JP2014128832A - レーザー溶接装置およびレーザー溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】減圧環境下で施工するレーザー溶接では、真上に激しく立ち昇る溶接プルームが施工部の上方にある機器類に付着し、長時間にわたって安定したレーザー溶接施工ができない恐れがある。
【解決手段】筐体２１で形成した溶接チャンバー２０内を大気圧よりも減圧し、当該減圧雰囲気下でレーザー光３を被溶接物１に照射して溶接施工するようにしたレーザー溶接装置において、溶接チャンバー２０のレーザー光照射口１２に超音速ガス流で空力窓を生成して大気および前記溶接チャンバー２０間の差圧を保持し、かつ、筐体２１および被溶接物１を相対的に移動させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、減圧環境下で行なうレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法に関する。

レーザー溶接工法は、アーク溶接工法と比べて被溶接物に対して非接触での溶接施工が可能であるということや高エネルギー密度のビームを集中させることができるので深い溶け込みが得られるという利点がある。また、アーク溶接に比べて低入熱量で深い溶け込みが得られるために被溶接物の変形量が小さく、被溶接物に与える熱影響も小さいという利点もある。レーザー溶接工法は、このような利点を有するために産業機器の製造現場で適用が拡大している。例えば、電力機器、造船、自動車分野を代表に、多くの分野で適用が進んでいる。

レーザー溶接は、施工雰囲気によって常圧環境下（大気圧環境下ともいう）にて行われる工法と、減圧環境下で行われる工法とに大別することができる。通常は、常圧環境下でシールドガスを吹きつけながら行うレーザー溶接工法が一般的である。

減圧環境下でのレーザー溶接は、常圧環境下でのレーザー溶接に比較して、同じ入熱量で溶接施工したときに、より深い溶け込み深さが得られる利点がある。その要因の一つとして、減圧環境下では、溶け込み深さの増大に寄与する金属蒸気からなるキーホールの生成が、減圧雰囲気による金属の蒸気圧の低下によって促進されることが挙げられる。また、もう一つの要因として、常圧雰囲気と比較してレーザー光の屈折によるレーザー光の散乱量の低下がある。

一般にレーザー光は透過する施工雰囲気中に大きな密度差があった場合、レーザー光の屈折が生じて、結果的に加工点に到達するエネルギーが減少する。したがって、溶接部から施工雰囲気のガス中に伝わる熱量が増加すると、局所的に施工雰囲気中のガスの密度差が大きくなる部分が生じ、施工雰囲気中のガス中のレーザー光の屈折が大きくなる部分が生じやすい。

しかしながら、減圧環境下では、そもそも施工雰囲気中のガスが少ないため、雰囲気ガスの密度差が小さくなり、レーザー光の屈折が起きにくくなり、加工点に到達するレーザー光のエネルギーが増加する。これらの要因によって溶け込み深さの増加の効果が得られる減圧環境でのレーザー溶接であるが、常圧環境での溶接施工と異なり、雰囲気圧力が低いために溶接プルームが真上に勢い良く上昇し、これによって一般に固体材料からなるレーザー光の照射窓が汚れ、長時間の連続的な溶接施工が難しいという課題がある。

この課題に対し、幾つか改善技術が提案されている。第１の改善技術として、溶接チャンバーと対向するレーザー光照射窓に、内面に突起形状部を設けた円筒状ノズルを設け、この円筒状ノズル内に下方向へ向かうガスを流し、このガス流によって溶接プルームの上昇を防止し、溶接プルームによる悪影響を軽減するようにした技術がある。

この技術は、比較的溶接プルームの発生量が少ない、即ち、入熱量が小さいレーザーパワー条件の下ではある程度有効と考えられる。
また、第２の改善技術として、溶接チャンバーの天井中央部に空気力学的窓（空力窓；ＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＷｉｎｄｏｗ）を生成するようにした技術がある。

この空力窓は、溶接チャンバーの天井中央部に対して、上部ノズルおよび下部ノズルを有する上部真空室を設け、さらに、上部ノズルの上部真空室側から大気側に圧縮ガスを噴出する下部エゼクターを設けるとともに、上部ノズルのさらに上部に圧縮ガスを噴出する上部エゼクターを設けるように構成されている。

特開平７−６８３９７号公報 特開２０１１−２４０３６５号公報 特公平２−４２３０８号公報

しかしながら、上述した第１の改善技術では、溶け込み深さの増大を狙った入熱量が大きい条件の場合、大量に発生する溶接プルームを十分に排出することができず、溶接トーチや光学機器等に溶接プルームが付着し、長時間にわたる連続的な溶接施工ができない恐れがある。

また、上述した第２の改善技術の場合、空力窓は、真空溶接チャンバーの天井中央部に上部ノズルおよび下部ノズルを有する上部真空室を設け、さらに、上部ノズルの上部真空室側から大気側に向けて圧縮ガスを噴出する下部エゼクターを設けるとともに、上部ノズルのさらに上部に圧縮ガスを噴出する上部エゼクターを設けるようにした複雑な構成であるばかりでなく、構造的に大気と真空溶接チャンバーとの圧力差を維持できないと考えられている。もし、空力窓で大気と真空溶接チャンバーとの圧力差を維持できない場合、レーザー光が散乱し溶接品質の悪影響を及ぼすことが懸念される。

さらに、上述した第１および第２の改善技術のいずれも、溶接チャンバーには被溶接物を搬入搬出するための搬入搬出口を特に設けていないために、被溶接物を溶接チャンバー内部へ搬入したり、溶接後に搬出したりするのに時間がかかり、溶接作業の能率が悪いという課題がある。

そこで、本発明の目的は、空力窓を改善することによって、大気圧と減圧環境を構成する溶接チャンバー内の圧力との差圧を維持するとともに、溶接チャンバー内の溶接プルームを確実に排出して連続的に長時間のレーザー溶接の施工を実現できるようにしたレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、空力窓を改善することによって、大気圧と減圧環境を構成する溶接チャンバー内の圧力との差圧を維持して、溶接チャンバー内の溶接プルームを確実に排出して連続的に長時間のレーザー溶接の施工を実現できるようにするとともに、溶接チャンバーに被溶接物の搬入搬出用の開口部を設けることにより、溶接作業の能率を向上させるようにしたレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のレーザー溶接装置は、筒形状に形成され、レーザー光照射窓を除いて一方の端部が閉塞され、かつ、他方の端部である開放端部にシール部材を取付けて被溶接物あるいは溶接作業床に当接することにより溶接チャンバーを形成する筐体と、前記レーザー光照射窓の上部位置に固定され、超音速ガス流によって自由渦形空力窓を生成し、当該自由渦形空力窓により前記溶接チャンバー内部と大気との間を空気力学的に仕切る空力窓生成装置と、前記空力窓生成装置の上部位置に設置されたレーザー加工ヘッドと、前記溶接チャンバー内を大気圧よりも減圧環境状態にする減圧装置と、前記筐体および前記被溶接物を相対的に移動させる装置と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明のレーザー溶接装置は、請求項１において、前記筐体が前記溶接チャンバー内部に前記被溶接物および当該被溶接物を載置する加工テーブルを収容するとともに、側壁部に前記被溶接物および加工テーブルの搬入搬出口と、当該搬入搬出口を開閉する閉鎖装置とを設け、さらに、前記開放端部が前記シール材を介して溶接作業床に当接し固定されることを特徴とする。

本発明によれば、減圧環境の溶接チャンバーのレーザー光の照射口に設けた空力窓生成装置のノズルからディフューザへ流れる超音速ガス流で空力窓を生成することによって、溶接施工部から激しく上昇する溶接プルームを超音速ガス流に乗せて確実に排出すると同時に、大気圧および減圧環境の溶接チャンバー間の差圧保持を行うことができるため、減圧環境下で安定した深い溶け込み深さが得られるレーザー溶接施工を、長時間連続で安定して行うことができる。

さらに、本発明によれば、溶接チャンバーに被溶接物の搬入搬出口を設け、この搬入搬出口を閉鎖装置で開閉するようにしたので、溶接作業の能率を向上させることができる。

本発明の実施形態１に係るレーザー溶接装置の主要部を示す図であり、図１（ａ）は図１（ｂ）をａ−ａ線で切断し、矢視方向に見た断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）をｂ−ｂ線で切断し、矢視方向に見た断面図である。 空力窓の原理説明図。 超音速ガス流の発生開始時点からレーザー光の照射時点までのタイミングを示す図。 本発明の実施形態２に係るレーザー溶接装置を概念的に示す斜視図。 図４のレーザー溶接装置の主要部を切断して示す断面図。 被溶接物の搬入搬出口の構成例を示す図であり、図６（ａ）は図６（ｂ）をａ−ａ矢視方向に見た正面図、図６（ｂ）は図６（ａ）をｂ−ｂ線で切断した断面図である。 被溶接物の準備段階から搬出時点までのタイミングを示す図。

以下、本発明に係るレーザー溶接装置および溶接方法の実施形態について、図を参照して説明する。なお、各図において、共通する部品には同一符号を付与して重複する説明は適宜省略する。

［実施形態１］
（構成）
図１は本発明の実施形態１に係るレーザー溶接装置を構成する溶接チャンバーのレーザー光照射窓の上部に空力窓生成装置を設置した様子を示す模式図であり、図１（ａ）は図１（ｂ）をａ−ａ線で切断し、矢視方向に見た平断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）をｂ−ｂ線で切断し、矢視方向に見た側断面図である。なお、レーザー溶接装置はレーザー光線を発生させるレーザー発振器、レーザー光線を導く光路、伝送されてきたレーザー光線を適切なサイズに集光し焦点を調整する集光光学系で構成されたレーザー加工ヘッド（溶接トーチともいう）、このレーザー加工ヘッドあるいは被溶接物を駆動する駆動系、溶接チャンバー、シールドガス配管系統などで構成されるが、図１（ａ）、（ｂ）では発明に直接関係しないレーザー発振器、光路および駆動系については省略している。図２は空力窓生成装置の原理の説明図である。
なお、本実施形態１のレーザー溶接装置には、炭酸ガスレーザー、ＹＡＧレーザー、ファイバレーザーなどを適用することができる。

図１（ａ）、（ｂ）において、本実施形態１に係るレーザー溶接装置は、減圧環境下で被溶接物１をレーザー光３で溶接することができるように、被溶接物１を収容する溶接チャンバー２０を構成する筐体２１の天井部２２にレーザー光照射窓２３を設け、さらにこの筐体２１の天井部２２の上部外側にレーザー光照射路１２を有する空力窓生成装置１０を載置している。

またさらに、空力窓生成装置１０の上部には、被溶接物１に向けてレーザー光３を照射するレーザー加工ヘッド（溶接トーチ）５を適当な支持部材６を介して固定している。このレーザー加工ヘッド５から照射されるレーザー光３の光軸は、レーザー光照射路１２およびレーザー光照射窓２３のほぼ中心部を通るように調整されている。

以下、本実施形態１のレーザー溶接装置を構成する主要部品について、順次説明する。
先ず、空力窓生成装置１０から説明する。
本実施形態で説明する空力窓生成装置１０とは、超音速ガス流１３によって自由渦式空力窓（超音速自由渦型空力窓ともいうが、以下、空力窓と略称する）１１を生成する装置を指す。

空力窓１１は従来の光学ガラス窓に替わって設置されたもので、後述するようにノズルからディフューザに向って円弧状に流れる超音速ガス流１３によって空気力学的にレーザー光照射路１２の入口を大気から仕切り、大気圧と溶接チャンバー内部圧力との差圧を保持するようにしたものである。この空力窓生成装置１０内のレーザー光照射路１２の圧力分布は、空力窓１１の下側から筐体２１の天井部２２のレーザー光照射窓２３に向かって徐々に減少するような圧力分布となっている。

レーザー光照射路１２およびレーザー光照射窓２３の開口面積は、溶接時にレーザー光３との干渉が生じないように、１０×１０ｍｍ^２〜４０×４０ｍｍ^２程度の大きさの正方形または矩形あるいは円形に形成されている。

そして、本実施形態１に係る空力窓生成装置１０は、レーザー光照射路１２の両側にノズル構成体１４およびディフューザ構成体１５を前記レーザー光照射路１２の開口面積に対応する寸法分だけ離間して配置し、さらにこれらノズル構成体１４およびディフューザ構成体１５の側面を閉塞板１６、１７で気密に閉塞して構成されている。

以下、空力窓生成装置１０を構成する各部品について詳細に説明する。
ノズル構成体１４は、レーザー光通過路１２の開口面積に対応した１０〜４０ｍｍ程度の厚み（図１（ａ）における紙面の上下方法）と、この厚みの２〜３倍程度寸法の幅（図１（ａ）における紙面の左右方法）および高さ（図１（ａ）における紙面の前後方法）を有する四角いブロック状の金属材料で形成されている。

そして、このノズル構成体１４は前記閉塞板１６、１７に面する平面部のほぼ中央位置に溜気槽１４ａを刳り貫いて形成するとともに、この溜気槽１４ａから上部の隅部に向かって連続するスロート部１４ｂおよびノズル１４ｃを刳り貫いて形成している。ノズル１４ｃは図２で示すように、スロート部１４ｂに連通する入口側から出口側に向かって幅が徐々に拡がる非対称形状に形成されている。すなわち、ノズル１４ｃの内側壁のうち、内側出口端部１４ｃ１および外側出口端部１４ｃ２付近での曲面形状がほぼ円弧状に形成され、内側出口端部１４ｃ１付近での曲率半径が、外側出口端部１４ｃ２付近の曲率半径よりも小径に形成されている。

また、ノズル構成体１４は、スロート部１４ｂの背後側に溜気槽１４ａを外部に連通させるための連通孔１４ｄを設けている。この連通孔１４ｄはガス供給管１８を介して窒素ガスや乾燥空気等の高圧ガス供給源（図１中、ガスボンベと表記）１９に接続されるように構成されている。

前述した非対称形状のノズル１４ｃの出口端部は、図２で拡大して示すように、レーザー光照射路１２の中心線上の所定の中心点Ｏからノズル構成体１４の上部隅部に向かって伸びる直線Ｈ上に位置するようになっている。すなわち、直線Ｈ上にノズル１４ｃの内側出口端部１４ｃ１と外側出口端部１４ｃ２とが位置するように形成されている。

一方、ディフューザ構成体１５は、前述したノズル構成体１４と同じ厚みの四角いブロック状の金属材料で形成されており、前記ノズル１４ｃに対向した位置にディフューザ１５ａを形成している。

すなわち、ディフューザ１５ａは、前記ノズル１４ｃの内側出口端部１４ｃ１に対向した位置に内側壁１５ａ１の内側入口端部を、また、前記ノズル１４ｃの外側出口端部１４ｃ２に対向した位置に外側壁１５ａ２の外側入口端部を有するように形成されている。このディフューザ１５ａの出口は下向きに形成されている。図２中、Δθは直線Ｈと中心点Ｏからディフューザ１５ａの内側壁１５ａ１の内側入口端部を結ぶ直線との為す空力窓１１の中心角である。
なお、このディフューザ１５ａの内側壁１５ａ１、外側壁１５ａ２は、ガス流の剥離を防ぐように機械加工されている。

次に、図２を参照してノズル１４ｃおよびディフューザ１５ａで生成する空力窓１１の原理について説明する。
図１の高圧ガス供給源１９から供給された窒素または乾燥空気等の高圧ガスは、溜気槽１４ａに一旦溜められたあと、スロート部１４ｂにて超音速に加速され、ノズル１４ｃから超音速ガス流１３となって噴出される。この超音速ガス流１３は、流速が半径Ｒに反比例するような自由渦流れとなってディフューザ１５ａへ流れ込むことによりレーザー光照射路１２の入口に空力窓１１を生成する。このとき、中心点Ｏからノズル１４ｃの内側出口端部１４ｃ１までの半径をＲ１、臨界音速を基準としたマッハ数をＭ１とし、同様にノズル１４ｃの外側出口端部１４ｃ２までの半径をＲ２、臨界音速を基準としたマッハ数をＭ２とすると、自由渦流れはＲとＭの積が一定となり、Ｒ１×Ｍ１＝Ｒ２×Ｍ２なる関係が成立する。

図１（ａ）、（ｂ）に戻って、溶接チャンバー２０を構成する筐体２１について説明する。
筐体２１は、全体形状が四角い筒形状になっており、一方の端部は中心部に位置するレーザー光照射窓２３を除いた部分を天井部２２によって閉塞され、他方の端部は開放端部２４として形成されている。そして、この筐体２１の天井部２２の外側上部には、前述した空力窓生成装置１０が載置固定されている。そして、この筐体２１は、アルミ合金や銅合金等の金属材料によって製作され、溶接施工中に溶接チャンバー２０内部が高温でかつ負圧になっても、機械的および熱的に耐え得るようにしてある。

一方、筐体２１の開放端部２４には、その全周囲に亘ってシール部材２５を取付けており、筐体２１を被溶接物１の上に載置したとき、筐体２１や筐体２１に搭載される部品の重量によってシール部材２５が押し潰されて被溶接物１に密着し、気密性を保持できるようにしてある。

なお、シール部２５に求められる性能としては、被溶接物１と筐体２１とが相対的に移動しながら溶接する場合には接触部の摺動性、溶接入熱による被溶接物１の加熱による耐熱性、大気圧と減圧部の圧力保持性能がある。シール部２５の材料や構造は、溶接条件や溶接チャンバー２０のサイズ、形状等によって最適なものがあり、比較的入熱量が低い場合にはシール性の高い耐熱ゴムや合成樹脂材、比較的入熱が大きい場合にはシール性を備えた金属材料、および金属材料から成るブラシ材料などが考えられる。

さらに、筐体２１は、減圧環境状態の溶接チャンバー２０を形成するために、内部が吸引管３０を介して図示しない真空ポンプと連通されるようになっている。またさらに、被溶接物１の溶接施工部２周辺にシールドガス（例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等）を吹付けるためのシールドガス供給管４０を設けている。なお、吸引管３０の本数や真空ポンプの個数、シールドガス供給管４０の個数や位置は、施工条件や施工対象物によって適切に選択する。

（作用）
次に、図１〜図３を参照して本実施形態１の作用を説明する。
レーザー溶接が行われる前の時刻ｔ１において、先ず、空力窓生成装置１０を稼働させる。すなわち、非対称型ノズル１４ｃから噴出させた超音速ガス流１３をディフューザ１５ａに送り込む。これにより、レーザー光照射路１２の上部に空力窓１１が生成され、これによって溶接チャンバー２０内部は大気側から隔離される。なお、減圧環境下でのレーザー溶接を行なう場合、減圧による溶け込み深さの増大効果を十分に得るためには、溶接施工部２付近の圧力を１０ｋＰａ以下にすることが望ましい。従って、空力窓１１の圧力保持性能としては大気圧と１０ｋＰａ以上の差圧保持能力があることが望ましい。

空力窓１１の生成後、時刻ｔ２になってシールドガス供給管４０から溶接施工部２にシールドガスを吹付け、ほぼこれと同時期に図示しない真空ポンプを稼働させて溶接チャンバー２０内を減圧し始める。

時刻ｔ３になると、溶接チャンバー２０内は真空ポンプによって１０ｋＰａ以下の減圧環境になり、レーザー溶接施工の準備が整う。この時点以降に図示しないレーザー発振器の稼働により、図示しない集光系から照射されたレーザー光３は、生成された空力窓１１を通過してレーザー光照射路１２内に入り、さらにレーザー光照射窓２３から溶接チャンバー２０内に入って被溶接物１の溶接施工部２に照射され、レーザー溶接を行う。

このレーザー溶接時に溶接施工部２から真上方向に溶接プルーム４が急速に上昇するが、上昇した溶接プルーム４は、空力窓１１を生成する超音速ガス流１３の流れに乗ってディフューザ１５ａから外部へ排出されるために、空力窓生成装置１０のさらに上方に位置する図示しない溶接トーチや光学機器への損傷を回避できる。この結果、減圧環境下でも連続的に長時間のレーザー溶接施工を行なうことが可能となる。

図１に示す実施形態１では、筐体２１の開口部に設けたシール部２５で大気圧と溶接チャンバー２０との差圧を保持しながら図示しない駆動装置によって溶接チャンバー２０と被溶接物１とが相対的に可動することで、溶接を進行することができる。

（効果）
以上のように構成したレーザー溶接装置を用いてレーザー溶接の施工を行なうと、減圧環境下で真上に激しく立ち上る溶接プルーム４は、ノズル１４ｃからディフューザ１５ａへ流れる超音速ガス流１３によって排出されるために、溶接施工部２の上方にある溶接トーチや光学機器等の機器類の損傷を防ぐことができる。また、超音速ガス流１３を差圧保持能力のある自由渦型の円弧状の流れにして空力窓１１を生成するようにしたので、大気圧と溶接チャンバー２０内の負圧との差圧を保持することができ、減圧環境下で安定した長時間のレーザー溶接施工が可能となる。

（変形例）
被溶接物１が比較的小型である場合には、固定型の溶接チャンバー２０の中に被溶接物１全体を収容して被溶接物１を移動させながらレーザー溶接を施工するようにしてもよい。この場合、シール部２５は摺動接触機能を考慮する必要性はないので、溶接チャンバー２０の底面は筐体２１と一体構造となっていることが望ましい。

（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２に係るレーザー溶接装置を概念的に示す斜視図であり、図５は図４のレーザー溶接装置の主要部を切断して示す断面図、図６は被溶接物の搬入搬出口の構成例を示す図であり、図６（ａ）は図６（ｂ）をａ−ａ矢視方向に見た正面図、図６（ｂ）は図６（ａ）をｂ−ｂ線で切断した断面図、図７は被溶接物の準備段階から搬出時点までのタイミングを示す図である。

（構成）
以下、図４乃至図６を参照して、本発明の実施形態２の主要部の構成について説明する。
図４および図５において、本実施形態２は、実施形態１のように筐体２１で被溶接物１の表面を部分的に覆って溶接チャンバー２０を形成する替わりに、筐体２１と同様な形状に形成された筐体２１Ａを溶接作業床５０上に固定して溶接チャンバー２０を形成し、この溶接チャンバー２０内に被溶接物１を載置した加工テーブル６０を移動可能に収容するようにしたものである。

このように本実施形態２の筐体２１Ａは、溶接チャンバー２０内に加工テーブル６０とともに被溶接物１を収容する関係上、筐体２１Ａを構成する４面の側壁部のうち、任意の対向する２面に対し、搬入搬出口７０_１および７０_２と、この搬入搬出口７０_１、７０_２をそれぞれ気密に閉鎖するドアー等の閉鎖装置８０_１、８０_２とを設けている。以下、搬入搬出口７０_１、７０_２および閉鎖装置８０_１、８０_２を特定して説明する必要がないときは、単に搬入搬出口７０、閉鎖装置８０と称する。

一方、溶接作業床５０には、前述した搬入搬出口７０に接続される搬入搬出路にコンベアー等移送装置のレール９０を設けている。
前述した加工テーブル６０は図示しない駆動システムからの指令によって溶接チャンバー２０内をｘ軸およびｙ軸方向に移動することができるようになっている。

なお、溶接作業床５０は、被溶接物１を載置する加工テーブル６０がｘ−ｙ面上を移動している最中に、基準面である被溶接物１の載置面が変動しないように、例えば定盤のように硬度の高い金属によって表面が平坦に形成されている。

さらに、溶接作業床５０の表面には、筐体２１Ａの開放端部２４に当接する部位に環状のシール溝５１を設けており、この環状シール溝５１内にゴム等のシール材５２を嵌め込むようにしている。このため、筐体２１Ａの開放端部２４を作業床５０に設けたシール溝５１に位置合わせして載置すると、図５のように筐体２１Ａおよびその他の部品の重量によりシール材５２が押し潰されて開放端部２４と密着し、溶接チャンバー２０は高度に密閉された状態になる。

次に、図６（ａ）、（ｂ）を参照して搬入搬出口７０および閉鎖装置８０の一例について説明する。
図６（ａ）、（ｂ）の場合、筐体２１Ａの側壁部に設けた搬入搬出口７０に対して、これよりも一回り大きく構成された引き戸型の閉鎖装置８０を上下動することにより、搬入搬出口７０の開閉を行うようにしたものである。

図６の場合、閉鎖装置８０が図示の実線位置にあるとき、溶接チャンバー２０内を負圧にすると、閉鎖装置８０はパッキング８０Ｐを介して筐体２１Ａの側壁部に押し付けられるので、溶接チャンバー２０内が密閉状態になる。

また、図６の例では、搬入搬出口７０を境にしてレール９０が内部レール９０_ｉと外部レール９０_ｏとに分断しているので、被溶接物１の搬入搬出の際、図示しない産業用ロボット等を使用して被溶接物１と加工テーブル６０とを一緒に吊り上げて外部レール９０_ｏから内部レール９０_ｉへ、あるいは内部レール９０_ｉから外部レール９０_ｏへ移送する必要がある。

（作用）
次に、図７のタイムチャートを参照して本実施形態の作用を説明する。
（ａ）まず、時刻ｔ１で溶接チャンバー２０の外で産業用ロボットを用いて被溶接物１を加工テーブル６０上に載置する。その後、加工テーブル６０はこの状態でレール９０上を筐体２１Ａの一方の搬入搬出口７０_１まで移送される。

（ｂ）時刻ｔ２になると、筐体２１Ａに設けた、一方の搬入搬出口７０_１の閉鎖装置８０_１を開放する。なお、他方の搬入搬出口７０_２の閉鎖装置８０_２は閉じたままにしておく。

（ｃ）時刻ｔ３で搬入作業を開始する。すなわち、産業用ロボットを用いて被溶接物１を載置した加工テーブル６０を持ち上げ、搬入搬出口７０_１から溶接チャンバー２０内に搬入する。この搬入作業は時刻ｔ４で終了する。搬入作業の終了後、加工テーブル６０を所定の溶接位置、あるいはその近傍へ移動する。時刻ｔ４から僅かに遅れて時刻ｔ５で搬入口７０の閉鎖装置８０を閉鎖する。

（ｄ）次に、時刻ｔ６で空力窓生成装置１０を稼働させ、超音速ガス流によって空力窓１１を生成する。すなわち、非対称型ノズル１４ｃから超音速ガス流１３を噴出させてディフューザ１５ａに送り込み、レーザー光照射路１２の上部に空力窓１１を生成する。この空力窓１１によって溶接チャンバー２０内部は大気側から隔離される。なお、減圧環境下でのレーザー溶接を行なう場合、減圧による溶け込み深さの増大効果を十分に得るためには、溶接施工部２付近の圧力を１０ｋＰａ以下にすることが望ましい。従って、空力窓１１の圧力保持性能としては大気圧と１０ｋＰａ以上の差圧保持能力があることが望ましい。

（ｅ）空力窓１１が生成された後の時刻ｔ７になると、真空ポンプによる吸引を行なって溶接チャンバー２０内を減圧し始める。既に閉鎖している閉鎖装置８０は、溶接チャンバー２０内が減圧されると、筐体２１Ａの側壁部の搬入搬出口７０の周縁部にパッキング８０Ｐを介して押し付けられる。これにより、溶接チャンバー２０内は負圧でかつ密閉状態になる。

（ｆ）真空ポンプによる吸引とほぼ同時期の時刻ｔ７で溶接施工部にシールドガスを吹付ける。
（ｇ）時刻ｔ８になって、溶接チャンバー２０内が予め設定した１０ｋＰａ以下の減圧環境になると、レーザー溶接施工の準備が整うのでレーザー加工ヘッド５からレーザー光３の照射を開始する。

レーザー加工ヘッド５から照射されたレーザー光３は、空力窓１１を通過してレーザー光照射路１２内に入り、さらにレーザー光照射窓２３から溶接チャンバー２０内に入って被溶接物１の溶接施工部２に照射される。被溶接物１を載置した加工テーブル６０は溶接チャンバー２０内でＸ−Ｙ面上を予めプログラムされたとおりに移動し、溶接施工部２のレーザー溶接が行われる。

このレーザー溶接施工時に発生した溶接プルーム４は、空力窓１１を生成する超音速ガス流１３によってディフューザ１５ａを経て外部に排出されるので、空力窓生成装置１０のさらに上方に位置するレーザー加工ヘッド５の損傷を回避することができ、減圧環境下でも連続的に長時間のレーザー溶接施工を行なうことが可能となる。

時刻ｔ９でレーザー溶接作業が終了すると、レーザー光３の照射を止める。
その後、時刻ｔ１０で真空ポンプによる吸引およびシールドガスの供給を止め、さらに時刻ｔ１１で超音速ガス流を止める。

なお、レーザー光３の照射を止めた時刻ｔ９よりも後であれば、真空ポンプによる吸引終了のタイミング、シールドガス供給終了のタイミング、および超音速ガス流終了のタイミングは、必ずしも図７（ｄ）〜（ｆ）の通りにしなくてもよく、同時終了あるいは相前後して終了するようにしてもよい。

（ｈ）その後、時刻ｔ１２で閉鎖装置８０_１を開放し、時刻ｔ１３になると前述した産業用ロボットを使用して被溶接物１および加工テーブル６０を搬入搬出口７０_１から搬出する。

なお、以上の説明では、筐体２１の対向する側壁部に、合計２箇所の搬入搬出口７０_１、７０_２および閉鎖装置８０_１、８０_２を設けたが、搬入搬出口は１箇所でも良く、また、搬入搬出口を搬入口と搬出口とを分けても良い。

（効果）
以上述べたように、実施形態２によれば、実施形態１の奏する作用効果に加えて、溶接チャンバーを構成する筐体の側壁部に被溶接物の搬入搬出口を設け、この搬入搬出口を閉鎖装置で開閉するようにしたので、溶接作業の能率を向上させることができるという特徴を奏することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるも
のである。

１…被溶接物、２…溶接施工部、３…レーザー光、４…溶接プルーム、５…レーザー加工ヘッド、６…支持部材、１０…空力窓生成装置、１１…空力窓、１２…レーザー光照射路、１３…超音速ガス流、１４…ノズル構成体、１４ａ…溜気槽、１４ｂ…スロート部、１４ｃ…非対称型ノズル、１４ｄ…連通孔、１５…ディフューザ構成体、１５ａ…ディフューザ、１６、１７…閉塞板、１８…ガス供給管、１９…ガス供給源、２０…溶接チャンバー、２１、２１Ａ…筐体、２２…天井部、２３…レーザー光照射窓、２４…開放端部、２５…シール部、３０…真空ポンプ吸引管、４０…シールドガス供給管、５０…溶接作業床、５１…シール溝、５２…シール材、６０…加工テーブル、７０（７０_１、７０_２）…搬入搬出口、８０（８０_１、８０_２）…閉鎖装置（ドアー）、９０…移送装置のレール。

Claims (8)

1. 筒形状に形成され、レーザー光照射窓を除いて一方の端部が閉塞され、かつ、他方の端部である開放端部にシール部材を取付けて被溶接物あるいは溶接作業床に当接することにより溶接チャンバーを形成する筐体と、
   前記レーザー光照射窓の上部位置に固定され、超音速ガス流によって自由渦形空力窓を生成し、当該自由渦形空力窓により前記溶接チャンバー内部と大気との間を空気力学的に仕切る空力窓生成装置と、
   前記空力窓生成装置の上部位置に設置されたレーザー加工ヘッドと、
   前記溶接チャンバー内を大気圧よりも減圧環境状態にする減圧装置と、
   前記筐体および前記被溶接物を相対的に移動させる装置と、
   を備えたレーザー溶接装置。
2. 溜気槽、スロート部およびノズルを形成した厚板状のノズル構成体と、ディフューザを有する厚板状のディフューザ構成体とを有して前記空力窓生成装置を構成したことを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接装置。
3. 前記筐体は、前記シール部材を介して前記被溶接物の上に気密にかつ、摺動可能に載置されたことを特徴する請求項１または２記載のレーザー溶接装置。
4. 前記筐体は、前記溶接チャンバー内部に前記被溶接物および当該被溶接物を載置する加工テーブルを収容するとともに、側壁部に前記被溶接物および加工テーブルの搬入搬出口と、当該搬入搬出口を開閉する閉鎖装置とを設け、さらに、前記開放端部が前記シール材を介して溶接作業床に当接し固定されることを特徴とする請求項１または２記載のレーザー溶接装置。
5. 前記シール材をゴム材料、樹脂材料、金属シール材のいずれかまたはこれらの組み合わせで構成したことを特徴とする請求項３または４記載のレーザー溶接装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザー溶接装置を用いて溶接施工することを特徴とするレーザー溶接方法。
7. 前記溶接チャンバー内部にレーザー溶接用のシールドガスを供給しながら溶接施工することを特徴とする請求項６記載のレーザー溶接方法。
8. 溶接チャンバー内の圧力を１０ｋＰａ以下に減圧した状態を保持しながらレーザー溶接施工することを特徴とする請求項６または７記載のレーザー溶接方法。

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