JP4161598B2 - 溶接装置、溶接方法、および溶接された被溶接物を有する物品の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを用いて溶接を行う溶接装置、溶接方法および溶接された被加工物を有する物品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザビームを用いて溶接を行うものとして、特公平３−４１２７２号公報、特公平５−５５９３号公報に示すものがある。これらの公報には、エンジンバルブのバルブフェースに粉末金属を供給しつつその粉末金属にレーザビームを照射して加熱溶融させ、肉盛溶接を行うものが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来のレーザビームを用いた溶接では、粉末金属を落下等によって供給し、その供給地点（落下地点）においてレーザビームを照射しているため、全ての粉末金属がレーザビームのエネルギーを直接吸収することができず、その結果、内部欠陥の無い緻密な粉末金属の溶融層を十分な厚さで形成することができないという問題がある。
【０００４】
本発明は上記問題に鑑みたもので、レーザビームを用いた溶接において、供給する粉末金属がレーザビームのエネルギーを十分吸収できるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、レーザビームを用いて溶接を行う溶接装置において、
レーザビームを、ビームの進行方向に直交する断面における光強度分布が環状であるビームに変形する手段と、
この手段によって変形されたビームを、ビームの進行に伴って光強度分布を持たない中空部分の径が縮小する環状ビームに変形する手段と、
前記環状ビームがその中空部分の径の縮小によって集束する部分のビーム内に粉末金属を供給する粉末金属供給手段と、を備え、
前記光強度分布が環状であるビームに変形する手段は、円錐の外面上に反射面を有し、入射したレーザビームを外周の全方向に反射する円錐外面鏡と、円錐の内面上に反射面を有し、前記円錐外面鏡で反射されたビームを反射する円錐内面鏡とを備え、前記入射したレーザビームを前記円錐外面鏡で反射し、その反射されたビームを円錐内面鏡で反射することにより、前記入射したレーザビームを、ビームの進行方向に直交する断面における光強度分布が環状であるビームに変形するものであり、
前記粉末金属供給手段は、前記粉末金属を供給するためのパイプを有し、前記パイプの先端が前記環状ビームの進行方向の中心軸上に位置して、前記パイプの先端から前記粉末金属を供給するようになっており、
さらに、前記粉末金属供給手段は、前記ビームの光強度分布を持たない中空部分に配置されて、前記パイプが、前記光強度分布が環状であるビーム及び前記環状ビームのいずれをも遮らないようになっていることを特徴としている。
【０００７】
この発明によれば、ビームの進行に伴って光強度分布を持たない中空部分の径が縮小する環状ビームを用い、環状ビームが集束する部分のビーム内（後述する実施形態では、環状ビームが中詰まりビームに変化しつつあるところのビーム内と記載）に粉末金属を供給するようにしているから、供給する粉末金属がレーザビームのエネルギーを十分吸収することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の溶接装置を用いて被溶接物の溶接を行う溶接方法であって、
前記集束したビームを前記被溶接物に照射するとともに、前記環状ビームがその中空部分の径の縮小によって集束する部分のビーム内に前記粉末金属を供給して、前記被溶接物の溶接を行うことを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、溶接された被溶接物を有する物品の製造方法であって、
請求項１に記載の溶接装置を用いて前記被溶接物の溶接を行う溶接工程を有し、
この溶接工程は、前記集束したビームを前記被溶接物に照射するとともに、前記環状ビームがその中空部分の径の縮小によって集束する部分のビーム内に前記粉末金属を供給して、前記被溶接物の溶接を行うものであることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。なお、以下に説明する第１実施形態が特許請求の範囲に記載した発明の実施形態であり、第２実施形態は参考例として示す実施形態である。
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る溶接装置の構成を示す。溶接装置は、ビームガイドミラーをなす平面鏡１、円錐外面鏡２、円錐内面鏡３、平面鏡４、ウインドー５、およびプリズム６を備えている。
【００１２】
平面鏡１は、レーザビーム（以下、単にビームという）２１を貫通させるための開口部１ａを有している。この平面鏡１は、ビーム２１の光軸とその開口部１ａの中心とがおよそ一致するようにして、かつビーム２１の光軸に対し約４５度の角度を有するように配置されている。
【００１３】
円錐外面鏡２は、円錐の外面上に反射面を有し、ビーム２１の光軸とその反射面の中心とが一致するように配置され、平面鏡１の開口部１ａを介して入射したビーム２１を外周の全方向に反射する。円錐内面鏡３は、円錐の内面状に反射面を有し、円錐外面鏡２で反射されたビーム２１を反射する。この反射されたビームは、ビームの進行方向に直交する断面における光強度分布が環状（この実施形態ではリング状）であるビーム２２となる。これら円錐外面鏡２、円錐内面鏡３は、ビーム２１を、ビームの進行方向に直交する断面における光強度分布が環状であるビームに変形する手段を構成している。
【００１４】
ビーム２２は、ビーム２１と同軸状に形成され、かつビーム２１と反対方向に伝搬する。平面鏡１は、その開口部１ａの周囲でビーム２２を反射する。
【００１５】
平面鏡４は、平面鏡１で反射されたビーム２２を反射するもので、ビーム２２の光軸に対し４５度の角度を有するように配置されている。ウインドー５は、平面鏡４で反射されたビーム２２を通過させる。プリズム６は、ウインドー５を通過したビーム２２を、ビームの進行に伴って光強度分布を持たない中空部分の径が縮小するビーム２３に変形する。このビーム２３は、その後、その中空部分の径の縮小によって光強度を中心に有する中詰まりビーム２４に変化する。
【００１６】
上記したミラー等の構成物１〜６は、ビーム２１を、ビームの進行に伴って光強度分布を持たない中空部分の径が縮小する環状ビーム２３に変形するビーム変形手段を構成している。
【００１７】
本実施形態の溶接装置は、さらに粉末金属供給手段を構成する粉末金属タンク７およびパイプ８を備えている。粉末金属タンク７は、内部にて粉末金属を保持するもので、ウインドー５の上面に設置されている。パイプ８は、粉末金属タンク７に備え付けられ、ウインドー５に設けられた開口部５ａ、プリズム６に設けられた開口部６ａを貫通して配置されている。パイプ８の先端（粉末金属出射口）は、環状ビーム２３と干渉しない位置で、かつビーム２３の光軸（すなわち光強度分布を持たない中空部分の中心）付近に位置している。そして、パイプ８の先端から、ビーム２３を遮ることなくビーム２３が中詰まりビーム２４に変化しつつあるところのビーム内に、粉末金属が供給される。なお、パイプ８には、遠隔操作によって粉末金属の供給を制御するための無線式電磁バルブ８ａが設けられており、そのバルブ８ａを開くことによって粉末金属が供給される。
【００１８】
次に、上記した溶接装置を用いた溶接方法について、エンジンバルブ１０の当たり面（以下、バルブフェースという）に溶接金属層１０ａを形成する方法を例にとって説明する。
【００１９】
レーザ発振器から出射されたビーム２１は、平面鏡１の開口部１ａを介して円錐外面鏡２に入射し、円錐外面鏡２によってその円錐軸と垂直な平面と平行に全方位に亘りプレート状に反射される。この円錐外面鏡２で反射されたビーム２１は、円錐内面鏡３で反射され、環状のビーム２２となる。このビーム２２は、平面鏡１および平面鏡４で反射され、そしてウインドー５を通過する。ウインドー５を通過したビーム２２は、プリズム６により、ビームの進行に伴って、光強度分布を持たない中空部分の径が縮小するビーム２３に変形される。そして、ビーム２３が加工に適した光強度を中心に有する中詰まりビーム２４になったところで、中詰まりビーム２４をエンジンバルブ１０のバルブフェースに照射する。
【００２０】
また、この溶接を行うにあたり、無線式電磁バルブ８ａを開状態として、粉末金属タンク７からパイプ８を介して粉末金属を供給する。このとき、パイプ８の先端は、ビーム２３と干渉しない位置にあるので、パイプ８の先端から、ビーム２３が中詰まりビーム２４に変化しつつあるところのビーム内に粉末金属が供給される。このため、粉末金属のほとんどは、ビームによって溶融または溶融過程にある半液体状態でバルブフェースに供給されることになる。そして、エンジンバルブ１０を回転させることにより、バルブフェースに溶接金属層（肉盛溶接部）１０ａを形成することができる。
【００２１】
このように本実施形態では、バルブフェース上にある粉末金属を溶融するのではなく、バルブフェース上に溶融過程状態である半液状金属を粉末的に供給することができるため、バルブフェース母材への熱的損傷が低減でき、さらに液状金属の拡散と加熱により、バルブフェースに内部欠陥の無い緻密な肉盛溶接部１０ａを形成することができる。
（第２実施形態）
図２に、本発明の第２実施形態に係る溶接装置の構成を示す。この第２実施形態では、第１実施形態で示したウインドー５を用いない構成となっている。このため、平面鏡４の中心付近に開口部４ａを形成し、平面鏡４の背面より、粉末金属を供給するパイプ８を挿入した構成となっている。そして、粉末金属タンク７は、ビームの伝搬路の外部において、機械加工部品などにより支持（保持）されている。なお、図２には図示していないが、この実施形態においても、バルブによって粉末金属の供給を行うようになっている。但し、この実施形態では、第１実施形態のようにバルブの周りが全て光で覆われているわけではないので、バルブとしては、第１実施形態のような無線式のものを用いる必要はない。
【００２２】
このようにこの実施形態によれば、粉末金属タンク７を設置するための光学部品を必要とせずに溶接装置を構成することができる。但し、この実施形態では、ビーム２２が平面鏡４で反射される直前で、パイプ８によりそのパイプ幅だけビーム２２が遮られるため、加工に奇与するビーム出力の多大な損失にならないようにビーム２２の環外形を適宜に拡大しておくなどの配慮が必要である。
（その他の実施形態）
上記した実施形態では、環状のビームとしてリング状のビームとするものを示したが、リング状でなく矩形等の環状のビームとしてもよい。
【００２４】
また、上記した実施形態では、プリズム６を用いて中空部分の径を縮小するものを示したが、プリズム６の代わりに、レンズの中心付近に穴を開けた光学部品を用いても同様に行うことができる。このようにレンズを用いた場合には、環状ビームの帯幅をも変化させ、さらに中空部分の径を縮小することができる。
【００２５】
また、溶接を行う対象となる被溶接物としては、上記したエンジンバルブに限らず、シリンダライナなど種々の被溶接物を対象とすることができ、その場合、溶接としては、上記したような肉盛溶接に限らず、母材と粉末金属が溶け込むような溶接であってもよい。
【００２６】
なお、上記した実施形態で示した溶接方法は、溶接された被溶接物を有する物品の製造方法における溶接工程として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る溶接装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る溶接装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…平面鏡、２…円錐外面鏡、３…円錐内面鏡、４…平面鏡、
５…ウインドー、６…プリズム、７…粉末金属タンク、８…パイプ、
１０…エンジンバルブ。

Claims (3)

1. レーザビームを用いて溶接を行う溶接装置において、
   レーザビームを、ビームの進行方向に直交する断面における光強度分布が環状であるビームに変形する手段と、
   この手段によって変形されたビームを、ビームの進行に伴って光強度分布を持たない中空部分の径が縮小する環状ビームに変形する手段と、
   前記環状ビームがその中空部分の径の縮小によって集束する部分のビーム内に粉末金属を供給する粉末金属供給手段と、を備え、
   前記光強度分布が環状であるビームに変形する手段は、円錐の外面上に反射面を有し、入射したレーザビームを外周の全方向に反射する円錐外面鏡と、円錐の内面上に反射面を有し、前記円錐外面鏡で反射されたビームを反射する円錐内面鏡とを備え、前記入射したレーザビームを前記円錐外面鏡で反射し、その反射されたビームを円錐内面鏡で反射することにより、前記入射したレーザビームを、ビームの進行方向に直交する断面における光強度分布が環状であるビームに変形するものであり、
   前記粉末金属供給手段は、前記粉末金属を供給するためのパイプを有し、前記パイプの先端が前記環状ビームの進行方向の中心軸上に位置して、前記パイプの先端から前記粉末金属を供給するようになっており、
   さらに、前記粉末金属供給手段は、前記ビームの光強度分布を持たない中空部分に配置されて、前記パイプが、前記光強度分布が環状であるビーム及び前記環状ビームのいずれをも遮らないようになっていることを特徴とする溶接装置。
2. 請求項１に記載の溶接装置を用いて被溶接物の溶接を行う溶接方法であって、
   前記集束したビームを前記被溶接物に照射するとともに、前記環状ビームがその中空部分の径の縮小によって集束する部分のビーム内に前記粉末金属を供給して、前記被溶接物の溶接を行うことを特徴とする溶接方法。
3. 溶接された被溶接物を有する物品の製造方法であって、
   請求項１に記載の溶接装置を用いて前記被溶接物の溶接を行う溶接工程を有し、
   この溶接工程は、前記集束したビームを前記被溶接物に照射するとともに、前記環状ビームがその中空部分の径の縮小によって集束する部分のビーム内に前記粉末金属を供給して、前記被溶接物の溶接を行うものであることを特徴とする、溶接された被溶接物を有する物品の製造方法。

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