WO2017203862A1 - レーザ溶接装置、およびレーザ溶接方法 - Google Patents

レーザ溶接装置、およびレーザ溶接方法 Download PDF

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supply nozzle
speed air
shield gas
welding
air supply
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中川　龍幸
篤寛 川本
潤司 藤原
範幸 松岡
高橋　渉
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a laser welding apparatus and a laser welding method for performing welding by irradiating a welding object with laser light.
  • a laser welding apparatus including a high-speed air supply nozzle that supplies high-speed air immediately below the welding head is used.
  • a laser welding apparatus including a shield gas supply nozzle that supplies an inert gas as a shield gas is used.
  • This laser welding apparatus includes a low-speed air supply nozzle between the high-speed air supply nozzle and the shield gas supply nozzle in order to prevent the high-speed air from diffusing the shield gas.
  • This laser welding apparatus prevents diffusion of shield gas by high-speed air by causing low-speed air to flow over the shield gas using a low-speed air supply nozzle (see, for example, Patent Document 1).
  • An object of the present invention is to provide a laser welding apparatus that significantly suppresses the consumption of shielding gas while preventing oxidation of a welding point and protects an optical system in a welding head from fume and spatter.
  • a shield gas is supplied between a welding head that irradiates a processing point with laser light, a shield gas supply nozzle that supplies a shielding gas to the processing point, and the shield gas supply nozzle and the welding head.
  • a high-speed air supply nozzle that supplies high-speed air at a flow rate larger than the flow rate in a horizontal direction or a direction substantially perpendicular to the laser beam irradiation direction immediately above the shield gas supplied to the processing point.
  • the high-speed air supply nozzle is in the range of 80 mm or more above the processing point and 200 mm or less, or less than half of the working distance between the laser beam irradiation surface of the welding head and the processing point, so that the high-speed air becomes a belt shape. To supply.
  • the welding object is prevented from being oxidized by the shielding gas supplied from the shielding gas supply nozzle.
  • the high-speed air supplied from the high-speed air supply nozzle that flows directly above the shield gas supply nozzle removes fumes and spatters rising from the shield gas, and suppresses refraction of laser light or fluctuations in the focal position due to the fume and spatters. . Therefore, oxidation of the processing point of the welding object can be suppressed. Therefore, a good bead can be obtained.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser welding apparatus for mounting a shield gas supply nozzle and a high-speed air supply nozzle on a welding head according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a laser welding apparatus for mounting the shield gas supply nozzle and the high-speed air supply nozzle on the welding jig in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the shield gas flow rate of the shield gas supply nozzle and the height from the processing point of the high-speed air supply nozzle in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser welding apparatus for mounting a shield gas supply nozzle and a high-speed air supply nozzle on a welding head according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a laser welding apparatus for mounting the shield gas supply nozzle and the high-speed air supply nozzle
  • FIG. 4A is a diagram illustrating an example of the shape of the discharge ports of the high-speed air supply nozzle and the shield gas supply nozzle according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating another example of the shape of the discharge ports of the high-speed air supply nozzle and the shield gas supply nozzle according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4C is a diagram showing another example of the shape of the discharge ports of the high-speed air supply nozzle and the shield gas supply nozzle according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the laser welding apparatus of Patent Document 1 supplies low-speed air between high-speed air that supplies high-speed air immediately below the welding head and shield gas. This prevents diffusion of shield gas due to high-speed air.
  • the laser welding apparatus of Patent Document 1 has a long working distance and the welding head is separated from the processing point (for example, about 250 mm or more). In remote welding, the laser beam is refracted by fumes and spatters rising from the processing point. There is an adverse effect that the focal position of the laser beam fluctuates.
  • the laser welding apparatus of Patent Document 1 has a problem that a large amount of expensive shield gas is consumed in order to remove this adverse effect.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser welding apparatus for mounting a shield gas supply nozzle and a high-speed air supply nozzle on a welding head in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a laser welding apparatus for mounting the shield gas supply nozzle and the high-speed air supply nozzle on the welding jig in Embodiment 1 of the present invention.
  • the laser welding apparatus of the present embodiment includes a welding head 1, a shield gas supply nozzle 4, and a high-speed air supply nozzle 3.
  • the welding head 1 emits a laser beam 6 condensed by a condenser lens 10 disposed inside the laser welding apparatus to a processing point 8.
  • the shield gas supply nozzle 4 supplies the shield gas 16 to the processing point 8 on the processing point side.
  • the high-speed air supply nozzle 3 supplies high-speed air 15 between the shield gas supply nozzle 4 and the welding head 1.
  • the high-speed air supply nozzle 3 is in the vicinity of the shield gas supply nozzle 4 and blows away fumes 7 and spatter from the processing point 8 rising from the atmosphere of the shield gas.
  • High-speed air 15 having a larger flow rate for example, 100 L / min or more and 200 L / min or less) is supplied.
  • the laser beam 6 irradiated from the welding head 1 toward the processing point 8 is refracted by the influence of the fumes 7 and the spatter and the like, and adverse effects such as a change in focal length can be avoided. Can be obtained.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the shield gas flow rate of the shield gas supply nozzle 4 and the height H from the processing point 8 of the high-speed air supply nozzle 3 in Embodiment 1 of the present invention. From the relationship shown in FIG. 3, an appropriate range in which the welding result is good can be seen.
  • the results of the welding condition are indicated by ⁇ and ⁇ . Visual confirmation was performed, ⁇ indicates a case where the bead appearance is good, and ⁇ indicates a case where the bead is poor and has little penetration.
  • the welding conditions are as follows.
  • the working distance WD corresponding to the focal length between the laser beam 6 irradiation surface of the welding head 1 and the processing point 8 is 330 mm
  • the flow rate of the high-speed air 15 of the high-speed air supply nozzle 3 is 90 L / min
  • the shielding gas is nitrogen
  • the welding object Material 5 is stainless steel.
  • the shield gas flow rate is 10 L / min or more and 40 L / min or less, the bead appearance is good ( ⁇ ).
  • the shield gas flow rate is less than 30 L / min, a large amount of spatter is generated, and the bead appearance is defective (x) and insufficient penetration occurs. .
  • the shield gas flow rate is 30 L / min or more and 40 L / min or less, the bead appearance is good ( ⁇ ).
  • the shield gas flow rate is less than 40 L / min, a large amount of spatter is generated, and the bead appearance is defective (x) and insufficient penetration occurs.
  • the shield gas flow rate is 40 L / min, the bead appearance is good ( ⁇ ).
  • the shielding gas atmosphere of the supply of the shielding gas is affected, and the shielding performance at the processing point 8 may be deteriorated.
  • the high-speed air supply nozzle 3 has a height H of more than 200 mm and high-speed air is supplied, since it is away from the processing point 8 where spatter is generated, the sputter removal effect is low, and the fume to the welding head 1 and There is a risk of increased spatter deposition.
  • FIG. 4A is a diagram showing an example of the shape of the discharge ports of the high-speed air supply nozzle and the shield gas supply nozzle in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating another example of the shape of the discharge ports of the high-speed air supply nozzle and the shield gas supply nozzle.
  • FIG. 4C is a diagram showing another example of the shape of the discharge ports of the high-speed air supply nozzle and the shield gas supply nozzle.
  • the cross-sectional shape of the high-speed air supply nozzle 3 and the flow rate of the high-speed air 15 are determined so that the high-speed air 15 crosses the optical axis of the laser light 6 and the fume can be sufficiently removed.
  • the discharge port of the high-speed air supply nozzle 3 has a strip shape (long shape) that is long in the irradiation direction 20 of the laser beam 6 from the welding head 1 to the processing point 8.
  • the shape of the discharge port of the high-speed air supply nozzle 3 is a single layer as shown in FIG. 4A or a multilayer as shown in FIGS. 4B and 4C.
  • the discharge port of the high-speed air supply nozzle 3 may have a shape in which narrow slits are arranged in the irradiation direction 20 (longitudinal longitudinal direction) of the laser light 6 as shown in FIG. 4B, or as shown in FIG.
  • the small holes may be arranged in a matrix in the irradiation direction 20 of the laser beam 6.
  • the high-speed air supply nozzle 3 is not limited to a single unit.
  • a combination of a plurality of nozzles may be configured so as to form a belt shape in the irradiation direction 20 of the laser light 6. Accordingly, the laser beam 6 is irradiated in a direction 20 (vertical direction in FIGS. 1 and 2) in the irradiation direction 20 from the welding head 1 in a direction that intersects or is orthogonal to the irradiation direction 20, in other words, the laser beam 6.
  • High-speed air can be blown out in a direction substantially perpendicular to the irradiation direction (horizontal direction in FIGS. 1 and 2).
  • the shield gas supply nozzle 4 includes an angle adjustment unit 19 that adjusts the discharge angle ⁇ of the shield gas 16.
  • the high-speed air supply nozzle 3 is positioned in the horizontal direction or directly in the direction substantially perpendicular to the irradiation direction 20 of the laser beam 6 immediately above the shield gas 16 supplied to the processing point 8 (on the welding head 1 side in the irradiation direction 20). Then, high-speed air 15 that is compressed air is discharged.
  • the relative angle ⁇ formed by the shield gas supply nozzle 4 that discharges the shield gas 16 toward the processing point 8 and the high-speed air supply nozzle 3 is 20 degrees or more and 70 degrees or less.
  • the angle adjustment unit 19 makes it easy to adjust the discharge angle of the shield gas 16 to the machining point 8 so that the blowing of the high-speed air 15 does not hinder the shielding effect due to the supply of the shield gas 16 to the machining point 8. Can be adjusted.
  • the angle ⁇ is 20 degrees or less, the angle between the shield gas supply nozzle 4 and the high-speed air supply nozzle 3 becomes too small, and the distance between the discharged shield gas 16 and the high-speed air 15 is short. For this reason, the shielding gas 16 is diffused by the high-speed air 15, the shielding effect is hindered, and the processing point 8 is likely to be oxidized.
  • the angle ⁇ exceeds 70 degrees, the angle between the shield gas supply nozzle 4 and the high-speed air supply nozzle 3 becomes too large, and the spray of the shield gas 16 with respect to the processing point 8 is nearly vertical.
  • the flow of the shield gas 16 sprayed on the processing point 8 is a direction opposite to the welding direction 13, which is the welding progress direction in which the welding head 1 moves during welding, and the processing point where the laser beam 6 is irradiated. 8, the shield gas 16 is less likely to flow backward in the direction opposite to the welding direction 13. Therefore, the laser beam 6 is irradiated, the processing point 8 is welded, and the supply of the shielding gas 16 to the bead behind the processing point 8 that has not been cooled and solidified is insufficient, and the shielding effect by the shielding gas 16 is reduced.
  • the processing point 8 is easily oxidized.
  • the shield gas supply nozzle 4 has a cylindrical shape, for example, includes a mesh that forms a plurality of mesh-shaped opening holes at the discharge port for discharging the shield gas 16, and applies laser to the laser light 6 having a wavelength of 900 nm to 1100 nm. It is made of a material such as copper or brass having a reflectance higher than 80%. For this reason, even when the laser beam 6 is reflected from the processing point 8, it is possible to prevent damage such as deformation. Thereby, the shield gas supply nozzle 4 can be brought closer to the processing point 8. Therefore, the shielding gas 16 can be efficiently supplied toward the processing point 8.
  • the shield gas is rectified by providing a mesh (not shown) at the discharge port for discharging the shield gas of the shield gas supply nozzle 4 (in other words, a mesh is disposed in the vicinity of the nozzle opening which is the discharge port).
  • a mesh is disposed in the vicinity of the nozzle opening which is the discharge port.
  • the laser welding apparatus may have a nozzle height adjusting portion 9 on the welding head 1 side as shown in FIG. 1, or for welding to fix the welding object 5 at a predetermined position as shown in FIG. You may have on the jig 18 side.
  • the nozzle height adjusting unit 9 can be selected according to the processing target.
  • the low-speed air supply nozzle 2, the high-speed air supply nozzle 3, and the shield gas supply nozzle 4 are attached by attaching the nozzle height adjusting unit 9 to the welding head 1.
  • the low-speed air supply nozzle 2 is provided in the welding head 1.
  • the high-speed air supply nozzle 3 and the shield gas supply nozzle 4 are provided in the nozzle height adjustment unit 9. For this reason, the initial expense of an apparatus can be suppressed.
  • 4 and 4 are used as a set of supply nozzles, and one or more sets of nozzle height adjusting portions 9 are attached to the welding jig 18 side.
  • limiting with respect to the operating range of the welding head 1 becomes small. Therefore, it is possible to perform processing with a head inclination of the welding head 1 or a working distance more suitable for the shape of the welding object 5.
  • At least the shield gas supply nozzle 4 and the high-speed air supply nozzle 3 attached to the welding head 1 correspond to the welding direction 13 in which the welding head 1 moves during welding, which is the welding direction 13.
  • the high-speed air 15 is provided so as to be rotatable with respect to the optical axis of the laser beam 6 so that the discharge direction of the high-speed air 15 is opposite to the welding direction 13.
  • Shield gas supply nozzle 4, high-speed air supply nozzle 3, and low-speed air supply nozzle 2 are called supply nozzles.
  • the direction of the supply nozzle is the same because the effect of removing spatter generated at the processing point 8 is high.
  • the supply nozzle mounted on the welding head 1 is arranged so as to be able to rotate and move with respect to the optical axis of the laser beam 6 irradiated to the processing point 8 in accordance with the welding direction 13. .
  • the laser welding apparatus further includes a low-speed air supply nozzle 2 that supplies low-speed air 14 in a direction that does not disturb the shield gas 16 from directly below the welding head 1, separately from the high-speed air supply nozzle 3.
  • the low-speed air supply nozzle 2 is provided in the vicinity of the laser irradiation port irradiated with the laser beam 6 of the welding head 1.
  • the low-speed air supply nozzle 2 has a low flow rate (for example, 50 L / min or more and 100 L or more in order to suppress adhesion of fumes, spatters, and the like to the protective glass 11 provided on the surface irradiated with the laser beam 6 from the welding head 1. / Min or less) is supplied.
  • the high-speed air supply nozzle 3 is disposed between the low-speed air supply nozzle 2 and the shield gas supply nozzle 4.
  • the low speed air 14 prevents fume 7 and spatter from adhering to the protective glass 11.
  • the discharge direction of the low-speed air 14 from the low-speed air supply nozzle 2 also depends on the welding direction 13 which is the welding progress direction in which the welding head 1 moves during welding, as with the shield gas supply nozzle 4 and the high-speed air supply nozzle 3.
  • the discharge direction of the shield gas 16 and the high-speed air 15 may be provided so as to be rotatable with respect to the optical axis of the laser beam 6.
  • An opening / closing valve 17 for supplying the shield gas 16 and the high-speed air 15 is provided in accordance with the irradiation timing at which the laser beam 6 is applied to the plurality of processing points 8 of the welding object 5. Thereby, consumption of the shielding gas 16 and the high speed air 15 can be suppressed.
  • the laser welding apparatus includes the welding head 1 that irradiates the processing point 8 with the laser beam 6, the shield gas supply nozzle 4 that supplies the shielding gas 16 to the processing point 8, and the shield gas supply.
  • High-speed air 15 having a flow rate larger than the flow rate at which the shield gas 16 is supplied between the nozzle 4 and the welding head 1 is irradiated in the horizontal direction or the laser beam 6 directly above the shield gas 16 supplied to the processing point 8.
  • a high-speed air supply nozzle 3 that supplies a direction substantially orthogonal to the direction 20 is provided.
  • the high-speed air supply nozzle 3 is in the range of 80 mm or more above the processing point 8 and 200 mm or less, or less than half of the working distance WD between the irradiation surface of the laser beam 6 of the welding head 1 and the processing point 8; High-speed air 15 is supplied in a strip shape.
  • the welding object 5 is prevented from being oxidized by the shielding gas 16 supplied from the shielding gas supply nozzle 4.
  • the shielding gas 16 supplied from the shielding gas supply nozzle 4.
  • the high-speed air 15 supplied from the high-speed air supply nozzle 3 that flows immediately above the shield gas 16 it is possible to remove fumes 7, spatter, and the like that rise from the processing point 8 through the shield gas 16.
  • the favorable bead which suppressed the oxidation of the process point 8 of the welding target object 5 can be obtained, suppressing the refraction
  • the high-speed air 15 flowing immediately above the shield gas 16 can suppress fume and spatter adhesion to the irradiation surface of the laser beam 6 of the welding head 1 irradiated with the laser beam 6 from the welding head 1.
  • the high-speed air 15 flowing immediately above the shield gas 16 removes the fumes 7 and spatter that rise from the processing point 8 through the shield gas 16. For this reason, the usage-amount of the shielding gas 16 can be reduced significantly. Therefore, oxidation of the welding object 5 is prevented by supplying a small amount of the shielding gas 16. Therefore, good welding can be performed.
  • the shape of the discharge port of the high-speed air supply nozzle 3 may be a multi-layer or a single-layer belt that is long in the irradiation direction in which the laser beam 6 is irradiated from the welding head 1 to the processing point 8.
  • the laser welding apparatus of the present embodiment may further include an angle adjustment unit 19 that can adjust the discharge angle between the high-speed air supply nozzle 3 and the shield gas supply nozzle 4. It is preferable that the relative angle formed by the high-speed air supply nozzle 3 and the shield gas supply nozzle 4 by the angle adjusting unit 19 is 20 degrees or more and 70 degrees or less.
  • the laser welding apparatus of the present embodiment is equipped with a shield gas supply nozzle 4 and a high-speed air supply nozzle 3, and a nozzle height adjustment unit 9 that can adjust the height of the shield gas supply nozzle 4 with respect to the processing point 8. May be further provided.
  • the shield gas supply nozzle 4 has a cylindrical shape and is provided with a mesh that forms a plurality of mesh-shaped opening holes at the discharge port for discharging the shield gas 16, and with respect to laser light 6 having a wavelength of 900 nm to 1100 nm.
  • the laser reflectivity is preferably made of a material higher than 80%.
  • the laser welding apparatus of the present embodiment may have the angle adjusting unit 19 in the welding head 1.
  • the laser welding apparatus of the present embodiment may have the nozzle height adjusting unit 9 in the welding head 1.
  • the laser welding apparatus of the present embodiment may have the angle adjusting unit 19 in the welding jig 18.
  • the laser welding apparatus of the present embodiment may have the nozzle height adjusting portion 9 in the welding jig 18.
  • the laser welding apparatus of the present embodiment does not interfere with the supply of the shield gas 16 from the shield gas supply nozzle 4 directly below the welding head 1 and is in the same direction as the supply direction of the high-speed air 15 of the high-speed air supply nozzle 3.
  • the shield gas supply nozzle 4, the high-speed air supply nozzle 3, and the low-speed air supply nozzle 2 attached to the welding head 1 are arranged so as to be rotationally moved with respect to the optical axis of the laser beam 6 according to the welding direction 13. Is preferred.
  • the laser welding method of the present embodiment includes a welding head 1 that irradiates the processing point 8 with the laser beam 6, a shield gas supply nozzle 4 that supplies the shielding gas 16 to the processing point 8, and a shield gas supply nozzle 4.
  • the high-speed air supply nozzle 3 is supplied in the direction orthogonal to the vertical direction, and the high-speed air supply nozzle 3 is 80 mm or more above the processing point 8 and 200 mm or less, or an irradiation surface of the laser beam 6 of the welding head 1.
  • high-speed air 15 is supplied in a band shape.
  • a good welding state can be realized with a small amount of shielding gas, which is industrially useful as a laser welding apparatus.

Abstract

レーザ溶接装置は、レーザ光（６）を加工点へ照射する溶接ヘッド（１）と、加工点（８）にシールドガス（１６）を供給するシールドガス供給ノズル（４）と、シールドガス供給ノズル（４）と溶接ヘッド（１）との間に、シールドガス（１６）が供給される流量より大きい流量の高速エア（１５）を、加工点（８）に供給されるシールドガス（１６）の直上を水平方向、あるいはレーザ光（６）の照射方向に直交する方向、に向かって供給する高速エア供給ノズル（３）を備える。高速エア供給ノズル（３）は、加工点（８）の上方８０ｍｍ以上で、２００ｍｍ以下、あるいは溶接ヘッド（１）のレーザ光（６）の照射面（１１）と加工点（８）との間のワーキングディスタンス（ＷＤ）の半分以下の範囲内であり、高速エア（１５）を帯状に供給する。

Description

レーザ溶接装置、およびレーザ溶接方法
　本発明は、溶接対象物に対してレーザ光を照射して、溶接を行うレーザ溶接装置、およびレーザ溶接方法に関する。
　レーザ光の照射により、溶接対象物を溶接するレーザ溶接装置において、溶接対象物からのヒュームおよびスパッタ等から、溶接ヘッド内の光学部品を保護する必要がある。このために、溶接ヘッドの直下に、高速エアを供給する高速エア供給ノズルを備えるレーザ溶接装置が用いられている。また、溶接対象物の酸化を防ぐために、不活性ガスをシールドガスとして供給するシールドガス供給ノズルを備えるレーザ溶接装置が用いられている。このレーザ溶接装置は、高速エアがシールドガスを拡散させることを防ぐために、高速エア供給ノズルとシールドガス供給ノズルの間に低速エア供給ノズルを備える。このレーザ溶接装置は、低速エア供給ノズルによって低速エアをシールドガス上に流すことで、高速エアによるシールドガスの拡散を防止する（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０００－２６３２７６号公報
　本発明は、溶接点の酸化を防止しつつ、シールドガスの消費量を大幅に抑制し、溶接ヘッド内の光学系をヒュームおよびスパッタから保護するレーザ溶接装置を提供することを目的とする。
　本発明のレーザ溶接装置は、レーザ光を加工点へ照射する溶接ヘッドと、加工点にシールドガスを供給するシールドガス供給ノズルと、シールドガス供給ノズルと溶接ヘッドとの間に、シールドガスが供給される流量より大きい流量の高速エアを、加工点に供給されるシールドガスの直上を水平方向、あるいはレーザ光の照射方向に実質的に直交する方向、に向かって供給する高速エア供給ノズルを備える。高速エア供給ノズルは、加工点の上方８０ｍｍ以上で、２００ｍｍ以下、あるいは溶接ヘッドのレーザ光の照射面と加工点との間のワーキングディスタンスの半分以下の範囲内であり高速エアを帯状になるように供給する。
　本発明のレーザ溶接装置によれば、シールドガス供給ノズルから供給されたシールドガスにより、溶接対象物の酸化を防止する。また、シールドガス供給ノズルの直上を流れる、高速エア供給ノズルから供給される高速エアにより、シールドガスから立ち上るヒュームおよびスパッタを除去し、ヒュームおよびスパッタによるレーザ光の屈折または焦点位置の変動を抑制する。よって、溶接対象物の加工点の酸化を抑制することができる。したがって、良好なビードを得ることができる。
　シールドガスの直上を流れる高速エアが、シールドガスから立ち上るヒュームおよびスパッタをレーザ光の光軸上から除去する。このため、シールドガス使用量を大幅に削減することができ、経済的である。
図１は、本発明の実施の形態１におけるシールドガス供給ノズル、高速エア供給ノズルを溶接ヘッドに装着するレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１におけるシールドガス供給ノズル、高速エア供給ノズルを溶接用ジグに装着するレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１におけるシールドガス供給ノズルのシールドガス流量と高速エア供給ノズルの加工点からの高さとの関係を示す図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態１における高速エア供給ノズルとシールドガス供給ノズルの吐出口の形状の例を示す図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態１における高速エア供給ノズルとシールドガス供給ノズルの吐出口の形状の別の例を示す図である。 図４Ｃは、本発明の実施の形態１における高速エア供給ノズルとシールドガス供給ノズルの吐出口の形状のもう一つ別の例を示す図である。
　本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来のレーザ溶接装置における問題点を簡単に説明する。
　特許文献１のレーザ溶接装置は、溶接ヘッドの直下に高速のエアを供給する高速エアとシールドガスとの間に、低速エアを供給する。これにより、高速エアによるシールドガスの拡散を防止する。しかし、特許文献１のレーザ溶接装置は、ワーキングディスタンスが長く、溶接ヘッドが加工点から離れている（例えば約２５０ｍｍ以上）リモート溶接の場合、加工点から立ち上るヒュームおよびスパッタ等により、レーザ光が屈折する、レーザ光の焦点位置が変動するといった悪影響がある。特許文献１のレーザ溶接装置には、この悪影響を取り除くために、高価なシールドガスを多量に消費するという問題がある。
　（実施の形態１）
　図１から図４を用いて、実施の形態１について説明する。
　図１は、本発明の実施の形態１におけるシールドガス供給ノズル、高速エア供給ノズルを溶接ヘッドに装着するレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。図２は、本発明の実施の形態１におけるシールドガス供給ノズル、高速エア供給ノズルを溶接用ジグに装着するレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。
　図１、図２に示すように、本実施の形態のレーザ溶接装置は、溶接ヘッド１と、シールドガス供給ノズル４と、高速エア供給ノズル３とを備えている。溶接ヘッド１は、レーザ溶接装置内部に配置された集光レンズ１０により集光したレーザ光６を加工点８へ出射する。シールドガス供給ノズル４は、加工点側で加工点８にシールドガス１６を供給する。高速エア供給ノズル３は、シールドガス供給ノズル４と溶接ヘッド１との間に高速エア１５を供給する。高速エア供給ノズル３は、シールドガス供給ノズル４の近傍で、シールドガスの雰囲気から上昇してくる加工点８からのヒューム７およびスパッタ等を吹き飛ばす、シールドガス１６の流量（例えば２０Ｌ／ｍｉｎ以上４０Ｌ／ｍｉｎ以下）より大きい流量（例えば１００Ｌ／ｍｉｎ以上２００Ｌ／ｍｉｎ以下）の高速エア１５を供給する。
　これにより、溶接ヘッド１から加工点８へ向かって照射されるレーザ光６が、ヒューム７およびスパッタ等の影響により屈折し、焦点距離が変化する等の悪影響を避けることができ、溶接時の十分な溶込み１２を得られる。
　図３は、本発明の実施の形態１におけるシールドガス供給ノズル４のシールドガス流量と高速エア供給ノズル３の加工点８からの高さＨとの関係を示す図である。図３に示す関係から、溶接結果が良好となる適正範囲が分かる。図３には、溶接具合の結果を○と×で表している。目視で確認を行い、○はビード外観が良好な場合を示し、×は不良で溶込みが少ない場合を示している。溶接条件は以下の通りである。溶接ヘッド１のレーザ光６の照射面と加工点８との焦点距離に相当するワーキングディスタンスＷＤは３３０ｍｍ、高速エア供給ノズル３の高速エア１５の流量は９０Ｌ／ｍｉｎ、シールドガスは窒素、溶接対象物５の材質はステンレス。
　高速エア供給ノズル３の高さＨ（加工点８からの距離）が８０ｍｍにおいて、シールドガス流量が１０Ｌ／ｍｉｎ未満では、大量にスパッタが発生するとともに、ビード外観は、不良（×）で溶込み不足が発生している。シールドガス流量が１０Ｌ／ｍｉｎ以上、４０Ｌ／ｍｉｎ以下では、ビード外観は、良好（○）である。
　高速エア供給ノズル３の高さＨが１２０ｍｍ、１６０ｍｍにおいて、シールドガス流量が３０Ｌ／ｍｉｎ未満では、大量にスパッタが発生するとともに、ビード外観は、不良（×）で溶込み不足が発生している。シールドガス流量が３０Ｌ／ｍｉｎ以上、４０Ｌ／ｍｉｎ以下では、ビード外観は、良好（○）である。
　高速エア供給ノズル３の高さＨが２００ｍｍにおいて、シールドガス流量が４０Ｌ／ｍｉｎ未満では、大量にスパッタが発生するとともに、ビード外観は、不良（×）で溶込み不足が発生している。シールドガス流量が４０Ｌ／ｍｉｎでは、ビード外観は、良好（○）である。
　高速エア供給ノズルの高さＨがいずれの場合も、シールドガス流量が４０Ｌ／ｍｉｎを超える場合では、シールドガスの供給による冷却効果で溶込みが不足し、ビード外観は、不良（×）である。
　高速エア供給ノズル３の高さＨが８０ｍｍ未満で、高速エアを供給した場合は、シールドガスの供給のシールドガス雰囲気に影響を及ぼし、加工点８のシールド性が低下してしまう恐れがある。高速エア供給ノズル３の高さＨが２００ｍｍを超えて、高速エアを供給した場合は、スパッタが発生する加工点８から離れているため、スパッタの除去効果が低く、溶接ヘッド１へのヒュームおよびスパッタの付着が増加する恐れがある。
　図４Ａは、本発明の実施の形態１における高速エア供給ノズルとシールドガス供給ノズルの吐出口の形状の例を示す図である。図４Ｂは、同高速エア供給ノズルとシールドガス供給ノズルの吐出口の形状の別の例を示す図である。図４Ｃは、同高速エア供給ノズルとシールドガス供給ノズルの吐出口の形状のもう一つ別の例を示す図である。
　高速エア１５がレーザ光６の光軸上を横切るように通り、ヒュームを十分に除去できるように、高速エア供給ノズル３の断面形状、および高速エア１５の流量が決定される。高速エア供給ノズル３の吐出口の形状は、溶接ヘッド１から加工点８へのレーザ光６の照射方向２０に長い帯状（長尺状）である。高速エア供給ノズル３の吐出口の形状は、図４Ａに示すような単層、または、図４Ｂおよび図４Ｃに示すような多層である。
　高速エア供給ノズル３の吐出口は、図４Ｂに示すように、幅が狭いスリットがレーザ光６の照射方向２０（帯状の長手方向）に並んだ形状でも良いし、図４Ｃに示すように、小さい穴がレーザ光６の照射方向２０にマトリックス状に並んだ構成でも良い。
　高速エア供給ノズル３は、単体で構成されるものに限らない。複数のノズルの組合せにより、レーザ光６の照射方向２０に帯状になるように構成されたものであっても良い。これにより、溶接ヘッド１からの加工点８へのレーザ光６の照射方向２０（図１，２では上下方向）に長い帯状で、照射方向２０に交差または直交する方向、言い換えるとレーザ光６の照射方向に実質的に直交する方向（図１，２では水平方向）に高速エアを吹き出すことができる。これにより、溶接に悪影響を及ぼすレーザ光６の光軸上のヒュームおよびスパッタ等を効果的に除去し、ヒューム７およびスパッタ等によるレーザ光６の屈折または焦点位置の変動を抑制する。また、加工点８に吹き付けられるシールドガス１６のシールド効果を阻害することがない。
　溶接ヘッド１から離れた位置でヒュームおよびスパッタ等を除去可能な為、溶接ヘッド１からレーザ光６が照射されるレーザ照射口の保護ガラス１１に対するシールド効果も大きい。
　シールドガス供給ノズル４は、シールドガス１６の吐出角度αを調整する角度調整部１９を備えている。高速エア供給ノズル３は、加工点８に供給されるシールドガス１６の直上（照射方向２０の溶接ヘッド１側）を水平方向、あるいは、レーザ光６の照射方向２０に実質的に直交する方向に向かって、圧縮エアである高速エア１５を吐出する。加工点８に向かってシールドガス１６を吐出するシールドガス供給ノズル４と、高速エア供給ノズル３とが成す相対的な角度αは、２０度以上、７０度以下である。
　角度調整部１９により、加工点８へのシールドガス１６の吐出角度の調整が容易になり、高速エア１５の吹き出しが、加工点８へのシールドガス１６の供給によるシールドの効果を阻害しないように、調整できる。
　角度αが２０度以下の場合は、シールドガス供給ノズル４と高速エア供給ノズル３との間の角度が小さく成り過ぎて、吐出されるシールドガス１６と高速エア１５との距離が近い。このため、高速エア１５によりシールドガス１６が拡散され、シールド効果が阻害され、加工点８が酸化されやすい。角度αが７０度を超える場合は、シールドガス供給ノズル４と高速エア供給ノズル３との間の角度が大きく成り過ぎて、加工点８に対してシールドガス１６の吹き付けが鉛直に近い。このため、加工点８に吹き付けたシールドガス１６の流れが、溶接時に溶接ヘッド１が移動する溶接進行方向である溶接方向１３とは逆側の方向であり、レーザ光６が照射される加工点８に対して溶接方向１３の反対方向である後方へ、シールドガス１６が流れ難くなる。したがって、レーザ光６が照射され、加工点８が溶接され、冷却固化が完了していない加工点８の後方のビードへのシールドガス１６の供給が不足し、シールドガス１６によるシールド効果が低くなり、加工点８が酸化されやすい。
　シールドガス供給ノズル４は、形状が例えば円筒状で、シールドガス１６を吐出する吐出口に網目状の複数の開口穴を形成するメッシュを備え、波長が９００ｎｍ以上１１００ｎｍのレーザ光６に対し、レーザ反射率が８０％よりも高い銅または真鍮等の素材からなる。このため、加工点８からレーザ光６が反射された場合でも、変形などの損傷を受けることを防止可能である。これにより、シールドガス供給ノズル４を加工点８に、より近づけることができる。したがって、シールドガス１６を加工点８に向けて効率よく供給することができる。
　シールドガス供給ノズル４のシールドガスを吐出する吐出口に、図示しないメッシュを設けること（言い換えると、吐出口であるノズル開口部の近傍にメッシュを配置）で、シールドガスを整流する。これにより、加工点８のシールド性が向上する。シールドガス供給ノズル４、高速エア供給ノズル３を装着し、少なくともシールドガス供給ノズル４および高速エア供給ノズル３のどちらかを加工点８に対し、位置を調整するノズル高さ調整部９を備える。これにより、レーザ光６の焦点位置以外で加工点８を溶接する場合でも、加工点８の近くにシールドガス供給ノズル４を配置できる。したがって、シールド効果を低下させることがない。
　レーザ溶接装置は、ノズル高さ調整部９を、図１に示すように溶接ヘッド１側に有しても良いし、図２に示すように溶接対象物５を所定の位置に固定する溶接用ジグ１８側に有しても良い。ノズル高さ調整部９は、加工対象に応じて選択することができる。加工対象である溶接対象物５の形状が単純な場合は、ノズル高さ調整部９を溶接ヘッド１に取り付けることで、低速エア供給ノズル２と、高速エア供給ノズル３と、シールドガス供給ノズル４とを一組の供給ノズルとして、溶接ヘッド１とともに溶接対象物５の加工点８の位置に対応して移動することができる。このとき、低速エア供給ノズル２は、溶接ヘッド１に設けられる。高速エア供給ノズル３とシールドガス供給ノズル４は、ノズル高さ調整部９に設けられる。このため、装置の初期費用を抑制することができる。逆に、溶接対象物５の形状が複雑な場合は、溶接対象物５の加工点８の位置に対応して、ノズル高さ調整部９に設けられた高速エア供給ノズル３とシールドガス供給ノズル４とを一組の供給ノズルとして、ノズル高さ調整部９を一組以上、溶接用ジグ１８側に取り付ける。これにより、溶接ヘッド１の動作範囲に対する制約が小さくなる。したがって、より溶接対象物５の形状に適した溶接ヘッド１のヘッド傾斜、または、ワーキングディスタンス等で加工することが可能になる。
　溶接ヘッド１に装着された、少なくともシールドガス供給ノズル４および高速エア供給ノズル３が、溶接ヘッド１が溶接時に移動する方向の溶接進行方向である溶接方向１３に応じて、好ましくは、シールドガス１６および高速エア１５の吐出方向が溶接方向１３とは逆向きになるように、レーザ光６の光軸に対して回転可能に設けられる。
　シールドガス供給ノズル４、高速エア供給ノズル３、および低速エア供給ノズル２を供給ノズルと呼ぶ。溶接方向１３に応じた供給ノズルの回転においては、供給ノズルの風向きが同じ方が、加工点８で発生するスパッタ除去に対する効果が高く、より望ましい。言い換えると溶接ヘッド１に装着された供給ノズルが、溶接方向１３に応じて、加工点８に対して照射されるレーザ光６の光軸に対して、回転移動可能に配置されることがより望ましい。
　これにより、高速でレーザ光６が溶接進行方向の溶接方向１３へ走査される場合であっても、溶接進行方向への高速エア１５等の吹き付けを防止可能に、常に任意の向きからシールドガスが供給可能に配置されるため、安定したビード形成が可能である。また、溶接進行方向に対し、供給ノズルが、常に溶接ヘッド１の前方に配置されるため、溶接用ジグ１８への接触を避けた溶接プログラムを作成することも容易になる。
　レーザ溶接装置は、さらに、高速エア供給ノズル３とは別に、溶接ヘッド１の直下からシールドガス１６を乱さない向きに低速エア１４を供給する低速エア供給ノズル２を備える。具体的には、溶接ヘッド１のレーザ光６が照射されるレーザ照射口の近傍に低速エア供給ノズル２を備える。低速エア供給ノズル２は、溶接ヘッド１からレーザ光６が照射される表面に設けられた保護ガラス１１へのヒュームおよびスパッタ等の付着を抑制するために、低速の流量（例えば５０Ｌ／ｍｉｎ以上１００Ｌ／ｍｉｎ以下）の低速エア１４を供給する。言い換えると、低速エア供給ノズル２とシールドガス供給ノズル４との間に、高速エア供給ノズル３が配置される。低速エア１４により、保護ガラス１１にヒューム７およびスパッタ等が付着するのを防ぐ。
　低速エア供給ノズル２の低速エア１４の吐出方向も、シールドガス供給ノズル４および高速エア供給ノズル３と同様に、溶接ヘッド１が溶接時に移動する方向の溶接進行方向である溶接方向１３に応じて、好ましくは、シールドガス１６および高速エア１５の吐出方向が、レーザ光６の光軸に対して回転可能に設けても良い。
　溶接対象物５の複数の加工点８に対し、レーザ光６が照射される照射タイミングに合わせて、シールドガス１６と高速エア１５を供給するための開閉弁１７が設けられている。これにより、シールドガス１６および高速エア１５の消費量を抑制することができる。
　以上のように、本実施の形態のレーザ溶接装置は、レーザ光６を加工点８へ照射する溶接ヘッド１と、加工点８にシールドガス１６を供給するシールドガス供給ノズル４と、シールドガス供給ノズル４と溶接ヘッド１との間に、シールドガス１６が供給される流量より大きい流量の高速エア１５を、加工点８に供給されるシールドガス１６の直上を水平方向、あるいはレーザ光６の照射方向２０に実質的に直交する方向、に向かって供給する高速エア供給ノズル３を備える。高速エア供給ノズル３は、加工点８の上方８０ｍｍ以上で、２００ｍｍ以下、あるいは溶接ヘッド１のレーザ光６の照射面と加工点８との間のワーキングディスタンスＷＤの半分以下の範囲内であり、高速エア１５を帯状になるように供給する。
　これにより、リモート溶接のような溶接ヘッドと加工点との距離が離れている場合であっても、シールドガス供給ノズル４から供給されたシールドガス１６により溶接対象物５の酸化が防止される。シールドガス１６の直上を流れる、高速エア供給ノズル３から供給される高速エア１５により、加工点８からシールドガス１６を介して立ち上るヒューム７およびスパッタ等を除去可能となる。そして、ヒューム７およびスパッタによるレーザ光６の屈折または焦点位置の変動を抑制しつつ、溶接対象物５の加工点８の酸化を抑制した良好なビードを得ることができる。
　また、シールドガス１６の直上を流れる高速エア１５が、溶接ヘッド１よりレーザ光６が照射される、溶接ヘッド１のレーザ光６の照射面へのヒュームおよびスパッタの付着を抑制可能にする。シールドガス１６の直上を流れる高速エア１５が、加工点８からシールドガス１６を通過して立ち上るヒューム７およびスパッタ等を除去する。このため、シールドガス１６の使用量を大幅に削減することができる。よって、少ない量のシールドガス１６の供給で、溶接対象物５の酸化が防止される。したがって、良好な溶接を行うことができる。
　また、高速エア供給ノズル３の吐出口の形状は、レーザ光６が溶接ヘッド１から加工点８へ照射される照射方向に長い、多層または、単層からなる帯状であってもよい。
　また、本実施の形態のレーザ溶接装置は、高速エア供給ノズル３とシールドガス供給ノズル４との吐出角度を調整可能な角度調整部１９をさらに備えてもよい。角度調整部１９により高速エア供給ノズル３とシールドガス供給ノズル４とが成す相対的な角度を、２０度以上７０度以下にすることが好ましい。
　また、本実施の形態のレーザ溶接装置は、シールドガス供給ノズル４、および高速エア供給ノズル３を装着し、加工点８に対するシールドガス供給ノズル４の高さを調整可能なノズル高さ調整部９をさらに備えてもよい。
　また、シールドガス供給ノズル４は、形状が円筒状で、シールドガス１６を吐出する吐出口に網目状の複数の開口穴を形成するメッシュを備え、波長が９００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下のレーザ光６に対し、レーザ反射率が８０％よりも高い素材からなることが好ましい。
　また、本実施の形態のレーザ溶接装置は、角度調整部１９を溶接ヘッド１に有してもよい。
　また、本実施の形態のレーザ溶接装置は、ノズル高さ調整部９を溶接ヘッド１に有してもよい。
　また、本実施の形態のレーザ溶接装置は、角度調整部１９を溶接用ジグ１８に有してもよい。
　また、本実施の形態のレーザ溶接装置は、ノズル高さ調整部９を溶接用ジグ１８に有してもよい。
　また、本実施の形態のレーザ溶接装置は、溶接ヘッド１の直下にシールドガス供給ノズル４からのシールドガス１６の供給に干渉せず、かつ高速エア供給ノズル３の高速エア１５の供給方向と同方向に低速エア１４を供給する低速エア供給ノズル２を備えてもよい。溶接ヘッド１に装着されたシールドガス供給ノズル４、高速エア供給ノズル３、および低速エア供給ノズル２が、溶接方向１３に応じて、レーザ光６の光軸に対して回転移動に配置されることが好ましい。
　また、本実施の形態のレーザ溶接方法は、レーザ光６を加工点８へ照射する溶接ヘッド１と、加工点８にシールドガス１６を供給するシールドガス供給ノズル４と、シールドガス供給ノズル４と溶接ヘッド１との間に、シールドガス１６が供給される流量より大きい流量の高速エア１５を、加工点８に供給されるシールドガス１６の直上を水平方向、あるいはレーザ光６の照射方向に実質的に直交する方向、に向かって供給する高速エア供給ノズル３を備え、高速エア供給ノズル３は、加工点８の上方８０ｍｍ以上で、２００ｍｍ以下、あるいは溶接ヘッド１のレーザ光６の照射面と加工点８との間のワーキングディスタンスＷＤの半分以下の範囲内であるレーザ溶接装置において、高速エア１５を帯状になるように供給する。
　本発明によれば、少ないシールドガスで良好な溶接状態を実現でき、レーザ溶接装置として産業上有用である。
　１　　溶接ヘッド
　２　　低速エア供給ノズル
　３　　高速エア供給ノズル
　４　　シールドガス供給ノズル
　５　　溶接対象物
　６　　レーザ光
　７　　ヒューム
　８　　加工点
　９　　ノズル高さ調整部
　１０　　集光レンズ
　１１　　保護ガラス
　１２　　溶込み
　１３　　溶接方向
　１４　　低速エア
　１５　　高速エア
　１６　　シールドガス
　１７　　開閉弁
　１８　　溶接用ジグ
　１９　　角度調整部
　２０　　照射方向

Claims (11)

  1. レーザ光を加工点へ照射する溶接ヘッドと、
    前記加工点にシールドガスを供給するシールドガス供給ノズルと、
    前記シールドガス供給ノズルと前記溶接ヘッドとの間に、前記シールドガスが供給される流量より大きい流量の高速エアを、前記加工点に供給される前記シールドガスの直上を水平方向、あるいは前記レーザ光の照射方向に実質的に直交する方向、に向かって供給する高速エア供給ノズルを備え、
    前記高速エア供給ノズルは、前記加工点の上方８０ｍｍ以上で、２００ｍｍ以下、あるいは前記溶接ヘッドの前記レーザ光の照射面と前記加工点との間のワーキングディスタンスの半分以下の範囲内であり、前記高速エアを帯状になるように供給する
    レーザ溶接装置。
  2. 前記高速エア供給ノズルの吐出口の形状は、前記レーザ光が前記溶接ヘッドから前記加工点へ照射される前記照射方向に長い、多層、または、単層からなる帯状である
    請求項１に記載のレーザ溶接装置。
  3. 前記高速エア供給ノズルと前記シールドガス供給ノズルとの吐出角度を調整可能な角度調整部をさらに備え、
    前記角度調整部により、前記高速エア供給ノズルと前記シールドガス供給ノズルとが成す相対的な角度を、２０度以上７０度以下にする
    請求項１または２に記載のレーザ溶接装置。
  4. 前記シールドガス供給ノズル、および前記高速エア供給ノズルを装着し、前記加工点に対する前記シールドガス供給ノズルの高さを調整可能なノズル高さ調整部をさらに備える
    請求項１から３のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
  5. 前記シールドガス供給ノズルは、形状が円筒状で、前記シールドガスを吐出する吐出口にメッシュを備え、波長が９００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下のレーザ光に対し、レーザ反射率が８０％よりも高い素材からなる
    請求項１から４のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
  6. 前記角度調整部を前記溶接ヘッドに有する
    請求項３に記載のレーザ溶接装置。
  7. 前記ノズル高さ調整部を前記溶接ヘッドに有する
    請求項４に記載のレーザ溶接装置。
  8. 前記角度調整部を溶接用ジグに有する
    請求項３に記載のレーザ溶接装置。
  9. 前記ノズル高さ調整部を溶接用ジグに有する
    請求項４に記載のレーザ溶接装置。
  10. 前記溶接ヘッドの直下に前記シールドガス供給ノズルからの前記シールドガスの供給に干渉せず、かつ前記高速エア供給ノズルの高速エアの供給方向と同方向に低速エアを供給する低速エア供給ノズルをさらに備え、
    前記溶接ヘッドに装着された前記シールドガス供給ノズル、前記高速エア供給ノズル、および前記低速エア供給ノズルが、溶接方向に応じて、前記レーザ光の光軸に対して回転移動可能に配置される
    請求項１から７のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
  11. レーザ光を加工点へ照射する溶接ヘッドと、
    前記加工点にシールドガスを供給するシールドガス供給ノズルと、
    前記シールドガス供給ノズルと前記溶接ヘッドとの間に、前記シールドガスが供給される流量より大きい流量の高速エアを、前記加工点に供給される前記シールドガスの直上を水平方向、あるいは前記レーザ光の照射方向に実質的に直交する方向、に向かって供給する高速エア供給ノズルを備え、
    前記高速エア供給ノズルは、前記加工点の上方８０ｍｍ以上で、２００ｍｍ以下、あるいは前記溶接ヘッドの前記レーザ光の照射面と前記加工点との間のワーキングディスタンスの半分以下の範囲内であるレーザ溶接装置において、
    前記高速エアを帯状になるように供給する
    レーザ溶接方法。
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