JP2017001068A - レーザー溶接装置および接合体を生産する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの表面からレーザー光を放射する加工ヘッドまでの距離を維持し、ワークの表面を溶接線に沿って均一にレーザー溶接する。【解決手段】レーザー溶接装置は、加工ヘッド、維持機構及び走査機構を備える。加工ヘッドは、レーザー光を放射する。維持機構は、ワークの表面から加工ヘッドまでの距離を一定に維持する。走査機構は、レーザー光の照射点でワークの表面を走査させる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー溶接装置および接合体を生産する方法に関する。

円筒状のワークの外周面を周方向に伸びる溶接線に沿ってレーザー溶接する場合は、円筒状のワークの外周面にレーザー光を照射しながら円筒状のワークを中心軸の周りに回転させ円筒状のワークの外周面をレーザー光の照射点で周方向に走査することが多い。特許文献１に記載された技術は、その一例である。

特開２０１０−０５８１２４号公報

特許文献１に記載された技術に代表される従来の技術においては、円筒状のワークの外周面を周方向に伸びる溶接線に沿ってレーザー溶接できるが、レーザー溶接を均一に行うことができない場合がある。レーザー溶接を均一に行うことができないのは、円筒状のワークの外周面が完全な円周面でない等の原因により、円筒状のワークの外周面からレーザー光を放射する加工ヘッドまでの距離が変動し、レーザー光が円筒状のワークの外周面において焦点を結ぶ状態を維持できないためである。この問題は、円筒状のワークの外周面を溶接線に沿ってレーザー溶接する場合だけでなく、円筒状でないワークの表面を溶接線に沿ってレーザー溶接する場合にも生じる。

本発明は、この問題を解決するためになされる。本発明が解決しようとする課題は、ワークの表面からレーザー光を放射する加工ヘッドまでの距離を一定に維持し、ワークの表面を溶接線に沿って均一にレーザー溶接することである。

レーザー溶接装置は、加工ヘッド、維持機構及び走査機構を備える。加工ヘッドは、レーザー光を放射する。維持機構は、ワークの表面から加工ヘッドまでの距離を一定に維持する。走査機構は、レーザー光の照射点にワークの表面を走査させる。

本発明によれば、ワークの表面からレーザー光を放射する加工ヘッドまでの距離が維持され、ワークの表面が溶接線に沿って均一にレーザー溶接される。

これらのおよびこれら以外の本発明の目的、特徴、局面および利点は、添付された図面とともに下記の発明の詳細な説明を考慮することにより、さらに明白になる。

レーザー溶接装置およびワークを示す模式図である。 雰囲気保持治具およびワークを示す模式図である。

１ 概略
図１は、レーザー溶接装置およびワークを示す模式図である。

レーザー溶接装置１０００は、図１に示されるように、雰囲気保持治具１０２０、照射機構１０２１、供給機構１０２２および回転機構１０２３を備える。ワーク１０４０は、図１に示されるように、円板状の構造物１０６０および円筒状の構造物１０６１を備える。

レーザー溶接装置１０００においては、回転機構１０２３がワーク１０４０の中心軸１０８０の周りにワーク１０４０を回転させ、照射機構１０２１が雰囲気保持治具１０２０を経由してワーク１０４０の外周面１１２０にレーザー光１１４０を照射する。これにより、雰囲気保持治具１０２０およびレーザー光１１４０の照射点１１６０がワーク１０４０における周方向にワーク１０４０の外周面１１２０に対して相対移動し、ワーク１０４０の外周面１１２０がワーク１０４０における周方向にレーザー光１１４０の照射点１１６０で走査され、円板状の構造物１０６０がワーク１０４０における周方向の全体にわたって円筒状の構造物１０６１にレーザー溶接される。回転機構１０２３は、ワーク１０４０の外周面１１２０をワーク１０４０における周方向にレーザー光１１４０の照射点１１６０に走査させる走査機構をなす。ワーク１０４０の中心軸１０８０の周りにワーク１０４０を回転させることに代えて、または、ワーク１０４０の中心軸１０８０の周りにワーク１０４０を回転させることに加えて、ワーク１０４０の中心軸１０８０の周りに雰囲気保持治具１０２０およびレーザー光１１４０の照射点１１６０を回転させることにより、雰囲気保持治具１０２０およびレーザー光１１４０の照射点１１６０をワーク１０４０における周方向にワーク１０４０の外周面１１２０に対して相対移動させてもよい。

レーザー溶接装置１０００においては、雰囲気保持治具１０２０がワーク１０４０の外周面１１２０に密着し、供給機構１０２２が雰囲気保持治具１０２０に窒素ガスを供給する。これにより、レーザー光１１４０の照射点１１６０の近傍から窒素ガス以外のガスが排除され、ワーク１０４０の酸化等の雰囲気に起因するワーク１０４０の変質が抑制される。窒素ガスが他の種類のシールドガスに変更されてもよい。例えば、窒素ガスがアルゴンガス、ヘリウムガス等に変更されてもよい。雰囲気保持治具１０２０は、ワーク１０４０の全体を覆うことなく、レーザー光１１４０の照射点１１６０の付近のみを局所的に覆う。このことは、レーザー溶接装置１０００を小型にし消費されるシールドガスを減らすことに寄与する。

ワーク１０４０においては、円板状の構造物１０６０が円筒状の構造物１０６１の一端１１８０に仮装着される。ワーク１０４０の外周面１１２０は、ワーク１０４０の表面１１００の一部を占め、円周面状である。レーザー溶接装置１０００は、円筒容器状の接合体を生産するために用いられる。円筒容器状の接合体は、レーザー溶接装置１０００を用いて円板状の構造物１０６０を円筒状の構造物１０６１の一端１１８０にレーザー溶接することにより生産される。円筒容器状の接合体は、市場に流通する製品または中間製品であってもよいし、市場に流通する製品または中間製品を生産する途上で生産される仕掛品であってもよい。

２ 雰囲気保持治具
図２は、雰囲気保持治具およびワークを示す模式図であり、断面図である。

雰囲気保持治具１０２０の表面１２００は、図２に示されるように、接触領域１２２０、非接触領域１２２１、開口１２２２および排気口１２２５を有する。雰囲気保持治具１０２０には、凹部１２４０および排気路１２４３が形成される。

接触領域１２２０は、ワーク１０４０の外周面１１２０に接触する。非接触領域１２２１は、ワーク１０４０の表面１１００に接触しない。

開口１２２２は、接触領域１２２０に囲まれる。接触領域１２２０がワーク１０４０の外周面１１２０に接触した場合は、ワーク１０４０の外周面１１２０で開口１２２２が閉塞される。凹部１２４０は開口１２２２に露出するが、開口１２２２がワーク１０４０の外周面１１２０で閉塞された場合は、開口１２２２を経由して凹部１２４０から窒素ガスが流出することが抑制され、開口１２２２を経由して凹部１２４０に大気が流入することが抑制される。

排気口１２２５は、非接触領域１２２１に囲まれる。これにより、ワーク１０４０と干渉せずに排気口１２２５から窒素ガスを排出できる。

排気路１２４３は、第１の区間１２８０および第２の区間１２８１を有する。第１の区間１２８０は、凹部１２４０寄りにあり、一定の径を有する。第１の区間１２８０が省略されてもよい。第２の区間１２８１は、排気口１２２５寄りにあり、排気口１２２５に近づくにつれて大きくなる径を有する。したがって、第２の区間１２８１は、排気口１２２５に近づくにつれて広がる。

供給機構１０２２が雰囲気保持治具１０２０に窒素ガスを供給した場合は、凹部１２４０を経由して排気口１２２５まで窒素ガスが流れる。凹部１２４０に流入した窒素ガスは、排気路１２４３を通って排気口１２２５から流出する。これにより、凹部１２４０から窒素ガス以外のガスが排除される。

図２に示される排気のための構造によれば、窒素ガス以外のガスが凹部１２４０から効率的に排除される。しかし、排気のための構造が変更されてもよい。例えば、排気路１２４３以外の排気路が形成されてもよい。

開口１２２２は、排気口１２２５から見通される。このため、照射機構１０２１が排気口１２２５にレーザー光１１４０を入射させた場合は、排気口１２２５から排気路１２４３および凹部１２４０を順次に経由して開口１２２２を閉塞するワーク１０４０の外周面１１２０までレーザー光１１４０を伝搬させることができ、開口１２２２を閉塞するワーク１０４０の外周面１１２０にレーザー光１１４０を照射できる。

３ 照射機構
照射機構１０２１は、図１に示されるように、加工ヘッド１３４０および維持機構１３４１を備える。

加工ヘッド１３４０は、レーザー光１１４０を放射する。加工ヘッド１３４０が放射するレーザー光１１４０は、焦点を結ぶように収束させられる。

維持機構１３４１は、ワーク１０４０の外周面１１２０から加工ヘッド１３４０までの距離を一定に維持する。これにより、ワーク１０４０の外周面１１２０が完全な円周面でない場合でも、レーザー光１１４０がワーク１０４０の外周面１１２０において焦点を結ぶように照射機構１０２１が調整された後は、レーザー光１１４０がワーク１０４０の外周面１１２０において焦点を結ぶ状態が維持され、円板状の構造物１０６０がワーク１０４０における周方向の全体にわたって円筒状の構造物１０６１に均一にレーザー溶接される。

維持機構１３４１は、ステージ１３６０、ローラー１３６１、コイルばね１３６２、第１の台１３６３、第２の台１３６４およびエアシリンダー１３６５を備える。ステージ１３６０は、テーブル１３８０、ベース１３８１および車輪１３８２を備える。第１の台１３６３は、本体１４００および車輪１４０１を備える。

加工ヘッド１３４０は、テーブル１３８０の上面に結合される。ローラー１３６１は、ベース１３８１に結合される。ローラー１３６１は、ステージ１３６０を介して加工ヘッド１３４０に結合される。これにより、加工ヘッド１３４０、ステージ１３６０およびローラー１３６１からなる結合体１４１０が形成され、加工ヘッド１３４０、ステージ１３６０およびローラー１３６１を一体的に動かすことができる。

ステージ１３６０においては、ベース１３８１の上面にテーブル１３８０が載せられ、ベース１３８１に対してテーブル１３８０が可動になっている。ベース１３８１に対してテーブル１３８０が動く方向は、ワーク１０４０における径方向のみに制限される。レーザー溶接装置１０００においては、レーザー溶接に先立って、レーザー光１１４０がワーク１０４０の外周面１１２０において焦点を結ぶようにレーザー光１１４０の焦点位置が微調整される。焦点位置の微調整においては、ローラー１３６１をワーク１０４０の外周面１１２０に接触させた状態においてレーザー光１１４０がワーク１０４０の外周面１１２０において焦点を結ぶようにベース１３８１に対するテーブル１３８０の位置が微調整される。焦点位置の微調整が完了した後は、ベース１３８１に対してテーブル１３８０が固定される。

ステージ１３６０は、焦点位置を微調整するために設けられる。このため、加工ヘッド１３４０において焦点位置を微調整できる場合等においては、ステージ１３６０が省略されローラー１３６１が加工ヘッド１３４０に直接的に結合されてもよいし、ローラー１３６１がステージ１３６０以外の構成物を介して加工ヘッド１３４０に結合されてもよい。

ローラー１３６１は、ワーク１０４０の外周面１１２０に接触し、ワーク１０４０の外周面１１２０の位置を検出する。

ローラー１３６１は、円板状の回転体１４２０を備える。回転体１４２０は、回転体１４２０の中心軸１４３０の周りに回転できるようにベース１３８１に結合される。回転体１４２０の中心軸１４３０は、ワーク１０４０の中心軸１０８０と平行をなす。維持機構１３４１がワーク１０４０の外周面１１２０から加工ヘッド１３４０までの距離を一定に維持する場合は、回転体１４２０の外周面１４４０がワーク１０４０の外周面１１２０に接触し、ワーク１０４０の回転に応じて回転体１４２０も回転する。回転体１４２０が回転することにより、ワーク１０４０の外周面１１２０に傷がつきにくくなる。円板状の回転体１４２０が球状の回転体に置き換えられてもよい。ワーク１０４０が硬い場合、ワーク１０４０の外周面１１２０が滑りやすい場合等においては、ローラー１３６１のような回転する接触子が回転しない接触子に置き換えられてもよい。

ローラー１３６１は、レーザー光１１４０の照射点１１６０から見てワーク１０４０における軸方向下側にある。ローラー１３６１がレーザー光１１４０の照射点１１６０から見てワーク１０４０における軸方向上側にあってもよい。

車輪１３８２は、ベース１３８１の下面に装着される。ステージ１３６０は、第１の台１３６３の上面に乗せられる。車輪１３８２は、ベース１３８１の下面と第１の台１３６３の上面との間にある。これにより、ステージ１３６０がワーク１０４０における径方向に第１の台１３６３に対して可動になり、結合体１４１０がワーク１０４０の外周面１１２０からの距離が変化する方向に可動になる。車輪１３８２が他の種類の可動化機構に置き換えられてもよい。例えば、車輪１３８２がリニアガイド等に置き換えられてもよい。

コイルばね１３６２の伸縮方向は、ワーク１０４０における径方向と一致する。コイルばね１３６２の一端は、ベース１３８１に結合される。コイルばね１３６２の一端がベース１３８１以外の結合体１４１０の構成物に結合されてもよい。例えば、コイルばね１３６２の一端がテーブル１３８０または加工ヘッド１３４０に結合されてもよい。コイルばね１３６２の他端は、第１の台１３６３に結合される。コイルばね１３６２は、ワーク１０４０における径方向内側にステージ１３６０を弾性的に押圧する。これにより、ワーク１０４０の外周面１１２０からの距離が短くなる方向に結合体１４１０が弾性的に押圧され、ローラー１３６１がワーク１０４０の外周面１１２０に接触する状態が維持される。コイルばね１３６２が他の種類の押圧機構に置き換えられてもよい。例えば、コイルばね１３６２が板ばね、ゴム片等に置き換えられてもよい。

車輪１４０１は、本体１４００の下面に装着される。第１の台１３６３は、第２の台１３６４の上面に乗せられる。車輪１４０１は、本体１４００の下面と第２の台１３６４の上面との間にある。これにより、第１の台１３６３がワーク１０４０における径方向に第２の台１３６４に対して可動になり、第１の台１３６３および結合体１４１０がワーク１０４０における径方向に可動になる。

エアシリンダー１３６５は、第１の台１３６３をワーク１０４０における径方向に動かす。エアシリンダー１３６５は、レーザー溶接が行われる場合に第１の台１３６３を溶接位置まで前進させ、溶接が行われない場合に第１の台１３６３を退避位置まで後退させる。第１の台１３６３が溶接位置に配置された場合は、ローラー１３６１がワーク１０４０の外周面１１２０に接触する。第１の台１３６３が退避位置に配置された場合は、ローラー１３６１がワーク１０４０の外周面１１２０から離れる。エアシリンダー１３６５が他の種類の移動機構に置き換えられてもよい。例えば、エアシリンダー１３６５が電磁アクチュエーターに置き換えられてもよい。

４ レーザー溶接装置の転用
レーザー溶接装置１０００は、円筒容器状の接合体以外の接合体の生産にも転用される。一般的に言えば、レーザー溶接装置１０００は、一の構造物が他の構造物にレーザー溶接された接合体の生産に転用される。レーザー溶接装置１０００が転用される場合は、ワークの表面の形状に適合する接触領域を有する雰囲気保持治具が準備される。溶接線の形状が環状でない場合は、回転機構１０２３が、回転以外の動きをワークにさせる機構に置き換えられる。

上記の発明の詳細な説明は、全部の局面において例示であって本発明を限定しない。したがって、本発明の範囲からはずれることなく無数の修正および変形が案出されうる。

１０００ レーザー溶接装置
１０２０ 雰囲気保持治具
１０２１ 照射機構
１０２２ 供給機構
１０２３ 回転機構
１０４０ ワーク
１３４０ 加工ヘッド
１３４１ 維持機構
１３６１ ローラー
１３６２ コイルばね

レーザー溶接装置は、加工ヘッド、維持機構、走査機構、雰囲気保持治具および供給機構を備える。加工ヘッドは、レーザー光を放射する。維持機構は、ワークの表面から加工ヘッドまでの距離を一定に維持する。走査機構は、レーザー光の照射点にワークの表面を走査させる。雰囲気保持治具は、表面を有する。表面は、接触領域、非接触領域、開口および排気口を有する。接触領域は、ワークの表面に接触する。非接触領域は、ワークの表面に接触しない。開口は、接触領域に囲まれ、接触領域がワークの表面に接触した場合にワークの表面で閉塞される。排気口は、非接触領域に囲まれる。雰囲気保持治具には、凹部が形成される。凹部は、開口に露出し、排気口に通じる。排気口からは開口が見通される。供給機構は、雰囲気保持治具にシールドガスを供給し、凹部を経由して排気口までシールドガスを流す。
加工ヘッドは、排気口にレーザー光を入射させ、排気口から凹部を経由して開口までレーザー光を伝搬させ、開口を閉塞するワークの表面にレーザー光を照射する。
維持機構は、接触子、可動化機構および押圧機構を備える。接触子は、ワークの表面に接触し加工ヘッドに結合され加工ヘッドと結合体を構成する。可動化機構は、ワークの表面からの距離が変化する方向に結合体を可動にする。押圧機構は、ワークの表面からの距離が短くなる方向に結合体を弾性的に押圧する。

Claims (6)

1. レーザー光を放射する加工ヘッドと、
   ワークの表面から前記加工ヘッドまでの距離を一定に維持する維持機構と、
   レーザー光の照射点にワークの表面を走査させる走査機構と、
   を備える
   レーザー溶接装置。
2. 前記維持機構は、
   ワークの表面に接触し前記加工ヘッドに結合され前記加工ヘッドと結合体を構成する接触子と、
   ワークの表面からの距離が変化する方向に前記結合体を可動にする可動化機構と、
   ワークの表面からの距離が短くなる方向に前記結合体を弾性的に押圧する押圧機構と、
   を備える
   請求項１のレーザー溶接装置。
3. 表面を有し、前記表面が接触領域、非接触領域、開口および排気口を有し、前記接触領域がワークの表面に接触し、前記非接触領域がワークの表面に接触せず、前記開口が前記接触領域に囲まれ、前記接触領域がワークの表面に接触した場合にワークの表面で前記開口が閉塞され、前記排気口が前記非接触領域に囲まれ、凹部が形成され、前記凹部が前記開口に露出し、前記凹部が前記排気口に通じ、前記排気口から前記開口が見通される雰囲気保持治具と、
   前記雰囲気保持治具にシールドガスを供給し、前記凹部を経由して前記排気口までシールドガスを流す供給機構と、
   をさらに備え、
   前記加工ヘッドは、前記排気口にレーザー光を入射させ、前記排気口から前記凹部を経由して前記開口までレーザー光を伝搬させ、前記開口を閉塞するワークの表面にレーザー光を照射する
   を備える請求項１または２のレーザー溶接装置。
4. 前記雰囲気保持治具に排気路が形成され、
   前記排気路は、前記凹部から前記排気口へ至り、前記排気口に近づくにつれて広がる区間を有する
   請求項３のレーザー溶接装置。
5. ワークの表面が、円周面状である外周面を有し、
   前記走査機構が、前記雰囲気保持治具およびレーザー光の照射点をワークにおける周方向にワークの外周面に対して相対移動させる回転機構であり、
   前記接触領域がワークの外周面に接触する
   請求項３または４のレーザー溶接装置。
6. (a) 第１の構造物、第２の構造物および請求項１から５までのいずれかのレーザー溶接装置を準備する工程と、
   (b) 前記レーザー溶接装置を用いて前記第１の構造物を前記第２の構造物にレーザー溶接し接合体を作製する工程と、
   を備える接合体を生産する方法。

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