JP3868116B2

JP3868116B2 - Laser processing head

Info

Publication number: JP3868116B2
Application number: JP15902298A
Authority: JP
Inventors: 孝石出; 義男橋本; 是長島; 眞生渡辺; 崇赤羽; 克祐清水
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2018-06-08
Also published as: JPH11156573A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ加工ヘッドに関し、特にフィラワイヤを送給したりティグ、マグ、プラズマ等の各種アーク溶接用電極を備えたレーザ加工ヘッドであり、レーザ加工の先端加工光学系として有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は従来技術に係る複合溶接ヘッドを概念的に示す説明図である。同図に示すように、この複合溶接ヘッド２３は、レーザ溶接とティグ溶接とを行うもので、レーザ溶接ヘッド２４とティグ溶接ヘッド２５との２つの溶接ヘッドを有している。かかる複合溶接ヘッド２３では、同一溶接部位をレーザ光とティグアークとで加工しており、両方の溶接ヘッド２４，２５を母材１６に対して垂直に設定する事ができないので、いずれか一方の溶接ヘッド２４若しくは２５を前方又は後方に傾け、つまり前進角又は後進角をつけて溶接している。図９では、ティグ溶接ヘッド２５先端のダングステン電極１０を前方に傾けレーザビーム６の集光部６ａにアーク１３が届くよう配慮している。
【０００３】
図１０は従来技術に係るフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド２６を概念的に示す説明図である。同図に示すように、このフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド２６は、全反射ミラー１４及び結像レンズ系４中央に穴をあけてフィラワイヤを通した構造であり、フィラワイヤ７とレーザビーム光軸とを同軸化し、フィラワイヤ送給管８を介してフィラワイヤ７を送給しながら溶接するようにしたものである。このフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド２６では光ファイバ１から出射されたレーザビーム６が全反射ミラー１４で反射され、結像レンズ系４で集光されて母材１６及びフィラワイヤ７の溶融に用いられる。フィラワイヤ７はフィラワイヤ送給装置９から送給される。
【０００４】
図１１は従来技術に係るティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッド２７を概念的に示す説明図である。同図に示すように、このティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッド２７はティグ溶接の電極１０とレーザビーム光軸とを同軸化して、ティグ溶接とレーザ溶接を同時に行うようにしたものであり、その基本構成は、図１０に示すフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド２６と同様であり、電極１０、これを保持する電極保持管１１及び溶接電源１２などが異なっているだけである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如き従来技術のうち、図９に示す複合溶接ヘッド２３では、レーザ溶接ヘッド２４とティグ溶接ヘッド２５という２つの溶接ヘッドを有するので、この溶接ヘッドが大きくなり、溶接方向も２つの溶接ヘッドの前後が決められているので、自由に選択できない。したがって、３次元形状の溶接には不向きであるという問題を有する。図１０に示すフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド２６では、光ファイバ１から出射されるレーザビーム６の中央が光の強度分布の最も強い所であるが、その部分は丁度フィラワイヤ送給管８が位置しているため、フィラワイヤ送給管８に照射されたレーザビーム６は乱反射されビーム伝送損失となってしまい目的によっては有効に用いられないという問題がある。図１１に示すティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッド２７は、図１０に示すフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド２６と同様にレーザビーム６が電極保持管１１に乱反射されビーム出力の損失を生起するという問題がある。
【０００６】
本願発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、３次元形状等の複雑な形状であっても良好にその溶接を行うことができ、同時に照射するレーザビームの損失を生起することなく効率の良い溶接を実現することができるレーザ加工ヘッドを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特定事項は次の点を特徴とする。
【０００９】
１）フィラワイヤ若しくはティグ、マグ、プラズマ等の各種アーク電極とレーザビームの光軸とを同軸化したフィラワイヤ若しくはティグ、マグ、プラズマ等のアーク同軸化レーザ溶接ヘッドにおいて、
凸型ルーフミラー及び凹型ルーフミラーを２枚組合せることにより、レーザビームを２分割して２つの集光レーザビームを作り、フィラワイヤ送給管若しくは電極保持管にレーザビームが照射されないようにしたこと。
【００１０】
２）フィラワイヤとレーザビームの光軸とからなるフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッドにおいて、
凸型ルーフミラー及び凹型ルーフミラーを２枚組合せることにより、レーザビームを間隔を有して２分割して２つの集光レーザビームを作り、上記レーザビーム外側に配置されたフィラワイヤ送給管より上記レーザビームの間隔内のフィラワイヤ案内体を介して集光位置にフィラワイヤを送給するようにしたこと。
【００１１】
３）ティグ、マグ、プラズマ等の各種アーク電極とレーザビームの光軸とからなるティグ、マグ、プラズマ等のアーク同軸化レーザ溶接ヘッドにおいて、
凸型ルーフミラー及び凹型ルーフミラーを２枚組合せることにより、レーザビームを間隔を有して２分割して２つの集光レーザビームを作り、上記レーザビームの間隔内を通る通水管もしくは電極保持管にて支持されて集光位置上方に電極先端を保持すること。
【００１２】
４）上記１），２）又は３）に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、レーザビーム伝送用光ファイバの位置、又は凸型ルーフミラー及び凹型ルーフミラーをレンズ中心に対し、光軸に垂直な平面で垂直２方向に可動可能とすることにより、２分割されたレーザビームの強度比あるいはレーザビーム位置を変化させるようにしたこと。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、図９〜図１１に示す従来技術と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は本発明の第１の実施の形態に係るフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッドを示す断面図である。同図に示すように、このフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド２１は凸型ルーフミラー２及び穴あき凹型ルーフミラー３を有しており、光ファイバ１から出射されたレーザビーム６を凸型ルーフミラー２で反射して２分割するとともに、このように２分割したレーザビーム６を穴あき凹型ルーフミラー３で反射して結像レンズ系４に導くように構成してある。穴あき凹型ルーフミラー３はその中央部にフィラワイヤ送給管８を通すための穴をあけたミラーである。この場合、レーザビーム６の２分割により図３にて後述するようレーザビーム６はその中央部がフィラワイヤ送給管８に当たることがなく、結像レンズ系４を通過して母材１６の表面の結像面で収束し、フィラワイヤ７と母材１６を溶融したキーホール溶接を実現する。
【００１５】
図２は本発明の第２の実施の形態に係るティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッドを示す断面図である。同図に示すように、このティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッド２２も、凸型ルーフミラー２及び穴あき凹型ルーフミラー３を有しており、光ファイバ１から出射されたレーザビーム６を凸型ルーフミラー２で反射して２分割するとともに、このように２分割したレーザビーム６を、電極保持管１１を通すための穴をあけた穴あき凹型ルーフミラー３で反射して結像レンズ系４に導くように構成してある。そして、この場合もレーザビーム６は、レーザビーム６の中央部が電極保持管１１に当たることなく結像レンズ系４を通過して母材１６の表面の結像面で収束し、このように収束したレーザビーム６とティグ溶接の電極１０によるアーク熱によって母材１６を溶融してキーホール溶接を実現する。また、このとき光ファイバ１の位置は、光ファイバ駆動軸１５によってレーザビーム６の光軸に垂直な面で自由に変えることができる。
【００１６】
図３は上記第１及び第２の実施の形態における凹凸ルーフミラーの組合せによるレーザビーム６の２分割を説明するための説明図である。同図に示すように、光ファイバ１から出射されたレーザビーム６は、中央で山形に出っ張った２枚のミラーからなる凸型ルーフミラー２により中心から２分割され半円形の２つのレーザビーム６となって反射される。つまり、光ファイバ１から出射されたレーザビーム６が円形であるのに対して凸型ルーフミラー２で分割されたレーザビーム６は半円形の２つのレーザビーム６となり凹型ルーフミラー３へ向って反射される。このレーザビーム６は、その後中央で谷形に落ち込んだ２枚のミラーからなる凹型ルーフミラー３で反射されて複数の穴あきレンズで構成される結像レンズ系４に入射する。ここで、凸型ルーフミラー２の反射により、円形のレーザビーム６が半円となるが、半円同士の距離を光学系であるミラー２，３の配置と凸型ルーフミラー２及び凹型ルーフミラー３の頂角（山形、谷形）の角度により変えることができ、その間にフィラワイヤ送給管８又は電極保持管１１が位置しているので、フィラワイヤ送給管８又は電極保持管１１にレーザビーム６が照射されることはない。
【００１７】
図４は上記第１及び第２の実施の形態における凹凸ルーフミラーの組合せによるレーザ加工ヘッドにおける集光過程の結像面よりレンズ側５ｍｍの位置及び１０ｍｍの位置でのレーザビーム６のビーム強度分布を示す説明図である。同図に示すように、凸型ルーフミラー２及び凹型ルーフミラー３の組合せにより結像面近傍までレーザビーム６は２分割されており、このため中央のフィラワイヤ送給管８及び電極保持管１１の位置にレーザビーム６の高強度分布が位置することはない。
【００１８】
さらに、レーザビーム６の集光を多少ディフォーカスすることにより、図５に示すように、強度を変えたツインビームを創り出すことができる。そして、このビーム強度分布は、光ファイバ駆動軸１５（図２参照、なお図示はしないが図１の場合も同様に構成してある。）で光ファイバ１の位置を調整することにより、また、凸型ル−フミラ−２や凹型ル−フミラ−３を光軸に垂直な平面で垂直２方向に動くようにすれば、集光部における２つの集光ビーム６のビーム強度を比較的自由に変えることができる。
【００１９】
図１〜図３に示す構造は、凸型ルーフミラー２及び凹型ルーフミラー３を用いてレーザビーム６を半円形に２分割し、フィラワイヤ送給管８や電極保持管１１へのビーム照射を抑制し防止するものである。
しかし、凹型ルーフミラー３の中央に穴をあけ、結像レンズ系４の中央にも穴をあける光学系の構造は、製造工数等の理由から高価なものとなり、また、フィラワイヤ送給管８や電極保持管１１によって光学系に損傷を生じやすいという問題があるため、できれば普通の（穴のあいていない）凹型ルーフミラー３や結像レンズ系４を用いるのが良い。
【００２０】
このため本発明者らは、普通の凹型ルーフミラー３や結像レンズ系４を用いて、レーザビーム光軸とフィラワイヤ７や電極１０を同軸として３次元形状等の複雑な形状の溶接を良好に行ない、またフィラワイヤ送給管や電極保持管へのレーザビームの照射がなく効率良い溶接を行なう改良を行なった。
【００２１】
図６（ａ）は、普通の（穴あきでない）凹型ルーフミラー３や結像レンズ系４を用いてフィラワイヤ７とレーザビーム６の光軸とをビーム集光位置にて同軸化させたものを示す簡略図てある。
すなわち、光ファイバ１から出射されたレーザビームは、凸型ルーフミラー２及び凹型ルーフミラー３にて半円形の２分割されたレーザビーム６とされ、しかも半円のレーザビームどおしは相互にある距離離れたビーム形状となる。そして、この凹型ルーフミラー３のレーザビーム６は、結像レンズ系４を介して集光される。この場合、凹型ルーフミラー３及び結像レンズ系４は穴のない普通の光学部品である。
【００２２】
他方、結像レンズ系４に沿うように隣接してフィラワイヤ送給管８が配置される。そして、このフィラワイヤ送給管８内をレーザビーム６の光軸と平行となるようにフィラワイヤ７が送給される。
フィラワイヤ送給管８の下端には、フィラワイヤ案内体１７が備えられている。このフィラワイヤ案内体１７は、結像レンズ系４の下方にあってフィラワイヤ７を、レーザビーム６の光軸と同軸となるように案内するもので、図６（ｂ）（ｃ）に示す如く細長い直方体形状を有し、片方の端上部から他の片方の端下部までフィラワイヤを案内する孔が形成されている。
【００２３】
フィラワイヤ案内体１７の形状は、結像レンズ系４を出た２つの半円形レーザビーム６間に位置するように細長く形成され、レーザビーム６の照射を受けないようになっている。もっとも、レーザビーム６は母材に向って集光されすぼまるような光束となるので、フィラワイヤ案内体１７を集光位置に密接して配置はできず、集光位置より上方に配置される。また、レーザビーム６の集光具合に従ってフィラワイヤ案内体１７の下部をテーパをつけて全体としてくさび形状としてもよい。いずれにしても、フィラワイヤ案内体１７のレーザビームの直接照射は避けられる。
【００２４】
また、フィラワイヤ案内体１７は、その内部にてフィラワイヤ７の向きが変えられる。このため、フィラワイヤ７の通過孔の形成に当り、図６（ｃ）に示すように上下方向にフィラワイヤ案内体１７を複数分割し、各分割片１７ａ，１７ｂ，１７ｃに直線の孔を形成し、その孔をつなぎ合わせるようにすれば、孔を容易に形成することができる。なお、各分割片１７ａ，１７ｂ，１７ｃは図６（ｃ）では３分割しているが、更に多くすればフィラワイヤ７の更になめらかな案内が可能となる。また、フィラワイヤ案内体１７の分割片１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、図６（ｃ）の如く縦に分割する他、横（長さ）方向に分割することもできる。更に、フィラワイヤ案内体１７は、レーザビーム６が照射されないように形成され置かれるのであるが直接光以外にも他からの反射光が照射されることも考えられるので、外面には高反射率の金コートを施すのがよい。
【００２５】
図６は、フィラワイヤ案内体１７における改良例を示したものであるが、図７はティグ溶接の電極１０の改良例を示している。すなわち、普通の（穴あきでない）凹型ルーフミラー３や結像レンズ系４を用いてタングステンの電極１０とレーザビーム６の光軸とを同軸化させたものである。
光ファイバ１から出射されたレーザビームは、図６と同様、半円形で相互に離間した２分割のレーザビーム６とされ、母材１６上に集光される。
他方、結像レンズ系４の下方にあってレーザビーム６の直接照射を受けない２分割のビーム間でレーザビーム６の光軸上には電極１０が母材１６に向って配置されている。そして、この電極１０は２分割のレーザビーム６間を通るレンズ面と平行な通水管１８にて支持され、電圧が印加される。
なお、電極１０の先端は、レーザビーム１０の集光程度に応じて先細に形成されることになるが、電極１０の先端はアーク発生のため母材１６に密接させないので、母材１６との離間の程度を考慮して決めることができる。
【００２６】
図８（ａ）は、電極１０を結像レンズ系４脇から斜めに保持する構造を示しており、電極保持管１１が通水管１８を途中まで兼ねており、途中から通水管１８がレンズ面と平行となるよう分岐される。
また、電極１０は、その先端がレーザビーム６の光軸上に位置され、しかも図８（ｂ）の如く電極１０は電極保持管１１を含めて２分割したレーザビーム６間に位置される。
なお、上述の図６、７、８に示す例でも前述の図２に示す光ファイバ駆動軸１５による位置調整や凸型ル−フミラ−、凹型ル−フミラの移動にて集光ビ−ム強度を変えることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに詳細に説明した通り、［請求項１］に記載する発明によれば、レーザビームを２分割し、フィラワイヤ送給管又はティグ、マグ、プラズマ等の各種アーク電極保持管にレーザビームが照射されないようにしたので、レーザビームを効率良く溶接のための母材に集中して照射することができる。また、フィラワイヤ送給管又はティグ、マグ、プラズマ等の各種アーク電極保持管はレーザビームと同軸であるため、３次元形状等の複雑な形状であっても作業性が阻害されることなく良好な溶接を行うことができる。［請求項２］及び［請求項３］に記載する発明によればレーザビーム間隔内にあってレーザビーム外側よりフィラワイヤ案内体にてフィラワイヤをビーム集光位置に送給したり、通水管や電極保持管にて電極をビーム集光位置に近づけたので、光学系に穴あき光学系を用いる必要もなく、安価なものとなった。［請求項４］に記載する発明によればレーザビーム伝送用光ファイバの位置、又は凸型ルーフミラー及び凹型ルーフミラーをレンズ中心に対し、光軸に垂直な平面で垂直２方向に可動可能とするようにしたので２分割されたレーザビームの強度比あるいはレーザビームの位置を適宜変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッドを示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッドを示す断面図。
【図３】上記第１及び第２の実施の形態における凹凸ルーフミラーの組合せによる作用を説明するための説明図。
【図４】上記第１及び第２の実施の形態における集光過程の結像面よりレンズ側位置でのビーム強度分布を示す説明図。
【図５】上記第１及び第２の実施の形態における穴あきレンズの整形ビーム強度分布を示す説明図。
【図６】第３の実施の形態を例示した簡略構成図。
【図７】第４の実施の形態を例示した簡略構成図。
【図８】第４の実施の形態の電極の変形例を示した構成図。
【図９】従来技術に係る複合溶接ヘッドを概念的に示す説明図。
【図１０】従来技術に係るフィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッドを概念的に示す説明図。
【図１１】従来技術に係るティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッドを概念的に示す説明図。
【符号の説明】
１光ファイバ
２凸型ルーフミラー
３凹型ルーフミラー
４結像レンズ系
６レーザビーム
７フィラワイヤ
８フィラワイヤ送給管
１０電極
１１電極保持管
１４全反射ミラー
１５光ファイバ駆動軸
１６母材
１７フィラワイヤ案内体
１８通水管
２１フィラワイヤ同軸化レーザ溶接ヘッド
２２ティグアーク同軸化レーザ溶接ヘッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing head, and in particular, is a laser processing head that feeds a filler wire and includes various arc welding electrodes such as tig, mag, and plasma, and is useful as a tip processing optical system for laser processing.
[0002]
[Prior art]
FIG. 9 is an explanatory view conceptually showing a composite welding head according to the prior art. As shown in the figure, this composite welding head 23 performs laser welding and TIG welding, and has two welding heads, a laser welding head 24 and a TIG welding head 25. In such a composite welding head 23, the same welding site is processed with a laser beam and a TIG arc, and both the welding heads 24 and 25 cannot be set perpendicular to the base material 16, and therefore either one of the welding heads is welded. The head 24 or 25 is tilted forward or backward, that is, welded with a forward or reverse angle. In FIG. 9, consideration is given to the arc 13 reaching the condensing part 6 a of the laser beam 6 by tilting the dang-sten electrode 10 at the tip of the TIG welding head 25 forward.
[0003]
FIG. 10 is an explanatory view conceptually showing a filler wire coaxial laser welding head 26 according to the prior art. As shown in the figure, the filler wire coaxial laser welding head 26 has a structure in which a hole is formed in the center of the total reflection mirror 14 and the imaging lens system 4 and the filler wire is passed through. The filler wire 7 and the laser beam optical axis are connected to each other. The filler wire 7 is coaxially welded while feeding the filler wire 7 through the filler wire feeding pipe 8. In this filler wire coaxial laser welding head 26, the laser beam 6 emitted from the optical fiber 1 is reflected by the total reflection mirror 14, condensed by the imaging lens system 4, and used for melting the base material 16 and the filler wire 7. The filler wire 7 is fed from a filler wire feeding device 9.
[0004]
FIG. 11 is an explanatory view conceptually showing a TIG arc coaxial laser welding head 27 according to the prior art. As shown in the figure, the TIG arc coaxial laser welding head 27 is configured such that the TIG welding electrode 10 and the laser beam optical axis are coaxial, and TIG welding and laser welding are performed simultaneously. Is the same as the filler wire coaxial laser welding head 26 shown in FIG. 10, except that the electrode 10, the electrode holding tube 11 holding the electrode 10, the welding power source 12 and the like are different.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Among the conventional techniques as described above, the composite welding head 23 shown in FIG. 9 has two welding heads, ie, the laser welding head 24 and the TIG welding head 25, so that the welding head becomes large and the welding direction is also two welding heads. Because before and after is decided, you can not choose freely. Therefore, there is a problem that it is not suitable for three-dimensional welding. In the filler wire coaxial laser welding head 26 shown in FIG. 10, the center of the laser beam 6 emitted from the optical fiber 1 is the place where the intensity distribution of light is the strongest, but the filler wire feed pipe 8 is just located in that portion. Therefore, there is a problem that the laser beam 6 irradiated to the filler wire feeding tube 8 is irregularly reflected and becomes a beam transmission loss and cannot be used effectively depending on the purpose. The TIG arc coaxial laser welding head 27 shown in FIG. 11 has a problem that the laser beam 6 is irregularly reflected on the electrode holding tube 11 and causes a loss of beam output, similarly to the filler wire coaxial laser welding head 26 shown in FIG.
[0006]
In view of the above-mentioned problems of the prior art, the present invention can perform welding well even for a complicated shape such as a three-dimensional shape, and is efficient without causing loss of the laser beam to be irradiated at the same time. An object of the present invention is to provide a laser processing head capable of realizing welding.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Specific matters of the present invention that achieve the above object are characterized by the following points.
[0009]
1 ) In an arc coaxial laser welding head of filler wire or TIG, mag, plasma, etc., in which various arc electrodes such as filler wire or TIG, mag, plasma etc. are made coaxial with the optical axis of the laser beam,
By combining two convex roof mirrors and two concave roof mirrors, the laser beam is divided into two to produce two focused laser beams so that the filler wire feed tube or electrode holding tube is not irradiated with the laser beam. .
[0010]
2 ) In a filler wire coaxial laser welding head comprising a filler wire and an optical axis of a laser beam,
By combining two convex roof mirrors and two concave roof mirrors, the laser beam is divided into two with a gap to create two focused laser beams. From the filler wire feeding tube arranged outside the laser beam The filler wire is fed to the condensing position via the filler wire guide within the laser beam interval.
[0011]
3 ) In an arc coaxial laser welding head for TIG, MAG, plasma, etc. composed of various arc electrodes such as TIG, MAG, and plasma and the optical axis of the laser beam,
By combining two convex roof mirrors and two concave roof mirrors, the laser beam is divided into two with a gap to create two focused laser beams, and a water pipe or electrode that passes through the gap between the laser beams is held. Hold the electrode tip above the condensing position supported by a tube.
[0012]
4 ) In the laser processing head described in 1), 2) or 3 ) above, the position of the optical fiber for transmitting the laser beam, or the convex roof mirror and the concave roof mirror in a plane perpendicular to the optical axis with respect to the lens center. The intensity ratio of the laser beam divided into two or the laser beam position is changed by making it movable in two vertical directions.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same number is attached | subjected to the same part as the prior art shown in FIGS. 9-11, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0014]
FIG. 1 is a sectional view showing a filler wire coaxial laser welding head according to a first embodiment of the present invention. As shown in the figure, this filler wire coaxial laser welding head 21 has a convex roof mirror 2 and a perforated concave roof mirror 3, and a laser beam 6 emitted from the optical fiber 1 is projected onto the convex roof mirror 2. The laser beam 6 divided into two in this way is reflected by the perforated concave roof mirror 3 and guided to the imaging lens system 4. The perforated concave roof mirror 3 is a mirror having a hole for passing the filler wire feed pipe 8 in the center thereof. In this case, as will be described later with reference to FIG. 3 by dividing the laser beam 6 into two parts, the central portion of the laser beam 6 does not hit the filler wire feed tube 8 and passes through the imaging lens system 4 to form the surface of the base material 16. It converges on the image plane and realizes keyhole welding in which the filler wire 7 and the base material 16 are melted.
[0015]
FIG. 2 is a sectional view showing a TIG arc coaxial laser welding head according to a second embodiment of the present invention. As shown in the figure, the TIG arc coaxial laser welding head 22 also includes a convex roof mirror 2 and a perforated concave roof mirror 3, and the laser beam 6 emitted from the optical fiber 1 is projected to the convex roof mirror. The laser beam 6 divided into two is reflected by 2 and reflected by the perforated concave roof mirror 3 having a hole for passing the electrode holding tube 11 and guided to the imaging lens system 4. It is constituted as follows. In this case as well, the laser beam 6 passes through the imaging lens system 4 without converging the central portion of the laser beam 6 against the electrode holding tube 11 and converges on the imaging surface of the surface of the base material 16. The base material 16 is melted by the arc heat generated by the laser beam 6 and the electrode 10 for TIG welding to realize keyhole welding. At this time, the position of the optical fiber 1 can be freely changed by a surface perpendicular to the optical axis of the laser beam 6 by the optical fiber drive shaft 15.
[0016]
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the division of the laser beam 6 into two parts by the combination of the concave and convex roof mirrors in the first and second embodiments. As shown in the figure, the laser beam 6 emitted from the optical fiber 1 is divided into two semicircular laser beams 6 which are divided into two by a convex roof mirror 2 composed of two mirrors projecting in a mountain shape at the center. And reflected. That is, while the laser beam 6 emitted from the optical fiber 1 is circular, the laser beam 6 divided by the convex roof mirror 2 becomes two semicircular laser beams 6 and is reflected toward the concave roof mirror 3. Is done. The laser beam 6 is then reflected by a concave roof mirror 3 composed of two mirrors that fall into a valley shape at the center, and is incident on an imaging lens system 4 composed of a plurality of perforated lenses. Here, the reflection of the convex roof mirror 2 causes the circular laser beam 6 to be a semicircle. The distance between the semicircles is the arrangement of the mirrors 2 and 3 as an optical system, and the convex roof mirror 2 and the concave roof mirror. 3, and the filler wire feed tube 8 or the electrode holding tube 11 is positioned between them. Therefore, the laser beam is applied to the filler wire feed tube 8 or the electrode holding tube 11. 6 is not irradiated.
[0017]
FIG. 4 shows the beam intensity distribution of the laser beam 6 at a position 5 mm and a position 10 mm from the imaging surface in the condensing process in the laser processing head by the combination of the concave and convex roof mirrors in the first and second embodiments. It is explanatory drawing which shows. As shown in the figure, the laser beam 6 is divided into two parts by the combination of the convex roof mirror 2 and the concave roof mirror 3 up to the vicinity of the image plane. For this reason, the central filler wire feed tube 8 and the electrode holding tube 11 The high intensity distribution of the laser beam 6 is not located at the position.
[0018]
Further, by slightly defocusing the condensing of the laser beam 6, it is possible to create a twin beam with different intensities as shown in FIG. The beam intensity distribution is obtained by adjusting the position of the optical fiber 1 with the optical fiber drive shaft 15 (see FIG. 2, although not shown in FIG. 1). If the convex ruler-2 and the concave ruler-3 are moved in two vertical directions on a plane perpendicular to the optical axis, the beam intensity of the two focused beams 6 in the focusing unit can be relatively freely set. Can be changed.
[0019]
The structure shown in FIGS. 1 to 3 uses the convex roof mirror 2 and the concave roof mirror 3 to divide the laser beam 6 into two semicircular shapes and suppress beam irradiation to the filler wire feed tube 8 and the electrode holding tube 11. This is what prevents it.
However, the structure of the optical system in which a hole is formed in the center of the concave roof mirror 3 and a hole is also formed in the center of the imaging lens system 4 is expensive for reasons such as manufacturing man-hours. Since there is a problem that the optical system is easily damaged by the electrode holding tube 11, it is preferable to use an ordinary (no hole) concave roof mirror 3 or imaging lens system 4 if possible.
[0020]
For this reason, the present inventors use an ordinary concave roof mirror 3 and an imaging lens system 4 to favorably weld a complicated shape such as a three-dimensional shape with the laser beam optical axis, the filler wire 7 and the electrode 10 being coaxial. In addition, an improvement was made to perform efficient welding without applying a laser beam to the filler wire feeding tube and electrode holding tube.
[0021]
FIG. 6A shows an example in which the filler wire 7 and the optical axis of the laser beam 6 are made coaxial at the beam condensing position by using an ordinary (non-perforated) concave roof mirror 3 and an imaging lens system 4. It is a simplified diagram showing.
That is, the laser beam emitted from the optical fiber 1 is made into a semicircular divided laser beam 6 by the convex roof mirror 2 and the concave roof mirror 3, and the semicircular laser beams are mutually connected. The beam shape is a certain distance away. Then, the laser beam 6 of the concave roof mirror 3 is condensed via the imaging lens system 4. In this case, the concave roof mirror 3 and the imaging lens system 4 are ordinary optical parts having no holes.
[0022]
On the other hand, a filler wire feeding tube 8 is disposed adjacent to the imaging lens system 4. Then, the filler wire 7 is fed through the filler wire feeding tube 8 so as to be parallel to the optical axis of the laser beam 6.
A filler wire guide body 17 is provided at the lower end of the filler wire feed pipe 8. The filler wire guide body 17 is provided below the imaging lens system 4 and guides the filler wire 7 so as to be coaxial with the optical axis of the laser beam 6. The filler wire guide body 17 is elongated as shown in FIGS. The hole has a rectangular parallelepiped shape and is formed with a hole for guiding the filler wire from the upper end of one end to the lower end of the other end.
[0023]
The shape of the filler wire guide body 17 is elongated so as to be positioned between the two semicircular laser beams 6 exiting the imaging lens system 4 and is not subjected to the irradiation of the laser beam 6. However, since the laser beam 6 is condensed and converges toward the base material, the filler wire guide body 17 cannot be disposed in close proximity to the condensing position, and is disposed above the condensing position. . Further, the lower portion of the filler wire guide body 17 may be tapered to form a wedge shape as a whole in accordance with how the laser beam 6 is condensed. In any case, direct irradiation of the laser beam of the filler wire guide 17 can be avoided.
[0024]
Moreover, the direction of the filler wire 7 is changed inside the filler wire guide body 17. For this reason, in forming the passage hole of the filler wire 7, as shown in FIG. 6C, the filler wire guide body 17 is divided into a plurality of parts in the vertical direction, and a straight hole is formed in each of the divided pieces 17a, 17b, 17c. If the holes are joined together, the holes can be easily formed. Each of the divided pieces 17a, 17b, and 17c is divided into three in FIG. 6C, but if the number is further increased, the filler wire 7 can be guided more smoothly. Further, the divided pieces 17a, 17b, 17c of the filler wire guide body 17 can be divided in the horizontal (length) direction as well as in the vertical direction as shown in FIG. 6C. Further, the filler wire guide body 17 is formed and placed so as not to be irradiated with the laser beam 6, but it is also conceivable that reflected light from other than the direct light is irradiated, so that the outer surface has a high reflectivity. A gold coat should be applied.
[0025]
FIG. 6 shows an improved example of the filler wire guide body 17, while FIG. 7 shows an improved example of the electrode 10 for TIG welding. In other words, the tungsten electrode 10 and the optical axis of the laser beam 6 are coaxially formed by using a normal (non-perforated) concave roof mirror 3 or an imaging lens system 4.
The laser beam emitted from the optical fiber 1 is made into a two-divided laser beam 6 that is semicircular and spaced apart from each other, as in FIG.
On the other hand, an electrode 10 is arranged toward the base material 16 on the optical axis of the laser beam 6 between the two divided beams below the imaging lens system 4 and not directly irradiated with the laser beam 6. The electrode 10 is supported by a water pipe 18 parallel to the lens surface passing between the two divided laser beams 6, and a voltage is applied.
The tip of the electrode 10 is tapered depending on the degree of condensing of the laser beam 10, but the tip of the electrode 10 is not brought into close contact with the base material 16 due to arc generation. It can be determined in consideration of the degree of separation.
[0026]
FIG. 8A shows a structure in which the electrode 10 is held obliquely from the side of the imaging lens system 4. The electrode holding pipe 11 also serves as the water pipe 18 halfway, and the water pipe 18 starts from the middle of the lens surface. It is branched so that it becomes parallel.
Further, the tip of the electrode 10 is positioned on the optical axis of the laser beam 6, and the electrode 10 is positioned between the laser beam 6 divided into two including the electrode holding tube 11 as shown in FIG. 8B.
In the examples shown in FIGS. 6, 7 and 8 described above, the intensity of the light collecting beam is adjusted by the position adjustment by the optical fiber drive shaft 15 shown in FIG. 2 and the movement of the convex and concave rulers. Can be changed.
[0027]
【The invention's effect】
Ri through explained in detail with the embodiments above, according to the invention described in the claim 1, the laser beam is divided into two, the filler wire feed pipe or TIG, mug, various arc electrode holding tube such as plasma Since the laser beam is not irradiated, the laser beam can be efficiently focused on the base material for welding. In addition, since the filler wire feeding tube or various arc electrode holding tubes such as TIG, MAG, and plasma are coaxial with the laser beam, workability is not hindered even in a complicated shape such as a three-dimensional shape. Welding can be performed. According to the invention described in [Claim 2 ] and [Claim 3 ], the filler wire is fed to the beam condensing position by the filler wire guide body from the outside of the laser beam within the laser beam interval, or the water pipe or the electrode. Since the electrode is brought close to the beam condensing position by the holding tube, it is not necessary to use a perforated optical system in the optical system, and the cost is low. According to the invention described in [Claim 4 ], the position of the optical fiber for laser beam transmission, or the convex roof mirror and the concave roof mirror can be moved in two vertical directions with respect to the lens center in a plane perpendicular to the optical axis. Thus, the intensity ratio of the laser beam divided into two or the position of the laser beam can be changed as appropriate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a filler wire coaxial laser welding head according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a TIG arc coaxial laser welding head according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the action of the combination of the concave and convex roof mirrors in the first and second embodiments.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a beam intensity distribution at a position on the lens side with respect to the image forming surface in the condensing process in the first and second embodiments.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a shaped beam intensity distribution of a lens with a hole in the first and second embodiments.
FIG. 6 is a simplified configuration diagram illustrating a third embodiment.
FIG. 7 is a simplified configuration diagram illustrating a fourth embodiment.
FIG. 8 is a configuration diagram showing a modification of the electrode of the fourth embodiment.
FIG. 9 is an explanatory view conceptually showing a composite welding head according to the prior art.
FIG. 10 is an explanatory view conceptually showing a filler wire coaxial laser welding head according to the prior art.
FIG. 11 is an explanatory diagram conceptually showing a TIG arc coaxial laser welding head according to the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical fiber 2 Convex roof mirror 3 Concave roof mirror 4 Imaging lens system 6 Laser beam 7 Filler wire 8 Filler wire feeding tube 10 Electrode 11 Electrode holding tube 14 Total reflection mirror 15 Optical fiber drive shaft 16 Base material 17 Filler wire guide 18 Water pipe 21 Filler wire coaxial laser welding head 22 Tig arc coaxial laser welding head

Claims

Filler wire or TIG, mag, plasma, etc. In the arc coaxial laser welding head such as filler wire, TIG, mag, plasma, etc. in which the arc axis of the laser beam and the optical axis of the laser beam are coaxial,
By combining two convex roof mirrors and two concave roof mirrors, the laser beam is divided into two to produce two focused laser beams so that the filler wire feed tube or electrode holding tube is not irradiated with the laser beam. Laser processing head characterized by

In the filler wire coaxial laser welding head consisting of the filler wire and the optical axis of the laser beam,
By combining two convex roof mirrors and two concave roof mirrors, the laser beam is divided into two with a gap to create two focused laser beams. From the filler wire feeding tube arranged outside the laser beam A laser processing head characterized in that a filler wire is fed to a condensing position via a filler wire guide within the interval of the laser beam.

In the arc concentric laser welding heads for TIG, MAG, plasma, etc. composed of various arc electrodes such as TIG, MAG, and plasma and the optical axis of the laser beam,
By combining two convex roof mirrors and two concave roof mirrors, the laser beam is divided into two with a gap to create two focused laser beams, and a water pipe or electrode that passes through the gap between the laser beams is held. A laser processing head, which is supported by a tube and holds an electrode tip above a condensing position.

In the laser processing head according to [Claim 1], [Claim 2] or [Claim 3] ,
The position of the optical fiber for laser beam transmission, or the intensity of the laser beam divided in two by making the convex roof mirror and concave roof mirror movable in two vertical directions with respect to the lens center in a plane perpendicular to the optical axis. A laser processing head characterized in that the ratio or laser beam position is changed.