JPH08510691A - レーザ溶接ヘッド及びその作動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明によれば、レーザ溶接ヘッドは、集束したレーザビーム（６）の出射口（４）と、この出射口（４）の領域では層流のガス流（１２）のためにハウジング内部に延びて出射口（４）の傍を通る流路（８）とが設けられているハウジング（２）を含んでいる。このような措置を講ずることによって、溶接時に溶接溶解物から集束光学系の方向へ投げ飛ばされた熔接滴の特に効率的な転向が可能となり、集束光学系の汚染が防止される。特に、出射口（４）の領域に形成される層状のガス流の速度は音速の約９０％の大きさである。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザ溶接ヘッド及びその作動方法 本発明は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第３５１３５０１号公報によ って公知であるようなレーザ溶接ヘッドに関する。さらに本発明はこのレーザ溶 接ヘッドの作動方法に関する。 レーザ溶接においては、溶接溶解物から小滴が裂き取られ、この小滴が近くに 存在する集束光学系の表面に沈積してこれを破壊させるおそれがあるという問題 がある。集束光学系の１つの可能な保護は傷が付いた際に交換することのできる 保護ガラスを使用することである。この保護ガラスにはしかしながら同様に反射 防止被膜を設ける必要があるので、特に溶接飛沫を発生し易い鋼、例えば亜鉛め っきされた鋼でのレーザ溶接法のコスト的に有利な使用は疑問視されている。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第３５１３５０１号公報によれば、レーザビー ムを集束する光学系とビーム焦点との間に横方向に延びるガス流を発生するノズ ルを含んだレーザ溶接ヘッドが公知である。このガス流は溶接溶解物から溢出し て集束光学系の方向へ移動する粒子を転向させるのに使われる。ノズルに対向し てガス排出導管の受入口が配置されており、この受入口はガス流をその全断面積 でその乱流領域を含めて受入れる。 ノズルから流出するガス流の乱流によって惹き起こされる音響の発生を抑制す るために、公知のレーザ溶接ヘッドにおいてはノズルを包囲するインゼクタ外被 が補助的に設けられ、このインゼクタ外被によって高速ガス流を包囲する層状の 流れ外被が形成される。この保護外被を用いると溶接領域では、この溶接領域に 維持されるべき保護ガス雰囲気を乱すおそれのある乱流が低減される。 しかしながら公知のレーザ溶接ヘッドを用いても、集束光学系又は保護ガラス 上への溶接飛沫の沈積を排除することができないことが判明している。 そこで本発明の課題は、レーザビームの光路に位置する光学要素の確実な保護 をコンパクトな構成で可能にするレーザ溶接ヘッドを提供することにある。さら にこのレーザ溶接ヘッドの作動方法を提供することにある。 このような課題は本発明によれば、それぞれ請求項１もしくは請求項１４に記 載された特徴事項によって解決される。本発明によるレーザ溶接ヘッドは、集束 したレーザビームの出射口と、層状のガス流のための流路のハウジング内部に延 びて出射口を通って配置されたセクションとが設けられているハウジングを含ん でいる。 本発明は、ガス流の乱流の際には溶接飛沫を確実に転向させかつ連行させるこ とはガス速度が高い場合には保証されないという認識に基づいている。その理由 は、ガス流の内部に発生する乱流によって、亜鉛めっきされた鋼では約１０ｍ／ ｓの速度でもって溶解物から溢出し、かつ約１ｍｍの直径を持ち得る溶接飛沫の 多くはレーザビームの伝播方向とは逆方向へより一層加速され得るということに ある。層状のガス流によって溶接粒子をかなり有効に転向させ得ることが判明し ている。質量ｍ、直径Ｒ及び溶接熔解物からの溢出速度ｖを持つ溶接粒子が受け る転向角αは、溶接粒子が幅Ｂ、密度ρ及び速度Ｕのガス流と交差する場合次式 α＝Ｒ²ρＵ²Ｃ_DＢ／ｍｖ² によって与えられる。この式から、ガスの高速度Ｕはガス流の幅Ｂの拡大より転 向角αに良好に影響を及ぼすことが直接推定できる。連行係数Ｃ_Dは乱流である か又は層流であるかに関係する。層流用の連行係数Ｃ_Dは乱流用の連行係数Ｃ_Dよ り大きいことが示されている。 本発明の１つの優れた実施態様によれば、流路の出射口の前に位置するセクシ ョン内には、流れを層流化する手段、特に堰板が配置される。このような措置を 講ずることによってレーザ溶接ヘッドのコンパクトな形状が可能になる。という のは、層流を発生するためには一般に湾曲しておらずかつ中断のない長い流路が 必要であるが、このような流路は空間的に狭い状態では得られないからである。 このようにして、レーザ溶接ヘッド内に流入した乱流はレーザビームに到達する 前に一番狭い空間で層流に変換される。 流路は出射口の領域に負圧を発生させる手段を有すると有利である。これによ って溶接物から出射口へ向かう僅かなガス流が作られる。 調整可能な段状の横断面拡大部が特に出射口内へ挿入されたスリーブの形で設 けられると有利である。これによって出射口の領域における負圧、従って流路の 外から出射口内へ流入するガス流を調整することができる。 特に優れた実施態様においては、レーザ溶接ヘッドは、レーザビームが流路へ 到達する前に伝播する保護室と、この保護室内に過圧を発生させる手段とを含む 。有利なことにこれによって保護室は流路の高圧側と流れ技術的に連通する。こ れによって、光学要素から離れるように向く僅かな補助的な流れが出射口の方向 へ形成される。 本発明によるレーザ溶接ヘッドの作動方法においては流路における圧力状態及 び流れ状態は、出射口の領域に少なくとも１００ｍ／ｓ、特にほぼ３００ｍ／ｓ の流れ速度を持つ層流が形成されるように選定される。 本発明を詳細に説明するために、図面に示された実施例を参照する。 図１は本発明による開放形レーザ溶接ヘッドの斜視図を示す。 図２はレーザ溶接ヘッドの出射口領域の断面図を示す。 図１によればレーザ溶接ヘッドは集束したレーザビーム６の出射口４を備えた ハウジング２を含んでいる。このハウジング２はフランジ２２上に配置されてお り、このフランジ２２はレーザ溶接ヘッドの後方に配置された図示されていない 集束光学系を保護するための保護窓２４を有している。出射口４はハウジング２ の開口部２６内に挿入された交換可能なスリーブ２８によって形成されている。 図示された開放形ハウジング２内には、少なくとも出射口４の領域では層状に 流れるガス流１２のためのＵ字状流路８が形成されている。ガスとしては例えば 空気又は窒素が好適である。流路８はそれぞれ異なった機能を満たす複数の連続 配置されたセクションを含んでいる。 Ｕ字状流路８の左側脚部によって加速室８２が形成されており、この加速室８ ２は外部からレーザ溶接ヘッドに導かれ図には詳細に示されていない例えばフレ キシブルなガス導管に接続されている。加速室８２はこの加速室内へ流入するガ スをほぼ９０°方向転換させ、その横断面のノズル状狭小部によってガス流を加 速させる。 加速室８２には、集束したレーザビーム６の伝播方向に交差するように向けら れた横路８４が続いている。この横路８４は出射口４に対して開放しており、ま たこの出射口４に対向して別の側方開口部３２を備えている。この側方開口部３ ２を通って集束したレーザビーム６が横路８４内へ入射し、それゆえ横路８４内 を流れるガス流１２と集束したレーザビーム６とが交差する。 開口部３２は円錐台状保護室３０に通じており、この円錐台状保護室３０内に おいて集束したレーザビーム６は横路８４と保護窓２４との間を伝播する。 円錐台状保護室３０は、この保護室３０の開口部３２の領域より高い圧力を有 する加速室８２に保護室３０を連通させる孔３４を備えている。 横路８４はガス流を新たにほぼ９０°方向転換させる膨張室８６に開口してお り、流入ガスはこの膨張室８６から側方排出口８７を通ってハウジング２を出て 行く。 流路８の上側乃び下側壁面８８は平坦状をしており、この壁面８８に対して垂 直に延びて部分的に湾曲した側壁９０に接している。 加速室８２において、流れ断面積はガス速度を約３００ｍ／ｓ又は音速の約９ ０％に高めることを可能にするために４〜８倍減少させられている。断面積狭小 部の開始領域にはガス流１２を形成するための堰板１０が配置されている。この 堰板１０の厚みは例えば２ｍｍであり、この堰板１０は約１ｍｍの直径の多数の 孔１０１を有している。この実施例では堰板は一辺の長さ１１ｍｍの正方形平面 を有し、約０．６ｍｍの直径を持つ１５０個の孔１０１を含んでいる。これによ って、ガス流の方向転換が一番狭い空間で行われるにも拘わらず、ガス流が音速 に近い場合でも、層流を強制的に作ることができる。 レーザ熔接ヘッドはさらに好適には保護ガス雰囲気を溶接部に作って維持する 補助装置を含んでいる。溶接部に向いた保護ガス流を形成するために、出射口４ の周囲には環状に多数の小さい流出口４０が設けられており、この小流出口４０ を通って保護ガスがハウジング２の内部を延びる図示されない通路からレーザビ ームにほぼ平行に溢出してこのレーザビームを同心的に包囲する。多数の小流出 口４０の代わりに１つの繋がっている環状流出口を設けることもできる。 図２に示された断面図には、横路８４の、加速室８２に直接続いている第１セ クション８４ａ内でガス流１２の形成が行われることが示されている。この第１ セクション８４ａはこのために平坦状側壁９０ａを備え、その幅Ｂの少なくとも ほぼ２〜３倍の大きさである長さＬを有している。この実施例では長さＬは約９ ｍｍ、幅は約２ｍｍである。この第１セクション８４ａには、断面積が段部９２ の形成により第１セクション８４ａの断面積に比べて拡大している第２セクショ ン８４ｂが続いている。その段部９２はハウジング２の開口部２６内へ挿入され た例えばねじ込みされたスリーブ２８によって規定され、ハウジング２の外部か ら流路８への外部吸込み流１４を生じるエゼクタ作用を惹き起こす。なお吸込み 流１４の量は段部２９の高さｈによって調整することができる。この高さｈはこ の実施例では０〜５ｍｍに設定することができる。スリーブ２８によってレーザ ビームの出射口４の断面積が規定される。スリーブ２８の内表面は図の特に優れ た実施例によれば、この断面積をレーザビームの伝播のために必要な大きさに制 限し得るようにするために、円錐形に形成されている。 保護室３０を孔３４を介して加速室８２に連通させることによって、保護室３ ０内には、同様に第２セクション８４ｂの領域における圧力状態に比較して、レ ーザビームの伝播方向へ付加的に内部吸込み流１５を惹き起こす僅かな過圧が作 られる。 加速室８２内ではガス速度の増大の他にガス流の方向転換も行われる。堰板１ ０によって作られた層流を乱さないようにするために、側壁９０の曲率半径ｒは 小さくしすぎてはならない。というのは、側壁９０の曲率半径ｒを小さくしすぎ ると乱流への変換が起こるからである。２〜６ｍｍの範囲の曲率半径ｒを用いる と、ガスの層流は音速に近い速度の際にも維持され得ることが示されている。

【手続補正書】 【提出日】１９９６年１月２９日 【補正内容】 請求の範囲 １．集束したレーザビーム（６）の出射口（４）が設けられたハウジング（２） と、この出射口（４）の領域で層状のガス流（１２）のための流路（８）のハウ ジング（２）の内部に延びて出射口（４）を通って配置されたセクション（８４ ）とを備えるレーザ溶接ヘッドにおいて、流路（８）の流れ方向において出射口 （４）の前に位置しガス速度を高めるためにノズル状の断面積狭小部を有するセ クション（８２）が設けられ、この内部にガス流を層流化する手段（１０）が配 置されていることを特徴とする レーザ容接ヘッド。２ ．ガス流を層流化する手段（１０）として孔（１０１）を備えた堰板（１０） が設けられていることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接ヘッド。３ ．流路（８）は出射口（４）の領域に負圧を発生させる手段（９２）を有する ことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ溶接ヘッド。４ ．調整可能な段状の断面積拡大部（９２）が設けられていることを特徴とする 請求項３記載のレーザ溶接ヘッド。５ ．段状の断面積拡大部（９２）はハウジング（２）の開口部（２６）内へ挿入 されたスリーブ（２８）によって形成されていることを特徴とする請求項４記載 のレーザ溶接ヘッド。 ６．スリーブ（２８）の内径はレーザビーム（６）の伝播方向に向かって減少し ていることを特徴とする請求項５記載のレーザ溶接ヘッド。７ ．流路（８）は出射口（４）の領域でレーザビーム（６）の伝播方向に対して 垂直に延びていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のレーザ溶接ヘ ッド。８ ．流路（８）はＵ字形に形成されていることを特徴とする請求項１乃至７の１ つに記載のレーザ溶接ヘッド。９ ．流路（８）内に開口しレーザビーム（６）が流路（８）へ到達する前に伝播 する保護室（３０）内に過圧を発生させる手段が設けられていることを特徴とす る請求項１乃至８の１つに記載のレーザ溶接ヘッド。10 ．保護室（３０）は流路（８）の流れ方向において出射口（４）の前に位置す るセクション（８２）に流れ技術的に連通していることを特徴とする請求項９記 載のレーザ溶接ヘッド。11 ．流路（８）における圧力状熊及び流れ状態は、出射口（４）の領域に流れ速 度が少なくとも１００ｍ／ｓの大きさである層状のガス流が生ずるように選定さ れることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載のレーザ溶接ヘッドの作動 方法。12 ．流れ速度は音速のほぼ９０％の大きさであることを特徴とする請求項１１記 載のレーザ溶接ヘッドの作動方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ルデヴイヒト、クラウス ドイツ連邦共和国 デー‐22113 オスト シユタインベーク ダンチガー シユトラ ーセ 10デー (72)発明者 タウフエンバツハ、ノルベルト ドイツ連邦共和国 デー‐21493 バスト ホルスト アム フオーゲルベルク 16

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．集束したレーザビーム（６）の出射口（４）が設けられたハウジング（２） と、この出射口（４）の領域で層状のガス流（１２）のための流路（８）のハウ ジング（２）の内部に延びて出射口（４）を通って配置されたセクション（８４ ）とを備えるレーザ溶接ヘッド。 ２．流路（８）の流れ方向において出射口（４）の前に位置するセクション（８ ２）内に、ガス流を層流化する手段（１０）が配置されていることを特徴とする 請求項１記載のレーザ溶接ヘッド。 ３．ガス流を層流化する手段（１０）として孔（１０１）を備えた堰板（１０） が設けられていることを特徴とする請求項２記載のレーザ溶接ヘッド。 ４．流路（８）は出射口（４）の領域に負圧を発生させる手段（９２）を有する ことを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のレーザ溶接ヘッド。 ５．調整可能な段状の断面積拡大部（９２）が設けられていることを特徴とする 請求項４記載のレーザ溶接ヘッド。 ６．段状の断面積拡大部（９２）はハウジング（２）の開口部（２６）内へ挿入 されたスリーブ（２８）によって形成されていることを特徴とする請求項５記載 のレーザ溶接ヘッド。 ７．スリーブ（２８）の内径はレーザビーム（６）の伝播方向に向かって減少し ていることを特徴とする請求項６記載のレーザ溶接ヘッド。 ８．流路（８）は出射口（４）の領域でレーザビーム（６）の伝播方向に対して 垂直に延びていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載のレーザ溶接ヘ ッド。 ９．流路（８）はガス速度を高めるためにノズル状の断面積狭小部を有すること を特徴とする請求項５記載のレーザ溶接ヘッド。 １０．流路（８）はＵ字形に形成されていることを特徴とする請求項１乃至９の １つに記載のレーザ溶接ヘッド。 １１．流路（８）内に開口しレーザビーム（６）が流路（８）へ到達する前に伝 播する保護室（３０）内に過圧を発生させる手段が設けられていることを特徴と する請求項１乃至１０の１つに記載のレーザ溶接ヘッド。 １２．保護室（３０）は流路（８）の流れ方向において出射口（４）の前に位置 するセクション（８２）に、流れ技術的に連通していることを特徴とする請求項 １１記載のレーザ溶接ヘッド。 １３．保護室（３０）と流路（８）の加速室（８２）とが孔（３４）によって相 互に連通していることを特徴とする請求項１２記載のレーザ溶接ヘッド。 １４．流路（８）における圧力状熊及び流れ状態は、出射口（４）の領域に流れ 速度が少なくとも１００ｍ／ｓの大きさである層状のガス流が生ずるように選定 されることを特徴とする請求項１乃至１３の１つに記載のレーザ溶接ヘッドの作 動方法。 １５．流れ速度は音速のほぼ９０％の大きさであることを特徴とする請求項１４ 記載のレーザ溶接ヘッドの作動方法。