JP2003311456A - レーザ照射アーク溶接ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】大型化することがなく、レーザ光のエネルギ損
失が少なく、シールドガスによる溶接ヘッドのシールド
性が向上した溶接ヘッドを提供すること。 【解決手段】本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッドは、
溶接トーチ１５の先端に装着されたノズル２１の周囲に
N個の半導体レーザスタックＬＤ３を配設し、N個の集光
レンズ光学系によって、溶接トーチから送給されるワイ
ヤ１４が被溶接物の溶接狙い位置と交差する付近にそれ
ぞれのレーザ光を集光している。また、レーザ照射アー
ク溶接ヘッドにヘッドノズル３６を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、消耗電極ガスシー
ルドアーク溶接のアーク発生部又はその周辺部の被溶接
物表面にレーザ光を照射することによって高速溶接を行
うレーザ照射アーク溶接装置のレーザ照射アーク溶接ヘ
ッドの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体
レーザ等を利用したレーザ溶接は、高エネルギ密度の熱
源であるので、２［ｍ／分］を超え８［ｍ／分］程度ま
での高速溶接が可能である。しかし、このレーザ溶接で
は、重ね継手、突き合わせ継手等への溶接においてその
継手部分にギャップがある場合には、レーザ照射部のビ
ームスポットが小さいためにギャップのある継手部分の
両端を溶融することができず溶接をすることができな
い。したがって、レーザ溶接においては、被溶接物の継
手部分をギャップがない状態にする必要があるために、
実用上の適用範囲は非常に限定されている。

【０００３】上述したレーザ溶接の問題点を解決する１
つの方法として、レーザ照射と消耗電極ガスシールドア
ーク溶接とを併用する複合型のレーザ照射アーク溶接装
置が提案されている。この溶接方法は、前述したレーザ
照射によって形成される高エネルギ密度の熱源による高
速溶接性を確保した上で、アークによって形成される広
がりのある熱源によって継手部分を幅広く溶融すると共
にワイヤをギャップ部分に充填することによって、ギャ
ップのある継手部分に対しても良好な高速溶接を行うこ
とができる。以下、このレーザ照射アーク溶接装置の一
例を説明する。なお、これ以降の説明では、溶接速度が
２［ｍ／分］以上の場合を高速溶接ということにする。

【０００４】図１は、従来技術のレーザ照射アーク溶接
装置を示す図である。以下、同図を参照して説明する。
ＹＡＧレーザ又は半導体レーザのレーザ発振器１から出
力されたレーザ光２は第１レンズ３によって収束されて
光ファイバ４に出力される。そして、光ファイバ４によ
って伝送されたレーザ光２は、レーザトーチ５内に設け
られたミラー６によって９０［度］曲げられ、反射して
広がったレーザ光２が第２レンズ７によって平行光にな
り、加工レンズ８によって被溶接物９の表面に焦点が生
じるように収束され、カバーガラス１０を通して被溶接
物９に照射される。

【０００５】溶接用電源装置１１は、ワイヤ送給装置１
２のワイヤ送給ロール１３の回転を制御してワイヤ１４
を溶接トーチ１５を通して送給すると共に、ワイヤ１４
と被溶接物９との間にアーク１６を発生させるための溶
接電圧及び溶接電流を出力する。上記のレーザ光２を照
射する位置は、被溶接物９のアーク１６の発生部又はそ
の周辺部であればよく、溶接方向を基準としてアーク１
６の発生部の前方、後方、右横又は左横のいずれの位置
でもよい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術のレ
ーザ照射アーク溶接装置においては、レーザトーチ５と
溶接トーチ１５との二つのトーチを使用して溶接を行う
ために、それぞれのトーチが干渉しないように、一方又
は両方のトーチを被溶接物９に対して傾斜させて設ける
必要がある。その結果、レーザトーチ５と溶接トーチ１
５とから成る溶接ヘッドが大型化し、通常、図示してい
ない溶接ロボットのマニピュレータ先端に装着されてい
るので、溶接方向が制限され、溶接ロボットの操作性が
悪くなる。また、レーザトーチ５が先行して溶接トーチ
１５が後行して溶接を行うので、レーザトーチ５と溶接
トーチ１５との位置を一定に定めてマニピュレータを操
作する必要がある。例えば、溶接線が９０［度］程度曲
がる場合には、溶接トーチ１５を大きく回転させる必要
があり、マニピュレータのティーチング作業が複雑にな
る。また、レーザ発振器１から出力されるレーザ光２を
集光してファイバ４に入射してレーザ光２を伝送してい
るので、レーザ光２をファイバ４に入射するときとファ
イバ４からレーザ光２が出射するときにレーザ光２のエ
ネルギ損失が発生する。

【０００７】また、アルミニウム又はアルミニウム合金
（以下、アルミという）を被溶接物９として溶接する場
合、アルミの表面に存在する酸化皮膜を除去するクリー
ニング作用を行うために、軟鋼の溶接と比較して、広い
範囲をシールドする必要がある。しかし、図１に示した
従来技術のレーザ照射アーク溶接装置では、シールドガ
スがアークと溶融金属とを十分に大気から遮蔽できる構
造ではないので、アルミを被溶接物として溶接する場
合、広い範囲をシールドすることができない。従って、
アルミを被溶接物として溶接する場合、シールドガスが
アークと溶融金属とを空気から十分に遮蔽することがで
きないために、溶融金属が空気を巻き込み、ブローホー
ル等の気孔欠陥が発生するなど、溶接の品質を低下させ
るという問題点があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、消耗電極ガスシールドアーク溶接トーチ１５から送
給されるワイヤ１４と被溶接物９との間に電力を供給し
てアーク１６を発生させ、複数の半導体レーザで構成さ
れた半導体レーザスタックLD1〜LDNから出力されたレー
ザ光２を上記アーク１６の発生部又はその周辺部にそれ
ぞれ照射するレーザ照射アーク溶接ヘッドにおいて、上
記消耗電極ガスシールドアーク溶接トーチ１５の先端に
装着されたノズル２１の周囲に配設されたN個（Nは１以
上の整数）の半導体レーザスタックLD1〜LDNと、上記N
個の半導体レーザスタックLD1〜LDNから出力されるそれ
ぞれのレーザ光２を集光して、ワイヤの送給方向と被溶
接物とが交差する溶接狙い位置付近をレーザ集光点とす
るN個の集光レンズ光学系とを備えたレーザ照射アーク
溶接ヘッドである。

【０００９】請求項２に記載の発明は、N個の半導体レ
ーザスタックLD1〜LDNのそれぞれの発光点における光軸
が被溶接物９の溶接狙い位置方向となるように上記N個
の半導体レーザスタックLD1〜LDNを配設した請求項１に
記載のレーザ照射アーク溶接ヘッドである。

【００１０】請求項３に記載の発明は、自由端側に半径
方向に貫通し、ノズル２１に供給されるシールドガス２
２と同じシールドガス３８が供給される噴出口23aが形
成され、上記ノズル２１の周囲にさらに設けられたノズ
ル２３を備えた請求項１又は２に記載のレーザ照射アー
ク溶接ヘッドである。

【００１１】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を図面を参照し
て説明する。図２は、本発明のレーザ照射アーク溶接ヘ
ッド３７の部分断面図であり、図３は、本発明のレーザ
照射アーク溶接ヘッド３７の平面図である。図２におい
て、レーザ照射アーク溶接ヘッド３７の中心には、溶接
トーチ１５が配置されている。溶接トーチ１５のチップ
ボディ１７の先端に給電チップ１８が装着され、側面に
シールドガス噴出口を設けた絶縁材からなるオリフィス
１９をチップボディ１７のシールドガス噴出口の周囲に
設け、絶縁材からなる絶縁ブッシュ２０をチップボディ
１７の周囲に配設し、第１ノズル２１が給電チップ１８
を囲繞している。図示を省略したガスボンベから供給さ
れたシールドガス２２がチップボディ１７のシールドガ
ス噴出口を通り、オリフィス１９のシールドガス噴出口
を通り、第１ノズル２１の先端から噴出されて、溶融池
を空気から遮蔽する。給電チップ１８は、給電チップ１
８のワイヤ挿通孔にワイヤ１４を挿通することによって
ワイヤ１４を案内し、かつ、溶接用電源装置１１から供
給された電力がチップボディ１７を通じて給電チップ１
８に供給されて、ワイヤ１４が給電チップ１８と内接す
ることによってワイヤ１４に電力が供給される。

【００１２】オリフィス１９は、溶融池から飛散するス
パッタからチップボディ１７を保護している。また、オ
リフィス１９を設けない場合は、シールドガス２２がチ
ップボディ１７のシールドガス噴出口から第１ノズル２
１の内面に噴出されるためにシールドガス２２の流れが
安定しないが、オリフィス１９を設けた場合は、チップ
ボディ１７のシールドガス噴出口から噴出されたシール
ドガス２２が、さらに、オリフィス１９のシールドガス
噴出口を通過することにより流速の分布が均一になるの
で流れが安定する。

【００１３】また、第１ノズル２１の周囲には、第２ノ
ズル２３が設けられていて、上述した第１ノズル２１に
供給されるシールドガス２２と同じシールドガス３８が
供給される。また、この第２ノズル２３の自由端側に半
径方向に貫通する噴出口23aが設けられていて、シール
ドガス３８が、噴出口23a及び第２ノズル２３の先端か
ら噴出される。この第２ノズル２３に供給されるシール
ドガス３８は、第１ノズル２１から噴出されるシールド
ガス２２の純度が低下することを防ぐと共に、溶接トー
チ１５の給電チップ１８の先端付近を外部の大気からシ
ールドし、さらに、後述するクロスエア３５によって第
１ノズル２１から噴出されるシールドガス２２が乱れる
ことを防止している。

【００１４】次に、図３に示すように、溶接トーチの先
端に装着された第２ノズル２３の周囲には、半導体レー
ザを並べたバーを縦に積み重ねた構成である半導体レー
ザスタックLD1乃至LD8が放射状に配設されている。半導
体レーザスタックLD1乃至LD8の上部には、図２に示す冷
水装置であるチラー２４から冷水が供給されてチラー２
４に戻すための冷水入り口２５と冷水出口２６とがそれ
ぞれ設けられている。また、半導体レーザスタックLD1
乃至LD8には、図２に示す半導体レーザ用電源装置２７
から電力が供給されるための電極２８がそれぞれ設けら
れている。尚、図２において、半導体レーザスタックLD
7についてチラー２４及び半導体レーザ用電源装置２７
との接続を示し、半導体レーザスタックLD3のチラー及
び半導体レーザ用電源装置との接続を省略している。

【００１５】図２に示すように、半導体レーザスタック
LD1〜LD8の下部には、下記に説明する集光レンズ光学系
が配設されている。まず、半導体レーザスタックLD1〜L
D8から出力されたレーザ光２は、マイクロレンズ２９に
よって平行光線にされ、この平行光線の方向がプリズム
レンズ３０によって変更され、シリンドリカルレンズ３
１とフォーカスレンズ３２とによって、プロテクション
ウインドウ３３を通過して溶接トーチ１５から送給され
るワイヤ１４が被溶接物９の溶接狙い位置と交差する付
近をレーザ集光点するようにレーザ光２が集束される。
プロテクションウインドウ３３は溶接時のヒューム及び
スパッタが上記の集光レンズ光学系に付着することを防
止するために設けている。

【００１６】クロスエア噴出口３４から噴出されたクロ
スエア３５は、プロテクションウインドウ３３の面に平
行に噴射されて、ヘッドノズル３６のクロスエア排出口
36aから排出される。この結果、アーク溶接によって発
生する金属蒸気が集光レンズ光学系に付着して汚損する
ことを防止している。また、溶接中に、溶滴及び溶融池
の一部がスパッタとして周囲に飛散した場合も、このス
パッタが集光レンズ光学系に付着して汚損することを防
止している。

【００１７】図３において、８個の半導体レーザスタッ
クLD1〜LD8を示しているが、半導体レーザスタックは８
個に限定されるものではない。この半導体レーザスタッ
クの数を変更することによって、レーザ光２の集光特性
を変更することができる。これによって、アーク溶接の
安定化を図ることができる。

【００１８】本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド３７
は、上述した構造を有するために、従来技術の溶接ヘッ
ドのように大型化することがないので、溶接ロボットの
マニピュレータ先端に装着された場合、溶接方向が制限
されることがなく、溶接ロボットの操作性が悪くなるこ
とがない。また、マニピュレータのティーチング作業が
複雑になることがない。

【００１９】また、従来技術の溶接ヘッドのようにレー
ザ発振器１から出力されるレーザ光２を集光してファイ
バ４に入射してレーザ光２を伝送していないので、レー
ザ光２のエネルギ損失が少ない。

【００２０】本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド３７
は、ヘッドノズル３６を設けているので、シールドガス
による溶接ヘッド３７のシールド性が向上して、溶接速
度が速い溶接の場合に対しても、アーク１６と溶融金属
とを大気から遮蔽できるようになるため、溶接品質が向
上する。また、アルミのような高いシールド性が要求さ
れる被溶接物９に対しても、シールドガス２２が溶融池
を大気から十分に遮蔽することができるために、溶融金
属が大気を巻き込むことがなく、ブローホール等の気孔
欠陥が発生するなどの溶接の品質を低下させるという問
題が発生しない。

【００２１】尚、図２に示した半導体レーザスタックLD1
〜LD8は、溶接トーチ１５のワイヤ送給軸と平行に配設
している。この代わりに、半導体レーザスタックLD1〜L
D8のそれぞれの発光点における光軸を被溶接物９の溶接
狙い位置方向となるように、半導体レーザスタックLD1
〜LD8を配設することによって、プリズム３０を省略す
ることができる。

【００２２】尚、本発明を消耗電極ガスシールドアーク
溶接トーチに適用した実施の形態を説明したが、ティグ
溶接トーチにも適用できる。

【００２３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。本
発明のレーザ照射アーク溶接ヘッドは、溶接トーチの先
端に装着されたノズルの周囲にN個の半導体レーザスタ
ックを配設し、N個の集光レンズ光学系によって、溶接
トーチから送給されるワイヤが被溶接物の溶接狙い位置
と交差する付近にそれぞれのレーザ光を集光している。
この結果、従来技術の溶接ヘッドのように大型化するこ
とがないので、溶接ロボットのマニピュレータ先端に装
着された場合、溶接方向が制限されることがなく、溶接
ロボットの操作性が悪くなることがない。また、マニピ
ュレータのティーチング作業が複雑になることがない。

【００２４】また、従来技術の溶接ヘッドのようにレー
ザ発振器から出力されるレーザ光を集光してファイバに
入射してレーザ光を伝送していないので、レーザ光のエ
ネルギ損失が少ない。

【００２５】また、レーザ照射アーク溶接ヘッドにヘッ
ドノズルを設けているので、シールドガスによる溶接ヘ
ッドのシールド性が向上して、溶接速度が速い溶接の場
合に対しても、アークと溶融金属とを大気から遮蔽でき
るようになるため、溶接品質が向上する。また、アルミ
のような高いシールド性が要求される被溶接物に対して
も、シールドガスがアークと溶融金属とを大気から十分
に遮蔽することができるために、溶融金属が大気を巻き
込むことがなく、ブローホール等の気孔欠陥が発生する
などの溶接の品質を低下させるという問題が発生しな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術のレーザ照射アーク溶接装置を示す図
である。

【図２】本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッドの部分断
面図である。

【図３】本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッドの平面図
である。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ レーザ光 ３ 第１レンズ ４ 光ファイバ ５ レーザトーチ ６ ミラー ７ 第２レンズ ８ 加工レンズ ９ 被溶接物 １０ カバーガラス １１ 溶接用電源装置 １２ ワイヤ送給装置 １３ ワイヤ送給ロール １４ ワイヤ １５ 溶接トーチ １６ アーク １７ チップボディ １８ 給電チップ １９ オリフィス ２０ 絶縁ブッシュ ２１ 第１ノズル ２２ シールドガス ２３ 第２ノズル ２４ チラー ２５ 冷水入り口 ２６ 冷水出口 ２７ 半導体レーザ用電源装置 ２８ 電極 ２９ マイクロレンズ ３０ プリズムレンズ ３１ シリンドリカルレンズ ３２ フォーカスレンズ ３３ プロテクションウインドウ ３４ クロスエア噴出口 ３５ クロスエア ３６ ヘッドノズル 36a クロスエア排出口 ３７ レーザ照射アーク溶接ヘッド ３８ 第２ノズル２３のシールドガス噴出口 LD1〜LD8 半導体レーザスタック

フロントページの続き (72)発明者 安福 哲彌 大阪府大阪市淀川区田川２丁目１番11号 株式会社ダイヘン内 Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB12 DF09 LH02 MB10 NA01 4E068 AA01 BC01 CA01 CA08 CD02 CD15 CH08 CJ01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 消耗電極ガスシールドアーク溶接トーチ
   から送給されるワイヤと被溶接物との間に電力を供給し
   てアークを発生させ、複数の半導体レーザで構成された
   半導体レーザスタックから出力されたレーザ光を前記ア
   ークの発生部又はその周辺部にそれぞれ照射するレーザ
   照射アーク溶接ヘッドにおいて、前記消耗電極ガスシー
   ルドアーク溶接トーチの先端に装着されたノズルの周囲
   に配設されたN個（Nは１以上の整数）の半導体レーザス
   タックと、前記N個の半導体レーザスタックから出力さ
   れるそれぞれのレーザ光を集光して、ワイヤの送給方向
   と被溶接物とが交差する溶接狙い位置付近をレーザ集光
   点とするN個の集光レンズ光学系とを備えたレーザ照射
   アーク溶接ヘッド。
2. 【請求項２】 N個の半導体レーザスタックのそれぞれ
   の発光点における光軸が被溶接物の溶接狙い位置方向と
   なるように前記N個の半導体レーザスタックを配設した
   請求項１に記載のレーザ照射アーク溶接ヘッド。
3. 【請求項３】 自由端側に半径方向に貫通する噴出口が
   形成され、ノズルに供給されるシールドガスと同じシー
   ルドガスが供給される前記ノズルの周囲にさらに設けら
   れたノズルを備えた請求項１又は２に記載のレーザ照射
   アーク溶接ヘッド。