JP3268248B2 - 複合溶接ヘッド - Google Patents

複合溶接ヘッド

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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/346—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding
    • B23K26/348—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding in combination with arc heating, e.g. TIG [tungsten inert gas], MIG [metal inert gas] or plasma welding

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被溶接物の溶接加
工を行う溶接ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】固相状態にある金属同士を接合する溶接
技術の一種として、レーザ溶接およびガスシールドアー
ク溶接がある。このうちレーザ溶接は、レンズなどの光
学系を用いて溶接母材の一点にレーザビームを収束させ
て溶接する方法であり、高融点溶融等に適している。こ
のレーザ溶接は、単体のレーザ溶接ヘッドを用いて行わ
れている。
【０００３】また、ガスシールドアーク溶接は、巻きわ
くから自動的に供給されるワイヤ状の消耗金属電極と被
溶接物との間にアークを発生させ、その周囲から炭酸ガ
スなどのガスを流出させて溶接箇所をシールドする溶接
方法である。このガスシールドアーク溶接も、単体のガ
スシールドアーク溶接ヘッドを用いて行われている。
【０００４】しかしながら、上述のレーザ溶接では、レ
ンズなどの光学系によりレーザビームの集光を行うため
に開先に対する裕度が狭く、よって開先精度を厳密に確
保する必要があった。またガスシールドアーク溶接で
は、高速度で溶接を行う場合には、アークが不安定とな
り、このため安定的なガスシールドアーク溶接を行うに
は、消耗金属電極を約２ｍ／ｍｉｎの送り速さとするの
が限界となっていた。
【０００５】これらレーザ溶接およびガスシールドアー
ク溶接両方の欠点を解決するため、上述のレーザ溶接と
ガスシールドアーク溶接を組み合わせた複合溶接が試み
られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の複合
溶接を行う溶接ヘッドにおいては、レーザ溶接を行うレ
ーザ光軸とガスシールドアーク溶接を行うガスシールド
アーク溶接ヘッドの両方を用いるため、これらそれぞれ
のヘッドが干渉しないよう、それぞれを母材に対して傾
斜させて設ける必要がある。
【０００７】しかしながら、この場合にはそれぞれが傾
斜しているために熱エネルギの損失が生じて有効に用い
られず、このため溶接時に母材の溶け込みが浅くなると
いう問題が生じている。
【０００８】また、溶接ヘッド自体が大型化してしまう
ため、溶接対象物および溶接箇所に制約が生じてしま
い、適用性が悪いものとなっている。さらに、溶接ヘッ
ドが大型化することにより、その取り扱いが困難化する
という問題も生じている。
【０００９】本発明は上記の事情にもとづきなされたも
ので、その目的とするところは、コンパクトで、高速度
に溶接可能であり、かつ開先狙い精度を良好にすること
が可能な複合溶接ヘッドを提供しようとするものであ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、被溶接物をガスシールドア
ーク溶接およびレーザ溶接するための複合溶接ヘッドに
おいて、レーザ光を出力するレーザ発振器と、上記レー
ザ光を案内するガイド体と、中央部分に孔部が形成され
たレンズを有し、このレンズによって上記ガイド体から
のレーザ光を集光して上記被溶接物をレーザ溶接する集
光レンズ光学系と、上記レンズの孔部に通されてこのレ
ンズの軸線とほぼ同軸に溶接ワイヤを供給する供給ホル
ダと、上記溶接ワイヤと上記被溶接物とに通電し、この
被溶接物の上記レーザ光によるレーザ溶接箇所と同一部
分をガスシールドアーク溶接するアーク溶接電源と、上
記ガイド体を冷却した後に、上記レーザ溶接箇所をシー
ルドするシールドガスを供給するシールドガス供給手段
と、上記供給ホルダ内に冷却水を上記レーザ溶接箇所に
近い側から遠い側へ向けて供給する冷却水供給手段と、
を具備したことを特徴とする複合溶接ヘッドである。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて、図１に基づいて説明する。複合溶接ヘッド１０
は、レーザ発振装置１１を有している。このレーザ発振
装置１１には光ファイバ１２の一端が接続され、この光
ファイバ１２の他端は、光ファイバコネクタ１３に接続
されている。従って、レーザ発振装置１１から出力され
たレーザ光は上記光ファイバコネクタ１３に導かれる。
この光ファイバコネクタ１３を通過したレーザ光は、レ
ーザ光をガイドするガイド体１４内部を通過する。
【００１２】ガイド体１４は、光ファイバ駆動系１５と
接続されており、この光ファイバ駆動系１５が作動して
レーザ光の焦点距離の調整を行える。このガイド体１４
に導入されたレーザ光は、このガイド体１４下端よりミ
ラー取付け部１６に導入される。ミラー取付け部１６内
部には、一対の反射ミラー１７，１８が設けられてい
る。このうち、上記ガイド体１４の下端部と対向する位
置には、小径の反射ミラー１７が設けられている。
【００１３】上記反射ミラー１７には、反射角度を調整
可能なミラー駆動系１９が接続されていて、適宜角度調
整を行うことにより、後述する光学系を進行するレーザ
光の光軸の調整を行うことが可能となっている。
【００１４】反射ミラー１７で反射されたレーザ光は、
大径の反射ミラー１８へと反射される。この反射ミラー
１８に入射されたレーザ光は、集光レンズ光学系２０の
光軸と一致するように反射される。
【００１５】集光レンズ光学系２０は、レンズ２１，２
２，２３，２４，２５，２６，２７からなり、これらが
筒体２８の内部に取り付けられている。この筒体２８の
下端側には、保護ガラス２９が取り付けられており、溶
接時のヒュームやスパッタの付着から筒体２８内部の集
光レンズ光学系２０を保護している。
【００１６】上記保護ガラス２９の下方には、レーザ光
を被溶接物３０に対して出射するノズル３１が設けられ
ていて、被溶接物３０に対してレーザ光を出射してい
る。ここで、上記反射ミラー１８およびレンズ２１〜２
７の中心部分には、適宜の大きさの孔部２１ａ〜２７ａ
が形成されていて、これら孔部２１ａ〜２７ａには周囲
が金で被覆されている溶接ワイヤ３３の供給ホルダとし
てのワイヤ給電用ガイドホルダ３２が挿通されている。
このワイヤ給電用ガイドホルダ３２は、中心軸が上記レ
ーザ光の光軸と一致するように挿通されている。
【００１７】このワイヤ給電用ガイドホルダ３２は、下
端側が電極としての溶接ワイヤ３３を送り出すために細
径に設けられた先端チップ３４となっている。また、ワ
イヤ給電用ガイドホルダ３２は、内部に溶接ワイヤ３３
が導入されるために、中空状に形成されており、この中
空部分には、上記溶接ワイヤ３３以外にさらに冷却水を
導入するための冷却経路が形成されている。これによ
り、溶接時に生じる発熱からワイヤ給電用ガイドホルダ
３２を保護するように設けられている。
【００１８】この冷却経路に冷却水を供給するために、
上記筒体２８の下方の先端チップ３４には、冷却水導入
部３５が設けられている。この冷却水導入部３５から導
入された冷却水は、上記ワイヤ給電用ガイドホルダ３２
内部を通過してこの内部を上昇し、上記ワイヤ給電用ガ
イドホルダ３２の上端に設けられた冷却水出口部３６へ
と排出されるようになっている。
【００１９】上記ミラー取付け部１６よりも上方側に
は、上記溶接ワイヤ３３が巻き付けられ、上記ワイヤ給
電用ガイドホルダ３２内部に溶接ワイヤ３３を供給する
溶接ワイヤ供給装置３７が設けられている。この溶接ワ
イヤ供給装置３７は、適宜の速度で回転駆動されるよう
に設けられており、これによって上記ワイヤ給電用ガイ
ドホルダ３２内部に溶接ワイヤ３３を供給するように設
けられている。
【００２０】上記ノズル３１には、補助シールドガスを
供給するための補助シールドガス供給手段３８が設けら
れている。このため、上記溶接ワイヤ３３を供給して、
さらに上記補助シールドガス供給手段３８から補助シー
ルドガスを供給すれば、溶接箇所をシールドして溶接す
ることが可能となっている。
【００２１】また、補助シールドガスの供給に対応し
て、上記ガイド体１４の内部にはアシストガス供給手段
３９が接続されている。このアシストガス供給手段３９
は、上記ガイド体１４内部に冷却ガスを導入して、光フ
ァイバコネクタ１３や反射ミラー１７を冷却するととも
に、上記補助シールドガスと混合されて、溶接中には被
溶接物３０の溶接箇所をシールドするように設けられて
いる。
【００２２】さらに、上記ミラー取付け部１６にも、冷
却ガス供給手段４０が取り付けられており、これにより
上記ミラー取付け部１６内部に冷却ガスを導入して反射
ミラー１８や、レンズ２１〜２７、および保護ガラス２
９、ワイヤ給電用ガイドホルダ３２を冷却するように設
けられている。
【００２３】上記筒体２８の外方には、溶接ワイヤ３３
に陽極側の電力を給電するためのアーク溶接電源４１が
設けられている。このアーク溶接電源４１には、ケーブ
ル４２の一端が接続され、このケーブル４２の他端は上
記冷却水導入部３５に設けられた給電コネクタ４３に接
続される。
【００２４】ここで、上記冷却水導入部３５は先端チッ
プ３４に接続されているため、この先端チップ３４を介
して溶接ワイヤ３３に上記アーク溶接電源４１の電力が
供給されるようになっている。
【００２５】さらに、上記アーク溶接電源４１は、ケー
ブル４４を介して被溶接物３０に接続されており、この
被溶接物３０に陰極側の電力を印加するように設けられ
ている。
【００２６】以上のような構成を有する複合溶接ヘッド
１０の作用について、以下に説明する。被溶接物３０の
溶接を行うに際しては、レーザ発振装置１１を作動させ
てレーザ光を出力すると共に、上記光ファイバ駆動系１
５およびミラー駆動系１９を駆動させてこのレーザ光の
焦点および光軸合わせを行う。そして、これらの調整が
終了した後に、レーザ発振装置１１を作動させてレーザ
光の出射を行う。
【００２７】これと共に、上記溶接ワイヤ供給装置３７
を作動させてワイヤ給電用ガイドホルダ３２内部に溶接
ワイヤ３３を供給し、またアーク溶接電源４１を作動さ
せて溶接ワイヤ３３および被溶接物３０にそれぞれ陽極
および陰極の電力を供給する。
【００２８】そして、補助シールドガス供給手段３８を
作動させて上記ノズル３１から補助シールドガスを供給
し、上記被溶接物３０に対してレーザ溶接およびガスシ
ールドアーク溶接を同時に行う。この場合、溶接時に生
じる発熱から各装置を保護するために、ワイヤ給電用ガ
イドホルダ３２内部に冷却水導入部３５から冷却水を導
入し、またアシストガス供給手段３９から上記ガイド体
１４内部に冷却ガスを導入し、さらに冷却ガス供給手段
４０から冷却ガスを導入する。
【００２９】このようにして、上記被溶接物３０の溶接
を進行させる。このような構成の複合溶接ヘッド１０に
よると、レーザ溶接とガスシールドアーク溶接の複合溶
接を行うことによって、従来のガスシールドアーク溶接
と比較して溶接速度を早くすることが可能となる。一例
として、従来では溶接速度は２ｍ／ｍｉｎが限界であっ
たものが、それ以上の速度の２〜３ｍ／ｍｉｎの速度で
溶接を行うことが可能となっている。
【００３０】さらに、溶接時の開先狙い精度を通常のア
ーク溶接なみに広げることが可能となり、開先狙い精度
に裕度を広くして溶接を行うことが可能となる。また、
集光レンズ光学系２０とワイヤ給電用ガイドホルダ３２
とを同軸に設けて一体化を行ったため、複合溶接ヘッド
１０のコンパクト化を達成することが可能となる。以
上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明
はこの実施の形態以外にも、要旨を変更しない範囲なら
ば種々変形しても構わない。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によると、レーザ光を出力するレーザ発振器と、中央
部分に孔部が形成されたレンズを有し、このレンズによ
って上記レーザ発振器からのレーザ光を集光して上記被
溶接物をレーザ溶接する集光レンズ光学系と、上記レン
ズの孔部に通されてこのレンズの軸線とほぼ同軸に溶接
ワイヤを供給する供給ホルダと、上記溶接ワイヤと上記
被溶接物とに通電し、この被溶接物の上記レーザ光によ
るレーザ溶接箇所と同一部分をガスシールドアーク溶接
するアーク溶接電源と、を具備したため、ガスシールド
アーク溶接を単独で行う場合よりも高速度で溶接を行う
ことが可能となる。
【００３２】また、レーザ溶接単独で行う場合には、レ
ーザ光の開先狙い裕度が広がり、これにより溶接時の開
先狙い精度をアーク溶接並みに広げることが可能とな
る。さらに、レーザ溶接の集光レンズ光学系とガスシー
ルドアーク溶接を行うための供給ホルダとを一体化して
いるため、複合溶接ヘッドのコンパクト化を図ることが
可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係わる複合溶接ヘッド
の構成を示す側断面図。
【符号の説明】
１０…複合溶接ヘッド １１…レーザ発振装置 １４…ガイド体 １７，１８…反射ミラー ２０…光学系 ２１〜２７…レンズ ２９…保護ガラス ３０…被溶接物 ３１…ノズル ３２…電極ホルダ ３３…ワイヤ ３４…先端チップ ３７…溶接ワイヤ供給装置 ３８…補助シールドガス供給手段 ４１…アーク溶接電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｂ２３Ｋ 26/06 Ｂ２３Ｋ 26/06 Ａ 28/02 28/02 (56)参考文献 特開 昭57−46225（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−122950（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−30193（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−3682（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−79660（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−157089（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 26/00 B23K 9/12 B23K 9/173 B23K 9/32 B23K 26/06 B23K 28/02

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】被溶接物をガスシールドアーク溶接および
    レーザ溶接するための複合溶接ヘッドにおいて、 レーザ光を出力するレーザ発振器と、 上記レーザ光を案内するガイド体と、 中央部分に孔部が形成されたレンズを有し、このレンズ
    によって上記ガイド体からのレーザ光を集光して上記被
    溶接物をレーザ溶接する集光レンズ光学系と、 上記レンズの孔部に通されてこのレンズの軸線とほぼ同
    軸に溶接ワイヤを供給する供給ホルダと、 上記溶接ワイヤと上記被溶接物とに通電し、この被溶接
    物の上記レーザ光によるレーザ溶接箇所と同一部分をガ
    スシールドアーク溶接するアーク溶接電源と、上記ガイ
    ド体を冷却した後に、上記レーザ溶接箇所をシールドす
    るシールドガスを供給するシールドガス供給手段と、上記供給ホルダ内に冷却水を上記レーザ溶接箇所に近い
    側から遠い側へ向けて供給する冷却水供給手段と、 を具備したことを特徴とする複合溶接ヘッド。
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