JP2001269788A

JP2001269788A - レーザ溶接用ノズル

Info

Publication number: JP2001269788A
Application number: JP2000086610A
Authority: JP
Inventors: Takuma Nakamura; 村卓磨中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2001-10-02

Abstract

(57)【要約】【課題】加工点から飛来するスパッタの軌跡を大きく
変化させて、集光レンズあるいは保護ガラスへのスパッ
タの付着を効果的に阻止することができると共に、ガス
消費量を減少させることができ、溶接コストを大幅に削
減することのできるレーザ溶接用ノズルを提供する。【解決手段】集光レンズと加工点の間に、レーザ光Ｌ
の中心からオフセットした位置を中心とする略円筒状の
ガス旋回槽４を設け、このガス旋回槽４の中心からオフ
セットした位置にシールドガスの吹出口６ａを形成し
て、ガス旋回槽４内にレーザ光Ｌを横切るシールドガス
の旋回流を生じさせると共に、ガス旋回槽４にガスの戻
し口８ａを形成し、この戻り口８ａと吹出口６ａとの間
を経路中にコンプレッサホイール１２ａを備えたガス循
環路１０によって連結する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ溶接に用い
られるガスノズルに係わり、さらに詳しくは加工点であ
る溶接部から飛散するスパッタの飛来軌跡を変化させる
ことによって、スパッタが集光レンズ、あるいは保護ガ
ラスへに付着するのを防止することができるレーザ溶接
用ノズルに関するものである。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】レーザ溶接において、
溶接用加工ヘッドに備えた集光レンズを溶融金属部から
飛散するスパッタから保護し、レンズの汚染を防止する
試みとして、特開平９−１３７２号公報には、加工ヘッ
ドのハウジングの内側全域をエアカーテン状に横断する
シールドガスを吹込むスリット状の吹込孔を設けると共
に、この吹込孔に相対する側にシールドガスの排出孔を
設け、吹込孔から多量のシールドガスを吹込むことによ
って得られるカーテン状の高速気流により、加工点で発
生し、集光レンズに向かって飛来するスパッタの軌跡を
変化させるようにした溶接用加工ヘッドが提案されてい
る。

【０００３】しかしながら、上記公報に記載された溶接
用加工ヘッドにおいては、スパッタの飛来軌跡を変化さ
せているのがエアカーテンの発生ポイント、すなわち吹
込孔のみであることから、必ずしも十分な軌跡変化が生
じるとは限らず、軌跡変化が不十分な場合にはスパッタ
が集光レンズにまで到達してレンズを汚染することがあ
る。また、軌跡変化が十分な場合でもハウジングの内壁
で跳ね返ったスパッタが集光レンズに付着する可能性が
あった。

【０００４】本発明者は、このような現状に鑑み、先
に、特願平１０−３５１０１２号において、集光レンズ
と加工点の間にガス旋回槽を設けると共に、このガス旋
回槽内にその中心からオフセットした位置からシールド
ガスを吹き込み、旋回槽内にレーザ光を横切るガスの旋
回流を生じさせることによって、スパッタの飛来軌跡を
大きく変えることのできるレーザ溶接用ノズルを提案し
ている。

【０００５】しかしながら、上記レーザ溶接用ノズルに
おいては、極めて優れたスパッタの付着防止効果を備え
てはいるものの、スパッタの軌跡を変化させる気流を作
り出すために旋回槽へ供給したガスをすべてセンターガ
スノズルから吐出させる構造となっており、ガス消費量
が多くなりがちであることから、ガス消費量を少なくし
てコストを削減する要望があり、このような要望に答え
ることが上記レーザ溶接用ノズルにおける新たな課題と
なっていた。

【０００６】

【発明の目的】本発明は、従来のレーザ溶接用ノズルに
おける上記課題に着目してなされたものであって、加工
点から飛来するスパッタの軌跡を大きく変化させること
ができ、集光レンズあるいは保護ガラスへのスパッタの
付着を効果的に阻止することができると共に、ガス消費
量を減少させることができ、溶接コストを大幅に削減す
ることのできるレーザ溶接用ノズルを提供することを目
的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係わ
るレーザ溶接用ノズルは、集光レンズと加工点の間に、
レーザ光の中心からオフセットした位置を中心として配
設された略円筒状のガス旋回槽と、該ガス旋回槽の底部
にレーザ光と同軸に配設されたセンターガスノズルを備
え、前記ガス旋回槽にはシールドガスの戻り口と共に、
ガス旋回槽の中心からオフセットした位置にシールドガ
スの吹出口が設けてあり、当該吹出口と前記戻り口とを
結ぶガス循環路を備えている構成としたことを特徴とし
ており、レーザ溶接用ノズルにおけるこのような構成を
前述した従来の課題を解決するための手段としている。

【０００８】本発明に係わるレーザ溶接用ノズル実施の
一形態として請求項２に係わるノズルにおいては、前記
ガス循環路の経路中にコンプレッサホイールを備えてい
る構成とし、同じく実施の形態として請求項３に係わる
レーザ溶接用ノズルにおいては、ガス旋回槽の内部に螺
旋状の整流板を備えている構成とし、請求項４に係わる
レーザ溶接用ノズルにおいては、ガス循環路もしくはガ
ス旋回槽にガスの補給路を備えている構成とし、さら
に、請求項５に係わるレーザ溶接用ノズルにおいては、
前記補給路がガス流量の異なる２系統の流路を備えてい
る構成としたことを特徴としている。

【０００９】

【発明の作用】本発明の請求項１に係わるレーザ溶接用
ノズルにおいては、レーザ光の中心からオフセットした
位置を中心とする略円筒状のガス旋回槽を備えると共
に、ガス旋回槽の底部にレーザ光と同軸に配設されたセ
ンターガスノズルを備えており、このガス旋回槽の中心
からオフセットした位置にシールドガスの吹出口が設け
てあるので、吹出口からガス旋回槽中に送給されたシー
ルドガスは、旋回槽内壁に沿って方向を変え、レーザ光
を横切るスパイラル状の旋回流となってセンターガスノ
ズルの出口から加工点に向かって吐出されることにな
る。したがって、加工点である溶接部から飛散したスパ
ッタが、センターガスノズル内を通って、当該ガスノズ
ルの出口から吐出されるシールドガス流に抗してガス旋
回槽内に飛来したとしても、旋回槽中を流れるシールド
ガスの旋回流によって集光レンズ方向に直交する方向の
力を連続的に受けることになるので、スパッタの飛来軌
跡が大きく変化し、たとえ当該ノズルのハウジング内壁
で跳ね返ったとしても集光レンズ、あるいは集光レンズ
前面に配設された保護ガラスに到達することはない。そ
して、ガス旋回槽にはガスの戻り口が設けてあると共
に、この戻り口とガスの吹出口とを結ぶガス循環路をさ
らに備えているので、シールドガスがガス循環路を循環
して旋回槽内に戻ってくることから、シールドガスの消
費量が少なくなって、溶接コストが削減されることにな
る。

【００１０】本発明に係わるレーザ溶接用ノズルの実施
の形態として請求項２に係わる溶接用ノズルにおいて
は、戻り口とガスの吹出口とを結ぶガス循環路の経路中
にコンプレッサホイールを備えていることから、循環路
内のガス流がコンプレッサホイールにより加速されて吹
出口からガス旋回槽内に吹き出され、高速の旋回流とな
るので、スパッタの飛来軌跡が確実に変化することにな
る。また、請求項３に係わるレーザ溶接用ノズルにおい
ては、ガス旋回槽内に螺旋状整流板を備えているので、
レーザ光を横切るガスの流れが良好に維持され、スパッ
タの飛来軌跡の変化が大きく、より確実なものとなる。

【００１１】また、請求項４に係わるレーザ溶接用ノズ
ルにおいては、ガス循環路あるいはガス旋回槽にガスの
補給路を備えているので、加工点への供給ガス量が十分
なものとなり、請求項５に係わるレーザ溶接用ノズルに
おいては、ガスの補給路が流量の異なる２系統の流路を
備えているので、溶接時（流量大）と待機時（流量小）
とでガス流量を切換えるに際して、ガス旋回槽および循
環路の系を常に正圧とすることにより、ガスの雰囲気が
常に一定なものとなる。

【００１２】

【発明の効果】本発明の請求項１に係わるレーザ溶接用
ノズルは、上記構成、とくにガス旋回槽を備え、旋回槽
内にガスの旋回流が生じるようになっているので、スパ
ッタの飛来軌跡を大きく変化させて、集光レンズや保護
ガラスへの付着を効果的に防止することができると共
に、ガス旋回槽に設けたガスの吹出口と戻り口とを連結
するガス循環路を備えているので、ガスの戻り口から回
収したガスをガス循環路内を循環させてガス旋回槽内に
再度供給することができ、シールドガスの消費量を大幅
に削減することができるという極めて優れた効果をもた
らすものである。

【００１３】また、本発明に係わるレーザ溶接用ノズル
の実施形態として、ガス循環路の経路内にコンプレッサ
ホイールを備えた請求項２に係わるノズルにおいては、
ガス循環路内のガスを加速して旋回槽内に高速のガス旋
回流を生じさせることができ、スパッタの飛来軌跡を確
実に変化させることができ、ガス旋回槽内に螺旋状の整
流板を備えた請求項３に係わるノズルにおいては、レー
ザ光を横切るガスの流れの状態を着実に維持することが
でき、スパッタの飛来軌跡をより大きく変えることがで
き、ガス循環路またはガス旋回槽にガスの補給路を備え
た請求項４に係わるレーザ溶接用ノズルにおいては、供
給ガス量を調整して加工点に必要なガスを十分に供給す
ることができ、ガスの補給路にガス流量の異なる２系統
の流路を備えた請求項５に係わるレーザ溶接用ノズルに
おいては、溶接時と待機時とでガス流量の切換えができ
ると共に、ガス旋回槽および循環路の系を常に正圧とす
ることにより、ガスの雰囲気を一定に保持することがで
きるというさらに優れた効果がもたらされる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて、さらに具体
的に説明する。

【００１５】実施例１図１（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施例に係わる
レーザ溶接用ノズルの構造を示すものであって、図１
（ａ）は当該レーザ溶接用ノズルの平面図、図１（ｂ）
はその縦断面図である。

【００１６】図に示すレーザ溶接用ノズル１は、集光レ
ンズ２およびその前面に位置する保護ガラス３の図中直
下位置に装着されたガス旋回槽４と、このガス旋回槽４
の底面に取付けられたセンターガスノズル５から主に構
成され、センターガスノズル５は、漏斗状をなし、集光
レンズ２によって加工点Ｗに集光されるレーザ光Ｌと同
軸となるように配設されている。

【００１７】ガス旋回槽４は、図中の上方側にやや開い
たバケット形の中空円筒状をなし、その中心Ｃを加工点
Ｗ、すなわちレーザ光Ｌの中心から所定距離ｄだけオフ
セットされた位置に備えている。なお、このガス旋回槽
４の中心Ｃのレーザ光Ｌからのオフセット距離ｄは、集
光レンズ２および保護ガラス３の半径より僅かに大きな
寸法に設定してある。

【００１８】そして、ガス旋回槽４には中心Ｃから前記
オフセット距離ｄにほぼ等しい距離だけ離れた外周上に
シールドガスの供給ノズル６を備えており、シールドガ
スをガス旋回槽４内に開口する吹出口６ａからほぼ水平
に噴出するようになっている。

【００１９】ガス旋回槽４の内部には、螺旋状をなす整
流板７が設けてあり、当該整流板７のレーザ光Ｌの光路
に相当する４か所には通し孔７ａないし７ｄが形成され
ている。さらに、ガス旋回槽４の下方側位置には、吹出
口６ａから吐出され、旋回槽４内を整流板７に沿って流
れてきたガスを回収するための排気ノズル８が設けてあ
り、ガスの戻し口８ａが旋回槽４内に開口している。

【００２０】そして、ガス旋回槽４の底面には、漏斗形
状のセンターガスノズル５がレーザ光Ｌと同軸となるよ
うに配設されていて、供給ノズル６を経て吹出口６ａか
ら旋回槽４内に供給されたシールドガスを加工点Ｗに向
けて吐出するようになっている。

【００２１】レーザ溶接用ノズル１の前記吹出口６ａお
よび戻し口８ａには、図２（ａ）に示すように、外部の
ガス循環路１０に接続され、この循環路１０を介してシ
ールドガスがガス旋回槽４内に供給されるようになって
いる。

【００２２】ガス循環路１０の経路には、フィルタ１１
と、電動モータ１２ａによって回転駆動されるコンプレ
ッサホイール１２ｂを備えたコンプレッサ１２が配設さ
れていると共に、第１流路１４と第２流路１５からなる
ガスの補給路１３に接続されている。

【００２３】ガス補給路１３の第１流路１４は、バルブ
１４ａおよび流量計１４ｂを備え、この実施例ではシー
ルドガスの流量を毎分０〜１５Ｌの範囲で調整できるよ
うになっている。一方、第２流路１５は、同様にバルブ
１５ａおよび流量計１５ｂを備え、シールドガスの流量
を毎分１５〜５０Ｌの範囲で調整できるようになってお
り、電磁バルブ１３ａの自動切換えによって、図３に示
すように、溶接時には第２流路１５を介して比較的大量
のシールドガスをガス循環路１０に補給し、溶接待機時
には第１流路１４を介して比較的小量のシールドガスを
循環路１０に補給することができる仕組となっている。

【００２４】なお、この実施例では、ガスの補給路１３
をガス循環路１０に接続した例を示したが、ガス旋回槽
４内に直接ガスを供給するようになすこともできる。ま
た、コンプレッサホイール１２ｂの駆動源として、上記
のような電動モータ１２ａに替えて、例えば、図２
（ｂ）に示すような圧縮エアＡの送給によって作動する
タービンホイール１２ｃを用いることも可能である。

【００２５】このような構造のレーザ溶接用ノズル１に
おいて、ガス循環路１０中のガスは、コンプレッサホイ
ール１２ｂによって高圧となって、ガス供給ノズル６を
経て吹出口６ａからガス旋回槽４内に放出される。

【００２６】吹出口６ａから噴出したガス流は、レーザ
光Ｌを横切ったのち、ガス旋回槽４の内壁に衝突し、内
壁に沿って方向を変えて旋回流となり、旋回槽４内の整
流板７により帯状の流れを維持しながらガスの戻り口８
ａに導かれる。このとき、旋回槽４内のガスの一部が、
補給路１３から補給されるガス流量に応じて溶接時には
大量に、待機時には少量だけ、センターガスノズル５の
出口５ａから吐出される。

【００２７】したがって、加工点Ｗ、すなわち溶接部の
溶融プールから飛散したスパッタの多くは、センターガ
スノズル５から吐き出されるシールドガス流によってそ
の飛散方向が変えられ、センターガスノズル５およびガ
ス旋回槽４内への飛来が阻止されるが、一部のスパッタ
がセンターガスノズル５からのシールドガス流に逆らっ
て、ガス旋回槽４内に飛来したとしても、旋回槽４内を
整流板７に沿って流れるシールドガスの旋回流から略水
平方向の力を連続的に受けることになり、スパッタの飛
来軌跡が大きく変化するので、集光レンズ２や、その前
面に配設された保護ガラス３に到達することはない。ま
た、スパッタがセンターガスノズル５やガス旋回槽４の
内壁に衝突して跳ね返ったとしても、同様に略水平方向
の力を連続的に受けることになるので、集光レンズや保
護ガラスに付着するようなことはなく、保護ガラスの交
換回数を大幅に削減、あるいは交換の必要をなくするこ
とができる。また、保護ガラスを配置していない場合で
あっても、集光レンズの損傷をほぼ確実に防止すること
ができるようになる。

【００２８】ガスの戻り口８ａから排気ノズル８を経て
ガス循環路１０に戻ったガスは、フィルタ１１によって
粉塵などの異物を除去されたのち、コンプレッサホイー
ル１２ｂによって加速され、ガス供給ノズル６の吹出口
６ａからガス旋回槽４内に再度放出されて再利用され
る。

【００２９】この実施例に係わるレーザ溶接用ノズル１
においては、旋回槽４内において、螺旋状の整流板７に
よってレーザ光を横切るガスの帯状の旋回流が確実に維
持されるので、スパッタの飛来軌跡をより確実に大きく
変えることができ、スパッタの付着防止効果をより一層
高めることができるばかりでなく、ガスを循環使用して
おり、加工ガスとして必要な分だけガスを補給すればよ
いので、ガスの消費量を低減でき、コスト削減が可能に
なると共に、ガスの補給路１３から供給されるガスの量
を２系統の流路１４，１５によって大小２段に切換える
ようにしていることから、溶接待機中にもガス供給を停
止することなく、少量のガスを供給し続けることによっ
て、循環系が負圧になることがなくなり、空気の混入を
防止してガス雰囲気を一定に保持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の一実施例に係わるレーザ溶接
用ノズルの構造を示す平面図である。（ｂ）図１（ａ）に示したレーザ溶接用ノズルの縦断
面図である。

【図２】（ａ）図１に示したレーザ溶接用ノズルへの
ガス供給経路を示す説明図である。（ｂ）電動式コンプレッサに置換可能なタービンホイ
ール式のコンプレッサを示す概略図である。

【図３】図１に示したレーザ溶接用ノズルにおけるガス
補給の一例を示すタイムチャートである。

【符号の説明】

１レーザ溶接用ノズル２集光レンズ４ガス旋回槽５センターガスノズル６ａ吹出口７整流板８ａ戻し口１０ガス循環路１２ａコンプレッサホイール１３補給路１４第１流路１５第２流路Ｌレーザ光Ｗ加工点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】集光レンズと加工点の間に、レーザ光の
中心からオフセットした位置を中心として配設された略
円筒状のガス旋回槽と、該ガス旋回槽の底部にレーザ光
と同軸に配設されたセンターガスノズルを備え、前記ガ
ス旋回槽にはシールドガスの戻り口と共に、ガス旋回槽
の中心からオフセットした位置にシールドガスの吹出口
が設けてあり、当該吹出口と前記戻り口とを結ぶガス循
環路を備えていることを特徴とするレーザ溶接用ノズ
ル。
【請求項２】前記ガス循環路の経路中にコンプレッサ
ホイールを備えていることを特徴とする請求項１記載の
レーザ溶接用ノズル。
【請求項３】ガス旋回槽の内部に螺旋状の整流板を備
えていることを特徴とする請求項１または請求項２記載
のレーザ溶接用ノズル。
【請求項４】ガス循環路もしくはガス旋回槽にガスの
補給路を備えていることを特徴とする請求項１ないし請
求項３のいずれかに２記載のレーザ溶接用ノズル。
【請求項５】前記補給路がガス流量の異なる２系統の
流路を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求
項４のいずれかに記載のレーザ溶接用ノズル。