JP3752216B2 - レーザー溶接ヘッド - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー加工とアーク加工とを同時に行なうレーザー溶接ヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
鋼板等の金属の溶接・切断・穿孔・表面改質処理等の加工技術、例えば、金属同士を接合する溶接技術の一種として、レーザー溶接とアーク溶接が知られている。レーザー光は光学機器により集光して高いエネルギー密度が得られることから深い溶け込みの溶接を行なうことができる。MIG溶接等消耗電極となるワイヤを供給するアーク溶接では、開先裕度が高い溶接が可能となる。
【0003】
近年、レーザー溶接とアーク溶接を同時に行なうことができるレーザー溶接ヘッドが種々開発されている(例えば、特許文献1参照)。レーザー溶接とアーク溶接を同時に行なうことにより、レーザーで生じたプラズマによりアークが安定したり、高価な装置にすることなく高出力を得ることが可能になる。
【0004】
【特許文献1】
特開平9−122950号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
レーザー溶接とアーク溶接を同時に行なう場合、電極棒をヘッド内に配置することになる。特に、MIG溶接等消耗電極となるワイヤを供給するアーク溶接では、給電を行なうための銅パイプ等と送給されるワイヤを同軸状態にして溶接ヘッド内に配置する必要があった。
【0006】
溶接ヘッド内にはレーザー光学系が配置されているため、曲げ癖がつかない状態の曲率を保つようにワイヤを配置するためには、溶接ヘッドを構成する場合には、溶接ヘッドの外部に銅パイプ等とワイヤを先端近傍まで配置し、レーザー光を避けた状態で銅パイプ等とワイヤを溶接ヘッド内に設ける必要があった。
【0007】
このため、溶接ヘッドが大型化すると共に外部に給電用の配管等が存在し、ロボット等による取りまわしに制約を受けることになっていた。また、銅パイプ等とワイヤが同軸状態で配設されているためワイヤの調整自由度が制約され、先端位置を調整し難い状況にあるのが現状であった。
【0008】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、溶接ヘッドの大型化を抑制することができると共にワイヤの調整自由度を向上させることができるレーザー溶接ヘッドを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明のレーザー溶接ヘッドは、消耗電極となるワイヤが先端チップに供給されてアーク放電により溶接部位の溶接を行なうアーク溶接手段と、入力されたレーザー光を分岐レンズ群で分岐すると共に集光レンズ群を介して分岐したレーザー光を先端チップの周囲から前記溶接部位に集光させるレーザー溶接手段とが一つの本体に備えられたレーザー溶接ヘッドにおいて、消耗電極となるワイヤの供給系とワイヤに給電を行なう給電系とが独立して設けられ、レーザー光に交差する方向の前記先端チップの位置を調整するチップ位置調整機構を備え、前記チップ位置調整機構は、レーザー光に交差する一方向に先端チップを調整する一方向調整手段であり、一方向調整手段は、本体に対して先端チップを互いに反対方向に移動させる一対のねじ部材を備え、一対のねじ部材により先端チップの一方向位置を調整固定することを特徴とする。
また、消耗電極となるワイヤが先端チップに供給されてアーク放電により溶接部位の溶接を行なうアーク溶接手段と、入力されたレーザー光を分岐レンズ群で分岐すると共に集光レンズ群を介して分岐したレーザー光を先端チップの周囲から前記溶接部位に集光させるレーザー溶接手段とが一つの本体に備えられたレーザー溶接ヘッドにおいて、消耗電極となるワイヤの供給系とワイヤに給電を行なう給電系とが独立して設けられ、レーザー光に交差する方向の前記先端チップの位置を調整するチップ位置調整機構を備え、チップ位置調整機構は、レーザー光に交差する二方向に先端チップを調整する二方向調整手段であり、二方向調整手段は、本体に対してレーザー光に交差する第1方向に先端チップを移動させる第1ねじ部材と、第1方向への移動により傾斜面を介して第1方向に交差する方向に先端チップを移動させる第2ねじ部材とから構成され、第1ねじ部材により第1方向の先端チップの位置を調整固定した後第2ねじ部材により第1方向に交差する方向に先端チップの位置を調整固定することを特徴とする。
【0010】
そして、請求項1又は2に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、消耗電極となるワイヤは本体の内部に配置されたフレキシブルチューブを介して先端チップに供給され、ワイヤへの給電を行なうために先端チップに電気的に接続される給電棒部材が本体の外部に配置されたことを特徴とする。
【0016】
また、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
分岐したレーザー光のそれぞれに対応して独立した保護レンズを集光レンズ群の溶接部位側に設けたことを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1には本発明の一実施形態例に係るレーザー溶接ヘッドの断面、図2には図1中のII-II 線矢視、図3には図2中のIII-III 線矢視、図4には図3中の要部拡大状況、図5には図2中のV-V 線矢視、図6には図2中のVI-VI 線矢視を示してある。
【0018】
図1、図2に示すように、レーザー溶接ヘッド1の上部には光ファイバ2の先端部が接続されている。光ファイバ2の基端部は、例えば、図示しないYAGレーザー発振器に接続され、YAGレーザー発振器からのレーザー光3が光ファイバ2により伝送されてレーザー溶接ヘッド1内に導かれる。
【0019】
レーザー溶接ヘッド1にはコリメートレンズ群4が設けられ、光ファイバ2の先端からでたレーザー光3はコリメートレンズ群4により平行光とされる。コリメートレンズ群4の下側には45度に傾斜して設けられ平行光の半分を横方向に反射させる第1傾斜ミラー5が配置され、第1傾斜ミラー5の対向部には45度に傾斜して設けられ第1傾斜ミラー5で横方向に反射されたレーザー光3を下方向に反射させる第2傾斜ミラー6が配置されている。
【0020】
コリメートレンズ群4で平行光とされた断面円形のレーザー光3は、半分が断面半円形の第1レーザー光3aとされると共に、半分が第1傾斜ミラー5及び第2傾斜ミラー6で反射されて断面半円形の第2レーザー光3bとされ、第1レーザー光3aと第2レーザー光3bが間隔を隔てた平行光とされる。
【0021】
レーザー溶接ヘッド1の下端部には溶接ヘッド7が設けられ、溶接ヘッド7の内周部には金属製のサポートブラケット11が取り付けられている。サポートブラケット11には消耗電極となるワイヤ8が供給される金属製の先端チップ9が支持され、サポートブラケット11を介して先端チップ9に給電される。
【0022】
溶接ヘッド7の上部には集光レンズ群15が配置され、集光レンズ群15により平行光とされた第1レーザー光3aと第2レーザー光3bが集光される。集光レンズ群15により集光される途中の第1レーザー光3aと第2レーザー光3bは先端チップ9の側部を通過し、サポートブラケット11には、集光される途中の第1レーザー光3aと第2レーザー光3bが通過する通過穴10が形成されている。
【0023】
図2、図3に示すように、先端チップ9はサポートブラケット11に取り付けられている。先端チップ9は第1レーザー光3a及び第2レーザー光3bに交差する方向(図2中左右方向及び紙面に垂直な方向)の位置が二方向調整手段としてのチップ位置調整機構31により調整されるようになっている。
【0024】
図3、図4に示すように、先端チップ9の端部の一方側(図中上側)には平行面33が形成され、平行面33には第1ねじ部材32の先端が接触するようになっている。第1ねじ部材32の回転調整により平行面33が押し引きされて第1方向(図中上下方向)の位置が調整される。
【0025】
先端チップ9の端部の他方側(図中下側)には傾斜面34が形成され、傾斜面34には第2ねじ部材35の先端が接触するようになっている。第2ねじ部材35の回転調整により傾斜面34が押し引きされて第1方向に交差する第2方向(図中左右方向)の位置が調整される。
【0026】
尚、図中の符号で36は第1ねじ部材32及び第2ねじ部材35の盲栓となるピンである。つまり、第1ねじ部材32及び第2ねじ部材35の調整を行なう場合、ピン36を外して行い調整後にピン36を嵌合させる。
【0027】
上述したチップ位置調整機構31は、第1ねじ部材32により先端チップ9の第1方向の位置を調整して第1方向の位置を固定し、その後、第2ねじ部材35により先端チップ9の第2方向の位置を調整して第2方向の位置を固定する。
これにより、第1レーザー光3aと第2レーザー光3bに対し先端チップ9の位置、即ち、ワイヤ8の供給位置を一致させるように調整することが可能になる。
【0028】
尚、二方向調整手段を例に挙げてチップ位置調整機構31を説明したが、一方向調整手段を適用することも可能である。即ち、先端チップ9の端部の他方側(図中下側)に平行面を形成し、平行面に第2ねじ部材35を接触させることも可能である。この場合、第1ねじ部材32を第2ねじ部材35を互いに逆回転させながら位置調整することで、第1方向(図中上下方向)の位置が調整される。
【0029】
図2、図5に示すように、レーザー溶接ヘッド1の上部からレーザー溶接ヘッド1の内部を通してワイヤ8が供給され、ワイヤ8は案内部材12により先端チップ9に供給される。ワイヤ8は樹脂等の保護材(フレキシブルチューブ)で被覆され、もしくは樹脂等のフレキシブルチューブに挿入されている。先端チップ9の部位でワイヤ8は先端チップ9に接触した状態で露出するように供給され、保護材で被覆されたワイヤ8は案内部材12により先端チップ9の中心に案内される(ワイヤ8の供給系)。
【0030】
図2、図5に示すように、レーザー溶接ヘッド1の上部からレーザー溶接ヘッド1の外部を経由して給電用のブスバー17が設けられ、ブスバー17の下端部は通電接続部18を介してサポートブラケット11に接続されている。ブスバー17は図示しない電源に接続され、ブスバー17から通電接続部18、サポートブラケット11を介して先端チップ9に通電され、先端チップ9に支持されるワイヤ8に電力が供給されて消耗電極とされる(給電系)。
【0031】
ブスバー17及びサポートブラケット11を介してワイヤ8に通電するようにしたので、ワイヤ8を通電材(銅パイプ等)と共に先端チップ9に供給する必要がなくなる。このため、ワイヤ8の供給の自由度が向上してレーザー溶接ヘッド1の周囲に溶接ロボット等の取りまわしのスペースが確保される。
【0032】
即ち、図5に示したように、光ファイバ2の接続部に隣接してワイヤ8を供給する部位19を束ねることができ、レーザー溶接ヘッド1の周囲にワイヤ8を供給するためのスペースが不要になる。
【0033】
図2、図6に示すように、集光レンズ群15の下側には第1レーザー光3aと第2レーザー光3bを独立して透過させる円形の保護レンズ21,22を備えたカートリッジ23が設けられ、保護レンズ21,22は第1レーザー光3aと第2レーザー光3bが透過する部位に対向してそれぞれカートリッジ23に設けられている。
【0034】
そして、図6に示すように、カートリッジ23にはワイヤ8が通過するための切欠24が形成されている。
【0035】
保護レンズ21,22を備えたカートリッジ23を配設したことにより、第1レーザー光3aと第2レーザー光3bの照射を阻害することなく溶接部の熱や溶融金属などから集光レンズ群15を保護することができる。
【0036】
そして、第1レーザー光3aと第2レーザー光3bが透過する部位に対向して保護レンズ21,22をそれぞれ独立して設けたので、市販の標準レンズをそのまま使用して特別に保護レンズ21,22のための機械加工等が不要になる。また、溶接部の熱や溶融金属などによるダメージを受けた場合に、ダメージを受けた側の保護レンズ21もしくは保護レンズ22だけの交換が可能になり、コストを大幅に低減することができる。
【0037】
上記構成のレーザー溶接ヘッド1では、光ファイバ2で伝送された図示しないYAGレーザー発振器からのレーザー光3が下向きに入光し、コリメートレンズ群4により平行光とされる。コリメートレンズ群4で平行光とされた断面円形のレーザー光3は、半分が断面半円形の第1レーザー光3aとされると共に、半分が第1傾斜ミラー5及び第2傾斜ミラー6で反射されて断面半円形の第2レーザー光3bとされ、第1レーザー光3aと第2レーザー光3bが間隔を隔てた平行光とされる。
【0038】
第1レーザー光3aと第2レーザー光3bは集光レンズ群15を通り、保護レンズ21,22を透過して先端チップ9の側部から通過穴10を通って溶接部に集光される。同時に、ワイヤ8が先端チップ9に供給されると共にブスバー17から通電接続部18、サポートブラケット11を介して先端チップ9に通電され、先端チップ9に支持されるワイヤ8に電力が供給されて消耗電極とされる。
【0039】
これにより、第1レーザー光3a及び第2レーザー光3bの集光によるレーザー溶接と、ワイヤ8への通電によるアーク溶接(MIG溶接)とが同時に行なわれる。
【0040】
第1レーザー光3a及び第2レーザー光3bの集光点とワイヤ8の供給位置とを一致させるため、位置調整機構31の第1ねじ部材32により先端チップ9の第1方向の位置を調整して第1方向の位置を固定し、その後、第2ねじ部材35により先端チップ9の第2方向の位置を調整して第2方向の位置を固定する。
【0041】
これにより、ワイヤ8に曲げ癖等があった場合でも、第1レーザー光3a及び第2レーザー光3bの集光点に対してワイヤ8の供給位置を一致させるように調整することが可能になる。ワイヤ8には給電のための銅パイプ等が設けられていないため、先端チップ9の位置を調整した場合でも樹脂製の保護材が被覆されたワイヤ8自身の変形により先端チップ9の移動が吸収される。
【0042】
位置調整機構31を設けたことにより、第1レーザー光3a及び第2レーザー光3bの集光点と消耗電極となるワイヤ8の位置を一致させることができ、レーザー位置とアーク位置とを最適な状態に保持することが可能になる。
【0043】
また、上述したブスバー17及びサポートブラケット11を介してワイヤ8に通電するようにしたので、ワイヤ8を通電材(銅パイプ等)と共に先端チップ9に供給する必要がなくなり、ワイヤ8の調整の自由度が向上する。
【0044】
このため、ワイヤ8の供給の自由度が向上してレーザー溶接ヘッド1の周囲に溶接ロボット等の取りまわしのスペースが確保される。
【0045】
更に、保護レンズ21,22を備えたカートリッジ23を配設したことにより、第1レーザー光3aと第2レーザー光3bの照射を阻害することなく溶接部の熱や溶融金属などから集光レンズ群15を保護することができる。
【0046】
そして、第1レーザー光3aと第2レーザー光3bが透過する部位に対向して保護レンズ21,22をそれぞれ独立して設けたので、特別に保護レンズ21,22のための機械加工等を行なうことなく市販された標準レンズを使用することができる。また、溶接部の熱や溶融金属などによるダメージを受けた場合に、ダメージを受けた側の保護レンズ21もしくは保護レンズ22だけの交換が可能になり、コストを大幅に低減することができる。
【0047】
尚、本発明のレーザー溶接ヘッド1としては、先端チップ9の位置調整機構31が備えられていれば、銅パイプ等の通電手段と同軸状のワイヤ8を設けたものや、1枚の保護レンズを備えたものを適用することも可能である。
【0048】
また、アーク溶接としては、消耗電極となるワイヤを供給するものであば、炭酸ガスアーク溶接や混合ガスシールドアーク溶接等を適用することも可能である。また、場合によっては、ノンガスシールドアーク溶接を適用することも可能である。
【0049】
また、本発明のレーザー溶接ヘッド1は、切断、穿孔等溶接以外のの加工に適用することも可能である。
【0050】
【発明の効果】
本発明のレーザー溶接ヘッドは、
消耗電極となるワイヤが先端チップに供給されてアーク放電により溶接部位の溶接を行なうアーク溶接手段と、入力されたレーザー光を分岐レンズ群で分岐すると共に集光レンズ群を介して分岐したレーザー光を先端チップの周囲から前記溶接部位に集光させるレーザー溶接手段とが一つの本体に備えられたレーザー溶接ヘッドにおいて、
消耗電極となるワイヤの供給系とワイヤに給電を行なう給電系とが独立して設けられているので、
ワイヤの供給の自由度が向上してレーザー溶接ヘッドの周囲の取りまわしのスペースを確保することができる。
【0051】
この結果、溶接ヘッドの大型化を抑制することができると共にワイヤの調整自由度を向上させることができるレーザー溶接ヘッドとなる。
更に、レーザー光に交差する方向の前記先端チップの位置を調整するチップ位置調整機構を備えたので、レーザー光の集光位置に応じて先端チップの位置を調整することができる。
更に、前記チップ位置調整機構として、レーザー光に交差する一方向に先端チップを調整する一方向調整手段を用いれば、先端チップの一方向の位置を調整することができる。
一方向調整手段は、本体に対して先端チップを互いに反対方向に移動させる一対のねじ部材を備え、一対のねじ部材により先端チップの一方向位置を調整固定するようにしたので、ねじ部材の調整により先端チップの位置を調整することができる。
また、前記チップ位置調整機構として、レーザー光に交差する二方向に先端チップを調整する二方向調整手段を用いれば、先端チップの二方向の位置を調整することができる。
二方向調整手段は、本体に対してレーザー光に交差する第1方向に先端チップを移動させる第1ねじ部材と、第1方向への移動により傾斜面を介して第1方向に交差する方向に先端チップを移動させる第2ねじ部材とから構成され、第1ねじ部材により第1方向の先端チップの位置を調整固定した後第2ねじ部材により第1方向に交差する方向に先端チップの位置を調整固定するようにしたので、第1ねじ部材と第2ねじ部材により先端チップの二方向の位置を調整することができる。
【0052】
そして、請求項1又は2に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、消耗電極となるワイヤは本体の内部に配置されたフレキシブルチューブを介して先端チップに供給され、ワイヤへの給電を行なうために先端チップに電気的に接続される給電棒部材が本体の外部に配置されているので、ワイヤの供給の自由度が向上してレーザー溶接ヘッドの周囲の取りまわしのスペースを確保することができる。
【0058】
また、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、分岐したレーザー光のそれぞれに対応して独立した保護レンズを集光レンズ群の溶接部位側に設けたことを特徴とする。特別に保護レンズのための機械加工等を行なうことなく市販された標準レンズを使用することができ、また、溶接部の熱や溶融金属などによるダメージを受けた場合に、ダメージを受けた側の保護レンズだけの交換が可能になり、コストを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態例に係るレーザー溶接ヘッドの断面図。
【図2】図1中のII-II 線矢視図。
【図3】図2中のIII-III 線矢視図。
【図4】図3中の要部拡大図。
【図5】図2中のV-V 線矢視図。
【図6】図2中のVI-VI 線矢視図。
【符号の説明】
1 レーザー溶接ヘッド
2 光ファイバ
3 レーザー光
4 コリメートレンズ群
5 第1傾斜ミラー
6 第2傾斜ミラー
7 溶接ヘッド
8 ワイヤ
9 先端チップ
10 通過穴
11 サポートブラケット
12 案内部材
15 集光レンズ群
17 ブスバー
18 通電接続部
19 供給部位
21,22 保護レンズ
23 カートリッジ
24 切欠
31 チップ位置調整機構
32 第1ねじ部材
33 平行面
34 傾斜面
35 第2ねじ部材
36 ピン
Claims (4)
- 消耗電極となるワイヤが先端チップに供給されてアーク放電により溶接部位の溶接を行なうアーク溶接手段と、入力されたレーザー光を分岐レンズ群で分岐すると共に集光レンズ群を介して分岐したレーザー光を先端チップの周囲から前記溶接部位に集光させるレーザー溶接手段とが一つの本体に備えられたレーザー溶接ヘッドにおいて、消耗電極となるワイヤの供給系とワイヤに給電を行なう給電系とが独立して設けられ、レーザー光に交差する方向の前記先端チップの位置を調整するチップ位置調整機構を備え、前記チップ位置調整機構は、レーザー光に交差する一方向に先端チップを調整する一方向調整手段であり、一方向調整手段は、本体に対して先端チップを互いに反対方向に移動させる一対のねじ部材を備え、一対のねじ部材により先端チップの一方向位置を調整固定することを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
- 消耗電極となるワイヤが先端チップに供給されてアーク放電により溶接部位の溶接を行なうアーク溶接手段と、入力されたレーザー光を分岐レンズ群で分岐すると共に集光レンズ群を介して分岐したレーザー光を先端チップの周囲から前記溶接部位に集光させるレーザー溶接手段とが一つの本体に備えられたレーザー溶接ヘッドにおいて、消耗電極となるワイヤの供給系とワイヤに給電を行なう給電系とが独立して設けられ、レーザー光に交差する方向の前記先端チップの位置を調整するチップ位置調整機構を備え、チップ位置調整機構は、レーザー光に交差する二方向に先端チップを調整する二方向調整手段であり、二方向調整手段は、本体に対してレーザー光に交差する第1方向に先端チップを移動させる第1ねじ部材と、第1方向への移動により傾斜面を介して第1方向に交差する方向に先端チップを移動させる第2ねじ部材とから構成され、第1ねじ部材により第1方向の先端チップの位置を調整固定した後第2ねじ部材により第1方向に交差する方向に先端チップの位置を調整固定することを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
- 請求項1又は2に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、
消耗電極となるワイヤは本体の内部に配置されたフレキシブルチューブを介して先端チップに供給され、ワイヤへの給電を行なうために先端チップに電気的に接続される給電棒部材が本体の外部に配置されたことを特徴とするレーザー溶接ヘッド。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のレーザー溶接ヘッドにおいて、分岐したレーザー光のそれぞれに対応して独立した保護レンズを集光レンズ群の溶接部位側に設けたことを特徴とするレーザー溶接ヘッド。
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