JP2012000648A - レーザ切断・レーザ溶接両用ノズル、それを用いたレーザ加工機、およびレーザ切断・レーザ溶接両用ノズルを用いた板突き合わせ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アシストガスおよびシールドガスを効果的に噴射できるとともに、光学系をスパッタから効果的に保護できるレーザ切断・レーザ溶接両用ノズルを提供する。
【解決手段】レーザ切断時およびレーザ溶接時にレーザ光を照射するための内側ノズル空間１０７ｄ、レーザ切断時にアシストガスを噴射するための中間ノズル空間１０７ｅ、およびレーザ溶接時にシールドガスを噴射するための外側ノズル空間１０７ｆを形成するノズル本体部１０７と、内側ノズル空間１０７ｄに進入したスパッタを排出するスパッタ排出手段１０６とを備える。具体的には、ノズル本体部１０７には、中間ノズル空間１０７ｅと連通するアシストガス噴射口１０７ｈと、外側ノズル空間１０７ｆのシールドガスを噴射するシールドガス噴射口１０７ｊとが形成され、シールドガス噴射口１０７ｊの開口面積は、アシストガス噴射口１０７ｈの開口面積よりも大きくなっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ切断およびレーザ溶接の両方に用いることのできるノズル、それを用いたレーザ加工機、およびレーザ切断・レーザ溶接両用ノズルを用いて板突き合わせ溶接を行う方法に関するものである。

薄板の端面を突き合わせてレーザ溶接する薄板突き合わせ溶接では、溶接する面の端面の切断品質（垂直度、寸法精度等）が溶接品質を大きく左右する。つまり、切断品質が悪いと、突き合わせ時にギャップが空いて溶接欠陥になる。

例えば自動車用テーラードブランク材の場合、端面品質の悪いシャー切断面で溶接するので、突き合わせ時のギャップを防ぐために過大な突き合わせ圧力を加えて溶接する。このため、溶接歪みが大きくなる一因になっている。

溶接装置上で溶接寸前に、切断品質の高いレーザ切断で突き合わせ面（端面）を形成し、直ちに溶接することができれば、生産性を落とすことなく、高品質な溶接を実現できる。

従来は、レーザ切断用ヘッド（例えば特許文献１）とレーザ溶接用ヘッドとを別々に用意した双頭の溶接装置が提案されてきたが、この装置ではレーザ切断用ヘッドとレーザ溶接用ヘッドとの切り替えに時間的ロスが発生する。

この問題を解決するため、非特許文献１では、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッドが提案されている。このレーザ切断・レーザ溶接両用ヘッドは２重構造のノズルを有している。すなわち、内側ノズルからレーザ光を照射し、外側ノズルからはアシストガスまたはシールドガスを切り替え噴射する。なお、アシストガスは、レーザ切断時にワークの切断部から溶融物を吹き飛ばす役割を果たすガスであり、シールドガスは、レーザ溶接時にワークの溶接部を空気から遮断する役割を果たすガスである。

特表平９−５０７６５７号公報

フラウンホーファーＩＬＴ、Integrated Laser Beam Cutting and Welding:Reducing Non-Productive Time and System Expenses、［online］、EALA 2007、［平成２２年６月１０日検索］、インターネット〈URL：http://www.laserfact.de/pdf/EALA2007.pdf〉

本発明者は、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッドについて以下のような知見を得た。

図６（ａ）は従来の一般的なレーザ切断用ヘッドの一部を示し、図６（ｂ）は従来の一般的なレーザ溶接用ヘッドの一部を示している。

加工性質上、レーザ切断の方が加工点において高エネルギー密度を有するが、それを得るため、特にファイバー伝送タイプのレーザ光を用いる場合、コリメーションレンズ（後述する図２を参照）、集光レンズ１０４という構成の集光光学系を用い加工点における高エネルギー密度化を図る。

この光学系の場合、得られる加工点でのスポット径はコリメーションレンズの焦点距離ｆｃと集光レンズ１０４の焦点距離ｆｆの比によって決まり、それらの間には以下の関係がある。すなわち、得られるスポット径をωｓ、ファイバーコア径をＷとすると、
Ｗ：ωs = ｆｃ：ｆｆ
の関係がある。

この関係から明らかなように、高エネルギー密度を得るためスポット径を小さくする場合、集光レンズ１０４の焦点距離ｆｆを極力短くすることが望ましい。このような関係から、一般的に切断よりも溶接用の焦点距離は２〜３倍長い。

このことから、集光レンズの焦点距離ｆｆが切断と溶接では異なるため、図６に示すようにワーキングディスタンス（集光レンズ１０４から加工点までの距離）ＷＤに凡そ３倍の違いが生じる。なお、図６中の寸法ΔＬは、従来のレーザ切断用ヘッドと従来のレーザ溶接用ヘッドとの全長差を示している。

また、レーザ切断では、その加工過程において溶融したものを除去するアシストガスが不可欠であり、レーザ溶接においては酸化を防ぐシールドガスがそれぞれ必要となってくるが、どちらも性質が異なるため、結局用途に応じた加工ヘッドを用意するというのが現状である。

つまり、レーザ切断時のアシストガスは、ワークの切断部から溶融物を効果的に吹き飛ばすために高速であることが好ましいのに対し、レーザ溶接時のシールドガスは、高速であると溶融金属が飛散してしまうので低速であることが好ましい。

また、レーザ溶接時のシールドガスは、溶接部の酸化を防止するために不活性ガスが用いられるのに対し、レーザ切断時のアシストガスは、レーザ切断時に酸化反応熱によって加工を促進する役割を担うように、酸素を含有するガスが用いられることもある。

この状況を改善するには、スポット径と効果的なガスの使用方法の違いを両立させたヘッドが必要となる。

しかるに、上記非特許文献１の従来技術では、レーザ切断時のアシストガスおよびレーザ溶接時のシールドガスがともに外側ノズルから噴射されるので、アシストガスおよびシールドガスの両方を効果的に噴射させるのが困難である。

また、上記非特許文献１の従来技術では、レーザ切断時のアシストガスおよびレーザ溶接時のシールドガスがともに外側ノズルから噴射されるので、レーザ切断とレーザ溶接との切り替え時に外側ノズル内に残留したガスを抜く必要があり、これにより時間的ロスが発生する。

そこで、本発明者は、従来のレーザ切断用ヘッドをベースにデフォーカスすることでレーザ溶接用のスポット径を得、ノズル構造を工夫することでアシストガスおよびシールドガスの両方を効果的に噴射させるとともにアシストガスとシールドガスとを瞬時に切り替え可能にすることを検討した。

しかしながら、レーザ切断用ヘッドをベースにすると、従来のレーザ溶接用ヘッドに対してワーキングディスタンスＷＤが凡そ１／３と短くなる。この状態でレーザ溶接を行うと光学系へのスパッタの返りが激しくなる。その結果、光学系を保護する保護ガラスの交換頻度が著しく高くなってしまう。

本発明は上記点に鑑みて、アシストガスおよびシールドガスを効果的に噴射できるとともに、光学系をスパッタから効果的に保護できるレーザ切断・レーザ溶接両用ノズルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、レーザ切断時およびレーザ溶接時にレーザ光を照射するための内側ノズル空間（１０７ｄ）、レーザ切断時にアシストガスを噴射するための中間ノズル空間（１０７ｅ）、およびレーザ溶接時にシールドガスを噴射するための外側ノズル空間（１０７ｆ）を形成するノズル本体部（１０７）と、
内側ノズル空間（１０７ｄ）に進入したスパッタを排出するスパッタ排出手段（１０６）とを備えることを特徴とする。

これによると、レーザ切断時にはアシストガスが中間ノズル空間（１０７ｅ）を経て噴射され、レーザ溶接時にはシールドガスが外側ノズル空間（１０７ｆ）を経て噴射される。すなわち、レーザ切断時のアシストガスとレーザ溶接時のシールドガスとが互いに別個のノズル空間を経て噴射される。このため、アシストガスおよびシールドガスの両方を効果的に噴射することができる。

また、内側ノズル空間（１０７ｄ）に進入したスパッタをスパッタ排出手段（１０６）によって排出することができるので、光学系をスパッタから効果的に保護することができる。

例えば、光学系を保護する保護ガラス（１０８）を備えるレーザ切断・レーザ溶接両用ノズルに本発明を適用する場合には、保護ガラス（１０８）にスパッタが付着することをスパッタ排出手段（１０６）によって防止することができる。

例えば、スパッタ排出手段（１０６）は、内側ノズル空間（１０７ｄ）を大気に開放する大気開放口を形成するとともに、内側ノズル空間（１０７ｄ）に進入したスパッタをクロスジェットガスによって吹き飛ばすクロスジェットノズル（１０６ｂ）を備えていればよい。これにより、内側ノズル空間（１０７ｄ）に進入したスパッタを大気開放口から大気中に排出することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のレーザ切断・レーザ溶接両用ノズルにおいて、ノズル本体部（１０７）は、中間ノズル空間（１０７ｅ）のアシストガスを噴射するアシストガス噴射口（１０７ｈ）と、外側ノズル空間（１０７ｆ）のシールドガスを噴射するシールドガス噴射口（１０７ｊ）とを有し、
シールドガス噴射口（１０７ｊ）の開口面積は、アシストガス噴射口（１０７ｈ）の開口面積よりも大きくなっていることを特徴とする。

これにより、レーザ切断時にアシストガス噴射口（１０７ｈ）からアシストガスを高速で噴射させてワークの切断部から溶融物を吹き飛ばすことと、レーザ溶接時にシールドガス噴射口（１０７ｊ）からシールドガスを緩やかに噴射させて溶融金属の飛散を防ぐこととを両立することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のレーザ切断・レーザ溶接両用ノズルにおいて、ノズル本体部（１０７）には、アシストガスを導入するためのアシストガス導入口（１０２ａ）と、シールドガスを導入するためのシールドガス導入口（１０２ｂ）とが形成され、
アシストガス導入口（１０２ａ）は中間ノズル空間（１０７ｅ）と連通し、
シールドガス導入口（１０２ｂ）は外側ノズル空間（１０７ｆ）と連通していることを特徴とする。

これにより、アシストガスの経路とシールドガスの経路とが分離されるので、レーザ切断とレーザ溶接との切り替え時に中間ノズル空間（１０７ｅ）および外側ノズル空間（１０７ｆ）に残留したガスを抜く必要がない。このため、レーザ切断とレーザ溶接との切り替えを容易に行うことができる。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載のレーザ切断・レーザ溶接両用ノズルと、
アシストガス導入口（１０２ａ）にアシストガスを供給するアシストガス供給手段（１２）と、
シールドガス導入口（１０２ｂ）にシールドガスを供給するシールドガス供給手段（１３）と、
アシストガス供給手段（１２）からアシストガス導入口（１０２ａ）へのアシストガスの供給を断続するアシストガス用弁手段（１２ａ）と、
シールドガス供給手段（１３）からシールドガス導入口（１０２ｂ）へのシールドガスの供給を断続するシールドガス用弁手段（１３ａ）と、
アシストガス用弁手段（１２ａ）およびシールドガス用弁手段（１３ａ）を開閉制御する弁制御手段（１６）とを備えることを特徴とする。

これにより、レーザ切断およびレーザ溶接の両方を行うレーザ加工機に、請求項３に記載のレーザ切断・レーザ溶接両用ノズルを良好に適用できる。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のレーザ切断・レーザ溶接両用ノズルを用いた板突き合わせ溶接方法であって、
レーザ切断・レーザ溶接両用ノズルからレーザ光を照射するとともにアシストガスを噴射して第１の被加工板（Ｗ１）および第２の被加工板（Ｗ２）を順次切断する切断工程と、
第１の被加工板（Ｗ１）および第２の被加工板（Ｗ２）の切断面同士を突き当てる突き当て工程と、
レーザ切断・レーザ溶接両用ノズルから加工点までの相対距離を切断工程の場合よりも長くすることで加工点におけるレーザスポット径を切断工程の場合よりも大きくした後に、レーザ切断・レーザ溶接両用ノズルからレーザ光を照射するとともにシールドガスを噴射して第１の被加工板（Ｗ１）および第２の被加工板（Ｗ２）を切断面で溶接する溶接工程とを備えることを特徴とする。

これにより、２枚の被加工板（Ｗ１、Ｗ２）を突き合わせて溶接する板突き合わせ溶接方法に、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のレーザ切断・レーザ溶接両用ノズルを良好に適用できる。

なお、上記した請求項５に記載の板突き合わせ溶接方法に係る発明を、２枚の被加工板（Ｗ１、Ｗ２）を突き合わせて溶接して１枚の板材を製造する工程に用いる場合には、板材の製造方法の発明として把握することができる。

例えば、２枚の被加工板（Ｗ１、Ｗ２）の板厚が互いに異なっている場合には、テーラードブランク材の製造方法の発明として把握することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態における板突き合わせ溶接装置の構成図である。 図１のレーザ加工機の構成図である。 図２のレーザ切断・レーザ溶接両用ノズルの断面図である。 図１の板突き合わせ溶接装置を用いた板突き合わせ溶接方法を示すフロー図である。 図１の板突き合わせ溶接装置を用いた板突き合わせ溶接方法を説明する図である。 従来技術におけるレーザ切断用ヘッドおよびレーザ溶接用ヘッドの断面図である。

以下、本発明の一実施形態を説明する。本実施形態の板突き合わせ溶接装置は、図１に示すように、被加工板に対してレーザ切断およびレーザ溶接を行うレーザ加工機１と、レーザ加工機１に対する被加工板の位置決めを行うテーブル装置２とに大別される。

レーザ加工機１は、所定位置に固定されたレーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０を備えている。レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０は、レーザ発振器（図示せず）からのレーザ光を集光する集光ユニット部１０１と、集光ユニット部１０１の先端に取り付けられたレーザ切断・レーザ溶接両用ノズル（以下、ノズルと言う。）１０２とを有し、ノズル１０２の先端部が鉛直方向下方側を向くように配置されている。集光ユニット部１０１には、レーザ発振器（図示せず）からのレーザ光を伝送するファイバー（図示せず）が接続されている。

図２に示すように、集光ユニット部１０１には、ファイバー端面１１から出たレーザ光を平行光線に揃えるコリメーションレンズ１０３と、コリメーションレンズ１０３によって揃えられた平行光線を集光する集光レンズ１０４とが収容されている。

ノズル１０２は、集光ユニット部１０１に対して脱着可能に取り付けられている。ノズル１０２には、アシストガス導入口１０２ａ、シールドガス導入口１０２ｂ、クロスジェットガス導入口１０２ｃおよび逆流防止ガス導入口１０２ｄが形成されている。

アシストガス導入口１０２ａには、アシストガス供給手段１２からアシストガスが供給される。シールドガス導入口１０２ｂには、シールドガス供給手段１３からシールドガスが供給される。クロスジェットガス導入口１０２ｃには、クロスジェットガス供給手段１４からクロスジェットガスが供給される。逆流防止ガス導入口１０２ｄには、逆流防止ガス供給手段１５から逆流防止ガスが供給される。

アシストガス、シールドガス、クロスジェットガスおよび逆流防止ガスの供給は、弁手段である電磁弁１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａによって断続される。電磁弁１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａの開閉制御（ＯＮ／ＯＦＦ）は、弁制御手段である制御装置１６によって集中制御（集中コントロール）される。

アシストガスとしては酸素含有ガス（例えば高純度酸素）もしくは不活性ガス（例えば窒素）が用いられる。例えば、アシストガス供給手段１２は、アシストガスが高圧で封入されたガスボンベで構成されている。アシストガスの圧力（流量）は圧力調整弁（図示せず）によって調整可能になっており、被加工板の材質や板厚等に応じて設定される。本例では、アシストガスの圧力は０．５〜２．０ＭＰａに設定されている。

シールドガスとしては不活性ガス（例えばアルゴン）が用いられる。例えば、シールドガス供給手段１３は、シールドガスが高圧で封入されたガスボンベで構成されている。シールドガスの圧力（流量）は圧力調整弁（図示せず）によって調整可能になっており、被加工板の材質や板厚等に応じて設定される。本例では、シールドガスの圧力は０．２〜０．７ＭＰａに設定されている。

本例では、クロスジェットガスおよび逆流防止ガスとして圧縮空気が用いられ、クロスジェットガス供給手段１４および逆流防止ガス供給手段１５としてコンプレッサが用いられている。なお、逆流防止ガスとして、アシストガスと同じガスを用いてもよい。

図３に示すように、ノズル１０２は、集光ユニット部１０１側（図３の上方側）からノズル先端側（図３の下方側）に向かって、保護レンズ収容部１０５、クロスジェット部１０６およびノズル本体部１０７に大別され、成形上の都合等により複数個の部品に分割して成形された後に一体に組み付けられている。

ノズル本体部１０７には、上述したアシストガス導入口１０２ａ（図３では図示せず）、シールドガス導入口１０２ｂ（図３では図示せず）および逆流防止ガス導入口１０２ｄが形成されている。

ノズル本体部１０７の先端部は、内側ノズル部１０７ａ、中間ノズル部１０７ｂおよび外側ノズル部１０７ｃで構成された３重ノズル構造になっている。内側ノズル部１０７ａ、中間ノズル部１０７ｂおよび外側ノズル部１０７ｃは何れもテーパ筒状に形成されている。

これにより、ノズル本体部１０７の内部には、内側ノズル空間１０７ｄ、中間ノズル空間１０７ｅおよび外側ノズル空間１０７ｆが形成されている。換言すれば、内側ノズル部１０７ａ、中間ノズル部１０７ｂおよび外側ノズル部１０７ｃは、３重のノズル空間１０７ｄ、１０７ｅ、１０７ｆを形成している。

内側ノズル部１０７ａ、中間ノズル部１０７ｂおよび外側ノズル部１０７ｃは互いに同軸的に配置されているので、内側ノズル空間１０７ｄ、中間ノズル空間１０７ｅおよび外側ノズル空間１０７ｆも互いに同軸的に配置されている。

内側ノズル空間１０７ｄは、ノズル本体部１０７の全長にわたって形成された円錐状の空間であり、集光ユニット部１０１の集光レンズ１０４（図２）から出たレーザ光を通す。したがって、内側ノズル部１０７ａの先端開口部は、ノズル１０２のレーザ光照射口を構成している。なお、図３では、集光ユニット部１０１の集光レンズ１０４から出たレーザ光を２点鎖線で示している。

中間ノズル空間１０７ｅは、中間ノズル部１０７ｂの内側かつ内側ノズル部１０７ａの外側に形成された空間であり、ノズル本体部１０７に形成されたアシストガス流路１０７ｇを介してアシストガス導入口１０２ａと連通している。

アシストガス導入口１０２ａ（図２）から導入されたアシストガスは、アシストガス流路１０７ｇおよび中間ノズル空間１０７ｅを経て中間ノズル部１０７ｂの先端開口部１０７ｈから噴射される。したがって、中間ノズル部１０７ｂの先端開口部１０７ｈは、ノズル１０２のアシストガス噴射口を構成している。

中間ノズル部１０７ｂの先端は、内側ノズル部１０７ａの先端よりもレーザ光の照射方向側（図３の下方側）に延出している。換言すれば、内側ノズル部１０７ａの先端は、中間ノズル部１０７ｂの先端よりも奥まった位置に配置されている。

このため、中間ノズル空間１０７ｅは、中間ノズル部１０７ｂの延出部分（内側ノズル部１０７ａの先端と中間ノズル部１０７ｂの先端との間）では円錐台状の空間になっており、それよりも根元側の部分（内側ノズル部１０７ａ先端までの部分）ではテーパ筒状の空間になっている。

また、アシストガス噴射口１０７ｈは、内側ノズル部１０７ａの先端開口部（レーザ光照射口）と同心の円形状になっており、内側ノズル部１０７ａの先端開口部（レーザ光照射口）から出たレーザ光はアシストガス噴射口１０７ｈを通じて照射される
円形状のアシストガス噴射口１０７ｈの開口面積は、内側ノズル部１０７ａの先端位置での中間ノズル空間１０７ｅの断面積（環状断面の面積）以上になっている。

外側ノズル空間１０７ｆは、外側ノズル部１０７ｃの内側かつ中間ノズル部１０７ｂの外側に形成された空間であり、ノズル本体部１０７に形成されたシールドガス流路１０７ｉを介してシールドガス導入口１０２ｂと連通している。

外側ノズル部１０７ｃの先端における内径は中間ノズル部１０７ｂの先端における外径よりも大きくされており、外側ノズル部１０７ｃの先端位置は中間ノズル部１０７ｂの先端位置と揃えられている。したがって、外側ノズル空間１０７ｆは、その全長にわたって筒状の空間になっている。

シールドガス導入口１０２ｂ（図２）から導入されたアシストガスは、シールドガス流路１０７ｉおよび外側ノズル空間１０７ｆを経て外側ノズル部１０７ｃの先端開口部１０７ｊから噴射される。したがって、外側ノズル部１０７ｃの先端開口部１０７ｊは、ノズル１０２のシールドガス噴射口を構成している。

このシールドガス噴射口１０７ｊは、アシストガス噴射口１０７ｈの外周側に形成されたている。したがって、シールドガス噴射口１０７ｊは円環形状になっている。

円環形状のシールドガス噴射口１０７ｊの開口面積は、円形状のアシストガス噴射口１０７ｈの開口面積よりも大きくなっている。

ノズル本体部１０７には、内側ノズル空間１０７ｄと逆流防止ガス導入口１０２ｄとを連通する逆流防止ガス流路１０７ｋが形成されている。本例では、逆流防止ガス流路１０７ｋは、内側ノズル部１０７ａの内壁面において、ノズル軸方向（図３の上下方向）に対して斜め向きに開口している。

ノズル本体部１０７は、内側ノズル空間１０７ｄの中心をレーザ光が通過するようにするためのノズル調芯機構１０７ｍを有している。図３の例では、ノズル調芯機構１０７ｍは、ノズル径方向（図３の水平方向）に挿入されたネジで構成されている。

保護レンズ収容部１０５は円筒状に形成されており、その内部空間には、集光ユニット部１０１の光学系を保護する保護ガラス１０８が収容されている。

クロスジェット部１０６は、内側ノズル空間１０７ｄに進入したスパッタを排出するスパッタ排出手段を構成するものであり、保護レンズ収容部１０５とノズル本体部１０７とを繋ぐ繋ぎ部１０６ａと、クロスジェットノズル１０６ｂとを有している。

繋ぎ部１０６ａは非筒状（例えば板状）に形成されている。これにより、クロスジェット部１０６において内側ノズル空間１０７ｄが大気に開放されることとなる。換言すれば、繋ぎ部１０６ａは、内側ノズル空間１０７ｄを大気に開放する大気開放口を形成している。

クロスジェットノズル１０６ｂには、上述したクロスジェットガス導入口１０２ｃが設けられている。クロスジェットノズル１０６ｂは、クロスジェットガス導入口１０２ｃからのクロスジェットガスを、ノズル軸方向（レーザ照射方向）に対して直交する方向（図３の水平方向）に噴射するように配置されている。

図１に示すように、テーブル装置２は、駆動テーブル２１、第１のワーク固定治具２２、第２のワーク固定治具２３および制御手段（図示せず）とを備えている。

駆動テーブル２１はＸＹＺ方向（３軸方向）に移動可能になっている。図１の例では、第１のワーク固定治具２２と第２のワーク固定治具２３との並び方向をＸ方向とし、上下方向をＺ方向としている。

すなわち、テーブル装置２は、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０とワーク（被加工板）との相対位置をＸＹＺ方向（３軸方向）に変化させる相対位置変化機構を備えている。

第１のワーク固定治具２２は駆動テーブル２１上に固定されている。第２のワーク固定治具２３は駆動テーブル２１上でＸ方向（１軸方向）に移動可能になっている。制御手段（図示せず）は、駆動テーブル２１のＸＹＺ方向の移動制御、および第２のワーク固定治具２３のＸ方向（１軸方向）の移動制御を行う。

第１のワーク固定治具２２は、第１の被加工板Ｗ１を載置する載置台２２１と、第１の被加工板Ｗ１を載置台２２１上に固定するクランプ２２２（後述する図５を参照）とを有している。同様に、第２のワーク固定治具２３は、第２の被加工板Ｗ２を載置する載置台２３１と、第２の被加工板Ｗ２を載置台２３１上に固定するクランプ２３２（後述する図５を参照）とを有している。クランプ２２２、２３２は、例えばエアシリンダ２２３、２３３（後述する図５を参照）によって駆動される。

図１の例では、第１の被加工板Ｗ１および第２の被加工板Ｗ２を補助的に固定する機構として、載置台２２１、２２２にバキュームパッド２２４、２３４が設けられている。

第２のワーク固定治具２３は、第１のワーク固定治具２２に対して接近・離間する方向に移動可能になっている。第２のワーク固定治具２３の移動はサーボモータ２４によって行われる。

次に、本実施形態の板突き合わせ溶接装置を用いた板突き合わせ溶接方法（被加工板Ｗ１、Ｗ２の加工手順）を図４、図５に基づいて説明する。まず、図４に示すワーク固定工程を行う。このワーク固定工程では、２枚の被加工板Ｗ１、Ｗ２を用意し、第１の被加工板Ｗ１を第１のワーク固定治具２２にセットし、第２の被加工板Ｗ１を第２のワーク固定治具２３にセットする。

具体的には、図５（ａ）に示すように、第１の被加工板Ｗ１を第１のワーク固定治具２２の載置台２２１に載せてからクランプ２２２で固定する。同様に、第２の被加工板Ｗ２を第２のワーク固定治具２３の載置台２３１に載せてからクランプ２３２で固定する。

被加工板Ｗ１、Ｗ２の例としては、板厚０．７〜２．０ｍｍ程度の鋼板が挙げられる。図５の例では、第１の被加工板Ｗ１の板厚ｔ１が第２の被加工板Ｗ２の板厚ｔ２よりも大きくなっている。

このとき、加工点におけるレーザスポット径が切断可能なサイズ（例えばφ０．１〜０．３ｍｍ）になるように、図２に示すワーキングディスタンスＷＤを調整しておく。具体的には、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０と被加工板Ｗ１、Ｗ２とのＺ方向（上下方向）における相対位置を変化させることによってワーキングディスタンスＷＤを調整する。

本例では、図５（ｂ）に示すように、テーブル装置２の制御手段（図示せず）が駆動テーブル２１をＺ方向（上下方向）に移動させて第１の被加工板Ｗ１の表面（加工点）からレーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０のノズル１０２の先端までの相対距離ｈ１を変化させることによってワーキングディスタンスＷＤを調整することができる。

ワーク固定工程が完了すると、レーザ加工機１の制御装置１６は、アシストガス用電磁弁（アシストガス用弁手段）１２ａ、クロスジェットガス用電磁弁１４ａおよび逆流防止ガス用電磁弁１５ａを開いて、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０にアシストガス、クロスジェットガスおよび逆流防止ガスを供給する（図４に示すアシストガス供給、クロスジェットＯＮ、逆流防止ＯＮ）。

次いで図４に示す切断工程を行う。この切断工程では、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０のノズル１０２からレーザ光およびアシストガスを照射・噴射するとともに、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０と駆動テーブル２１とのＸＹ方向（水平方向）における相対位置を変化させて第１の被加工板Ｗ１および第２の被加工板Ｗ２を順次切断する。

すなわち、レーザ加工機１のレーザ発振器（図示せず）がレーザ光を発振することにより、図５（ｂ）に示すようにノズル１０２からレーザ光を第１の被加工板Ｗ１の表面に照射して第１の被加工板Ｗ１を溶融させる。これと同時に、テーブル装置２の制御手段（図示せず）が駆動テーブル２１を予めプログラミングされた動きでＸＹ方向（水平方向）に移動させる。これにより、第１の被加工板Ｗ１が所定の形状に切断される。

第１の被加工板Ｗ１を切断した後、同様の手順によって第２の被加工板Ｗ２を所定の形状（第１の被加工板Ｗ１の切断形状に対応する形状）に切断する。

この切断工程における駆動テーブル２１の動きをプログラミングで種々設定することにより、被加工板Ｗ１、Ｗ２を種々の形状に切断することができる。被加工板Ｗ１、Ｗ２の切断形状は、直線状のみならず、切断された被加工板Ｗ１、Ｗ２同士を突き合わせることのできる形状であれば波線状等の種々の形状にすることができる。

なお、図５（ｂ）に示すように、切断工程で切断された被加工板Ｗ１、Ｗ２の端材は、駆動テーブル２１に設けられた端材受け２５に落下するようになっている。

この切断工程では、加工点におけるスポット径が最小径（例えばφ０．１〜０．３ｍｍ）になっているので加工点で高エネルギー密度を得ることができる。また、このとき、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０のアシストガス導入口１０２ａにアシストガスが供給されているので、アシストガスがノズル１０２のアシストガス流路１０７ｇおよび中間ノズル空間１０７ｅを経てアシストガス噴射口１０７ｈから噴射される。これにより、酸化反応熱によって溶融を促進するとともに溶融物（溶融金属）を吹き飛ばすことができる。

ここで、図３に示すようにアシストガス噴射口１０７ｈは小さく絞られて形成されている。このため、アシストガス噴射口１０７ｈからアシストガスが高速で噴射されるので、第１の被加工板Ｗ１の切断部から溶融物を効果的に吹き飛ばすことができる。

しかしながら、アシストガス噴射口１０７ｈが小さく絞られ過ぎているとアシストガス噴射口１０７ｈからアシストガスが噴射されにくくなり、中間ノズル空間１０７ｅのアシストガスが内側ノズル部１０７ａの先端開口部から内側ノズル空間１０７ｄの内部に逆流するという問題が生じる。

この点に鑑みて、本実施形態では上述のごとく、アシストガス噴射口１０７ｈの開口面積が内側ノズル部１０７ａの先端位置での中間ノズル空間１０７ｅの断面積以上になっているので、アシストガス噴射口１０７ｈからアシストガスを良好に噴射させることができ、ひいては内側ノズル空間１０７ｄへのアシストガスの逆流を抑制できる。

さらに、この切断工程では、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０の逆流防止ガス導入口１０２ｄに逆流防止ガスが供給されているので、逆流防止ガスが逆流防止ガス流路１０７ｋを経て内側ノズル空間１０７ｄに流入する。この逆流防止ガスにより内側ノズル空間１０７ｄの圧力が上昇し、中間ノズル空間１０７ｅと内側ノズル空間１０７ｄとの圧力差が小さくなるので、内側ノズル空間１０７ｄへのアシストガスの逆流を一層抑制できる。

また、切断工程では、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０のクロスジェットガス導入口１０２ｃにクロスジェットガスが供給されているので、クロスジェットガスがクロスジェットノズル１０６ｂからノズル軸方向（レーザ照射方向）に対して直交する方向に噴射される。このため、ノズル１０２の先端から内側ノズル空間１０７ｄに進入した溶融物（スパッタ）がクロスジェットガスによって吹き飛ばされるので、スパッタをクロスジェット部１０６からノズル１０２の外部に排出することができ、ひいては保護ガラス１０８にスパッタが付着することを防止できる。

切断工程が完了すると、レーザ加工機１の制御装置１６は、アシストガス用電磁弁１２ａを閉じて、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０へのアシストガスの供給を停止する（図４に示すアシストガス解除）。

次いで図４に示す突き当て工程を行う。この突き当て工程では、第１の被加工板Ｗ１および第２の被加工板Ｗ２の切断面同士を突き当てる。具体的には、図５（ｃ）に示すように、テーブル装置２の制御手段（図示せず）がサーボモータ２４を駆動して第２のワーク固定治具２３を第１のワーク固定治具２２に近づける。

この突き当て工程では、図４に示す圧力管理を行う。具体的には、図５（ｃ）に示すように、突き当て荷重を検出するロードセル２６が第２のワーク固定治具２３に設けられており、第２の被加工板Ｗ２が第１の被加工板Ｗ１に突き当てられてロードセル２６の検出荷重（検出圧力）が所定の荷重（圧力）になるまで、テーブル装置２の制御手段（図示せず）が第２のワーク固定治具２３を第１のワーク固定治具２２に近づける。

突き当て工程が完了すると、レーザ加工機１の制御装置１６は、シールドガス用電磁弁（シールドガス用弁手段）１３ａを開いて、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０にシールドガスを供給する（図４に示すシールドガス供給）。

また、加工点におけるレーザスポット径が溶接加工最適径（例えばφ０．６〜０．８ｍｍ）になるようにワーキングディスタンスＷＤを調整する（図４に示す加工高さ変更）。具体的には、レーザ切断時よりもワーキングディスタンスＷＤを大きくする。本例では、図５（ｄ）に示すように、テーブル装置２の制御手段（図示せず）が駆動テーブル２１をＺ方向（上下方向）に移動させて第１の被加工板Ｗ１の表面（加工点）からレーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０のノズル１０２の先端までの相対距離ｈ２を図５（ｂ）に示す相対距離ｈ１よりも大きくする。

これと同時に、図５（ｄ）に示すように溶接ラインを突き当て面から所定量ｄ１だけ厚板側（図５の例では第１の被加工板Ｗ１側）へシフトする（溶接ライン厚板側へシフト）。本例では、テーブル装置２の制御手段（図示せず）が駆動テーブル２１をＸ方向（第１のワーク固定治具２２と第２のワーク固定治具２３との並び方向）に移動させることによって溶接ラインを突き当て面から所定量ｄ１だけシフトすることができる。

次いで図４に示す溶接工程を行う。この溶接工程では、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０のノズル１０２からレーザ光およびシールドガスを照射・噴射するとともに、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０と駆動テーブル２１とのＸＹ方向（水平方向）における相対位置を変化させて第１の被加工板Ｗ１と第２の被加工板Ｗ２とを切断面（突き当て面）で溶接する。

すなわち、レーザ加工機１のレーザ発振器（図示せず）がレーザ光を発振することにより、図５（ｄ）に示すようにノズル１０２からレーザ光を第１の被加工板Ｗ１と第２の被加工板Ｗ２との突き当て面に照射して溶融させる。これと同時に、テーブル装置２の制御手段（図示せず）が駆動テーブル２１を予めプログラミングされた動きでＸＹ方向（水平方向）に移動させる。これにより、第１の被加工板Ｗ１と第２の被加工板Ｗ２とが切断面（突き当て面）で溶接される。

このとき、加工点におけるスポット径が溶接加工に最適な径（例えばφ０．６〜０．８ｍｍ）になっているので、第１の被加工板Ｗ１と第２の被加工板Ｗ２との突き当て面を良好に溶融させることができる。また、このとき、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０のシールドガス導入口１０２ｂにシールドガスが供給されているので、不活性ガスであるシールドガスがノズル１０２のシールドガス流路１０７ｉおよび外側ノズル空間１０７ｆを経てシールドガス噴射口１０７ｊから噴射される。これにより、溶接部を空気から遮断して溶接部の酸化を防止することができる。

ここで、上述のごとくシールドガス噴射口１０７ｊの開口面積はアシストガス噴射口１０７ｈの開口面積よりも大きくなっている。このため、シールドガス噴射口１０７ｊからシールドガスが低速で緩やかに噴射されるので、溶融物の飛散を防ぐことができ、ひいては溶接品質を良好に確保することができる。

この溶接工程では、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０のクロスジェットガス導入口１０２ｃにクロスジェットガスが供給されているので、クロスジェットガスがクロスジェットノズル１０６ｂからノズル軸方向（レーザ照射方向）に対して直交する方向に噴射される。このため、ノズル１０２の先端から内側ノズル空間１０７ｄに進入した溶融物（スパッタ）がクロスジェットガスによって吹き飛ばされるので、スパッタをクロスジェット部１０６からノズル１０２の外部に排出することができ、ひいては保護ガラス１０８にスパッタが付着することを防止できる。

また、溶接工程では、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０の逆流防止ガス導入口１０２ｄに逆流防止ガスが供給されているので、逆流防止ガスが逆流防止ガス流路１０７ｋを経て内側ノズル空間１０７ｄに流入する。この逆流防止ガスにより内側ノズル空間１０７ｄの圧力が上昇するので、シールドガス噴射口１０７ｊから噴射されたシールドガスが内側ノズル部１０７ａの先端開口部から内側ノズル空間１０７ｄに逆流することを抑制できる。

なお、ノズル構造やガス圧力の関係上、シールドガスはアシストガスに比べて内側ノズル空間１０７ｄに逆流しにくいことから、溶接工程においては、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０への逆流防止ガスの供給を停止するようにしてもよい。

また、溶接工程では、溶接ラインを突き当て面よりも厚板側（図５の例では第１の被加工板Ｗ１側）へシフトさせているので、厚い第１の被加工板Ｗ１から薄い第２の被加工板Ｗ２へ溶融金属が流れるようになり、その結果、良好な溶接ビードを形成できる。

溶接工程が完了すると、レーザ加工機１の制御装置１６は、シールドガス用電磁弁１３ａ、クロスジェットガス用電磁弁１４ａおよび逆流防止ガス用電磁弁１５ａを閉じて、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０へのシールドガス、クロスジェットガスおよび逆流防止ガスの供給を停止する（図４に示すシールドガス解除、クロスジェットＯＦＦ、逆流防止ＯＦＦ）。

次いで図４に示すクランプ解除工程を行う。このクランプ解除工程ではクランプ２２２、２３２を解除する。

次いで図４に示すワーク取り出し工程を行う。このワーク取り出し工程では、溶接された第１の被加工板Ｗ１および第２の被加工板Ｗ２を第１のワーク固定治具２２の載置台２２１および第２のワーク固定治具２３の載置台２３１から取り出す。

図５の例では、第１の被加工板Ｗ１の板厚ｔ１が第２の被加工板Ｗ２の板厚ｔ２よりも大きくなっているので、溶接された第１の被加工板Ｗ１および第２の被加工板Ｗ２を自動車用テーラードブランク材として用いることができる。

本実施形態によると、ノズル１０２の先端部が３重ノズル構造になっているので、レーザ切断時にはアシストガスが中間ノズル空間１０７ｅを経てアシストガス噴射口１０７ｈから噴射され、レーザ溶接時にはシールドガスが外側ノズル空間１０７ｆを経てシールドガス噴射口１０７ｊから噴射される。すなわち、レーザ切断時のアシストガスとレーザ溶接時のシールドガスとが互いに別個のノズル空間を経て互いに別個の噴射口から噴射される。

このため、アシストガスおよびシールドガスを効果的に噴射することができる。具体的には、アシストガスの噴射口を小さく絞ってアシストガスを高速で噴射させることによってワークの切断部から溶融物を効果的に吹き飛ばすことと、シールドガスの噴射口を大きくしてシールドガスを低速で緩やかに噴射させることによって溶融金属の飛散を防ぐこととを両立することができる。

また、レーザ切断とレーザ溶接との切り替え時にノズル１０２内に残留したガスを抜く必要がないので、レーザ切断とレーザ溶接との切り替えを瞬時に行うことができる。このためレーザ切断とレーザ溶接との切り替え時に時間的ロスが発生することがないので、生産性を向上することができる。

また、本実施形態では、レーザ切断用ヘッドをベースにデフォーカスすることでレーザ溶接用のスポット径を得るようにしている。その結果、従来のレーザ溶接用ヘッド（図６（ｂ）を参照）に対してワーキングディスタンスＷＤが凡そ１／３と短くなっている。

このように従来のレーザ溶接用ヘッドに対してワーキングディスタンスＷＤが大幅に短くなると光学系へのスパッタの返りが懸念されることから、本実施形態ではノズル１０２にクロスジェット部１０６を設けることによって光学系をスパッタから効果的に保護できるようにしている。

具体的には、内側ノズル空間１０７ｄに進入したスパッタをクロスジェット部１０６でノズル１０２の外部（大気中）に排出するので、保護ガラス１０８にスパッタが付着することを防止できる。

ここで、クロスジェット部１０６は、内側ノズル空間１０７ｄを大気に開放することでスパッタを大気中に排出できるようにしている。このように内側ノズル空間１０７ｄが大気に開放されていると内側ノズル空間１０７ｄへのアシストガスの逆流が懸念されることから、本実施形態ではアシストガス噴射口１０７ｈの開口面積を内側ノズル部１０７ａの先端位置での中間ノズル空間１０７ｅの断面積以上にすることで内側ノズル空間１０７ｄへのアシストガスの逆流を抑制できるようにしている。

さらに本実施形態では、内側ノズル空間１０７ｄに逆流防止ガスを流出させて内側ノズル空間１０７ｄの圧力を上昇させることで内側ノズル空間１０７ｄへのアシストガスの逆流を一層抑制できるようにしている。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、シールドガスをレーザ溶接時に噴射するようにしているが、レーザ切断時にもシールドガスを噴射するようにしても良い。この場合には、シールドガスは、アシストガスを保護するエアカーテンとしての役割を果たす。より具体的には、シールドガスがアシストガスを層状に包むことによって大気の巻き込みを遮断するとともにカーフ部（切断面間の溝部）でのアシストガス流速を高めることができる。

また、上記実施形態では、駆動テーブル２１がＸＹＺ方向（３軸方向）に移動可能になっているが、駆動テーブル２１をＸ方向（１軸方向）のみに移動可能にして、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０をロボットによってＹＺ方向（２軸方向）に移動可能にしてもよい。

すなわち、レーザ切断・レーザ溶接両用ヘッド１０と被加工板Ｗ１、Ｗ２との相対位置をＸＹＺ方向（３軸方向）に変化させる相対位置変化機構として種々の機構を採用することができる。

１２ アシストガス供給手段
１２ａ アシストガス用電磁弁（アシストガス用弁手段）
１３ シールドガス供給手段
１３ａ シールドガス用電磁弁（シールドガス用弁手段）
１６ 制御装置（弁制御手段）
１０２ａ アシストガス導入口
１０２ｂ シールドガス導入口
１０６ クロスジェット部（スパッタ排出手段）
１０７ ノズル本体部
１０７ｄ 内側ノズル空間
１０７ｅ 中間ノズル空間
１０７ｆ 外側ノズル空間
１０７ｈ アシストガス噴射口
１０７ｊ シールドガス噴射口
Ｗ１ 第１の被加工板
Ｗ２ 第２の被加工板

Claims (5)

1. レーザ切断時およびレーザ溶接時にレーザ光を照射するための内側ノズル空間（１０７ｄ）、レーザ切断時にアシストガスを噴射するための中間ノズル空間（１０７ｅ）、およびレーザ溶接時にシールドガスを噴射するための外側ノズル空間（１０７ｆ）を形成するノズル本体部（１０７）と、
   前記内側ノズル空間（１０７ｄ）に進入したスパッタを排出するスパッタ排出手段（１０６）とを備えることを特徴とするレーザ切断・レーザ溶接両用ノズル。
2. 前記ノズル本体部（１０７）は、前記中間ノズル空間（１０７ｅ）の前記アシストガスを噴射するアシストガス噴射口（１０７ｈ）と、前記外側ノズル空間（１０７ｆ）の前記シールドガスを噴射するシールドガス噴射口（１０７ｊ）とを有し、
   前記シールドガス噴射口（１０７ｊ）の開口面積は、前記アシストガス噴射口（１０７ｈ）の開口面積よりも大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ切断・レーザ溶接両用ノズル。
3. 前記ノズル本体部（１０７）には、前記アシストガスを導入するためのアシストガス導入口（１０２ａ）と、前記シールドガスを導入するためのシールドガス導入口（１０２ｂ）とが形成され、
   前記アシストガス導入口（１０２ａ）は前記中間ノズル空間（１０７ｅ）と連通し、
   前記シールドガス導入口（１０２ｂ）は前記外側ノズル空間（１０７ｆ）と連通していることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ切断・レーザ溶接両用ノズル。
4. 請求項３に記載のレーザ切断・レーザ溶接両用ノズルと、
   前記アシストガス導入口（１０２ａ）に前記アシストガスを供給する前記アシストガス供給手段（１２）と、
   前記シールドガス導入口（１０２ｂ）に前記シールドガスを供給する前記シールドガス供給手段（１３）と、
   前記アシストガス供給手段（１２）から前記アシストガス導入口（１０２ａ）への前記アシストガスの供給を断続するアシストガス用弁手段（１２ａ）と、
   前記シールドガス供給手段（１３）から前記シールドガス導入口（１０２ｂ）への前記シールドガスの供給を断続するシールドガス用弁手段（１３ａ）と、
   前記アシストガス用弁手段（１２ａ）および前記シールドガス用弁手段（１３ａ）を開閉制御する弁制御手段（１６）とを備えることを特徴とするレーザ加工機。
5. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載のレーザ切断・レーザ溶接両用ノズルを用いた板突き合わせ溶接方法であって、
   前記レーザ切断・レーザ溶接両用ノズルから前記レーザ光を照射するとともに前記アシストガスを噴射して第１の被加工板（Ｗ１）および第２の被加工板（Ｗ２）を順次切断する切断工程と、
   前記第１の被加工板（Ｗ１）および前記第２の被加工板（Ｗ２）の切断面同士を突き当てる突き当て工程と、
   前記レーザ切断・レーザ溶接両用ノズルから加工点までの相対距離を前記切断工程の場合よりも長くすることで前記加工点におけるレーザスポット径を前記切断工程の場合よりも大きくした後に、前記レーザ切断・レーザ溶接両用ノズルから前記レーザ光を照射するとともに前記シールドガスを噴射して前記第１の被加工板（Ｗ１）および前記第２の被加工板（Ｗ２）を前記切断面で溶接する溶接工程とを備えることを特徴とする板突き合わせ溶接方法。
   

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