
溶接を行うレーザ溶接用光学ヘッドにおいて、上記放物
面鏡５は、出射光の光軸が入射光の光軸に対して約３０
度ずれる３０度軸外し放物面鏡であり、上記放物面鏡５
とその直前に配置した平面鏡４との少なくとも一方を所
定の回転軸回りに揺動させて上記集光ビームＬＢをスキ
ャニングさせることを特徴としている。

【００１６】上記請求項１のレーザ溶接用光学ヘッドで
は、３０度軸外し放物面鏡５を用いているので、アライ
メント精度がラフで良く、手間がかからないため、安価
に製造できる。また、３０度軸外し放物面鏡５の場合
は、長焦点距離のものを容易に作製できるので、長焦点
距離の光学ヘッドを安価に製造できる。

【００１７】さらに、長焦点距離の放物面鏡５を用いる
ことによって焦点深度が深くなるため、ワークディスタ
ンスの変動に対して裕度が大きくなり、またビードの形
もワインカップ状ビードからシャープな長方形ビードと
なるため、溶接品質が向上し、厚板への適用が容易にな
る。また、長焦点とすることによって入射角度が浅くな
るため、センサやノズルなどを光学ヘッドに取り付けや
すくなり、溶接の品質管理を容易に行えるようになる。

【００１８】さらに、３０度軸外し放物面鏡５では、ミ
スアライメントの影響が９０度軸外し放物面鏡と比較し
て小さくなる。そのため、集光ビームＬＢの品質が向上
し、深溶け込みの溶接が可能になる。また、３０度軸外
し放物面鏡５の焦点距離を長くすることによって、集光
光学系４、５と溶接部２との間のスペースを大きく確保
することができる。これによって、そのスペースに、ト
ラッキング用センサやフィラーワイヤ送給ノズル、溶接
品質監視装置などを取り付けることができ、溶接品質が
向上する。

【００１９】また請求項２のレーザ溶接用光学ヘッド
は、上記集光ビームＬＢの照射方向と略平行に入射され
たレーザ光ＬＡを光軸が約９０度ずれるように反射させ
て上記平面鏡４に入射し、この平面鏡４では入射された
レーザ光ＬＡを光軸が約６０度ずれるように反射させて
上記放物面鏡５に入射するように構成し、上記平面鏡４
の平面形状はその長軸ＬＸに関して線対称であり、当該
平面鏡４におけるレーザ光ＬＡのスポット形状である楕
円の長軸と当該平面鏡４の長軸ＬＸとが一致するように
配置し、当該平面鏡４を上記長軸ＬＸ回りに揺動させる
ことを特徴としている。

【００２０】上記請求項２のレーザ溶接用光学ヘッドで
は、長軸ＬＸに対して線対称である平面形状、例えば楕
円、長方形、正五角形、正六角形などの非円形の平面鏡
４を用いるので、平面鏡４を軽量化することができると
共に、長軸ＬＸ回りの慣性モーメントを他の軸回りと比
べて小さくすることができる。これによって、高速スキ
ャニング、大振幅スキャニングが可能となると共に、ギ
ャップの大きな被溶接材間の高速溶接が可能となり、溶
接品質、生産性が向上する。

【００２１】

【発明の実施の形態】次にこの発明のレーザ溶接用光学
ヘッドの具体的な実施の形態について、図面を参照しつ
つ詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態であ
るレーザ溶接用光学ヘッド（以下、「光学ヘッド」とい
う。）１の構成を示す断面図である。

【００２２】光学ヘッド１は、ヘッド本体１ａの先端側
に略円筒状のトーチ部１ｂを有し、図示しないレーザ発
振器から出力されたレーザ光ＬＡはヘッド本体１ａの基
端側から入射される。レーザ光ＬＡは、溶接部２に対す
る集光ビームＬＢの照射方向と略平行に平面鏡３に入射
され、この平面鏡３によって光軸が約９０度ずれるよう
に反射されて平面鏡４に入射される。この平面鏡４で
は、入射されたレーザ光ＬＡを光軸が約６０度ずれるよ
うに反射させて３０度軸外し放物面鏡５に入射させる。

【００２３】３０度軸外し放物面鏡５は、レーザ光ＬＡ
を所定のスポット径に集光した集光ビームＬＢを作製す
ると共に、出射光の光軸が入射光の光軸に対して約３０
度ずれる放物面鏡であり、集光ビームＬＢはトーチ部１
ｂの先端から溶接部２に照射される。集光ビームＬＢ
は、溶接部２に対して垂直方向から照射される。尚、レ
ーザ光ＬＡ及び集光ビームＬＢの光軸は、同一平面上を
通るように設定されている。

【００２４】また、３０度軸外し放物面鏡５は、ガルバ
ノメータ６によって所定の軸線回りに揺動される。この
軸線は、光学ヘッド１による溶接方向（図１紙面に対し
て垂直方向）と平行であり、これによって集光ビームＬ
Ｂは溶接方向に直交する方向に往復移動する。

【００２５】さらに、３０度軸外し放物面鏡５の直前に
配置された平面鏡４は、ガルバノメータ７によって所定
の軸線回りの揺動される。平面鏡４は、図２に示すよう
に平面形状が楕円であり、短軸ＳＸの長さＷＳはビーム
径ＲＢと等しいかそれより大きく設定され、長軸ＬＸの
長さＷＬはビーム径ＲＢ／ｓｉｎ６０°（６０°はレー
ザ光ＬＡの平面鏡４への入射角）と等しいかそれより大
きく設定される。例えば、ビーム径ＲＢが１００ｍｍの
場合は、短軸ＳＸの長さＷＳは１００ｍｍ以上、長軸Ｌ
Ｘの長さＷＬは１１５ｍｍ以上に設定される。本実施形
態では、短軸ＳＸの長さＷＳ＝１００ｍｍ、長軸ＬＸの
長さＷＬ＝１４１ｍｍに設定されている。

【００２６】そして、平面鏡４は長軸ＬＸを軸線として
揺動される。この軸線は溶接方向に直交する方向であ
り、これによって集光ビームＬＢは溶接方向に移動す
る。従って、平面鏡４及び放物面鏡５の揺動を組み合わ
せることによって、様々な態様のスキャニング（スピニ
ングを含む）が可能となる。尚、平面鏡４及び放物面鏡
５のいずれか一方のみを揺動させるようにしてもよい。

【００２７】また、ヘッド本体１ａ側のトーチ部１ｂに
は、フィラー軸８がに装着されている。フィラー軸８に
は、フィラーワイヤ送給ノズル９、シールドガスノズル
１０、トラッキング用センサ１１などが取り付けられて
いる。フィラー軸８は、フィラー軸用モータ１２によっ
て駆動される。

【００２８】上記のような構成の光学ヘッド１では、３
０度軸外し放物面鏡５を用いているので、アライメント
精度がラフで良く、手間がかからないため、安価に製造
できる。また、３０度軸外し放物面鏡５の場合は、長焦
点距離（例えば、７００ｍｍ）のものを容易に作製でき
るので、長焦点距離の光学ヘッド１を安価に製造でき
る。

【００２９】さらに、長焦点距離の放物面鏡５を用いる
ことによって、図４に示すように焦点深度ＦＤが深くな
るため、ワークディスタンスの変動に対して裕度が大き
くなる。図３は、ワークディスタンスと溶け込み深さと
の関係を示すグラフであり、ラインＬ１は焦点距離７５
０ｍｍの３０度軸外し放物面鏡５を用いた場合の変化を
示し、ラインＬ２は焦点距離５００ｍｍの９０度軸外し
放物面鏡を用いた場合の変化を示している。尚、レーザ
光出力は２０ｋＷ、溶接速度は１．０ｍ／ｍｉｎであ
る。図３に示すように、ワークディスタンスの変動に対
する溶け込み深さの変動幅は、ラインＬ１、即ち３０度
軸外し放物面鏡５の方が、小さいことがわかる。また、
図４に示すように、ビードの形もワインカップ状からシ
ャープな長方形ビードとなる。従って、溶接品質が向上
し、厚板への適用が可能になる。

【００３０】また、長焦点とすることによって集光ビー
ムＬＢの入射角度が浅くなるため、フィラーワイヤ送給
ノズル９、シールドガスノズル１０、トラッキング用セ
ンサ１１などを光学ヘッド１に取り付けやすくなり、溶
接の品質管理を容易に行えるようになる。

【００３１】さらに、３０度軸外し放物面鏡５では、ミ
スアライメントの影響が９０度軸外し放物面鏡と比較し
て小さくなる。そのため、集光ビームＬＢの品質が向上
し、深溶け込みの溶接が可能になる。

【００３２】また、３０度軸外し放物面鏡５の焦点距離
を長くすることによって、集光光学系（平面鏡３、４、
放物面鏡５など）と溶接部２との間のスペース１３を大
きく確保することができる。これによって、スペース１
３に溶接品質監視装置を取り付けることができ、溶接品
質が向上する。

【００３３】また、光学ヘッド１では、平面形状が長軸
ＬＸに対して線対称である楕円形状の平面鏡４を用いて
いるので、平面鏡４を軽量化することができると共に、
長軸ＬＸ回りの慣性モーメントを短軸ＳＸ回りと比べて
小さくすることができる。表１は、各形状の断面２次モ
ーメントの比較結果を示す。

【００３４】

【表１】

【００３５】円と楕円を比較すれば楕円の方が小さく、
また楕円においても長軸と短軸とを比較すれば、長軸の
方が小さい。また、正方形と長方形とを比較すれば長方
形の方が小さく、長方形においても長軸と短軸とを比較
すれば、長軸の方が小さい。さらに、楕円や長方形に限
らず、正五角形や正六角形のように長軸に対して線対称
であれば、同様のことがいえる。従って、長軸に対して
線対称である形状であれば、平面鏡４に適用することが
できる。

【００３６】これによって、高速スキャニング、大振幅
スキャニングが可能となる。例えば、上述した長軸ＬＸ
の長さＷＬ＝１４１ｍｍ、短軸ＳＸの長さＷＳ＝１００
ｍｍのＣｕ製平面鏡４を、短軸ＳＸ回りに振幅±１ｍｍ
でスキャニングさせた場合は、限界周波数が５０Ｈｚ
で、ウィービングの立ち上がり時間が１５秒であるのに
対し、長軸ＬＸ回りにスキャニングさせた場合は、限界
周波数が６５Ｈｚで、立ち上がり時間が２秒である。

【００３７】ところで、スキャニングする場合、溶接速
度を上げていくと、図５に示すように波長λも長くな
る。そして、裏ビード幅が波長λの半分よりも小さけれ
ば融合不良が発生する。また、図６に示す周波数とλ／
２の関係から、振幅±１．５ｍｍの場合はλ／２が裏ビ
ード幅０．７ｍｍより小さい領域が適正領域であり、溶
接を高速化するためには周波数を高くする必要がある。
尚、図６において、ラインＬ３は溶接速度が１０００ｍ
ｍ／分、ラインＬ４は２０００ｍｍ／分、ラインＬ５は
３０００ｍｍ／分、ラインＬ６は４０００ｍｍ／分の場
合を示す。

【００３８】従って、上述したように高速スキャニン
グ、大振幅スキャニングが可能となったことによって、
融合不良を生じることなくギャップの大きな被溶接材の
高速溶接が可能となり、溶接品質、生産性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す断面図である。

【図２】揺動させる平面鏡の斜視図である。

【図３】ワークディスタンスと溶け込み深さとの関係を
示すグラフである。

【図４】ビードの形状を示す平面図である。

【図５】ウィービング周波数と集光ビームの軌跡との関
係を示す説明図である。

【図６】ウィービング周波数と集光ビームの軌跡の波長
λとの関係を示すグラフである。

【図７】従来の光学ヘッドの断面図である。

【図８】放物面鏡の製造方法を示す概略図である。

【図９】集光ビームをスキャニングさせるための構成例
を示す概略図である。

【図１０】集光ビームをスキャニングさせるための構成
例を示す概略図である。

【符号の説明】

１レーザ溶接用光学ヘッド１ａヘッド本体１ｂトーチ部２溶接部３平面鏡４平面鏡５３０度軸外し放物面鏡６ガルバノメータ７ガルバノメータＬＡレーザ光ＬＢ集光ビームＬＸ長軸ＲＢビーム径

フロントページの続き (72)発明者渡辺寛兵庫県宝塚市新明和町１番１号新明和工業株式会社産機システム事業部内 (72)発明者安達馨大阪府枚方市上野３丁目１番１号株式会社小松製作所生産技術開発センタ内 (72)発明者小野数彦大阪府枚方市上野３丁目１番１号株式会社小松製作所生産技術開発センタ内 (72)発明者松本泰一大阪府枚方市上野３丁目１番１号株式会社小松製作所生産技術開発センタ内Ｆターム(参考） 2H045 AB01 CA82 DA32 4E068 BA01 CA07 CD05 CD11 CD15 CE03 DA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光（ＬＡ）を少なくとも１つの平
面鏡（４）を用いて放物面鏡（５）に導き、この放物面
鏡（５）で集光した集光ビーム（ＬＢ）を溶接部（２）
に照射して溶接を行うレーザ溶接用光学ヘッドにおい
て、上記放物面鏡（５）は、出射光の光軸が入射光の光
軸に対して約３０度ずれる３０度軸外し放物面鏡であ
り、上記放物面鏡（５）とその直前に配置した平面鏡
（４）との少なくとも一方を所定の回転軸回りに揺動さ
せて上記集光ビーム（ＬＢ）をスキャニングさせること
を特徴とするレーザ溶接用光学ヘッド。
【請求項２】上記集光ビーム（ＬＢ）の照射方向と略
平行に入射されたレーザ光（ＬＡ）を光軸が約９０度ず
れるように反射させて上記平面鏡（４）に入射し、この
平面鏡（４）では入射されたレーザ光（ＬＡ）を光軸が
約６０度ずれるように反射させて上記放物面鏡（５）に
入射するように構成し、上記平面鏡（４）の平面形状は
その長軸（ＬＸ）に関して線対称であり、当該平面鏡
（４）におけるレーザ光（ＬＡ）のスポット形状である
楕円の長軸と当該平面鏡（４）の長軸（ＬＸ）とが一致
するように配置し、当該平面鏡（４）を上記長軸（Ｌ
Ｘ）回りに揺動させることを特徴とする請求項１のレー
ザ溶接用光学ヘッド。