JP2011194442A - レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大出力レーザを用いた溶接においてプルームが激しく発生するような条件であっても、溶込み深さの増加と溶け込み深さの安定化を図ることのできるレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】レーザ照射によって材料表面にキーホールを形成し溶接を行うレーザ溶接装置であって、レーザを集光して前記材料に照射するための溶接ヘッドと、前記材料の溶接部に、酸化を防止するためのシールドガスを供給するシールドガス供給機構と、前記溶接ヘッドと前記シールドガス供給機構との間に設けられた吸引口からプルームを吸引する吸引機構と、プルームの状態を検出するためのプルーム検知機構と、前記検知機構による検知結果に応じて前記吸引機構による吸引量を変更する制御手段とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に関する。

従来のレーザ溶接装置の構成例を図６に示す。図６に示すように、レーザ溶接装置の溶接ヘッド１内にはレンズ２が設けられている。そして、光ファイバー３によって溶接ヘッド１内に導かれたレーザ４は、レンズ２によって集光され、材料２０の表面に照射される。これによって、材料２０を加熱、溶融して溶接を行う。

レンズ２で集光されたレーザ４は、１ｍｍ以下のスポットに集光されるため、非常に高いエネルギー密度で材料２０の表面に照射される。そのため、レーザ照射部は材料２０の沸点まで加熱されて激しい蒸発が起こり、その反発力でキーホール２１と呼ばれる空洞を形成して、深い溶込み深さの溶接が実現される。

近年、１０ｋＷ以上の大出力レーザが普及し始め、さらに深い溶込みが得られる溶接の実用化が見込まれている。このような大出力レーザを用いた場合、材料２０の激しい蒸発に伴って、プルーム２３やスパッター粒子２４が大量に発生する。このようなプルーム２３やスパッター粒子２４によって溶接ヘッド１が損傷を受けないように、通常は、レーザ４の照射方向に直交する向きにジェットガス５を噴出するジェットガス供給器６を設け、ジェットガス５によってプルーム２３及びスパッター粒子２４が溶接ヘッド１に付着することを防止している。

さらに、溶接品質を確保するために、溶接部２２を大気から保護できるように、シールドガスノズル７からシールドガス８を溶接部２２の表面に供給して、溶接部２２の表面酸化を防止している。

上述のように、大出力レーザを用いた溶接では、プルーム２３及びスパッター粒子２４への対策と溶接部２２のシールドという処置がなされている。しかしながら、このような構成のレーザ溶接装置では、大きく成長したプルーム２３の中をレーザ４が通過するため、プルーム２３によるレーザ４の吸収や屈折が起こり、深い溶込みを得ることが困難となり、溶込み深さの変動も発生する。

上記の問題を解決する一つの方法として、プルームを吸引する吸引装置を設けることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平３−２３４３９０号公報

しかしながら、例えば、プルームを吸引する吸引装置の吸引量を過大にすると、溶接部の表面酸化を防止するシールドガスまで吸引してしまい、溶接部の表面酸化が発生する可能性がある。一方、大出力レーザを用いた溶接等では、プルームが激しく発生する場合があり、このようなプルームを確実に除去することは容易ではない。このため、プルームによるレーザの吸収や屈折が起こり、深い溶込みを得ることが困難となるとともに溶込み深さが変動してしまうという問題があった。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものであり、大出力レーザを用いた溶接においてプルームが激しく発生するような条件であっても、溶込み深さの増加と溶け込み深さの安定化を図ることのできるレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供しようとするものである。

本発明のレーザ溶接装置の一態様は、レーザ照射によって材料表面にキーホールを形成し溶接を行うレーザ溶接装置であって、レーザを集光して前記材料に照射するための溶接ヘッドと、前記材料の溶接部に、酸化を防止するためのシールドガスを供給するシールドガス供給機構と、前記溶接ヘッドと前記シールドガス供給機構との間に設けられた吸引口からプルームを吸引する吸引機構と、プルームの状態を検出するためのプルーム検知機構と、前記プルーム検知機構による検知結果に応じて前記吸引機構による吸引量を変更する制御手段とを具備することを特徴とする。

本発明のレーザ溶接方法の一態様は、レーザ照射によって材料表面にキーホールを形成し溶接を行うレーザ溶接方法であって、前記レーザを集光して前記材料表面に照射する工程と、前記材料から発生するプルームを吸引機構によって吸引する吸引工程と、前記材料から発生するプルームの状態を検出するプルーム検知工程と、前記プルーム検知工程による検知結果に応じて前記吸引機構による吸引量を変更する工程とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、大出力レーザを用いた溶接においてプルームが激しく発生するような条件であっても、溶込み深さの増加と溶け込み深さの安定化を図ることのできるレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接装置の構成を模式的に示す図。 本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接装置の構成を模式的に示す図。 本発明の第３実施形態に係るレーザ溶接装置の構成を模式的に示す図。 図３のレーザ溶接装置の要部構成を模式的に示す図。 図３のレーザ溶接装置の要部構成を模式的に示す図。 従来のレーザ溶接装置の構成を模式的に示す図。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接装置の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、レーザ溶接装置１００は、溶接ヘッド１を具備しており、この溶接ヘッド１内にはレンズ２が設けられている。また、溶接ヘッド１には、図示しないレーザ光源からのレーザ４を導入するための光ファイバー３が接続されている。光ファイバー３によって溶接ヘッド１内に導かれたレーザ４は、レンズ２によって集光され、材料２０の表面に照射される。これによって、材料２０を加熱し、溶融して溶接を行う。

レンズ２で集光されたレーザ４は、１ｍｍ以下のスポットに集光されるため、非常に高いエネルギー密度で材料２０の表面に照射される。そのため、レーザ照射部は材料２０の沸点まで加熱されて激しい蒸発が起こり、その反発力でキーホール２１と呼ばれる空洞を形成して、深い溶込み深さの溶接が実現される。

溶接ヘッド１の先端部（図１中下側端部）には、レーザ４の光軸と直交する方向にジェットガス５を噴出すジェットガス供給器６が設けられている。この溶接ヘッド１は、図１中下側端部のレーザ４の射出部１ａが、材料２０の表面から、所定距離、例えば３００ｍｍ程度離れた位置にセットされる。

一方、上記溶接ヘッド１よりも材料２０に近接した位置に、溶接部２２の表面に不活性ガス等のシールドガス８を供給するシールドガスノズル７（噴射口７ａ）が配設されている。この第１の実施形態では、シールドガスノズル７は、溶接部２２に対して、斜め上方からシールドガスを供給するようになっている。このシールドガスノズル７から供給されるシールドガス８によって溶接部２２を大気から保護し、溶接部２２の表面酸化を防止するようになっている。

さらに、溶接ヘッド１と、シールドガスノズル７との間には、プルーム２３を吸引するための吸引ノズル１０が設けられている。すなわち、この吸引ノズル１０は、その先端に開口する吸引口１０ａから周囲の雰囲気とともにプルーム２３を吸引するようになっており、この吸引口１０ａの位置が、溶接ヘッド１の先端（射出部１ａ）と、シールドガスノズル７の噴射口７ａとの間に位置するように配設されている。なお、吸引ノズル１０は、吸引量を調節可能とされた吸引装置１１に接続されており、プルーム２３とともに、スパッター粒子も吸引する。

吸引ノズル１０の溶接ヘッド１側（図１中上側）の部位には、プルーム２３の状態を検出するためのプルーム検知機構１２が設けられている。プルーム検知機構１２としては、例えば、光センサー又は温度センサー等を使用することができ、本実施形態では、ＣＣＤカメラによって構成されている。このプルーム検知機構１２によって、吸引ノズル１０より溶接ヘッド１側の空間にプルーム２３が存在するか否か、及びプルーム２３の量を検出できるようになっている。なお、プルーム２３は、オレンジ色等に発光するので、その発光の強度及び発光している領域の面積等によって画像解析により、プルーム２３の量を検出することができる。

本実施形態では、吸引ノズル１０の溶接ヘッド１とは反対側（材料２０側）の部位に、プルーム２３の状態を検出するための第２プルーム検知機構１３が設けられている。この第２プルーム検知機構１３としては、例えば、光センサー又は温度センサー等を使用することができ、本実施形態では、ＣＣＤカメラによって構成されている。この第２プルーム検知機構１３によって、吸引ノズル１０より材料２０側の空間にプルーム２３が存在するか否か及びプルーム２３の量を検出できるようになっている。

プルーム検知機構１２及び第２プルーム検知機構１３の検出信号は、制御部１４に入力される。制御部１４では、第２プルーム検知機構１３からの検出信号によって、吸引ノズル１０より材料２０側の空間にプルーム２３の存在が検知されると、吸引装置１１を駆動して吸引ノズル１０からの吸引を開始する。この吸引装置１１の駆動を開始する際の吸引量は、所定の吸引量、例えば最小吸引量に設定される。

このように、吸引ノズル１０からの吸引を行っている際に、第２プルーム検知機構１３によってプルーム２３が検知され、プルーム検知機構１２によってプルーム２３が検知されない場合は、略全てのプルーム２３が吸引ノズル１０によって吸引され、吸引ノズル１０より溶接ヘッド１側の空間に、プルーム２３が存在しない（又はプルーム２３が非常に少ない）状態となっていることを示している。

また、上記の状態において、制御部１４は、プルーム検知機構１２からの検出信号によって、吸引ノズル１０より溶接ヘッド１側の空間にプルーム２３の存在が検知されると、吸引装置１１による吸引量を増加させて吸引ノズル１０からの吸引量を増加させる。この吸引量の増加は、プルーム検知機構１２によってプルーム２３が検知されなくなるまで行う。これによって、プルーム２３の発生量が増加した場合に、吸引しきれなかったプルーム２３を吸引して除去することができる。なお、吸引装置１１による吸引量を増加させた後、第２プルーム検知機構１３によってプルーム２３の発生量の低下が検知された場合は、吸引装置１１による吸引量を減少させて、吸引量増加前の元の状態に戻してもよい。

以上のとおり、第１実施形態のレーザ溶接装置１００では、溶接部２２からから発生するプルーム２３を大きく成長させずに途中で吸引することによって、レーザ４がプルーム２３内を通過する距離を短くし、プルーム２３によるレーザ４の吸収を低減することができる。また、プルーム２３の吸引状態を常時監視しながら、溶接中常に適切なプルーム吸引を実現することができるので、プルーム２３の状態変化によるレーザ吸収率の変化を低減することができ、材料２０に到達するレーザ４の出力を安定化することができる。これによって、溶接部２２の溶込み深さが深くなるとともに、深さの変動を小さくすることが可能となる。

なお、上記の第１実施形態のレーザ溶接装置１００では、吸引ノズル１０の部分に、プルーム検知機構１２及び第２プルーム検知機構１３を配設した場合について説明したが、プルーム検知機構の配置場所は、吸引ノズル１０の部分に限らず他の部位であってもよい。また、第２プルーム検知機構１３は、必ずしも必要ではなく、レーザ溶接装置１００の駆動時には、常に吸引ノズル１０からの吸引を行うようにしてもよい。

次に、図２を参照して、第２実施形態に係るレーザ溶接装置１００ａについて説明する。なお、この第２実施形態に係るレーザ溶接装置１００ａにおいて、図１に示した第１実施形態に係るレーザ溶接装置１００と同一の部分には、同一の符号を付して、重複した説明は省略する。

この第２実施形態のレーザ溶接装置１００ａでは、シールドガスノズル７の部分に、溶接部２２の表面を観察するための溶接部監視機構として、ＣＣＤカメラ１５が設けられており、溶接ビード表面の酸化状態を色彩で判断し、酸化しているか否かを検知することができるようになっている。

また、吸引ノズル１０には、吸引ノズル１０を移動させるための駆動機構１６が設けられており、図中矢印で示すように、吸引ノズル１０を、溶接ヘッド１側及び材料２０側（図２の上下方向）に移動させることができるようになっている。

上記構成の第２実施形態のレーザ溶接装置１００ａでは、第１実施形態のレーザ溶接装置１００と同様に、制御部１４ａが、プルーム検知機構１２及び第２プルーム検知機構１３の検出信号に基づいて吸引装置１１の駆動を制御する。これとともに、ＣＣＤカメラ１５からの検出信号に基づいて吸引ノズル駆動機構１６を駆動し、吸引ノズル１０の位置を制御する。

すなわち、ＣＣＤカメラ１５からの検出信号により、溶接部２２の表面が酸化していることが検出された場合は、吸引ノズル駆動機構１６を駆動して、吸引ノズル１０の位置を溶接ヘッド１側に移動させ、シールドガスノズル７から遠ざける。これによって、シールドガスノズル７から溶接部２２に供給されるシールドガス８が、吸引ノズル１０によって吸引されてしまうことを抑制し、溶接部２２が確実にシールドガス８によって覆われた状態としてシールド効果を高め、溶接部２２の酸化を抑制する。

以上のとおり、第２実施形態のレーザ溶接装置１００ａでは、第１実施形態のレーザ溶接装置１００と同様な効果を奏することができるとともに、溶接部２２のシールド状態も安定化させることができ、溶接部２２の表面の酸化を防止して、高品質な溶接を実現することができる。

次に、図３を参照して第３実施形態に係るレーザ溶接装置１００ｂの構成について説明する。なお、この第３実施形態に係るレーザ溶接装置１００ｂにおいて、図１に示した第１実施形態に係るレーザ溶接装置１００と同一の部分には、同一の符号を付して、重複した説明は省略する。

この第３実施形態のレーザ溶接装置１００ｂでは、プルーム２３を吸引するための吸引ノズル３０が、中央部にレーザ４を通過させるための開口３１を有し、この開口３１の周囲の環状の領域に複数の吸引口３２が形成された構造となっている。これらの吸引口３２は、開口３１内の側壁面と、開口３１外側の図３中の下側面に形成されている。なお、図３中の下側面に形成された吸引口３２は、図４に示すように、同心円状に形成されたスリット３２ａから構成してもよく、図５に示すように、複数の円孔３２ｂから構成してもよい。

また、シールドガス８を供給するためのシールドガスノズル４０も、上記吸引ノズル３０と同様に構成されており、中央部にレーザ４を通過させるための開口４１を有し、この開口４１の周囲の環状の領域に複数のガス噴出口４２が形成された構造となっている。これらの噴出口４２は、開口４１の外側の図３中の下側面にのみ形成されている。噴出口４２も、図４に示すように、同心円状に形成されたスリット４２ａから構成してもよく、図５に示すように、複数の円孔４２ｂから構成してもよい。

上記構成の第３実施形態のレーザ溶接装置１００ｂでは、第１実施形態のレーザ溶接装置１００と同様に、制御部１４が、プルーム検知機構１２及び第２プルーム検知機構１３の検出信号に基づいて吸引装置１１の駆動を制御する。これによって、第１実施形態のレーザ溶接装置１００と同様な効果を奏することができる。

さらに、第３実施形態のレーザ溶接装置１００ｂでは、吸引ノズル３０が、レーザ４の周囲の環状の領域から、プルーム２３を吸引するようになっており、かつ、シールドガスノズル４０も、レーザ４の周囲の環状の領域から、シールドガス８を供給するようになっている。したがって、溶接方向による方向性がなくなり、溶接方向が変化しても、プルーム２３の吸引の状態及び溶接部２２のシールドの状態を、常に一定の状態に保つことができ、深い溶込みが安定して得られ、さらに、溶接部表面の酸化を防止して高品質な溶接を実現することができる。

なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは、勿論である。

１……溶接ヘッド、２……レンズ、３……光ファイバー、４……レーザ、５……ジェットガス、６……ジェットガス供給器、７……シールドガスノズル、８……シールドガス、１０……吸引ノズル、１１……吸引装置、１２……プルーム検知機構、１３……第２プルーム検知機構、１４……制御部、２０……材料、２１……キーホール、２２……溶接部、２３……プルーム。

Claims (7)

1. レーザ照射によって材料表面にキーホールを形成し溶接を行うレーザ溶接装置であって、
   レーザを集光して前記材料に照射するための溶接ヘッドと、
   前記材料の溶接部に、酸化を防止するためのシールドガスを供給するシールドガス供給機構と、
   前記溶接ヘッドと前記シールドガス供給機構との間に設けられた吸引口からプルームを吸引する吸引機構と、
   プルームの状態を検出するためのプルーム検知機構と、
   前記プルーム検知機構による検知結果に応じて前記吸引機構による吸引量を変更する制御手段と
   を具備することを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 請求項１記載のレーザ溶接装置であって、
   前記プルーム検知機構は、前記吸引口より前記溶接ヘッド側の空間のプルームを検出し、
   前記制御手段は、前記プルーム検知機構によってプルームが検出された場合は、前記吸引機構による吸引量を増加させる
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
3. 請求項２記載のレーザ溶接装置であって、
   前記吸引口と前記材料との間の空間のプルームを検出する第２のプルーム検知機構をさらに具備する
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載のレーザ溶接装置であって、
   前記プルーム検知機構が、光センサー又は温度センサーから構成されている
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
5. 請求項１〜４いずれか１項記載のレーザ溶接装置であって、
   前記材料の溶接部表面の酸化の有無を検出する溶接部監視機構と、
   前記溶接部監視機構の検出結果に応じて前記吸引口の位置を移動させる駆動装置と
   をさらに具備することを特徴とするレーザ溶接装置。
6. 請求項１〜４いずれか１項記載のレーザ溶接装置であって、
   前記シールドガス供給機構は、前記溶接ヘッドからのレーザを通過させる開口の周囲の環状の領域に設けられたシールドガス噴出口からシールドガスを供給するよう構成され、
   前記吸引機構は、前記溶接ヘッドからのレーザを通過させる開口の周囲の環状の領域に設けられた前記吸引口から吸引するよう構成されている
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
7. レーザ照射によって材料表面にキーホールを形成し溶接を行うレーザ溶接方法であって、
   前記レーザを集光して前記材料表面に照射する工程と、
   前記材料から発生するプルームを吸引機構によって吸引する吸引工程と、
   前記材料から発生するプルームの状態を検出するプルーム検知工程と、
   前記プルーム検知工程による検知結果に応じて前記吸引機構による吸引量を変更する工程と
   を具備することを特徴とするレーザ溶接方法。

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