JP3779117B2 - レーザー溶接装置 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー溶接装置に関するものである。
【従来の技術】
レーザー溶接においては、一般に溶接時にレーザー照射部から一部イオン化したプラズマを含む金属蒸気、即ちプラズマ・プルームが発生することが知られている。このプラズマ・プルームは、レーザー光を吸収・屈折させるためその除去が試みられてきた。
一方、レーザー溶接時に溶接ビード部の表面酸化も除外すべきであり、そのために、従来はＡｒ等の不活性ガスをシールドガスとして溶接ビード部に向けて上方や斜めから吹き付けて、これら表面酸化とプルームの除去とを試みてきた。
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来のレーザー溶接時には、レーザー照射（キーホール）部から一部イオン化したプラズマを含む金属蒸気のプルームが発生する。これは、レーザー光を吸収・屈折させる作用があるため、レーザーエネルギーが加工部に有効に投入されず、深溶込みの溶接部が得られないという問題が生じる。
また、レーザー溶接中に不活性ガスをシールドガスとして用いないと、溶接ビード部の表面が酸化され、良好な溶接部が得られない。
したがって、レーザー溶接中には、このプラズマ・プルームを除去するためと酸化防止の両立の問題解決のため、レーザー照射部に、アルゴンガスかヘリウムガスなどの不活性ガスを同軸上にまたは斜めからサイドガスとして吹き付ける方法が採られる。
このような通常のガス吹付け方法では、プラズマ・プルームを除去することによって深溶込みの溶接部が形成できる反面、レーザー溶接ビード部にはポロシティが多数発生するという問題点がある。
このように、従来のレーザー溶接におけるシールドガス吹き付け法では、所期の目的が達成できず、溶接ビード部にＡｒ等の不活性ガス成分が混入する等して必ずしも安定な溶接が得られなかった。
本発明は、上記問題点を除去し、レーザー照射部にシールドガス成分の混入をなくして、酸化を防止し、安定な溶接を行うことができるレーザー溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕レーザー溶接装置において、レーザーノズル（２）と、このレーザーノズル（２）内に導入されるシールドガス流を前記レーザーノズル（２）の内周面に沿って旋回させる旋回発生手段と、前記レーザーノズル（２）の先端部（２Ｃ）にノズル曲壁（２Ｄ）が形成され、レーザー照射部（３Ａ）と該レーザー照射部（３Ａ）の近傍に負圧部（１２）を生成させ、プラズマ・プルームを吸い出し、シールドガス（４）に巻き込んで前記レーザーノズル（２）の先端部（２Ｃ）より流出させる手段とを具備するようにしたものである。
〔２〕レーザー溶接装置において、密閉容器を兼ねる、注入シールドガス導入部（２１Ａ）からのシールドガス（２０）を導入する外筒（２１）と、レーザー導入のための内筒（２２）と、前記外筒（２１）と内筒（２２）の間に配置される旋回羽根（２３）と、前記外筒（２１）から前記内筒（２２）へのリークを防止する旋回羽根カバー（２４）と、前記旋回羽根（２３）の下流に配置される管型レーザーノズル（２５）と、レーザー照射部とこのレーザー照射部の近傍に負圧部を生成させ、プラズマ・プルームを吸い出し、シールドガス（２０）に巻き込んで前記管型レーザーノズル（２５）の先端部より流出させる手段とを具備するようにしたものである。
〔３〕レーザー溶接装置において、密閉容器を兼ねる、レーザー（３５）とシールドガス（３０）を導入する大径の導入管（３１）と、前記大径の導入管（３１）内に配置され、シールドガス（３０）を案内する石英ガラス板からなる蓋体（３３）と、この蓋体（３３）の下部の周辺部に配置される旋回羽根（３４）と、この旋回羽根（３４）の下流に配置される小径の管型レーザーノズル（３２）と、レーザー照射部と該レーザー照射部の近傍に負圧部を生成させ、プラズマ・プルームを吸い出し、シールドガス（３０）に巻き込んで前記小径の管型レーザーノズルの先端部より流出させる手段とを具備するようにしたものである。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示すレーザー溶接装置の一部破断概略斜視図、図２はそのレーザー溶接装置の渦流式旋回発生器の上面図、図３はそのレーザー溶接装置の渦流式旋回発生器の斜視図である。
これらの図において、１はシールドガスの渦流式旋回発生器であり、注入シールドガス量は１〜２００ｌ／ｍｉｎである。２は管型ノズル（曲率半径Ｒは５〜１００ｍｍまたは直管）であり、その内径は５〜５０ｍｍである。２Ａはシールドガス導入口であり、図２から明らかなように、管型ノズル２の中心に対して偏心した位置からシールドガス４が導入されて、管型ノズル２の内周面に沿って旋回するようになっている。ここでは、シールドガス導入口２Ａは一個になっているが、管型ノズル２の中心から偏心した位置であれば、何個設けるようにしてもよい。また、シールドガス導入口２Ａは四角の断面形状をしているが、これに限定されるものではなく、円形の断面形状であってもよい。２Ｂは管型ノズルの本体部、２Ｃは管型ノズルの先端部、２Ｄは管型ノズルの先端部のノズル曲壁である。３はレーザーによる被加工ピース、３Ａはレーザー照射部、４はシールドガス、５はレーザー光である。なお、１１は大気である。
以下、この実施例の具体的作用について説明する。
図４は本発明のレーザー溶接装置を用いたシールドガスとしてのＡｒガスを３３０ｌ／ｍｉｎ注入した場合の流れを示す図、図５は本発明のレーザー溶接装置を用いたプラズマ・プルームの流れを示す図である。
図４から明らかなように、旋回発生器１にシールドガス４としてのＡｒガスを３０ｌ／ｍｉｎ注入した場合、シールドガス気流に旋回が付与され、ノズル曲壁２Ｄに沿って流出していることが分かる。すなわち、シールドガスは旋回による遠心力でノズル曲壁２Ｄに沿って大気１１中に流出する。なお、ノズルの中心部には負圧部１２が形成されている。
一方、図５に示すように、レーザー照射部３Ａとその近傍を負圧にして、プラズマ・プルーム（０〜２００ｍ／ｓ）１３を吸い出し、シールドガス４に巻き込んで管型ノズルの先端部２Ｃより流出させ除去する様子が示されている。
図６は本発明の第２実施例を示すレーザー溶接装置の旋回羽根を有する旋回発生器の斜視図である。
この図において、２０はシールドガス、２１は密閉容器を兼ねるシールドガス導入部２１Ａからのシールドガス２０を導入する外筒、２２はレーザー導入のための内筒、２３は外筒２１と内筒２２間に配置される旋回羽根、２４は外筒２１から内筒２２へのリークを防止する旋回羽根カバー、２５は旋回羽根２３の下流に配置される管型レーザーノズル、２６はレーザー光である。
この実施例では、密閉容器（外筒）２１の側面のシールドガス導入部２１Ａから注入されたシールドガス２０は外筒２１内に導入され、旋回羽根２３によって管型レーザーノズル２５の内周面に沿ったシールドガス気流に旋回が付与される。
したがって、第１実施例と同様に、図５に示したように、レーザー照射部とその近傍を負圧にして、プラズマ・プルーム（０〜２００ｍ／ｓ）を吸い出し、シールドガスに巻き込んでノズル先端部より流出させ除去することができる。
図７は本発明の第３実施例を示すレーザー溶接装置の石英ガラスと旋回羽根を有する旋回発生器の斜視図である。
この図において、３０はシールドガス、３１は密閉容器を兼ねるレーザーとシールドガスを導入する大径の導入管、３２は小径の管型レーザーノズル、３３は大径の導入管３１内に配置され、シールドガス３０を案内する石英ガラス板からなる蓋体、３４はその蓋体３３の下部の周辺部に配置される旋回羽根であり、上記した小径の管型レーザーノズル３２は旋回羽根３４の下流に配置される。ここで、蓋体３３は大径の導入管３１から小径の管型レーザーノズル３２へのシールドガスのリークを防止する役目をしている。３５はレーザー光であり、ここで、このレーザー光３５を石英ガラス板からなる蓋体３３は容易に通すことができる。なお、３２Ａは小径の管型レーザーノズル３２の先端部である。
この実施例では、密閉容器としての大径の導入管３１の上方から導入されるシールドガス３０には旋回羽根３４によって小径の管型レーザーノズル３２の内周面に沿って旋回が付与される。
したがって、第１又は２実施例と同様に、図５に示したように、レーザー照射部とその近傍を負圧にして、プラズマ・プルームを吸い出し、シールドガスに巻き込んでノズル先端部より流出させ除去することができる。
上記したように、本発明によれば、第１、第２又は第３実施例による旋回発生器を経て旋回流となったシールドガス流は、遠心力でノズル曲壁に沿って流下して、ノズル先端部３２Ａから流出する。その際レーザー照射部近傍は負圧となり、図５に示すように、プラズマ・プルームを吸い出し、シールドガスに巻き込んでノズル先端部より大気中に流出して除去することができる。
なお、シールドガスとしては、上記したようにアルゴンガス、又はヘリウムガス、窒素ガス、アルゴン・ヘリウム混合ガス、アルゴン・窒素混合ガス、ヘリウム・窒素混合ガス、炭酸ガス、アルゴン・酸素混合ガス等を用いることができる。
また、溶接対象材料としては、鉄鋼材料、ステンレス鋼、アルミニウム合金、耐熱鋼、チタン合金、銅合金等のすべての金属材料が挙げられる。
本発明は、上記したレーザー照射物の酸化の防止にととまらず、シールドガスによって溶融池の一部の融液がキーホールから蒸発することに伴い発生する、いわゆるスパッタの対策を講じることができる。
図８は本発明の他の実施例を示すレーザー溶接装置を用いたシールドガスとスパッタの流れを示す図である。
従来からＣＯ₂ やＹＡＧレーザー等を熱源として溶接する際に、シールドガスによって溶融池の一部の融液がキーホールから蒸発することに伴い発生する、いわゆるスパッタが発生し、集光レンズ、又は集光ミラーに付着することが多い。このスパッタが、集光レンズや集光ミラーに付着すると、照射レーザーパワーが減少し、所定の溶け込み深さが得られなくなるという問題があり、その結果正常な製品ができなくなってしまう。
また、ノズル口に付着してシールドガスの流れを邪魔し、更にひどくなると照射レーザーの進行も邪魔するようになる、更に溶接部周辺に付着すると製品の品質の低下になる。
通常、これを防止するためにガスを流すが、強過ぎると溶融池が窪んだりして、他の溶接欠陥が発生する。
ところが、本発明では、図８に示すように、被加工物４１のレーザー照射部４１Ａから生じたスパッタは、旋回が付与されたシールドガス（不活性ガス）流４４によって、レーザー管型ノズル４２中から大気４０中に排出される。４５はそのスパッタの流跡を示している。
したがって、スパッタのレーザー光４３の集光レンズや集光ミラーへの侵入が抑えられ、シールドガスによってレーザー管型ノズル４２中から大気４０中にスパッタを排除することができる。同時に、前記実施例で説明したように、レーザー照射部４１Ａとその近傍を負圧にして、プラズマ・プルームを吸い出して除去し、キーホール内にシールドガスが侵入しないようにし、しかも、周囲の大気４０の侵入も防止して溶接ビード表面の酸化も防止できる。
上記のように構成される本発明は、ＣＯ₂ レーザーやＹＡＧレーザー等のレーザー熱源を利用して溶接を行う分野（レーザー溶接を利用する自動車産業、電気・電子業界、板金薄板加工、重工業等）に好適である。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
旋回発生器を経て旋回流となったシールドガス流は、遠心力でノズル曲壁に沿って流下して、ノズル先端部から流出する。その際レーザー照射部近傍は負圧となり、プラズマ・プルームを吸い出し、シールドガスに巻き込んでノズル先端部より流出し大気中に流出させて除去することができる。
したがって、レーザー照射部にシールドガス成分の混入をなくして、酸化を防止し、安定な溶接を行うことができる。
また、レーザー照射軸に沿ってシールドガスをノズルから吹き付ける際に、これらノズル内のシールドガスに旋回を付与することによって、スパッタ現象に起因するレンズ系へのスパッタの付着弊害を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例を示すレーザー溶接装置の一部破断概略斜視図である。
【図２】 本発明の第１実施例を示すレーザー溶接装置の渦流式旋回発生器の上面図である。
【図３】 本発明の第１実施例を示すレーザー溶接装置の渦流式旋回発生器の斜視図である。
【図４】 本発明のレーザー溶接装置を用いたシールドガスとしてのＡｒガスの流れを示す図である。
【図５】 本発明のレーザー溶接装置を用いたプラズマ・プルームの流れを示す図である。
【図６】 本発明の第２実施例を示すレーザー溶接装置の旋回羽根を有する旋回発生器の斜視図である。
【図７】 本発明の第３実施例を示すレーザー溶接装置の石英ガラスと旋回羽根を有する旋回発生器の斜視図である。
【図８】 本発明の他の実施例を示すレーザー溶接装置を用いたシールドガスとスパッタの流れを示す図である。
【符号の説明】
１ シールドガスの渦流式旋回発生器
２，４２ 管型ノズル
２Ａ シールドガス導入口
２Ｂ 管型ノズルの本体部
２Ｃ 管型ノズルの先端部
２Ｄ 管型ノズルの先端部のノズル曲壁
３ 被加工ピース
３Ａ，４１Ａ レーザー照射部
４，２０，３０ シールドガス
５，２６，３５，４３ レーザー光
１１，４０ 大気
１２ 負圧部
１３ プラズマ・プルーム
２１ 外筒（密閉容器）
２１Ａ シールドガス導入部
２２ 内筒
２３，３４ 旋回羽根
２４ 旋回羽根カバー
２５ 管型レーザーノズル
３１ 大径の導入管（密閉容器）
３２ 小径の管型レーザーノズル
３２Ａ 小径の管型レーザーノズルの先端
３３ 蓋体（石英ガラス板）
４１ 被加工物
４４ 旋回が付与されたシールドガス（不活性ガス）流
４５ スパッタの流れ

Claims (3)

1. （ａ）レーザーノズル（２）と、
   （ｂ）該レーザーノズル（２）内に導入されるシールドガス流を前記レーザーノズル（２）の内周面に沿って旋回させる旋回発生手段と、
   （ｃ）前記レーザーノズル（２）の先端部（２Ｃ）にノズル曲壁（２Ｄ）が形成され、レーザー照射部（３Ａ）と該レーザー照射部（３Ａ）の近傍に負圧部（１２）を生成させ、プラズマ・プルームを吸い出し、シールドガス（４）に巻き込んで前記レーザーノズル（２）の先端部（２Ｃ）より流出させる手段とを具備することを特徴とするレーザー溶接装置。
2. （ａ）密閉容器を兼ねる、注入シールドガス導入部（２１Ａ）からのシールドガス（２０）を導入する外筒（２１）と、
   （ｂ）レーザー導入のための内筒（２２）と、
   （ｃ）前記外筒（２１）と内筒（２２）の間に配置される旋回羽根（２３）と、
   （ｄ）前記外筒（２１）から前記内筒（２２）へのリークを防止する旋回羽根カバー（２４）と、
   （ｅ）前記旋回羽根（２３）の下流に配置される管型レーザーノズル（２５）と、
   （ｆ）レーザー照射部と該レーザー照射部の近傍に負圧部を生成させ、プラズマ・プルームを吸い出し、シールドガス（２０）に巻き込んで前記管型レーザーノズル（２５）の先端部より流出させる手段とを具備することを特徴とするレーザー溶接装置。
3. （ａ）密閉容器を兼ねる、レーザー（３５）とシールドガス（３０）を導入する大径の導入管（３１）と、
   （ｂ）前記大径の導入管（３１）内に配置され、シールドガス（３０）を案内する石英ガラス板からなる蓋体（３３）と、
   （ｃ）該蓋体（３３）の下部の周辺部に配置される旋回羽根（３４）と、
   （ｄ）該旋回羽根（３４）の下流に配置される小径の管型レーザーノズル（３２）と、
   （ｅ）レーザー照射部と該レーザー照射部の近傍に負圧部を生成させ、プラズマ・プルームを吸い出し、シールドガス（３０）に巻き込んで前記小径の管型レーザーノズルの先端部（３２Ａ）より流出させる手段とを具備することを特徴とするレーザー溶接装置。

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