JP2010207878A - Laser beam welding apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被溶接物上に供給した金属粉末をレーザ光により溶融して溶接を行うレーザ溶接装置に関する。 The present invention relates to a laser welding apparatus that performs welding by melting a metal powder supplied onto an object to be welded with laser light.
レーザ光で粉末状の材料を溶融させ被溶接物の溶接を行う装置としては、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、被溶接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る(たとえば特許文献1参照)。
しかし、上記従来の装置においては、被溶接物の溶接を行うためには、レーザヘッド自身を溶接部位に移動するか、被溶接物をレーザ照射位置に移動する必要がある。このため特に溶接部位が離れたものや溶接箇所が多数存在するような被溶接物においては、溶接部位に移動するための時間が必要であるため、その移動時間が溶接工程全体の生産性を低下させる原因となっていた。 However, in the conventional apparatus described above, in order to perform welding of the workpiece, it is necessary to move the laser head itself to the welding site or move the workpiece to the laser irradiation position. For this reason, especially in the case where the welded part is distant or there are many welded parts, it takes time to move to the welded part, so the moving time reduces the productivity of the entire welding process. It was a cause.
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、より高速なレーザ溶接を可能とするレーザ溶接装置を提供することを目的とする。 The present invention is intended to solve the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a laser welding apparatus capable of performing laser welding at a higher speed.
上記目的を達成するために本発明の溶接装置は、金属粉末を供給する複数の開口と前記開口毎の金属粉末の吐出を制御する吐出制御手段を有する送給手段と、被溶接物と送給手段を相対移動させる駆動手段と、吐出した金属粉末の位置にレーザ光を照射するレーザ光位置調整手段を設けたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a welding apparatus according to the present invention comprises: a plurality of openings for supplying metal powder; a supply means having discharge control means for controlling discharge of the metal powder for each opening; A driving means for relatively moving the means and a laser light position adjusting means for irradiating the position of the discharged metal powder with laser light are provided.
この構成によれば、金属粉末の供給は複数の開口毎の金属粉末の吐出を制御することにより行われるとともにレーザ光の移動には高速なレーザ光位置調整手段を用いることができるため、時間のかかるレーザヘッドや被溶接物の移動を無くすことができる。 According to this configuration, the supply of the metal powder is performed by controlling the discharge of the metal powder for each of the plurality of openings, and a high-speed laser beam position adjusting unit can be used for moving the laser beam. Such movement of the laser head and the workpiece can be eliminated.
したがって溶接工程にかかる時間を短縮することができ、溶接工程の生産性を向上することが可能である。 Therefore, the time required for the welding process can be shortened, and the productivity of the welding process can be improved.
以上のように本発明によると、金属粉末およびレーザ光を溶接部位に供給するための移動時間を大幅に短縮することが可能になり、レーザ溶接工程の生産性を向上させる効果を有する。 As described above, according to the present invention, it is possible to significantly shorten the movement time for supplying the metal powder and the laser beam to the welding site, and the effect of improving the productivity of the laser welding process.
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1について、図1を用いて説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter,
図1に示すレーザ溶接装置は、レーザ発振装置1、レーザ発振装置1から出力するレーザ光を位置決めするレーザ光位置調整手段としての光学スキャナ(Z軸用)2と光学スキャナ(XY軸用)3と光学スキャナ3に備えられた可動鏡4、金属粉末10を供給する複数の開口を備えた送給手段の金属粉末噴射ノズル5、シールドガス用ノズル6、金属粉末噴射ノズル5およびシールドガス用ノズル6をX軸およびZ軸方向に移動するための駆動機構7、被溶接物8、被溶接物8に形成される溶接ビード9、金属粉末噴射ノズル5より噴射された金属粉末10、開口となる金属粉末噴射ノズル5毎の金属粉末10の吐出を制御する送給手段の吐出制御手段としての金属粉末供給装置11、金属粉末ホッパー12、キャリアガス配管13、シールド用不活性ガス配管14、金属粉末噴射ノズル5の各開口に対してそれぞれ接続されている金属粉末供給管15、シールドガス用ノズル6に接続されているシールド用不活性ガス供給管16、レーザ発振装置1と光学スキャナ2と光学スキャナ3と駆動機構7および金属粉末供給装置11を制御し、吐出した金属粉末10の位置にレーザ光を照射するように吐出制御手段とレーザ光位置調整手段を制御する制御装置17を備えている。
A laser welding apparatus shown in FIG. 1 includes a
以上のように構成された溶接装置について説明する。 The welding apparatus configured as described above will be described.
レーザ発振装置1から照射されたレーザ光Lは、例えばコリメータなどのような光学素子を組み合わせた光学スキャナ(Z軸用)2によって焦点調整がなされ、Z軸方向の焦点位置が調整された後、複数の可動鏡4より構成される光学スキャナ(XY軸用)3によって被溶接物8上での照射位置にレーザ光を反射して位置あわせするように構成している。
The laser light L emitted from the
金属粉末噴射ノズル5は駆動機構7によりX軸およびZ軸方向に移動できるようになっており、開口数に相当する金属粉末供給管15によって金属粉末供給装置11に接続されている。金属粉末供給装置11は金属粉末ホッパー12から落下する金属粉末10をキャリアガス配管13から供給されるガス圧力により金属粉末供給管15から金属粉末噴射ノズル5へ供給するように構成されている。
The metal
金属粉末供給装置11は各金属粉末供給管15に対する金属粉末10の供給を制御することにより金属粉末噴射ノズル5の各開口部からそれぞれ独立して噴射される金属粉末10の制御を行う。これとともにシールド用不活性ガス配管14より送られるシールド用不活性ガスの制御をも行うことによりシールド用不活性ガス供給管16を介してシールドガス用ノズル6から被溶接物8上の溶接部位に供給されるシールド用不活性ガスの制御を行う。
The metal
これらの焦点調整や照射位置調整および金属粉末噴射位置調整は、制御装置17からの指令により制御され、溶接部位に対して金属粉末10の噴射およびレーザ光Lの照射が行われることにより、被溶接物8上に溶接ビード9が形成され、被溶接物8の溶接が行われる。
These focus adjustment, irradiation position adjustment, and metal powder injection position adjustment are controlled by a command from the
このように、金属粉末噴射ノズル5の開口をY軸方向に平行に複数備えることにより、金属粉末噴射ノズル5をY軸方向に移動する必要がなく、レーザ照射位置は光学スキャナ2,3により瞬時に溶接部位に調整できるため、溶接工程の生産性を向上させることができる。
Thus, by providing a plurality of openings of the metal
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2を図2、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。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, in this Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the location similar to
図2、図3に示す実施の形態2のレーザ溶接装置は、金属粉末噴射ノズル5より噴射された金属粉末10の被溶接物8上の配置を検出するための検出装置20、検出装置20の信号によりレーザ発振装置1と光学スキャナ2と光学スキャナ3と駆動機構7と金属粉末供給装置11を制御する制御装置21を備えている。
The laser welding apparatus of
以上のように構成された溶接装置について説明する。 The welding apparatus configured as described above will be described.
制御装置21の指令により制御された駆動機構7および金属粉末供給装置11は、金属粉末噴射ノズル5を介して溶接部位に金属粉末10を供給するように制御される。溶接部位に噴射された金属粉末10を検出装置20により検出後、制御装置21により検出した位置に対応して光学スキャナ2,3を制御することにより、レーザ光Lを溶接部位に照射し溶接が行われる。
The
実施の形態1で示したような構成の場合、図3に示すように被溶接物8に対して金属粉末噴射ノズル5の位置が実線で示す位置と破線で示す位置のように変化すると金属粉末供給管15の形状が変化するため、配管抵抗が変わり金属粉末噴射ノズル5から噴射される金属粉末噴射のタイミングに誤差が生じたり、駆動機構7や金属粉末供給装置等の装置の配置の違いにより金属粉末噴射のタイミングが異なる場合があり、溶接状態が不安定になる可能性がある。
In the case of the configuration shown in the first embodiment, when the position of the metal
本実施の形態においては、検出装置20による金属粉末検出確認後、レーザ光の照射を行うため、金属噴射に対するレーザ光照射を一定のタイミングで行うことができるため、均一な溶接状態を保つことができるとともに、金属粉末噴射位置の確認を行えるため溶接部位と金属粉末噴射位置に誤差が生じた場合でもその補正が可能である。
In the present embodiment, after the metal powder detection is confirmed by the
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3を図4、図5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。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, the same parts as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図4、図5に示す実施の形態3のレーザ溶接装置は、シールド用不活性ガス噴射口を備えた金属粉末噴射ノズル30、金属粉末噴射ノズル30に設けられた金属粉末噴射口31、金属粉末噴射ノズル30に設けられたシールド用不活性ガス噴射口32、金属粉末供給装置33、金属粉末噴射ノズル30の各シールド用不活性ガス噴射口32にそれぞれ接続されているシールド用不活性ガス供給管34、レーザ発振装置1と光学スキャナ2と光学スキャナ3と駆動機構7および金属粉末供給装置33を制御する制御装置35を備えている。
The laser welding apparatus of the third embodiment shown in FIGS. 4 and 5 includes a metal
実施の形態1〜2と異なるのは、シールドガス用ノズル6の代わりに金属粉末噴射ノズル30に各金属粉末噴射口31に対応してシールド用不活性ガス噴射口32を備えた点である。
The difference from the first and second embodiments is that the metal
以上のように構成された溶接装置について説明する。 The welding apparatus configured as described above will be described.
金属粉末供給装置33は各金属粉末供給管15に対する金属粉末10の供給を制御することにより金属粉末噴射ノズル30の各金属粉末噴射口31からそれぞれ独立して噴射される金属粉末10の制御を行うとともに各シールド用不活性ガス供給管34に対するシールド用不活性ガスの供給を制御することにより各金属粉末噴射口31に対応する各シールド用不活性ガス噴射口32からそれぞれ独立して噴射されるシールド用不活性ガスの制御を行う。
The metal
制御装置35の指令により制御されたレーザ発振装置1、光学スキャナ2,3、駆動機構7および金属粉末供給装置33により、溶接部位に対して金属粉末10が供給されるとともにレーザ光Lが照射されることにより、被溶接物8上に溶接ビード9が形成され被溶接物8の溶接が行われる。
The
本実施の形態においては、例えば図5で黒色円として示した金属粉末噴射口31から金属粉末10が噴射する場合、それに対応した斜線円として示したシールド用不活性ガス噴出口32のみからシールド用不活性ガスが噴射される。このように溶接に必要な部位のみにシールド用不活性ガスを噴射する構造にするとともに、各シールド用不活性ガス噴射口32から噴出するシールド用不活性ガス流量を一定に制御することにより、シールド用不活性ガス消費量を低減することが可能である。
In the present embodiment, for example, when the
(実施の形態4)
次に、本発明の実施の形態4について図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1〜3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。
(Embodiment 4)
Next,
図6に示す実施の形態4のレーザ溶接装置は、光学スキャナ(Y軸用)40、光学スキャナ40に備えられた可動鏡41、被溶接物8をX軸方向に移動するための駆動機構42、金属粉末噴射ノズル5およびシールドガス用ノズル6をZ軸方向に移動するための駆動機構43、レーザ発振装置1と光学スキャナ2と光学スキャナ40と駆動機構42と駆動機構43および金属粉末供給装置11を制御する制御装置44を備えている。
The laser welding apparatus of the fourth embodiment shown in FIG. 6 includes an optical scanner (for Y axis) 40, a movable mirror 41 provided in the
以上のように構成されたレーザ溶接装置について説明する。 The laser welding apparatus configured as described above will be described.
レーザ発振装置1から照射されたレーザ光Lは、例えばコリメータなどのような光学素子を組み合わせた光学スキャナ(Z軸用)2によって焦点調整がなされ、Z軸方向の焦点位置が調整され、可動鏡41より構成される光学スキャナ(Y軸用)40によって被溶接物8上での照射位置が調整される。
The laser light L emitted from the
溶接部位のX軸方向の位置調整は駆動機構42により被溶接物8を移動して調整し、Z軸方向の位置調整は駆動機構43により金属粉末噴射ノズル5を移動して調整を行う。
The position of the welded part in the X-axis direction is adjusted by moving the
制御装置44の指令により制御されたレーザ発振装置1、光学スキャナ2と光学スキャナ40と駆動機構42と駆動機構43および金属粉末供給装置11により、溶接部位に対して金属粉末10が供給されるとともにレーザ光Lが照射されることにより、被溶接物8上に溶接ビード9が形成され被溶接物8の溶接が行われる。
The
本実施の形態においては、被溶接物8をX軸方向に移動する駆動機構42を備えることにより、レーザ光LをX軸方向に移動させる必要がないため、X軸用の光学スキャナを省くことができ、光学系を簡素化できる。
In the present embodiment, by providing the
(実施の形態5)
次に、本発明の実施の形態5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1〜4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。
(Embodiment 5)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, in this Embodiment, about the location similar to Embodiment 1-4, the same code | symbol is attached | subjected and detailed description is abbreviate | omitted.
図7に示す実施の形態5のレーザ溶接装置は、ポリゴンミラーより構成されるポリゴンスキャナ(Y軸用)50、レーザ発振装置1と光学スキャナ2とポリゴンスキャナ50と駆動機構42と駆動機構43および金属粉末供給装置11を制御する制御装置51を備えている。
The laser welding apparatus of the fifth embodiment shown in FIG. 7 includes a polygon scanner (for Y axis) 50 constituted by a polygon mirror, a
以上のように構成されたレーザ溶接装置について説明する。 The laser welding apparatus configured as described above will be described.
レーザ発振装置1から照射されたレーザ光Lは、コリメータなどの光学素子を組み合わせた光学スキャナ(Z軸用)2によって焦点調整がなされ、Z軸方向の焦点位置が調整され、ポリゴンミラーより構成されるポリゴンスキャナ(Y軸用)50によって被溶接物8上での照射位置が調整される。
The laser beam L emitted from the
制御装置51の指令により制御されたレーザ発振装置1、光学スキャナ2,ポリゴンスキャナ50、駆動機構42と駆動機構43および金属粉末供給装置11により、溶接部位に対して金属粉末10が供給されるとともにレーザ光Lが照射されることにより、被溶接物8上に溶接ビード9が形成され被溶接物8の溶接が行われる。
The
本実施の形態においては、Y軸方向のレーザ光照射位置調整にポリゴンスキャナ50を用いている。光学スキャナとして一般に広く使用されているポリゴンスキャナ50を用いることで光学系の低コスト化が可能である。 In the present embodiment, the polygon scanner 50 is used for laser beam irradiation position adjustment in the Y-axis direction. By using a polygon scanner 50 that is generally widely used as an optical scanner, the cost of the optical system can be reduced.
(実施の形態6)
次に、本発明の実施の形態6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1〜5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。
(Embodiment 6)
Next,
図8に示す実施の形態6のレーザ溶接装置は、金属粉末噴射ノズル5、シールドガス用ノズル6、金属粉末供給装置11および金属粉末ホッパー12を備えた金属粉末噴射装置60、金属粉末噴射装置60をX軸およびZ軸方向に移動するための駆動機構61、レーザ発振装置1と光学スキャナ2と光学スキャナ3と駆動機構61および金属粉末噴射装置60を制御する制御装置62を備えている。
The laser welding apparatus of the sixth embodiment shown in FIG. 8 includes a metal
以上のように構成された溶接装置について説明する。 The welding apparatus configured as described above will be described.
制御装置62の指令により制御されたレーザ発振装置1と光学スキャナ2と光学スキャナ3と駆動機構61および金属粉末噴射装置60により、溶接部位に対して金属粉末10が供給されるとともにレーザ光Lが照射されることにより、被溶接物8上に溶接ビード9が形成され被溶接物8の溶接が行われる。
The
本実施の形態においては、金属粉末噴射ノズル5、シールドガス用ノズル6、金属粉末供給装置11および金属粉末ホッパー12を一体化し、金属粉末供給管15を無くすことで、図3に示すような金属粉末供給管15の形状変化に起因する溶接状態の不安定性を解消することができ、安定した溶接が可能となる。
In the present embodiment, the metal
(実施の形態7)
次に、本発明の実施の形態7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1〜6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。
(Embodiment 7)
Next,
図9に示す実施の形態7のレーザ溶接装置は、光学スキャナ(XY軸用)3と被溶接物8の間に設置されたfΘレンズ70、金属粉末噴射ノズル5およびシールドガス用ノズル6をX軸方向に移動するための駆動機構71、被溶接物8をZ軸方向に移動するための駆動機構72、レーザ発振装置1と光学スキャナ3と駆動機構71と駆動機構72および金属粉末噴射装置11を制御する制御装置73を備えている。
The laser welding apparatus of the seventh embodiment shown in FIG. 9 includes an
以上のように構成された溶接装置について説明する。 The welding apparatus configured as described above will be described.
レーザ発振装置1から照射されたレーザ光Lは、複数の可動鏡4より構成される光学スキャナ(XY軸用)3によって被溶接物8上での照射位置が調整され、fΘレンズ70により被溶接物8上に集光される。
The irradiation position of the laser beam L emitted from the
制御装置73の指令により制御されたレーザ発振装置1と光学スキャナ3と駆動機構71と駆動機構72および金属粉末噴射装置11により、溶接部位に対して金属粉末10が供給されるとともにレーザ光Lが照射されることにより、被溶接物8上に溶接ビード9が形成され被溶接物8の溶接が行われる。
By the
本実施の形態においては、レーザ光Lの集光手段にfΘレンズ70を用いることで被溶接物8上でのレーザ光照射位置に関わらずレーザ光Lの被溶接物8に対するレーザ照射角度Aを一定にできるため、より均一な溶接性能を得ることが可能となる。
In the present embodiment, the laser irradiation angle A of the laser beam L with respect to the
なお、実施の形態1〜7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。 In the first to seventh embodiments, if a shielding inert gas is used as a carrier gas for feeding metal powder, oxidation of the welded portion can be further prevented, and the welding quality is improved.
なお、実施の形態1〜7においては、レーザ光Lの焦点位置と溶接部位が一致しているが、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、溶接部位上で必ずしもレーザ光Lの焦点を結ぶ必要はない。 In the first to seventh embodiments, the focal position of the laser beam L coincides with the welding site. However, the energy density necessary for welding varies depending on the welding conditions, and therefore the laser beam L of the laser beam L is not necessarily on the welding site. There is no need to focus.
なお、実施の形態1〜7において、被溶接物8のY軸方向の長さが金属粉末噴射ノズルのY軸方向の長さより長い場合も、被溶接物8あるいは金属粉末噴射ノズルをY軸方向に移動できる駆動機構を設けることで溶接可能であり、その場合もY軸方向への移動は数回(被溶接物の長さ/金属粉末噴射ノズルの長さ)ですむため溶接工程の時間短縮は可能である。
In the first to seventh embodiments, even when the length of the
なお、実施の形態1,2,3,6において、金属粉末噴射ノズルをX軸およびZ軸方向に移動する駆動機構を示しているが、金属粉末噴射ノズルと被溶接物8は相対移動すればよく、金属粉末噴射ノズルの代わりに被溶接物8をX軸およびZ軸方向に移動する駆動機構を備える構成であってもかまわない。
In the first, second, third, and sixth embodiments, the drive mechanism for moving the metal powder injection nozzle in the X-axis and Z-axis directions is shown. However, if the metal powder injection nozzle and the
なお、実施の形態4,5において、金属粉末噴射ノズルをZ軸方向に移動する駆動機構を示しているが、金属粉末噴射ノズルと被溶接物8は相対移動すればよく、金属粉末噴射ノズルの代わりに被溶接物8をZ軸方向に移動する駆動機構を備える構成であってもかまわない。
In the fourth and fifth embodiments, the drive mechanism for moving the metal powder injection nozzle in the Z-axis direction is shown. However, the metal powder injection nozzle and the
なお、実施の形態7において、金属粉末噴射ノズルをX軸方向に移動する駆動機構を示しているが、金属粉末噴射ノズルと被溶接物8は相対移動すればよく、金属粉末噴射ノズルの代わりに被溶接物8をX軸方向に移動する駆動機構を備える構成であってもかまわない。
In the seventh embodiment, the drive mechanism for moving the metal powder injection nozzle in the X-axis direction is shown. However, the metal powder injection nozzle and the
なお、実施の形態1〜7において、被溶接物8が平面状の場合は、金属粉末噴射ノズルおよび被溶接物8のZ軸方向の移動機構は不要である。
In the first to seventh embodiments, when the
本発明のレーザ加工装置によれば、溶接工程にかかる時間を短縮することができ、溶接工程の生産性を向上することが可能なレーザ溶接装置として有用である。 The laser processing apparatus of the present invention is useful as a laser welding apparatus that can shorten the time required for the welding process and can improve the productivity of the welding process.
1 レーザ発振装置
2 光学スキャナ(Z軸用)
3 光学スキャナ(XY軸用)
4 可動鏡
5 金属粉末噴射ノズル
6 シールドガス用ノズル
7 駆動機構
8 被溶接物
9 溶接ビード
10 金属粉末
11 金属粉末供給装置
12 金属粉末ホッパー
13 キャリアガス配管
14 シールド用不活性ガス配管
15 金属粉末供給管
16 シールド用不活性ガス供給管
17 制御装置
20 検出装置
21 制御装置
30 金属粉末噴射ノズル
31 金属粉末噴射口
32 シールド用不活性ガス噴射口
33 金属粉末供給装置
34 シールド用不活性ガス供給管
35 制御装置
40 光学スキャナ(Y軸用)
41 可動鏡
42 駆動機構
43 駆動機構
44 制御装置
50 ポリゴンスキャナ
51 制御装置
60 金属粉末噴射装置
61 駆動機構
62 制御装置
70 fΘレンズ
71 駆動機構
72 駆動機構
73 制御装置
1
3 Optical scanner (for XY axes)
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