JP2010207851A - レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特に粒の大きいスパッタについても保護ガラスへの付着を抑える。
【解決手段】レーザ加工ヘッド１の前面に設けた保護ガラス５のさらに前方に、回転体９を設ける。回転体９は、溶接時に発生するヒュームＦやスパッタＳを吹き飛ばすためのエアノズル１９から放出されるエアによって回転する。回転体９は、円板状部材に多数の貫通孔を設けてあり、回転する際に、貫通孔の周縁で特に粒の大きいスパッタＳを跳ね飛ばして、保護ガラス５へのスパッタＳの付着を抑える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を集光して加工部位に向けて進行させるレンズを備えるとともに、レンズから出るレーザ光を透過させ、かつ、加工部位から発生する異物を遮断してレンズを保護する保護部材を備えたレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に関する。

レーザ溶接中に発生するヒュームやスパッタなどの異物が、加工ヘッドに設けてある集光用のレンズに付着するのを防ぐ目的で、保護ガラスを設けることが一般的に行われている。ところが、この保護ガラスに上記した異物が付着すると、加工部位でのレーザ強度の低下を招くので、その異物をエアブローによって吹き飛ばすことも行われている（下記特許文献１参照）。

特開昭５９−１６６９２号公報

しかしながら、エアブローにより異物を吹き飛ばして保護ガラスへの付着を抑える方法は、金属の蒸発成分であるヒュームなどの浮遊成分に対しては効果があるものの、特に粒の大きいスパッタに対しては効果が薄く、このようなスパッタは保護ガラスに付着してレーザ出力の低下を招く。

そこで、本発明は、特に粒の大きいスパッタについても保護部材への付着を抑えることを目的としている。

本発明は、加工部位から発生する異物を遮断してレンズを保護する保護部材を備え、この保護部材の加工部位側に、保護部材に沿って移動可能で、加工部位から飛散してくる異物を跳ね飛ばす移動体を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、粒の大きいスパッタであっても、移動体が移動する際に跳ね飛ばすことができるので、レーザ光集光用のレンズを保護する保護部材へのスパッタの付着を抑えることができる。

本発明の一実施形態を示すレーザ溶接装置の簡略化した正面図である。 図１のレーザ溶接装置における回転体と保護ガラスとの位置関係を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態を示すレーザ溶接装置は、スキャナと呼ばれるレーザ加工ヘッド１から出るレーザ光３を、被溶接物たるワークＷの所定の加工部位である溶接部位に照射してリモートレーザ溶接を施すものである。

このリモートレーザ溶接は、レーザ加工ヘッド１が、主として集光用のレンズ２及び二つの可動式のミラー４，６を備えており、図示しないレーザ発振器から発振されたレーザ光を、レンズ２を経て二つの可動式のミラー４，６で反射させることで、レーザ加工ヘッド１を一定位置に設定した状態で、レーザ光３の照射方向を変化させる。したがって、レーザ加工ヘッド１のレーザ光３が出る図１中で下面部には、レーザ光３の変化する照射方向に対応した開口部を設けている。

なお、各ミラー４，６は一軸または二軸の可変自由度を有しているものであり、これらのミラー４，６の可変自由度は溶接部位の瞬時の移動のほか、特定の溶接部位でのレーザ光照射位置の連続的な移動に使用される。

レーザ加工ヘッド１のレーザ光３が出る前方側には、上記した集光用のレンズ２やミラー４，６を溶接時に発生するヒュームＦやスパッタＳから保護するための保護部材としての保護ガラス５を、取付具７を介して設けている。また、保護ガラス５の溶接部位を備えるワークＷ側に、移動体としての円板状の回転体９を設けている。なお、回転体９は、その中心部に設けた回転支持軸１１の下端に回転可能に取り付けてあり、回転支持軸１１は、保護ガラス５の図１中で紙面手前側の側縁近傍に位置して、上端をレーザ加工ヘッド１に取り付けている。

回転体９は、図２に平面図として示すように、複数の円形の貫通孔１３を設けている。これら貫通孔１３は、大孔１３ａ，中孔１３ｂ及び小孔１３ｃをそれぞれ複数適宜位置に設けることで、回転体９全体に対する貫通孔１３の占める領域を広くし、レーザ光３の通過に支障を来さないようにしている。また、回転体９の外周部には、大孔１３ａよりも半径のさらに大きな半円形の切欠部１５を、周方向に沿って全周にわたり設けており、これにより、回転体９の外周部には、回転体９の半径方向外側に突出する突起１７が形成される。これら貫通孔１３及び切欠部１５は、回転体９の全域にわたりほぼ均等に設けている。

このような回転体９は、レーザ光３を吸収ににくくかつ、レーザ光３を受けても蒸発しにくい材料、すなわちレーザ光３に対して非吸収性及び非蒸発性の性質を有する材料、例えばタングステンや銅で構成している。

図２に示すように、保護ガラス５は図１，図２中で左右方向に長い長方形としてあり、回転体９は、この長方形の保護ガラス５に対し、一方側（図２中で左側）に寄った位置としかつ、図２中で上部側のほぼ半分の領域が重なり合うように配置している。

なお、図２においては特に図示していないが、レーザ加工ヘッド１の先端の平面視での外形は、保護ガラス５よりもやや大きい形状とする。

ここで、図２には、保護ガラス５におけるレーザ光３の通過領域を長方形状のＡで示しているが、この通過領域Ａは、回転体９の保護ガラス５に重なる領域に対し図２中でやや右上にずれている。なお、この通過領域Ａは、前記したレーザ加工ヘッド１の下面部に設けたレーザ光３の変化する照射方向に対応した開口部にほぼ相当する。

また、レーザ加工ヘッド１の図１中で右側の端部下面には、回転体９近傍に向けて気体であるエアを放出する気体放出手段としてのエアノズル１９を、取付ブラケット２１を介して複数（ここでは三つ）取り付けている。

一方、図１に示すように、回転体９の外周側におけるワークＷ側の下面には、円周方向に沿って複数の受圧部となるエア受け板２３を取り付けている。エア受け板２３は、図２に破線で示すように、半円形の切欠部１５の円弧形状に沿って各突起１７に対応する位置にて曲面形状としてある。なお、このエア受け板２３は、各突起１７すべてに対応して設ける必要はなく、例えば円周方向複数ある突起１７に対し、一つおきに設けるようにしてもよい。

ここで前記した三つのエアノズル１９によるエアの放出方向は、図１に示すように、回転体９の下部のエア受け板２３に対応しかつ、図２に示すように、保護ガラス５におけるレーザ光３の通過領域Ａにほぼ対応させている。これにより、エアノズル１９から放出するエアによって、溶接時に発生する異物であるヒュームＦやスパッタＳの一部を吹き飛ばしてエアブローを実施すると同時に、エアがエア受け板２３に作用することで回転体９を回転させる。

すなわち、気体放出手段であるエアノズル１９から放出された気体の放出方向前方側に、移動体である回転体９を設けたことになる。

次に、作用を説明する。レーザ加工ヘッド１からのレーザ光３をワークＷに照射してレーザ溶接を行う際には、その溶接部位からヒュームＦやスパッタＳが飛散する。その際、ヒュームＦや特に粒が小さく質量の小さいスパッタＳについては、エアノズル１９から放出するエアにより吹き飛ばしてエアブローし、これら異物の保護ガラス５に対への付着をある程度抑えることができる。

しかしながら、特に粒が大きく質量の大きいスパッタＳについては、エアブローよっては吹き飛ばすことは難しい。ここで、本実施形態では、上記したエアノズル１９から放出したエアをエア受け板２３が受けて回転体９が回転する。この回転体９の回転によって、エアブローできなかった特に粒の大きいスパッタＳは、貫通孔１３や切欠部１７に達したところで、その周縁にて物理的に跳ね飛ばし、保護ガラス５までの到達を抑える。

これにより、特に粒の大きいスパッタＳについても、保護ガラス５への付着を抑えることができ、溶接部位でのレーザ強度の低下を抑えて高効率のレーザ溶接を行える。また、保護ガラス５の清掃頻度や交換頻度が低くなって、作業効率及び作業コストを向上させることができる。

スパッタＳを回転体９の回転によって効率よく跳ね飛ばすには、回転体９の回転速度をできるだけ速くすることが望ましい。しかしながら、スパッタＳを跳ね飛ばすに必要な回転体９の回転速度は、回転体９の厚さとスパッタＳの飛散速度に関係することから、本実施形態では、スパッタＳの飛散速度を５ｍ／秒程度、貫通孔１３（大孔１３ａ）の直径を２０ｍｍ程度として、例えば１０回転／秒としている。

なお、回転体９の回転速度は、エアノズル１９から放出するエアの流速や流量、あるいは、エア受け板２３の形状や設置数によって調整する。

また、図示しないレーザ発振器から発振するレーザ出力は、レーザ光が回転体９の設置領域を通過するときと、通過しないときとで、変更している。つまり、回転体９の設置領域をレーザ光が通過するときのレーザ出力を、回転体９の設置領域をレーザ光が通過しないときのレーザ出力より高めることで、ワークＷに達したときのレーザ強度を均一化し、溶接品の高品質化を図る。

また、本実施形態では、スパッタＳを跳ね飛ばす移動体として回転体９を用いているので、飛散してくるスパッタＳを連続して効率よく跳ね飛ばすことができ、保護ガラス５へのスパッタＳの付着を効率よく抑えることができる。

さらに、上記した回転体９は、平板形状として、複数の貫通孔１３を設けてあるので、貫通孔１３の周縁でスパッタＳを跳ね飛ばすとともに、貫通孔１３を通してレーザ光３をワークＷに到達させることができる。

また、本実施形態では、回転体９の回転速度を、回転体９の板厚が薄い程速くすることで、回転体９の軽量化を図りつつ、飛散してくるスパッタＳを効率よく跳ね飛ばすことができる。

さらに、上記した回転体９の回転速度を、スパッタＳの飛散速度が速い程速くすることで、飛散速度の速いスパッタＳに対しても効率よく跳ね飛ばすことが可能となる。

また、本実施形態では、上記した貫通孔１３の孔径を２０ｍｍとして、回転体９の回転速度を１０回転／秒とすることで、通常多く見られるスパッタの飛散速度が５ｍ／秒程度のものに対して効率よく跳ね飛ばすことが可能となる。

また、本実施形態では、移動体である回転体９を、レーザ光３に対して非吸収性及び非蒸発性の性質を有する例えばタングステンで構成しているので、回転体９の劣化を抑え、かつ保護ガラス２１の汚損を抑えることができる。回転体９がレーザ光３に対して吸収性や蒸発性の性質を有する材料の場合には、回転対９が溶融して劣化してしまい、また溶融する際に発生する蒸気によって保護ガラス２１が汚損してしまう。

さらに、本実施形態では、回転体９近傍にエアを放出してヒュームＦやスパッタＳの一部を吹き飛ばすエアノズル１９を設け、このエアノズル１９から放出されたエアを受けて回転体９を回転させるエア受け板２３を回転体１９に設けている。このため、特に回転体９を回転駆動する専用の駆動源を別途設ける必要がなく、設備コストを抑えつつ簡単な構造で回転体９を回転させることができる。

また、本実施形態では、回転体９を、保護ガラス５の近傍に設けているので、集光用のレンズ２によって集光したレーザ光３のスポット径が小さくならない位置（レーザ密度が低い位置）で、レーザ光３が回転体９を通過することになり、ワークＷには安定した強度のレーザ光３を照射することができる。

また、回転体９は、スパッタＳが保護ガラス５に向けて飛散してくる領域における特にレーザ光通過領域Ａのうち、エアノズル１９から放出されたエアの放出方向前方側に設けている。つまり、図２において、通過領域Ａのうちエアノズル１９に近い領域Ｂは、エアノズル１９から放出したエアの勢いが強いので、比較的粒の大きいスパッタＳであっても吹き飛ばすこと可能であり、上記領域Ｂよりもエアの放出方向前方側にのみ回転体９を設置したとしても、スパッタＳの保護ガラス５への付着を抑えることができる。これにより、回転体９を必要以上に大きくすることを抑制でき、レーザ光３が回転体９を通過する領域をより狭めることができ、またレーザ加工ヘッド１の軽量化にも寄与することができる。

なお、上記した実施形態では、回転体９をエアノズル１９によって回転させているが、電気モータやエアモータなど専用の駆動源を用いて回転駆動してもよく、この場合には回転体９を安定して回転させることができ、回転速度も容易に制御できるので、スパッタＳをより効率よく跳ね飛ばすことができる。

また、回転体９には、円形の貫通孔１３に代えてスリット状の貫通孔を設けてもよい。さらに、回転体として、円板状部材に貫通孔１３を設けたものに限らず、網状のものでもよく、回転中心部から放射状に延びるアームを円周方向に複数設けたものでもよい。回転体を単に棒状のアームとした場合には、製造が容易であり、設備コストの抑制に寄与することができる。

また、移動体として回転体９とするだけでなく、例えば直動モータを利用して往復移動させるものでもよい。

また、上記した実施形態では、２つのミラー４，６によってレーザ加工ヘッド１から出るレーザ光３の照射方向を可変とするリモートレーザ溶接装置に本発明を適用したが、通常のレーザ溶接装置にこの発明を適応してもよい。

２ 集光用のレンズ
３ レーザ光
５ 保護ガラス（保護部材）
９ 回転体（移動体）
１３ 回転体に設けた貫通孔
１９ エアノズル（気体放出手段）
２３ エア受け部（受圧部）
Ｓ スパッタ（異物）

Claims (11)

1. レーザ光を集光して加工部位に向けて進行させるレンズを備えるとともに、該レンズから出るレーザ光を透過させ、かつ、前記加工部位から発生する異物を遮断して前記レンズを保護する保護部材を備えたレーザ溶接装置であって、前記保護部材の前記加工部位側に、該保護部材に沿って移動可能で、前記加工部位から飛散してくる前記異物を跳ね飛ばす移動体を設けたことを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 前記移動体は、前記保護部材に沿って回転する回転体であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 前記回転体は、平板形状として、複数の貫通孔を設けてあることを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接装置。
4. 前記回転体の回転速度は、該回転体の板厚が薄い程速くしたことを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接装置。
5. 前記回転体の回転速度は、前記異物の飛散速度が速い程速くしたことを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ溶接装置。
6. 前記貫通孔の直径を２０ｍｍとして、前記回転体の回転速度を少なくとも１０回転／秒としたことを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接装置。
7. 前記移動体は、レーザ光に対して非吸収性及び非蒸発性の性質を有する材料で構成したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
8. 前記回転体近傍に向けて気体を放出して前記異物を吹き飛ばす気体放出手段を設け、この気体放出手段から放出された気体を受けて前記回転体を回転させる受圧部を前記回転体に設けたことを特徴とする請求項２ないし７のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
9. 前記移動体を前記保護部材の近傍に設けたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
10. 前記回転体近傍に向けて気体を放出して前記異物を吹き飛ばす気体放出手段を設け、前記異物が前記保護部材に向けて飛散してくる領域のうち、前記気体放出手段から放出された気体の放出方向前方側に、前記移動体を設けたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
11. レーザ光を集光して加工部位に向けて進行させるレンズを備え、このレンズに対しレーザ光照射方向前方に設けたレーザ光を透過させる保護部材により、前記加工部位から発生する異物を遮断して前記レンズを保護するレーザ溶接方法であって、前記保護部材の前記加工部位側に設けた移動体を、保護部材に沿って移動させることで、前記加工部位から前記保護部材に向けて飛散してくる前記異物を跳ね飛ばすことを特徴とするレーザ溶接方法。

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