JP2009178736A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの加工部位の裏面を効率よくシールドガスで覆い、高品位のレーザ加工面を得る。
【解決手段】ワーク６の加工部位の裏面側に配設され、外周囲からワーク６の加工部位の裏面側に流れ込むガス流２８、２９を生成し、このガス流をワークのレーザ加工部位の裏面を覆うようにガス流を指向させる指向性付与手段Ｆと、ワークのレーザ加工部位の裏面を覆ったガス流２９を、レーザ加工時に発生するスパッタと共に加工部位の裏面から遠ざかる方向に導出する中空の筒体２１とを設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光により溶接、孔開け、切断などの加工を行うレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関するものである。

近年、長焦点のレーザ光（レーザビーム）を溶接部位から離れた所から照射して溶接を行う、リモートレーザ（スキャナーレーザ）溶接法と称される技術が注目されている。このリモートレーザ溶接法では、レーザ光を光偏向光学系に通して走査することにより、レーザ光を瞬時に次の溶接点まで移動させて次なる溶接を施すことが可能になるとともに、溶接点ごとに焦点距離の調整を行うことも可能になる。

しかし、レーザ溶接においては、次のような課題がある。第１に、レーザ溶接時に、発生するスパッタがワーク（パネル）の裏面や設備に付着してしまい、ワークの品質を悪くし、設備の寿命を縮める。第２に、レーザ溶接した際、ワーク裏面の溶接ビード部がすぐに酸化し、この酸化が、その後の工程で行われる防錆を目的とした塗装の密着性を悪化させる。

第１の課題（スパッタ付着）の対策としては、下記特許文献１に開示されたものがある。この特許文献１では、水平に突き合わされた２つの被溶接部材の溶接部の裏側、すなわち溶接ビームが照射される側とは反対側に、溶接部を挟むように２枚の長尺な板を並設してスパッタガイド（通路）を形成する。

また、スパッタガイドの外側周囲を覆う側面カバーと、スパッタガイドの頂部から被溶接部材の頂部を覆う上面カバーとを設ける。スパッタガイドは、この上面カバーが被溶接部材に面接するように配設し、上面カバーに設けた開口部が、溶接部に連通する位置に来るようにする。

さらに、上面カバーと側面カバーの空間内に、スパッタガイドの下方にビームプロテクタを傾斜して設ける。スパッタはスパッタガイドから下方に落下しビームプロテクタに当たる。このビームプロテクタの傾斜角およびスパッタガイドの垂下長は、ビームプロテクタに当たって跳ね返るスパッタが被溶接部材に達しないように設定する。
特開２００５−１５２９３９公報

特許文献１のようなスパッタガイドをワークの裏面側に配置すれば、スパッタをスパッタガイド内に閉じ込めることができ、スパッタによる外部設備への影響を抑制することができる。また、上面カバーを被溶接部材の溶接部の裏側に面接させて覆うため、ワーク裏面へのスパッタの付着を防止することができる。

しかしながら、特許文献１のように上面カバーを被溶接部材に面接させると、バックシールドガスでシールすべき溶接部の裏面も上面カバーによって覆われてしまう。このため、側面カバーの外部からバックシールドガスを供給したとしても、溶接部の裏面にバックシールドガスを充分に付与することができない。

また、特許文献１では、側面カバーの上端とスパッタガイドの上端（開口部縁）との間が上面カバーで閉じられ、かつ、上面カバーの開口部も上側に位置するワークにより閉じられることから、側面カバーが形成する空間の上側開口は完全に閉鎖される。このため、バックシールドガスが流動できない状態となる。したがって特許文献２の構造では、側面カバー内にバックシールドガスを供給したとしても、バックシールドガスが上端部まで届き難く、バックシールドガスを充分に溶接部裏面に付与することができない。

このように、特許文献１では、スパッタを通路中に閉じ込めることができ、外部設備へのスパッタの影響を抑制することが出来るものの、溶接ビード裏面部の酸化を抑制することは不可能である。そのため、レーザ溶接したワーク（パネル）は、その後に形成される塗膜の密着性に劣ることになる。

そこで本発明の目的は、レーザ溶接時に発生するスパッタがワーク裏面に付着するのを防ぐと同時に、ワークの加工部位の裏面を効率よくシールドガスで覆うことができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明のレーザ加工装置は、ワークの加工部位にレーザ光を照射して所定のレーザ加工を施すと共に、ガスガイド手段から、ワークの加工部位の裏面に酸化防止用のシールドガスを流すレーザ加工装置において、前記ガスガイド手段は、前記ワークの加工部位の裏面側に配設され、外周囲から前記ワークの加工部位の裏面側に流れ込むガス流を生成し、前記ガス流を前記ワークのレーザ加工部位の裏面を覆うようにガス流を指向させる指向性付与手段と、前記ワークのレーザ加工部位の裏面を覆ったガス流を、レーザ加工時に発生するスパッタと共に前記加工部位の裏面から遠ざかる方向に導出する中空の筒体と、を有することを特徴とするものである。

上記目的を達成するための本発明のレーザ加工方法は、ワークの加工部位の裏面側に、前記裏面を取り囲むように中空の筒体を配設し、前記筒体の外周囲から内側方向に流れ込むガス流を生成させると共に、前記ガス流を前記ワークのレーザ加工部位の裏面に向けて指向させ、かつ、前記ワークの加工部位の裏面を覆うようにガス流を指向させ、前記ワークの加工部位の裏面を覆った後のガス流を、レーザ加工時に発生するスパッタと共に、前記中空の筒体を通して前記加工部位の裏面から遠ざかる方向に導出する、ことを特徴とする。

本発明のレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、レーザ加工時に発生するスパッタがシールドガスの流れにより運ばれてワーク裏面に付着しなくなる。このため、スパッタの付着によるワークの品質の悪化を防ぐことができる。

また、ワークの加工部位の裏面を覆うガス流は、筒体の内部から外部へとガスを流すタイプに比べ、少ないガス量のシールドガスで効率よく覆うことができ、ワーク裏面の溶接ビード部の酸化を防止することができる。また、これにより、その後に施される塗装の密着性を良好に保つことができる。

したがって本発明によれば、スパッタの付着防止と溶接ビード部の酸化防止の両面から、高品位のレーザ加工面を得ることができる。

以下、添付した図面を参照して本発明を適用した最良の実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係るレーザ溶接装置を図１に示す。

図１に示すように、レーザ溶接設備として、ＹＡＧレーザのレーザ発振器１と、６軸のモータにより駆動されるロボットハンド２と、その先端に装着された光学ヘッド３と、を備えており、光学ヘッド３が光ファイバーケーブルにてレーザ発振器１と接続され、光学ヘッド３から長焦点のレーザビーム５を出射させる構造となっている。また、光学ヘッド３の内部には、レーザビーム５の出射方向を偏向する光偏向光学系４（スキャナ）が設けられており、これによりレーザビーム５が所定の溶接軌跡に沿って走査されて溶接パターンが描かれる構成になっている。

なおレーザの種類は、ここではＹＡＧレーザを用いているが、炭酸ガスレーザであってもよい。また、アシストガスとして、ＡｒあるいはＨｅなどの不活性ガスを用いることもできる。また、基本となる溶接法として、ここではレーザビーム５を瞬時に移動することができるリモートレーザ溶接法を前提に以下説明するが、長焦点のレーザ光５Ａを扱うレーザ溶接装置であれば本発明の効果が得られるため、必ずしもリモートレーザ溶接法に限定されない。

またレーザ溶接設備は、ワーク６としての二枚の鋼板７ａ、７ｂを隙間ができるように重ね合わせてクランプするクランプ手段８を備えている。

このクランプ手段８は、下側のゲージ・ポスト９と、揺動可能な上側のクランプ部材１０と、このクランプ部材１０を駆動するエアシリンダ１１とで構成される。上側のクランプ部材１０と下側のゲージ・ポスト９は上下方向から互い向き合うように内側に彎曲し、それぞれの角部で互いに交差し、軸１２で揺動自在に連結されている。すなわち、上側のクランプ部材１０には下端近傍に耳部１３を有し、この耳部１３がゲージ・ポスト９の上段角部に軸１２により枢着されている。またエアシリンダ１１は、ゲージ・ポスト９の中腹に軸１４により枢着され、そのエアシリンダ１１のピストンロッド１５の後端が、上側のクランプ部材１０の後端に軸１６により枢着されている。エアシリンダ１１にはエアホース１７および信号ケーブル１８が接続されており、エアホース１７を通して内部に供給されるエアにより、エアシリンダ１１のピストンが操作される。

かかる構造により、エアシリンダ１１を作動させると、ピストンロッド１５が押し出されて、上側のクランプ部材１０が軸１６の周りに回動し、そのクランプ部材１０の先端が下がって、下側のゲージ・ポスト９との間でワーク６を挟持する。

このようにしてクランプされたワーク６の二枚の鋼板７ａ、７ｂにレーザビーム５が照射されてレーザ溶接がなされる。このレーザ溶接の一つ一つは、溶接開始点から溶接終了点に至るループ状でかつ溶接開始点と溶接終了点とが重ならない溶接軌跡２４（図３参照）に沿ってなされる。ループ状でかつ溶接開始点と溶接終了点とが重ならない溶接軌跡２４の例は、Ｃ字状、Ｓ字状、丸型などの溶接軌跡であり、これによりＣ型、Ｓ型、丸型などの溶接ビード７ｃ（図２参照）が形成される。溶接開始点と溶接終了点とを重ねないのは、重ねると溶融して孔が開く場合があるからである。

上記ワーク６の溶接部位の裏面１９および表面に形成される溶接ビード７ｃは、表面に酸化皮膜ができないようにして、良質な表面を保つことが好ましい。

そこでワーク６の溶接部位（加工部位）の裏面１９側に、ガスガイド手段２０を配設し、このガスガイド手段２０からワーク６の溶接部位の裏面１９に酸化防止用のシールドガスを流し、ワーク６の溶接部位の裏面１９をシールドガスで覆う。ここでワーク６の溶接部位の裏面１９とは、１つの溶接箇所においてレーザビーム５が描く溶接軌跡２４をカバーする範囲（図２、図３に直径Ｄにて示す）を意味する。

図２は、このワーク６の溶接部位の裏面１９をシールドガスで覆う構成部分を拡大して示した図、図３はそのレーザビーム５が描く溶接軌跡との関係を示した斜視図である。

図２に示すように、ガスガイド手段２０は、ワーク６の溶接部位の裏面１９（直径Ｄ）を囲む形状と大きさの中空の筒体（内側筒体）２１と、その外周囲に設けた外側筒体２２と、その外側筒体２２に接続したガス供給管２３とを有する。これらは、好ましくはレーザ光５Ａの熱の吸収効率が鉄よりも低い銅やアルミニウム等の金属材料を用いて作成する。

内側筒体２１は、内側筒体２１を上方から見たとき、ワーク６の溶接部位の裏面１９を囲む形状と大きさに設定される。すなわち図３に例示する如く、レーザビーム５が描くＣ字状などのパターンの溶接軌跡２４が、内側筒体２１の内側に入る大きさに設定される。したがって、内側筒体２１は、ワーク６のレーザ溶接部位の裏面１９に対応する空間領域（直径Ｄ）を仕切る境界を規定することになる。

なお、図３は、内側筒体２１の円内にＣ字状の溶接軌跡２４が一つ入る形態の場合を示しているが、溶接軌跡２４の形状や数はこれに限定されるものではない。すなわち、溶接軌跡２４のＣ字状などのパターンは、内側筒体２１の円内に単体として存在してもよいし、複数個存在してもよい。

外側筒体２２は内側筒体２１の外側に緩く挿通してあり、その下端を内側筒体２１の外周面に固定している。したがって、この固定部より上方においては、外側筒体２２と内側筒体２１の側壁間に、第１通路２５となる隙間が形成されている。また外側筒体２２は、その頂部である軸方向上端が、内側筒体２１の頂部よりも若干突出している。したがって、外側筒体２２の頂部をワーク裏面に当接させた場合、内側筒体２１の頂部とワーク裏面間に第２通路２６の隙間が形成され、その分だけ、内側筒体２１よりも頂部の位置が高くなる関係になっている。

本実施形態の場合、上記した第１通路２５と第２通路２６とにより、外周囲からワーク６の溶接部位の裏面１９側にシールドガス２７が流れ込む第１のガス流２８および第２のガス流２９を生成させる指向性付与手段Ｆとしてのノズルが構成される。

外側筒体２２の下部には、第１通路２５の下部と連通する接続口４３を設け、ここに上記ガス供給管２３を接続してある。このガス供給管２３を通して、第１通路２５の下部に、アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガスからなるシールドガス２７を導入する。導入したシールドガス２７は、第１通路２５を上に向かって進み、第２通路２６から、内側筒体２１の領域内に入り、ワーク６の溶接部位の裏面１９側に噴出する。

上記第１通路２５と第２通路２６とにより構成されるノズルの働きは、ワーク６の加工部位の裏面側に配設され、外周囲から前記ワーク６の加工部位の裏面側に流れ込むガス流を生成し、このガス流をワーク６のレーザ加工部位の裏面を覆うようにガス流を指向させる指向性付与手段Ｆとして働く。

この実施形態の場合、第２通路２６の隙間ｄ（図４（ａ）参照）の大きさおよび形状により、シールドガス２７をワーク６の溶接部位の裏面１９を覆って流れる第２のガス流２９とする指向性が付与される。

この実施形態では、上記構成に加えて、上記中空の筒体２１の下方にレーザ光反射板３１を設けている。このレーザ光反射板３１は、上記中空の筒体２１の下端より下方に、スパッタの上方への跳ね返りを抑制するに充分な間隔Ｌを隔てて設けてある。このレーザ光反射板３１は、レーザ光５Ａの熱の吸収効率が鉄よりも低い銅やアルミニウム等の金属材料を用いて作成する。しかし、このレーザ光反射板３１は事情により省略することができる。

［作用］
上記のようにガスガイド手段２０が、中空の内側筒体２１および外側筒体２２とレーザ光反射板３１とで構成される。このガスガイド手段２０は、各レーザ照射予定位置毎に、１個宛セットされる。その後、図３に示すように、各レーザ照射予定位置にてワーク６の二枚の鋼板７ａ、７ｂにレーザビーム５が照射されてレーザ溶接がなされる。

その際、ワーク６における一の溶接部位の溶接が行われると、次の溶接部位の溶接のため、ワーク６または光学ヘッド３の光偏向光学系４が相対的に移動され、レーザビーム５がレーザ照射予定位置にセットされる。レーザ溶接の一つ一つは、Ｃ字状の溶接軌跡２４に沿ってなされ、Ｃ字状の溶接ビード７ｃが形成される。

なお、クランプ手段８側を移動させる方式の場合は、ガスガイド手段２０もクランプ手段８と一緒に移動させる構成にしてもよい。

図４（ａ）にシールドガスの流れを示す。内側筒体２１の頂部とワーク裏面間の第２通路２６を通して導入された第１のガス流２８は、第２通路２６の形状寸法により、その方向および流量が規定され、結果として、ワーク６のレーザ溶接部位の裏面１９に向い、かつ、前記ワーク６の溶接部位の裏面１９を覆って流れる第２のガス流２９となる。換言すれば、シールドガス２７はワーク６の加工部位の裏面１９において、周囲の空気を押し流すと共に、不活性ガスによる幕を生じさせる。この第２のガス流２９の形でワーク６の溶接部位の裏面１９を覆った後のシールドガス２７は、筒体２１の中を通って、第３のガス流３０としてワーク６の溶接部位の裏面１９から遠ざかる方向に導出される。

したがって、ワーク６の溶接部位の裏面１９が不活性ガスから成るシールドガス２７で十分に覆われる。この結果、溶接ビード７ｃの裏表面に酸化皮膜が付き難くなり、溶接品質が向上する。

ここで比較例として、有底筒体を用い、この有底筒体の内部をシールドガスで満たすことにより、溶接部位の裏面１９をシールドガスで覆うタイプの装置を考えてみる。この比較例の場合、有底筒体の上側開口をワークの裏面に向け、このワーク裏面との間の隙間（上記第２通路２６に相当する隙間）を通して、有底筒体の内部から外部へシールドガス２７を流す。つまり、比較例の装置は、本発明の装置とは逆に内部から外部にシールドガスを流すタイプのものであるため、先に有底筒体をシールドガスを満たす必要がある。これに対し、本実施形態の装置ではワークの溶接部位の裏面に向けて外側から内側へとシールドガスを流すため、この比較例の装置よりも少ないガス量で、ワーク６の溶接部位の裏面１９を十分にシールドすることができる。したがって、シールドガス２７の流量を低減することができるという効果が得られる。

また、図４（ｂ）に示すように、レーザ溶接時に発生するスパッタ３３は、ワーク６の溶接部位の裏面１９側に配設された内側筒体２１の内部に落下する。ワーク６の溶接部位の裏面１９側から周囲へ拡散しようとするスパッタ３３は、内側筒体２１の内壁で跳ね返って内側に戻され、内側筒体２１の内部を徐々に下方へ導かれる。その際、内側筒体２１内にはシールドガス２７の第３のガス流３０が存在することから、レーザ溶接時に発生するスパッタ３３は、この第３のガス流３０により運ばれて、ワーク６の溶接部位の裏面１９から遠ざかる方向に導出される。このため、単に重力によりスパッタ３３を排出するタイプに比べ、効率よくスパッタ３３を排出し、ワーク６の溶接部位の裏面１９側からスパッタが周囲へ拡散するのを防止することができる。

さらにまた、図４（Ｃ）に示すように、内側筒体２１の下端より間隔Ｌだけ離してレーザ光反射板３１を設けているので、スパッタ３３がレーザ光反射板３１に当たって上方へ跳ね返る場合でも、跳ね返ったスパッタ３３は殆どがワーク裏面に達しない。このため、跳ね返ったスパッタ３３がワーク裏面を汚す現象の発生頻度を低減し、溶接表面の品質低下を抑えることができる。

ここでレーザ光反射板３１を必要とする理由は、次による。すなわち、リモートレーザ溶接には焦点距離の長いレンズが使用され、光学ヘッド３から出射されるレーザビーム５は、例えば焦点距離が６００〜１０００ｍｍと長い。このため図４（Ｃ）に示すように、溶接ビード７ｃの裏側からレーザ光５Ａが漏れ、治具のゲージ・ポスト９や周辺機器を照射して損傷を与える。

この問題を解決すべく、本発明者等は、レーザビーム５の照射方向に見て、ワーク６としての二枚の鋼板７ａ、７ｂの背面側に、すなわちワーク６の溶接部位の裏面１９側に、あまり離さずにレーザ光反射板３１を設けることを試みた。しかし、本発明者等の実験によれば、レーザ光反射板３１をワークの裏面１９から充分に離して設けていない場合、レーザ光反射板３１で跳ね返ったスパッタ３３がワーク裏面に達する割合が多く、ワーク６の品質を低下させてしまうことが判った。そこで、この実施形態では、内側筒体２１の下端より、さらに間隔Ｌだけ下方に離してレーザ光反射板３１を設け、この不都合を回避している。

また、内側筒体２１を通り、その下方のレーザ光反射板３１との間隔Ｌに抜けるシールドガスの流れ（第４のガス流）（図示せず）が存在する。この第４のガス流の作用により、レーザ光反射板３１で跳ね返ったスパッタ３３を、間隔Ｌを抜けて半径方向外側に導くことができる。また、レーザ光反射板３１を冷却する効果も得られる。

なお、レーザ光反射板３１を、内側筒体２１の長さに上記間隔Ｌを加えた長さ分だけワーク６の裏面から離間して設けることは、レーザビーム５の焦点より大きく遠ざけることになり、レーザ光反射板３１の入熱密度を低減させることになる。

［第２の実施形態］
図５〜図７は本発明のそれぞれ別の実施形態を示す。これらは、外周囲からワーク６の溶接部位の裏面１９側に流れ込む第１のガス流２８を生成させるノズルの構成例を示したものである点で、共通する。

図５は本発明の第２の実施形態を示したものである。これは上記指向性付与手段たるノズルを、筒体２１の側壁を外側下方から内側上方に向けて斜めに貫くノズル孔３４により、構成した例である。このノズル孔３４は筒体２１の周方向に複数個、等間隔または任意の間隔で設ける。各ノズル孔３４の通路径と傾斜角は、指向性付与手段Ｆとして機能するように定められる。すなわち、各ノズル孔３４は、第１のガス流２８をワーク６のレーザ溶接部位の裏面１９に向けて指向させ、かつ、ワーク６の溶接部位の裏面１９を覆って流れる第２のガス流２９とするように、通路径と傾斜角が定められる。

この結果、ノズル孔３４からは、図５に示すように、ワーク６の溶接部位の裏面１９に向けて斜めにシールドガス２７の第１のガス流２８が噴出し、ワーク６の溶接部位の裏面１９を第２のガス流２９が覆って流れる。したがって、シールドガス２７による十分なシールド効果が得られる。また、この第２のガス流２９の形でワーク６の溶接部位の裏面１９を被った後のシールドガス２７は、レーザ溶接時に発生するスパッタ３３と共に、第３のガス流３０として、中空の筒体２１中を通過し、ワークの溶接部位の裏面１９から遠ざかる方向に導出される。したがって、効率良くスパッタを排出することができる。

［第３の実施形態］
図６は本発明の第３の実施形態を示したものである。これは、筒体２１の側方、すなわち直径Ｄの領域の外側に配設された先細状のノズル体３５により、上記指向性付与手段を構成した例である。このノズル体３５は、指向性付与手段Ｆとして機能する大きさおよび形状の先端開口３６を有し、その先端開口３６からワーク６の溶接部位の裏面１９に向けてシールドガス２７を噴出させる。

このシールドガス２７はノズル体３５から第１のガス流２８として噴出し、ワーク６の溶接部位の裏面１９を第２のガス流２９として覆って流れる。したがって、シールドガス２７による十分なシールド効果が得られる。また、この第２のガス流２９の形でワーク６の溶接部位の裏面１９を被った後のシールドガス２７は、レーザ溶接時に発生するスパッタ３３と共に、第３のガス流３０として筒体２１の中を通過し、ワークの溶接部位の裏面１９から遠ざかる方向に導出される。したがって、効率良くスパッタを排出することができる。

このノズル体３５は、図６の例では、ワーク６の溶接部位の裏面１９の片側から直径方向他側にシールドガス２７を噴出する形態として示してあるが、筒体２１の周方向に複数個、等間隔または任意の間隔で設けてもよい。あるいは、このノズル体３５を、内周側に先細状のノズル開口を有する中空の環状体により構成することもできる。

［第４の実施形態］
図７は本発明の第４の実施形態を示したものである。これは、筒体２１の側方に、斜め上方に向けてノズル体３７を配設することにより上記指向性付与手段を構成した例である。このノズル体３７は、その先端開口から筒体２１の頂部とワーク裏面１９の間の隙間からなる通路３８に向けてシールドガス２７を噴出するように配向させる。

この筒体２１の頂部とワーク裏面の間の隙間からなる通路３８は、指向性付与手段Ｆとして機能する大きさと形状に形成される。すなわち、ノズル体３７から供給されるシールドガス２７を受け取って筒体２１内の領域に導き入れ、かつワーク６の溶接部位の裏面１９に向けて噴出させる。

このシールドガス２７は通路３８から第１のガス流２８として噴出し、ワーク６の溶接部位の裏面１９を第２のガス流２９として覆って流れる。したがって、シールドガス２７による十分なシールド効果が得られる。また、この第２のガス流２９の形でワーク６の溶接部位の裏面１９を被った後のシールドガス２７は、レーザ溶接時に発生するスパッタ３３と共に、第３のガス流３０として筒体２１の中を通過し、ワークの溶接部位の裏面１９から遠ざかる方向に導出される。したがって、効率良くスパッタを排出することができる。

このノズル体３７は、図７の例では、ワーク６の溶接部位の裏面１９の直径方向一側から他側にシールドガス２７を噴出する形態として示してあるが、筒体２１の周方向に複数個、等間隔または任意の間隔で設けてもよい。あるいは、このノズル体３７を、内周側に先細状のノズル開口を有する中空の環状体により構成することもできる。

［第５の実施形態］
図８に本発明の第５の実施形態を示す。これは第１の実施形態における第２通路２６の隙間を変更可能にするため、内側筒体２１と外側筒体２２を相互に上下動可能に構成した例である。

内側筒体２１は、可動機構４０により、外側筒体２２に対して相対的に上下動可能に装着してある。また、内側筒体２１を、第２通路２６の隙間が形成される位置まで移動させかつ保持するための昇降手段６０を設けている。

図９に、内側筒体２１と外側筒体２２を相互に上下動可能とする可動機構４０の構造を示す。図１０から判るように、外側筒体２２は、その内周が、軸方向下側の小径の下側内周部４１と、軸方向上側の大径の上側内周部４２とで構成されている。下側内周部４１は、正確にはガス供給管２３が接続される接続口４３よりも下側の内周部分であり、上側内周部４２よりも内側に段差をもって張り出している。この外側筒体２２の下側内周部４１にはネジ部（雌ネジ部）４４を形成してある。

一方、内側筒体２１は、この外側筒体２２の下側内周部４１に嵌り合う大きさの外周を有し、その外周にはネジ部（雄ネジ部）４５を形成してある。この実施形態の場合、雄ネジ部４５は内側筒体２１の軸方向に半分程度に設けているが、内側筒体２１の軸方向全域に設けることもできる。

上記した内側筒体２１と外側筒体２２は、その雄ネジ部４５と雌ネジ部４４に気体のシール性を有する粘度の高い潤滑材を塗布した上で、互いに組み立てられる。

図９は、上記内側筒体２１を外側筒体２２の中に移動可能範囲の最下端までねじ込んで組み入れた状態を示す。このとき内側筒体２１と外側筒体２２の間には、上述の第１通路２５となる隙間ｇ１が形成される。また、内側筒体２１を外側筒体２２の中に、移動可能範囲の最下端までねじ込んだ場合、内側筒体２１と外側筒体２２の頂部間には、上述した第２通路２６に相当する高低差（隙間ｇ２）が出現するように、上記ネジ部４５の存在する領域長が定められている。したがって、この内側筒体２１の高さ位置を可変に構成した内側筒体２１と外側筒体２２の組立体（ガスガイド体）は、上述した第１の実施形態におけるガスガイド手段２０において、内側筒体２１の高さ位置を固定とした内側筒体２１と外側筒体２２の組立体（ガスガイド体）としても、そのまま適用できるものである。

上記のように構成した内側筒体２１と外側筒体２２の組立体を用いてレーザ溶接する様子を図８に示す。レーザ溶接作業に際しては、まず準備段階として、外側筒体２２の頂部を弾性体などの緩衝物からなる介在物３９を挟んでワーク６の裏面に対接させる。その後に、内側筒体２１を、作業者が手動により、またはアクチュエータを用いた自動繰り出し装置などの昇降手段６０により、上方に移動させる。最終的に、内側筒体２１は、その頂部とワーク裏面との間に、上述の第２通路２６の隙間が形成される位置まで移動させ、その位置に保持する。

この動作は、実際には、介在物３９を間に挟んで、外側筒体２２の頂部をワーク６の裏面に所定の圧力で対接させたとき、自動的に上記第２通路２６の隙間が形成される関係に、内側筒体２１の外側筒体２２からの引き出し量を、予め定めておけば足りる。

このように内側筒体２１を外側筒体２２に対して相対的に上下動可能に装着し、外側筒体２２の頂部を介在物３９を挟んでワークの裏面に対接させた後に、内側筒体２１を、第２通路２６が形成される位置まで移動させて保持するための昇降手段４６を設けることにより、手動または自動で、ガスガイド手段をセットすることが可能になる。

内側筒体２１と外側筒体２２は相互にネジ係合して可動機構４０を構成しており、この可動機構４０のネジ係合部には気体のシール性を有する粘度の高い潤滑材を塗布して、機密にシールしている。したがって、内側筒体２１と外側筒体２２間の第１通路２５に供給されたシールガスは外側に漏れることなく、第２通路２６を通して良好に内側筒体２１内に導入され、ワーク６の溶接部位の裏面１９を覆う第２のガス流２９となる。

この実施形態においても、第２のガス流２９の形でワーク６の溶接部位の裏面１９を覆っているので、溶接部位を効率的にシールドすることができる。また、筒体２１中を流下する第３のガス流３０により、レーザ溶接時に発生するスパッタ３３を導出するので、スパッタを効率よく排出することができる。

［第６の実施形態］
図１１および図１２に本発明の第６の実施形態を示す。これは第５の実施形態（図８）における外側筒体２２の頂部を、介在物３９の高さの如何に関わらず、介在物３９を介して容易にワーク６に密着させることができるように構成した例である。

この第６の実施形態が第５の実施形態と異なる点を述べる。まず内側筒体２１と外側筒体２２を相互に上下動可能とする可動機構４０の構成が異なる。すなわち、上記第５の実施形態では、図９および図１０において、可動機構４０は、外側筒体２２の下側内周部４１に形成した雌ネジ部４４と、内側筒体２１の外周に形成した雄ネジ部４５とのネジ係合により構成した。しかし、第６の実施形態では、このネジ係合による代わりに、スライド溝と凸条の嵌め合いによるスライド機構を設けて、可動機構４０を構成する。具体的には、図９および図１０における外側筒体２２の下側内周部４１に軸方向のスライド溝４７を形成する一方、このスライド溝４７に嵌り込む軸方向の凸条４８を内側筒体２１の外周に形成する。

このスライド溝４７と凸条４８に気体のシール性を有する粘度の高い潤滑材を塗布した上で、互いに上下動可能に嵌め合わせる。これらのスライド溝４７と凸条４８の組からなるスライド機構は、内側筒体２１の周方向に複数個設ける。

ここで、上記スライド溝４７が内側筒体２１の軸方向に存在する長さは、内側筒体２１を外側筒体２２の中に移動可能範囲の最下端まで下げた場合、内側筒体２１と外側筒体２２の頂部間に、上述した第２通路２６の隙間に相当する高低差が出現するように定める。この関係は、上述した第５の実施形態の場合と同じである。したがって、このスライド溝４７は、内側筒体２１の軸方向に半分程度に設けているが、内側筒体２１の軸方向全域に設けることもできる。

次の相違点として、内側筒体２１は軸方向に比較的長く延在している。そして、この内側筒体２１の下端には、外周囲の周方向複数箇所に支持脚４９を設け且つネジ部４９ａで固定している。この支持脚４９の下端にはＬ字状に外向の固定基部５０を設け、該固定基部５０をネジ部５０ａでベース５５に固定している。

上記構成を内側筒体２１の外周の凹凸に着目して眺めた場合、内側筒体２１の外周には、その上側には上下動可能に嵌め込んだ外側筒体２２が存在し、下側には固定した支持脚４９が存在している。したがって、内側筒体２１の外周には、外側筒体２２の下端からなる上側段差部５１と、支持脚４９の上端からなる下側段差部５２とが形成されている。そして、その両者の段差部間に、一つの凹所５３が形成されている。各凹所５３は、少なくとも支持脚４９の肉厚分だけの深さを有する。

この内側筒体２１の外周囲には、凹所５３の存在する箇所の周囲を取り巻いて、弾性体としてのコイルバネ５４を設けている。このコイルバネ５４の一端は上記支持脚４９の下側段差部５２に当接して支持され、また他端は外側筒体２２の上側段差部５１に当接して押圧している。結果としてコイルバネ５４は付勢部材として外側筒体２２を常時軸方向上側に付勢している。

このコイルバネ５４の働きにより、介在物３９を介して外側筒体２２の頂部をワーク裏面に当接する際には、外側筒体２２の頂部が、介在物３９と共に常に上方に、つまりワーク裏面に向かう方向に突出する。このため、外側筒体２２の頂部の位置が固定的な場合に比べ、ワーク６に介在物３９を介して外側筒体２２を密着させ得る範囲が大きくなり、外側筒体２２をワーク裏面に対して容易に密着させることが可能になる。

溶接時には、外側筒体２２をワーク裏面に対して密着させた後、手動又は自動の昇降手段６０により、内側筒体２１を外側筒体２２に対して相対的に上昇移動させ、ワーク裏面に接近させる。そして、内側筒体２１の頂部とワーク裏面との間に、所定の大きさの第２通路２６の隙間が形成される位置にて、内側筒体２１を保持し固定する。

その後における、溶接時の作用は、図４で説明したところと同じであり、ワーク６のレーザ溶接部位の裏面１９をシールドガスの流れで覆うとともに、そのシールドガスの流れを利用してスパッタ３３を所定の方向に向かわせる。

本発明は、レーザビームによる溶接、孔開けまたは切断と言ったレーザ加工一般に適用することができる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ溶接装置を示した概略図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ溶接装置のワーク裏面側のバックシールド構造を示した断面図である。 図２のバックシールド構造の一部を示した斜視図である。 図２のバックシールド構造の作用の説明に供する図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ溶接装置のバックシールド構造を示した断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るレーザ溶接装置のバックシールド構造を示した断面図である。 本発明の第４の実施形態に係るレーザ溶接装置のバックシールド構造を示した断面図である。 本発明の第５の実施形態に係るレーザ溶接装置のバックシールド構造を示した断面図である。 図８のバックシールド構造に用いる内側筒体と外側筒体の組立体を示した断面図である。 図８のバックシールド構造に用いる内側筒体と外側筒体の組立体を示した分解斜視図である。 本発明の第６の実施形態に係るレーザ溶接装置のバックシールド構造を示した断面図である。 図８のバックシールド構造に用いる内側筒体と外側筒体の組立体を示した斜視図である。

符号の説明

１ レーザ発振器、
２ ロボットハンド、
３ 光学ヘッド、
４ 光偏向光学系、
５ レーザビーム、
５Ａ レーザ光、
６ ワーク、
７ａ、７ｂ 鋼板、
７ｃ 溶接ビード、
８ クランプ手段、
９ ゲージ・ポスト、
１０ クランプ部材、
１１ エアシリンダ、
１２ 軸、
１３ 耳部、
１４ 軸、
１５ ピストンロッド、
１６ 軸、
１７ エアホース、
１８ 信号ケーブル、
１９ ワークの溶接部位の裏面、
２０ ガスガイド手段、
２１ 筒体（内側筒体）、
２２ 外側筒体、
２３ ガス供給管、
２４ 溶接軌跡、
２５ 第１通路、
２６ 第２通路、
２７ シールドガス、
２８ 第１のガス流
２９ 第２のガス流
３０ 第３のガス流、
３１ レーザ光反射板、
３３ スパッタ、
３４ ノズル孔、
３５ ノズル体、
３６ 先端開口、
３７ ノズル体、
３８ 通路、
３９ 介在物、
４０ 可動機構、
４１ 下側内周部、
４２ 上側内周部、
４３ 接続口、
４４ ネジ部（雌ネジ部）、
４５ ネジ部（雄ネジ部）、
４６ 組立体（ガスガイド体）、
４７ スライド溝、
４８ 凸条、
４９ 支持脚、
５０ 固定基部、
５１ 上側段差部、
５２ 下側段差部、
５３ 凹所、
５４ コイルバネ、
６０ 昇降手段、
Ｆ 指向性付与手段。

Claims (11)

1. ワークの加工部位にレーザ光を照射して所定のレーザ加工を施すと共に、ガスガイド手段から、ワークの加工部位の裏面に酸化防止用のシールドガスを流すレーザ加工装置において、
   前記ガスガイド手段は、
   前記ワークの加工部位の裏面側に配設され、外周囲から前記ワークの加工部位の裏面側に流れ込むガス流を生成し、前記ガス流を前記ワークのレーザ加工部位の裏面を覆うようにガス流を指向させる指向性付与手段と、
   前記ワークのレーザ加工部位の裏面を覆ったガス流を、レーザ加工時に発生するスパッタと共に前記加工部位の裏面から遠ざかる方向に導出する中空の筒体と、
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記指向性付与手段は、前記筒体からなる内側筒体およびその外周囲に設けた外側筒体の側壁間の隙間により形成される第１通路と、前記外側筒体の頂部および前記ワーク裏面間の隙間により形成される第２通路とから構成されたノズルを有し、該ノズルは、前記第１通路より前記第２通路を通してワークの加工部位の裏面に向けてシールドガスを噴出させる、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記第２通路の隙間は、変更可能となっている、ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記指向性付与手段は、前記筒体の側壁を斜めに貫くノズル孔からなり、ワークの加工部位の裏面に向けて斜めにシールドガスを噴出させる、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
5. 前記指向性付与手段は、前記筒体の側方に配設された先細状のノズル体からなり、その先端開口からワークの加工部位の裏面に向けてシールドガスを噴出させる、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
6. 前記指向性付与手段は、前記筒体の側方に配設されたノズル体からなり、その先端開口から、前記筒体の頂部と前記ワーク裏面との間の隙間を通して、ワークの加工部位の裏面に向けてシールドガスを噴出させる、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
7. 前記内側筒体を前記外側筒体に対して相対的に上下動可能に装着し、
   前記外側筒体の頂部を介在物を挟んでワークの裏面に対接させた後に、前記内側筒体を、前記第２通路が形成される位置まで移動させて保持するための昇降手段を設けた、ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
8. 前記内側筒体の外周下端部に外方に突出する段差部を設け、この段差部と前記外側筒体の下端部との間に、前記段差部を起点として前記外周筒体を常時上方に付勢する弾性体を設けた、ことを特徴とする請求項７記載のレーザ加工装置。
9. 前記中空の筒体の下方に、スパッタの上方への跳ね返りを抑制するよう所定の間隔を隔てて、レーザ光反射板を設けた、ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のレーザ加工装置。
10. ワークの加工部位の裏面側に、前記裏面を取り囲むように中空の筒体を配設し、
    前記筒体の外周囲から内側方向に流れ込むガス流を生成させると共に、
    前記ガス流を前記ワークのレーザ加工部位の裏面に向けて指向させ、かつ、前記ワークの加工部位の裏面を覆うようにガス流を指向させ、
    前記ワークの加工部位の裏面を覆った後のガス流を、レーザ加工時に発生するスパッタと共に、前記中空の筒体を通して前記加工部位の裏面から遠ざかる方向に導出する、
    ことを特徴とするレーザ加工方法。
11. 前記ガス流は、前記筒体の頂部と前記ワークの裏面との間の隙間を通して、前記筒体の外周囲から内側方向に流れ込むことを特徴とする請求項１０記載のレーザ加工方法。

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