JP4289558B2

JP4289558B2 - レーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置

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Publication number: JP4289558B2
Application number: JP2004250450A
Authority: JP
Inventors: 武嗣細田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2024-08-30
Also published as: JP2006061977A

Description

本発明は、レーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置に関し、特にレーザ光エネルギーと放電アークエネルギーの両エネルギーを有効に併用して溶融加工、接続効率を改善したレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置に関する。

金属等の加工には、アーク放電による熱加工が従来から広く利用されてきている。一方、高密度熱エネルギーを有するレーザ光を極めて細いビーム径に絞って被加工物または被溶融物であるワークに照射して溶融させることにより加工するレーザ加工技術も、その高能率、高精度、低熱歪み特性に注目されている。

しかし、レーザ加工は、大出力のレーザ光発光のために高出力レーザ光発光源が必要であり、発光用の電源も電力からの変換効率の悪さに起因して構造の複雑化、大型化し、その応用範囲の拡大に制約を与えている。したがって、上述のような有益性をもつにもかかわらず、レーザ溶接加工は、他のガス、電気、アーク等の溶接加工と比較して、その適用範囲は薄板層の加工に制約されている。特に、レーザ溶接加工の適用は、継手精度が要求される分野が多く、また、加工速度を上げるには高出力が要求され、設備コストも高額になる。

そこで、レーザ光エネルギーと放電アークエネルギーの両エネルギーを有効に併用して溶融加工、接続効率を改善したレーザ光とアーク放電を用いたハイブリッド型の溶融加工装置が提案されている。

この種のハイブリッド型溶融加工装置としは、特許文献１や２に開示されている。
特開昭６０−２３４７８３号（図１、２頁）特開昭６０−２３４７８３号（図２、[００２８]〜[００３０]）

ところで、レーザ光とアーク放電を用いた溶融加工方法では、溶融対象としてのワークを最も高温に維持しなければならない。そのためには、ワーク表面にレーザ光を焦光させることと、最大密度でのアーク照射（アーク柱の極点）が必要である。

しかしながら、通常これらの条件を簡単に満足させることはできない。例えば、上述従来の溶融加工装置では、円錐筒状の電極内部にアーク用電極を固定的に取り付けているが、アーク用電極は極めて高温で使用され、厳しい使用環境であるため、電極の取り替えの頻度も高い。

一方、効率的な加工のためには、レーザ光の焦点近傍溶融点と電極から発生したアーク柱の極点（通常、陽極点）が一致することが重要な要素であるが、通常は、アーク用電極の取り替えの都度、両者の一致関係はくずれるため、再度精密な設定が必要になる。アーク用電極先端がレーザ光焦点に対して不適格（距離、角度、位置付け不良等に起因して）になり、効率的な溶融ができない。また、電極先端が小径（例えば、φ１．６等）の場合、レーザ光及び自らの発生熱で電極先端が曲げられてしまう。この現象が生じたレーザ光通路に電極先端部が入り、焦光性が著しく阻害する。更に、このように不適正に位置付けられた電極先端は、レーザ光によるヒュームやスパッタ−等による先端部汚染が発生しやすい。

上述の問題は、大型でコストの高い溶融加工装置では、工場出荷時に個別に設定することは可能であるが、消耗した電極の取り替え時等には大きな問題となる。また、ハンディタイプの溶融加工装置では、小型軽量で簡素な構造が要望されるため、アーク用電極の取り替えによっても、常に最適な電極位置が確保できることが望まれている。

そこで、本発明の目的は、アーク用電極を簡単な構造で最適位置に設定、維持できるレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置を提供することにある。

前述の課題を解決するため、本発明によるレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置は、次のような特徴的な構成を採用している。

（１）筒状のケース内部に、レーザ光を光学系を介して絞り込んでワーク上に焦光、照射するレーザ光学系と、前記ワークに対向する位置に配設され、アーク放電のための高電圧が供給される細長形状の電極とを備え、前記レーザ光の照射により前記ワークを溶融させた状態で前記アーク放電による溶融、加工を行う溶融加工装置であって、
前記レーザ光学系より下方の前記ケースに、前記光学系から出射する前記レーザ光における外周光の光路方向と略同一方向の斜面を内側に有する中空の逆円錐形状の電極ガイドが電極止めにより取り付けてあり、
前記電極ガイドの前記斜面には、前記外周光の光路の向きに軸を向けて前記電極が挿脱可能に挿入される溝が、該斜面の上縁から下縁までに渡って直線状に形成してあり、
前記溝は、長さ方向に前記電極を沿わせて、該電極の大部分を収納しており、前記光学系から出射する前記レーザ光の焦点に前記軸を指向させて、該電極を保持し、
前記電極止めは、前記ケース本体の下部にあって、該ケース本体に対し取り外し可能に前記電極ガイドを固定しており、
前記電極は、前記溝に収納された部分を除いた残余の部分である先端部だけを前記下縁から前記焦点に向けて突き出している
レーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置。

（２）前記電極止めは、前記ケース本体の下部に螺合されるネジ構造を有し、該ネジ構造により前記電極ガイドの上面を前記ケース本体の下端に密着させて、前記電極ガイドを前記ケース本体に固定している
上記（１）のレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置。

（３）冷却水を通す冷却水室が前記ケース本体の下端部に形成してあり、
前記電極止めは、前記電極ガイドの上面を前記ケース本体の下端面に密着させて、前記電極ガイドを前記ケース本体に固定している
上記（１）又は（２）のレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置。

（４）前記電極ガイドの先端部には、筒状のノズルチップが取り付けられており、
前記ノズルチップは、下面を前記ワークの表面に接触させたとき、前記焦点が該表面に結ばれるだけの長さを有する
上記（１）乃至（３）のいずれかのレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置。

（５）前記ノズルチップの側面には少なくとも一箇所に開口部が形成されている上記（１）乃至（４）のいずれかのレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置。

（６）前記ケース本体の上部に不活性ガスを導入する不活性ガス導入開口を有し、該開口から導入され該不活性ガスを、前記ケース本体の内部空間および前記電極ガイドの内部空間を経て、前記ワーク面に噴出させる上記（１）乃至（５）のいずれかのレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置。

（７）前記ケース本体は、前記不活性ガス導入開口が設けられた外筒および該外筒に略同軸に取り付けられた内筒を有してなり、
前記レーザ光学系は、光軸を該内筒の軸に略一致させて該内筒の内壁に取り付けてあり、
前記電極ガイドは、逆円錐形状部の上端から軸に直交する方向に広がり、前記外筒の下端面に上面で接触する鍔状部を有し、
前記電極止めは、上部に設けられた雌ネジにより前記外筒の下端に設けられた雄ネジに螺合され、前記両ネジの螺合による締め付け力で前記鍔状部を前記下端面に押し付けて前記電極ガイドを前記外筒に固定する
上記（１）乃至（６）のいずれかのレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置。

本発明によれば、レーザ光とアーク放電を最適な形で作用させて最適な溶融が可能であるだけでなく、そのためのアーク用電極の最適位置決めが可能で、電極の水冷による冷却効率の向上もあって、溶融効率の格段の改善が可能となる。

以下、本発明によるレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置の好適実施形態例について添付図を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明によるレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置１０の簡略化した側断面図である。

レーザ発振源としての、例えばＹＡＧレーザ（図示せず）から発振されたレーザ光は、光ファイバ２０を通ってレーザ光導光部に入射する。また、外部から供給される不活性ガス（例えば、アルゴンガスＡｒ等の不活性ガス）は、ガスホース３０を通って溶融加工ユニット１０の開口部１３０に導入される。

溶融加工ユニット１０は、電気絶縁材から成る外筒１００と、外筒１００と略同軸の内筒２００を備え、レーザ光を被加工物（加工対象物）であるワークＷに導光、合焦するレーザ光導光部と、アーク放電によりワークを溶融、加工するアーク放電加工部とが配設されている。外筒１００上部の頂部１２０の開口部１１０には、光ファイバ２０の先端部が挿入される。この先端部から出射されたレーザ光は、コリメート用のレンズ２１０と集光用のレンズ２２０等から成る光学系によりきわめて細径のビームに絞り込まれ、ワークＷの近傍で焦光される。これら光学系は、内筒２００の内壁に取り付けることができる。

外筒１００の下端部には、レーザ光とアークの出射経路としての小径の開口部を形成すべく、また、電極を保持するための逆円錐形状の電極ガイド３００が取り外し可能に取り付けられている。電極止め部４００により電極ガイド３００は外筒１００にねじ止め等により取り付けられる。すなわち、図示の如く、電極ガイド３００は電極止め４００の内側に当接保持されつつ、電極止め４００が外筒１００に固定されることにより固定される。電極止め４００の外筒１００への固定は、ねじ部１６０の螺合により行うことができる。

電極ガイド３００には、細長形状のアーク用電極５００が取り付けられる。そのため、電極ガイド３００の表面にアーク用電極を長さ方向に収納する溝部が形成され、この溝部に電極５００を沿わせて固定する。この固定も任意の構造で行うことができ、ねじ止め、溝部に傾斜を形成しておいて同様な傾斜を形成した電極を挿入させたりすることができる。要するに、アーク用電極５００の電極ガイド３００への固定はいかなる構造で行っても良い。アーク用電極５００は、適切な任意の材料で形成されるが、例えば、銅材から成り、その先端部は発生したアーク放電による高熱に起因する損傷を避けるため高融点のタングステン材等の金属で形成することができる。

外筒１００には、冷却水の注水口１４０が設けられ、外筒内部に設けられた冷却水通路を通って電極ガイド３００と接する冷却水室１５０に至り、電極ガイド３００を冷却して電極５００自身を冷却する。

電極ガイド３００の下方には、ビス止め６１０によりノズルチップ６００が固定されている。ノズルチップ６００は、電極ガイド３００と同様に筒状で、下方には周方向に少なくとも１つの開口部６２０が形成され、不活性ガス等の逃げ道を形成している。ノズルチップ６００の長さは、予め最適長に設定されており、レーザ光の焦光位置がワークＷになるように設定され、また、電極ガイド３００に固定されている電極５００から発生されるアークがワークに適切に至るような長さにされている。その結果、溶融加工ユニット１０のノズルチップ６００をワークＷに当接するだけで適切な条件での加工を行うことができ、ハンディタイプの溶融加工ユニットでは特に有益である。ノズルチップ６００は、また、ワーク溶接時に周辺と隔離する目的で用いられる。

アーク用電極５００の突き出し寸法は、レーザ光焦点近傍を基準とし、通常２ｍｍ前後とされる。

本実施例では、小型軽量化のために使用されるアーク用電極は、例えば１ｍｍ前後の細径とされるが、それ故に、熱により変形しやすく、この熱による変形を防止するため水冷構造が用いられている。このような冷却構造がないと、熱による電極の変形（曲がり）、電極先端のレーザ光路への進入等はレーザ光の乱れを引き起こし、その集中性を阻害するだけでなく、レーザ光焦点とアーク極点の不一致が生じ、ハイブリッド効果が著しく阻害される。そこで、本実施例では、アーク用電極配設位置を確保しつつ、水冷冷却している。

本実施例では、アーク用電極の位置決めは、中空の逆円錐形状の電極ガイドに沿ってアーク用電極を配設固定し、レーザ外周光のその中心軸に対しての角度と、電極の中心軸が同一となるように設定し、そのアーク用電極先端位置は、レーザ光の焦点位置にくるよう、また、この電極はその中心軸の延長線が確実に上記焦点近傍でレーザ光中心軸と交点を結ぶように配置される。因みに、アーク柱は、電極先端部形状に大きく影響を受け、先端部が曲がり角に従った指向性をもって発生する。例えば、図２に示すように、先端が曲げられた電極から発生するアーク柱は指向性を有し、アーク柱は、レーザ光の誘導性との力関係で強い方にアークの極点が形成される。

図３には、アーク用電極が適切に配設された場合の側面と上方から見た状態を示し、レーザ光の焦点とアーク極点が一致している。図４には、アーク用電極先端が変形していたり位置が不良である場合の側面と上方から見た状態を示し、レーザ光の焦点とアーク極点が一致せず、例え電極先端が焦点近くに存在しても各々独自の位置に発生してしまう。

本発明では、内筒２００の内部を通過するレーザ光の、内筒２００の中心軸に対する傾斜角度と略一致する傾斜角度をもつ電極ガイド３００の傾斜面にアーク用の電極を沿わせて固定しているので、レーザ光角度と一致させてアーク用電極を設定でき、レーザ光とアーク放電作用を最適な形で作用させることができる。

また、電極ガイドにはアーク用電極固定用の溝を形成し、この溝に電極を挿入、収納させるだけで電極の最適位置決めが可能となる。

更に、電極を一体的に固定した電極ガイドは、外筒にねじ等による嵌め込み構造とし、軸方向位置可変構造としたため、電極位置を作業内容に応じて最適に設定できる。

電極の冷却を水冷式として冷却効率を向上させることができる。

電極ガイド先端部の小型化は、金属の溶融時に発生するヒューム及びスパッタの電極ガイド侵入を効率的に防止することができる。シールドガスとしての不活性ガスは、この細径ガイド先端から放出されより効果が増す。

内筒２００の固定取り付け位置Ｆよりも若干低い部位の外筒１００に形成された開口部１３０には不活性ガスがガスホース３０を介して流入し、流入した不活性ガスは、外筒１００と内筒２００で形成される空間路であるガスガイド通路を通り、図示矢印Ａの如く、ノズルチップ６００の開口部６２０を通る。

ノズルチップ６００は、レーザ光の焦点位置をワーク上に適正に定めるために用いられ、その先端をワーク上に接続することにより、手動でも安定に適正位置を保つことを可能とし、その材質はワークと接触するのでアーク放電をスムーズに発生させるため電気的絶縁体で構成されているが、自動且つ先端非接触で用いる場合にはアーク放電がスムーズに発生すれば、特に絶縁物である必要はない。ノズルチップ６００は、また、溶融点のシールド作用を呈し、シールドガスはこれを通してワーク上に放出される。ノズルチップ６００は、更に手動時は作業性（使い易さ）を高め、且応用性の広げるためには其の先端部は可能な限り小さくて小径であることが望ましい。

図５の模式図を参照すると、溶融加工装置の光ファイバ２０の先端部から出射されたレーザ光は、上述の如く、レンズ２１０及び２２０から成る光学系を通って集光され、合焦位置に配設されているワークＷを照射する。こうしてワークＷは、レーザエネルギーにより瞬時に溶融され、溶融されたワーク金属は金属蒸気化され、プラズマ化される。プラズマ化されたガスがアーク用電極５００に達すると、既に印加されている直流電圧によりアーク用電極５００の先端からアーク放電が発生する。このアークの＋極点は、周知のアーク理論から明らかなように、ワークＷ上の最高温部（レーザ光で溶融している部位）に誘導され確実に位置付けられ、アーク放電は電極先端の円周上の一点から生ずる。

したがって、本発明では、レーザエネルギーとアーク放電エネルギーの両エネルギーがワークの一点に効率的に集中され、より一層の高温状態が得られ、加工が確実且つ容易となる。

また、ワーク金属のレーザ光エネルギーの吸収率は、溶融温度が高いほど高くなることが実験的に確認されているので、本発明によれば、相乗効果が得られ、溶接点はきわめて早く溶融されることになり、溶接速度を上げることができる。

上述実施形態では、レーザとしてＹＡＧレーザを用いているが、高出力レーザであれば他のレーザを用いることができ、例えば、炭酸ガスレーザや半導体レーザを用いることができる。また、不活性ガスとしては、ヘリウムガス等の他の適当な不活性ガスを用いることもできる。

以上、本発明によるレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置の好適実施例の構成を詳述した。しかし、斯かる実施例は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。

本発明によるレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置の一実施形態の構成断面図である。先端が曲げられた電極から発生するアーク柱の指向性を示す図である。アーク用電極が適切に配設された場合の側面と上方から見た状態を示す図である。アーク用電極先端の変形や位置不良時の側面と上方から見た状態を示す図である。レーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置の動作を説明するための模式図である。

符号の説明

１０溶融加工装置
２０光ファイバ
３０ガスホース
１００外筒
１１０、１３０、６２０、７００開口部
１２０頂部
１４０冷却水注水口
１５０冷却水室
１６０ねじ部
２００内筒
２１０、２２０レンズ
３００電極ガイド
４００電極止め部
５００アーク用電極
６００ノズルチップ
６１０ビス止め

Claims

筒状のケース内部に、レーザ光を光学系を介して絞り込んでワーク上に焦光、照射するレーザ光学系と、前記ワークに対向する位置に配設され、アーク放電のための高電圧が供給される細長形状の電極とを備え、前記レーザ光の照射により前記ワークを溶融させた状態で前記アーク放電による溶融、加工を行う溶融加工装置であって、
前記レーザ光学系より下方の前記ケースに、前記光学系から出射する前記レーザ光における外周光の光路方向と略同一方向の斜面を内側に有する中空の逆円錐形状の電極ガイドが電極止めにより取り付けてあり、
前記電極ガイドの前記斜面には、前記外周光の光路の向きに軸を向けて前記電極が挿脱可能に挿入される溝が、該斜面の上縁から下縁までに渡って直線状に形成してあり、
前記溝は、長さ方向に前記電極を沿わせて、該電極の大部分を収納しており、前記光学系から出射する前記レーザ光の焦点に前記軸を指向させて、該電極を保持し、
前記電極止めは、前記ケース本体の下部にあって、該ケース本体に対し取り外し可能に前記電極ガイドを固定しており、
前記電極は、前記溝に収納された部分を除いた残余の部分である先端部だけを前記下縁から前記焦点に向けて突き出している
ことを特徴とするレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置。
前記電極止めは、前記ケース本体の下部に螺合されるネジ構造を有し、該ネジ構造により前記電極ガイドの上面を前記ケース本体の下端に密着させて、前記電極ガイドを前記ケース本体に固定している
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置。
冷却水を通す冷却水室が前記ケース本体の下端部に形成してあり、
前記電極止めは、前記電極ガイドの上面を前記ケース本体の下端面に密着させて、前記電極ガイドを前記ケース本体に固定している
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置。
前記電極ガイドの先端部には、筒状のノズルチップが取り付けられており、
前記ノズルチップは、下面を前記ワークの表面に接触させたとき、前記焦点が該表面に結ばれるだけの長さを有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置。
前記ノズルチップの側面には少なくとも一箇所に開口部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置。
前記ケース本体の上部に不活性ガスを導入する不活性ガス導入開口を有し、該開口から導入され該不活性ガスを、前記ケース本体の内部空間および前記電極ガイドの内部空間を経て、前記ワーク面に噴出させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置。
前記ケース本体は、前記不活性ガス導入開口が設けられた外筒および該外筒に略同軸に取り付けられた内筒を有してなり、
前記レーザ光学系は、光軸を該内筒の軸に略一致させて該内筒の内壁に取り付けてあり、
前記電極ガイドは、逆円錐形状部の上端から軸に直交する方向に広がり、前記外筒の下端面に上面で接触する鍔状部を有し、
前記電極止めは、上部に設けられた雌ネジにより前記外筒の下端に設けられた雄ネジに螺合され、前記両ネジの螺合による締め付け力で前記鍔状部を前記下端面に押し付けて前記電極ガイドを前記外筒に固定する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザ光とアーク放電を用いた溶融加工装置。