JP5096000B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザ加工装置に関する。

従来、レーザ溶接においては、レーザ光が焦点（ワーク溶接部）に至るまでレーザ光が煙（フュームあるいはプラズマ・プルーム）やスパッタ（飛散溶融粉末）等（以下、浮遊物と称す）の外乱を受けないように、あるいは上方の集光レンズやその下の保護ガラスに浮遊物が付着し汚染しないように、レンズ類から焦点直近までをテーパ状のノズルで被うことが行われている（以下、長ノズルと称する）。そして、溶接に不可欠なシールドガスを、長ノズル内に併設した誘導路から噴出させることも知られている（特許文献１参照）。

また、レーザ溶接においては、レーザ光の焦点をワーク表面上（あるいは若干ワーク内）に高精度で位置させる必要があるが、溶接方向へ移動しながら焦点距離を一定に保ち続けることは難しく、溶接部が非平面の場合にはなおさらである。そのため、レーザ光の焦点部に対して溶接進行方向と直交する位置に回転ローラを設け、ローラの倣いによって焦点距離を強制的に一定に保つことも知られている。（特許文献２及び３参照）。

また、シールドガスの大流量化と拡散防止を狙って、シールドガス誘導路及び噴出口（以下、サイドノズルと称す）をノズルから独立させて焦点直近まで延長し、設置することも広く行われている。

この方法ではサイドノズルとの干渉回避のため必然的に短ノズルとなり、焦点と短ノズルの間にサイドノズルが存在する配置となるため、長ノズルのような浮遊物の遮蔽効果は期待できず、レーザ光外乱や保護ガラス汚染は不可避である。

その対策として、短ノズルとシールドガス噴出口の間に別のエア噴出口を設置し、そこからエアカーテンを略水平に噴出して、浮遊物の上方移行（舞い上がり）を阻止することも知られている（特許文献４及び５参照）。

更に、エアカーテン強化のために大型ダクトやエアのスリット通過（層流化）や不活性ガスの焦点狙い（下方指向）等の対策を加えているものも知られている（特許文献６参照）。
特開平３−１１００９４号公報 特許第３３１２８９６号公報 特許第３４８２４５２号公報 特開平６−１２２０８９号公報 特開２０００−２６３２７６号公報 特開平６−７９４８９号公報

前記特許文献１のような溶接進行方向に直交する方向での長ノズルの横に、特許文献２及び３に示すように倣いローラを設置すると、ローラとワークの接点をできる限り焦点に近づけたいことからノズル径を大きくできない問題がある。

また、近時は大出力のレーザ溶接が求められ、大径レンズ化と焦点距離短縮が必要となっているため、必然的に長ノズルの大型化・大径化を招くため、上記特許文献１、２、３を組合せて上記長ノズルに回転ローラを設置することは困難な状況となっている。併せて、長ノズル内に上記シールドガス誘導路を併設することも、これに拍車をかけている。

もともと長ノズルに併設したシールドガス誘導路では流量が不足するのであるが、誘導路断面積の拡大は長ノズル大型化を伴い、このことも大出力化と背反する。

しかしながら、ローラ設置のために長ノズル部の一部を除去して短ノズル化にしてしまうと、レーザ光外乱や保護ガラス汚染の問題は避けようがなくなる。倣いローラを具備する短ノズルであってもレーザ光外乱や保護ガラス汚染の発生しない、レーザ溶接装置が待たれていた。

また、前記特許文献４及び５のように、短ノズルとシールドガス噴出口の間に別のエア噴出口を設置し、そこからエアカーテンを略水平に噴出させるようにしたものにおいては、エアカーテン域内の浮遊物の舞い上がりには阻止効果があるものの、域外の浮遊物の舞い上がりには阻止効果がないばかりか、気流巻き込みによって一部を上方へ積極移行させてしまうので、レーザ光外乱や保護ガラス汚染の問題は依然として解消されない。

また、前記特許文献６においても、依然として巻き込みは不可避であり、浮遊物の上方移行を完全に阻止するに至っていない。そればかりか、強力なエアカーテンの下方噴射により、肝心のシールドガスをも巻き込んで拡散してしまう新たな不具合を惹起する。

以上のことから、倣いローラを設置し短ノズルであっても、レーザ光外乱や保護ガラス汚染を確実に防止でき、かつ、シールドガスが有効に作用するレーザ加工装置が、強く待たれている。

そこで、本発明は、このような要望に応えるレーザ加工装置を提供することを目的とするものである。

前記の課題を解決するために、本発明の第１のアスペクトでは、内部に備えた集光レンズで集光されたレーザビームがノズル部を通じて照射されるヘッド部と、
前記集光レンズの下方に位置するレーザビームの焦点の側方に開口し、該開口から加工進行側に、溶接部をシールドするシールドガスを噴出するガス送出手段と、
前記シールドガスの上方、かつ、前記集光レンズの下方で、加工進行方向に指向する１次エアを略水平方向へ噴出して第１のエアカーテンを形成する１次エア送出手段と、
前記集光レンズの側方部、かつ、前記１次エアの上方から焦点方向へ指向する２次エアを噴出して第２のエアカーテンを形成する２次エア送出手段と、を具備し、
前記２次エアは前記１次エアに巻き込まれて加工進行方向へ排除されるようにしたことを特徴とするものである。

本発明の第２のアスペクトでは、第１のアスペクトにおいて、前記１次エア送出手段は、スリット状噴出口と、１次エア流の周囲を囲むとともにレーザビームが通過可能なカバー部材を有し、前記２次エア送出手段は、２次エアを前記集光レンズの周囲からノズル内に噴出させるように構成したものである。

本発明の第３のアスペクトでは、第１、第２のアスペクトにおいて、加工時において、前記１次エアの流量を前記２次エアの流量より大きく設定したものである。

本発明の第４のアスペクトでは、第１、第２、第３のアスペクトにおいて、前記ヘッド部から延出する支持腕に倣いローラが回転自在に軸支され、倣いローラに追従してヘッド部が変位するようにしたものである。

本発明の第５のアスペクトでは、第４のアスペクトにおいて、前記倣いローラ側面の付着物を排除するワイパ部材を設けたものである。

第１のアスペクトによれば、レーザ加工部から舞い上がって浮遊する浮遊物を、１次エアによる１次エアカーテンの流れによって加工進行方向へ排除し、更に、２次エアによる２次エアカーテンの流れによって浮遊物が集光レンズ側へ舞い上がることを阻止することができる。更に、前記の１次エアの１次エアカーテンと２次エアの２次エアカーテンの流れによる相乗的な効果により、浮遊物の加工進行方向への排除が高まる。

したがって、短ノズルであっても、レーザビームの外乱や保護ガラスの汚染を確実に防止でき、かつ、シールドガスが有効に作用するレーザ加工装置を提供できる。

第２のアスペクトによれば、１次エアがカバー部材内を流通するため、その１次エアの１次エアカーテンが良好に形成され、浮遊物の排除が良好に行われ、また、２次エアによる２次エアカーテンがレーザビームの外周を囲むように形成されて浮遊物がレーザビーム域に侵入することを阻止する。したがって、レーザビームの外乱や保護ガラスの汚染を一層防止することができる。

第３のアスペクトのように、１次エアの流量を２次エアの流量よりも大きく設定することにより、前記の２次エアと１次エアによる相乗効果を更に高めることができる。

第４のアスペクトのように、倣いローラを設けたものにおいては、その倣いローラによって、レーザビームの焦点を常に加工位置に合致させる効果を発揮し、かつ、短ノズルでレーザビームの外乱や保護ガラスの汚染の発生がないレーザ加工装置を提供できる。

第５のアスペクトによると、更に、倣いローラへのスパッタ等の付着を防止できる。

本発明を実施するための最良の形態を図に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明のレーザ加工装置の全体を加工進行方向から見た図、図２は図１の右側から見た側面図、図３は図１の上方から見た平面図、図４は図２と反対側から見た要部の側面図で一部を破断した図、図５は図４において加工進行方向から見た図、図６は図４において要部を更に破断して１次エアと２次エアの流れを示す図、図７は本発明のレーザ加工装置の適用例を示す図、図８は図７においてワークの割り出し方向の位置決めを説明する図である。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ加工によりワークを溶接したり、ワークを切断したり、ワークに刻印するなどに用いられるものであるが、本発明のレーザ加工装置を溶接用装置に適用した実施例で説明する。しかし、これらの実施例に本発明が限定されるものではない。

装置の取付フレーム１は図１では図示しない加工機本体に上下方向に移動可能に備えられており、該取付フレーム１は図７で示すような、装置本体７１に設けたアクチュエータ７０によって上下に移動されるようになっている。

前記取付フレーム１には、図１に示すように、鉛直方向にシャフト２が設けられ、該シャフト２に支持部材３が上下方向に移動可能に備えられている。更に、支持部材３の上端面とフレーム１の上辺部間には、コイルスプリングからなる弾性部材４が、シャフト２と同芯状で介在されており、支持部材３を、常時下方へ付勢するとともに、支持部材３が弾性部材４の付勢力に抗して、取付フレーム１に対して上方へ移動できるようになっている。したがって、支持部材３は上下方向に移動可能にフローティング支持されている。

前記支持部材３には、第１支持フレーム５が鉛直に固設され、更に、該第１支持フレーム５に第２支持フレーム６が鉛直に固設されている。そして、この第１支持フレーム５と第２支持フレーム６によって後述するレーザ加工装置の本体部８が支持されている。したがって、後述するレーザ加工装置の本体部８は、上下方向に移動可能にフローティング支持されている。

レーザ加工装置の本体部８は、光ファイバー９が挿入されたレーザ照射部１０と、ヘッド部１１を有し、ヘッド部１１は筒状本体部１２とノズル部１３とからなる。

筒状本体部１２は、図４に示すように、上下が開口する筒体１４からなり、該筒体１４内に図示しない発振器から光ファイバー９で送られてくるレーザビームを集光する集光レンズ１６と、該集光レンズ１６を溶接に起因する浮遊物から保護する保護ガラス１７を内蔵した筒部１５が挿入されている。

前記筒体１４と筒部１５との間には環状の空間からなる環状スリット１８が形成されている。すなわち、前記集光レンズ１６及び保護ガラス１７の外部を囲むように環状スリット１８が形成されている。更に、該環状スリット１８の上側は閉塞されており、下側は開口されて、環状の開口部１８ａによってノズル部１３内と連通している。更に、環状スリット１８には２次エア導入口１９が連通されている。これらの環状スリット１８、ノズル部１３、２次エア導入口１９などにより２次エア送出手段を構成している。

従って、２次エア導入口１９から２次エア（加圧した空気か不活性ガス）Ａ２を送り込むと、その２次エアＡ２が環状スリット１８内に行き渡り、その後、下側の環状の開口部１８ａからノズル部１３のコーン部２０内へ、筒状のエアカーテン様に噴出するようになっている。

ノズル部１３は、上から下に至るにつれて内径が縮小するテーパ状のコーン部２０で形成され、その内部空間２１の上端と下端は開口されている。また、前記内部空間２１の上端は、前記環状スリット１８の開口部１８ａに連通する内径に形成されている。更に、該コーン部２０の内面は、前記の集光レンズ１６からのレーザビームＬの光束の外形状に沿って、下方が縮径するテーパ状に形成されている。

前記ノズル部１３のコーン部２０は、前記筒状本体部１２の筒体１４に対し、ボルト、或いはねじによる正逆の回転によって連結したり分離できるように備えられており、分離することによって、集光レンズ４や保護ガラス１７のメンテナンスが容易に行えるようになっている。

前記ノズル部１３におけるコーン部２０の下端の一部、すなわち、溶接進行方向（加工進行方向）Ｘと反対側には、図６に示すように、コーン部２０を下方へ延出してなる支持片２２が設けられており、コーン部２０の下部には、溶接進行方向Ｘ側と該方向と直行する方向の両側部が開口した空間部２３が設けられている。

前記支持片２２には、図４に示すように、溶接進行方向Ｘと反対側で、かつ、支持片２２の側部に位置してブラケット２４が固設されており、該ブラケット２４は支持片２２より下方へ延在している。該ブラケット２４には、溶接進行方向Ｘと直交する方向に開口し、かつ、上下方向に長い長穴２５が形成されている。更に、ブラケット２４におけるレーザビームＬの通過側には、レーザビームＬの通過を妨げない位置に保持部材２６が配置されており、該保持部材２６が前記長穴２５に挿通したねじ２７によって備えられている。

前記保持部材２６にはガス送出手段を構成するサイドノズル２８が、その下端の噴出口を溶接進行方向Ｘへ指向させ、かつ、レーザビームＬの焦点Ｆの近傍に指向させて挿通固設されている。また、ねじ２７を緩めて、保持部材２６とともにサイドノズル２８をねじ２７を中心として回動して溶接面ＷＬとの角度（姿勢）を変更調節し、ねじ２７を締めることにより、その調節位置（姿勢）を保持することができるようになっている。図４において、実線で示すサイドノズル２８と鎖線で示すサイドノズル２８との間の角度αが調節範囲を示し、いずれの場合もサイドノズル２８の下端の噴出口をレーザビーム焦点Ｆの近傍に指向させることができるようになっている。

前記サイドノズル２８の上端側にはシールドガス導入口２９が接続され、該シールドガス導入口２９から導入されたシールドガスＧが、サイドノズル２８を通じて下端の噴出口から焦点Ｆ近傍に噴出されて、シールドガスが焦点Ｆ近傍に常に存在し雰囲気を形成し、溶接部をシールドするようになっている。

前記ブラケット２４における溶接進行方向Ｘの内面で、かつ、前記サイドノズル２８の上部側に位置してカバー部材３０が固設されている。該カバー部材３０は、図６に示すように、溶接進行方向Ｘ側のみ無壁の箱型に形成され、溶接進行方向Ｘ側に全面開口の開口部３０ａを有する。更に、図６に示すように、カバー部材３０の上壁３０ｂにはレーザビーム通過穴３０ｃが形成され、下壁３０ｄにはレーザービーム通過穴３０ｅが形成されている。更に、溶接進行方向Ｘと反対側の後壁３０ｆには、前後方向に貫通する略水平のスリット状の噴出口３１が上下に位置して２条形成されている。

更に、前記カバー部材３０の後壁３０ｆの後側にはチャンバ３２が設けられており、該チャンバ３２と前記スリット状噴出口３１とが連通している。更に、チャンバ３２には１次エア導入口３３が接続されており、供給された１次エアＡ１が、チャンバ３２を通じて２条のスリット状噴出口３１から噴出され、カバー部材３０内を、略水平なエアカーテンとなって流通し、開口部３０ａから溶接進行方向Ｘへ噴出されるようになっている。

なお、カバー部材３０及びスリット状噴出口３１から噴出された１次エアＡ１の１次エアカーテンは、必ずしも溶接進行方向Ｘに対し水平である必要はなく、必要に応じて上方又は下方へ傾斜させても構わない。ただし、この傾斜が過大であるとシールドガスＧを巻き込んで拡散してしまうおそれがあるため、傾斜させる場合は、シールドガスＧを巻き込まない程度の傾斜とする。

前記スリット状噴出口３１などにより１次エア送出手段を構成している。
前記筒状本体部１２の側部には、図１及び図５に示すように支持腕３４が強固に取り付けられ、その支持腕３４は前記カバー部材３０の下方位置まで垂設されている。

前記支持腕３４の下端部には倣いローラ３５とワイパ部材３６が取付けられている。
倣いローラ３５は、支持腕３４に、溶接進行方向Ｘに対して直交する水平方向に設けられた回転軸３７に遊転可能に備えれられている。更に該倣いローラ３５は円板で形成されて、前記カバー部材３０とレーザビームの焦点Ｆとの間の空間部に配置されているとともに、焦点Ｆとカバー部材３０との間の空間における側壁となって浮遊物の拡散を防止すべく、可能な限り大径に形成されている。

また、溶接進行方向Ｘと直交する方向における倣いローラ３５の位置（図５の位置）は、その倣いローラ３５の倣い位置（ワークとの接触位置）がレーザビームの焦点位置と可能な限り近くなる位置であることが望ましく、また、溶接進行方向Ｘにおける倣いローラ３５の位置（図４の左右位置）は、その倣いローラ３５の倣い位置（ワークとの接触位置）Ｂがレーザビームの焦点Ｆと同一になる位置が望ましい。なお、高さ方向には、ワークに対するレーザビームの焦点深さなどによって、必ずしも同じとは限らない。

また、前記ワイパ部材３６は、支持腕３４の下端部に固定して２本、略Ｖの字状に設けられている。このワイパ部材３６は、前記倣いローラ３５の溶接側側面と僅かな隙間をもって平行配置されており、倣いローラ３４の溶接側面に付着したスパッタを、倣いローラ３５の回転と協動して即座に掻き落とすようになっている。このワイパ部材３６の本数や形状は任意である。

なお、前記のシールドガス（アシストガス）は、アルゴン、ヘリウムガス、窒素ガスやこれらの混合ガスなどを適宜用いればよい。

また、前記１次エアＡ１及び２次エアＡ２として前記のシールドガスを用いてもよい。更に、レーザ発振器はＣＯ_２レーザでもＹＡＧレーザでも構わないし、レーザ溶接にアーク溶接を組合せた所謂ハイブリッド溶接でも良いし、更にそれらに溶接ワイヤを併用しても良い。

次に、溶接時における作用について説明する。
先ず、溶接開始前に、取付フレーム１を図７に示すアクチュエータ７０によって下降させ、倣いローラ３５がワークに当接してから、さらに、弾性部材４が一定量（例えば５〜１０ｍｍ）縮む位置まで下降させる。これにより、溶接時に倣いローラ３５の上下動に伴う本体８の上下動を弾性部材４の付勢力で抑制しつつフローティング支持できる。

そして、レーザ加工装置の取付フレーム１が、ワークに対して相対的に溶接進行方向Ｘへ移動すると、取付フレーム１に支持された本体８も溶接進行方向Ｘへ移動する。

この移動により、倣いローラ３５の下端にはワーク上面（溶接面ＷＬ）に追従して上下方向の力を受ける。この力は、支持腕３４、筒状本体部１４を通じてヘッド部１１に伝達され、取付フレーム１にフローティング支持された支持フレーム５、６の上下動となる。すなわち、倣いローラ３５と本体８の全体が同一量上下動する。したがって、筒状本体部１４に内蔵された集光レンズ１６も倣いローラ３５の上下動と追従して同一量上下動し、ワークの形状にかかわらず、常にレーザビームの焦点Ｆがワークの所望位置にある。

そして、レーザビームをワークの溶接部に照射してレーザ溶接を行なう。
次に、溶接状態におけるシールドガスとエアカーテンの状態について図６により説明する。

溶接中においてシールドガス導入口２９から供給されたシールドガスＧは、サイドノズル２８を経て矢印Ｈのようにレーザビームの焦点Ｆ近傍に噴出され、溶接を安定に保つ役割を果たす。

また、１次エア導入口３３から供給された１次エアＡ１は、チャンバ３２に流入し、その後、カバー部材３０に形成された２本のスリット状噴出口３１からカバー部材３０内に水平に噴出し、カバー部材３０内において、矢印Ｉのように、上下に２層で、かつ各層で横広がり状になって溶接進行方向Ｘに噴出され続ける。この１次エアＡ１の噴出流によりレーザビームＬの焦点Ｆ付近（溶接箇所）から発生する浮遊物が上方に舞い上がってくることを防止している。

しかし、このような１次エアＡ１の水平方向への１次エアカーテンのみでは、前記の浮遊物の一部が１次エアカーテンを回避して、或いは１次エアカーテン端流に巻き込まれて巻き上がり、カバー部材３０の上方の空間部２３まで達し、この浮遊物が保護ガラス１７に付着するおそれがある。

そこで、本発明では、更なる対策手段として、前記の２次エアＡ２による２次エアカーテンを発生するようにした。

すなわち、２次エア導入口１９から２次エアＡ２を供給すると、その２次エアＡ２は、筒状本体部１４内の環状スリット１８内に導入され、その環状スリット１８の環状の開口部１８ａから下方へ噴出される。この噴出された２次エアＡ２は、図６の矢印Ｊに示すように、レーザビームＬの光束を外側から被覆する（遮蔽する）テーパ筒状のエアカーテンとなって垂下し、カバー部材３０の上部の空間部２３に達する。

このように、２次エアＡ２が筒状のエアカーテン状で下方に流れている状態において、カバー部材３０より上方へ巻き上がって来た浮遊物があったとしても、２次エアＡ２の２次エアカーテンの流れによってその浮遊物がエアカーテン内に侵入することを阻止し、エアカーテンが遮蔽効果を有する。したがって、浮遊物が保護ガラス１７まで到達することができなくなる。

そして、前記のような浮遊物の上昇を阻止する役目を終え、カバー部材３０の上部近傍まで達したエアカーテンは消えて、その２次エアＡ２は、前記の強力な１次エアＡ１のエアカーテン流に巻き込まれて強引に溶接進行方向Ｘ側へ変向排除され、２次エアＡ２がカバー部材３０の上部に滞留することを防止する。

すなわち、２次エアＡ２が、カバー部材３０の上部に滞留していると、２次エアで形成される２次エアカーテンとしての勢いが殺がれて前記の遮蔽効果を失い、また、後続の２次エアカーテンも良好に形成されなくなる不都合が生じるが、前記のように２次エアＡ２を速やかに溶接進行方向Ｘへ排除することにより、前記の不都合は解消される。

更に、前記のように１次エアカーテンと合流して同方向（溶接進行方向Ｘ）に流れる２次エアによって実質的に１次エアＡ１による１次エアカーテンが拡大したことになり、浮遊物が、１次エアカーテンの下部からカバー部材３０の上部へ巻き込まれることを一層防止する効果を発揮する。

したがって、本発明においては、１次エアＡ１と２次エアＡ２によるそれぞれのエアカーテンによる遮蔽効果のみならず、１次エアＡ１と２次エアＡ２の相乗的遮蔽効果が得られ、この相乗効果によって浮遊物の保護ガラス１７への付着を殆ど阻止することができた。

なお、前記の１次エアＡ１の流量は２次エアＡ２の流量よりも多いことが好ましく、条件によって差はあるが、１次エアＡ１の流量：２次エアの流量Ａ２の流量が、４：１程度において好結果が得られた。

また、カバー部材３０の上側にはレーザビーム通過穴３０ｃが形成されているため、このレーザビーム通過穴３０ｃから２次エアＡ２の一部がカバー部材３０内に入り込み、該２次エアＡ２が１次エアカーテンと合流して溶接進行方向Ｘへ流れる。したがって、レーザビーム通過穴３０ｃを下方へ流れる２次エアが、カバー部材３０の上下のレーザビーム通過穴３０ｃ、３０ｅを通過して舞い上がろうとする浮遊物の流れに対して逆流となり、浮遊物の遮蔽効果が高くなる。

前記のような作用により、実施の結果、保護ガラスの掃除頻度が、従来では１時間毎であったが、本実施例では１日に１回、すなわち、日常的な点検時のみ実施すれば良くなった。

以上のようなレーザ溶接が終了した後、取付フレーム１を図示しないアクチュエータで原位置まで上昇復帰させる。

なお、前記実施例は、倣いローラ３５をワークに接触させてヘッド部１１等を昇降させるようにして倣い装置を構成したが、倣い装置は、例えば、特許第２５１４１３８号公報に記載のように、ヘッド部の先端とワークとの間隔を非接触で検出する変位センサと、この変位センサの検出値に応答して前記の間隔を一定に制御する制御手段などからなる非接触式の倣い装置を用いてもよい。

また、２次エアＡ２による筒状の２次エアカーテンの軸心が水平のカバー部材３０の上面におけるレーザビーム通過穴３０ｃの中心を通って垂下するようにして、２次エアＡ２をレーザビームＬと同軸にした本実施例が最適であるが、２次エアＡ２を次のように噴出させてもよい。

２次エアＡ２によるエアカーテンは、前記実施例のようにレーザビームＬと同軸にすることが望ましいが、構造上などの理由から同軸とすることが不可能な場合には、２次エアＡ２を、可能な限り集光レンズ１６や保護レンズ１７の周囲を囲む状態で下方へ噴出させたり、或いは集光レンズ１６や保護ガラス１７の近傍から下方へ噴出させたり、更には、この両者により下方へ噴出させる。これにより、前記と同等の作用、効果を発揮させることができる。

また、構造上などの理由から、前記の２次エアＡ２を鉛直状に降下させられない場合には、多少の角度が付いても構わないが、この角度は、２次エアＡ２の２次カーテンと１次エアＡ１の１次エアカーテンとの合流が円滑に行われる範囲の角度に設定する。これにより、前記と同等の作用、効果を発揮させることができる。

なお、前記の溶接進行方向Ｘとは、ワークが停止していて本レーザ加工装置が進行（移動）する方向という意味に留まらず、本レーザ加工装置が停止していてワークがレーザ加工装置と相対的に逆方向に移動することにより溶接が進行される方向、更には、本レーザ加工装置とワークの両方が相対的に反対方向に移動して溶接が進行される方向も包含する意味である。すなわち、本レーザ加工装置とワークの相対移動関係における溶接進行方向である。

したがって、本発明は、本レーザ加工装置を固定したまま筒状のワークを回転させて、本レーザ加工装置の焦点位置が円弧状の溶接部に合致して溶接進行方向に移動するような、円弧状の溶接部を溶接する場合にも適用できる。この場合の実施例を図７及び図８により説明する。

本実施例に使用するワークとしては、前工程として、椀状に形成された金属製の一方の構成体Ｗ１と椀状に形成された金属製の他方の構成体Ｗ２との各開口側を、嵌合隙間が存在しないように強固に嵌合して容器状に形成されたワークＷである。

そして、先ず、図示しない場所に置かれたワークＷをロボットアーム５０の先端に設けたクランプ部５１で把持してレーザ加工装置へ搬送する。

このクランプ部５１は、ロボットアーム５０の先端に設けた回転軸５０ａに回転可能に備えたツール保持軸５２に結合されており、ロボットアーム５０自体が内蔵する回転駆動手段により、ツール保持軸５２が一方向（矢印Ｋ方向）に回転することにより、クランプ部５１が周方向に回動されるとともに、その回転位置が任意割出し装置５３で固定されるようになっている。

図７の実施例は、ワークＷが自動車用のマフラ（消音器）であり、図８に示すように、そのマフラの両端面にはインレットパイプやアウトレットパイプ５４がそれぞれ数ｍｍ突出している。そのため、この突出部５４ａを割出し方向の位置決め部材として利用している。

また、クランプ部５１は、ワークＷの一端面と衝接するストッパ５５と、ワークＷを把持したり開放したりする一対のクランプ５６を有する。該クランプ５６の開閉駆動は、クランプ部５１が内蔵する図示しないエアシリンダにより行われる。

前記クランプ部５１と対向する側には、回転受け部５７が配置されており、該回転受け部５７には、前記ロボットアーム５０のツール保持軸５２と同軸の回転軸心５８を中心として回転する円盤５９が回転可能に設けられている。更に、回転受け部５７は、アクチュエータ（エアシリンダ）６０によって、前記回転軸心５８に沿って前進移動及び後退移動するようになっており、該回転受け部５７の前進移動（回転軸５０ａ側への移動）により、セットされたワークＷの他端面に円盤５９が衝接してワークＷを挟持し、後退移動により、円盤５９がワークＷより離間してワークＷの挟持を解くようになっている。

また、前記回転受け部５７側には、図示しないアクチュエータによって昇降するストッパ６１が設けられており、該ストッパ６１の下降により、円盤５９の回転を拘束し、ストッパ６１の上昇により円盤５９の回転を可能にするようになっている。

次に、図７に示す実施例の作動を説明する。
ロボットアーム５０のクランプ部５１によって挟持されたワークＷをレーザ溶接加工部に搬送し、そのワークＷの軸心を水平状態にするとともに、そのワークＷの一端面を図７のＭ位置に位置決めする。この位置決めがされた後、アクチュエータ６０により円盤５９が図の左方へ移動し、図７のＰ位置でワークＷの他端と衝接し、ワークＷの軸方向のバラつきを吸収する。これにより、ワークＷにおける前記嵌合部６２である溶接位置Ｎが、レーザ加工装置の本体部８におけるレーザビームの焦点Ｆ位置に正しく位置決めされる。なお、前記のようにワークＷが回転軸５０ａの方向に位置決めされた後、一度クランプ５６を開いてから閉じて、回転軸心５８とワークＷの軸心のズレをなくすることが好ましい。

前記のようにワークＷの位置決めがされた後に、レーザ溶接工程に移る。
ワークＷが位置決めされた後、レーザ加工装置のヘッド部１１が昇降用アクチュエータ７０によって定位置に下降して固定される。このとき、前記の倣いローラ３５などの倣い装置によって、レーザビームの焦点Ｆが溶接部に位置する。

また、回転受け部５７のストッパ６１が図示しないアクチュエータによって上昇して、円盤５９の回転の拘束を解除する。

そして、レーザビームＬが発せられると同時にワークＷがクランプ５６によってＫ方向に回転駆動され、ワークＷの嵌合部６２の全周がレーザビームによってレーザ溶接される。このとき、円盤５９は、ワークＷの回転力により従動回転する。

このレーザ溶接時においては、前記と同様に、シールドガスＧと、１次エアＡ１と２次エアＡ２が供給され、前記と同様なエアカーテンを発生させた溶接が行われる。

ワークＷが３６０度と溶接ラップ分回転して溶接が終了すると、ヘッド部１１が上昇して原位置に復帰する。

その後、ロボットアーム５０によってクランプ部５６とともにワークＷを図７の左方へ移動し、ワークＷをレーザ溶接加工部から離脱させて次工程へ搬出する。

ワークＷの離脱後に回転受け部５７の円盤５９は、図示しない錘によって原割出し位置に回転復帰し、ストッパ６１が円盤５９の回転を拘束する。

なお、非平面の溶接においては、溶接部は常に最上面にあるのが溶接姿勢上好ましいので、本実施例のように、円周溶接時にはレーザビームを鉛直に垂下させておいて、ワークＷ側を動かす方法が望ましい。

また、通常は、前記のような回転受け部５７を両側に対向配置し、これらの間にロボットアームによってワークを搬入してそのワークを両回転受け部５７で挟持し、その回転受け部５７の駆動によりワークを回転させるので、１個のワークに対するロボットアームによるワークの挟持と開放が２回となる。これに対し、本実施例では、ロボットアームの手首部にワークのクランプ機能とワークの回動機能をもたせることによって、一方の回転受け部材５７を省略できるたけでなく、１個のワークに対するロボットアームによるワークの挟持と開放が１回でよく、ワークのセットと離脱の時間を大幅に短縮でき、量産工程においての効果が大きい。

次に、前記の実施例とは別の実施例を説明する。
前記実施例において、前記の倣いローラ３５を用いた場合に、その倣いローラ３５の遊転状態での回転数や角速度等を監視して、その情報に基づき溶接速度の検証に役立てると、溶接精度が一層向上する。

例えば、非円形断面のワークを軸心回りに回転させて外周を溶接する場合、回転が一定角速度であっても外周の溶接速度は増減する。そのため、予め外周の溶接速度をプログラミングして角速度を可変設定したものにおいても、前記のように回転数や角速度等を監視して、その情報に基づき溶接速度の検証に役立てると、実際の溶接速度をリアルタイムに検証して角速度を補正でき、溶接精度の向上を図ることができる。

具体的には、直接的に、倣いローラ３５の軸回転を回転センサ（エンコーダ等）で検知するか、間接的に倣いローラ３５を光学手段（フォトダイオード、ＣＣＤ等）で計測すればよい。

このような実施例によれば、溶接品質を一層向上させることができる。
なお、本実施例は、本発明を溶接装置に適用した例であるが、本発明は、溶接に限らず、レーザビームにより切断したり、刻印したりするなどのレーザ加工による種々な加工を実施する装置に広く適用できるものである。

したがって、前記溶接の実施例ではＸ方向を溶接進行方向としたが、溶接以外の前記の加工を含む本発明では、このＸ方向は加工進行方向となる。

本発明の実施例を示すもので、加工進行側から見た図。 図１の右側面図。 図１の平面図。 図１における要部を示す一部切開した図。 図４において右側からみた図。 図４においてエアの流れを示す断面図。 本発明を容器の溶接製造に適用した図。 図７においてワークの割り出し方向の位置決めを説明する図。

Claims (5)

1. 内部に備えた集光レンズで集光されたレーザビームがノズル部を通じて照射されるヘッド部と、
   前記集光レンズの下方に位置するレーザビームの焦点の側方に開口し、該開口から加工進行側に、溶接部をシールドするシールドガスを噴出するガス送出手段と、
   前記シールドガスの上方、かつ、前記集光レンズの下方で、加工進行方向に指向する１次エアを略水平方向へ噴出して第１のエアカーテンを形成する１次エア送出手段と、
   前記集光レンズの側方部、かつ、前記１次エアの上方から焦点方向へ指向する２次エアを噴出して第２のエアカーテンを形成する２次エア送出手段と、を具備し、
   前記２次エアは前記１次エアに巻き込まれて加工進行方向へ排除されるようにしたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記１次エア送出手段は、スリット状噴出口と、１次エア流の周囲を囲むとともにレーザビームが通過可能なカバー部材を有し、前記２次エア送出手段は、２次エアを前記集光レンズの周囲からノズル内に噴出させるように構成した請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 加工時において、前記１次エアの流量を前記２次エアの流量より大きく設定した請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
4. 前記ヘッド部から延出する支持腕に倣いローラが回転自在に軸支され、倣いローラに追従してヘッド部が変位するようにした請求項１又は２又は３記載のレーザ加工装置。
5. 前記倣いローラ側面の付着物を排除するワイパ部材を設けた請求項４記載のレーザ加工装置。

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