JPH0428709Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案はレーザ溶接装置において集光装置の
改良を図つたものである。

〔従来の技術〕

例えば、１mm以下の薄鋼板を素材とする缶胴の
溶接を行うためのレーザ溶接装置が本出願人によ
つて先に提案されている（特開昭59−76690号公
報）。この種の装置では、レーザ発振器から出た
レーザビームを平面鏡で直交方向に変向した後、
集光レンズで絞つてワーク上に焦点を結ぶ。こう
した従来の集光装置では、溶接時の飛散スパツタ
によるレンズの損傷を避けられず、レンズ寿命が
極端に短い点に問題があつた。

集光レンズは炭酸ガスレーザの発振波長に適合
した赤外線透過率の高い素材で形成されており、
それ自体高価であるうえ、損傷修復のためのラツ
ピングや再コーテンイグ等の費用も高くつくから
である。なお、レーザ溶接では缶胴の印刷層を除
去することなく溶接が行える利点を有するが、そ
の場合に缶胴表面の印刷層がチタンや鉛などの顔
料を含む無機質系塗料で形成されていると、とく
に前記スパツタの飛散度合が大きく、この点も缶
胴製造時にレンズ損傷を生じやすい要因のひとつ
となつていた。

上記の不具合を避けるために、レーザビームを
反射鏡で構成された集光例によつて集束する溶接
装置がある（文献不詳）。例えば第８図に示すよ
うに、レーザ発振源１から出た一次ビームＬ１を
球面鏡３５で直交方向に集束してワークＷ上に焦
点Ｆを結ぶ形態である。しかし、一次ビームＬ１
を球面鏡３５で直接集束するものでは、例えばア
ルミニウム板材のようにレーザ吸収能が低く整反
射しやすい場合等に、ワーク表面からの反射ビー
ムによつてレーザ発振源１が損傷を受けることが
あり、この点に問題があつた。

〔考案が解決しようとする問題点〕

上記のようなスパツタあるいは照射ビームの整
反射による光学系機器の損傷を避けるために、本
考案者は第７図に示す集光装置を考えた。この装
置は平面反射鏡７で変向反射された二次ビームＬ
２を集光鏡３６で集光する。集光鏡３６はスパツ
タによる損傷を殆ど無視できるモリブデン等の金
属鏡で形成し、その鏡面３７を回転放物面で形成
して焦点Ｆをワーク表面に設定した。しかし、現
状では前記鏡面３７の加工が困難であることが判
明し、溶接装置への適用を断念した。

この考案は上記に鑑み提案されたものであつ
て、スパツタおよび照射ビームの整反射による光
学機器の損傷の解消を主目的とする。

この考案の他の目的は、整反射による反射ビー
ムを再利用できるものとして、エネルギーロスを
解消することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この考案では、第１図に示すように平面反射鏡
７で変向反射された二次ビームＬ２を集光レンズ
９で集束するについて、その集束ビームＬ３の光
軸中心１９をワーク表面に対して傾斜させること
により、スパツタによる集光レンズ９の損傷と、
整反射によるレーザ発振源１の損傷を同時に防止
できるものとする。

また、整反射時の反射ビームＬ４の光路上に球
面反射鏡２１を配置して、ワークＷの表面から反
射したビームを再集束し、その反射焦点ｆをワー
クＷ上に設定することで、反射ビームを無駄なく
利用できるものとする。前記反射焦点ｆは集光レ
ンズ９の焦点Ｆよりワーク送り方向Ａの上手側に
設定しておき、印刷層および油脂等を除去し、あ
るいは整反射を生じる場合にワーク表面を改質し
てレーザ吸収能を向上する。

〔第１実施例〕 第１図ないし第４図は本考案を缶胴溶接装置に
適用した第１実施例を示す。

第１図において、符号１は炭酸ガスレーザから
なるレーザ発振源、２は加工ヘツド、３はワーク
（缶胴素材）Ｗを支持するテーブルである。

ワークＷは0.1〜0.4mm厚、通常は0.2mm厚の鋼板
からなり、前工程で筒状に曲げ加工され、その周
方向の端縁４ａ，４ｂどうしが図外の治具に案内
されて重合され、矢印Ａで示すワーク送り方向へ
送られる。治具から送り出されたワークＷは、テ
ーブル３に支持されるとともに第３図に示すワー
ク押圧手段５で溶接姿勢に保持される。

加工ヘツド２は中空筒状に形成され、その上端
内部にレーザ発振源１から照射された一次ビーム
Ｌ１をワーク表面に向かつて変向反射する平面反
射鏡７が固定してある。加工ヘツド２の内部には
筒状のホルダ８とレンズマウント８ａを介して集
光レンズ９を支持する。加工ヘツド２の下端には
アシストガスを吹き出すノズル１０をノズルホル
ダ１１を介して装着する。ノズル１０の吹出口１
２の周囲は筒状のガスリング１３で覆われる。ガ
スリング１３の周壁一部には、第３図に示すよう
に逆Ｕ上述の切欠１３ａが形成してあり、後述す
る反射ビームＬ４がガスリング１３で遮断される
のを防いでいる。平面反射鏡７で案内された二次
ビームＬ２は、集光レンズ９で集束されて前記吹
出口１２と対向するワークＷの表面に焦点Ｆを結
ぶ。符号Ｌ３は集束ビームを示している。

第３図においてワーク押圧手段５は、ワークＷ
の送り方向Ａと直交する対向２箇所にノズル１０
を挟んで設けられる押えデイスク１５，１５と、
このデイスク１５を回転自在に支持する支軸１
６，１６と各デイスク１５の押圧姿勢を変更する
支持腕１７などで構成する。押えデイスク１５は
円盤状、好ましくは偏平な逆摺鉢形に形成してあ
り、ワークＷの送り移動時に連れ回り回転しなが
らその周縁下面でワークＷをテーブル３に押し付
けて端縁４ａ，４ｂどうしが僅かにラツプする溶
接姿勢に保持する。支軸１６，１６は押えデイス
ク１５，１５をこれが上すぼまり状に傾斜した姿
勢となるよう回転自在に支持する。なお、前記端
縁４ａ，４ｂどうしは突き合わせた状態で溶接す
ることもある。

飛散スパツタによる集光レンズ９の損傷等を防
止するために、加工ヘツド２を傾斜させて、集光
レンズ９で絞られた集束ビームＬ３の光軸中心１
９をワークＷの表面に対して、ワーク送り方向Ａ
へ所定角度θだけ傾斜させる。傾斜角度θは10〜
35度の範囲、好ましくは10〜15度とする。

因みに光軸中心１９がワークＷの表面と直交す
る状態では、スパツタは逆円錐台形状に拡がりな
がら飛散するが、前述のように光軸中心１９を傾
斜させると、スパツタの主たる飛散領域をワーク
送り方向Ａの上手側に集約させることができ、と
くに集光レンズ９の損傷を生じやすい飛散スパツ
タどうしの衝突により二次飛散、三次飛散が生じ
る領域をノズル１０の吹出口１２よりワーク送り
方向上手側に位置させて、スパツタが吹出口１２
から加工ヘツド２内に飛び込むのを著しく低減で
きる。また、アルミニウム板材のようにビーム吸
収能が低く整反射を生じやすい素材を溶接する場
合に、反射ビームが照射経路を逆向してレーザ発
振源１に損傷を加えることも防止できる。

第２図に示すように、ワークＷの表面で整反射
を生じるとき、集束ビームＬ３は焦点Ｆを折り返
し点として、垂直面に対してワーク送り方向Ａの
上手側へ傾斜する反射ビームＬ４を形成する。こ
の反射ビームＬ４を再利用するために、その光軸
中心２０上に球面反射鏡２１を配置して、反射ビ
ームＬ４をワークＷの表面上に再照射できるもの
とした。

球面反射鏡２１は、金属鏡あるいはガラス製鏡
からなり、拡散しようとする反射ビームＬ４を集
束して、集光レンズ９の焦点Ｆに隣接するワーク
Ｗの表面上に反射焦点ｆを結ぶ。このとき、再集
束ビームＬ５の反射焦点ｆが、前記焦点Ｆよりワ
ーク送り方向Ａの上手側に位置するよう、鏡面２
２の姿勢をホルダ２３で調整する。ホルダ２３は
一端が加工ヘツド２に取付けられており、球面反
射鏡２１を加工ヘツド２に対して上下方向に、お
よび光軸中心１９に対して円周方向へそれぞれ変
位可能に支持している。

球面反射鏡２１で再集束されたビームＬ５によ
つて、ワークＷの表面の印刷層や付着油脂等の汚
れを加熱し気化させて除去できる。また、アルミ
ニウム板材を溶接する場合は、その溶接部位の表
面を加熱して酸化あるいは窒化させ、ビーム吸収
能が向上するよう表面状態を改質する。この表面
改質によつて焦点Ｆにおける集束ビームＬ３の整
反射が起こりにくくなるが、光軸中心１９がワー
ク表面に対して傾いているため、依然として集束
ビームＬ３の一部は反射されてしまう。従つて、
反射ビームＬ４が皆無になることはなく、表面改
質を継続して行うことができるので、アルミニウ
ム板材でも確実に溶接できる。場合によつては、
焦点Ｆにおけるビームスポツト径を反射焦点ｆに
おけるビームスポツト径より僅かに大きく設定し
て、反射ビームＬ４を積極的に生起させることも
ある。

第２図において、集光レンズ９の下方にレンズ
冷却用のノズル２４が設けられる。そのノズル２
４は図外の圧気供給源から供給される加圧空気を
吹き出し、集光レンズ９の下方にエアカーテン状
の空気流を形成し、ワーク側からの輻射熱を遮断
し、同時に稀に侵入してくるスパツタを吹き飛ば
す。２５はその排風口である。

〔第２実施例〕 第５図および第６図は本考案の第２実施例を示
す。これでは集束ビームＬ３を第１実施例とは逆
向きに傾斜させ、球面反射鏡２１を加工ヘツド２
よりワーク送り方向Ａの下手側に配置し、溶接中
心線を通る垂直面に対して集束ビームＬ３の光軸
中心１９を僅かに傾斜させて、再集束ビームＬ５
の光路と集束ビームＬ３の光路が干渉するのを避
けるようにした。

〔別実施態様例〕

上記の実施例では加工ヘツド２側を傾斜させ
て、光軸中心１９とワーク表面とが傾斜状に交差
するものとしたが、逆にワークＷの送り方向を斜
め上方あるいは斜め下方にして、光軸中心１９を
ワーク表面と斜めに交差させるようにしてもよ
い。

本考案が缶胴溶接以外の一般的なレーザ溶接装
置にも適用できることは言うまでもない。

〔考案の効果〕

以上説明したように本考案では、平面反射鏡７
で変向反射された二次ビームＬ２を集光レンズ９
で集束するについて、その光軸中心１９をワーク
Ｗの表面に対して傾斜させてあるので、スパツタ
の主たる飛散範囲をワーク送り方向Ａの下手側に
集約させることができ、しかもワークＷの表面で
整反射を生じるとき、反射ビームＬ４が照射経路
を逆行するのを防止できる。従つて、スパツタの
衝突あるいは付着によつて集光レンズ９が損傷を
受けたり、レンズ性能が低下することを確実に防
止し、同時に整反射ビームによつてレーザ発振源
１を致命的な損傷を受けることを解消して、レー
ザ溶接装置における光学装置の耐久性を向上でき
るものとなつた。

また、集光レンズ９で集束された集束ビームＬ
３が整反射されるとき、反射ビームＬ４をその光
路上に設けた球面反射鏡２１で再集束してワーク
Ｗ上に反転照射し、前記集束ビームＬ３よりワー
ク送り方向Ａの上手側で反射焦点ｆを結ばせて、
予備加熱を行うようにしたので、焦点Ｆにおける
ワークＷの溶融に先行してワーク表面の印刷層や
油脂汚れを除去して、焦点Ｆでのスパツタの発生
を抑止でき、反射ビームＬ４を有効に再利用でき
るものとなつた。

さらに、アルミニウム板材のように、レーザ吸
収能が低く整反射を生じやすい素材を溶接する際
には、反射焦点ｆにおける再集束ビームＬ５の照
射によつて、ワーク表面を加熱して酸化あるいは
窒化させレーザ吸収能が向上するよう表面状態を
改質できるので、確実に溶接を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本考案に係るレーザ溶接
装置の第１実施例を示しており、第１図は本考案
の内容を概略的に示す原理説明図、第２図は加工
ヘツドの縦断側面図、第３図はワーク押圧手段を
示す縦断正面図、第４図は集光装置の光路のみの
平面図である。第５図ないし第６図は本考案に係
るレーザ溶接装置の第２実施例を示しており、第
５図は加工ヘツドの縦断側面図、第６図は集光装
置の光路のみの平面図である。第７図は比較例の
原理説明図である。第８図は従来例の原理説明図
である。 １……レーザ発振源、２……加工ヘツド、７…
…平面反射鏡、９……集光レンズ、１９……光軸
中心、２１……球面反射鏡、Ｌ２……二次ビー
ム、Ｌ３……集束ビーム、Ｌ４……反射ビーム、
Ｌ５……再集束ビーム、Ｆ……焦点、ｆ……反射
焦点、Ｗ……ワーク。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 平面反射鏡７で変向反射された二次ビームＬ２
   を集束してワークＷ上に焦点Ｆを結ぶ集光レンズ
   ９を有し、 集光レンズ９の光軸中心１９をワークＷの表面
   に対して傾斜させ、 集光レンズ９で集束された集束ビームＬ３の整
   反射により形成される反射ビームＬ４の光路上に
   球面反射鏡２１を配置し、以て 球面反射鏡２１で前記反射ビームＬ４を再集束
   して、前記焦点Ｆよりワーク送り方向Ａの上手側
   に反射焦点ｆを結ぶよう構成してなるレーザ溶接
   装置。