JP6361846B1 - レーザ溶接装置、レーザ加工装置、レーザ溶接方法、軸受の製造方法、機械の製造方法、及び車両の製造方法 - Google Patents

Abstract

レーザ溶接装置（１）は、加工物（１０）に対してレーザ光を照射するレーザ溶接ヘッド（５）と、レーザ溶接を施す位置に溶接材を供給する溶接フィラー送給機構（６）と、レーザ溶接ヘッドと溶接フィラー送給機構とを含む溶接ユニット（５０）を移動させるとともに、レーザ溶接ヘッドと溶接フィラー送給機構のそれぞれの線材（４１、６２）が挿通可能な挿通部（３ａ）を有する中空移動機構（１００）と、を有する。

Description

本発明は、レーザ溶接装置、レーザ加工装置、レーザ溶接方法、軸受の製造方法、機械の製造方法、車両の製造方法、軸受、機械、及び車両に関し、特に加工物本体に円環状やＳ字形状などの任意の形状のレーザ加工を行う技術に関する。
本願は、２０１７年３月３１日に出願された特願２０１７−０７１６１４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

例えば、特許文献１では、ワークを回転させ、レーザはＺ方向（鉛直方向）のみ移動することで、管状（円筒状）ワークにレーザ溶接を行う装置が記載されている。特許文献２では、ワークを回転させ、レーザはＸ方向（鉛直方向に対し直角の水平方向）のみ移動することで、管状（円筒状）ワークにレーザ溶接を行う装置が記載されている。

特開２０１７−００１０６８号公報 特開２０１５−２２６９２５号公報

本発明の態様の目的は、装置の小型化に適した、比較的大型のワークピースに適した、及び／又は光ケーブルや材料の取り扱いに有利な、レーザ溶接装置、レーザ加工装置、レーザ溶接方法、軸受の製造方法、機械の製造方法、及び車両の製造方法を提供することにある。本発明の態様の別の目的は、品質の高い製品を製造可能な、レーザ溶接装置、レーザ加工装置、レーザ溶接方法、軸受の製造方法、機械の製造方法、及び車両の製造方法を提供することにある。本発明の態様のさらに別の目的は、品質の高い軸受、機械、及び車両を提供することにある。

本発明の第１態様におけるレーザ加工装置は、レーザ光が射出される射出部を有するヘッドと、前記ヘッドに取り付けられた光ケーブルと、前記ヘッドに取り付けられ、ターゲットに向けた材料の供給を案内するノズルと、駆動部を有する移動機構と、制御部と、を備える。前記移動機構は、少なくとも二次元平面内で曲線的に前記ヘッドが移動可能である第１機構と、回転軸を有する第２機構であり、前記光ケーブル及び前記材料を伴って前記ヘッドが前記回転軸周りで３６０°以上回転可能である前記第２機構と、を有する。前記制御部は、前記少なくとも二次元平面での曲線的な前記ヘッドの移動中に前記ヘッドが前記回転軸周りで回転するように、前記移動機構が制御される、姿勢制御モードを有する。

本発明の第２態様は、加工物にレーザ溶接を施すレーザ溶接装置であって、前記加工物に対してレーザ光を照射するレーザ溶接ヘッドと、前記レーザ溶接を施す位置に溶接材を供給する溶接フィラー送給機構と、前記レーザ溶接ヘッドと前記溶接フィラー送給機構とを含む溶接ユニットを移動させるとともに、前記レーザ溶接ヘッドと前記溶接フィラー送給機構のそれぞれの線材が挿通可能な挿通部を有する中空移動機構と、を有する。

本発明の第３態様は、上記のレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法であって、前記レーザ溶接ヘッドのレーザ光の照射方向と前記溶接フィラー送給機構の溶接フィラーの送給方向が、前記レーザ溶接ヘッドの進行方向に対して一定となるよう前記中空移動機構と２次元アクチュエータとを同期させて駆動させる。

本発明の第４態様は、上記のレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法であって、前記レーザ溶接ヘッドのレーザ光の照射方向と前記溶接フィラー送給機構の溶接フィラーの送給方向が、前記レーザ溶接ヘッドの進行方向に対して一定となるよう前記中空移動機構と３次元アクチュエータとを同期させて駆動させる。

本発明の第５態様における軸受は、内輪、外輪、ころ、ピン及び側板を有し、ピンと側板が溶接された溶接部を有し、前記溶接部をピンの周囲にのみ有する。

本発明の第６態様における軸受は、上記の、レーザ加工装置又はレーザ溶接装置を用いて製造されたものである。

本発明の第７態様における機械は、上記の、軸受を備えるものである。

本発明の第８態様における車両は、上記の、軸受を備えるものである。

本発明の第９態様における軸受の製造方法は、上記の、レーザ加工装置又はレーザ溶接装置を用いるものである。

本発明の第１０態様における機械の製造方法は、上記の、レーザ加工装置又はレーザ溶接装置を用いるものである。

本発明の第１１態様における車両の製造方法は、上記の、レーザ加工装置又はレーザ溶接装置を用いるものである。

本発明の態様によれば、装置の小型化に適した、比較的大型の加工物に適した、及び／又は光ケーブルや材料の取り扱いに有利な、レーザ溶接装置、レーザ加工装置、レーザ溶接方法、軸受の製造方法、機械の製造方法、及び車両の製造方法を提供することができる。また、本発明の態様によれば、品質の高い製品を製造可能な、レーザ溶接装置、レーザ加工装置、レーザ溶接方法、軸受の製造方法、機械の製造方法、及び車両の製造方法を提供することができる。また、本発明の態様によれば、品質の高い軸受、機械、及び車両を提供することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置（レーザ溶接装置）を示す模式図である。 レーザ溶接装置のＸＹＺステージの略説明図である。 レーザ加工時のヘッドの動きを示す図である。 姿勢制御モードにおける、レーザ加工時のヘッドの動きを示す図である。 姿勢制御モードにおける、レーザ加工時のヘッドの動きを示す図である。 空洞ユニットの複数の例を示す模式図である。 加工対象の一例として、超大形ころ軸受を示す模式図である。 ＭＡＧ溶接における溶接部分を示す模式図である。 レーザ溶接における溶接部分を示す模式図である。 従来のレーザ溶接装置を示す模式図である。

以下、本発明のレーザ加工装置（レーザ溶接装置）の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は本実施形態に限定解釈されるものではなく本発明の範囲内において適宜設計変更可能である。

本明細書において、レーザ加工装置は、レーザ光と加工用の材料とを用いてターゲットに対して所定の処理を行う装置である。一例において、レーザ加工装置は、ターゲット上の加工位置に、材料としての溶加材（線材、溶接材、フィラー材）とレーザ光のエネルギーとを供給して溶接処理を行うレーザ溶接装置である。レーザ溶接装置において、エネルギー源としてのレーザ光がレーザヘッドの射出部からワークピースに向けて照射される。ワークピースの一部及び／又は溶加材が溶融され、その後、溶融した材料が凝固する。レーザ溶接装置は、レーザ溶接と他の溶接とのハイブリッド型溶接装置、例えば、レーザ溶接とアーク溶接とを組み合わせたレーザ・アークハイブリッド溶接用の装置を含むことができる。他の例において、レーザ加工装置は、三次元プリンティングシステムなど、レーザ光と材料とを用いて溶接処理以外の加工を行う装置に適用できる。

一実施形態において、レーザ溶接装置（レーザ加工装置）１は、図１Ａに示すように、ワークピース１０に対してレーザ光（レーザビーム）５１を照射するレーザ溶接ヘッド（レーザヘッド、ヘッド）５と、レーザ溶接を施す位置に溶接材を供給する溶接フィラー送給機構（フィーダ）６とを備えている。ヘッド５は、レーザ光５１が射出される射出部（射出面、先端エレメント）５ａを有する。溶接フィラー送供機構６の少なくとも一部がレーザ溶接ヘッド５に取り付けられている。一例において、ヘッド５には、光ケーブル（レーザ伝送用光ファイバケーブル）４１と、ノズル（材料ガイド）６１とが取り付けられている。ノズル６１は、ターゲット（ワークピース）１０に向けた加工用の材料（フィラー材）６２の供給を案内する。溶接フィラー送供機構６のフィーダ機能によってフィラー６２がフィードされ、ノズル６１の先端（ノズル口）からフィラー６２が押し出される。ノズル６１は、ブラケット（取付板）６３を用いてヘッド５に固定されている。ヘッド５は、後述する移動機構（中空移動機構）１００によって移動可能である。ヘッド５に支持されたノズル６１は、ヘッド５とともに移動可能である。ヘッド５とノズル６１とが一体的に動き、それに伴い、光ケーブル４１及び材料（フィラー材）６２が動く。例えば、材料６２は、線材、及び線材以外の材料（粉末材料、流動材料など）を含むことができる。

従来、図８に示すように、外形が円筒状の部品を他の部品に接合するため円環状にレーザ溶接を施すには、回転主軸１６にワークピース１５を固定し、ワークピース１５を回転（矢印符号Ｌ方向）させ、レーザヘッド１２を一定の姿勢に保つことで円環状の溶接パス１４を得ていた。一般に、レーザ溶接装置１１において、ワークピース１４表面からの反射光がレーザヘッド１２に直接戻って損傷することを避けるため、レーザ照射軸をワーク１５表面の鉛直方向から一定の角度（ヘッド軸傾斜角）Ｄ１だけ傾けている。

従来のレーザ溶接装置では、非常に大きい加工対象物（ワーク）の一部に対して円環状のレーザ溶接を施す際、ワークピースを回転させる機構が大型化してレーザ溶接装置の大きな設置スペースが必要となる。一方、固定したワークピースに対して溶接ヘッドを回転移動させる事で円環状にレーザ溶接を行う場合に、溶接ヘッド、及び溶接フィラーの送給方向を一定に保つために溶接ヘッドの軸を回転させようとすると、配線やケーブル類の干渉、捻れ等が障害となる。特に光ファイバ伝送式のレーザを用いる場合、レーザ伝送用光ファイバケーブルは物理的な力や曲げに弱いために、無理な力がかからないようにする必要がある。

図１Ａに戻り、一実施形態において、レーザ溶接装置（レーザ加工装置）１は、モータ等の駆動部を有する移動機構（中空移動機構）１００と、制御部（コントローラ）１１０と、を備える。移動機構１００は、第１機構２と第２機構３とを有する。第１機構２は、少なくとも所定の二次元平面（例えばＸＹ平面）に沿ってヘッド５を案内する。第２機構３は、回転軸Ｗを有し、ヘッド５の回転を案内する。第１機構２を使用することによって、少なくとも二次元平面（例えばＸＹ平面）内で曲線的にヘッド５が移動可能である。第２機構３を使用することによって、光ケーブル４１及び材料６２を伴って、ヘッド５が回転軸Ｗ周りで３６０°以上回転可能である。回転可能範囲は、例えば、０°以上、約３６０、３９０、４２０、４５０、４８０、５１０、５４０、５７０、６００、６３０、６６０、６９０、又は７２０°以下である。上記数値は代表的な一例であって、回転可能範囲は上記数値に限定されない。追加的に、第１機構２は、ヘッド５を二次元平面（例えばＸＹ平面、水平面）で移動させつつ、ヘッド５の、二次元平面と直交する方向の位置（例えばＺ方向の位置、鉛直方向）を変化可能に構成できる。第１機構２は、Ｘ方向及びＹ方向に移動可能な２次元アクチュエータ（例えば、ＸＹステージ、１軸アクチュエータを組み合わせたユニット）を有することができる。あるいは、第１機構２は、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動可能な３次元アクチュエータ（例えば、ＸＹＺステージ、１軸アクチュエータを組み合わせたユニット）を有することができる。あるいは、第１機構２は、多関節ロボットを含む構成とすることができる。１軸アクチュエータの一例において、第１機構２は、ボールねじ、リニアガイド、及びサポート軸受を一体的に組み合わせたキャリアユニットを含むことができる。

回転軸Ｗは、所定の二次元平面（例えばＸＹ平面、水平面）に直交する軸（例えばＺ軸、鉛直軸）に平行に設定できる。回転軸Ｗは、第１機構２を用いたヘッド５の移動に伴って移動する。すなわち、ヘッド５が二次元平面上で曲線的に移動するとき、ヘッド５の動きに応じて回転軸Ｗも二次元平面上で曲線的に移動する。一例において、回転軸Ｗは、ヘッド５の前部（レーザ光５１の射出側の端部、射出部５ａ）に比べ、後部（レーザ光の入力側の端部、光ケーブル４１が取り付けられる側）の近傍に配される。他の例において、回転軸Ｗは、ヘッド５の中心付近に配される。別の例において、回転軸Ｗは、ヘッド５の後部に比べ、ヘッド５の前部の近傍に配される。例えば、回転軸Ｗは、ヘッド５の本体の前部、中央部、又は後部と交差するように設定される。あるいは、回転軸Ｗは、ヘッド５の本体と実質的に交差しないように、ヘッド５の本体から離れた位置に設定される。

一例において、レーザ溶接装置（レーザ加工装置）１は、ヘッド軸傾斜機構４を有し、ヘッド５及びノズル６１の少なくとも１つが、回転軸Ｗに対して傾斜して配される。例えば、ワークピース１０の加工位置に実質的に斜めにレーザ光５１が入射するように、ヘッド５の中心軸が回転軸Ｗに対して斜めに配される。ワークピース１０からの反射したレーザ光５１がヘッド５に向かうことが実質的に回避され、反射光によるヘッド５の損傷が防止される。例えば、ワークピースの加工位置に実質的に斜めに材料（フィラー材）がフィードされるように、ノズル６１の中心軸が回転軸Ｗに対して斜めに配される。これにより、ワークピース１０とヘッド５との間に材料６１が適切に配置される。レーザ光５１のエネルギーが適切に材料６１に伝わるともに、溶融した材料６１が溶接ターゲット部分Ｑに適切に配される。

制御部１１０は、移動機構１００を制御する制御プログラムなどを記憶する記憶装置と、制御プログラムを実行するためのプロセッサ（processor, processing circuitry, circuitry）とを有する。制御部１１０は、少なくとも二次元平面での曲線的なヘッド５の移動中にヘッド５が回転軸Ｗ周りで回転するように、移動機構１００を制御する姿勢制御モードを有する。

一例において、図２及び図３に示すように、制御部１１０は、姿勢制御モードにおいて、少なくとも二次元平面での曲線的なヘッド５の移動中に、ターゲット上の加工位置（溶接位置）Ｐの前方（ヘッド５の移動方向における前方）に、ヘッド５の射出部５ａ及びノズル６１の先端の少なくとも１つが位置し続けるように、移動機構１００を制御する。例えば、溶接処理中、ターゲット上の加工位置（溶接位置）Ｐの前方（ヘッド５の移動方向における前方）に、ヘッド５の射出部５ａ及びノズル６１の先端の両方が位置し続ける。

一例において、図３に示すように、射出部５ａ及びノズル６１の先端の位置は、溶接ターゲット部分（ターゲットライン）Ｑにおける直線部分において、その直線の延長線上における加工位置Ｐに対する前方位置（ヘッド５の移動方向における前方位置）である。あるいは、その位置は、ターゲットラインＱの曲線部分において、その曲線の接線方向における加工位置Ｐに対する前方位置である。ターゲットラインＱの曲線部分においてその接線方向に沿って、加工位置Ｐの前方からレーザ光が加工位置Ｐに向けて照射されるとともに、その接線方向に沿って材料（フィラー材）が供給される。加工位置Ｐに対してヘッド５の姿勢が同一に保たれることにより、溶接ターゲット部分Ｑの全体に対して、高い品質で均質な溶接が施される。他の例において、加工位置Ｐに対してヘッド５を上記の姿勢とは異なる姿勢に設定できる。ターゲットの形状などの加工条件に応じて、ヘッド５の姿勢が設定され、これにより、レーザ光５１の照射方向、及び材料（フィラー材）の供給の向きが適切に管理される。

図４に示す姿勢制御モードの一例において、溶接ターゲット部分（ターゲットライン）Ｑは、中心位置Ｓを囲む円環状の形状を有する。すなわち、円環の全周にわたり、溶接加工が必要とされる。第１機構２を使用することによって、ＸＹ平面内で、中心位置Ｓを囲む円状の進路（path）上をヘッド５が移動する（周回動作４００）。この際、ヘッド５の回転軸Ｗも、円状の進路“Ｔ”上を移動する。第２機構３を使用することによって、円状進路上のいずれの位置でもヘッド５が回転軸Ｗ周りで３６０°以上回転可能である（回転動作４１０）。すなわち、回転軸Ｗが円状の進路Ｔ上のいずれの位置にある場合でも、ヘッド５が回転軸Ｗ周りで３６０°以上回転可能である。これにより、ターゲット位置（加工位置）Ｐに対するヘッド５の姿勢（向き）が制御可能である。すなわち、ターゲットに対するレーザ光の照射方向、及び材料（フィラー材）の供給の向きが管理される。大型のワークピース１０であっても、そのワークピース１０を移動させることなく、円状の進路の全体にわたり、ワークピース（ターゲット）１０の加工位置Ｐに対して、ヘッド５が適切な姿勢に保たれる。その結果、溶接ターゲット部分Ｑの全体に、高い品質で均質な溶接が施される。なお、ターゲットラインは、円環状に限らず、例えば四角形状や波形状にも適用可能である。任意の接合面を持った部品同士へレーザ溶接を施すことが可能である。

図１Ａに戻り、一実施形態において、第２機構３は、第１機構２に支持されかつヘッド５に連結される空洞ユニット（中空ユニット）３０を有する。一例において、空洞ユニット３０は、回転体（中空軸）３１と、支持体３２と、モータ３３とを含む。支持体３２が第１機構２に支持される。回転体３１が支持体３２に回転自在に支持される。ヘッド５が回転体３１に固定される。モータ３３の駆動力が回転体３１に伝達される。回転体３１の回転に伴い、ヘッド５が回転する。回転体３１の回転軸が、ヘッド５の回転軸Ｗと一致する。空洞ユニット３０を介して、ヘッド５の回転軸Ｗ周りの回転が案内される。空洞ユニット３０は、ギアやベルト等の伝達部材を介してモータ３３の駆動力が回転体３１に伝達されるように構成できる。あるいは、空洞ユニット３０は、回転体３１と支持体３２とモータ３３とが一体的に組み合わされた中空モータを含むことができる。他の例において、空洞ユニット３０は、上記と異なる構成にできる。

空洞ユニット３０は、少なくとも回転軸Ｗに沿って設けられた空洞（挿通部）３ａを有することができる。図５の複数の例に示すように、空洞ユニット３０は、回転軸Ｗに沿った方向における第１側の面（第１端面）である第１面３０ａに設けられ、空洞３ａにつながる開口３０ａ１を有することができる。空洞ユニット３０は、回転軸Ｗに沿った方向における第２側の面（第２端面）である第２面３０ｂに設けられ、空洞３ａにつながる開口３０ｂ１を有することができる。一例において、空洞ユニット３０は、管状の回転体３１を有し、空洞３ａとしての貫通穴が回転体３１に設けられた構成にできる。他の例において、空洞ユニット３０は、管状以外の形状を有する部材に空洞３ａが設けられた構成にできる。代替的及び／又は追加的に、空洞ユニット３０は、軸方向に沿って複数に分割した構成にできる。空洞ユニット３０において、分割した複数の部材は互いに相対移動可能に構成できる。

図１Ａに示すように、ヘッド５に取り付けられた光ケーブル４１及び材料（フィラー材）６２の一部が空洞３ａに配される。光ケーブル４１及び材料６２が少なくとも回転軸Ｗに沿って配されることにより、ヘッド５の回転動作時における、光ケーブル４１及び材料６２の動きが抑制される。その結果、ヘッド５の動作時における、光ケーブル４１及び材料６２への負荷が軽減され、光ケーブル４１及び材料６２の破損等が防止される。また、空洞３ａは、装置全体の小型化にも有利である。追加的に、レーザ溶接装置１は、第２機構３の空洞３ａに、光ケーブル４１及び材料６２に加えて、ヘッド５の本体の一部が配されるように構成できる。

ここで、レーザ加工装置（レーザ溶接装置）１に適用される加工対象物として、大形ころ軸受、超大形ころ軸受、又は圧延機ロールネック用軸受などの軸受を製造するための、ワークピースが挙げられる。レーザ加工装置１を用いて製造される軸受は、機械、及び車両に備えられることが可能である。機械は、動力が人力である機械（器械）、及び、人力以外の動力を使用する機械を含むことができる。例えば、機械として、工作機械のほか、発電機、圧延機なども挙げられる。また、車両として、自動車、鉄道車両のほか、大型車両、建設機械車両なども挙げられる。また、加工対象物は、風力発電機用のシャフトやギアを支持する部材を製造するためのワークピースなどを含むことができる。代替的に、上記以外の部品を加工対象物にできる。例えば、レーザ溶接装置１は、ころ軸受保持器ピン溶接の他、車両部品（自動車部品）溶接全般に利用可能である。

図６に示す一例において、超大形ころ軸受（円筒ころ軸受）が加工対象のワークピースである。超大形ころ軸受は、内輪と外輪との間に配される「ころ」を有する。ころに挿入されたピン３００の端部と板部材（側板）３１０とが接合される。この接合のため、ピン３００の端部の全周にわたり、ターゲット部分（円形のターゲットライン）Ｑに対して溶接処理が施される。他の例において、軸受として、円すいころ軸受、ころ軸受以外の軸受など、他のタイプの軸受も適用可能である。

円すいころ軸受の一例において、図７Ａに示すように、ＭＡＧ溶接を用いる場合、ピン３００の端部の全体にフィラーが盛り付けられる（溶接部分３２０）。この場合、スパッタ径が比較的大きく、熱影響が比較的広い。図７Ｂに示すように、レーザ溶接を用いる場合、溶接ターゲット部分を必要最小限に設定しやすく、例えば、ピン３００の端部の周囲のみを溶接処理対象にできる（溶接部分３３０）。すなわち、円すいころ軸受の一例において、図７Ｂに示す軸受は、内輪２５０、外輪２６０、ころ２７０、ピン３００、及び側板３１０を有し、ピン３００の端部の周囲にのみ溶接部分３３０が設けられている。この場合、スパッタ径が微小であり、その量も比較的少ない。よって、熱影響が比較的狭い。その結果、ターゲットの全体にわたり、高い品質で均質な溶接が施されており、高品質な製品が期待できる。他の例においても、軸受又は軸受以外のワークピース上のターゲットの全体にわたり、高い品質で均質な溶接が施され、高品質な製品が期待できる。

以下、ころ軸受の溶接にかかる一例について説明する。図１Ａに示すように、本例において、レーザ加工装置は、加工物１０にレーザ溶接を施すレーザ溶接装置１である。レーザ溶接装置１は、加工物１０に対してレーザ光を照射するレーザ溶接ヘッド５と、レーザ溶接を施す位置に溶接材６２を供給する溶接フィラー送給機構６と、レーザ溶接ヘッド５と溶接フィラー送給機構６とを含む溶接ユニット５０を移動させるとともに、レーザ溶接ヘッド５と溶接フィラー送給機構６のそれぞれの線材４１，６２が挿通可能な挿通部３ａを有する中空移動機構１００を有する。中空移動機構１００は、溶接ユニット５０と連結した中空軸３１と、それを回転させるモータ３３とを有する。一例において、中空移動機構１００は、溶接ユニット５０を回転させることができる中空モータを有することができる。ノズル６１は、回転軸Ｗに対して傾斜して配される。レーザ溶接装置１は、加工物（ワーク、ターゲット）にレーザ溶接を施す目的のために、レーザ溶接ヘッド５と溶接フィラー送給機構６を鉛直方向下方に傾斜して取り付けるヘッド軸傾斜機構（傾斜機構）４と、ヘッド軸傾斜機構４を回転させる回転軸Ｗを持つ中空ユニット３０と、レーザ溶接が施されるワーク１０の平面位置に沿って、回転するヘッド軸傾斜機構４を回転させるＸＹＺステージ（３次元アクチュエータ）２とを有する。代替的に、ＸＹＺステージに代えて、２次元アクチュエータ、３次元アクチュエータ、及び／又は一軸アクチュエータを組み合わせたユニットを使用することができる。なお、ＸＹＺステージ２、中空ユニット３０、レーザ溶接ヘッド５及び溶接フィラー送給機構６の駆動制御は、制御部１１０によってコントロールされている。

ＸＹＺステージ２は、図１Ｂに示すように、ＸＹＺ方向の三次元的に移動可能とし、Ｘ方向直動機構２１は、ＸＹＺステージ２内にあって、鉛直方向と直角の水平方向に平面移動するように取り付けられている。Ｙ方向直動機構２２は、ＸＹＺステージ２内にあって、Ｘ方向とは異なる方向で、鉛直方向と直角の水平方向に平面移動するように取り付けられている。

これらＸ方向直動機構２１とＹ方向直動機構２２は、回転軸Ｗの中心が円を描くように平面のＸ方向とＹ方向の２方向に駆動しながら回転軸Ｗと同期回転され（図４の符号４００と符号４１０の矢印参照。）、常にレーザ溶接ヘッド５がワーク１０の溶接箇所に対して所定の方向に向くようになっている。Ｚ方向直動機構２３は、ＸＹＺステージ２内にあって、鉛直方向に移動するように取り付けられている。溶接開始前にレーザ光５１の焦点をワーク１０の溶接箇所に対して合わせるようにＺ方向直動機構２３を駆動して、レーザ溶接ヘッド５からのレーザ照射位置を調整する。

ヘッド軸傾斜機構４は、レーザ溶接ヘッド５と、溶接材６２を供給する溶接フィラー送給機構６とが備えられた共通の一体支持体で、中空ユニット３０を回転駆動するサーボモータ３３により任意の方向に可動可能になっている。また、ワーク表面からの反射光がレーザ溶接ヘッド５に直接戻ってくるのを避けるためレーザ照射軸を回転軸Ｗの軸方向から一定の角度（ヘッド軸傾斜角）Ｄ２を設けて取り付けられている。

中空ユニット３０（中空軸３１）は、回転軸Ｗの軸方向から見たときに、中空で円形（環）状の外周面を有しており、その外周面の上方にはＸＹＺステージ２に備えられ、その外周面の下方から突出した板状のヘッド軸傾斜機構４が取り付けられている。この中空ユニット３０は、サーボモータ３３が駆動すると、回転軸Ｗを中心としてヘッド軸傾斜機構４の回転に同期して円形状の外周（環）面に沿って旋回する構造のギアを有している。

このように、ワーク１０を回転させないので、装置の小型化がはかれる。また、回転軸Ｗとなる軸中心部分を中空状の挿通部３ａとする中空ユニット３０を用いることで、溶接フィラーワイヤ６２、レーザ伝送用光ファイバケーブル４１などを挿通部３ａに貫通させることができる。これにより、円形溶接のようにレーザ溶接ヘッド５が３６０度回転しても溶接フィラーワイヤ６２、レーザ伝送用光ファイバケーブル４１など線材にも無理がかからない。従って、レーザ伝送用光ファイバケーブル４１などの配線が捻れて破損することを回避することができる。また、レーザ溶接ヘッド５をワーク１０から距離を置いて配置する場合、中空ユニット３０の中空部分の挿通部３ａにヘッド５の一部を挿入可能となる（図４参照）。

レーザ溶接ヘッド５は、回転軸Ｗの軸方向下側に突出した桿状の形状を有し、ヘッド軸傾斜機構４によって回転軸Ｗに対して角度を変更することが可能なよう取り付けられている。このレーザ溶接ヘッド５には、図示しないレーザ発振装置からのレーザ伝送用光ファイバケーブル４１を介してレーザが伝送される。また、レーザ溶接ヘッド５には、レーザ溶接に必要な強度にまでレーザ光５１を収束させる光学系としてのレンズが複数配置されている。これにより、レーザ溶接ヘッド５は、収束されたレーザ光５１を熱源としてワーク１０に集光した状態でエネルギー（レーザ光）を照射する。レーザ光５１のビームスポットは極めて小径（例えば、直径が数百μｍ程度以下）で位置精度良く照射される。なお、レーザ伝送用光ファイバケーブル４１とレーザ溶接ヘッド５の結合部に回転カップリングを設けることで、レーザ伝送用光ファイバケーブル４１が捩れて破損することを防止することができる。

溶接フィラー送給機構６は、ヘッド軸傾斜機構４とレーザ溶接ヘッド５と共に下向き傾斜姿勢を持って、取付板６３により可動可能に取り付けられる。本実施形態では、溶接中において、ヘッド軸傾斜角Ｄ２及び溶接フィラー送給機構６の送給姿勢が所定の姿勢に保たれるようにＸ軸方向とＹ軸方向による平面移動とＷ軸の回転を同期させ、かつ、レーザ光５１の照射方向と溶接フィラー送給機構６の送給方向が、レーザ溶接ヘッド５の進行方向に対して一定となるように駆動する（図４）参照。）。また、溶接の速度に合わせて溶接フィラーを送給する。

溶接フィラー送給機構６が送給する溶接材料は、ワイヤでの送給が一般的な溶接フィラーワイヤ６２が用いられる。溶接フィラー送給機構６には、この溶接フィラーワイヤ６２を送給する位置を決める溶接フィラーノズル６１が設けられている。

本実施形態のレーザ溶接方法は、レーザ溶接ヘッド５と溶接フィラー送給機構６を鉛直方向下方に傾斜して取り付けるヘッド軸傾斜機構４と、ヘッド軸傾斜機構４を回転させる回転軸Ｗを持つ中空ユニット３０と、レーザ溶接が施されるワーク１０の平面位置に沿って、回転するヘッド軸傾斜機構４を回転させるＸＹＺステージ２の動作により、ワーク１０に円環状にレーザ溶接を施している。なお、ＸＹＺステージ２、中空ユニット３０、レーザ溶接ヘッド５及び溶接フィラー送給機構６の駆動制御は、制御部１１０によってコントロールされている。

以下、上記のレーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接方法について、図４の模式図を用いて説明をする。

［溶接前］
（１）ワーク１０を戴置台に固定する。本実施形態では、溶接対象のワーク１０は金属製部材であり、ワーク１０には溶接を行う部位である円環状の溶接箇所Ｑが軸方向上端面に複数存在している（図６、図７Ｂ参照）。このような部材としては、例えばころ軸受に用いる保持器などがある。溶接ピンタイプのころ軸受用保持器は、中空ころを貫通するピンとピンを保持する上下の側板から構成され、一方の側板とピン端部はねじ等により固定され、他方は溶接によって接合される。

（２）Ｘ−Ｙ（平面）方向直動（移動）機構２１、２２及び回転軸Ｗを持つＸＹＺステージ２にレーザ溶接ヘッド５と溶接フィラー送給機構６を搭載したレーザ溶接装置１をセットする。このとき、干渉や捻れを回避するためレーザ伝送用光ファイバケーブル４１、溶接フィラーワイヤ６２等を中空ユニット３０の中空部分の挿通部３ａを貫通させる。

（３）Ｘ方向直動機構２１とＹ方向直動機構２２を調整して、レーザ溶接ヘッド５がワーク１０の加工位置（溶接位置）Ｐに対して予め所定の方向を向くようにするとともに、ワーク表面からの反射光がレーザ溶接ヘッド５に直接戻ってくるのを避けるためレーザ照射軸を回転軸Ｗの軸方向から一定の角度（ヘッド軸傾斜角）Ｄ２を設けて取り付ける。ヘッド軸傾斜角Ｄ２は例えば１、２、３、４、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、６０、７０、又は８０°程度である。上値は代表的な数値の一例であり、傾斜角は上記に限定されない。

（４）Ｚ方向直動機構２３を駆動して、レーザ光５１の焦点をワーク１０の溶接対象部位に対して合わせるようにレーザ溶接ヘッド５の位置を予め調整する。さらに、加工位置Ｐに溶接フィラーワイヤ６２が適切に送給されるよう、溶接フィラー送給機構６及びフィラーノズル６１の先端位置と向きを調整する。

［溶接中］
（１）溶接動作を開始すると、制御部１１０は、図４に示すように、レーザ溶接ヘッド５が加工位置Ｐに対して一定の向きを保ちつつ、加工位置Ｐが予め設定された溶接形状（本実施形態においてはワーク１０の上端面における半径Ｒの円である円Ｑ）をトレースするよう、ＸＹＺステージ２のＸ−Ｙ方向直動機構２１、２２と中空軸３を動作させる。

（２）具体的には、Ｘ−Ｙ平面状で回転軸Ｗの中心が円を描くようにＸ方向直動機構２１とＹ方向直動機構２２を同期駆動し、さらに回転軸Ｗを同期回転させる。すなわち、ＸＹＺステージ２によるＷ軸の移動軌跡（図４の破線の円）と、図４の破線上を移動する実線の円で示されるレーザ溶接ヘッド５の回転が同期する。これにより、レーザ溶接ヘッド５が加工位置Ｐに対して一定の向きを保ちつつ、加工位置Ｐが円Ｑ上を移動する。

（３）溶接中は、ヘッド軸傾斜角Ｄ２及び溶接フィラー送給機構６の姿勢が所定の姿勢に常時保たれるので、レーザ光５１の反射光がレーザ溶接ヘッド５に当たることはない。また溶接フィラーワイヤ６２が適切に加工位置Ｐに連続的に送給されるため、ワーク１０に対して回転角３６０度以上のレーザ溶接を行うことができる。

１ レーザ溶接装置（レーザ加工装置）
２ ＸＹＺステージ（ＸＹステージ）
４ ヘッド軸傾斜機構
５ レーザ溶接ヘッド
６ 溶接フィラー送給機構
１０ ワーク（ワークピース）
１００ 中空移動機構

Claims (20)

1. レーザ光が射出される射出部を有するヘッドと、
   前記ヘッドに取り付けられた光ケーブルと、
   前記ヘッドに取り付けられ、ターゲットに向けた材料の供給を案内するノズルと、
   駆動部を有する移動機構と、
   制御部と、
   を備え、
   前記移動機構は、
   少なくとも二次元平面内で曲線的に前記ヘッドが移動可能である第１機構と、
   回転軸を有する第２機構であり、前記光ケーブル及び前記材料を伴って前記ヘッドが前記回転軸周りで３６０°以上回転可能である前記第２機構と、を有し、
   前記制御部は、前記少なくとも二次元平面での曲線的な前記ヘッドの移動中に前記ヘッドが前記回転軸周りで回転するように、前記移動機構が制御される、姿勢制御モードを有する、レーザ加工装置。
2. 前記第２機構は、前記第１機構に支持されかつ前記ヘッドに連結される空洞ユニットを有し、
   前記空洞ユニットは、少なくとも前記回転軸に沿って設けられ、そこに前記光ケーブル及び前記材料が配される空洞を有する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記ヘッド及び前記ノズルは、前記回転軸に対して傾斜して配される、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記姿勢制御モードにおいて、前記少なくとも二次元平面での曲線的な前記ヘッドの移動中に加工位置の前方に、前記ヘッドの前記射出部及び前記ノズルの先端の少なくとも１つが位置し続けるように、前記移動機構が制御される、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
5. 前記姿勢制御モードにおいて、曲線状の加工部位に対して、前記レーザ光の照射方向が前記曲線の接線方向に沿うように、前記移動機構が制御される、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
6. 加工物にレーザ溶接を施すレーザ溶接装置であって、
   前記加工物に対してレーザ光を照射するレーザ溶接ヘッドと、
   前記レーザ溶接を施す位置に溶接材を供給する溶接フィラー送給機構と、
   前記レーザ溶接ヘッドと前記溶接フィラー送給機構とを含む溶接ユニットを移動させるとともに、前記レーザ溶接ヘッドと前記溶接フィラー送給機構のそれぞれの線材が挿通可能な挿通部を有する中空移動機構と、
   を有し、
   前記レーザ溶接ヘッドの線材と前記溶接フィラー送給機構の線材とが前記中空移動機構の前記挿通部に挿通された状態で前記レーザ溶接ヘッドが回転軸周りで３６０°以上回転可能である、レーザ溶接装置。
7. 前記中空移動機構は、前記溶接ユニットと連結した中空軸と、それを回転させるモータとを有する、請求項６に記載のレーザ溶接装置。
8. 前記中空移動機構は、前記溶接ユニットを回転させることができる中空モータを有する、請求項６に記載のレーザ溶接装置。
9. 前記溶接ユニット及び前記中空移動機構を移動させる２次元アクチュエータを有する、請求項６から８のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
10. 前記溶接ユニット及び前記中空移動機構を移動させる３次元アクチュエータを有する、請求項６から８のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
11. 前記レーザ溶接ヘッドを鉛直方向に対して傾斜して取付可能にする傾斜機構を有する、請求項６から１０のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
12. 前記レーザ溶接ヘッドの線材であるレーザ伝送用光ファイバケーブルと前記レーザ溶接ヘッドの結合部に、回転カップリングを有する、請求項６から１１のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
13. 少なくとも二次元平面での曲線的な前記レーザ溶接ヘッドの移動中に前記レーザ溶接ヘッドが前記回転軸周りで回転するように、前記中空移動機構が制御される、姿勢制御モードを有する、制御部をさらに備える、請求項６から１２のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
14. 請求項９に記載のレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法であって、前記レーザ溶接ヘッドのレーザ光の照射方向と前記溶接フィラー送給機構の溶接フィラーの送給方向が、前記レーザ溶接ヘッドの進行方向に対して一定となるよう前記中空移動機構と前記２次元アクチュエータとを同期させて駆動させるレーザ溶接方法。
15. 請求項１０に記載のレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法であって、前記レーザ溶接ヘッドのレーザ光の照射方向と前記溶接フィラー送給機構の溶接フィラーの送給方向が、前記レーザ溶接ヘッドの進行方向に対して一定となるよう前記中空移動機構と前記３次元アクチュエータとを同期させて駆動させるレーザ溶接方法。
16. レーザ光が射出される射出部を有するヘッドと、前記ヘッドに取り付けられた光ケーブルと、前記ヘッドに取り付けられかつターゲットに向けた材料の供給を案内するノズルと、駆動部を有する移動機構と、を備えるレーザ加工装置、を用意する工程と、
    前記レーザ加工装置の前記移動機構を制御する工程であり、
    （ａ）少なくとも二次元平面で曲線的に前記ヘッドを移動させることと、
    （ｂ）前記少なくとも二次元平面での曲線的な前記ヘッドの移動中に、前記光ケーブル及び前記材料を伴って前記ヘッドを回転軸周りで３６０°以上回転させること、
    を有する前記工程と、
    を含む、レーザ加工方法。
17. 内輪と外輪との間にころを配置する工程と、
    請求項１４又は１５に記載のレーザ溶接方法、又は請求項１６に記載のレーザ加工方法を用いて、前記ころに挿入されたピンの端部と板部材とを接合する工程と、
    を含む軸受の製造方法。
18. 請求項１から５のいずれかに記載のレーザ加工装置、又は請求項６から１３のいずれかに記載のレーザ溶接装置を用いる軸受の製造方法。
19. 請求項１から５のいずれかに記載のレーザ加工装置、又は請求項６から１３のいずれかに記載のレーザ溶接装置を用いる機械の製造方法。
20. 請求項１から５のいずれかに記載のレーザ加工装置、又は請求項６から１３のいずれかに記載のレーザ溶接装置を用いる車両の製造方法。

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