JPH0970683A

JPH0970683A - レーザ溶接装置

Info

Publication number: JPH0970683A
Application number: JP7257066A
Authority: JP
Inventors: Masanori Moribe; 正典森部
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1995-09-07
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】熱レンズ効果を抑制することが可能な透過平
レンズを備えたレーザ溶接装置を提供する。【解決手段】レーザ発振器と、前記レーザ発振器で発
生したレーザビームを伝送し清浄空気が充満されたビー
ム伝送路と、前記ビーム伝送路により伝送されたレーザ
ビームを反射して被溶接材の溶接点に集光される集光部
と、前記集光部に充満されるシールドガスを前記溶接点
に吹きつけるためのシールドガスと、前記ビーム伝送路
に設けられ、前記清浄空気と前記シールドガスとを遮断
する透過平レンズと、備えたレーザ溶接装置において、
前記透過平レンズの表面に、前記シールドガスの流れを
形成するための第１ノズル、前記透過平レンズの表面
に、前記清浄空気の流れを形成するための第２ノズルの
うち片方、又は両方のノズルを前記ビーム伝送路に設け
る。すると、熱レンズ効果を抑制できるためレーザビー
ムのパワー密度の変化を防止し、安定した溶接が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ溶接装
置、特に透過平レンズの熱レンズ効果に起因する溶接位
置のレーザビームのパワー密度の変化を防止するのに適
したレーザ溶接装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この従来のレーザ溶接装置を図４を用い
て説明する。従来のレーザ溶接装置はレーザ発振器１１
と、前記レーザ発振器１１で発生したレーザビーム１０
を伝送するビーム伝送路１２と、前記ビーム伝送路１２
により伝送されたレーザビーム１０を下向きに反射して
被溶接材２０の溶接点１４に集光させるようビーム伝送
路１２の端に内設された放物面鏡のような集光部１３
と、伝送路１２内に清浄空気１９を供給する空気供給口
１８と、レーザビーム１０の集光部分を覆いシールドガ
ス１７を溶接点１４に吹きつけるためのシールドノズル
１５と、シールドガス１７を供給するシールドガス供給
口１６と、ビーム伝送路１２に設けられシールドガス１
５と清浄空気１９とを遮断する透過平レンズ１を備えた
構成となっている。

【０００３】この従来のレーザ溶接装置の作動時には、
レーザ発振器１１で発生した平行なレーザビーム１０
が、透過平レンズ１を素通りして集光部１３に至る。ビ
ーム伝送路１２の端に内設された集光部１３の反射鏡に
よって平行なレーザビーム１０は下向きに方向転換する
と共に溶接点１４が焦点となるように、レーザビーム１
０が集められる。このようにして、レーザ溶接は、レー
ザビーム１０を被溶接材２０の溶接点１４に集光させた
レーザビーム１０の熱エネルギにより行うものである。

【０００４】なお、ビーム伝送路１２は、短いもので数
１０ｃｍ、長いものでは１０ｍを越える長さのものまで
あり、外部の粉塵等がビーム伝送路１２内に侵入しレー
ザビーム１０の反射率が低下しないように、空気供給口
１８から清浄空気１９を供給し、ビーム伝送路１２内の
内圧を高く保持している。

【０００５】また、透過平レンズ１を設置するのは、シ
ールドガス１７に清浄空気１９が混入するとブローホー
ル等の溶接欠陥が発生するためであり、集光部１３の汚
染もシールドガス１７で防止できるよう、集光部１３に
至るまでのビーム伝送路１２内の途中に設けられる。通
常この透過平レンズ１は、ＺｎＳｅ製でレーザビーム１
０の光路に影響を与えない、即ち集光性の無い状態のも
のが用いられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のレ
ーザ溶接装置は、前記透過平レンズ１をレーザビーム１
０が透過する際に、エネルギの一部が透過平レンズ１に
吸収されるために透過平レンズ１は熱変形する、いわゆ
る熱レンズ効果が生じる。この熱レンズ効果によって、
レーザビーム１０を被溶接材２０の溶接点１４に集光さ
せる集光部１３の下向き側の焦点距離が短くなる現象が
発生し、溶接点１４におけるレーザビーム１０のパワー
密度が減少する。このような熱レンズ効果が溶接時に発
生すると、溶接中に溶込み深さや溶込み形状が変化し、
安定した溶接点１４が得られなくなるという問題が生じ
ていた。

【０００７】通常レーザビーム１０を、被溶接材２０の
溶接点１４に集光させる集光部１３は、銅やアルミ等の
熱伝導率の良い材料で製作されており、且つ背面側から
直に水冷されているため、熱変形はほとんど発生しな
い。しかしながら、透過平レンズ１の場合は、水冷する
ことは不可能であり、透過平レンズ１の外周面から鉄鋼
材料等で製作されている透過平レンズの固定部２ａへ熱
伝導により放熱するのみである。このため透過平レンズ
１におけるある程度の熱レンズ効果はやもうえないもの
となっていた。

【０００８】そこで、本発明のうち請求項１記載の発明
は、熱レンズ効果を抑制することが可能な透過平レンズ
を備えたレーザ溶接装置を提供することを目的としたも
のであります。請求項２記載の発明は、請求項１に記載
の発明の目的に加えてより効果的に透過平レンズを冷却
することが可能なレーザ溶接装置を提供することを目的
としたものであります。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明のうち請求項１記載発明は、前記透過平
レンズの表面に前記シールドガスの流れを形成するため
の第１ノズル、前記透過平レンズの表面に前記清浄空気
の流れを形成するための第２ノズルのうちの片方、又は
両方にノズルをビーム伝送路に設けたことを特徴とした
ものであります。シールドガスや清浄空気を流用し、透
過平レンズの表面に流れを形成すると、透過平レンズは
冷却され熱変形は小さくなる、即ち熱レンズ効果を抑制
する。また請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成
のうち、第１ノズルを用いてシールドガスの流れを透過
平レンズの表面に形成する場合、第１ノズルからの吹き
つけ速度を１５ｍ／ｓ以上にし、シールドガスにヘリウ
ムガスを用いることを加えたことを特徴としたものであ
ります。吹きつけ速度を１５ｍ／ｓ以上で、且つヘリウ
ムガスを用いることを加えたことによって、効率良く透
過平レンズを冷却することができるようになる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
示例と共に説明する。図１、図２はビーム伝送路におい
て透過平レンズ１の冷却に係わる部分を取り出した図で
ある。なお、この部分以外のレーザ溶接装置の構成と作
動は図４と同様であるためその部分の説明は省略する。

【００１１】図１はシールドガス６を遮断し、且つレー
ザビーム１０を素通りさせる透過平レンズ１が取付けら
れたビーム伝送路１２の一部がフランジ接合で分離可能
な部分となっている。この部分２には透過平レンズ１の
周辺が当たるレンズの固定部２ａが設けられ、透過平レ
ンズ１がこのレンズの固定部２ａに当たるまで嵌め込ま
れる。この嵌め込み後にレンズ押さえ３が圧入されて、
透過平レンズ１が固定される。

【００１２】この部分２の外周でレンズの固定部２ａの
近くに斜めの孔２ｂが加工され、この孔の部分に第１ノ
ズル４が挿入し固定される。第１ノズル４の斜め程度と
その固定位置は、噴出口４ａからのシールドガス６が透
過平レンズ１の表面の略全体にシールドガス６の流れが
形成されるように設定されている。

【００１３】この第１ノズル４に対するシールドガス６
は、ガスボンベ２１からシールドガス供給口１６に至る
配管５から分岐する配管５ａを経て供給される。第１ノ
ズル４に供給されるシールドガス６の量を適切に調節す
るために、配管５と配管５ａの各々にバルブ２４が設け
られている。

【００１４】第１ノズル４は透過平レンズ１の近傍であ
って斜めに設置され、透過平レンズ１の上側表面にシー
ルドガス６を吹きつける。すると、上側表面から下側表
面へのシールドガス６の流れが生じ、透過平レンズ１の
表面の略全体が冷却される。透過平レンズ１に吹き付け
るシールドガス６の流量が多いほど、冷却効率が上が
る。そのため、シールドガス６の流量をバルブ２４の開
度で調整する。仮に、配管５のバルブ２４を閉じ、配管
５ａのバルブ２４を全開にし、シールドガス６の全量を
透過平レンズ１に向けて流すことも出来る。この場合、
シールドガス６は矢印ａのように、最終的にシールドガ
ス１５に至るので、シールドノズル１５からのシールド
ガス６の吹き出しは普通に行われる。

【００１５】しかし、透過平レンズ１の冷却に必要な分
量だけを第１ノズル４に供給し、残りのシールドガス６
をシールドガス供給口１６からシールドノズル１５に供
給し、第１ノズル４とシールドノズル１５の両方に最適
な流速で噴出させることもできる。

【００１６】図１における本発明のレーザ溶接装置では
透過平レンズ１を直接に冷却し、熱レンズ効果を抑制す
るものとして、シールドガス６を透過平レンズ１に直接
吹きつける第１ノズル４が用いられる。第１ノズルは透
過平レンズ１の近傍に設置するのだが、斜めに設置する
ことで、透過平レンズ１の上側表面にシールドガス６を
吹きつけて下側表面へと流すことで、透過平レンズ１を
冷却させようとするのである。また、シールドガス供給
口１６の供給口を閉じ、シールドガスノズル１５を密封
することで第１ノズル４から噴出されるシールドガス６
のみで、透過平レンズ１を冷却しその勢いで、下方向に
流し溶接用のシールドガス５として用いることも可能で
ある。しかし本発明では溶接するためのシールドノズル
１５と透過平レンズ１を冷却するための第１ノズル４と
二つに分離して、両方で噴出させるのはガスボンベ２１
に接続されたバルブ２４で、どちらにもシールドガス５
の最適な流速で噴出させることができるのでこのほうが
効率的である。

【００１７】図２では、図１の構成に空気の圧力を高め
るためのコンプレッサ２３と、空気を清浄にするフィル
タ２２と、清浄空気９を吹きつける第２ノズル７と、第
２ノズル７に接続する配管８と、清浄空気９の流速を調
節するバルブ２５が付け加わった構成となっている。図
２における本発明のレーザ溶接装置は、図１の方法より
さらに熱レンズ効果を抑制するものとして、透過平レン
ズ１の両側から冷却するために第１ノズル４と第２ノズ
ル７が用いられている。第２ノズル７の設置位置は、透
過平レンズ１を基準に第１ノズル４と対称となる位置に
孔２ｃを加工し噴出口７ａを透過平レンズ１に向け設置
する。

【００１８】そうすることで、吹きつけ時には、両表面
同時に上側から下側にシールドガス６そして清浄空気９
を無駄なく流し冷却できる。シールドガス６での冷却は
図１の時と同様でありそれに加えて、清浄空気９をも吹
きつけて透過平レンズ１の両表面の略全体を冷却する。
ビーム伝送路内の内圧を高めるのみに清浄空気９を用い
るだけでなく、透過平レンズ１に吹きつけ、且つ内圧を
高めるため、バルブ２５で最適な流速を調節すればより
一層効率的である。

【００１９】

【実施例１】図１の本発明のレーザ溶接装置について以
下のような条件で実験を行ったので結果を説明する。本
実施例では、透過平レンズ１の左側（シールドガス側）
近傍に設置した第１ノズル４の吹き出し口の径を１．５
ｍｍとし、アルゴンガスを３０ｌ／分供給し、ノズルか
らアルゴンガスを噴出して、透過平レンズ表面のガス流
速８５ｍ／ｓで冷却を行った。

【００２０】レーザ出力を３ｋＷ、ビーム照射時間６０
秒、ガス温度は室温として焦点位置のパワー密度を測定
した。その結果、従来のレーザ溶接装置ではビーム照射
開始時２．８×１０⁶Ｗ／ｃｍ²であったのが、照射１
分後に１．８×１０⁶Ｗ／ｃｍ²となり、１．０×１０
⁶Ｗ／ｃｍ²のパワー密度の低下が生じていた。しかし
本実施例ではパワー密度の低下を０．４×１０⁶Ｗ／ｃ
ｍ²にまで低減することが出来た（図３参照）。また、
焦点距離の変化量は従来のレーザ溶接装置では２ｍｍ程
度であったものが、本実施例では半分以下の０．８ｍｍ
程度にまで低下した。

【００２１】さらに、板厚３ｍｍ、溶接部長さ５００ｍ
ｍのアルミ合金Ａ５０５２材について、レーザ出力３ｋ
Ｗ、溶接速度１．５ｍ／分で溶接を行ったところ、従来
法では溶接開始時は貫通溶接であったものが、溶接の後
半になると部分溶込み溶接に変化していたが、本実施例
では溶接部全長にわたって貫通溶接を行うことができ
た。

【００２２】

【実施例２】図２についても、図１同様以下のような条
件で実験を行ったので結果を説明する。本実施例では透
過平レンズの左側（シールドガス側）近傍と右側（清浄
空気側）近傍に設置した第１ノズルと第２ノズルの吹き
出し口の径を、それぞれ１．５ｍｍ、第１ノズルからヘ
リウムガスを６０ｌ／分供給し、透過平レンズ表面のガ
ス流速１７０ｍ／ｓ、第２ノズルから清浄空気を３０ｌ
／分供給して、それぞれのノズルから噴出して透過平レ
ンズの冷却を行った。

【００２３】レーザ出力を３ｋＷ、ビーム照射時間６０
秒、ガス温度は室温として焦点位置のパワー密度を測定
したところ、従来のレーザ溶接装置では、ビーム照射開
始時２．８×１０⁶Ｗ／ｃｍ²であったのが、照射１分
後に１．８×１０⁶Ｗ／ｃｍ²となり、１．０×１０⁶
Ｗ／ｃｍ²のパワー密度の低下が生じていた。しかし本
実施例ではわずか０．２×１０⁶Ｗ／ｃｍ²のパワー密
度の低下にとどまり、通常のパワー密度の低下より大幅
に低減することが出来た（図３参照）。また、焦点距離
の変化量は従来装置で２ｍｍ程度であったものが、本実
施例では０．２ｍｍ以下と極端に減少できた。

【００２４】さらに、前項の実施例と同様に、板厚３ｍ
ｍ、溶接部長さ５００ｍｍのアルミ合金Ａ５０５２材に
ついて、レーザ出力３ｋＷ、溶接速度１．５ｍ／分で溶
接を行ったところ、従来法では溶接開始時は貫通溶接で
あったものが、溶接の後半になると部分溶込み溶接に変
化していたが、本実施例では溶接部全長にわたって貫通
溶接を行うことができた。

【００２５】シールドガスを流用して透過平レンズを冷
却する場合、流用するシールドガスの種類、流速が冷却
にどの程度影響しているのかを、図３を用いて以下に説
明する。諸条件は、レーザ出力を３ｋＷ、ビーム照射時
間６０秒、ガス温度は室温である。全般にわたってヘリ
ウムガスのほうがアルゴンガスよりパワー密度低下量が
低く抑えられるためヘリウムガスを使用するほうが望ま
しい。また、パワー密度低下量が大きいほどよいが、熱
レンズ効果を抑制する一応の基準を２０％以上とすると
ヘリウムガスを使用する場合、流速は１５ｍ／ｓ以上で
始めて効果が得られる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち請求
項１記載の発明は、第１ノズルから吹き出すシールドガ
ス、第２ノズルから吹き出す清浄空気なりの一方、又は
両方によって、透過平レンズを冷却し熱変形を少なくな
り、溶接部の焦点位置のパワー密度の低下を減少させる
とともに、焦点距離変化量も少なくでき、溶接部全長に
わたる安定した溶接を得ることができる。また、シール
ドガスや清浄空気は元々使用されるものであるため、冷
却装置用に別の流体を使用する場合に比較して冷却装置
が簡単になる。請求項２記載の発明は、ノズルからの吹
き出し速度を１５ｍ／ｓとすることで、パワー密度の低
下や焦点距離変化量は大幅に減少させることができるた
め溶接部全長で安定して溶接することができるという請
求項１の効果を確実なものにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の透過平レンズの近傍を示す
断面模式図である。

【図２】本発明の一実施例の透過平レンズの近傍を示す
断面模式図である。

【図３】透過平レンズ表面のガス流速とパワー密度低下
量の関係

【図４】従来技術のレーザ溶接装置の断面模式図であ
る。

【符号の説明】

１透過平レンズ４第１ノズル６シールドガスの流れを示す線７第２ノズル９清浄空気の流れを示す線１０レーザビーム１１レーザ発振器１２レーザビーム伝送路１３集光部１４溶接点１５シールドノズル２０被溶接材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器と、前記レーザ発振器で発
生したレーザビームを伝送し清浄空気が充満されたビー
ム伝送路と、前記ビーム伝送路により伝送されたレーザ
ビームを反射して被溶接材の溶接点に集光させる集光部
と、前記集光部に充満されるシールドガスを前記溶接点
に吹きつけるためのシールドノズルと、前記ビーム伝送
路に設けられ、前記清浄空気と前記シールドガスとを遮
断する透過平レンズと、備えたレーザ溶接装置におい
て、前記透過平レンズの表面に、前記シールドガスの流れを
形成するための第１ノズル、前記透過平レンズの表面
に、前記清浄空気の流れを形成するための第２ノズルの
うち片方、又は両方のノズルを前記ビーム伝送路に設け
たことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】前記シールドガスがヘリウムガスであ
り、前記第１ノズルからの吹き出し速度が１５ｍ／ｓ以
上であることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接装
置。