JP2020104144A - 溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】よりハイパワーのレーザ光を用いてレーザ溶接が可能であり、かつレーザ装置の損傷が抑制される溶接装置を提供すること。【解決手段】溶接装置は、複数のレーザ装置と、前記複数のレーザ装置のそれぞれから出力されたレーザ光を加工対象の表面に向かって照射し、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行うための複数の光学ヘッドと、を備え、前記複数の光学ヘッドは、それぞれの光軸が前記加工対象の表面の法線に対して傾斜しており、かつ、前記光軸と前記法線とが成す平面が互いに異なるように配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、溶接装置に関する。

金属材料等からなる加工対象を溶接する手法の一つとして、レーザ溶接が知られている。レーザ溶接とは、レーザ光を加工対象の溶接すべき部分に照射し、レーザ光のエネルギーで当該部分を溶融させる溶接方法である。レーザ光が照射された部分には、溶融池と呼ばれる溶融した金属材料の液溜りが形成され、その後、溶融池が固化することによって溶接が行われる。

レーザ溶接を行う溶接装置の構成として、レーザ装置から出力されたレーザ光を光ファイバによって加工対象の近傍に導き、レンズ等の光学系を備える光学ヘッドによって加工対象に照射する構成が知られている（たとえば特許文献１参照）。

特表２０１０−５０８１４９号公報

レーザ溶接において、よりハイパワーのレーザ光を加工対象に照射したい場合がある。しかしながら、単一のレーザ装置当たりで出力可能なレーザ光のパワーは限られている。よりハイパワーのレーザ光を照射する方法として、複数のレーザ装置のそれぞれから出力されたレーザ光を、複数の光ファイバのそれぞれを介して、複数の光学ヘッドのそれぞれから加工対象の表面における略同一の位置に照射する方法が考えられる。このような方法によれば、複数のレーザ光の合計のパワーが加工対象に照射されるので、よりハイパワーのレーザ光の照射が可能になる。

しかしながら、上記方法の場合、或る光学ヘッドから加工対象の表面に照射されたレーザ光の一部が反射され、反射光として他の光学ヘッドに入力する場合がある。他の光学ヘッドに入力された反射光は、その光学ヘッドに接続されたレーザ装置に光ファイバを介して到達し、そのレーザ装置を損傷させるおそれがある。加工対象が、銅やアルミ等の比較的反射率の高い金属材料を含む場合、反射光のパワーも比較的高いので、特に問題となりやすい。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、よりハイパワーのレーザ光を用いてレーザ溶接が可能であり、かつレーザ装置の損傷が抑制される溶接装置を提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る溶接装置は、複数のレーザ装置と、前記複数のレーザ装置のそれぞれから出力されたレーザ光を加工対象の表面に向かって照射し、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行うための複数の光学ヘッドと、を備え、前記複数の光学ヘッドは、それぞれの光軸が前記加工対象の表面の法線に対して傾斜しており、かつ、前記光軸と前記法線とが成す平面が互いに異なるように配置されている。

本発明の一態様に係る溶接装置は、前記複数の光学ヘッドと前記加工対象とが相対的に移動可能に構成されている。

本発明の一態様に係る溶接装置は、前記複数の光学ヘッドの個数が奇数である。

本発明の一態様に係る溶接装置は、前記レーザ光の少なくとも１つが、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長を有する。

本発明の一態様に係る溶接装置は、前記レーザ光の少なくとも１つが、赤外領域の波長を有する。

本発明によれば、よりハイパワーのレーザ光を用いてレーザ溶接が可能であり、かつレーザ装置の損傷が抑制される溶接装置を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、光学ヘッドの配置を説明する模式図である。 図３は、光学ヘッドの配置を説明する模式図である。 図４は、反射光を説明する模式図である。 図５は、実施形態２に係るレーザ溶接装置の構成の一部を示す模式図である。 図６は、実施形態２に係るレーザ溶接装置の構成の一部を示す模式図である。 図７は、光学ヘッドの配置の別の一例を説明する模式図である。 図８は、光学ヘッドの配置のさらに別の一例を説明する模式図である。 図９は、光学ヘッドの配置のさらに別の一例を説明する模式図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す模式図である。レーザ溶接装置１００は、複数（本実施形態では奇数である３個）のレーザ装置１１１、１１２、１１３と、複数（本実施形態では３個）の光学ヘッド１２１、１２２、１２３と、複数（本実施形態では３本）の光ファイバ１３１、１３２、１３３と、を備えている。レーザ溶接装置１００は、加工対象Ｗを溶接する溶接装置である。加工対象Ｗは、レーザ溶接が可能な材料、たとえば金属材料等からなり、本実施形態では板状である。加工対象Ｗは、溶接されるべき少なくとも２つの部材を重ねる、または接触させる、または隣接させること等により構成されている。

レーザ装置１１１、１１２、１１３は、それぞれレーザ発振器を備えており、溶接に適用できる程度の高いパワーのレーザ光を出力できるように構成されている。たとえば、レーザ装置１１１、１１２、１１３は、内部に複数の半導体レーザ素子を備え、当該複数の半導体レーザ素子の合計の出力として高いパワーのマルチモードのレーザ光を出力できるように構成されている。また、レーザ装置１１１、１１２、１１３は、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等様々なレーザ光源を備えていてもよい。レーザ装置１１１、１１２、１１３は、異なる種類のレーザ装置を適宜組み合わせてもよい。レーザ装置１１１、１１２、１１３が出力するレーザ光の波長は、同じであっても異なっていてもよいが、本実施形態では全てが同じ波長であり、かつ青色波長であるとする。ここで、青色波長とはたとえば約４５０ｎｍから約５００ｎｍまでの範囲の波長である。

銅、アルミニウム、金、ニッケル、白金、銀、ステンレス鋼（たとえばＳＵＳ３０４）、チタン、スズなどの多くの金属は、可視光領域の波長において、赤外領域（たとえば、７８０ｎｍより長い波長領域）の反射率よりも低い反射率を持つ。そこで、加工対象がこれらの金属材料を含む場合は、可視光領域の波長、たとえば青色波長のレーザ光を用いることが、反射光のパワーを抑制し、レーザ光のエネルギーを溶接に有効活用する点から好ましい。

光ファイバ１３１は、レーザ装置１１１から出力されたレーザ光を導波し、光学ヘッド１２１に入力させる。光ファイバ１３２は、レーザ装置１１２から出力されたレーザ光を導波し、光学ヘッド１２２に入力させる。光ファイバ１３３は、レーザ装置１１３から出力されたレーザ光を導波し、光学ヘッド１２３に入力させる。

光学ヘッド１２１は、光ファイバ１３１から入力されたレーザ光を加工対象Ｗに向かって照射するための光学装置である。光学ヘッド１２１は、コリメートレンズ１２１ａと集光レンズ１２１ｂとを備えている。コリメートレンズ１２１ａは、入力されたレーザ光を平行光にするための光学系である。集光レンズ１２１ｂは、平行光化されたレーザ光を集光し、レーザ光Ｌ１として加工対象Ｗに照射するための光学系である。

光学ヘッド１２２は、光ファイバ１３２から入力されたレーザ光を加工対象Ｗに向かって照射するための光学装置である。光学ヘッド１２２は、光学ヘッド１２１と同様の不図示のコリメートレンズと集光レンズとを備えている。光学ヘッド１２２は、入力されたレーザ光を平行光にし、平行光化されたレーザ光を集光し、レーザ光Ｌ２として加工対象Ｗに照射する。光学ヘッド１２３は、光ファイバ１３３から入力されたレーザ光を加工対象Ｗに向かって照射するための光学装置である。光学ヘッド１２３は、光学ヘッド１２１と同様の不図示のコリメートレンズと集光レンズとを備えている。光学ヘッド１２３は、入力されたレーザ光を平行光にし、平行光化されたレーザ光を集光し、レーザ光Ｌ３として加工対象Ｗに照射する。

光学ヘッド１２１、１２２、１２３は、それぞれ、レーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を、加工対象の表面の略同一箇所に照射するように配置される。レーザ溶接装置１００は、レーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が照射された部分の加工対象Ｗを溶融して溶接を行う。

光学ヘッド１２１、１２２、１２３は、加工対象Ｗ上でレーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の照射を行いながらレーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を掃引するために、加工対象Ｗとの相対的な位置を変更可能に構成されている。加工対象Ｗとの相対的な位置を変更する方法としては、光学ヘッド１２１、１２２、１２３を一体的に移動することや、加工対象Ｗを移動することなどが含まれる。すなわち、光学ヘッド１２１、１２２、１２３は、レーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を、固定されている加工対象Ｗに対して掃引可能に構成されてもよい。このために、光学ヘッド１２１、１２２、１２３がそれぞれ公知のガルバノスキャナなどを備えていてもよい。または、光学ヘッド１２１、１２２、１２３からのレーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の照射位置は固定され、加工対象Ｗが、レーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に対して移動可能に保持されてもよい。このために、レーザ溶接装置１００は、加工対象Ｗを保持しながら移動させるステージを備えていてもよい。

次に、光学ヘッド１２１、１２２、１２３の配置について説明する。図２は、光学ヘッドの配置を説明する模式図であって、光学ヘッド１２１、１２２、１２３を加工対象Ｗの表面の法線の方向から見た図である。また、図３は、光学ヘッドの配置を説明する模式図であって、光学ヘッド１２１、１２２を加工対象Ｗの表面に沿った方向から見た図である。なお、図２、３では光ファイバ１３１、１３２、１３３の図示を省略しており、図３ではさらに光学ヘッド１２３の図示を省略している。また、図３では加工対象Ｗの表面の法線Ｎを示している。この加工対象Ｗの表面は平坦であり、法線はその平坦な表面に垂直な線である。なお、加工対象Ｗの表面に凹凸や段差がある場合は、その凹凸や段差を考慮して近似的な平面を設定し、その平面に対して法線を規定してもよい。また、加工対象の表面が曲率を持つ場合は、その表面に対する接平面に対して法線を規定してもよい。

図２、３において、光軸Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３は、それぞれ光学ヘッド１２１、１２２、１２３の光軸を示している。レーザ光Ｌ１は、光軸Ｘ１と略一致した光軸にて光学ヘッド１２１から出力し、加工対象Ｗに照射される。同様に、レーザ光Ｌ２は光軸Ｘ２と略一致した光軸にて光学ヘッド１２２から出力し、レーザ光Ｌ３は光軸Ｘ３と略一致した光軸にて光学ヘッド１２３から出力し、それぞれ加工対象Ｗに照射される。

ここで、光学ヘッド１２１は、光軸Ｘ１が加工対象Ｗの表面の法線Ｎに対して傾斜するように配置されている。本実施形態では光軸Ｘ１が法線Ｎに対して３０°傾斜している。同様に、光学ヘッド１２２は、光軸Ｘ２が法線Ｎに対して３０°傾斜するように配置されている。同様に、光学ヘッド１２３は、光軸Ｘ３が法線Ｎに対して３０°傾斜するように配置されている。ただし、これらの光軸Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３の傾斜角度は３０°に限定されず、光学ヘッド１２１、１２２、１２３同士が接触しない程度の傾斜角度であればよい。また、光軸、たとえば光軸Ｘ１の傾斜角度が大きすぎると、レーザ光Ｌ１の加工対象Ｗの表面におけるビームの面積が大きくなってパワー密度が低くなる等の現象が生じるので、傾斜角度は適正な範囲内に設定すべきである。

また、図２に示すように、加工対象Ｗの法線の方向から見て、光学ヘッド１２１、１２２、１２３は、光軸Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３が互いに１２０°の等角度となるように配置されている。この場合、光学ヘッド１２１、１２２、１２３は、光軸Ｘ１と法線Ｎとの成す平面（第１平面とする）と、光軸Ｘ２と法線Ｎとの成す平面（第２平面とする）と、光軸Ｘ３と法線Ｎとの成す平面（第３平面とする）と、が互いに異なるように配置されていることとなる。具体的には、第１平面、第２平面、第３平面は、いずれも法線Ｎを含むが、互いに非平行な平面である。

つぎに、加工対象Ｗの表面における反射光について、レーザ光Ｌ１を例として説明する。図４は、反射光を説明する模式図である。図４は、光軸Ｘ１と法線Ｎとの成す第１平面を、第１平面の法線の方向から見た図である。光学ヘッド１２１から加工対象Ｗの表面に照射されたレーザ光Ｌ１の一部は反射し、反射光ＲＬ１となる。反射光ＲＬ１の進行方向は第１平面内にある。ここで、上述したように、光軸Ｘ２が含まれる第２平面は第１平面とは非平行なので、反射光ＲＬ１の光学ヘッド１２２への結合はきわめて抑制される。同様に、反射光ＲＬ１は、光軸Ｘ３が第３平面に含まれる光学ヘッド１２３への結合がきわめて抑制される。その結果、反射光ＲＬ１はレーザ装置１１２、１１３に殆どまたは全く到達しないので、レーザ装置１１２、１１３の損傷が抑制される。また、光学ヘッド１２１の光軸Ｘ１が法線Ｎに対して傾斜しており、反射光ＲＬ１がレーザ装置１１１に殆どまたは全く戻ってこないので、レーザ装置１１１の損傷も抑制される。同様に、加工対象Ｗの表面に照射されたレーザ光Ｌ２、Ｌ３の一部である反射光によるレーザ装置１１１、１１２、１１３の損傷も抑制される。

さらに、本実施形態では、光学ヘッド１２１、１２２、１２３を、法線Ｎの周りに等角度に配置することによって、加工対象Ｗの表面におけるレーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のビームを重ね合わせた形状が、等方的になる。その結果、ビーム品質が良好になり、溶接の品質を高めることができる。また、光学ヘッドの個数が奇数であるので、等角度に配置しても第１平面、第２平面、第３平面が互いに一致することがない。

また、光学ヘッド１２１、１２２、１２３の光軸Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３がいずれも法線Ｎに対して傾斜している。その結果、加工対象Ｗを水平に配置した場合に、加工対象Ｗの溶融した部分で金属ヒューム（蒸気）が発生しても、光学ヘッド１２１、１２２、１２３で囲まれた領域を上昇することとなる。これにより、光学ヘッド１２１、１２２、１２３の光学系、特に集光レンズに金属ヒュームが付着することを抑制できる。

（実施形態２）
図５、６は、実施形態２に係るレーザ溶接装置の構成の一部を示す模式図である。レーザ溶接装置１００Ａは、図１に示すレーザ溶接装置１００の構成に、さらにレーザ装置１１４、光学ヘッド１２４、および光ファイバ１３４を追加した構成を有する。図５は、光学ヘッド１２１、１２２、１２３、１２４を加工対象Ｗの表面の法線Ｎの方向から見た図である。図６は法線Ｎと直交する方向から見た図である。図５、６では、レーザ溶接装置１００と共通の構成についてはその一部のみ図示している。

レーザ装置１１４は、レーザ発振器を備えており、他のレーザ装置１１１、１１２、１１３よりも高いパワーのレーザ光を出力できるように構成されている。たとえば、レーザ装置１１４は、複数の半導体レーザ素子や、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等様々なレーザ光源を備えていてもよい。本実施形態では、レーザ装置１１４は、赤外領域の波長（たとえば９００ｎｍから１１００ｎｍまでの範囲の波長）を有する、たとえば数ｋＷという高いパワーのレーザ光を出力する。

光ファイバ１３４は、レーザ装置１１４から出力されたレーザ光を導波し、光学ヘッド１２４に入力させる。

光学ヘッド１２４は、レーザ装置１１４から入力されたレーザ光を加工対象Ｗに向かって照射するための光学装置であり、光学ヘッド１２１と同様の不図示のコリメートレンズと集光レンズとを備えている。光学ヘッド１２４は、入力されたレーザ光を平行光にし、平行光化されたレーザ光を集光し、図６に示すレーザ光Ｌ４として加工対象Ｗに照射する。

光学ヘッド１２４は、その光軸または光軸の延長線が光学ヘッド１２１、１２２、１２３で囲まれた領域を通り、かつ加工対象Ｗの表面の法線Ｎに対して傾斜するように配置される。光学ヘッド１２４は、レーザ装置１１４から出力されたレーザ光を、加工対象Ｗの表面におけるレーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が照射される略同一箇所に照射する。これにより、加工対象Ｗに、レーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のパワーに加えて、レーザ装置１１４から出力されたレーザ光による、より高いパワーを与え、溶接することができる。

また、光学ヘッド１２４は、その光軸または光軸の延長線が光学ヘッド１２１、１２２、１２３で囲まれた領域を通り、かつ法線Ｎに対して傾斜するように配置される。さらに、光学ヘッド１２４の光軸と加工対象Ｗの表面の法線Ｎとが成す平面を第４平面とすると、第１平面、第２平面、第３平面、第４平面が互いに異なるように配置されている。そのため、光学ヘッド１２４から加工対象Ｗに向かって照射されたレーザ光の一部が加工対象Ｗの表面において反射しても、その反射光が光学ヘッド１２１、１２２、１２３、１２４に結合することが殆どまたは全くない。また、レーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の反射光が光学ヘッド１２４に結合することが殆どまたは全くない。

なお、光学ヘッド１２４は、図６では他の光学ヘッド１２１、１２２、１２３よりも、加工対象Ｗの表面から高い位置にあるが、他の光学ヘッド１２１、１２２、１２３より低い位置でもよいし、他の光学ヘッド１２１、１２２、１２３とほぼ同じ高さでもよい。また、光学ヘッド１２４と、他の光学ヘッド１２１、１２２、１２３のいずれか一つの位置を入れ換えてもよい。

なお、上記実施形態１では、奇数個の光学ヘッド１２１、１２２、１２３を等角度に配置しているが、本発明はこれに限られず、光学ヘッドを不等角度に配置してもよいし、光学ヘッドを偶数個にしてもよい。実施形態２は、複数の光学ヘッドを不等角度に配置し、かつ光学ヘッドを偶数個にしたものと考えることができる。たとえば、図７は、光学ヘッド１２１、１２２、１２３を１１０°、１２０°、１３０°の角度に配置した例である。また、図７は、光学ヘッド１２１、１２２、１２３を１３０°、１３０°、１００°の角度に配置した例である。また、図９は、光学ヘッド１２１の光軸Ｘ１と法線Ｎとの成す角を３０°とし、光学ヘッド１２２の光軸Ｘ２と法線Ｎとの成す角を５０°とした例である。

また、上記実施形態１では、複数のレーザ装置が出力するレーザ光の波長が全て同じ波長であり、かつ青色波長であるが、本発明はこれに限られない。たとえば、実施形態１の構成において、複数のレーザ光の少なくとも１つが、加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長を有していてもよい。また、実施形態１の構成において、複数のレーザ光の少なくとも１つが、赤外領域の波長を有していてもよい。さらには、複数のレーザ光の全てが、赤外領域の波長を有していてもよい。赤外領域の波長のレーザ光を出力できるレーザ装置は、比較的ハイパワーのものをより容易に準備できるので好ましい。

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各実施形態の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１００、１００Ａ レーザ溶接装置
１１１、１１２、１１３、１１４ レーザ装置
１２１、１２２、１２３、１２４ 光学ヘッド
１２１ａ コリメートレンズ
１２１ｂ 集光レンズ
１３１、１３２、１３３、１３４ 光ファイバ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ レーザ光
Ｎ 法線
ＲＬ１ 反射光
Ｗ 加工対象
Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３ 光軸

Claims (5)

1. 複数のレーザ装置と、
   前記複数のレーザ装置のそれぞれから出力されたレーザ光を加工対象の表面に向かって照射し、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行うための複数の光学ヘッドと、
   を備え、前記複数の光学ヘッドは、それぞれの光軸が前記加工対象の表面の法線に対して傾斜しており、かつ、前記光軸と前記法線とが成す平面が互いに異なるように配置されている、
   溶接装置。
2. 前記複数の光学ヘッドと前記加工対象とが相対的に移動可能に構成されている、
   請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記複数の光学ヘッドの個数が奇数である、
   請求項１または２に記載の溶接装置。
4. 前記レーザ光の少なくとも１つが、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長を有する、
   請求項１〜３のいずれか１つに記載の溶接装置。
5. 前記レーザ光の少なくとも１つが、赤外領域の波長を有する、
   請求項１〜４のいずれか１つに記載の溶接装置。

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