JPH0777671B2 - 管のレーザ溶接装置および方法 - Google Patents
管のレーザ溶接装置および方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は管内に導入可能なプローブを用いて管内周に沿
って管をレーザ溶接するための装置および方法に関す
る。
って管をレーザ溶接するための装置および方法に関す
る。
管内に導入可能なプローブを用いて管をレーザ溶接する
ための装置は例えばヨーロッパ特許出願公開第0300458
号公報によって公知である。この公開公報に記載された
プローブは光導波路を介してNd:YAG固体レーザに接続さ
れている。プローブの内部において光導波路の一端部か
ら出射したレーザ光は複数のレンズから構成されたレン
ズ系および転向ミラーを通ってプローブの外部に位置す
る焦点へ集束される。転向ミラーはプローブの長手軸線
に対して45°の角度で傾斜しており、レンズ系によって
集束されてプローブの内部においてレンズ系と転向ミラ
ーとの間を伝播するレーザ光線を90°転向させる。転向
したレーザ光線はプローブの容器内に半径方向へ配置さ
れた円筒状出射口を通ってプローブから出射する。プロ
ーブはさらに保護ガス用の流れ管路が設けられており、
保護ガスはプローブの容器壁内を通って出射口内へ流入
し、そして転向ミラーと溶接部位との間の空間内へ流出
する。
ための装置は例えばヨーロッパ特許出願公開第0300458
号公報によって公知である。この公開公報に記載された
プローブは光導波路を介してNd:YAG固体レーザに接続さ
れている。プローブの内部において光導波路の一端部か
ら出射したレーザ光は複数のレンズから構成されたレン
ズ系および転向ミラーを通ってプローブの外部に位置す
る焦点へ集束される。転向ミラーはプローブの長手軸線
に対して45°の角度で傾斜しており、レンズ系によって
集束されてプローブの内部においてレンズ系と転向ミラ
ーとの間を伝播するレーザ光線を90°転向させる。転向
したレーザ光線はプローブの容器内に半径方向へ配置さ
れた円筒状出射口を通ってプローブから出射する。プロ
ーブはさらに保護ガス用の流れ管路が設けられており、
保護ガスはプローブの容器壁内を通って出射口内へ流入
し、そして転向ミラーと溶接部位との間の空間内へ流出
する。
従って、この公知の装置においては、溶接個所に直に向
かい合う保護ガス流はプローブの内部へ向けられた部分
ガス流と溶接個所へ向けられた部分ガス流とに分割され
る。このことにより出射口の領域には渦流が形成され、
それゆえ溶接蒸気または溶接プラズマおよび特にパルス
状レーザを使用する際には溶融体から飛散する滴が転向
ミラー上および出射口のところに沈積し、プローブの寿
命が著しく短縮する。
かい合う保護ガス流はプローブの内部へ向けられた部分
ガス流と溶接個所へ向けられた部分ガス流とに分割され
る。このことにより出射口の領域には渦流が形成され、
それゆえ溶接蒸気または溶接プラズマおよび特にパルス
状レーザを使用する際には溶融体から飛散する滴が転向
ミラー上および出射口のところに沈積し、プローブの寿
命が著しく短縮する。
そこで、本発明の課題は、転向ミラー上および出射口の
領域内への溶接蒸気の沈積が大幅に減少するような、管
内に導入可能なプローブを用いて管内周に沿って管をレ
ーザ溶接するための装置および方法を提供することにあ
る。
領域内への溶接蒸気の沈積が大幅に減少するような、管
内に導入可能なプローブを用いて管内周に沿って管をレ
ーザ溶接するための装置および方法を提供することにあ
る。
上述の課題は本発明によればそれぞれ請求の範囲第1項
および第16項に記載の特徴により解決される。本発明に
よる管内へ導入可能なプローブは、 a)プローブの内部において主としてその長手軸線に沿
って伝播するレーザ光線束を集束および転向させるため
の少なくとも1つの結像素子と、 b)結像素子によって作られて転向して集束されたレー
ザ光線束をプローブから出射させる出射口と、 c)プローブの内部に配置され、少なくとも一部分が出
射口を通って流出する保護ガス流を出射口まで案内する
手段と、 d)プローブの内部を流動する保護ガス流の一部分を出
射口に到達する前に分流可能でありかつ出射口へ向けら
れたプローブの長手軸線に平行な方向の流れ成分でもっ
てプローブの外表面へ案内可能である手段と を含む。
および第16項に記載の特徴により解決される。本発明に
よる管内へ導入可能なプローブは、 a)プローブの内部において主としてその長手軸線に沿
って伝播するレーザ光線束を集束および転向させるため
の少なくとも1つの結像素子と、 b)結像素子によって作られて転向して集束されたレー
ザ光線束をプローブから出射させる出射口と、 c)プローブの内部に配置され、少なくとも一部分が出
射口を通って流出する保護ガス流を出射口まで案内する
手段と、 d)プローブの内部を流動する保護ガス流の一部分を出
射口に到達する前に分流可能でありかつ出射口へ向けら
れたプローブの長手軸線に平行な方向の流れ成分でもっ
てプローブの外表面へ案内可能である手段と を含む。
これによってプローブの外壁と管の内周との間にはプロ
ーブの長手軸線に平行な方向へ向く流れが生じ、この流
れによって、溶接溶融体から飛散した溶接材料は迅速に
出射口の領域からプローブのヘッド方向へ導かれるよう
になる。これによって出射口の領域内および結像素子上
への溶接蒸気の沈積が減少する。
ーブの長手軸線に平行な方向へ向く流れが生じ、この流
れによって、溶接溶融体から飛散した溶接材料は迅速に
出射口の領域からプローブのヘッド方向へ導かれるよう
になる。これによって出射口の領域内および結像素子上
への溶接蒸気の沈積が減少する。
本発明の優れた実施態様によれば、プローブの内部に面
部分ガス流の流量比を調整するための手段、特に部分ガ
ス流用の流れ管路内に配置された断面を小さくした縮小
ノズルが設けられる。
部分ガス流の流量比を調整するための手段、特に部分ガ
ス流用の流れ管路内に配置された断面を小さくした縮小
ノズルが設けられる。
本発明の有利は実施態様によれば、外部へ向けて分流さ
れた部分ガス流を案内するためにプローブを取囲むスリ
ーブが設けられ、このスリーブはその内表面に環状溝が
形成され、この環状溝内にはプローブ内を延びる部分ガ
ス流用流れ管路が開口する。スリーブはプローブのヘッ
ド側のスリーブ端面から環状溝まで延びる軸線方向孔が
設けられる。これによって、プローブと管との間に存在
する空所内に特に均一な長手軸線に平行な方向の保護ガ
ス流が生じる。
れた部分ガス流を案内するためにプローブを取囲むスリ
ーブが設けられ、このスリーブはその内表面に環状溝が
形成され、この環状溝内にはプローブ内を延びる部分ガ
ス流用流れ管路が開口する。スリーブはプローブのヘッ
ド側のスリーブ端面から環状溝まで延びる軸線方向孔が
設けられる。これによって、プローブと管との間に存在
する空所内に特に均一な長手軸線に平行な方向の保護ガ
ス流が生じる。
本発明の他の実施態様によれば、プローブの内部を流動
する保護ガス流から出射口のところで部分ガス流を分流
させて、プローブの内部に位置する管路を通って案内す
る手段が設けられ、これによって転向ミラー上への蒸発
した溶接材料の沈積がより一層減少する。
する保護ガス流から出射口のところで部分ガス流を分流
させて、プローブの内部に位置する管路を通って案内す
る手段が設けられ、これによって転向ミラー上への蒸発
した溶接材料の沈積がより一層減少する。
特に管路は転向ミラーに形成されて出射口に直接向かい
合っている切欠内へ開口する。
合っている切欠内へ開口する。
本発明の他の有利な実施態様によれば、結像素子が設け
られ、この結像素子はプローブの外部に位置する焦点に
集束して転向されかつ伝播方向がプローブの長手軸線に
対して斜めに向けられたレーザ光線束を生成する。この
場合結像素子とは、レーザ光線の伝播方向を変えること
ができる光学要素、例えば平面鏡、湾曲表面を備えたミ
ラーまたはレンズを意味する。
られ、この結像素子はプローブの外部に位置する焦点に
集束して転向されかつ伝播方向がプローブの長手軸線に
対して斜めに向けられたレーザ光線束を生成する。この
場合結像素子とは、レーザ光線の伝播方向を変えること
ができる光学要素、例えば平面鏡、湾曲表面を備えたミ
ラーまたはレンズを意味する。
転向したレーザ光線束を斜めに出射させることによっ
て、出射口が溶接部位に直接向かい合わなければならな
いことが回避され、それにより出射口の領域およびプロ
ーブの内部への溶接蒸気の沈積が減少する。
て、出射口が溶接部位に直接向かい合わなければならな
いことが回避され、それにより出射口の領域およびプロ
ーブの内部への溶接蒸気の沈積が減少する。
転向したレーザ光線がプローブの長手軸線に対して形成
する傾斜角は好適には60°〜80°の大きさである。これ
によって、レーザ光の出射口が大きくてもレーザ光がプ
ローブの内部へ反射されて戻されることが実際上回避さ
れる。
する傾斜角は好適には60°〜80°の大きさである。これ
によって、レーザ光の出射口が大きくてもレーザ光がプ
ローブの内部へ反射されて戻されることが実際上回避さ
れる。
本発明の優れた実施態様によれば、プローブ内には、集
束されたレーザ光線を転向させるために平面状ミラー面
を有しその表面法線がプローブの長手軸線に対して45°
以上、特に50°〜60°の大きさの角度を形成する転向ミ
ラーが設けられる。
束されたレーザ光線を転向させるために平面状ミラー面
を有しその表面法線がプローブの長手軸線に対して45°
以上、特に50°〜60°の大きさの角度を形成する転向ミ
ラーが設けられる。
本発明の他の実施態様によれば、平均的にプローブの長
手軸線に沿って伝播するレーザ光線を集束および転向さ
せるために凹面状転向ミラーが設けられる。これによっ
て、転向ミラーに当たるレーザ光線束の断面積は平面状
転向ミラーを備えた実施例に比べて増大する。単位面積
当たりに転向ミラーに入射する光線量、従って転向ミラ
ーの局部加熱がそれによって減少する。
手軸線に沿って伝播するレーザ光線を集束および転向さ
せるために凹面状転向ミラーが設けられる。これによっ
て、転向ミラーに当たるレーザ光線束の断面積は平面状
転向ミラーを備えた実施例に比べて増大する。単位面積
当たりに転向ミラーに入射する光線量、従って転向ミラ
ーの局部加熱がそれによって減少する。
本発明の他の優れた実施態様によれば、結像系の結像特
性を改善するために、光導波路を介してレーザ発生器に
光学的に結合されたプローブにおいて、光導波路の端部
と凹面状転向ミラーとの間に、光導波路から出射したレ
ーザ光線束をコリメートするための手段が設けられる。
性を改善するために、光導波路を介してレーザ発生器に
光学的に結合されたプローブにおいて、光導波路の端部
と凹面状転向ミラーとの間に、光導波路から出射したレ
ーザ光線束をコリメートするための手段が設けられる。
特に高熱伝導率の材料、特に銅Cuから構成された転向ミ
ラーが設けられる。このような措置を施すことによっ
て、転向ミラーの熱負荷がより一層減少し、従って反射
膜の有効寿命がさらに高まる。
ラーが設けられる。このような措置を施すことによっ
て、転向ミラーの熱負荷がより一層減少し、従って反射
膜の有効寿命がさらに高まる。
本発明の優れた実施態様によれば、転向したレーザ光線
束をプローブから出射させるために出射口が設けられ、
この出射口は出射口から流出する保護ガス流にプローブ
の長手軸線に平行な方向へ向いた流れ成分を与える。
束をプローブから出射させるために出射口が設けられ、
この出射口は出射口から流出する保護ガス流にプローブ
の長手軸線に平行な方向へ向いた流れ成分を与える。
本発明による管をその内周に沿ってレーザ溶接するため
の方法は以下の特徴、即ちに、 a)管内へ導入可能なプローブの内部において主として
その長手軸線方向へ伝播するレーザ光線束から、転向さ
れかつ管の内周の一個所へ集束されるレーザ光線束を生
成し、 b)レーザ光線束は出射口を通ってプローブから出射
し、 c)プローブにはその内部において出射口の方向へ流れ
る保護ガス流が供給され、 d)保護ガス流の一部分は出射口を通って流出し、 e)保護ガス流の他の部分は出射口へ到達する前に分流
され、プローブの長手軸線方向の流れ成分でもって管と
プローブとの間に存在する空所内へ導かれる、 という特徴を有する。
の方法は以下の特徴、即ちに、 a)管内へ導入可能なプローブの内部において主として
その長手軸線方向へ伝播するレーザ光線束から、転向さ
れかつ管の内周の一個所へ集束されるレーザ光線束を生
成し、 b)レーザ光線束は出射口を通ってプローブから出射
し、 c)プローブにはその内部において出射口の方向へ流れ
る保護ガス流が供給され、 d)保護ガス流の一部分は出射口を通って流出し、 e)保護ガス流の他の部分は出射口へ到達する前に分流
され、プローブの長手軸線方向の流れ成分でもって管と
プローブとの間に存在する空所内へ導かれる、 という特徴を有する。
プローブの内部を出射口へ流れる保護ガス流から、プロ
ーブの内部において出射口のところで、プローブの長手
軸線方向に向けられた流れ成分を有する別の部分ガス流
が分流されて、プローブの内部を流れるようにすること
によって、転向ミラー上への溶接材料の沈積がより一層
減少する。
ーブの内部において出射口のところで、プローブの長手
軸線方向に向けられた流れ成分を有する別の部分ガス流
が分流されて、プローブの内部を流れるようにすること
によって、転向ミラー上への溶接材料の沈積がより一層
減少する。
方法に関する本発明の優れた実施態様によれば、レーザ
光線束はプローブの長手軸線に対して斜めに転向され
る。
光線束はプローブの長手軸線に対して斜めに転向され
る。
方法に関する本発明の他の有利な実施態様によれば、CW
方式で動作する固定レーザが使用される。これによっ
て、溶接溶融体から滴が飛散するのが回避される。
方式で動作する固定レーザが使用される。これによっ
て、溶接溶融体から滴が飛散するのが回避される。
次に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図1は管内に挿入された本発明によるプローブの拡大縦
断面図である。
断面図である。
図2、図3および図4は転向装置の領域におけるプロー
ブのそれぞれ異なった実施例の拡大断面図である。
ブのそれぞれ異なった実施例の拡大断面図である。
図1によれば、本発明によるプローブ1は心出しユニッ
ト2と、転向ユニット4と、集束ユニット6と、駆動ユ
ニット8とを含んでおり、これらはプローブ1の長手軸
線10に沿って前後に配置されている。プローブ1は加工
すべき管12内に導入され、転向ユニット4を含むそのヘ
ッド部が管12内に導入されてこの管12に溶接されるべき
スリーブ管14の内部に突入している。
ト2と、転向ユニット4と、集束ユニット6と、駆動ユ
ニット8とを含んでおり、これらはプローブ1の長手軸
線10に沿って前後に配置されている。プローブ1は加工
すべき管12内に導入され、転向ユニット4を含むそのヘ
ッド部が管12内に導入されてこの管12に溶接されるべき
スリーブ管14の内部に突入している。
心出しユニット2は軸21を含んでおり、この軸21はプロ
ーブ1のヘッド側の端部に玉軸受22によって転向ユニッ
ト4に回転可能に支持されかつ袋ナット23によって軸線
方向に固定されている。心出しユニット2は少なくとも
3個のローラ24を含んでおり(但し図にはそのうち2個
のローラしか示されていない)、これらのローラは2個
のリンク25を有する回転継手機構によってそれぞれ弾性
的に支持されている。両リンク25は二等辺三角形の辺対
を形成し、ローラ24に取付けられた回転継手26に接触し
ている。軸21上には両リンク25が同様に回転継手28によ
って移動可能に支持されている。これらの両回転継手28
の一方は軸21を取囲む可動フランジ29に力結合されてい
る。軸21の自由端部には別のフランジ30が固定されてい
る。フランジ29とフランジ30との間にはコイルばね31が
配置され、それゆえローラ26の半径方向へ内部に向けた
移動はこのコイルばね31の作用に抗して行われる。軸21
上に配置された間隔スリーブ27は回転継手26の折りたた
みを阻止し、管12内へのプローブ1の導入を容易にす
る。
ーブ1のヘッド側の端部に玉軸受22によって転向ユニッ
ト4に回転可能に支持されかつ袋ナット23によって軸線
方向に固定されている。心出しユニット2は少なくとも
3個のローラ24を含んでおり(但し図にはそのうち2個
のローラしか示されていない)、これらのローラは2個
のリンク25を有する回転継手機構によってそれぞれ弾性
的に支持されている。両リンク25は二等辺三角形の辺対
を形成し、ローラ24に取付けられた回転継手26に接触し
ている。軸21上には両リンク25が同様に回転継手28によ
って移動可能に支持されている。これらの両回転継手28
の一方は軸21を取囲む可動フランジ29に力結合されてい
る。軸21の自由端部には別のフランジ30が固定されてい
る。フランジ29とフランジ30との間にはコイルばね31が
配置され、それゆえローラ26の半径方向へ内部に向けた
移動はこのコイルばね31の作用に抗して行われる。軸21
上に配置された間隔スリーブ27は回転継手26の折りたた
みを阻止し、管12内へのプローブ1の導入を容易にす
る。
転向ユニット4は転向ミラー41が配置されている円筒状
容器40を含んでいる。転向ミラー41は中実の円柱状銅ブ
ロックから構成されており、この銅ブロックは袋ナット
43によって転向ミラー41をプローブの長手軸線方向に固
定するために使われるフランジ状拡大部42を心出しユニ
ット2側の端部に有している。銅ブロックはフランジ状
拡大部42とは反対側の端部にその長手軸線に対して斜め
に向く端面が形成されている。この端面は鏡面状被膜に
よって覆われ、鏡面44を形成している。鏡面状被膜とし
ては例えば誘電体膜、特に窒化チタン(TiN)または金
属膜、特に蒸着された金(Au)が設けられる。反射膜に
はさらに石英製保護膜を設けてもよい。
容器40を含んでいる。転向ミラー41は中実の円柱状銅ブ
ロックから構成されており、この銅ブロックは袋ナット
43によって転向ミラー41をプローブの長手軸線方向に固
定するために使われるフランジ状拡大部42を心出しユニ
ット2側の端部に有している。銅ブロックはフランジ状
拡大部42とは反対側の端部にその長手軸線に対して斜め
に向く端面が形成されている。この端面は鏡面状被膜に
よって覆われ、鏡面44を形成している。鏡面状被膜とし
ては例えば誘電体膜、特に窒化チタン(TiN)または金
属膜、特に蒸着された金(Au)が設けられる。反射膜に
はさらに石英製保護膜を設けてもよい。
鏡面44はその法線18がプローブ1の長手軸線10に対して
45°以上、特に50°〜60°の大きさの角度β1を形成す
るようにプローブ1の内部に配置される。平均的に長手
軸線10に沿って伝播して鏡面44に入射するレーザ光線束
58は従って斜めに前方へ向けて転向される。転向したレ
ーザ光線束59の中心光線は長手軸線10に対して60°〜80
°の角度β2にて容器40から出射口45を通って出射す
る。図の例では出射口45として長手軸線10に対して同様
に斜めに延びる孔が設けられている。
45°以上、特に50°〜60°の大きさの角度β1を形成す
るようにプローブ1の内部に配置される。平均的に長手
軸線10に沿って伝播して鏡面44に入射するレーザ光線束
58は従って斜めに前方へ向けて転向される。転向したレ
ーザ光線束59の中心光線は長手軸線10に対して60°〜80
°の角度β2にて容器40から出射口45を通って出射す
る。図の例では出射口45として長手軸線10に対して同様
に斜めに延びる孔が設けられている。
転向ミラー41はさらに長手軸線10に対して平行に延在し
ている溝46と取付けピン47とによって容器40内に回動不
能に取付けられている。
ている溝46と取付けピン47とによって容器40内に回動不
能に取付けられている。
転向ミラー41として中実の銅ブロックを使用することに
よって、レーザ光線58によるミラー面の加熱が減少し、
ミラー被膜の寿命が延びる。
よって、レーザ光線58によるミラー面の加熱が減少し、
ミラー被膜の寿命が延びる。
転向ユニット4の容器40の転向ミラー41とは反対側の端
部のところで内周部に歯車リム48が設けられており、こ
の歯車リム48には駆動ユニット8によって駆動されるピ
ニオン49が噛み合っている。このピニオン49は駆動ユニ
ット8内に配置された電動機81の駆動軸に結合された可
撓軸50とトルク結合されている。電動機81によって駆動
されるピニオン49によって容器40が回転運動を行わさ
れ、それにより出射したレーザ光線59が溶接すべきスリ
ーブ管14の内壁へ当たる個所Fが周囲方向へ移動し、環
状線を描く。
部のところで内周部に歯車リム48が設けられており、こ
の歯車リム48には駆動ユニット8によって駆動されるピ
ニオン49が噛み合っている。このピニオン49は駆動ユニ
ット8内に配置された電動機81の駆動軸に結合された可
撓軸50とトルク結合されている。電動機81によって駆動
されるピニオン49によって容器40が回転運動を行わさ
れ、それにより出射したレーザ光線59が溶接すべきスリ
ーブ管14の内壁へ当たる個所Fが周囲方向へ移動し、環
状線を描く。
転向ユニット4と駆動ユニット8との間には集束ユニッ
ト6が配置されており、その容器60は駆動ユニット8の
容器80に強固に結合されている。容器60は中心孔61を含
んでおり、この中心孔61内には駆動ユニット8側に光導
波路63を収容するためのスリーブ62が挿入されている。
光導波路63はその自由端部64が孔61内へ開口し、スリー
ブ62によってプローブの長手軸線方向へ心出しされてい
る。光導波路63はその他端部が図示されていないレー
ザ、特に固体レーザ、特にNd:YAGレーザに結合されてい
る。
ト6が配置されており、その容器60は駆動ユニット8の
容器80に強固に結合されている。容器60は中心孔61を含
んでおり、この中心孔61内には駆動ユニット8側に光導
波路63を収容するためのスリーブ62が挿入されている。
光導波路63はその自由端部64が孔61内へ開口し、スリー
ブ62によってプローブの長手軸線方向へ心出しされてい
る。光導波路63はその他端部が図示されていないレー
ザ、特に固体レーザ、特にNd:YAGレーザに結合されてい
る。
集束ユニット6の転向ミラー41側の端部には集束素子、
特にレンズ65またはレンズ系が配置され、このレンズ65
は光導波路63の端部64から出射した発散レーザ光線束57
を集束する。レーザ光線束59の焦点Fの位置は端部64と
レンズ65との間の間隔を変えることによって調整するこ
とができる。
特にレンズ65またはレンズ系が配置され、このレンズ65
は光導波路63の端部64から出射した発散レーザ光線束57
を集束する。レーザ光線束59の焦点Fの位置は端部64と
レンズ65との間の間隔を変えることによって調整するこ
とができる。
容器40はレンズ65の領域において容器60と係合し、玉軸
受66および間隔スリーブ68によって容器60上に回転可能
に支持され、この容器60に力結合されている。ピニオン
49が回転すると、転向ミラー41を担持している容器40だ
けが回転運動を行う。レンズ65および光導波路63はこの
回転運動に関与しない。
受66および間隔スリーブ68によって容器60上に回転可能
に支持され、この容器60に力結合されている。ピニオン
49が回転すると、転向ミラー41を担持している容器40だ
けが回転運動を行う。レンズ65および光導波路63はこの
回転運動に関与しない。
レンズ65は容器40の内部へ突入しており複数個の互いに
力結合して回転しない容器部材60a、60b,60cによって支
持されている。容器部材60b、60cは容器部材60c内に配
設された流れ管路70に孔78aを介して連通するほぼV字
状の空所71を形成している。この流れ管路70はレンズ65
と光導波路63の自由端部64との間に存在する空所71内へ
保護ガス、例えばアルゴンを導く。流れ管路70内には断
面を狭くされた縮小ノズル77が挿入されている。流れ管
路70内において減圧ノズル77の上方へ流れる保護ガスは
孔78aを通って空所71内へ流入し、容器部材60bの孔78b
を通って空所71を流出して、環状管路79内へ流入し、そ
してそこからレンズ65と転向ミラー41との間に存在する
空所72内へ到達する。
力結合して回転しない容器部材60a、60b,60cによって支
持されている。容器部材60b、60cは容器部材60c内に配
設された流れ管路70に孔78aを介して連通するほぼV字
状の空所71を形成している。この流れ管路70はレンズ65
と光導波路63の自由端部64との間に存在する空所71内へ
保護ガス、例えばアルゴンを導く。流れ管路70内には断
面を狭くされた縮小ノズル77が挿入されている。流れ管
路70内において減圧ノズル77の上方へ流れる保護ガスは
孔78aを通って空所71内へ流入し、容器部材60bの孔78b
を通って空所71を流出して、環状管路79内へ流入し、そ
してそこからレンズ65と転向ミラー41との間に存在する
空所72内へ到達する。
このようにしてレンズ65の周囲を流れて転向ミラー41の
傍を通って流れる保護ガスは出射口45を通ってプローブ
から流出する。これによって溶接個所に保護ガスが吹付
けられると共に、さらにレーザ光線57、58を与えられる
結像素子の冷却が行われる。さらに外部へ流出する保護
ガスによって転向ミラー41上へ溶接蒸気が沈積するのが
防止される。
傍を通って流れる保護ガスは出射口45を通ってプローブ
から流出する。これによって溶接個所に保護ガスが吹付
けられると共に、さらにレーザ光線57、58を与えられる
結像素子の冷却が行われる。さらに外部へ流出する保護
ガスによって転向ミラー41上へ溶接蒸気が沈積するのが
防止される。
出射口45は図の例では容器40の壁内に斜めに前方へ向け
られた孔によって形成されている。これによって出射口
45を通って流れる保護ガスはさらに出射口45の領域から
溶接蒸気を排出するのを助成するプローブ1の長手軸線
10に平行な方向の流れ成分を与えられる。
られた孔によって形成されている。これによって出射口
45を通って流れる保護ガスはさらに出射口45の領域から
溶接蒸気を排出するのを助成するプローブ1の長手軸線
10に平行な方向の流れ成分を与えられる。
流れ管路70はさらに半径方向に分岐している流れ管路73
に連通しており、この流れ管路73は容器60の環状溝74を
取囲むスリーブ75内へ開口している。このスリーブ75は
プローブ1の鍔状拡大部を形成している。プローブ1の
長手軸線10に対して平行にスリーブ75には環状溝74に連
通する多数の孔76が設けられている。横方向管路73によ
って、駆動ユニット8から出発して流れ管路70内へ流入
する保護ガス流から半径方向の部分ガスが分流され、こ
の部分ガスは環状溝74内において軸線方向へ転向し、転
向ユニット4側にあるスリーブ75の端面で管12とプロー
ブ1の外被との間に存在する管路内へ流入する。これに
よって溶接個所の領域に有効な保護ガス雰囲気を維持す
ることが保証される。さらに溶融の際に発生する溶接蒸
気は軸線方向流によって溶接個所から効果的に排出さ
れ、溶接蒸気がプローブ1の内部へ沈積する危険が減少
する。
に連通しており、この流れ管路73は容器60の環状溝74を
取囲むスリーブ75内へ開口している。このスリーブ75は
プローブ1の鍔状拡大部を形成している。プローブ1の
長手軸線10に対して平行にスリーブ75には環状溝74に連
通する多数の孔76が設けられている。横方向管路73によ
って、駆動ユニット8から出発して流れ管路70内へ流入
する保護ガス流から半径方向の部分ガスが分流され、こ
の部分ガスは環状溝74内において軸線方向へ転向し、転
向ユニット4側にあるスリーブ75の端面で管12とプロー
ブ1の外被との間に存在する管路内へ流入する。これに
よって溶接個所の領域に有効な保護ガス雰囲気を維持す
ることが保証される。さらに溶融の際に発生する溶接蒸
気は軸線方向流によって溶接個所から効果的に排出さ
れ、溶接蒸気がプローブ1の内部へ沈積する危険が減少
する。
プローブ1の内部において転向ミラー41へ向けて流れる
保護ガス流と半径方向へ外部へ向けて排出される保護ガ
ス流との間の流量比を調整するために、流れ管路70内に
挿入された縮小ノズル77が設けられている。
保護ガス流と半径方向へ外部へ向けて排出される保護ガ
ス流との間の流量比を調整するために、流れ管路70内に
挿入された縮小ノズル77が設けられている。
駆動ユニット8の容器80は図示されていない移動ホース
を収容するために集束ユニット6とは反対側の端部に設
けられている。なおこの移動ホースによって保護ガスが
プローブへ輸送され、そしてこの移動ホースは光導波路
63と電動機81に給電するために必要であるリード線82と
を収容する。
を収容するために集束ユニット6とは反対側の端部に設
けられている。なおこの移動ホースによって保護ガスが
プローブへ輸送され、そしてこの移動ホースは光導波路
63と電動機81に給電するために必要であるリード線82と
を収容する。
図2の実施例においては、転向ミラー41にはフランジ状
拡大部42から出発して転向ミラー41の内部へ案内されて
いる中心孔51が設けられており、この中心孔51は斜めに
外部へ向けて延びて出射口45の領域のミラー面44のとこ
ろで切欠56内へ通じる孔52に連通している。フランジ状
拡大部42は袋ナット43側の端面に多数の半径方向溝54が
設けられている。この半径方向溝54は中心孔51と袋ナッ
ト43内部において斜めに外部へ向けて延びる孔55とを連
通する。
拡大部42から出発して転向ミラー41の内部へ案内されて
いる中心孔51が設けられており、この中心孔51は斜めに
外部へ向けて延びて出射口45の領域のミラー面44のとこ
ろで切欠56内へ通じる孔52に連通している。フランジ状
拡大部42は袋ナット43側の端面に多数の半径方向溝54が
設けられている。この半径方向溝54は中心孔51と袋ナッ
ト43内部において斜めに外部へ向けて延びる孔55とを連
通する。
容器40の内部において転向ミラー41に沿って流動する保
護ガス流は従って出射口45を通ってこの容器40から流出
する前にもう一度分流する。この部分ガス流が孔52を通
って転向ミラー41の孔51内へ到達し、そして袋ナット43
内の孔55を通ってプローブ1から流出する。転向ミラー
41の内部におけるこのガス流によって転向ミラー41の冷
却が改善され、その寿命が延びる。
護ガス流は従って出射口45を通ってこの容器40から流出
する前にもう一度分流する。この部分ガス流が孔52を通
って転向ミラー41の孔51内へ到達し、そして袋ナット43
内の孔55を通ってプローブ1から流出する。転向ミラー
41の内部におけるこのガス流によって転向ミラー41の冷
却が改善され、その寿命が延びる。
出射口45と切欠56とは直接つながっており、それゆえ保
護ガスの流れに関係しないデッドスペースの形成が回避
される。転向ミラー41と出射口45が配設されている容器
壁との間にデッドスペースが形成されると渦流が発生
し、それによりミラー面44上への溶接材料の沈積が多く
なるのである。
護ガスの流れに関係しないデッドスペースの形成が回避
される。転向ミラー41と出射口45が配設されている容器
壁との間にデッドスペースが形成されると渦流が発生
し、それによりミラー面44上への溶接材料の沈積が多く
なるのである。
図からさらに明らかなように、プローブ1から出射した
レーザ光線束59は管14の内表面に対して斜めに焦点Fに
入射する。焦点Fから出て管14の内表面上に直立する法
線16とレーザ光線束59の中心光線とは特に10°〜30°の
大きさの角度β3を形成する。
レーザ光線束59は管14の内表面に対して斜めに焦点Fに
入射する。焦点Fから出て管14の内表面上に直立する法
線16とレーザ光線束59の中心光線とは特に10°〜30°の
大きさの角度β3を形成する。
図3の実施例においては、転向ユニット4内にはミラー
面144が凹面状に湾曲している転向ミラー141が設けられ
ている。転向ミラー141はこの実施例においてはプロー
ブの内部を伝播するレーザ光線束58を転向させるためお
よびこのレーザ光線束58をプローブ1の外部に位置する
焦点Fへ集束させるために使われる。この実施例におい
ては、光導波路から出射したレーザ光線を集束させるた
めのレンズ装置はもはや必要ではない。
面144が凹面状に湾曲している転向ミラー141が設けられ
ている。転向ミラー141はこの実施例においてはプロー
ブの内部を伝播するレーザ光線束58を転向させるためお
よびこのレーザ光線束58をプローブ1の外部に位置する
焦点Fへ集束させるために使われる。この実施例におい
ては、光導波路から出射したレーザ光線を集束させるた
めのレンズ装置はもはや必要ではない。
図4によれば、凹面状転向ミラー141aの前には光導波路
63から出射したレーザ光線束57を平行束58aにコリメー
トするコリメータレンズ65aが配置されている。なお、
その平行束58aは転向ミラー141aによって集束されて転
向される。これによって転向ミラー141aからの焦点Fの
距離が等しい場合には光導波路63と転向ミラー141aとの
間の間隔を大きくすることが可能となる。
63から出射したレーザ光線束57を平行束58aにコリメー
トするコリメータレンズ65aが配置されている。なお、
その平行束58aは転向ミラー141aによって集束されて転
向される。これによって転向ミラー141aからの焦点Fの
距離が等しい場合には光導波路63と転向ミラー141aとの
間の間隔を大きくすることが可能となる。
Claims (19)
- 【請求項1】管(12、14)内に導入可能なプローブ
(1)を用いて管内周に沿って管(12、14)をレーザ溶
接するために、 a)プローブ(1)の内部において主としてその長手軸
線(10)に沿って伝播するレーザ光線束(57)を集束お
よび転向させるための少なくとも1つの結像素子(41、
65)と、 b)結像素子(41、65)によって作られて転向されて集
束されたレーザ光線束(59)をプローブ(1)から出射
させる出射口(45)と、 c)プローブ(1)の内部に配置され、少なくとも一部
分が出射口(45)を通って流出する保護ガス流を出射口
まで案内する手段(70、78a、78b、79)と、 d)プローブ(1)の内部を流動する保護ガス流の一部
分を出射口(45)に到達する前に分流可能でありかつ出
射口(45)へ向けられたプローブ(1)の長手軸線(1
0)に平行な方向の流れ成分でもってプローブ(1)の
外表面へ案内可能である手段(73、74、76)と を備えることを特徴とする管のレーザ溶接装置。 - 【請求項2】プローブ(1)の内部に両部分ガス流の流
量比を調整するための手段(77)が設けられることを特
徴とする請求項1記載の装置。 - 【請求項3】部分ガス流用の流れ管路(70)内に断面を
小さくした縮小ノズル(77)が設けられることを特徴と
する請求項2記載の装置。 - 【請求項4】外部へ向けて分流された部分ガス流を案内
するためにプローブ(1)を取囲むスリーブ(75)が設
けられ、このスリーブはその内表面に環状溝(74)が形
成され、この環状溝内にはプローブ(1)内を延びる部
分ガス流用流れ管路(73)が開口し、前記スリーブはプ
ローブ(1)のヘッド側のスリーブ(75)端面から環状
溝(74)まで延びる長手軸線方向孔(76)が設けられる
ことを特徴とする請求項1ないし3の1つに記載の装
置。 - 【請求項5】プローブ(1)の内部を流動する保護ガス
流から出射口(45)のところで部分ガス流を分流させ
て、プローブ(1)の内部に位置する管路(52、54、5
5)を通って案内する手段が設けられることを特徴とす
る請求項1ないし4の1つに記載の装置。 - 【請求項6】管路(52、54、55)は転向ミラー(41、14
1)に形成されて出射口(45)に直接向かい合っている
切欠(56)内へ開口することを特徴とする請求項5記載
の装置。 - 【請求項7】プローブ(1)の外部に位置する焦点
(F)に集束して転向され伝播方向が長手軸線(10)に
対して斜めに向けられたレーザ光線束(59)を生成する
結像素子(41、65)が設けられることを特徴とする請求
項1ないし6の1つに記載の装置。 - 【請求項8】転向したレーザ光線束(59)の中心光線が
長手軸線(10)に対して形成する傾斜角(β2)は平均
的に60°〜80°の大きさであることを特徴とする請求項
7記載の装置。 - 【請求項9】プローブ(1)は少なくとも1つのレンズ
(65)を備えた集束ユニット(6)と、平面状ミラー面
(44)を有する転向ミラー(41)を備えた転向ユニット
(4)とを含み、ミラー面(44)の表面法線(18)はプ
ローブ(1)の長手軸線(10)に対して45°以上の角度
(β1)を形成することを特徴とする請求項9記載の装
置。 - 【請求項10】角度(β1)は50°〜60°の大きさであ
ることを特徴とする請求項7記載の装置。 - 【請求項11】プローブ(1)はレーザ光線束(57)の
集束および転向のために設けられた凹面状転向ミラー
(141)を含むことを特徴とする請求項7または8記載
の装置。 - 【請求項12】光導波路(63)を介してレーザ発生器に
光学的に結合されたプローブ(1)において、光導波路
(63)の端部(64)と凹面状転向ミラー(141)との間
に、光導波路(63)から出射したレーザ光線束(57)を
コリメートするための手段が設けられることを特徴とす
る請求項11記載の装置。 - 【請求項13】転向ミラー(41、141)は高熱伝導率の
材料から構成されることを特徴とする請求項9ないし12
の1つに記載の装置。 - 【請求項14】転向ミラー(41もしくは141)のミラー
表面(44、144)は金(Au)が蒸着されることを特徴と
する請求項13記載の装置。 - 【請求項15】転向したレーザ光線束(59)をプローブ
(1)から出射させるために出射口(45)が設けられ、
この出射口(45)は出射口(45)から流出する保護ガス
流に長手軸線方向へ向いた流れ成分を与えることを特徴
とする請求項7ないし14の1つに記載の装置。 - 【請求項16】管(12、14)をその内周に沿ってレーザ
溶接するために、 a)管(12、14)内へ導入可能なプローブ(1)の内部
において主としてその長手軸線方向へ伝播するレーザ光
線束(57)から、転向されかつ管(14)の内周の一個所
へ集束されるレーザ光線束(59)を生成し、 b)レーザ光線束(59)は出射口(45)を通ってプロー
ブ(1)から出射し、 c)プローブ(1)にはその内部において出射口(45)
の方向へ流れる保護ガス流が供給され、 d)保護ガス流の一部分は出射口(45)を通って流出
し、 e)保護ガス流の他の部分は出射口(45)へ到達する前
に分流され、プローブ(1)の長手軸線方向の流れ成分
でもって管(12、14)とプローブ(1)との間に存在す
る空所内へ導かれる ことを特徴とする管のレーザ溶接方法。 - 【請求項17】プローブ(1)の内部を出射口(45)へ
向けて流れる保護ガス流から、プローブ(1)の内部に
おいて出射口(45)のところで、プローブ(1)の長手
軸線方向に向けられた流れ成分を有する別の部分ガス流
が分流されて、プローブ(1)の内部を流れることを特
徴とする請求項16記載の方法。 - 【請求項18】レーザ光線束(57)はプローブ(1)の
長手軸線(10)に対して斜めに転向されることを特徴と
する請求項16または17に記載の方法。 - 【請求項19】CW方式で動作する固体レーザが使用され
ることを特徴とする請求項16ないし18の1つに記載の方
法。
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