WO2015125522A1 - レーザ溶接ヘッド、レーザ溶接装置、及び、レーザ溶接ヘッド用ガスノズル - Google Patents

レーザ溶接ヘッド、レーザ溶接装置、及び、レーザ溶接ヘッド用ガスノズル Download PDF

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laser
welding head
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Inventor
正人 高津
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株式会社アマダホールディングス
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1435—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor involving specially adapted flow control means
    • B23K26/1438—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor involving specially adapted flow control means for directional control

Definitions

  • the present invention relates to a laser welding device for a workpiece such as a three-dimensional workpiece, a laser welding head used in the laser welding device, and a gas nozzle for the laser welding head.
  • a laser welding head in a remote laser processing apparatus such as a welding robot has a hollow head body. Further, the head main body has an emission opening for emitting laser light on the tip side thereof, and is optically connected to a laser oscillator that oscillates the laser light.
  • a galvano scanner is provided in the head body. The galvano scanner deflects and scans laser light oscillated from a laser oscillator in two orthogonal directions (a first scanning direction and a second scanning direction) and emits the laser light from an emission opening of the head body. Further, a protective glass covering the emission opening of the head body is detachably provided at the tip of the head body.
  • the opening area of the exit opening of the welding head is set according to the range of deflection scanning of the laser beam by the galvano scanner. Therefore, the area of the protective glass is large, and the spatter is likely to adhere to the protective glass. Further, compared to spot welding, the distance (work distance) between the welding head and the welded portion of the three-dimensional workpiece is long, and fume is likely to stay between the welding head and the three-dimensional workpiece. In order to suppress the adhesion of spatter to the protective glass and the retention of fume between the welding head and the three-dimensional workpiece, the following techniques have been developed.
  • Patent Document 1 discloses a welding head 101 according to a first prior art example as shown in FIG.
  • the welding head 101 has a head body 103.
  • air A is ejected in a curtain shape so as to cover the surface of the protective glass 105, thereby forming an air curtain.
  • the head main body 103 is provided with an air nozzle 107 for forming an air curtain.
  • an air nozzle 109 that ejects air B toward the welded portion Wa of the three-dimensional workpiece W is also provided in the vicinity of the air nozzle 107.
  • Patent Documents 2 and 3 below disclose a welding head 111 according to a second prior art example as shown in FIG.
  • the welding head 111 has a head body 113.
  • An annular air nozzle 117 that ejects air A toward the irradiation direction side of the laser beam LB is provided on the three-dimensional workpiece W side of the protective glass 115 of the head body 113.
  • the air nozzle 117 has an air passage 119 that can be connected to an air supply source (not shown).
  • the air nozzle 117 is formed with an annular nozzle slit 121 for ejecting air A toward the optical axis of the laser beam LB on the irradiation direction side of the laser beam LB.
  • the nozzle slit 121 communicates with the air passage 119.
  • the three-dimensional workpiece W having a complicated shape is laser-welded using the welding head 101 in the first prior art example
  • the three-dimensional workpiece W is ejected from the air nozzle 109 toward the welding portion Wa of the three-dimensional workpiece W. It may not reach the welding point Wa of the workpiece W. In this case, fume retention between the welding head 101 and the three-dimensional workpiece W cannot be suppressed.
  • an external blower not shown
  • fume retention between the welding head 101 and the three-dimensional workpiece W cannot be sufficiently suppressed. Therefore, the welding conditions (processing conditions) change due to the interference of the fumes with the laser beam LB, and laser welding cannot be performed stably (first problem).
  • the sputter S may scatter to the welding head 101 while drawing a parabola from the welding spot Wa.
  • the air curtain is formed by the air nozzle 107
  • the adhesion of the sputter S to the protective glass 105 cannot be suppressed.
  • spatter S to the protective glass 105 increases, and the replacement frequency of the protective glass 105 will increase (2nd problem).
  • the air A ejected from the nozzle slit 121 merges on the optical axis of the laser beam LB, and the three-dimensional workpiece W Head toward the welding spot Wa.
  • the solid workpiece W has a complicated shape, fume retention between the welding head 111 and the solid workpiece W can be sufficiently suppressed.
  • An object of the present invention is to provide a welding head, a laser welding apparatus, and a gas nozzle for a welding head that can solve not only the first problem but also the second problem.
  • the present invention can be applied not only to a welding head or a laser welding apparatus provided with a galvano scanner, but also to various welding heads and laser welding apparatuses that cover the emission opening of the head body with a protective glass.
  • a first feature of the present invention is a laser welding head that is used in a laser welding apparatus that performs laser welding on a workpiece, and irradiates a laser beam toward a welding portion of the workpiece (including a three-dimensional workpiece).
  • a hollow head body that is optically connected to a laser oscillator, the exit opening that emits light is formed at the tip, a protective glass that is detachably provided on the head body and covers the exit opening, and
  • An annular gas nozzle provided on the workpiece side from the protective glass, and a gas passage that can be connected to a gas supply source is formed inside the gas nozzle, and the irradiation direction of the laser light on the gas nozzle
  • a first nozzle that ejects gas toward the optical axis of the laser beam on the side, and a second nozzle that ejects gas along the irradiation direction of the laser beam are formed.
  • the second nozzle communicates with the gas passage and is in a radial direction (of the gas
  • “provided” includes not only the case of being provided directly but also the case of being provided indirectly via an interposed member.
  • the “gas” includes an inert gas such as air or nitrogen.
  • one gas nozzle may be provided, or a gas nozzle that is divided into a first gas nozzle in which the first nozzle is formed and a second gas nozzle in which the second nozzle is formed is provided. May be.
  • the retention of fume between the welding head and the workpiece can be sufficiently suppressed, so that the interference of the fume with the laser beam is eliminated and stable.
  • the workpiece can be stably laser-welded under the welding conditions (processing conditions).
  • the spatter can be deflected from the welding head, so that the adhesion of the spatter to the protective glass can be reduced. As a result, the replacement frequency of the protective glass can be greatly reduced.
  • the first nozzle is an annular first nozzle slit, a plurality of first nozzle holes formed at intervals in the circumferential direction, or a plurality of arcuate shapes formed at intervals in the circumferential direction.
  • the arc-shaped second nozzle slit is preferable.
  • a second feature of the present invention is a laser welding apparatus, wherein the laser welding head of the first feature and the laser welding head are attached, and the laser welding head is approached from a side from a side, or And a moving device for moving the laser welding head so as to move the laser welding head laterally away from the workpiece.
  • a gas nozzle for a laser welding head the gas passage being formed therein and connectable to a gas supply source, and directed toward the optical axis of the laser beam on the laser beam irradiation direction side.
  • FIG. 1 It is a schematic block diagram of the laser welding machine (welding robot) which concerns on embodiment.
  • (A) is sectional drawing of the air nozzle (gas nozzle) of the welding head of the said laser welding machine
  • (b) is a bottom view of the air nozzle seen along the arrow IIB in (a).
  • (A) is a side view of the welding head which concerns on a 1st prior art example
  • (b) is a side view which shows this welding head which performs laser welding from a side.
  • (A) is a side view of the welding head which concerns on a 2nd prior art example
  • (b) is a side view which shows this welding head which performs laser welding from a side.
  • the remote laser welding apparatus is a welding robot 1 that performs laser welding on a three-dimensional workpiece W supported on a table (not shown).
  • the welding robot 1 is a known 6-axis articulated robot. Further, the welding robot 1 has a robot arm (moving device) 3 at its tip.
  • the robot arm 3 is attached with a laser welding head 5 (hereinafter simply referred to as a welding head 5) that irradiates a laser beam LB toward the welding spot Wa of the three-dimensional workpiece W.
  • the three-dimensional workpiece W is formed by three-dimensionally connecting a plurality of metal workpieces.
  • the welding location Wa becomes a butt portion of the metal workpiece.
  • the robot arm 3 can move so as to approach the solid work W from the side and to move away from the solid work W to the side.
  • the welding head 5 includes a hollow head body 7.
  • the head main body 7 has an emission opening 9 for emitting the laser beam LB at the tip thereof.
  • a connector 11 is provided at the base end of the head body 7.
  • One end of a transmission fiber 13 is connected to the connector 11.
  • the other end of the transmission fiber 13 is optically connected to a fiber laser oscillator 15 that oscillates the laser beam LB. That is, the head body 7 is optically connected to the fiber laser oscillator 15 via the connector 11 and the transmission fiber 13.
  • a collimating lens 17 is provided that can move along the optical axis direction of the laser beam LB.
  • the collimating lens 17 converts the laser light LB emitted from the transmission fiber 13 into parallel light. That is, the collimating lens 17 converts the laser light LB oscillated from the fiber laser oscillator 15 into parallel light.
  • a galvano scanner 21 is provided on the light exit side of the collimating lens 17.
  • the galvano scanner 21 scans while deflecting the laser beam LB emitted from the collimating lens 17 and emits the laser beam LB to the emission opening 9.
  • the galvano scanner 21 includes a first galvanometer mirror 25 and a second galvanometer mirror 29.
  • the first galvanometer mirror 25 is rotated by the first galvanometer motor 23 and scans while deflecting the laser beam LB in the first scanning direction.
  • the second galvanometer mirror 29 is rotated by the second galvanometer motor 27 and scans while deflecting the laser beam LB in the second scanning direction.
  • a reflecting mirror 31 is provided between the collimating lens 17 and the first galvanometer mirror 25.
  • An F ⁇ lens 33 is provided between the exit opening 9 and the galvano scanner 21.
  • the F ⁇ lens 33 condenses the laser beam LB that is two-dimensionally scanned by the galvano scanner 21.
  • a protective glass 35 covering the emission opening 9 is detachably attached to the tip of the head body 7.
  • an annular air nozzle (gas nozzle) 37 that ejects air toward the irradiation direction side of the laser beam LB is provided on the side of the three-dimensional workpiece W with respect to the protective glass 35.
  • the air nozzle 37 is attached to the head body 7 by a bracket 39.
  • the air nozzle 37 has an annular first nozzle member 41 and an annular second nozzle member 43 attached with a mounting screw (not shown) or the like. They are integrally joined.
  • An annular air passage (gas passage) 45 is formed inside the air nozzle 37.
  • the air passage 45 can be connected to an air supply source (gas supply source) 47 such as a fan via a pipe 49.
  • the air nozzle 37 is formed by integrally joining two annular members (the first nozzle member 41 and the second nozzle member 43), but may be configured by a single member.
  • annular first nozzle slit 51 (an example of a first nozzle) is an optical axis of the laser beam LB (air nozzle central axis). Is formed so as to surround. Air A is ejected from the first nozzle slit 51 toward the optical axis (air nozzle central axis) of the laser beam LB on the irradiation direction side of the laser beam LB. That is, an annular first nozzle slit 51 is formed on the inner periphery of the air nozzle 37 so as to surround the optical axis of the laser beam LB.
  • the gas ejection direction of the first nozzle slit 51 is directed to the optical axis of the laser beam LB on the irradiation direction side of the laser beam LB. Further, the first nozzle slit 51 is communicated with the air passage 45. In addition, an annular shim (not shown) surrounding the air passage 45 is interposed between the first nozzle member 41 and the second nozzle member 43 to adjust the size of the first nozzle slit 51. Also good.
  • the first nozzle includes a plurality of first nozzle holes (not shown) formed at intervals in the circumferential direction, and a plurality of arc-shaped first nozzle slits formed at intervals in the circumferential direction ( (Not shown) may be formed (another example of the first nozzle).
  • a plurality of second nozzle holes 53 are formed so as to surround the first nozzle slit 51.
  • the air B is ejected from the second nozzle hole 53 along the irradiation direction of the laser beam LB (air nozzle central axis). That is, a plurality of second nozzle holes 53 are formed at intervals in the circumferential direction so as to surround the optical axis of the laser beam LB at a position radially outside the first nozzle slit 51 of the air nozzle 37.
  • the gas ejection direction of the second nozzle hole 53 is set parallel to the irradiation direction of the laser beam LB.
  • the second nozzle may be formed as an annular second nozzle slit (not shown) or a plurality of arcuate second nozzle slits (not shown) formed at intervals in the circumferential direction. (Another example of the second nozzle).
  • the second nozzle may be formed on another annular air nozzle (not shown) having a diameter larger than the diameter of the air nozzle 37.
  • the welding head 5 is moved to a position corresponding to the welding location Wa of the three-dimensional workpiece W by controlling the robot arm 3. Then, the laser beam LB oscillated by the fiber laser oscillator 15 is transmitted to the welding head 5 through the transmission fiber 13.
  • the laser beam LB transmitted to the welding head 5 is converted into parallel light by the collimator lens 17 and scanned while being deflected by the galvano scanner 21 in the first scanning direction and the second scanning direction.
  • the laser beam LB scanned while being deflected is collected by the F ⁇ lens 33 and irradiated to the welding spot Wa from the emission opening 9 of the head body 7 through the protective glass 35. Thereby, the solid workpiece W is laser-welded.
  • the welding head 5 can be moved integrally with the robot arm 3 along the welding location Wa.
  • the air A is ejected from the first nozzle slit 51 toward the optical axis of the laser beam LB on the irradiation direction side of the laser beam LB.
  • air B is ejected from the plurality of second nozzle holes 53 along the irradiation direction of the laser beam LB.
  • the air A ejected from the first nozzle slit 51 is merged on the optical axis of the laser beam LB toward the welding spot Wa, and the air A ejected from the plurality of second nozzle holes 53 is the laser beam LB. While surrounding the air A that merges on the optical axis of the head, it goes around the welded portion Wa.
  • the first nozzle slit 51 is formed in the air nozzle 37 so as to surround the optical axis of the laser beam LB, and the first nozzle slit 51 communicates with the air passage 45, the first nozzle slit 51 is ejected from the first nozzle slit 51.
  • the air A merges on the optical axis of the laser beam LB and travels toward the welding location Wa.
  • a plurality of second nozzle holes 53 are formed at positions outside the first nozzle slit 51 in the radial direction so as to surround the optical axis of the laser beam LB, and the plurality of second nozzle holes 53 are formed in the air passage 45. Therefore, the air B ejected from the plurality of second nozzle holes 53 travels around the welding point Wa while surrounding the air A that merges on the optical axis of the laser beam LB. As a result, as shown in FIG.
  • the present embodiment even if the shape of the three-dimensional workpiece W is complicated, the retention of fume between the welding head 5 and the three-dimensional workpiece W can be sufficiently suppressed, so that the fume laser light LB is obtained.
  • the solid workpiece W can be stably laser-welded under stable welding conditions (processing conditions).
  • the spatter S when laser welding is performed on the three-dimensional workpiece W from the side, the spatter S can be deflected from the welding head 5 even if the spatter S scatters to the welding head 5 while drawing a parabola from the welding spot Wa. Adhesion of the sputter S to the glass 35 can be reduced. As a result, the replacement frequency of the protective glass 35 can be greatly reduced.
  • FIG. 4 shows the relationship between the number of welded solid workpieces W and the number of spatters attached to the protective glass 35. As shown in FIG. 4, when the welding head 5 is used, the number of spatters can be significantly reduced as compared with the case where the welding head 101 and the welding head 111 are used. Note that the number of pulse shots required to weld one solid workpiece W is set to 3960 times, and an external blower was used only in the case of the first prior art example.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented in various modes.

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Abstract

　レーザ溶接ヘッドは、レーザ光を出射する出射開口部が先端に形成された、レーザ発振器に光学的に接続される中空状のヘッド本体と、ヘッド本体に着脱可能に設けられた、出射開口部を覆う保護ガラスと、保護ガラスよりワーク側に設けられた、環状のガスノズルと、を備えている。ガスノズルの内部には、ガス供給源に接続可能なガス通路が形成されている。ガスノズル上に、レーザ光の照射方向側のレーザ光の光軸に向けてガスを噴出する第１ノズルと、レーザ光の照射方向に沿ってガスを噴出する第２ノズルとが形成されている。第１ノズルは、ガス通路に連通され、かつ、レーザ光の光軸を囲むように形成されている。第２ノズルは、ガス通路に連通され、かつ、第１ノズルよりも半径方向外側の位置に、第１ノズルを囲むように形成されている。上記ヘッドによれば、ヒュームのレーザ光への干渉を回避でき、かつ、保護ガラスへのスパッタの付着を低減することができる。

Description

レーザ溶接ヘッド、レーザ溶接装置、及び、レーザ溶接ヘッド用ガスノズル
　本発明は、立体ワーク[three-dimensional workpiece]等のワークのためのレーザ溶接装置[laser welding machine]、レーザ溶接装置に用いられるレーザ溶接ヘッド、及び、レーザ溶接ヘッド用ガスノズルに関する。
　一般に、溶接ロボット等のリモートレーザ加工装置におけるレーザ溶接ヘッド（以下単に、溶接ヘッドと言う）は、中空状のヘッド本体を具備している。また、ヘッド本体は、その先端側にレーザ光を出射するための出射開口部を有しており、かつ、レーザ光を発振するレーザ発振器に光学的に接続されている。ヘッド本体内には、ガルバノスキャナが設けられている。ガルバノスキャナは、レーザ発振器から発振されたレーザ光を直交する２つの方向（第１走査方向と第２走査方向）へ偏向走査してヘッド本体の出射開口から出射するものである。更に、ヘッド本体の先端部には、ヘッド本体の出射開口部を覆う保護ガラスが着脱可能に設けられている。
　溶接ヘッドの出射開口部の開口面積はガルバノスキャナによるレーザ光の偏向走査の範囲に応じて設定される。従って、保護ガラスの面積は大きく、スパッタが保護ガラスに付着し易い。また、スポット溶接に比べて、溶接ヘッドと立体ワークの溶接箇所との距離（ワークディスタンス）が長く、溶接ヘッドと立体ワークとの間にヒューム[fume]が滞留し易い。保護ガラスへのスパッタの付着及び溶接ヘッドと立体ワークとの間のヒュームの滞留を抑えるために、次のような技術が開発されている。
　下記特許文献１は、図５（ａ）に示されるような、第１従来技術例に係る溶接ヘッド１０１を開示している。溶接ヘッド１０１はヘッド本体１０３を有している。ヘッド本体１０３の保護ガラス１０５の立体ワークＷの側には、保護ガラス１０５の表面を覆うようにエアＡがカーテン状に噴出されてエアカーテンが形成される。ヘッド本体１０３には、エアカーテンを形成するためのエアノズル１０７が設けられている。また、エアノズル１０７の近傍には、立体ワークＷの溶接箇所Ｗａに向かってエアＢを噴出するエアノズル１０９も設けられている。
　下記特許文献２及び３は、図６（ａ）に示されるような、第２従来技術例に係る溶接ヘッド１１１を開示している。溶接ヘッド１１１は、ヘッド本体１１３を有している。ヘッド本体１１３の保護ガラス１１５の立体ワークＷの側には、レーザ光ＬＢの照射方向側にエアＡを噴出する環状のエアノズル１１７が設けられている。エアノズル１１７は、その内部に、エア供給源（図示省略）に接続可能なエア通路１１９を有している。エアノズル１１７には、レーザ光ＬＢの照射方向側のレーザ光ＬＢの光軸に向けてエアＡを噴出するための環状のノズルスリット１２１が形成されている。ノズルスリット１２１は、エア通路１１９に連通されている。
日本国特開２００６－１４２３８３号公報 日本国特開２０１２－７６１１１号公報 国際公開２００８／０３７３１０パンフレット
　しかし、第１従来技術例における溶接ヘッド１０１を用いて複雑な形状を有する立体ワークＷをレーザ溶接する場合、エアノズル１０９から立体ワークＷの溶接箇所Ｗａに向けてエアＡを噴出しても、立体ワークＷの溶接箇所Ｗａにまで届かないことがある。この場合、溶接ヘッド１０１と立体ワークＷとの間のヒュームの滞留を抑えることができない。ここで、仮に外部送風機（図示省略）を用いたとしても、溶接ヘッド１０１と立体ワークＷとの間のヒュームの滞留を十分に抑えることができない。そのため、ヒュームのレーザ光ＬＢへの干渉によって溶接条件（加工条件）が変化し、安定してレーザ溶接を行えない（第１の問題）。
　また、図５（ｂ）に示されるように、立体ワークＷに側方からレーザ溶接を行う場合、スパッタＳが溶接箇所Ｗａから放物線を描いて溶接ヘッド１０１へと飛散する場合がある。この場合、エアノズル１０７によってエアカーテンを形成させても、保護ガラス１０５へのスパッタＳの付着を抑えることができない。このため、保護ガラス１０５へのスパッタＳの付着量が増えて、保護ガラス１０５の交換頻度が増えてしまう（第２の問題）。
　一方、第２従来技術例における溶接ヘッド１１１を用いて、立体ワークＷをレーザ溶接する場合、ノズルスリット１２１から噴出されたエアＡは、レーザ光ＬＢの光軸上で合流して、立体ワークＷの溶接箇所Ｗａに向かう。このため、立体ワークＷが複雑な形状を有していても、溶接ヘッド１１１と立体ワークＷとの間のヒュームの滞留を十分に抑えることができる。このため、ヒュームのレーザ光ＬＢへの干渉がなく、安定的してレーザ溶接を行える（上記第１の問題の回避）。
　しかし、図６（ｂ）に示されるように、立体ワークＷに側方からレーザ溶接を行う場合、溶接箇所Ｗａから放物線を描きながら溶接ヘッド１１１へと飛散するスパッタＳを、ノズルスリット１２１から噴出されたエアＡによって溶接ヘッド１１１から逸らすことができず、保護ガラス１１５へのスパッタＳの付着を抑えることができない。このため、保護ガラス１１５へのスパッタＳの付着量が増えて、保護ガラス１１５の交換頻度が増えてしまう（第２の問題）。
　本発明の目的は、上記第１の問題のみならず上記第２の問題も解決することのできる溶接ヘッド、レーザ溶接装置、及び、溶接ヘッド用ガスノズルを提供することにある。なお、本発明は、ガルバノスキャナを備えた溶接ヘッドやレーザ溶接装置のみに適用できるのではなく、保護ガラスによってヘッド本体の出射開口部を覆う種々の溶接ヘッド及びレーザ溶接装置に適用できる。
　本発明の第１の特徴は、ワークにレーザ溶接を行うレーザ溶接装置に用いられ、ワーク（立体ワークを含む）の溶接箇所に向けてレーザ光を照射するレーザ溶接ヘッドであって、レーザ光を出射する出射開口部が先端に形成された、レーザ発振器に光学的に接続される中空状のヘッド本体と、前記ヘッド本体に着脱可能に設けられた、前記出射開口部を覆う保護ガラスと、前記保護ガラスよりワーク側に設けられた、環状のガスノズルと、を備えており、前記ガスノズルの内部に、ガス供給源に接続可能なガス通路が形成され、前記ガスノズル上に、前記レーザ光の照射方向側の前記レーザ光の光軸に向けてガスを噴出する第１ノズルと、前記レーザ光の照射方向に沿ってガスを噴出する第２ノズルとが形成されており、前記第１ノズルは、前記ガス通路に連通され、かつ、前記レーザ光の光軸を囲むように形成され、前記第２ノズルは、前記ガス通路に連通され、かつ、前記第１ノズルよりも（前記ガスノズルの）半径方向外側の位置に、前記第１ノズルを囲むように形成されている、レーザ溶接ヘッドを提供する。
　なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」は、直接的に設けられる場合の他に、介在部材を介して間接的に設けられる場合を含む。また、「ガス」は、エア、窒素等の不活性ガスを含む。更に、「ガスノズル」については、１つのガスノズルが設けられてもよいし、第１ノズルが形成された第１ガスノズルと第２ノズルが形成された第２ガスノズルとに分割されているガスノズルが設けられてもよい。
　上記第１の特徴によれば、ワークの形状が複雑であっても、溶接ヘッドとワークとの間のヒュームの滞留を十分に抑えることができるので、ヒュームのレーザ光への干渉がなくなり、安定した溶接条件（加工条件）でワークを安定的にレーザ溶接することができる。また、スパッタが溶接箇所から溶接ヘッドへと飛散しても、スパッタを溶接ヘッドから逸らすことができるので、保護ガラスへのスパッタの付着を低減できる。この結果、保護ガラスの交換頻度を大幅に減らすことができる。
　ここで、前記第１ノズルが、環状の第１ノズルスリット、周方向に間隔をおいて形成された複数の第１ノズル孔、又は、周方向に間隔をおいて形成された複数の円弧状の第１ノズルスリットであり、前記第２ノズルが、周方向に間隔をおいて形成された複数の第２ノズル孔、環状の第２ノズルスリット、又は、周方向に間隔をおいて形成された複数の円弧状の第２ノズルスリットである、ことが好ましい。
　本発明の第２の特徴は、レーザ溶接装置であって、上記第１の特徴の前記レーザ溶接ヘッドと、前記レーザ溶接ヘッドが取り付けられ、前記レーザ溶接ヘッドをワークに側方から接近させ、又は、前記レーザ溶接ヘッドをワークから側方に離反させるように、前記レーザ溶接ヘッドを移動する移動装置と、を備えたレーザ溶接装置を提供する。
　本発明の第３の特徴は、レーザ溶接ヘッド用ガスノズルであって、内部に形成された、ガス供給源に接続可能なガス通路と、レーザ光の照射方向側の前記レーザ光の光軸に向けてガスを噴出する第１ノズルと、前記レーザ光の照射方向に沿ってガスを噴出する第２ノズルと、を備えており、前記第１ノズルが、前記ガス通路に連通され、かつ、前記レーザ光の光軸を囲むように形成され、前記第２ノズルが、前記ガス通路に連通され、かつ、前記第１ノズルよりも半径方向外側の位置に、前記第１ノズルを囲むように形成されている、ガスノズルを提供する。
実施形態に係るレーザ溶接機（溶接ロボット）の概略構成図である。 （ａ）は上記レーザ溶接機の溶接ヘッドのエアノズル（ガスノズル）の断面図であり、（ｂ）は（ａ）における矢印ＩＩＢに沿って見たエアノズルの底面図である。 側方からレーザ溶接を行う上記レーザ溶接機を示す側面図である。 側方からレーザ溶接を行った場合の加工数とスパッタ数との関係を示すグラフである。 （ａ）は第１従来技術例に係る溶接ヘッドの側面図であり、（ｂ）は側方からレーザ溶接を行う該溶接ヘッドを示す側面図である。 （ａ）は第２従来技術例に係る溶接ヘッドの側面図であり、（ｂ）は側方からレーザ溶接を行う該溶接ヘッドを示す側面図である。
　実施形態について図１から図４を参照して説明する。図１に示されるように、本実施形態に係るリモートレーザ溶接装置は、テーブル（図示せず）上に支持された立体ワークＷにレーザ溶接を行う溶接ロボット１である。溶接ロボット１は、公知の６軸多関節ロボットである。また、溶接ロボット１は、その先端にロボットアーム（移動装置）３を有している。ロボットアーム３には、立体ワークＷの溶接箇所Ｗａに向けてレーザ光ＬＢを照射するレーザ溶接ヘッド５（以下単に、溶接ヘッド５と言う）が取り付けられている。なお、立体ワークＷは、複数の金属製ワークを立体的に繋ぎ合わせて形成されている。溶接箇所Ｗａは、金属製ワークの突き合わせ部になる。ロボットアーム３は、立体ワークＷに側方から接近し、立体ワークＷから側方に離反するように移動可能なである。
　溶接ヘッド５は、中空状のヘッド本体７を具備している。ヘッド本体７は、その先端に、レーザ光ＬＢを出射するための出射開口部９が形成されている。また、ヘッド本体７の基端には、コネクタ１１が設けられている。コネクタ１１には、伝送ファイバ１３の一端が接続されている。伝送ファイバ１３の他端は、レーザ光ＬＢを発振するファイバレーザ発振器１５に光学的に接続されている。即ち、ヘッド本体７は、コネクタ１１及び伝送ファイバ１３を介して、ファイバレーザ発振器１５に光学的に接続されている。
　ヘッド本体７内には、レーザ光ＬＢの光軸方向に沿って移動可能なコリメートレンズ１７が設けられている。コリメートレンズ１７は、伝送ファイバ１３から出射されたレーザ光ＬＢを平行光に変換する。即ち、コリメートレンズ１７は、ファイバレーザ発振器１５から発振されたレーザ光ＬＢを平行光に変換する。
　コリメートレンズ１７の光出射側には、ガルバノスキャナ２１が設けられている。ガルバノスキャナ２１は、コリメートレンズ１７から出射されたレーザ光ＬＢを偏向させつつ走査して、出射開口部９へと出射する。また、ガルバノスキャナ２１は、第１ガルバノミラー２５と第２ガルバノミラー２９とを備えている。第１ガルバノミラー２５は、第１ガルバノモータ２３によって回転されて、レーザ光ＬＢを第１走査方向に偏向させつつ走査する。第２ガルバノミラー２９は、第２ガルバノモータ２７によって回転されて、レーザ光ＬＢを第２走査方向に偏向させつつ走査する。なお、コリメートレンズ１７と第１ガルバノミラー２５との間には、反射ミラー３１が設けられている。
　出射開口部９とガルバノスキャナ２１との間には、Ｆθレンズ３３が設けられている。Ｆθレンズ３３は、ガルバノスキャナ２１によって２次元走査されたレーザ光ＬＢを集光する。また、ヘッド本体７の先端には、出射開口部９を覆う保護ガラス３５が着脱可能に取り付けられている。さらに、保護ガラス３５に対して立体ワークＷの側には、レーザ光ＬＢの照射方向側にエアを噴出する環状のエアノズル（ガスノズル）３７が設けられている。エアノズル３７は、ブラケット３９によってヘッド本体７に取り付けられている。
　図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、エアノズル３７は、環状の第１ノズル部材４１と環状の第２ノズル部材４３とを取付ネジ（図示せず）等で一体的に接合して構成されている。また、エアノズル３７の内部には、環状のエア通路（ガス通路）４５が形成されている。エア通路４５は、配管４９を介して、ファン等のエア供給源（ガス供給源）４７に接続可能である。なお、エアノズル３７は、本実施形態では２つの環状部材（第１ノズル部材４１と第２ノズル部材４３）を一体的に接合することで形成されたが、単一部材で構成されてもよい。
　第１ノズル部材４１の内周縁近傍と第２ノズル部材４３の内周縁との間には、環状の第１ノズルスリット５１（第１ノズルの一例）がレーザ光ＬＢの光軸（エアノズル中心軸）を囲むように形成されている。第１ノズルスリット５１から、レーザ光ＬＢの照射方向側のレーザ光ＬＢの光軸（エアノズル中心軸）に向けてエアＡが噴出される。即ち、エアノズル３７の内周には、レーザ光ＬＢの光軸を囲むように環状の第１ノズルスリット５１が形成されている。言い換えれば、第１ノズルスリット５１のガス噴出方向は、レーザ光ＬＢの照射方向側のレーザ光ＬＢの光軸に向けられている。また、第１ノズルスリット５１は、エア通路４５に連通されている。なお、第１ノズル部材４１と第２ノズル部材４３との間にエア通路４５を囲む環状のシム[shim]（図示せず）を介在させて、第１ノズルスリット５１の大きさを調節してもよい。なお、第１ノズルは、周方向に間隔をおいて形成された複数の第１ノズル孔（図示せず）や、周方向に間隔をおいて形成された複数の円弧状の第１ノズルスリット（図示せず）として形成されてもよい（第１ノズルの他の例）。
　第２ノズル部材４３の内周縁近傍には、複数の第２ノズル孔５３（第２ノズルの一例）が第１ノズルスリット５１を囲むように形成されている。第２ノズル孔５３から、レーザ光ＬＢの照射方向（エアノズル中心軸）に沿ってエアＢが噴出される。即ち、エアノズル３７の第１ノズルスリット５１よりも半径方向外側の位置に、レーザ光ＬＢの光軸を囲むように複数の第２ノズル孔５３が周方向に間隔をおいて形成されている。言い換えれば、第２ノズル孔５３のガス噴出方向は、レーザ光ＬＢの照射方向に対して平行に設定されている。また、複数の第２ノズル孔５３は、エア通路４５に連通されている。なお、第２ノズルは、環状の第２ノズルスリット（図示せず）や、周方向に間隔をおいて形成された複数の円弧状の第２ノズルスリット（図示せず）として形成されてもよい（第２ノズルの他の例）。また、第２ノズルは、エアノズル３７の直径よりも大きな直径を有する環状の別のエアノズル（図示せず）上に形成されてもよい。
　上述した構成を備えた溶接ロボット１によれば、ロボットアーム３を制御することで溶接ヘッド５が立体ワークＷの溶接箇所Ｗａに対応する位置に移動される。そして、ファイバレーザ発振器１５によって発振されたレーザ光ＬＢが、伝送ファイバ１３を介して溶接ヘッド５へと伝送される。溶接ヘッド５に伝送されたレーザ光ＬＢは、コリメートレンズ１７によって平行光に変換され、ガルバノスキャナ２１によってレーザ光ＬＢを第１走査方向及び第２走査方向に偏向されつつ走査される。偏向されつつ走査されたレーザ光ＬＢは、Ｆθレンズ３３によって集光され、ヘッド本体７の出射開口部９から保護ガラス３５を通して溶接箇所Ｗａに照射される。これにより、立体ワークＷがレーザ溶接される。なお、ファイバレーザ発振器１５の作動中に、溶接ヘッド５を溶接箇所Ｗａに沿ってロボットアーム３と一体的に移動させることも可能である。
　レーザ溶接中に、エア供給源４７からエア通路４５にエアを供給することで、第１ノズルスリット５１からレーザ光ＬＢの照射方向側のレーザ光ＬＢの光軸に向けてエアＡが噴出されると共に、複数の第２ノズル孔５３からレーザ光ＬＢの照射方向に沿ってエアＢが噴出される。すると、第１ノズルスリット５１から噴出されたエアＡは、レーザ光ＬＢの光軸上で合流して溶接箇所Ｗａに向かい、複数の第２ノズル孔５３から噴出されたエアＡは、レーザ光ＬＢの光軸上で合流するエアＡを囲みつつ、溶接箇所Ｗａの周囲に向かう。
　即ち、エアノズル３７に第１ノズルスリット５１がレーザ光ＬＢの光軸を囲むように形成され、かつ、第１ノズルスリット５１がエア通路４５に連通されているので、第１ノズルスリット５１から噴出されたエアＡは、レーザ光ＬＢの光軸上で合流して、溶接箇所Ｗａに向かう。これにより、立体ワークＷの形状が複雑であっても、溶接ヘッド５と立体ワークＷとの間のヒュームの滞留を十分に抑えることができる。
　また、第１ノズルスリット５１よりも半径方向外側の位置に、レーザ光ＬＢの光軸を囲むように複数の第２ノズル孔５３が形成され、かつ、複数の第２ノズル孔５３がエア通路４５に連通されているので、複数の第２ノズル孔５３から噴出されたエアＢは、レーザ光ＬＢの光軸上で合流するエアＡを囲みつつ、溶接箇所Ｗａの周囲に向かう。この結果、図３に示されるように、立体ワークＷに側方からレーザ溶接を行う場合、スパッタＳが溶接箇所Ｗａから放物線を描いて溶接ヘッド５へと飛散しても、スパッタＳを溶接ヘッド５から逸らすことができる（図３中の白矢印で示されるようにスパッタＳの飛散方向が変えられる）。
　従って、本実施形態によれば、立体ワークＷの形状が複雑であっても、溶接ヘッド５と立体ワークＷとの間のヒュームの滞留を十分に抑えることができるので、ヒュームのレーザ光ＬＢへの干渉がなくなり、安定した溶接条件（加工条件）で立体ワークＷを安定的にレーザ溶接することができる。
　また、立体ワークＷに側方からレーザ溶接を行う場合、スパッタＳが溶接箇所Ｗａから放物線を描いて溶接ヘッド５へと飛散しても、スパッタＳを溶接ヘッド５から逸らすことができるので、保護ガラス３５へのスパッタＳの付着を低減できる。この結果、保護ガラス３５の交換頻度を大幅に減らすことができる。
　本実施形態に係る溶接ヘッド５、第１従来技術例に係る溶接ヘッド１０１（図５（ｂ）参照）、及び、第２従来技術例に係る溶接ヘッド１１１（図６（ｂ）参照）を用いて、立体ワークＷに側方からレーザ溶接を行った。溶接した立体ワークＷの数と保護ガラス３５に付着したスパッタの数との関係を図４に示す。図４に示されるように、溶接ヘッド５を用いた場合は、溶接ヘッド１０１や溶接ヘッド１１１を用いた場合に比べて、スパッタの数を大幅に低減できる。なお、１つの立体ワークＷを溶接するのに必要なパルスショットの数は３９６０回に設定されており、第１従来技術例の場合にのみ外部送風機を使用した。
　本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の態様で実施可能である。

Claims (5)

  1. 　ワークにレーザ溶接を行うレーザ溶接装置に用いられ、ワークの溶接箇所に向けてレーザ光を照射するレーザ溶接ヘッドであって、
    　レーザ光を出射する出射開口部が先端に形成された、レーザ発振器に光学的に接続される中空状のヘッド本体と、
    　前記ヘッド本体に着脱可能に設けられた、前記出射開口部を覆う保護ガラスと、
    　前記保護ガラスよりワーク側に設けられた、環状のガスノズルと、を備えており、
    　前記ガスノズルの内部に、ガス供給源に接続可能なガス通路が形成され、
    　前記ガスノズル上に、前記レーザ光の照射方向側の前記レーザ光の光軸に向けてガスを噴出する第１ノズルと、前記レーザ光の照射方向に沿ってガスを噴出する第２ノズルとが形成されており、
    　前記第１ノズルは、前記ガス通路に連通され、かつ、前記レーザ光の光軸を囲むように形成され、
    　前記第２ノズルは、前記ガス通路に連通され、かつ、前記第１ノズルよりも半径方向外側の位置に、前記第１ノズルを囲むように形成されている、レーザ溶接ヘッド。
  2. 　請求項１に記載のレーザ溶接ヘッドであって、
    　前記第１ノズルが、環状の第１ノズルスリット、周方向に間隔をおいて形成された複数の第１ノズル孔、又は、周方向に間隔をおいて形成された複数の円弧状の第１ノズルスリットであり、
    　前記第２ノズルが、周方向に間隔をおいて形成された複数の第２ノズル孔、環状の第２ノズルスリット、又は、周方向に間隔をおいて形成された複数の円弧状の第２ノズルスリットである、レーザ溶接ヘッド。
  3. 　レーザ溶接装置であって、
    　請求項１又は２に記載の前記レーザ溶接ヘッドと、
    　前記レーザ溶接ヘッドが取り付けられ、前記レーザ溶接ヘッドをワークに側方から接近させ、又は、前記レーザ溶接ヘッドをワークから側方に離反させるように、前記レーザ溶接ヘッドを移動する移動装置と、を備えたレーザ溶接装置。
  4. 　レーザ溶接ヘッド用ガスノズルであって、
    　内部に形成された、ガス供給源に接続可能なガス通路と、
    　レーザ光の照射方向側の前記レーザ光の光軸に向けてガスを噴出する第１ノズルと、
    　前記レーザ光の照射方向に沿ってガスを噴出する第２ノズルと、を備えており、
    　前記第１ノズルが、前記ガス通路に連通され、かつ、前記レーザ光の光軸を囲むように形成され、
    　前記第２ノズルが、前記ガス通路に連通され、かつ、前記第１ノズルよりも半径方向外側の位置に、前記第１ノズルを囲むように形成されている、ガスノズル。
  5. 　請求項４に記載のレーザ溶接ヘッド用ガスノズルであって、
    　前記第１ノズルが、環状の第１ノズルスリット、周方向に間隔をおいて形成された複数の第１ノズル孔、又は、周方向に間隔をおいて形成された複数の円弧状の第１ノズルスリットであり、
    　前記第２ノズルが、周方向に間隔をおいて形成された複数の第２ノズル孔、環状の第２ノズルスリット、又は、周方向に間隔をおいて形成された複数の円弧状の第２ノズルスリットである、ガスノズル。
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