JP2005279673A - レーザ加工ヘッドおよびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のエアシャッターの機能だけでは吹き飛ばしきれないような比較的大きな運動エネルギーをもつスパッタ等であってもこれらを効率良く排除できるようにしたレーザ加工ヘッドを提供する。
【解決手段】 レーザ溶接に伴って発生するスパッタＳ等を、モータ８にて回転駆動されるプロペラファン９にて排除する。レーザ光Ｌａの照射タイミングとプロペラファン９の回転位相を制御装置１０にて同期制御し、プロペラファン９がレーザ光路を横切ったとしてもレーザ光Ｌａと干渉しないようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ溶接に代表されるような各種レーザ加工のためのレーザ加工ヘッドに関し、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、特に溶接副次物であるスパッタやヒュームのレーザ光学系への付着を抑制するようにしたレーザ加工ヘッドに関するものである。

レーザ溶接のほかレーザ溶接とＭＩＧ溶接とを併用するいわゆるハイブリッド溶接では、レーザ光学系と溶接点との間、多くの場合には最終の集光レンズ（焦点レンズ）の前面側に保護ガラスを設けて、溶接副次物であるスパッタやヒューム（以下、スパッタ等という）の付着によるレーザ光学系の損傷防止対策を施しているのが一般的である。

しかしながら、集光レンズ等を保護することができたとしても、保護ガラスそのものへのスパッタ等の付着もまた不可避であることから、溶接点でのレーザ出力の低下による溶接品質への影響や、保護ガラスの交換頻度の増加によるコストアップ、さらには生産性の低下が余儀なくされることになる。特に亜鉛めっき鋼板やアルミニウム系材料の溶接では、スパッタ等の発生量が多いために上記の傾向が一段と顕著となる。

そこで、特許文献１に記載のように、レーザ光学系を保護している保護ガラスと溶接点との間に、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が提案されている。
特開２００２−１９２３７４号公報（図１）

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、エアシャッターの機能だけでは吹き飛ばしきれないような比較的大きな運動エネルギーをもつスパッタやヒュームに対しては必ずしも有効な対策とはならず、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、レーザ光学系もしくはそのレーザ光学系を保護している保護ガラスへの溶接副次物であるスパッタ等の付着を一段と抑制し、特に従来のエアシャッターの機能だけでは吹き飛ばしきれないような比較的大きな運動エネルギーをもつスパッタやヒュームであってもこれらを効率良く排除できるようにした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、ハウジングに収容されたレーザ光学系から被加工物に対しレーザ光を照射してレーザ加工を施すレーザ加工ヘッドにおいて、レーザ光学系と加工点との間に、レーザ光路を間歇的に横切るプロペラファン等の加工副次物飛散偏向手段を配置したことを特徴とする。

この場合、請求項２に記載のように、ハウジングのレーザ光照射口にレーザ光学系を保護する保護ガラスを装着することが望ましく、また請求項４に記載のように、いわゆるパルスレーザを使うことにより被加工物に対してレーザ光を間歇的に照射するとともに、レーザ光と加工副次物飛散偏向手段とが干渉することがないように、レーザ光の照射タイミングに同期して加工副次物飛散偏向手段が回転するように設定することが望ましい。

したがって、請求項１に記載の発明では、レーザ加工と並行して加工副次物飛散偏向手段を回転駆動させることにより、加工点で発生したスパッタやヒューム等の加工副次物がレーザ光学系に向かって飛散したとしても、それらの加工副次物は飛散方向が偏向されるか、もしくは加工副次物飛散偏向手段に付着することで強制的に排除されることになる。これは、従来のエアシャッターでは排除しきれないような比較的大きな運動エネルギーをもつ加工副次物に特に有効である。その結果として、レーザ光学系の方向を指向する加工副次物が極端に少なくなる。

請求項１，２に記載の発明によれば、レーザ光学系あるいはそれを保護している保護ガラスへのスパッタやヒューム等の加工副次物の付着が大幅に抑制されて溶接等の加工品質が向上するほか、保護ガラスの交換頻度の低減による工数削減と生産性の向上が図れる。

図１，２は本発明のより具体的な実施の形態を示し、同図ではレーザ溶接にイナートガスアーク溶接の一つであるＭＩＧ溶接を併用するいわゆるハイブリッド溶接のためのレーザ溶接ヘッドの例を示している。そして、図１の（Ａ）はレーザ溶接ヘッドの側面図を、同図（Ｂ）は同図（Ａ）の平面図を、図２は図１を下方から見上げた要部斜視図をそれぞれ示している。

図１において、Ｗは平板状の被溶接物（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、２はレーザ溶接ヘッド１と近接配置されたＭＩＧ溶接トーチである。

レーザ溶接ヘッド１の筒状のハウジング３内には、図示外のレーザ発振器から出力されたＹＡＧレーザ等のレーザ光Ｌａが導入されるようになっているとともに、レーザ光学系を形成することになる集光レンズ４が収容配置されていて、集光レンズ４が臨んでいるハウジング３のレーザ照射口３ａの前面すなわち集光レンズ４よりも被溶接物Ｗ側にはその集光レンズ４を保護するための固定式の保護ガラス５が配置されている。したがって、ハウジング３内に導入されたレーザ光Ｌａは、集光レンズ４で集光された上で被溶接物Ｗ上の溶接点（加工点もしくは加工部位）Ｐに所定のスポット径にて照射される。

なお、ここでは、レーザ光Ｌａとして、後述するようにレーザ発振器から所定の周波数で間歇的に出力されるいわゆるパルスレーザタイプのものが使用される。

そして、例えば被溶接物Ｗを固定側、レーザ溶接ヘッド１およびＭＩＧ溶接トーチ２を可動側とした場合に、レーザ溶接ヘッド１とＭＩＧ溶接トーチ２を溶接方向に一体的に所定速度で移動させることで被溶接物Ｗ上のレーザ光Ｌａの照射部位Ｐに溶接が施され、同時にそのレーザ溶接部位Ｐを追いかけるようにしてＭＩＧ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と飛散が不可避とされる溶接副次物（加工副次物）としてのスパッタやヒューム（以下、総称してスパッタ等という）を示す。

レーザ溶接ヘッド１のハウジング３と被溶接物Ｗとの間には、矩形状をなす遮蔽板６がレーザ光路を横切るように水平に配置されている。この遮蔽板６は、溶接点Ｐで発生したスパッタＳ等が保護ガラス５側に向かって飛散するのを抑制するために設けられているもので、その遮蔽板６には図２にも示すようにレーザ光Ｌａの透過を許容する円形の光路穴７が開口形成されている。

遮蔽板６上には、加工副次物（溶接副次物）飛散偏向手段としてモータ８を駆動源とする４枚羽根タイプのプロペラファン９が配置されている。プロペラファン９は４枚のブレード９ａをいわゆる十字状もしくはＸ字状に組み合わせたものであって、その回転中心がレーザ光Ｌａの光軸と平行もしくはほぼ平行になるように設定されているとともに、プロペラファン９の回転中心はレーザ光Ｌａの光軸に対して所定量だけオフセットしている。そして、プロペラファン９を回転させたときには各ブレード９ａのがレーザ光路を間歇的に横切るように設定されている。つまり、プロペラファン９の回転中心がレーザ光Ｌａの光軸から所定量だけオフセットしてはいても、図１の（Ａ）から明らかなように、各ブレード９ａの先端の回転軌跡は、保護ガラス５の端縁のうちプロペラファン９の回転中心から最も離れた位置までも及ぶように設定してある。

ここで、図１のレーザ溶接ヘッド１には、図示外のレーザ発振器の発振周波数とプロペラファン９の回転位相とを同期制御するための制御装置１０が付帯していて、レーザ光Ｌａの照射タイミングに同期してプロペラファン９を回転駆動させることにより、レーザ光路を間歇的に横切るようにプロペラファン９が回転したとしても、その回転中のプロペラファン９のブレード９ａとレーザ光Ｌａが干渉することがないように予め設定されている。

したがって、このように構成されたレーザ溶接ヘッド１によれば、被溶接物Ｗに対してレーザ溶接ヘッド１とＭＩＧ溶接トーチ２とを一体的に移動させ、レーザ溶接ヘッド１から溶接点Ｐに向けてレーザ光Ｌａを所定の周波数で間歇的に照射する一方で、溶極として機能することになる図示外の溶接ワイヤをＭＩＧ溶接トーチ２の先端から繰り出して、その溶接ワイヤと被溶接物Ｗとの間にアークを発生させて、レーザ光照射部位Ｐを追いかけるようにしてそのレーザ溶接とＭＩＧ溶接とを併用して従来と同様にいわゆるハイブリッド溶接を行う。

同時に、溶接動作と並行して、レーザ光Ｌａの照射タイミングすなわちレーザ光Ｌａの発振周波数に同期してプロペラファン９を所定の回転数で回転駆動させる。このようにレーザ光Ｌａの照射タイミングとプロペラファン９の回転位相とを同期させることにより、回転中のプロペラファン９のブレード９ａがレーザ光路を横切ったとしても実際にはそのブレード９ａとレーザ光Ｌａとが干渉することはない。

溶接動作の進行に伴って溶接点Ｐからは溶接副次物であるスパッタＳ等が発生して飛散する。それらのスパッタＳ等のうち多くのものは遮蔽板６に当接もしくは付着することによって、それよりも上方への飛散が阻止される一方、残りの一部のスパッタＳ等がレーザ光Ｌａの光路方向を指向しつつ遮蔽板６の光路穴７を通過して遮蔽板６の上方まで、すなわちプロペラファン９の回転領域まで飛散する。

遮蔽板６の光路穴７を通過してプロペラファン９の回転領域にまで飛散したスパッタＳ等は、飛散距離が長くなるほどその運動エネルギーが低下していることから、プロペラファン９の回転によって飛散方向が偏向する。その形態としては、プロペラファン９による風圧にて跳ね返るようにして吹き飛ばされる場合のほか、回転中のプロペラファン９のブレード９ａそのものに付着することによって捕集されることが考えられる。

さらに、上記のように遮蔽板６の光路穴７を通過してプロペラファン９の回転領域にまで飛散したスパッタＳ等のうちごく一部のものは、図１の（Ａ）に示すように保護ガラス５まで及び、一部のスパッタＳ等はその保護ガラス５にて跳ね返って落下する一方、残された極々一部のスパッタＳ等が保護ガラス５に付着することになる。

図３には、先に述べた制御装置１０にて制御されるレーザ光Ｌａの発振周波数もしくは照射タイミングとプロペラファン９の回転位相との関係を示す。なお、（Ａ）はいわゆるパルスレーザの波形を、（Ｂ）は同図（Ａ）の拡大図を、（Ｃ）はプロペラファン９の回転位相をそれぞれ示している。また、図３では、次の第２の実施の形態の保護板１１を開示しているが、第１の実施の形態の理解にあたっては当該保護板１１はないものとする。

図３から明らかなように、本実施の形態では、レーザ光Ｌａの照射パルス１パルスに対してプロペラファン９を例えば最大で３０００ｒｐｍ程度の回転性能をもつモータ８にて１／２回転の条件で同期させている。すなわち、図３から明らかなように、レーザ光Ｌａを１００Ｈｚで１パルス当たりの照射時間を４ｍｓに設定する一方で、プロペラファン９を２０ｍｓで１回転するように制御することにより、溶接動作中においてレーザ光Ｌａとプロペラファン９のブレード９ａが干渉することがなく、且つプロペラファン９によるスパッタＳ等の排除機能を効率よく発揮させることができる。

より詳しくは、図３の（Ｃ）に示すように、いずれか一枚のブレード９ａがレーザ光路を通過し終えた瞬間に１パルス分（４ｍｓ分）のレーザ光Ｌａの照射を開始し、次のブレード９ａがレーザ光路を横切る前にその１パルス分のレーザ光Ｌａの照射を終えるようにレーザ光Ｌａの照射タイミングとプロペラファン９の回転との同期をとることにより、レーザ光Ｌａとプロペラファン９との干渉を回避しながら溶接動作を行うことができる。

ここで、先に述べたように、プロペラファン９の１回転に要する時間は２０ｍｓ（＝０．０２ｓ）であり、図３に示すようにプロペラファン９が５ｍｓ（＝０．００５ｓ）で１／４回転（９０°回転）する間に４ｍｓだけレーザ光Ｌａを照射し、且つ溶接に伴って発生するスパッタＳ等の飛散速度よりも速い速度で所定の高さ寸法ｈを有するブレードを回転させれば効率的なスパッタＳ等の除去が行える。つまり、図１の要部拡大図である図４および図５に示すように、プロペラファン９を形成している各ブレード９ａの高さ寸法ｈおよび幅寸法ｒのうち特に高さ寸法ｈは溶接副次物であるスパッタＳ等の飛散速度Ｖｓを考慮して決定する必要がある。

図４，５において、溶接点Ｐから上方に向かって飛散するスパッタＳ等の飛散速度Ｖｓを測定したところ、Ｖｓ＝２〜１０ｍ／ｓ程度であった。ここで、仮にブレード９ａの幅寸法ｒを８０ｍｍ（＝０．０８ｍ）、高さ寸法ｈを５０ｍｍ（＝０．０５ｍ）とすると、そのブレード９ａの幅寸法ｒを二分する位置（ｒ／２相当位置）がレーザ光Ｌａの光軸相当位置を通過する時の速度Ｖｂは次のようになる。

Ｖｂ＝ｒπ／ｓ（ｍ／ｓ）＝ｒπ／０．０２（ｍ／ｓ）
＝４π（ｍ／ｓ）
≒１２．５（ｍ／ｓ）
これにより、プロペラファン９の回転速度ＶｂがスパッタＳ等の飛散速度Ｖｓよりも大きいことが望ましいという第１条件を満足できる。

次に、高さ寸法ｈのブレード９ａが５ｍｓ（＝０．００５ｓ＝ｔ）かけて１／４回転する間に上方に向かって飛散するスパッタＳ等を効率よく排除するためには、ｈ＝Ｖｓ・ｔの関係が成り立つ必要がある。また、プロペラファン９を形成しているブレード９ａの総数をｎ（本実施の形態では４枚）、プロペラファン９の回転周期をＴ（ｓ）とすると、ｈ＝Ｖｓ・Ｔ／ｎとなる。そして、溶接副次物であるスパッタＳ等の最高飛散速度Ｖｓｍａｘを１０ｍ／ｓとすると、プロペラファン９を形成しているブレード９ａの高さ寸法ｈは先に述べたようにｈ＝５０ｍｍ（０．０５ｍ）であれば全てのスパッタＳ等を排除することができる。このブレード９ａの高さ寸法ｈの設定に際してはｈ≧Ｖｓｍａｘ・Ｔ／ｎ＝１０・Ｔ／ｎの関係を充足することが望ましい。

また、図４に示すように、プロペラファン９の回転中心から各ブレード９ａの先端までの距離（ブレード９ａの幅寸法）をｒ、プロペラファン９の回転中心からレーザ光Ｌａの光軸までの距離をｄ、保護ガラス５の端縁のうちレーザ光Ｌａの光軸をはさんでプロペラファン９の回転中心とは反対側の位置（レーザ光照射口３ａの開口縁のうちプロペラファン９の回転中心から最も遠い位置）とレーザ光Ｌａの光軸とのなす距離をｌとした場合に、ｒ≧ｄ＋ｌとなるように設定することがスパッタＳ等を効率良く排除する上でより望ましい。

このように本実施の形態によれば、遮蔽板６の上方まで飛散したスパッタＳ等を回転式のプロペラファン９にて排除することで、レーザ光学系を保護している保護ガラス５へのスパッタＳ等の付着を最小限に抑えることができ、溶接品質の向上と併せて保護ガラス５の交換頻度の低下と生産性の向上に寄与できる。

図６の（Ａ），（Ｂ）は本発明の第２の実施の形態を示し、先に説明した第１の実施の形態である図１，２と共通する部分には同一符号を付してある。

この第２の実施の形態では、プロペラファン９の下側に扇形状の一対の保護板１１を一体に設けた点で第１の実施の形態のものと異なっている。そして、この保護板１１は下方の遮蔽板６と同等の機能を発揮するものであり、プロペラファン９の回転領域側への溶接副次物であるスパッタＳ等の飛散をより確実に抑制できる利点がある。

しかも、図３から明らかなように、プロペラファン９を第１の実施の形態と同条件で回転させるかぎりでは、保護板１１がレーザ光Ｌａを遮ってしまうことはない。

図７，８は本発明の第３の実施の形態を示し、同様にして図１，２と共通する部分には同一符号を付してある。

この第３の実施の形態では、プロペラファン９の下側に円形の大きな保護板１２を一体に設けた点で第１の実施の形態と異なっている。そして、この円形の保護板１２が付帯しているプロペラファン９を第１，第２の実施の形態のものと同条件で回転させた場合には、図３から明らかなようにその保護板１２がレーザ光Ｌａと干渉してこれを遮ってしまうことから、その円形の保護板１２のうち相対向する二つの扇形領域、すなわち先の第２の実施の形態において扇形状の保護板１１が付帯していない領域に相当する部分について、レーザ光Ｌａの透過を許容する円弧状の光路穴１３を開口形成してある。

したがって、この第３の実施の形態によれば、円形の保護板１２を付帯させたとしても、光路穴１３が設けられていることによってレーザ光Ｌａと干渉することがなくなり、第２の実施の形態と同様の効果が得られることになる。

なお、各実施の形態ではレーザ溶接にＭＩＧ溶接を併用するいわゆるハイブリッド溶接の場合を例にとって説明したが、本発明をハイブリッド溶接以外の各種レーザ加工にも同様に適用できることは言うまでもない。

本発明に係るレーザ溶接ヘッドの具体的な第１の実施の形態を示す図で、（Ａ）は側面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の平面図。 図１の（Ａ）を下方から見上げた要部斜視図。 図１におけるレーザ光の照射タイミングとプロペラファンの回転位相との関係を示す説明図。 図１の（Ａ）の要部拡大図。 単一のブレードの説明図。 本発明の第２の実施の形態を示す図で、（Ａ）は図１の（Ａ）と同様の平面図、（Ｂ）は同図（Ａ）のプロペラファンの斜視図。 本発明の第３の実施の形態を示す図で、（Ａ）は側面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の平面図。 図７に示すプロペラファンの斜視図。

符号の説明

１…レーザ溶接ヘッド（レーザ加工ヘッド）
３…ハウジング
４…集光レンズ（レーザ光学系）
５…保護ガラス
６…遮蔽板
７…光路穴
８…モータ
９…プロペラファン（加工副次物飛散偏向手段）
９ａ…ブレード
１０…制御装置
１１，１２…保護板
１３…光路穴
Ｌａ…レーザ光
Ｐ…溶接点（加工点）
Ｗ…被溶接物（被加工物）

Claims (11)

1. ハウジングに収容されたレーザ光学系から被加工物に対しレーザ光を照射してレーザ加工を施すレーザ加工ヘッドにおいて、
   レーザ光学系と加工点との間に、レーザ光路を間歇的に横切る加工副次物飛散偏向手段を配置したことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. ハウジングのレーザ光照射口に、レーザ光学系を保護する保護ガラスを装着したことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
3. 上記加工副次物飛散偏向手段は、回転することによりレーザ光路を横切るものであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
4. 被加工物に対してレーザ光を間歇的に照射するとともに、
   レーザ光と加工副次物飛散偏向手段とが干渉することがないように、レーザ光の照射タイミングに同期して加工副次物飛散偏向手段が回転するように設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
5. レーザ光の光軸と加工副次物飛散偏向手段の回転中心がほぼ平行となるように設定する一方、
   レーザ光路を横切る保護板を加工副次物飛散偏向手段に設けるとともに、
   その保護板に、レーザ光の照射タイミングではそのレーザ光の通過を許容する光路穴を形成したことを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工ヘッド。
6. 上記加工副次物飛散偏向手段がプロペラファン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。
7. プロペラファンを形成しているブレードの高さをｈ、ブレードの枚数をｎ、プロペラファンの回転周期をＴ、加工副次物の最高飛散速度をＶｓｍａｘとしたとき、
   ｈ≧Ｖｓｍａｘ・Ｔ／ｎの関係を満たすように設定したことを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
8. プロペラファンの回転中心からブレードの最外周端までの距離をｒ、プロペラファンの回転中心とレーザ光の光軸とのなす距離をｄ、ハウジングのレーザ光照射口の端縁のうちプロペラファンの回転中心から最も遠い部位とそのプロペラファンの回転中心とのなす距離をｌとしたとき、
   ｒ≧ｌ＋ｄの関係を満たすように設定したことを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
9. レーザ光学系と加工点との間に、その加工点側からレーザ光学系への加工副次物の飛散を抑制する遮蔽板を配置するとともに、
   レーザ光学系と遮蔽板との間に加工副次物飛散偏向手段としてプロペラファンを配置したことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
10. レーザ加工が、レーザ溶接とアーク溶接を併用するハイブリッド溶接であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
11. ハウジングに収容されたレーザ光学系から被加工物に対しレーザ光を照射してレーザ加工を施すにあたり、
    レーザ光学系と加工点との間に配置した加工副次物飛散偏向手段をもってレーザ光路を間歇的に横切らせて、
    加工副次物の飛散方向を偏向しながらレーザ加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。

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