JP4352920B2 - レーザ加工ヘッドおよびレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接に代表されるような各種加工のためのレーザ加工ヘッドとレーザ加工方法の改良に関し、例えばレーザ溶接とイナートガスアーク溶接の一つであるＭＩＧ溶接もしくはＴＩＧ溶接等とを併用していわゆるハイブリッド溶接を行うにあたり、特に溶接副次物であるスパッタやヒュームのレーザ光学系への付着防止を目的としたレーザ加工ヘッドとレーザ加工方法に関するものである。

レーザ溶接のほかレーザ溶接とＭＩＧ溶接とを併用するいわゆるハイブリッド溶接では、レーザ光学系と溶接位置との間、多くの場合には最終の集光レンズ（焦点レンズ）の前面側に保護ガラスを設けて、溶接副次物であるスパッタやヒューム（以下、スパッタ等という）の付着によるレーザ光学系の損傷防止対策を施しているのが一般的である。

しかしながら、集光レンズ等を保護することができたとしても、保護ガラスそのものへのスパッタ等の付着もまた不可避であることから、溶接位置でのレーザ出力の低下による溶接品質の影響や、保護ガラスの交換頻度の増加によるコストアップ、さらには生産性の低下が余儀なくされることになる。特に亜鉛めっき鋼板やアルミニウム系材料の溶接では、スパッタ等の発生量が多いために上記の傾向が一段と顕著となる。

そこで、特許文献１に記載のように、レーザ光学系を保護している保護ガラスと溶接部位との間に、溶接部平面とほぼ平行な空気の流れを積極的に生成していわゆるエアシャッターの機能を具備させたものが提案されている。
特開２０００−２６３２７６号公報（図１）

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、エアシャッターの特殊性として、全てのスパッタを所定の方向に吹き飛ばすことができず、なおも改善の余地を残している。

より詳しくは、特許文献１に記載の技術では、保護ガラスの前面側に配した保護筒のなかにエアシャッターとしての機能を具備させているため、圧縮エアの運動エネルギーが効率良くスパッタ等に作用するものの、エア流れの上流側に飛散したスパッタ等が保護ガラスに付着しやすいほか、エアシャッターの二次的作用によりその下方に負圧が発生し、加工部位周りに供給される不活性ガスの流れが不安定となって、いわゆるシールド効果の不足によりなおも溶接品質への影響が危惧される。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、いわゆるハイブリッド溶接に代表されるようなレーザ加工において、レーザ光学系を保護している保護ガラスへの溶接副次物であるスパッタ等の付着を一段と抑制しつつ、エアシャッターによる二次的不具合の発生を未然に防止したレーザ加工ヘッドとレーザ加工方法を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、被加工物に対してその上方に配置されたレーザ光学系からレーザ光を照射するとともに、レーザ光学系のレーザ光照射口と被加工物とのなす空間に、被加工物とほぼ平行な空気の流れをもって第１のエアシャッターを形成し、この第１のエアシャッターにより加工副次物の飛散方向を偏向させて、レーザ光学系への加工副次物の付着を抑制しながら加工を行うようにしたレーザ加工ヘッドであることを前提とする。

その上で、被加工物に対してレーザ光の光軸を傾斜させる一方、レーザ光学系のレーザ光照射口と被加工物とのなす空間にレーザ光と干渉しないように被加工物とほぼ平行な保護筒を配置して、その保護筒のなかに第１のエアシャッターを形成するとともに、当該保護筒の側面には空気取り入れ口を開口形成し、さらに、第１のエアシャッターと交差しつつ上記保護筒の上方から斜め下方を指向する空気の流れをもって第２のエアシャッターを形成し、これら第１，第２のエアシャッターの相乗効果をもって加工副次物の飛散方向を偏向させるようにしたことを特徴とする。

この場合、被加工物に対してレーザ光の光軸を傾斜させるには、請求項２に記載のように、加工方向とレーザ光の光軸とが加工進行方向側でなす角度が鋭角となるようにレーザ光学系を傾斜させる一方、同時に第１のエアシャッターと交差しつつ上記保護筒の上方から加工進行方向に向けて斜め下方を指向する空気の流れをもって第２のエアシャッターを形成するものとする。

また、請求項３に記載のように、保護筒にはレーザ光が通過する光路穴が開口形成されていて、その保護筒の上側の光路穴から保護筒内に第２のエアシャッターによる空気の流れが導入されるようになっているが望ましい。

また、請求項４に記載のように、レーザ光学系におけるレーザ光照射口に前面には、レーザ光学系を加工副次物の付着から保護する保護ガラスが配置されていることが望ましい。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の技術をレーザ加工方法として捉えたものであって、被加工物に対してその上方に配置されたレーザ光学系からレーザ光を照射するとともに、レーザ光学系のレーザ光照射口と被加工物とのなす空間に、被加工物とほぼ平行な空気の流れをもって第１のエアシャッターを形成し、この第１のエアシャッターにより加工副次物の飛散方向を偏向させて、レーザ光学系への加工副次物の付着を抑制しながら加工を行うようにしたレーザ加工方法であることを前提としている。

その上で、加工方向とレーザ光の光軸とが加工進行方向側でなす角度が鋭角となるようにレーザ光学系を傾斜させる一方、レーザ光学系のレーザ光照射口と被加工物とのなす空間にレーザ光と干渉しないように被加工物とほぼ平行な保護筒を配置して、その保護筒のなかに第１のエアシャッターを形成するとともに、当該保護筒の側面には空気取り入れ口を開口形成し、さらに、第１のエアシャッターと交差しつつ上記保護筒の上方から加工進行方向に向けて斜め下方を指向する空気の流れをもって第２のエアシャッターを形成し、これら第１，第２のエアシャッターの相乗効果をもって加工副次物の飛散方向を偏向させることを特徴とする。

なお、請求項１，６にいうレーザ加工には、最も代表的なレーザ溶接のみならず、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して行うハイブリッド溶接をも含むものである。

したがって、請求項１，６に記載の発明では、レーザ光の光軸と被加工物とが正対している場合と比べて、レーザ光の光軸を傾けた分だけそのレーザ光学系を形成しているレンズや保護ガラスにスパッタ等が付着しにくいものとなる。

しかも、第１のエアシャッターに加えて斜めの第２のエアシャッターを併用したことで、スパッタ等の飛散方向の偏向効果が大きくなって、レーザ光学系の方向を指向するスパッタ等を大幅に減少させることが可能となる。

また、第１のエアシャッターの二次的作用として負圧が発生したとしても、その負圧分のエアは第２のエアシャッターによって補われることから、保護筒内外でのエアの流れが安定化し、シールド用の不活性ガスを併用するべく加工部位周りに不活性ガスを供給する場合でも、従来のようにその不活性ガスによるシールド効果が不足するようなこともなくなる。

請求項１，６に記載の発明によれば、レーザ光学系の傾斜姿勢の採用とともに第１，２のエアシャッターの併用によって、レーザ光学系あるいはそれを保護している保護ガラスへのスパッタ等の付着が大幅に抑制されて、溶接品質が向上するほか、保護ガラスの交換頻度の低減による工数削減と生産性の向上を図ることができる。

また、第１，２のエアシャッターの併用によって保護筒内外でのエアの流れが安定化するため、従来のような負圧発生による二次的不具合の発生をも未然の防止できるようになる。

図１は本発明のより具体的な実施の形態としてレーザ溶接ヘッドの要部の構造を示している。

図１において、Ｗは例えばアルミニウム系材料からなる平板状の被溶接物（被加工物）、１はレーザ加工ヘッドとしてのレーザ溶接ヘッド、２はレーザ溶接ヘッド１と近接配置されたイナートガスアーク溶接の一つであるＭＩＧ溶接用のトーチである。

レーザ溶接ヘッド１のハウジング３内には、図示外のレーザ発振器から出力されたＹＡＧレーザ等のレーザ光Ｌが導入されるようになっているとともに、図示外のコリメーションレンズ等とともにレーザ光学系を形成することになる集光レンズ４が収容配置されていて、集光レンズ４が臨んでいるレーザ光照射口５の前面すなわちレーザ光照射口５よりも被溶接物Ｗ側には集光レンズ４を保護するための固定式の保護ガラス６が配置されている。したがって、ハウジング３内に導入されたレーザ光Ｌは、集光レン４で集光された上で、被加工物Ｗ上の加工部位Ｐに所定のスポット径にて照射される。

ここで、図１から明らかなように、レーザ光学系を内蔵しているハウジング３の軸線すなわちレーザ光Ｌの光軸Ｂは被溶接物Ｗに対して垂直ではなく、溶接方向とレーザ光Ｌの光軸Ｂとが加工進行方向側でなす角度が鋭角となるように、例えば被溶接物Ｗに対する垂線Ｏとレーザ光Ｌの光軸Ｂとのなす角度θが１０°程度となるようにレーザ光学系を傾斜させてある。

そして、例えば被溶接物Ｗを固定側、レーザ溶接ヘッド１およびＭＩＧ溶接トーチ２を可動側とした場合に、レーザ溶接ヘッド１とＭＩＧ溶接トーチ２を溶接方向に一体的に所定速度で移動させることで被溶接物Ｗ上のレーザ光Ｌの照射部位Ｂに溶接が施され、同時にそのレーザ溶接部位Ｂを追いかけるようにしてＭＩＧ溶接が施されることになる。なお、同図の符号Ｓは、溶接の際にその発生と飛散が不可避とされる溶接副次物（加工副次物）たるスパッタ等を示す。

被溶接物Ｗとレーザ光照射口５とのなす空間には、図２にも示すように中空角筒状をなす保護筒７が被溶接物Ｗとほぼ平行となるように配置されている。この保護筒７は、レーザ溶接ヘッド１に対して図１の相対位置関係を保ちながら一体的に移動できるようになっているとともに、レーザ光Ｌの光軸Ｂの傾斜度合いに応じ、そのレーザ光Ｌと干渉せずにそのレーザ光Ｌの通過を許容するための円形の光路穴８，９が上下に開口形成されている。

保護筒７内には、水平方向すなわち被溶接物Ｗとほぼ平行な方向を指向する第１のエアシャッター１０が設けられているとともに、保護筒７の上方には斜め下方を指向する第２のエアシャッター１１が設けられている。

第１のエアシャッター１０は、保護筒７と近接配置した偏平状のエアブローノズル１２からその保護筒７の底板７Ａの内面に沿って層状に圧縮エアを吹き出して、保護筒７の長手方向に沿ってエアの流れ１３を生成するもので、この流れ１３をもって第１のエアシャッター１０としての機能が発揮されるようになっている。

他方、第２のエアシャッター１１は、ハウジング３のレーザ光照射口５に近接する位置に斜めに配置したエアブローノズル１４から上側の光路穴８に向けて圧縮エアを吹き出して、保護筒７内において第１のエアシャッター１０によるエアの流れ１３と交差しつつ、上記保護筒７の上流側から溶接進行方向に向けて斜め下方を指向する断面略円形状のエアの流れ１５を生成するもので、このエアの流れ１５をもって第２のエアシャッター１１としての機能が発揮されるようになっている。なお、第２のエアシャッター１１のよるエアの流れ１５が通過することになる上側の光路穴８では、その開口面積のほぼ全てをエアの流れ１５が占有するようにエアブローノズル１４のノズル径が予め設定されいている。

また、図２から明らかなように、保護筒７における両側の側板７ｂ，７ｂの上部にはその長手方向に沿って矩形状の空気取り入れ口１６が開口形成されていて、後述するように第１のエアシャッター１０による負圧吸引作用が生じた場合に、保護筒７の側部から積極的に外気を吸い込むことができるように考慮されている。この空気取り入れ口１６の位置は、保護筒７の高さのうち上端から二分の一もしくは三分の一程度の位置に設けることが望ましい。

なお、保護筒７のほか第１，２のエアシャッター１０，１１のエアブローノズル１２，１４は、レーザ溶接ヘッド１のハウジング３と予め一体化されていても別体であってもよく、要はレーザ溶接ヘッド１とともに溶接方向に同期して移動できる構造となっていればよい。

このように構成されたレーザ溶接ヘッド１によれば、被溶接物Ｗに対してレーザ溶接ヘッド１とＭＩＧトーチ２とを一体的に移動させ、レーザ溶接ヘッド１から溶接部位Ｐに向けてレーザ光Ｌを照射する一方で、溶極として機能することになる図示外の溶接ワイヤをＭＩＧ溶接トーチ２の先端から繰り出して、その溶接ワイヤと被溶接物Ｗとの間にアークを発生させて、レーザ光照射部位を追いかけるようにしてそのレーザ溶接とＭＩＧ溶接とを併用して従来と同様にいわゆるハイブリッド溶接を行う。

同時に、溶接動作と並行して、それぞれのエアブローノズル１２，１４から圧縮空気を噴射させて、第１，２のエアシャッター１０，１１としての機能を発揮させる。

溶接動作の進行に伴って溶接部位ＰからはスパッタＳ等が飛散し、レーザ光Ｌの光路から外れた一部のスパッタＳ等は保護筒７に付着して除かれる一方、レーザ光Ｌの光路方向を指向しつつ飛散したスパッタＳすなわち下側の光路穴９を通過して保護筒７内に入ったスパッタＳ等は第１のエアシャッター１０のエアの流れ１３によって偏向されて下流方向に吹き飛ばされるものの、一部のものは第１のエアシャッター１０を突き抜けてさらに上方まで飛散する。第１のエアシャッター１０を突き抜けたスパッタＳ等には、その上方で第２のエアシャッター１１の流れ１５が斜め下向きに作用してその飛散方向が偏向され、上記と同様に保護筒７内をその下流側に吹き飛ばされることになる。

こうして、第１，２のエアシャッター１０，１１を併用していることにより、多くのスパッタＳ等が保護筒７内をその下流方向に吹き飛ばされることになるものの、一部のスパッタＳ等は第１，２のエアシャッター１０，１１を突き抜けて保護ガラス６にまで及ぶことになる。そして、一部のスパッタＳ等は保護ガラス６にて跳ね返って落下し、残るごく一部のスパッタＳ等が保護ガラス６に付着することになる。

一方、保護筒７の内外では、第１，２のエアシャッター１０，１１の複合作用のために第１のエアシャッター１０の流れと同方向を指向する流場１７が生成される。この流場１７は保護筒７の内部に負圧を発生させ、保護筒７における上側の光路穴８からの第２のエアシャッター１１のエアの流れ１５の導入を一段と促進させ、同時に保護筒７の両側部の空気取り入れ口１６からの空気の取り込みを促進することになる。これにより、流場１７の影響でできた負圧分を、上側の光路穴８および空気取り入れ口１６からの空気の導入で補うことが可能となる。その結果として、保護筒７の内外での圧力がバランスされて、特に保護筒７における下側の光路穴９からの空気の流入を抑制することができる。これは、溶接部位Ｐの周囲に向けて不活性ガスを供給しながら溶接を行う場合に、その不活性ガスの流れを乱すことがないことを意味し、不活性ガスの併用による十分なシールド効果が発揮され、溶接品質の向上に寄与できることになる。

このように本実施の形態によれば、レーザ溶接ヘッド１そのものが傾斜していることとも相俟って、レーザ光学系を保護している保護ガラス６へのスパッタＳ等の付着を最小限に抑えることができ、溶接品質の向上と併せて保護ガラス＆の交換頻度の低下と生産性の向上に寄与できる。

図３，４は本発明の第２，３の実施の形態として保護筒７の変形例を示す図である。

図３に示す第２の実施の形態では、保護筒７の両側の側板７ｂ，７ｂに形成されることになる空気取り入れ口２６を、保護筒７の入口側に近い位置に設定したものである。

この第２の実施の形態では、保護筒７の入口側での空気の取り込みを一段と促進して、下側の光路穴９からの空気の流入をより一層抑制できる利点がある。

また、図４に示す第２の実施の形態では、保護筒７の両側の側板７ｂ，７ｂに形成されることになる空気取り入れ口３６を、図２に示したものと図３に示したものとを合成した形状に設定したもので、上記第２の実施の形態のものと同様の効果が得られることになる。

本発明のより具体的な実施の形態としてレーザ溶接ヘッドに適用した場合の要部断面説明図。 図１における保護筒の詳細を示す斜視図。 本発明の第２の実施の形態として、図１に示す保護筒の変形例を示す斜視図。 本発明の第３の実施の形態として、図１に示す保護筒の別の変形例を示す斜視図。

符号の説明

１…レーザ溶接ヘッド（レーザ加工ヘッド）
２…ＭＩＧ溶接トーチ（アーク溶接用の溶接トーチ）
３…ハウジング
４…集光レンズ（レーザ光学系）
５…レーザ光照射口
６…保護ガラス
７…保護筒
８，９…光路穴
１０…第１のエアシャッター
１１…第２のエアシャッター
１２，１４…エアブローノズル
１３，１５…エアの流れ
１６…空気取り入れ口
Ｌ…レーザ光
Ｐ…溶接部位（加工部位）
Ｓ…スパッタ（溶接副次物もしくは加工副次物）
Ｗ…被溶接物（被加工物）

Claims (7)

1. 被加工物に対してその上方に配置されたレーザ光学系からレーザ光を照射するとともに、
   レーザ光学系のレーザ光照射口と被加工物とのなす空間に、被加工物とほぼ平行な空気の流れをもって第１のエアシャッターを形成し、
   この第１のエアシャッターにより加工副次物の飛散方向を偏向させて、レーザ光学系への加工副次物の付着を抑制しながら加工を行うようにしたレーザ加工ヘッドであって、
   被加工物に対してレーザ光の光軸を傾斜させる一方、
   レーザ光学系のレーザ光照射口と被加工物とのなす空間にレーザ光と干渉しないように被加工物とほぼ平行な保護筒を配置して、その保護筒のなかに第１のエアシャッターを形成するとともに、当該保護筒の側面には空気取り入れ口を開口形成し、
   さらに、第１のエアシャッターと交差しつつ上記保護筒の上方から斜め下方を指向する空気の流れをもって第２のエアシャッターを形成し、
   これら第１，第２のエアシャッターの相乗効果をもって加工副次物の飛散方向を偏向させるようにしたことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 被加工物に対してレーザ光の光軸を傾斜させるべく、加工方向とレーザ光の光軸とが加工進行方向側でなす角度が鋭角となるようにレーザ光学系を傾斜させる一方、
   第１のエアシャッターと交差しつつ上記保護筒の上方から加工進行方向に向けて斜め下方を指向する空気の流れをもって第２のエアシャッターを形成したことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
3. 保護筒にはレーザ光が通過する光路穴が開口形成されているとともに、
   その保護筒の上側の光路穴から保護筒内に第２のエアシャッターによる空気の流れが導入されるようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
4. レーザ光学系におけるレーザ光照射口に前面には、レーザ光学系を加工副次物の付着から保護する保護ガラスが配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
5. 上記被加工物に対する加工が、
   レーザ加工ヘッドをこれと近接配置したアーク溶接用の溶接トーチとともに被加工物に対し相対移動させながら、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接を行うハイブリッド溶接であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
6. 被加工物に対してその上方に配置されたレーザ光学系からレーザ光を照射するとともに、
   レーザ光学系のレーザ光照射口と被加工物とのなす空間に、被加工物とほぼ平行な空気の流れをもって第１のエアシャッターを形成し、
   この第１のエアシャッターにより加工副次物の飛散方向を偏向させて、レーザ光学系への加工副次物の付着を抑制しながら加工を行うようにしたレーザ加工方法であって、
   加工方向とレーザ光の光軸とが加工進行方向側でなす角度が鋭角となるようにレーザ光学系を傾斜させる一方、
   レーザ光学系のレーザ光照射口と被加工物とのなす空間にレーザ光と干渉しないように被加工物とほぼ平行な保護筒を配置して、その保護筒のなかに第１のエアシャッターを形成するとともに、当該保護筒の側面には空気取り入れ口を開口形成し、
   さらに、第１のエアシャッターと交差しつつ上記保護筒の上方から加工進行方向に向けて斜め下方を指向する空気の流れをもって第２のエアシャッターを形成し、
   これら第１，第２のエアシャッターの相乗効果をもって加工副次物の飛散方向を偏向させることを特徴とするレーザ加工方法。
7. 被加工物に対する加工が、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して行うハイブリッド溶接であることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。

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