JP2010207877A - 溶接装置および半田付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、粉末材料噴射口と被加工物の間隔が変化しても、粉末材料噴射ノズル交換の必要がない溶接装置あるいは半田付け装置を提供する。
【解決手段】ガスを用いて少なくとも２方向から交わるように金属粉末や半田粉末の粉末を溶接部位に供給する送給手段としての金属粉末送給外筒３と金属粉末噴射ノズル４を用い、溶接部位への粉末の送給角度を同期して可変させたことを特徴とし、この構成によれば、粉末の送給角度を調整することにより、送給手段と被加工物の距離が変化しても、粉末が集中する位置を被加工物上に調整することが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加工物上に供給した金属粉末や半田粉末などの粉末材料を熱エネルギーにより溶融して溶接および半田付けを行う溶接装置および半田付け装置に関する。

熱エネルギーで粉末状の材料を溶融させて被加工物の溶接を行う装置としては、熱源にレーザ光を用い、このレーザ光照射ノズルの外周に、これと同軸に溶接金属粉末の噴射ノズルを設け、被加工物に対するレーザ光の照射点の溶融域の近傍へ、前記噴射ノズルから溶接金属粉末を噴射して溶接を行うものがあった（たとえば特許文献１参照）。
特開平４−８４６８４号公報

しかし、上記従来の装置においては、溶接金属粉末の送給角度が固定されているため、噴射口と溶接金属粉末の集中部分の距離が決まっており、溶接金属粉末の集中部分を被加工物の表面と一致させた場合、噴射口と被加工物の間隔も一定となる。

基本的に噴射口と被加工物の間隔は短いほど溶接金属粉末の溶融域に対する離散は少なくなり有効に溶融金属粉末を利用できるが、隅肉溶接等の条件においては被加工物と噴射ノズルを近づけすぎると干渉してしまう問題がある。そのため溶接条件によって、噴射口と被溶接物の間隔を変える必要があるが、そのためには溶接金属粉末の送給角度を変える必要があり、噴射ノズル自体を交換する必要があった。

本発明は、上記従来の課題を解決しようとするものであり、噴射口と被加工物の間隔が変化しても、噴射ノズル交換の必要がない溶接装置あるいは半田付け装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の溶接装置および半田付け装置は、ガスを用いて少なくとも２方向から交わるように金属粉末や半田粉末の粉末を溶接部位に供給する送給手段と、前記溶接部位に熱エネルギーを供給する熱源を備え、前記供給手段に前記溶接部位への粉末の送給角度を同期して可変する金属粉末噴射ノズルを設け、前記金属粉末噴射ノズルとして、前記溶接部位に金属粉末を導くガイド部と、前記ガイド部に接続して前記ガイド部の角度を可変するジョイント部を設けたことを特徴とする。

この構成によれば、粉末の送給角度を調整することにより、送給手段と被加工物の距離が変化しても、粉末が集中する位置を被加工物上に調整することが出来る。

以上のように本発明によると、被加工物に供給する粉末の集中部の位置の変更が容易になり粉末を有効活用できるとともに、粉末の送給手段と被加工物の距離が変化する条件においても送給手段を交換することなく対応でき、作業工数および取り付け工数を削減できるという効果を有する。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１、図２を用いて説明する。

図１、図２に示す本発明の実施の形態１の溶接装置は、溶接部位に熱エネルギーを供給する熱源として図示しないレーザ発信器からのレーザ光６を入力するレーザヘッド１、レンズなどの集光手段２、金属粉末送給外筒３、金属粉末噴射ノズル４、金属粉末噴射ノズル４のジョイント部４ａ、金属粉末噴射ノズル４のガイド部４ｂ、被加工物５、レーザ光６、金属粉末噴射ノズル４から噴射された金属粉末の流れ７、金属粉末供給装置８、金属粉末ホッパー９、キャリアガス配管１０、シールド用不活性ガス配管１１、金属粉末供給管１２、シールド用不活性ガス供給管１３を備えている。

そして、レーザヘッド１の内部にはレーザ光を集光する集光手段２を設けている。このレーザヘッド１の外周先端には、同軸上に金属粉末送給外筒３を取り付けており、この金属粉末送給外筒３の先端には、金属粉末送給外筒３すなわちレーザヘッド１に対して角度調整可能な金属粉末噴射ノズル４を接続している。

このガスを用いて少なくとも２方向から交わるように金属粉末や半田粉末の粉末を溶接部位に供給する送給手段としての金属粉末送給外筒３と金属粉末噴射ノズル４の接続の構造は、図４に示すような構造にしている。

すなわち、金属粉末送給外筒３の先端には球状の溝を設け、一方、金属粉末噴射ノズル４の金属粉末送給外筒３との接続部分は球状に膨らませて、いわゆるフラスコ形状の底が貫通したような形状のジョイント部４ａを形成し、金属粉末送給外筒３の球状の溝と金属粉末噴射ノズル４のジョイント部４ａの球状の膨らみ部分を嵌め合わせて角度調整可能に接続している。さらに、この金属粉末噴射ノズル４は、ジョイント部４ａから延出する形に管状のガイド部４ｂを形成しており、このガイド部４ｂを介して溶接部位に金属粉末を導くように構成している。

また、金属粉末送給外筒３には金属粉末供給管１２を接続しており、この金属粉末供給管１２は金属粉末供給装置８に接続している。この金属粉末供給装置８には金属粉末ホッパー９を設けており、金属粉末送給外筒３に供給する金属粉末を蓄えている。この金属粉末供給装置８にはキャリアガス配管１０を接続して、キャリアガスを用いて金属粉末供給管１２を介して金属粉末送給外筒３に金属粉末を送給する。

また、金属粉末供給装置８にはシールド用不活性ガス配管１１を接続し、シールド用不活性ガス供給管１３を介してレーザヘッド１にシールド用不活性ガスを送給している。

そして、レーザ溶接時にレーザヘッド１から溶接部位にシールド用不活性ガスを吹き付けながら溶接するようにしている。

以上のように構成された溶接装置について説明する。

レーザヘッド１には図では示していないがレーザ発振器からレーザ光６が供給され、集光手段２により集光されたレーザ光６が被加工物５に集光照射される。レーザヘッド１にはシールドガス用不活性ガス供給管１３によってシールド用不活性ガスが供給されており、溶接部のシールドに用いられ、金属粉末供給装置８により、シールド用不活性ガス配管１１から送られるシールドガスの制御を行う。

金属粉末送給外筒３には金属粉末送給管１２によって金属粉末供給装置８に接続されている。金属粉末供給装置８は金属粉末ホッパー９から落下する金属粉末を、内蔵される回転円板上に受け、これをキャリアガス配管１０から供給されるガスの圧力により、金属粉末供給管１２から金属粉末送給外筒３へ供給するように構成されている。

金属粉末供給装置８は前記の回転円板の回転数を制御し、金属粉末の供給量を調整すると共に、キャリアガス配管１０から送られるキャリアガスの制御を行う。金属粉末送給外筒３に供給された金属粉末は金属粉末噴射ノズル４から溶融部位に噴射され溶接が行われる。

金属粉末噴射ノズル４の送給角度Ａを変化させた場合の金属粉末噴射ノズル４と被加工物５の位置関係は図２のようになる。

図２（ｂ）は図２（ａ）の送給角度Ａ１を小さくした場合（Ａ２）を示しており、送給角度Ａ２に対応して金属粉末噴射ノズル４と被加工物５の間隔ＷＤ２がＷＤ１よりも長くなることを示している。

このように、金属粉末噴射ノズル４と被加工物５の間隔ＷＤが変化しても送給角度Ａを変えることで被加工物５上に金属粉末を集中させることができるので、金属粉末を有効に利用できるとともに、金属粉末噴射ノズル４と被加工物５の距離が変化する条件においても、金属粉末噴射ノズル４を交換する必要がないため、作業工数および取り付け工数を削減できる。

（実施の形態２）
次に実施の形態２について図３を用いて説明する。なお、本実施の形態において実施の形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図３に示す本発明の実施の形態２の溶接装置において実施の形態１と異なるのは、金属粉末噴射ノズル２０であり、金属粉末送給外筒３とのジョイント部２０ａに蛇腹状の管を用いた点である。

以上のように構成された溶接装置について説明する。

金属粉末送給外筒３に供給された金属粉末は金属粉末噴射ノズル２０から溶融部位に噴射され、レーザ光６により溶接が行われる。

金属粉末送給外筒３と金属粉末噴射ノズル２０のジョイント部２０ａが実施の形態１で示したような構造の場合、図４に示すように送給角度Ａ１（図４（ａ））がＡ２（図４（ｂ））に変化すると金属粉末送給外筒３と金属粉末噴射ノズル４のジョイント部４ａの流路断面積Ｃ（斜線部）が図４（ｃ）に示す斜線部のものから図４（ｄ）に示す斜線部のものに大きく変化する。このため送給角度Ａにより流路抵抗が異なり、一定量の金属粉末を供給することが困難となる。

本実施の形態においては、金属粉末送給外筒３と金属粉末噴射ノズル２０のジョイント部２０ａに蛇腹上の管を用いるため、送給角度Ａを変化させても流路断面積は変わらないため、ほぼ流路抵抗が一定となり、一定量の金属粉末の供給が容易になり、均一な溶接性能を得ることができる。

（実施の形態３）
次に実施の形態３を図５、図６を用いて説明する。なお、本実施の形態において実施の形態１、２と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図５に示す本発明の実施の形態３の溶接装置において実施の形態１、２と異なるのは、として複数の金属粉末噴射ノズル４の代わりに二重可変ノズルの構造の金属粉末噴射ノズル３０を備えた点であり、金属粉末噴射ノズル３０の一方の構造は、図６に示すように、複数の板からなるガイド部３０ｂと、各ガイド部３０ｂ間に設けた折りたたみ構造のジョイント部３０ａから構成され、ジョイント部３０ａを折りたたんだ状態（図６（ａ））のノズル口径Ｄ１とジョイント部３０ａを広げた状態（図６（ｂ））のノズル口径Ｄ２を可変できる構造としている。

そして、二重可変ノズルの構造の金属粉末噴射ノズル３０は、同じ構造のジョイント部３０ａとガイド部３０ｂを同心状に対向配置して、その間に金属粉末を送給するように構成している。

以上のように構成された溶接装置について説明する。

金属粉末送給外筒３に供給された金属粉末は、金属粉末噴射ノズル３０から溶融部位に噴射され、レーザ光６により溶接が行われる。

金属粉末の送給角度Ａは金属粉末噴射ノズル３０の金属粉末出口径Ｄを可変させることで調整を行う。

このように、金属粉末噴射ノズル３０と被加工物５の間隔ＷＤが変化しても送給角度Ａを変えることで被加工物５上に金属粉末を集中させることができるので、金属粉末を有効に利用できるとともに、金属粉末噴射ノズル３０と被加工物５の距離が変化する条件においても、ノズルを交換する必要がないため、作業工数および取り付け工数を削減できる。

また、金属粉末は二重ノズルにより噴射されるため径方向の金属粉末供給量が均一であり、溶接方向に関わらず均一な溶接性能を得ることが可能である。

（実施の形態４）
次に実施の形態４を図７を用いて説明する。なお、本実施の形態において実施の形態１、２、３と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図７に示す本発明の実施の形態４の溶接装置において実施の形態１、２、３と異なるのは、集光手段２を上下方向に移動させる集光手段の移動手段４０、金属粉末噴射ノズル４の送給角度を調整するノズル金属粉末噴射ノズル４１、集光手段の移動手段４０とノズル金属粉末噴射ノズル４１を同期制御するための制御装置４２を設けたことである。

以上のように構成された溶接装置について説明する。

金属粉末送給外筒３に供給された金属粉末は金属粉末噴射ノズル４から溶融部位に噴射され、レーザ光６により溶接が行われる。

集光手段の移動手段４０およびノズル金属粉末噴射ノズル４１はサーボモータ等の駆動装置を内蔵しており、制御装置４２により制御される。

図７（ｂ）、図７（ｃ）は、図７（ａ）よりも金属粉末噴射ノズル４と被加工物５の間隔ＷＤを広げた場合の図であり、送給角度Ａに対応して集光手段２の位置を制御することにより、レーザ光の焦点位置と金属粉末の集中部が常に一致するように制御される。

このように、レーザ光の焦点位置と金属粉末の集中部が常に一致するように制御することにより、被加工物との間隔ＷＤ毎の、集光手段２の位置調整と金属粉末の送給角度の調整を省くことが可能であり、作業工数を大幅に削減することが可能である。

（実施の形態５）
次に実施の形態例５を図８を用いて説明する。なお、本実施の形態において実施の形態１、２、３、４と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図８に示す本発明の実施の形態５の溶接装置は、金属粉末噴射ノズル４と被加工物５の距離を検出する距離検出手段５０、距離検出手段５０からの検出信号により、集光手段の移動手段４０およびノズル金属粉末噴射ノズル４１を制御する制御装置５１を備え、実施の形態４と異なるのは、レーザヘッド１に距離検出手段５０の検出信号により集光手段の移動手段４０とノズル金属粉末噴射ノズル４１を制御する点である。

以上のように構成された溶接装置について説明する。

金属粉末送給外筒３に供給された金属粉末は金属粉末噴射ノズル４から溶融部位に噴射され、レーザ光６により溶接が行われる。

集光手段の移動手段４０およびノズル金属粉末噴射ノズル４１はサーボモータ等の駆動装置を内蔵しており、制御装置５１により制御され、距離検出手段５０からの検出信号に対応した位置および角度に調整される。

このように、被加工物との間隔ＷＤによらず、レーザ光の焦点位置と金属粉末の集中部が被加工物５上で常に一致するため、ロボット等で教示を行う場合、溶接箇所さえ指定すれば、距離検出手段５０により制御装置５１が被加工物５との距離によって最適なレーザ光の焦点位置と金属粉末の集中部が常に一致するように制御することができ、作業工数を大幅に削減することが可能である。

（実施の形態６）
次に実施の形態例６を図９を用いて説明する。なお、本実施の形態において実施の形態１、２、３、４、５と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図９に示す本発明の実施の形態６の溶接装置は、金属粉末送給外筒３の外周に設けた、シールド用不活性ガスを供給するための外周ノズル６０を備えており、実施の形態１〜５と異なるのは、この点である。

以上のように構成された溶接装置について説明する。

金属粉末送給外筒３に供給された金属粉末は金属粉末噴射ノズル４から溶融部位に噴射され、レーザ光６により溶接が行われる。

本実施の形態においては、金属粉末送給外筒３の更に外周にシールド用不活性ガス供給用の外周ノズル６０を設けることにより、溶接部位に対するシールド範囲を広げることができるため、溶接部位の酸化をより防止することができ、溶接品質が向上する。

なお、実施の形態１〜６において、金属粉末を送給するキャリアガスにシールド用不活性ガスを用いれば溶接部位の酸化をより防止することができ、溶接品質が向上する。

なお、実施の形態１〜６においては、レーザ光６を熱源とした場合を説明したが熱源はアーク熱源やその他、別の種類の熱源としてもよい。

なお、実施の形態１、２、４、５、６においては、金属噴射ノズル４が２方向の場合を説明したが、金属粉末送給外筒３に２つ以上備わっていてもよい。

なお、実施の形態１〜６においては、レーザ光の焦点位置と金属粉末集中部が被加工物５上で一致しているが、溶接条件により溶接に必要なエネルギー密度は変化するため、被加工物上で必ずしもレーザ光の焦点を結ぶ必要はない。

なお、実施の形態４、５においては、送給角度Ａに対応して集光手段２が上下方向に移動する構成について説明したが、送給角度Ａに対応して金属粉末送給外筒３が上下方向に移動する構成であってもよい。

なお、実施の形態４〜６においては、実施の形態１における金属粉末噴射ノズル４を用いて説明したが、噴射ノズルには実施の形態２の金属粉末噴射ノズル２０あるいは実施の形態３の金属粉末噴射ノズル３０を用いてもよい。

なお、実施の形態５においては、距離検出手段５０をレーザヘッド１先端に備えた場合を説明したが、距離検出手段５０は、どこに設置されていてもよい。

なお、実施の形態６においては、シールド用不活性ガスは外周ノズル６０のみから供給されてもよいし、外周ノズル６０とレーザヘッド１両方から供給されてもよい。

なお、実施の形態１〜５においては、被加工物５を溶接する場合について説明したが、金属粉末を半田粉末にすれば、印刷配線板の半田付けにも適用できる。ただし、この場合、半田付け装置にはシールド用不活性ガスを用いる必要はないので、その構成を割愛することが可能となる。

本発明の溶接装置および半田付け装置は、被加工物に供給する粉末の集中部の位置の変更が送給手段を交換することなく対応でき、作業工数および取り付け工数を削減できる溶接装置および半田付け装置として有用である。

本発明の実施の形態１における溶接装置の要部を破断した構成図 本発明の実施の形態１におけるレーザヘッド先端の要部を破断した構成図 本発明の実施の形態２におけるレーザヘッド先端の要部を破断した構成図 本発明の実施の形態１における金属粉末送給外筒と金属粉末噴射ノズルの接続部分の要部を破断した構成図 本発明の実施の形態３におけるレーザヘッド先端の要部を破断した構成図 本発明の実施の形態３における可変ノズルの説明図 本発明の実施の形態４におけるレーザヘッドの要部を破断した構成図 本発明の実施の形態５におけるレーザヘッドの要部を破断した構成図 本発明の実施の形態６におけるレーザヘッド先端の要部を破断した構成図

１ レーザヘッド
２ 集光手段
３ 金属粉末送給外筒
４、２０、３０ 金属粉末噴射ノズル
４ａ、２０ａ、３０ａ ジョイント部
４ｂ、２０ｂ、３０ｂ ガイド部
５ 被加工物
６ レーザ光
７ 金属粉末の流れ
８ 金属粉末供給装置
９ 金属粉末ホッパー
１０ キャリアガス配管
１１ シールド用不活性ガス配管
１２ 金属粉末供給管
１３ シールド用不活性ガス供給管
４０ 集光手段の移動手段
４１ ノズル金属粉末噴射ノズル
４２ 制御装置
５０ 距離検出手段
５１ 制御装置
６０ 外周ノズル

Claims (15)

1. ガスを用いて少なくとも２方向から交わるように金属粉末を溶接部位に供給する送給手段と、前記溶接部位に熱エネルギーを供給する熱源を備え、前記金属粉末の互いの送給角度を同期して可変する金属粉末噴射ノズルを前記送給手段に設け、前記金属粉末噴射ノズルとして、前記溶接部位に金属粉末を導くガイド部と、前記ガイド部に接続して前記ガイド部の角度を可変するジョイント部を設けた溶接装置。
2. 前記ジョイント部として、蛇腹状の管を用いた請求項１記載の溶接装置。
3. 前記金属粉末噴射ノズルは、複数の板からなるガイド部と各ガイド部間に設けた折りたたみ構造のジョイント部を同心状に対向配置した請求項１記載の溶接装置。
4. 前記熱源として、少なくともレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出るレーザ光を集光する集光手段を備え、前記集光手段の焦点調整に同期して前記金属粉末噴射ノズルで送給角度を可変する請求項１から３の何れかに記載の溶接装置。
5. 前記ガスとして、シールド用不活性ガスを用いる請求項１から４の何れかに記載の溶接装置。
6. 前記溶接部位と送給手段の距離を検出する距離検出手段と、前記距離検出手段からの信号に応じて前記金属粉末噴射ノズルを制御する制御手段を設けた請求項１から５の何れかに記載の溶接装置。
7. 前記制御手段が前記距離検出手段からの信号に応じて前記集光手段の焦点を調整する請求項６記載の溶接装置。
8. 前記金属粉末供給手段の外周にシールド用不活性ガスを供給する手段を設けた請求項１〜７の何れかに記載の溶接装置。
9. ガスを用いて少なくとも２方向から交わるように半田粉末を半田付け部位に供給する送給手段と、前記半田付け部位に熱エネルギーを供給する熱源を備え、前記半田粉末の互いの送給角度を同期して可変する金属粉末噴射ノズルを前記送給手段に設け、前記金属粉末噴射ノズルとして、前記溶接部位に金属粉末を導くガイド部と、前記ガイド部に接続して前記ガイド部の角度を可変するジョイント部を設けた半田付け装置。
10. 前記ジョイント部として、蛇腹状の管を用いた請求項９記載の半田付け装置。
11. 前記金属粉末噴射ノズルは、複数の板からなるガイド部と各ガイド部間に設けた折りたたみ構造のジョイント部を同心状に対向配置した請求項９記載の半田付け装置。
12. 前記熱源として、少なくともレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出るレーザ光を集光する集光手段を備え、前記集光手段の焦点調整に同期して前記金属粉末噴射ノズルで送給角度を可変する請求項９から１１の何れかに記載の半田付け装置。
13. 前記ガスとして、圧縮空気を用いる請求項９から１２の何れかに記載の半田付け装置。
14. 前記半田付け部位と前記送給手段の距離を検出する距離検出手段と、前記距離検出手段からの信号に応じて前記金属粉末噴射ノズルを制御する制御手段を設けた請求項９から１３の何れかに記載の半田付け装置。
15. 前記制御手段が前記距離検出手段からの信号に応じて前記集光光学手段の焦点を調整する請求項１４記載の半田付け装置。

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