JP3768393B2 - レ−ザ／プラズマ複合の加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接，切断，穴開け，加熱，溶融等の加工を行なうレ−ザ加工装置に関し、特に、レーザとプラズマを複合した加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばレーザ溶接は、低歪，高速溶接が可能であるが、レーザ光はスポット径が小さいことから突合わせ溶接においてギャップ裕度が少なく、溶接材の高い突合わせ精度が要求される。特開平２−５２１８３号公報には、突合わせ精度が粗くてもＣＯ２レーザによる突合わせ溶接を実現するために、ＣＯ２レーザの照射に先行して付き合わせ部をプラズマ溶接するプラズマアーク併用のレーザ溶接方法が開示されている。
【０００３】
この方法によれば、ギャップ裕度が大きくなりレーザ突合わせ溶接の品質が向上する。しかし、レーザ溶接の能率は、あまり向上しない。ここで能率とは、レーザパワーに対する、溶接対象材の厚み×溶接速度、である。
【０００４】
特開平１０−１８０４７９号公報には、レーザトーチの先端部に、プラズマ発生用のリング状又は円錐筒状のプラズマ電極とノズル部材を備えて、レーザ光を該プラズマ電極の中央の開口に通して、溶接対象材の同一点に同時にプラズマジェットとレーザ光を照射する溶接トーチが開示されている。プラズマジェットの中心を通って収束するレーザ光が、プラズマジェットにそれを絞るように作用して、溶接対象材に作用するプラズマジェット密度（エネルギ密度）が高くなって溶接能率が向上する、と説明されている。
【０００５】
しかしながら、リング状又は筒状のプラズマ電極は、一周の全点でアークを発生することができるが、アークが一点に留まってそこが消耗して電極形状が乱れて放電特性が不安定になりやすいと考えられる。つまり、プラズマ電極の安定動作時間が短いと推察される。
【０００６】
特開平１０−２１６９７９号公報には、レーザトーチの先端部に、下端のノズルに連なる円錐状の空間を形成し、そこにリング状又は円錐筒状の陰極電極と陽極電極を上下に設けて、それらの間にプラズマアーク電流を流す、非移行式プラズマ併用のレーザ加工ヘッドが開示されている。しかしながらこれにおいても、アークが一点に留まってそこが消耗して電極形状が乱れて放電特性が不安定になりやすいと考えられる。つまり、プラズマ電極の安定動作時間が短いと推察される。また、非移行式プラズマ発生であるので、ヘッドと溶接対象材との距離裕度が非常に小さいと考えられる。
【０００７】
特開平５−６９１６５号公報には、レーザトーチの先端部に、ＴＩＧ溶接用の筒状電極を備えて、レーザ光を該電極の中央の開口に通して、溶接対象材に照射するレーザ併用のＴＩＧ溶接トーチが開示されている。これにおいても、アークが一点に留まってそこが消耗して電極形状が乱れて放電特性が不安定になりやすいと考えられる。
【０００８】
特開平９−１２２９５０号公報には、レーザ光の集光用レンズ群の光軸位置にＴＩＧ溶接電極を配置した複合溶接ヘッドが開示されている。このＴＩＧ溶接電極は丸鉛筆の中実棒状の電極であり、その下端の尖端にＴＩＧアークが集中し、アークが安定であると推察される。しかしＴＩＧ下端部がトーチ外に露出し、電極の尖端直下にレーザ光が収束するので、溶接ヒュームによってレーザがさえぎられ、溶接能率の改善は低いと推察される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、加工能率が高く、しかもプラズマ発生が安定するレ−ザ／プラズマ複合の加工装置を提供することを第１の目的とする。小出力のＹＡＧレーザで高出力のＹＡＧレーザと同等の加工性能を得ることを第２の目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（１）円周面に冷却水流路 (4) がある小径円柱が下端の外フランジから上方に突出し、前記外フランジの下端面に開きレ−ザ光束(21)の光軸(22)が貫通するノズル(2)があって、該ノズル (2) と連続しそれより大きい開口で前記小径円柱の上端面に開いた空間 (3) がある、ノズル部材(1)；
丸穴を有しそこに前記小径円柱を受け入れて前記ノズル部材(1)を支持する絶縁部材(6)；
尖端を有する中実棒状のプラズマ電極(18)；
前記ノズル (2) に向かうレ−ザ光束 (21) が通る開口 (13) を有し、前記プラズマ電極(18)を、それが前記光軸(22)に対して傾斜しかつ該光軸(22)より退避した位置から尖端が前記空間 (3) を通して前記ノズル(2)に指向する姿勢および位置に保持する、前記絶縁部材(6)に結合された電極支持部材(12,14)；および、
前記レーザ光束(21)を放射するレーザヘッド(17)に前記電極支持部材(12,14)を結合する手段(16)；
を備えるレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
【００１１】
なお、理解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素又は対応事項の符号を、参考までに付記した。以下も同様である。
【００１２】
これによれば、ノズル(2)を通って収束するレーザ光が、プラズマ電極下部に発生するプラズマジェットを通過してそれに作用し、溶接対象材に作用するプラズマジェット密度（エネルギ密度）が高くなって溶接能率が向上する。プラズマ電極(18)が尖った先端を有する中実棒状であるので、プラズマアークが該尖った先端に集中してそこに留まり、安定する。従って、プラズマ照射の安定動作時間が長い。プラズマジェットがヒュームを排斥するので、それらによるエネルギの遮断が少なく、この点からも、溶接能率が向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（２）前記冷却水流路 (4) は前記小径円柱の首部にある；上記（１）に記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
【００１４】
（３）前記レーザヘッド (17) は、プラズマガス注入ポート (24) を有し、該ポート (24) に供給されるプラズマガスを前記電極支持部材 (12,14) の前記開口 (13) に案内する；上記（１）又は（２）に記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
【００１５】
（４）前記レーザヘッドの内部から、前記電極支持部材 (12,14) の前記開口 (13) に伸び該開口部で最小径であって、その内部を前記レーザ光束 (21) が通過し、外部を前記プラズマガス注入ポート (24) から注入されたプラズマガスが流下する裁頭錐筒；を更に備える上記（３）に記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
【００１６】
（４ａ）前記裁頭錐筒の下端部においてその外を流下するプラズマガスの流れを、前記プラズマ電極の先端部の周りに集中させる手段 (26) ；を更に備える上記（４）に記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
【００１７】
（５）レーザはＹＡＧレーザである。ＹＡＧレーザは金属材料の光吸収率がＣＯ２レーザの数倍であるので、効率の良い溶接が可能である。また、波長がＣＯ２レーザの１／１０であるので、溶接時に発生するプラズマの影響を受けにくい。ＹＡＧレーザはフレキシブルな光フアイバで伝送できるので、ハンドリングが容易で多関節ロボットの利用も可能である。また、１００ｍ程度までの離れた場所への伝送が可能である。一方、ＹＡＧレーザは、イニシャルコストが高いので、自動車生産ラインのように複数台の設備を導入する場合には、設備費が膨大なものとなるが、レーザ光を時間分割（タイムシェアリング）、空間分割（パワーシェアリング）で、複数の加工ステーションに分配伝送して加工に用いることができ、高い利用効率を得られる。
【００１８】
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【００１９】
【実施例】
−第１実施例−
図１に本発明の第１実施例の主要部を示す。ＹＡＧレーザヘッド１７のＹＡＧレーザ光束２１の光軸２２を中心としたノズル２を有するノズル部材１の外フランジが、図示しない複数のねじ（光軸２２を中心に９０度ピッチで分布する４本）によってノズル受け６に固着されている。ノズル部材１の小径円柱は、ノズル受け６の丸穴に挿入されて円柱外周面がＯリング７を圧縮している。また、前記図示しない複数のねじ止めにより、ノズル部材１の外フランジがＯリング５を圧縮している。ノズル部材１の小径円柱の首部にはリング状の冷却水流路４があり、この流路４が、Ｏリング５と７で気密にシールされている。なお、ノズル受け６には、この流路４に冷却水を供給するための注入ポートおよび流路４から冷却水を排水するための排出ポートがあるが、それらの図示は省略した。
【００２０】
ノズル部材１の小径円柱の内端面には、ノズル２を底としそれに連続する円錐面３があり、これが円錐空間を規定している。
【００２１】
ノズル受け６の上に、電極ホルダ１２があり、電極ホルダ１２には図に示すように、尖った先端を有する中実棒状（丸鉛筆状）のプラズマ電極１８を、それが光軸（トーチ軸）２２に対して傾斜しかつ光軸２２より退避した位置からノズル２に指向する姿勢に受け入れる通し穴があり、その穴をプラズマ電極１８が貫通している。電極ホルダ１２にはその外周面から通し穴に至るねじ穴があり、このねじ穴にねじ込まれた留めねじ１９の締めつけによって、プラズマ電極１８が電極ホルダ１２に固定されている。２０はロックナットである。
【００２２】
電極ホルダ１２には絶縁台１４が載せられている。絶縁台１４，電極ホルダ１２，ブラケット１０およびノズル受け６は、それらを貫通しノズル受け６にねじ込まれた複数個のボルト１５（光軸２２を中心に１２０度ピッチで分布する３本）で一体に固着されている。
【００２３】
ＹＡＧレーザヘッド１７の下端外周の雄ねじに、フランジ付き雌ねじ筒１６がねじ結合しており、この雌ねじ筒１６に、そのフランジのねじ通し穴を貫通し絶縁台１４にねじ込まれた複数のねじ（光軸２２を中心に１２０度ピッチで分布する３本）で、絶縁台１４が固着されている。
【００２４】
ＹＡＧレーザヘッド１７には、プラズマガス注入ポート２４を設けており、そこからヘッド１７内にプラズマガスを供給する。ヘッド１７に入ったプラズマガスは、ノズル２に向かう軸流となってヘッド１７を流下してノズル２から外に噴出する。この過程で、ノズル２と電極１８下端の間のアークで電離されてプラズマとなる。
【００２５】
この実施例では、プラズマ電極１８の尖つた先端にアーク放電の電界を集中させ、電極の先端部以外への電解集中を避けるように、電極ホルダ１２を導電体（銅製）とし、これに伴って、電極ホルダ１２の絶縁のために、ノズル受け６および台１４を絶縁体（セラミック）とした。ノズル部材１は導電体（銅製）である。
【００２６】
プラズマ電極１８とノズル部材１には、パイロット電源ＰＳｐ，高周波高電圧のトリガ回路ＨＦおよびパイロットスイッチＳＷｐを含むパイロット電源回路が接続されており、プラズマ電極１８と突合わせ溶接対象材ＯＢ１には、メインプラズマ電源ＰＳｍおよびメインスイッチＳＷｍを含むメインプラズマ電源回路が接続されている。
【００２７】
冷却水およびプラズマガスの供給を開始し、必要に応じてレーザヘッド１７においてもレーザ集束のためのレンズをパージするガスの供給を開始し、パイロットスイッチＳＷｐをオンにしそしてトリガ回路ＨＦを駆動してノズル部材１／プラズマ電極１８間に電気放電をトリガする。これによりパイロットプラズマが着火すると、トリガ回路ＨＦはオフにしてメインスイッチＳＷｍをオンにする。これにより溶接対象材ＯＢ１／プラズマ電極１８間にメインプラズマアークが発生し、プラズマ溶接動作状態になる。ここでＹＡＧレーザ光束２１の射出を開始すると、レ−ザ／プラズマ複合の、高能率の突合わせ溶接動作状態になる。
【００２８】
−第２実施例−
図２に本発明の第２実施例の主要部を示す。この第２実施例では、第１実施例にガス流路区画用のコーン２５を加えてレーザ光束を覆って、ヘッド１７内かつコーン２５の外の空間を通して、プラズマガスをノズル受け６の内空間に供給するようにした。絶縁台１４内に、半円形の平板リング半体である邪魔板２６があり、この邪魔板２６が、プラズマガス流を電極１８の周りに集中させるために、コーン２５の外の、中心穴１３の右半分を閉じている。その他の構造は、第１実施例と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例の主要部を示す縦断面図である。
【図２】 本発明の第２実施例の主要部を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１：ノズル部材 ２：ノズル
３：円錐面 ４：冷却水流路
５：Ｏリング ６：ノズル受け
７：Ｏリング １３：中心穴
１４：絶縁台 １５：ボルト
１６：雌ねじ筒 １７：ＹＡＧレーザヘッド
１８：プラズマ電極 １９：留めねじ
２０：ロックナット ２１：ＹＡＧレーザ光束
２２：光軸 ２３：ガス通流空間
２４：ガス注入ポート ２５：コーン
２６：邪魔板

Claims (5)

1. 円周面に冷却水流路がある小径円柱が下端の外フランジから上方に突出し、前記外フランジの下端面に開きレ−ザ光束の光軸が貫通するノズルがあって、該ノズルと連続しそれより大きい開口で前記小径円柱の上端面に開いた空間がある、ノズル部材；
   丸穴を有しそこに前記小径円柱を受け入れて前記ノズル部材を支持する絶縁部材；
   尖端を有する中実棒状のプラズマ電極；
   前記ノズルに向かうレ−ザ光束が通る開口を有し、前記プラズマ電極を、それが前記光軸に対して傾斜しかつ該光軸より退避した位置から尖端が前記空間を通して前記ノズルに指向する姿勢および位置に保持する、前記絶縁部材に結合された電極支持部材；および、
   前記レーザ光束を放射するレーザヘッドに前記電極支持部材を結合する手段；
   を備えるレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
2. 前記冷却水流路は前記小径円柱の首部にある；請求項１に記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
3. 前記レーザヘッドは、プラズマガス注入ポートを有し、該ポートに供給されるプラズマガスを前記電極支持部材の前記開口に案内する；請求項１又は２に記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
4. 前記レーザヘッドの内部から、前記電極支持部材の前記開口に伸び該開口部で最小径であって、その内部を前記レーザ光束が通過し、外部を前記プラズマガス注入ポートから注入されたプラズマガスが流下する裁頭錐筒；を更に備える請求項３に記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。
5. レーザはＹＡＧレーザである、請求項１，請求項２，請求項３又は請求項４記載のレ−ザ／プラズマ複合の加工装置。

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