JPH11509477A - 強化されたレーザー光線溶接 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 アーク増大レーザー溶接装置は、ハウジング（１４）、ハウジング内のレーザー開口を通って工作物にレーザー光線を集束するためのハウジング内の集束システム、及び、プラズマアークがそこを通って電極（２２）と工作物との間に確立されるブラズマトーチノズルから成る溶接ヘッド（１０）を有している。第１の電源（４４）は、第２の電源（４２）からの電力によって保持されるパイロットアークを点火するために、電極とノズルに亘って高電圧を印加する。第３の電源（４０）は、電極と工作物との間に主プラズマアークを点火するために高いアンペア数の信号を印加する。ノズルは、プラズマ アークを収縮させ及び工作物へのその突き当りを制限するのに適した先端（３３）を有している。ノズルと集束システムとは、集束されたレーザー光線と収縮されたブラズマアークとを、一致してもよく或いは僅かに離れていてもよい予め決められた相対的位置で工作物に突き当らせるように構成されている。電源とレーザー光線とは、溶接されるべき材料の形式及び厚さに依存して予め決められたプログラムに従ってマイクロプロセッサーによって制御される。

Description

【発明の詳細な説明】 強化されたレーザー光線溶接 本発明は、プラズマアークによって強化されたレーザー光線を使用して金属を 溶接するための装置に関するものである。 溶接されるべき金属工作物上の同じ点に突き当たらせるために、集束されたレ ーザー光線とプラズマアークとの双方を用いることが知られているが、以前は、 そのような場合は、例えばタングステスー不活性ガス（ＴＩＧ）または金属−不 活性ガス（ＭＩＧ）形式の自由燃焼アーク（free-burning arcs）に限られてい た。 英国特許第１５４７１７２号及び１６００７９６号において、Steenは、集束 されたレーザー光線及び自由燃焼アークの使用による表面処理を開示しているが 、そのような構成は、始動で（アークが最も近い電気的グランドポイント（elec trical ground point）に根を下すことができるとき）及び停止で制御すること が困難であり、従って、結果は、商業上適用可能な方法のためには制御可能が不 十分である。更に、自由燃焼アークの利用は、レーザー光線により加熱された領 域に比べて、比較的広い工作物の加熱領域をもたらし、従って狭い熱影響部の利 点が著しく減少される。 １９９４年４月にWelding and Metal Fabrication中に発表されたWalduck及び Biffenの論文には、レーザー溶接を増大するための収縮されたプラズマアークの 使用の利点が記載されている。 本発明は、改良された溶接装置を提供しようとするものである。 従って、本発明は、溶接ヘッドを有するアーク増大レーザー溶接装置であって 、 ハウジングと； ハウジングの外側の位置で且つハウジング中のレーザー開口を通る第１の軸線 上でレーザー光線を集束させるため、ハウジングの中にある集束手段と； ハウジング中にプラズマ開口を形成するプラズマートーチノズル手段と； ノズル手段と電極との間でパイロットアークを点火させるために、ノズル 手段と電極との間に第１の信号を印加するための第１の手段と； 第１の信号の終了後にパイロットを維持するために、電極と工作物との間に第 ２の信号を印加するための第２の手段と； 電極と工作物との間で主プラズマアークを点火させるために、電極と工作物の 間に第３の信号を印加するため第３の手段とから成り； ハウジングは、プラズマ開口を通って電極と工作物との間に収縮されてプラズ マアークの生成を可能にするように、ノズル手段の軸線に沿ってプラズマ開口の 方へ延びる電極を受けるのに適しており； ノズルは、プラズマアークを収縮させて工作物上へのその突き当りを収縮させ るのに適した先端を有しており及び、 第１の軸線とノズル手段の軸線とが、予め決められた相対位置で工作物上に集 束されたレーザー光線と集束されたプラズマアークとを突き当らせるように構成 されていることを特徴とする溶接装置を提供する。 １つの構成では、突き当り位置は一致し、別の構成では、集束されたレーザー 光線は、制御可能な距離だけ、収縮されたプラズマアークの突当り点より遅れる か進んでいる。 好適には、工作物と溶接ヘッドとの間の相対的な動きを生じさせるための手段 が設けられている。 好適には、溶接ヘッドはまた、出口を有する第２のチャンバーと、第２のチャ ンバーを不活性ガス源に連結する手段とを有し、この第２のチャンバーは、出口 が工作物に隣接するように指示手段に取り付けられている。プレナムチャンバー のオリフィスと第２のチャンバーの出口との相対的位置は、出口が溶接されるべ き工作物に対するオリフィスの動きに遅れるかまたは進むようになっている。 また、プラズマアークを偏向させるために、プラズマ溶接トーチの近くに電磁 式偏向手段が任意に設けられる。 また、溶融池がある工作物の光線突き当り領域へフィラーワイヤーを供給する ために、ワイヤー案内が任意に設けられる。 １つの実施例では、溶接ヘッドを工作物の表面へ押す手段が設けられる。 また本発明は、アーク増大レーザー溶接装置を用いて工作物を溶接する方法で あって、 （ａ）電極と工作物との間にプラズマアークを確立させるのに十分な予め決めら れた第１のレベルで電極と工作物との間に電気信号を印加すること； （ｂ）第２の予め選択されたレベルまで予め選択された率の信号のアンペア数を 増加し、それによって、安定なプラズマアークを確立すること； （ｃ）上記（ａ）工程の後で且つ安定なプラズマアークの確立の前に予め選択さ れたときにレーザーを付勢すること； （ｄ）溶接ヘッドを予め決められた溶接線に沿って動作させるように、溶接ヘッ ドと工作物との間で相対的動作を開始させること；安定なプラズマアークの確立 、レーザーの完全な付勢、及び、溶接ヘッドと工作物の相対的な動作の開始が実 質的に同時に起きるように工程（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）と同期させる ことによって溶接プロセスを開始し、そして次いで、 （ｅ）プラズマアークがなくなるまで第２の予め選択されたレベルから電気信号 のアンペア数を予め選択された第２の率に減少すること； （ｆ）上記工程（ｅ）の後に予め選択されて第２の時間にレーザーを消勢するこ と；及び、 （ｇ）溶接ヘッドと工作物との相対的動作をやめること； ならびに、プラズマアーク、レーザーエネルギー及び相対的動作の停止が実質 的に同時に起こるように工程（ｅ）、（ｆ）及び（ｇ）に同期させることで溶接 プロセスを終了することを特徴とする、溶接方法を提供する。 以下、単に添付図面を参照して例示的に本発明を説明する。図中、 図１は、本発明による装置に溶接ヘッドの第１実施例を概略的に示すものであ る。 図２は、溶着部の同時熱処理に適した溶接ヘッドの第２実施例を概略的に示す ものである。 図３は、スポット溶接に適した溶接ヘッドを一部断面で概略的に示すものであ る。 図４は、図３に示すヘッドを含む装置の外観を図示するものである。 図５及び図６は、図３及び４で示す溶接ヘッドを組み入れた溶接装置の２つの 可能な形態を示すものである。 図７は、本発明による溶接装置のためのプラズマノズルの縦断面図である。 図８は、溶接工程の間に遂行される操作のシーケンスを示すフローチャートで ある。 図９は、図８の溶接操作の間のプラズマアークのエネルギー、レーザーエネル ギー及び溶接時間の関係を示すグラフである。 図１０は本発明の装置のための溶接ヘッドの更なる実施例の概略図である。 そこで図１を参照すると、図１は、溶接装置のための溶接ヘッド１０の好適な 形を一部断面で図示している。この溶接ヘッドは、溶接されるべき工作物の表面 １２の上方に位置して図示されている。 この溶接ヘッド１０は、アルミニュウム、真鍮、オーステナイトステンレス鋼 または他の非磁性材料製で、レーザー光線を工作物表面１２上に集束することの できる例えば、光学ガラスで製作されたレンズ１６の形の集束手段を支持するハ ウジング１４を有している。 ハウジング１４の一体の部分を形成しているのは、概括的に参照番号２０で示 されるプラズマ溶接トーチであり、それは、圧力下に管２６を通ってアルゴンま たはヘリウムのような不活性ガスが供給されるプレナムチャンバー２４によって 囲まれている。プラズマトーチの本体は水冷されている（手段は図示せず。）。 プレナムチャンバー２４は、概略的に示された水冷式の交換可能な圧縮プラズ マノズル（図７）中の電極２２の先端の近くで終わっている。このノズルは、電 極の先端を越えて位置しているハウジングのプラズマオリフィス２９を形成する 先端３３を有している。 プラズマトーチ２０と反対の例で矢張りハウジング１４に取り付けられている のは、圧力下に管３２を通って不活性ガスが供給される別のチャンバー３０であ る。この別のチャンバー３０は、ディフューザーメッシュ３４で覆われている実 質的な面積の開口側を有している。 駆動手段２３が設けられており、好都合には溶接ヘッド１０を工作物表面１２ に沿って駆動することにより、矢印３６で示すように、溶接ヘッド１０と工作物 表面１２との相対的な動きを生じさせる。 レーザー光線は、ハウジング中のレーザー開口１９を通り第１の軸線２１に沿 って注がれ工作物表面１２上に集束する。 電源４０の形の第１の手段が、電極２２とノズル２８とに接続されて、電極の 先端とオリフィス２９とに亘って第１の信号を送りこれらの間でパイロットアー クを点火させる。この第１の電気信号は、単にパイロットアークを始動させるた めに用いられる高周波またはインパルスの高電圧信号である。実際に、高圧電源 ４４には、次いでパイロットアークをより低い電圧レベルに維持する電源４２か らの電流を用いて、パイロットアークを始動させる。 電源４０の形の第３の手段は、主プラズマアークのための直流または可変極性 電流（ＶＰＰＡ）を供給する。 パイロットアークは、溶接装置が使用中の全時間作動状態になっており、即ち 、主プラズマアークが発生されていない時には使用を待っている。不活性ガスは 、ノズルから外側へ工作物表面１２の方へパイロットアークを吹き飛ばしながら 、プラズマノズル２８を通って流れる。パイロットアークは、主電力が電源４０ から供給されるときに主プラズマアークが容易に形成されるようにノズルと工作 物表面との間の隙間をイオン化して主電流の流れのための電導性通路を提供する 。 電極２２の先端は、ノズル２８のオリフィス２９の後方に位置している。即ち 、電極の先端は、オリフィス２９の中へ突出していない。このオリフィス自体は 、プラズマアークを厳しく収縮し且つ工作物表面１２の比較的小さな面積にだけ 突き当る、概ね円柱状（columnal）のアークをつくり出すように、収縮されて成 形されている。プラズマノズル２８の一例が図７に図示されている。オリフィス ２９は、概ね筒状である。オリフィス２９の長さ／直径比は２：１より小であり 、そして好適には１．５：１から０．５：１の範囲内にあり、好適な比は１：１ または１．２：１である。ノズルは、矢印Ａの方向に流れる水などの冷媒の流れ のための通路３１を有している。この冷 却がノズルのオリフィス２９から熱を奪い、そして、ノズルにずっと長い作業寿 命を与える。 図示された溶接ヘッドでは、ハウジング１４と一体にチャンバー２４が好適に 形成されている。収縮されたプラズマアークが突き当るのと同じ位置でレーザー 光線が工作物表面に集束し、その結果プラズマアークが表面１２のレーザー加熱 を増大するように、レーザー開口１９の軸線２１とノズル２８の軸線とは整合し ている。前もってセットされた位置決めを可能にするように、僅かな調節をする ことができ、そして、交換可能なオリフィスが、適当なサイズ及び電流容量（cu rrent capacity）であるように選択されることができる。 所望により、収縮されたプラズマアークの突き当る点から隔たった工作物表面 上のある点にレーザー光線を集束させるようにレーザー開口及びプラズマノズル をアレンジすることもできる。この隔たりは特定の溶接上の要求及び材料に適合 するように選択されることができる。 上記アレンジは、自生的に（autogenously）、均質的に（homogenously）及び 異質的に（heterogenously）行われる融接、ろう付け溶接、ウエルドサーフェシ ング（weld surfacing）、及び同時リフロー溶接を含む種々の形式の溶接に用い られることができる。 収縮されたプラズマアークとレーザー光線の焦点との合致が、共同加熱効果を 生じさせ、２つの別々のプロセス（processes）の合計よりも一層多量の溶融池 をつくり出す。ある場合には、工作物表面１２が溶接ヘッドに対して動くときに 、工作物上のプラズマアークの根元がレーザー光線の焦点よりも僅かに予め決め られた距離だけ先にありまたはリードすることが有利なことがある。 収縮しているオリフィス２８の使用は、電極２２を金属蒸気及び他の蒸発した 汚染物質から、及び電極汚染から生じるアークの結果的な不安定性から保護する という利点を有する。パイロットアークを始動させるために高電圧、高周波また はインパルス電源４２をひんぱんに使用すると、電極２２の先端の食刻の度合い を減少し、ＴＩＧアーク増大溶接に比較して著しく増加した 作業寿命をもたらす。主溶接アークを始動させるためにパイロットアークを使用 することは、溶接の段取りのための信頼性があり且つ制御可能な条件を提供する 。溶接の開始及び終了におけるプラズマーク、レーザー光線及び溶接動作のシー ケンスはきわどい事柄であるから、概略４６で示されるマイクロプロセッーサに よって制御されるべきである。このマイクロプロセッサーは、プラズマアーク操 作パラメータを制御するためにも使用されることがある。 溶接操作のシーケンスを以下図８及び９を参照して説明する。溶接装置が多く の溶接作業を開始するために先ずスイッチが入れられると、電源４４が、パイロ ットアークを始動させる電極の先端とノズルオリフィス２９との間に高電圧信号 を送る。この高電圧が次いで除去され、パイロットアークは電源４２から供給さ れる低電流によってそのまま維持される。このパイロットアークは、主プラズマ アークがオンであってもなくても溶接装置の作業時間中ずっとそのままオンの状 態に留まる。 溶接作業を遂行するため、オペレータは、既にオンになっていなければ、チャ ンバー２４への不活性ガスの供給をオンにし、ガスは、周囲のガスのイオン化を 助ける吹き出し効果を奏するように、オリフィス２９を通りパイロットアークを 外側へ吹き飛ばしながら、チャンバーから押し出される。 時間ｔ₁で電源４０が付勢されて高アンペア数の信号を電極の先端と工作物表 面１２との間に印加して主プラズマアークを点火させる。電源４０から供給され た電流は、電源４０のスイッチオンから時間ｔ₃での主プラズマアーク力の確立 まで概ね線形で増加することが許される。図９から、プラズマアークエネルギー がある時間の間に安定なアーク状態に確立することが理解される。この時間は、 通常ミリ秒で測定され、そして、通常溶接されるべき材料の厚さ及びタイプに依 存して選ばれる。時間ｔ₁からｔ₃は、マイクロプロセッサー４６によって制御さ れる。この制御が、溶接線の開始での工作物材料の溶込み過ぎ及び過度の溶融を 防止する。電源４６から供給されたプラズマアークエネルギーの確立の間の予め 決められた時間ｔ₂で、レーザーが点火される。レーザーエネルギーは、あるミ リ秒台の間に、レーザーが時 間ｔ₄で最大エネルギーに達するまで急速に増大する。レーザーエネルギーはま た、プラズマアークエネルギーのかたちと同様なかたちで線形に増大する。しか し、プラズマアークのエネルギーの増加は線形である必要はない。レーザーは、 金属工作物の完全な溶け込みが達成されるエネルギー水準を急速に達成する。 図９から判るように、時間ｔ₃とｔ₄とは時間的には合致するが、これは必ずし もそうである必要はなく、レーザーは、時間Ｃの前または後に予め選択されたエ ネルギー水準に制御されることができる。更に、図９は、プラズマアークエネル ギーよりも上方のある水準に確立されているレーザーエネルギーを図示しており 、そして、これが好適ではあるが、必ずしも常にそうとは限らず、レーザーエネ ルギーは、プラズマアークエネルギーの水準よりも下方のある水準に確立させる ことができる。 溶接ヘッドと工作物表面との間の相対的な動きは、プラズマアークが時間ｔ₃ ／ｔ₄で安定なエネルギーに達した時に開始するようにマイクロプロセッサーに よって制御され、溶接ヘッドは、溶接ヘッドを静止状態に保持し、そして、溶接 ヘッドを越して工作物を動かすことは可能であるが、通常駆動手段２３によって 駆動される。 プラズマークとレーザーアークの点火が互いに及び、溶接ヘッドと工作物表面 との間の相対的な動きの開始と同期しないと、不安定且つ不満足な溶着部がもた らされることがある。 溶接線に沿った溶接ヘッドの動きは、次いで時間ｔ₃／ｔ₄から時間ｔ₅に亘っ て継続する。溶接線の終り直前の時間ｔ₅で、プラズマアークを維持するために 電源４６により供給される電力が減少される。この減少は、アークが時間ｔ₇で 終るまで継続する。時間ｔ₅とｔ₇との間に経過する時間が再びミリ秒で測定され る。 時間ｔ₅とｔ₇との間の予め選択された時間ｔ₆で、レーザーがスイッチオフさ れ、レーザーエネルギーが時間ｔ₇でゼロに落とされ、これは通常ミリ秒台のう ちに起きる。 時間ｔ₇で、溶接ヘッドと工作物との間の相対的な動きも停止される。 溶接工程のこの制御された終了は、金属工作物の溶け過ぎを防止し、そして、 溶着部の適切な完成を確実にする。 レーザーとプラズマアークとの間の間違った停止シーケンスまたは不正確な段 階的除去（phase-out）は、不完全な溶融または溶け過ぎ、そしてあるいは、溶 着部の終了での工作物のメルトスルー（melt through）をもたらす可能性がある 。 プラズマアークとレーザーアークについての上記の制御は、マイクロプロセッ サー４６によって制御され、そして、一貫した溶着部がつくられることを可能に する。 事象のシーケンス及び上記溶接工程のタイミングは、溶接される材料の厚さ及 びタイプに依存して変ることがあり、そして、マイクロプロセッサーには、これ に依存した予め決められた制御プログラムが設けられることがある。 表面１２と溶接ヘッド１２とは互いに相対的に動かされるから、第２のチャン バー３０へ送られた不活性ガスは、プラズマ増大レーザー溶接工程の後に熱い金 属を覆い、酸化及び汚染を防止し、かくして良好な溶接品質を確実にすることを 助ける。 図１に図示された溶接ヘッド１０は、消費可能なワイヤー突当り点で表面１２ に供給することのできるワイヤー案内５０という任意的な特徴を有している。こ れは、突当り点で溶接池への金属フィラーの供給を必要とする溶接工程で用いら れる。 図１で図示されている第２の任意的な特徴は、主プラズマアークの偏向のため の磁気手段を設けていることである。それぞれ溶接トーチ２０及びオリフィス２ ８に近接した金属コアからなる１以上の鉄金属製偏向ポール片５２には、電磁石 を形成するようにコイル５４が巻装されている。コイルは、電源５５に接続され ている。 コイル５４に適切な強さ、周波数及び波形の電流を供給すると、チャンバー２ ４そして特にオリフィス２８の近くに磁場ができ、そして、この磁場がアークと 相互に作用し、このアークが電流を運ぶガス状の導体になる。 若しコイル５４に直流の電流が送られると、プラズマアークは、ポール片 ５２によってつくられた磁場の強さでアークの長さとに比例する量だけ静的に偏 向される。交流は、磁場の強さ及びアークの長さによって決定される偏向の大き さで、溶接線を横切ってアークを振動させる。 アークの振動は、突合わせ溶接またはシーム溶接をするときに良好な溶接状態 を維持しながら溶接線で隙間を合わせるように溶接の許容差を改善し、そして、 特に標準シートメタル（sheet-gauge metals）の自生溶接（autogenous welding ）において有用である。溶接されるシート材料の厚さの３０％までの隙間は、許 容されることができる。コイル５４によって与えられる磁気振動能力は、接合状 態が悪いときに特に有用であり、収縮されたプラズマアークの振動が更なる許容 差を提供する。 図１に示すヘッドが突合わせまたは重ね接合部の自生シーム溶接に用いられる ときには、プラズマアーク２０の位置は、表面１２の動きの方向を考慮しながら 、収縮されたプラズマアークが、レーザー光線の焦点と一致するかまたはそれよ り進んだ点で表面１２上に根を下すように予めセットされる。 そのような溶着部は、比較的高速度でつくられることができ、そして、チャン バー３０が、追跡ガス被覆を可能にするように使用される。不活性ガスは、溶着 部を大気汚染から保護する。 図１に示すヘッドがろう付け溶接、溶接サーフェーシング、または非自生シー ム溶接に用いられるときには、ワイヤー案内５０を通してフィラー金属ワイヤー が供給されなければならない。 図２は、本発明の第２実施例を示すものである。図１のものと同一の部分には 同一の参照数字が付けられ、そして、電源は図示されていない。 この構成では、管５８を通って不活性ガスが供給され且つディフューザーメッ シュ６０を有する第２のチャンバー５６が設けられている。このチャンバー５６ は、ヘッド１０に対してプラズマトーチ２０と同じ側に置かれている。チャンバ ー５６は、溶着部の追跡被覆部材を構成する。この構成は、プラズマアークが冷 却率を制御するように溶着部全部をポスト加熱するのに用いられるときに、リフ ロー溶接または同時熱処理溶接に特に適している。 次に説明するいくつかの実施例は、プラズマアーク増大レーザースポット 溶接に特に適用可能である。図３は、プラズマトーチ２０及びレーザー光線集束 レンズ１６を前の通り組み入れているが、こんどは固い溶接ヘッド６６に適当に 形成されたハウジング６２、６４中に支持されている適当な実施例を図示してい る。このヘッド６６は、開口７０を有する円錐形の延長部を有し、その下端には ねじ付キャップ７４により、円錐形の被覆ガスカップ７２が支持されている。こ のカップ７２の内面はセラミックコーティングで被覆されている。 延長部６８から離れた溶接ヘッド６６の端部には、ゴムまたはネオプレンのよ うな弾力性材料のガスケット７８が設けられている。 使用の際には、工作物表面７６に対して被覆ガスカップ７２を加圧するように 物理的な圧力が矢印８０の方向に溶接ヘッド６６へ加えられる。レンズ１６は、 レーザー光線を表面上へ集束するように配置されており、そして、プラズマトー チ２０は、プラズマアークがレーザー光線の焦点で表面７６に根を下すように位 置決めされている。 工作物上の圧力は、接合されるべき２つの表面の重なり合っている部分を良好 な接触状態に且つプラズマアークの根元に近接して保つのに十分である。これは 、ヘッドがスポット溶接に使用されることを可能にする。 被覆ガスカップ７２は、高い熱伝導性と良好な引張り強さとを有する非磁性材 料でつくられている。このカップは、そこでスポット溶接の繰返し循環と結びつ いた高温及び高圧の状態に耐えるであろうし、また、内側のセラミック層がカッ プの内側に付着する金属スパッター（溶接池から放出された溶融金属の小さな溶 滴）の発生を減少する。 弾性ガスケットの使用は、ヘッドとその取付具との間の電気的絶縁及び、カッ プ７２と表面７６との間の接触に小量の柔軟性を与える。 取り外し自在なカップ７２の使用は、カップを周期的に取り換ることを可能に する。 カップ７２が付着された円錐形延長部６８の端部には、水冷が施されている。 これは、カップ７２の満足すべき作用効果と作業寿命を提供するためである。 図４は、空気式または油圧式のシリンダー８４の圧力ラムに取り付けられたヘ ッド６６、カップ７２及びネジ山突き保持リング７４を示している。このラムは 、表面７６上にカップを位置させ、所要の圧力を加え、次いで次の溶接点に場所 を移せるように後退させるために作動させる。 かかる装置は、一方の側だけからの工作物へのアクセスが可能である場合に、 スポット溶接のために用いることができる。 溶接されるべき工作物への両側からのアクセスが可能な場合には、図５及び６ に示す構成のどちらでも使用することができる。 図５において、カップ７２付きのヘッド６６は、Ｃ形フレーム８８の上側部分 に取りつけられた固定シャンク８６に保持されている。フレームの下側部分は、 圧力リング９２を担持するラム９０を支持しており、それによって、カップ７２ との間に置かれる工作物（図示せず。）へ圧力が上方に向けて加えられスポット 溶接を可能にする。 図６において、カップ７２のついた溶接ヘッド６６は、シザーズガン（scisso rs gun）９４の上側部分に保持されており、そして、圧力リング９６が下側部分 に保持されている。シザーズガンを操作すると、カップ７２と圧力リング９６と の間の工作物へ圧力が加わる。 図示されてない他の考えられる変形は、光ファイバー供給装置を通してレーザ ー光線を供給することを含む。 図１０は、図１の溶接ヘッドの１つの変形を示し、そこでは、レーザー光線と プラズマアークとの両方が、共通のノズル１００を通って加えられる。図から判 るように、電極１０２は中空であり、そして、レーザー光線は、電極の先端と工 作物の表面１０４との間に生じるプラズマアークと同心である電極の中心の下に 集束される。 本発明による溶接ヘッドは、特にそのマイクロプロセッサ制御システムのせい で、例えば自動化されたまたはロボット溶接操作におけるように、レーザー光線 、プラズマアーク及び溶接動作の一貫した順序付け及び制御が必須である、つね に慎重に制御可能な溶接部が要求されるときに用いることができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年１１月１２日 【補正内容】 明細書 強化されたレーザー光線溶接 本発明は、プラズマアークによって強化されたレーザー光線を使用して金属を 溶接するための装置に関するものである。 溶接されるべき金属工作物上の同じ点に突き当たらせるために、集束されたレ ーザー光線とプラズマアークとの双方を用いることが知られているが、以前は、 そのような場合は、例えばタングステスー不活性ガス（ＴＩＧ）または金属−不 活性ガス（ＭＩＧ）形式のような自由燃焼アーク(free-burningarcs)に限られて いた。例えば英国特許第１５４７１７２号及び１６００７９６号において、Stee nは、集束されたレーザー光線及び自由燃焼アークの使用による表面処理を開示 しているが、そのような構成は、始動で（アークが最も近い電気的グランドポイ ント（electrical groundpoint）に根を下すことができるとき）及び停止で制御 することが困難であり、従って、結果は、商業上適用可能な方法のためには制御 可能が不十分である。更に、自由燃焼アークの利用は、レーザー光線により加熱 された領域に比べて、比較的広い工作物の加熱領域をもたらし、従って狭い熱影 響部の利点が著しく減少される。 １９９４年４月にWelding and Metal Fabrication中に発表されたWalduck及び Biffenの論文には、レーザー溶接を増大するための収縮されたプラズマアークの 使用の利点が記載されている。 ＣＮ−Ａ−１０６５４０号は、最終工程の真空チャンバーの下端部に取りつけ られたプラズマガンによって、プラズマアークが生成される、電子ビーム溶接装 置を開示している。 ＳＵ−Ａ−１８１５０８５号は、肉厚金属物体のためのレーザーアーク加工装 置を記載している。この装置は、本体、ノズル、電極、及び電極と同軸上に置か れたレンズを有している。プラズマアークを得るために、電極は中空であり且つ 水冷されており、そして、プラズマアークの出口チャネルのついた、水冷ノズル 上のガス渦流ユニットが取りつけられている。レンズは、電極空洞の中に配され ており、そして、焦点は、プラズマトーチのノズルの 内側のアークプラズマ内の１点にレーザーを集束するために、ノズルチャネルの 中心に位置している。レーザーは、溶接または切削のためには使用されずに、工 作物の表面に突き当ることなくプラズマアークの性能を増大する。更に、プラズ マトーチの本体は、アーク形成のための電極として動作する。 プラズマアーク増大レーザー溶接装置では、電極とプラズマノズルとの間に高 電圧の電気信号を印加することによって生じるパイロットアークにより、プラズ マアークを始動させることが知られているが、この方法は、プラズマアークに影 響を及ぼすことがある電極の腐食をひき起こすという問題点を有している。同様 に、プラズマアークの始動は、信頼性がなく且つ一貫性がないことがあるので、 不満な溶着部をもたらす。 本発明は、改良された溶接方法及び装置を提供するものである。従って、本発 明は、レーザーと溶接ヘッドとを有し、溶接ヘッドが、 プラズマ開口を形成するノズルとトーチの中に配された電極とを有し且つノズ ルの軸線に沿って開口の方へ延びるプラズマトーチと； ノズルと電極との間にパイロットアークを生じさせるようにそれらの間に電気 信号を印加するための第１の手段と； 電極と工作物との間に主プラズマアークを点火させるようにそれらの間に電気 信号を印加するための手段と； 所望の溶接位置にレーザー光線を集束するための集束手段とから成る、プラズ マアーク増大レーザー溶接装置を用いて工作物を溶接する方法であって、 （ａ）電極と工作物との間にプラズマアークを確立させるのに十分な予め決め られた第１のレベルで電極と工作物との間に電気信号を印加すること； （ｂ）第２の予め選択されたレベルまで予め選択された率の信号のアンペア数 を増加し、それによって、安定なプラズマアークを確立すること； （ｃ）上記（ａ）工程の後で且つ安定なプラザマアークの確立の前に予め選択 されたときにレーザーを付勢すること； （ｄ）溶接ヘッドを予め決められた溶接線に沿って動作させるように、溶接ヘ ッドと工作物との間で相対的動作を開始させること； 安定なプラズマアークの確立、レーザーの完全な付勢、及び、溶接ヘッド と工作物の相対的な動作の開始が実質的に同時に起きるように、工程（ａ）、（ ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）を同期させることによって溶接プロセスを開始し；そし て次いで、 （ｅ）プラズマアークがなくなるまで第２の予め選択されたレベルから電気信 号のアンペア数を予め選択された第２の率に減少すること； （ｆ）上記工程（ａ）の後に予め選択されて第２の時間にレーザーを消勢する こと；及び、 （ｇ）溶接ヘッドと工作物との相対的動作をやめること； プラズマアーク、レーザーエネルギー及び相対的動作の停止が実質的に同時に 起こるように工程（ｅ）、（ｆ）及び（ｇ）に同期させることによって溶接プロ セスを終了することを特徴とする溶接方法を提供するものである。 本発明は、更に、レーザーと溶接ヘッドとを有し、溶接ヘッドが、 ハウジングと； レーザー光線を集束させるためハウジングの中にある集束手段と； ハウジング中にプラズマ開口を形成するノズル手段を有するプラズトーチと； トーチの内側に配された電極とを有するアーク増大レーザー溶接装置であって 、 集束手段が、ハウジングの外側の位置で、且つ、ハウジング中のレーザー開口 を通過する第１の軸線上にレーザー光線を集束すること； 電極が、プラズマ開口を通って電極と溶接されるべき工作物との間に収縮され たプラズマアークが生成することを可能にするためにノズル手段の軸線に沿って プラズマ開口の方へ延び、更に装置が、 ノズル手段と電極との間に第１の信号を生じさせそれによってそれらの間にパ イロットアークを点火させるように収縮されて適合し且つ配置された第１の手段 と； 電極と工作物との間に第２の信号を生じさせ、パイロットアークを維持するそ れによって第１の信号の終了後にそれぞれの間に第２の手段と； 電極と工作物との間に第３の信号を生じさせ、それによってそれらの間に 主プラズマアークを確立させるように電極と工作物の間で収縮され、適合し且つ 配置されて第３の手段と； 安定な主プラズマアークの確立中または後に、レーザーを点火して所望のエネ ルギーレベルに到達させるように収縮され、適合し且つ配置されたレーザー点火 手段とからなり、 ノズル手段は、プラズマアークを収縮させそれによって工作物への突き当りを 制限するのに適した先端を有し；且つ、 第１の軸線とノズル手段の軸線とが、集束されたレーザー光線と収縮されたプラ ズマアークとを、予め決められた位置で工作物上に突き当たらせるように構成さ れていることを特徴とする、溶接装置を提供するものである。 時間ｔ₁で電源４０が付勢されて高アンペア数の信号を電極の先端と工作物表 面１２との間に印加して主プラズマアークを点火させる。電源４０から供給され た電流は、電源４０のスイッチオンから時間ｔ₃での主プラズマアーク力の確立 まで概ね線形で増加することが許される。図９から、プラズマアークエネルギー がある時間の間に安定なアーク状態に確立することが理解される。この時間は、 通常ミリ秒で測定され、そして、通常溶接されるべき材料の厚さ及びタイプに依 存して選ばれる。時間ｔ₁からｔ₃は、マイクロプロセッサー４６によって制御さ れる。この制御が、溶接線の開始での工作物材料の溶込み過ぎ及び過度の溶融を 防止する。電源４６から供給されたプラズマアークエネルギーの確立の間の予め 決められた時間ｔ₂で、レーザーが点火される。レーザーエネルギーは、あるミ リ秒台の間に、レーザーが時間ｔ₄で最大エネルギーに達するまで急速に増大す る。レーザーエネルギーはまた、プラズマアークエネルギーのかたちと同様なか たちで線形に増大する。しかし、プラズマアークのエネルギーの増加は線形であ る必要はない。レーザーは、金属工作物の完全な溶け込みが達成されるエネルギ ー水準を急速に達成する。 図９から判るように、時間ｔ₃とｔ₄とは時間的には合致するが、これは必ずし もそうである必要はなく、レーザーは、時間ｔ₃の前または後に予め選択された エネルギー水準に制御されることができる。更に、図９は、プラズマアークエネ ルギーよりも上方のある水準に確立されているレーザーエネルギーを図示してお り、そして、これが好適ではあるが、必ずしも常にそうとは限らず、レーザーエ ネルギーは、プラズマアークエネルギーの水準よりも下方のある水準に確立させ ることができる。 溶接ヘッドと工作物表面との間の相対的な動きは、プラズマアークが時間ｔ₃ ／ｔ₄で安定なエネルギーに達した時に開始するようにマイクロプロセッサーに よって制御され、溶接ヘッドは、溶接ヘッドを静止状態に保持し、そして、溶接 ヘッドを越して工作物を動かすことは可能であるが、通常駆動手段２３によって 駆動される。 プラズマークとレーザーアークの点火が互いに及び、溶接ヘッドと工作物 表面との間の相対的な動きの開始と同期しないと、不安定且つ不満足な溶着部が もたらされることがある。 溶接線に沿った溶接ヘッドの動きは、次いで時間ｔ₃／ｔ₄から時間ｔ₅に亘っ て継続する。溶接線の終り直前の時間ｔ₅で、プラズマアークを維持するために 電源４６により供給される電力が減少される。この減少は、アークが時間ｔ₇で 終るまで継続する。時間ｔ₅とｔ₇との間に経過する時間が再びミリ秒で測定され る。 図６において、カップ７２のついた溶接ヘッド６６は、シザーズガン（scisso rs gun）９４の上側部分に保持されており、そして、圧力リング９６が下側部分 に保持されている。シザーズガンを操作すると、カップ７２と圧力リング９６と の間の工作物へ圧力が加わる。 図示されてない他の考えられる変形は、光ファイバー供給装置を通してレーザ ー光線を供給することを含む。 図１０は、図１の溶接ヘッドに１つの変形を不し、そこでは、レーザー光線と プラズマアークとの両方が、共通のノズル２９を通って加えられる。図から判る ように、電極２２は中空であり、そして、レーザー光線は、電極の先端と工作物 の表面１２との間に生じるプラズマアークと同心である電極の中心の下に集束さ れる。 本発明による溶接ヘッドは、特にそのマイクロプロセッサ制御システムのせい で、例えば自動化されたまたはロボット溶接操作におけるように、レーザー光線 、プラズマアーク及び溶接動作の一環した順序付け及び制御が必須である、つね に慎重に制御可能な溶接部が要求されるときに用いることができる。 請求の範囲 請求項１．レーザーと溶接ヘッド（１０）とを有し、溶接ヘッド（１０）が、 プラズマ開口（２９）を形成するノズル（２８）とトーチの中に配された電極 （２２）とを有し且つノズルの軸線に沿って開口の方へ延びるプラズマトーチと ； ノズル（２８）と電極（２２）との間にパイロットアークを生じさせるように それらの間に電気信号を印加するための第１の手段（４４）と； 電極（２２）と工作物（１２）との間に主プラズマアークを点火させるように それらの間に電気信号を印加するための手段（４０）と； 所望の溶接位置にレーザー光線を集束するための集束手段（１６）とから成る 、プラズマアーク増大レーザー溶接装置を用いて工作物（１２）を溶接する方法 であって、 （ａ）電極（２２）と工作物（１２）との間にプラズマアークを確立させるの に十分な予め決められた第１のレベルで電極（２２）と工作物（１２）との間に 電気信号を印加すること； （ｂ）第２の予め選択されたレベルまで予め選択された率の信号のアンペア数 を増加し、それによって、安定なプラズマアークを確立すること； （ｃ）上記（ａ）工程の後で且つ安定なプラザマアークの確立の前に予め選択 されたときにレーザーを付勢すること； （ｄ）溶接ヘッド（１０）を予め決められた溶接線に沿って動作させるように 、溶接ヘッド（１０）と工作物（１２）との間で相対的動作を開始させること； 安定なプラズマアークの確立、レーザーの完全な付勢、及び、溶接ヘッド（１ ０）と工作物（１２）の相対的な動作の開始が実質的に同時に起きるように、工 程（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）を同期させることによって溶接プロセスを 開始し；そして次いで、 （ｅ）プラズマアークがなくなるまで第２の予め選択されたレベルから電気信 号のアンペア数を予め選択された第２の率に減少すること； （ｆ）上記工程（ａ）の後に予め選択されて第２の時間にレーザーを消勢する こと；及び、 （ｇ）溶接ヘッド（１６）と工作物（１２）との相対的動作をやめること； プラズマアーク、レーザーエネルギー及び相対的動作の停止が実質的に同時に 起こるように工程（ｅ）、（ｆ）及び（ｇ）に同期させることによって溶接プロ セスを終了することを特徴とする溶接方法。 請求項２．更に、工程（ａ）の前に、ノズル（２８）と電極（２２）との間に 高圧電気信号を印加して、それによってそれらの間にパイロットアークを点火さ せる；及び 次いで、高圧電気信号を除去して、低電流の電気信号を電極（２２）とノズル （２８）との間に印加し、それによって、主プラズマアークを確立するためにパ イロットアークを維持する、工程を有することを特徴とする、請求項１に記載の 溶接方法。 請求項３．レーザーと溶接ヘッド（１０）とを有し、溶接ヘッドが、 ハウジング（１４）と； レーザー光線を集束させるためハウジング（１４）の中にある集束手段と； ハウジング（１４）中にプラズマ開口（２９）を形成するノズル手段（２８） を有するプラズマトーチ（２０）と； トーチ（２０）の内側に配された電極（２２）とを有するアーク増大レーザー 溶接装置であって、 集束手段が、ハウジング（１４）の外側の位置で、且つ、ハウジング（１４） 中のレーザー開口（１９）を通過する第１の軸線上にレーザー光線を集束するこ と； 電極が、プラズマ開口（２９）を通って電極（２２）と溶接されるべき工作物 （１２）との間に収縮されたプラズマアークが生成することを可能にするために ノズル手段（２８）の軸線に沿ってプラズマ開口（２９）の方へ延び；更に装置 が、 ノズル手段（２８）と電極（２２）との間に第１の信号を生じさせそれによっ てそれらの間にパイロットアークを点火させるように構成されて適合し且つ配置 された第１の手段（４４）と； 電極（２２）と工作物（１２）との間に第２の信号を生じさせ、それによって 第１の信号の終了後に、それらの間にパイロットアークを維持するように構成さ れ、適合し且つ、配置された第２の手段（４２）と； 電極（２２）と工作物（１２）との間に第３の信号を生じさせ、それによって それらの間に主プラズマアークを確立させるように電極と工作物の間で構成され 、適合し且つ配置された第３の手段と； 安定な主プラズマアークの確立中または後に、レーザーを点火して所望のエネ ルギーレベルに到達させるように構成され、適合し且つ配置されたレーザー点火 手段とからなり、 ノズル手段（２８）は、プラズマアークを収縮させそれによって工作物（１２ ）への突き当りを制限するのに適した先端（３３）を有し；且つ、第１の軸線（ ２１）とノズル手段（２８）の軸線とが、集束されたレーザー光線と収縮された プラズマアークとを、予め決められた位置で工作物上に突き当たらせるように構 成されていることを特徴とする、溶接装置。 請求項４．更に、操作のシーケンスをひき起こすようにレーザー、第１の手段 （４４）、第２の手段（４２）、及び第３の手段（４０）を制御するのに適した 制御手段（４６）を有し、 （ａ）第１の手段（４４）が、電極（２２）とノズル（２８）との間にパイロ ットアークを点火するようにそれらの間に高圧の電気信号を印加すること； （ｂ）第１の手段（４４）が、次いで高電圧信号を除去し、そして、第２の手 段（４２）が、パイロットアークを維持するように、電極（２２）とノズル（２ ８）との間に低電流の電気信号を印加すること； （ｃ）パイロットアークが維持された状態で、電極（２２）と溶接されるべき 工作物との間にプラズマアークを点火させるように、第２の手段（４０）が、高 いアンペア数の電気信号を印加すること； （ｄ）第３の手段（４０）が、信号のアンペア数を増加し、それによって安定 なプラズマアークを確立すること；及び、 （ｅ）安定なプラズマアークの確立の間または確立後に、所望の溶接部位に集 束されたレーザー光線を所望のエネルギーレベルに到達させるように、レーザー が付勢されること、を特徴とする、請求項３に記載の溶接装置。 請求項５．予め決められた相対位置が一致することを特徴とする、請求項３ま たは４に記載の溶接装置。 請求項６．プラズマ開口（２９）が、収縮された開口を形成するオリフィス（ ２９）であり、それによって、溶接中に形成される熱い金属蒸気及びガスから電 極（２２）を保護することを特徴とする、請求項３〜５のいずれかに記載の溶接 装置。 請求項７．ノズル手段（２８）が、プラズマアークを実質的に円柱状に形成す ることを特徴とする請求項６に記載の溶接装置。 請求項８．オリフィス（２９）が、実質的に円筒状であり、そして、２：１よ りも少ない軸長対直径比を有することを特徴とする、請求項６または７に記載の 溶接装置。 請求項９．軸長対直径比が０．５：１．５の範囲にあることを特徴とする、請 求項８に記載の溶接装置。 請求項10．軸長対直径比が１．２：１から１：１の範囲にあることを特徴とす る請求項８に記載の溶接装置。 請求項11．ノズル手段（２８）が、冷媒の通過のためにその中に形成された通 路（３１）を有し、それによって、ノズル手段（２８）の冷却を可能にすること を特徴とする、請求項３〜１０のいずれかに記載の溶接装置。 請求項12．冷却用通路（３１）が、ノズル手段（２８）の先端（３３）へ延び 、それによって、先端（３３）の効率的な冷却をすることを特徴とする、請求項 １１に記載の溶接装置。 請求項13．加圧ガス源（２７）を有し、ノズル手段（２８）が、ガスを受け且 つプラズマ開口（２９）を通ってガスをノズル手段（２８）の外側へ差し向ける のに適していることを特徴とする、請求項３〜１２のいずれかに記 載の溶接装置。 請求項14．更に、ノズル手段（２８）に隣接して、プラズマアークを予め決め られた態様で偏向させるために付勢するこのできる電磁手段（５１）を有するこ とを特徴とする、各請求項３〜１３のいずれかに記載の溶接装置。 請求項15．電磁手段が、電磁手段に交流信号を印加するための電源を有し、そ れによって、プラズマアークを信号に応じて振動する態様で横方向に偏向させる ことを特徴とする、請求項１４に記載の溶接装置。 請求項16．第１の手段（４４）が、高圧信号を予め選択された時間に亘り電極 （２２）とノズル手段（２８）との間に印加するように動作可能であり、そして 、第２の手段（４２）が、低電流のＤＣ信号を電極（２２）とノズル手段（２８ ）との間に印加するように動作可能であり、それによって、パイロットアークを 維持することを特徴とする、請求項３〜１５のいずれかに記載の溶接装置。 請求項17．第３の手段（４０）が、高アンペア数の信号を電極（２２）と工作 物（１２）との間に印加するように動作可能であり、それによってその間に主プ ラズマアークを生成させることを特徴とする、請求項３〜１６のいずれかに記載 の溶接装置。 請求項18．ハウジング（１４）が、非磁性材料でつくられていることを特徴と する、請求項３〜１７のいずれかに記載の溶接装置。 請求項19．ハウジング（１４）が、アルミニューム、真鍮及びオーステナイト ステンレス鋼から成る群から選ばれた材料でつくられていることを特徴とする、 請求項１８に記載の溶接装置。 請求項20．更に、不活性ガスの供給を受けるためハウジング（１４）に連結さ れたチャンバー（３０）を有し、チャンバーは、溶着部を大気汚染から保護する ための追跡ガス被覆を提供するようにレーザー開口（１９）とプラズマ開口（２ ９）とに隣接した領域上にガスを差し向けるように置かれていることを特徴とす る、請求項３〜１９のいずれかに記載の溶接装置。 請求項21．レーザー開口（１９）及びプラズマ開口（２９）に隣接した工作物 （１２）の上にガスを拡散するための拡散手段（３４）が、チャンバー （３０）に設けられていることを特徴とする、請求項２０に記載の溶接装置。 請求項22．プラズマ開口（２９）がレーザー開口（１９）としても役立ち、そ して集束手段が、プラズマアークと実質的に同軸にプラズマ開口（２９）を通っ てレーザー光線を差し向けるのに適していることを特徴とする、請求項３〜２１ のいずれかに記載の溶接装置。 請求項23．電極（２２）が、プラズマ開口（２９）に隣接した開口端を有する 筒状であり、そして、集束手段が、レーザー光線を電極（２２）を通って同軸上 に差し向けるのに適していることを特徴とする、請求項２２に記載の溶接装置。 請求項24．ハウジング（１４）にレーザー開口（１９）を形成する延長部（６ ８）が設けられており；ノズル手段（２８）が、ハウジング（１４）内に且つレ ーザー開口（１９）の後方に置かれており、それによってプラズマアークが、レ ーザー開口（１９）を通って延びるようにアレンジされており；そして、レーザ ー開口（１９）に隣接したハウジングの延長部（６８）にセラミック層が設けら れていることを特徴とする請求項３〜２１のいずれかに記載の溶接装置。 請求項25．レーザーとプラズマアークとがそこを通って差し向けられる開口（ ７３）を有する切頭円錐形カップ（７２）によって延長部（６８）が終わってお り；そして溶接ヘッド（１０）が、カップと工作物（１２）との溶接のための接 触を可能にするために弾性的に支持されていることを特徴とする、請求項２４に 記載の溶接装置。 請求項26．カップ（７２）が、高い熱伝導性を有する非磁性材料でつくられて いることを特徴とする、請求項２５に記載の溶接装置。 請求項27．カップ（７２）が、延長部（６８）の上に取り外し自在に取り付け られていることを特徴とする、請求項２６に記載の溶接装置。 請求項28．カップ（７２）が、冷媒の通過のためにその中に通路手段（７５） を有することを特徴とする、請求項２５、２６または２７に記載の溶接装置。 請求項29．更に、レーザー及び第１の手段（４４）、第２の手段（４２） 及び第３の手段（４０）を予めプログラミングされたルーチンに従って制御する ためのマイクロプロセッサー手段（４６）を有することを特徴とする、請求項３ 〜２８のいずれかに記載の溶接装置。 【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年１月１３日 【補正内容】 本発明は、更に、レ−ザ−と溶接ヘッドとを有し、溶接ヘッドが、 ハウジングと； レ−ザ−光線を集束させるためハウジングの中にある集束手段と； ハウジング中にプラズマ開口を形成するノズル手段を有するプラズマト−チと ； ト−チの内側に配された電極とを有するア−ク増大レ−ザ−溶接装置であって 、 集束手段が、ハウジングの外側の位置で、且つ、ハウジング中のレ−ザ−開口 を通過する第１の軸線上にレ−ザ−光線を集束すること； 電極が、プラズマ開口を通って電極と溶接されるべき工作物との間に収縮され たプラズマア−クが生成することを可能にするためにノズル手段の軸線に沿って プラズマ開口の方へ延び、更に装置が、 ノズル手段（２８）と電極（２２）との間に第１の信号を生じさせそれによっ てそれらの間にパイロットア−クを点火させるように収縮されて適合し且つ配置 された第１の手段（４４）と； 電極（２２）と工作物（１２）との間に第２の信号を生じさせ、それによって 第１の信号の終了後にパイロットア−クを維持するように構成され適合させられ た第２の手段（４２）と； 電極（２２）と工作物（１２）との間に第３の信号を生じさせ、それによって それらの間に主プラズマア−クを確立させるように電極と工作物の間で収縮され 、適合し且つ配置されて第３の手段（４０）と； 安定な主プラズマア−クの確立中または後に、レ−ザ−を点火して所望のエネ ルギ−レベルに到達させるように収縮され、適合し且つ配置されたレ−ザ−点火 手段とからなり、 ノズル手段は、プラズマア−クを収縮させそれによって工作物への突き当りを 制限するのに適した先端を有し；且つ、 第１の軸線とノズル手段の軸線とが、集束されたレ−ザ−光線と収縮された プラズマア−クとを、予め決められた位置で工作物上に突き当たらせるように構 成されていることを特徴とする、溶接装置を提供するものである。 １つの構成では、突き当たり位置は一致し、別の構成では、集束されたレ−ザ −光線は、制御可能な距離だけ、収縮されたプラズマア−クの突き当たり点より 遅れるか進んでいる。 好適には、工作物と溶接ヘッドとの間の相対的な動きを生じさせるための手段 が設けられている。 好適には、溶接ヘッドはまた、出口を有する第２のチャンバ−と、第２のチャ ンバ−を不活性ガス源に連結する手段とを有し、この第２のチャンバ−は、出口 が工作物に隣接するように支持手段に取付けられている。プレナムチャンバ−の オリフィスと第２のチャンバ−の出口との相対的位置は、出口が溶接されるべき 工作物に対するオリフィスの動きに遅れるかまたは進むようになっている。 また、プラズマア−クを偏向させるために、プラズマ溶接ト−チの近くに電磁 式偏向手段が任意に設けられる。 また、溶融池がある工作物の光線突き当たり領域へフィラ−ワイヤ−を供給す るために、ワイヤ−案内が任意に設けられる。 １つの実施例では、溶接ヘッドを工作物の表面へ押す手段が設けられる。 以下、単に添付図面を参照して例示的に本発明を説明する。図中、 図１は、本発明による装置に溶接ヘッドの第１実施例を概略的に示すものであ る。 図２は、溶着部の同時熱処理に適した溶接ヘッドの第２実施例を概略的に示す ものである。 図３は、スポット溶接に適した溶接ヘッドを一部断面で概略的に示すものであ る。 図４は、図３に示すヘッドを含む装置の外観を図示するものである。 図５及び図６は、図３及び図４で示す溶接ヘッドを組入れた溶接装置の２ つの可能な形態を示すものである。 図７は、本発明による溶接装置のためのプラズマノズルの縦断面図である。 図８は、溶接工程の間に遂行される操作のシ−ケンスを示すフロ−チャ−トで ある。 図９は、図８の溶接操作の間のプラズマア−クのエネルギ−、レ−ザ−エネル ギ−及び溶接時間の関係を示すグラフである。 図１０は、本発明の装置のための溶接ヘッドの更なる実施例の概略図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ 【要約の続き】 て制御される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 請求項１．溶接ヘッド（１０）を有するアーク増大レーザー溶接装置であって 、 ハウジング（１４）と； ハウジング（１４）の外側の位置で且つハウジング（１４）中のレーザー開口 （１９）を通る第１の軸線（２１）上でレーザー光線を集束させるため、ハウジ ング（１４）の中にある集束手段と； ハウジング（１４）中にプラズマ開口（２９）を形成するプラズマーーチノズ ル手段（２８）と； ノズル手段（２８）と電極（２２）との間でパイロットアークを点火させるた めに、ノズル手段と電極との間に第１の信号を印加するための第１の手段（４４ ）と； 第１の信号の終了後にパイロットを維持するために、電極（２２）と工作物（ １２）との間に第２の信号を印加するための第２の手段（４２）と； 電極（２２）と工作物（１２）との間で主プラズマアークを点火させるために 、電極と工作物の間に第３の信号を印加するため第３の手段（４０）とから成り ； ハウジング（１４）は、プラズマ開口（２９）を通って電極（２２）と工作物 （１２）との間に収縮されてプラズマアークの生成を可能にするように、ノズル 手段（２８）の軸線に沿ってプラズマ開口（２９）の方へ延びる電極（２２）を 受けるのに適しており； ノズル手段（２８）は、プラズマアークを収縮させて工作物（１２）上へのそ の突き当りを収縮させるのに適した先端（３３）を有しており及び、 第１の軸線（２１）とノズル手段（２８）の軸線とが、予め決められた相対位 置で工作物（１２）上に集束されたレーザー光線と集束されたプラズマアークと を突き当らせるように構成されていることを特徴とする溶接装置。 請求項２．予め決められた相対位置が一致することを特徴とする、請求項１に 記載の溶接装置。 請求項３．プラズマ開口（２９）が、収縮された開口を形成するオリフィ ス（２９）であり、それによって、溶接中に形成される熱い金属蒸気及びガスか ら電極（２２）を保護することを特徴とする、請求項１または２に記載の溶接装 置。 請求項４．ノズル手段（２８）（２８）が、プラズマアークを実質的に円柱状 に形成することを特徴とする請求項３に記載の溶接装置。 請求項５．オリフィス（２９）が、実質的に円筒状であり、そして、２：１よ りも少ない軸長対直径比を有することを特徴とする、請求項３または４に記載の 溶接装置。 請求項６．軸長対直径比が０．５：１．５の範囲にあることを特徴とする、請 求項５に記載の溶接装置。 請求項７．軸長対直径比が１．２：１から１：１の範囲にあることを特徴とす る請求項５に記載の溶接装置。 請求項８．ノズル手段（２８）が、冷媒の通過のためにその中に形成された通 路（３１）を有し、それによって、ノズル手段（２８）の冷却を可能にすること を特徴とする、前記各請求項のいずれかに記載の溶接装置。 請求項９．冷却用通路（３１）が、ノズル手段（２８）の先端（３３）へ延び 、それによって、先端（３３）の効率的な冷却をすることを特徴とする、請求項 ８に記載の溶接装置。 請求項10．加圧ガス源（２７）を有し、ノズル手段（２８）が、ガスを受け且 つプラズマ開口（２９）を通ってガスをノズル手段（２８）の外側へ差し向ける のに適していることを特徴とする、前記各請求項のいずれかに記載の溶接装置。 請求項11．更に、ノズル手段（２８）に隣接して、プラズマアークを予め決め られた態様で偏向させるために付勢するこのできる電磁手段（５１）を有するこ とを特徴とする、前記各請求項のいずれかに記載の溶接装置。 請求項12．電磁手段が、電磁手段に交流信号を印加するための電源を有し、そ れによって、プラズマアークを信号に応じて振動する態様で横方向に偏向させる ことを特徴とする、請求項11に記載の溶接装置。 請求項13．第１の手段（４４）が、高圧信号を予め選択された時間に亘り 電極（２２）とノズル手段（２８）との間に印加するように動作可能であり、そ して、第２の手段（４２）が、低電流のＤＣ信号を電極（２２）とノズル手段（ ２８）との間に印加するように動作可能であり、それによって、パイロットアー クを維持することを特徴とする、前記各請求項のいずれかに記載の溶接装置。 請求項14．第３の手段（４０）が、高アンペア数の信号を電極（２２）と工作 物（１２）との間に印加するように動作可能であり、それによってその間に主プ ラズマアークを生成させることを特徴とする、前記各請求項のいずれかに記載の 溶接装置。 請求項15．ハウジング（１４）が、非磁性材料でつくられていることを特徴と する、前記各請求項のいずれかに記載の溶接装置。 請求項16．ハウジング（１４）が、アルミニューム、真鍮及びオーステナイト ステンレス鋼から成る群から選ばれた材料でつくられていることを特徴とする、 請求項１５に記載の溶接装置。 請求項17．更に、不活性ガスの供給を受けるためハウジング（１４）に連結さ れたチャンバー（３０）を有し、チャンバーは、溶着部を大気汚染から保護する ための追跡ガス被覆を提供するようにレーザー開口（１９）とプラズマ開口（２ ９）とに隣接した領域上にガスを差し向けるように置かれていることを特徴とす る、前記各請求項のいずれかに記載の溶接装置。 請求項18．レーザー開口（１９）及びプラズマ開口（２９）に隣接した工作物 （１２）の上にガスを拡散するための拡散手段（３４）が、チャンバー（３０） に設けられていることを特徴とする、請求項１７に記載の溶接装置。 請求項19．プラズマ開口（２９）がレーザー開口（１９）としても役立ち、そ して集束手段が、プラズマアークと実質的に同軸にプラズマ開口（２９）を通っ てレーザー光線を差し向けるのに適していることを特徴とする、前記各請求項の いずれかに記載の溶接装置。 請求項20．電極（２２）が、プラズマ開口（２９）に隣接した開口端を有する 筒状であり、そして、集束手段が、レーザー光線を電極（２２）を通って同軸上 に差し向けるのに適していることを特徴とする、請求項１９に記載 の溶接装置。 請求項21．ハウジング（１４）にレーザー開口（１９）を形成する延長部（６ ８）が設けられており；ノズル手段（２８）が、ハウジング（１４）内に且つレ ーザー開口（１９）の後方に置かれており、それによってプラズマアークが、レ ーザー開口（１９）を通って延びるようにアレンジされており；そして、レーザ ー開口（１９）に隣接したハウジングの延長部（６８）にセラミック層が設けら れていることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の溶接装置。 請求項22．レーザーとプラズマアークとがそこを通って差し向けられる開口（ ７３）を有する切頭円錐形カップ（７２）によって延長部（６８）が終わってお り；そして溶接ヘッド（１０）が、カップと工作物（１２）との溶接のための接 触を可能にするために弾性的に支持されていることを特徴とする、請求項２１に 記載の溶接装置。 請求項23．カップ（７２）が、高い熱伝導性を有する非磁性材料でつくられて いることを特徴とする、請求項２２に記載の溶接装置。 請求項24．カップ（７２）が、延長部（６８）の上に取り外し自在に取り付け られていることを特徴とする、請求項２３に記載の溶接装置。 請求項25．カップ（７２）が、冷媒の通過のためにその中に通路手段（７５） を有することを特徴とする、請求項２２、２２または２４に記載の溶接装置。 請求項26．更に、レーザー及び第１の手段（４４）、第２の手段（４２）及び 第３の手段（４０）を予めプログラミングされたルーチンに従って制御するため のマイクロプロセッサー手段（４６）を有することを特徴とする、前記各請求項 のいずれかに記載の溶接装置。 請求項27．アーク増大レーザー溶接装置を用いて工作物（１２）を溶接する方 法であって、 （ａ）電極（２２）と工作物（１２）との間にプラズマアークを確立させるの に十分な予め決められた第１のレベルで電極（２２）と工作物（１２）との間に 電気信号を印加すること； （ｂ）第２の予め選択されたレベルまで予め選択された率の信号のアンペア数 を増加し、それによって、安定なプラズマアークを確立すること； （ｃ）上記（ａ）工程の後で且つ安定なプラズマアークの確立の前に予め選択 されたときにレーザーを付勢すること； （ｄ）溶接ヘッド（１０）を予め決められた溶接線に沿って動作させるように 、溶接ヘッド（１０）と工作物（１２）との間で相対的動作を開始させること； 安定なプラズマアークの確立、レーザーの完全な付勢、及び、溶接ヘッド（１ ０）と工作物（１２）の相対的な動作の開始が実質的に同時に起きるように工程 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）と同期させることによって溶接プロセスを開 始し；そして次いで、 （ｅ）プラズマアークがなくなるまで第２の予め選択されたレベルから電気信号 のアンペア数を予め選択された第２の率に減少すること； （ｆ）上記工程（ｅ）の後に予め選択されて第２の時間にレーザーを消勢するこ と；及び、 （ｇ）溶接ヘッド（１０）と工作物（１２）との相対的動作をやめること； プラズマアーク、レーザーエネルギー及び相対的動作の停止が実質的に同時に 起こるように工程（ｅ）、（ｆ）及び（ｇ）に同期させることで溶接プロセスを 終了することを特徴とする、溶接方法。