JP2024035680A - レーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成で、線状または棒状の第一部材を第二部材に的確にレーザ溶接できる装置を提供する。
【解決手段】レーザ光源３から供給されるレーザ光Ｌを出射して第一部材６と第二部材７との溶接箇所に照射する加工ノズル２と、前記第一部材６を前記第二部材７に溶接するに際して前記加工ノズル２を第一部材６及び第二部材７に対して相対的に接近させ、加工ノズル２の先端を第一部材６に当接させて同第一部材６を第二部材７に向けて押圧し、加工ノズル２及び第二部材７が第一部材６を挟持する状態とした上で前記レーザ光Ｌを前記溶接箇所に照射できるようにするユニット１とを具備するレーザ溶接装置を構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、線状または棒状の第一部材を第二部材に溶接するレーザ溶接装置に関する。

ある部材と他の部材とを溶接するにあたり、溶接箇所にレーザ光を照射して部材を加熱、溶融させて溶接を実行するレーザ溶接技術が公知である。

レーザ溶接では、レーザ光の照射時に溶接箇所に向けてシールドガスを吹き付けることが通例である。その目的は、溶接中に空気が溶融金属に接触するのを遮断することにある。空気には酸素や水蒸気が含まれ、それらは溶融金属と容易に反応し得る。そこで、溶融金属と反応を起こさないような不活性ガスを溶融金属の周囲に供給し、溶融金属を空気から保護するのである（以上、例えば下記特許文献を参照）。

特開２０２２－１０００５０号公報

線状または棒状の部材を他の部材に溶接するにあたっては、治具により前者の部材を保定して後者の部材に対して不動とし、その状態で加工ノズルから出射するレーザ光を溶接するべき箇所に向けて照射することが通例である。

しかし、細径の線状または棒状の部材は、曲がったり反ったり撚れたりしやすい。その部材を保定する治具と、レーザ光を出射する加工ノズルとは、互いに別個独立した機構として存在する。それもあって、線状または棒状の部材を治具により押さえ付けたときに、当該部材の位置が加工ノズルの所在する位置から大きくずれてしまい、溶接箇所にレーザ光を照射できない可能性が生じる。のみならず、溶接する対象である双方の部材が密着せず、両者の間に隙間が空いていると、レーザ溶接の際にスパッタが多く発生し、最悪の場合溶接に失敗するおそれもある。

本発明は、簡便な構成で、線状または棒状の第一部材を第二部材に的確にレーザ溶接できる装置を提供しようとするものである。

本発明では、線状または棒状（細長い薄板状のものを含む）の第一部材を第二部材に溶接するレーザ溶接装置であって、レーザ光源から供給されるレーザ光を出射して前記第一部材と前記第二部材との溶接箇所に照射する加工ノズルと、前記第一部材を前記第二部材に溶接するに際して前記加工ノズルを第一部材及び第二部材に対して相対的に接近させ、加工ノズルの先端を第一部材に当接させて同第一部材を第二部材に向けて押圧し、加工ノズル及び第二部材が第一部材を挟持する状態とした上で前記レーザ光を前記溶接箇所に照射できるようにするユニットとを具備するレーザ溶接装置を構成した。

加えて、前記加工ノズル及び前記第二部材により前記第一部材を挟持した状態で、加工ノズルの内部を通じて第一部材及び前記第二部材を撮像するカメラセンサと、前記カメラセンサが撮像した画像を基に前記第一部材の位置を検出して前記レーザ光を照射するべき位置を決定する制御部とを具備するものとすれば、両部材を溶接する箇所により精確にレーザ光軸を指向させてレーザ光を照射することが可能となる。

前記加工ノズル及び前記第二部材により前記第一部材を挟持した状態で、加工ノズルの内部にシールドガスを導入するガス供給機構を具備するとともに、前記加工ノズル及び前記第二部材により前記第一部材を挟持した状態のまま、加工ノズルの内部に導入された前記シールドガスを当該加工ノズルの外部に排出することを可能にする切欠または貫通孔を、加工ノズルの周壁に形成していれば、レーザ溶接中に加工ノズルの内側に位置する溶接箇所に適切にシールドガスを供給できる。

前記加工ノズルの周壁に、当該加工ノズルの先端から凹む方向に切り欠かれて加工ノズルの内部と外部とを連通させる前記切欠が、前記第一部材の伸びる方向と交差する方向に沿って対向する二カ所に存在していれば、レーザ溶接中に供給するシールドガスやレーザ溶接中に発生する金属蒸気等を加工ノズルの内部から外部に好適に排出でき、溶接の仕上がりが良好となる。

本発明に係る、線状または棒状の第一部材を第二部材に溶接するレーザ溶接方法は、レーザ光源から供給されるレーザ光を出射して前記第一部材と前記第二部材との溶接箇所に照射する加工ノズルを、第一部材及び第二部材に対して相対的に接近させ、加工ノズルの先端を第一部材に当接させて同第一部材を第二部材に向けて押圧し、加工ノズル及び第二部材が第一部材を挟持する保定ステップと、前記加工ノズル及び前記第二部材により前記第一部材を挟持した状態で、加工ノズルからレーザ光を前記溶接箇所に照射して第一部材と第二部材とを溶接する溶接ステップとを具備する。

本発明によれば、簡便な構成で、線状または棒状の第一部材を第二部材に的確に溶接できるレーザ溶接装置を実現できる。

本発明の一実施形態のレーザ処理装置の構成を模式的に示す図。 同レーザ処理装置の加工ノズル近辺の構成を模式的に示す縦断面図。 同レーザ処理装置の加工ノズルの先端部の形状を下方から見た斜視図。 同レーザ処理装置のカメラセンサが加工ノズルを通じて撮影する画像を例示する図。 同レーザ処理装置により実行するレーザ溶接の手順例を示すフロー図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に模式的に示すように、本実施形態のレーザ溶接装置は、線状または棒状の第一部材６を第二部材７に溶接する目的で使用される。第一部材６の太さまたは外径は、約３０μｍがそれ以上であり、実際に極めて細い。

説明の簡明化のため、以後の記述においては、第二部材７が拡張する左右及び前後の二次元方向を互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向と定義するとともに、第一部材６と第二部材７とが重なり合う上下方向をＸ軸及びＹ軸と直交するＺ軸方向と定義する。第一部材６は、Ｙ軸と略平行に、またはＹ軸に対して幾分傾斜しつつも、Ｙ軸方向に伸長する。

本レーザ溶接装置は、レーザ光源（発振器）３から供給されるレーザ光Ｌを加工ノズル２まで伝搬させる光学系を内包しかつ加工ノズル２を支持するユニット１と、ユニット１及び加工ノズル２の内部を通じて第一部材６及び第二部材７を撮像するカメラセンサ４と、レーザ溶接中にシールドガスＧを加工ノズル２の内部に供給するガス供給機構５と、ユニット１及び加工ノズル２を第一部材６及び第二部材７に対して相対的に変位させる駆動機構（図示せず）と、これらレーザ光源３、ユニット１及び駆動機構、並びにガス供給機構５を制御する制御部０とを具備する。

レーザ光源３は、両部材６、７の溶接に適した出力及び波長のレーザ光Ｌ、例えば波長１０６４ｎｍないし１０８０ｎｍ程度の近赤外レーザ光Ｌを発振する。レーザ光源３とユニット１との間は、光ファイバ３１等を介して接続する。

ユニット１が内蔵する光学系は、レンズ、ミラー、光ファイバ等の既知の光学要素を組み合わせて構築する。図１に例示するものでは、レーザ光源３から供給されるレーザ光Ｌの投影形状（スポット形状）を所望の形状に成形するためのレンズ１１、レーザ光Ｌの光軸を変位させることを可能にするガルバノスキャナ１２、レーザ光Ｌを加工ノズル２ひいては溶接対象の部材６、７に向かう方向に反射させるミラー１３を含んでいる。

ビーム成形レンズ１１は、例えばシリンドリカルレンズやコリメートレンズ等である。

ガルバノスキャナ１２は、溶接対象の部材６、７に対するレーザ光Ｌの照射位置を、少なくともＸ軸方向に沿って変化させることができるものである。ガルバノスキャナ１２は、レーザ光Ｌを反射するガルバノミラー１２１を、サーボモータまたはステッピングモータ等１２２により回動させてその姿勢（角度）を変化させる機構である。図１に示す例では、レーザ光Ｌの光軸をＸ軸方向に沿って変位させるスキャナ１２のみを設けているが、レーザ光Ｌの光軸をＹ軸方向に沿って変位させるスキャナを追加しても構わない。

ミラー１３は、溶接対象の部材６、７に照射するべき溶接用のレーザ光Ｌを加工ノズル２及び部材６、７に向けて高効率で反射する。一方で、部材６、７をカメラセンサ４により撮像する都合上、部材６、７の側から加工ノズル２を通じてカメラセンサ４に向かう光Ｉは高効率で透過させる。このミラー１３は、例えばビームスプリッタ（若しくは、ハーフミラー）、ダイクロイックミラー（レーザ光Ｌが有する波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過させる）、ホットミラー（レーザ光Ｌが赤外光である場合にこれを反射し、可視光を透過させる）等である。

図１ないし図３に示すように、加工ノズル２は、溶接対象の部材６、７に照射するべきレーザ光Ｌ、及び当該部材６、７からカメラセンサ４に向かう光Ｉをそれぞれ通過させる筒状体である。その先端部（ノズルチップ）の外周壁は、部材６、７に近づく下方に向かって徐々に先細りとなる截頭円錐状をなしている。加工ノズル２の内部には、溶接対象の部材６、７に相対する集光レンズ（対物レンズ）２１と、この集光レンズ２１よりも部材６、７に近い位置にあって加工ノズル２の内部を閉塞する保護ウィンドウ２２とを設けている。

集光レンズ２１は、例えばｆθレンズまたはテレセントリックレンズであるが、その他の球面レンズや非球面レンズ等であっても構わない。

保護ウィンドウ２２は、後述するシールドガス（図２中に白矢印で表す）Ｇが加工ノズル２を通じてユニット１内（即ち、レーザ光Ｌの光路（行路）に沿った上流側）に流入しないようにこれを遮蔽するものである。保護ウィンドウは、部材６、７に照射するべきレーザ光Ｌ、及び部材６、７側からカメラセンサ４に向かう光Ｉを何れも高効率で透過させる。総じて、レーザ溶接では、レーザ光源３から供給されるレーザ光Ｌが、ビーム成形レンズ１１、ガルバノスキャナ１２、反射ミラー１３、集光レンズ２１及び保護ウィンドウ２２を経由して加工ノズル２から出射し、部材６、７の適切な溶接箇所Ｐに向けて照射される。

カメラセンサ４は、第一部材６及び第二部材７を撮像し、特に第一部材６の存在する位置を検出するためのものである。カメラセンサ４は、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｇ－Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の固体撮像素子を含み、レーザ光Ｌが有する波長以外の光、特に可視光を受光し検出する。部材６、７の側からもたらされる光Ｉは、保護ウィンドウ２２、集光レンズ２１及びミラー１３を経由してカメラセンサ４に入射する。カメラセンサ４とユニット１との間は、光ファイバ等を介して接続してもよいが、カメラセンサ４をユニット１に直接に支持させてもよい。

駆動機構（図示せず）は、加工ノズル２及びユニット１を、溶接対象の部材６、７に対して相対的に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動させる。駆動機構の具体的構成は任意であり、複数の態様が考えられる。水平方向、即ちＸ軸方向及びＹ軸方向について言えば、例えばリニアモータ台車を含むＸＹステージにユニット１を搭載し、加工ノズル２及びユニット１を部材６、７に対しＸ軸及びＹ軸に沿って移動可能にしてもよいし、溶接対象の部材６、７をＸＹステージに載置し、当該部材６、７を加工ノズル２及びユニット１に対しＸ軸及びＹ軸に沿って移動可能としてもよい。垂直方向、即ちＺ軸方向について言えば、モータ駆動のねじ送り機構やラックアンドピニオン機構等を有する昇降装置にユニット１を支持させ、加工ノズル２及びユニット１を溶接対象の部材６、７に対しＺ軸に沿って接近／離間（昇降）可能としてもよいし、溶接対象の部材６、７を載置するステージを昇降装置に支持させて、当該部材６、７を加工ノズル２及びユニット１に対しＺ軸に沿って接近／離間（昇降）可能としてもよい。

ガス供給機構５は、レーザ溶接中に、加工ノズル２の内部、保護ウィンドウ２２よりも下方の（保護ウィンドウ２２よりも溶接対象の部材６、７に近い、部材６、７に面する）領域にシールドガスＧを注入する。シールドガスＧは、溶融金属が空気中の酸素や水素と反応を起こさないように溶融金属を護るためのもので、例えば化学的に安定した窒素、アルゴン等である。ガス供給機構５は、シールドガスＧを蓄えるボンベ５１と、ボンベ５１及び加工ノズル２の内部の双方に接続しボンベ５１から吐出されるシールドガスＧを加工ノズル２の内部へと導くガス導入路５２と、ガス導入路５２上（ボンベ５１と加工ノズル２との間）に配設されてガス導入路５２を開閉するバルブ５３とを要素とする。ガス導入路５２は、変形容易なフレキシブルチューブ（または、ホース）を含むことがある。バルブ５３は、例えば電気的に開閉可能な、またはその開度を制御可能なソレノイドバルブ等である。

なお、図２及び図３に示すように、加工ノズル２の先端部の周壁には予め、加工ノズル２の内部と外部とを連通させる切欠２０を形成している。切欠２０は、溶接対象の部材６、７に当接または極近接する先端面即ち下端面の一部を欠損させ、部材６、７から離反する上方に凹んでいるように周壁を切り欠いたものである。切欠２０は、第一部材６の伸びる方向と交差しまたは直交するＸ軸方向に沿って対向した二カ所に存在する。

切欠２０に代えて、または切欠２０とともに、加工ノズル２における保護ウィンドウ２２よりも下方にある周壁に、当該周壁を貫通し加工ノズル２の内部と外部とを連通させる一または複数の貫通孔を穿ち設けてもよい。切欠２０及び／または貫通孔は、レーザ溶接中に加工ノズル２の内部に供給したシールドガスＧや金属蒸気等を、加工ノズル２の外部に排出させるために機能する。

制御部０は、プロセッサ、主記憶メモリ、補助記憶デバイス（フラッシュメモリであることがある）、入出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステム、パーソナルコンピュータ若しくはワークステーション等、またはプログラマブルコントローラである。制御部０は、予め補助記憶デバイスに格納されているプログラムを主記憶メモリに読み込み、プロセッサにおいて解読して、レーザ光源３や光学系のガルバノスキャナ１２、駆動機構、ガス供給機構５の制御バルブ５３等を制御する。

本レーザ溶接装置によるレーザ溶接処理の手順を述べる。図５に、制御部０がプログラムに従い実行する処理手順を例示している。まず、制御部０が、駆動機構を制御し、加工ノズル２を支持するユニット１を溶接対象の部材６、７に対し相対的にＸ軸及びＹ軸方向に移動させ、加工ノズル２を部材６、７の溶接箇所ＰのＺ軸方向に沿った直上付近に位置づける（ステップＳ１）。

次に、加工ノズル２支持するユニット１を、溶接対象の部材６、７に対し相対的にＺ軸方向に移動させ、加工ノズル２の先端面を部材６、７に接近させる（ステップＳ２）。そして、図２（ｂ）に示しているように、加工ノズル２の先端面を線状または棒状の第一部材６に当接させ、加工ノズル２と第二部材７とによって第一部材６を挟圧する。この保定ステップＳ２により、レーザ溶接中に第一部材６を第二部材７に対して移動困難または移動不能であるように固定する。

そうしておいて、カメラセンサ４が、加工ノズル２の内部を通じて、第一部材６及び第二部材７をＺ軸方向に沿って見た画像を撮影する（ステップＳ３）。制御部０は、カメラセンサ４が撮影した画像を解析し、第一部材６と第二部材７とが重なり合う適正な溶接箇所Ｐ、つまりはレーザ光Ｌを照射するべき箇所Ｐの位置座標を決定する（ステップＳ４）。本実施形態では、ガルバノスキャナ１２により、加工ノズル２の内部でレーザ光Ｌの光軸即ち照射位置をＸ軸方向に沿って変位可能としている。図４に示すように、ステップＳ４では、カメラセンサ４が撮影した画像中の、加工ノズル２の内部でレーザ光Ｌを照射可能な範囲（一点鎖線で表す）Ａ内で、第一部材６が存在する箇所Ｐを検出し、その位置座標［Ｘ］をレーザ光Ｌの照射位置として決定する。なお、レーザ溶接装置がレーザ光Ｌの照射位置をＸ軸及びＹ軸の二次元方向に変位可能なスキャナ１２を備えているならば、レーザ光Ｌを照射可能な範囲内で第一部材６が存在する箇所の位置座標［Ｘ，Ｙ］を、レーザ光Ｌの照射位置として定めることになる。

しかる後、制御部０が、ガルバノスキャナ１２を操作し、ステップＳ４にて決定した照射位置Ｐの座標に向けてレーザ光Ｌの光軸を指向させ、当該照射位置Ｐにレーザ光Ｌを照射し（ステップＳ５）、以て第一部材６と第二部材７とをレーザ溶接する。加工ノズル２における集光レンズ２１の焦点距離は、当該加工ノズル２の先端面を第一部材６に当接させた状態で、第一部材６と第二部材７とを溶接するべき箇所Ｐにレーザ光Ｌが適切に集光されるように設定してある。

これにより、第一部材６が第二部材７に対して動かないように密着させ、または密着しているに略等しい状態に維持しながら、確実にレーザ溶接を遂行することができる。

また、レーザ溶接ステップＳ５では、加工ノズル２の内部にシールドガスＧを供給する。そのシールドガスＧや、レーザ溶接中に発生する金属蒸気は、加工ノズル２の先端面を部材６、７に密接ないし極近接させているとしても、加工ノズル２に設けた切欠２０または貫通孔を通じて、適切に加工ノズル２の外部に排出されることになる。

レーザ溶接が完了したならば、加工ノズル２支持するユニット１を部材６、７に対し相対的にＺ軸方向に移動させ、図２（ａ）に示しているように、加工ノズル２の先端面を部材６、７から離反させる（ステップＳ６）。

以降、上述した手順を、必要に応じて反復する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

０…制御部
１…ユニット
２…加工ノズル
２０…切欠
３…レーザ光源
４…カメラセンサ
５…ガス供給機構
６…線状または棒状の第一部材
７…第二部材
Ｇ…シールドガス
Ｌ…レーザ光
Ｐ…溶接箇所

Claims (5)

1. 線状または棒状の第一部材を第二部材に溶接するレーザ溶接装置であって、
   レーザ光源から供給されるレーザ光を出射して前記第一部材と前記第二部材との溶接箇所に照射する加工ノズルと、
   前記第一部材を前記第二部材に溶接するに際して前記加工ノズルを第一部材及び第二部材に対して相対的に接近させ、加工ノズルの先端を第一部材に当接させて同第一部材を第二部材に向けて押圧し、加工ノズル及び第二部材が第一部材を挟持する状態とした上で前記レーザ光を前記溶接箇所に照射できるようにするユニットと
   を具備するレーザ溶接装置。
2. 前記加工ノズル及び前記第二部材により前記第一部材を挟持した状態で、加工ノズルの内部を通じて第一部材及び前記第二部材を撮像するカメラセンサと、
   前記カメラセンサが撮像した画像を基に前記第一部材の位置を検出して前記レーザ光を照射するべき位置を決定する制御部と
   を具備する請求項１記載のレーザ溶接装置。
3. 前記加工ノズル及び前記第二部材により前記第一部材を挟持した状態で、加工ノズルの内部にシールドガスを導入するガス供給機構を具備するとともに、
   前記加工ノズル及び前記第二部材により前記第一部材を挟持した状態のまま、加工ノズルの内部に導入された前記シールドガスを当該加工ノズルの外部に排出することを可能にする切欠または貫通孔を、加工ノズルの周壁に形成している請求項１記載のレーザ溶接装置。
4. 前記加工ノズルの周壁に、当該加工ノズルの先端から凹む方向に切り欠かれて加工ノズルの内部と外部とを連通させる前記切欠が、前記第一部材の伸びる方向と交差する方向に沿って対向する二カ所に存在している請求項３記載のレーザ溶接方法。
5. 線状または棒状の第一部材を第二部材に溶接するレーザ溶接方法であって、
   レーザ光源から供給されるレーザ光を出射して前記第一部材と前記第二部材との溶接箇所に照射する加工ノズルを、第一部材及び第二部材に対して相対的に接近させ、加工ノズルの先端を第一部材に当接させて同第一部材を第二部材に向けて押圧し、加工ノズル及び第二部材が第一部材を挟持する保定ステップと、
   前記加工ノズル及び前記第二部材により前記第一部材を挟持した状態で、加工ノズルからレーザ光を前記溶接箇所に照射して第一部材と第二部材とを溶接する溶接ステップと
   を具備するレーザ溶接方法。

Images