JP7239307B2 - レーザ溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接装置に関し、特に、ワークが配置される低圧の内部空間を有するチャンバと、ワークを溶接するレーザ光を照射するレーザ光照射部とを備えるレーザ溶接装置に関する。

従来、ワークが配置される低圧の内部空間を有するチャンバと、ワークを溶接するレーザ光を照射するレーザ光照射部とを備えるレーザ溶接装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、低真空雰囲気下で内部に配置されたワークの溶接が行われるチャンバと、ワークを溶接するレーザ光を照射するレーザ部（レーザ光照射部）とを備えるレーザ溶接装置が開示されている。上記特許文献１のレーザ溶接装置は、レーザ部とチャンバとの間に配置されるシールドガス筒を備えている。シールドガス筒は、シールドガス（不活性ガス）をシールドガス筒内に導入するシールドガス導入用孔と、シールドガス筒の光軸方向の入射側に配置される透過窓（レーザ透過窓）とを備えている。

上記特許文献１のレーザ溶接装置では、シールドガス導入用孔から光軸方向にシールドガスをシールドガス筒内に流すとともに、レーザ部からのレーザ光がワークに照射される。そして、上記特許文献１のレーザ溶接装置では、ワークに照射されたレーザ光によりワークが溶融されることによって、ワークの溶接が行われる。

特許第５２３４４７１号公報

ここで、上記特許文献１のレーザ溶接装置では、チャンバ内が低真空雰囲気であるので、レーザ光により溶融されたワークから噴出する金属蒸気が、シールドガス筒を通過して透過窓に向かう。この際、上記特許文献１のレーザ溶接装置では、シールドガス導入用孔から光軸方向に流れるシールドガスにより、ワークから噴出する金属蒸気が透過窓に到達して付着することが抑制される。

しかしながら、上記特許文献１のレーザ溶接装置では、ワークから噴出する金属蒸気の勢いをさらに弱めて金属蒸気に対するシールド性をより安定させることにより、ワークから噴出する金属蒸気が透過窓（レーザ透過窓）に到達して付着することをより確実に抑制することが望まれている。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、本発明の１つの目的は、ワークの溶接時に金属蒸気がレーザ透過窓に付着することを効果的に抑制することが可能なレーザ溶接装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本願発明者が鋭意検討した結果、ワークから噴出する金属蒸気に対して、レーザ光の照射方向側でかつ光軸側に向けて不活性ガスを噴射することにより、ワークから噴出する金属蒸気の勢いをさらに弱め、ワークの溶融時に金属蒸気が透過窓に付着することをより効果的に抑制することができるという新たな知見を得た。この発明の一の局面によるレーザ溶接装置は、この新たな知見を利用して、ワークの溶接時に金属蒸気がレーザ透過窓に付着することを抑制するものである。すなわち、本発明の一の局面におけるレーザ溶接装置は、ワークが配置される低圧の内部空間を有するチャンバと、ワークを溶接するレーザ光を照射するレーザ光照射部と、レーザ光照射部からのレーザ光を透過可能なレーザ透過窓と、レーザ透過窓よりもワーク側に配置されるガス噴射ノズルとを備え、ガス噴射ノズルは、レーザ光が通過する光路孔と、レーザ光の照射方向側でかつ光軸側に向けて、レーザ光によるワークの溶接の際にワークからレーザ透過窓側に噴出する金属蒸気をシールドするための不活性ガスを光路孔内に噴射する噴射部とを含み、噴射部は、レーザ光の照射方向側でかつ光軸側に向けて、レーザ光の光軸に対して所定の角度傾斜した方向に不活性ガスを噴射するように構成されており、噴射部は、周状のスリット形状に形成されている。

本発明の一の局面によるレーザ溶接装置では、上記のように、レーザ光が通過する光路孔と、レーザ光の照射方向側でかつ光軸側に向けて、レーザ光によるワークの溶接の際にワークからレーザ透過窓側に噴出する金属蒸気をシールドするための不活性ガスを光路孔内に噴射する噴射部とを含むガス噴射ノズルを設ける。これにより、ワークの溶接時にワークからレーザ透過窓に向かう金属蒸気に対して、噴射部からレーザ光の照射方向側でかつ光軸側に向けて噴射される不活性ガスを当てることにより、不活性ガスを充満させるだけの場合と異なり、ワークから噴出する金属蒸気の勢いを弱めて押し返すことができるので、ワークからレーザ透過窓に向かう金属蒸気を効果的に妨げることができる。また、レーザ光の光軸に対して略直角な方向に不活性ガスを噴射する場合と比較して、ワークからレーザ透過窓に向かう金属蒸気を押し返す力を大きくすることができる。これらの結果、ワークの溶接時に金属蒸気がレーザ透過窓に付着することを効果的に抑制することができる。また、光路孔内にレーザ光を通すことにより、レーザ光の照射を妨げることなく、ワークの溶接時に金属蒸気がレーザ透過窓に付着することを抑制することができる。
また、レーザ光の光軸に対して略平行な方向に不活性ガスを噴射すると異なり、光路孔を覆うガスシールドをより確実に形成することができる。この結果、ワークからレーザ透過窓に向かう金属蒸気を効果的に妨げることができるので、ワークの溶接時に金属蒸気がレーザ透過窓に付着することをより効果的に抑制することができる。
また、複数の孔を形成することにより噴射部を設ける場合と異なり、噴射部から光路孔内に隙間なく不活性ガスを噴射することができるので、光路孔内により均一なガスシールドを形成することができる。この結果、金属蒸気に対する不活性ガスのシールド性をより安定させることができる。

上記一の局面によるレーザ溶接装置において、好ましくは、噴射部は、光路孔の内周面に沿って周状に設けられている。このように構成すれば、噴射部から光路孔内にバランスよく（均一に）不活性ガスを噴射することができるので、光路孔内に均一なガスシールドを形成することができる。この結果、金属蒸気に対する不活性ガスのシールド性を安定させることができる。

上記一の局面によるレーザ溶接装置において、好ましくは、スリット形状の噴射部は、全体にわたって、所定の角度と略同じ角度傾斜している。このように構成すれば、噴射部の先端部のみを所定の角度と略同じ角度傾斜させて所定の角度傾斜した方向に不活性ガスを噴射する場合と異なり、圧力損失が増加するのを抑制することができる。つまり、噴射部内を通過する不活性ガスを円滑に流すことができるので、噴射部から噴射する不活性ガスの流速が低下することを抑制することができる。この結果、噴射部から噴射される不活性ガスの勢いが弱くなることを抑制することができるので、ワークからレーザ透過窓に向かう金属蒸気をより効果的に妨げることができる。

上記一の局面によるレーザ溶接装置において、好ましくは、ガス噴射ノズルに不活性ガスを導入する不活性ガス導入部をさらに備え、ガス噴射ノズルは、周状の噴射部の外側に周状に設けられ、不活性ガス導入部から導入される不活性ガスが流れるバッファ空間をさらに含む。このように構成すれば、周状のバッファ空間により、噴射部から噴射する不活性ガスの流量を安定させることができるので、光路孔内により均一なガスシールドを形成することができる。

上記バッファ空間を備えるレーザ溶接装置において、好ましくは、不活性ガス導入部は、ガス噴射ノズルの外周部に略等角度間隔に複数配置されている。このように構成すれば、バッファ空間内を流れる不活性ガスの量を安定させることができるので、光路孔内により一層均一なガスシールドを形成することができる。

上記一の局面によるレーザ溶接装置おいて、好ましくは、光路孔は、全体にわたって、照射方向に沿って照射方向に直交する一定の断面形状を有する。このように構成すれば、光路孔が照射方向に沿って照射方向に直交する一定の断面形状を有していない場合と異なり、光路孔に噴射された不活性ガスの流速の変化を抑制することができる。また、光路孔に噴射された不活性ガスの流速が速くなる場合と異なり、光路孔内の不活性ガスの流れが乱流になりにくいので、光路孔内により均一なガスシールドを形成することができる。これらにより、ワークからレーザ透過窓に向かって噴出する金属蒸気に対する不活性ガスのシールド性を安定させることができる。

上記一の局面によるレーザ溶接装置において、好ましくは、光路孔の照射方向に直交する断面形状は、ガス噴射ノズルの配置位置におけるレーザ光のスポット径以上でレーザ透過窓の直径より小さい円形形状を有する。このように構成すれば、光路孔内にレーザ光を通過させつつ、ワークからレーザ透過窓に向かって噴出する金属蒸気の光路孔の通過を抑制することができるので、ワークの溶接時に金属蒸気がレーザ透過窓に付着することをより一層抑制することができる。

上記一の局面によるレーザ溶接装置において、好ましくは、レーザ透過窓を透過したレーザ光が通過するとともに、チャンバと連通する筒状部をさらに備え、レーザ透過窓およびガス噴射ノズルは、筒状部に配置されている。このように構成すれば、レーザ光が通過できる程度の内部寸法を有する筒状部にガス噴射ノズルを配置することができるので、ワークが配置される比較的大きな容積のチャンバにガス噴射ノズルを配置する場合に比べて、ガス噴射ノズルが大型化するのを抑制することができる。

上記筒状部を備えるレーザ溶接装置において、好ましくは、筒状部は、レーザ透過窓が配置される第１筒状部と、レーザ光が通過する空間を有するとともに、第１筒状部の照射方向側に隣接する第２筒状部とを含み、第２筒状部の照射方向の長さは、第１筒状部の照射方向の長さよりも長く、ガス噴射ノズルは、第１筒状部のレーザ透過窓よりもチャンバ側に配置されている。このように構成すれば、第２筒状部内において不活性ガスを拡散させ、さらに、ガス噴射ノズルにより噴射される不活性ガスにより金属蒸気を妨げることができるので、ワークの溶接時に金属蒸気がレーザ透過窓に付着することをより確実に抑制することができる。

この場合、チャンバ内の空気を排気してチャンバの内部空間を低圧にするポンプをさらに備え、チャンバは、ポンプに接続される排気口を含み、ガス噴射ノズルから排気口までの距離は、ガス噴射ノズルからレーザ透過窓までの距離よりも大きい。このように構成すれば、真空ポンプの排気により発生する負圧に起因して、噴射部から噴射される不活性ガスが乱れることを抑制することできる。この結果、噴射部から噴射される不活性ガスにより形成されるガスシールドのシールド性の低下を抑制することができる。

本発明によれば、上記のように、ワークの溶接時に金属蒸気がレーザ透過窓に付着することを効果的に抑制することが可能なレーザ溶接装置を提供することができる。

第１実施形態によるレーザ溶接装置の全体を示した模式的な断面図である。 第１実施形態によるレーザ溶接装置におけるチャンバと筒状部とを示した模式的な断面図である。 第１実施形態によるレーザ溶接装置における第２筒状部の断面形状を示した模式的な断面図である。 第１実施形態によるレーザ溶接装置における不活性ガス供給部を示した模式図である。 第１実施形態によるレーザ溶接装置におけるガス噴射ノズルを示した断面図である。 実施例に用いられたレーザ溶接装置を模式的に示した断面図である。 実施例に用いられたレーザ溶接装置によるワークの溶接後のレーザ透過窓を示した図である。 比較例に用いられたレーザ溶接装置を模式的に示した断面図である。 比較例に用いられたレーザ溶接装置によるワークの溶接後のレーザ透過窓を示した図である。 第２実施形態によるレーザ溶接装置におけるチャンバと筒状部とを示した模式的な断面図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。

［第１実施形態］
まず、図１～図５を参照して、本発明の第１実施形態によるレーザ溶接装置１の構成について説明する。

（レーザ溶接装置）
レーザ溶接装置１は、図１に示すように、エンジンからトランスミッションのシャフトに回転トルクを伝達するトルクコンバータ１００（以下、ワークＷ）に対して、レーザ光Ｌによる溶接を行うように構成されている。具体的には、レーザ溶接装置１は、レーザ光照射部２と、チャンバ３と、脚部４と、筒状部５と、不活性ガス供給部６と、シャッタ７（図２参照）と、真空計８と、真空ポンプ９と、支持部１０と、回転駆動機構１１とを備えている。なお、真空ポンプ９は、特許請求の範囲の「ポンプ」の一例である。

レーザ光照射部２は、ワークＷを溶接するレーザ光Ｌを照射するように構成されている。ここで、レーザ光照射部２は、ＣＯ₂レーザ、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザ、ファイバーレーザまたはディスクレーザなどの公知のレーザを使用する。具体的には、レーザ光照射部２は、レーザ光Ｌを発生させるレーザ発振機２ａと、レーザ発振機２ａにおいて発生したレーザ光Ｌの焦点を調節する光学系２ｂとを含んでいる。また、レーザ光照射部２は、長焦点（焦点距離Ｆ：約９００［ｍｍ］）である。なお、ワークＷにおいて、レーザ光照射部２からのレーザ光Ｌが当たる個所を加工点Ｐとする。

ここで、レーザ光照射部２において光学系２ｂから出射したレーザ光Ｌの光軸Ａが延びる方向を光軸方向Ａ１とする。また、光軸方向Ａ１および上下方向Ａ２に直交する方向を、幅方向Ａ３とする。また、レーザ光照射部２において光学系２ｂから出射したレーザ光ＬのワークＷに向かう方向を照射方向Ｅとする。

チャンバ３は、図１および図２に示すように、内部にワークＷを収容可能なように構成されている。具体的には、チャンバ３は、上壁部３ａと、下壁部３ｂと、上壁部３ａと下壁部３ｂとの間に設けられる側壁部３ｃと、上壁部３ａ、下壁部３ｂおよび側壁部３ｃに囲まれた内部空間３ｄとを含んでいる。側壁部３ｃは、レーザ光Ｌが通過する開口３１ａが形成された第１側壁部３１と、光軸方向Ａ１において第１側壁部３１に対向する第２側壁部３２とを有している。また、側壁部３ｃは、真空ポンプ９に接続される排気口１２が形成された第３側壁部３３と、幅方向Ａ３において第３側壁部３３に対向する第４側壁部３４とを有している。ここで、チャンバ３は、アルミニウムなどの金属により形成されている。

また、チャンバ３では、真空計８および真空ポンプ９を用いて内部空間３ｄの空気圧を調節することにより、内部空間３ｄが低真空雰囲気（約０．１ｋＰａ）に設定される。すなわち、チャンバ３は、ワークＷが配置される低圧の内部空間３ｄを有している。

脚部４は、上下方向Ａ２に延びており、チャンバ３を下方側から支持する。脚部４では、上端部が下壁部３ｂの下端部に取り付けられ、下端部が床に取り付けられている。

筒状部５は、レーザ光照射部２からのレーザ光Ｌが透過するとともに、チャンバ３と連通する。詳細には、筒状部５は、照射方向Ｅ側とは反対側に配置され、レーザ光Ｌを透過可能なレーザ透過窓２０を有する第１筒状部５０と、レーザ光Ｌが通過する空間６０ａを有するとともに、第１筒状部５０の照射方向Ｅ側に隣接する第２筒状部６０とを含んでいる。ここで、第１筒状部５０は、レーザ光Ｌを通過させる空間５０ａを有している。第１筒状部５０の空間５０ａは、チャンバ３の内部空間３ｄに第２筒状部６０の空間６０ａを介して連通する。筒状部５には、第１筒状部５０の空間５０ａと第２筒状部６０の空間６０ａとを合わせた内部空間５ａが形成されている。

これにより、レーザ光照射部２からのレーザ光Ｌは、レーザ透過窓２０、第１筒状部５０の空間５０ａ、第２筒状部６０の空間６０ａおよびチャンバ３の内部空間３ｄの順に通過してワークＷに到達する。

不活性ガス供給部６は、筒状部５内に不活性ガス（窒素、アルゴン、二酸化炭素またはヘリウムなど）を供給するように構成されている。具体的には、不活性ガスを貯留する不活性ガス貯留部６ａと、不活性ガス貯留部６ａから供給された不活性ガスを筒状部５の内部空間５ａに噴射するガス噴射ノズル６ｂとを含んでいる。

シャッタ７は、レーザ透過窓２０よりも光軸方向Ａ１の出射側の内部空間５ａを遮断するように構成されている。具体的には、シャッタ７は、幅方向Ａ３に移動することにより、第１筒状部５０のレーザ透過窓２０からシャッタ７までの空間と、チャンバ３の内部空間３ｄとの連通または遮断を切替可能に構成されている。シャッタ７は、第１筒状部５０に配置されている。

真空計８は、電離真空計などの公知の真空計を使用する。真空ポンプ９は、ロータリ型真空ポンプなどの公知の真空ポンプを使用する。真空ポンプ９は、チャンバ３内の空気を排気してチャンバ３の内部空間３ｄを低圧にするように構成されている。

支持部１０は、上下方向Ａ２に沿った回転軸線Ｒ回りにワークＷを回転可能に支持するように構成されている。支持部１０は、回転駆動機構１１に接続されている。これにより、支持部１０は、回転駆動機構１１の駆動により回転軸線Ｒ回りに回転する。また、ワークＷは、支持部１０に取り付けられているので、支持部１０の回転軸線Ｒ回りの回転に伴い回転する。

回転駆動機構１１は、支持部１０を回転軸線Ｒ回りに回転させるように構成されている。具体的には、回転駆動機構１１は、モータ１１ａと、一端部をモータ１１ａに架け、他端部を支持部１０に架けるベルト１１ｂと、支持部１０を支持する軸受１１ｃとを含んでいる。

（第１筒状部）
図２および図３に示すように、上記した第１筒状部５０は、光軸方向Ａ１における出射側の端部５３ａに開口５１を有する円筒形状を有している。すなわち、第１筒状部５０の光軸方向Ａ１に直交する断面形状は、円形形状を有している。ここで、第１筒状部５０は、光軸方向Ａ１から視て円形形状に形成され、光軸方向Ａ１における入射側に設けられた端面部５２と、端面部５２の周縁部から光軸方向Ａ１における出射側に突出する側周面部５３とを有している。第１筒状部５０の端面部５２は、レーザ透過窓２０が嵌め込まれる開口５２ａを有している。

（第２筒状部）
また、上記した第２筒状部６０は、光軸方向Ａ１における出射側の端部に開口６１を有する角筒形状を有している。すなわち、第２筒状部６０の光軸方向Ａ１に直交する断面形状は、矩形形状を有している。第２筒状部６０は、上面部６２と、下面部６３と、上面部６２と下面部６３との間に設けられる側面部６４とを含んでいる。第２筒状部６０の側面部６４は、光軸方向Ａ１における入射側に設けられた端面部６５と、幅方向Ａ３における排気口１２側に設けられる第１側面部６４ａと、第１側面部６４ａと幅方向Ａ３において対向する第２側面部６４ｂとを有している。第２筒状部６０の端面部６５は、第１筒状部５０の空間５０ａと第２筒状部６０の空間６０ａとを連通させる連通口６５ａを有している。また、第２筒状部６０の照射方向Ｅの長さは、第１筒状部５０の照射方向Ｅの長さよりも長い。

（排気口）
上記した排気口１２は、真空ポンプ９に接続されている。また、排気口１２は、チャンバ３の第３側壁部３３に形成されている。

（不活性ガス供給部）
以下では、上記した不活性ガス供給部６についてより詳細に説明する。

図４に示すように、不活性ガス供給部６は、上記した不活性ガス貯留部６ａと、上記したガス噴射ノズル６ｂと、不活性ガス供給管６ｃと、流量計６ｄと、流量調節弁６ｅと、不活性ガス導入部６ｆとを含んでいる。

不活性ガス供給管６ｃは、不活性ガス貯留部６ａと不活性ガス導入部６ｆとを接続している。不活性ガス供給管６ｃは、不活性ガス貯留部６ａから不活性ガス導入部６ｆへシールドガスとしての不活性ガスを供給する。流量計６ｄは、不活性ガス供給管６ｃを流れる不活性ガスの流量を計測する。流量調節弁６ｅは、流量計６ｄの計測値に基づいて弁の開閉を行なうことにより、不活性ガス供給管６ｃを流れる不活性ガスの流量を調節する。不活性ガス導入部６ｆは、不活性ガス供給管６ｃとガス噴射ノズル６ｂとを接続している。不活性ガス導入部６ｆは、不活性ガス供給管６ｃからガス噴射ノズル６ｂに不活性ガスを導入する。不活性ガス導入部６ｆは、ガス噴射ノズル６ｂの径方向のうちの内方向に沿って、不活性ガスをガス噴射ノズル６ｂに流す。

不活性ガス導入部６ｆは、ガス噴射ノズル６ｂの外周部に略等角度間隔に複数配置されている。具体的には、不活性ガス導入部６ｆは、略９０度間隔で複数（４個）配置されている。ここで、複数の不活性ガス導入部６ｆは、上下方向Ａ２において下方向側に配置され、上方向側に向けて不活性ガスを流す第１導入部２１と、上下方向Ａ２において上方向側に配置され、下方向側に向けて不活性ガスを流す第２導入部２２とを有している。複数の不活性ガス導入部６ｆは、幅方向Ａ３において一方向側に配置され、他方向側に向けて不活性ガスを流す第３導入部２３と、幅方向Ａ３において他方向側に配置され、一方向側に向けて不活性ガスを流す第４導入部２４とを有している。

不活性ガス供給管６ｃは、不活性ガス貯留部６ａと第１導入部２１とを接続する第１供給部４１と、第１供給部４１から分岐して第３導入部２３に接続される第２供給部４２と、第１供給部４１から分岐して第４導入部２４に接続される第３供給部４３とを有している。また、不活性ガス供給部６は、第３供給部４３から分岐して第２導入部２２に接続される第４供給部４４とを有している。

〈ガス噴射ノズル〉
以下では、上記したガス噴射ノズル６ｂについてより詳細に説明する。

ガス噴射ノズル６ｂは、図２に示すように、レーザ透過窓２０にワークＷの加工点Ｐから噴出する金属蒸気のレーザ透過窓２０への付着を遮るように構成されている。具体的には、ガス噴射ノズル６ｂは、第１筒状部５０のレーザ透過窓２０よりもチャンバ３側に配置されている。すなわち、ガス噴射ノズル６ｂは、第１筒状部５０のレーザ透過窓２０よりも照射方向Ｅ側の位置に不活性ガスを噴射可能な位置に配置されている。

また、ガス噴射ノズル６ｂは、第１筒状部５０のレーザ透過窓２０よりも照射方向Ｅ側の位置に不活性ガスによるガスシールドを形成するように構成されている。具体的には、ガス噴射ノズル６ｂから排気口１２までの距離Ｌ１は、ガス噴射ノズル６ｂからレーザ透過窓２０までの距離Ｌ２よりも大きい。すなわち、ガス噴射ノズル６ｂは、噴射部１６２から噴射される不活性ガスにより形成されるガスシールドのシールド性に対する真空ポンプ９の排気による低下を抑制可能な位置に配置されている。

第１実施形態のガス噴射ノズル６ｂは、図４および図５に示すように、レーザ光Ｌが通過する光路孔１６１と、レーザ光Ｌの照射方向Ｅ側でかつ光軸Ａ側に向けて、不活性ガスを光路孔１６１内に噴射する噴射部１６２とを含んでいる。また、ガス噴射ノズル６ｂは、光路孔１６１の照射方向Ｅ側とは反対方向側に設けられる凹部１６３を含んでいる。なお、不活性ガスは、レーザ光ＬによるワークＷの溶接の際にワークＷからレーザ透過窓２０側（図２参照）に噴出する金属蒸気をシールドするためのシールドガスである。

光路孔１６１は、照射方向Ｅ側から視て円形形状に形成されている。光路孔１６１は、ガス噴射ノズル６ｂの照射方向Ｅ側から視たときの中心部分に配置されている。光路孔１６１は、照射方向Ｅに沿ってガス噴射ノズル６ｂを貫通している。光路孔１６１は、全体にわたって、照射方向Ｅに沿って照射方向Ｅに直交する一定の断面形状を有している。すなわち、光路孔１６１の照射方向Ｅに直交する断面形状は、ガス噴射ノズル６ｂの配置位置におけるレーザ光Ｌのスポット径Ｒ１以上でレーザ透過窓２０の直径Ｒ２（図２参照）より小さい円形形状を有している。

凹部１６３は、照射方向Ｅ側とは反対側から視て円形形状に形成されている。凹部１６３は、ガス噴射ノズル６ｂの照射方向Ｅ側とは反対側から視たときの中心部分に配置されている。凹部１６３は、照射方向Ｅ側とは反対側から視たとき光路孔１６１よりも大きい円形形状を有している。凹部１６３は、光路孔１６１に連通している。

図５に示すように、噴射部１６２は、レーザ光Ｌの照射方向Ｅ側でかつ光軸Ａ側に向けて、レーザ光Ｌの光軸Ａに対して所定の角度θ傾斜した方向に不活性ガスを噴射するように構成されている。

具体的には、噴射部１６２は、所定の角度θと略同じ角度傾斜している。すなわち、噴射部１６２は、レーザ光Ｌの光軸Ａに対して所定の角度θ傾斜した方向に延びるスリット形状に形成されている。ここで、所定の角度θは、レーザ光Ｌの光軸Ａに対して約３０度以上約９０度未満であることが好ましい。また、所定の角度θは、レーザ光Ｌの光軸Ａに対して約３０度以上約６０度以下であることがより好ましい。

また、噴射部１６２は、導入された不活性ガスの流速を大きくするように構成されている。具体的には、スリット形状の噴射部１６２は、微小なスリット幅Ｓを有している。スリット幅Ｓは、約０．３ｍｍ以上約０．７ｍｍ以下であることが好ましい。また、スリット幅Ｓは、約０．５ｍｍであることがより好ましい。なお、光路孔１６１の直径は、約３２ｍｍである。

このように、ガス噴射ノズル６ｂでは、噴射部１６２により所定の角度θかつ所定の流速に、不活性ガス導入部６ｆから導入される不活性ガスが整流される。

噴射部１６２は、光路孔１６１内に噴射した不活性ガスにより形成されるガスシールドのシールド性を安定させるように構成されている。具体的には、噴射部１６２は、光路孔１６１の内周面１６１ａに沿って周状に設けられている。すなわち、噴射部１６２は、周状のスリット形状に形成されている。ここで、スリット形状の噴射部１６２は、全体にわたって、所定の角度θと略同じ角度傾斜している。これにより、噴射部１６２により噴射された不活性ガスは、略円錐状のガスシールドを形成する。このように、噴射部１６２により光路孔１６１内に噴射した不活性ガスによって形成されるガスシールドは、光路孔１６１を覆う。

図４および図５に示すように、ガス噴射ノズル６ｂは、周状の噴射部１６２の外側に周状に設けられ、不活性ガス導入部６ｆから導入される不活性ガスが流れるバッファ空間１６４を含んでいる。すなわち、バッファ空間１６４には、不活性ガス導入部６ｆから導入される不活性ガスが充満する。バッファ空間１６４は、噴射部１６２から噴射される不活性ガスの流量を安定させて、噴射部１６２から噴射される不活性ガスにより形成されるガスシールドのシールド性を安定させるように構成されている。

これらにより、ガス噴射ノズル６ｂでは、噴射部１６２から噴射される不活性ガスの流量は、所定の流量になる。すなわち、所定の流量は、約４［Ｌ／ｍｉｎ］以上約１０［Ｌ／ｍｉｎ］以下であることが好ましい。また、所定の流量は、約４［Ｌ／ｍｉｎ］以上約６［Ｌ／ｍｉｎ］以下であることがより好ましい。

ガス噴射ノズル６ｂは、第１ノズル部材７１と、第２ノズル部材７２とに分けて設けられている。第１ノズル部材７１は、照射方向Ｅ側に配置されている。第２ノズル部材７２は、第１ノズル部材７１の照射方向Ｅ側とは反対側に隣接している。上記した光路孔１６１は、第１ノズル部材７１に形成された第１光路孔７１ａと、第２ノズル部材７２に形成された第２光路孔７２ａとを合わせて形成されている。上記したスリット形状の噴射部１６２は、第１ノズル部材７１と第２ノズル部材７２との境界部分の隙間により形成されている。上記したバッファ空間１６４は、第１ノズル部材７１に形成された第１バッファ空間７１ｂと、第２ノズル部材７２に形成された第２バッファ空間７２ｂとを合わせて形成されている。

ガス噴射ノズル６ｂは、第１ノズル７１を第２ノズル７２に取り付けることにより形成される隙間１６５を密閉する密閉材１６６を有している。隙間１６５は、スリット形状の噴射部１６２の延びる方向に沿った方向に延びている。密閉材１６６は、弾性材により形成されたＯリングである。密閉材１６６は、ガス噴射ノズル６ｂの径方向において、バッファ空間１６４よりも外側に配置されている。これにより、ガス噴射ノズル６ｂでは、不活性ガスが隙間１６５を通過して漏れることを抑制することが可能である。

このような構成のガス噴射ノズル６ｂは、アルミニウムなどの金属により形成されている。

（第１実施形態の効果）
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第１実施形態では、上記のように、レーザ光Ｌが通過する光路孔１６１と、レーザ光Ｌの照射方向Ｅ側でかつ光軸Ａ側に向けて、レーザ光ＬによるワークＷの溶接の際にワークＷからレーザ透過窓２０側に噴出する金属蒸気をシールドするための不活性ガスを光路孔１６１内に噴射する噴射部１６２とを含むガス噴射ノズル６ｂを設ける。これにより、ワークＷの溶接時にワークＷからレーザ透過窓２０に向かう金属蒸気に対して、噴射部１６２からレーザ光Ｌの照射方向Ｅ側でかつ光軸Ａ側に向けて噴射される不活性ガスを当てることにより、不活性ガスを充満させるだけの場合と異なり、ワークＷからレーザ透過窓２０に向かう金属蒸気を効果的に妨げることができる。また、レーザ光Ｌの光軸Ａに対して略直角な方向に不活性ガスを噴射する場合と比較して、ワークＷからレーザ透過窓２０に向かう金属蒸気を押し返す力を大きくすることができる。これらの結果、ワークＷの溶接時に金属蒸気がレーザ透過窓２０に付着することを効果的に抑制することができる。また、光路孔１６１内にレーザ光Ｌを通すことにより、レーザ光Ｌの照射を妨げることなく、ワークＷの溶接時に金属蒸気がレーザ透過窓２０に付着することを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、噴射部１６２を、レーザ光Ｌの照射方向Ｅ側でかつ光軸Ａ側に向けて、レーザ光Ｌの光軸Ａに対して所定の角度θ傾斜した方向に不活性ガスを噴射するように構成する。これにより、レーザ光Ｌの光軸Ａに対して略平行な方向に不活性ガスを噴射する場合と異なり、光路孔１６１を覆うガスシールドをより確実に形成することができる。これらの結果、ワークＷからレーザ透過窓２０に向かう金属蒸気を効果的に妨げることができるので、ワークＷの溶接時に金属蒸気がレーザ透過窓２０に付着することをより効果的に抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、噴射部１６２を、光路孔１６１の内周面１６１ａに沿って周状に設ける。これにより、噴射部１６２から光路孔１６１内にバランスよく（均一に）不活性ガスを噴射することができるので、光路孔１６１内に均一なガスシールドを形成することができる。この結果、金属蒸気に対する不活性ガスのシールド性を安定させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、噴射部１６２を、周状のスリット形状に形成する。これにより、複数の孔を形成することにより噴射部１６２を設ける場合と異なり、噴射部１６２から光路孔１６１内に隙間なく不活性ガスを噴射することができるので、光路孔１６１内により均一なガスシールドを形成することができる。この結果、金属蒸気に対する不活性ガスのシールド性をより安定させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、スリット形状の噴射部１６２を、全体にわたって、所定の角度θと略同じ角度傾斜させる。これにより、噴射部１６２の先端部のみを所定の角度θと略同じ角度傾斜させて所定の角度θ傾斜した方向に不活性ガスを噴射する場合と異なり、圧力損失が増加するのを抑制することができる。つまり、噴射部１６２内を通過する不活性ガスを円滑に流すことができるので、噴射部１６２から噴射する不活性ガスの流速が低下することを抑制することができる。この結果、噴射部１６２から噴射される不活性ガスの勢いが弱くなることを抑制することができるので、ワークＷからレーザ透過窓２０に向かう金属蒸気をより効果的に妨げることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、ガス噴射ノズル６ｂに、周状の噴射部１６２の外側に周状に設け、不活性ガス導入部６ｆから導入される不活性ガスが流れるバッファ空間１６４を設ける。これにより、周状のバッファ空間１６４により、噴射部１６２から噴射する不活性ガスの流量を安定させることができるので、光路孔１６１内により均一なガスシールドを形成することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、不活性ガス導入部６ｆを、ガス噴射ノズル６ｂの外周部に略等角度間隔に複数配置する。これにより、バッファ空間１６４内に滞留させる不活性ガスの量を安定させることができるので、光路孔１６１内により一層均一なガスシールドを形成することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、光路孔１６１を、全体にわたって、照射方向Ｅに沿って照射方向Ｅに直交する一定の断面形状により設ける。これにより、光路孔１６１が照射方向Ｅに沿って照射方向Ｅに直交する一定の断面形状を有していない場合と異なり、光路孔１６１に噴射された不活性ガスの流速の変化を抑制することができる。また、光路孔１６１に噴射された不活性ガスの流速が速くなる場合と異なり、光路孔１６１内の不活性ガスの流れが乱流になりにくいので、光路孔１６１内により均一なガスシールドを形成することができる。これらの結果、ワークＷからレーザ透過窓２０に向かって噴出する金属蒸気に対する不活性ガスのシールド性を安定させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、光路孔１６１の照射方向Ｅに直交する断面形状を、ガス噴射ノズル６ｂの配置位置におけるレーザ光Ｌのスポット径Ｒ１以上でレーザ透過窓２０の直径Ｒ２より小さい円形形状により設ける。これにより、光路孔１６１内にレーザ光Ｌを通過させつつ、ワークＷからレーザ透過窓２０に向かって噴出する金属蒸気の光路孔１６１の通過を抑制することができるので、ワークＷの溶接時に金属蒸気がレーザ透過窓２０に付着することをより一層抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、レーザ透過窓２０を透過したレーザ光Ｌが通過するとともに、チャンバ３と連通する筒状部５を設ける。レーザ透過窓２０およびガス噴射ノズル６ｂを、筒状部５に配置する。これにより、レーザ光Ｌが通過できる程度の内部寸法を有する筒状部５にガス噴射ノズル６ｂを配置することができるので、ワークＷが配置される比較的大きな容積のチャンバ３にガス噴射ノズル６ｂを配置する場合に比べて、ガス噴射ノズル６ｂが大型化するのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、第２筒状部６０の照射方向Ｅの長さを、第１筒状部５０の照射方向Ｅの長さよりも長くする。ガス噴射ノズル６ｂを、第１筒状部５０のレーザ透過窓２０よりもチャンバ３側に配置する。これにより、第２筒状部６０内において不活性ガスを拡散させ、さらに、ガス噴射ノズル６ｂから噴射される不活性ガスにより金属蒸気を妨げることができるので、ワークＷの溶接時に金属蒸気がレーザ透過窓２０に付着することをより確実に抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、ガス噴射ノズル６ｂから排気口１２までの距離Ｌ１を、ガス噴射ノズル６ｂからレーザ透過窓２０までの距離Ｌ２よりも大きくする。これにより、真空ポンプ９の排気により発生する負圧に起因して、噴射部１６２から噴射される不活性ガスが乱れることを抑制することできる。この結果、噴射部１６２から噴射される不活性ガスにより形成されるガスシールドのシールド性の低下を抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、噴射部１６２のスリット幅Ｓを適正な幅（約０．５ｍｍ）にすることにより、噴射部１６２から噴射される不活性ガスの流量を低減させることが可能である。

（レーザ溶接装置を用いたワークの溶接の実験結果）
次に、図６～図９を参照して、上記したレーザ溶接装置１および上記したレーザ溶接装置１の構成に変更を加えたレーザ溶接装置２０１を用いてワークＷの溶接を行った際のレーザ透過窓２０の汚れを示した実施例および比較例について説明する。

〈実施例〉
実施例について、図６および図７を参照して説明する。実施例は、上記したレーザ溶接装置１を用いてワークＷの溶接を行った際の実験結果である。

図６に示すように、レーザ溶接装置１では、第１筒状部５０内に配置されたガス噴射ノズル６ｂから噴射される不活性ガス（シールドガス）により、ワークＷの加工点Ｐから噴出する金属蒸気が遮られている。

実施例では、以下のような条件下で、レーザ溶接装置１によるワークＷ（トルクコンバータ１００）の溶接を行った。噴射部１６２の所定の角度θは、レーザ光Ｌの光軸Ａに対して６０度である。噴射部１６２のスリット幅Ｓは、０．５ｍｍである。噴射部１６２から噴射される不活性ガスの所定の流量は、５［Ｌ／ｍｉｎ］である。チャンバ３の内部空間３ｄの圧力は、０．１［ｋＰａ］である。レーザ光照射部２の出力は、４．０［ｋＷ］である。レーザ光照射部２の焦点距離Ｆは、９００［ｍｍ］である。不活性ガスは、窒素である。ガス噴射ノズル６ｂとレーザ透過窓２０との距離は、５０［ｍｍ］である。

図７に示すように、実施例の実験結果では、金属蒸気による汚れがレーザ透過窓２０に付着していない。この結果、筒状部５内においてガス噴射ノズル６ｂから噴射される不活性ガスにより形成されるガスシールドによって、ワークＷから噴出した金属蒸気を効果的に妨げていることがわかる。

〈比較例〉
比較例について、図８および図９を参照して説明する。比較例は、上記した実施例のレーザ溶接装置１とは構成が異なるレーザ溶接装置２０１を用いてワークＷの溶接を行った際の実験結果である。

図８に示すように、レーザ溶接装置２０１では、不活性ガス貯留部６ａから供給される不活性ガス（シールドガス）を第１筒状部２５０内に充満させることにより、ワークＷの加工点Ｐから噴出する金属蒸気が遮られている。

比較例では、以下のような条件下で、レーザ溶接装置２０１によるワークＷ（トルクコンバータ１００）の溶接を行った。不活性ガス貯留部６ａから供給される不活性ガスの流量は、１０［Ｌ／ｍｉｎ］である。チャンバ２０３の内部空間２０３ｄの圧力は、０．１［ｋＰａ］である。レーザ光照射部２０２の出力は、４．０［ｋＷ］である。レーザ光照射部２０２の焦点距離Ｆは、２５０［ｍｍ］である。不活性ガスは、窒素である。

図９に示すように、比較例の実験結果では、レーザ光照射部２０２によるワークＷの溶接を１回行った後、金属蒸気による汚れがレーザ透過窓２０に付着している。この結果、不活性ガス貯留部６ａから供給される不活性ガスを第１筒状部２５０内に充満させるだけでは、ワークＷから噴出した金属蒸気を効果的に妨げないことがわかる。

[第２実施形態]
次に、図１０を参照して、本発明の第２実施形態によるレーザ溶接装置３０１の構成について説明する。この第２実施形態のレーザ溶接装置３０１では、第１実施形態のレーザ溶接装置１とは異なり、排気口３１２を第２筒状部３６０に配置した例について説明する。なお、第１実施形態のレーザ溶接装置１と同様の構成については、同一の符号を付し説明を省略する。

（排気口）
排気口３１２は、真空ポンプ９に接続され、第２筒状部３６０の第１側面部３６４ａに形成されている。

（ガス噴射ノズル）
ガス噴射ノズル６ｂは、第１筒状部５０のレーザ透過窓２０よりもチャンバ３側に配置されている。また、ガス噴射ノズル６ｂは、第１筒状部５０のレーザ透過窓２０よりも照射方向Ｅ側の位置に不活性ガスによるガスシールドを形成するように構成されている。具体的には、ガス噴射ノズル６ｂから排気口３１２までの距離Ｌ１は、ガス噴射ノズル６ｂからレーザ透過窓２０までの距離Ｌ２よりも大きい。なお、第２実施形態のその他の構成は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

（第２実施形態の効果）
第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第２実施形態では、第１実施形態と同様に、ワークＷの溶接時にワークＷからレーザ透過窓２０に向かう金属蒸気に対して、噴射部１６２からレーザ光Ｌの照射方向Ｅ側でかつ光軸Ａ側に向けて噴射される不活性ガスを当てることにより、不活性ガスを筒状部５内に充満させているだけの場合と異なり、ワークＷからレーザ透過窓２０に向かう金属蒸気を効果的に妨げることができる。これにより、ワークＷの溶接時に金属蒸気がレーザ透過窓２０に付着することを抑制することができる。

また、第２実施形態では、上記のように、排気口３１２を第２筒状部６０に配置することにより、チャンバ３内に配置する場合と比較して、ワークＷの加工点Ｐ近傍に不活性ガスが流入することを抑制することができる。この結果、加工点Ｐの真空度を安定させることが可能であるので、ワークＷの溶接部分の品質を向上させることが可能である。なお、第２実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記第１および第２実施形態では、ワークＷがトルクコンバータ１００である例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ワークＷは、トルクコンバータ以外の機械構成品であってもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、レーザ光照射部２は、長焦点（焦点距離Ｆ：約９００［ｍｍ］）である例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、レーザ光照射部は、約９００［ｍｍ］を越える焦点距離を有していてもよい。

第１および第２実施形態では、ガス噴射ノズル６ｂは、第１筒状部５０のレーザ透過窓２０よりもチャンバ３側に配置されている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ガス噴射ノズルは、ガス噴射ノズルから排気口までの距離をガス噴射ノズルからレーザ透過窓までの距離よりも大きくできるのであれば、第２筒状部に配置してもよい。

第１および第２実施形態では、噴射部１６２は、所定の角度θと略同じ角度傾斜している例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、噴射部の全体ではなく噴射部の先端部のみが、所定の角度と略同じ角度傾斜しているだけでもよい。

上記第１および第２実施形態では、噴射部１６２は、スリット形状である例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、噴射部は、複数の微小な孔により形成されてもよい。

上記第１および第２実施形態では、不活性ガス導入部６ｆは、略９０度間隔で４個配置されている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、不活性ガス導入部は、１～３個または５個以上であってもよく、たとえば略１８０度間隔で不活性ガス導入部を２個配置してもよく、不活性ガス導入部を配置する角度と個数は限定されない。

上記第１および第２実施形態では、光路孔１６１は、照射方向Ｅ側から視て略円形形状に形成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、光路孔は、レーザ光を妨げなければ、照射方向側から視て四角形などの多角形形状であってもよく、光路孔の照射方向側から視た形状は限定されない。

１、２０１、３０１ レーザ溶接装置
２、２０２ レーザ光照射部
３、２０３ チャンバ
３ｄ、２０３ｄ 内部空間
５ 筒状部
６ｂ ガス噴射ノズル
６ｆ 不活性ガス導入部
９ 真空ポンプ（ポンプ）
１２、３１２ 排気口
２０ レーザ透過窓
５０ 第１筒状部
６０、３６０ 第２筒状部
１６１ 光路孔
１６２ 噴射部
１６４ バッファ空間
Ａ 光軸
θ 所定の角度
Ｅ 照射方向
Ｌ レーザ光
Ｌ１、Ｌ２ 距離
Ｗ ワーク

Claims (10)

1. ワークが配置される低圧の内部空間を有するチャンバと、
   前記ワークを溶接するレーザ光を照射するレーザ光照射部と、
   前記レーザ光照射部からの前記レーザ光を透過可能なレーザ透過窓と、
   前記レーザ透過窓よりも前記ワーク側に配置されるガス噴射ノズルとを備え、
   前記ガス噴射ノズルは、前記レーザ光が通過する光路孔と、前記レーザ光の照射方向側でかつ光軸側に向けて、前記レーザ光による前記ワークの溶接の際に前記ワークから前記レーザ透過窓側に噴出する金属蒸気をシールドするための不活性ガスを前記光路孔内に噴射する噴射部とを含み、
   前記噴射部は、前記レーザ光の前記照射方向側でかつ光軸側に向けて、前記レーザ光の光軸に対して所定の角度傾斜した方向に前記不活性ガスを噴射するように構成されており、
   前記噴射部は、周状のスリット形状に形成されている、レーザ溶接装置。
2. 前記噴射部は、前記光路孔の内周面に沿って周状に設けられている、請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 前記スリット形状の前記噴射部は、全体にわたって、前記所定の角度と略同じ角度傾斜している、請求項１に記載のレーザ溶接装置。
4. 前記ガス噴射ノズルに前記不活性ガスを導入する不活性ガス導入部をさらに備え、
   前記ガス噴射ノズルは、前記周状の前記噴射部の外側に周状に設けられ、前記不活性ガス導入部から導入される前記不活性ガスが流れるバッファ空間をさらに含む、請求項１または３に記載のレーザ溶接装置。
5. 前記不活性ガス導入部は、前記ガス噴射ノズルの外周部に略等角度間隔に複数配置されている、請求項４に記載のレーザ溶接装置。
6. 前記光路孔は、全体にわたって、前記照射方向に沿って前記照射方向に直交する一定の断面形状を有する、請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
7. 前記光路孔の前記照射方向に直交する断面形状は、前記ガス噴射ノズルの配置位置における前記レーザ光のスポット径以上で前記レーザ透過窓の直径より小さい円形形状を有する、請求項１～６のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
8. 前記レーザ透過窓を透過した前記レーザ光が通過するとともに、前記チャンバと連通する筒状部をさらに備え、
   前記レーザ透過窓および前記ガス噴射ノズルは、前記筒状部に配置されている、請求項１～７のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
9. 前記筒状部は、前記レーザ透過窓が配置される第１筒状部と、前記レーザ光が通過する空間を有するとともに、前記第１筒状部の前記照射方向側に隣接する第２筒状部とを含み、
   前記第２筒状部の前記照射方向の長さは、前記第１筒状部の前記照射方向の長さよりも長く、
   前記ガス噴射ノズルは、前記第１筒状部の前記レーザ透過窓よりも前記チャンバ側に配置されている、請求項８に記載のレーザ溶接装置。
10. 前記チャンバ内の空気を排気して前記チャンバの前記内部空間を低圧にするポンプをさらに備え、
    前記チャンバは、前記ポンプに接続される排気口を含み、
    前記ガス噴射ノズルから前記排気口までの距離は、前記ガス噴射ノズルから前記レーザ透過窓までの距離よりも大きい、請求項９に記載のレーザ溶接装置。

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