JP2019048331A - 溶接ヘッド及び溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特に大出力のレーザ溶接において、溶接中に発生する保護ガラスの汚れを防止した溶接ヘッド及び溶接方法を提供する。
【解決手段】溶接ヘッド１０は、レーザ光１４を整形する光学系５０と、光学系５０のレーザ光出射側に配置されて光学系５０の内部への粉塵２３の侵入を阻止する保護ガラス１２と、保護ガラス１２のレーザ光出射側に設けられてレーザ光１４を通過させるとともにレーザ光１４の光路２２の直交方向にガスジェット１９を通過させるジェット経路部２５と、保護ガラス１２とジェット経路部２５の間に設けられ、レーザ光１４を通過させるとともにレーザ光１４の出射方向に光路２２に沿うようなクリーンガス２８を流動させるクリーンガス流路部３１と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、溶接ヘッドの保護技術に関する。

近年、レーザ溶接に適用可能なレーザ発振器の大出力化によって、数十ｋＷの大出力レーザが実現された。大出力レーザによるレーザ溶接では、溶接箇所で溶融した金属が飛散して発生するスパッタ、及び金属が蒸発することで発生するヒュームが、大量に発生する。

これらのスパッタ又はヒュームがレーザ溶接ヘッドの保護ガラス又は集光レンズ等の光学系に付着すると、付着部でレーザ光が吸収されて顕著な温度上昇が発生する。この温度上昇によって光学系が損傷することがある。そこで、レーザ溶接ヘッドには、光学系へ付着しようとするスパッタ及びヒュームをガスジェットで吹き飛ばすガス噴出機構が設けられている。

特開２０１５−２２９１９５号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、粒子径の小さいヒュームはガスジェットに巻き上げられて、その後保護ガラスへ付着してしまうという課題があった。
ヒュームが蓄積した保護ガラスの交換作業では、光学系内部の集光レンズが外気に晒される。よって、この交換作業の繰り返しによる粉塵の蓄積によって、集光レンズにレーザ光の吸収による損傷が発生しうるため、結局、光学系の定期なクリーニングが必要になる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、特に大出力のレーザ溶接において、溶接中に発生する保護ガラスの汚れを防止した溶接ヘッド及び溶接方法を提供することを目的とする。

本実施形態に係る溶接ヘッドは、レーザ光を整形する光学系と、前記光学系のレーザ光出射側に配置されて前記光学系の内部への粉塵の侵入を阻止する保護ガラスと、前記保護ガラスのレーザ光出射側に設けられて前記レーザ光を通過させるとともに前記レーザ光の光路の直交方向にガスジェットを通過させるジェット経路部２５と、前記保護ガラスと前記ジェット経路部２５の間に設けられ、前記レーザ光を通過させるとともに前記レーザ光の出射方向に前記光路に沿うようなクリーンガスを流動させるクリーンガス流路部３１と、を備えるものである。

本実施形態に係る溶接方法は、光学系を介してレーザ光を溶接対象物に照射するステップと、前記光学系を保護する保護ガラスのレーザ光出射側において前記レーザ光の光路の直交方向にガスジェットを通過させるステップと、前記保護ガラスと前記ガスジェットとの間に前記レーザ光の出射方向に前記光路に沿ってクリーンガスを流動させるステップと、を含むものである。

本発明により、特に大出力のレーザ溶接において、溶接中に発生する保護ガラスの汚れを防止した溶接ヘッド及び溶接方法が提供される。

第１実施形態に係る溶接ヘッドの概略断面図。 第１実施形態に係る溶接ヘッドに設けられるクリーンガス流路部を形成する風路形成部の概略斜視図。 第２実施形態に係る溶接ヘッドの概略断面図。 第２実施形態に係る溶接方法を示すフローチャート。 第３実施形態に係る溶接ヘッドの概略断面図。 第４実施形態に係る溶接ヘッドの概略断面図。 第５実施形態に係る溶接ヘッドの概略断面図。 一般的な溶接ヘッドの概略断面図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図８は、一般的な溶接ヘッド１０の概略断面図である。
溶接ヘッド１０は、一般に、例えば図８に示されるように、屈曲した筒状の筐体１１に収容された光学系５０と、保護ガラス１２と、ガス噴出機構１３と、で構成される。このような溶接ヘッド１０により、光学系５０を介してレーザ光１４を溶接対象物２１に照射することで溶接が行なわれる。

光学系５０は、例えば、光ファイバ５１、コリメートレンズ５２、反射ミラー５３及び集光レンズ５４からなり、内部に導入されたレーザ光１４の向き、照射径、及び偏光状態などの光学的特性のうちの少なくともいずれかを調整（すなわち整形）して溶接対象物２１などの照射対象に向けて出射する構成である。光ファイバ５１から出射されてコリメートレンズ５２を通過したレーザ光１４は、反射ミラー５３で直角に折り返されて、集光レンズ５４で溶接箇所１６に向けて集光される。

光学系５０のレーザ光１４の出射側には、保護ガラス１２が設けられる。前述したように、光学系５０内部の汚れはレーザ光１４の吸収による温度上昇を介して光学系５０の損傷の原因になるので、保護ガラス１２は光学系５０の内部を外気から遮断するように設けられる。保護ガラス１２により筐体１１や光学系５０内への粉塵２３の侵入が阻止されている。

ガス噴出機構１３は、ジェット経路部２５を構成するジェット経路形成部１７と、ジェット噴射部１８と、で構成される。
ジェット経路部２５を構成するジェット経路形成部１７は、筐体１１の端部であって、保護ガラス１２側のレーザ光出射側（下流側）に設けられ、レーザ光１４を通過（透過）させることができるとともにレーザ光１４の光路２２の直交方向にガスジェット１９を通過（流動）させることができるように構成される。

ジェット経路形成部１７は、保護ガラス１２のレーザ光出射側（下流側）に配置されて、筐体１１に固定される。ジェット経路形成部１７は、例えば円筒体１７ａ（１７）とその側面に設けられた直交経路１７ｂ（１７）で構成される。直交経路１７ｂには、ガスチューブ１５を介してジェット経路形成部１７内にガスジェット１９を噴射するジェット噴射部１８が接続される。

溶接対象物２１に向けて光学系５０から出射されたレーザ光１４は、ジェット経路形成部１７の円筒体１７ａの中空空間をそのまま通過する。一方、ガスジェット１９は、直交経路１７ｂに沿って、円筒体１７ａの中空空間内を光路２２の直交方向に通過する。

溶接箇所１６から発生した大量のスパッタ２３ａ（２３）又はヒューム２３ｂ（２３）は、その一部が飛散する。飛散してジェット経路形成部１７内に侵入したスパッタ２３ａ、ヒューム２３ｂ及びその他の微粒子等の粉塵２３は、ガスジェット１９によって光路２２の垂直方向に吹き飛ばされる。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る溶接ヘッド１０の概略断面図である。
図２は、第１実施形態に係る溶接ヘッド１０に設けられるクリーンガス流路部３１を構成する風路形成部２４の概略斜視図である。

第１実施形態に係る溶接ヘッド１０は、図１及び図２に示されるように、上述の構成に加えて、風路形成部２４、ガス供給孔２６及びクリーンガス供給部３４を備える。これらの風路形成部２４、ガス供給孔２６及びクリーンガス供給部３４によりクリーンガス流路部３１が構成される。クリーンガス流路部３１は、保護ガラス１２とジェット経路部２５であるジェット経路形成部１７の間に設けられ、レーザ光１４を通過させるとともにレーザ光１４の出射方向にレーザ光１４の光路２２に沿うようなクリーンガス２８を流動させる構成である。

風路形成部２４は、ジェット経路形成部１７の内部であってガスジェット１９の通過領域より保護ガラス１２側に設けられる。
風路形成部２４は、例えば図２に示されるように筒状をしており、その円柱中心が光路２２に沿うように固定される。レーザ光１４は、風路形成部２４の内部空間を直進する。

風路形成部２４の側面にはガス供給孔２６が設けられる。ガス供給孔２６は、クリーンガス供給部３４が供給する粉塵２３を含まないクリーンガス２８を風路形成部２４の内部空間に流入させる。
ガス供給口２９から流入したクリーンガス２８は、自らの圧力及びガスジェット１９の負圧によりガスジェット１９に向けて流動する。よって、クリーンガス流路部３１のうち風路形成部２４の内部空間部分は、クリーンガス２８の流動によって、粉塵２３の流入が阻止されて、粉塵２３の極めて少ない状態になる。

ガス供給孔２６は、例えば図２に示されるような風路形成部２４の側面に接続されたノズル２９ａである。このとき、クリーンガス供給部３４はクリーンガス管３４ｂ及びこのクリーンガス管３４ｂに接続されるガスボンベ等のガス供給部３４ａで構成される。また、ガス供給孔２６は、風路形成部２４と筐体１１との間に設けられた空隙であってもよい。

ガス供給口２９から風路形成部２４の内部空間をガスジェット１９に向けて流下するクリーンガス２８によって、ヒューム２３ｂのような微粒子であっても、この内部空間内に流入することが防止される。よって、保護ガラス１２のレーザ光出射側にクリーンガス流路部３１を設けることで、保護ガラス１２へのヒューム２３ｂの付着を防止することができる。

以上のように、第１実施形態に係る溶接ヘッド１０によれば、大出力のレーザ溶接において、溶接中に発生する保護ガラス１２の汚れを防止することができる。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る溶接ヘッド１０の概略断面図である。

第２実施形態に係る溶接ヘッド１０は、図３に示されるように、クリーンガス流路部３１の粉塵量を測定する粉塵計３６と、粉塵計３６で測定された粉塵量に応じてクリーンガス２８の供給を調整する調整部３４ｃ（クリーンガス供給部３４）と、を備える。

粉塵計３６は、例えば、クリーンガス流路部３１内の発光強度を検出する光センサ３６ａである。
クリーンガス流路部３１内に粉塵２３が侵入すると、この粉塵２３がレーザ光１４を吸収して発光する。そこで、この発光を計測用ファイバ３９で光センサ３６ａに導光して、発光強度を測定する。このとき、調整部３４ｃは、光センサ３６ａで検出された発光強度に応じて、ガス供給部３４ａを制御してクリーンガス２８の供給量を調整する。

次に、第２実施形態に係る溶接方法について図４のフローチャートを用いて説明する。
まず、ジェット噴射部１８を起動して、ガスジェット１９の供給を開始する（Ｓ１１）。ガスジェット１９は、直交経路１７ｂに沿って、光路２２に直交にジェット経路形成部１７の内部空間を通過する。

同時に、ガス供給部３４ａを起動して、クリーンガス２８の風路形成部２４内部への供給を開始する（Ｓ１２）。なお、クリーンガス２８の供給の開始は、光センサ３６ａで測定された発光強度に応じて自動で行われてもよい。つまり、溶接の開始後（Ｓ１３後）の例えばステップＳ１７時点に、適宜開始するものであってもよい。

そして、レーザ光１４を出射して溶接を開始する（Ｓ１３）。
溶接で溶接箇所１６から発生したスパッタ２３ａ及びヒューム２３ｂの一部は、ジェット経路形成部１７の内部空間に飛散する。
ジェット経路形成部１７の内部空間に侵入したスパッタ２３ａ等の粉塵２３は、ガスジェット１９によって直交経路１７ｂに沿って吹き飛ばされる（Ｓ１４）。

また、ガスジェット１９で巻き上げられて風路形成部２４内部に侵入しようとするヒューム２３ｂは、風路形成部２４内部を流動するクリーンガス２８によって進入が阻止される（Ｓ１５）。
クリーンガス２８で侵入を阻止されたヒューム２３ｂは、ガスジェット１９にのって直交経路１７ｂから外部に排出される。

クリーンガス流路部３１への粉塵２３の侵入は、例えば光センサ３６ａにおいて、レーザ光１４の吸収による粉塵２３の発光強度に基づいて監視される（Ｓ１６）。
そして、調整部３４ｃが、測定されたクリーンガス流路部３１内の発光強度に応じてガス供給部３４ａを制御してクリーンガス２８の供給量を調整する（Ｓ１７）。なお、クリーンガス流路部３１内で粉塵２３が全く検出されない場合には、クリーンガス２８の供給量を停止してもよい。

溶接が終了するまで（Ｓ１８がＮＯの場合）、クリーンガス２８の供給調整は継続される（Ｓ１４へ）。
溶接が終了すると（Ｓ１８がＹＥＳの場合）、ガス供給部３４ａ及びジェット噴射部１８を停止して動作を終了する（Ｓ１９：ＥＮＤ）。

なお、これらレーザ光出射、ジェット噴射、クリーンガス供給、及びクリーンガス供給量調整の各動作は、プログラムに沿ってコンピュータで実行してもよい。
例えば、ジェット噴射部１８、ガス供給部３４ａ、粉塵計３６及び調整部３４ｃは、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、或いはＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置、を具備するコンピュータとして構成することができる。

この場合、これらの機能は、記憶装置に記憶された所定のプログラムをプロセッサが実行することによって実現することができる。
また、このようなソフトウェア処理に換えて、ＡＳＩＣ（Application Specific Integration Circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアで実現することもできる。

なお、クリーンガス流路部３１内の粉塵量を監視してクリーンガス２８の供給量を調整すること以外は、第２実施形態は第１実施形態と構成的にも動作的にも同様となるので、重複する説明を省略する。

このように、第２実施形態に係る溶接ヘッド１０によれば、第１実施形態と同様の効果に加えて、粉塵２３の飛散量に応じて最適量のクリーンガス２８を供給することができるので、保護ガラス１２の汚れの付着を確実に防止することができる。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係る溶接ヘッド１０の概略断面図である。

第３実施形態に係る溶接ヘッド１０は、図５に示されるように、保護ガラス１２が２枚以上設けられる。

保護ガラス１２が１枚であると、保護ガラス１２の交換が実施される場合には、保護ガラス１２の交換時に集光レンズ５４が外気と接触するため、集光レンズの定期的なクリーニングも必要になる。集光レンズ５４はレーザ光１４の集光特性に大きく影響するため、溶接現場でのクリーニング作業による汚れの再付着や拭き残しについて厳密な管理が必要であり、メンテナンス性を低下させていた。

そこで、第３実施形態では、保護ガラス１２を光路２２に沿って２枚以上設けることで、集光レンズ５４を外気に接触させることなく、保護ガラス１２を交換可能にする。
通常時には、外気に接触する側の保護ガラス１２ａのみを交換することになる。この場合、筐体内側の保護ガラス１２ｂの交換頻度が極めて少なくなるため、集光レンズ５４の交換頻度はさらに低くなる。

なお、保護ガラス１２を２枚以上にすること以外は、第３実施形態は第１実施形態と構成的にも動作的にも同様となるので、重複する説明を省略する。

このように、第３実施形態に係る溶接ヘッド１０によれば、第１実施形態の効果に加え、保護ガラス１２を交換する場合にも集光レンズ５４への汚れの付着を防止することができる。

（第４実施形態）
図６は、第４実施形態に係る溶接ヘッド１０の概略断面図である。

第４実施形態に係る溶接ヘッド１０は、図６に示されるように、粉塵回収管４２を備える。

ジェット経路形成部１７を流動したガスジェット１９及びガスジェット１９とともに噴出した粉塵２３は、直交経路１７ｂに設けられた噴出口から噴出する。
噴出した粉塵２３は、溶接対象物２１等に堆積して再度溶接の衝撃等で飛散する。その飛散量が多い場合、保護ガラス１２へ到達する粉塵量も多くなる。

そこで、第４実施形態では、この噴出口に対向するように粉塵回収管４２を配置して、噴出口から噴出したガスジェット１９及びガスジェット１９とともに噴出した粉塵２３を吸引する。すなわち、粉塵回収管４２は、ジェット経路形成部１７から排出されるガスジェット１９に含まれる粉塵２３を回収する構成である。
粉塵回収管４２で吸引することで、溶接雰囲気中に飛散する粉塵量を低減することができることに加えて、ガスジェット１９を加勢することで、ガスジェット１９による負圧を高めることができる。

なお、噴出口から噴出した粉塵２３を吸引すること以外は、第４実施形態は第１実施形態と構成的にも動作的にも同様となるので、重複する説明を省略する。

このように、第４実施形態に係る溶接ヘッド１０によれば、第１実施形態の効果に加え、より確実に保護ガラス１２への汚れの付着を防止することができる。

（第５実施形態）
図７は、第５実施形態に係る溶接ヘッド１０の概略断面図である。

第５実施形態に係る溶接ヘッド１０は、図７に示されるように、飛散防止出射ノズル４６及び吸引ノズル４７を備える。

飛散防止出射ノズル４６は、ジェット経路形成部１７と溶接対象物２１との間に設けられて光路２２の直交方向に送風して、粉塵２３を吹き飛ばす。
吸引ノズル４７は、飛散防止出射ノズル４６のノズル口に対向して設けられて、吹き飛ばされた粉塵２３が溶接雰囲気中に飛散しないように回収する。

また、好ましくは、ジェット経路形成部１７と溶接対象物２１との間に光路２２に垂直に遮蔽板４３が設けられる。
遮蔽板４３は、溶接対象物２１からジェット経路形成部１７に向けて飛散する粉塵２３を遮蔽する。一方、遮蔽板４３にはレーザ光１４の光路上にレーザ光１４が通過する通過孔４４が設けられているため、レーザ光１４は、遮蔽板４３に遮られることなく溶接対象物２１に到達する。

遮蔽板４３は、例えば飛散防止出射ノズル４６及び吸引ノズル４７に固定される。また、これら飛散防止出射ノズル４６及び吸引ノズル４７が設けられていない場合には、ジェット経路形成部１７又は筐体１１に固定されてもよい。

なお、ジェット経路形成部１７へ到達する粉塵量を低減すること以外は、第５実施形態は第１実施形態と構成的にも動作的にも同様となるので、重複する説明を省略する。

このように、第５実施形態に係る溶接ヘッド１０によれば、第１実施形態の効果に加え、ジェット経路形成部１７へ到達する粉塵２３の絶対量を低減することができるので、より確実に保護ガラス１２への汚れの付着を防止することができる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態の溶接ヘッド１０によれば、クリーンガス２８を保護ガラス１２近傍から光路２２に沿って流下させることにより、大出力のレーザ溶接において、溶接中に発生する保護ガラス１２の汚れを防止することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
例えば、第２実施形態では、粉塵計の測定結果に基づいて、作業員が手動でクリーンガスの供給量を調整してもよい。

１０…溶接ヘッド、１１…筐体、１２（１２ａ，１２ｂ）…保護ガラス、１３…ガス噴出機構、１４…レーザ光、１５…ガスチューブ、１６…溶接箇所、１７（１７ａ，１７ｂ）…ジェット経路形成部（円筒体，直交経路）、１８…ジェット噴射部、１９…ガスジェット、２１…溶接対象物、２２…光路、２３（２３ａ，２３ｂ）…粉塵（スパッタ，ヒューム）、２４…風路形成部、２５…ジェット経路部、２６…ガス供給孔、２８…クリーンガス、２９（２９ａ）…ガス供給口（ノズル）、３１…クリーンガス流路部、３４（３４ａ，３４ｂ）…クリーンガス供給部（ガス供給部，クリーンガス管）、３６（３６ａ）…粉塵計（光センサ）、３７…調整部、３９…計測用ファイバ、４２…粉塵回収管、４３…遮蔽板、４４…通過孔、４６…飛散防止出射ノズル、４７…吸引ノズル、５０…光学系、５１…光ファイバ、５２…コリメートレンズ、５３…反射ミラー、５４…集光レンズ。

Claims (8)

1. レーザ光を整形する光学系と、
   前記光学系のレーザ光出射側に配置されて前記光学系の内部への粉塵の侵入を阻止する保護ガラスと、
   前記保護ガラスのレーザ光出射側に設けられて前記レーザ光を通過させるとともに前記レーザ光の光路の直交方向にガスジェットを通過させるジェット経路部と、
   前記保護ガラスと前記ジェット経路部の間に設けられ、前記レーザ光を通過させるとともに前記レーザ光の出射方向に前記光路に沿うようなクリーンガスを流動させるクリーンガス流路部と、を備えることを特徴とする溶接ヘッド。
2. 前記クリーンガス流路部の粉塵量を測定する粉塵計を備える請求項１に記載の溶接ヘッド。
3. 前記粉塵計で測定された粉塵量に応じて前記クリーンガス流路部に前記クリーンガスを供給するクリーンガス供給部を備える請求項２に記載の溶接ヘッド。
4. 前記粉塵計は、前記クリーンガス流路部内の発光強度を検出する光センサであり、
   前記クリーンガス供給部は、前記発光強度に応じて前記クリーンガスの供給量を調整する請求項３に記載の溶接ヘッド。
5. 前記ジェット経路部から排出される前記ガスジェットに含まれる粉塵を回収する粉塵回収管を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接ヘッド。
6. 前記ジェット経路部と溶接対象物との間に設けられて前記光路の直交方向に送風する飛散防止出射ノズルと、
   前記飛散防止出射ノズルのノズル口に対向して設けられる吸引ノズルと、を備える請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の溶接ヘッド。
7. 前記レーザ光の通過孔を有するとともに前記ジェット経路部と溶接対象物との間に設けられて前記溶接対象物から飛散する粉塵を遮蔽する遮蔽板を備える請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の溶接ヘッド。
8. 光学系を介してレーザ光を溶接対象物に照射するステップと、
   前記光学系を保護する保護ガラスのレーザ光出射側において前記レーザ光の光路の直交方向にガスジェットを通過させるステップと、
   前記保護ガラスと前記ガスジェットとの間に前記レーザ光の出射方向に前記光路に沿ってクリーンガスを流動させるステップと、を含むことを特徴とする溶接方法。

Images