JP2005219101A - レーザ加工方法およびレーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光学系を保護している保護ガラスへのスパッタの付着によってレーザ出力が低下するのを防止する。
【解決手段】エアシャッター５にてスパッタの飛散方向を偏向させて、保護ガラス９でのスパッタ付着領域Ｅを限定する。スパッタ付着領域Ｅを回避するようにして、レーザ光Ｌをプリズム６にて二系統のレーザ光Ｌａ，Ｌｂに分光させ、被溶接物Ｗ上の溶接位置Ｐでそれら二系統のレーザ光Ｌａ，Ｌｂをほぼ同一位置に集光させる。これにより、スパッタ付着領域Ｅとレーザ光Ｌａ，Ｌｂとの干渉を未然に防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ溶接に代表されるようなレーザ加工方法とレーザ加工ヘッドの改良に関し、例えばレーザ溶接とイナートガスアーク溶接の一つであるＭＩＧ溶接もしくはＴＩＧ溶接等とを併用していわゆるハイブリッド溶接を行うにあたり、特にアルミニウム系材料の溶接に際して副次物であるスパッタの付着防止を目的としたレーザ加工方法とレーザ加工ヘッドに関するものである。

周知のように、アルミニウム系材料の溶接にはレーザ溶接やＭＩＧ溶接が用いられているが、各溶接法ともに一長一短があり、最近では例えば特許文献１，２に記載のように、レーザ溶接とＭＩＧ溶接等とを併用したいわゆるハイブリッド溶接法が採用される傾向にある。

すなわち、ＭＩＧ溶接は設備的に簡便であり、被溶接部材同士の間にある程度の隙間があっても溶接が可能である反面、入熱量が大きく、被溶接物が熱変形し易いという欠点がある。また、レーザ溶接は入熱量が小さくて被溶接物の熱変形が少ない反面、被溶接物同士の間に隙間があると溶接できないという欠点がある。これに対して、特許文献１，２のようにレーザ溶接と例えばＭＩＧ溶接とを併用するハイブリッド溶接法では、実質的に双方の溶接法の長所を兼ね備えており、特にアルミニウム系材料の溶接には有力な方法として一部で実用化されている。
特開２００３−１６４９８３号公報（図１） 特開２００３−２４５７８６号公報（図１） 特開２００２−１９２３７４号公報（図１） 特開２００２−６６７８１号公報（図１）

しかしながら、アルミニウム系材料を被溶接物とするハイブリッド溶接では、アルミニウム系材料は溶接副次物であるスパッタの発生量が多いために、レーザ溶接ヘッドの光学系である焦点レンズ等にスパッタが付着してしまい、溶接位置でのレーザエネルギーの低下により溶接不良が発生しやすいほか、スパッタの付着度合いによっては設備故障を招き、溶接そのものができなくなるおそれがある。

その対策として、レンズ等の光学系の前面に保護ガラスを配置することが行われているが、結局その保護ガラスにもスパッタが付着してしまい、保護ガラスの交換頻度が高くなるほか、上記と同様の不具合が発生することとなって好ましくない。

そこで、例えば特許文献３，４に記載のように、レーザ溶接ヘッドのレーザ光学系であるレンズもしくはそれを覆っている保護ガラスと溶接部位との間に、溶接部平面とほぼ平行な空気の流れを積極的に生成していわゆるエアシャッターの機能を具備させたものも一部で提案されているが、エアシャッターの特殊性として、構造が簡便である反面、スパッタの付着防止効果が必ずしも十分ではなく、なおも改善の余地を残している。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、いわゆるハイブリッド溶接に代表されるようなレーザ加工において、保護ガラスを含むレーザ光学系への溶接副次物であるスパッタ等の最小限の付着を容認しつつも、そのスパッタとの干渉によってレーザ光が遮られることがないようにして、溶接品質の向上を図ったレーザ加工方法とレーザ加工ヘッドを提供するものである。

請求項１に記載の発明は、レーザ光学系から被加工物に向けてレーザ光を照射するとともに、レーザ光学系のレーザ光照射口と被加工物とのなす空間に、被加工物とほぼ平行な空気の流れをもってエアシャッターを形成し、このエアシャッターによりスパッタ等の加工副次物の飛散方向を偏向させて、レーザ光学系への加工副次物の付着を抑制しながら加工を行うようにしたレーザ加工方法を前提とする。

その上で、被加工物に対するレーザ光の照射形態として、レーザ光の照射方向と直交する平面内における加工副次物を回避するように、レーザ光学系から被加工物に向けてレーザ光を複数系統に分光して照射しつつ、被加工物上の加工位置でそれら複数系統のレーザ光をほぼ同一位置に集光させることを特徴とする。

被加工物に対する加工は、例えばレーザ溶接のほか、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して行うハイブリッド溶接等とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の技術をレーザ加工ヘッドとして捉えたものであって、レーザ光学系から被加工物に向けてレーザ光を照射するとともに、レーザ光学系のレーザ光照射口と被加工物とのなす空間に、被加工物とほぼ平行な空気の流れをもってエアシャッターを形成し、このエアシャッターにより加工副次物の飛散方向を偏向させて、レーザ光学系への加工副次物の付着を抑制しながら加工を行うようにしたレーザ加工ヘッドであることを前提とする。

その上で、上記レーザ光学系は、レーザ光の照射方向と直交する平面内における加工副次物を回避するように、レーザ光学系から被加工物に向けてレーザ光を複数系統に分光して照射しつつ、被加工物上の加工位置でそれら複数系統のレーザ光をほぼ同一位置に集光させるものであることを特徴とする。

上記レーザ光学系は、例えば請求項４に記載のように、レーザ光の照射方向と直交する平面内における加工副次物を回避するように、レーザ発振源から出力されるレーザ光を複数系統に分光する分光手段と、分光手段よりも被加工物寄りに配置されて、分光された複数系統のレーザ光を被加工物上の加工位置でほぼ同一位置に集光させる集光手段とを備えているものとする。

この場合、請求項５に記載のように、レーザ光学系におけるレーザ光照射口に前面に、レーザ光学系をスパッタ等の加工副次物の付着から保護する保護ガラスが配置されているが望ましい。

したがって、少なくとも請求項１，３に記載の発明では、レーザ光学系のレーザ光照射口と被加工物とのなす空間において、レーザ光の光軸とほぼ直角となるような空気の流れをもってエアシャッターを形成すると、そのエアシャッターの影響で加工副次物であるスパッタの飛散方向に偏りが生じ、レーザ光学系の方向を指向するスパッタの量、すなわちレーザ光照射口の前面に保護ガラスが配置されている場合には、その保護ガラスへのスパッタの付着は少なくはなるものの、スパッタの付着を完全に防止までには至らず、なおも不十分である。

そこで、エアシャッターの影響で加工副次物であるスパッタの飛散方向に偏りが生じる点に着目し、レーザ光の照射方向と直交する平面内におけるスパッタを回避して、レーザ光がそのスパッタと干渉しないように、レーザ光学系から被加工物に向けてレーザ光を例えば二系統に分けて（分光して）照射しつつ、被加工物上の加工位置ではそれら二系統のレーザ光を再びほぼ同一位置に集光させる。こうすることにより、例えば溶接副次物であるスパッタとレーザ光との干渉がなくなる。

請求項１，３に記載の発明によれば、加工副次物とレーザ光との干渉によるレーザ出力の低下を防止できるため、溶接不良の発生を未然に防止することができ、溶接品質が向上する。

図１〜３は本発明のより具体的な実施の形態としてアルミニウム系材料を被溶接物とするレーザ溶接の場合の例を示しており、特に図１の（Ａ）はレーザ溶接ヘッドの正面説明図を、図１の（Ｂ）は同図（Ａ）におけるレーザ溶接ヘッドの特定部位での平面説明図を、図２は図１の（Ａ）の右側面図をそれぞれ示している。また、図３は図２のａ−ａ線に沿う断面矢視図をそれぞれ示している。

図１〜３において、Ｗはアルミニウム系材料からなる平板状の被溶接物（被加工物）、１はレーザ加工ヘッドとしてのレーザ溶接ヘッドであって、レーザ溶接ヘッド１のハウジング２には取付ブラケット３を介して遮蔽板４とエアシャッター５とが付帯している。

レーザ溶接ヘッド１のハウジング２内には、レーザ光学系を形成することになる分光手段としてのプリズム６と、同じくレーザ光学系を形成しつつ集光手段として機能する焦点レンズ７が収容配置されているとともに、焦点レンズ７が臨んでいるレーザ光照射口８の前面すなわちレーザ光照射口８よりも被溶接物Ｗ側には焦点レンズ７を保護するための固定式の保護ガラス９が配置されている。

そして、ハウジング２内には図示しないレーザ発振器から出力されたＹＡＧレーザ等のレーザ光Ｌが光ファイバー１０を介して導入口１１から導入されるようになっている。ハウジング２内に導入されたレーザ光Ｌは、図１に示すようにプリズム６の分光機能により断面略扇形状をなす左右二系統のレーザ光Ｌａ，Ｌｂに分けられた上で焦点レンズ７に入射し、さらに二系統のレーザ光はＬａ，Ｌｂは保護ガラス９を透過した上で最終的には被溶接物Ｗ上の加工位置Ｐでほぼ同一位置に集光されて、その加工位置Ｐで所定のスポット径にて照射さるように設定されている。

そして、例えば被溶接物Ｗを固定側、レーザ溶接ヘッド１を可動側とした場合に、レーザ溶接ヘッド１を溶接方向に所定速度で移動させることで、図４のような形態でレーザ光Ｌａ，Ｌｂの照射部位に溶接が施されることになる。なお、同図の符号Ｓは溶接の際にその発生が不可避とされる溶接副次物（加工副次物）たるスパッタの飛散方向を示す。

また、被溶接物Ｗとレーザ光照射口８とのなす空間には、先に述べたエアシャッター５と略矩形状の遮蔽板４とがエアシャッター５を上側にして取付ブラケット３を介して近接配置されている。

遮蔽板４は、先に述べたように、レーザ溶接に伴って発生するスパッタがレーザ光照射口８やハウジング２側に飛散して付着するのを抑制するために設けられているもので、図３に示すようにレーザ光Ｌａ，Ｌｂと干渉することがないようにそのレーザ光Ｌａ，Ｌｂの通過を許容する円形穴１２が形成されている。

一方、エアシャッター５は、偏平状のエアブローノズル１３からレーザ光Ｌａ，Ｌｂの照射方向に対してほぼ直交する方向から溶接平面とほぼ平行に且つ層状に圧縮エアを吹き出してエアの層状流れ１４を生成するもので、この層状流れ１４をもってエアシャッター５としての機能が発揮されるようになっている。

ここで、図５から明らかなように、レーザ溶接に伴ってその発生が不可避であるスパッタは、上記のエアシャッター５がない場合には符号Ｓで示すようにレーザ光照射口８の方向を指向するようにして飛散し、何回も溶接動作を繰り返すことにより保護ガラス９のほぼ全面に付着し、広大なスパッタ付着領域Ｅを形成することになる。

これに対して、上記のようにエアシャッター５を付帯させた場合には、図６から明らかなように、エアの層状流れ１４の影響で上記スパッタの飛散方向Ｓが符号Ｆで示すように偏向されて、同図（Ｂ）に示すように保護ガラス９に対するスパッタの付着に偏りが生じ、スパッタの付着領域Ｅが著しく限定されて局部的なものとなることが経験的に知られている。

そこで、先に述べたレーザ光Ｌの分光に際しては、図１に示すように分光されたレーザ光Ｌａ，ｌｂが保護ガラス９を透過する際に、その保護ガラス９でのスパッタの付着領域Ｅと干渉しないように、分光された各レーザ光Ｌａ，Ｌｂの断面形状およびスポットサイズを予め設定してある。

したがって、本実施の形態によれば、レーザ光学系である焦点レンズ７を保護している保護ガラス９へのスパッタの付着が不可避であったとしても、図１の（Ｂ）から明らかなように、スパッタの付着領域Ｅと、分光されたレーザ光Ｌａ，Ｌｂが干渉することがないから、溶接位置Ｐでのレーザエネルギーの低下がなく、溶接不良を未然に防止することが可能となる。

図７は本発明の第２の実施の形態を示す図で、第１の実施の形態である図１と共通する部分には同一符号を付してある。

この実施の形態では、レーザ溶接ヘッド１アーク溶接用のＭＩＧトーチ２１とを互いに近接して配置して、レーザ溶接とＭＩＧ溶接とを併用するいわゆるハイブリッド溶接に適用したものである。

同図から明らかなように、被溶接物Ｗに対してレーザ溶接ヘッド１からレーザ光Ｌａ，Ｌｂを照射する一方で、ＭＩＧトーチ２１から溶極である溶接ワイヤ２２を繰り出して、それらのレーザ溶接ヘッド１およびＭＩＧトーチ２１を一体的に溶接方向に移動させることで、実質的にレーザ光Ｌａ，Ｌｂの照射によるレーザ溶接部位Ｐを追いかけるようにして、そのレーザ溶接とＭＩＧトーチ２１によるＭＩＧ溶接（アーク溶接）とが施されることになる。

この第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と全く同様の効果が得られることになる。

本発明の第１の実施の形態を示す図で、（Ａ）はレーザ溶接ヘッドの正面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の保護ガラス相当部での平面説明図。 図１の（Ａ）の右側面説明図。 図２のａ−ａ線に沿う断面矢視図。 図１のレーザ溶接ヘッドでの溶接形態を示す説明図。 （Ａ）は図１のエアシャッターがない場合のスパッタの飛散状況を示す説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）での保護ガラスに対するスパッタの付着状況を示す説明図。 （Ａ）は図１のレーザ溶接ヘッドでのスパッタの飛散状況を示す説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）での保護ガラスに対するスパッタの付着状況を示す説明図。 本発明の第２の実施の形態を示す説明図。

符号の説明

１…レーザ溶接ヘッド（レーザ加工ヘッド）
４…遮蔽板
５…エアシャッター
６…プリズム（分光手段，レーザ光学系）
７…焦点レンズ（集光手段，レーザ光学系）
８…レーザ照射口
９…保護ガラス
１３…エアブローノズル
１４…エアの層状流れ
２１…ＭＩＧトーチ
Ｅ…スパッタ付着領域
Ｌ，Ｌａ，Ｌｂ…レーザ光
Ｐ…溶接位置（加工位置）
Ｗ…被溶接物（被加工物）

Claims (6)

1. レーザ光学系から被加工物に向けてレーザ光を照射するとともに、
   レーザ光学系のレーザ光照射口と被加工物とのなす空間に、被加工物とほぼ平行な空気の流れをもってエアシャッターを形成し、
   このエアシャッターにより加工副次物の飛散方向を偏向させて、レーザ光学系への加工副次物の付着を抑制しながら加工を行うようにしたレーザ加工方法であって、
   被加工物に対するレーザ光の照射形態として、
   レーザ光の照射方向と直交する平面内における加工副次物を回避するように、レーザ光学系から被加工物に向けてレーザ光を複数系統に分光して照射しつつ、被加工物上の加工位置でそれら複数系統のレーザ光をほぼ同一位置に集光させることを特徴とするレーザ加工方法。
2. 被加工物に対する加工が、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して行うハイブリッド溶接であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. レーザ光学系から被加工物に向けてレーザ光を照射するとともに、
   レーザ光学系のレーザ光照射口と被加工物とのなす空間に、被加工物とほぼ平行な空気の流れをもってエアシャッターを形成し、
   このエアシャッターにより加工副次物の飛散方向を偏向させて、レーザ光学系への加工副次物の付着を抑制しながら加工を行うようにしたレーザ加工ヘッドであって、
   上記レーザ光学系は、
   レーザ光の照射方向と直交する平面内における加工副次物を回避するように、レーザ光学系から被加工物に向けてレーザ光を複数系統に分光して照射しつつ、被加工物上の加工位置でそれら複数系統のレーザ光をほぼ同一位置に集光させるものであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
4. 上記レーザ光学系は、
   レーザ光の照射方向と直交する平面内における加工副次物を回避するように、レーザ発振源から出力されるレーザ光を複数系統に分光する分光手段と、
   分光手段よりも被加工物寄りに配置されて、分光された複数系統のレーザ光を被加工物上の加工位置でほぼ同一位置に集光させる集光手段と、
   を備えていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工ヘッド。
5. レーザ光学系におけるレーザ光照射口に前面には、レーザ光学系を加工副次物の付着から保護する保護ガラスが配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ加工ヘッド。
6. 上記被加工物に対する加工が、
   レーザ加工ヘッドをこれと近接配置したアーク溶接用の溶接トーチとともに被加工物に対し相対移動させながら、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接を行うハイブリッド溶接であることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。

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