JP2001276988A - レーザ加工装置 - Google Patents

レーザ加工装置

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JP2001276988A
JP2001276988A JP2000093599A JP2000093599A JP2001276988A JP 2001276988 A JP2001276988 A JP 2001276988A JP 2000093599 A JP2000093599 A JP 2000093599A JP 2000093599 A JP2000093599 A JP 2000093599A JP 2001276988 A JP2001276988 A JP 2001276988A
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崇 赤羽
Tadashi Nagashima
是 長島
Takashi Ishide
孝 石出
Shuho Tsubota
秀峰 坪田
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 レーザ溶接とアーク溶接とを同時に行う際に
アークを確実に安定させることができ、また、小型で、
しかも、光学機器を損傷する虞がなく且つ安価な同軸レ
ーザ加工ヘッドを備えたレーザ加工装置を提供する。 【解決手段】 ＹＡＧレーザ発振器からのレーザ光の発
振を開始した後又は開始すると同時にＧＭＡ電極からの
アーク放電を行い、且つ、ＧＭＡ電極からのアーク放電
を停止した後又は停止すると同時にＹＡＧレーザ発振器
からのレーザ光の発振を停止するように制御する。ま
た、同軸レーザ加工ヘッドは、第１及び第２反射ミラー
で２分割した第１及び第２分割レーザ光の空間部に同レ
ーザ光と同軸状にＧＭＡ電極を配設した構成とする、或
いは、第１及び第２反射ミラーでレーザ光の一部を外へ
取り出してレーザ光本体に形成した空間部に同レーザ光
本体と同軸状にＧＭＡ電極を配設した構成とする。

Description

【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装置に関
し、レーザ溶接とアーク溶接或いはフィラワイヤ溶接と
を同時に行う場合に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】金属同士を接合する溶接技術の一種とし
てレーザ溶接とアーク溶接とがある。レーザ溶接はＣＯ
2 レーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器を用いて行われ
る。ＣＯ 2 レーザ光はミラー伝送しなければならないた
め、その調整に手間がかかるのに対し、ＹＡＧレーザ光
は光ファイバによる伝送が可能である。このようなこと
などから、ＹＡＧレーザ発振器を用いたレーザ溶接に対
する期待が高まっている。一方、アーク溶接としては、
ＭＩＧ溶接などのガスシールド消耗電極式アーク溶接
（ＧＭＡ溶接）や、ＴＩＧ溶接などのガスシールド非消
耗電極式アーク溶接などがある。
【０００３】そして、レーザ光は光学機器により集光し
て高いエネルギー密度が得られることから、このレーザ
光によるレーザ溶接では狭い溶融範囲において深溶け込
みの溶接を行うことができる。一方、ＧＭＡ溶接（ＭＩ
Ｇ溶接等）やＴＩＧ溶接などのアーク溶接ではアークが
比較的広範囲に広がるため、ビード幅の広い溶接とな
り、開先裕度の高い溶接が可能である。
【０００４】このため、近年では溶接範囲が広く且つ深
溶け込みの溶接を行うことなどを目的として、レーザ溶
接とアーク溶接とを同時に行う方法が研究されている。
【０００５】レーザ溶接とアーク溶接とを同時に行うレ
ーザ加工ヘッドとしては、例えば特開平１０−２１６９
７２号公報に開示されているような構成のものがある。
図１４に示すように本レーザ加工ヘッドでは、母材１０
１の被溶接部１０１ａに対してガス噴射ノズル１０６か
らシールドガスを噴射しながら、レーザ溶接ヘッド１０
２からレーザ光１０３を照射し、ＧＭＡ溶接ヘッド１０
４の電極１０５からアーク放電を行うことにより、レー
ザ溶接とアーク溶接とを行うようになっている。
【０００６】しかし、このレーザ加工ヘッドではレーザ
溶接ヘッド１０２とＧＭＡ溶接ヘッド１０４とが独立し
ているため、レーザ加工ヘッド全体が大型になり、しか
も、溶接位置や溶接姿勢の変化に対してレーザ溶接ヘッ
ド１０２とＧＭＡ溶接ヘッド１０４の相対位置関係を常
に一定に保持するのが面倒である。このため、特にロボ
ットによる３次元加工には適さない。
【０００７】そこで本発明者等は、かかる問題点等を解
決することができるレーザ加工ヘッドを特開平１１−１
５６５７３号公報において提案している。図１５に示す
ように本レーザ加工ヘッドでは、光ファイバ１１１で伝
送されてきたレーザ光１１２を凸型ルーフミラー１１３
と凹型ルーフミラー１１４とで反射して第１分割レーザ
光１１２ａと第２分割レーザ光１１２ｂとに２分割する
ことにより、両者間に空間部１１７を形成し、これらの
分割レーザ光１１２ａ，１１２ｂを集光レンズ群１１５
によって被溶接部に集光するようなっている。
【０００８】そして、凹型ルーフミラー１１４及び集光
レンズ群１１５の中心部には貫通孔１１４ａ，１１５ａ
がそれぞれ開けられており、これらの貫通孔１１４ａ，
１１５ａにＴＩＧ電極やＧＭＡ電極などのアーク電極を
保持する電極保持管１１６を挿通することにより、この
電極保持管１１６に保持されたアーク電極が分割レーザ
光１１２ａ，１１２ｂ間の空間部１１７に位置して同レ
ーザ光と同軸状になっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】レーザ溶接とアーク溶
接とを同時に行う場合には、レーザ光の照射により金属
（母材）が蒸発して、その一部がイオン化（Ｆｅイオ
ン、Ｃｒイオン、Ｎｉイオン等）し、これにアーク放電
が誘導されることから、アークの安定化を図ることがで
きる。このため、溶接性能の大幅な向上を図ることがで
きる。
【００１０】しかしながら、レーザ光によってアークを
確実に安定さるためには、レーザ光を発振（照射）する
タイミングとアーク放電を行うタイミングとを確実に制
御する必要があるが、かかる制御装置に関する提案はこ
れまでなされていない。
【００１１】また、レーザ溶接とアーク溶接とを同時に
行うには同軸レーザ加工ヘッドを用いることが望ましい
が、上記従来の同軸レーザ加工ヘッドでは、凹型ルーフ
ミラー１１４や集光レンズ群１１５に貫通孔１１４ａ，
１１５ｂを設けるため、これらの加工に手間がかかり高
価なものとなってしまい、また、貫通孔部分が損傷し易
い。更には、凸型ルーフミラー１１３と凹型ルーフミラ
ー１１４とによってレーザ光１１２を２分割している
が、これらの凹凸ルーフミラー１１３，１１４は非常に
高価なものである。
【００１２】従って本発明は上記の問題点に鑑み、レー
ザ溶接とアーク溶接とを同時に行う際にアークを確実に
安定させることができ、また、小型で、しかも、光学機
器を損傷する虞がなく且つ安価な同軸レーザ加工ヘッド
を備えたレーザ加工装置を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する第１
発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器で発振したレー
ザ光を伝送し且つ集光して被溶接部に照射することによ
り被溶接部を溶接するレーザ溶接と、アーク電極からの
アーク放電によって被溶接部を溶接するアーク溶接或い
はフィラワイヤ溶接とを同時に行うように構成したレー
ザ加工装置において、レーザ発振器からのレーザ光の発
振を開始した後又は開始すると同時にアーク電極からの
アーク放電を行い、且つ、アーク電極からのアーク放電
を停止した後又は停止すると同時にレーザ発振器からの
レーザ光の出力を停止するように制御する制御手段を備
えたことを特徴とする。
【００１４】また、第２発明のレーザ加工装置は、第１
発明のレーザ加工装置において、レーザ光と同軸状にア
ーク電極を配設してなる同軸レーザ加工ヘッドを備えた
ことを特徴とする。
【００１５】また、第３発明のレーザ加工装置は、第２
発明のレーザ加工装置において、同軸レーザ加工ヘッド
は、レーザ光を平行にする１つのコリメート光学系と、
コリメート光学系で平行にされたレーザ光の一部分を反
射することにより、同レーザ光を第１分割レーザ光と第
２分割レーザ光とに２分割する第１反射ミラーと、第１
反射ミラーで反射された第１分割レーザ光を更に反射し
て、第１分割レーザ光と第２分割レーザ光との間に空間
部を設ける第２反射ミラーと、第１分割レーザ光と第２
分割レーザ光とを被加工部に集光する１つの集光光学系
と、第１分割レーザ光と第２分割レーザ光との間の空間
部に同レーザ光と同軸状に配設したアーク電極とを備え
た構成であることを特徴とする。
【００１６】また、第４発明のレーザ加工装置は、第３
発明のレーザ加工装置において、同軸レーザ加工ヘッド
は、第２反射ミラーを回動可能とすることにより、第１
分割レーザ光の集光先端部と第２分割レーザ光の集光先
端部との間隔を調整可能に構成したことを特徴とする。
【００１７】また、第５発明のレーザ加工装置は、第３
発明のレーザ加工装置において、同軸レーザ加工ヘッド
は、第１反射ミラーを移動可能とすることにより第１分
割レーザ光と第２分割レーザ光との分割比を調整可能に
構成し、且つ、第２反射ミラーを回動可能とすることに
より第１分割レーザ光の集光先端部と第２分割レーザ光
の集光先端部との間隔を調整可能に構成したことを特徴
とする。
【００１８】また、第６発明のレーザ加工装置は、第
３，第４又は第５発明のレーザ加工装置において、同軸
レーザ加工ヘッドは、コリメート光学系の光軸と集光光
学系の光軸とを同光軸と直交する方向にずらすことによ
りコリメート光学系を集光光学系に対して一方側に寄
せ、この集光光学系の他方側に第１及び第２反射ミラー
で反射された第１分割レーザ光を入射させるように構成
したことを特徴とする。
【００１９】また、第７発明のレーザ加工装置は、第２
発明のレーザ加工装置において、同軸レーザ加工ヘッド
は、レーザ光を平行にする１つのコリメート光学系と、
コリメート光学系で平行にされたレーザ光の一部を反射
してレーザ光本体の外に取り出すことにより、レーザ光
本体に空間部を形成する反射ミラーと、この空間部が形
成されたレーザ光本体を被加工部に集光する１つの集光
光学系と、レーザ光本体の空間部に同レーザ光本体と同
軸状に配設したアーク電極とを備えた構成であることを
特徴とする。
【００２０】また、第８発明のレーザ加工装置は、第２
発明のレーザ加工装置において、同軸レーザ加工ヘッド
は、レーザ光を平行にする１つのコリメート光学系と、
コリメート光学系で平行にされたレーザ光の一部を反射
してレーザ光本体の外に取り出すことにより、レーザ光
本体に空間部を形成する第１反射ミラーと、レーザ光本
体の外側に位置し、第１反射ミラーで反射されたレーザ
光の一部を、レーザ光本体と平行で且つレーザ光本体の
外周面に接する又は近接するように反射する第２反射ミ
ラーと、第１反射ミラーにより空間部が形成されたレー
ザ光本体と、第１及び第２反射ミラーにより反射された
レーザ光の一部とを被加工部に集光する１つの集光光学
系と、レーザ光本体の空間部に同レーザ光本体と同軸状
に配設したアーク電極とを備えた構成であることを特徴
とする。
【００２１】また、第９発明のレーザ加工装置は、第８
発明のレーザ加工装置において、同軸レーザ加工ヘッド
の第１反射ミラーは、コリメート光学系で平行にされた
レーザ光に対し、同レーザ光の横断面の径方向に沿い且
つ同レーザ光の光軸に対して斜めに挿入するとともに、
第１反射ミラーの挿入方向と直交する方向に傾けること
により、レーザ光の一部をレーザ光本体の外に斜めに反
射するように構成したことを特徴とする。
【００２２】また、第１０発明のレーザ加工装置は、第
８又は第９発明のレーザ加工装置において、同軸レーザ
加工ヘッドは、コリメート光学系の光軸と集光光学系の
光軸とを同光軸と直交する方向にずらすことによりコリ
メート光学系を集光光学系に対して一方側に寄せ、この
集光光学系の他方側に第１及び第２反射ミラーにより反
射されたレーザ光の一部を入射させるように構成したこ
とを特徴とする。
【００２３】
【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。
【００２４】図１は本発明の実施の形態に係るレーザ加
工装置のシステム構成図、図２は前記レーザ加工装置に
おけるレーザ発振とアーク放電のタイミング制御に関す
る制御ブロック図、図３はレーザ発振とアーク放電のタ
イミング図である。
【００２５】図１に示すように、本実施の形態に係るレ
ーザ加工装置１は、ＹＡＧレーザ発振器２１と、レーザ
加工ヘッド２２と、多軸ＮＣロボット２３と、付帯装置
１０と、加工装置制御盤１１とを備えている。
【００２６】ＹＡＧレーザ発振器２１から発振されたレ
ーザ光は、光伝送手段としての光ファイバ２５によって
同軸レーザ加工ヘッド２２の入力部まで伝送される。同
軸レーザ加工ヘッド２２は、レーザ加工ヘッド移動手段
としての多軸ＮＣロボット２３に装着されており、この
多軸ＮＣロボット２３によって任意の位置に位置決め移
動される。また、同軸レーザ加工ヘッド２２はレーザ光
と同軸状に配設されたＧＭＡ電極（ＭＩＧ電極等）３３
などを備えてなるものであるが、その具体的な構成につ
いては後述する。
【００２７】付帯装置１０としては、冷却水供給装置２
と、加工ガス供給装置３と、フィラワイヤ供給装置４
と、ＧＭＡ電源５とが備えられている。また、加工装置
制御盤１１には、発振器コントローラ１２と、ＮＣコン
トローラ１３と、空・水コントローラ１４と、モニタリ
ングコントローラ１５と、オートフォーカスコントロー
ラ１６と、モニタＴＶ１７とが設けられている。
【００２８】冷却水供給装置２では、溶接時に必要に応
じて空・水コントローラ１４からの指令により、ＹＡＧ
レーザ発振器２１の発熱部等、レーザ加工装置１の各発
熱部へ冷却水を供給する。加工ガス供給装置３では、溶
接時にシールドガスとしてＡｒガス等の不活性ガスを被
溶接部に供給する。フィラワイヤ供給装置４では、溶接
時にフィラワイヤ（消耗電極）をＧＭＡ電極３３として
被溶接部の近傍まで送給する。
【００２９】ＧＭＡ電源５では、フィラワイヤ供給装置
４により送給されたＧＭＡ電極３３に給電してアーク放
電を発生させる。発振器コントローラ１２では、ＹＡＧ
レーザ発振器２１の電源を制御することにより、ＹＡＧ
レーザ発振器２１から発振するレーザ光の発振タイミン
グや出力を制御する。そして、詳細は後述するが、発振
器コントローラ１２とＧＭＡ電源５は協働して、被溶接
部にレーザ光を照射するタイミングとアーク放電を行う
タイミングとを制御する。
【００３０】ＮＣコントローラ１３では、多軸ＮＣロボ
ット２３の動作を制御する。モニタリングコントローラ
１５では、図示しない光ファイバ等を介して伝送された
被溶接部の発光状況等に応じてレーザ加工ヘッド２２の
位置やレーザ光の集光位置、ＧＭＡ電極３３の支持状
態、レーザ出力、ＧＭＡ電流値などを調整、制御するよ
うにＮＣコントローラ１３やオートフォーカスコントロ
ーラ１６、発振器コントローラ１２、ＧＭＡ電源５に指
令を出す。
【００３１】オートフォーカスコントローラ１６では、
モニタリングコントローラ１５からの指令などに基づい
て集光光学系を制御することにより、レーザ光の焦点位
置を制御する。モニタＴＶ１７では、図示しないＣＣＤ
カメラで撮影した被溶接部の発光状況やレーザ加工ヘッ
ド内の状況を映し出す。作業員は、このモニタＴＶ１７
の映像を監視し、不具合等が生じた場合には即座に適切
な処置を施す。
【００３２】そして、本レーザ加工装置１では、図２及
び図３に示すようにレーザ光の出力（照射）とアーク放
電のタイミングを制御する。即ち、次の（１）〜（４）
のようにタイミング制御を行う。
【００３３】（１） 時刻Ｔ1 において溶接を開始する
場合には、まず、発振器コントローラ１２からＹＡＧレ
ーザ発振器２１へ出力開始信号ｃを出力する。ＹＡＧレ
ーザ発振器２１では、この出力開始信号ｃに基づいてレ
ーザ光２４の出力を開始して母材３４の被溶接部３４ａ
に照射する。なお、実際にはレーザ光２４を２分割した
分割レーザ光などを集光して照射する（図５，図９参
照、詳細後述）。
【００３４】（２） そして、発振器コントローラ１２
では、出力開始信号ｃによるレーザ光２４の出力開始か
らΔＴ5 時間が経過した時刻Ｔ2 において、ＧＭＡ電源
５へ放電開始信号ａを出力する。ＧＭＡ電源５では、こ
の放電開始信号ａに基づいてＧＭＡ電極３３への給電ｄ
を開始することにより、ＧＭＡ電極３３からアーク放電
２０を開始させる。かくしてレーザ溶接とアーク溶接と
が同時に行われる。
【００３５】（３） その後、時刻Ｔ3 において溶接を
終了する場合には、まず、ＧＭＡ電源５からＧＭＡ電極
３３への給電ｄを停止する。但し、急に電流値を下げる
と被溶接部３４のビードに大きな穴があいてしまうの
で、これを防止するためにＧＭＡ電源５では図３に示す
ように徐々に電流値を低下させる。
【００３６】（４） そして、ＧＭＡ電源５では、ＧＭ
Ａ電極３３への給電ｄを停止してから（電流値を下げ始
めてから）ΔＴ6 時間が経過した時刻Ｔ4 において、発
振器コントローラ１２へ出力停止信号ｂを出力する。発
振器コントローラ１２は、この出力停止信号ｂに基づい
てＹＡＧレーザ発振器２１へ発振停止信号ｆを出力す
る。ＹＡＧレーザ発振器２１では、この出力停止信号ｆ
に基づいてレーザ光２４の出力を停止する。なお、この
ときにはＧＭＡ電源５の電流値の低下に応じて、ＹＡＧ
レーザ発振器２１でも電流値（レーザ光の出力）を徐々
に低下させる。
【００３７】以上のように、本実施の形態のレーザ加工
装置１によれば、発振器コントローラ１２及びＧＭＡ電
源５により、ＹＡＧレーザ発振器２１からのレーザ光２
４の出力を開始した後にＧＭＡ電極３３からのアーク放
電２０を開始し、且つ、アーク電極３３からのアーク放
電２０を停止した後にＹＡＧレーザ発振器２１からのレ
ーザ光２４の出力を停止するように制御するため、溶接
の開始から終了までレーザ光２４によってアーク放電２
０を確実に誘導してアークを安定させることができる。
【００３８】なお、上記ではレーザ光２４の出力を開始
した後にアーク放電２０を開始し、アーク放電２０を停
止した後にレーザ光２４の出力を停止するようにしてい
るが、これに限定するものではなく、レーザ光２４の出
力を開始すると同時にアーク放電２０を開始し、アーク
放電２０を停止すると同時にレーザ光２４の出力を停止
するようにしてもよい。
【００３９】但し、レーザ光２４によるアーク放電２０
の誘導をより確実に行うためには、レーザ光２４の出力
を開始した後にアーク放電２０を開始し、アーク放電２
０を停止した後にレーザ光２４の出力を停止することが
望ましい。そして、この場合、レーザ光２４の出力を開
始してからアーク放電２０を開始するまでの時間ΔＴ 5
は、０．１秒〜５秒の範囲とし、好ましくは０．１秒〜
１．０秒の範囲とする。また、アーク放電２０を停止し
てからレーザ光２４の発振を停止するまでの時間ΔＴ6
は、０．１秒〜５秒の範囲とし、好ましくは０．１秒〜
１．０秒の範囲とする。これは次のような理由からであ
る。即ち、レーザが安定するのに時間がかかること、及
び、レーザ光を基に安定したアークが発生できるからで
ある。
【００４０】また、上記では発振器コントローラ１２と
ＧＭＡ電源５との間で信号を送受信して図３に示すよう
なレーザ出力とアーク放電のタイミング制御を行ってい
るが、これに限定するものではなく、例えば他の制御装
置からレーザ出力開始指令やレーザ出力停止指令及び放
電開始指令や放電停止指令を発振器コントローラ１２及
びＧＭＡ電源５に出力することによって図３に示すよう
なタイミング制御を行うようにしてもよい。更には、図
３に示すようなタイミング制御を行う際に例えば発振器
コントローラ１２の電流値（レーザ光出力）とＧＭＡ電
源５の電流値（アーク放電出力）と確認して、より確実
にタイミング制御を行うようにしてもよい。何れにして
も、ＹＡＧレーザ発振器２１からのレーザ光２４の出力
を開始した後又は開始すると同時にＧＭＡ電極３３から
のアーク放電を行い、且つ、ＧＭＡ電極３３からのアー
ク放電を停止した後又は停止すると同時にＹＡＧレーザ
発振器２１からのレーザ光２４の出力を停止するように
レーザ出力とアーク放電のタイミングを制御すればよ
い。また、モニタリングコントローラ１５からの情報を
基に、レーザ出力、ＧＭＡ電流値、多軸ＮＣ速度を制御
し、最適な溶接を行う。
【００４１】なお、このようなタイミング制御は、後述
する構成の同軸レーザ加工ヘッド２２を備えたレーザ加
工装置１に適用することが望ましいが、必ずしもこれに
限定するものではなく、他の構成の同軸レーザ加工ヘッ
ドを備えたレーザ加工装置や、更にはレーザ溶接ヘッド
とＧＭＡ溶接ヘッドとが独立しているレーザ加工装置な
ど、レーザ溶接とアーク溶接とを同時に行うレーザ加工
装置に広く適用することができる。但し、同軸レーザ加
工ヘッドを備えた場合には、レーザ光とアーク電極とが
同軸状であるため、両者の相対位置が安定しており、レ
ーザ光によるアーク放電の誘導を容易に行うことができ
る。
【００４２】ここで、同軸レーザ加工ヘッド２２の構成
を図４〜図８に基づいて説明する。図４は本発明の実施
の形態に係る同軸レーザ加工ヘッドの概略構成を示す斜
視図、図５（ａ）は前記レーザ加工ヘッドの要部構成を
示す側面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＥ−Ｅ線矢視断
面図である。また、図６はＴＩＧ溶接手段の構成を示す
斜視図、図７は前記レーザ加工ヘッドにおいて分割する
レーザ光の集光先端部の間隔を開けた状態を示す説明
図、図８は前記レーザ加工ヘッドにおいて分割するレー
ザ光の分割比を変え且つその集光先端部の間隔を開けた
状態を示す説明図である。
【００４３】図４に示すように、レーザ加工ヘッド２２
は外筒３０内に１つのコリメート光学系としてのコリメ
ートレンズ群２６と、第１反射ミラー２７と、第２反射
ミラー２８と、１つの集光光学系としての集光レンズ群
２９と、ＧＭＡ溶接手段（ＭＩＧ溶接手段等）の先端加
工部であるＧＭＡ電極（ＭＩＧ電極等）３３とを備えて
いる。また、第２反射ミラー２８を回動可能とする場合
にはミラー回動手段として電動機などからなるミラー回
動装置３２を備え、更に、第１反射ミラー２７を移動可
能とする場合にはミラー移動手段として電動機などから
なるミラー移動装置３１を備える。
【００４４】図４及び図５に基づいて詳述すると、コリ
メートレンズ群２６は直列に配置された複数枚のレンズ
から構成されており、光ファイバ２５によって伝送され
てきたレーザ光２４を平行光にする。そして、このコリ
メートレンズ群２６の図中下方に第１反射ミラー２７と
第２反射ミラー２８とが配設され、これらの反射ミラー
２７，２８の図中下方に集光レンズ群２９が配設されて
いる。
【００４５】第１反射ミラー２７はフラットミラーであ
り、コリメートレンズ群２６によって平行にされたレー
ザ光２４ａに対して、このレーザ光２４ａの光軸と直交
する方向にレーザ光２４ａの横断面の中央部まで挿入さ
れるとともに、反射面２７ａが上向き（コリメートレン
ズ群側）で且つ外側（図中左側）に傾けられている。従
って、この第１反射ミラー２７では、レーザ光２４ａの
一部（図中左半分）を外側（図中左側）に反射すること
により、レーザ光２４ａを第１分割レーザ光２４ｂと第
２分割レーザ光２４ｃとに２等分割する。
【００４６】第２反射ミラー２８は第１反射ミラー２７
と同様のフラットミラーであり、第１反射ミラー２７の
側方に配置されるとともに、反射面２８ａが下向き（集
光レンズ群側）で且つ第１反射ミラー２７側（図中右
側）に傾けられている。従って、この第２反射ミラー２
８では、第１反射ミラー２７によって反射された第１分
割レーザ光２４ｂを更に図中下方へと第１分割ミラー２
４ｃと平行に反射して、第１分割レーザ光２４ｂと第２
分割レーザ光２４ｃとの間に空間部（間隔）２４ｄを設
ける。
【００４７】集光レンズ群２９は直列に配置された複数
枚のレンズから構成されており、第１及び第２反射ミラ
ー２７，２８によって反射された第１分割レーザ光２４
ｂと、第１反射ミラー２７によって反射されずにそのま
ま図中下方へと伝送された第２分割レーザ光２４ｃと
を、母材３４の被溶接部３４ａに集光する。このとき第
１分割レーザ光２４ｂと第２分割レーザ光２４ｃは一点
に集光される。即ち、レーザ光２４ａは平行光であるた
め、コリメートレンズ群２６と集光レンズ群２９との間
で第１分割レーザ光２４ｂと第２分割レーザ光２４ｃの
光路長に差があっても、これらの分割レーザ光２４ｂ，
２４ｃを集光レンズ群２９によって一点に集光すること
ができる。
【００４８】また、集光レンズ群２９はコリメートレン
ズ群２６よりも多少径が大きくなっている。そして、コ
リメートレンズ群２６の光軸と集光レンズ群２９の光軸
とを同光軸と直交する方向にずらすことによりコリメー
トレンズ群２６を集光レンズ群２９に対して一方側（図
中右側）に寄せ、この集光レンズ群２９の他方側（図中
左側）に第１及び第２反射ミラー２７，２８で反射され
た第１分割レーザ光２４ｂを入射させるように構成して
いる。
【００４９】このことにより、コリメートレンズ群２６
から集光レンズ群２９へと真直ぐに伝送される第２分割
レーザ光２４ｃと、この第２分割レーザ光２４ｃに対し
て光軸と直交する方向（図中左方向）に離間する第１分
割レーザ光２４ｂとが１つの集光レンズ群２９に入射さ
れるようになっている。このようして１つの集光レンズ
群２９により両方の分割レーザ光２４ｂ，２４ｃを集光
する構成であるため、レーザ加工ヘッド全体が非常に小
型となっている。なお、集光レンズ群２９の直径は例え
ば７０ｍｍ程度である。
【００５０】そして、集光レンズ群２９の出力側（図中
下側）には、ＧＭＡ電極３３が外筒３０に支持されて第
１分割レーザ光２４ｂと第２分割レーザ光２４ｃとの間
の空間部２４ｄに同レーザ光と同軸状に配設されてい
る。かかる構成によってＧＭＡ・ＹＡＧ同軸溶接が可能
となっている。ＧＭＡ溶接手段では、案内管３８を介し
て、先端のＧＭＡヘッド３５へ、上記のＧＭＡ電源５及
び加工ガス供給装置３（図１参照）を備えたＧＭＡ溶接
機３６から給電及び不活性ガスの送給を行うとともに、
フィラワイヤ供給装置４からＧＭＡ電極（フィラワイ
ヤ）３３を送給することにより、ＧＭＡ溶接を行うよう
になっている。
【００５１】なお、このＧＭＡ溶接手段に代えて、図６
に示すようなＴＩＧ溶接手段を備えてもよい。このＴＩ
Ｇ溶接手段では、ＴＩＧヘッド４１によってＴＩＧ（タ
ングステン）電極４２を保持し、これに案内管４４を介
してＴＩＧ溶接機４３から給電及び不活性ガスの送給を
行うことにより、ＴＩＧ溶接を行うようになっている。
この場合にはＴＩＧ電極４２を第１分割レーザ光２４ｂ
と第２分割レーザ光２４ｃとの間の空間部２４ｄに同レ
ーザ光と同軸状に配設し、この状態でレーザ溶接とＴＩ
Ｇ溶接とを同時に行う。
【００５２】また、図４及び図５に示すように、ミラー
回動装置３２では、第２反射ミラー２８を中心軸２８ｂ
回りに矢印Ａ方向又は逆の矢印Ｂ方向に回動する。従っ
て、図７に示すようにミラー回動装置３２により第２反
射ミラー２８を矢印Ｂ方向に回動すると、第２反射ミラ
ー２８による第１分割レーザ光２４ｂの反射角度が変化
して、第１分割レーザ光２４ｂの集光先端部２４ｂ−１
と第２分割レーザ光２４ｃの集光先端部２４ｃ−１との
間隔ｄが開く。この間隔ｄは第２反射ミラー２８の回動
角度を調整することによって適宜設定することができ
る。
【００５３】また、図４及び図５に示すように、ミラー
移動装置３１では、第１反射ミラー２７をレーザ光２４
ａの光軸と直交する方向（矢印Ｃ方向又は逆の矢印Ｄ方
向）に移動する。従って、図８に示すようにミラー移動
装置３１によって第１反射ミラー２７を矢印Ｃ方向に移
動させると、第１反射ミラー２７によって反射する第１
分割レーザ光２４ｂの割合が減少し、第２分割レーザ光
２４ｃの割合が増加する。この分割比は第１反射ミラー
２７の移動位置を調整することによって適宜設定するこ
とができる。また、これと同時にミラー回動装置３２に
よって第２反射ミラー２８を矢印Ｂ方向に回動させれ
ば、第１分割レーザ光２４ｂの集光先端部２４ｂ−１と
第２分割レーザ光２４ｃの集光先端部２４ｃ−１との間
隔ｄが開く。
【００５４】なお、第１反射ミラー２７の移動や第２反
射ミラー２８の回動は、必ずしもミラー移動装置３１や
ミラー移動装置３２によって行う場合に限定するもので
はなく、手動で行うようにしてもよい。
【００５５】従って、このレーザ加工ヘッド２２によれ
ば、レーザ光２４を平行にする１つのコリメートレンズ
群２６と、コリメートレンズ群２６によって平行にされ
たレーザ光２４ａの一部分を反射することにより同レー
ザ光２４ａを第１分割レーザ光２４ｂと第２分割レーザ
光２４ｃとに２分割する第１反射ミラー２７と、第１反
射ミラー２７で反射された第１分割レーザ光２４ｂを更
に反射して第１分割レーザ光２４ｂと第２分割レーザ光
２４ｃとの間に空間部２４ｄを設ける第２反射ミラー２
８と、第１分割レーザ光２４ｂと第２分割レーザ光２４
ｃとを被切断部３４ａに集光する１つの集光レンズ群２
９と、第１分割レーザ光２４ｂと第２分割レーザ光２４
ｃとの間の空間部２４ｄに同レーザ光と同軸状に配設し
たＧＭＡ電極３３とを備えてレーザ加工ヘッド２２を構
成したため、次のような作用・効果が得られる。
【００５６】即ち、従来のようにレーザ溶接ヘッドとＧ
ＭＡ溶接ヘッドとが独立している場合や、穴あきレンズ
を用いて同軸化したり凹凸ルーフミラーを用いてレーザ
光を２分割したりする場合に比べて、本レーザ加工ヘッ
ド２２は非常に小型で安価なものとなり、光学機器を損
傷する虞もない。なお、本発明者等は三角錐ミラーでレ
ーザ光を２分割し、これらの分割レーザ光をそれぞれ個
別の集光レンズ群で集光するように構成したレーザ加工
ヘッドも開発しているが、この場合にはレーザ加工ヘッ
ド全体の幅が例えば３００ｍｍ程度にもなり、これと比
べても、１つの集光レンズ群２９で両方の分割レーザ光
２４ｂ，２４ｃを集光するように構成した本レーザ加工
ヘッド２２は非常に小型である。
【００５７】そして、このようにレーザ加工ヘッド２２
は非常に小型であるため多軸ＮＣロボット２３にも容易
に装着することができ、且つ、ＧＭＡ電極３３とＹＡＧ
レーザ光２４（分割レーザ光２４ｂ，２４ｃ）とが同軸
状になっていることから、多軸ＮＣロボット２３によっ
てレーザ加工ヘッド２２を容易に任意の位置に位置決め
移動することができ、３次元加工も容易に行うことがで
きる。
【００５８】また、ＧＭＡ電極３３とＹＡＧレーザ光２
４（分割レーザ光２４ｂ，２４ｃ）との同軸溶接によ
り、非常に高速で溶接することができるようになる。例
えば、従来のＧＭＡ溶接では０．４ｍｍ／ｓ程度の溶接
速度であったのに対し、ＧＭＡ・ＹＡＧ同軸溶接では２
ｍｍ／ｓの高速溶接が可能となる。高速溶接が可能な主
な理由としては、分割レーザ光２４ｂ，２４ｃの照射に
より金属（母材３４）が蒸発して、その一部がイオン化
（Ｆｅイオン、Ｃｒイオン、Ｎｉイオン等）し、これに
アーク放電が誘導されることから、アークが安定するた
めである。
【００５９】分割レーザ光２４ｂ，２４ｃを照射せずに
ＧＭＡ溶接だけで高速化を図ろうとしても、ＧＭＡ電極
３３を高速で移動させたときにアークがふらついて非常
に不安定となるため、連続したビードが形成されず、不
可能である。これに対してレーザ光２４ｂ，２４ｃを照
射したときには、ＧＭＡ電極３３が高速で移動してもア
ークが安定するため連続した良好なビードが形成され
る。また、ＧＭＡ電極３３の先端部が、アーク放電によ
る熱やジュール熱によって加熱されるだけでなく、レー
ザ光２４ｂ，２４ｃの照射によっても加熱されることも
高速化の一因であると考えられる。
【００６０】また、シールドガスとして純Ａｒガスを用
いた溶接はアーク安定性の点で困難であったが、このよ
うな純Ａｒガス雰囲気でのＳＵＳ材や高Ｃｒ材などの溶
接が可能となる。つまり、一般にアークを安定させるた
めには不活性ガスにＯ2 やＣＯ2 を僅かに混合したもの
をにシールドガスとして用いるが、ＳＵＳ材や高Ｃｒ材
などを溶接するときには耐蝕性の問題から純Ａｒガスを
シールドガスとして用いるとともに、アークを安定させ
るためにＧＭＡ電極としてフィラワイヤにアーク安定化
元素を入れたコアドワイヤを用いていた。これに対し、
本レーザ加工ヘッド２２では、上記のようにレーザ光２
４ｂ，２４ｃの照射によってアークを安定させることが
できるため、特殊なワイヤを用いることなく、純Ａｒガ
ス雰囲気でのＳＵＳ材や高Ｃｒ材などの溶接が可能とな
る。
【００６１】なお、レーザ加工ヘッド２２にＴＩＧ電極
４２をレーザ光と同軸状に配置した場合にも、上記と同
様の作用・効果を得ることができる。即ち、レーザ加工
ヘッド２２は非常に小型であるため多軸ＮＣロボット２
３への装着も容易であり、多軸ＮＣロボット２３によっ
てレーザ加工ヘッド２２を容易に任意の位置に位置決め
移動することができる。また、安価であり、光学機器を
損傷する虞もなく、更には、高速溶接が可能となり、純
Ａｒガス雰囲気での溶接も可能となる。
【００６２】また、第２反射ミラー２８をミラー回動装
置３２又は手動によって回動可能とすることにより第１
分割レーザ光２４ｂと第２分割レーザ光２４ｃの間隔を
調整可能に構成した場合には、図７に示すように第２反
射ミラー２８の回動角度を適宜設定して第１分割レーザ
光２４ｂの集光先端部２４ｂ−１と第２分割レーザ光２
４ｃの集光先端部２４ｃ−１との間隔ｄを適宜広げるこ
とにより、広いギャップ幅（例えば１ｍｍのギャップ
幅）の母材３４を溶接することも可能となる。
【００６３】また、第１反射ミラー２７をミラー移動装
置３１又は手動によって移動可能とすることにより第１
分割レーザ光２４ｂと第２分割レーザ光２４ｃとの分割
比を調整可能に構成し、且つ、第２反射ミラー２８をミ
ラー移動装置３２又は手動によって回動可能とすること
により第１分割レーザ光２４ｂと第２分割レーザ光２４
ｂの間隔を調整可能に構成した場合には、図８に示すよ
うに第１反射ミラー２７の移動位置を適宜設定して第１
分割レーザ光２４ｂの割合を適宜小さくし第２分割レー
ザ光２４ｃの割合を適宜大きくするとともに、第２反射
ミラー２８の回動角度を適宜設定して第１分割レーザ光
２４ｂの集光先端部２４ｂ−１と第２分割レーザ光２４
ｃの集光先端部２４ｃ−１との間隔ｄを適宜広げること
により、矢印Ｆのように母材３４に対して先に第２分割
レーザ光２４ｂを照射して深溶け込みをし、続いて第１
分割レーザ光２４ｃを照射して綺麗なビードを形成する
ことができる。
【００６４】このときにはポロシティ（空孔）のない良
好な溶接が可能となる。即ち、単独のレーザ光を照射す
る場合には被溶接部にポロシティが生じ易いが、先に第
２分割レーザ光２４ｂを照射し、続いて第１分割レーザ
光２４ｃを照射する場合には、第２分割レーザ光２４ｂ
の照射時に一旦閉じたポロシティを第１分割レーザ光２
４ｂの照射によって開けることによりポロシティを消滅
させることができる。
【００６５】また、コリメートレンズ群２６の光軸と集
光レンズ群２９の光軸とを同光軸と直交する方向にずら
すことによりコリメートレンズ群２６を集光レンズ群２
９に対して一方側に寄せ、この集光レンズ群２９の他方
側に第１及び第２反射ミラー２７，２８で反射された第
１分割レーザ光２４ｂを入射させるように構成したこと
により、コリメートレンズ群２６の光軸と集光レンズ群
２９の光軸とを一致させる場合に比べて、より小さな径
の集光レンズ群２９でも第１分割レーザ光２４ｂと第２
分割レーザ光２４ｃとを集光することができ、レーザ加
工ヘッド全体をより小型にすることができる。
【００６６】そして、上記のようなレーザ加工ヘッド２
２を備えたレーザ加工装置１は、安価で、しかも、溶接
性能に優れたレーザ加工装置となる。
【００６７】続いて、同軸レーザ加工ヘッド２２の他の
構成を図９〜図１３に基づいて説明する。図９は本発明
の実施の形態に係る同軸レーザ加工ヘッドの他の概略構
成を示す斜視図である。図１０は前記レーザ加工ヘッド
の要部構成を示す側面図であり、図１０（ａ）は図１２
のＧ方向矢視図、図１０（ｂ）は図１２のＨ方向矢視図
である。また、図１１は反射ミラーによって反射される
レーザ光の一部のみを表した側面図であり、図１１
（ａ）は図１０（ａ）に対応する図、図１１（ｂ）は図
１０（ｂ）に対応する図である。図１２（ａ）は図１０
（ａ）のＩ−Ｉ線矢視断面拡大図、図１２（ｂ）は図１
０（ａ）のＪ−Ｊ線矢視断面拡大図、図１２（ｃ）は図
１０（ａ）のＫ−Ｋ線矢視断面拡大図である。
【００６８】また、図１３は反射ミラーの他の配置例を
示す説明図であり、図１３（ａ）は側面図、図１３
（ｂ）は図１３（ａ）のＬ方向矢視図、図１３（ｃ）は
図１３（ａ）のＭ−Ｍ線矢視断面図、図１３（ｄ）は図
１３（ａ）のＮ−Ｎ線矢視断面図である。
【００６９】図９に示すように、レーザ加工ヘッド２２
は外筒９０内に１つのコリメート光学系としてのコリメ
ートレンズ群８６と、第１反射ミラー８７と、第２反射
ミラー８８と、１つの集光光学系としての集光レンズ群
８９と、ＧＭＡ溶接手段（ＭＩＧ溶接手段等）の先端加
工部であるＧＭＡ電極（ＭＩＧ電極等）３３とを備えて
いる。
【００７０】図９〜図１３に基づいて詳述すると、コリ
メートレンズ群８６は直列に配置された複数枚のレンズ
から構成されており、光ファイバ２５によって伝送され
てきたレーザ光２４を平行光にする。そして、このコリ
メートレンズ群８６の図中下方に第１反射ミラー８７と
第２反射ミラー８８とが配設され、これらの反射ミラー
８７，８８の図中下方に集光レンズ群８９が配設されて
いる。
【００７１】第１反射ミラー８７は所定の幅（所望の幅
の空間部をレーザ光本体に形成可能な幅）を有する細長
い長方形状のフラットミラーである。この第１反射ミラ
ー８７は、コリメートレンズ群８６により平行にされた
レーザ光２４ａに対して、レーザ光２４ａの横断面の径
方向に沿って水平（レーザ光２４ａの光軸と直交する方
向）に前記横断面の中央部まで挿入されるとともに（図
１０（ａ），図１１（ａ），図１２（ａ）参照）、反射
面８７ａが上向き（コリメートレンズ群側）で且つ第１
反射ミラー８７の挿入方向と直交する方向に傾けられて
いる（図１０（ｂ），図１１（ｂ）参照、図示例では図
中右方向に傾けられている）。従って、この第１反射ミ
ラー８７では、レーザ光２４ａの一部２４ｅを反射して
レーザ光本体２４ｆの外へ取り出す。その結果、レーザ
光本体２４ｆには細長い空間部２４ｇが形成される（図
１０（ｂ），図１１（ｂ））。
【００７２】第２反射ミラー８８は第１反射ミラー８７
と同様の細長いフラットミラーであり、レーザ光本体２
４ｆの外側に配置されるとともに、反射面８８ａが下向
き（集光レンズ群側）で且つ第１反射ミラー８７側に傾
けられている。従って、この第２反射ミラー８８では、
第１反射ミラー８７で反射されたレーザ光の一部２４ｅ
を、レーザ光本体２４ｆと平行で且つレーザ光本体２４
ｆの外周面に接する又は近接するように反射する（図１
０（ｂ），図１２（ｂ）参照）。図示例ではレーザ光の
一部２４ｅがレーザ光本体２４ｆの外周面に接する場合
を示しており、このことによって集光レンズ群８９の径
をできるだけ小さくしている。
【００７３】また、第１及び第２反射ミラー８７，８８
の配置は、上記にような配置に限らず、図１３のように
してもよい。即ち、図１３に示すように、第１反射ミラ
ー８７は、反射面８７ａを上向き（コリメートレンズ群
側）にした状態で、レーザ光２４ａに対して、レーザ光
２４ａの横断面の径方向に沿い且つレーザ光２４ａの光
軸に対して斜めに（集光レンズ群側に向かって斜めに）
挿入するとともに（図１３（ａ）参照）、第１反射ミラ
ー８７の挿入方向と直交する方向に傾ける（図１３
（ｂ）参照）。このことにより、第１反射ミラー８７で
は、レーザ光の一部２４ｅを、レーザ光本体２４ｆの外
側に斜めに反射する（図１３（ｃ）参照）。
【００７４】第２反射ミラー８８は、レーザ光本体２４
ｆの外側において、反射面８８ａを下向き（集光レンズ
群側）にした状態で、第１反射ミラー８７と同様にレー
ザ光２４ａの光軸に対して斜めにするとともに、第１反
射ミラー８７側に傾けることにより（図１３（ｂ）参
照）、第１反射ミラー８７で反射されたレーザ光の一部
２４ｅを、レーザ光本体２４ｆと平行で且つレーザ光本
体２４ｆの外周面に接する又は近接するように反射する
（図１３（ｂ）参照）。
【００７５】そして、この場合には図１３（ｄ）に示す
ようにレーザ光の一部２４ｅがレーザ光本体２４ｆの真
横に位置するため、図１２（ｂ）のようにレーザ光の一
部２４ｅがレーザ光本体２４ｆの真横からずれた位置に
ある場合に比べて、より集光レンズ群８９の径を小さく
することができるようになる。
【００７６】集光レンズ群８９は直列に配置された複数
枚のレンズから構成されており、第１反射ミラー８７に
よって空間部２４ｇが形成されたレーザ光本体２４ｆ
と、第１及び第２反射ミラー８７，８８によって反射さ
れたレーザ光の一部２４ｅとを母材３４の被溶接部３４
ａに集光する。このときレーザ光本体２４ｆとレーザ光
の一部２４ｅは一点に集光される。即ち、レーザ光２４
ａは平行光であるため、コリメートレンズ群８６と集光
レンズ群８９との間でレーザ光本体２４ｆとレーザ光の
一部２４ｅの光路長に差があっても、これらのレーザ光
２４ｅ，２４ｆを集光レンズ群８９によって一点に集光
することができる。
【００７７】また、集光レンズ群８９はコリメートレン
ズ群８６よりも多少径が大きくなっている。そして、コ
リメートレンズ群８６の光軸と集光レンズ群８９の光軸
とを同光軸と直交する方向にずらすことによりコリメー
トレンズ群８６を集光レンズ群８９に対して一方側（図
１０（ｂ）中左側）に寄せ、この集光レンズ群８９の他
方側（図１０（ｂ）中右側）に第１及び第２反射ミラー
８７，８８で反射されたレーザ光の一部２４ｅを入射さ
せるように構成している。
【００７８】このことによって、コリメートレンズ群８
６から集光レンズ群８９へと真直ぐに伝送されるレーザ
光本体２４ｆと、このレーザ光本体２４ｆの外に取り出
されたレーザ光の一部２４ｅとが、１つの集光レンズ群
８９に入射されるようになっている。このようにして１
つの集光レンズ群８９によりレーザ光本体２４ｆとレー
ザ光の一部２４ｅとを集光する構成であるため、レーザ
加工ヘッド全体が非常に小型となっている。なお、集光
レンズ群８９の直径は例えば７０ｍｍ程度である。
【００７９】そして、集光レンズ群８９の出力側（図中
下側）には、ＧＭＡ電極３３が、外筒９０に支持されて
レーザ光本体２４ｆの空間部２４ｇに同レーザ光本体と
同軸状に配設されている。かかる構成によってＧＭＡ・
ＹＡＧ同軸溶接が可能となっている。なお、ＧＭＡ溶接
手段に代えて、図３に示すようなＴＩＧ溶接手段を設け
てもよい。
【００８０】従って、このレーザ加工ヘッド２２でも、
上記レーザ加工ヘッド２２（図４参照）と同様の作用・
効果を得ることができる。
【００８１】即ち、レーザ光２４を平行にする１つのコ
リメートレンズ群８６と、コリメートレンズ群８６によ
って平行にされたレーザ光２４ａの一部２４ｅを反射す
ることによってレーザ光本体２４ｆの外に取り出すこと
によりレーザ光本体２４ｆに空間部２４ｇを形成する第
１反射ミラー８７と、レーザ光本体２４ｆの外側に位置
し第１反射ミラー８７で反射されたレーザ光の一部２４
ｅをレーザ光本体２４ｆと平行で且つレーザ光本体２４
ｆの外周面に接する又は近接するように反射する第２反
射ミラー８８と、第１反射ミラー８７よって空間部２４
ｇが形成されたレーザ光本体２４ｆと第１及び第２反射
ミラー８７，８８によって反射されたレーザ光の一部２
４ｅとを被溶接部３４ａに集光する１つの集光レンズ群
８９と、レーザ光本体２４ｆの空間部２４ｇに同レーザ
光本体と同軸状に配設したＧＭＡ電極３３とを備えてレ
ーザ加工ヘッド２２を構成したため、従来に比べて本レ
ーザ加工ヘッド２２は非常に小型で安価なものとなり、
光学機器を損傷する虞もない。
【００８２】そして、このようにレーザ加工ヘッド２２
は非常に小型であるため多軸ＮＣロボット３３にも容易
に装着することができ、且つ、ＧＭＡ電極３３とＹＡＧ
レーザ光２４（レーザ光本体２４ｆ）とが同軸状になっ
ていることから、多軸ＮＣロボット３３によってレーザ
加工ヘッド２２を任意の位置に容易に位置決め移動する
ことができ、３次元加工も容易に行うことができる。ま
た、ＧＭＡ電極３３とＹＡＧレーザ光２４（レーザ光本
体２４ｆ及びレーザ光の一部２４ｅ）との同軸溶接によ
り、非常に高速で溶接することができるようになるとと
もに、純Ａｒガス雰囲気でのＳＵＳ材や高Ｃｒ材などの
溶接も可能となる。
【００８３】また、ＧＭＡ溶接手段に代えて、図６に示
すＴＩＧ溶接手段を用いた場合にも、上記と同様の作用
・効果が得られる。
【００８４】しかも、本レーザ加工ヘッド２２では、第
１反射ミラー８７によってレーザ光本体２４ｆの外に取
り出したレーザ光の一部２４ｅを、第２反射ミラー８８
で更に反射してレーザ光本体２４ｆとともに集光レンズ
群８９によって被溶接部３４ａに集光するようにしたた
め、レーザ光２４のエネルギーを無駄にせず有効に利用
してレーザ光２４の損失を極力押さえることができる。
【００８５】更に、図１３のように第１反射ミラー８７
はコリメートレンズ群８６で平行にされたレーザ光２４
ａに対し、同レーザ光２４ａの横断面の径方向に沿い且
つ同レーザ光２４ａの光軸に対して斜めに挿入するとと
もに、第１反射ミラー８７の挿入方向と直交する方向に
傾けることにより、レーザ光の一部２４ｅをレーザ光本
体２４ｆの外へ斜めに反射するようにした場合には、レ
ーザ光の一部２４ｅがレーザ光本体２４ｆの真横に位置
するため、図１２（ｂ）のようにレーザ光の一部２４ｅ
がレーザ光本体２４ｆの真横からずれた位置にある場合
に比べて、より集光レンズ群８９の径を小さくすること
ができ、レーザ加工ヘッド全体をより小型にすることが
できる。
【００８６】また、コリメートレンズ群８６の光軸と集
光レンズ群８９の光軸とを同光軸と直交する方向にずら
すことによりコリメートレンズ群８６を集光レンズ群８
９に対して一方側に寄せ、この集光レンズ群８９の他方
側に第１及び第２反射ミラー８７，８８により反射され
たレーザ光の一部２４ｅを入射させるように構成したこ
とにより、コリメートレンズ群８６の光軸と集光レンズ
群８９の光軸とを一致させる場合に比べて、より小さな
径の集光レンズ群８９でもレーザ光本体２４ｆとレーザ
光の一部２４ｅとを集光することができ、レーザ加工ヘ
ッド全体をより小型にすることができる。
【００８７】そして、上記のようなレーザ加工ヘッド２
２を備えたレーザ加工装置１も、安価で、しかも、溶接
性能に優れたレーザ加工装置となる。
【００８８】
【発明の効果】以上、発明の実施の形態と共に具体的に
説明したように、第１発明のレーザ加工装置は、レーザ
発振器で発振したレーザ光を伝送し且つ集光して被溶接
部に照射することにより被溶接部を溶接するレーザ溶接
と、アーク電極からのアーク放電によって被溶接部を溶
接するアーク溶接或いはフィラワイヤ溶接とを同時に行
うように構成したレーザ加工装置において、レーザ発振
器からのレーザ光の発振を開始した後又は開始すると同
時にアーク電極からのアーク放電を行い、且つ、アーク
電極からのアーク放電を停止した後又は停止すると同時
にレーザ発振器からのレーザ光の出力を停止するように
制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００８９】従って、この第１発明のレーザ加工装置に
よれば、溶接の開始から終了までレーザ光によってアー
ク放電を確実に誘導してアークを安定させることができ
る。
【００９０】また、第２発明のレーザ加工装置は、第１
発明のレーザ加工装置において、レーザ光と同軸状にア
ーク電極を配設してなる同軸レーザ加工ヘッドを備えた
ことを特徴とする。
【００９１】従って、この第２発明のレーザ加工装置に
よれば、レーザ光とアーク電極とが同軸状であるため、
両者の相対位置が安定しており、レーザ光によるアーク
放電の誘導を容易に行うことができる。
【００９２】また、第３発明のレーザ加工装置は、第２
発明のレーザ加工装置において、同軸レーザ加工ヘッド
は、レーザ光を平行にする１つのコリメート光学系と、
コリメート光学系で平行にされたレーザ光の一部分を反
射することにより、同レーザ光を第１分割レーザ光と第
２分割レーザ光とに２分割する第１反射ミラーと、第１
反射ミラーで反射された第１分割レーザ光を更に反射し
て、第１分割レーザ光と第２分割レーザ光との間に空間
部を設ける第２反射ミラーと、第１分割レーザ光と第２
分割レーザ光とを被加工部に集光する１つの集光光学系
と、第１分割レーザ光と第２分割レーザ光との間の空間
部に同レーザ光と同軸状に配設したアーク電極とを備え
た構成であることを特徴とする。
【００９３】従って、この第３発明のレーザ加工装置に
よれば、レーザ加工ヘッドは従来比べて非常に小型で安
価なものとなり、光学機器を損傷する虞もない。そし
て、このレーザ加工ヘッドは非常に小型であるため例え
ば多軸ＮＣロボットにも容易に装着することができ、且
つ、アーク電極とレーザ光（第１及び第２分割レーザ
光）とが同軸状になっていることから、多軸ＮＣロボッ
トによってレーザ加工ヘッドを容易に任意の位置に位置
決め移動することができ、３次元加工も容易に行うこと
ができる。また、アーク電極とレーザ光との同軸溶接に
より、非常に高速で溶接することができるようになる。
更には、レーザ光の照射によってアークを安定させるこ
とができるため、特殊なワイヤを用いることなく、純Ａ
ｒガス雰囲気でのＳＵＳ材や高Ｃｒ材などの溶接も可能
となる。
【００９４】また、第４発明のレーザ加工装置は、第３
発明のレーザ加工装置において、同軸レーザ加工ヘッド
は、第２反射ミラーを回動可能とすることにより、第１
分割レーザ光の集光先端部と第２分割レーザ光の集光先
端部との間隔を調整可能に構成したことを特徴とする。
【００９５】従って、この第４発明のレーザ加工装置に
よれば、第２反射ミラーの回動角度を適宜設定して第１
分割レーザ光の集光先端部と第２分割レーザ光の集光先
端部との間隔を適宜広げることにより、広いギャップ幅
の母材を溶接することも可能となる。
【００９６】また、第５発明のレーザ加工装置は、第３
発明のレーザ加工装置において、同軸レーザ加工ヘッド
は、第１反射ミラーを移動可能とすることにより第１分
割レーザ光と第２分割レーザ光との分割比を調整可能に
構成し、且つ、第２反射ミラーを回動可能とすることに
より第１分割レーザ光の集光先端部と第２分割レーザ光
の集光先端部との間隔を調整可能に構成したことを特徴
とする。
【００９７】従って、この第５発明のレーザ加工装置に
よれば、第１反射ミラーの移動位置を適宜設定して第１
分割レーザ光の割合を適宜小さくし第２分割レーザ光の
割合を適宜大きくするとともに、第２反射ミラーの回動
角度を適宜設定して第１分割レーザ光の集光先端部と第
２分割レーザ光の集光先端部との間隔を適宜広げること
により、母材に対して先に第２分割レーザ光を照射して
深溶け込みをし、続いて第１分割レーザ光を照射して綺
麗なビードを形成することができる。このときにはポロ
シティ（空孔）のない良好な溶接が可能となる。
【００９８】また、第６発明のレーザ加工装置は、第
３，第４又は第５発明のレーザ加工装置において、同軸
レーザ加工ヘッドは、コリメート光学系の光軸と集光光
学系の光軸とを同光軸と直交する方向にずらすことによ
りコリメート光学系を集光光学系に対して一方側に寄
せ、この集光光学系の他方側に第１及び第２反射ミラー
で反射された第１分割レーザ光を入射させるように構成
したことを特徴とする。
【００９９】従って、この第６発明のレーザ加工装置に
よれば、コリメート光学系の光軸と集光光学系の光軸と
を一致させる場合に比べて、より小さな径の集光光学系
でも第１分割レーザ光と第２分割レーザ光とを集光する
ことができ、レーザ加工ヘッド全体をより小型にするこ
とができる。
【０１００】また、第７発明のレーザ加工装置は、第２
発明のレーザ加工装置において、同軸レーザ加工ヘッド
は、レーザ光を平行にする１つのコリメート光学系と、
コリメート光学系で平行にされたレーザ光の一部を反射
してレーザ光本体の外に取り出すことにより、レーザ光
本体に空間部を形成する反射ミラーと、この空間部が形
成されたレーザ光本体を被加工部に集光する１つの集光
光学系と、レーザ光本体の空間部に同レーザ光本体と同
軸状に配設したアーク電極とを備えた構成であることを
特徴とする。
【０１０１】従って、この第７発明のレーザ加工装置に
よれば、レーザ加工ヘッドは従来に比べて非常に小型で
安価なものとなり、光学機器を損傷する虞もない。そし
て、レーザ加工ヘッドは非常に小型であるため多軸ＮＣ
ロボットにも容易に装着することができ、且つ、アーク
電極とレーザ光本体とが同軸状になっていることから、
多軸ＮＣロボットによってレーザ加工ヘッドを任意の位
置に容易に位置決め移動することができ、３次元加工も
容易に行うことができる。また、同軸溶接により、非常
に高速で溶接することができるようになるとともに、純
Ａｒガス雰囲気でのＳＵＳ材や高Ｃｒ材などの溶接も可
能となる。
【０１０２】また、第８発明のレーザ加工装置は、第２
発明のレーザ加工装置において、同軸レーザ加工ヘッド
は、レーザ光を平行にする１つのコリメート光学系と、
コリメート光学系で平行にされたレーザ光の一部を反射
してレーザ光本体の外に取り出すことにより、レーザ光
本体に空間部を形成する第１反射ミラーと、レーザ光本
体の外側に位置し、第１反射ミラーで反射されたレーザ
光の一部を、レーザ光本体と平行で且つレーザ光本体の
外周面に接する又は近接するように反射する第２反射ミ
ラーと、第１反射ミラーにより空間部が形成されたレー
ザ光本体と、第１及び第２反射ミラーにより反射された
レーザ光の一部とを被加工部に集光する１つの集光光学
系と、レーザ光本体の空間部に同レーザ光本体と同軸状
に配設したアーク電極とを備えた構成であることを特徴
とする。
【０１０３】従って、この第８発明のレーザ加工装置に
よれば、レーザ加工ヘッドは従来に比べて非常に小型で
安価なものとなり、光学機器を損傷する虞もない。そし
て、レーザ加工ヘッドは非常に小型であるため多軸ＮＣ
ロボットにも容易に装着することができ、且つ、アーク
電極とレーザ光本体とが同軸状になっていることから、
多軸ＮＣロボットによってレーザ加工ヘッドを任意の位
置に容易に位置決め移動することができ、３次元加工も
容易に行うことができる。また、同軸溶接により、非常
に高速で溶接することができるようになるとともに、純
Ａｒガス雰囲気でのＳＵＳ材や高Ｃｒ材などの溶接も可
能となる。しかも、第１反射ミラーによってレーザ光本
体の外に取り出したレーザ光の一部を、第２反射ミラー
で更に反射してレーザ光本体とともに集光光学系によっ
て被加工部に集光するようにしたため、レーザ光のエネ
ルギーを無駄にせず有効に利用してレーザ光の損失を極
力押さえることができる。
【０１０４】また、第９発明のレーザ加工装置は、第８
発明のレーザ加工装置において、同軸レーザ加工ヘッド
の第１反射ミラーは、コリメート光学系で平行にされた
レーザ光に対し、同レーザ光の横断面の径方向に沿い且
つ同レーザ光の光軸に対して斜めに挿入するとともに、
第１反射ミラーの挿入方向と直交する方向に傾けること
により、レーザ光の一部をレーザ光本体の外に斜めに反
射するように構成したことを特徴とする。
【０１０５】従って、この第９発明のレーザ加工装置に
よれば、レーザ光本体の外に取り出されたレーザ光の一
部がレーザ光本体の真横に位置するため、レーザ光の一
部がレーザ光本体の真横からずれた位置にある場合に比
べて、より集光光学系の径を小さくすることができ、レ
ーザ加工ヘッド全体をより小型にすることができる。
【０１０６】また、第１０発明のレーザ加工装置は、第
８又は第９発明のレーザ加工装置において、同軸レーザ
加工ヘッドは、コリメート光学系の光軸と集光光学系の
光軸とを同光軸と直交する方向にずらすことによりコリ
メート光学系を集光光学系に対して一方側に寄せ、この
集光光学系の他方側に第１及び第２反射ミラーにより反
射されたレーザ光の一部を入射させるように構成したこ
とを特徴とする。
【０１０７】従って、この第１０発明のレーザ加工装置
によれば、コリメート光学系の光軸と集光光学系の光軸
とを一致させる場合に比べて、より小さな径の集光光学
系でもレーザ光本体とレーザ光の一部とを集光すること
ができるため、レーザ加工ヘッド全体をより小型にする
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置のシ
ステム構成図である。
【図２】前記レーザ加工装置におけるレーザ発振とアー
ク放電のタイミング制御に関する制御ブロック図であ
る。
【図３】レーザ発振とアーク放電のタイミング図であ
る。
【図４】本発明の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドの
概略構成を示す斜視図である。
【図５】（ａ）は前記レーザ加工ヘッドの要部構成を示
す側面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線矢視断面図であ
る。
【図６】前記ＴＩＧ溶接手段の構成を示す斜視図であ
る。
【図７】前記レーザ加工ヘッドにおいて分割するレーザ
光の集光先端部の間隔を開けた状態を示す説明図であ
る。
【図８】前記レーザ加工ヘッドにおいて分割するレーザ
光の分割比を変え且つその集光先端部の間隔を開けた状
態を示す説明図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る同軸レーザ加工ヘッ
ドの他の概略構成を示す斜視図である。
【図１０】前記レーザ加工ヘッドの要部構成を示す側面
図であり、（ａ）は図１２のＧ方向矢視図、（ｂ）は図
１２のＨ方向矢視図である。
【図１１】反射ミラーによって反射されるレーザ光の一
部のみを表した側面図であり、（ａ）は図１０（ａ）に
対応する図、（ｂ）は図１０（ｂ）に対応する図であ
る。
【図１２】（ａ）は図１０（ａ）のＩ−Ｉ線矢視断面拡
大図、（ｂ）は図１０（ａ）のＪ−Ｊ線矢視断面拡大
図、（ｃ）は図１０（ａ）のＫ−Ｋ線矢視断面拡大図で
ある。
【図１３】反射ミラーの他の配置例を示す説明図であ
り、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＬ方向矢視図、
（ｃ）は（ａ）のＭ−Ｍ線矢視断面図、（ｄ）は（ａ）
のＮ−Ｎ線矢視断面図である。
【図１４】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図１５】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。
【符号の説明】
１ レーザ加工装置 ２ 冷却水供給装置 ３ 加工ガス供給装置 ４ フィラワイヤ供給装置 ５ ＧＭＡ電源 １０ 付帯装置 １１ 加工装置制御盤 １２ 発振器コントローラ １３ ＮＣコントローラ １４ 空・水コントローラ １５ モニタリングコントローラ １６ オートフォーカスコントローラ １７ モニタＴＶ ２０ アーク放電 ２１ ＹＡＧレーザ発振器 ２２ レーザ加工ヘッド ２３ 多軸ＮＣロボット ２４ レーザ光 ２４ａ 平行なレーザ光 ２４ｂ 第１分割レーザ光 ２４ｂ−１ 集光先端部 ２４ｃ 第２分割レーザ光 ２４ｃ−１ 集光先端部 ２４ｄ 空間部 ２４ｅ レーザ光の一部（反射された部分） ２４ｆ レーザ光本体 ２４ｇ 空間部 ２５ 光ファイバ ２６ コリメートレンズ群 ２７ 第１反射ミラー ２７ａ 反射面 ２８ 第２反射ミラー ２８ａ 反射面 ２８ｂ 回動軸 ２９ 集光レンズ群 ３０ 外筒 ３１ ミラー移動装置 ３２ ミラー回動装置 ３３ ＧＭＡ電極 ３５ ＧＭＡヘッド ３６ ＧＭＡ溶接機 ３７ ワイヤ送り装置 ３８ 案内管 ４１ ＴＩＧヘッド ４２ ＴＩＧ電極 ４３ ＴＩＧ溶接機 ４４ 案内管 ８６ コリメートレンズ群 ８７ 第１反射ミラー ８７ａ 反射面 ８８ 第２反射ミラー ８８ａ 反射面 ８９ 集光レンズ群 ９０ 外筒 １０１ 母材 １０１ａ 被溶接部 １０２ レーザ溶接ヘッド １０３ レーザ光 １０４ ＧＭＡ溶接ヘッド １０５ ＧＭＡ電極 １０６ ガス噴射ノズル １１１ 光ファイバ １１２ レーザ光 １１２ａ 第１分割レーザ光 １１２ｂ 第２分割レーザ光 １１３ 凸型ルーフミラー １１４ 凹型ルーフミラー １１４ａ 貫通孔 １１５ 集光レンズ群 １１５ａ 貫通孔 １１６ 電極保持管 １１７ 空間部 ａ 放電開始信号 ｂ 発振停止信号 ｃ 発振開始信号 ｄ 給電 ｆ 発振停止信号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石出 孝 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 坪田 秀峰 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 Ｆターム(参考） 4E068 BA06 BC01 CA02 CA05 CA07 CB09 CD03 CD12 CD15

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ発振器で発振したレーザ光を伝送
    し且つ集光して被溶接部に照射することにより被溶接部
    を溶接するレーザ溶接と、アーク電極からのアーク放電
    によって被溶接部を溶接するアーク溶接或いはフィラワ
    イヤ溶接とを同時に行うように構成したレーザ加工装置
    において、 レーザ発振器からのレーザ光の発振を開始した後又は開
    始すると同時にアーク電極からのアーク放電を行い、且
    つ、アーク電極からのアーク放電を停止した後又は停止
    すると同時にレーザ発振器からのレーザ光の出力を停止
    するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする
    レーザ加工装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載するレーザ加工装置にお
    いて、 レーザ光と同軸状にアーク電極を配設してなる同軸レー
    ザ加工ヘッドを備えたことを特徴とするレーザ加工装
    置。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載するレーザ加工装置にお
    いて、 同軸レーザ加工ヘッドは、 レーザ光を平行にする１つのコリメート光学系と、 コリメート光学系で平行にされたレーザ光の一部分を反
    射することにより、同レーザ光を第１分割レーザ光と第
    ２分割レーザ光とに２分割する第１反射ミラーと、 第１反射ミラーで反射された第１分割レーザ光を更に反
    射して、第１分割レーザ光と第２分割レーザ光との間に
    空間部を設ける第２反射ミラーと、 第１分割レーザ光と第２分割レーザ光とを被加工部に集
    光する１つの集光光学系と、 第１分割レーザ光と第２分割レーザ光との間の空間部に
    同レーザ光と同軸状に配設したアーク電極とを備えた構
    成であることを特徴とするレーザ加工装置。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載するレーザ加工装置にお
    いて、 同軸レーザ加工ヘッドは、第２反射ミラーを回動可能と
    することにより、第１分割レーザ光の集光先端部と第２
    分割レーザ光の集光先端部との間隔を調整可能に構成し
    たことを特徴とするレーザ加工装置。
  5. 【請求項５】 請求項３に記載するレーザ加工装置にお
    いて、 同軸レーザ加工ヘッドは、第１反射ミラーを移動可能と
    することにより第１分割レーザ光と第２分割レーザ光と
    の分割比を調整可能に構成し、且つ、第２反射ミラーを
    回動可能とすることにより第１分割レーザ光の集光先端
    部と第２分割レーザ光の集光先端部との間隔を調整可能
    に構成したことを特徴とするレーザ加工装置。
  6. 【請求項６】 請求項３，４又は５に記載するレーザ加
    工装置において、 同軸レーザ加工ヘッドは、コリメート光学系の光軸と集
    光光学系の光軸とを同光軸と直交する方向にずらすこと
    によりコリメート光学系を集光光学系に対して一方側に
    寄せ、この集光光学系の他方側に第１及び第２反射ミラ
    ーで反射された第１分割レーザ光を入射させるように構
    成したことを特徴とするレーザ加工装置。
  7. 【請求項７】 請求項２に記載するレーザ加工装置にお
    いて、 同軸レーザ加工ヘッドは、 レーザ光を平行にする１つのコリメート光学系と、 コリメート光学系で平行にされたレーザ光の一部を反射
    してレーザ光本体の外に取り出すことにより、レーザ光
    本体に空間部を形成する反射ミラーと、 この空間部が形成されたレーザ光本体を被加工部に集光
    する１つの集光光学系と、 レーザ光本体の空間部に同レーザ光本体と同軸状に配設
    したアーク電極とを備えた構成であることを特徴とする
    レーザ加工装置。
  8. 【請求項８】 請求項２に記載するレーザ加工装置にお
    いて、 同軸レーザ加工ヘッドは、 レーザ光を平行にする１つのコリメート光学系と、 コリメート光学系で平行にされたレーザ光の一部を反射
    してレーザ光本体の外に取り出すことにより、レーザ光
    本体に空間部を形成する第１反射ミラーと、 レーザ光本体の外側に位置し、第１反射ミラーで反射さ
    れたレーザ光の一部を、レーザ光本体と平行で且つレー
    ザ光本体の外周面に接する又は近接するように反射する
    第２反射ミラーと、 第１反射ミラーにより空間部が形成されたレーザ光本体
    と、第１及び第２反射ミラーにより反射されたレーザ光
    の一部とを被加工部に集光する１つの集光光学系と、 レーザ光本体の空間部に同レーザ光本体と同軸状に配設
    したアーク電極とを備えた構成であることを特徴とする
    レーザ加工装置。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載するレーザ加工装置にお
    いて、 同軸レーザ加工ヘッドの第１反射ミラーは、コリメート
    光学系で平行にされたレーザ光に対し、同レーザ光の横
    断面の径方向に沿い且つ同レーザ光の光軸に対して斜め
    に挿入するとともに、第１反射ミラーの挿入方向と直交
    する方向に傾けることにより、レーザ光の一部をレーザ
    光本体の外に斜めに反射するように構成したことを特徴
    とするレーザ加工装置。
  10. 【請求項１０】 請求項８又は９に記載するレーザ加工
    装置において、 同軸レーザ加工ヘッドは、コリメート光学系の光軸と集
    光光学系の光軸とを同光軸と直交する方向にずらすこと
    によりコリメート光学系を集光光学系に対して一方側に
    寄せ、この集光光学系の他方側に第１及び第２反射ミラ
    ーにより反射されたレーザ光の一部を入射させるように
    構成したことを特徴とするレーザ加工装置。
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