JP2010284696A - レーザ・アーク複合溶接ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】溶接方向に対して溶接母材の変形や歪み、傾き、板厚の変化が生じた場合でも、レーザ集光ヘッドとアークトーチとの距離、レーザ集光ヘッド及びアークトーチと溶接母材との距離を常に一定に保つことにより、安定したレーザ・アーク複合溶接を行うことができるレーザ・アーク複合溶接ヘッドを提供する。
【解決手段】溶接線方向に略平行に配置され、溶接母材Ｗの板面上で溶接線方向に沿うように転動する少なくとも２つ以上の倣いローラ４を回動自在に支持するローラ支持フレーム５と、ローラ支持フレーム５を溶接線方向に沿って揺動可能に支持する可動フレーム７と、可動フレーム７を鉛直方向に案内支持する精密直線ガイド９と、ローラ支持フレーム５を溶接母材Ｗの板面方向に所定の荷重で付勢するスプリング８とを含んでいる。レーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２は、溶接線上に配置されるようローラ支持フレーム５に取付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接を行なうレーザ・アーク複合溶接ヘッドに関し、特に、溶接線方向に対して溶接母材の変形や歪み、傾き、板厚の変化が生じても、レーザ集光ヘッドとアーク溶接トーチとの距離、レーザ集光ヘッド及びアーク溶接トーチと溶接母材との距離を常に一定に保つことができるレーザ・アーク複合溶接ヘッドに関するものである。

ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザ及びディスクレーザ等を利用したレーザ溶接は、高エネルギー密度の熱源であるため、例えば、２ｍ／分を超える高速溶接が可能である。その反面、レーザ照射部のビームスポットが小さいため、溶融金属量が少なく、ギャップを埋めながら溶接することが困難である。したがって、レーザ溶接においては、溶接母材の継手部分のギャップ管理が必要であった。

アーク溶接は、溶接母材と電極との間、あるいは、溶接母材と溶接ワイヤとの間でアークを発生させ、その熱によって溶接母材を溶融し、溶接箇所の周囲を例えば、ＡｒガスやＨｅガス等のシールドガスで保護して溶接する。

アーク溶接の一つであるＴＩＧ溶接は、例えば、厚さ３ｍｍ以上の中厚板の溶接を行う場合、溶接開先を形成し、溶融部にフィラワイヤ（溶加材）を送給し、多数パスの積層を行い、溶接開先を埋めることにより溶接を行う。このため、溶接母材の板厚が厚い場合には、非常に多くの溶接時間を要する。

そこで、近年、中厚板の高能率溶接法として、レーザ照射とアーク溶接とを併用するレーザ・アーク複合溶接が提案されている。レーザ・アーク複合溶接は、レーザ照射による深い溶込みで、アークの広がりのある熱源によって継手部分を幅広く溶融し、両熱源の複合効果等を利用するため、厚板の溶接及び高速溶接に有効である（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−２２４８３６号公報

図６及び図７は、従来のレーザ・アーク複合溶接ヘッドによる溶接母材を溶接している状態を示す側面図である。

図６（ａ）に示すように、レーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２は、中心軸を傾斜させて溶接母材Ｗ上に配設されている。また、溶接母材Ｗの板面上で溶接方向（矢印方向）に沿うように回動する１個の倣いローラ４がローラ支持フレーム５により回動自在に支持されている。そして、レーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２が本体フレーム（図示せず）を介してローラ支持フレーム５に取付けられている。

レーザ集光ヘッド１は、レーザ集光ヘッド１の先端と、レーザ集光ヘッド１の中心軸と溶接母材Ｗとの交点間距離Ｄ_Ｌ（以下、「距離Ｄ_Ｌ」と記す。）が確保されて配置されている。また、アーク溶接トーチ２は、シールドガスノズル２の先端のコンタクトチップ３０と、アーク溶接トーチの中心軸と溶接母材Ｗとの交点間距離Ｄ_Ａ（以下、距離「Ｄ_Ａ」と記す。）が確保されて配置されている。

さらに、レーザ集光ヘッド１とアーク溶接トーチ２とは、レーザ集光ヘッド１の中心軸と溶接母材Ｗとの交点と、アーク溶接トーチ２の中心軸と溶接母材Ｗとの交点との距離Ｄ_ＬＡ（以下、「距離Ｄ_ＬＡ」と記す。）が確保されて配置されている。このように、従来のレーザ・アーク複合溶接ヘッドは、１個の倣いローラ４とレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２との位置関係が固定されたものである。

レーザ・アーク複合溶接において、上記距離Ｄ_Ｌ、距離Ｄ_Ａ及び距離Ｄ_ＬＡは、溶接性に影響する極めて重要なパラメータである。この３つのパラメータのうち、距離Ｄ_ＬＡは、この距離Ｄ_ＬＡが短い場合はレーザ光とアークの干渉のため、スパッタの増加等の溶接不安定性が増す一方、距離Ｄ_ＬＡが長い場合はレーザ光とアークが分離し、複合溶接としてのメリットが得られないという理由から適切な距離が確保されている。

しかしながら、１個の倣いローラ４とレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２との位置関係が固定されていると、溶接方向に対して溶接母材Ｗの変形や歪み、傾き、板厚の変化が生じると、上記３つのパラメータにずれが生じる。

その具体例について、図６（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図６（ａ）において、溶接母材Ｗを平坦な状態で突合せ溶接する場合は、上記３つのパラメータである、距離Ｄ_Ｌ、距離Ｄ_Ａ及び距離Ｄ_ＬＡは変化しない。しかし、図６（ｂ）において、溶接母材Ｗが例えば、１５度傾斜した状態で突合せ溶接する場合、平坦な状態で突合せ溶接する場合の距離Ｄ_Ｌ、距離Ｄ_Ａ及び距離Ｄ_ＬＡがΔＤ_Ｌ、ΔＤ_Ａ及びΔＤ_ＬＡだけ変化する。

すなわち、溶接時に、溶接方向に対して溶接母材Ｗの変形や歪み、傾き、板厚の変化が生じると、溶接性に影響する上記３つのパラメータを一定に保つことができなくなり、レーザ・アーク複合溶接を安定して行うことができないという問題があった。

上記距離Ｄ_Ｌ、距離Ｄ_Ａ及び距離Ｄ_ＬＡが変化すると新たな問題が生じる。その具体例について図６を参照して説明する。距離Ｄ_Ｌが変化すると、レーザ光１０が溶接母材Ｗの表面で反射することがあり、その反射光がアーク溶接トーチ２のシールドガスノズル３に照射され、シールドガスノズル３が早期に焼損する恐れがある。

また、図７において、レーザ集光ヘッド１には、通常、スパッタ等から集光レンズ光学系を保護するため、レーザ集光ヘッド１の先端部の一方向からレーザ光１０の光軸に対して略直角方向へ噴出するクロスジェット用の空気３００が噴出されている。

距離Ｄ_ＬＡ及びレーザ集光ヘッド１の角度が変化すると、クロスジェット用の空気３００の噴出流によってレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の先端部近傍領域に負圧部が生じ、この負圧部にシールドガスノズル３から流出するシールドガス２０が誘引され、シールドガス２０に空気が混入してしまい、アーク溶接の溶接欠陥が発生する恐れがある。

このように、従来のレーザ・アーク複合溶接ヘッドにおいては、溶接方向に対して溶接母材Ｗの変形や歪み、傾き、板厚の変化が生じた場合、距離Ｄ_Ｌ、距離Ｄ_Ａ及び距離Ｄ_ＬＡを一定に保つことができなくなるので、レーザ・アーク複合溶接の溶接性の悪化のみならず、アーク溶接トーチ２のシールドガスノズル３が早期に損傷する恐れや、アーク溶接の溶接欠陥の恐れがあるという問題があった。

したがって、本発明は、上記問題点を解決することを課題としてなされたものであり、その目的とするところは、溶接方向に対して溶接母材の変形や歪み、傾き、板厚の変化が生じた場合でも、レーザ集光ヘッドとアーク溶接トーチとの距離、レーザ集光ヘッド及びアーク溶接トーチと溶接母材との距離を常に一定に保つことにより、安定したレーザ・アーク複合溶接を行うことができるとともに、アーク溶接トーチの損傷やアーク溶接の溶接欠陥を防止することができるレーザ・アーク複合溶接ヘッドを提供することにある。

本発明のレーザ・アーク複合溶接ヘッドは、レーザ光を集光して溶接母材に照射する集光レンズ光学系を有するレーザ集光ヘッドと、アーク溶接トーチとを並設し、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接するレーザ・アーク複合溶接ヘッドである。溶接線と所定の間隔をもって配置され、前記溶接母材の板面上で溶接線方向に沿うように転動する少なくとも２つの倣い手段と、倣い手段を回動自在に支持する倣い支持手段と、倣い支持手段を溶接線方向に沿って揺動可能に支持する支持手段と、倣い支持手段を溶接母材の板面方向に所定の荷重で付勢する付勢手段とを含んでいる。レーザ集光ヘッド及びアーク溶接トーチは、溶接線上に配置されるよう倣い支持手段にそれぞれ取付けられている。

支持手段を鉛直方向に案内支持する直動手段をさらに備えてもよい。

溶接線を挟んで倣い手段と対向に配置された第２の倣い手段及び該第２の倣い手段を回動自在に支持する第２の倣い支持手段をさらに備え、第２の倣い支持手段を溶接線方向に沿って揺動可能に支持する第２の支持手段と、第２の支持手段を鉛直方向に案内支持する第２の直動手段と、第２の倣い支持手段を溶接母材の板面方向に所定の荷重で付勢する第２の付勢手段とを含み、倣い支持手段と第２の支持手段を連結部材により連結することが好ましい。

また、本発明のレーザ・アーク複合溶接ヘッドは、レーザ光を集光して溶接母材に照射する集光レンズ光学系を有するレーザ集光ヘッドと、アーク溶接トーチとを並設し、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接するレーザ・アーク複合溶接ヘッドである。溶接線と所定の間隔をもって配置され、溶接母材の板面上で溶接線方向に沿うように転動する少なくとも２つの倣い手段と、倣い手段を回動自在に支持する第１の倣い支持手段と、溶接線を挟んで倣い手段と対向に配置された第２の倣い手段及び該第２の倣い手段を回動自在に支持する第２の倣い支持手段をさらに備え、第１の倣い支持手段と第２の倣い支持手段は、その上端部を連結部材により連結されており、第１の倣い支持手段及び第２の倣い支持手段を溶接母材の板面方向に所定の荷重で付勢する付勢手段と、該第１の倣い支持手段及び第２の倣い支持手段の上端面と、付勢手段を介して配置された天板と、さらに、第１の倣い支持手段と第２の倣い支持手段における、溶接線方向に対する前後左右の傾動を許容する可動部材を前記連結部材と天板の間に配置し、レーザ集光ヘッド及びアーク溶接トーチは、溶接線上に配置されるよう前記第１の倣い支持手段又は第２の倣い支持手段のいずれか一方にそれぞれ取付けられている。

レーザ集光ヘッド及びアーク溶接トーチは、溶接線方向に対する水平位置、溶接母材の板面に対する高さ及び溶接母材の板面に対する角度を調整する位置調整機構が具備されていることが好ましい。

アーク溶接トーチのシールドガスノズルのハウジングは、電極を中心に回転可能に支持されているとともに、該シールドガスノズルのハウジングを回転させる回転機構を具備してもよい。

レーザ集光ヘッドの先端部には、該レーザ集光ヘッドの先端部の一方向からレーザ光の光軸に対して略直角方向に噴出するクロスジェット用の空気を、アーク溶接トーチのシールドガスノズルから流出するシールドガスと干渉しないように案内する案内手段が設けられていることが好ましい。

本発明によれば、溶接方向に対して溶接母材の変形や歪み、傾き、板厚の変化が生じても、倣いローラを板面の変化に倣わせながら追従させることができるので、レーザ集光ヘッドとアーク溶接トーチとの距離、レーザ集光ヘッド及びアーク溶接トーチと溶接母材との距離を常に一定に保つことができる。その結果、安定したレーザ・アーク複合溶接を行うことができる。さらに、アーク溶接トーチのシールドガスノズルのハウジングが電極を中心に回転する構成、及び、クロスジェット用の空気の噴流をシールドガスノズルから流出するシールドガスと干渉しないように案内する案内手段をレーザ集光ヘッドの先端部に設けた構成を具備しているので、アーク溶接トーチの早期の損傷やアーク溶接の溶接欠陥をも防止することができるという効果を奏する。

本発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドの第１実施形態を示した斜視図及び側面図である。 本発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドの第２実施形態を示した斜視図及び側面図である。 本発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドの第３実施形態を示した側面図である。 アーク溶接トーチのシールドガスノズルを回転させる回転機構を設け、レーザ集光ヘッドの先端部にクロスジェット用空気の案内板を設けた側面図である。 第２実施形態のレーザ・アーク複合溶接ヘッドの変形例を示した側面図である。 従来のレーザ・アーク複合溶接ヘッドによる溶接母材を溶接している状態を示す側面図である。 シールドガスノズルの損傷及びクロスジェット用の空気によるシールドガスの干渉を説明する側面図である。

以下、本発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドの実施の形態について、添付図面に従って説明する。

実施の形態１
１．レーザ・アーク複合溶接ヘッドの構成
図１は、本発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドの第１実施形態を示した構成図である。図１に示すように、本実施の形態のレーザ・アーク複合溶接ヘッドＴ（以下、「複合溶接ヘッドＴ」と記す。）は、多関節ロボットによって溶接を行う場合に、多関節ロボットのロボットアーム２００の先端に装着されて溶接を行うものである。

複合溶接ヘッドＴは、レーザ集光ヘッド１と、アーク溶接トーチ２と、倣いローラ４及びローラ支持フレーム５と、回転軸６と、可動フレーム７と、スプリング８と、精密直線ガイド９と、本体フレーム１００とを含む。

レーザ集光ヘッド１から照射されるレーザとしては、例えば、ＹＡＧレーザが選択される。ＹＡＧレーザは、ビームスポット径を小さくすることが可能であるため、より精密な溶接を行うことができるので好ましい。そして、レーザ発振器（図示せず）から発生したレーザ光を光ファイバによって伝送し、複数枚の集光レンズ及び保護ガラスからなる集光レンズ光学系により、レーザ光１０を溶接母材Ｗ１、Ｗ２の表面部分に集光させる。

なお、本実施の形態では、レーザ集光ヘッド１から照射されるレーザとしてＹＡＧレーザで構成しているが、これに限らず、炭酸ガスレーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザ及びディスクレーザを用いることも可能である。

レーザ集光ヘッド１は、レーザ光１０を集光して溶接母材Ｗ１、Ｗ２に照射する集光レンズ光学系を有しており、溶接線上に配置される。レーザ集光ヘッド１は、位置調整ネジ８０ａ及び摺動ブロック８０ｂからなる水平位置調整機構８０に固着されており、位置調整ネジ８０ａを時計回り方向又は反時計回り方向に回すことにより、摺動ブロック８０ｂが右方向又は左方向に移動するのに伴い、レーザ集光ヘッド１が水平方向に移動する。

また、レーザ集光ヘッド１は、ベースブロック８１ａ、摺動ラック部材８１ｂ及び高さ調整ネジ８１ｃからなる高さ調整機構８１に取付けられている。高さ調整ネジ８１ｃを時計回り方向又は反時計回り方向に回すことにより、摺動ラック部材８１ｂが上下方向に移動するのに伴い、レーザ集光ヘッド１が上下方向に移動する。

さらに、レーザ集光ヘッド１は、円盤状のベース板８２に取付けられているとともに、該ベース板８２は回転軸（図示せず）を介してローラ支持フレーム５に回動可能に支持されている。また、ベース板８２の上部側面には、角度調整機構９０が設けられており、角度調整機構９０のつまみを時計回り方向に回すことにより、ベース板８０が所望の角度で固定される。その結果、レーザ集光ヘッド１を所望の角度にセットできる（なお、図１（ｂ）は、角度調整機構９０を省略している。）。

アーク溶接トーチ２としては、例えば、溶接ワイヤＷＲと溶接母材Ｗ１、Ｗ２間にアークを発生させて溶接する消耗電極を使用するＭＩＧ溶接トーチやＭＡＧ溶接トーチが用いられる。そして、アーク溶接トーチ２から発生するアーク放電３５をレーザ光１０の集光部に合わせる。（なお、図において、ワイヤ供給機構等の機器を省略している。）

アーク溶接トーチ２は、溶接線上にレーザ集光ヘッド１とほぼ直列となるように配置される。アーク溶接トーチ２側にもレーザ集光ヘッド１側と同様の上記調整機構を具備しており、アーク溶接トーチ２を所望の位置及び角度に調整することができる。

上記構成により、水平位置調整機構８０、高さ調整機構８１及び角度調整機構９０を適宜調整することで、レーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２における３つのパラメータ、距離Ｄ_Ｌ、距離Ｄ_Ａ及び距離Ｄ_ＬＡが所望の値に調整することができる。また、高さ調整機構８１を具備することにより、溶接母材Ｗに対するレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の高さを可変することができ、例えば、溶接ビードを２層以上重ねる「多パス溶接」にも適用することができる。

倣いローラ４は、溶接線方向に略平行となるよう直列に２個配置され、溶接母材Ｗ１の板面上で溶接線方向に沿うように転動するよう、下向きコの字型のローラ支持フレーム５に回転軸４０を介して回動自在に取付けられている。

ローラ支持フレーム５の横梁部分には、回転軸６が水平方向に貫通して取付けられている。一方、断面Ｔ字状の可動フレーム７の側面には、ベアリング（図示せず）が圧入嵌合されており、ローラ支持フレーム５の回転軸６を軸支している。これにより、可動フレーム７は、ローラ支持フレーム５を溶接線方向に沿って揺動可能に支持される。

スプリング８は、可動フレーム７の上端部と本体フレーム１００の上端部裏面側との間に固着され、ローラ支持フレーム５をスプリング８の反発力で下方に付勢している。すなわち、倣いローラ４を溶接母材Ｗ１の板面に向けて所定の荷重で付勢している。倣いローラ４に対する付勢力は、スプリング８を変更することで適宜の付勢力を得ることができるが、本実施の形態の複合溶接ヘッドＴにおける倣いローラ４に対する付勢力は、倣いローラ４が溶接母材Ｗ上から離反しない程度の付勢力でよい。

可動フレーム７と本体フレーム１００との間には、レーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２、ローラ支持フレーム５からなるユニットを鉛直方向（矢印方向）へ移動可能に案内支持する一対のリニアレール９ａと、これらのリニアレール９ａ上を走行するリニアガイド９ｂからなる精密直線ガイド９が設けられている。

図１（ａ）に示すように、一対のリニアレール９ａは、本体フレーム１００の一の側面に所定の間隔をもって、鉛直方向（矢印方向）に延びて平行に配置されている。一方、図１（ｂ）に示すように、リニアガイド９ｂは、固定フレーム１００の一の側面と対向する可動フレーム７の側面にそれぞれ取り付け固定され、各リニアガイド９ｂがリニアレール９ａ上に移動可能に支持されている。

これにより、可動フレーム７に支持されているレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２、ローラ支持フレーム５からなるユニットは、鉛直方向（矢印方向）への移動が可能となる。

このように、本実施の形態の複合溶接ヘッドＴは、ローラ支持フレーム５が溶接線方向に沿って揺動可能に支持されている構成、倣いローラ４を溶接母材Ｗの板面に向けて所定の荷重で付勢する構成、並びに、ローラ支持フレーム５が鉛直方向へ移動可能な構成を具備することにより、溶接線方向に対して溶接母材Ｗの変形や歪み、傾き、板厚の変化が生じても、倣いローラ４を板面の変化に倣わせながら追従させることができる。その結果、［発明が解決しようとする課題］で説明した３つのパラメータである、距離Ｄ_Ｌ、距離Ｄ_Ａ及び距離Ｄ_ＬＡを一定に保つことができる。

２．レーザ・アーク複合溶接ヘッドの動作
次に、本実施の形態の複合溶接ヘッドＴによる溶接について図１を参照して説明する。本動作例では、溶接線方向の前方にレーザ集光ヘッド１を配置し、後方にアーク溶接トーチ２を配置したレーザ先行型の溶接法で説明する。

先ず、多関節ロボットを作動させて複合溶接ヘッドＴを溶接開始位置に戴置する。この時、２個の倣いローラ４は、溶接線の近傍に略平行となるよう溶接母材Ｗ１上に戴置される。そして、該倣いローラ４は、スプリング８の反発力で溶接母材Ｗ１の板面方向に所定の荷重で付勢した状態で溶接母材Ｗ１上に当接する。

そして、水平位置調整機構８０、高さ調整機構８１及び角度調整機構９０を適宜調整し、上記３つのパラメータ、距離Ｄ_Ｌ、距離Ｄ_Ａ及び距離Ｄ_ＬＡが所望の値となるようレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２をセットする。

次に、多関節ロボットの制御装置（図示せず）に溶接開始信号が入力すると、レーザ・アーク複合溶接が開始され、溶接母材Ｗ１、Ｗ２との突合せ部分に溶接ビードＢｗが形成される。

ロボットアーム２００の先端に接続された複合溶接ヘッドＴは、ロボット本体内のティーチング装置に予めティーチングされた溶接経路に従ってＸ軸方向（溶接線方向）に移動する。この時、複合溶接ヘッドＴの倣いローラ４は、スプリング８の反発力により溶接母材Ｗ１の板面上を付勢し、溶接線方向を沿うように十分に倣った状態で転動する。

一方、複合溶接ヘッドＴの溶接進行方向に対して、例えば、溶接母材Ｗ１、Ｗ２の板面が溶接進行方向に向かって漸次傾きが増大するときは、ローラ支持フレーム５が回転軸６の仮想中心点を軸にして時計回り方向に傾き、溶接母材Ｗに対するレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の傾きを補正する。

さらに、ローラ支持フレーム５が精密直線ガイド９を介して鉛直方向に押し上がることによりスプリング８が縮む。そして、溶接母材Ｗ１の板面上を転動する倣いローラ４は、スプリング８の付勢力に抗して溶接母材Ｗ１の傾きの変化に倣いつつ溶接母材Ｗ１上を転動するので、溶接母材Ｗに対するレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の高さを補正することができる。

同様に、複合溶接ヘッドＴの溶接進行方向に対して、例えば、溶接母材Ｗ１、Ｗ２の板面が溶接進行方向に向かって漸次傾きが減少するときは、ローラ支持フレーム５が回転軸６の仮想中心点を軸にして反時計回り方向に傾き、溶接母材Ｗに対するレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の傾きを補正する。

さらに、ローラ支持フレーム５が精密直線ガイド９を介して鉛直方向に下降することによりスプリング８が伸び、該スプリング８の反発力により溶接母材Ｗ１の板面上を転動する倣いローラ４を付勢する。これにより、溶接母材Ｗに対するレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の高さを補正することができる。

その後、複合溶接ヘッドＴが溶接終了位置に到達すると、レーザ・アーク複合溶接が終了する。

なお、本実施の形態の複合溶接ヘッドＴでは、精密直線ガイド９を設けて、複合溶接ヘッドＴの鉛直方向の動きを許容する構成を説明したが、これに限らず、スプリング８のみでローラ支持フレーム５を付勢する機構と複合溶接ヘッドＴの鉛直方向の動きを許容する機構とを兼用してもよい。

実施の形態２
図２は、本発明に係る複合溶接ヘッドの第２実施形態を示した構成図である。図２に示すように、本実施の形態の複合溶接ヘッドＴは、倣いローラの数及び倣いローラを支持するローラ支持フレームの構成等が異なっている。なお、図２において、第１実施形態と同一の要素には、上記第１実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

複合溶接ヘッドＴは、４個の倣いローラ４を有している。一方の倣いローラ４は、溶接母材Ｗ１の板面上で溶接線方向に沿うように転動するよう、第１のローラ支持フレーム５ａに回転軸４０を介して回動自在に取付けられている。また、他方の倣いローラ４は、上記一方の倣いローラ４と対向する位置に配置され、溶接母材Ｗ２の板面上で溶接線方向に沿うように転動するよう、第２のローラ支持フレーム５ｂに回転軸４０を介して回動自在に取付けられている。

図２（ａ）に示すように、第１のローラ支持フレーム５ａの内側側面と第２のローラ支持フレーム５ｂの内側側面との間には、ステー７５が固着されており、第１のローラ支持フレーム５ａと第２のローラ支持フレーム５ｂとが一体的に形成されている。図２（ｂ）に示すように、第１のローラ支持フレーム５ａ及び第２のローラ支持フレーム５ｂの上端面には、断面形状が下向きコの字型の天井プレート１０１が覆設されている。

また、ステー７５の上端面と天井プレート１０１の裏面との間には、ボールジョイント８５が取付けられており、第１のローラ支持フレーム５ａ及び第２のローラ支持フレーム５ｂからなるユニットが、Ｘ軸方向に対しても、Ｙ軸方向に対しても左右に傾動可能となるよう構成されている。つまり、ボールジョイント８５により、第１のローラ支持フレーム５ａ及び第２のローラ支持フレーム５ｂからなるユニットの、溶接線方向に対する前後左右の傾動が許容される。

さらに、第１のローラ支持フレーム５ａ及び第２のローラ支持フレーム５ｂの上端面と、天井プレート１０１の裏面との間隙には、側面形状が略山型状の板バネ５１がそれぞれ固着されている。これにより、各板バネ５１には予め荷重がかけられた状態となっている。

その結果、板バネ５１の反発力によって該板バネ５１の弓状部分が、第１のローラ支持フレーム５ａ及び第２のローラ支持フレーム５ｂの上端面を下方に付勢する。すなわち、一方の倣いローラ４及び他方の倣いローラ４を溶接母材Ｗ１、Ｗ２の板面に向けて所定の荷重で付勢するよう構成されている。

さらに、天井プレート１０１における垂直に折り曲げられた部分の裏面と、第１のローラ支持フレーム５ａ及び第２のローラ支持フレーム５ｂの上部外側側面との間隙には、ガイドブッシュ５２がそれぞれ取付けられている。各ガイドブッシュ５２は、第１のローラ支持フレーム５ａ及び第２のローラ支持フレーム５ｂからなるユニットのＺ軸周りの動きを規制するよう作用する。また、Ｘ軸周りの回転に対し、該ユニットが初期位置に戻ろうとする反力として作用する。

第１のローラ支持フレーム５ａにおける内側側面のステー７５と干渉しない部位には、レーザ集光ヘッド１、水平位置調整機構８０及び高さ調整機構８１からなるユニットが、角度調整機構９０が設けられたベース板８２を介して回動可能に支持されている。アーク溶接トーチ２もレーザ集光ヘッド１と同様に、角度調整機構９０が設けられたベース板８２を介して回動可能に支持されている。（なお、図２（ｂ）は、角度調整機構９０を省略している。）。

本実施の形態の複合溶接ヘッドＴは、上述のように構成されているので、例えば、複合溶接ヘッドＴの溶接進行方向に対して、溶接母材Ｗ１、Ｗ２の板面が溶接進行方向に向かって漸次傾きが増大する場合、第１のローラ支持フレーム５ａ及び第２のローラ支持フレーム５ｂからなるユニットは、ボールジョイント８５の作用により、Ｙ軸方向に対して右方向に傾き、溶接母材Ｗに対するレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の傾きを補正する。

さらに、第１のローラ支持フレーム５ａ及び第２のローラ支持フレーム５ｂからなるユニットがＹ軸方向に対して右方向に傾くことにより、第１のローラ支持フレーム５ａ及び第２のローラ支持フレーム５ｂの溶接進行方向側の上端部と、天井プレート１０１の裏面との間隙が小さくなり、板バネ５１の対応する弓状部分が弾性変形する。

該板バネ５１が弾性変形することで、溶接進行方向に対する溶接母材Ｗの傾きの変化に倣いつつ４個の倣いローラ４が溶接母材Ｗ１、Ｗ２上を転動するので、溶接母材Ｗに対するレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の高さも補正することができる。

また、図２（ｂ）において、例えば、溶接母材Ｗ１よりも溶接母材Ｗ２の板厚が厚く、これらを溶接すると仮定した場合、第１のローラ支持フレーム５ａ及び第２のローラ支持フレーム５ｂからなるユニットは、Ｘ軸方向に対して左方向に傾き、溶接母材Ｗに対するレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の傾きを補正する。

さらに、第１のローラ支持フレーム５ａ及び第２のローラ支持フレーム５ｂからなるユニットがＸ軸方向に対して左方向に傾くことにより、第２のローラ支持フレーム５ｂの上端面と、天井プレート１０１の裏面との間隙が小さくなり、対応する板バネ５１全体が弾性変形する。一方、第１のローラ支持フレーム５ａの上端面と天井プレート１０１の裏面との間隙が大きくなり、対応する板バネ５１の反発力で溶接母材Ｗ１の板面上を転動する倣いローラ４を付勢する。

これにより、板厚の異なる溶接母材同士の溶接であっても、溶接母材Ｗ１上を倣う倣いローラ４と、溶接母材Ｗ２上を倣う倣いローラ４とがそれぞれの溶接母材Ｗ１、Ｗ２の板面に対して付勢しながら十分に倣った状態で転動する。その結果、溶接母材Ｗに対するレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の高さを補正することができる。

このように、本実施の形態の複合溶接ヘッドＴは、第１実施形態の複合溶接ヘッドＴと同様に、３つのパラメータである、距離Ｄ_Ｌ、距離Ｄ_Ａ及び距離Ｄ_ＬＡを一定に保つことができる。

また、溶接母材Ｗ１上を倣う一方の倣いローラ４と、溶接母材Ｗ２上を倣う他方の倣いローラ４が独立して溶接母材Ｗ１、Ｗ２に対して付勢しながら十分に倣った状態で転動するので、板厚の異なる溶接母材同士の溶接であっても、常にレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の狙い位置を溶接線に一致させることができる。

さらに、板バネ５１で、倣いローラ４の溶接母材Ｗへの付勢と、溶接母材Ｗに対するレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の高さの補正を兼用しているので、第１実施形態の複合溶接ヘッドＴに比べて構造を簡単にすることができる。

なお、本実施の形態の複合溶接ヘッドＴにおいて、図５に示すように、天井プレート１０１の上面に複合溶接ヘッドＴの鉛直方向（矢印方向）の動きを許容する機構を設けてもよい。

図５において、天井プレート１０１の上面に固着されたＬ字状の支持部材１０４と、ロボットアーム２００の先端部に接続される逆Ｌ字状の可動支持部材１０５との間には、複合溶接ヘッドＴの鉛直方向（矢印方向）の動きを許容する一対のリニアレール９０１ａ、並びに、リニアレール９０１ａ上を走行するリニアガイド９０１ｂからなる精密直線ガイド９０１が設けられている。さらに、支持部材１０４と可動支持部材１０５との各水平部材間には、スプリング８０１が固着されている。

一対のリニアレール９０１ａは、可動支持部材１０５の一の側面に所定の間隔をもって、鉛直方向（矢印方向）に延びて平行に配置されている。一方、リニアガイド９０１ｂは、可動支持部材１０５の一の側面と対向する支持部材１０４の一の側面にそれぞれ取り付け固定され、各リニアガイド９０１ｂがリニアレール９０１ａ上に移動可能に支持されている。

これにより、溶接母材Ｗ１上を倣う倣いローラ４と、溶接母材Ｗ２上を倣う倣いローラ４とがそれぞれの溶接母材Ｗ１、Ｗ２の板面に対して付勢しながら十分に倣った状態で転動させることができ、溶接母材Ｗに対するレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の高さを補正する機能をさらに高めることができる。

なお、本実施の形態の複合溶接ヘッドＴでは、ステー７５の上端面と天井プレート１０１の裏面との間にボールジョイント８５を取り付けた例を説明した。このボールジョイント８５に代えて、例えば、ジンバルを取り付け、第１のローラ支持フレーム５ａ及び第２のローラ支持フレーム５ｂからなるユニットの、溶接線方向に対する前後左右の傾動を許容する構成としてもよい。ジンバルを取り付けることにより、天井プレート１０１の形状を単純な平板状に形成することができる。

実施の形態３
図３は、本発明に係る複合溶接ヘッドの第３実施形態を示した構成図である。図３に示すように、本実施の形態の複合溶接装置Ｔは、第１実施形態の複合溶接ヘッドＴの構成に加えて、天井プレート１０２及び側面プレート１０３と、倣いローラ４及び第２のローラ支持フレーム５ｂと、第２の可動フレーム７００と、スプリング８００と、第２の精密直線ガイド９００とを具備している。なお、図３において、第１実施形態と同一の要素には、上記第１実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

天井プレート１０２は、ローラ支持フレーム５の上端側面に水平に固着されている。側面プレート１０３は、天井プレート１０２に対して鉛直方向となるよう該天井プレート１０２の他端側近傍に固着されている。

倣いローラ４は、溶接線方向に略平行となるよう直列に２個配置され、溶接母材Ｗ２の板面上で溶接線方向に沿うように転動するよう、第２のローラ支持フレーム５ｂに回転軸４０を介して回動自在に取付けられている。

第２のローラ支持フレーム５ｂには、回転軸６００が水平方向に貫通して取付けられている。一方、断面Ｔ字状の第２の可動フレーム７００の側面には、ベアリング（図示せず）が圧入嵌合されており、第２のローラ支持フレーム５ｂの回転軸６００を軸支している。これにより、第２の可動フレーム７００は、第２のローラ支持フレーム５ｂを溶接線方向に沿って揺動可能に支持される。

スプリング８００は、第２の可動フレーム７００の上端部と天井プレート１０２の上端部裏面側との間に固着され、第２のローラ支持フレーム５ｂをスプリング８００の反発力で下方に付勢している。すなわち、倣いローラ４を溶接母材Ｗ２の板面に向けて所定の荷重で付勢している。

第２の可動フレーム７００と側面プレート１０３との間には、第２のローラ支持フレーム５ｂ及び第２の可動フレーム７００からなるユニットを鉛直方向（矢印方向）へ移動可能に案内支持する一対のリニアレール９００ａと、これらのリニアレール９００ａ上を走行するリニアガイド９００ｂからなる精密直線ガイド９００が設けられている。

一対のリニアレール９００ａは、側面プレート１０３の一の側面に所定の間隔をもって、鉛直方向（矢印方向）に延びて平行に配置されている。一方、リニアガイド９００ｂは、側面プレート１０３の一の側面と対向する第２の可動フレーム７００の側面にそれぞれ取り付け固定され、各リニアガイド９００ｂがリニアレール９００ａ上に移動可能に支持されている。

これにより、第２の可動フレーム７００に支持されている第２のローラ支持フレーム５ｂは、鉛直方向（矢印方向）への移動が可能となる。なお、第２のローラ支持フレーム５ｂに支持されている倣いローラ４の溶接母材への倣い動作は、第１実施形態で説明した動作説明と同様であるので説明を省略する。

このように、本実施の形態の複合溶接ヘッドＴは、ローラ支持フレーム５に支持されている一方の倣いローラ４が、溶接線方向に対して溶接母材Ｗ１の変形や歪み、傾き、板厚の変化が生じても、板面の変化に倣わせながら追従する。また、第２のローラ支持フレーム５ｂに支持されている他方の倣いローラ４が、溶接線方向に対して溶接母材Ｗ２の変形や歪み、傾き、板厚の変化が生じても、板面の変化に倣わせながら追従する。

すなわち、一方の倣いローラ４と他方の倣いローラ４が独立して溶接母材Ｗ１、Ｗ２の板面の変化に倣わせながら追従する構成としてある。この構成については、第２実施形態の複合溶接ヘッドＴと同様であるが、本実施の形態の複合溶接ヘッドＴは、ローラ支持フレーム５及び第２のローラ支持フレーム５ｂのそれぞれが、溶接母材Ｗ１、Ｗ２に対するレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の傾きの補正と高さの補正を行うので、本実施の形態の複合溶接ヘッドＴの方が機能的に優れている。

これにより、第１実施形態及び第２実施形態の複合溶接ヘッドＴと同様に、３つのパラメータである、距離Ｄ_Ｌ、距離Ｄ_Ａ及び距離Ｄ_ＬＡを一定に保つことができる。また、目違いの発生及び板厚の変化等があっても、常にレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の狙い位置を溶接線に一致させることができる。

なお、上記第１実施形態及び第２実施形態での動作説明では、溶接母材Ｗの板面が溶接進行方向に向かって漸次傾きが増大した場合と、溶接母材Ｗの板面が溶接進行方向に向かって漸次傾きが減少した場合について、溶接母材Ｗに対するレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の傾き及び高さを補正する例を説明したが、溶接母材Ｗの変形や歪み、板厚が変化した場合も同様に、溶接母材Ｗに対するレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の傾き及び高さを補正することができる。

また、上記第１実施形態〜第３実施形態では、倣いローラ４は、溶接線方向に略平行となるよう直列に２個配置した構成としているが、必ずしも溶接線方向に平行となるよう直列に配置することはなく、溶接線からある程度の距離だけ離れていれば、溶接線方向の前方の倣いローラ４と、後方の倣いローラ４とをオフセットさせて配置してもよい。

さらに、上記第１実施形態〜第３実施形態では、円盤状の倣いローラ４を用いて溶接母材Ｗ上を倣わせる例を説明したが、本実施の形態に限定するものではなく、そろばん玉状やベアリング状であってもよい。また、倣いローラ４の形状をボール状とすることで、例えば、曲線の溶接やウイービング溶接にも対応することができる。

３．アーク溶接トーチの損傷及び溶接欠陥を防止する構成
図４は、本発明に係る複合溶接ヘッドにおける、アーク溶接トーチの損傷及びアーク溶接の溶接不良を防止する構成を示した側面図である。

図４において、レーザ集光ヘッド１から照射されたレーザ光１０が溶接母材Ｗの表面で反射した場合、その反射光がアーク溶接トーチ２のシールドガスノズル３に照射されることにより、シールドガスノズル３が早期に焼損する恐れがある。これを防止するため、本実施の形態では、アーク溶接トーチ２のシールドガスノズル３のハウジングが電極を中心に回転駆動するよう構成した。

アーク溶接トーチ２のシールドガスノズル３は、固定側ハウジングに配設されたベアリング（共に図示せず）により支持されている。また、シールドガスノズル３の中央外周部にはギア５６が固着されており、該ギア５６と、アーク溶接トーチ２の外部に配設された、モータ５０の先端部に取付けられているピニオンギア５５とが噛合されている。これにより、モータ５０が駆動すると、シールドガスノズル３のハウジングが電極を中心に回転する。

このように、アーク溶接トーチ２のシールドガスノズル３のハウジングを、電極を中心に回転駆動するよう構成したので、仮に、レーザ光１０の反射光がシールドガスノズル３を照射しても、所定部位のみ集中して照射されることを防止できるので、シールドガスノズル３が早期に焼損するリスクを回避することができる。

なお、シールドガスノズル３のハウジングを回転させるために本実施の形態では、歯車機構を用いて回転力を伝達する構成としているが、これに限らず、ベルトドライブにより回転力を伝達することも可能である。

次に、アーク溶接の溶接不良を防止する構成を説明する。レーザ集光ヘッド１には、通常、スパッタ等から集光レンズ光学系を保護するためのクロスジェット用の空気が、該レーザ集光ヘッド１の先端部の一方向からレーザ光１０の光軸に対して略直角方向に噴出している。

このクロスジェット用の空気の噴流３００は、アーク溶接トーチ２のシールドガスノズル３から流出するシールドガス２０の噴流を乱してアーク溶接の溶接性を悪化させる恐れがあるため、クロスジェット用の空気の噴流３００を上方に案内する案内板１２をレーザ集光ヘッド１の先端部に設けた。

この案内板１２を設けることにより、クロスジェット用の空気の噴流３００が上方に案内されるので、レーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２の先端部近傍領域に負圧部が生じず、シールドガスノズル３から流出するシールドガス２０が乱されなくなる。その結果、シールドガス２０に空気が混入することを防止でき、アーク溶接の溶接欠陥のリスクを回避できる。

なお、クロスジェット用の空気の噴流３００を上方に案内できるものであれば、本実施の形態の案内板１２に限らず、クロスジェット用の空気の噴流３００を上方に排出するダクトをレーザ集光ヘッド１の側方に設けてもよい。

なお、今回、開示した実施の形態では、溶接線方向の前方にレーザ集光ヘッド１を配置し、後方にアーク溶接トーチ２を配置したレーザ先行型の溶接法で説明したが、これに限らず、溶接線方向の前方にアーク溶接トーチ２を配置し、後方にレーザ集光ヘッド１を配置したアーク先行型の溶接法にも適用できる。また、今回開示した実施の形態では、溶接線上にレーザ集光ヘッド１及びアーク溶接トーチ２がほぼ直列となるよう配置した例を説明したが、この「ほぼ直列」とは、レーザとアークの両熱源の複合効果が得られる範囲内で、レーザとアーク溶接トーチ２の狙い位置の両方またはどちらか一方をオフセットさせて配置することも含まれる。

さらに、今回、開示した実施の形態では、複合溶接ヘッドＴを多関節ロボットのロボットアーム２００の先端に装着した例を説明したが、これに限らず、複合溶接接ヘッドＴを例えば、門型走行台車に装着し、門型自走式溶接装置として構成してもよい。また、例えば、複合溶接ヘッドＴを移動台車、回転治具及びＸ−Ｙテーブル等に装着することも可能である。

今回、開示した実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は、上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明のレーザ・アーク複合溶接ヘッドは、船舶、海洋構造物、貯蔵槽及び中高層ビル等の大型構造物に使用される溶接用鋼材のほか、圧力容器等の溶接に有用である。

１ レーザ集光ヘッド
２ アーク溶接トーチ
３ シールドガスノズル
４ 倣いローラ
５ ローラ支持フレーム
６ 回転軸
７ 可動フレーム
８ スプリング
９ 精密直線ガイド
Ｔ レーザ・アーク複合溶接ヘッド
Ｗ 溶接母材

Claims (7)

1. レーザ光を集光して溶接母材に照射する集光レンズ光学系を有するレーザ集光ヘッドと、アーク溶接トーチとを並設し、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接するレーザ・アーク複合溶接ヘッドであって、
   溶接線と所定の間隔をもって配置され、前記溶接母材の板面上で溶接線方向に沿うように転動する少なくとも２つの倣い手段と、
   前記倣い手段を回動自在に支持する倣い支持手段と、
   前記倣い支持手段を前記溶接線方向に沿って揺動可能に支持する支持手段と、
   前記倣い支持手段を前記溶接母材の板面方向に所定の荷重で付勢する付勢手段とを含み、
   前記レーザ集光ヘッド及びアーク溶接トーチは、溶接線上に配置されるよう前記倣い支持手段にそれぞれ取付けられている、ことを特徴とするレーザ・アーク複合溶接ヘッド。
2. 前記支持手段を鉛直方向に案内支持する直動手段をさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ・アーク複合溶接ヘッド。
3. 前記溶接線を挟んで前記倣い手段と対向に配置された第２の倣い手段及び該第２の倣い手段を回動自在に支持する第２の倣い支持手段をさらに備え、
   前記第２の倣い支持手段を前記溶接線方向に沿って揺動可能に支持する第２の支持手段と、
   前記第２の支持手段を鉛直方向に案内支持する第２の直動手段と、
   前記第２の倣い支持手段を前記溶接母材の板面方向に所定の荷重で付勢する第２の付勢手段とを含み、
   前記倣い支持手段と前記第２の支持手段を連結部材により連結した、ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ・アーク複合溶接ヘッド。
4. レーザ光を集光して溶接母材に照射する集光レンズ光学系を有するレーザ集光ヘッドと、アーク溶接トーチとを並設し、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接するレーザ・アーク複合溶接ヘッドであって、
   溶接線と所定の間隔をもって配置され、前記溶接母材の板面上で溶接線方向に沿うように転動する少なくとも２つの倣い手段と、
   前記倣い手段を回動自在に支持する第１の倣い支持手段と、
   前記溶接線を挟んで前記倣い手段と対向に配置された第２の倣い手段及び該第２の倣い手段を回動自在に支持する第２の倣い支持手段をさらに備え、
   前記第１の倣い支持手段と第２の倣い支持手段は、その上端部を連結部材により連結されており、
   前記第１の倣い支持手段及び第２の倣い支持手段を前記溶接母材の板面方向に所定の荷重で付勢する付勢手段と、
   該第１の倣い支持手段及び第２の倣い支持手段の上端面と、前記付勢手段を介して配置された天板と、
   さらに、前記第１の倣い支持手段と第２の倣い支持手段における、溶接線方向に対する前後左右の傾動を許容する可動部材を前記連結部材と天板の間に配置し、
   前記レーザ集光ヘッド及びアーク溶接トーチは、溶接線上に配置されるよう前記第１の倣い支持手段又は第２の倣い支持手段のいずれか一方にそれぞれ取付けられている、ことを特徴とするレーザ・アーク複合溶接ヘッド。
5. 前記レーザ集光ヘッド及びアーク溶接トーチは、溶接線方向に対する水平位置、溶接母材の板面に対する高さ及び溶接母材の板面に対する角度を調整する位置調整機構が具備されている、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のレーザ・アーク複合溶接ヘッド。
6. 前記アーク溶接トーチのシールドガスノズルのハウジングは、電極を中心に回転可能に支持されているとともに、該シールドガスノズルのハウジングを回転させる回転機構を具備する、ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のレーザ・アーク複合溶接ヘッド。
7. 前記レーザ集光ヘッドの先端部には、該レーザ集光ヘッドの先端部の一方向からレーザ光の光軸に対して略直角方向に噴出するクロスジェット用の空気を、アーク溶接トーチのシールドガスノズルから流出するシールドガスと干渉しないように案内する案内手段が設けられている、ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のレーザ・アーク複合溶接ヘッド。