JPH091374A - レーザ加工機における溶接用加工ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スパッタやブローホールを生じ易いアルミ合
金を、集光レンズの汚染を抑制しながら、外観が優れ、
かつ内部欠陥のない溶接ビードで接合する。 【構成】 溶接用加工ヘッド１の集光レンズ２よりもレ
ーザ光３の集光側に、筒状部材５の内側全域をエアカー
テン状に横断するシールドガスを吹込むシールドガス吹
込孔８を設けると共に、シールドガス吹込孔８に相対す
る側にシールドガスを排出するシールドガス排出孔１０
を設ければ、シールドガス吹込孔８から多量のシールド
ガスを吹込んでスパッタの飛来による集光レンズ２の汚
染を防止することができ、しかもシールドガス排出孔１
０からシールドガスを排出することにより、加工ヘッド
ノズル６から噴射するシールドガスの噴射速度を適性に
調整することができるので、アルミ合金でも外観が優れ
ると共に内部欠陥のない溶接ビードで接合することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工機における
溶接用加工ヘッドの改善に係り、特に集光光学系に対す
る優れた汚染防止機能を備えているにもかかわらず、ス
パッタやブローホールを生じ易いアルミ合金でも、欠陥
の少ない溶接部位を得ることを可能ならしめるレーザ加
工機における溶接用加工ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の典型的なレーザ加工機における溶
接用加工ヘッドは、その縦断面図の図４に示すように構
成されている。即ち、この溶接用加工ヘッド１の筒状部
材５の内側にレンズホルダー４が設けられており、これ
によってレーザ光３を集光する集光光学系である集光レ
ンズ２が支えられている。また、筒状部材５の先端部に
は加工ヘッドノズル６が設けられており、レーザ光３
は、加工ヘッドノズル６の直下に集光点７を結ぶように
集光レンズ２で集光されるように構成されている。さら
に、加工ヘッドノズル６から噴射させるアルゴンやヘリ
ウム等のシールドガスを筒状部材５の集光レンズ２と加
工ヘッドノズル６との間に供給するシールドガス吹込孔
８が設けられている。加工ヘッドノズル６から噴射する
シールドガスは、溶接部を外気と遮断して、溶接部の酸
化や欠陥の発生を防止すると共に、溶接部直上に形成さ
れるプラズマの状態を制御し、さらに溶接ヒューム等の
溶接用加工ヘッド１内への進入を遮る働きをするもので
ある。

【０００３】しかしながら、近年、益々多様されるよう
になってきている大出力レーザ溶接やレーザ光によるア
ルミ合金等の溶接では、溶接部におけるスパッタやヒュ
ームの発生が激しく、集光レンズ等の集光光学系の汚染
による出力低下に起因する溶接結果の不安定性や光学部
品の寿命の低下が問題となっている。このようなスパッ
タ等による集光光学系の汚染防止を可能ならしめるよう
にしたレーザ加工機の溶接用加工ヘッドは、例えば特開
昭５９−２２３１９１号公報、特開平１−１０７９９４
号公報、特開平６−１２２０８９号公報等に開示されて
いる。

【０００４】先ず、特開昭５９−２２３１９１号公報に
開示されてなるレーザ加工機の溶接用加工ヘッドは、そ
の断面図の図５（ａ）と、図５（ａ）のＢ−Ｂ線断面図
の図５（ｂ）とに示すように、溶接用加工ヘッドである
加工本体１の先端部に、空気や窒素等のレンズ保護用ガ
スを内面に設けられたノズル孔２１ａから集光レンズ５
の光軸を横切り膜状にかつ高流速で流出して溶接時のス
パッタから集光レンズ５を保護するレンズ保護用ノズル
２１が取付けられている。このレンズ保護用ノズル２１
のノズル孔２１ａは、例えば図５（ｂ）に示すように、
その平面形状がほぼ扇形をしており、レンズ保護用ガス
が集光レンズ５のレンズ面全面を覆うようになってい
る。また、レーザ光４の集束点４ａ近傍にはアルゴンガ
ス等のシールドガスを比較的緩やかな流速で被溶接材の
溶接個所に供給するシールドガス供給ノズル２２が設け
られており、シールドガス供給ノズル２２は、結合部材
２３によって加工ヘッド本体１と結合し固定されてい
る。従って、レンズ保護用ノズル２１のノズル孔２１ａ
から流出するレンズ保護用ガスによって、集光レンズ５
に向かって飛来するスパッタが阻止されので、集光レン
ズ５の汚染が防止され、またシールドガス供給ノズル２
２から流出するシールドガスで被溶接材の溶接個所が覆
われるので、支障なく溶接が行われる。

【０００５】特開平１−１０７９９４号公報に開示され
てなるレーザ加工機の溶接用加工ヘッドを、その断面図
の図６（ａ）と、図６（ａ）のＣ−Ｃ線断面図の図６
（ｂ）とを参照しながら説明すると、符号１は溶接用加
工ヘッドである溶接ヘッドで、この溶接ヘッド１の上部
に配設された集光レンズ２はレーザ光５を溶接部材３，
３の突合わせ面上の焦点に集め、移動する溶接部材の突
合わせ部を溶かして溶接が行われる。溶接ヘッド１の左
側の側壁に設けられたガス吐出管６を通る空気はガス吐
出ノズル８を介して溶接ヘッド１内に吹込まれ、この空
気はガス吸出孔９をとおり溶接ヘッド１の右側の側壁に
設けられたガス吸出管７から吸出される。ガス吐出ノズ
ルは横方向に１列に多数設けられており、ガス吸出孔９
は横方向に延びた偏平状になっているので、ガス吐出ノ
ズル８からガス吸出孔９に流れる気流は膜状になり、こ
の膜状の気流によって溶接に際して発生するスパッタの
溶接ヘッド１内への進入が阻止される。なお、開口をレ
ーザ光５の焦点４に向けてなる左側の管は溶接個所にシ
ールドガスを吹付ける雰囲気ガス吐出ノズル１０であ
り、また右側の管は排気管１１である。

【０００６】特開平６−１２２０８９号公報に開示され
てなるレーザ加工機の溶接用加工ヘッドを、その要部拡
大縦断面図の図７を参照しながら説明すると、照射用ノ
ズルチップ４の前方に離間して、レーザ光Ｌが通過する
開口部１２を有するスパッタガード１１を配設すると共
に、レーザ光Ｌに対して略直交し、かつ開口部１２の上
方を覆うエアカーテンを形成するスパッタ進入防止用ガ
スの偏平ノズルが形成されている。さらに、スパッタガ
ード１１の上面にスパッタ進入防止用ガスの誘導溝１３
が形成されている。従って、溶接部２からのスパッタ等
は、スパッタガード１１によって溶接用加工ヘッド１方
向への飛散分の大部分が遮られると共に、レーザ光通過
用の開口部１２を介して飛散する部分もエアカーテンに
よって遮られる。なお、スパッタガード１１の下部に傾
斜配設されてなるものは、溶接部２にシールドガスを噴
射するシールドガスノズル９である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなスパッタ
遮蔽手段の採用により、集光レンズ等の集光光学系の汚
染防止の問題はかなり改善される。しかしながら、スパ
ッタによる集光光学系の汚染防止と平行して、被溶接材
の溶接部の良好な品質を確保するのは非常に困難であ
る。例えば、アルミ合金では一般的な鉄鋼材料に比較し
て溶湯が軽量で、流動性が良く、かつ酸化し易いという
特性を有しているので、レーザ溶接に際してはスパッタ
が発生し易く、またブローホールも発生し易い。

【０００８】そのため、溶接部の近傍に別途に設けたシ
ールドガスを吹出すシールドガス用ノズルの形状や、ガ
スの流量を種々検討しても、溶接ビードの外観や溶接ビ
ードの内部欠陥に関しては、図４に基づいて説明した典
型的な溶接用加工ヘッドによる溶接で得られるような品
質の溶接部を得ることが困難であった。つまり、加工ヘ
ッドノズルからシールドガスを噴射する典型的な溶接用
加工ヘッドに、集光光学系の汚染を確実に防止し得る機
能を付加することが、外観が優れかつ内部欠陥のない高
品質の溶接ビードを得る上において好ましい。

【０００９】従って、本発明の目的とするところは、集
光光学系に対する優れた汚染防止機能を備えているにも
かかわらず、スパッタやブローホールを生じ易いアルミ
合金でも、欠陥の少ない溶接部位を得ることを可能なら
しめるレーザ加工機における溶接用加工ヘッドを提供す
るにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】従って、上記課題を解決
するために、本発明の請求項１に係るレーザ加工機にお
ける溶接用加工ヘッドが採用した手段の特徴とするとこ
ろは、筒状部材の内側にレーザ光を集光する集光光学系
を備えると共に、前記筒状部材の先端部側に加工ヘッド
ノズルを備えてなるレーザ加工機における溶接用加工ヘ
ッドにおいて、前記筒状部材の前記集光光学系とレーザ
光の集光点との間に、該筒状部材の内側全域を横断する
向きにエアカーテン状に溶接用シールドガスを噴射する
シールドガス吹込孔を設けたところにある。

【００１１】また、本発明の請求項２に係るレーザ加工
機における溶接用加工ヘッドが採用した手段の特徴とす
るところは、請求項１に記載のレーザ加工機における溶
接用加工ヘッドにおいて、前記筒状部材の前記シールド
ガス吹込孔の相対する側に、シールドガス吹込孔から吹
込れるガスを排出するシールドガス排出孔を設けたとこ
ろにある。

【００１２】また、本発明の請求項３に係るレーザ加工
機における溶接用加工ヘッドが採用した手段の特徴とす
るところは、請求項２に記載のレーザ加工機における溶
接用加工ヘッドにおいて、前記シールドガス排出孔に連
通するシールドガス排出管にガス流量調整弁を介装した
ところにある。

【００１３】

【作用】本発明の請求項１に係るレーザ加工機における
溶接用加工ヘッドによれば、シールドガス吹込孔からよ
り大量のシールドガスを筒状部材に吹込むことにより、
加工ヘッドノズルから被溶接材の溶接部にシールドガス
を噴射することができると共に、集光光学系に向かって
飛散するスパッタ等を遮ることができる。

【００１４】本発明の請求項２に係るレーザ加工機にお
ける溶接用加工ヘッドによれば、シールドガス吹込孔か
らより大量のシールドガスを筒状部材に吹込むことによ
り加工ヘッドノズルから被溶接材の溶接部にシールドガ
スを噴射することができると共に、集光光学系に向かっ
て飛散するスパッタ等を遮ることができ、筒状部材に吹
込まれたシールドガスをシールドガス排出孔から排出す
ることにより、加工ヘッドノズルから溶接部に噴射され
るシールドガスの量を典型的な従来例に係る加工ヘッド
ノズルから噴射されるシールドガスの量と同等にするこ
とができる。

【００１５】本発明の請求項３に係るレーザ加工機にお
ける溶接用加工ヘッドによれば、シールドガス吹込孔か
らより大量のシールドガスを筒状部材に吹込むことによ
り加工ヘッドノズルから被溶接材の溶接部にシールドガ
スを噴射することができると共に、集光光学系に向かっ
て飛散するスパッタ等を遮ることができ、またシールド
ガス排出孔に連通するシールドガス排出管に介装したガ
ス流量調整弁の開度を調整してシールドガス排出孔から
排出されるシールドガスの量を調整することにより、加
工ヘッドノズルから溶接部に噴射されるシールドガスの
量を簡単に調整することができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例に係るレーザ加工機に
おける溶接用加工ヘッドを、その要部を示す縦断面図の
図１と、図１のＡ−Ａ線断面図の図２とを参照しながら
説明する。

【００１７】図１に示す符号１は溶接用加工ヘッドで、
この溶接用加工ヘッド１は、後述する構成になるシール
ドガス吹込孔と、シールドガス排出孔とを有する筒状部
材５と、この筒状部材５の内壁に設けられるリング状の
レンズホルダー４と、このレンズホルダー４の内周に設
けられた溝に嵌着され、レーザ光３を集光する集光光学
系である集光レンズ２と、この筒状部材５の下側の先端
に設けられる加工ヘッドノズル６とから構成されてい
る。ところで、この実施例では、集光光学系として集光
レンズ２を用いているが、集光光学系として放物面鏡等
を有するものであっても良い。なお、符号７は集光レン
ズ２の焦点に集光したレーザ光３の集光点で、ここで被
溶接材Ｗの溶接が行われる。

【００１８】前記シールドガス吹込孔８は、図２に示す
ように、筒状部材５の周方向に複数（この例では６個）
配列され、これらシールドガス吹込孔８には、筒状部材
５の周方向に偏平であって、Ａ−Ａ断面における形状が
扇形をしたシールドガス供給ノズル９が接続されてい
る。また、シールドガス排出孔１０は１個で、これには
ガス流量調整弁１２が介装されてなるシールドガス排出
管１１が連通している。なお、この例では、複数のシー
ルドガス吹込孔８を設けているが、例えば、溶接用加工
ヘッド横断面図の図３に示すように、筒状部材５の周方
向に長い偏平な１個のシールドガス吹込孔８にしても良
い。

【００１９】以下、上記構成になるレーザ加工機におけ
る溶接用加工ヘッドの作用態様を説明すると、被溶接材
Ｗを溶接するに際して、シールドガス供給ノズル９から
シールドガスがシールドガス吹込孔８を介して筒状部材
５に吹込まれる。吹込まれたシールドガスの内の一部は
シールドガス排出孔１０を介してシールドガス排出管１
１から排出されると共に、他のシールドガスは加工ヘッ
ドノズル６から被溶接材Ｗの溶接部に吹付けられる。

【００２０】そして、被溶接材Ｗのレーザ溶接により溶
接部からスパッタが飛散し、その一部は加工ヘッドノズ
ル６の開口部から進入して集光レンズ２まで飛来しよう
とするが、シールドガス供給ノズル９から筒状部材５内
により多量のシールドガスを吹込むことによりスパッタ
が効果的に遮られる。このように、シールドガス吹込孔
８から筒状部材５内により多量のシールドガスを吹込ん
でも、ガス流量調整弁１２の開度を調整してシールドガ
ス排出管１１からのシールドガスの排出量を調整するこ
とにより、加工ヘッドノズル６から被溶接材Ｗの溶接部
に噴射されるシールドガス量を、外観が優れると共に内
部欠陥のない溶接ビードの形成に適した被溶接材Ｗの材
質に対応する量に調整することができる。

【００２１】因みに、シールドガス吹込孔８から筒状部
材５内にシールドガスであるアルゴンガス（６０リット
ル／ｍｉｎ）を吹込み、ガス流量調整弁１２の開度調整
により加工ヘッドノズル６からのアルゴンガスの噴射速
度を１０ｍ／ｓに調整し、アルミ合金（Ａ５０５２）の
板を２ｍ／ｍｉｎの速度で移動させて、３．５ｋＷのレ
ーザ光３にて溶接したところ、集光レンズ２の汚染は、
典型的な従来例に係る溶接用加工ヘッドの場合の１０％
以下に抑えられ、さらに溶接ビードの外観や内部欠陥も
同等であり、スパッタ遮蔽手段を備えた従来例に係る溶
接用加工ヘッドによる場合よりも優れていた。なお、こ
の実施例では、上記のとおり、アルゴンガスの吹込み方
向はレーザ光３の光軸に対して直角であるが、若干下向
きにアルゴンガスを吹込むと、集光レンズ２に付着する
スパッタの量が少なくなる傾向が認められた。

【００２２】従って、被溶接材が、例えスパッタや内部
欠陥が生じ易いアルミ合金であっても、従来のように、
集光レンズの汚染による出力低下に起因する溶接結果の
不安定性や光学部品の寿命低下の恐れも少なく、また溶
接ビードの外観不良や内部欠陥も少なくなる。そのた
め、長期にわたり外観が優れ、しかも内部欠陥の少ない
溶接ビードを持つ溶接製品が得られ、溶接製品の信頼性
の向上に大いに寄与することができる。

【００２３】なお、以上では、ガス流量調整弁１２の開
度調整により、加工ヘッドノズル６からのアルゴンガス
の噴射速度を調整する例を説明したが、シールドガス排
出管１１から排出するアルゴンガスの量を一定にして
も、シールドガス供給ノズル９からのアルゴンガスの供
給量を調整することにより加工ヘッドノズル６からのア
ルゴンガスの噴射速度を調整することもできる。

【００２４】また、シールドガス排出管１１から排出さ
れるシールドガスを回収して、図示しないシールドガス
供給源からシールドガス供給ノズル９に連通する管路に
混入させるというように、再使用することも可能であ
る。さらに、スパッタ遮蔽手段を備えた従来例に係る溶
接用加工ヘッドのように、被溶接材の溶接部にシールド
ガスを噴射するシールドガスノズルを別途設けることも
できる。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の請求項１に
係るレーザ加工機における溶接用加工ヘッドによれば、
シールドガス吹込孔からより大量のシールドガスを筒状
部材に吹込むことにより集光光学系に向かって飛散する
スパッタ等を遮ることができ、また本発明の請求項２ま
たは３に係るレーザ加工機における溶接用加工ヘッドに
よれば、筒状部材に吹込まれたシールドガスをシールド
ガス排出孔から排出することにより、加工ヘッドノズル
から被溶接材の溶接部に噴射されるシールドガスの量を
典型的な従来例に係る加工ヘッドノズルから噴射される
シールドガスの量と同等にすることができるので、被溶
接材がスパッタや内部欠陥が生じ易いアルミ合金であっ
ても、従来のように、集光レンズの汚染による出力低下
に起因する溶接結果の不安定性や光学部品の寿命低下の
恐れも少なく、また溶接ビードの外観不良や内部欠陥も
少なくなる。そのため、長期にわたり外観が優れ、しか
も内部欠陥の少ない溶接ビードを持つ溶接製品が得ら
れ、溶接製品の信頼性の向上に大いに寄与し得るという
多大な効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るレーザ加工機における溶
接用加工ヘッドの要部を示す縦断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】本発明の他の実施例に係る溶接用加工ヘッド横
断面図である。

【図４】従来例に係る典型的なレーザ加工機における溶
接用加工ヘッドの縦断面図である。

【図５】特開昭５９−２２３１９１号公報に開示されて
なる従来例に係り、図５（ａ）はレーザ加工機の溶接用
加工ヘッドの断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ
線断面図である。

【図６】特開平１−１０７９９４号公報に開示されてな
る従来例に係り、図６（ａ）はレーザ加工機の溶接用加
工ヘッドの断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ線
断面図である。

【図７】特開平６−１２２０８９号公報に開示されてな
る従来例に係り、レーザ加工機の溶接用加工ヘッドの要
部拡大縦断面図である。

【符号の説明】

１…溶接用加工ヘッド ２…集光レンズ ３…レーザ光 ４…レンズホルダー ５…筒状部材 ６…加工ヘッドノズル ７…集光点 ８…シールドガス吹込孔 ９…シールドガス供給ノズル １０…シールドガス排出孔 １１…シールドガス排出管 １２…ガス流量調整弁 Ｗ…被溶接材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状部材の内側にレーザ光を集光する集
   光光学系を備えると共に、前記筒状部材の先端部側に加
   工ヘッドノズルを備えてなるレーザ加工機における溶接
   用加工ヘッドにおいて、前記筒状部材の前記集光光学系
   とレーザ光の集光点との間に、該筒状部材の内側全域を
   横断する向きにエアカーテン状に溶接用シールドガスを
   噴射するシールドガス吹込孔を設けたことを特徴とする
   レーザ加工機における溶接用加工ヘッド。
2. 【請求項２】 前記筒状部材の前記シールドガス吹込孔
   の相対する側に、シールドガス吹込孔から吹込まれるガ
   スを排出するシールドガス排出孔を設けたことを特徴と
   する請求項１に記載のレーザ加工機における溶接用加工
   ヘッド。
3. 【請求項３】 前記シールドガス排出孔に連通するシー
   ルドガス排出管にガス流量調整弁を介装したことを特徴
   とする請求項２に記載のレーザ加工機における溶接用加
   工ヘッド。