JP2010125480A - 溶接用ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】内周面に付着したスパッタを効率的に除去可能な溶接用ノズルを提供する。
【解決手段】被加工部材２を溶融可能なレーザー光が通過するノズル１０であって、先端部側から基端部側に向かうにしたがい徐々に幅狭くなる形状を有する溝１１が、ノズル１０の内周面の先端部から基端部に亘って形成され、溝１１の基端部側の端部とノズル１０の外周面とを連通するとともに、溝１１から前記外周面に向かうにしたがい徐々に縮径する形状を有する連通孔１２が形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザー加工装置のレーザー光照射部に付設される溶接用のノズルに関する。

従来、被加工部材にレーザー光を照射することにより被加工部材を溶融して加工（溶接等）する際に、溶接用のノズル１００の内周面に付着したスパッタ１１０が被加工部材に落下し、加工品質を低下させる問題がある（図５参照）。このような問題を解決する技術が、特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載の技術は、溶接用ノズル内部に刃部を挿入させて、当該刃部により溶接用ノズルの内周面に付着したスパッタを剥離した後、吸引機構の吸引力により剥離したスパッタを溶接用ノズル内部から除去するものである。

しかし、スパッタを除去する際、加工作業を中断しなければならず、作業効率が悪化するという問題を有する。
特開２００５−２７０９９９号公報

本発明は、以上の如き状況を鑑みてなされたものであり、内周面に付着したスパッタを効率的に除去可能な溶接用ノズルを提供する。

請求項１に記載の溶接用ノズルは、被加工部材を溶融可能なレーザー光が通過する溶接用ノズルであって、先端部側から基端部側に向かうにしたがい徐々に幅狭くなる形状を有する溝が、前記溶接用ノズルの内周面の先端部から基端部に亘って形成され、前記溝の基端部側の端部と前記溶接用ノズルの外周面とを連通するとともに、前記溝から前記外周面に向かうにしたがい徐々に縮径する形状を有する連通孔が形成されるものである。

請求項２に記載の溶接用ノズルにおいては、前記溝が、前記溶接用ノズルの軸回りに螺旋状に形成されるものである。

請求項３に記載の溶接用ノズルにおいては、前記溝が、前記溶接用ノズルの軸方向に沿って直線状に形成されるものである。

請求項４に記載の溶接用ノズルは、前記被加工部材の加工時に前記被加工部材に当接するものである。

本発明は、内周面に付着したスパッタを効率的に除去することが可能であるという効果を奏する。

［第一実施形態］
以下に、本発明に係る溶接用ノズルの第一実施形態であるノズル１０について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、ノズル１０は、レーザー加工装置を構成する部材の一部である。
前記レーザー加工装置は、被加工部材２にレーザー光を照射することにより、被加工部材２を溶融して加工するものである。具体的には、前記レーザー加工装置は、電子部品の配線の溶接に用いられ、例えば銅板にすずメッキを施した銅製の部材と、鉄ニッケルの合金部材と、の溶接（幅約４ｍｍ、厚さ約０．１５ｍｍの部材の溶接）等に用いられ、ノズル１０は溶接用のノズルである。
前記レーザー加工装置は、レーザー光照射装置１およびノズル１０を備える。レーザー光照射装置１は、光源としてのレーザー発振器および当該レーザー発振器から発振されるレーザー光を集光する集光レンズを有し、被加工部材２を溶融可能なレーザー光を照射する。ノズル１０はレーザー光照射装置１のレーザー光照射部に接続され、レーザー光照射装置１の照射するレーザー光がノズル１０内部（ノズル１０の内周面で囲まれる空間）を通じて照射される。
本実施形態において、前記レーザー加工装置を用いた被加工部材２の加工は、被加工部材２にノズル１０を当接した状態で、レーザー光照射装置１からレーザー光を照射することにより行われる。

ノズル１０は、中空の略円錐台状の部材であり、基端部側から先端部側（図１における上方から下方）に向かうにつれて縮径する先細り形状に形成されている。ノズル１０は、レーザー光照射装置１のレーザー光照射部に基端を接続され、レーザー光照射装置１のレーザー光の照射方向（図示において下方）に先端を突出しており、先端の開口からレーザー光が照射される。つまり、レーザー光照射装置１からのレーザー光はノズル１０の軸方向に向けて照射される。ノズル１０は、溶融対象である被加工部材２より融点の高い部材（例えば銅およびタングステンの合金等）で構成されている。また、ノズル１０は軸方向に向けて均一な厚みを有する部材であり、その内部空間を画定する内周面も外周面と同様の先細り形状を有する。
図２に示すように、ノズル１０は、溝１１と連通孔１２とを有する。溝１１はノズル１０の内周面に形成されており、連通孔１２は溝１１の基端部側の端部である底部とノズル１０の外周面とを連通する連通孔である。

溝１１は、ノズル１０の内周面に形成され、溝断面は半円形状を有している。溝１１は、ノズル１０の軸回りに螺旋状に形成されている。溝１１は、ノズル１０の先端部側から基端部側（図示において下端部側から上端部側）に向かうにしたがい徐々に幅狭くなる形状、つまり半円形の溝の直径が徐々に小さくなる形状を有している。なお、本実施形態は溝１１の螺旋傾斜角度を比較的小さく設定し、溝１１を一つ形成する構成としたが、溝１１の螺旋傾斜角度および数については特に限定されず、例えば螺旋傾斜角度（ノズル１０の周方向に対する溝１１の傾斜角度）を比較的大きく設定し、溝１１を複数形成してもよい。また、本実施形態は溝１１の展開形状（ノズル１０を切り開いて平面状にした形状）をノズル１０の先端部側から基端部側へ向けた直線形状としたが、これに限定されず、曲線形状としても良い。

連通孔１２は、溝１１とノズル１０の外周面とを連通しており、ノズル１０の基端部に形成されている。連通孔１２は溝１１の上端部（溝１１の基端部側の端部）に接続されている、つまり、ノズル１０内周面において、溝１１と連通孔１２とが連続的に配置されている。連通孔１２は、溝１１からノズル１０の外周面に向かうにしたがい徐々に縮径する形状を有している。
ノズル１０の基端部の外周面には、金属製の容器１３（図３（ｂ）参照）が取り付けられている。容器１３は、連通孔１２に接続されており、連通孔１２と連続的に配置されている。つまり、ノズル１０において、溝１１→連通孔１２→容器１３の順に連続的に配置されている。

レーザー光照射装置１によるレーザー光の照射時、被加工部材２におけるレーザー光の到達箇所がレーザー光の熱エネルギーで溶融し、さらに当該到達箇所から溶融した被加工部材２の粒（溶融スパッタ）が飛散する。しかし、ノズル１０と被加工部材２とが当接した状態（ノズル１０内部の閉塞状態）にあるため、溶融スパッタがノズル１０内部で飛散する。そして、この飛散する溶融スパッタが、ノズル１０の内周面に付着し、さらに固まり、付着スパッタとしてノズル１０内周面に固着することがある。

図３を参照して、上述のようにノズル１０の内周面に固着した付着スパッタを、ノズル１０外部に取り出すときの手順について説明する。
前述のように、レーザー光照射装置１によるレーザー光の照射時、溶融スパッタ３ａが飛散し、ノズル１０の内周面に付着していく。図３（ａ）に示すように、ノズル１０の内周面に付着した溶融スパッタ３ａは、アンカー効果と表面張力により溝１１に入り込み、さらに溝１１に入り込んだ状態で冷やされて固化し、付着スパッタになる。
その後、レーザー光照射装置１によるレーザー光の照射を続けていくと、ノズル１０が当該レーザー光の熱エネルギーで（例えば１０００℃近くまで）昇温していく。これにより、付着スパッタがノズル１０の熱で再溶融して液化し、流動性を有する再溶融スパッタ３ｂになる。
そして、図３（ｂ）に示すように、再溶融スパッタ３ｂが、毛細管現象により溝１１を通じて上方（溝１１の基端部側）に向かって移動していく。すなわち、前述のように溝１１の幅は下端から上端（先端部側から基端部側）に向かうにしたがい徐々に狭くなる形状を有するので毛細管現象が促進されて、再溶融スパッタ３ｂが溝１１の上端側に向かうこととなる。
溝１１の上端（基端部側の端部）まで移動した再溶融スパッタ３ｂは、連通孔１２に流入する。連通孔１２は外周面へ向けて縮径しているので、連通孔１２に流入した再溶融スパッタ３ｂは、毛細管現象により連通孔１２内をノズル１０の外周面に向かって移動していく。そして、連通孔１２からノズル１０外部に吐出され、容器１３に流入する。
このように、連通孔１２は溝１１からノズル１０の外周面に向かうにしたがい徐々に縮径する形状を有していて毛細管現象が促進されるため、再溶融スパッタ３ｂを容器１３（ノズル１０外部）に取り出しやすくなる。
このように、付着スパッタが、再溶融した状態でノズル１０外部に取り出される。

以上のように構成することで、ノズル１０が前記レーザー加工装置を稼働したままの状態で、付着スパッタをノズル１０外部に取り出すことが可能である。
したがって、付着スパッタを取り出す際、前記レーザー加工装置を一旦停止させてノズル１０の内周面の清掃等を行う必要がなく、前記レーザー加工装置を円滑に稼働でき、付着スパッタを効率的に除去することが可能である。

また、付着スパッタがレーザー光の熱エネルギーで再溶融して再溶融スパッタ３ｂになるとき、再溶融スパッタ３ｂを確実に溝１１に付着させ、さらに溝１１および連通孔１２を通じてノズル１０外部まで移動させて取り出すことが可能である。
したがって、付着スパッタが再溶融して被加工部材２上に落下することを抑制でき、例えば電子部品の配線の溶接をしていた場合、再溶融スパッタ３ｂが落下して落下箇所がショートする等の問題の発生を抑制でき、加工製品の品質を向上させることが可能である。

また、前述のように再溶融スパッタ３ｂを上方（ノズル１０の基端部）に移動させてノズル１０外部に取り出すので、容器１３をノズル１０の基端部に配置することが可能である。つまり、前記容器をノズル１０の先端（ノズル１０の先端に当接している被加工部材２）から離間した位置に配置することが可能である。
これにより、例えば被加工部材２の凹んだ箇所にノズル１０の先端を入り込ませてレーザー光を照射するときでも、容器１３と被加工部材２との干渉を回避することが可能である。

なお、レーザー光照射装置１によるレーザー光の照射時間が比較的短いため、ノズル１０の昇温の程度が低ければ、付着スパッタが再溶融せず、照射終了後もノズル１０の内周面に付着したままの状態になるときがある。このようなとき、次の加工時に同様にノズル１０の温度が上昇することにより再溶融し、溝１１に沿ってノズル１０外部に排出されるが、定期的にレーザー光照射装置１のカラうち、ノズル１０への通電等を行い、ノズル１０を付着スパッタの再溶融可能な温度まで昇温させることにより、付着スパッタをノズル１０外部に取り出してもよい。

また、連通孔１２が、溝１１からノズル１０の外周面に向かって重力方向（下方）に傾斜するように延設してもよい。このように構成することで、連通孔１２に流入した再溶融スパッタ３ｂが、ノズル１０の外周面に向かって移動する際、重力の作用により円滑に移動することが可能である。
したがって、連通孔１２に流入した再溶融スパッタ３ｂをノズル１０外部に取り出しやすくなる点で有利である。

［第二実施形態］
以下に、本発明に係る溶接用ノズルの第二実施形態であるノズル２０について、図面を参照して説明する。
なお、ノズル２０について、ノズル１０と同様の部材に対しては同一符号を付し、詳細な説明およびそれに付随する効果等の記載は省略する。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、溝２１は、ノズル２０の内周面に形成され、半円状に凹んだ形状を有している。溝２１は、複数（本実施形態では四つ）形成され、ノズル２０の軸を中心に略９０°ずつ位相をずらした位置にそれぞれ配置されている。溝２１は、ノズル２０の長手方向（軸方向）に沿って直線状に形成されている。溝２１は、下端部から上端部に向かうにしたがい徐々に幅狭くなる形状を有している。このように、溝２１を直線状に形成したので、容易に溝２１を形成することが可能である。

連通孔１２は、ノズル２０の基端部に、四つ形成されている。
連通孔１２・１２・・・は、溝２１・２１・・・の上端部にそれぞれ接続されており、溝２１・２１・・・および連通孔１２・１２・・・がそれぞれ連続的に配置されている。

ノズル２０の内周面に固着した付着スパッタを、ノズル２０を用いてノズル２０外部に取り出すときの手順について説明する。
レーザー光照射装置１によるレーザー光の照射時、溶融スパッタが飛散し、ノズル２０の内周面に付着していく。ノズル２０の内周面に付着した溶融スパッタは、アンカー効果と表面張力により溝２１・２１・・・にそれぞれ入り込み、さらに溝２１・２１・・・に入り込んだ状態で冷やされて固化し、付着スパッタになる。
その後、レーザー光照射装置１によるレーザー光の照射を続けていくと、ノズル２０が当該レーザー光の熱エネルギーで昇温していく。これにより、付着スパッタがノズル２０の熱で再溶融して再溶融スパッタになる。再溶融スパッタは、毛細管現象により溝２１・２１・・・を通じてそれぞれの上端に向かって移動していく。すなわち、前述のように溝２１の幅は上方に向かうにしたがい徐々に狭くなる形状を有するので毛細管現象が促進されて、再溶融スパッタが溝２１の上端側に向かうこととなる。そして、溝２１・２１・・・の上端までそれぞれ移動すると、連通孔１２・１２・・・→容器（不図示）の順に移動し、ノズル２０外部に取り出される。なお、前記容器は、連通孔１２・１２・・・毎にそれぞれ設けられている。

また、溝１１・２１の形状について、ノズル１０・２０の内周面が半円状に凹んだ形状にしたが、この形状に特に限定されず、三角状、四角状等に凹んだ形状でもよい。

本発明に係る溶接用ノズルの実施の一形態であるノズルの概略構成図。 図１のノズルの断面図。 付着スパッタが再溶融したときを示す図であり、（ａ）は再溶融スパッタが溝に入り込むときを示す図、（ｂ）は再溶融スパッタが溝を通じて移動しているときを示す図。 本発明に係る溶接用ノズルの実施の別形態であるノズルを示す図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は図４（ａ）のＡ―Ａ断面図。 ノズルの内周面に付着したスパッタが被加工部材に落下するときを示す図。

符号の説明

１ レーザー光照射装置
２ 被加工部材
１０、２０ ノズル
１１、２１ 溝
１２ 連通孔

Claims (4)

1. 被加工部材を溶融可能なレーザー光が通過する溶接用ノズルであって、
   先端部側から基端部側に向かうにしたがい徐々に幅狭くなる形状を有する溝が、前記溶接用ノズルの内周面の先端部から基端部に亘って形成され、
   前記溝の基端部側の端部と前記溶接用ノズルの外周面とを連通するとともに、前記溝から前記外周面に向かうにしたがい徐々に縮径する形状を有する連通孔が形成される溶接用ノズル。
2. 前記溝が、前記溶接用ノズルの軸回りに螺旋状に形成される請求項１に記載の溶接用ノズル。
3. 前記溝が、前記溶接用ノズルの軸方向に沿って直線状に形成される請求項１に記載の溶接用ノズル。
4. 前記被加工部材の加工時に前記被加工部材に当接する請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の溶接用ノズル。

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