JP4100593B2

JP4100593B2 - レーザ溶接装置

Info

Publication number: JP4100593B2
Application number: JP13088999A
Authority: JP
Inventors: 馨安達; 数彦小野; 泰一松本
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1999-05-12
Filing date: 1999-05-12
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2019-05-12
Also published as: JP2000317666A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はレーザ溶接装置に関するもので、詳しくは溶接部に対してフィラーワイヤを送給したり、あるいはアシストガスを供給したりする際に、溶接進行方向に対するフィラーワイヤの送給方向やアシストガスの供給方向等を容易に制御可能なレーザ溶接装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ溶接装置における溶接トーチ周辺の構造を、図１１に示している。同図において、５１は溶接トーチであり、この溶接トーチ５１の内部には集光用レンズ５２が配置され、またその側部にはシールドガス入口５３が形成されている。またさらに溶接トーチ５１の側部には、フィラーワイヤ送給ノズル保持用ブラケット５４が取付けられ、このブラケット５４にフィラーワイヤ送給ノズル５５が取付けられている。このレーザ溶接装置においては、レーザビームの照射される溶接部Ｗに対して、上記フィラーワイヤ送給ノズル５５からフィラーワイヤ５６を送給しながら溶接を行うのである。そして従来のレーザ溶接装置においては、溶接トーチ５１は移動させず、図１１に矢印で示すように、被溶接部材を移動させながら溶接を行っている。また溶接トーチ５１及びその周辺が比較的大型であることから、レーザビーム軸Ｌの回りの回転軸を有していないのが普通である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上記のようなレーザ溶接装置において、溶接線が直線であるような場合には特に大きな問題は生じないが、溶接線が図２に示すように曲線であるような場合には、フィラーワイヤ５６の送給に関連して、以下のような問題が生じる。それは同図のような曲線を溶接する場合、被溶接部材の位置をＸ−Ｙ平面上で移動させればレーザビームの照射位置は溶接線ＷＬに対して正確に追従させることができるものの、溶接部Ｗに対するフィラーワイヤ５６の送給方向は一定方向に保持されたままであるので、溶接線に追従させることができないということである。すなわちフィラーワイヤ５６は溶接部Ｗに対し、溶接進行方向の後方から溶接進行方向に向けて送給するのが溶接品質上は好ましいのに対し、溶接トーチ１とフィラーワイヤ送給ノズル５５とが相対回転できず、フィラーワイヤ送給ノズル５５が一定状態に保持されたままであるため、溶接中に溶接進行方向に対するフィラーワイヤ５６の送給方向が時々刻々と変化してしまうということである。そして溶接進行方向に対してフィラーワイヤ５６を誤った方向から送給すると、図３中のＢ点に示しているように、溶接欠陥Ｄが生じることがある。なお同図におけるＡ点は、フィラーワイヤが溶接進行方向に沿って正しく送給され、良好な溶接品質の得られた状態を示している。
【０００４】
上記のような不具合を解消しようとすれば、被溶接部材そのものを回転する機構を設ければよいが、このような回転機構を設けるには多大のスペースを必要とするので、実用的ではない。また図１２や図１３に示すように、２つの回転軸（α軸、β軸）を備えたレーザ溶接トーチ５１も公知ではあるが、このような溶接トーチ５１を用いたとしても、フィラーワイヤ５６を溶接進行方向に沿って正しく送給しようとすると、上記したような被溶接部材の回転機構が不可欠である。なお図１２及び図１３において、５７はウィンドウ、５８は反射鏡、５９は放物面鏡をそれぞれ示しており、また図１１と同一機能部分には同一の符号を付してその説明を省略している。
【０００５】
また効率の良いレーザ溶接を行うためには、アシストガスを使用するのが有利であることが知られているが（例えば、溶接学会論文集第３巻（１９８５）第２号）、このアシストガスの供給方向もレーザ溶接の品質を大いに左右する。すなわちアシストガスは、レーザ照射部において発生するプラズマを除去して溶け込み深さを確保するために用いるものであるが、アシストガスを吹き付けることによって、キャビティや溶融池に直接圧力が作用するため、その供給方向によっては溶接欠陥を生じることになるのである。また立向き上進溶接や立向き下進溶接においては、溶融池に作用する重力ヘッドの影響で、溶融池が不安定となって、良好な溶接を行うのが困難であるとされているが、このような場合、上記アシストガスの供給方向は、溶接品質をひときわ大きく左右することになる。
【０００６】
この発明は上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、フィラーワイヤの送給方向やアシストガスの供給方向等を容易に制御することが可能なレーザ溶接装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び効果】
そこで請求項１のレーザ溶接装置は、溶接部Ｗにレーザビームを照射する溶接トーチ１と、少なくともフィラーワイヤ送供給用ノズル９とアシストガス供給ノズル１０とから成るアタッチメントとを備えたレーザ溶接装置において、上記アタッチメントを支持するアタッチメント支持部材５を移動可能に設けると共に、さらにこのアタッチメント支持部材５を移動させる駆動源６と、この駆動源６を制御する制御部８とを設け、上記制御部８によって駆動源６を制御することにより上記アタッチメント支持部材５の位置制御を行うことで、上記アタッチメントを上記レーザビーム軸Ｌの軸心回りに移動させ、上記溶接部Ｗに対するフィラーワイヤ１１の送給方向及びアシストガスの供給方向を上記レーザビーム軸Ｌの軸心回りに変化させるべく構成して成り、上記制御部８によって、立向又は水平溶接においては、溶融池ＭＰに対して下向きに作用する重力ヘッドを支持するようにアシストガスの供給方向を上側に向けるようにアシストガス供給ノズル１０の位置を制御することを特徴としている。
【０００８】
上記請求項１のレーザ溶接装置によれば、制御部８によって駆動源６を制御することによりアタッチメント支持部材５の位置制御を行うことで、上記アタッチメントを上記レーザビーム軸Ｌの軸心回りに移動させ、上記溶接部Ｗに対するフィラーワイヤ１１の送給方向等を上記レーザビーム軸Ｌの軸心回りに変化させることが可能となる。従って溶接進行方向とフィラーワイヤ１１の送給方向やアシストガスの供給方向等との関係を容易に一致させることができ、この結果、溶接線ＷＬが曲線であるような場合にも安定した溶接を行うことが可能になる。しかも、このレーザ溶接装置によれば、溶融池に下向きに重力ヘッドが作用するのに対して、下側から上方に向けてアシストガスの力がこれを支持する方向に作用するので、溶融池の溶け落ち傾向を減少でき、これにより安定した溶接が行えることになる。そしてこのような作用を得るためのフィラーワイヤ送給ノズル９とアシストガス供給ノズル１０との配置を、いずれの場合にも、アタッチメント支持部材５の移動によって容易に達成することができるので、その作業性が向上する。
【０００９】
また請求項２のレーザ溶接装置は、上記アタッチメント支持部材５は、上記レーザビーム軸Ｌと略同軸上に回転可能に溶接トーチ１に取付けられ、上記アタッチメントがレーザビーム軸Ｌの周囲において旋回可能に配置されていることを特徴としている。
【００１０】
上記請求項２のレーザ溶接装置によれば、アタッチメントの位置制御を行うための構成を簡素化できると共に、アタッチメントの位置決め精度も向上する。
【００１１】
請求項３のレーザ溶接装置は、上記アタッチメント支持部材５には、フィラーワイヤ送給ノズル９とアシストガス供給ノズル１０とが、レーザビーム軸Ｌを挟んで互いに相対向する位置に取付けられ、上記フィラーワイヤ送給ノズル９を溶接進行方向前方に、また上記アシストガス供給ノズル１０を溶接進行方向後方にそれぞれ位置させて立向き上進溶接を行うよう上記制御部８で上記アタッチメント支持部材５の位置制御を行うことを特徴としている。
【００１２】
請求項４のレーザ溶接装置は、上記アタッチメント支持部材５には、フィラーワイヤ送給ノズル９とアシストガス供給ノズル１０とが、レーザビーム軸Ｌを挟んで互いに相対向する位置に取付けられ、上記アシストガス供給ノズル１０を溶接進行方向前方に、また上記フィラーワイヤ送給ノズル９を溶接進行方向後方にそれぞれ位置させて立向き下進溶接を行うよう上記制御部８で上記アタッチメント支持部材５の位置制御を行うことを特徴としている。
【００１３】
上記請求項３及び請求項４のレーザ溶接装置によれば、溶融池に下向きに重力ヘッドが作用するのに対して、下側から上方に向けてアシストガスの力がこれを支持する方向に作用するので、溶融池の溶け落ち傾向を減少でき、これにより安定した溶接が行えることになる。そしてこのような作用を得るためのフィラーワイヤ送給ノズル９とアシストガス供給ノズル１０との配置を、いずれの場合にも、アタッチメント支持部材５の移動によって容易に達成することができるので、その作業性が向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次にこの発明のレーザ溶接装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。まず図１において、１はレーザ溶接トーチを示しているが、この溶接トーチ１の内部には集光レンズ２が配置されており、またその側部にはシールドガス入口３が形成されている。そしてこの溶接トーチ１の外周部には、ベアリング４を介してアタッチメント支持部材５が回転可能に取付けられている。このアタッチメント支持部材５は、レーザビーム軸Ｌと同軸回転可能に取付けられている。また上記溶接トーチ１の外周部には、上記アタッチメント支持部材５の上方位置に、駆動源としてのモータ６が下向きに取付けられている。このモータ６の出力軸には、ピニオン７が取付けられ、このピニオン７が上記アタッチメント支持部材５の外周部に形成した歯車と歯合し、これによりモータ６を駆動することによって上記アタッチメント支持部材５を回転駆動し得るようなされている。なお８は上記モータを制御するための制御部である。そして上記アタッチメント支持部材５には、上記レーザビーム軸Ｌを挟んで相対向する位置に、フィラーワイヤ送給ノズル９とアシストガス供給ノズル１０とが取付けられている。このフィラーワイヤ送給ノズル９は、フィラーワイヤ１１を送給するためのものであって、保持用ブラケット１２を介して上記アタッチメント支持部材５に取付けられている。そしてこのレーザ溶接装置においては、溶接トーチ１からレーザビームを溶接部Ｗに向けて照射しつつ、溶接部Ｗに対してフィラーワイヤ１１とアシストガスとを供給し、被溶接部材を図中矢印方向に移動させながら（溶接進行方向はこれとは逆方向となる）、レーザ溶接を行うのである。
【００１５】
上記レーザ溶接装置によれば、上記制御部８によってモータ６を制御し、アタッチメント支持部材５の回転角度を調整すれば、上記フィラーワイヤ送給ノズル９とアシストガス供給ノズル１０とは、レーザビーム軸Ｌの回りの任意の位置に位置させることが可能となる。従って、図２及び図３に示すように溶接線ＷＬが曲線であるような場合には、Ｘ−Ｙテーブルの移動に上記アタッチメント支持部材５の回転駆動を同期させて制御すれば、フィラーワイヤ１１は溶接部Ｗに対し、溶接進行方向後方から溶接線ＷＬに沿って（接線方向に）前方へと送給されるし、またアシストガスは溶接部Ｗに対し、溶接進行方向前方から溶接線ＷＬに沿って（接線方向に）後方へと供給されることなる。この結果、被溶接部材の回転機構を設けなくても、溶接進行方向とフィラーワイヤ１１の送給方向やアシストガスの供給方向との関係を容易に一致させることができ、溶接線ＷＬが曲線であるような場合にも安定した溶接を行うことが可能になる。また図４に示すように溶接線ＷＬがその途中で直角に折れ曲がるような場合にも、上記アタッチメント支持部材５を溶接の途中で９０°だけ回転させれば、被溶接部材の回転機構を設けなくても、対処可能である。さらに上記レーザ溶接装置によれば、図５に示すような円弧溶接隅肉継手のワイヤ送給溶接にも、Ｘ−Ｙテーブルの移動に上記アタッチメント支持部材５の回転駆動を同期させて制御すれば、上記と全く同様に対処可能である。またさらに図６に示すように、被溶接部材に板厚差が存する継手の場合には、ワイヤの送給を薄板側から行う方が良好なビード形状を形成し易いが、このようにワイヤ送給方向が限定されるような溶接継手に対しても有効である。
【００１６】
上記図２〜図６の各適用例はいずれもフィラーワイヤ１１の送給方向に重点を置いたものであったが、上記レーザ溶接装置は、溶接姿勢に応じてアシストガスの供給方向を制御し、溶接品質（特にビード形状）を改善するような場合も好適である。図７には、立向き上進溶接（同図（ａ））と立向き下進溶接（同図（ｂ））との溶接状態を示しているが、立向き上進溶接を行う場合（同図（ａ））には、フィラーワイヤ送給ノズル９を溶接進行方向前方（上側）に、またアシストガス供給ノズル１０を溶接進行方向後方（下側）にそれぞれ位置させる一方、立向き下進溶接を行う場合（同図（ｂ））には、アシストガス供給ノズル１０を溶接進行方向前方（下側）に、またフィラーワイヤ送給ノズル９を溶接進行方向後方（上側）にそれぞれ位置させて溶接を行うようにしている。このようにすれば、溶融池ＭＰに下向きに重力ヘッドが作用するのに対して、下側から上方に向けてアシストガスの力がこれを支持する方向に作用するので、溶融池ＭＰの溶け落ち傾向を減少でき、これにより安定した溶接が行えることになる。なおアシストガス供給ノズル１０を上記とは逆の状態に配置した場合には、溶融池ＭＰに対しては、下向きに作用する重力ヘッドに加えて、さらにアシストガスの力が下向きに作用するので、溶融池ＭＰの溶け落ち傾向が助長され、安定した溶接は行い難い。しかもこのような場合において、溶融池ＭＰに溶け落ちが生じると、下側から送給されるフィラーワイヤ１１が溶融池ＭＰと接触してしまい、フィラーワイヤ１１の円滑な送給が行い難くなり、送給位置がズレたり、溶融池ＭＰの正常な対流が阻害され、この結果、ブローホールやビード形状不良等の溶接欠陥が生じてしまうことになる。これに対して上記のような配置によれば、良好な溶接結果を得ることができるが、このような作用を得るためのフィラーワイヤ送給ノズル９とアシストガス供給ノズル１０との配置を、いずれの場合にも、アタッチメント支持部材５の移動によって容易に達成することができるので、その作業性が向上する。上記のようアシストガスによる溶融池ＭＰの保持作用は、上記立向き上進溶接と立向き下進溶接とに限らず、図８に示す水平溶接においても、上記と全く同様に期待できる。以上のようにアシストガスの供給方向を制御することにより、アシストガスによる力を溶融池ＭＰの保持力として利用でき、そのため各種溶接姿勢における溶接作業を良好に行うことが可能となる。
【００１７】
図９、図１０には、上記レーザ溶接装置の変更例を示している。これらはいずれも溶接トーチ１に２つの回転軸（α軸、β軸）を備えたものであって、各図において、図１と同一機能部分には同一の符号を付してその説明を省略している。また各図において、１３はウィンドウ、１４は反射鏡、１５は放物面鏡をそれぞれ示している。これらレーザ溶接装置においても、上記図１のレーザ溶接装置と全く同様の作用、効果が得られる。
【００１８】
以上にこの発明のレーザ溶接装置の実施の形態について説明をしたが、この発明のレーザ溶接装置は上記実施形態に限られるものではなく、種々変更して実施することが可能である。例えば上記では、アタッチメントとしてフィラーワイヤ送給ノズル９とアシストガス供給ノズル１０とを使用した例を示しているが、これらと共に、溶接線検出センサ等のアタッチメントを使用してもよい。また本願請求項１の発明においては、アタッチメント支持部材５は溶接トーチ１に枢支する他、それ以外の適所に支持する構成も含んでいる。さらに請求項１及び請求項２の発明は、フィラーワイヤ送給ノズル９とアシストガス供給ノズル１０とを同方向に向けて取付ける実施の態様を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のレーザ溶接装置の一実施形態を示す中央縦断面略図である。
【図２】上記実施形態及び従来例のレーザ溶接装置の適用例を説明するための説明図である。
【図３】上記実施形態及び従来例のレーザ溶接装置の他の適用例を説明するための説明図である。
【図４】上記実施形態のレーザ溶接装置の適用例を説明するための説明図である。
【図５】上記実施形態のレーザ溶接装置の他の適用例を説明するための説明図である。
【図６】上記実施形態のレーザ溶接装置のさらに他の適用例を説明するための説明図である。
【図７】上記実施形態のレーザ溶接装置において、立向き溶接を行う状態を示す説明図で、（ａ）は上進溶接を、（ｂ）は下進溶接をそれぞれ示している。
【図８】上記実施形態のレーザ溶接装置において、水平溶接を行う状態を示す説明図である。
【図９】この発明のレーザ溶接装置の他の実施形態を示す中央縦断面略図である。
【図１０】この発明のレーザ溶接装置の他の実施形態を示す中央縦断面略図である。
【図１１】従来のレーザ溶接装置を示す中央縦断面略図である。
【図１２】他の従来例を示す中央縦断面略図である。
【図１３】さらに他の従来例を示す中央縦断面略図である。
【符号の説明】
１溶接トーチ
５アタッチメント支持部材
６モータ（駆動源）
８制御部
９フィラーワイヤ送給ノズル
１０アシストガス供給ノズル
１１フィラーワイヤ
Ｌレーザビーム軸
Ｗ溶接部
ＭＰ溶融池
ＷＬ溶接線

Claims

溶接部（Ｗ）にレーザビームを照射する溶接トーチ（１）と、少なくともフィラーワイヤ送供給用ノズル（９）とアシストガス供給ノズル（１０）とから成るアタッチメントとを備えたレーザ溶接装置において、上記アタッチメントを支持するアタッチメント支持部材（５）を移動可能に設けると共に、さらにこのアタッチメント支持部材（５）を移動させる駆動源（６）と、この駆動源（６）を制御する制御部（８）とを設け、上記制御部（８）によって駆動源（６）を制御することにより上記アタッチメント支持部材（５）の位置制御を行うことで、上記アタッチメントを上記レーザビーム軸（Ｌ）の軸心回りに移動させ、上記溶接部（Ｗ）に対するフィラーワイヤ（１１）の送給方向及びアシストガスの供給方向を上記レーザビーム軸（Ｌ）の軸心回りに変化させるべく構成して成り、上記制御部（８）によって、立向又は水平溶接においては、溶融池（ＭＰ）に対して下向きに作用する重力ヘッドを支持するようにアシストガスの供給方向を上側に向けるようにアシストガス供給ノズル（１０）の位置を制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
上記アタッチメント支持部材（５）は、上記レーザビーム軸（Ｌ）と略同軸上に回転可能に溶接トーチ（１）に取付けられ、上記アタッチメントがレーザビーム軸（Ｌ）の周囲において旋回可能に配置されていることを特徴とする請求項１のレーザ溶接装置。
上記アタッチメント支持部材（５）には、フィラーワイヤ送給ノズル（９）とアシストガス供給ノズル（１０）とが、レーザビーム軸（Ｌ）を挟んで互いに相対向する位置に取付けられ、上記フィラーワイヤ送給ノズル（９）を溶接進行方向前方に、また上記アシストガス供給ノズル（１０）を溶接進行方向後方にそれぞれ位置させて立向き上進溶接を行うよう上記制御部（８）で上記アタッチメント支持部材（５）の位置制御を行うことを特徴とする請求項１又は２のレーザ溶接装置。
上記アタッチメント支持部材（５）には、フィラーワイヤ送給ノズル（９）とアシストガス供給ノズル（１０）とが、レーザビーム軸（Ｌ）を挟んで互いに相対向する位置に取付けられ、上記アシストガス供給ノズル（１０）を溶接進行方向前方に、また上記フィラーワイヤ送給ノズル（９）を溶接進行方向後方にそれぞれ位置させて立向き下進溶接を行うよう上記制御部（８）で上記アタッチメント支持部材（５）の位置制御を行うことを特徴とする請求項１又は２のレーザ溶接装置。