特許 6805710 レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6805710

(24)【登録日】2020年12月8日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20201214BHJP

   B23K 26/142 20140101ALI20201214BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/21 E

   B23K26/142

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-204195(P2016-204195)

(22)【出願日】2016年10月18日

(65)【公開番号】特開2018-65154(P2018-65154A)

(43)【公開日】2018年4月26日

【審査請求日】2019年9月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100090022

【弁理士】

【氏名又は名称】長門 侃二

(72)【発明者】

【氏名】松坂 文夫

(72)【発明者】

【氏名】西岡 祐人

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 康介

【審査官】 山下 浩平

(56)【参考文献】

【文献】 独国特許出願公開第１０２０１１１２１４２０（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 特開昭５０−０９５８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２１６５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１８５２６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１６４４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５９８１９０１（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００ − ２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被溶接物に向けてレーザ光を照射するレーザヘッドと、
前記レーザヘッドから照射されるレーザ光のレーザ光路を横切る方向に沿って配置されたノズル、及び、該ノズルと前記レーザ光路を挟んで対峙して配置されて前記レーザ光路を横切る前記ノズルから噴射されたガスが導入されるディフューザから成る負圧発生器を備えたレーザ溶接装置において、
前記負圧発生器は少なくとも二つ並べて配置され、
少なくとも二つ並べて配置された該負圧発生器の前記ノズル及び前記ディフューザ間にそれぞれ位置するガス流路同士が前記レーザヘッドから前記被溶接物を臨む視野において前記レーザ光路上で接触乃至重なっていると共に、該ガス流路で前記レーザ光路の断面の全体を覆っているレーザ溶接装置。

【請求項2】

前記負圧発生器における前記ノズルのガス噴射量を個別に調整する制御部を備えている請求項１に記載のレーザ溶接装置。

【請求項3】

前記被溶接物のレーザ光照射部分を囲んで配置されるカバーを備えている請求項１又は２に記載のレーザ溶接装置。

【請求項4】

前記カバー内に不活性ガスが充填されている請求項３に記載のレーザ溶接装置。

【請求項5】

レーザヘッドから被溶接物にレーザ光を照射して溶接を行うに際して、
前記レーザヘッドから照射されるレーザ光のレーザ光路を挟んで対峙するノズル及びディフューザを具備した負圧発生器を少なくとも二つ並べて配置して、該二つ並べて配置した負圧発生器の前記ノズル及び前記ディフューザ間にそれぞれ位置するガス流路同士を前記レーザヘッドから前記被溶接物を臨む視野において前記レーザ光路上で接触乃至重ね合わせると共に、該ガス流路で前記レーザ光路の断面の全体を覆い、
前記ガス流路を介して前記負圧発生器の各ノズルから噴出させたガスを前記負圧発生器の各ディフューザにそれぞれ導入させて、前記被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を生じさせつつ溶接を行うレーザ溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ光を用いたレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

上記したレーザ光を用いたレーザ溶接において、例えば、平板同士を突合せ溶接する場合には、被溶接物である平板のレーザ光照射部分に金属ヒューム，レーザプルーム等の金属蒸気やスパッタ（金属溶滴）が発生する。この金属蒸気やスパッタがレーザ光を照射するレーザヘッドの光学系に付着すると、レーザ光が遮られて被溶接物へのレーザ照射が不安定になる。

【0003】

従来、レーザ光照射部分に生じる金属蒸気やスパッタがレーザヘッドの光学系に付着することを防ぐための策を講じたレーザ溶接装置として、負圧環境下でレーザ溶接を行うレーザ溶接装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

このレーザ溶接装置は、被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を生じさせる負圧発生器をレーザヘッドの下方に配置した構成を成している。この負圧発生器は、レーザヘッドから照射されるレーザ光を横切る方向に沿って配置されたノズルと、レーザ光を挟んでノズルと対峙して配置されたディフューザを具備している。

【0005】

このレーザ溶接装置の負圧発生器は、ノズルから噴射された窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスをディフューザに導入して拡散させる（ノズル及びディフューザ間に不活性ガスを増速して流す）ことで、被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を作り出す。これにより、被溶接物のレーザ光照射部分で生じる金属蒸気やスパッタをディフューザに吸引することができる。

【0006】

したがって、このレーザ溶接装置では、レーザ光照射部分に生じる金属蒸気やスパッタがレーザヘッドの光学系に付着するのを抑えることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１５−２３１６２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記したレーザ溶接装置において、２０ｋＷ程度の大出力のレーザ光を用いるレーザ溶接の場合には、レーザ出力の増大に伴って大きくなるレーザ光の光路幅に合わせて負圧発生器のノズル及びディフューザの間隔を広げる必要がある。

【0009】

この際、金属蒸気やスパッタを吸引するための負圧環境を被溶接物のレーザ光照射部分に作り出すには、ノズル及びディフューザ間に流すガス流量を増さなければならない。

【0010】

しかしながら、このようにノズル及びディフューザ間に流すガス流量を増したとしても、ノズル及びディフューザの間隔が広い以上、被溶接物のレーザ光照射部分に生じる金属蒸気やスパッタが少なからずレーザヘッドの光学系に届いてしまうという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっている。

【0011】

本発明は、上記したような従来の課題を解決するためになされたもので、レーザ出力の大小にかかわらず、被溶接物のレーザ光照射部分に生じる金属蒸気やスパッタがレーザヘッドの光学系に届いて付着することを少なく抑え得るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の第１の態様は、被溶接物に向けてレーザ光を照射するレーザヘッドと、前記レーザヘッドから照射されるレーザ光のレーザ光路を横切る方向に沿って配置されたノズル、及び、該ノズルと前記レーザ光路を挟んで対峙して配置されて前記レーザ光路を横切る前記ノズルから噴射されたガスが導入されるディフューザから成る負圧発生器を備えたレーザ溶接装置において、前記負圧発生器は少なくとも二つ並べて配置され、少なくとも二つ並べて配置された該負圧発生器の前記ノズル及び前記ディフューザ間にそれぞれ位置するガス流路同士が前記レーザヘッドから前記被溶接物を臨む視野において前記レーザ光路上で接触乃至重なっていると共に、該ガス流路で前記レーザ光路の断面の全体を覆っている構成としている。

【0014】

また、本発明の第２の態様は、前記負圧発生器における前記ノズルのガス噴射量を個別に調整する制御部を備えている構成としている。

【0015】

さらに、本発明の第３の態様は、前記被溶接物のレーザ光照射部分を囲んで配置されるカバーを備えている構成としている。

【0016】

さらにまた、本発明の第４の態様は、前記カバー内に不活性ガスが充填されている構成としている。

【0017】

一方、本発明の第５の態様は、レーザヘッドから被溶接物にレーザ光を照射して溶接を行うに際して、前記レーザヘッドから照射されるレーザ光のレーザ光路を挟んで対峙するノズル及びディフューザを具備した負圧発生器を少なくとも二つ並べて配置して、該二つ並べて配置した負圧発生器の前記ノズル及び前記ディフューザ間にそれぞれ位置するガス流路同士を前記レーザヘッドから前記被溶接物を臨む視野において前記レーザ光路上で接触乃至重ね合わせると共に、該ガス流路で前記レーザ光路の断面の全体を覆い、前記ガス流路を介して前記負圧発生器の各ノズルから噴出させたガスを前記負圧発生器の各ディフューザにそれぞれ導入させて、前記被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を生じさせつつ溶接を行う構成としている。

【発明の効果】

【0018】

本発明に係るレーザ溶接装置では、レーザ出力の大小にかかわらず、被溶接物のレーザ光照射部分に生じる金属蒸気やスパッタがレーザヘッドの光学系に届いて付着するのを少なく抑えることができるという非常に優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置を概略的に示す断面説明図である。

【図2】図１のＡ−Ａ線位置に基づく部分拡大断面説明図である。

【図3】図１のレーザ溶接装置における負圧発生器のガス流路の重なり状況を示す部分拡大平面説明図である。

【図4】図１のレーザ溶接装置における負圧発生器のガス流路の他の重なり状況を示す部分拡大平面説明図（ａ），（ｂ）である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置を示しており、この実施形態では、本発明に係るレーザ溶接装置を一対の平板同士の突合せ溶接に用いた場合を示している。

【0021】

図１に示すように、このレーザ溶接装置１は、レーザ発振器２と、光ファイバ３を介してレーザ発振器２と接続するレーザヘッド４と、このレーザヘッド４を移動させる駆動機構５と、溶接速度やレーザ出力やレーザ光のスポット径等をコントロールする制御部６を備えている。

【0022】

レーザヘッド４は光学系であるレンズ４ａを具備しており、レーザ発振器２から供給されるレーザ光を円錐形状のレーザ光路Ｌに集光して一対の平板（被溶接物）Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａに照射する。また、駆動機構５は、開先Ｗａに沿って配置されたレール５ａと、スライダ５ｂを具備しており、スライダ５ｂは、レーザヘッド４を装着して、図示しないモータの出力によりレール５ａ上を黒太矢印方向に移動する。

【0023】

また、このレーザ溶接装置１は、一対の平板Ｗ，Ｗのレーザ光照射部分である開先Ｗａ付近に、すなわち、レーザ光路Ｌの焦点ＬＡ付近に負圧環境を生じさせる負圧環境発生部１０を備えている。

【0024】

この負圧環境発生部１０は、レーザヘッド４の下部に装着された被覆筒１１と、被覆筒１１の下方に配置された負圧発生器２０と、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが充填された負圧発生用ガスボンベ１２を具備している。

【0025】

被覆筒１１は負圧発生器２０に至るまでのレーザ光路Ｌを覆っており、この被覆筒１１の上端部には、レーザヘッド４のレンズ４ａとともに光学系を構成する保護ガラス１１ａが内蔵されている。

【0026】

負圧発生器２０は、レーザヘッド４から照射されるレーザ光のレーザ光路Ｌを横切る方向に沿って配置されたノズル２１と、このノズル２１とレーザ光路Ｌを挟んで対峙して配置されたディフューザ２２を具備している。

【0027】

この負圧発生器２０は、負圧発生用ガスボンベ１２から白抜き矢印に示すようにして供給される不活性ガスをノズル２１から噴射し、このノズル２１から噴射されてレーザ光路Ｌを横切る不活性ガスをディフューザ２２に導入して白抜き矢印に示すようにして拡散させて、ノズル２１及びディフューザ２２間に不活性ガスを増速して流すことで、レーザ光路Ｌの焦点ＬＡ付近に負圧環境を生じさせる。

【0028】

ここで、負圧発生器２０におけるノズル２１及びディフューザ２２の間隔を狭く設定すると、レーザ光路Ｌの焦点ＬＡ付近に良好な負圧環境が形成される。しかし、例えば、２０ｋＷ程度の大出力のレーザ光を用いるレーザ溶接の場合において、レーザ出力の増大に伴って大きくなるレーザ光路Ｌの路幅に合わせてノズル２１及びディフューザ２２の間隔を広く設定すると、溶接状況が観察し易くなるものの、レーザ光路Ｌの焦点ＬＡ付近における減圧効果が減少して、良好な負圧環境とは言えなくなる。

【0029】

そこで、この実施形態では、大出力のレーザ光により溶接を行う場合（ノズル２１及びディフューザ２２の間隔を広く設定する場合）の減圧効果の減少を抑えるべく、図２にも示すように、負圧発生器２０をレーザ光路Ｌに沿って４台配置している。これら４台の負圧発生器２０における各ノズル２１及び各ディフューザ２２は、ブロック２３，２４にそれぞれ固定されている。そして、これら４台の負圧発生器２０における各ノズル２１及び各ディフューザ２２間にそれぞれ位置する４つのガス流路Ｆ１〜Ｆ４は、図３に示すように、レーザヘッド４から平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａを臨む視野（この実施形態では平面視野）においてレーザ光路Ｌの断面の全体を覆っている。なお、図１では４つのガス流路Ｆ１〜Ｆ４をいずれも細線の矢印で示している。

【0030】

詳述すれば、最もレーザヘッド４寄りに位置する負圧発生器２０のガス流路Ｆ１と、この負圧発生器２０のガス流路Ｆ１よりも平板Ｗ，Ｗ側に位置する負圧発生器２０のガス流路Ｆ３，Ｆ４とは、レーザヘッド４から平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａを臨む視野においてレーザ光路Ｌ上で互いに重なり合っている。

【0031】

また、レーザヘッド４寄りに位置する負圧発生器２０のガス流路Ｆ２と、この負圧発生器２０のガス流路Ｆ２よりも平板Ｗ，Ｗ側に位置する負圧発生器２０のガス流路Ｆ４とは、レーザヘッド４から平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａを臨む視野においてレーザ光路Ｌ上で互いに重なり合っている。

【0032】

つまり、レーザ光のレーザ光路Ｌに沿って４つ並べて配置した負圧発生器２０の各ガス流路Ｆ１〜Ｆ４同士が、レーザヘッド４から平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａを臨む視野において互いに重なり合ってレーザ光路Ｌの断面の全体を覆っており、レーザ光路Ｌの焦点ＬＡ付近において、広範囲にわたって負圧環境を生じさせるようにしている。

【0033】

加えて、この実施形態において、負圧発生用ガスボンベ１２と４台の負圧発生器２０との間には、バルブモジュール２５が設置されている。このバルブモジュール２５は、制御部６からの指令により４台の負圧発生器２０に対する負圧発生用ガスボンベ１２からのガス供給量を変えて、４台の負圧発生器２０における各ノズル２１のガス噴射量を個別に調整するようにしている。

【0034】

さらに、負圧環境発生部１０は、負圧発生器２０の下方に配置されたカバー１３を具備している。このカバー１３は、一対の平板Ｗ，Ｗのレーザ光照射部分である焦点ＬＡを覆って、４台の負圧発生器２０により発生させた負圧環境を維持している。カバー１３の内側には負圧発生器２０を通過するレーザ光Ｌを覆う先細り筒１３ａがベースブロック１３ｂを介して装着されている。

【0035】

この実施形態において、負圧環境発生部１０は、負圧発生用ガスボンベ１２と同じく窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが充填されたシールドガスボンベ１４を具備している。このシールドガスボンベ１４からは、図１に実線矢印で示すように、カバー１３内に不活性ガスが供給されるようになっており、これにより、負圧環境にあるカバー１３内の不活性雰囲気が保たれるようになっている。

【0036】

なお、負圧発生器２０は２台以上あればよく、この実施形態の４台に限定されるものではない。
また、この実施形態における負圧発生器２０のノズル２１及びディフューザ２２は、いずれも図示した形状のものに限定されるものではなく、ノズル２１のガス噴射孔を楕円形状としたり、複数の負圧発生器毎にノズル及びディフューザの口径に違いを持たせたりしてもよい。

【0037】

さらに、この実施形態では、負圧発生器２０のノズル２１及びディフューザ２２間に形成されるガス流路Ｆ１〜Ｆ４がいずれも略円錐形状（円錐台形状）を成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、ガス流路が円柱形状を成していてもよい。

【0038】

このように、ガス流路が円柱形状を成している場合には、図４（ａ）に示すように、レーザ光照射方向の前後に並ぶ又はレーザ光照射方向の同一レベルに並ぶ少なくとも２つのガス流路Ｆ５，Ｆ６は、平面視野において互いに重なり合っていることが望ましいが、これらのガス流路Ｆ５，Ｆ６は、平面視野において必ずしも重なり合っている必要はなく、図４（ｂ）に示すように、互いに接触しているだけでもよい。

【0039】

本発明に係るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法において、「負圧環境」とは、９０ｋＰａ以下の圧力の雰囲気を指し、ノズルからの不活性ガスの噴射速度は、ノズル及びディフューザ間を９０ｋＰａ以下の圧力雰囲気にし得る速度である。
そして、本発明に係るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に用いられるレーザとしては、ＹＡＧレーザやＣＯ_２レーザやファイバーレーザやディスクレーザを挙げることができるが、これらのものに限定されない。
また、レーザ溶接装置によるレーザ溶接も突合せ溶接に限定されない。

【0040】

次に、このレーザ溶接装置１によって、一対の平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａに突合せ溶接を行って、一対の平板Ｗ，Ｗ同士を接合する場合の要領を説明する。

【0041】

まず、レーザヘッド４から照射されるレーザ光のレーザ光路Ｌを挟んで対峙させた負圧環境発生部１０の４台の負圧発生器２０の各ノズル２１から、レーザ光路Ｌを横切る方向に不活性ガスを高速で噴射させると共に、レーザ光路Ｌを横切った不活性ガスを４台の負圧発生器２０の各ディフューザ２２に導入する。

【0042】

次いで、この状態で溶接を開始して、レーザ光を一対の平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａに照射しつつ、レーザヘッド４及び負圧環境発生部１０を駆動機構５により開先Ｗａに沿って一体で移動させる。

【0043】

このレーザヘッド４及び負圧環境発生部１０の移動により、一対の平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａには溶接ビードＢが形成され、この間、一対の平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａに対するレーザヘッド４からのレーザ光の照射により、一対の平板Ｗ，Ｗから金属蒸気ＰやスパッタＳが噴出する。

【0044】

このとき、負圧環境発生部１０における４台の負圧発生器２０の各ノズル２１及び各ディフューザ２２間において、各ガス流路Ｆ１〜Ｆ４に沿って不活性ガスが増速されて流れているので、一対の平板Ｗ，Ｗ間のレーザ光照射部分、すなわち、レーザ光路Ｌの焦点ＬＡ付近は負圧環境となっている。

【0045】

加えて、レーザ光照射方向の前後に４つ並べて配置した負圧発生器２０の各ガス流路Ｆ１〜Ｆ４同士が、レーザヘッド４から平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａを臨む視野において互いに重なり合っていて、レーザ光路Ｌの断面の全体を隙間なく覆っている。

【0046】

したがって、開先Ｗａに対するレーザヘッド４からのレーザ光の照射により生じる金属蒸気ＰやスパッタＳの大半は、４台の負圧発生器２０の各ガス流路Ｆ１〜Ｆ４を高速で流れる不活性ガスに乗っていずれかのディフューザ２２に吸引されることとなる。

【0047】

このように、上記した実施形態に係るレーザ溶接装置１では、レーザ光照射方向の前後に４つ並べて配置した負圧発生器２０の各ガス流路Ｆ１〜Ｆ４同士が、レーザヘッド４から平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａを臨む視野において互いに重なり合っている。

【0048】

これにより、例えば、２０ｋＷ程度の大出力のレーザ光を用いる場合に、４台の負圧発生器２０の各ノズル２１及び各ディフューザ２２の間隔を広く（１５ｍｍ程度に）設定したとしても、レーザヘッド４からのレーザ光の照射により一対の平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａに生じる金属蒸気ＰやスパッタＳが、レーザヘッド４の光学系である保護ガラス１１ａに到達して付着することが少なく抑えられることとなる。

【0049】

よって、レーザ光が遮られて一対の平板Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａへのレーザ照射が不安定になることが回避されることとなる。
そして、負圧発生器２０のノズル２１及びディフューザ２２の間隔を広く設定できるので、溶接状況の観察がし易くなる。

【0050】

また、上記した実施形態に係るレーザ溶接装置１では、レーザ光照射方向の前後に４つ並べて配置した負圧発生器２０の各ガス流路Ｆ１〜Ｆ４が、レーザ光路Ｌの断面の全体を隙間なく覆っているので、レーザ光路Ｌの焦点ＬＡ付近において、広範囲にわたって負圧環境が生じることとなる。

【0051】

したがって、レーザヘッド４からのレーザ光の照射によって開先Ｗａに生じる金属蒸気ＰやスパッタＳが、レーザヘッド４の光学系である保護ガラス１１ａに付着することがより一層少なく抑えられることとなる。

【0052】

さらに、上記した実施形態に係るレーザ溶接装置１では、負圧発生用ガスボンベ１２と４台の負圧発生器２０との間に、制御部６からの指令により作動するバルブモジュール２５を設置している。

【0053】

つまり、バルブモジュール２５によって４台の負圧発生器２０における各ノズル２１のガス噴射量を個別に調整することで、レーザ光路Ｌの断面の全体を覆っているガス流路Ｆ１〜Ｆ４毎に不活性ガスの流量を変えることができ、金属蒸気ＰやスパッタＳの発生分布に偏りが生じた場合等に迅速に対応することが可能である。

【0054】

さらに、上記した実施形態に係るレーザ溶接装置１では、負圧発生器２０の下方に配置したカバー１３で一対の平板Ｗ，Ｗのレーザ光照射部分である焦点ＬＡを覆うようにしているので、４台の負圧発生器２０により焦点ＬＡ近傍に発生させた負圧環境を維持することができる。

【0055】

さらにまた、上記した実施形態に係るレーザ溶接装置１では、カバー１３内にシールドガスボンベ１４から不活性ガスを供給するようにしているので、負圧環境にあるカバー１３内を不活性の雰囲気に保持することができ、その結果、溶接品質を向上させることが可能である。

【0056】

本発明に係るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法の構成は、上記した実施形態に限られるものではない。

【符号の説明】

【0057】

１ レーザ溶接装置
４ レーザヘッド
４ａ レンズ（光学系）
６ 制御部
１０ 負圧環境発生部
２０ 負圧発生器
２１ ノズル
２２ ディフューザ
Ｆ１〜Ｆ６ ガス流路
Ｌ レーザ光路
ＬＡ レーザ光路の焦点
Ｗ 平板（被溶接物）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】