JP2009195964A - レーザ・アーク複合溶接ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】狭い空間内において使用しても、周辺部材に接触することなく、溶接を行うことができるレーザ・アーク複合溶接ヘッドを提供する。
【解決手段】光ファイバ１３をその光軸がＭＩＧ電極２２の軸心に対して角度αで交差するように配置し、この光ファイバ１３により入力されたレーザ光Ｌ０を、平行にして平行レーザ光Ｌ１とした後、この平行レーザ光Ｌを、反射ミラー１５，１６によって分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂとして反射させて偏光させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被接合物である金属の母材を、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接することができるレーザ・アーク複合溶接ヘッドに関する。

被接合物である金属の母材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。このうち、レーザ溶接方法は、レンズやミラー等の光学機器を用いて母材の一点にレーザ光を集光させることにより溶接を行うものである。これにより、エネルギー密度が高くなるため、狭い溶融範囲において、溶け込み深さが深く、且つ、高速で低歪の溶接を行うことができる。

また、アーク溶接方法は、母材と溶接ワイヤとの間、あるいは、母材と電極との間で、アークを発生させ、その熱によって母材を溶融し、母材の被溶接部の周囲をシールドガスにより保護しながら溶接を行うものである。これにより、溶け込み深さは浅くなるが、アークが比較的広範囲に広がるため、ビード幅が広くなり、開先裕度の高い溶接を行うことができる。

具体的なアーク溶接方法として、消耗電極式のＧＡＭ溶接やＭＩＧ溶接等では、アルゴンやヘリウム等の不活性なシールドガス雰囲気中において、消耗電極である溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接を行うようにしている。また、非消耗電極式のＴＩＧ溶接等では、上記シールドガス雰囲気中において、非消耗電極であるタングステン電極と母材との間にアークを発生させて溶接を行うようにしている。

しかしながら、上述したレーザ溶接方法では、レーザ光を集光させるため、開先裕度が狭く、開先の加工精度を厳密にする必要がある。また、上述したアーク溶接方法では、高速で溶接を行うと、アークが不安定になることや、入熱量が大きいために大きな熱歪が発生するおそれがある。

そこで、近年、これらレーザ溶接とアーク溶接との両方の欠点を解決するために、両者を組み合わせた複合溶接方法が研究されており、レーザ溶接とアーク溶接とを同軸に合成することにより、溶接範囲が広く、且つ、溶け込み深さが深い溶接を可能にしている。このような、レーザ溶接とアーク溶接とによる同軸溶接を可能にするレーザ・アーク複合溶接ヘッドは、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００２−５９２８６号公報

しかしながら、上述した従来のレーザ・アーク複合溶接ヘッドでは、ヘッド本体内へのレーザ光の入力は、光ファイバを介して行われているが、この光ファイバの配線時においては、そのレーザ伝送能力を維持するために、光ファイバに大きな曲率を有して配線しなくてはならない。また、集光したレーザ光の焦点距離は、光学機器の性能により決まるため、ヘッド先端を母材に必要以上に近接することはできない。これにより、従来のレーザ・アーク複合溶接ヘッドを用いる際には、ヘッド本体の大きさだけでなく、配線スペースや焦点距離を考慮して、任意の位置に位置決め移動しなくてはならない。

即ち、従来のレーザ・アーク複合溶接ヘッドを用いて狭い空間内において溶接作業を行う場合、例えば、車両製造ラインにおいて、車体内の床面等を溶接するときには、当該ヘッド自体が縦長に形成されていることや、多くの配線及び配管を有しているため、その周辺部材に接触するおそれがある。また、このような問題を解決しようとして、レーザ・アーク複合溶接ヘッドの構成部品であるレンズやミラー等を小さくすることも考えられるが、溶接性能や溶接効率の低下を招くおそれがあり、小型化を図るのも限界があった。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、狭い空間内において使用しても、周辺部材に接触することなく、溶接を行うことができるレーザ・アーク複合溶接ヘッドを提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドは、
母材に対して、レーザ光照射とアーク放電とを行って、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接するレーザ・アーク複合溶接ヘッドであって、
レーザ溶接に用いるレーザ光を伝送する光ファイバと、
前記母材との間でアークを発生させるアーク電極とを備え、
前記光ファイバは、その光軸が前記アーク電極の軸心に対して所定角度で交差するように配置される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドは、
第１の発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドにおいて、
前記光ファイバにより入力されたレーザ光を平行にして平行レーザ光として出力するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出力された平行レーザ光を２分割し、この２分割した分割レーザ光を、その間に空間部が形成されるように、平行で、且つ、平行レーザ光の光軸に対して前記所定角度で偏光させる分割偏光光学系と、
前記分割偏光光学系から偏光されてきた２分割された分割レーザ光を、前記母材に集光させる集光光学系とを備え、
前記アーク電極は、前記空間部における前記集光光学系よりも前記母材側に配置される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドは、
第２の発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドにおいて、
前記分割偏光光学系は、
前記コリメート光学系から出力された平行レーザ光の一部を反射することにより、反射された第１分割レーザ光と、反射されなかった第２分割レーザ光とに、２分割する第１反射ミラーと、
前記第１反射ミラーにより反射されなかった第２分割レーザ光を反射して、第１分割レーザ光と平行で、且つ、第１分割レーザ光との間に前記空間部が形成されるように、偏光させる第２反射ミラーとを有する
ことを特徴とする。

従って、本発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドによれば、レーザ光を効率的に偏光させることにより、狭い空間内において使用しても、周辺部材に接触することなく、溶接を行うことができる。

以下、本発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドについて図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドの概略構成図である。

図１に示すように、本発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッド１は、その外殻をなす円筒状のヘッド本体１１を有している。このヘッド本体１１は、略中間部において屈曲しており、この屈曲部を境にして、基端側の傾斜部１１ａと、先端側の鉛直部１１ｂとから構成されている。鉛直部１１ｂは、その軸心が母材Ｗの表面に対して直交するように配置されており、傾斜部１１ａは、その軸心が鉛直部１１ｂの軸心に対して角度α（例えば、α＝３０°）で交差するように配置されている。

傾斜部１１ａの基端には、ＹＡＧレーザ発振器１２が光ファイバ１３を介して接続されている。ＹＡＧレーザ発振器１２は、レーザ光Ｌ０を発振するものであって、この発振されたレーザ光Ｌ０は、光ファイバ１３により伝送されて、傾斜部１１ａの基端側に入力される。なお、光ファイバ１３の軸心は、レーザ光Ｌ０の光軸と一致しており、傾斜部１１ａの軸心と同軸上に配置されるようになっている。

また、傾斜部１１ａの軸方向略中間部には、コリメートレンズ群（コリメート光学系）１４が設けられている。このコリメートレンズ群１４は、複数枚のコリメートレンズを直列配置することで構成されており、光ファイバ１３により入力されたレーザ光Ｌ０を、その内部に透過することにより、平行な平行レーザ光Ｌ１として出力するものである。

更に、傾斜部１１ａの先端側には、第１反射ミラー１５が設けられると共に、鉛直部１１ｂの基端側には、第２反射ミラー１６が設けられている。これら反射ミラー１５，１６は、傾斜部１１ａの軸方向において、所定の間隔で配置されると共に、鉛直部１１ｂの軸方向において、所定の間隔で配置されている。なお、反射ミラー１５，１６は、分割偏光光学系を構成するものである。

第１反射ミラー１５は、レーザ光を反射するフラットミラーであって、コリメートレンズ群１４から出力された平行レーザ光Ｌ１に対して、この平行レーザ光Ｌ１の光軸と直交する方向にそのレーザ横断面の略中央部まで挿入されている。そして、第１反射ミラー１５の反射面１５ａは、下向きに傾いている。従って、第１反射ミラー１５では、平行レーザ光Ｌ１の上側の一部を下方に反射することにより、当該平行レーザ光Ｌ１を、反射した第１分割レーザ光Ｌ２ａと、反射しなかった第２分割レーザ光Ｌ２ｂとに、２分割する。これにより、第１分割レーザ光Ｌ２ａは、その光軸が平行レーザ光Ｌ０の光軸に対して角度αで交差するように偏光される一方、第２分割レーザ光Ｌ２ｂは、平行レーザ光Ｌ０の光軸方向にそのまま進行されることになる。

第２反射ミラー１６は、第１反射ミラー１５と同様のフラットミラーであって、平行レーザ光Ｌ１の光軸方向において、コリメートレンズ群１４に対して、第１反射ミラー１５よりも遠くに配置されている。そして、第２反射ミラー１６の反射面１６ａは、第１反射ミラー１５の反射面１５ａと平行となるように、下向きに傾いている。従って、第２反射ミラー１６では、第１反射ミラー１５によって反射されなかった平行レーザ光Ｌ１の残りの下側部分を、第２分割レーザ光Ｌ２ｂとして下方に反射する。これにより、第２分割レーザ光Ｌ２ｂは、その光軸が平行レーザ光Ｌ０の光軸に対して角度αで交差するように、偏光されることになる。

なお、第２反射ミラー１６には、ミラー調整部１７が付設されており、このミラー調整部１７を調整することにより、第２反射ミラー１６が回動するようになっている。これにより、反射面１６ａの傾斜角度が変化されて、第２分割レーザ光Ｌ２ｂの偏光（反射）角度が調整されることになる。

このように、反射ミラー１５，１６によって、平行レーザ光Ｌ１を分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂとして反射させて、下方に偏光させることにより、当該分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂの光軸は平行となる。これにより、これら分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ間には、空間部１８がその光軸に沿って形成されることになる。

また更に、鉛直部１１ｂの軸方向略中間部には、集光レンズ群（集光光学系）１９が設けられている。この集光レンズ群１９は、複数枚の集光レンズを直列配置することで構成されており、反射ミラー１５，１６により反射、偏光された分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂを、その内部に透過することにより、母材Ｗの被溶接部に向けて集光、照射するものである。このように、分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂを集光することにより、レーザ溶接が可能となっている。

そして、空間部１８における集光レンズ群１９の下方には、電極ヘッド２０が鉛直部１１ｂに支持されている。この電極ヘッド２０には、案内管２１を介して、図示しないアーク溶接機及び電極供給装置が接続されている。従って、アーク溶接機から給電及び不活性ガスの供給を行うと共に、電極供給装置からＭＩＧ（metalic inert gas welding）電極（アーク電極）２２を供給することにより、アーク（ＭＩＧ）溶接が可能となっている。

ここで、ＭＩＧ電極２２は、電極ヘッド２０により、その軸心が光ファイバ１３の軸心、即ち、レーザ光Ｌ０の光軸に対して角度αで交差するように、支持されている。従って、分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂの光軸とＭＩＧ電極２２の軸心とが同軸上に配置されることになり、この分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂの照射と、ＭＩＧ電極２２と母材Ｗとの間におけるアークＡの発生とにより、レーザ溶接とアーク溶接とを併用した同軸溶接が可能となっている。

なお、本実施形態では、アーク電極として、消耗電極であるＭＩＧ電極２２を用いるようにしているが、非消耗電極であるＴＩＧ（tungusten inert gas welding）電極を用いても構わない。この場合には、電極供給装置は不必要となり、ＴＩＧ電極を単に電極ヘッド２０で保持するようにすればよい。

従って、上述した構成をなすことにより、ＹＡＧレーザ発振器１２から発振されたレーザ光Ｌ０は、光ファイバ１３により伝送されて、コリメートレンズ群１４に向けて照射される。そして、コリメートレンズ群１４に入力されたレーザ光Ｌ０は、その内部を透過することにより、平行な平行レーザ光Ｌ１として出力される。

次いで、コリメートレンズ群１４から出力された平行レーザ光Ｌ１の一部は、第１反射ミラー１５により反射されて第１分割レーザ光Ｌ２ａとなり、平行レーザ光Ｌ０の光軸に対して角度αで交差する方向に偏光される。一方、第１反射ミラー１５により反射されなかった平行レーザ光Ｌ１の残りの部分は、第２分割レーザ光Ｌ２ｂとなって、そのまま平行レーザ光Ｌ１の光軸と同じ方向に進行した後、第２反射ミラー１６により反射されて、平行レーザ光Ｌ１の光軸に対して角度αで交差する方向に偏光される。

このように、平行レーザ光Ｌ１が反射ミラー１５，１６により反射されて、２分割された分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂが平行レーザ光Ｌ１の光軸に対して角度αで交差する方向に偏光することにより、これら第１分割レーザ光Ｌ２ａと第２分割レーザ光Ｌ２ｂとは平行に進行する。更に、この両者間には、空間部１８がその光軸方向に沿って形成されることになる。

そして、平行に進行した分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂは、集光レンズ群１９に向けて照射された後、この内部を透過することにより集光されて、母材Ｗの被溶接部に向けて照射される。また同時に、空間部１８に配置される電極ヘッド２０に対して、給電及び不活性ガスの供給と、ＭＩＧ電極２２の供給とが行われる。これにより、分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂの光軸とＭＩＧ電極２２の軸心とが同軸上に配置されることから、この分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂの照射と、ＭＩＧ電極２２による母材Ｗへのアーク放電とを、同軸上で行うことができるので、レーザ溶接とアーク溶接とを併用した同軸溶接が行われる。

ここで、このような同軸溶接においては、分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂの照射により母材Ｗ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になる。これにより、ＭＩＧ電極２２が高速で移動してもアークＡが安定するため、連続した綺麗なビードが形成されることになる。また、ＭＩＧ電極２２の先端が、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、分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂの照射によっても加熱されることになる。この結果、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接を単独で行う場合に比べて、高速で溶接を行うことができる。

なお、レーザ・アーク複合溶接ヘッドにおいて、組み付け誤差等が発生して、分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂの焦点距離にずれが生じた場合には、ミラー調整部１７を調整して、第２反射ミラー１６の反射面１６ａによる偏光角度を変化させる。これにより、第２分割レーザ光Ｌ２ｂにおける集光先端部の焦点距離調整を行うことができるので、常に所望の焦点距離で同軸溶接を行うことができる。

従って、光ファイバ１３をその光軸がＭＩＧ電極２２の軸心に対して角度αで交差するように配置し、この光ファイバ１３により入力されたレーザ光Ｌ０を、平行にして平行レーザ光Ｌ１とした後、この平行レーザ光Ｌを、反射ミラー１５，１６によって分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂとして反射させることにより、光ファイバ１３により入力されたレーザ光Ｌ０を効率的に偏光させることができる。この結果、レーザ・アーク複合溶接ヘッド１の基端側に、先端側の鉛直部１１ｂに対して、屈曲した傾斜部１１ａを形成させることができるので、狭い空間内において多軸ＮＣロボット等によって任意の位置に位置決め移動される場合であっても、専有スペースが狭くなるため、その周辺部材に接触することなく、溶接を行うことができる。また、ヘッド構成部品であるレンズやミラー等を小さくするような、小型化を図る必要がないので、溶接性能や溶接効率の低下を抑制することができる。

本発明は、反射ミラーを回動及び移動させて、分割した分割レーザ光の集光先端部の間隔を調整することにより、溶接性の向上を図ることができるレーザ・アーク複合溶接ヘッドに適用可能である。

本発明の一実施例に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドの概略構成図である。

符号の説明

１ レーザ・アーク複合溶接ヘッド
１１ ヘッド本体
１１ａ 傾斜部
１１ｂ 鉛直部
１２ ＹＡＧレーザ発振器
１３ 光ファイバ
１４ コリメートレンズ群
１５ 第１反射ミラー
１５ａ 反射面
１６ 第２反射ミラー
１６ａ 反射面
１７ ミラー調整部
１８ 空間部
１９ 集光レンズ群
２０ 電極ヘッド
２１ 案内管
２２ アーク電極
Ｗ 母材
Ｌ０ レーザ光
Ｌ１ 平行レーザ光
Ｌ２ａ 第１分割レーザ光
Ｌ２ｂ 第２分割レーザ光
Ａ アーク

Claims (3)

1. 母材に対して、レーザ光照射とアーク放電とを行って、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接するレーザ・アーク複合溶接ヘッドであって、
   レーザ溶接に用いるレーザ光を伝送する光ファイバと、
   前記母材との間でアークを発生させるアーク電極とを備え、
   前記光ファイバは、その光軸が前記アーク電極の軸心に対して所定角度で交差するように配置される
   ことを特徴とするレーザ・アーク複合溶接ヘッド。
2. 請求項１に記載のレーザ・アーク複合溶接ヘッドにおいて、
   前記光ファイバにより入力されたレーザ光を平行にして平行レーザ光として出力するコリメート光学系と、
   前記コリメート光学系から出力された平行レーザ光を２分割し、この２分割した分割レーザ光を、その間に空間部が形成されるように、平行で、且つ、平行レーザ光の光軸に対して前記所定角度で偏光させる分割偏光光学系と、
   前記分割偏光光学系から偏光されてきた２分割された分割レーザ光を、前記母材に集光させる集光光学系とを備え、
   前記アーク電極は、前記空間部における前記集光光学系よりも前記母材側に配置される
   ことを特徴とするレーザ・アーク複合溶接ヘッド。
3. 請求項２に記載のレーザ・アーク複合溶接ヘッドにおいて、
   前記分割偏光光学系は、
   前記コリメート光学系から出力された平行レーザ光の一部を反射することにより、反射された第１分割レーザ光と、反射されなかった第２分割レーザ光とに、２分割する第１反射ミラーと、
   前記第１反射ミラーにより反射されなかった第２分割レーザ光を反射して、第１分割レーザ光と平行で、且つ、第１分割レーザ光との間に前記空間部が形成されるように、偏光させる第２反射ミラーとを有する
   ことを特徴とするレーザ・アーク複合溶接ヘッド。

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