JP7441777B2 - サイドノズル、レーザ溶接機、及びレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、サイドノズル、レーザ溶接機、及びレーザ溶接方法に関する。

レーザ溶接機は、板金の溶接箇所にレーザビームを照射して溶接箇所を溶接するときに、溶融した金属が酸素と反応することを抑制するシールドガスを溶接箇所に噴射する。レーザ溶接機の溶接ヘッドには、溶接しようとする製品の種類または製品における溶接箇所の位置に応じて、各種のノズルが選択的に装着されて使用される（特許文献１参照）。

例えば、箱形の製品外側の山部分の溶接箇所を溶接する際には、サイドノズルが使用される。サイドノズルは、溶接ヘッドに取り付けられるヘッド取付部の側方にシールドガスを噴射するガス噴射ノズルが設けられている。レーザ溶接機がサイドノズルを使用して溶接箇所を溶接するとき、ガス噴射ノズルは溶接ヘッドの移動方向の後方より溶接箇所に向けてシールドガスを噴射する。サイドノズルを使用すると、溶接箇所のシールド性に優れるという利点がある。

一方、箱形の製品内側の谷部分の溶接箇所を溶接する際には、細型ノズルが使用される。レーザ溶接機が細型ノズルを使用して溶接箇所を溶接するとき、細型ノズルは溶接箇所の直上から溶接箇所に向けてシールドガスを噴射する。細型ノズルは、谷部分の溶接箇所に接近してシールドガスを噴射することができるという利点がある。

特開２０１５－５８４４８号公報

レーザ溶接機が山部分の溶接箇所と谷部分の溶接箇所との双方を溶接する場合、オペレータは、山部分の溶接箇所を溶接するときには溶接ヘッドにサイドノズルを取り付け、谷部分の溶接箇所を溶接するときには溶接ヘッドに細型ノズルを取り付ける必要がある。ノズルの交換によって溶接ヘッドに新たにサイドノズルを取り付けると、溶接箇所に対するガス噴射ノズルの位置調整が必要となる。溶接ヘッドに取り付けるノズルの交換は煩雑であり、加えて、位置調整等の時間を要するという問題がある。

溶接ヘッドに取り付けるノズルとしてサイドノズルを用いて、山部分の溶接箇所と谷部分の溶接箇所との双方を溶接することができるサイドノズル、レーザ溶接機、及びレーザ溶接方法の登場が望まれる。

１またはそれ以上の実施形態の第１の態様によれば、レーザ溶接機の溶接ヘッドに取り付けられ、前記溶接ヘッドより射出されて溶接箇所に照射されるレーザビームが通る開口を有するヘッド取付部と、前記ヘッド取付部の側方に取り付けられ、シールドガスを前記溶接箇所に噴射するガス噴射ノズルとを備え、前記ガス噴射ノズルは、前記ヘッド取付部に近い側に配置され、第１のガス配管によってシールドガスが供給されるメインノズルと、前記メインノズルよりも前記ヘッド取付部から離れて前記メインノズルに隣接するように配置され、第２のガス配管によってシールドガスが供給されるサブノズルとを有し、前記サブノズルは、前記メインノズルに対して着脱自在であるサイドノズルが提供される。

１またはそれ以上の実施形態の第２の態様によれば、レーザ発振器と、前記レーザ発振器より射出されたレーザビームが供給される溶接ヘッドと、前記溶接ヘッドに取り付けられたサイドノズルとを備え、前記サイドノズルは、前記溶接ヘッドに取り付けられ、前記溶接ヘッドより射出されて溶接箇所に照射されるレーザビームが通る開口を有するヘッド取付部と、前記ヘッド取付部の側方に取り付けられ、シールドガスを前記溶接箇所に噴射するガス噴射ノズルとを有し、前記ガス噴射ノズルは、前記ヘッド取付部に近い側に配置され、第１のガス配管によってシールドガスが供給されるメインノズルと、前記メインノズルよりも前記ヘッド取付部から離れて前記メインノズルに隣接するように配置され、第２のガス配管によってシールドガスが供給されるサブノズルとを有し、前記サブノズルは、前記メインノズルに対して着脱自在であるレーザ溶接機が提供される。

１またはそれ以上の実施形態の第３の態様によれば、レーザ発振器より射出されたレーザビームを溶接ヘッドに供給し、前記溶接ヘッドに供給されたレーザビームを、サイドノズルに備えられており、レーザビームが通る開口を有して前記溶接ヘッドに取り付けられたヘッド取付部を介して溶接箇所に照射し、製品外側の山部分の溶接箇所を溶接する際には、前記ヘッド取付部の側方に取り付けられたガス噴射ノズルを、前記ヘッド取付部に近い側に配置され、第１のガス配管によってシールドガスが供給されるメインノズルと、前記メインノズルよりも前記ヘッド取付部から離れて前記メインノズルに隣接するように配置され、第２のガス配管によってシールドガスが供給されるサブノズルとを一体化した状態で、前記メインノズル及び前記サブノズルより前記溶接箇所にシールドガスを噴射し、製品内側の谷部分の溶接箇所を溶接する際には、前記ガス噴射ノズルを、前記サブノズルを前記メインノズルより分離して前記メインノズルのみの状態として、前記メインノズルより前記溶接箇所にシールドガスを噴射するレーザ溶接方法が提供される。

１またはそれ以上の実施形態のサイドノズル、レーザ溶接機、及びレーザ溶接方法によれば、溶接ヘッドに取り付けるノズルとしてサイドノズルを用いて、山部分の溶接箇所と谷部分の溶接箇所との双方を溶接することができる。

図１は、１またはそれ以上の実施形態のレーザ溶接機を示す側面図である。 図２は、メインノズルとサブノズルとを一体化した状態のガス噴射ノズルを備える１またはそれ以上の実施形態のサイドノズルを示す斜視図である。 図３は、サブノズルをメインノズルより分離した状態のガス噴射ノズルを備える１またはそれ以上の実施形態のサイドノズルを示す斜視図である。 図４は、サブノズルを裏面から見た平面図である。 図５は、ガス噴射ノズルの詳細な構成を示す平面図である。 図６は、比較例としてのガス噴射ノズルを示す平面図である。 図７Ａは、図２に示すメインノズルとサブノズルとを一体化した状態のガス噴射ノズルよりシールドガスを噴射しているときのシールドガスの流れを、シュリーレン装置及び高速度カメラで解析した図面代用写真である。 図７Ｂは、図６に示すガス噴射ノズルよりシールドガスを噴射しているときのシールドガスの流れを、シュリーレン装置及び高速度カメラで解析した図面代用写真である。 図８Ａは、図２に示すガス噴射ノズルを用いて山部分の溶接箇所を溶接したときの加工品質を示す図面代用写真である。 図８Ｂは、図６に示すガス噴射ノズルを用いて山部分の溶接箇所を溶接したときの加工品質を示す図面代用写真である。 図９Ａは、図２に示すガス噴射ノズルに多孔質金属体で構成されている整流部材を装着したときのシールドガスの流れを、シュリーレン装置及び高速度カメラで解析した図面代用写真である。 図９Ｂは、図２に示すガス噴射ノズルにメッシュ材を積層した整流部材を装着したときのシールドガスの流れを、シュリーレン装置及び高速度カメラで解析した図面代用写真である。 図１０Ａは、多孔質金属体で構成されている整流部材を装着したガス噴射ノズルを用いて板金の角部にＲ面取り加工を施したときの加工品質を示す図面代用写真である。 図１０Ｂは、図１０Ａの一点鎖線の丸で囲んだ部分の図面代用拡大写真である。 図１０Ｃは、メッシュ材を積層した整流部材を装着したガス噴射ノズルを用いて板金の角部にＲ面取り加工を施したときの加工品質を示す図面代用写真である。 図１０Ｄは、図１０Ｃの一点鎖線の丸で囲んだ部分の図面代用拡大写真である。

以下、１またはそれ以上の実施形態のサイドノズル、レーザ溶接機、及びレーザ溶接方法について、添付図面を参照して説明する。

図１において、ロボット型のレーザ溶接機１００は、多関節ロボット１０、溶接ヘッド２０、溶接ヘッド２０に取り付けられたサイドノズル３０、レーザ発振器４０を備える。溶接ヘッド２０は、多関節ロボット１０のアーム１１の先端に取り付けられている。レーザ発振器４０は、一例としてファイバレーザ発振器である。レーザ発振器４０が発振して射出されるレーザビームは、光ファイバ４１を介して溶接ヘッド２０へと供給される。サイドノズル３０は、レーザビームを溶接対象の板金Ｗの溶接箇所に照射する。サイドノズル３０は、ガス噴射ノズルより溶接箇所に向けて窒素ガスまたはアルゴンガスよりなるシールドガスを噴射する。

図２～図５を用いて、サイドノズル３０の詳細な構成を説明する。図２に示すように、サイドノズル３０は、溶接ヘッド２０に取り付けられるヘッド取付部３１を備える。ヘッド取付部３１は、上端部に円形の開口３１ａを有し、下端部に図示されていない円形の開口を有する。溶接ヘッド２０より射出された一点鎖線で示すレーザビームは、上端部の開口３１ａ及び下端部の開口を通って溶接箇所に照射される。

ヘッド取付部３１の側方には、シールドガスを噴射するガス噴射ノズル３２が取り付けられている。ガス噴射ノズル３２は、メインノズル３２１とサブノズル３２２とより構成されている。メインノズル３２１は、ヘッド取付部３１に近い側に配置されている。サブノズル３２２は、メインノズル３２１よりもヘッド取付部３１から離れてメインノズル３２１に隣接するように配置されている。サブノズル３２２は、メインノズル３２１に対して着脱自在である。即ち、メインノズル３２１とサブノズル３２２とは互いに分離可能に構成されている。図３は、サブノズル３２２をメインノズル３２１より取り外した状態を示している。

図２または図３に示すように、メインノズル３２１には、サブノズル固定体３３を介して第１の支持体３４が取り付けられている。図４は、サブノズル３２２を裏面から見た状態を示している。サブノズル３２２の上方位置には、Ｌ字状の取付具３２３がねじ止めされており、取付具３２３には、上方に突出するＬ字状の固定具３２４がねじ止めされている。固定具３２４の側面３２４１と鉤状の先端部３２４２の下面３２４３とをサブノズル固定体３３の側面３３１及び上面３３２にそれぞれ接触させて、サブノズル着脱ボルト３５を締め付けることにより、サブノズル３２２はメインノズル３２１に固定される。

図３及び図４より理解できるように、サブノズル３２２のメインノズル３２１に接近または離隔する方向の位置は、側面３２４１及び３３１が接触することによって位置決めされる。サブノズル３２２の第１の支持体３４に接近または離隔する方向の位置は、固定具３２４の第１の支持体３４と対向する側の端面が第１の支持体３４に接触することによって位置決めされる。よって、メインノズル３２１とサブノズル３２２とは、常に一定の状態で連結される。

第１の支持体３４は、上下調整ボルト３６によって第２の支持体３７に固定されている。第１の支持体３４は、第２の支持体３７に対する上下方向の位置を調整自在とされている。第１の支持体３４の第２の支持体３７に対する上下方向の位置を調整して上下調整ボルト３６を締め付けることにより、第１の支持体３４の第２の支持体３７に対する上下方向の位置が固定される。

ヘッド取付部３１には、第３の支持体３８が固定されている。第２の支持体３７の第３の支持体３８に対する回転方向の位置が調整されて回転調整ボルト３９を締め付けることにより、第２の支持体３７の第３の支持体３８に対する回転方向の位置が固定される。

このように、ガス噴射ノズル３２は回転方向の位置が調整されるので、ガス噴射ノズル３２の先端部（下端部）をレーザビームが照射される溶接箇所に接近させたり離隔させたりすることができる。ガス噴射ノズル３２の先端部の位置は、溶接箇所に照射されるレーザビームに干渉することなく、溶接箇所から離れすぎていない適切な位置となるように調整される。

レーザ溶接機１００が谷部分の溶接箇所を溶接するとき、ガス噴射ノズル３２が製品と干渉してしまうことがある。この場合、第１の支持体３４を第２の支持体３７に対して上方向の位置に固定することによって、ガス噴射ノズル３２（メインノズル３２１）が製品と干渉することを回避することができる。第２の支持体３７には、矢印状のインジケータ３０３がボルト３０４によって固定されている。ヘッド取付部３１には、マーク３０１及び３０２が設けられている。ボルト３０４を緩めれば、インジケータ３０３の回転方向の位置を調整することができる。

ガス噴射ノズル３２及び第１の支持体３４を下方に位置させているときには、図２及び図３に示すように、オペレータは、インジケータ３０３が下方のマーク３０２を指すようにインジケータ３０３の回転方向の位置を調節する。ガス噴射ノズル３２及び第１の支持体３４を上方に位置させているときには、オペレータは、インジケータ３０３が上方のマーク３０１を指すようにインジケータ３０３の回転方向の位置を調節する。これによって、ガス噴射ノズル３２が上方に位置しているか下方にしているかを容易に判断することができる。

メインノズル３２１には、メインノズル３２１用のガス配管３１１（第１のガス配管）によってシールドガスが供給される。サブノズル３２２には、サブノズル３２２用のガス配管３１２（第２のガス配管）によってシールドガスが供給される。メインノズル３２１の図示されていないガス供給口には、メインノズル３２１に供給するシールドガスの供給装置からシールドガスが供給される。メインノズル３２１は先端部（下端部）からシールドガスを噴射する。サブノズル３２２のガス供給口３１３には、サブノズル３２２に供給するシールドガスの供給装置からシールドガスが供給される。サブノズル３２２は先端部（下端部）からシールドガスを噴射する。

図２に示すように、ガス供給口３１３とガス配管接続部３２２１との間には、ワンタッチ継手３１４が設けられている。サブノズル３２２をメインノズル３２１より取り外す場合には、ワンタッチ継手３１４を外すことによってガス配管３１２がガス供給口３１３と非連結とされる。

図５を用いて、ガス噴射ノズル３２の詳細な構成を説明する。メインノズル３２１は、図示のような形状に切断された金属の柱状体にドリルで断面円形の貫通孔よりなるメイン管路３２１ｈを形成したものである。メインノズル３２１は、溶接箇所で反射したレーザビームによって溶融しにくい銅によって形成することが好ましい。メイン管路３２１ｈの内径は例えば１２ｍｍである。

サブノズル３２２は、図示のような形状に切断された金属の板状体にドリルで断面円形の２本の貫通孔よりなるサブ管路３２２ｈ１（第１のサブ管路）及びサブ管路３２２ｈ２（第２のサブ管路）を形成したものである。サブノズル３２２を銅によって形成してもよいが、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成することが好ましい。サブノズル３２２をアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成すれば、サイドノズル３０を軽量化することができる。サイドノズル３０を軽量化すれば、多関節ロボット１０が溶接ヘッド２０及びサイドノズル３０を動かす際の負担を軽減することができる。

サブノズル３２２は溶接箇所から離れているので、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成しても溶融することはない。サブ管路３２２ｈ１及び３２２ｈ２の内径も例えば１２ｍｍである。

メイン管路３２１ｈは、屈曲部ｈ３より下方の傾斜直線部ｈ１と、屈曲部ｈ３より上方の直線部ｈ２とを有する。屈曲部ｈ３は、傾斜直線部ｈ１と直線部ｈ２との境界である。直線部ｈ２はレーザビームの進行方向とほぼ平行であり、傾斜直線部ｈ１は屈曲部ｈ３から溶接箇所に近付くように傾斜している。

サブ管路３２２ｈ１及び３２２ｈ２は、それぞれ、屈曲部ｈ１３及びｈ２３より下方の傾斜直線部ｈ１１及びｈ２１と、屈曲部ｈ１３及びｈ２３より上方の直線部ｈ１２及びｈ２２とを有する。屈曲部ｈ１３及びｈ２３は、傾斜直線部ｈ１１及びｈ２１と直線部ｈ１２及びｈ２２との境界である。直線部ｈ１２及びｈ２２はレーザビームの進行方向とほぼ平行であり、傾斜直線部ｈ１１及びｈ２１は、それぞれ、屈曲部ｈ１３及びｈ２３から溶接箇所に近付くように傾斜している。

メイン管路３２１ｈとサブ管路３２２ｈ１及び３２２ｈ２の屈曲部ｈ３、ｈ１３、及びｈ２３は、ガス噴射ノズル３２の高さ方向の中央よりも上方に形成されている。ガス噴射ノズル３２のシールドガスが入射される上端部を第１の端部、シールドガスを噴射する下端部を第２の端部とすれば、屈曲部ｈ３、ｈ１３、及びｈ２３は、第１の端部と前記第２の端部との中央よりも第１の端部側に形成されている。直線部ｈ２、ｈ１２、及びｈ２２に供給されたシールドガスは、屈曲部ｈ３、ｈ１３、及びｈ２３で進行方向が曲げられて、傾斜直線部ｈ１、ｈ１１、及びｈ２１に進む。

傾斜直線部ｈ１、ｈ１１、及びｈ２１は、屈曲部ｈ３、ｈ１３、及びｈ２３からガス噴射ノズル３２の先端に向かうに従って、互いの間隔が狭くなるように形成されている。よって、ガス噴射ノズル３２の上端の直線部ｈ２、ｈ１２、及びｈ２２から供給されたシールドガスは、溶接箇所に向かって収束した状態で噴射される。傾斜直線部ｈ１、ｈ１１、及びｈ２１の先端が、シールドガスの噴出口である。

直線部ｈ２、ｈ１２、及びｈ２２の上端部には、シールドガスを整流する整流部材３２５が装着されている。直線部ｈ２、ｈ１２、及びｈ２２の上端部は内径が１４ｍｍに拡大されており、内径が拡大された部分が整流部材３２５を収納する収納部ｈ２０、ｈ１２０、及びｈ２２０となっている。整流部材３２５は、多孔質金属体で構成されていることが好ましい。多孔質金属体は一例としてニッケルによって構成されている。整流部材３２５は直径１４ｍｍ（マイナス公差）で厚さ約１０ｍｍの円柱形であり、直線部ｈ２、ｈ１２、及びｈ２２の各収納部ｈ２０、ｈ１２０、及びｈ２２０に２つずつ装着されている。

溶接箇所で反射したレーザビームがガス噴射ノズル３２の先端部より傾斜直線部ｈ１、ｈ１１、またはｈ２１内に侵入することがある。ガス噴射ノズル３２は屈曲部ｈ３、ｈ１３、及びｈ２３を有するため、レーザビームが整流部材３２５に到達して整流部材３２５を損傷することを軽減することができる。

レーザ溶接機１００が溶接ヘッド２０にサイドノズル３０を取り付けて、例えば箱形の製品外側の山部分の溶接箇所と製品内側の谷部分の溶接箇所を溶接するとき、オペレータは、ガス噴射ノズル３２を次のように使い分ける。

まず、製品外側の山部分の溶接箇所を溶接する際には、図２に示すように、オペレータは、ガス噴射ノズル３２をメインノズル３２１とサブノズル３２２とを一体化した状態とする。図２では図示されていない溶接ヘッド２０から供給されたレーザビームは、溶接ヘッド２０を介して溶接箇所に照射される。このとき、溶接箇所には、メインノズル３２１のメイン管路３２１ｈとサブノズル３２２の２本のサブ管路３２２ｈ１及び３２２ｈ２を通って供給されるシールドガスが噴射される。レーザ溶接機１００は、溶接ヘッド２０及びサイドノズル３０を矢印で示す移動方向に移動させ、メインノズル３２１及びサブノズル３２２は移動方向の後方より溶接箇所に向けてシールドガスを噴射する。

メインノズル３２１とサブノズル３２２とを一体化した状態のガス噴射ノズル３２が溶接箇所にシールドガスを噴射することにより、溶接箇所は良好にシールドされる。さらに、ガス噴射ノズル３２が図５に示すように構成されていることにより、ガス噴射ノズル３２を備えるサイドノズル３０を使用すると、従来のサイドノズルを使用する場合よりも溶接箇所は良好にシールドされる。従来のサイドノズルとサイドノズル３０とのシールド性の比較については後述する。

一方、製品内側の谷部分の溶接箇所を溶接する際には、図３に示すように、オペレータは、サブノズル３２２をメインノズル３２１より分離してガス噴射ノズル３２をメインノズル３２１のみの状態とする。このとき、上記のように、メインノズル３２１が製品と干渉する場合には、第１の支持体３４を第２の支持体３７に対して上方向の位置に固定してメインノズル３２１が製品と干渉することを回避する。溶接箇所には、メインノズル３２１のメイン管路３２１ｈを通って供給されるシールドガスが噴射される。

レーザ溶接機１００は、図３では図示されていない溶接ヘッド２０及びサイドノズル３０を矢印で示す移動方向に移動させ、メインノズル３２１は移動方向の後方より溶接箇所に向けてシールドガスを噴射する。

製品内側の谷部分の溶接箇所を溶接するために、サイドノズル３０をメインノズル３２１のみとすることにより、溶接箇所への接近性を大幅に向上させることができる。サイドノズル３０をメインノズル３２１のみとすることにより、溶接箇所への接近性を、細型ノズルを使用する場合と同様に近付けることができる。

製品外側の山部分の溶接箇所を溶接する場合と製品内側の谷部分の溶接箇所を溶接する場合とで、溶接ヘッド２０に取り付けるノズルはサイドノズル３０で維持されている。従って、サイドノズル３０を細型ノズルに交換する必要はなく、溶接ヘッド２０に装着するノズルを交換するという煩雑な作業は不要である。また、溶接箇所とメインノズル３２１との位置関係はメインノズル３２１にサブノズル３２２を取り付けても、サブノズル３２２をメインノズル３２１より分離しても変わらない。従って、ガス噴射ノズル３２（メインノズル３２１）の角度を調整して、溶接箇所とメインノズル３２１との位置関係を再調整する必要もない。

メインノズル３２１とサブノズル３２２とを一体化した状態と、サブノズル３２２をメインノズル３２１より分離した状態とで、高々、ガス噴射ノズル３２（メインノズル３２１）の上下方向の位置を調整するのみでよい。

次に、従来のサイドノズルとサイドノズル３０とのシールド性を比較する。図６は、従来のサイドノズルが備える比較例としてのガス噴射ノズル３２０を示している。ガス噴射ノズル３２０は、メイン管路ｍｈと２本のサブ管路ｓｈ１及びｓｈ２を備える。メイン管路ｍｈ及びサブ管路ｓｈ１は直線状に形成されている。サブ管路ｓｈ２は、下端部近傍の位置に屈曲部ｓｈ２１を有する。サブ管路ｓｈ２は、上端部から屈曲部ｓｈ２１まで直線状に形成されている。メイン管路ｍｈと２本のサブ管路ｓｈ１及びｓｈ２の内径は１２ｍｍである。ガス噴射ノズル３２０は、銅によって形成されている。

メイン管路ｍｈと２本のサブ管路ｓｈ１及びｓｈ２の上端部は内径が拡大されており、内径が拡大された部分の収納部にシールドガスを整流する整流部材３２６が装着されている。整流部材３２６は、円形のメッシュ材を、２つのメッシュ材の間にスペーサを介して例えば１０枚積層することによって構成されている。但し、ここでの従来のサイドノズルとサイドノズル３０とのシールド性の比較においては、整流部材３２５を共通に用いて行った。

図７Ａは、メインノズル３２１とサブノズル３２２とを一体化した状態のガス噴射ノズル３２よりシールドガスを噴射しているときのシールドガスの流れを、シュリーレン装置及び高速度カメラで解析した写真である。メインノズル３２１（メイン管路３２１ｈ）の流量を１０リットル／分、サブノズル３２２（サブ管路３２２ｈ１及び３２２ｈ２の合計）の流量を２０リットル／分としている。図７Ｂは、図６に示すガス噴射ノズル３２０よりシールドガスを噴射しているときのシールドガスの流れを、シュリーレン装置及び高速度カメラで解析した写真である。メイン管路ｍｈの流量を１０リットル／分、サブ管路ｓｈ１及びｓｈ２の合計の流量を２０リットル／分としている。

図７Ａと図７Ｂとを比較すれば、ガス噴射ノズル３２を用いた図７Ａの方が、ガス噴射ノズル３２０を用いた図７Ｂよりも乱流が少なく層流となっていることが分かる。図７Ｂにおいて乱流が多いのは、サブ管路ｓｈ２の下端部近傍の位置に屈曲部ｓｈ２１が形成されていることにより、シールドガスが流れる方向が変化するからと考えられる。上記のように、メイン管路３２１ｈとサブ管路３２２ｈ１及び３２２ｈ２の屈曲部ｈ３、ｈ１３、及びｈ２３は、ガス噴射ノズル３２の高さ方向の中央よりも上方に位置している。少なくともガス噴射ノズル３２の高さ方向の中央から下端部までは、メイン管路３２１ｈとサブ管路３２２ｈ１及び３２２ｈ２は屈曲部を有さず直線状であるのがよい。

なお、管路の内径が小さいほどシールドガスの流速が速くなり、乱流を発生させる要因となる。ガス噴射ノズル３２においては適宜の範囲で内径が大きいほど、乱流の低減に補助的な作用をもたらしていると考えられる。

図８Ａ及び図８Ｂを用いて、ガス噴射ノズル３２を用いた場合とガス噴射ノズル３２０を用いた場合との加工品質を比較する。図８Ａ及び図８Ｂは、板厚１．５ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の２枚の板金を半引き角継手で溶接した場合を例とする。半引き角継手とは、一方の板金の面の端部を他方の板金の板厚の中央部に位置させた状態で溶接することである。

シールドガスとしてアルゴンガスを用い、メイン管路３２１ｈまたはｍｈの流量を３０リットル／分、サブ管路３２２ｈ１及び３２２ｈ２またはｓｈ１及びｓｈ２の流量を４０リットル／分としている。

図８Ａに示すように、ガス噴射ノズル３２を用いた場合には、溶接箇所である２枚の板金の角部は溶接の開始端である右側端部から終端の左側端部まで加工品質が良好である。一方、図８Ｂに示すように、ガス噴射ノズル３２０を用いた場合には、２枚の板金の角部における溶接の開始端側の一点鎖線で囲んだ範囲において、ビード焼けが発生し、加工品質が良好でない。図８Ａ及び図８Ｂでは、溶接箇所のシールド能力を比較するために、ガス留め用ジグを使用せず溶接している。

さらに、多孔質金属体で構成されている整流部材３２５と、メッシュ材を１０枚積層した整流部材３２６とのシールド性を比較する。上記のように、整流部材３２６は従来のサイドノズルが備えるガス噴射ノズル３２０で用いられている。整流部材３２５と整流部材３２６とのシールド性を比較するため、ガス噴射ノズル３２を備えるサイドノズル３０を共通に用い、収納部ｈ２０、ｈ１２０、及びｈ２２０に整流部材３２５と整流部材３２６とを選択的に装着してシールドガスの流れを解析する。

図９Ａは、多孔質金属体で構成されている整流部材３２５を用いてガス噴射ノズル３２よりシールドガスを噴射しているときのシールドガスの流れを、シュリーレン装置及び高速度カメラで解析した写真である。図９Ｂは、メッシュ材を１０枚積層した整流部材３２６を用いてガス噴射ノズル３２よりシールドガスを噴射しているときのシールドガスの流れを、シュリーレン装置及び高速度カメラで解析した写真である。いずれも、メインノズル３２１（メイン管路３２１ｈ）の流量を１０リットル／分、サブノズル３２２（サブ管路３２２ｈ１及び３２２ｈ２の合計）の流量を２０リットル／分としている。

図９Ａと図９Ｂとを比較すれば、多孔質金属体で構成されている整流部材３２５用いた図９Ａの方が、メッシュ材を１０枚積層した整流部材３２６を用いた図９Ｂよりも乱流が少なく層流となっていることが分かる。整流部材以外の条件が同じであるため、多孔質金属体で構成されている整流部材３２５はシールドガスの流れを層流に近付ける効果を奏することが分かる。

図１０Ａ～図１０Ｄを用いて、整流部材３２５を用いた場合と整流部材３２６を用いた場合との加工品質を比較する。図１０Ａ～図１０Ｄは板金にＲ面取り加工を施した場合を例とする。Ｒ面取り加工とは角部を丸く面取りする加工である。図１０Ａ及び図１０Ｂは整流部材３２５を用いた場合を示し、図１０Ｃ及び図１０Ｄは整流部材３２６を用いた場合を示している。

シールドガスとしてアルゴンガスを用い、メイン管路３２１ｈの流量を３０リットル／分、サブ管路３２２ｈ１及び３２２ｈ２の流量を４０リットル／分としている。

図１０Ｂ及び図１０Ｄは、それぞれ、図１０Ａ及び図１０Ｃに一点鎖線の丸で囲んで示す溶接の開始端側である端部の拡大写真である。図１０Ｂと図１０Ｄとを比較すれば明らかなように、多孔質金属体で構成されている整流部材３２５を用いた図１０Ａ及び図１０Ｂの方が、ビード焼けが少なく加工品質が良好である。図１０Ｃ及び図１０Ｄよりも図１０Ａ及び図１０Ｂの方が加工品質が良好であるのは、整流部材３２５を用いる方が、ガス噴射ノズル３２から噴射されるシールドガスに乱流が少なく層流となっているからと考えられる。

整流部材３２５を用いる場合、整流部材３２５が損傷して交換が必要になったときに、整流部材３２５の交換が容易であるという効果も奏する。円形のメッシュ材を積層した整流部材３２６を用いる場合、整流部材３２６が損傷して交換が必要になったときには、円形のメッシュ材を積層して整流部材３２６を作製するという工数が必要であるので、整流部材３２６を交換する作業が煩雑である。

以上のように、１またはそれ以上の実施形態のサイドノズル３０は、メインノズル３２１に対して着脱自在のサブノズル３２２を有するガス噴射ノズル３２を備える。従って、溶接ヘッド２０に取り付けるノズルとして１つのサイドノズル３０を用いながら、山部分の溶接箇所と谷部分の溶接箇所との双方を溶接することができる。谷部分の溶接箇所を溶接するときに、溶接ヘッド２０に取り付けるノズルを細型ノズルに交換する必要はない。このとき、メインノズル３２１を銅によって形成し、サブノズル３２２をアルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成すれば、サイドノズル３０を軽量化することができる。

ガス噴射ノズル３２は次のように構成されていることが好ましい。メインノズル３２１はメイン管路３２１ｈを有し、サブノズル３２２の２つのサブ管路３２２ｈ１及び３２２ｈ２を有する。メイン管路３２１ｈ及びサブ管路３２２ｈ１及び３２２ｈ２は、シールドガスが入射される第１の端部側に形成された直線部ｈ２、ｈ１２、及びｈ２２と、シールドガスを噴射する第２の端部側に形成された傾斜直線部ｈ１、ｈ１１及びｈ２１とを有する。直線部ｈ２、ｈ１２、及びｈ２２と傾斜直線部ｈ１、ｈ１１及びｈ２１との間は、屈曲部ｈ３、ｈ１３、及びｈ２３となっている。屈曲部ｈ３、ｈ１３、及びｈ２３を第１の端部と前記第２の端部との中央よりも第１の端部側に形成し、傾斜直線部ｈ１、ｈ１１及びｈ２１には、屈曲部が形成されていない。

ガス噴射ノズル３２をこのように構成すれば、シールドガスの乱流を少なくして層流に近付けることができ、加工品質を向上させることができる。

第１の端部側の直線部ｈ２、ｈ１２、及びｈ２２に、多孔質金属体で構成された、シールドガスを整流する整流部材３２５を装着することが好ましい。多孔質金属体で構成された整流部材３２５を装着すると、メッシュ材を積層した整流部材３２６装着した場合よりもシールドガスの乱流を少なくして層流に近付けることができる。よって、加工品質をさらに向上させることができる。

１またはそれ以上の実施形態のレーザ溶接機１００は、溶接ヘッド２０に以上のように構成されたサイドノズル３０を取り付けているので、溶接ヘッド２０に取り付けるノズルを交換することなく、山部分の溶接箇所と谷部分の溶接箇所との双方を溶接することができる。１またはそれ以上の実施形態のレーザ溶接機１００は、ガス噴射ノズル３２を上記のような具体的な構成とすることにより、良好な加工品質で板金Ｗを溶接することができる。

１またはそれ以上の実施形態のレーザ溶接方法は、製品外側の山部分の溶接箇所を溶接する際には、メインノズルとサブノズルとを一体化した状態で溶接箇所にシールドガスを噴射する。また、１またはそれ以上の実施形態のレーザ溶接方法は、製品内側の谷部分の溶接箇所を溶接する際には、メインノズルのみの状態として溶接箇所にシールドガスを噴射する。よって、溶接ヘッド２０に取り付けるノズルを細型ノズルに交換することなく、山部分と谷部分双方の溶接箇所を溶接することができる。

本発明は以上説明した１またはそれ以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。図２及び図３においては、溶接ワイヤ（フィラーワイヤ）を供給する溶接ワイヤ供給部の図示を省略している。板金Ｗの溶接時に溶接ワイヤが使用されることがあってもよい。

１０ 多関節ロボット
１１ アーム
２０ 溶接ヘッド
３０ サイドノズル
３１ ヘッド取付部
３１ａ 開口
３２ ガス噴射ノズル
３１１ ガス配管（第１のガス配管）
３１２ ガス配管（第２のガス配管）
３２１ メインノズル
３２１ｈ メイン管路
３２２ サブノズル
３２２ｈ１ サブ管路（第１のサブ管路）
３２２ｈ２ サブ管路（第２のサブ管路）
４０ レーザ発振器
４１ 光ファイバ
１００ レーザ溶接機
ｈ１，ｈ１１，ｈ２１ 傾斜直線部
ｈ２，ｈ１２，ｈ２２ 直線部
ｈ３，ｈ１３，ｈ２３ 屈曲部
Ｗ 板金

Claims (7)

1. レーザ溶接機の溶接ヘッドに取り付けられ、前記溶接ヘッドより射出されて溶接箇所に照射されるレーザビームが通る開口を有するヘッド取付部と、
   前記ヘッド取付部の側方に取り付けられ、シールドガスを前記溶接箇所に噴射するガス噴射ノズルと、
   を備え、
   前記ガス噴射ノズルは、
   前記ヘッド取付部に近い側に配置され、第１のガス配管によってシールドガスが供給されるメインノズルと、
   前記メインノズルよりも前記ヘッド取付部から離れて前記メインノズルに隣接するように配置され、第２のガス配管によってシールドガスが供給されるサブノズルと、
   を有し、
   前記サブノズルは、前記メインノズルに対して着脱自在である
   サイドノズル。
2. 前記メインノズルは銅によって形成され、
   前記サブノズルは、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成されている
   請求項１に記載のサイドノズル。
3. 前記メインノズルは、金属の柱状体に形成された貫通孔よりなるメイン管路を有し、
   前記サブノズルは、金属の板状体に形成された２本の貫通孔よりなる第１及び第２のサブ管路を有し、
   前記メイン管路と前記第１及び第２のサブ管路は、
   シールドガスが入射される第１の端部側に形成された直線部と、
   シールドガスを噴射する第２の端部側に形成され、前記溶接箇所に近付くように傾斜する傾斜直線部と、
   前記直線部と前記傾斜直線部との境界であってシールドガスの進行方向が曲げられる屈曲部と、
   を有し、
   前記屈曲部は、前記第１の端部と前記第２の端部との中央よりも前記第１の端部側に形成されており、
   前記傾斜直線部には、屈曲部が形成されていない
   請求項１または２に記載のサイドノズル。
4. 前記メイン管路と前記第１及び第２のサブ管路の前記直線部に、多孔質金属体で構成され、シールドガスを整流する整流部材が装着されている請求項３に記載のサイドノズル。
5. レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器より射出されたレーザビームが供給される溶接ヘッドと、
   前記溶接ヘッドに取り付けられたサイドノズルと、
   を備え、
   前記サイドノズルは、
   前記溶接ヘッドに取り付けられ、前記溶接ヘッドより射出されて溶接箇所に照射されるレーザビームが通る開口を有するヘッド取付部と、
   前記ヘッド取付部の側方に取り付けられ、シールドガスを前記溶接箇所に噴射するガス噴射ノズルと、
   を有し、
   前記ガス噴射ノズルは、
   前記ヘッド取付部に近い側に配置され、第１のガス配管によってシールドガスが供給されるメインノズルと、
   前記メインノズルよりも前記ヘッド取付部から離れて前記メインノズルに隣接するように配置され、第２のガス配管によってシールドガスが供給されるサブノズルと、
   を有し、
   前記サブノズルは、前記メインノズルに対して着脱自在である
   レーザ溶接機。
6. レーザ発振器より射出されたレーザビームを溶接ヘッドに供給し、
   前記溶接ヘッドに供給されたレーザビームを、サイドノズルに備えられており、レーザビームが通る開口を有して前記溶接ヘッドに取り付けられたヘッド取付部を介して溶接箇所に照射し、
   製品外側の山部分の溶接箇所を溶接する際には、前記ヘッド取付部の側方に取り付けられたガス噴射ノズルを、前記ヘッド取付部に近い側に配置され、第１のガス配管によってシールドガスが供給されるメインノズルと、前記メインノズルよりも前記ヘッド取付部から離れて前記メインノズルに隣接するように配置され、第２のガス配管によってシールドガスが供給されるサブノズルとを一体化した状態で、前記メインノズル及び前記サブノズルより前記溶接箇所にシールドガスを噴射し、
   製品内側の谷部分の溶接箇所を溶接する際には、前記ガス噴射ノズルを、前記サブノズルを前記メインノズルより分離して前記メインノズルのみの状態として、前記メインノズルより前記溶接箇所にシールドガスを噴射する
   レーザ溶接方法。
7. 前記メインノズル及び前記サブノズルのシールドガスが入射される端部で、多孔質金属体で構成された整流部材によって前記シールドガスを整流する請求項６に記載のレーザ溶接方法。

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