JP2014240090A - 溶接ヘッドおよび溶接装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】この発明は、レーザとアークによるハイブリッド(複合型)溶接用の溶接ヘッドに関するもので、溶接ヘッドの小型化が可能で、保護ウインドウへのスパッタ付着やシールドガス流量の増加をすることなく、シールドガスへの空気流入を防止できる溶接ヘッドを提供することである。
【解決手段】レーザユニットから被溶接部材7に照射されるレーザ13と、アーク電極5から被溶接部材7に発生するアーク6とにより被溶接部材7を溶接するための溶接ヘッドであって、アーク電極5の周囲を取り囲むとともに被溶接部材7に向けてシールドガス4を噴射するように形成されたノズル3と、ノズル3の壁面に設けられレーザユニットから照射されたレーザ13が通過するレーザ通過口12と、レーザ通過口12を横断する気体11によりレーザ通過口12からノズル3の内部に空気が流入するのを遮断するエアシャッター機構10とを備えたものである。
【選択図】図1
【解決手段】レーザユニットから被溶接部材7に照射されるレーザ13と、アーク電極5から被溶接部材7に発生するアーク6とにより被溶接部材7を溶接するための溶接ヘッドであって、アーク電極5の周囲を取り囲むとともに被溶接部材7に向けてシールドガス4を噴射するように形成されたノズル3と、ノズル3の壁面に設けられレーザユニットから照射されたレーザ13が通過するレーザ通過口12と、レーザ通過口12を横断する気体11によりレーザ通過口12からノズル3の内部に空気が流入するのを遮断するエアシャッター機構10とを備えたものである。
【選択図】図1
Description
この発明は、例えば大型構造体などを溶接する際に使用されるレーザとアークによるハイブリッド(複合型)溶接用の溶接ヘッドおよび溶接装置に関するものである。
従来、レーザとアークによるハイブリッド溶接は、レーザヘッドおよびアークトーチを個別に有しているため、レーザがアークトーチに干渉する問題が発生する。これを避けるために、レーザヘッドおよびアークトーチの一方または両方を被溶接部材に対して傾斜させて設ける必要がある。その結果、レーザとアーク間の角度が大きくなり、溶接ヘッドが大型になってしまう。そのため、複雑形状の被溶接部材を溶接する場合、溶接ヘッドが被溶接部材に干渉するため、適用が困難であった。そこで、レーザがアークトーチに干渉しないように、レーザユニットとアークユニットを一体化したハイブリッド溶接用の小型の溶接ヘッドが必要であり、アークトーチの先端にレーザ導入口が設置された小型の溶接ヘッドが提案されている。この溶接ヘッドはレーザ導入口にアーク溶接用のシールドガスと同じガスを用いたエアカーテンもしくは保護ウインドウによる空気流入遮断手段を設置することにより、レーザ導入口からの空気流入を防ぎ、シールドガスの純度が低下することを防止している。(例えば特許文献1)
従来、溶接ヘッドのレーザ導入口に空気流入遮断手段としてアーク溶接用のシールドガスと同じガスを用いたエアカーテンを用いたものにおいては、溶接に必要なシールドガス流量が増大するため、ランニングコストが高くなるという課題があった。また、保護ウインドウを使用する場合には、スパッタが保護ウインドウに付着し、保護ウインドウを頻繁に交換する必要があるという課題があった。
この発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、溶接ヘッドの小型化が可能で、さらに、保護ウインドウへのスパッタ付着やシールドガス流量の増加をすることなく、シールドガスへの空気流入を防止できる溶接ヘッドを得ることを目的とする。
この発明に係る溶接ヘッドは、レーザユニットから被溶接部材に照射されるレーザと、アーク電極と上記被溶接部材により発生するアークとにより上記被溶接部材を溶接するための溶接ヘッドであって、上記アーク電極の周囲を取り囲むとともに上記被溶接部材に向けてシールドガスを噴射するように形成されたノズルと、該ノズルの壁面に設けられ上記レーザユニットから照射されたレーザが通過するレーザ通過口と、該レーザ通過口に配置され上記レーザ通過口を横断する気体により上記レーザ通過口から上記ノズルの内部に空気が流入するのを遮断するエアシャッターとを備えたことを特徴とするものである。
この発明によれば、アーク電極の周囲を取り囲むとともに被溶接部材に向けてシールドガスを噴射するように形成されたノズルと、該ノズルの壁面に設けられレーザユニットから照射されたレーザが通過するレーザ通過口と、該レーザ通過口に配置され上記レーザ通
過口を横断する気体により上記レーザ通過口から上記ノズルの内部に空気が流入するのを遮断するエアシャッターとを備えており、エアシャッターに使用される気体はノズルの外に流出するため、シールドガスと異なる気体を使用することが可能であり、溶接ヘッドの小型化が可能で、保護ウインドウへのスパッタ付着やシールドガス流量の増加をすることなく、シールドガスへの空気流入を防止できる溶接ヘッドを得ることができる効果がある。
過口を横断する気体により上記レーザ通過口から上記ノズルの内部に空気が流入するのを遮断するエアシャッターとを備えており、エアシャッターに使用される気体はノズルの外に流出するため、シールドガスと異なる気体を使用することが可能であり、溶接ヘッドの小型化が可能で、保護ウインドウへのスパッタ付着やシールドガス流量の増加をすることなく、シールドガスへの空気流入を防止できる溶接ヘッドを得ることができる効果がある。
以下、この発明の実施の形態について説明するが、各図において同一、または相当部分については同一符号を付して説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1における溶接ヘッドのノズルを部分断面で示す正面図、図2はこの発明の実施の形態1における溶接ヘッドのエアシャッターによる気体の流れを説明する説明図、図10はこの発明の実施の形態1におけるレーザとアークとによる溶接を説明する説明図、図11はこの発明の実施の形態1におけるレーザとアークとによる溶接を説明する説明図である。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1における溶接ヘッドのノズルを部分断面で示す正面図、図2はこの発明の実施の形態1における溶接ヘッドのエアシャッターによる気体の流れを説明する説明図、図10はこの発明の実施の形態1におけるレーザとアークとによる溶接を説明する説明図、図11はこの発明の実施の形態1におけるレーザとアークとによる溶接を説明する説明図である。
最初に図10および図11に基づき一般的なレーザとアークとによる溶接を説明する。従来、レーザとアークとによる溶接はレーザユニットとアークユニットを別々に具備している。そのため、レーザ13がアークトーチに設けられたシールドガス供給部2と干渉しないように、レーザユニットおよびアークユニットの一方または両方を被溶接部材7に対して傾斜させて設置する必要がある。図10に示すようにレーザ・アーク間角度θが大きい場合には、シールドガス供給部2を被溶接部材7に近い距離(15〜25mm程度)で設置できるため、アーク電極5から発生されるアーク6をシールドガス供給部2から噴射されるシールドガス4で確実に包み込むことができ、シールド性を確保できる。一方、図11に示すようにレーザ・アーク間角度θが小さい場合には、レーザ13との干渉を避けるために、シールドガス供給部2を被溶接部材7から離した位置、もしくは、レーザ13に干渉しない位置にずらして設置する必要があり、シールドガス4によるシールド性を確保できない。その結果、レーザユニットとアークユニットを別々に具備したハイブリッド溶接用の溶接ヘッドは、レーザ・アーク間角度θを大きくする必要があり、大型の溶接ヘッドになる。なお、一般的にレーザとアークとによるハイブリッド溶接用のシールドガスには、Ar,CO2またはそれらの混合ガスなどが用いられる。このように溶接ヘッドのサイズが大きい場合、複雑形状をした大型構造体などを溶接しようとすると、被溶接部材7に溶接ヘッドが干渉するため適用ができない。そこで、レーザ13とアークトーチのシールドガス供給部2とが干渉しないように、レーザユニットとアークユニットを一体化した小型のハイブリッド溶接用の溶接ヘッドが必要となる。
本発明の溶接ヘッドは図1に示すように、アークトーチ1とアーク電極5から成るアークユニットと、光ファイバ8と集光光学系9から成るレーザユニットで構成されており、それぞれのユニットを断面で示すレーザ・アーク用ノズル3で一体化している。また、レーザ・アーク用ノズル3にはレーザ通過口12が設けられており、そのレーザ通過口12を横断するようにエアシャッターとなる気体11を噴射できるようにエアシャッター機構10が設置されている。さらに、シールドガス4を被溶接部材7に向けて噴射するように、レーザ・アーク用ノズル3にシールドガス供給部2が設置されている。なお図1では、アークトーチ1からシールドガス4を供給するようなシールドガス供給部2が設置されているが、レーザ・アーク用ノズル3の内部にシールドガス4を供給できれば、シールドガス供給部2をどのように設置してもよい。例えば、レーザ・アーク用ノズル3に直接シールドガス供給部2を取り付けることや、レーザ通過口12を通ってシールドガスを供給できるように設置することが可能である。
このようにレーザユニットとアークユニットを一体にすることにより、レーザ13がアークトーチ1に干渉しないため、レーザ・アーク間角度θを小さくすることができ、溶接ヘッドのサイズを小型化可能である。また、本発明の溶接ヘッドでは、アーク電極5が突き出たレーザ・アーク用ノズル3の先端から、レーザ13の照射およびシールドガス4を噴射している。このように近い距離から被溶接部材7にシールドガス4を供給可能なため、レーザ・アーク間角度θを小さくした場合においても、アーク6に対するシールドガス4によるシールド性を確保可能となる。さらに、レーザ・アーク間角度θを小さくできることにより、溶接方向による溶接性能の差を小さくすることができ、レーザ13を被溶接部材7に対して垂直に近づけて照射することで、より溶込みの深い溶接が可能になる。
レーザユニットとアークユニットを一体化した溶接ヘッドでは、一つのノズル3から被溶接部材7にシールドガス4を供給している。しかし、ノズル3にレーザ13が通過するためのレーザ通過口12などの空間を設ける必要があるため、ノズル3内の気密性を確保できず、シールドガス4に空気14が流入する。シールドガス4に空気が混入することにより、ブローホールや溶接割れなどの溶接不良が発生する。そのため、レーザ通過口12からシールドガス4に空気14が流入するのを防止する手段が必要になる。空気14の流入防止方法として、レーザ通過口12に保護ウインドウを設置する方法が考えられるが、ハイブリッド溶接は多量のスパッタが発生するため、発生したスパッタが保護ウインドウに付着してレーザ13の通過を妨げるとともにレーザ13により加熱されて保護ウインドウが破損する恐れがある。このため保護ウインドウの交換を頻繁に行う必要があり、適切な対応ではない。
本発明の溶接ヘッドは、レーザ・アーク用ノズル3にレーザ通過口12を設けており、そこからシールドガス4に空気14が流入する可能性がある。そこで、レーザ通過口12にレーザ通過口12を横断するようにエアシャッターとなる気体11を噴射できるようにエアシャッター機構10が設置されている。なお、エアシャッター機構10は気体11の噴射角度αが90度〜120度になるように設置することが望ましい。また、レーザ通過口12を横断するものであれば、レーザ・アーク用ノズル3のどの方向から設置しても良い。さらに、エアシャッターに使用する気体11は、シールドガス4と違う気体、例えば、圧縮空気などを用いることができる。ただし、エアシャッターの気体11の流出口はレーザ・アーク用ノズル3の外に設置する必要がある。レーザ・アーク用ノズル3の内部に気体11の流出口を設けた場合、シールドガス4の純度低下や、噴射流の乱れが生じ、アーク6へのシールド性が悪化する可能性がある。
通常、エアシャッターは集光光学系9をスパッタ16やヒュームから保護するために使用され、一般的なハイブリッド溶接用の溶接ヘッドやレーザ溶接ヘッドにも適用されている。しかし図2に示すように、本発明の溶接ヘッドにおけるエアシャッターは、スパッタ16やヒュームから集光光学系9を保護するだけでなく、レーザ通過口12から空気14がシールドガス4に流入するのを抑制する効果がある。本発明の溶接ヘッドにおいて、エアシャッターの気体11を流さずに溶接した場合、シールドガス4に空気14が混入し、多量のブローホールが発生した。一方、エアシャッターの気体11を流して溶接した場合、シールドガス4に空気14が混入することなく、溶接不良のない良好な溶接が可能になった。
以上説明したようにレーザ13とアーク6とによるハイブリッド溶接においては、溶接ヘッドを小型化するために、レーザユニットとアークユニットを一体化する必要がある。その際に、シールドガス4に空気14が流入するのを抑制しなければならない。本発明の溶接ヘッドを用いることにより、エアシャッターに使用する気体11はノズル3の外に流出するため、圧縮空気などのシールドガス4と違う気体11でよく、シールドガス4の流量増加や、新たな装置等を用いることなく、シールドガス4に空気14の流入を抑制可能な小型のハイブリッド溶接用の溶接ヘッドを提供できる。これにより、大型構造体などの複雑形状の被溶接部材にハイブリッド溶接を適用可能である。さらに、レーザ・アーク間角度θを小さくできることにより、被溶接部材に対して垂直に近い状態でレーザとアークを照射できるため、より溶込みの深い溶接が可能になるとともに溶接方向による溶接性能の差を小さくできる。また、この発明によって、ハイブリッド溶接用の溶接ヘッドの小型化が可能のため、複雑で大型の被溶接部材にハイブリッド溶接を適用でき、シールドガスの流量を増加することなく、シールドガスの純度低下を抑制できるため、溶接のランニングコストも低減可能である。
実施の形態2.
図3はこの発明の実施の形態2における溶接ヘッドのエアシャッターによる気体の流れを説明する説明図、図4はこの発明の実施の形態2における溶接ヘッドのエアシャッターを示す部分断面図である。上記実施の形態1ではノズル3のレーザ通過口12にエアシャッターを設ける場合について説明したが、一般に気体は狭い空間から広い空間に流出したときに膨張する。この膨張は、気体の流れる速度が速いほど大きい。本発明の溶接ヘッドのエアシャッターに使用する気体11は、流速20m/s以上で流れており、エアシャッターの気体11がレーザ通過口12に到達したときに膨張する。このため図3に示すように、膨張したエアシャッターの気体11がレーザ通過口12に干渉し、エアシャッターの気体11がシールドガス4に流入してしまう恐れがある。その結果、空気14が混入することによるシールドガス4の純度の低下や、シールドガス4の流れを乱す。そこで、エアシャッターの気体11がレーザ通過口12に干渉しない構造が必要になる。
図3はこの発明の実施の形態2における溶接ヘッドのエアシャッターによる気体の流れを説明する説明図、図4はこの発明の実施の形態2における溶接ヘッドのエアシャッターを示す部分断面図である。上記実施の形態1ではノズル3のレーザ通過口12にエアシャッターを設ける場合について説明したが、一般に気体は狭い空間から広い空間に流出したときに膨張する。この膨張は、気体の流れる速度が速いほど大きい。本発明の溶接ヘッドのエアシャッターに使用する気体11は、流速20m/s以上で流れており、エアシャッターの気体11がレーザ通過口12に到達したときに膨張する。このため図3に示すように、膨張したエアシャッターの気体11がレーザ通過口12に干渉し、エアシャッターの気体11がシールドガス4に流入してしまう恐れがある。その結果、空気14が混入することによるシールドガス4の純度の低下や、シールドガス4の流れを乱す。そこで、エアシャッターの気体11がレーザ通過口12に干渉しない構造が必要になる。
このため図4に示すように、エアシャッターの気体11がレーザ通過口12に流入する流入口よりも、レーザ通過口12から流出する流出口の方が大きく(広く)なっている。これにより、エアシャッターの気体11がレーザ通過口12に到達して膨張しても、レーザ通過口12と干渉せず、シールドガス4の純度低下や、流れの乱れを抑制することができる。なお、エアシャッターの気体11のレーザ通過口12からの流出口は、流入口の2倍以上に拡大することが望ましい。また、エアシャッターの気体11がレーザ通過口12に到達するまでの構造を出口に向かって広くなる形状(末広ノズルと同様の形状)にすることにより、エアシャッターの気体11の急激な膨張を抑制でき、さらにエアシャッターの気体11とレーザ通過口12の干渉を抑制可能である。
実施の形態3.
図5はこの発明の実施の形態3における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。上記実施の形態1で説明したように、本発明の溶接ヘッドはレーザ通過口12を横断するようにエアシャッターの気体11を供給することで、レーザ通過口12からシールドガス4への空気14が流入するのを抑制している。エアシャッターの気体11が供給されている部分は、一定方向の流れが生じているため、圧力が低下している。一方、レーザ・アーク用ノズル3の内部はシールドガス4で充填されているため、圧力が高くなっている。この圧力差によって、レーザ・アーク用ノズル3の内部からエアシャッターに向かう流れを発生させ、シールドガス4に空気14が流入するのを抑制している。一般に、レーザ13が通過する通路は、レーザ13との干渉を避けるように設けられ、直線形状、もしくは、レーザ13の入口から出口に向かってテーパー状に細くなっている。一方、図5に示す本発明のレーザ通過口12は、レーザ13の入口から出口に向かってテーパー状に広くなっている。ただし、レーザ13の入口の大きさは、レーザ13が干渉しないように設定する必要がある。一般に連続した通路を流れる気体は、流れる面積が小さくなるほど、流速が増加し、圧力が小さくなる。つまり、本発明のレーザ通過口12の構造を用いることにより、レーザ・アーク用ノズル3の内部のシールドガス4の圧力と、エアシャッターの気体11との圧力差が大きくなる。その結果、レーザ通過口12からシールドガス4へ空気が流入するのを抑制する効果が高まる。
図5はこの発明の実施の形態3における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。上記実施の形態1で説明したように、本発明の溶接ヘッドはレーザ通過口12を横断するようにエアシャッターの気体11を供給することで、レーザ通過口12からシールドガス4への空気14が流入するのを抑制している。エアシャッターの気体11が供給されている部分は、一定方向の流れが生じているため、圧力が低下している。一方、レーザ・アーク用ノズル3の内部はシールドガス4で充填されているため、圧力が高くなっている。この圧力差によって、レーザ・アーク用ノズル3の内部からエアシャッターに向かう流れを発生させ、シールドガス4に空気14が流入するのを抑制している。一般に、レーザ13が通過する通路は、レーザ13との干渉を避けるように設けられ、直線形状、もしくは、レーザ13の入口から出口に向かってテーパー状に細くなっている。一方、図5に示す本発明のレーザ通過口12は、レーザ13の入口から出口に向かってテーパー状に広くなっている。ただし、レーザ13の入口の大きさは、レーザ13が干渉しないように設定する必要がある。一般に連続した通路を流れる気体は、流れる面積が小さくなるほど、流速が増加し、圧力が小さくなる。つまり、本発明のレーザ通過口12の構造を用いることにより、レーザ・アーク用ノズル3の内部のシールドガス4の圧力と、エアシャッターの気体11との圧力差が大きくなる。その結果、レーザ通過口12からシールドガス4へ空気が流入するのを抑制する効果が高まる。
実施の形態4.
図6はこの発明の実施の形態4における溶接ヘッドのスパッタ受けを説明する部分断面図である。一般にレーザ13とアーク6によるハイブリッド溶接は、多量のスパッタ16やヒュームが発生する。そのため、レーザユニットの集光光学系9を保護するために、エアシャッターを設置するのが一般的である。本発明の溶接ヘッドは、図1に示すように、エアシャッターの気体11の流出口外側にアークユニットが設置されており、スパッタ16によってアークユニットが損傷する可能性がある。また、エアシャッターの気体11をアークユニットのない方向に噴射した場合、スパッタ16が被溶接部材7に付着し、溶接の品質が低下する。このように、エアシャッターを設置することにより、集光光学系9にスパッタ16が付着するのを抑制することができるが、エアシャッターの気体11で吹き飛ばしたスパッタ16によって、溶接装置や被溶接部材7に悪影響を及ぼす可能性がある。従って図6に示す本発明は、エアシャッターの気体11の流出口外側にスパッタ受け15を設けている。スパッタ受け15を設置することにより、エアシャッターの気体11に吹き飛ばされたスパッタ16を、溶接装置や被溶接部材7に付着することなく回収可能である。
図6はこの発明の実施の形態4における溶接ヘッドのスパッタ受けを説明する部分断面図である。一般にレーザ13とアーク6によるハイブリッド溶接は、多量のスパッタ16やヒュームが発生する。そのため、レーザユニットの集光光学系9を保護するために、エアシャッターを設置するのが一般的である。本発明の溶接ヘッドは、図1に示すように、エアシャッターの気体11の流出口外側にアークユニットが設置されており、スパッタ16によってアークユニットが損傷する可能性がある。また、エアシャッターの気体11をアークユニットのない方向に噴射した場合、スパッタ16が被溶接部材7に付着し、溶接の品質が低下する。このように、エアシャッターを設置することにより、集光光学系9にスパッタ16が付着するのを抑制することができるが、エアシャッターの気体11で吹き飛ばしたスパッタ16によって、溶接装置や被溶接部材7に悪影響を及ぼす可能性がある。従って図6に示す本発明は、エアシャッターの気体11の流出口外側にスパッタ受け15を設けている。スパッタ受け15を設置することにより、エアシャッターの気体11に吹き飛ばされたスパッタ16を、溶接装置や被溶接部材7に付着することなく回収可能である。
実施の形態5.
図7はこの発明の実施の形態5における溶接ヘッドのスパッタの飛散を説明する部分断面図、図8はこの発明の実施の形態5における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。実施の形態4で説明したように、レーザ13とアーク6によるハイブリッド溶接は、多量のスパッタ16やヒュームが発生する。スパッタ16やヒュームがレーザユニットの集光光学系9に付着することにより、付着した部位でレーザを吸収し、熱レンズ効果による焦点のずれや、集光光学系9が損傷する。一般的に、集光光学系9にスパッタ16やヒュームが付着しないように、保護ウインドウを設置するが、定期的に保護ウインドウを交換する必要があり、ランニングコストが高くなる。そのため、ハイブリッド溶接では、スパッタ16やヒュームが集光光学系9に付着するのを抑制する方法が必要になる。スパッタ16やヒュームが集光光学系9に付着するのを抑制する方法として、エアシャッターが挙げられる。エアシャッターの形状などを工夫することによって、集光光学系9を保護できるが、エアシャッターだけで、特にスパッタ16が集光光学系9に付着するのを完全に防止するのは困難である。
図7はこの発明の実施の形態5における溶接ヘッドのスパッタの飛散を説明する部分断面図、図8はこの発明の実施の形態5における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。実施の形態4で説明したように、レーザ13とアーク6によるハイブリッド溶接は、多量のスパッタ16やヒュームが発生する。スパッタ16やヒュームがレーザユニットの集光光学系9に付着することにより、付着した部位でレーザを吸収し、熱レンズ効果による焦点のずれや、集光光学系9が損傷する。一般的に、集光光学系9にスパッタ16やヒュームが付着しないように、保護ウインドウを設置するが、定期的に保護ウインドウを交換する必要があり、ランニングコストが高くなる。そのため、ハイブリッド溶接では、スパッタ16やヒュームが集光光学系9に付着するのを抑制する方法が必要になる。スパッタ16やヒュームが集光光学系9に付着するのを抑制する方法として、エアシャッターが挙げられる。エアシャッターの形状などを工夫することによって、集光光学系9を保護できるが、エアシャッターだけで、特にスパッタ16が集光光学系9に付着するのを完全に防止するのは困難である。
一般に図7に示すように、レーザ通過口12に入ったスパッタ16は、レーザ通過口12の内壁を反射して、集光光学系9に向かって飛んでくる。そこで本発明のレーザ通過口12は、図8に示すようにレーザ通過口12の内壁に溝を設け、段付きの内壁面にしている。この構造にすることにより、レーザ通過口12の内壁を反射して飛んでいくスパッタ16が集光光学系9に付着するのを抑制することができる。多くの溝を設置した方が効果的で、螺旋状に溝を切ってもよい。この構造のレーザ通過口12とエアシャッターを組み合せることにより、スパッタ16およびヒュームが集光光学系9に付着するのを防止可能である。
実施の形態6.
図9はこの発明の実施の形態6における溶接ヘッドのノズルを部分断面で示す正面図である。上記実施の形態1ではレーザユニットとアークユニットがそれぞれ1組の場合について説明したが、レーザユニットは以下に説明するように複数組設けてもよい。一般にハイブリッド溶接は、レーザ13の干渉を避けるため、アーク6に対して傾斜をつけてレーザ13を照射する必要がある。レーザユニットとアークユニットを一体化した本発明の溶接ヘッドでも、アーク電極5とレーザ13が干渉するため、レーザ・アーク間角度θを5度以上設ける必要がある。レーザ13の干渉なしで、アーク6と同軸からレーザ13を照射することが不可能なため、ハイブリッド溶接は溶接方向によって溶接の性能が異なる。例えば、レーザ13を前進角で照射した場合、後退角で照射したときに比べ、溶込みが浅くなる。
図9はこの発明の実施の形態6における溶接ヘッドのノズルを部分断面で示す正面図である。上記実施の形態1ではレーザユニットとアークユニットがそれぞれ1組の場合について説明したが、レーザユニットは以下に説明するように複数組設けてもよい。一般にハイブリッド溶接は、レーザ13の干渉を避けるため、アーク6に対して傾斜をつけてレーザ13を照射する必要がある。レーザユニットとアークユニットを一体化した本発明の溶接ヘッドでも、アーク電極5とレーザ13が干渉するため、レーザ・アーク間角度θを5度以上設ける必要がある。レーザ13の干渉なしで、アーク6と同軸からレーザ13を照射することが不可能なため、ハイブリッド溶接は溶接方向によって溶接の性能が異なる。例えば、レーザ13を前進角で照射した場合、後退角で照射したときに比べ、溶込みが浅くなる。
一方、図9に示す溶接ヘッドは、1つのアーク6に対して、複数のレーザ13を照射できる。レーザ発振器から光ファイバ8を用いてレーザ13を複数に分岐している。なお、レーザ13を分岐する方法としてミラー等の光学部品を用いてもよい。多方向からレーザ13を照射することによって、レーザ13とアーク6とを同軸に近づけることができ、溶接方向に対する溶接の品質の差を小さくすることが可能である。また、複数のレーザ13を同時に照射しない場合においても、レーザ13を照射する光ファイバ8を制御することにより、溶接ヘッドの向きを固定したまま、レーザ13の照射方向(前進角や後退角など)を変更することができる。さらに、レーザ13を溶接方向に対して鉛直方向に傾斜させて照射させた場合、溶込みの深い位置まで広範囲の溶融が可能となり、1つのレーザ13とアーク6の溶接よりも隙間の深い被溶接部材7の溶接ができる。
実施の形態7.
図12はこの発明の実施の形態7における溶接ヘッドのエアシャッターによる気体の流れを説明する説明図、図13はこの発明の実施の形態7における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。上記実施の形態1で説明したように、本発明の溶接ヘッドはレーザ通過口12を横断するようにエアシャッターの気体11を供給することで、レーザ通過口12からシールドガス4への空気14の侵入を防止している。このとき、エアシャッターの気体11の流速が早いと、エアシャッターの気体11が供給されているレーザ通過口12の部分では負圧が生じ、図12に示すように、ノズル3内のシールドガス4がレーザ通過口12を通ってエアシャッターの気体11に巻き込まれるような流れ41が発生する。そのため、エアシャッターの気体11の流速が著しく速い場合には、シールドガス4でアーク6を十分にシールドできず、ブローホールや溶接割れなどの溶接不良が発生した。このため、シールドガス4によるアーク6のシールド性を確保するには、エアシャッターの気体11の流速を10m/s以下にする必要がある。しかし、エアシャッターの気体11の流速が低い場合、溶接時に発生するスパッタ16やヒュームから集光光学系9を保護することが困難である。エアシャッターと集光光学系9との間に集光光学系9を保護するためのエアシャッターを追加設置することで、スパッタ16やヒュームの集光光学系9への付着を防止することは可能ではあるが、溶接ヘッドの構造が複雑になるという欠点がある。
図12はこの発明の実施の形態7における溶接ヘッドのエアシャッターによる気体の流れを説明する説明図、図13はこの発明の実施の形態7における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。上記実施の形態1で説明したように、本発明の溶接ヘッドはレーザ通過口12を横断するようにエアシャッターの気体11を供給することで、レーザ通過口12からシールドガス4への空気14の侵入を防止している。このとき、エアシャッターの気体11の流速が早いと、エアシャッターの気体11が供給されているレーザ通過口12の部分では負圧が生じ、図12に示すように、ノズル3内のシールドガス4がレーザ通過口12を通ってエアシャッターの気体11に巻き込まれるような流れ41が発生する。そのため、エアシャッターの気体11の流速が著しく速い場合には、シールドガス4でアーク6を十分にシールドできず、ブローホールや溶接割れなどの溶接不良が発生した。このため、シールドガス4によるアーク6のシールド性を確保するには、エアシャッターの気体11の流速を10m/s以下にする必要がある。しかし、エアシャッターの気体11の流速が低い場合、溶接時に発生するスパッタ16やヒュームから集光光学系9を保護することが困難である。エアシャッターと集光光学系9との間に集光光学系9を保護するためのエアシャッターを追加設置することで、スパッタ16やヒュームの集光光学系9への付着を防止することは可能ではあるが、溶接ヘッドの構造が複雑になるという欠点がある。
そこで、図13に示すように、実施の形態7ではレーザ通過口12のエアシャッター設置位置よりも溶接部に近いエアシャッターの近傍位置に外部空気を取込む負圧抑制穴17を設ける。負圧抑制穴17の形状は、円形だけでなく楕円形状や長丸穴形状および四角形など、どのような形状であってもよい。また、負圧抑制穴17は必ずしもエアシャッターの気体11の流れと平行方向でなくてもよく、斜め方向に設置してもよい。このように、レーザ通過口12のエアシャッターよりも溶接部に近い位置に負圧抑制穴17を設けることで、負圧抑制穴17を通ってエアシャッターの気体11に向かう外部からの空気14の流れが発生する。このため、ノズル3内のシールドガス4がエアシャッターの気体11へ巻き込まれるのを軽減できる。このように構成することで、流速20m/s以上でエアシャッターの気体11を噴射しても、シールドガス4によりアーク6のシールド性を確保可能であった。このように、エアシャッター近傍のエアシャッターよりも溶接部に近い位置のレーザ通過口12に負圧抑制穴17を設置することで、エアシャッターの気体11の流速がシールドガス4へ与える影響を小さくできる。
実施の形態8.
図14はこの発明の実施の形態8における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。上記実施の形態7では、エアシャッターの気体11の流速が速い場合にシールドガス4を巻き込んでしまうのを軽減するために、レーザ通過口12のエアシャッターよりも溶接部に近い位置に負圧抑制穴17を設けた場合について説明したが、負圧抑制穴17を設けてもエアシャッターの気体11にシールドガス4の巻き込みを完全に抑えることはできず、通常よりシールドガス4の供給流量を多くする必要がある。
そこで、図14に示すように、実施の形態8では、レーザ通過口12のエアシャッター設置位置よりも溶接部に近い位置に、レーザ通過口12を横断してエアシャッターの気体11の噴射方向と平行にシールドガス供給部2を設け、シールドガス供給部2を通過して所定の流速でノズル3内にシールドガス4を噴射供給するシールドガス供給機構18を設置した。この構造でシールドガス4をノズル3内に供給することにより、シールドガス供給機構18から噴射されたシールドガス4の流れ42によってレーザ通過口12に発生する負圧と、エアシャッターの気体11の流れによってレーザ通過口12に発生する負圧とが同等になり、エアシャッター設置位置とシールドガス供給部2との間のレーザ通過口12では圧力が低い状態で吊り合うため、シールドガス4がエアシャッターの気体11に巻き込まれなくなる。なお、シールドガス供給機構18から噴射されたシールドガス4の流れ42にノズル3内のシールドガス4がレーザ通過口12を通って巻き込まれる流れ41が発生するが、シールドガス供給部2を通過してノズル3内に戻されるため、シールドガス4の供給量は通常通りでよい。
図14はこの発明の実施の形態8における溶接ヘッドのレーザ通過口を示す部分断面図である。上記実施の形態7では、エアシャッターの気体11の流速が速い場合にシールドガス4を巻き込んでしまうのを軽減するために、レーザ通過口12のエアシャッターよりも溶接部に近い位置に負圧抑制穴17を設けた場合について説明したが、負圧抑制穴17を設けてもエアシャッターの気体11にシールドガス4の巻き込みを完全に抑えることはできず、通常よりシールドガス4の供給流量を多くする必要がある。
そこで、図14に示すように、実施の形態8では、レーザ通過口12のエアシャッター設置位置よりも溶接部に近い位置に、レーザ通過口12を横断してエアシャッターの気体11の噴射方向と平行にシールドガス供給部2を設け、シールドガス供給部2を通過して所定の流速でノズル3内にシールドガス4を噴射供給するシールドガス供給機構18を設置した。この構造でシールドガス4をノズル3内に供給することにより、シールドガス供給機構18から噴射されたシールドガス4の流れ42によってレーザ通過口12に発生する負圧と、エアシャッターの気体11の流れによってレーザ通過口12に発生する負圧とが同等になり、エアシャッター設置位置とシールドガス供給部2との間のレーザ通過口12では圧力が低い状態で吊り合うため、シールドガス4がエアシャッターの気体11に巻き込まれなくなる。なお、シールドガス供給機構18から噴射されたシールドガス4の流れ42にノズル3内のシールドガス4がレーザ通過口12を通って巻き込まれる流れ41が発生するが、シールドガス供給部2を通過してノズル3内に戻されるため、シールドガス4の供給量は通常通りでよい。
ただし、シールドガス供給機構18から噴射されシールドガス供給部2を通過してレーザ通過口12を横断するシールドガス4の流れ42の流速は、エアシャッターの気体11の流速以下で同等の流速に設定する必要がある。また、シールドガス4の流れ42の流速をエアシャッターの気体11の流速と同等にした状態で、シールドガス4を通常通り(10から20L/min)供給できるようにシールドガス供給部2の穴形状などを工夫する必要がある。例えば、テーパー形状にして流速を早くする方法や、楕円形状にしてシールドガス供給部2を狭くすることが有効である。なお、図14に示す方法でシールドガス4を供給した場合、供給されるシールドガス4の流れ42によってノズル3の内部にスパッタ16やヒュームが侵入し、ノズル3の内部やシールドガス供給部2の穴内が汚れることによってシールドガス4の流れなどに悪影響を及ぼす可能性がある。このため、図14に示す方法でシールドガス4を供給する場合、シールドガス4の流れ42がレーザ通過口12を通過した位置にフィルタを設けると好適である。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
1 アークトーチ、2 シールドガス供給部、3 ノズル、4 シールドガス、5 アーク電極、6 アーク、7 被溶接部材、8 光ファイバ、9 集光光学系、10 エアシャッター機構、11 気体、12 レーザ通過口、13 レーザ、14 空気、15 スパッタ受け、16 スパッタ、17 負圧抑制穴、18 シールドガス供給機構。
Claims (10)
- レーザユニットから被溶接部材に照射されるレーザと、アーク電極と上記被溶接部材により発生するアークとにより上記被溶接部材を溶接するための溶接ヘッドであって、上記アーク電極の周囲を取り囲むとともに上記被溶接部材に向けてシールドガスを噴射するように形成されたノズルと、該ノズルの壁面に設けられ上記レーザユニットから照射されたレーザが通過するレーザ通過口と、該レーザ通過口に配置され上記レーザ通過口を横断する気体により上記レーザ通過口から上記ノズルの内部に空気が流入するのを遮断するエアシャッターとを備えたことを特徴とする溶接ヘッド。
- 上記エアシャッターは上記レーザ通過口を横断する気体の流入口よりも流出口が大きいことを特徴とする請求項1に記載の溶接ヘッド。
- 上記レーザ通過口はレーザの入口側から出口側に向かってテーパー状に広がるように形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の溶接ヘッド。
- 上記エアシャッターは上記気体の流出口の出口にスパッタ受けが設置されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の溶接ヘッド。
- 上記レーザ通過口は穴の壁面に溝状の段差が形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の溶接ヘッド。
- 上記レーザ通過口は複数設けられていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の溶接ヘッド。
- 上記レーザ通過口の上記エアシャッターの設置位置よりも溶接部に近い位置に外部空気を取込む負圧抑制穴を設けたことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の溶接ヘッド。
- 上記エアシャッターの設置位置よりも溶接部に近い位置の上記レーザ通過口を横断して上記エアシャッターの気体の噴射方向と平行に上記ノズルの内部に上記シールドガスを供給するシールドガス供給部を設けたことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の溶接ヘッド。
- 上記シールドガス供給部から供給されるシールドガスの流速を上記エアシャッターの気体の流速と同等にしたことを特徴とする請求項8に記載の溶接ヘッド。
- 請求項1から9のいずれか1項に記載の溶接ヘッドを備えたことを特徴とする溶接装置。
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