JP5462749B2 - シールドガス雰囲気の広域展開装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の孔を設けた端板に対し各孔毎に管を挿通して端部をレーザ溶接する際に、溶接部位の周囲に良好なシールドガス雰囲気を実現し得るようにしたシールドガス雰囲気の広域展開装置に関するものである。

例えば、二つの被溶接材をレーザ溶接したり、被切断材をレーザ切断するような加工を行う場合、目的の加工部位の周囲を大気から遮断するためにシールドガス雰囲気とすることが行われている。これらの加工部位をシールドガス雰囲気とするための方法として、レーザ光に沿って独立したノズルを設けてシールドガスを噴出する方法や、加工部位を囲むチャンバーを設けて該チャンバー内にシールドガスを充満させる方法等、幾つかの提案がなされている。

しかし、上記各方法では夫々固有の問題があり、この問題を解決する技術として特許文献１に記載された発明が提案されている。この発明は、中央部に穴が形成された底部材を有する筒体をレーザトーチの下端に設け、該底部材にシールドガスを供給するための供給口を設けるとともに該筒体の上部に排出口を設け、底部材の穴の内周面にシールドガスを噴射するノズルを複数個設け、レーザ光の光軸周りからシールドガスを噴射させるように構成したものである。

特許文献１の技術は、レーザ加工を実施する際に筒体はレーザトーチとともに被加工材の表面側を移動する。このため、底部材は被加工材に接触することなく、僅かな間隙を持って配置される。従って、シールドガスは、レーザ光の光軸周りから加工部位に向かって複数のノズルから噴射されることとなり、良好なシールドガス雰囲気を実現することができる。

一方、熱交換器や自動車の排気系に用いられるサイレンサーのように、複数の管を端板に固定する構造の機器を製造する場合、目的の機器の断面形状に対応させた形状を持った端板に複数の孔を設けると共に、各孔毎に管を挿通して該管の端部と孔との接触部分にレーザ光を照射して溶接することが行われる。

このようなレーザ溶接を行う場合、管の端部と孔との溶接部位を大気から遮断するために該溶接部位の周囲をシールドガス雰囲気とすることが必要である。特に、溶接部位の周囲に於けるシールドガス雰囲気が不均一なシールドガス濃度であると溶接の品質が劣化する虞があり、シールドガス濃度は均一であることが必要である。

特開２００１−１５０１７７号公報

上記の如く、端板に設けた複数の孔毎に管を挿通して端部を溶接する際に、溶接部位をシールドガス雰囲気とするために特許文献１に記載された技術を採用した場合、いくつかの問題が生じる。

即ち、特許文献１の技術では、筒体がレーザトーチに一体的に取り付けられているため、シールドガスは常にレーザ光の光軸を中心として噴射される。このため、ノズルの指向に起因して、及びレーザ光の光軸とノズルとが離隔していることに起因して、レーザ光の照射部位に於けるシールドガス雰囲気に濃淡のむらが生じる虞がある。

また、端板に於ける複数の孔を溶接しようとした場合、複数のノズルが障害となり、該ノズルを避けた位置にある孔以外の溶接ができないという問題が生じる。この問題を解決するには底部材の穴を十分に大きくすることが必要となるが、この場合、前述したレーザ光の照射部位に於けるシールドガス雰囲気の濃淡のむらが生じる虞がある。

本発明の目的は、溶接すべき部位にレーザ光を照射して溶接するに際し、溶接部位の周囲のシールドガス雰囲気に濃淡のむらを生じさせることのないシールドガス雰囲気の広域展開装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るシールドガス雰囲気の広域展開装置は、端板に設けた複数の孔毎に管を挿通して該管の一方の端部と端板とをレーザ溶接するレーザ加工機に於けるシールドガス雰囲気の広域展開装置であって、端板に設けた孔毎に挿通した管の他方の端部側にシールドガスの供給部材を接続し、該供給部材から前記管を通してシールドガスを供給することによって、端板に設けた孔と管の一方の端部との溶接部位の周囲をシールドガス雰囲気とするように構成したものである。

上記シールドガス雰囲気の広域展開装置に於いて、前記端板に於ける該端板に設けた複数の孔と各孔毎に挿通され該孔と溶接される管の一方の端部とが露出した溶接面を覆うカバーを設けたことが好ましい。

また、上記何れかのシールドガス雰囲気の広域展開装置に於いて、前記端板に設けた孔と管の一方の端部との溶接部位の上方にシールドガス雰囲気の層を形成したことが好ましい。

また、上記何れかのシールドガス雰囲気の広域展開装置に於いて、前記端板に設けた複数の孔と該孔と溶接される管の一方の端部とが露出した溶接面を覆うカバーに於ける前記端板に設けた孔と管の一方の端部との溶接部位の上方にシールドガスを排出するための排出口を設けたことが好ましい。更に、前記排出口は、前記カバーの外周を均等に分割した位置に配置されていることが好ましい。

また、上記何れかのシールドガス雰囲気の広域展開装置に於いて、前記端板に設けた複数の孔と該孔と溶接される管の一方の端部とが露出した溶接面を覆うカバーに於ける前記端板に設けた孔と管の一方の端部との溶接部位の上方に透明の蓋体を設けたことが好ましい。

本発明に係るシールドガス雰囲気の広域展開装置（以下単に「展開装置」という）では、端板に設けた複数の孔毎に挿通した管の一方の端部と孔をレーザ溶接する際に、前記管の他方の端部側にシールドガスの供給部材を接続して該供給部材から管の内部を通してシールドガスを供給することができる。

このため、供給されたシールドガスは管の一方の端部から流出することとなり、該一方の端部と端板の孔との溶接部位の周囲に均一なシールドガス雰囲気を構成することができる。特に、複数の孔毎に挿通した複数の管からシールドガスが流出することで、シールドガス雰囲気を広域に展開することができる。

また、端板に設けた複数の孔と、各孔毎に挿通した管の一方の端部が露出した溶接面をカバーによって覆うことで、各管の他方の端部側から供給されて溶接部位の周囲に流出したシールドガスが大気に放散することを防止してシールドガス雰囲気を保持することができる。

また、端板に設けた孔と管の一方の端部との溶接部位の上方にシールドガス雰囲気の層を形成した場合には、端板に於ける溶接面に全面にわたって形成されたシールドガス雰囲気の層によって各孔と管の一方の端部による溶接部位を覆うことができる。このため、安定し且つ良好なレーザ溶接を実現することができる。

また、カバーに於ける孔と管の一方の端部との溶接部位よりも上方にシールドガスを排出する排出口を設けた場合には、カバーの内部に於ける端板の表面から排出口までの層状の部分の圧力を均等に保持してシールドガス雰囲気を均一な状態に保持することができる。そして、レーザ溶接に伴って発生する蒸発した金属を含むヒュームや、管と通して新たなシールドガスが供給されるのに伴うヒュームが混合した低濃度のシールドガスを排出することができる。

また、排出口をカバーの外周を均等に分割した位置に配置することによって、カバーの内部に於けるシールドガス雰囲気を均一な状態に保持することができる。

特に、常に新鮮な不活性ガスが溶接部位に直接且つ連続的に供給されるため、該溶接部位に対する溶接作業が進行している間不活性ガスによってシールドされる。即ち、溶接部位及び溶接終了直後の高温のビードが新鮮な不活性ガスによって確実にシールドされる。このため、酸化を防止して良好な品質を持った溶接を実現することができる。

更に、溶接部位に供給される新鮮な不活性ガスは冷却作用を有するため、溶接直後のビードを素早く酸化し易い温度以下に冷却することができる。このため、良好なビードを形成することができ、且つ高温による変色を防ぐことができる。

また、カバーに於ける溶接部位から上方に透明な蓋体を設けた場合には、カバー内部の圧力を保持して均一なシールドガス雰囲気を保持することができる。また、溶接の品質をカバーの外部から確認することが可能となり、品質の安定をはかることができる。更に、レーザ光を蓋体の上方から溶接部位に照射することが可能となり、ヒュームによるレーザ光を発射する光学系の汚染を防ぐことができる。

本実施例に係る展開装置の構成を説明する模式断面図である。 図１のII−II矢視図である。 本実施例に係る展開装置を用いて溶接する製品としての熱交換器の構成を説明する図である。 溶接部位の構成例を説明する図でる。

以下、本発明に係る展開装置の実施例、及びこの展開装置を用いることによって好ましく溶接される被溶接物の例について図を用いて説明する。先ず、図３、４により、被溶接物の例として熱交換器Ｂの構成について説明する。

図に示す熱交換器Ｂは、複数の管１と、皿状に形成され予め設定された複数の位置に孔２ａを設けた２枚の端板２とを有しており、２枚の端板２は夫々管１の両端に配置されてレーザ溶接により固定されている。そして、管１の内部と外部に異なる温度を持った流体が流通する過程で熱交換が行われる。

管１は、予め目的の熱交換器Ｂの仕様に応じて設定された径と長さを有している。また、端板２は、目的の熱交換器Ｂの断面形状に応じた平面形状を有しており、皿型の底面となる面２ｂと該面２ｂの周囲に起立して設けた起立片２ｃと該起立片２ｃの端部に設けたフランジ２ｄとを有している。そして、面２ｂに複数の孔２ａが予め設定された配置状態で設けられている。このように、管１の寸法や数、及び端板２の寸法や形状、起立片２ｃの高さやフランジ２ｄの寸法等の条件は、目的の熱交換器Ｂの仕様に応じて設定されている。

管１は、両側の端部１ａが夫々端板２の孔２ａに挿通された状態で溶接されている。管１の端部１ａを端板２の孔２ａに溶接する際の構造は特に限定するものではなく、管１の端部１ａを端板２の面２ｂと同一面に位置させた状態で溶接することが可能である。この溶接構造の場合、面２ｂは略平坦な面となる。

本実施例では、図４に示すように、端板２の孔２ａにバーリング２ｅを形成し、該バーリング２ｅに管１を挿通することによって、バーリング２ｅの突出端の端面と管１の端部１ａの端面を略同一面となるように一致させて重ね合わせることで溶接部位３としている。そして、この溶接部位３にレーザ光を照射して両者の母材を溶融することで溶接している。従って、本実施例の場合、面２ｂはバーリング２ｅが突出した凹凸な面であり、溶接面２ｂとなる。

このように、端板２の孔２ａにバーリング２ｅを形成することによって、孔２ａに挿通した管１の安定性をはかることが可能であり、且つ溶接時の作業性の確実さをはかることが可能である。特に、溶接部位３にレーザ光を照射したときに母材の一部が蒸発することがある。しかし、バーリング２ｅと管１の端部１ａとの重ね合わせ部分を溶接することによって、確実な溶接継手を構成することが可能である。

次に、図１、２により展開装置の実施例について説明する。図に示す展開装置Ａは、前述した熱交換器Ｂのように、端板２に設けた複数の孔２ａに夫々管１を挿通して端部１ａをレーザ溶接する際に、溶接部位３の周囲を均一なシールドガス雰囲気に保持し得るようにしたものである。

展開装置Ａは、被溶接物である熱交換器Ｂを挟んで下部側に配置されたシールドガスの供給部材（以下単に「供給部材」という）１０と、上部側に配置されるカバー１５とに分離して構成されている。また、カバー１５の上方には溶接部位３にレーザ光を照射して該溶接部位３を溶接するためのレーザ光照射装置Ｃが配置されている。

供給部材１０は、熱交換器Ｂに配置されている全ての管１の他方の端部側（下端側）からシールドガスを供給して一方の端部（上端）１ａから流出させることで、溶接部位３の周囲をシールドガス雰囲気とするものである。このため、供給部材１０は、カップ状の筒体１１と、この筒体１１に接続された供給管１２とによって構成されている。

筒体１１は、端板２に設けた孔２ａに挿通された全ての管１を囲むことが可能な形状を持って形成された筒部１１ａと、底部１１ｂと、を有し上端部分が開放されたカップ状に形成されている。この筒体１１の深さは特に限定するものではないが、供給管１２を通して供給されたシールドガスが均一な圧力を持って全ての管１に供給し得るような深さであることが好ましい。

供給管１２は図示しないシールドガスの供給装置に接続されており、該供給装置から供給される予め設定された圧力に調整されたシールドガスを筒体１１に供給するものである。溶接部位３の周囲に供給されるシールドガスとしては、炭酸ガスやアルゴンガス等の所謂不活性ガスが選択的に採用される。従って、シールドガスの供給装置はボンベ或いは工場配管等の設備となり、供給管１２としては該供給装置に対応した配管やホースが用いられる。

カバー１５は、端板２に設けた孔２ａに挿通された管１を通して供給されたシールドガスを面２ｂ（溶接面２ｂ）の上方に保持してシールドガス雰囲気の層を構成すると共に、レーザ溶接の進行に伴って生じた蒸発金属を含むヒュームによって濃度が低下したシールドガスを排出する機能を有するものである。

このため、カバー１５は、端面２に設けた全ての孔２ａに挿通された管１を囲むことが可能な形状を持って形成された筒体１５ａを有している。特に、本実施例では、筒体１５ａは下端部分が端板２のフランジ２ｄに接触し得るように形成されている。

筒体１５ａの下端から上端側に離隔した位置に排出口１６が設けられている。この排出口１６は一つ設けてあっても良いが、筒体１５ａの外周部分を均等に分割した位置に複数設けることが好ましい。筒体１５ａの外周部分を均等に分割した位置に複数の排出口１６を設けることで、カバー１５内に存在するシールドガスを均等に排出することが可能となり、内部のシールドガス濃度を均一にすることが可能となる。

カバー１５の筒体１５ａの外周部分の分割数は特に限定するものではなく、２か所或いは３か所以上であれば良い。本実施例では、図２に示すように、筒体１５ａの外周を４等分した位置に夫々設けられている。

また、筒体１５ａに設ける排出口１６の高さについては特に限定するものではなく、端板２の面積や管１の数等の条件に応じて適宜設定することが好ましい。

排出口１６から排出される蒸発金属を含むヒューム及びシールドガスは、供給部材１０から供給され、管１を通してカバー１５に流出するシールドガスによって押し出されても良く、各排出口１６を吸引装置に接続して吸引し得るようにしても良い。何れにしても、排出口１６は、カバー１５の内部に於けるシールドガス雰囲気の濃度が均一になるように保持し得る位置に設けることが好ましい。

カバー１５を構成する筒体１５ａの上部には透明な蓋体１７が設けられている。この蓋体１７が設けられたことによって、カバー１５は伏せたカップ状に形成されることとなり、内部に所定の容積を持った空室が形成される。このため、カバー１５を端板２に装着して管１を通してシールドガスを流出させたとき、カバー１５の内部には大気が入り込むことがなく、安定したシールドガス雰囲気を構成することが可能である。

上記の如く構成されたカバー１５では、該カバー１５の筒体１５ａの下端部分を端板２のフランジ２ｄに接触させて装着することによって、端板２の溶接面２ｂから排出口１６までの間がシールドガスが滞留する空間となる。

このため、端板２の孔２ａに嵌合させた全ての管１を通して供給部材１０からシールドガスを供給すると、このシールドガスは端板２の略全面からカバー１５の内部に流出することとなる。従って、端板２の溶接面２ｂ側に構成される溶接部位３の周囲に均一な濃度を持ったシールドガス雰囲気の層が形成されることとなる。

特に、上記の如く構成されたカバー１５では、蓋体１７が透明であることから、照射されたレーザ光２０を透過させることが可能となり。この結果、レーザ光照射装置Ｃの選択の自由度を向上することが可能となる。即ち、本実施例に係る光学系を制御してレーザ光を走査させるレーザ光照射装置Ｃやレーザ光を出射するノズルを設けたレーザトーチを選択的に採用することが可能である。

図に示すレーザ光照射装置Ｃは、複数のミラー２１ａ、２１ｂと、複数のレンズ２２ａ、２２ｂを有する光学系２３を有して構成されている。ミラー２１ａは、図示しないレーザ発振器から発射されたレーザ光２０をミラー２１ｂの方向に屈折させると共に、図示しない駆動部材によって駆動され、縦方向の光軸を中心としてミラー２１ｂと共に水平面内で旋回し得るように構成されている。また、ミラー２１ｂは図示しない駆動部材によって駆動されて光軸に沿ってミラー２１ａに対し接近し或いは離隔し得るように、且つミラー２１ｂの垂直軸を中心に旋回し得るように構成されている。また、レンズ２２ａ、２２ｂは図示しない駆動部材によって光軸に沿って互いに離隔し、或いは接近し得るように構成されている。

上記の如く構成されたレーザ光照射装置Ｃでは、予め図示しない制御部に、端板２に設けた全ての孔２ａの位置や管１の外径（溶接部位３の直径）、溶接すべき位置（管１の位置）の経路、溶接部位３の面２ｂからの高さ、を含む溶接情報を記憶させておくことで、溶接作業を開始した後、ミラー２１ａ、２１ｂ、レンズ２２ａ、２２ｂを駆動して全ての孔２ａに挿通した管１の端部１ａとバーリング２ｅとを一筆書き状に連続して溶接することが可能である。

次に上記の如く構成された展開装置Ａによって熱交換器Ｂの端板２に管１を溶接する作業について説明する。熱交換器Ｂを構成する端板２の全ての孔２ａには管１が挿通された状態で、下端側の端板２に供給部材１０を構成する筒体１１が接触し、上端側の端板２のフランジ２ｄにカバー１５を構成する筒体１５ａの下端部分が接触した状態で装着されている。また、レーザ光照射装置Ｃの制御部には、熱交換器Ｂに対する溶接情報を記憶させておく。

先ず、供給部材１０を構成する供給管１２を介して筒体１１にシールドガスを供給する。供給されたシールドガスは、筒体１１に開口している全ての管１を通してカバー１５の内部に形成された空室に供給される。このとき、供給されるシールドガスの圧力を低く設定しておくことで、管１から流出する際の速度を小さくし、カバー１５に於いてシールドガスが急速に充満することなく、ゆっくりと充満して行くようにする。このように、カバー１５内がゆっくりとシールドガスによって充満することで、内部にシールドガスの濃淡が生じることを防ぎ、均一なシールドガス雰囲気を構成することが可能である。

カバー１５の内部に連続して供給されるシールドガスによって、シールドガス雰囲気の層が深くなり、カバー１５に設けた排出口１６からの排出が開始される。この状態を適度な時間継続させておくことによって、カバー１５内の空気はシールドガスに置換され、内部がシールドガス雰囲気となる。即ち、溶接部位３の上方に排出口１６までの高さを持ったシールドガス雰囲気の層が形成される。

カバー１５の内部がシールドガス雰囲気となった後、レーザ光照射装置Ｃの動作を開始させると、ミラー２１ａ、２１ｂが所定の旋回及び移動を行い、レーザ光２０が最初に溶接すべき管１の端部１ａとバーリング２ｄとによって構成された溶接部位３に指向する。次いでレーザ発振器が作動してレーザ光２０が溶接部位３に照射され、該溶接部位３に於ける管１、端板２の母材を溶融して溶接が開始する。略同時にミラー２１ｂが旋回し、この旋回に伴ってレーザ光２０が溶接部位３を走査して溶接が行われる。

レーザ光２０によって溶接部位３に対する溶接を行っている間、この溶接部位３の周囲には排出口１６までの高さを持ったシールドガス雰囲気の層が形成されている。このため、溶接部位３はシールドガス雰囲気によって大気から遮断されることとなり、大気の巻込による不具合が生じることがない。

最初の溶接部位３に対する溶接が終了すると、レーザ発振器の作動が停止してレーザ光２０は消去され、同時にミラー２１ａ、２１ｂが水平面内での移動、及び光軸に沿った移動が行われ、次に溶接すべき溶接部位３に対向する。このとき、レーザ発振器からミラー２１ａ、２１ｂを経て溶接部位３に至るレーザ光路の長さが最初の溶接部位３に対するレーザ光路の長さに対して差が生じたような場合、レンズ２２ａ、２２ｂを光軸に沿って移動させることで、レーザ光２０を溶接部位３に集光させる。

その後、最初の溶接部位３に対する作業と同様な作業を行って、２番目に溶接すべき溶接部位３に対する溶接を行う。更に、同様にして順次指定された溶接部位３に対する溶接を進行させる。

上記の如くして溶接部位３に対するレーザ溶接が行われている間、全ての管１から継続してカバー１５内にシールドガスが流出している。このように、溶接すべき全ての管１を通してシールドガスが流出するため、溶接部位３の周囲には常に新鮮なシールドガスが供給されていることとなる。従って、カバー１５の内部に濃度の均一なシールドガス雰囲気を展開することが可能となり、良好な溶接品質を確保することが可能である。

また、全ての管１から連続的にシールドガスが流出しているため、溶接部位３の端板２に於ける位置に関わらず、濃度の均一なシールドガス雰囲気が展開される。このため、良好な溶接品質を実現することが可能である。

溶接部位３に対する溶接に伴って溶接部位３から母材の一部が蒸発し、この蒸発金属を含むヒュームが発生する。このヒュームはカバー１５内のシールドガスに混入してシールドガスの濃度を低下させる。しかし、前述したように、溶接すべき全ての管１を通して常に新鮮なシールドガスが供給されるため、溶接部位３の周囲は安定したシールドガス雰囲気を保持することが可能である。

また、上記の如くして発生したヒュームは、継続して流入する新鮮なシールドガスによって溶接部位３の周囲から排除され、濃度の低下したシールドガスとしてカバー１５に設けた排出口１６を通って排出される。

端板２に設けた全ての孔２ａに挿通した管１とバーリング２ｅとの溶接が終了すると、供給部材１０に対するシールドガスの供給が終了し、カバー１５の内部のヒュームが混入したシールドガスが排出される。その後、熱交換器Ｂの上下の端板２に装着された供給部材１０、カバー１５が取り外され、熱交換器Ｂが取り出される。

以上の作業を連続して行うことで、熱交換器Ｂを構成する端板２に設けた複数の孔２ａに管１を溶接することが可能である。

上記の如く構成された展開装置Ａは、熱交換器Ｂに限定されることなく、板材に設けた孔に管を挿通して両者を溶接することで構成される製品を製造する際に利用することが可能である。

Ａ 展開装置
Ｂ 熱交換器
Ｃ レーザ光照射装置
１ 管
１ａ 端部
２ 端板
２ａ 孔
２ｂ 面、溶接面
２ｃ 起立片
２ｄ フランジ
２ｅ バーリング
３ 溶接部位
１０ 供給部材
１１ 筒体
１１ａ 筒部
１１ｂ 底部
１２ 供給管
１５ カバー
１５ａ 筒体
１６ 排出口
１７ 蓋体
２０ レーザ光
２１ａ、２１ｂ ミラー
２２ａ、２２ｂ レンズ
２３ 光学系

Claims (6)

1. 端板に設けた複数の孔毎に管を挿通して該管の一方の端部と端板とをレーザ溶接するレーザ加工機に於けるシールドガス雰囲気の広域展開装置であって、端板に設けた孔毎に挿通した管の他方の端部側にシールドガスの供給部材を接続し、該供給部材から前記管を通してシールドガスを供給することによって、端板に設けた孔と管の一方の端部との溶接部位の周囲をシールドガス雰囲気とするように構成したことを特徴とするシールドガス雰囲気の広域展開装置。
2. 前記端板に於ける該端板に設けた複数の孔と各孔毎に挿通され該孔と溶接される管の一方の端部とが露出した溶接面を覆うカバーを設けたことを特徴とする請求項１に記載したシールドガス雰囲気の広域展開装置。
3. 前記端板に設けた孔と管の一方の端部との溶接部位の上方にシールドガス雰囲気の層を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載したシールドガス雰囲気の広域展開装置。
4. 前記端板に設けた複数の孔と該孔と溶接される管の一方の端部とが露出した溶接面を覆うカバーに於ける前記端板に設けた孔と管の一方の端部との溶接部位の上方にシールドガスを排出するための排出口を設けたことを特徴とする請求項２又は３に記載したシールドガス雰囲気の広域展開装置。
5. 前記排出口は、前記カバーの外周を均等に分割した位置に配置されていることを特徴とする請求項４に記載したシールドガス雰囲気の広域展開装置。
6. 前記端板に設けた複数の孔と該孔と溶接される管の一方の端部とが露出した溶接面を覆うカバーに於ける前記端板に設けた孔と管の一方の端部との溶接部位の上方に透明の蓋体を設けたことを特徴とする請求項２乃至５の何れかに記載したシールドガス雰囲気の広域展開装置。

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