JP2019076911A - レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置構成のシンプル化及び低コスト化を実現し、金属蒸気やスパッタがレーザヘッドの光学系に届くのを阻止し得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】レーザヘッド４から開先Ｗａに照射されるレーザ光に向けて不活性ガスＧを噴射するノズル１１及びレーザ光Ｌの光軸上に配置されてノズル１１からレーザ光Ｌに吹き付けられた不活性ガスＧを導入してレーザヘッド４側に向かわせるディフューザ１２を具備した負圧環境発生部１０と、負圧環境発生部１０のディフューザ１２から排出された不活性ガスＧの圧力を下げる付加負圧部２０を備えている。【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ものである。

上記したレーザ光を用いたレーザ溶接において、例えば、平板同士を突合せ溶接する場合には、被溶接物である平板のレーザ光照射部分に金属ヒューム，レーザプルーム等の金属蒸気やスパッタ（金属溶滴）が発生する。この金属蒸気やスパッタがレーザ光を照射するレーザヘッドの光学系に付着すると、レーザ光が遮られて被溶接物へのレーザ照射が不安定になって、被溶接物のレーザ光照射部分に生じるキーホールがその内部に金属蒸気を残したまま塞がれてポロシティ（気泡）となって残留してしまう。

従来、レーザ光照射部分に生じる金属蒸気やスパッタがレーザヘッドの光学系に付着することを防ぐための策を講じたレーザ溶接装置として、負圧環境下でレーザ溶接を行うレーザ溶接装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このレーザ溶接装置は、被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を生じさせる負圧発生器をレーザヘッドの下方に配置した構成を成している。この負圧発生器は、レーザヘッドから照射されるレーザ光を横切る方向に沿って配置されたノズルと、レーザ光を挟んでノズルと対峙して配置されたディフューザを具備している。

このレーザ溶接装置の負圧発生器は、ノズルから噴射された窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスをディフューザに導入して拡散させる（ノズル及びディフューザ間に不活性ガスを増速して流す）ことで、被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を作り出す。これにより、被溶接物のレーザ光照射部分で生じる金属蒸気やスパッタをディフューザに吸引することができる。

したがって、このレーザ溶接装置では、レーザ光照射部分に生じる金属蒸気やスパッタがレーザヘッドの光学系に付着するのを抑えることができる。

特開２０１５−２３１６２９号公報

しかしながら、上記したレーザ溶接装置において、２０ｋＷ程度の大出力のレーザ光を用いるレーザ溶接の場合には、レーザ出力の増大に伴って大量に発生する金属蒸気やスパッタを吸引仕切れずに、少なからずレーザヘッドの光学系に届いて付着してしまい、これに起因して被溶接物へのレーザ光照射が不安定となって、被溶接物のレーザ光照射部分にポロシティができてしまうという問題がある。

この際、例えば、不活性ガスの供給源としてアキュムレータを使用して、ノズルやディフューザへの不活性ガス流量を増やすことで、被溶接物のレーザ光照射部分の圧力を下げて優れた負圧環境を作り出すことも考えられるが、装置構成が複雑化すると共に装置コストが上昇してしまうという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっている。

本発明は、上記したような従来の課題を解決するためになされたもので、装置構成のシンプル化及び低コスト化を実現したうえで、レーザ出力の大小にかかわらず、金属蒸気やスパッタがレーザヘッドの光学系に届くのを阻止することができ、その結果、ポロシティの発生を少なく抑えることが可能なレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供することを目的としている。

本発明の第１の態様は、レーザ光を照射するレーザヘッドを備えたレーザ溶接装置であって、前記レーザヘッドから被溶接物に照射されるレーザ光に向けてガスを噴射するノズル、及び、前記レーザ光の光軸上に配置されて前記ノズルから前記レーザ光に吹き付けられたガスを導入して前記レーザヘッド側に向かわせるディフューザを具備した負圧環境発生部と、前記負圧環境発生部の前記ディフューザから排出された前記ガスの圧力を下げる付加負圧部を備えている構成としている。

また、本発明の第２の態様において、前記付加負圧部は、前記負圧環境発生部の前記ノズルから噴射される前記ガスよりも高圧の付加ガスを前記レーザ光を横切る方向に噴射する付加ノズル、及び、前記付加ノズルと前記レーザ光を挟んで対峙して該付加ノズルから噴射されて前記レーザ光を横切った付加ガスとともに前記負圧環境発生部の前記ディフューザから排出されたガスを導入する付加ディフューザを具備している構成としている。

さらに、本発明の第３の態様は、前記負圧環境発生部における前記ノズルのガス噴射量及び前記付加負圧部における前記付加ノズルの付加ガス噴射量を個別に調整する制御部を備えている構成としている。

さらにまた、本発明の第４の態様は、前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を覆うと共に前記被溶接物の少なくともレーザ光照射部分を囲んで配置される被覆部を備え、前記被覆部に前記負圧環境発生部の前記ノズル及び前記ディフューザが配置されていると共に、前記付加負圧部における前記付加ノズル及び前記付加ディフューザが配置されている構成としている。

さらにまた、本発明の第５の態様は、前記被覆部の前記被溶接物の少なくともレーザ光照射部分を囲む部分に不活性ガスが充填されている構成としている。

さらにまた、本発明の第６の態様において、前記付加負圧部は、前記負圧環境発生部の前記ディフューザから排出された前記ガスが導入される真空ポンプである構成としている。

一方、本発明の第７の態様は、レーザヘッドから被溶接物にレーザ光を照射して溶接を行うに際して、前記レーザヘッドから照射されるレーザ光に向けてノズルからガスを噴射すると共に前記ノズルから噴射されて前記レーザ光に吹き付けられたガスを前記レーザ光の光軸上に配置したディフューザに導入し、これと同時に、前記ノズルから噴射される前記ガスよりも高圧の付加ガスを前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を横切る方向に付加ノズルから噴射し、前記付加ノズルと前記レーザ光を挟んで対峙させた付加ディフューザに、前記ディフューザから排出された前記ガス及び前記付加ノズルから前記レーザ光に吹き付けられた前記付加ガスを導入して拡散させることで、前記被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を生じさせつつ溶接を行う構成としている。

本発明に係るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法では、装置構成のシンプル化及び低コスト化を実現しつつ、レーザ出力の大小にかかわらず、金属蒸気やスパッタがレーザヘッドの光学系に届くのを阻止して、ポロシティの発生を減らすことができるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置を示す断面説明図である。 本発明の他の実施形態に係るレーザ溶接装置を示す断面説明図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るレーザ溶接装置を示す部分断面説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置を示しており、この実施形態では、本発明に係るレーザ溶接装置を一対の平板同士の突合せ溶接に用いた場合を示している。

図１に示すように、このレーザ溶接装置１は、レーザ発振器２と、光ファイバ３を介してレーザ発振器２と接続するレーザヘッド４と、このレーザヘッド４を移動させる駆動機構５と、溶接速度やレーザ出力やレーザ光Ｌのスポット径等をコントロールする制御部６を備えている。

レーザヘッド４は光学系であるレンズ４ａを具備しており、レーザ発振器２から供給されるレーザ光Ｌを円錐形状のレーザ光路に集光して一対の平板（被溶接物）Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａに照射する。駆動機構５は、開先Ｗａに沿って配置されたレール５ａと、スライダ５ｂを具備しており、スライダ５ｂは、レーザヘッド４を装着して、図示しないモータの出力によりレール５ａ上を黒太矢印方向に移動する。

また、このレーザ溶接装置１は、一対の平板Ｗ，Ｗのレーザ光照射部分である開先Ｗａ付近に、すなわち、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近に負圧環境を生じさせる負圧環境発生ユニットを備えており、この負圧環境発生ユニットは、負圧環境発生部１０，付加負圧部２０及び被覆部３０から成っている。

負圧環境発生部１０は、ノズル１１及びディフューザ１２を具備している。これらのノズル１１及びディフューザ１２は、いずれもレーザヘッド４の下部に配置された後述する被覆部３０のブロック３２に形成されている。ノズル１１は、レーザ光Ｌを横切る方向に配置され、一方、ディフューザ１２は、レーザ光Ｌのレーザ光路（光軸）上に配置されており、レーザ光Ｌはディフューザ１２の内部を妨げられることなく通過する。

ノズル１１は、負圧発生用ガスボンベ７から供給される窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスＧをレーザヘッド４から照射されるレーザ光Ｌに向けて高速で噴射する。ディフューザ１２は、ノズル１１からレーザ光Ｌに吹き付けられた不活性ガスＧを導入して拡散させつつ矢印で示す経路に沿ってレーザヘッド４側に向かわせる。

このように、負圧環境発生部１０では、ノズル１１及びディフューザ１２間に不活性ガスＧを増速して流すことで、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近に負圧環境を生じさせている。

付加負圧部２０は、負圧環境発生部１０と同様に、付加ノズル２１及び付加ディフューザ２２を具備している。これらの付加ノズル２１及び付加ディフューザ２２も、被覆部３０のブロック３２にそれぞれ形成されており、負圧環境発生部１０のノズル１１及びディフューザ１２よりも上方に位置している。付加ノズル２１は、レーザ光Ｌを横切る方向に配置され、一方、付加ディフューザ２２は、付加ノズル２１とレーザ光Ｌを挟んで対峙して配置されている。

付加ノズル２１は、付加ガスボンベ８から供給される窒素ガスやアルゴンガス等の不活性の付加ガスＧｅをレーザヘッド４から照射されるレーザ光Ｌに向けて高速で噴射する。この場合、付加ガスＧｅは、負圧環境発生部１０のノズル１１から噴射される不活性ガスＧよりも高圧に設定されている。付加ディフューザ２２は、付加ノズル２１から噴射されてレーザ光Ｌを横切った付加ガスＧｅとともに負圧環境発生部１０のディフューザ１２から排出された不活性ガスＧを導入して、白抜き矢印に示す合流ガスＧＭとして排出する。

つまり、この付加負圧部２０では、負圧環境発生部１０のディフューザ１２から排出された不活性ガスＧの圧力をさらに下げることで、負圧環境発生部１０により既に負圧環境にあるレーザ光照射部分をより減圧するようにしている。

この実施形態では、負圧発生用ガスボンベ７から供給される負圧環境発生部１０におけるノズル１１の不活性ガス噴射量及び付加ガスボンベ８から供給される付加負圧部２０における付加ノズル２１の付加ガス噴射量を制御部６で個別に調整するようにしている。

被覆部３０は、被覆筒３１と、ブロック３２と、カバー３３を具備しており、この被覆部３０を含む負圧環境発生ユニットは、レーザヘッド４とともに駆動機構５のレール５ａに沿って一対の平板Ｗ，Ｗ上を移動する。

被覆筒３１はブロック３２に至るまでのレーザ光Ｌを覆っており、この被覆筒３１の上端部には、レーザヘッド４のレンズ４ａとともに光学系を構成する図示しない保護ガラスが内蔵されている。

ブロック３２には、上述したように、負圧環境発生部１０のノズル１１及びディフューザ１２が形成されていると共に、付加負圧部２０の付加ノズル２１及び付加ディフューザ２２が形成されている。

カバー３３は、一対の平板Ｗ，Ｗのレーザ光照射部分である焦点ＬＡを覆っており、内側には、ブロック３２に形成された負圧環境発生部１０のディフューザ１２を通過するレーザ光Ｌを覆う先細り筒３３ａがベースブロック３３ｂを介して装着されている。

この実施形態において、一対の平板Ｗ，Ｗと接触するＯリング３４をカバー３３の周縁部に配置して、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが充填されたシールドガスボンベ９から、カバー３３内に不活性ガスを供給することで、負圧環境発生部１０及び付加負圧部２０により発生させた負圧環境にあるカバー３３内の不活性雰囲気を保つようになっている。

ここで、付加負圧部２０における付加ノズル２１及び付加ディフューザ２２の間隔を狭く設定すると、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近に良好な負圧環境を形成できる反面、付加ノズル２１及び付加ディフューザ２２の間を通して行う溶接状況の観察がし難くなり、一方、付加ノズル２１及び付加ディフューザ２２の間隔を広く設定すると、溶接状況が観察し易くなるものの、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近における減圧効果が減少する。

したがって、付加負圧部２０における付加ノズル２１及び付加ディフューザ２２の間隔は、レーザ出力や、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近に要求される負圧の大きさに応じて調整することとしている。

本発明に係るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法において、「負圧環境」とは、９０ｋＰａ以下の圧力の雰囲気を指し、ノズルからの不活性ガスの噴射速度は、ノズル及びディフューザ間を９０ｋＰａ以下の圧力雰囲気にし得る速度である。
そして、本発明に係るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に用いられるレーザとしては、ＹＡＧレーザやＣＯ_２レーザやファイバーレーザやディスクレーザを挙げることができるが、これらのものに限定されない。
また、レーザ溶接装置によるレーザ溶接も突合せ溶接に限定されない。

次に、このレーザ溶接装置１によって、一対の平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａに突合せ溶接を行って、一対の平板Ｗ，Ｗ同士を接合する場合の要領を説明する。

まず、レーザヘッド４から照射されるレーザ光Ｌに向けて負圧環境発生部１０のノズル１１から不活性ガスＧを噴射させると共に、レーザ光Ｌに吹き付けられた不活性ガスＧをレーザ光Ｌの光軸上に配置したディフューザ１２に導入する。

これと同時に、負圧環境発生部１０のノズル１１から噴射させた不活性ガスＧよりも高圧の付加ガスＧｅを付加負圧部２０の付加ノズル２１からレーザ光Ｌを横切る方向に高速で噴射させ、この付加ガスＧｅを負圧環境発生部１０のディフューザ１２から排出される不活性ガスＧとともに付加ディフューザ２２に導入して、合流ガスＧＭとして拡散させる。

次いで、この状態で溶接を開始して、レーザ光Ｌを一対の平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａに照射しつつ、レーザヘッド４及び負圧環境発生ユニットを駆動機構５により開先Ｗａに沿って一体で移動させる。

このレーザヘッド４及び負圧環境発生ユニットの移動により、一対の平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａには溶接ビードＢが形成され、この間、一対の平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａに対するレーザヘッド４からのレーザ光Ｌの照射により、一対の平板Ｗ，Ｗから金属蒸気ＰやスパッタＳが噴出する。

このとき、負圧環境発生部１０のノズル１１及びディフューザ１２間に不活性ガスＧを増速して流すことで、一対の平板Ｗ，Ｗ間のレーザ光照射部分、すなわち、レーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近は負圧環境となっている。

加えて、付加負圧部２０の付加ノズル２１からの付加ガスＧｅを負圧環境発生部１０のディフューザ１２から排出された不活性ガスＧとともに付加ディフューザ２２に導入して不活性ガスＧの圧力をさらに下げているので、既に負圧環境にあるレーザ光Ｌの焦点ＬＡ付近はより減圧されることとなる。

したがって、開先Ｗａに対するレーザヘッド４からのレーザ光Ｌの照射により生じる金属蒸気ＰやスパッタＳの大半は、付加ディフューザ２２に確実に吸引され、合流ガスＧＭに乗って排出される。

上記した実施形態に係るレーザ溶接装置１では、負圧環境発生部１０のディフューザ１２をレーザ光Ｌのレーザ光路（光軸）上に配置したうえで、レーザ光Ｌを挟んで付加負圧部２０の付加ノズル２１及び付加ディフューザ２２を対向配置している。加えて、付加負圧部２０の付加ノズル２１からの付加ガスＧｅを負圧環境発生部１０のノズル１１からの不活性ガスＧよりも高圧に設定している。

つまり、低圧ガス流側である負圧環境発生部１０のディフューザ１２の流路と、レーザ光路とを同じ空間とすることで、不活性ガスＧをディフューザ１２の流路でもあるレーザ光路を通して高圧ガス流側である付加負圧部２０側に流すことができ、したがって、レーザ光路を流れる不活性ガスＧを金属蒸気ＰやスパッタＳの除去に直接作用させることができる。

例えば、２０ｋＷ程度の大出力のレーザ光Ｌを用いる場合に、付加負圧部２０における付加ノズル２１及び付加ディフューザ２２の間隔を広く（１５ｍｍ程度に）設定したとしても、ポロシティの発生を抑えるためのレーザ光照射部分の高真空化が図られると共に、金属蒸気ＰやスパッタＳがレーザヘッド４の光学系である保護ガラスに到達して付着することが少なく抑えられることとなる。

また、上記した実施形態に係るレーザ溶接装置１では、負圧環境発生部１０におけるノズル１１の不活性ガス噴射量及び付加負圧部２０における付加ノズル２１の付加ガス噴射量を制御部６で個別に調整するようにしているので、金属蒸気ＰやスパッタＳの発生状況に変化が生じた場合等に迅速に対応することが可能である。

さらに、上記した実施形態に係るレーザ溶接装置１では、被覆部３０のカバー３３で一対の平板Ｗ，Ｗのレーザ光照射部分である焦点ＬＡを覆うようにしているので、負圧環境発生部１０及び付加負圧部２０により焦点ＬＡ近傍に発生させた負圧環境を維持することができる。

さらにまた、上記した実施形態に係るレーザ溶接装置１では、カバー３３内にシールドガスボンベ９から不活性ガスを供給するようにしているので、負圧環境にあるカバー３３内を不活性の雰囲気に保持することができ、その結果、溶接品質を向上させることが可能である。

さらにまた、上記した実施形態に係るレーザ溶接装置１では、レーザ光照射部分の圧力を下げて優れた負圧環境を作り出すために、高価なアキュムレータなどを使用しないので、装置構成のシンプル化及び低コスト化を図ったうえで、ポロシティの発生を少なく抑え得ることとなる。

図２は、本発明の他の実施形態に係るレーザ溶接装置を示しており、この実施形態においても、本発明に係るレーザ溶接装置を一対の平板同士の突合せ溶接に用いた場合を示している。

図２に示すように、このレーザ溶接装置１Ａが、先の実施形態に係るレーザ溶接装置１と相違するところは、被覆部３０のカバー３３Ａをボックス状としたうえで、このカバー３３Ａ内に、開先Ｗａに沿って配置したレール５Ａａ及びスライダ５Ｂｂを具備した駆動機構５Ａを収容した点にあり、他の構成は、先の実施形態に係るレーザ溶接装置１と同じである。

このレーザ溶接装置１Ａでは、スライダ５Ｂｂ上にセットした一対の平板Ｗ，Ｗを図示しないモータの出力により黒太矢印方向に移動させるようになっている。

この実施形態に係るレーザ溶接装置１Ａでは、被覆部３０のボックス状としたカバー３３Ａ内において、一対の平板Ｗ，Ｗを移動させるようにしているので、負圧環境発生部１０及び付加負圧部２０により発生させた負圧環境にあるカバー３３Ａ内の不活性雰囲気をより確実に保ち得ることとなる。

本発明に係るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法の構成は、上記した実施形態に限られるものではなく、他の構成として、例えば、図３に部分的に示すように、ディフューザ１２のガス排出側に流路２２Ａを介して付加負圧部としての真空ポンプ２０Ａを配置してもよいほか、レーザ光Ｌ（焦点ＬＡ）と平板Ｗとの間に溶接用フィラーワイヤを供給して溶接を行うようにしてもよい。

１，１Ａ レーザ溶接装置
４ レーザヘッド
６ 制御部
１０ 負圧環境発生部
１１ ノズル
１２ ディフューザ
２０ 付加負圧部
２０Ａ 真空ポンプ（付加負圧部）
２１ 付加ノズル
２２ 付加ディフューザ
３０ 被覆部
Ｇ 不活性ガス
Ｇｅ 付加ガス
Ｌ レーザ光
ＬＡ レーザ光の焦点
Ｗ 平板（被溶接物）

Claims (7)

1. レーザ光を照射するレーザヘッドを備えたレーザ溶接装置であって、
   前記レーザヘッドから被溶接物に照射されるレーザ光に向けてガスを噴射するノズル、及び、前記レーザ光の光軸上に配置されて前記ノズルから前記レーザ光に吹き付けられたガスを導入して前記レーザヘッド側に向かわせるディフューザを具備した負圧環境発生部と、
   前記負圧環境発生部の前記ディフューザから排出された前記ガスの圧力を下げる付加負圧部を備えているレーザ溶接装置。
2. 前記付加負圧部は、前記負圧環境発生部の前記ノズルから噴射される前記ガスよりも高圧の付加ガスを前記レーザ光を横切る方向に噴射する付加ノズル、及び、前記付加ノズルと前記レーザ光を挟んで対峙して該付加ノズルから噴射されて前記レーザ光を横切った付加ガスとともに前記負圧環境発生部の前記ディフューザから排出されたガスを導入する付加ディフューザを具備している請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 前記負圧環境発生部における前記ノズルのガス噴射量及び前記付加負圧部における前記付加ノズルの付加ガス噴射量を個別に調整する制御部を備えている請求項２に記載のレーザ溶接装置。
4. 前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を覆うと共に前記被溶接物の少なくともレーザ光照射部分を囲んで配置される被覆部を備え、前記被覆部に前記負圧環境発生部の前記ノズル及び前記ディフューザが配置されていると共に、前記付加負圧部における前記付加ノズル及び前記付加ディフューザが配置されている請求項２又は３に記載のレーザ溶接装置。
5. 前記被覆部の前記被溶接物の少なくともレーザ光照射部分を囲む部分に不活性ガスが充填されている請求項４に記載のレーザ溶接装置。
6. 前記付加負圧部は、前記負圧環境発生部の前記ディフューザから排出された前記ガスが導入される真空ポンプである請求項１に記載のレーザ溶接装置。
7. レーザヘッドから被溶接物にレーザ光を照射して溶接を行うに際して、
   前記レーザヘッドから照射されるレーザ光に向けてノズルからガスを噴射すると共に前記ノズルから噴射されて前記レーザ光に吹き付けられたガスを前記レーザ光の光軸上に配置したディフューザに導入し、
   これと同時に、前記ノズルから噴射される前記ガスよりも高圧の付加ガスを前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を横切る方向に付加ノズルから噴射し、
   前記付加ノズルと前記レーザ光を挟んで対峙させた付加ディフューザに、前記ディフューザから排出された前記ガス及び前記付加ノズルから前記レーザ光に吹き付けられた前記付加ガスを導入して拡散させることで、前記被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を生じさせつつ溶接を行うレーザ溶接方法。

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