JPH03198994A - 加工物の溶接及び／又は被覆用装置、この種の装置用ノズル及びこの種の装置のノズル用マニプレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ、技術分野 本発明は、加工物を溶接し又は加工物を少なくとも部分
的に被覆するための、特に加工物の金属表面をレーザ装
ｄによって被Ｗ１するためのｉ４Ｎに関する。

０、従来技術 溶接、即ち金属加工物の接合は、エネルギー源として使
うレーザビーム（ＭＩＧ／ＴＩＧ）によって行うことが
できる。この溶Ｍ４４料は、結架として生ずる溶接シー
ムに向けて粉末形で吹きつけ、又はそれに棒の形で供給
することができる。

レーザビームによって溶接するためのこの種の既知の装
置は、もし溶接シームが直線ではなく複合曲率をもつな
ら、品質の均一なシームを作ることは不可能である。

廉価で扱いやづい材料でできた加工物のλ商は、ある分
野、例えば軸受で、この加工物に必要な材料特性を与え
るためにしばしば変えられ又Ｃよイｔ−Ｌ′げられ、そ
れによってこの部品の耐蝕性又は耐摩耗性が特定の点で
改善されることがある（溶る溶接）。特に加工物の表面
特性の、この改善及び変更は、所望の、改善された材料
特性をもつ材料の層をこの加工物の表面に、例えば＃２
酸ガスレーザの、又Ｇ、ｔ　Ａ輻射エネルギーをもつ別
のレーザの・１７−４Ｆ　ビー　ムニよ・って溶接する
ことによって行うことができる。このよい材料特性をも
つ材料を粉末の形で、例えばこのレーザビームの作業領
域に向けてＩＪつこの加コニ物の表面上に吹きつける。

レーＩｆの作業領域に向番ノで被覆材料を粉末として吹
きつけることによって加工物の表向を被覆するための装
胃は、これまでこのＩ）末の比較的小さな割合しかこの
表面層に再溶融できなかった。この加工物表面は、この
加工物と表面Ｔｈ’？の聞にしっかりした結合を生ずる
ために融解されねばならない、、既知の装買は、通常こ
の加工物４４料をかなり融解する、それにの被覆材料を
構成する、この新しい表向層が加工物材料ど４ｆｉ端な
程度に合金にされる、即ら不純にされる、これは、この
表面層の特性に逆効宋をもたら１か、又はこの被ｉ装置
の適用可能性を大きく制限するかもしれない。これは、
次に機械加工できるような比較的厚い層をつ１ノるとき
のケースかもしれない。

更に、既知の装訂は、もしこれらの層がレーザビーム及
び／又は加工物の直線運動では作り得ないような複雑な
輪郭を有するなら、均一な品質の被覆を作ることは実際
的に不可能である。

ハ９発明の目的 本発明の目的は、？ｌ１２１な本体輪郭の加工物にでし
、この加工物用に特別に高出力の７ニプレータを必要と
することなく、ｌ！＠巾な方法で、最もゆ化に富んだ曲
率の１つ大部分は均一な品質の溶接接合を作ることので
きるレーザ１４１ｆｆを提供することである。

本発明の更なる目的は、複雑な表面形状の加工物にでも
、低出力Ｘ　−Ｙ−ｊ−プルのような単純なマニプレー
タを使って、複雑な被覆パターンと非常に均一な品質の
層を作ることをす能に１６、表向被覆（溶着溶接）用レ
ーザｌ鰐を提供することである。

本発明の更なる目的は、ノズル用の可動装胃及び、この
粉末材料の効率の改善を可能にし、及びこの溶接シーム
又は表面層に加える溶接粉末の吊並びに吹きつ番ノる不
活性ガスの量は最少に減するコトができるレーザ［ｆｆ
用のノズルを提供することである。

これらの１的への解決策は、このレーザ！ｌｆｆ１の利
用分野を拡げる。

二０発明のＩＩＩ要 本発明によれば、この種の装買が独立請求項１の特質に
よって特徴づけられる。それは又、均一な品質の比較的
大きな表面を均一な特性で作ることを可能にする。従ｍ
ａ求項は、本発明の特に有利な実施例に関する。

ノズルのセットと被覆工程中のその運動を考慮する最も
単純な方法は、直角座標系で、その−・つの軸がこのレ
ーザビームの対称軸に沿って延び、■つそのもう−・つ
の軸がこの加工物表面上でこのレーザビームの運動又は
移動の方向を指す座標に於いてである。この場合、第３
の座標軸はこのレーザビームの移動方向に直角に延び、
且つこの座標系の原点はこのレーザビームの対称軸がこ
の加工物表面に入射する点にある。

この解析で、動くのは加工物だけか、レーザビームだＧ
）か又はそれらの両方かは関係がない。この新しい装４
を使って、ノズルのセットは、本質的に以下の値によっ
て決められる被覆作業のために選ばれる。叩ら、 −このノズルからの粉末ジェットの対称軸とレーザ軸に
垂直な平面との間の角度β、 −このノズルからの粉末ジェットの対称軸とこのレーザ
ビーム及びこのレーザビームの移動方向によって定めら
れる平面との間の角度α、−この粉末ジェットの対称軸
がこの加工物の表面に入射する点、 −この粉末ジェットの方向に、この加工物の表向からの
、このノズルの出口オリフィスの距離。

勿論、作業領域でのこのレーザビームの１ネルギー、こ
の加工物の表面、Ｆでのこのレーザビームの移動速度、
この粉末ジェットの強さ又は粉末送出量、並びにこの加
工物の材料及びこの粉末の組成も、結果としてできる層
の品質を決める要因である。

この被覆作業中、浴又は溶融プールとも呼ばれる溶＃１
制領域がこの加工物の表面上にできる゛。この粉末ジェ
ットがこの浴に当たる角度α及びβ、どの距離から及び
どこに、即ちどの点には、本発明によれば木質的要因で
ある。この粉末ジェットの位置は、その対称軸がこの加
工物の表面と、このレーザビームの対称軸がこの表面と
交差する点Ｅ１（レーザビーム）から数ミリ、例えば典
型的には約±３履まで、頗れた点ＦＩ）（粉末入射点）
で接触するように都合よく選ばれている。この距離は、
木質的にはこの浴の形状寸法によって決められ、次にそ
の浴の大きさは、例えば使用する粉末の種類、レーザビ
ームの型及びエネルギー、粉末ジェットの強さ及び作る
べき層の厚さ、に依る。

本発明による装ｄは、角度α及びβに対して選ばれた値
、Ｅ　からＥ、までの距離並びに点Ｅ。

からのこのノズルオリイフスの距離が、この加工物表向
上のレーザビームの移動方向には関係なく、大規模に一
定に維持されることを可能にする。これは、厚さや組成
（混合物）のような特性がはっきりとより均一な表面層
を生ずる結果となる。

この被覆作業中一定のままである、これらの選ばれた（
ｉ’／　ｔａは、例えば、工作機械に使われるように、
適当なプログラムされたＣＮＣユニットによってレット
してもよい。この種のＣＮＣユニットは、この加工物表
面上のレーザビームの移動方向には関係なく、接線追跡
によって、選ばれ且つヒツトされたパラメータを一定に
維持することができる。

加工物を溶接又は被覆づるためのこのレーザ装ａｔよ、
ガス及び／又は粉末被覆材料をこのレーザビームの作業
領域に吹き込む、ノズルを合む。この粉末は、この加工
物の表向上に溶融されて層を形成し、又は部品を接合す
るとき結合溶接フラックスとして役立つ。このレーザビ
ーム及びこのレーザビームの加工物表面上の運動方向、
並びにこの運動方向に直角な方向は、原点がこのレーザ
ビームの加工物表面りへの入射点にある座標系を形成す
る。制御可能で調整可能な装置がこの座標系でこのノズ
ルの位置を、このレーザビームと加工物の間の相対運動
が複雑なときでも、大部分一定に維持する。これが複雑
な形状の溶接接合部及び溶接ｗ４１Ｉｌ並びに大部分均
一な品質を作ることを可能にする。ノズル用の制御可能
マニプレータによって、このレーザビーム及び溶融被Ｎ
材料の浴をもつその作業領域にｒｍ　して、このノズル
の軸方向及び半径方向位冒をセットし、一定に維持づる
ことが可能である。このノズルは、第１円筒形部から第
２の、狭い円筒形部に変化する段状狭窄部を含む。

ボ６発明の実施例 次に、本発明をただ単に、加工物の表面に層を付ける（
溶着溶接）例として実例によって説明する。当業者には
、このｉ置が不活性ガス、例えばヘリウム、アルゴン、
窒素及び例えば棒形又は粉末溶接充填材の形の溶接材料
をこの不活性ガスと共にノズルを通して溶接点に吹きつ
けるだけで、不活性ガスシールド溶接にも使えることが
理解され且つ直ちに明白だろう。本発明は又、金属又は
非金属層をセラミック材料のような非金属材料の加Ｊ“
物に付けることを、それが例えばセラミック層のような
非金属層を金属表面に付けることを６１能にするのと１
度同様に、可能にする。

以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、加工物表向を被覆するためのレーザ装置？７
１を示す。このＣＮＣユニット１０は、炭酸ガスレー１
１１１を制御り゛る。レーザビーム１１０ｔ、（、レー
＋Ｊ’光学系１１１によって加工物１２上に向Ｕられる
。このレーザ光学系１１１の最後の鏡１１１′は、四面
鏡、例えば／＆物線鏡として作られ、且つこのレーザビ
ーム１１０を加工物１２の作業領域１１１２上に焦点を
合わせる。この加工物１２は、３座標方向に可動でその
運動がこのＣＮＣユニットによって決められる可動テー
ブル１３上に固定されている。

このＣＮＣユニットによって制御される粉末コンベヤ１
４は、金属被覆粉末をＨｅ、Ａｒ、Ｎ２のような不活性
ガスと共に、断熱可撓性管を通して、例えばノズル１５
に、１１つこれを通して粉末ジェット１５′で被覆され
るべき加工物１２上のレーザビーム１１０の作業領域１
１１２の浴に吹きつ（）るのが好ましい。このノズル１
５の位ｉも、このＣＮＣユニット１０により決められ且
つセットされる。このノズル１５は、マニプレータ１６
に固定され、それと共にこのレーザビームの周り。

を同転され１つ後者の方向に勅がされｖノる。このＣＮ
Ｃユニット１０からの信号は、都合よく、インタノェー
ス１１６を軒でマニプレータ１６に伝えられる。

第２Ｎは、このレーザビーム１−と粉末ジェットＩ〕の
位ｄに関する詳細を互いの１１１係で丞１゜粉末軸Ｐは
、ＦＱ平平面２より−１−で［Ｑ平面と接触し、前者は
この加工物の表面２２から数層ト方に変位している（！
ｌ！ｆｉ変位Ｖ、）。この粉末ジェットＰは、同時に、
レーザ軸から紅１頗■ＩＩだ各プ変位している（水平変
位Ｖ□）。結末として、この粉末ジェットＰは、層２４
、溶接ビードの浴２６の中心部に直接向番ノられる。こ
の粉末ジェットＰがＦＱ及びＦＬ平面とな１角度は、そ
れぞれ、β及びαでホす。このＣＮＣユニットは、例え
ば、この粉末ジェットＰル−ザビームＬ及び加工物２２
の位置がＵいの関係で常に少なくともほぼ維持されるよ
うに、プ【コグラムされている。このノズルのオリフィ
ス２５と浴２６の表面との間の距離は、このジェットの
方向に考慮して、典型的には３履と４０鋼の間である。

このＦＱ平面に関連して、垂直変位Ｖ、は、角度βに依
って、約−１ｍｇ＋と＋９＃１１１の間でよい。虎魚を
通って延びる平面に関しては、水平変位Ｖ□は、典型的
には約±３Ｍである。この加工物の表面につけられる層
の厚さは、通常１麿の数分の１と数Ｍの間、例えば０．
２＃Ｉｌｌと２＃ｌＩＩの間である。

第３図の平面図は、粉末ノズル３５と、このレーザ軸に
関して水平変位ｖＩＩだけ変位された粉末ジェット１〕
とを示す。結果として、この粉末ジェットＰは、表面層
又はビード３４の溶融浴３６の中央に当ｌこり、それに
よってこの被覆の品質を改古する助・ノをする。このＷ
２Ｂ５は、ビード又は層３４′に平行に重なる方法でこ
の加工物３２０表面につけられる。ノズル４５からの粉
末ジェットＰの垂直変位■、は、第４図の側面図にはっ
きりと小されている。このノズル４５からの粉末ジェッ
トＰは、このレーザビームＬの作業領域でこの表面層の
溶融浴４６の中央に当たる。この粉末ジェット［）の中
の粉末が１融してビード又は表面層４４を形成する効率
は、このようにして改善され、材料の歩どまりを改善す
る結果となる。

第５図に線図的に示すマニプレータは、環状形を有し、
ｎつこのレーザビームＬの周に配設されている。ノズル
５５は、外側リング５１の円錐部５０　Ｆのホルダ５３
に固定されている。この粉末ジェットＰは、浴５６に向
けられている。この外側リング５１の回転及び軸方向運
動は、例えばスデッピングモータ又はｉぬ−［−夕で行
ってもよい。

ここで層５４は、この加工物の表面５２にΦなる方法で
つけられる。この最大軸方向変位７は、都合よく約５０
ｊｗｌである。このマニプレータの外側リング５１の回
転角は、３６０°以上でもよい。

第６図は、焦点距離ＢＲ，この加工物上の作業ｍ域の二
つの異なる軸方向位置Ａ及びＢ１並びにノズル６５の対
応する４＊　暦６５　Ａ及び６５Ｆ１である集束レーザ
ビームＬを示す。外側リング６０は、この図では位１？
ｆｆＡだ・プ示１゜ 第７図に示すノズル７は、断面の段７０に於いて、ｉ径
Ｄ　の断面から直径Ｄ８の断面に狭まる。

＾ ジェットの方向［）に見て、このノズル７は、小さな直
径ＤＢの同形円ＲＷに狭まる。このノズル部は、９０°
と１５０’の間の角度θで狭まるのが都合がよい。直径
ＯＡは、１ｊＩｌｌと５ａｌｌの間でよい。

この直径Ｄ　によれば、小ざな直径ＤＢは、約へ 〇、　５ｍｇ＋と２．５１１＋の間である。長さＰ＾及
びＰ、は、それぞれ１５＃１ｌＩＩと９０１１ＩｌｌＩ
及び１５ＩＩＩと１２０細の間であるのが都合がよい。

金属、例えば銅、又はセラミック材料は、このノズル本
体７１に適している。このノズルからのジェット、即ち
粉末ジェット又は不活性ガスジェットは、このノズル７
の形状寸法及び断面段７０が狭まる方法によれば、多か
れ少なかれ集束する。このノズルチャンネルとノズル　
オリフィス７００をノズル本４゜ 休７１の中に非対称に配置−Ｊることｔ）Ｉり能である
・第８図は、浮動光学系を備えるレーザ装置８を小ｔｏ
ｌｌｌら、このレーザビームの方向は、空間で広い限界
内で調整可能である。このレーザのビームしくよ、鏡８
０で曲げられ、ｂｉ後に凹面鏡８０′によって集束され
る。ノズル８５′用のマニプレータ８５は、ｔｉＪ者を
軸方向に変位し且つこのレーＩＪ”ビームＬの周りに回
転可能にする。図示した装置１ｌＩｌは、このレーザビ
ームＬの作業領域で処理されるべき加工物を動かすため
のＸ−Ｙチー１ル８２ｂ含む。このレーザシステム及び
マニプレータを初かし得る方向は矢印で示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は、加工物表面を被覆するための、本発明による
レーザ装置の線図である。 第２図は、第１ＮのレーＩ７’装若のレーザビームがこ
の加工物の表面に当たった作業領域の拡大線図である。 第３図は、本発明によるレーザＶｔｌ！’？の作業領域
の縮図的平面図である。 第４図は、第３図のレーザ賛同の作業領域の線図的側面
図である。 第５図は、このノズル用のマニプレータの例の線図であ
る。 第６図は、床束レーザビームに関するこのノズルの二つ
の異なる軸方向位置を線図的に示す。 第７図は、段付断面のノズルの線図的断面図である。 第８図は、所謂淫動光学系と加工物用単純マニプレータ
を備える円形ロボットの線図である。 １・・・レ−１ｆＫｔ’ｆ　　　　　　５・・・マニプ
レータ７．１５．２５．５５・・・ノズル １０・・・ＣＮＣユニツｌ−１２，２２・・・加工物１
３・・・Ｘ−Ｙテーブル　　１５′・・・被覆材料１６
・・・マニプレータ　　　７０・・・狭窄部７１・・・
ノズル本体 ７００・・・ノズルオリフィス １１０・・・レーザビーム　　１１１２・・・作＄、領
域１１６・・・インタフェース　［−・・・レーザビー
ムＦ・・・加工物移＃１方向　　　Ｐ・・・粉末軸Ｅ、
・・・原点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）加工物（１２）を溶接し及び／又は少なくとも部
   分的に被覆するためのレーザ装置（１）に於いて、ガス
   及び／又は粉末状被覆材料（１５′）がノズル（１５）
   によつてこのレーザビーム（１１０）の作業領域に送ら
   れ、この加工物（１２）とレーザビーム（１１０）の工
   作領域とを相互に対して動かすための装置（１０、１３
   ）を備え、且つこのノズル（１５）の位置をこのレーザ
   ビーム（１１０）の作業領域に関してセットし、動かし
   及び制御するための、並びにこのノズル（１５）の位置
   をこの加工物（１２）とレーザビーム（１１０）の相対
   運動路に関して、このレーザビーム（１１０）の対称軸
   が第１座標軸（Ｌ）を形成し且つこの加工物（１２）と
   レーザビーム（１１０、Ｌ）の相対運動路の方向（Ｆ）
   が第２座標軸を形成する座標系で、大部分一定に維持す
   るための更なる装置（１６、１０、１１６）を備えるレ
   ーザ装置。 （２）請求項１記載のレーザ装置（１）に於いて、この
   ノズル（２５）からのジェットの軸（Ｐ）は、このレー
   ザビーム（１１０、Ｌ）が加工物（２２）の表面に入射
   する点に原点（Ｅ＿Ｌ）がある座標系のこの原点（Ｅ＿
   Ｌ）を通らないことを特徴とするレーザ装置。 （３）請求項１又は請求項２記載のレーザ装置（１）に
   於いて、運動方向（Ｆ）に考慮して、このノズルジェッ
   ト（Ｐ）の対称軸がレーザビーム（１１０、Ｌ）に先行
   し且つこの運動方向と角度をなして延びることを特徴と
   するレーザ装置。 （４）請求項１から請求項３のいずれか一つの項に記載
   のレーザ装置（１）に於いて、運動方向（Ｆ）に考慮し
   て、このノズルジェット（Ｐ）の対称軸は、このレーザ
   ビーム（１１０、Ｌ）に追従し且つこの運動方向（Ｆ）
   と角度をなして延びることを特徴とするレーザ装置。 （５）請求項１から請求項４のいずれか一つの項に記載
   のレーザ装置（１）に於いて、この座標系が直角座標系
   であり且つこのノズル（２５）からのジェットの対称軸
   （Ｐ）が、このレーザビーム（１１０、Ｌ）に垂直であ
   る平面（ＦＱ）と、３０゜と７０゜の間の角度βで交わ
   ることを特徴とするレーザ装置。 （６）請求項１から請求項５のいずれか一つの項に記載
   のレーザ装置（１）に於いて、このノズル（１５、２５
   ）従ってこのノズルジェットの対称軸（Ｐ）が、この装
   置（１６）と共にこのレーザビーム（１１０、Ｌ）の方
   向の軸の周りに回転可能であり、且つこの粉末ジェット
   の対称軸（Ｐ）のこのレーザビーム（１１０、Ｌ）に垂
   直な平面（ＦＱ）上への射影とこの運動方向（Ｆ）の間
   の角度αが調整可能であることを特徴とするレーザ装置
   。 （７）請求項６記載のレーザ装置（１）に於いて、この
   装置（１６）がその軸の周りに少なくとも３６０゜の角
   度αだけ回転可能であることを特徴とするレーザ装置。 （８）請求項４から請求項７のいずれか一つの項に記載
   のレーザ装置（１）に於いて、制御手段（１０、１１６
   ）が設けられ、それがこの角度α、角度β及びこのノズ
   ル（１５）のこのレーザビーム（１１０、Ｌ）の作業領
   域（１１１２）からの距離を作業中少なくともほぼ一定
   に維持することを特徴とするレーザ装置。 （９）請求項１から請求項８のいずれか一つの項に記載
   のレーザ装置（１）であって、溶接及び／又は被覆され
   るべき加工物（１２）の表面領域をこのレーザビーム（
   １１０、Ｌ）の作業領域（１１１２）を通して動かすた
   めの装置（１３）を有することを特徴とするレーザ装置
   。 （１０）請求項１から請求項９のいずれか一つの項に記
   載のレーザ装置用のノズル（７）であつて、円筒形、第
   １断面（Ｄ＿Ａ）及び、小さなチャンネル断面（Ｄ＿Ｂ
   ）で円筒形の第２区域（Ｐ＿Ｂ）へこのチャンネル断面
   （Ｄ＿Ａ）から段状に狭まる部分（７０）、を有する第
   １区域（ＰＡを含むノズル。）（１１）請求項１０記載
   のノズル（７）であって、このチャンネルとノズルオリ
   フィス（７００）がこのノズル本体（７１）の中に対称
   に配設されているノズル。 （１２）請求項１から請求項９のいずれか一つの項に記
   載の装置のノズル（５５）用のマニプレータ（５）であ
   って、このレーザ装置（１）のレーザビーム（Ｌ）のた
   めの貫通開口部、このノズル（５５）をレーザビーム軸
   の方向（Ｚ）に制御し且つ動かすための、従ってこのレ
   ーザビーム（Ｌ）に関するこのノズル（５５）の軸方向
   位置をセットするための手段（１０、１１６）、及びこ
   のノズル（５５）をこのレーザビーム（Ｌ）の周りに制
   御し且つ回転するための、従ってこのレーザビーム（Ｌ
   ）に関するこのノズル（５５）の半径方向角度位置をセ
   ットするための手段（１０、１１６）を含むマニプレー
   タ。