JP2010005668A - レーザ溶接装置及びレーザ溶接システム - Google Patents

Abstract

【課題】取り回しが容易であると共に良好な溶接部を形成できるレーザ溶接装置を提供する。
【解決手段】レーザ溶接装置４では、アシストガス供給ノズル５の内部にフィラーワイヤ供給ノズル６が通っていることにより、フィラーワイヤ供給ノズル６とアシストガス供給ノズル５とがレーザ加工ヘッド２を挟んで両側に配置された場合に比べて、レーザ加工ヘッド２周りがシンプルな構成となるので、狭隘部や円弧部分等を溶接するときでも、取り回しが容易となる。また、アシストガス供給ノズル５の先端面から見て、アシストガス供給ノズル５とフィラーワイヤ供給ノズル６とが同軸になっているので、アシストガス供給ノズル５を通るアシストガスＧの乱流を抑制できる。これにより、良好な溶接部７を形成できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザビームとフィラーワイヤ及びアシストガスとの協働により被加工物に溶接部を形成するレーザ溶接装置、及びそれを用いたレーザ溶接システムに関する。

従来のレーザ溶接装置として、例えば特許文献１に記載のレーザ溶接装置のように、フィラーワイヤ送給ノズルとアシストガス供給ノズルとをレーザ加工ヘッドを挟んで両側に配置したものがある。この従来のレーザ溶接装置では、フィラーワイヤ供給ノズル及びアシストガス供給ノズルがレーザビーム軸を中心に回動自在になっており、溶接の進行方向に合わせてフィラーワイヤ及びアシストガスの供給方向を変えられるようになっている。
特開２０００−３１７６６６号公報

しかしながら、上述した従来のレーザ溶接装置のように、フィラーワイヤ供給ノズルとアシストガス供給ノズルとがレーザ加工ヘッドを挟んで両側に配置された構成では、例えば狭隘部や円弧部分等を溶接する際に、フィラーワイヤの供給ノズル及びアシストガスの供給ノズルと被加工物とが干渉しやすく、取り回しが困難になるといった問題があった。一方、レーザビームの照射位置に対するフィラーワイヤ及びアシストガスの供給条件は、溶接部の形成に大きく影響する。従って、取り回しの問題を解消する際のフィラーワイヤ供給ノズルやアシストガス供給ノズルの配置は、良好な溶接部を形成するための必須の条件であると考えられる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、取り回しが容易であると共に、良好な溶接部を形成できるレーザ溶接装置を提供する。

上記課題の解決のため、本発明に係るレーザ溶接装置は、被加工物にレーザビームを照射するレーザ加工ヘッドと、レーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給ノズルと、レーザビームの照射位置にアシストガスを供給するアシストガス供給ノズルとを備え、フィラーワイヤ供給ノズルは、アシストガス供給ノズルの内部を通っており、アシストガス供給ノズルの先端面から見て、アシストガス供給ノズルとフィラーワイヤ供給ノズルとが同軸になっていることを特徴とする。

このレーザ溶接装置では、アシストガス供給ノズルの内部にフィラーワイヤ供給ノズルが通っていることにより、フィラーワイヤ供給ノズルとアシストガス供給ノズルとがレーザ加工ヘッドを挟んで両側に配置された場合に比べて、レーザ加工ヘッド周りがシンプルな構成となるので、狭隘部や円弧部分等を溶接するときでも、取り回しが容易となる。また、アシストガス供給ノズルの先端面から見て、アシストガス供給ノズルとフィラーワイヤ供給ノズルとが同軸になっているので、アシストガス供給ノズルを通るアシストガスの乱流を抑制できる。これにより、良好な溶接部を形成できる。

本発明に係るレーザ溶接装置は、被加工物にレーザビームを照射するレーザ加工ヘッドと、レーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給ノズルと、レーザビームの照射位置にアシストガスを供給するアシストガス供給ノズルとを備え、フィラーワイヤ供給ノズルは、アシストガス供給ノズルの内部を通っていると共に、被加工物に対する傾きがアシストガス供給ノズルより小さくなっており、アシストガス供給ノズルの先端面から見て、アシストガスの流路が対称性を有するようにアシストガス供給ノズルの内部にダミー部材が配置されていることを特徴とする。

このレーザ溶接装置では、アシストガス供給ノズルの内部にフィラーワイヤ供給ノズルが通っていることにより、フィラーワイヤ供給ノズルとアシストガス供給ノズルとがレーザ加工ヘッドを挟んで両側に配置された場合に比べて、レーザ加工ヘッド周りがシンプルな構成となるので、狭隘部や円弧部分等を溶接するときでも、取り回しが容易となる。また、アシストガス供給ノズル内のフィラーワイヤ供給ノズルの被加工物に対する傾きは、アシストガス供給ノズルの傾きよりも小さくなっているので、照射位置に対してフィラーワイヤを好適に供給できる。このとき、アシストガス供給ノズルに対するフィラーワイヤ供給ノズルの傾斜角度の違いに起因するアシストガスの乱流の発生は、ダミー部材によるアシストガスの流路の対称性の確保によって抑制される。従って、良好な溶接部を形成できる。

また、アシストガス供給ノズルの断面が略円形状であることが好ましい。この場合、アシストガスの乱流をより抑制することができるので、より良好な溶接部を形成できる。

本発明に係るレーザ溶接システムは、請求項１〜３の何れか一項記載のレーザ溶接装置と、被加工物にレーザ溶接装置からレーザビームが照射された際に、照射位置における光強度を検出する光強度検出手段と、光強度検出手段によって検出された光強度と、予め設定された閾値との比較に基づいて、溶接状態の異常の有無を判定する異常判定手段とを備えたことを特徴とする。

従来のレーザ溶接装置においては、フィラーワイヤ供給ノズルとアシストガス供給ノズルとがレーザ加工ヘッドを挟んで両側に配置された構成なので、レーザビームの照射位置でプラズマが複雑に発生していた。そのため、プラズマの解析によって溶接状態の異常の有無を判定するには、複雑な処理が必要であった。これに対し、上述したレーザ溶接装置では、アシストガス供給ノズルの内部にフィラーワイヤ供給ノズルが通る構成により、照射位置におけるプラズマの発生が単純化されることが分かった。従って、このレーザ溶接システムでは、光強度検出手段によって検出された光強度を閾値と比較するだけの簡単な処理で異常の有無の判定を容易且つ迅速に行うことができる。

本発明に係るレーザ溶接装置によれば、取り回しが容易であると共に、良好な溶接部を形成できる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るレーザ溶接装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザシステムの概要を示す図である。図１に示すレーザ溶接システム１は、例えば端面同士が突き合わされた鉄道車両の外板等の金属板１０ａ，１０ｂ（以下、これらを「ワーク（被加工物）Ｗ」という）同士の溶接に用いられるシステムである。レーザ溶接システム１は、ワークＷを接合するための構成要素として、レーザビームＬを照射するレーザ加工ヘッド２と、フィラーワイヤＹ及びアシストガスＧを供給する供給部３とを含んで構成されたレーザ溶接装置４を備えている。

レーザ加工ヘッド２は、ケース２ａ内にレーザ発振部２ｂを備える。レーザ発振部２ｂは、レーザビームＬを出射する。レーザ加工ヘッド２内において、レーザビームＬの光軸上には、レーザビームＬをワークＷ上に集光させる集光レンズ２ｃが配置されている。レーザ加工ヘッド２の溶接用熱源は、例えば波長１．０６μｍのＹＡＧレーザが用いられる。

供給部３は、例えばレーザ加工ヘッド２の進行方向に対して前方側に配置されている。図２（ａ）及び図２（ｂ）に、供給部３の詳細な構造について示す。図２（ａ）は、供給部３の側面断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、供給部３は、アシストガス供給ノズル５と、フィラーワイヤ供給ノズル６とを有している。

アシストガス供給ノズル５は、レーザビームＬの照射位置に向けてアシストガスＧを供給するノズルである。アシストガス供給ノズル５は、例えば直径２０ｍｍ程度の断面円形状をなしており、ワークＷに対して例えば４５°傾けた状態で配置される。アシストガス供給ノズル５の基端側は、ホースを介してアシストガスＧの供給源に接続されている。アシストガスＧとしては、例えばアルゴンガスが用いられる。

フィラーワイヤ供給ノズル６は、レーザビームＬの照射位置に向けてフィラーワイヤＹを供給するノズルである。フィラーワイヤＹとしては、例えばワークＷと同素材のものが用いられる。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、フィラーワイヤ供給ノズル６は、例えば直径８ｍｍ程度の断面円形状をなしており、アシストガス供給ノズル５の中心軸を通るようにアシストガス供給ノズル５の内部に配置されている。このようなアシストガス供給ノズル５とフィラーワイヤ供給ノズル６との配置により、アシストガスＧの流路は、アシストガス供給ノズル５の内部空間Ｓのうち、フィラーワイヤ供給ノズル６を除いた部分となり、アシストガス供給ノズル５の先端面から見て中心軸周りに対称性を有するものとなっている。さらに、フィラーワイヤ供給部６の先端部６ａは、アシストガス供給ノズル５の先端５ａよりも突出しており、フィラーワイヤＹは、アシストガスＧの流路の中心から照射位置に向かって繰り出される。

また、レーザ溶接システム１は、レーザ溶接装置４を用いて形成した溶接部７の溶接状態の異常の有無を判定するための構成要素として、図１に示すように、フォトセンサ（光強度検出手段）８と、異常判定部（異常判定手段）９とを備えている。

フォトセンサ８は、例えばレーザ加工ヘッド２のケース２ａ内に設けられている。フォトセンサ８は、ワークＷの表面におけるレーザビームＬの照射位置で発生するプラズマの一部を、ハーフミラー２ｄを介して検出する。フォトセンサ８は、プラズマの光強度に対応する検出信号を異常判定部９に出力する。

異常判定部９は、溶接状態の異常の有無を判定する。異常判定部９は、フォトセンサ８から出力された検出信号を受け取ると、検出信号の時間軸に対する波形パターンを生成する。そして、異常判定部９は、波形パターンと、予め設定した閾値との比較に基づいて溶接状態の異常の有無を判定する。判定の具体例については後述する。

続いて、上述したレーザ溶接システム１を用いた溶接工程について、図１を参照しながら説明する。まず、ワークＷを所定の定盤上にセットする。このとき、ワークＷの端面同士を突き合わせることで、突き合わせ部分Ｌに沿って溶接予定線が設定される。次に、レーザビームＬの照射位置が溶接予定線の始点に位置するようにレーザ加工ヘッド２をセットする。また、アシストガス供給ノズル５及びフィラーワイヤ供給ノズル６は、レーザ加工ヘッド２の進行方向の前方側において、ワークＷに対して４５°傾斜するようにセットする。

次に、レーザビームＬの照射、アシストガスＧの供給、及びフィラーワイヤＹの供給を開始し、レーザ加工ヘッド２を矢印Ａ方向に所定の速度で移動させる。これにより、ワークＷの溶接予定線に沿って溶接部７が順次形成され、レーザ加工ヘッド２が溶接予定線の終点に到達するとワークＷの溶接が終了する。

溶接部７を形成した後、レーザ溶接システム１は、レーザビームＬの照射中にフォトセンサ８で検出したプラズマの光強度に基づいて、溶接部７の溶接状態の異常の有無の判定を行う。図３（ａ）は、溶接状態に異常が無いと判定される場合におけるフォトセンサ８からの出力信号の波形パターンを示す図であり、図３（ｂ）は、溶接状態に異常が有ると判断される場合におけるフォトセンサ８からの出力信号の波形パターンを示す図である。図３（ａ）に示すように、溶接状態に異常が無い場合には、電圧が０．３Ｖ〜１．８Ｖの範囲にあり、平均の電圧が約０．８Ｖとなっているので、時間軸全体にわたって閾値１．８Ｖよりも小さい。一方、図３（ｂ）に示すように、溶接状態に異常が有る場合には、電圧が１．８Ｖ〜５．５Ｖの範囲にあり、平均の電圧が約３．６Ｖとなっているので、時間軸全体にわたって閾値１．８Ｖよりも大きい。

上述したように、レーザ溶接装置４では、アシストガス供給ノズル５の内部にフィラーワイヤ供給ノズル６が通っていることにより、フィラーワイヤ供給ノズ６とアシストガス供給ノズル５とがレーザ加工ヘッド２を挟んで両側に配置された場合に比べて、レーザ加工ヘッド２周りがシンプルな構成となるので、狭隘部や円弧部分等を溶接するときでも、取り回しが容易となる。また、アシストガス供給ノズル５の先端面から見て、アシストガス供給ノズル５とフィラーワイヤ供給ノズル６とが同軸になっているので、アシストガス供給ノズル５を通るアシストガスＧの乱流を抑制できる。これにより、良好な溶接部７を形成できる。

また、レーザ溶接装置４では、アシストガス供給ノズル５の内部にフィラーワイヤ供給ノズル６が通る構成により、照射位置におけるプラズマの発生が単純化される。従って、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、溶接状態に異状があるか否かにかかわらず、フォトセンサ８からの出力信号が時間軸全体にわたって平坦化されるので、出力信号の波形パターンと、閾値とを比較するだけの簡単な処理で異常の有無の判定を容易且つ迅速に行うことができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接システムについて説明する。図４（ａ）は、本実施形態に係る供給部の側面断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＩＶ−ＩＶ線断面図である。同図に示すように、供給部２０は、ワークＷに対するフィラーワイヤ供給ノズル２１の傾きがアシストガス供給ノズル２２よりも小さくなっている。すなわち、本実施形態に係る供給部２０では、アシストガス供給ノズル２２がワークＷに対して７０°傾斜しているのに対し、フィラーワイヤ供給ノズル２１は、ワークＷ対して４５°傾斜している。フィラーワイヤ供給ノズル２１の基端側は、アシストガス供給ノズル２２の壁部２２ａに設けられた孔を通ってアシストガス供給ノズル２２の外側に突出している。

また、アシストガス供給ノズル２２の内部には、ダミー部材２３が設けられている。ダミー部材２３は、例えばフィラーワイヤ供給ノズル２１と同じ素材で形成され、アシストガス供給ノズル２２内部におけるフィラーワイヤ供給ノズル２１と同一の形状をなしている。ダミー部材２３は、図４（ｂ）に示すように、アシストガス供給ノズル２２の先端面から見て、フィラーワイヤ供給ノズル２１と上下対称となるように配置されている。このようなアシストガス供給ノズル２２とダミー部材２３との配置により、アシストガスＧの流路は、アシストガス供給ノズル２２の内部空間Ｓのうち、フィラーワイヤ供給ノズル２１及びダミー部材２３を除いた部分となり、アシストガス供給ノズル２２の先端面から見て対称性を有するものとなっている。

このような実施形態においても、第１実施形態と同様に、アシストガス供給ノズル２２の内部にフィラーワイヤ供給ノズル２１が通っていることにより、フィラーワイヤ供給ノズル２１とアシストガス供給ノズル２２とがレーザ加工ヘッド２を挟んで両側に配置された場合に比べて、レーザ加工ヘッド２周りがシンプルな構成となるので、狭隘部や円弧部分等を溶接するときでも、取り回しが容易となる。

また、アシストガス供給ノズル２２内のフィラーワイヤ供給ノズル２１のワークＷに対する傾きは、アシストガス供給ノズル２２の傾きよりも小さくなっているので、照射位置に対してフィラーワイヤＹを好適に供給できる。このとき、アシストガス供給ノズル２２に対するフィラーワイヤ供給ノズル２１の傾斜角度の違いに起因するアシストガスＧの乱流の発生は、ダミー部材２３によるアシストガスＧの流路の対称性の確保によって抑制される。従って、良好な溶接部７を形成できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば図４に示した実施形態では、フィラーワイヤ供給ノズル２１と上下対称となるようにダミー部材２３を設けているが、図５に示す供給部２０Ａのように、ダミー部材２３に加えて、アシストガス供給ノズル２２の先端面から見て左右対称となるように一対のダミー部材２３ａ，２３ｂを更に設けてもよい。

本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接システムを示す図である。 （ａ）は、供給部の側面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。 （ａ）は、溶接状態に異常が無いと判定される場合におけるフォトセンサからの出力信号の波形パターンを示す図であり、（ｂ）は、溶接状態に異常が有ると判断される場合におけるフォトセンサからの出力信号の波形パターンを示す図である。 本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接システムにおけるレーザ溶接装置の供給部を示す図である。 変形例に係る供給部を示す図である。

符号の説明

１…レーザ溶接システム、２…レーザ加工ヘッド、４…レーザ溶接装置、５，２２…アシストガス供給ノズル、６，２１…フィラーワイヤ供給ノズル、７…溶接部、８…フォトセンサ（光強度検出手段）、９…異常判定部（異常判定手段）、１０ａ，１０ｂ…金属板（被加工物）、２３，２３ａ，２３ｂ…ダミー部材、Ｇ…アシストガス、Ｙ…フィラーワイヤ、Ｗ…ワーク（被加工物）。

Claims (4)

1. 被加工物にレーザビームを照射するレーザ加工ヘッドと、
   前記レーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給ノズルと、
   前記レーザビームの照射位置にアシストガスを供給するアシストガス供給ノズルとを備え、
   前記フィラーワイヤ供給ノズルは、前記アシストガス供給ノズルの内部を通っており、前記アシストガス供給ノズルの先端面から見て、当該アシストガス供給ノズルと前記フィラーワイヤ供給ノズルとが同軸になっていることを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 被加工物にレーザビームを照射するレーザ加工ヘッドと、
   前記レーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給ノズルと、
   前記レーザビームの照射位置にアシストガスを供給するアシストガス供給ノズルとを備え、
   前記フィラーワイヤ供給ノズルは、前記アシストガス供給ノズルの内部を通っていると共に、前記被加工物に対する傾きがアシストガス供給ノズルより小さくなっており、前記アシストガス供給ノズルの先端面から見て、前記アシストガスの流路が対称性を有するように前記アシストガス供給ノズルの内部にダミー部材が配置されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
3. 前記アシストガス供給ノズルの断面が略円形状であることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ溶接装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項記載のレーザ溶接装置と、
   前記被加工物に前記レーザ溶接装置から前記レーザビームが照射された際に、前記照射位置における光強度を検出する光強度検出手段と、
   前記光強度検出手段によって検出された前記光強度と、予め設定された閾値との比較に基づいて、溶接状態の異常の有無を判定する異常判定手段とを備えたことを特徴とするレーザ溶接システム。

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