JP2669152B2 - レーザ溶接ヘッド及びその作動方法 - Google Patents
レーザ溶接ヘッド及びその作動方法Info
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- JP2669152B2 JP2669152B2 JP7505574A JP50557495A JP2669152B2 JP 2669152 B2 JP2669152 B2 JP 2669152B2 JP 7505574 A JP7505574 A JP 7505574A JP 50557495 A JP50557495 A JP 50557495A JP 2669152 B2 JP2669152 B2 JP 2669152B2
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- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
- B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
- B23K26/1464—Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
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- B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第35
13501号公報によって公知であるようなレーザ溶接ヘッ
ドに関する。さらに本発明はこのレーザ溶接ヘッドの作
動方法に関する。
13501号公報によって公知であるようなレーザ溶接ヘッ
ドに関する。さらに本発明はこのレーザ溶接ヘッドの作
動方法に関する。
レーザ溶接においては、溶接溶解物から小滴が裂き取
られ、この小滴が近くに存在する集束光学系の表面に沈
積してこれを破壊させるおそれがあるという問題があ
る。集束光学系の１つの可能な保護は傷が付いた際に交
換することのできる保護ガラスを使用することである。
この保護ガラスにはしかしながら同様に反射防止被膜を
設ける必要があるので、特に溶接飛沫を発生し易い鋼、
例えば亜鉛めっきされた鋼でのレーザ溶接法のコスト的
に有利な使用は疑問視されている。
られ、この小滴が近くに存在する集束光学系の表面に沈
積してこれを破壊させるおそれがあるという問題があ
る。集束光学系の１つの可能な保護は傷が付いた際に交
換することのできる保護ガラスを使用することである。
この保護ガラスにはしかしながら同様に反射防止被膜を
設ける必要があるので、特に溶接飛沫を発生し易い鋼、
例えば亜鉛めっきされた鋼でのレーザ溶接法のコスト的
に有利な使用は疑問視されている。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第3513501号公報によ
れば、レーザビームを集束する光学系とビーム焦点との
間に横方向に延びるガス流を発生するノズルを含んだレ
ーザ溶接ヘッドが公知である。このガス流は溶接溶解物
から溢出して集束光学系の方向へ移動する粒子を転向さ
せるのに使われる。ノズルに対向してガス排出導管の受
入口が配置されており、この受入口はガス流をその全断
面積でその乱流領域を含めて受入れる。
れば、レーザビームを集束する光学系とビーム焦点との
間に横方向に延びるガス流を発生するノズルを含んだレ
ーザ溶接ヘッドが公知である。このガス流は溶接溶解物
から溢出して集束光学系の方向へ移動する粒子を転向さ
せるのに使われる。ノズルに対向してガス排出導管の受
入口が配置されており、この受入口はガス流をその全断
面積でその乱流領域を含めて受入れる。
ノズルから流出するガス流の乱流によって惹き起こさ
れる音響の発生を抑制するために、公知のレーザ溶接ヘ
ッドにおいてはノズルを包囲するインゼクタ外被が補助
的に設けられ、このインゼクタ外被によって高速ガス流
を包囲する層状の流れ外被が形成される。この保護外被
を用いると溶接領域では、この溶接領域に維持されるべ
き保護ガス雰囲気を乱すおそれのある乱流が低減され
る。
れる音響の発生を抑制するために、公知のレーザ溶接ヘ
ッドにおいてはノズルを包囲するインゼクタ外被が補助
的に設けられ、このインゼクタ外被によって高速ガス流
を包囲する層状の流れ外被が形成される。この保護外被
を用いると溶接領域では、この溶接領域に維持されるべ
き保護ガス雰囲気を乱すおそれのある乱流が低減され
る。
しかしながら公知のレーザ溶接ヘッドを用いても、集
束光学系又は保護ガラス上への溶接飛沫の沈積を排除す
ることができないことが判明している。
束光学系又は保護ガラス上への溶接飛沫の沈積を排除す
ることができないことが判明している。
そこで本発明の課題は、レーザビームの光路に位置す
る光学要素の確実な保護をコンパクトな構成で可能にす
るレーザ溶接ヘッドを提供することにある。さらにこの
レーザ溶接ヘッドの作動方法を提供することにある。
る光学要素の確実な保護をコンパクトな構成で可能にす
るレーザ溶接ヘッドを提供することにある。さらにこの
レーザ溶接ヘッドの作動方法を提供することにある。
このような課題は本発明によれば、それぞれ請求項１
もしくは請求項11に記載された特徴事項によって解決さ
れる。本発明によるレーザ溶接ヘッドは、集束したレー
ザビームの出射口と、層状のガス流のための流路のハウ
ジング内部に延びて出射口を通って配置されたセクショ
ンとが設けられているハウジングを含んでいる。
もしくは請求項11に記載された特徴事項によって解決さ
れる。本発明によるレーザ溶接ヘッドは、集束したレー
ザビームの出射口と、層状のガス流のための流路のハウ
ジング内部に延びて出射口を通って配置されたセクショ
ンとが設けられているハウジングを含んでいる。
本発明は、ガス流の乱流の際には溶接飛沫を確実に転
向させかつ連行させることはガス速度が高い場合には保
証されないという認識に基づいている。その理由は、ガ
ス流の内部に発生する乱流によって、亜鉛めっきされた
鋼では約10m/sの速度でもって溶解物から溢出し、かつ
約1mmの直径を持ち得る溶接飛沫の多くはレーザビーム
の伝播方向とは逆方向へより一層加速され得るというこ
とにある。層状のガス流によって溶接粒子をかなり有効
に転向させ得ることが判明している。質量ｍ、直径Ｒ及
び溶接溶解物からの溢出速度ｖを持つ溶接粒子が受ける
転向角αは、溶接粒子が幅Ｂ、密度ρ及び速度Ｕのガス
流と交差する場合次式 α＝R2ρU2CDB/mv2 によって与えられる。この式から、ガスの高速度Ｕはガ
ス流の幅Ｂの拡大より転向角αに良好に影響を及ぼすこ
とが直接推定できる。連行係数CDは乱流であるか又は層
流であるかに関係する。層流用の連行係数CDは乱流用の
連行係数CDより大きいことが示されている。
向させかつ連行させることはガス速度が高い場合には保
証されないという認識に基づいている。その理由は、ガ
ス流の内部に発生する乱流によって、亜鉛めっきされた
鋼では約10m/sの速度でもって溶解物から溢出し、かつ
約1mmの直径を持ち得る溶接飛沫の多くはレーザビーム
の伝播方向とは逆方向へより一層加速され得るというこ
とにある。層状のガス流によって溶接粒子をかなり有効
に転向させ得ることが判明している。質量ｍ、直径Ｒ及
び溶接溶解物からの溢出速度ｖを持つ溶接粒子が受ける
転向角αは、溶接粒子が幅Ｂ、密度ρ及び速度Ｕのガス
流と交差する場合次式 α＝R2ρU2CDB/mv2 によって与えられる。この式から、ガスの高速度Ｕはガ
ス流の幅Ｂの拡大より転向角αに良好に影響を及ぼすこ
とが直接推定できる。連行係数CDは乱流であるか又は層
流であるかに関係する。層流用の連行係数CDは乱流用の
連行係数CDより大きいことが示されている。
本発明の１つの優れた実施態様によれば、流路の出射
口の前に位置するセクション内には、流れを層流化する
手段、特に堰板が配置される。このような措置を講ずる
ことによってレーザ溶接ヘッドのコンパクトな形状が可
能になる。というのは、層流を発生するためには一般に
湾曲しておらずかつ中断のない長い流路が必要である
が、このような流路は空間的に狭い状態では得られない
からである。このようにして、レーザ溶接ヘッド内に流
入した乱流はレーザビームに到達する前に一番狭い空間
で層流に変換される。
口の前に位置するセクション内には、流れを層流化する
手段、特に堰板が配置される。このような措置を講ずる
ことによってレーザ溶接ヘッドのコンパクトな形状が可
能になる。というのは、層流を発生するためには一般に
湾曲しておらずかつ中断のない長い流路が必要である
が、このような流路は空間的に狭い状態では得られない
からである。このようにして、レーザ溶接ヘッド内に流
入した乱流はレーザビームに到達する前に一番狭い空間
で層流に変換される。
流路は出射口の領域に負圧を発生させる手段を有する
と有利である。これによって溶接物から出射口へ向かう
僅かなガス流が作られる。
と有利である。これによって溶接物から出射口へ向かう
僅かなガス流が作られる。
調整可能な段状の横断面拡大部が特に出射口内へ挿入
されたスリーブの形で設けられると有利である。これに
よって出射口の領域における負圧、従って流路の外から
出射口内へ流入するガス流を調整することができる。
されたスリーブの形で設けられると有利である。これに
よって出射口の領域における負圧、従って流路の外から
出射口内へ流入するガス流を調整することができる。
特に優れた実施態様においては、レーザ溶接ヘッド
は、レーザビームが流路へ到達する前に伝播する保護室
と、この保護室内に過圧を発生させる手段とを含む。有
利なことにこれによって保護室は流路の高圧側と流れ技
術的に連通する。これによって、光学要素から離れるよ
うに向く僅かな補助的な流れが出射口の方向へ形成され
る。
は、レーザビームが流路へ到達する前に伝播する保護室
と、この保護室内に過圧を発生させる手段とを含む。有
利なことにこれによって保護室は流路の高圧側と流れ技
術的に連通する。これによって、光学要素から離れるよ
うに向く僅かな補助的な流れが出射口の方向へ形成され
る。
本発明によるレーザ溶接ヘッドの作動方法においては
流路における圧力状態及び流れ状態は、出射口の領域に
少なくとも100m/s、特にほぼ300m/sの流れ速度を持つ層
流が形成されるように選定される。
流路における圧力状態及び流れ状態は、出射口の領域に
少なくとも100m/s、特にほぼ300m/sの流れ速度を持つ層
流が形成されるように選定される。
本発明を詳細に説明するために、図面に示された実施
例を参照する。
例を参照する。
図１は本発明による開放形レーザ溶接ヘッドの斜視図
を示す。
を示す。
図２はレーザ溶接ヘッドの出射口領域の断面図を示
す。
す。
図１によればレーザ溶接ヘッドは集束したレーザビー
ム６の出射口４を備えたハウジング２を含んでいる。こ
のハウジング２はフランジ22上に配置されており、この
フランジ22はレーザ溶接ヘッドの後方に配置された図示
されていない集束光学系を保護するための保護窓24を有
している。出射口４はハウジング２の開口部26内に挿入
された交換可能なスリーブ28によって形成されている。
ム６の出射口４を備えたハウジング２を含んでいる。こ
のハウジング２はフランジ22上に配置されており、この
フランジ22はレーザ溶接ヘッドの後方に配置された図示
されていない集束光学系を保護するための保護窓24を有
している。出射口４はハウジング２の開口部26内に挿入
された交換可能なスリーブ28によって形成されている。
図示された開放形ハウジング２内には、少なくとも出
射口４の領域では層状に流れるガス流12のためのＵ字状
流路８が形成されている。ガスとしては例えば空気又は
窒素が好適である。流路８はそれぞれ異なった機能を満
たす複数の連続配置されたセクションを含んでいる。
射口４の領域では層状に流れるガス流12のためのＵ字状
流路８が形成されている。ガスとしては例えば空気又は
窒素が好適である。流路８はそれぞれ異なった機能を満
たす複数の連続配置されたセクションを含んでいる。
Ｕ字状流路８の左側脚部によって加速室82が形成され
ており、この加速室82は外部からレーザ溶接ヘッドに導
かれ図には詳細に示されていない例えばフレキシブルな
ガス導管に接続されている。加速室82はこの加速室内へ
流入するガスをほぼ90゜方向転換させ、その横断面のノ
ズル状狭小部によってガス流を加速させる。
ており、この加速室82は外部からレーザ溶接ヘッドに導
かれ図には詳細に示されていない例えばフレキシブルな
ガス導管に接続されている。加速室82はこの加速室内へ
流入するガスをほぼ90゜方向転換させ、その横断面のノ
ズル状狭小部によってガス流を加速させる。
加速室82には、集束したレーザビーム６の伝播方向に
交差するように向けられた横路84が続いている。この横
路84は出射口４に対して開放しており、またこの出射口
４に対向して別の側方開口部32を備えている。この側方
開口部32を通って集束したレーザビーム６が横路84内へ
入射し、それゆえ横路84内を流れるガス流12と集束した
レーザビーム６とが交差する。
交差するように向けられた横路84が続いている。この横
路84は出射口４に対して開放しており、またこの出射口
４に対向して別の側方開口部32を備えている。この側方
開口部32を通って集束したレーザビーム６が横路84内へ
入射し、それゆえ横路84内を流れるガス流12と集束した
レーザビーム６とが交差する。
開口部32は円錐台状保護室30に通じており、この円錐
台状保護室30内において集束したレーザビーム６は横路
84と保護窓24との間を伝播する。
台状保護室30内において集束したレーザビーム６は横路
84と保護窓24との間を伝播する。
円錐台状保護室30は、この保護室30の開口部32の領域
より高い圧力を有する加速室82に保護室30を連通させる
孔34を備えている。
より高い圧力を有する加速室82に保護室30を連通させる
孔34を備えている。
横路84はガス流を新たにほぼ90゜方向転換させる膨張
室86に開口しており、流入ガスはこの膨張室86から側方
排出口87を通ってハウジング２を出て行く。
室86に開口しており、流入ガスはこの膨張室86から側方
排出口87を通ってハウジング２を出て行く。
流路８の上側及び下側壁面88は平坦状をしており、こ
の壁面88に対して垂直に延びて部分的に湾曲した側壁90
に接している。
の壁面88に対して垂直に延びて部分的に湾曲した側壁90
に接している。
加速室82において、流れ断面積はガス速度を約300m/s
又は音速の約90％に高めることを可能にするために４〜
８倍減少させられている。断面積狭小部の開始領域には
ガス流12を形成するための堰板10が配置されている。こ
の堰板10の厚みは例えば2mmであり、この堰板10は約1mm
の直径の多数の孔101を有している。この実施例では堰
板は一辺の長さ11mmの正方形平面を有し、約0.6mmの直
径を持つ150個の孔101を含んでいる。これによって、ガ
ス流の方向転換が一番狭い空間で行われるにも拘わら
ず、ガス流が音速に近い場合でも、層流を強制的に作る
ことができる。
又は音速の約90％に高めることを可能にするために４〜
８倍減少させられている。断面積狭小部の開始領域には
ガス流12を形成するための堰板10が配置されている。こ
の堰板10の厚みは例えば2mmであり、この堰板10は約1mm
の直径の多数の孔101を有している。この実施例では堰
板は一辺の長さ11mmの正方形平面を有し、約0.6mmの直
径を持つ150個の孔101を含んでいる。これによって、ガ
ス流の方向転換が一番狭い空間で行われるにも拘わら
ず、ガス流が音速に近い場合でも、層流を強制的に作る
ことができる。
レーザ溶接ヘッドはさらに好適には保護ガス雰囲気を
溶接部に作って維持する補助装置を含んでいる。溶接部
に向いた保護ガス流を形成するために、出射口４の周囲
には環状に多数の小さい流出口40が設けられており、こ
の小流出口40を通って保護ガスがハウジング２の内部を
延びる図示されない通路からレーザビームにほぼ平行に
溢出してこのレーザビームを同心的に包囲する。多数の
小流出口40の代わりに１つの繋がっている環状流出口を
設けることもできる。
溶接部に作って維持する補助装置を含んでいる。溶接部
に向いた保護ガス流を形成するために、出射口４の周囲
には環状に多数の小さい流出口40が設けられており、こ
の小流出口40を通って保護ガスがハウジング２の内部を
延びる図示されない通路からレーザビームにほぼ平行に
溢出してこのレーザビームを同心的に包囲する。多数の
小流出口40の代わりに１つの繋がっている環状流出口を
設けることもできる。
図２に示された断面図には、横路84の、加速室82に直
接続いている第１セクション84a内でガス流12の形成が
行われることが示されている。この第１セクション84a
はこのために平坦状側壁90aを備え、その幅Ｂの少なく
ともほぼ２〜３倍の大きさである長さＬを有している。
この実施例では長さＬは約9mm、幅は約2mmである。この
第１セクション84aには、断面積が段部92の形成により
第１セクション84aの断面積に比べて拡大している第２
セクション84bが続いている。その段部92はハウジング
２の開口部26内へ挿入された例えばねじ込みされたスリ
ーブ28によって規定され、ハウジング２の外部から流路
８への外部吸込み流14を生じるエゼクタ作用を惹き起こ
す。なお吸込み流14の量は段部29の高さｈによって調整
することができる。この高さｈはこの実施例では０〜5m
mに設定することができる。スリーブ28によってレーザ
ビームの出射口４の断面積が規定される。スリーブ28の
内表面は図の特に優れた実施例によれば、この断面積を
レーザビームの伝播のために必要な大きさに制限し得る
ようにするために、円錐形に形成されている。
接続いている第１セクション84a内でガス流12の形成が
行われることが示されている。この第１セクション84a
はこのために平坦状側壁90aを備え、その幅Ｂの少なく
ともほぼ２〜３倍の大きさである長さＬを有している。
この実施例では長さＬは約9mm、幅は約2mmである。この
第１セクション84aには、断面積が段部92の形成により
第１セクション84aの断面積に比べて拡大している第２
セクション84bが続いている。その段部92はハウジング
２の開口部26内へ挿入された例えばねじ込みされたスリ
ーブ28によって規定され、ハウジング２の外部から流路
８への外部吸込み流14を生じるエゼクタ作用を惹き起こ
す。なお吸込み流14の量は段部29の高さｈによって調整
することができる。この高さｈはこの実施例では０〜5m
mに設定することができる。スリーブ28によってレーザ
ビームの出射口４の断面積が規定される。スリーブ28の
内表面は図の特に優れた実施例によれば、この断面積を
レーザビームの伝播のために必要な大きさに制限し得る
ようにするために、円錐形に形成されている。
保護室30を孔34を介して加速室82に連通させることに
よって、保護室30内には、同様に第２セクション84bの
領域における圧力状態に比較して、レーザビームの伝播
方向へ付加的に内部吸込み流15を惹き起こす僅かな過圧
が作られる。
よって、保護室30内には、同様に第２セクション84bの
領域における圧力状態に比較して、レーザビームの伝播
方向へ付加的に内部吸込み流15を惹き起こす僅かな過圧
が作られる。
加速室82内ではガス速度の増大の他にガス流の方向転
換も行われる。堰板10によって作られた層流を乱さない
ようにするために、側壁90の曲率半径ｒは小さくしすぎ
てはならない。というのは、側壁90の曲率半径ｒを小さ
くしすぎると乱流への変換が起こるからである。２〜6m
mの範囲の曲率半径ｒを用いると、ガスの層流は音速に
近い速度の際にも維持され得ることが示されている。
換も行われる。堰板10によって作られた層流を乱さない
ようにするために、側壁90の曲率半径ｒは小さくしすぎ
てはならない。というのは、側壁90の曲率半径ｒを小さ
くしすぎると乱流への変換が起こるからである。２〜6m
mの範囲の曲率半径ｒを用いると、ガスの層流は音速に
近い速度の際にも維持され得ることが示されている。
フロントページの続き (72)発明者 ルデヴイヒト、クラウス ドイツ連邦共和国 デー‐22113 オス トシユタインベーク ダンチガー シユ トラーセ 10デー (72)発明者 タウフエンバツハ、ノルベルト ドイツ連邦共和国 デー‐21493 バス トホルスト アム フオーゲルベルク 16 (56)参考文献 実開 昭62−77690（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−184686（ＪＰ，Ｕ)
Claims (12)
- 【請求項１】集束したレーザビーム（６）の出射口
（４）が設けられたハウジング（２）と、この出射口
（４）の領域で層状のガス流（12）のための流路（８）
のハウジング（２）の内部に延びて出射口（４）を通っ
て配置されたセクション（84）とを備えるレーザ溶接ヘ
ッドにおいて、流路（８）の流れ方向において出射口
（４）の前に位置しガス速度を高めるためにノズル状の
断面積狭小部を有するセクション（82）が設けられ、こ
の内部にガス流を層流化する手段（10）が配置されてい
ることを特徴とするレーザ溶接ヘッド。 - 【請求項２】ガス流を層流化する手段（10）として孔
（101）を備えた堰板（10）が設けられていることを特
徴とする請求項１記載のレーザ溶接ヘッド。 - 【請求項３】流路（８）は出射口（４）の領域に負圧を
発生させる手段（92）を有することを特徴とする請求項
１又は２記載のレーザ溶接ヘッド。 - 【請求項４】調整可能な段状の断面積拡大部（92）が設
けられていることを特徴とする請求項３記載のレーザ溶
接ヘッド。 - 【請求項５】段状の断面積拡大部（92）はハウジング
（２）の開口部（26）内へ挿入されたスリーブ（28）に
よって形成されていることを特徴とする請求項４記載の
レーザ溶接ヘッド。 - 【請求項６】スリーブ（28）の内径はレーザビーム
（６）の伝播方向に向かって減少していることを特徴と
する請求項５記載のレーザ溶接ヘッド。 - 【請求項７】流路（８）は出射口（４）の領域でレーザ
ビーム（６）の伝播方向に対して垂直に延びていること
を特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のレーザ溶接
ヘッド。 - 【請求項８】流路（８）はＵ字形に形成されていること
を特徴とする請求項１乃至７の１つに記載のレーザ溶接
ヘッド。 - 【請求項９】流路（８）内に開口しレーザビーム（６）
が流路（８）へ到達する前に伝播する保護室（30）内に
過圧を発生させる手段が設けられていることを特徴とす
る請求項１乃至８の１つに記載のレーザ溶接ヘッド。 - 【請求項１０】保護室（30）は流路（８）の流れ方向に
おいて出射口（４）の前に位置するセクション（82）に
流れ技術的に連通していることを特徴とする請求項９記
載のレーザ溶接ヘッド。 - 【請求項１１】流路（８）における圧力状態及び流れ状
態は、出射口（４）の領域に流れ速度が少なくとも100m
/sの大きさである層状のガス流が生ずるように選定され
ることを特徴とする請求項１乃至10の１つに記載のレー
ザ溶接ヘッドの作動方法。 - 【請求項１２】流れ速度は音速のほぼ90％の大きさであ
ることを特徴とする請求項11記載のレーザ溶接ヘッドの
作動方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4325929.4 | 1993-08-02 | ||
| DE4325929 | 1993-08-02 | ||
| PCT/EP1994/002525 WO1995003911A1 (de) | 1993-08-02 | 1994-07-29 | Laserschweisskopf und verfahren zu seinem betrieb |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08510691A JPH08510691A (ja) | 1996-11-12 |
| JP2669152B2 true JP2669152B2 (ja) | 1997-10-27 |
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