JP2011088154A

JP2011088154A - レーザ加工ヘッド、及びレーザ肉盛方法

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Publication number: JP2011088154A
Application number: JP2009240974A
Authority: JP
Inventors: Masanori Miyagi; 雅徳宮城; Takeshi Tsukamoto; 武志塚本; Keiji Kawanaka; 啓嗣川中
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-05-06
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: US8735769B2; JP5292256B2; US20110089151A1; EP2314411A3; EP2314411B1; EP2314411A2

Abstract

【課題】施工中に肉盛トラック幅を変化させながらレーザ粉末肉盛溶接を実施するレーザ肉盛方法及びレーザ加工ヘッドを提供する。
【解決手段】施工対象物にレーザを照射するレーザ出射部１３と、レーザ出射部の外周に設置され、レーザ照射部に粉末材料を吐出する粉末供給部３を備えたレーザ加工ヘッドにおいて、前記粉末供給部がレーザ出射部に対して上下駆動を行う機構と、粉末の吹き出し角の可変機構と、各機構を外部信号により制御する機構を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉末を溶加材とするレーザ肉盛方法及び、レーザ肉盛用のレーザ加工ヘッドに関する。

近年、ニアネットシェイプの直接造形や耐摩耗性などの機能付与を目的とした表面処理技術等に粉末を溶加材としたレーザ肉盛が用いられている。このレーザ肉盛において肉盛部の形状は粉末材料の供給方法に依存するところが大きい。このため、施工方向に対する粉末供給方向の異方性をなくすために、レーザの外周からレーザ照射部に向けて粉末が集中するように粉末供給を行ったり、粉末供給量の安定性を高めたりするなど、高精度の肉盛部形成のために粉末供給に関するさまざまな工夫がなされている。

特開平２−２５８１８６号公報（特許文献１）には、レーザ光軸に対して粉末の流れが最も集中した位置（以下、粉末集中位置とする）を制御することが開示されている。レーザの外周からレーザ光軸上へ向けて粉末が集中するように、粉末をレーザ照射部またはその近傍へ供給するものであり、粉末の集中位置をレーザ光軸に対し、上下方向に調整することを可能としている。該レーザ肉盛装置はレーザ出射部とレーザ出射部の外周に設けられた粉末供給ノズルから構成され、レーザ出射部と粉末供給ノズルによって形成される空間を粉末の流路としている。レーザ出射部と粉末供給ノズルの下端の相対位置を上下方向に調整し、粉末の吹き出し角を変化させることで、粉末集中位置を調整することが可能である。

特開平２−２５８１８６号公報

特許文献１に記載されたレーザ肉盛装置では、粉末集中位置を調整すると同時に粉末の流れが最も集中した位置の直径（以下、粉末集中径とする）が変化する。粉末集中位置もしくは集中径のいずれかの調整を行うと、一方に伴い他方も変化するため、粉末集中位置と粉末集中径の調整を同時に達成するためには、レーザ出射部と粉末供給ノズルの下端の相対位置関係を変化させずにレーザ出射部と粉末供給ノズルをレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整する必要がある。その結果、肉盛トラック幅の変更の度に施工を中断し、粉末集中位置と粉末集中径の調整を行う必要があり、さらに粉末集中位置と粉末集中径の調整を行う度に、レーザ出射部先端と施工対象物の表面までの距離が変化してしまう。その結果、施工部を大気から保護するシールドガスをレーザ出射部の内側から流す場合には、粉末集中位置および集中径の調整の度にシールド性が変化してしまうこととなる。

そこで本発明は、施工中に肉盛トラック幅を任意に変更し、健全なレーザ肉盛溶接を達成することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、施工対象物にレーザを照射するレーザ出射部と、レーザ出射部の外周に設置され、レーザ照射部に溶加材粉末を吐出する粉末供給部を備え、前記粉末供給部をレーザ出射部に対してレーザ光軸の上下方向に駆動させる機構と、粉末の吹き出し角の可変機構と、各機構を外部信号により制御する機構を備えたレーザ加工ヘッドにある。

また、他の本発明は、施工対象物にレーザ出射部からレーザを照射し、施工中に施工面に対するレーザの焦点位置と粉末の流れが最も集中した位置を独立にレーザ光軸に対し上下方向に変化させながら、そのレーザ照射部にレーザ出射部の外周に設けられた粉末供給部からレーザの光軸上で集中するように粉末を供給して肉盛部を形成するレーザ肉盛方法にある。

上記の構成によれば、施工中に粉末の集中位置や集中径を調整し、肉盛トラック幅を任意に制御することができる。さらに前記調整を行っても安定したシールド性を保ったままレーザ肉盛溶接を達成できる。

レーザ加工ヘッドの断面図である。シールドガスノズルの動作説明図である。肉盛トラック幅の制御方法を表す説明図である。粉末供給小ノズルの配置図である。レーザ加工ヘッドの断面図である。肉盛トラック幅の制御方法を表す説明図である。レーザ加工ヘッドの断面図である。肉盛トラック幅の制御方法を表す説明図である。

以下、本発明の詳細を説明する。

粉末を溶加材に用い、レーザ肉盛溶接を行う場合、その肉盛形状は粉末の供給に大きく依存する。特に所望のトラック幅を得るためには、レーザ照射条件だけでなく、粉末の集中径を制御する必要がある。粉末の集中径を制御し、所望の肉盛トラック幅を肉盛方向によらず安定して形成することは、肉盛溶接の結果に大きな影響を与える。

また、粉末の集中径，レーザの焦点位置を制御する際、施工対象物との距離を変化させることが容易である。ただし、シールドガスの状態（シールド性）が変化する可能性がある。

粉末の集中径、レーザの焦点位置を制御するためには、レーザ加工ヘッドの先端と施工対象物との距離を変化させる手段が容易である。ただし、施工部を大気から保護するためのシールドガスを吐出する機能を有するレーザ加工ヘッドの場合、シールドガスの状態（シールド性）が変化する可能性がある。

上記の目的のため、本発明者らは、レーザ焦点位置と粉末集中位置の独立した位置制御を可能とする検討を行った。さらに、肉盛溶接を実行しながら位置制御を可能とする検討を行った。

第一の形態は、溶加材に粉末を用いたレーザ肉盛溶接用のレーザ加工ヘッドであり、レーザ出射部と、レーザ出射部から出射されるレーザ光軸を中心とする同心円上に粉末を吹き出す粉末供給部を有する。粉末供給部は、レーザ光軸に対して粉末の吹き出し角を制御する機構を有し、外部信号により制御できるようにした。また、粉末供給部をレーザ光軸の上下方向に駆動する位置調整機構を有し、外部信号により制御可能とした。このような構成により、施工中に肉盛トラック幅を任意に制御することができる。

粉末供給部は、複数の管状部材で構成されており、レーザ光軸を中心とした同心円上から、レーザ光軸に向かって粉末が吹き出すようになっている。粉末の吹き出し角を制御するため、管状部品のレーザ光軸に対する角度を調整する。

また、管状部材にテーパーを設けた円錐台状の内ノズルと、内ノズルの外周に設けられた外ノズルを設け、いずれのノズルもレーザ光軸と同一の中心軸とし、内ノズルと外ノズルの間を粉末の流路とした粉末供給部形状とする。レーザ光軸に対し、上下方向に内ノズルと外ノズルの位置調整を行い、内ノズルと外ノズルの下端の相対位置を調整することで粉末の吹き出し角を制御する。内外のノズルの位置調整を行う位置調整機構を外部より制御することにより、施工中に肉盛トラック幅を任意に制御することができる。

粉末供給部の外側に、ガスノズルを設けてもよい。ガスノズルより供給されるガスの方向を外部から制御することにより、粉末供給部から吹き出される粉末の吹き出し角を調整することができる。ガスノズルを円錐台状とし、ガスノズルと粉末供給部との間からガス流路とする場合、ガスノズルの下端と、粉末供給部のノズルの下端との位置関係を上下方向に調整する機構を有し、施工中に外部からの相対位置の調整により粉末の吹き出し角を制御する。

また、粉末供給部の内側に、レーザ光軸と同一の中心軸を有する円筒状部品を設け、円筒状部品の内側をガス流路とし、円筒状部品の先端位置と施工対象物との距離を調整することで、シールド性を安定して保つシールドガス流調整機構を設けてもよい。

上記のようなレーザ加工ヘッドを使用することにより、施工中に肉盛トラック幅を変更したい場合にも、レーザ焦点位置，粉末集中径を制御することによって、所望の肉盛トラック幅を得ることができる。また、シールドガスによる施工部のシールド性を安定して保つことが可能となる。

レーザ肉盛方法は、施工対象物にレーザ出射部からレーザを照射し、そのレーザ照射部にレーザ出射部の外周に設けられた粉末供給部からレーザの光軸上で集中するように粉末を供給して肉盛部を形成する。そこで、その施工中に施工面に対するレーザの焦点位置と粉末の流れが最も集中した位置を独立にレーザ光軸に対し、上下方向に変化させる。または、施工対象物にレーザ出射部からレーザを照射し、そのレーザ照射部にレーザ出射部の外周に設けられた粉末供給部からレーザ光軸上で集中するように粉末を供給して肉盛部を形成するレーザ肉盛方法において、施工中に粉末の流れが最も集中した位置での径を変化させる。もしくは、施工中に施工面に対するレーザの焦点位置と粉末の流れが最も集中した位置を独立にレーザ光軸に対し、上下方向に変化させると共に、前記粉末の流れが最も集中した位置での径を変化させる。施工面に対するレーザの焦点位置と、粉末の流れが最も集中した位置は、レーザ出射部と粉末供給部の位置をレーザ光軸方向に対し、上下方向に変化させることにより調整することができる。

粉末の流れは、粉末供給部から供給される粉末の吹き出しの角度を制御することにより調整できる。例えば、粉末供給部を同心円状に配置された複数の管状部品で形成し、前記管状部品の角度を変えて粉末の吹き出し角度を制御する。また、粉末供給部を先端が円錐台状の内ノズルと外ノズルで形成し、内ノズルと外ノズルの間を粉末の流路とし、内ノズルと外ノズルの位置をレーザ光軸に対して、上下方向に調整し、内ノズルと外ノズルの下端の相対位置を変化させ、粉末の吹き出し角度を制御する。粉末供給部の外周に円錐台状のガスノズルを設け、外ノズルとガスノズルの間をガス供給路とし、外ノズルとガスノズルをレーザ光軸に対し、上下方向に位置を調整し、外ノズルとガスノズルの下端の相対位置を変化させることでガス流の角度を変化させ、ガス流の流れによって粉末の吹き出し角度を制御することもできる。

レーザ肉盛は、粉末供給部の内側に設けられた円筒状部品の下端位置と施工対象物の表面との距離を一定に保ちながら、ガスを前記円筒状部品から粉末流の内側を流れるように施工対象物表面に吹き付けながら行うことが好ましい。このような構成により、シールド性を安定して保つことが可能となる。

また、レーザ肉盛に使用するレーザ加工ヘッドに、施工対象物にレーザを照射するレーザ出射部と、レーザ出射部の外周に設置され、レーザ照射部に粉末を吐出する粉末供給部を備え、前記粉末供給部をレーザ出射部に対してレーザ光軸の上下方向に駆動させる機構と、粉末の吹き出し角の可変機構と、各機構を外部信号により制御する機構を備えた。

レーザ出射部の外周に設けられた粉末供給部が、レーザ光軸を中心とした同心円上にレーザ光軸に向かって粉末が吹き出すように配置された複数の管状部品から構成され、前記管状部品のレーザ光軸に対する角度を調整する機構を備えることが好ましい。そのとき、複数の管状部品を出口形状が異なるものとすることができる。さらに、複数の前記管状部品の中から粉末を供給する管状部品の選択機構を有し、前記選択機構を外部信号により制御する機構を備えることが好ましい。

また、粉末供給部がレーザ光軸と同一の中心軸を有し、先端が円錐台状の内ノズルと、同じくレーザ光軸と同一の中心軸を有し、前記内ノズルの外周に設けられた先端が円錐台状の外ノズルから成り、内ノズルと外ノズルの間を粉末の流路とし、内ノズルと外ノズルがレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行い、内ノズルと外ノズルの下端の相対位置を調整する機構を備えることが好ましい。さらに、粉末供給部の外周にレーザ光軸と同一の中心軸を有し、先端が円錐台状のガスノズルを備え、前記外ノズルと前記ガスノズルの間をガス流路とし、前記ガスノズルが粉末供給部の前記外ノズルに対して上下方向に位置調整を行い、外ノズルとガスノズルの下端の相対位置を調整する機構を備えることが好ましい。

また、粉末供給部の内側にレーザ光軸と同一の中心軸を有する円筒状部品を備え、前記円筒状部品の内側をガス流路とし、前記円筒状部品の下端位置と施工対象部の表面との距離を一定に保つ機構を有し、前記機構を外部信号により制御する機構を備えることが好ましい。

以下、図面を用いた実施例によりさらに詳細を説明する。

図１に実施例１のレーザ加工ヘッドの断面図を示す。

１はレーザ発振器、１１は光ファイバ、１２はレーザ集光部、１３はレーザ出射部、２は粉末供給源、２１は粉末供給管、２２は粉末供給切換え機構、２３は粉末供給切換え信号線、３は粉末供給部、４は粉末、５はレーザ、６は施工対象物、７はガス供給源、７１はガス供給管、８はシールドガス流、９は制御部、９１は上下駆動部制御信号線、９２は粉末供給部上下位置決め機構、９３は粉末供給部上下駆動部、９４は角度調整部上下位置決め機構、９５は角度調整部上下駆動部、９６はシールドガスノズル位置決め機構、９７はシールドガスノズル、９９は角度調整部、１０はアーム、１０１は角度調整部材、１１０はホルダ、１１１は粉末供給小ノズルを示している。

レーザ発振器１で発振されたレーザ５は光ファイバ１１を通じてレーザ集光部１２に伝送され、レーザ集光部１２で集光されたレーザ５はレーザ出射部１３を通じて施工対象物６に照射される。粉末供給源２に溶加材粉末が充填され、肉盛溶接時に供給される。粉末供給源２から送給された粉末４は粉末供給管２１を通じて、複数の粉末供給小ノズル１１１に送られ、レーザ照射部に向かって吐出される。粉末供給小ノズル１１１の下端はホルダ１１０によりレーザ光軸に対し、等角に保持されている。従って、各粉末供給ノズル１１１から吐出された粉末４はレーザ光軸上で合流するように供給される。

レーザ集光部１２に接続されたレーザ出射部１３にはガス供給管７１及びシールドガスノズル９７が設けられており、シールドガスノズル９７から施工対象物６に対し、シールドガス流８を吹き付けることができる。またシールドガスノズル９７に設けられたシールドガスノズル位置決め機構９６によって、シールドガスノズル９７の先端の位置を上下に調整し、施工対象物６表面との距離（以下、スタンドオフとする）を制御することが可能である。本実施例ではシールドガスノズル位置決め機構９６に電動アクチュエータを用いた。またシールドガスノズル位置決め機構９６は制御部９からの外部信号によって制御されており、施工中にシールドガスノズル９７の上下位置調整が可能である。

図２にスタンドオフ調整方法の概略図を示す。図２（ａ）はレーザ焦点位置５１を施工対象物６表面に合わせ、スタンドオフをＬとした場合のシールドガスノズル９７と施工対象物６の位置関係を示している。図２（ｂ）はレーザ焦点位置を施工対象物６表面から所定の距離を上方向に移動した場合のシールドガスノズル９７と施工対象物６の位置関係を示している。図２（ｃ），（ｄ）は図２（ａ），（ｂ）のレーザ照射部近傍の拡大図を示している。レーザスポット径Ｗｓを変化させる場合には図２（ｂ）に示すようにレーザ焦点位置５１を上下方向に変化させると同時に、シールドガスノズル位置決め機構９６によりスタンドオフが一定の距離Ｌを保つようにシールドガスノズル９７の下端位置を調整する。上記操作を行うことで、常にスタンドオフを一定に保つことができ、安定したシールド性を得ることが可能となる。

一方、図１に示すようにレーザ出射部１３の外周に設置された粉末供給部３は粉末供給部上下駆動部９３と、粉末供給部上下駆動部９３の外周に設置された角度調整部９９と角度調整部９９に連結した粉末供給小ノズル１１１と粉末供給部上下駆動部９３の下端に接続されたホルダ１１０で構成されている。

粉末供給部３は粉末供給部上下駆動部９３の上部に取り付けられた粉末供給部上下位置決め機構９２によって粉末供給部３の先端の位置を上下に調整し、粉末集中位置を制御することが可能である。本実施例では粉末供給部上下位置決め機構９２に電動アクチュエータを用いた。また粉末供給部上下位置決め機構９２は制御部９からの外部信号によって制御されており、施工中に粉末供給部３の上下位置調整が可能である。

また粉末供給部３は粉末供給小ノズル１１１に連結した角度調整部９９により粉末の吹き出し角を制御することが可能である。角度調整部９９は粉末供給部上下駆動部９３の外周に設置された角度調整部上下駆動部９５と、アーム１０と角度調整部材１０１から構成されている。角度調整部上下駆動部９５の上部には角度調整部上下位置決め機構９４が取り付けられ、角度調整部上下駆動部９５をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行うことが可能である。アーム１０と角度調整部材１０１はピンにより連結されており、角度調整部上下駆動部９５が上下移動することでアーム１０と角度調整部材１０１の成す角度が変化する構造となっている。また粉末供給小ノズル１１１は角度調整部材１０１と連結されている。従って、角度調整部上下駆動部９５を上下方向に位置調整を行うとアーム１０と角度調整部材１０１との角度が変化し、レーザ光軸に対する粉末供給小ノズル１１１の角度も変化するので、粉末の吹き出し角を調整することができる。その結果、粉末集中径を制御することが可能となる。本実施例では角度調整部上下位置決め機構９４に電動アクチュエータを用いた。また角度調整部上下位置決め機構９４は制御部９からの外部信号によって制御されており、施工中に角度調整部上下駆動部材９５の上下方向の位置調整が可能である。

図３に本実施１レーザ加工ヘッドにおける肉盛トラック幅の制御方法の概略図を示す。図３（ａ）は肉盛トラック幅がＷ１の場合における各部品の位置関係を表している。図３（ｂ）は肉盛トラック幅をＷ２に変更後の各部品の位置関係を表している。肉盛トラック幅をＷ１からＷ２に変更するためには、レーザスポット径及び粉末集中径を変更後の肉盛トラック幅Ｗ２と同程度にする必要がある。レーザ焦点位置をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行い、レーザスポット径を変化させると共に、スタンドオフが一定の距離Ｌを保つように図１に記載のシールドガスノズル位置決め機構９６によってシールドガスノズル９７の下端位置を調整する。さらに図１に記載の角度調整部上下駆動部９５をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行い、粉末供給小ノズル１１１のレーザ光軸に対する角度をθ１からθ２に変化させ、粉末の吹き出し角を調整し、粉末集中径をＷ２に合わせる。加えて図２に記載の粉末供給部上下駆動部９３をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行い、粉末集中位置を施工対象物６表面に合わせる。ただし最適な粉末集中位置は施工面に限定されるものではない。上記操作を外部信号により同時に制御することで、施工中に任意の肉盛トラック幅に調整することが可能である。したがって本実施例のレーザ肉盛装置では、肉盛トラック幅を変化させたい場合にも、ノズルの調整をその都度、施工を中断して実施する必要がない。

図４に実施例１における粉末供給ノズルの配置図を示す。本実施例では１mmの内径を有する粉末供給ノズル１１１Ａと２mmの内径を有する粉末供給ノズル１１１Ｂをレーザ光軸に向かって等間隔に４本ずつ交互に配置した。各粉末供給ノズル１１１は図１に示すように粉末供給管２１によって粉末供給切換え機構２２に接続されている。前記粉末供給切換え機構２２は各粉末供給ノズル１１１の中から粉末供給を行うノズルの員数，内径を選択できる。本実施例では内径が１mmの粉末供給ノズル１１１Ａを選択した。また粉末供給切換え機構２２は制御部９からの外部信号によって制御されているので施工中の粉末供給ノズル１１１の選択ができ、ノズルの内径や員数による粉末供給の調整が可能である。

本実施例においては粉末供給部上下位置決め機構９２及び角度調整部上下位置決め機構９４及びシールドガスノズル位置決め機構９６は電動アクチュエータを採用したが、この構成に限定されるものではない。本実施例においては粉末供給ノズル１１１の内径を１mmと２mmを各４本ずつ使用したが、粉末供給ノズル１１１の員数，内径は上記の内容に限定されるものではない。

図５に実施例２のレーザ加工ヘッドの断面図を示す。１はレーザ発振器、１１は光ファイバ、１２はレーザ集光部、１３はレーザ出射部、２は粉末供給源、２１は粉末供給管、２２は粉末供給切換え機構、２３は粉末供給切換え信号線、３は粉末供給部、３１は内ノズル、３２は外ノズル、４は粉末、４１は粉末の流路、５はレーザ、６は施工対象物、７はガス供給源、７１はガス供給管、８はシールドガス流、９は制御部、９１は上下駆動部制御信号線、９２は粉末供給部上下位置決め機構、９６はシールドガスノズル位置決め機構、９７はシールドガスノズル、９８は外ノズル上下位置決め機構を示している。レーザ発振器１で発振されたレーザ５は光ファイバ１１を通じてレーザ集光部１２に伝送され、レーザ集光部１２で集光されたレーザ５はレーザ出射部１３を通じて施工対象物６に照射される。粉末供給源２から送給された粉末４は粉末供給管２１を通じて、内ノズル３１と外ノズル３２によって形成される粉末の流路４１に運ばれ、レーザ照射部に集中するように供給される。

レーザ集光部１２に接続されたレーザ出射部１３にはガス供給管７１及びシールドガスノズル９７が設けられており、シールドガスノズル９７から施工対象物６に対し、シールドガス流８を吹き付けることができる。またシールドガスノズル９７に設けられたシールドガスノズル位置決め機構９６によって、シールドガスノズル９７の先端の位置を上下に調整し、施工対象物６表面との距離（以下、スタンドオフとする）を制御することが可能である。本実施例ではシールドガスノズル位置決め機構９６に電動アクチュエータを用いた。またシールドガスノズル位置決め機構９６は制御部９からの外部信号によって制御されており、施工中にシールドガスノズル９７の上下位置調整が可能である。
スタンドオフ調整方法は実施例１と同様である。

一方、図５に示すようにレーザ出射部１３の外周に設けられた粉末供給部３は先端が円錐台状の内ノズル３１および先端が円錐台状の外ノズル３２から構成されている。内ノズル３１はレーザ光軸と同一の中心軸を有し、レーザ出射部１３の外周に、同じく外ノズル３２はレーザ光軸と同一の中心軸を有し、内ノズル３１の外周に装着されている。内ノズル３１と外ノズル３２の間は粉末供給源２から送給された粉末の流路４１となっており、粉末４はレーザ光軸上の所定の位置で集中するように供給される。

内ノズル３１の上部には粉末供給部位置決め機構９２が設置されており、内ノズル３１をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行うことが可能である。内ノズル３１と外ノズル３２は連結しているので、内ノズル３１の上下移動に伴い、外ノズル３２も上下移動する。その結果、粉末供給部３の先端の位置が上下方向に変化するため、粉末集中位置を調整することが可能である。本実施例では粉末供給部位置決め機構９２に電動アクチュエータを用いた。また前記粉末供給部位置決め機構９２は制御部９からの外部信号によって制御されており、施工中に粉末供給部３の上下位置調整が可能である。

外ノズル３２の上部には外ノズル上下位置決め機構９８が設置されており、外ノズル３２をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行うことが可能である。従って、外ノズル３２の上下位置が変化すると、内ノズル３１と外ノズル３２の下端位置の相対関係が変化し、粉末吹き出し角を調整することができ、粉末集中径を制御することが可能である。本実施例では外ノズル上下位置決め機構９８に電動アクチュエータを用いた。また外ノズル上下位置決め機構９８は制御部９からの外部信号によって制御されているので、施工中に粉末集中径の調整が可能である。

図６に本実施１のレーザ加工ヘッドによる肉盛トラック幅の制御方法の概略を示す。図６（ａ）は肉盛トラック幅がＷ１の場合の各部品の位置関係を表しており、図６（ｂ）は肉盛トラック幅がＷ２に変更後の各部品の位置関係を表している。肉盛トラック幅をＷ１からＷ２に変更するためには、レーザスポット径及び粉末集中径を変更後の肉盛トラック幅Ｗ２と同程度とする必要がある。レーザ焦点位置をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行い、レーザスポット径を変化させると共に、スタンドオフが一定の距離Ｌを保つように図５に記載のシールドガスノズル位置決め機構９６によってシールドガスノズル９７の下端位置を調整する。さらに、図５に記載の外ノズル上下位置決め機構９８により外ノズル３２をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行うことで、内ノズル３１と外ノズル３２の相対位置を調整し、粉末の吹き出し角を変化させ、粉末集中径をＷ２に合わせる。加えて、図５に記載の粉末供給部上下駆動部材９３により粉末供給部３をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行い、粉末集中位置を施工対象物６表面に合わせる。ただし、最適な粉末集中位置は施工面に限定されるものではない。上記操作を外部信号により同時に制御することで、施工中に任意に肉盛トラック幅を制御することが可能である。

本実施例では内ノズル３１，外ノズル３２の形状によって粉末の流路４１が定まるが、内ノズル３１と外ノズル３２の形状は本実施例に限定されるものではない。また本実施例では内ノズル３１と外ノズル３２を連結させ、内ノズル３１の上下移動に伴い、外ノズル３２も上下移動する構造を用いたが、各ノズルを連結させず、独立に上下移動させて、各ノズルの下端の相対位置の調整を行い、粉末集中径の調整を行うことも可能である。本実施例においては粉末供給部上下位置決め機構９２及びシールドガスノズル位置決め機構９６は電動アクチュエータを採用したが、この構成に限定されるものではない。

図７に実施例３のレーザ加工ヘッドの断面図を示す。１はレーザ発振器、１１は光ファイバ、１２はレーザ集光部、１３はレーザ出射部、２は粉末供給源、２１は粉末供給管、２２は粉末供給切換え機構、２３は粉末供給切換え信号線、３は粉末供給部、３１は内ノズル、３２は外ノズル、４は粉末、４１は粉末の流路、５はレーザ、６は施工対象物、７はガス供給源、７１はガス供給管、８はシールドガス流、９は制御部、９１は上下駆動部制御信号線、９２は粉末供給部上下位置決め機構、９６はシールドガスノズル位置決め機構、９７はシールドガスノズル、９８は外ノズル上下位置決め機構、１２０はガスノズル上下位置決め機構、１２１はガスノズル、１２２はガス流、１２３はガスの流路を示している。レーザ発振器１で発振されたレーザ５は光ファイバ１１を通じてレーザ集光部１２に伝送され、レーザ集光部１２で集光されたレーザ５はレーザ出射部１３を通じて施工対象物６に照射される。粉末供給源２から送給された粉末４は粉末供給管２１を通じて、内ノズル３１と外ノズル３２によって形成される粉末の流路４１に運ばれ、レーザ照射部に集中するように供給される。

スタンドオフ調整方法は実施例１と同様である。

一方、図７に示すようにレーザ出射部１３の外周に設けられた粉末供給部３は内ノズル３１，外ノズル３２，ガスノズル１２１から構成されている。前記各ノズルは先端が円錐台状の形状を有し、内ノズル３１はレーザ光軸と同一の中心軸を有し、レーザ出射部１３の外周に、同様に外ノズル３２はレーザ光軸と同一の中心軸を有し、内ノズル３１の外周に、同様にガスノズル１２１はレーザ光軸と同一の中心軸を有し、外ノズル３２の外周に装着されている。内ノズル３１と外ノズル３２の間は粉末供給源２から送給された粉末の流路４１となっている。外ノズル３２とガスノズル１２１の間はガス供給源７から供給されたガスの流路１２３となっており、粉末４はレーザ光軸上の所定の位置に集中するように供給される。

内ノズル３１の上部には粉末供給部位置決め機構９２が設置されており、内ノズル３１をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行うことが可能である。内ノズル３１と外ノズル３２は連結しているので、内ノズル３１の上下移動に伴い、外ノズル３２も上下移動する。その結果、粉末供給部３の先端の位置が上下方向に変化するため、粉末集中位置を調整することが可能である。本実施例では粉末供給部位置決め機構９２に電動アクチュエータを用いた。また前記粉末供給部位置決め機構９２は制御部９からの外部信号によって制御されており、施工中に粉末供給部の上下位置調整が可能である。

外ノズル３２の上部には外ノズル上下位置決め機構９８が設置されており、外ノズル３２をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行うことが可能である。外ノズル３２の上下位置が変化すると、内ノズル３１と外ノズル３２の下端の相対位置が変化し、粉末吹き出し角を調整することができ、粉末集中径を制御することが可能である。本実施例では外ノズル上下位置決め機構９８に電動アクチュエータを用いた。また外ノズル上下位置決め機構９８は制御部９からの外部信号によって制御されているので、施工中に粉末集中径の調整が可能である。

またガスノズル１２１の上部にはガスノズル上下位置決め機構１２０が設置されており、ガスノズル１２１をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行うことが可能である。ガスノズル１２１の上下位置が変化すると、外ノズル３２とガスノズル１２１の下端の位置関係が変化し、ガス流１２２の吹き出し角を変化させることができる。ガス流１２２の吹き出し角によって粉末の吹き出し角を制御することができるので、粉末集中径を調整することが可能である。さらに粉末の外周を流れるガスは粉末の流れをガイドする効果を有しており、粉末集中位置における粉末の集中度を高め、粉末集中径の制御が容易となる利点を有する。本実施例ではガスノズル上下位置決め機構１２０に電動アクチュエータを用いた。またガスノズル上下位置決め機構１２０は制御部９からの外部信号によって制御されているので、施工中に粉末集中径の調整が可能である。

図８に本実施形態のレーザ加工ヘッドによる肉盛トラック幅可変方法の概略を示す。図８（ａ）は肉盛トラック幅がＷ１の場合の各部品の位置関係を表しており、図８（ｂ）は肉盛トラック幅がＷ２に変更後の各部品の位置関係を表している。肉盛トラック幅をＷ１からＷ２に変更するためには、変更後の肉盛トラック幅Ｗ２と同程度となるようにレーザスポット径及び粉末集中径を変化させる必要がある。レーザ焦点位置をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行い、レーザスポット径をＷ２に変化させると共に、スタンドオフが一定の距離Ｌを保つように図７に記載のシールドガスノズル位置決め機構９６によってシールドガスノズル９７の下端位置を調整する。さらに、図７に記載の外ノズル上下位置決め機構９８により外ノズル３２をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行うことで、内ノズル３１と外ノズル３２の下端の位置関係を変化させ、粉末の吹き出し角を変化させる。また図７に記載のガスノズル上下位置決め機構１２０によりガスノズル１２１をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行うことで、外ノズル３２とガスノズル１２１の下端の相対位置を変化させ、ガスの吹き出し角を変化させ、粉末の吹き出し角を変化させ、粉末集中径を変化させる。加えて、図７に記載の粉末供給部上下位置決め機構９２により内ノズル３１をレーザ光軸に対し、上下方向に位置調整を行い、粉末集中位置を施工対象物６表面に合わせる。ただし、最適な粉末集中位置は施工面に限定されるものではない。

上記操作を外部信号により同時に制御することで、施工中に任意に肉盛トラック幅を制御することが可能である。

本実施例では内ノズル３１，外ノズル３２，ガスノズル１２１の形状によって粉末の流路４１及びガス流路１２３が定まるが、前記各ノズルの形状は本実施例の形状に限定されるものではない。また本実施例では外ノズル３２を内ノズル３１に装着させ、ガスノズル１２１を外ノズル３２に装着させ、外ノズル３２とガスノズル１２１の上下位置調整を連動させたが、各ノズルを連結させず、独立に位置調整を行い、粉末供給の調整を行うことも可能である。本実施例においては粉末供給部上下位置決め機構９２及びシールドガスノズル位置決め機構９６は電動アクチュエータを採用したが、この構成に限定されるものではない。また本実施例では内ノズル３１と外ノズル３２の下端の相対位置の制御と外ノズル３２とガスノズル１２１の下端の相対位置の制御により粉末の吹き出し角を制御し、粉末集中径を調整したが、外ノズル３２とガスノズル１２１の下端の相対位置の制御だけでも粉末集中径の制御は可能である。またガス流量を調整することで粉末の吹き出し角を制御し、粉末集中径を調整することも可能である。

１レーザ発振器
２粉末供給源
３粉末供給部
４粉末
５レーザ
６施工対象物
７ガス供給源
８シールドガス流
９信号制御機構
１０アーム
１１光ファイバ
１２レーザ集光部
１３レーザ出射部
２１粉末供給管
２２粉末供給切換え機構
２３粉末供給切換え信号線
３１内ノズル
３２外ノズル
４１粉末の流路
５１レーザ焦点位置
７１ガス供給管
９１上下駆動部制御信号線
９２粉末供給部上下位置決め機構
９３粉末供給部上下駆動部
９４角度調整部上下位置決め機構
９５角度調整部上下駆動部
９６シールドガスノズル位置決め機構
９７シールドガスノズル
９８外ノズル上下位置決め機構
９９角度調整部
１０１角度調整部材
１１０ホルダ
１１１粉末供給小ノズル
１１１Ａ内径１mmの粉末供給小ノズル
１１１Ｂ内径２mmの粉末供給小ノズル
１２０ガスノズル上下位置決め機構
１２１ガスノズル
１２２ガス流
１２３ガスの流路
Ｗｓレーザスポット径
Ｗ１，Ｗ２肉盛トラック幅
Ｌシールドガスノズルの下端と施工対象物表面との距離

Claims

施工対象物にレーザを照射するレーザ出射部と、レーザ出射部の外周部に設置され、施工対象物に向けて溶加材の粉末を吐出する粉末供給部とを備えたレーザ加工ヘッドにおいて、
前記粉末供給部は、供給される粉末の集中する位置を調整する位置調整機構と、供給される粉末の集中径を調整する粉末集中径調整機構とを備え、
前記位置調整機構と、前記粉末集中径調整機構を制御する制御部を備えたことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記位置調整機構は、粉末供給部と施工対象物との距離を調整する機構であり、前記粉末集中径調整機構は、粉末の吹き出し角を調整する機構であることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記粉末供給部は、レーザ光軸を中心とした同心円上に前記粉末を吐出するよう配置された複数の管状部品から構成されており、
前記粉末集中径調整機構は、前記管状部品のレーザ光軸に対する角度を調整する機構であることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
請求項３に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記複数の管状部品は、少なくとも二種の形状を有する管状部品を備えることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
請求項３に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記粉末供給部は、粉末供給を行う管状部品を選択する粉末供給切換え機構を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記粉末供給部は、レーザ光軸の外周に設けられた先端が円錐台状の内ノズルと、前記内ノズルの外周に設けられた先端が円錐台状の外ノズルを備え、前記内ノズルと外ノズルの間に粉末の流路が設けられており、
前記粉末集中径調整機構は、前記内ノズル及び外ノズルの先端部の相対位置を調整することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
請求項６に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記粉末供給部の外周に先端が円錐台状のガスノズルを備え、前記外ノズルとガスノズルの間にガス流路が設けられており、
前記ガスノズル及び前記外ノズルの先端部の相対位置を調整するガス流調整機構を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記粉末供給部の内側に、レーザ光軸と同一の中心軸を有する円筒状部品を備え、前記円筒状部品の内側をガス流路とし、前記円筒状部品の先端位置と施工対象物との距離を調整するシールドガス流調整機構を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記位置調整機構は、レーザ光軸方向に対し粉末供給部の位置を上下方向に変える機構であることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
施工対象物にレーザを照射し、前記施工対象物上のレーザ照射部に溶加材粉末を供給し、レーザ肉盛部を形成するレーザ肉盛方法において、
前記レーザの焦点位置と、前記供給される粉末の流れの最も集中する位置は、いずれもレーザ光軸上に設定されており、
前記レーザの焦点位置と、前記粉末の集中位置とを施工中に独立して制御することを特徴とするレーザ肉盛方法。
施工対象物にレーザを照射し、前記施工対象物上のレーザ照射部に溶加材粉末を供給し、レーザ肉盛部を形成するレーザ肉盛方法において、
前記レーザの焦点位置と、前記供給される粉末の流れの最も集中する位置は、いずれもレーザ光軸上に設定されており、
前記粉末の流れの最も集中した位置での集中径を施工中に制御することを特徴とするレーザ肉盛方法。
請求項１０に記載されたレーザ肉盛方法において、
前記粉末の流れの最も集中した位置での集中径を施工中に制御することを特徴とするレーザ肉盛方法。
請求項１０または１２のレーザ肉盛方法において、
粉末供給部のレーザ光軸方向の移動により前記粉末の流れの最も集中する位置を制御することを特徴とするレーザ肉盛方法。
請求項１１または１２のレーザ肉盛方法において、
前記粉末の流れの最も集中した位置での集中径は、供給される粉末の吹き出しの角度の変更により制御することを特徴とするレーザ肉盛方法。
請求項１０または１２のレーザ肉盛方法において、
前記粉末は複数の管状部品よりなる粉末の流路より供給され、
粉末供給部のレーザ光軸方向の移動により前記粉末の流れの最も集中する位置を制御することを特徴とするレーザ肉盛方法。
請求項１０ないし１２のいずれかに記載されたレーザ肉盛方法において、
前記粉末は、同心円状に配置された複数の管状部品で形成された粉末の流路より供給され、
前記管状部品のレーザ光軸に対する角度を変えて粉末の吹き出し角度を制御することを特徴とするレーザ肉盛方法。
請求項１０ないし１２のいずれかに記載されたレーザ肉盛方法において、
先端が円錐台状の内ノズルと外ノズルとで形成された間隙を流路として前記粉末を供給し、
レーザ光軸方向に前記内ノズルおよび外ノズルの先端の位置を調整して相対位置を変化させ、前記粉末の吹き出し角度を制御することを特徴とするレーザ肉盛方法。
請求項１０ないし１２のいずれかに記載されたレーザ肉盛方法において、
前記供給される粉末の流れの外側に設けられたガス流により、前記粉末の流れを調整することを特徴とするレーザ肉盛方法。
請求項１８に記載されたレーザ肉盛方法において、
外ノズルとガスノズルの先端の位置を調整して相対位置を変化させ、ガス流の角度を変更することで粉末の流れを調整することを特徴とするレーザ肉盛方法。
請求項１０ないし１２のいずれかに記載されたレーザ肉盛方法において、粉末供給部の内側に設けられた円筒状部品の下端位置と施工対象物の表面との距離を一定に保ちながら、ガスを前記円筒状部品から粉末流の内側を流れるように施工対象物表面に吹き付けることを特徴とするレーザ肉盛方法。