JP2017205788A - Laser welding device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザー光を対象物に照射して溶接を行うためのもので、特に加工ヘッドを手で支持して溶接作業をする場合に適する小型化されたレーザー溶接装置に関する。 The present invention relates to welding performed by irradiating an object with laser light, and more particularly to a miniaturized laser welding apparatus suitable for welding work with a processing head supported by hand.
レーザーー溶接装置は、レーザー光を対象物の溶接部分に照射して該当部分を溶融し融着させる。レーザーー溶接装置では、集光レンズにより溶接部分にレーザー光を集めてエネルギーを集中させる。例えば、既知の特許文献1には、レーザー光のビームスポットを、溶接部分で所定の半径で回転させることにより、幅の広いビード面を得るという技術が紹介されている。こうした技術により、溶接部分が均一に加熱されて高品質の溶接が可能になる。 The laser welding apparatus irradiates a welding portion of an object with a laser beam to melt and fuse the corresponding portion. In a laser welding apparatus, a laser beam is collected on a welding portion by a condenser lens to concentrate energy. For example, Patent Document 1 discloses a technique for obtaining a wide bead surface by rotating a beam spot of a laser beam with a predetermined radius at a welded portion. With such a technique, the welded portion is uniformly heated and high-quality welding is possible.
既知の従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。
上記の特許文献1では、加工ヘッドに設けられたレーザー光の集光用のレンズを偏心させて回転させる。これにより、ビームスポットは偏心しただけの幅で回転する。ビームスポットを回転させながら溶接部分に沿って加工ヘッドを移動させると、所定の幅のビード面を形成することができる。
なお、高品質な溶接のためには、ビード面全体にできるだけ均一に万遍なくビームスポットを走らせたい。これにはレンズを可能な限り高速回転させることが好ましい。しかし、レンズの光路上に軸受けを設けられないので、機構上高速化に限界がある。また、溶接対象物の構造や物性に応じて、ビード面の幅を増減したい場合がある。これにはレンズの回転中心をシフトさせればよいが、比較的機構が複雑になる。本発明は以上の課題を解決するためになされたものである。
The known prior art has the following problems to be solved.
In the above-mentioned Patent Document 1, a laser beam condensing lens provided in a machining head is decentered and rotated. As a result, the beam spot rotates with an eccentric width. When the machining head is moved along the welded part while rotating the beam spot, a bead surface having a predetermined width can be formed.
For high-quality welding, we want the beam spot to run as uniformly as possible over the entire bead surface. For this, it is preferable to rotate the lens as fast as possible. However, since a bearing cannot be provided on the optical path of the lens, there is a limit in speeding up the mechanism. In some cases, the width of the bead surface may be increased or decreased depending on the structure or physical properties of the welding object. This can be achieved by shifting the center of rotation of the lens, but the mechanism is relatively complicated. The present invention has been made to solve the above problems.
以下の構成はそれぞれ上記の課題を解決するための手段である。 The following configurations are means for solving the above-described problems.
<構成1>
レーザー光を溶接面に絞り込むための集光レンズと、
この集光レンズと一体化されたレンズフォルダと、
このレンズフォルダを、上記レーザー光の光軸に垂直な基準面内で自由に一定の幅だけ移動出来るように可動領域を設定する支持台と、
上記レンズフォルダに固定されて振動し、このレンズフォルダを上記可動領域内でランダムに振動するように移動させる振動体とを備えたことを特徴とするレーザー装置。
<Configuration 1>
A condensing lens for narrowing the laser beam to the welding surface;
A lens folder integrated with the condenser lens;
A support base that sets a movable region so that the lens folder can be freely moved by a certain width within a reference plane perpendicular to the optical axis of the laser beam;
A laser device comprising: a vibrating body that is fixed to the lens folder and vibrates and moves the lens folder so as to vibrate randomly within the movable region.
<構成2>
上記支持体は、上記レンズフォルダを、上記基準面内での移動に加えて上記レーザー光の光軸に平行な方向に一定の幅だけ移動できるように可動領域を設定することを特徴とする構成1に記載のレーザー装置。
<
The support has a movable region set so that the lens folder can be moved by a certain width in a direction parallel to the optical axis of the laser beam in addition to the movement in the reference plane. The laser apparatus according to 1.
<構成3>
上記振動体は重心が偏心した回転駆動軸を有する振動モータであって、発生した振動のみを上記レンズフォルダに伝達するように上記レンズフォルダに固定されていることを特徴とする構成1または2に記載のレーザー装置。
<Configuration 3>
In the
<構成4>
上記レンズフォルダが可動領域内で移動できる幅を変更する調整機構が設けられていることを特徴とする構成1乃至3のいずれかに記載のレーザー装置。
<
4. The laser device according to any one of configurations 1 to 3, wherein an adjustment mechanism is provided for changing a width in which the lens folder can move within the movable region.
<構成5>
上記レンズと上記振動体を固定したレンズフォルダとを冷却するためのガス通路を上記支持体に設けたことを特徴とする構成1乃至4のいずれかに記載のレーザー装置。
<Configuration 5>
5. The laser device according to any one of configurations 1 to 4, wherein a gas passage for cooling the lens and the lens folder to which the vibrating body is fixed is provided in the support.
<構成6>
上記支持体は上記レンズフォルダを弾力により支持する弾性体からなることを特徴とする構成1乃至5のいずれかに記載のレーザー装置。
<Configuration 6>
6. The laser device according to claim 1, wherein the support is made of an elastic body that supports the lens folder by elasticity.
<構成1の効果>
レンズフォルダに振動体を固定して、レンズフォルダを上記可動領域内でランダムに振動するように移動させる。レーザー光のビームスポットを一定の幅で万遍なく振幅させることができ、振幅や振動周波数の選択も容易である。
<構成2の効果>
ビームスポットを3次元的にランダムに振動させて、複雑な形状の溶接部分を万遍なく溶接できる。
<構成3の効果>
既知の振動モータをレンズフォルダに固定すると、発生した振動のみをレンズフォルダに伝達できる。レンズフォルダは支持台により設定された可動領域内で、ランダムに高速振動する。
<構成4の効果>
レンズフォルダは、可動領域内で自由に移動出来るから、調整機構で移動幅を変更すれば、簡単にレーザースポットの振動幅を増減できる。
<構成5の効果>
レンズやレンズフォルダに加わる溶接部分からの輻射熱を、溶接部分に供給される不活性ガスで冷却することができる。レンズフォルダが振動しているので冷却効率がよい。
<構成6の効果>
レンズフォルダを弾力により支持するので、加工ヘッドを持つ作業者の手に響く振動や振動音を和らげることができる。
<Effect of Configuration 1>
A vibrating body is fixed to the lens folder, and the lens folder is moved so as to vibrate randomly within the movable region. The beam spot of the laser beam can be uniformly amplified with a constant width, and the selection of the amplitude and vibration frequency is easy.
<Effect of
The beam spot can be randomly vibrated three-dimensionally, and welds with complicated shapes can be welded evenly.
<Effect of Configuration 3>
When a known vibration motor is fixed to the lens folder, only the generated vibration can be transmitted to the lens folder. The lens folder vibrates randomly at high speed within the movable region set by the support base.
<Effect of
Since the lens folder can move freely within the movable region, the vibration width of the laser spot can be easily increased or decreased by changing the moving width with the adjusting mechanism.
<Effect of Configuration 5>
Radiant heat from the welded portion applied to the lens or the lens holder can be cooled by an inert gas supplied to the welded portion. Cooling efficiency is good because the lens folder vibrates.
<Effect of Configuration 6>
Since the lens folder is supported by elasticity, vibrations and vibration sounds that resonate with the hand of the worker holding the processing head can be reduced.
以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail for each example.
図1は、本発明の実施に適するレーザー溶接装置の加工ヘッドの概略縦断面図である。
この実施例の加工ヘッド12は、作業者が手で支持して溶接作業をし易いように、先の折れ曲がった形状をしている。図1(a)に示すように、加工ヘッド12は、レーザーガイド14から入力するレーザービーム16を平行光にする受光レンズ18と、その光路を集光レンズ22の方向に向けるミラー20と、レーザービーム16を溶接対象物26の溶接面に絞り込む集光レンズ22とを備える。折れ曲がった部分の無い加工ヘッドの場合には、ミラー20が無い。集光レンズ22の直径は例えば15mm程度である。レーザービーム16は、溶接対象物26の溶接面上で、例えば、直径数百ミクロンのサイズに絞り込まれる。
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a processing head of a laser welding apparatus suitable for carrying out the present invention.
The
この発明では、ビームスポット24が次の機構によりランダムに、例えば、幅1mmの範囲で振動する。図1(b)に示すように、集光レンズ22は、金属あるいは耐熱プラスチック製のレンズフォルダ28と一体化されている。レンズフォルダ28の内部には、振動モーター32が収容されている。振動モーター32は既知のものを使用でき、重心が偏心した回転駆動軸を有し、電気で駆動される。レンズフォルダ28と一体に振動する振動体であれば何でも利用できるが、携帯電話で多用されている振動モーター32は、小型軽量で堅牢で制御が容易であることから、最も適している。
In the present invention, the
レンズフォルダ28に収容された振動モーター32は、レンズフォルダ28と一体化されているので、発生した振動のみをレンズフォルダ28に伝達する。レンズフォルダ28は、加工ヘッド12の内部で支持体30に支持されている。支持体30は、レンズフォルダ28を、予め設定した可動領域内で自由に移動できるように支持する。
Since the
図1(b)の実施例では、レンズフォルダ28を支持体30で支持している。この図では、支持体30の左右の部分だけを図示し、中間部分は図示を省略した。図1(c)はその縦断面図である。この図に示すように、支持体30によりX−Y−Z方向の可動領域を設定する。図に示した調節機構35は図1(c)に示すように、例えば、ネジにより実現する。このネジは、X方向の可動領域の幅を調整するためのものである。Y方向やZ方向の可動領域の幅も同様にして調整できる機構を設けることができる。加工ヘッド12の用途が限定されていれば、調整機構35は無くてもよいし、半固定でもよい。
In the embodiment of FIG. 1B, the
こうしてレンズフォルダ28を可動領域内で振動させると、図1(b)に示すように、ビームスポット24が溶接面上でランダムに振動して、設定した幅のビード38が形成される。また、レンズフォルダ28は支持体30により設定された可動領域内でのみ振動できるので、レンズで絞りこまれたビームスポット24のサイズや位置が制限以上に変動することがない。したがってどの部分も一定の条件の範囲で溶接をすることができる。
When the
図1(a)に示すように、集光レンズ22やミラー20は装置の中で比較的大きな部品である。作業者の手で支持するような加工ヘッド12では、これらを振動させるための駆動機構の大型化を避けなければならない。この実施例では振動モーター32を利用することにより十分に小型化ができる。しかも、枚分8000〜10000回転といった高い周波数で振動させることができるので、手元に狂いが生じるような強と大きな振動が生じないという効果がある。
As shown in FIG. 1A, the
図2はレンズの支持構造のさらに具体的な実施例で、(a)は(b)のM−M方向断面図、(b)は(a)のN−N方向断面図である。
図2(a)と(b)に示すように、集光レンズ22と一体化されたレンズフォルダ28は、支持体30により可動領域に相当する隙間を空けて支持されている。レンズフォルダ28には振動モーター32が埋め込まれている。振動モーターを駆動するための電源は、加工ヘッドの適当な箇所に取り付けられた図示しないスイッチによりオンオフ制御される。
2A and 2B are more specific examples of the lens support structure. FIG. 2A is a cross-sectional view in the MM direction of FIG. 2B, and FIG. 2B is a cross-sectional view in the NN direction of FIG.
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
レーザー光の光軸37に垂直な面を基準面36と呼ぶとき、この実施例では、レンズフォルダ28を、その基準面36内で自由に一定の幅だけ移動出来るように可動領域が設定されている。具体的には、レンズフォルダ28の周囲にW/2の幅の隙間が設けられており、集光レンズ22は、ビームスポット24を基準面36に平行に最大幅Wで振動させることができる。
When a plane perpendicular to the
なお、レーザー溶接をする場合、溶接面に窒素ガス等のシールドガスを供給する。このガスは支持体30の周囲を通ってビームスポット24の方向に放出される。このとき、図2に示すように支持体30にガス流路40を形成しておくと、シールドガスがレンズフォルダ28の周囲を通り抜ける。このように通気性の良い構造にしておくと、集光レンズ22やレンズフォルダ28を冷却することができるので、熱に強く、堅牢な構造を実現できる。
When laser welding is performed, a shielding gas such as nitrogen gas is supplied to the welding surface. This gas is emitted in the direction of the
図3は、立体物の溶接作業の説明図である。
例えば、図3(a)に示すように、2枚の金属板50、51を直角に配置して溶接する場合を考える。両方の金属板の接合面は図3(b)に示すように直角に折れ曲がっており、縦Aで横Bの範囲にビームスポット24を照射することか好ましい。この場合、集光レンズ22を基準面36(図2)に平行に振動させただけでは不十分である。そこで、集光レンズ22を基準面36内での幅Wの移動に加えて、レーザー光の光軸37に平行な方向に幅Hだけ移動できるようにした。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a welding operation for a three-dimensional object.
For example, consider a case where two
図4はレンズフォルダ28の可動領域を広げた実施例の縦断面図である。
この実施例では、実施例2と同様に、基準面36内でビームスポット24を幅Wだけ移動可能にするとともに、光軸37に平行な方向に幅Hだけ移動できるように、可動領域を設定した。振動モーター32はレンズフォルダ28に振動を伝えるが、その移動方向も振幅も不定である。従って、レンズフォルダ28は設定した可動領域内で3次元方向に自由にランダムに振動する。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of an embodiment in which the movable region of the
In this embodiment, as in the second embodiment, the movable region is set so that the
即ち、溶接すべき対象物の表面は、必ずしも平坦でなく、折れ曲がった面、複雑な凹凸のある面が存在する。溶接対象領域の形状や構造に応じて、加熱するべき最適な範囲を3次元的に決定して、可動範囲を設定する。3次元的に振動をさせると、光軸37に垂直な基準面の方向にのみレンズを2次元的に振動させる場合に比べて、均一で高品質な溶接が可能になる。
That is, the surface of the object to be welded is not necessarily flat, but has a bent surface and a surface with complicated irregularities. The optimum range to be heated is determined three-dimensionally according to the shape and structure of the welding target region, and the movable range is set. When the vibration is made three-dimensionally, compared with the case where the lens is vibrated two-dimensionally only in the direction of the reference plane perpendicular to the
図5と図6は、上記の支持体の変形例を示す説明図である。
図5はレンズフォルダ28を弾性体で支持した例である。例えば、(a)と(b)に示すように、支持ばね42をレンズフォルダ28の支持体にすれば、レンズフォルダ28を柔らかく支持できる。また、支持ばね42に代えて、(c)に示すように示すようなゴムやポリテトラフルオロエチレン樹脂等の弾性体43で支持してもよい。
5 and 6 are explanatory views showing modifications of the above support.
FIG. 5 shows an example in which the
図6は、レンズフォルダ28を棒状の支持ばね44で支持した例を示す。数本の棒状の支持ばね44で支持すると、その弾力によって、レンズフォルダ28の可動領域を自由に設定することができる。図5や図6の実施例では、レンズフォルダ28を弾力により支持するので、振動音や加工ヘッド12を持つ作業者の手に響く振動を和らげることができる。
FIG. 6 shows an example in which the
12 加工ヘッド
14 レーザーガイド
16 レーザービーム
18 受光レンズ
20 ミラー
22 集光レンズ
24 ビームスポット
26 溶接対象物
28 レンズフォルダ
30 支持体
32 振動モーター
35 調節機構
36 基準面
37 光軸
38 ビード
40 ガス流路
42 支持ばね
43 弾性体
44 支持ばね
50 金属板
51 金属板
12
Claims (6)
この集光レンズと一体化されたレンズフォルダと、
このレンズフォルダを、上記レーザー光の光軸に垂直な基準面内で自由に一定の幅だけ移動出来るように可動領域を設定する支持台と、
上記レンズフォルダに固定されて振動し、このレンズフォルダを上記可動領域内でランダムに振動するように移動させる振動体とを備えたことを特徴とするレーザー装置。 A condensing lens for narrowing the laser beam to the welding surface;
A lens folder integrated with the condenser lens;
A support base that sets a movable region so that the lens folder can be freely moved by a certain width within a reference plane perpendicular to the optical axis of the laser beam;
A laser device comprising: a vibrating body that is fixed to the lens folder and vibrates and moves the lens folder so as to vibrate randomly within the movable region.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2016099806A JP2017205788A (en) | 2016-05-18 | 2016-05-18 | Laser welding device |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113681154A (en) * | 2021-09-22 | 2021-11-23 | 广东宏石激光技术股份有限公司 | Laser cutting head with variable light spot, cutting equipment and cutting method |
-
2016
- 2016-05-18 JP JP2016099806A patent/JP2017205788A/en active Pending
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CN113681154A (en) * | 2021-09-22 | 2021-11-23 | 广东宏石激光技术股份有限公司 | Laser cutting head with variable light spot, cutting equipment and cutting method |
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