JP4840110B2 - レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関する。

近年、ロボットを利用した溶接にもレーザ溶接が用いられるようになってきている。このような溶接技術として、ロボットアーム先端にレーザ光を照射するためのレーザ溶接装置を取り付け、このレーザ溶接装置は溶接点から離して、レーザ溶接装置内部の反射鏡を回動させることでレーザ光をあらかじめ決められた溶接点へ照射する技術がある（たとえば特許文献１参照）。このような溶接をリモート溶接と称する。

ところで、レーザ溶接では、レーザを照射したワーク部分からヒュームと呼ばれている金属の溶出に伴うガスが発生する。具体的には、レーザ光がワークに照射された際に、ワークである母材が溶けて金属蒸気など（たとえば酸化鉄や、防錆剤として使用される亜鉛や酸化亜鉛、その他に炭素やフラックスなどの母材成分）が発生し、これらが空気中で冷却されて微粒子となり、これが雲状に漂うことでレーザ光を遮る。このようなヒュームはレーザ光からワークに付与される熱量を安定させる上で阻害要因となるため排除する必要がある。

従来のレーザ溶接やレーザ加工においては、このヒューム排除のためにワーク上に空気流を流すための装置をワークの近くに設置してヒュームを排出（主にワーク上から吸い出す）している（たとえば特許文献２参照）。
特許第３２２９８３４号 特開２００４−１０４３号公報

しかしながら、前述したリモート溶接においては、ロボットによってレーザ溶接装置の位置を動かすだけでなく、レーザ溶接装置から射出されるレーザ光自体も自在に動かしてワーク上に照射するため、ワーク上にヒューム排除のための装置が設けられているとレーザ光をワーク上で自在に動かして照射することができなくなってしまう。

そこで本発明の目的は、レーザ照射に邪魔になることなくヒュームを排除することのできるレーザ溶接装置およびその方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明は、レーザ光を照射するレーザ照射手段と、前記レーザ照射手段の保護ガラスの面から近い側から遠い側に前記レーザ光の照射方向に並べられ、前記保護ガラスの面に対して平行な方向に流体を噴射する複数の流体噴射ノズルと、前記複数の流体噴射ノズルから噴射された流体の向きを前記保護ガラスの面に対して平行な方向から前記流体噴射ノズル側に折り返し前記レーザ光を横切る方向に変更する変更板と、を有する流体噴射手段と、を有し、前記流体噴射ノズルが噴射する流体の噴射圧力は、前記保護ガラスの面から近い側に設けた前記流体噴射ノズルよりも遠い側に設けた前記流体噴射ノズルの方が高くなっていることを特徴とするレーザ溶接装置である。

また、本発明のレーザ溶接装置においては、レーザ光を照射するレーザ照射手段と、少なくとも前記レーザ照射手段からワークの間に浮遊するヒュームを吹き飛ばすための流体を噴射する流体噴射手段と、を有し、前記流体噴射手段は、前記レーザ照射手段の保護ガラスの面から近い側から遠い側に前記レーザ光の照射方向に並べられ、前記保護ガラスの面に対して平行な方向に流体を噴射する複数の流体噴射ノズルと、前記複数の流体噴射ノズルから噴射された流体の向きを前記保護ガラスの面に対して平行な方向から前記流体噴射ノズル側に折り返し前記レーザ光を横切る方向に変更する変更板と、を有し、前記流体噴射ノズルが噴射する流体の噴射圧力は、前記保護ガラスの面から近い側に設けた前記流体噴射ノズルよりも遠い側に設けた前記流体噴射ノズルの方が高くなっていることを特徴とするレーザ溶接装置である。

また、上記課題を解決するための本発明は、レーザ光を照射するレーザ照射手段に取り付けられた流体噴射手段から、前記レーザ光を横切る方向に流体を噴射させるレーザ溶接方法であって、前記レーザ照射手段の保護ガラスの面から近い側から遠い側に前記レーザ光の照射方向に並べた複数の流体噴射ノズルから、前記保護ガラスの面に対して平行な方向に流体を噴射させ、前記複数の流体噴射ノズルから噴射された流体の向きを変更板によって前記保護ガラスの面に対して平行な方向から前記流体噴射ノズル側に折り返し前記レーザ光を横切る方向に変更させ、
前記流体噴射ノズルが噴射する流体の噴射圧力を、前記保護ガラスの面から近い側に設けた前記流体噴射ノズルよりも遠い側に設けた前記流体噴射ノズルの方が高くなるようにすることを特徴とするレーザ溶接方法である。

本発明によれば、レーザ照射手段に流体噴射手段を取り付けたことでさまざまな方向へレーザ光を照射させる場合でも、流体噴射手段がレーザ照射の妨げになることなく、ヒュームを確実に除去することができるようになる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（実施形態１）
図１は、発明によるレーザ溶接装置を設けたリモート溶接システム（以下単にシステムと称する）を説明するための概略図である。

図示するリモート溶接システムは、これまでのスポット溶接などと比較して、溶接冶具が直接ワークと接触せずに、レーザを用いてワークから離れた場所から溶接するものである。このためこのような溶接をリモート溶接と称している。

このシステムは、ロボット１と、このロボット１のアーム２先端に設けられ、レーザ光１００を照射するレーザ加工ヘッド３（レーザ照射手段）と、レーザ光源であるレーザ発振器５（図２参照）からレーザ加工ヘッド３までレーザ光を導く光ファイバーケーブル６と、レーザ加工ヘッド３に取り付けられた空気噴射ノズル７（流体噴射手段）とからなる。

レーザ発振器５は、レーザ光１００を光ファイバーケーブル６によって導くためにＹＡＧレーザ発振器を用いている。

ロボット１は、一般的な多軸ロボット（多関節ロボットなどとも称されている）などであり、教示作業によって与えられた動作経路のデータに従い、その姿勢を変えてアーム２の先端、すなわちレーザ加工ヘッド３をさまざまな方向に移動させることができる。

レーザ加工ヘッド３は、その内部に、レーザ光１００の照射方向を自由に振り分けるための反射鏡１１（照射方向変更手段）と、レーザ光１００をいったん平行光にするためのコリメートレンズ１１１および焦点位置を変更する集光レンズ１１２よりなるレンズ群１２が設けられている。

反射鏡１１は、図示するように２軸方向に回動自在であり、レンズ群１２からのレーザ光１００の照射方向を変えることが可能となっている。このためにレーザ加工ヘッド３内部には、反射鏡１１を回動させるための駆動機構（不図示）が備えられている。

このようなレーザ加工ヘッド３によって、光ファイバーケーブル６の射出端６１から射出されたレーザ光１００は、レンズ群１２を通り反射鏡１１によって反射され、溶接位置方向へ照射される。したがって、このレーザ加工ヘッド３は、レーザ加工ヘッド３自体を動かすことなくレーザ光の照射方向を変更することができる。

空気噴射ノズル７は、別途設けられているエアーポンプ７５（図２参照）からエアーホース７２により導かれた空気を噴射させる。なお、噴射する流体はドライエアが好ましいが、これに限らず、たとえば、窒素ガス、またはヘリウムガスなどの不活性ガスなどでもよい。

空気噴射ノズル７は、噴射された空気が作り出す気流が、レーザ光を横切るように、かつレーザ加工ヘッド３側からレーザ光が照射されるワーク２００のある方向となるように取り付けられている。すなわち、ワーク２００は冶具上に載置され、レーザ加工ヘッド３側から下方にあるワーク２００に向けてレーザ光が照射された際、ヒュームＨはレーザ照射点Ｐよりレーザ光に向かって上方に雲が発生するかのごとく沸きあがるので、特に長焦点であるリモートレーザ溶接である場合には、遮られるレーザ光の光量が大きく、ヒュームＨによる熱量低下は多大なものとなる。こうしたリモートレーザ特有の課題に着目し、レーザ加工ヘッド３側からレーザ光に沿ってヒュームＨを吹き降ろすようにし、これによりレーザ照射方向に沿って沸きあがるヒュームを排除し、安定した熱量をレーザ照射点Ｐに付与することができる。

また、空気噴射ノズル７はレーザ加工ヘッド３側にあるので、レーザ加工ヘッド３がどの位置にあっても、空気噴射ノズル７は追従し、ワーク２００側にはレーザ照射点Ｐの位置に対応させてヒュームＨを除去するための大がかりな空気噴射装置を設ける必要はなく、レーザ光に対し干渉するおそれもないのである。

そして、空気噴射ノズル７からの気流がレーザ光を横切るように噴射されることで、気流中心はレーザ照射点Ｐを外れるので、レーザ光の熱量により発生しているプラズマを減少させて溶接に支障を与えることなく、プラズマ発生部位（レーザ照射点Ｐ）の上方に沸き立つヒュームＨを効率的に排除することができる。

なお、ワーク２００のある方向とは、ワーク自体がある方向を指すが、ワークの大きさによっては、必ずしも噴射された気流の中心がワークに当たらなくてもよい。たとえばワークが小さい場合（細い場合なども含む）には、気流の中心がワークから外れていても、気流によってワーク上に発生したヒュームＨを飛ばすことができるように空気噴射ノズル７の向きが決められていればよいのである。

図２はこのシステムの制御系を説明するためのブロック図である。

制御系は、レーザ発振器５におけるレーザ出力のオン、オフなどを制御するレーザコントローラ５１と、ロボット１の動きを制御するロボット制御装置５２と、レーザ加工ヘッド３における反射鏡１１およびレンズ群１２を制御する加工ヘッド制御装置５３とからなる。

レーザコントローラ５１は、レーザ出力のオン、オフと、レーザの出力強度調整などを行っている。このレーザコントローラ５１は、ロボット制御装置５２からの制御信号によって、レーザ出力のオン、オフを行っている。

ロボット制御装置５２は、本実施形態においては、ロボット１の動きとともに反射鏡１１およびレンズ群１２の動作、レーザ出力のオン、オフなどの制御信号の出力も行っている。なお、ロボット１の動作の教示および反射鏡１１の動作の教示はすべてロボット１の動作教示のときに行われる。したがって、ロボット制御装置５２は教示されたデータ（教示プログラムと称する）をもとにロボット動作そのものと反射鏡１１の動作を行うよう各種制御信号の出力を行う。

加工ヘッド制御装置５３は、ロボット制御装置５２からの制御信号に基づいてレーザ加工ヘッド３内の反射鏡１１およびレンズ群１２の動作を制御する。

一方、エアーポンプ７５は、エアーポンプ７５自体の運転をオン／オフするためのスイッチ７６が設けられている。エアーポンプ７５は本実施形態では、単に空気を送り出すだけであるため、手動操作でレーザ溶接作業の開始（始業時などでもよい）のときに、スイッチを入れて空気を空気噴射ノズル７へ送出すれば、後はすべての作業が終了するまでレーザ光射出の有無にかかわらず常に運転状態としておけばよい。もちろんこれに限らず、エアーポンプ７５のオンオフもロボット制御装置５２からの制御信号によって自動操作としてもよい。その場合は、あらかじめロボットの教示プログラム内にエアーポンプ７５のオンオフのタイミングを決めた指令を書き込んでおくことになる。

図３は、リモート溶接におけるヒュームと空気噴射の作用を説明するための説明図であり、（ａ）は空気噴射がない場合を示し、（ｂ）本実施形態１に係る空気噴射がある場合を示す。なお、この説明図は、空気噴射の作用を説明するに供するものであるため、各部材の表現を簡略化した。

まず図３（ａ）に示すように、空気噴射がない場合、リモート溶接においてはワーク２００のレーザ照射点Ｐ（溶接点）からレーザ光によって加熱されたワーク２００が溶けてその素材が気化しヒュームＨが発生する。ヒュームＨは、そのままレーザ加工ヘッド３とワーク２００の間に立ち昇り、レーザ光１００を遮ることになる。

一方、図３（ｂ）に示すように、本実施形態１により空気噴射がある場合は、空気噴射ノズル７から噴射される空気が、図示するように、照射されているレーザ光１００を空気流が横切ることで、ワーク２００から発生したヒュームＨは、上に立ち上ることなく、すべて吹き飛ばされることになる。したがって、ヒュームＨによりレーザ光が遮られることがない。

ここで、噴射された空気の噴射範囲について説明する。

図４は、空気噴射ノズルとそこから噴射された空気の噴射範囲を示す説明する説明図である。

空気噴射ノズル７から噴射された空気の噴射範囲は、空気噴射ノズル７先端の噴射口形状によって決まる。空気の噴射範囲は、たとえば図示するように、ノズル先端から１５０ｍｍ先で直径９０ｍｍ、４５０ｍｍ先で２４５ｍｍ、その先も同じような比率で広がってコーン形状となる拡散流であり、ヒュームＨを広範囲で除去することができる。このような空気の噴射範囲はエアーコーンパターン、エアーフローパターンなどと称されている。

空気噴射ノズル７はレーザ加工ヘッド３に取り付けられており、レーザ加工ヘッド３とともに動作し、かつ、上述のように広範囲に及ぶ空気の噴射範囲を持つことで、ロボット１や反射鏡１１のいかなる動作に対しても噴射される空気がレーザ光を横切るように構成することができる。

本実施形態１では、空気噴射ノズル７先端の噴射口によって規定されている空気の噴射範囲内（図３（ｂ）および図４のＡで示す線の範囲内）にレーザ照射点Ｐが入らないように空気噴射ノズル７をレーザ加工ヘッド３に取り付けることになる。

このように空気の噴射範囲内にレーザ照射点Ｐを入れないようにすることは、近年行われているインライン検査に重要な役割を果たす。

インライン検査は、ワーク２００のレーザ照射点Ｐを含む領域をビデオカメラによって撮影することで、溶接の際に発生するプラズマの強度変化をとらえて、溶接がうまくいっているか否かを検査している。このため、もし発生したプラズマまで空気噴射ノズル７から噴射させた空気によって吹き飛ばしてしまうとインライン検査に支障をきたす可能性がある。本実施形態１では上述のように空気の噴射範囲を制限しているので直接気流がレーザ照射点Ｐに当たらないので発生したプラズマを吹き飛ばすことがない。

なお、噴射した空気の気流により周辺の空気が巻き込まれてそれが間接的にレーザ照射点Ｐに吹き付けることもあるが直接の空気流と比較して弱いため、プラズマを吹き飛ばしてしまうことはなく、大きな影響はない。

したがって、本実施形態１では、レーザ溶接時に発生するプラズマを観察することでインライン検査を行っている場合でも、インライン検査に支障を与えることなくヒュームＨを吹き飛ばしてレーザ光の照射経路中から排除することができる。

このように本実施形態１によれば、レーザ加工ヘッド３に空気噴射ノズル７を取り付けたことでさまざまな方向へレーザ光を照射させる場合でも、空気噴射ノズル７がレーザ照射の妨げになることなく、ヒュームＨを確実に除去することができるようになる。

また、空気噴射範囲をレーザ照射点Ｐに噴射された空気が直接当たらないようにしたので、インライン検査などにも支障を与えることなくヒュームＨを除去することができる。

（実施形態２）
図５は実施形態２におけるシステムを説明するための概略図であり、図６は実施形態２におけるシステムの制御系を示すブロック図である。

本実施形態２におけるシステムは、レーザ加工ヘッド３下に２つの空気噴射ノズル８１および８２を取り付けている。２つの空気噴射ノズル８１および８２の取り付け位置は、一方をレーザ加工ヘッド３のロボットアーム２がある側（第１の位置）、他方を第１の側とは反対側のロボットアーム２から見て先端側（第２の位置）としている。取り付け位置は、レーザ加工ヘッド３の下面でレーザ光の妨げにならないようにレーザ光が出力されるレーザ射出口８にかからない位置であればよい。

つまり、この２つの空気噴射ノズル８１および８２は、空気の噴射方向がまったく逆となるように取り付けているのである。

なお、２つの空気噴射ノズル８１および８２は前述した空気噴射ノズル７と同じものである。

この２つの空気噴射ノズル８１および８２へは、それぞれエアーホース８３および８４によってエアーポンプ７５から切り替え弁８５を介して空気が導かれている。

切り替え弁８５は、空気噴射ノズル８１および８２のいずれか一方へのみ空気を送るように空気経路を切り替える。切り替え弁８５の切り替え動作は、ロボット制御装置５２からの信号によって行われる。したがって、ロボット制御装置５２における教示プログラムには、切り替え弁８５の切り替え動作指示も書き込まれている。

空気の噴出し方向は、空気噴射ノズル８１および８２共に実施形態１と同様に、レーザ光を横切る方向で、かつレーザ照射点Ｐが空気の噴射範囲に入らないようにしている。

なお、そのほかの構成は実施形態１と同様であるので説明は省略する。

図７は、本実施形態２における空気噴射の作用を説明するための説明図である。なお、この説明図は、空気噴射の作用を説明するに供するものであるため、各部材の表現を簡略化した。

本システムは、上述した実施形態１と同様に、レーザ照射点Ｐをロボットによるレーザ加工ヘッド３の移動のほか、反射鏡１１によっても移動させることができる。

そこで、本実施形態２では、このレーザ照射点Ｐの移動、すなわち、レーザ光を動かす方向と反対方向に空気を噴射させるように切り替え弁８５を切り替えるようにしたものである。つまり、レーザ照射点Ｐを図示ａ方向へ移動させている場合は空気噴射ノズル８１から空気を噴射させるように切り替え弁８５を切り替え、レーザ照射点Ｐを図示ｂ方向へ移動させている場合は空気噴射ノズル８２から空気を噴射させるように切り替え弁８５を切り替えるのである。

これによりワーク２００上から発生したヒュームＨはレーザ照射点Ｐの移動方向に対して後ろ側へ吹き飛ばされるようになるため、レーザ照射点Ｐを移動させている場合には、レーザ光の進行方向にヒュームＨが拡散することがなくなり、いっそうヒュームＨによる影響を受けにくくすることができる。

なお、本実施形態２では、２つの方向（ａおよびｂの方向）にレーザ照射点Ｐを移動させた場合について説明したが、レーザ照射点Ｐはこれらの２方向以外でも自在に移動させることができる。したがって、実際運用に当たってはレーザ照射点Ｐの移動方向に対して少しでも後ろへヒュームＨを飛ばせる側の空気噴射ノズル８１または８２から空気を噴射させるようにすればよい。

また、本実施形態２では、２つの空気噴射ノズル８１および８２を設けているが、これに限らずさらに３つ、４つなどより多くの空気噴射ノズルを設けてもよい。そうすることで、いっそう確実にレーザ照射点Ｐの移動方向に対して後ろへヒュームＨを飛ばすことができるようになる。

さらに、本実施形態２では、ロボットアーム２によりレーザ加工ヘッド３および／または反射鏡によってレーザ光の照射位置を移動させることでレーザ照射点が移動する場合を説明したが、これに限らず、レーザ光は一定の位置に照射する一方、ワーク２００を移動させることでレーザ照射点を移動させる場合も、本実施形態２を適用することができる。

（実施形態３）
実施形態３は、システムの装置構成としては、図５に示したものと同様に、レーザ加工ヘッド３に対して、２つの空気噴射ノズル８１および８２と取り付けている。ただし、実施形態２と異なり切り替え弁８５を有しない。したがって、本実施形態３は切り替え弁８５を有しない以外、装置の外観構成としては図５とほぼ同様であるので図面は省略する。

図８は、本実施形態３におけるシステムの作用を説明するための説明図であり、図（ａ）は側面図、（ｂ）はレーザ出口側から見た図である。なお、この説明図においても、各部材の表現を簡略化した。

本実施形態３では、空気噴射ノズル８１および８２の取り付け位置を図８（ｂ）に示すように、互いの空気噴射位置がオフセット幅Ｔで離れるようにしている。そして、溶接中はその両方から空気を噴射するようにしている。したがって、切り替え弁８５は必要ない。

空気噴射ノズル８１および８２から噴射させた空気によって図８（ｂ）に示すように渦流が作り出される。このような渦流は、その周りの空気を遠心力により吹き飛ばす作用がある。このため、発生したヒュームを渦流によって吹き飛ばすことができる。

（実施形態４）
図９は実施形態４におけるシステムを説明するための概略図であり、図１０はレーザ射出口側から見たレーザ加工ヘッドの概略図であり、図１１は実施形態４におけるシステムの制御系を示すブロック図である。

本実施形態４におけるシステムは、レーザ加工ヘッド３下に、可動リング９１（流体噴射位置移動手段）を取り付け、この可動リング９１に空気噴射ノズル７を取り付けたものである。なお、そのほかの構成は実施形態１と同様であるので説明は省略する。

可動リング９１は、たとえば、リング状のリニアモータ、超音波モータなどは好適である。この可動リング９１により、レーザ射出口８を中心にして空気噴射ノズル７が移動する。したがって、空気噴射ノズル７から噴射される空気は、常にレーザ光側に向いていることになる。なお、可動リング９１は、リニアモータや超音波モータに限らず、通常のモータとギア機構などを用いてもよい。

可動リング９１は、ロボット制御装置からの指示により動作し、空気噴射ノズル７の位置を変更する。したがって、本実施形態４におけるシステムの制御系は、ロボット制御装置５２からの可動リング９１を動かすための制御信号がいったん加工ヘッド制御装置５３に伝えられて、さらにレーザ加工ヘッド３を介して可動リング９１を動作させている。

図１２は、本実施形態４における空気噴射の第１の作用を説明するための説明図であり、（ａ）および（ｂ）は側面図、（ｃ）はレーザ加工ヘッド先端側から見た正面図である。なお、この説明図においても、各部材の表現を簡略化した。

まず図１２（ａ）に示すように、空気噴射ノズル７をロボットアーム側（第１の位置）に持ってきた場合は、図示矢印ａ方向へレーザ照射点Ｐを移動させる際に、レーザ照射点Ｐの移動方向と反対の方向から空気を噴射することができる。

一方、図１２（ｂ）に示すように、空気噴射ノズル７をロボットアーム側から見て先端側（第２の位置）に持ってきた場合は、図示矢印ｂ方向へレーザ照射点Ｐを移動させる際に、レーザ照射点Ｐの移動方向と反対の方向から空気を噴射することができる。

そしてさらに、図１２（ｃ）に示すように、第１の位置から第２の位置の間のいずれかに位置させることが可能となるので、図示矢印ｃで示す横方向にレーザ照射点Ｐを移動させる際にも、レーザ照射点Ｐの移動方向と反対の方向から空気を噴射することができる。

すなわち、本実施形態４の第１の作用は、可動リング９１によって、レーザ射出口８を対象点として第１の位置から第２の位置の間のいずれかの位置に空気噴射ノズル７を移動させることで、レーザ照射点Ｐをどのような方向に移動させた場合でも、必ずその移動方向と反対方向から空気を噴射させることができるようになる。

なお、このようにする場合、ロボット制御装置５２の教示プログラムには、あらかじめレーザ照射点Ｐの移動方向に対応させて可動リング９１を動作させるための指示を書き込んでおく必要がある。

このような本実施形態４における第１の作用は、レーザ光は一定の位置に照射する一方、ワーク２００を移動させることでレーザ照射点を移動させる場合も、同じように適用させることができる。

図１３は、本実施形態４における空気噴射の第２の作用を説明するための説明図であり、（ａ）および（ｂ）は側面図である。なお、この説明図においても、各部材の表現を簡略化した。

溶接するワーク２００の形状はさまざまであり、たとえば、図１３に示すように、ワーク２００に張り出し２０１や２０２がある場合がある。

このようにワーク２００に張り出し２０１や２０２がある場合、本実施形態４では、可動リング９１を回転させて、これら張り出し２０１や２０２と干渉しない位置に空気噴射ノズル７を移動することができる。

したがって、本実施形態４の第２の作用によれば、ワーク２００に張り出し２０１、２０２がある場合、あるいはワーク２００以外の周辺構造物などがあるでも、レーザ加工ヘッド３に取り付けた空気噴射ノズル７を邪魔にならない位置に移動させて、レーザ加工ヘッド３の位置および姿勢を自由に取らせることができる。

（実施形態５）
図１４は実施形態５におけるシステムを説明するための概略図である。

図示するように、本実施形態５では、レーザ加工ヘッド３の先端側に空気流通経路９５を設け、その内部に空気噴射ノズル７を取り付けている。空気流通経路９５の内壁と空気噴射ノズル７との間には隙間が開いている。

また、空気流通経路９５内のレーザ加工ヘッド３の筐体には、放熱フィン９６が設けられている。

図１５は、本実施形態５による作用を説明するための説明図である。この図においても各部の詳細は省略した。

空気流通経路９５内に空気噴射ノズル７を設けたことで、空気噴射ノズル７から空気を噴射すると、その気流によって周囲の空気ａが巻き込まれる。これにより空気流通経路９５内も気流が生じて放熱フィン９６に当たり、レーザ加工ヘッド３の筐体を効率よく冷やすことができる。

レーザ加工ヘッド３内部は、光学系があるため埃の進入を嫌うため通常は密閉状態となっている。このため、レーザ光がレーザ加工ヘッド３内部を通るときにどうしても発熱がある。この発熱をレーザ加工ヘッド３の筐体を冷やすことで効果的に除去することができるのである。

しかも、本実施形態５では、空気流通経路９５を設けてその中に空気噴射ノズル７を取り付けた非常に簡単な構造で、ヒュームＨを飛ばすと共にレーザ加工ヘッド３の冷却をもなしうるのである。

なお、本実施形態５において空気噴射の制御は、実施形態１と同様溶接作業の開始時にエアーポンプ７５を作動させればよく特別な制御は要しない。

（実施形態６）
図１６は実施形態６におけるシステムを説明するための概略図である。

図示するように、本実施形態６はレーザ加工ヘッド３のレーザ射出口８に設けられている保護ガラス３０６に沿って保護ガラス３０６と平行な方向に空気を噴射する空気噴射ノズル３０３および３０４を設け、さらにこの空気噴射ノズル３０３および３０４から噴射された気流の向きを、レーザ光１００を横切る方向に変えさせる変更板３０５を設けたものである。

ここで、保護ガラス３０６は、レーザ加工ヘッド３内部に、ほこりやちり、そして溶接時に発生するスパッタＳなどが入らないようにして反射鏡やレンズなどを保護するためのものである（図１６においてはレーザ加工ヘッド３内部の反射鏡やレンズを図示省略したが、これらは図１に示したレーザ加工ヘッド３内部と同様である）。

本実施形態６では、この保護ガラス３０６の前面を平行に気流を流すことで、レーザ溶接時に発生するスパッタＳを、この気流により押し流して排除し、スパッタＳが保護ガラス３０６に当たったり、そのまま付着したりするのを防止する。そして、この保護ガラス３０６の前面を平行に噴射させた気流を、さらに変更板３０５によって再びレーザ光を横切りワーク方向に向かうように、その向きを変えることで、ヒュームＨの除去をも可能としている。

これにより、保護ガラス３０６のスパッタＳによる傷付きや汚れを少なくすることができきるため、保護ガラス３０６の清掃頻度も少なくすることができ、また、保護ガラス３０６自体の寿命を延ばすことができる。そして、保護ガラス３０６の前面を平行に流した気流の向きを変えてヒュームＨの除去に利用しているので、気流噴射のためのエネルギーコストを削減することができる。

また、本実施形態６においては、空気噴射ノズル３０３および３０４を保護ガラス３０６の面に対して垂直方向に並べて設け、保護ガラス３０６に近い空気噴射ノズル３０３からの空気噴射圧力を、保護ガラス３０６に遠い空気噴射ノズル３０４からの空気噴射圧力より高くしている。これにより変更板３０５に当たった気流は、上側からの速度の速い気流によって、下側からの速度の遅い空気を巻き込むようにしてその方向を下向きに変えるので、ヒュームＨ排除のための気流をつくりやすい。

さらに、このように空気噴射ノズル３０３および３０４を保護ガラス３０６の面に対して垂直方向に並べて２つ設けることで、保護ガラス３０６に平行に流れる気流の垂直方向の厚みを持たせることができ、ワークから保護ガラス３０６方向に飛んでくるスパッタＳを厚みのある気流で確実に排除することができる。

なお、本実施形態６では、２つの空気噴射ノズル３０３および３０４を設けたが、さらに多くの空気噴射ノズルを設けても良いし、逆に、１つの空気噴射ノズルであっても、スパッタＳの排除とともにヒュームＨの除去を同時に行わせることは可能である。

次に、実際にヒュームを飛ばしながらレーザ溶接を行った実施例を説明する。

図１７は実験装置の概略図である。

本実施例のための実験を行うために、レーザ加工ヘッド３に高さおよび向きを変更することができる空気噴射ノズル７を取り付けた実験装置を製作した。したがって、この実験装置は、ワーク２００からレーザ加工ヘッド３までの高さは一定としつつ、ワーク２００から空気噴射ノズル７までの高さＤは変えることができる。

この実験装置を使用して、実施例１は、図１７（ａ）に示すように、空気噴射ノズル７から噴射された空気がレーザ光１００を横切る方向で、かつ噴射された空気の噴射範囲内にレーザ照射点Ｐが入らないようにセットし、高さＤを変更してレーザ溶接を行った。

また、実施例２として、図１７（ｂ）に示すように、空気噴射ノズル７から噴射された空気がレーザ光を真横に横切る方向にセットし、高さＤを変更してレーザ溶接を行った。

レーザ溶接の条件は、実施例１、実施例２共に同じであり、レーザ加工ヘッド３のレーザ射出口８からワーク２００のレーザ照射点Ｐまでの距離は５６０ｍｍ、レーザ出力４ｋＷ、集光径（レーザ照射点）直径０．７ｍｍ、空気噴射ノズル７からの噴射空気圧力は、０、５Ｐａ、空気の噴射流量１８０リットル／分、ワーク素材は上板２１０がめっきなし鋼板で板厚１．４ｍｍ、下板２１１が亜鉛めっき鋼板で板厚０．６５ｍｍである。

図１８は、上記の条件により実際にレーザ溶接を行った実験結果を示すグラフである。

このグラフは、パワー時間密度と空気噴射ノズルの高さＤとの関係を示している。なお、「パワー時間密度＝レーザ出力÷集光面積÷溶接速度」である。

この実験結果から、実施例１の場合は、ワーク２００から空気噴射ノズル７までの高さＤがいずれの高さであっても、ヒュームＨを上に立ち昇らせることなく飛ばしてしまうため、パワー時間密度がほぼ一定していることがわかる。

実施例２の場合は、ワーク２００から空気噴射ノズル７までの高さＤが低い位置にあるときは、ヒュームＨが立ち昇らないため、パワー時間密度が低いものの、高さＤが高くなると次第にヒュームＨが大きく立ち昇るためパワー時間密度が大きくなってきている。つまり、実施例２の場合には、空気の噴射位置がワーク近傍の場合には効果があるが、空気の噴射位置がワーク１００から離れてヒュームＨの漂い方が大きくなるとパワー時間密度が次第に大きくなっていることを示している。したがって、ヒュームＨの漂い方が大きくなるとレーザ照射が不安定になることがわかる。

これらの結果から、本発明を適用してヒュームＨを飛ばすことで、ヒュームの影響を受けず一定した溶接状態を作りだすことのできることがわかる。したがって、本発明を適用してヒュームＨを飛ばすことにより短い時間で溶接が完了し、効率的な溶接動作を行わせることが可能となるのである。

特に、レーザ加工ヘッド３のある上方からワーク２００がある下方向に空気を噴射させることで、空気噴射ノズルからワークまでの距離にかかわらず、確実にヒュームＨを飛ばすことができる。したがって、このように空気の噴射方向を下方向に向けることで、さまざまな位置や姿勢でレーザ照射距離も可変することのできるリモート溶接に最適なものとなる。

なお、この実施例では、レーザ照射距離を５６０ｍｍとしているが、これは当然により長い距離であってもよく、レーザ照射距離が長くなる場合には、空気噴射圧力および／または噴射空気の流量を適宜変更することで対応することができる。

以上本発明を適用した実施形態および実施例を説明したが、本発明はこれらの実施形態および実施例に限定されるものではない。たとえば、各実施形態では多軸ロボットを用いた形態を示したが、これに限らずさまざまな形態のロボットを用いることが可能であり、また、ロボットなどを用いることなく、固定されたレーザ加工ヘッドを用いる場合にも適用可能である。また、レーザ溶接に限らずレーザを利用した加工にも利用可能である。

また、上述した実施形態では空気を噴射することとしている。これはリモート溶接においてはレーザの焦点距離が長いため、レーザ照射手段であるレーザ加工ヘッドから溶接点までの距離を長く取ることができ、しかもその間をさまざまな方向にレーザ光を照射可能なため、そのような広範囲にわたりヒュームを吹き飛ばすことができるように、高圧、高流量で流体を噴出させる必要がある。そうすると大量の流体が必要なために、空気を用いるのがもっとも経済性がよいものとなる。しかし、噴射させる流体としては空気に限定されるものではなく、たとえば、窒素ガス、またヘリウムガスなどの不活性ガスなどを用いてもよいし、さらにそのほかさまざまな流体を流体噴射手段から噴射することによっても、空気を用いる場合と同様に効果的にヒュームを飛ばすことは可能である。

本発明は、レーザ溶接、レーザ加工に利用できる。

実施形態１のリモート溶接システムを説明するための概略図である。 実施形態１のリモート溶接システムの制御系を説明するためのブロック図である。 ヒュームと実施形態１における空気噴射の作用を説明するための説明図である。 空気の空気噴射ノズル（噴射口）とそこから噴射された空気の噴射範囲を示す説明する説明図である。 実施形態２のリモート溶接システムを説明するための概略図である。 実施形態２のリモート溶接システムの制御系を示すブロック図である。 実施形態２における空気噴射の作用を説明するための説明図である。 実施形態３におけるリモート溶接システムの作用を説明するための説明図である。 実施形態４のリモート溶接システムを説明するための概略図である。 レーザ出口側から見たレーザ加工ヘッドの概略図である。 実施形態４のリモート溶接システムの制御系を示すブロック図である。 本実施形態４における空気噴射の第１の作用を説明するための説明図である。 本実施形態４における空気噴射の第２の作用を説明するための説明図である。 実施形態５におけるシステムを説明するための概略図である。 実施形態５による作用を説明するための説明図である。 実施形態６におけるシステムを説明するための概略図である。 実験装置の概略図である。 レーザ溶接を行った実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１…ロボット、
３…レーザ加工ヘッド、
７、８１、８２、３０３、３０４…空気噴射ノズル、
８…レーザ射出口、
１１…反射鏡、
７２…エアーホース、
７５…エアーポンプ、
８５…切り替え弁、
９１…可動リング、
９５…空気流通経路、
９６…放熱フィン、
１００…レーザ光、
１１１…コリメートレンズ、
１１２…集光レンズ、
２００…ワーク、
３０５…変更板、
３０６…保護ガラス。

Claims (15)

1. レーザ光を照射するレーザ照射手段と、
   前記レーザ照射手段の保護ガラスの面から近い側から遠い側に前記レーザ光の照射方向に並べられ、前記保護ガラスの面に対して平行な方向に流体を噴射する複数の流体噴射ノズルと、前記複数の流体噴射ノズルから噴射された流体の向きを前記保護ガラスの面に対して平行な方向から前記流体噴射ノズル側に折り返し前記レーザ光を横切る方向に変更する変更板と、を有する流体噴射手段と、を有し、
   前記流体噴射ノズルが噴射する流体の噴射圧力は、前記保護ガラスの面から遠い側に設けた前記流体噴射ノズルよりも近い側に設けた前記流体噴射ノズルの方が高くなっていることを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 前記流体噴射手段は、前記流体の噴射範囲内にワーク上のレーザ照射点が入らないように前記流体を噴射させることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接装置。
3. 前記レーザ照射手段は、前記レーザ光の照射方向を反射鏡により変更する照射方向変更手段を有することを特徴とする請求項１または２記載のレーザ溶接装置。
4. 前記レーザ照射手段は、ロボットアームに取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーザ溶接装置。
5. 前記変更板は、前記複数の流体噴射ノズルから噴射された流体の向きを前記保護ガラスの面に対して平行な方向からレーザ照射点の移動方向とは逆の方向に変更することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のレーザ溶接装置。
6. レーザ光を照射するレーザ照射手段と、
   少なくとも前記レーザ照射手段からワークの間に浮遊するヒュームを吹き飛ばすための流体を噴射する流体噴射手段と、を有し、
   前記流体噴射手段は、
   前記レーザ照射手段の保護ガラスの面から近い側から遠い側に前記レーザ光の照射方向に並べられ、前記保護ガラスの面に対して平行な方向に流体を噴射する複数の流体噴射ノズルと、
   前記複数の流体噴射ノズルから噴射された流体の向きを前記保護ガラスの面に対して平行な方向から前記流体噴射ノズル側に折り返し前記レーザ光を横切る方向に変更する変更板と、を有し、
   前記流体噴射ノズルが噴射する流体の噴射圧力は、前記保護ガラスの面から近い側に設けた前記流体噴射ノズルよりも遠い側に設けた前記流体噴射ノズルの方が高くなっていることを特徴とするレーザ溶接装置。
7. 前記流体噴射手段は、前記流体の噴射範囲内にワーク上のレーザ照射点が入らないように前記流体を噴射させることを特徴とする請求項６記載のレーザ溶接装置。
8. 前記レーザ照射手段は、前記レーザ光の照射方向を反射鏡により変更する照射方向変更手段を有することを特徴とする請求項６または７記載のレーザ溶接装置。
9. 前記レーザ照射手段は、ロボットアームに取り付けられていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一つに記載のレーザ溶接装置。
10. 前記変更板は、前記複数の流体噴射ノズルから噴射された流体の向きを前記保護ガラスの面に対して平行な方向からレーザ照射点の移動方向とは逆の方向に変更することを特徴とする請求項６〜９のいずれか一つに記載のレーザ溶接装置。
11. レーザ光を照射するレーザ照射手段に取り付けられた流体噴射手段から、前記レーザ光を横切る方向に流体を噴射させるレーザ溶接方法であって、
    前記レーザ照射手段の保護ガラスの面から近い側から遠い側に前記レーザ光の照射方向に並べた複数の流体噴射ノズルから、前記保護ガラスの面に対して平行な方向に流体を噴射させ、前記複数の流体噴射ノズルから噴射された流体の向きを変更板によって前記保護ガラスの面に対して平行な方向から前記流体噴射ノズル側に折り返し前記レーザ光を横切る方向に変更させ、
    前記流体噴射ノズルが噴射する流体の噴射圧力を、前記保護ガラスの面から近い側に設けた前記流体噴射ノズルよりも遠い側に設けた前記流体噴射ノズルの方が高くなるようにすることを特徴とするレーザ溶接方法。
12. 前記流体の噴射範囲内にレーザ照射点が入らないようにすることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ溶接方法。
13. 前記レーザ照射手段は、前記レーザ光の照射方向を反射鏡により変更することを特徴とする請求項１１または１２に記載のレーザ溶接方法。
14. 前記レーザ照射手段は、ロボットアームに取り付けられていることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。
15. 前記変更板は、前記複数の流体噴射ノズルから噴射された流体の向きを前記保護ガラスの面に対して平行な方向からレーザ照射点の移動方向とは逆の方向に変更することを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一つに記載のレーザ溶接装置。

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