JP5050232B2 - レーザ溶接用ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、主として被加工物にスポット状の溶接部を形成する場合に用いられるレーザ溶接用ヘッドに関する。

レーザ溶接においては、被加工物にスポット状の溶接部を形成する場合がある。このような溶接部を形成する場合、例えばＹＡＧレーザなどをパルス状に出射するレーザ溶接用ヘッドに対して被加工物を相対移動させる。これにより、被加工物の溶接予定線に沿って複数のスポット溶接部が形成されることとなる。

ところで、機械的強度の見地から言えば、各溶接部の平面形状は可能な限り真円形に近いことが好ましい。しかしながら、レーザ溶接用ヘッドから出射するレーザビームの形状を略真円形状とすると、レーザ溶接用ヘッドに対する被加工物の相対移動の影響で、実際に被加工物に照射されるレーザビームの形状が溶接予定線の方向に沿って伸びてしまう。そのため、溶接部の平面形状も溶接予定線の方向を長軸とする楕円状となってしまうという問題がある。

そこで、例えば特許文献１に記載のレーザ溶接用集光ヘッドでは、コリメートレンズと、一対のシリンドリカルレンズとを組み合わせることにより、被加工物上の照射位置におけるレーザビームの形状が、予め溶接予定線の方向に交差する方向を長軸とする楕円状となるように調整をしている。
特開２００５−１６１４０４号公報

しかしながら、上述した従来のレーザ溶接用ヘッドの光学系では、一対のシリンドリカルレンズの焦点距離を、いずれも被加工物上の照射位置に対して厳密に合わせる必要がある。そのため、光学系の調整が複雑になるという解決すべき課題があった。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、光学系の調整を容易なものとしつつ、十分な機械的強度を持つスポット状の溶接部の形成が可能なレーザ溶接用ヘッドを提供することを目的とする。

上記課題のため、本発明に係るレーザ溶接用ヘッドは、レーザ光源から供給されるレーザビームを、当該レーザビームの光軸方向に直交する第１の方向について平行光化する第１のレンズと、第１のレンズによって第１の方向について平行光化されたレーザビームを、第１のレンズとは異なる集光比で、光軸方向及び第１の方向に直交する第２の方向について平行光化する第２のレンズと、第１の方向及び第２の方向について平行光化されたレーザビームを、被加工物の溶接予定線に一致させるように集光させる第３のレンズとを備えたことを特徴としている。

このレーザ溶接用ヘッドでは、第１のレンズ及び第２のレンズの協働により、レーザ光源から供給されるレーザビームを予め楕円状に集光させることができる。これにより、レーザ溶接用ヘッドに対する被加工物の相対移動を考慮し、被加工物に実際に照射されるレーザビームの形状を真円形に近づけることが可能となる。したがって、レーザビームの照射によって形成されるスポット状の溶接部の平面形状が略真円形となり、溶接部の機械的強度が十分に確保される。また、このレーザ溶接用ヘッドでは、第１のレンズ及び第２のレンズに対する第３のレンズの配置位置を調整するだけで、レーザビームの集光位置の位置合わせを行うことができる。このため、光学系の調整も容易なものとなる。

また、第１の方向は、レーザビームの光軸方向から見て、溶接予定線に直交する方向であることが好ましい。こうすると、被加工物に実際に照射されるレーザビームの形状をより確実に真円形に近づけることが可能となり、溶接部の機械的強度の更なる向上が図られる。

また、第１のレンズ及び第２のレンズは、シリンドリカルレンズであることが好ましい。このような構成により、レーザ光源から供給されるレーザビームを好適に楕円状に集光させることが可能となる。

本発明に係るレーザ溶接用ヘッドによれば、光学系の調整を容易なものとしつつ、十分な機械的強度を持つスポット状の溶接部の形成が可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るレーザ溶接用ヘッドの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接用ヘッドを組み込んでなるレーザ溶接システムを示す構成図である。図１に示すレーザ溶接システム１は、例えば鉄道車両構体に用いる外板パネルと骨部材と（以下、これらを「ワーク１０Ａ，１０Ｂ」と称す）を重ね溶接するためのシステムである。レーザ溶接システム１は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定線Ｒに対してレーザビームＬを照射し、溶接予定線Ｒに複数のスポット溶接部Ｗを形成するレーザ溶接装置２を備えている。

このレーザ溶接装置２は、送り装置２１と、ワーク固定装置２２と、ワーク固定装置２２と、レーザ照射装置２３と、ガス供給装置２４とによって構成されている。これらの各装置２１〜２４は、上位の制御装置（図示しない）に接続され、この制御装置から出力される動作指示情報に従って、各動作を自動で実行するようになっている。

送り装置２１は、ワーク１０Ａ，１０Ｂへのレーザビームの照射位置を走査させる装置である。送り装置２１は、ワーク１０Ａ，１０Ｂを載置可能な可動ステージ２５を有している。そして、送り装置２１は、制御装置から走査開始を指示する旨の動作指示情報を受け取ると、可動ステージ２５を矢印Ａ方向に一定の速度で走査させる。これにより、可動ステージ２５に載置されたワーク１０Ａ，１０Ｂは、溶接予定線Ｒに沿って、レーザ照射装置２３によるレーザビームＬの照射位置に対して相対的に移動する。

ワーク固定装置２２は、ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に固定する装置である。ワーク固定装置２２は、長尺の押さえ板２６ａを有する加圧治具２６を複数（本実施形態では２つ）備えている。ワーク固定装置２２は、制御装置から動作開始を指示する動作指示情報を受け取ると、可動ステージ２５に載置されたワーク１０Ａ，１０Ｂの上方から長尺の加圧治具２６を下降させる。そして、長尺の押さえ板２６ａによって、溶接予定線Ｒを挟んだワーク１０Ａ，１０Ｂの両端部分を可動ステージ２５に押し付けることにより、溶接予定線Ｒ近傍のワーク１０Ａ，１０Ｂの密着性を向上させる。

レーザ照射装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定線Ｒに向けてレーザビームＬを照射する装置である。レーザ照射装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの上方に配置されたレーザ溶接用ヘッド２７を有している。レーザ照射装置２３は、制御装置から照射開始を指示する動作指示情報を受け取ると、レーザ光源４０（図２参照）を励起させる。そして、レーザ光源から供給されるレーザビームＬをレーザ溶接用ヘッド２７の先端からパルス状に出射させる。レーザ光源４０としては、例えば波長１．０６μｍ、出力約４．０ｋＷのＹＡＧレーザが用いられる。

ガス供給装置２４は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定線Ｒに向けてアシストガスを供給する装置である。ガス供給装置２４は、ワーク１０Ａ，１０Ｂに対して約４５度傾斜するように配置された供給ノズル２８を有している。ガス供給装置２４は、レーザ照射装置２３の動作中に制御装置から供給開始を指示する動作指示情報を受け取ると、所定の供給量でレーザビームＬの照射位置にアシストガスを供給する。アシストガスとしては、ワーク１０Ａ，１０Ｂの酸化防止及びスパッタ防止等を目的として、ヘリウムガス又はアルゴンガス等が用いられる。

次に、上述したレーザ溶接用ヘッド２７の詳細な構成について説明する。

図２は、レーザ溶接用ヘッド２７の内部構成を示す断面図である。同図に示すように、レーザ溶接用ヘッド２７は、略直方体形状をなす金属製の筐体５０を備えている。筐体５０の内部には、収容空間Ｖが形成されている。筐体５０の基端側には、レーザ光源４０から出射したレーザビームＬを伝播させる光ファイバ４１の先端部４１ａを固定する開口部５０ａが設けられている。開口部５０ａは、収容空間Ｖと連通している。また、筐体５０の先端側には、レーザビームＬの出射端となる開口部５０ｂが設けられている。

収容空間Ｖの内部には、レーザ光源４０から供給されるレーザビームＬをワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定線Ｒに向けて集光するための光学系Ｓが配設されている。光学系Ｓは、一対のシリンドリカルレンズ（第１のレンズ、第２のレンズ）５１，５２と、平凸レンズ（第３のレンズ）５３とによって構成されている。一対のシリンドリカルレンズ５１，５２と、平凸レンズ５３とは、筐体５０の基端側から先端側に向かってこの順に配置されている。

シリンドリカルレンズ５１は、例えばＢＫ７（ホウケイ酸クラウンガラス）からなる焦点距離約１００ｍｍのコリメートレンズであり、その表面にはＹＡＧレーザ用のＡＲコートが施されている。シリンドリカルレンズ５１は、その長手方向が溶接予定線Ｒと直交する方向（第１の方向：図１におけるＸ方向）と一致するようにして、円筒面がレーザ溶接用ヘッド２７の先端側を向いた状態で、光ファイバ４１の先端部４１ａから所定の距離だけ離間した位置に配置されている。

シリンドリカルレンズ５２は、例えばＢＫ７（ホウケイ酸クラウンガラス）からなる焦点距離約２００ｍｍのコリメートレンズであり、その表面にはＹＡＧレーザ用のＡＲコートが施されている。シリンドリカルレンズ５２は、その長手方向が溶接予定線Ｒに沿う方向（第２の方向：図１におけるＹ方向）と一致するようにして、円筒面がレーザ溶接用ヘッド２７の先端側を向いた状態で、シリンドリカルレンズ５１の円筒面から１００ｍｍだけ筐体５０の先端側に離間した位置に配置されている。

平凸レンズ５３は、例えばＢＫ７（ホウケイ酸クラウンガラス）からなる焦点距離約１００ｍｍの集光レンズであり、その表面にはＹＡＧレーザ用のＡＲコートが施されている。平凸レンズ５３は、凸面がシリンドリカルレンズ５１，５２側を向いた状態で、シリンドリカルレンズ５２の円筒面から１００ｍｍだけ筐体５０の先端側に離間した位置に配置されている。

続いて、上述した構成を有する光学系ＳにおけるレーザビームＬの集光機能について説明する。

この光学系Ｓは、Ｘ方向及びＹ方向について互いに異なる集光機能を有している。まず、Ｘ方向の集光機能について説明する。図３に示すように、光ファイバ４１の先端部４１ａから断面略円形のレーザビームＬが出射される。先端部４１ａから出射したレーザビームＬは、伝播距離に応じて拡散しながらシリンドリカルレンズ５１に入射する。ここで、シリンドリカルレンズ５１は、Ｘ方向についてはレーザビームＬに何ら作用を及ぼさない。したがって、レーザビームＬは、更に拡散しながらシリンドリカルレンズ５１を通過し、シリンドリカルレンズ５２に入射する。

シリンドリカルレンズ５２に入射すると、レーザビームＬは、Ｘ方向についてのみ集光され、略平行光化される。略平行光化されたレーザビームＬは、次に、平凸レンズ５３に入射する。平凸レンズ５３に入射したレーザビームＬは、集光位置Ｐがワーク１０Ａ，１０Ｂ上に設定された溶接予定線Ｒに一致するように、Ｘ方向及びＹ方向に集光される。

次に、Ｙ方向の集光機能について説明する。図４に示すように、光ファイバ４１の先端部４１ａから出射された断面略円形のレーザビームＬは、伝播距離に応じて拡散しながらシリンドリカルレンズ５１に入射する。シリンドリカルレンズ５１に入射すると、レーザビームＬは、Ｙ方向についてのみ集光され、略平行光化される。

次に、レーザビームＬは、シリンドリカルレンズ５２に入射する。シリンドリカルレンズ５２は、Ｙ方向についてはレーザビームＬに何ら作用を及ぼさない。したがって、レーザビームＬは、略平行光の状態のままシリンドリカルレンズ５２を通過し、平凸レンズ５３に入射する。平凸レンズ５３に入射すると、レーザビームＬは、図３の場合と同様に、集光位置Ｐがワーク１０Ａ，１０Ｂ上に設定された溶接予定線Ｒに一致するように、Ｘ方向及びＹ方向に集光される。

このような光学系Ｓにより、図５に示すように、ワーク１０Ａ，１０Ｂに設定された溶接予定線Ｒに照射されるレーザビームＬの断面形状は、溶接予定線Ｒと直交するＸ方向を長軸とし、溶接予定線Ｒに沿うＹ方向を短軸とする楕円状となる。楕円の長軸と短軸との比は、レーザビームＬのパルス照射のパルス幅、及び送り装置２１によるワーク１０Ａ，１０Ｂの送り速度等に基づいて適宜最適化する。

レーザビームＬをパルス照射する場合、パルス幅と送り速度との積が溶接予定線Ｒ方向のレーザビームＬのナゲット径に相当する。したがって、レーザビームＬの形状の最適化にあたっては、このナゲット径と上述した楕円の長軸とを一致させるようにすればよい。例えば、レーザビームＬのパルス幅を１０ｍｓ、ワーク１０Ａ，１０Ｂの送り速度を１．８ｍ／ｍｉｎとした場合には、溶接予定線Ｒに照射されるレーザビームＬの長軸を０．６ｍｍ、短軸を０．３ｍｍに設定する。

以上説明したように、レーザ溶接用ヘッド２７では、シリンドリカルレンズ５１，５２の協働により、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定線Ｒに照射する際に、レーザ光源４０から供給されるレーザビームＬを、溶接予定線Ｒと直交するＸ方向を長軸とし、溶接予定線Ｒに沿うＹ方向を短軸とする楕円状に予め集光させることができる。これにより、レーザ溶接用ヘッド２７に対してワーク１０Ａ，１０Ｂを相対移動させたときに、ワーク１０Ａ，１０Ｂに実際に照射されるレーザビームＬの形状を真円形に近づけることが可能となる。

したがって、レーザビームＬの照射によって形成されるスポット溶接部Ｗの平面形状が略真円形となり、スポット溶接部Ｗの機械的強度が十分に確保される。また、このレーザ溶接用ヘッド２７では、シリンドリカルレンズ５１，５２の配置位置を大まかに合せた上で、平凸レンズ５３の配置位置をレーザビームＬの光軸方向に沿って調整するだけで、レーザビームＬの集光位置Ｐの位置合わせを行うことができる。このように、レーザ溶接用ヘッド２７では、配置位置の調整を行うレンズは平凸レンズ５３のみであり、従来のように、一対のシリンドリカルレンズの焦点位置を厳密に合わせる必要がないため、光学系Ｓの調整も容易なものとなる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、レーザビームＬをＸ方向及びＹ方向について平行光化するにあたっては、球面収差の除去などを図るために、シリンドリカルレンズ５１，５２を複数枚ずつ配置してもよい。

本発明の一実施形態に係るレーザ溶接用ヘッドを組み込んでなるレーザ溶接システムを示す構成図である。 レーザ溶接用ヘッドの内部構成を示す断面図である。 光学系ＳにおけるＸ方向についての集光機能を示す図である。 光学系ＳにおけるＹ方向についての集光機能を示す図である。 ワークの溶接予定線に照射されるレーザビームの形状を示す図である。

符号の説明

１…レーザ溶接システム、１０Ａ，１０Ｂ…ワーク（被加工物）、２７…レーザ溶接用ヘッド、４０…レーザ光源、５１…シリンドリカルレンズ（第１のレンズ）、５２…シリンドリカルレンズ（第２のレンズ）、５３…平凸レンズ（第３のレンズ）、Ｌ…レーザビーム、Ｐ…集光位置、Ｒ…溶接予定線、Ｘ…第１の方向、Ｙ…第２の方向。

Claims (1)

1. 被加工物の溶接予定線に沿って走査されながらレーザビームを前記溶接予定線に向けてパルス状に照射するレーザ溶接ヘッドであって、
   レーザ光源から供給される前記レーザビームを、前記溶接予定線に直交する第１の方向について平行光化する第１の平凸シリンドリカルレンズと、
   前記第１の平凸シリンドリカルレンズに直交して配置され、前記第１の平凸シリンドリカルレンズによって前記第１の方向について平行光化された前記レーザビームを、前記第１の平凸シリンドリカルレンズとは異なる集光比で、前記溶接予定線に沿う第２の方向について平行光化する第２の平凸シリンドリカルレンズと、
   前記第１の方向及び前記第２の方向について平行光化された前記レーザビームを、被加工物の溶接予定線に一致させるように集光させる平凸レンズとを備え、
   前記レーザビームの集光形状が、前記第１の方向を長軸とし前記第２の方向を短軸とする楕円状をなし、前記長軸の長さが、前記短軸の長さに前記レーザビームのパルス幅と当該ヘッドの送り速度との積を加算した長さとなっていることを特徴とするレーザ溶接用ヘッド。

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