JPH0796381A - 大出力レーザ溶接機用ヘッド - Google Patents

大出力レーザ溶接機用ヘッド

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JPH0796381A
JPH0796381A JP5242763A JP24276393A JPH0796381A JP H0796381 A JPH0796381 A JP H0796381A JP 5242763 A JP5242763 A JP 5242763A JP 24276393 A JP24276393 A JP 24276393A JP H0796381 A JPH0796381 A JP H0796381A
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JP
Japan
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laser beam
laser
mirror
nozzle
assist gas
Prior art date
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Pending
Application number
JP5242763A
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English (en)
Inventor
Akira Sueda
明 末田
Shozaburo Nakano
昭三郎 中野
Kozo Akahide
公造 赤秀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JFE Steel Corp
Original Assignee
Kawasaki Steel Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 安定した溶接ビードを得るのに有利な大出力
レーザ溶接機用ヘッドの新たな構造を提案すること。 【構成】 レーザ発振器から発振されたレーザ光を集束
させる集光ミラー部と、集束されたレーザ光をアシスト
ガスとともに被加工体に照射するノズル部とで構成され
るレーザ加工機用ヘッドにおいて、上記集光ミラー部
は、レーザ光の集束反射用凹面鏡と、集束レーザ光をノ
ズル部先端部に導く反射鏡とで構成し、上記ノズル部
は、その内部が、ノズル側壁と同軸環状に設けられた漏
斗状の隔壁により、上記集光ミラー部とは連通するレー
ザ光路部分と、これを包囲するように設けられ上記集光
ミラー部とは画成された環状のアシストガス流路部分と
で構成し、アシストガス供給口を具える該アシストガス
流路部分を、この供給口からガス噴出口に至るに従い流
路が次第に狭くなるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、大出力レーザ溶接機
用ヘッド、特に、大気圧下でエネルギー密度の高いレー
ザ光を用いて溶接する CO2レーザ溶接等に用いて好適
な,レーザ溶接機用ヘッドの構造についての提案であ
る。
【0002】
【従来の技術】レーザ溶接機用ヘッド(以下、単に「溶
接ヘッド」という)などは、レーザ発振器から発振され
たレーザ光を集束させる集光レンズ部と、この集光レン
ズ部によって集束されたレーザ光を被溶接体に照射する
ノズル部とで構成される。
【0003】このような溶接ヘッドを用いるレーザ溶接
は、幅が狭く、深い溶け込み形状の溶接ビードが得られ
る点に特徴がある。ところが、エネルギー密度の高いレ
ーザ光による溶接では、外気や金属蒸気のプラズマが発
生し、このプラズマにレーザ光が吸収され、ビード形状
が変動するという問題があった。そのため、レーザ溶接
では、通常、アシストガスの併用によって溶接部をガス
シールドし、このプラズマを排除する措置が採られてい
た。
【0004】図1は、上述したようなアシストガスを使
用するレーザ溶接に用いられる従来の溶接ヘッドを例示
するものである。この図において、溶接ヘッドは、集光
ミラー部Aとノズル部Bとで構成されている。その集光
ミラー部Aは、レーザ光を反射により集束させる凹面鏡
1と、この凹面鏡1により集束されるレーザ光を反射に
よりノズル部方向に光路変更させる反射鏡2とを具えて
いると共に、アシストガス供給口3を設けられてなるも
のである。なお、この溶接ヘッドの頂部にはウインドウ
4が取り付けてあって、このウインドウ4の役割は、上
記供給口3から流入させたアシストガスをヘッド内に充
填し、このガスがノズル部Bから溶接箇所にのみうまく
流出するように、発振されたレーザ光が集束されるまで
の光伝送系を仕切るためのものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上述のよう
なウインドウを設けた従来の溶接ヘッドでは、レーザ光
が前記ウインドウを通過するので、レーザ発振器の出力
を増加させると、ウインドウが加熱され、熱レンズ効果
により焦点深度や焦点位置のずれが発生する。すなわ
ち、このウインドウ4があるために、ビーム焦点位置で
のパワー密度の低下のみならず、溶接部の溶け込み深さ
やビード形状の変化を招き、安定した溶接ビードが得ら
れないという問題があった。さらに、従来の溶接ヘッド
では、供給されたアシストガスは、ノズル噴射口で噴射
されるまでに、レーザ光との接触により加熱され、その
結果、溶接部をシールドしてプラズマ発生を抑制すると
いうアシストガス本来の役割を失い、プラズマの発生を
助長するという別の問題も生じた。
【0006】この発明の目的は、上記従来技術が抱える
種々の問題を解消するのに有効な溶接ヘッドの構造を提
案することにあり、これにより、プラズマや熱レンズ効
果の影響を受けない均質な溶接ビードを得ようとするも
のである。
【0007】
【課題を解決するための手段】発明者らは、上記目的実
現に向け鋭意検討を行った結果、ウインドウを設ける必
要のない新たな溶接ヘッドの構造を見出し、この発明を
完成するに至った。すなわち、この発明は、図2に例示
したように、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集
束させる集光ミラー部と、集束されたレーザ光をアシス
トガスとともに被溶接体に照射するノズル部とで構成さ
れるレーザ溶接機用ヘッドにおいて、上記集光レンズ部
は、レーザ光の集束反射用凹面鏡と、集束レーザ光をノ
ズル部先端部に導く反射鏡とからなり、上記ノズル部
は、その内部が、ノズル側壁と同軸環状に設けられた漏
斗状の隔壁により、上記集光ミラー部とは連通するレー
ザ光路部分と、これを包囲するように設けられ上記集光
ミラー部とは画成された環状のアシストガス流路部分と
からなり、アシストガス供給口を具える該アシストガス
流路部分を、この供給口からガス噴出口に至るに従い流
路が次第に狭くなるように構成したことを特徴とする大
出力レーザ溶接機用ヘッドである。
【0008】
【作用】この発明にかかる溶接ヘッドは、集光レンズ部
として、凸レンズを用いずに凹面鏡と反射鏡とを組合わ
せて用い、かつ、ノズル部を、集光ミラー部に連通する
レーザ光路部分と、集光ミラー部やレーザ光路部分とは
画成された環状流路であるアシストガス流路部分とに区
画形成してなるものである。すなわち、レーザ光路部分
の区画されたその外側の環状流路部分をアシストガスが
流れる構造とした点に特徴がある。しかも、ノズル部の
全体形状は、先端にいくに従い次第に狭まる,先すぼま
り形状(漏斗形)の同心2重管状とし、中心流路とその
外側環状流路とは互いに画成された空洞となるように形
成されているものである。また、アシストガス流路部分
には、その側壁にアシストガス供給口を設け、この供給
口からガス噴出口に至るまで、上記両流路は画成された
状態になっている。このような構造を採用することによ
り、溶接ヘッドにおけるウインドウの設置が不要とな
り、大出力レーザを用いた連続溶接を長時間に亘って行
っても、焦点位置や焦点深度の変動、あるいはビーム焦
点位置でのパワー密度の変動がなく、均質な溶接ビード
を得ることができるようになる。
【0009】この発明の溶接ヘッドにおいて、凸レンズ
を用いずに凹面鏡と反射鏡とを組合せて用いた理由は、
凸レンズを用いると、熱レンズ効果が顕著となるからで
ある。すなわち、凸レンズでは、レーザ光の通過によっ
て光エネルギーの一部が熱エネルギーに変換され、この
熱エネルギーによりレンズが加熱変形し、レーザ光の屈
折率が変化しやすくなる。その結果、焦点位置や焦点深
度の変動、あるいはビーム焦点位置でのパワー密度の変
動を招くからである。この点、凹面鏡と反射鏡との組合
せによれば、ミラー表面の加熱による影響は極めて小さ
く、しかも、熱伝導率の高い材質を用いることにより、
容易に水冷可能な構造とすることができるので、熱レン
ズ効果を確実に防止することができる。なお、これら凹
面鏡と反射鏡は、集光レンズ部内に移動可能に取り付け
られたものであって、ノズル部のレーザ光路部分の中心
軸とレーザ光の中心軸のセンタリングを容易に行うこと
ができるようにしてある。
【0010】この発明の溶接ヘッドにおいて、ノズル部
内を、ノズル側壁と同軸環状に設けられた漏斗状の隔壁
により、レーザ光路部分とアシストガス流路部分に区画
形成する理由は、HeやArなどのアシストガスが、レーザ
光と接触して加熱されるのを防止することにより、アシ
ストガスの電離によるプラズマの発生を抑制するためで
ある。なお、上記漏斗状の隔壁は、その先端開口部をノ
ズル開口部と一致させてもよく、また、ノズル内部に係
止させた状態でもよく、さらに、ノズル開口部の下方に
突設した状態でもよく、そしてさらに、ノズル開口部か
ら出没自在な状態にしてもよい。
【0011】この発明の溶接ヘッドにおいて、アシスト
ガス供給口をノズル部のアシストガス流路部分に設けた
理由は、アシストガスが、溶接部をシールドしてプラズ
マ発生を抑制するという本来の役割を担わせるために、
ノズル先端部のみに効率良く供給され溶接部に噴出でき
ればよいからである。これにより、集光ミラー部にアシ
ストガス供給口を設けた従来技術において必須とされた
ウインドウの設置が不要となり、このウインドウによる
熱レンズ効果の影響を受けなくなる。なお、アシストガ
スは、それの本来の役割から、単なるシールドガスであ
ればよく、なかでもプラズマ化しにくい電離電圧の高い
ガス(例えば、He)の高流速での使用は有効である。
【0012】さらにこの発明の溶接ヘッドにおいて、ア
シストガス流路部分を、ガス供給口からガス噴出口に至
るに従い流路が次第に狭くなるような構造とする理由
は、アシストガスをレーザ光の焦点に集約でき、しか
も、アシストガス流速をガス噴出口に近づくに従い速く
することができる結果、プラズマ除去効果が増大するか
らである。これにより、溶接部に安定したキーホールを
得ることができ、溶け込み深さが一定の安定した溶接ビ
ードを得ることができるようになる。
【0013】なお、この発明は、上述したようなレーザ
溶接に限られるものではなく、広く大気圧下でエネルギ
ー密度の高いレーザ光を用いて加工する技術に応用でき
るものである。
【0014】
【実施例】図2は、この発明の溶接ヘッドを例示するも
のであり、図示しないレーザ発振器から発振されたレー
ザ光が、集光レンズ部の凹面鏡1により集束し、反射鏡
2によりノズル開口部方向に光路変更し、被溶接体に照
射され、溶接部に溶接ビードを形成する。これと同時
に、アシストガス供給口3から供給されたガスが、隔壁
5によってレーザ光路部分と画成されたアシストガス流
路部分を通って噴射され、レーザ光の焦点に集約される
ことにより、溶接部のプラズマ発生を有効に阻止する。
このような態様でレーザ溶接に供される本発明に係る溶
接ヘッドを、10kWCO2 レーザ溶接機に取り付けて、表1
に示すような溶接条件にて溶接実験を行った。なお、比
較例として、図1に示す構造の溶接ヘッドを用いた溶接
を同条件にて行った。
【0015】
【表1】
【0016】その結果を表2に示す。この表に示す結果
から明らかなように、以下に示す事実を確認した。 .焦点位置でのパワー密度の変化量は、従来の1×10
6 〜5×106 W/cm2から4×106 〜5×106 W/cm2
に低減することができた。 .溶接部での溶け込み深さの変化量は、従来の1/3
に低減でき、安定した溶接ビードを得ることができた。 .キーホール上でのプラズマの生成は、従来に比べて
抑制することができ、溶け込み深さやビード形状の急激
な変化を有効に防止できた。
【0017】
【表2】
【0018】
【発明の効果】以上説明したようにこの発明の溶接ヘッ
ドによれば、溶接ヘッドにおけるウインドウの設置が不
要となり、大出力レーザを用いた連続溶接を大気圧下で
長時間に亘って行っても、焦点位置や焦点深度の変動、
あるいはビーム焦点位置でのパワー密度の変動がない、
プラズマや熱レンズ効果の影響を受けない安定した均質
ビードを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の溶接ヘッドの構造を示す概略図である。
【図2】この発明に係る溶接ヘッドの(a) 全体構造、
(b) ノズル部の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
1 凹面鏡 2 反射鏡 3 アシストガス供給口 4 ウインドウ 5 隔壁 A 集光ミラー部 B ノズル部

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ発振器から発振されたレーザ光を
    集束させる集光ミラー部と、集束されたレーザ光をアシ
    ストガスとともに被溶接体に照射するノズル部とで構成
    されるレーザ溶接機用ヘッドにおいて、 上記集光ミラー部は、レーザ光の集束反射用凹面鏡と、
    集束レーザ光をノズル部先端部に導く反射鏡とからな
    り、 上記ノズル部は、その内部が、ノズル側壁と同軸環状に
    設けられた漏斗状の隔壁により、上記集光ミラー部とは
    連通するレーザ光路部分と、これを包囲するように設け
    られ上記集光ミラー部とは画成された環状のアシストガ
    ス流路部分とからなり、アシストガス供給口を具える該
    アシストガス流路部分を、この供給口からガス噴出口に
    至るに従い流路が次第に狭くなるように構成したことを
    特徴とする大出力レーザ溶接機用ヘッド。
JP5242763A 1993-09-29 1993-09-29 大出力レーザ溶接機用ヘッド Pending JPH0796381A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110170743A (zh) * 2018-02-16 2019-08-27 发那科株式会社 激光加工头

Cited By (4)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110170743A (zh) * 2018-02-16 2019-08-27 发那科株式会社 激光加工头
JP2019141860A (ja) * 2018-02-16 2019-08-29 ファナック株式会社 アシストガスを整流する機能を有するレーザ加工ヘッド
US10814424B2 (en) 2018-02-16 2020-10-27 Fanuc Corporation Laser machining head having function of rectifying assist gas
CN110170743B (zh) * 2018-02-16 2021-04-23 发那科株式会社 激光加工头

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