JP2001030089A - レーザ溶接方法 - Google Patents
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- Mounting And Adjusting Of Optical Elements (AREA)
- Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
- Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 レーザビームをスピンさせないときにもポロ
シティの抑制効果が得られるレーザ溶接方法を提供す
る。 【解決手段】 レーザビーム１を、ビームの焦点位置を
光軸方向に振動させながら被加工物Ｗに照射して溶接を
行なう。ビーム焦点位置の光軸方向振動は、反射面の曲
率制御が可能な曲率可変鏡７を用いて行なうことができ
る。その曲率可変鏡７は高速駆動が可能なピエゾアクチ
ュエータで反射板を変形させるものが光軸振動の周波数
を大きくできて好ましい。
シティの抑制効果が得られるレーザ溶接方法を提供す
る。 【解決手段】 レーザビーム１を、ビームの焦点位置を
光軸方向に振動させながら被加工物Ｗに照射して溶接を
行なう。ビーム焦点位置の光軸方向振動は、反射面の曲
率制御が可能な曲率可変鏡７を用いて行なうことができ
る。その曲率可変鏡７は高速駆動が可能なピエゾアクチ
ュエータで反射板を変形させるものが光軸振動の周波数
を大きくできて好ましい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、溶接欠陥の抑制
効果を高めたレーザ溶接方法に関する。
効果を高めたレーザ溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】精密微細加工が可能で、深溶け込みが得
られ、熱歪みも少ない溶接方法として知られるレーザ溶
接での被加工物へのビーム投入は、以下の如き方法でな
される。
られ、熱歪みも少ない溶接方法として知られるレーザ溶
接での被加工物へのビーム投入は、以下の如き方法でな
される。
【０００３】（ｉ）レーザビームの照射点を一点に固定
し、被加工物を動かして溶接を進めるビーム固定法。
し、被加工物を動かして溶接を進めるビーム固定法。
【０００４】（ii）送りをかけながらビームを回転させ
るスピニング法。
るスピニング法。
【０００５】（iii ）ビームをジグザグに移動させるス
キャニング法。
キャニング法。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】レーザ溶接で大切なこ
とは、溶接部に含まれるポロシティ（気孔）などの溶接
欠陥を減らすことである。溶接部にポロシティが含まれ
ると溶接継手の強度が弱くなり、結合の信頼性が低下す
る。
とは、溶接部に含まれるポロシティ（気孔）などの溶接
欠陥を減らすことである。溶接部にポロシティが含まれ
ると溶接継手の強度が弱くなり、結合の信頼性が低下す
る。
【０００７】ところが、上記（ｉ）のビーム固定法は、
溶接部がポロシティを含み易い。被加工物の材質によっ
ては、アシストガスを巻き込んで数多くのポロシティが
生じ、まともな溶接継手が得られない。また、この
（ｉ）の方法には、ほかにも、突き合わせ溶接での溶接
可能なギャップ幅が狭いとか、重ね溶接で得られる継手
強度が弱いなどの欠点が見られる。
溶接部がポロシティを含み易い。被加工物の材質によっ
ては、アシストガスを巻き込んで数多くのポロシティが
生じ、まともな溶接継手が得られない。また、この
（ｉ）の方法には、ほかにも、突き合わせ溶接での溶接
可能なギャップ幅が狭いとか、重ね溶接で得られる継手
強度が弱いなどの欠点が見られる。
【０００８】そこで、（ｉ）の方法の欠点の解消策とし
て、上記（ii）のスピニング法や（iii ）のスキャニン
グ法が考えられている。
て、上記（ii）のスピニング法や（iii ）のスキャニン
グ法が考えられている。
【０００９】スピニング法によると、被加工物の一旦溶
融した箇所を更に何回かビームが横切り、それによる熱
溶融物の溶融池の攪拌効果で溶融池中のガス成物の排出
が促進される。従って、ポロシティの抑制に効果がある
が、この方法は、溶接線の左右でビームの軌跡が異なる
ため、ビームのスピン径、スピン周波数、被加工物の送
り速度等の条件が適切でないと突き合わせ点の左右で溶
接状態に差が出ることがあり、適切な条件の設定が難し
いなどの理由によって使用規制を受けるケースが生じて
くる。また、この方法を使用できたとしても、ポロシテ
ィの抑制効果には限界があり、より高い効果を望めな
い。
融した箇所を更に何回かビームが横切り、それによる熱
溶融物の溶融池の攪拌効果で溶融池中のガス成物の排出
が促進される。従って、ポロシティの抑制に効果がある
が、この方法は、溶接線の左右でビームの軌跡が異なる
ため、ビームのスピン径、スピン周波数、被加工物の送
り速度等の条件が適切でないと突き合わせ点の左右で溶
接状態に差が出ることがあり、適切な条件の設定が難し
いなどの理由によって使用規制を受けるケースが生じて
くる。また、この方法を使用できたとしても、ポロシテ
ィの抑制効果には限界があり、より高い効果を望めな
い。
【００１０】一方、スキャンニング法は、溶接状態の均
一化は図れるが、ポロシティの抑制効果が得られない。
一化は図れるが、ポロシティの抑制効果が得られない。
【００１１】なお、レーザ光路の途中に設ける反射鏡を
ガルバノメータで振動させてレーザビームの焦点位置を
光軸と垂直な面内で振動させる手法が開発されている
（藤長茂樹他、レーザビームウィーバの現状と課題；第
２６回レーザ熱加工研究会論文集、１９９１、ｐｐ４
３）。この方法は、溶け込み幅の拡大によって溶接強度
の向上を図ったものであって、スピニング法とスキャン
ニング法の使い分けができるが、ポロシティの抑制効果
をスピニング法以上に高めることはできない。
ガルバノメータで振動させてレーザビームの焦点位置を
光軸と垂直な面内で振動させる手法が開発されている
（藤長茂樹他、レーザビームウィーバの現状と課題；第
２６回レーザ熱加工研究会論文集、１９９１、ｐｐ４
３）。この方法は、溶け込み幅の拡大によって溶接強度
の向上を図ったものであって、スピニング法とスキャン
ニング法の使い分けができるが、ポロシティの抑制効果
をスピニング法以上に高めることはできない。
【００１２】そこで、この発明は、被加工物の送り速度
やビームの軌跡とは無関係にポロシティの抑制効果を生
じさせることができ、また、スピニング法やスキャニン
グ法と組合わせてそれ等の方法の長所も生かすことがで
きるレーザ溶接方法を提供することを課題としている。
やビームの軌跡とは無関係にポロシティの抑制効果を生
じさせることができ、また、スピニング法やスキャニン
グ法と組合わせてそれ等の方法の長所も生かすことがで
きるレーザ溶接方法を提供することを課題としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、熱源となるレーザビームを、
ビームの焦点位置を光軸方向（光軸と平行方向、即ち溶
接部の深さ方向）に振動させながら被加工物に照射して
溶接を行う。
め、この発明においては、熱源となるレーザビームを、
ビームの焦点位置を光軸方向（光軸と平行方向、即ち溶
接部の深さ方向）に振動させながら被加工物に照射して
溶接を行う。
【００１４】また、必要に応じて、レーザビームを、ビ
ームの焦点位置を光軸方向及び光軸に対して垂直方向の
２方向に振動させながら被加工物に照射して溶接を行う
方法を採る。
ームの焦点位置を光軸方向及び光軸に対して垂直方向の
２方向に振動させながら被加工物に照射して溶接を行う
方法を採る。
【００１５】
【作用】レーザビームの焦点位置を光軸方向に振動させ
ると、被加工物の熱溶融物で形成される溶融池がレーザ
ビームによって効率的に攪拌される。そのために、溶融
池の中央にあるキーホールからポロシティの発生因子と
なるガス成分の抜けが促進され、ポロシティが減少す
る。
ると、被加工物の熱溶融物で形成される溶融池がレーザ
ビームによって効率的に攪拌される。そのために、溶融
池の中央にあるキーホールからポロシティの発生因子と
なるガス成分の抜けが促進され、ポロシティが減少す
る。
【００１６】この方法は、ビームをスピンさせずに溶融
池を攪拌できるので使用規制を全く受けず、全てのレー
ザ溶接においてポロシティの抑制効果を生じさせること
ができる。
池を攪拌できるので使用規制を全く受けず、全てのレー
ザ溶接においてポロシティの抑制効果を生じさせること
ができる。
【００１７】また、スピニング法と組み合わせてポロシ
ティの抑制効果を更に高めたり、スキャンニング法と組
み合わせて溶接状態を均一化しながらポロシティを減少
させたりすることもできる。
ティの抑制効果を更に高めたり、スキャンニング法と組
み合わせて溶接状態を均一化しながらポロシティを減少
させたりすることもできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１に、この発明の方法を実施す
るときの焦点振動プロファイルの一例を示す。これは、
ビームの焦点を、振幅±１．５ｍｍ、周波数２００Ｈ
ｚ、送り１ｍ／ｍｉｎの条件で光軸方向に振動させたと
きの振動波形である。
るときの焦点振動プロファイルの一例を示す。これは、
ビームの焦点を、振幅±１．５ｍｍ、周波数２００Ｈ
ｚ、送り１ｍ／ｍｉｎの条件で光軸方向に振動させたと
きの振動波形である。
【００１９】このビーム焦点位置の光軸方向への振動
は、レーザ加工機において光路途中に設けられる反射鏡
のうち、少なくともひとつを反射面の曲率制御が可能な
曲率可変鏡で構成し、その曲率可変鏡の反射面の曲率半
径を変化させる方法で行なうことができる。図２は、レ
ーザ加工機の加工ヘッド内の光学系要素を示している。
このように、レーザビーム１は、光路途中に配置された
複数の反射鏡２、３、４を経た後、トーチ５内の集光レ
ンズ６に集束され、被加工物に投入される。
は、レーザ加工機において光路途中に設けられる反射鏡
のうち、少なくともひとつを反射面の曲率制御が可能な
曲率可変鏡で構成し、その曲率可変鏡の反射面の曲率半
径を変化させる方法で行なうことができる。図２は、レ
ーザ加工機の加工ヘッド内の光学系要素を示している。
このように、レーザビーム１は、光路途中に配置された
複数の反射鏡２、３、４を経た後、トーチ５内の集光レ
ンズ６に集束され、被加工物に投入される。
【００２０】図３は、図２の光学系要素のうち、最終段
の反射鏡４を曲率可変鏡７に置き代えた図である。この
曲率可変鏡７の反射面の曲率半径を変化させると集光レ
ンズ６へ入射するビームの発散角が変化し、これによっ
てビームの焦点位置が光軸方向に移動する。従って、反
射面の曲率半径を反復して変化させることにより、ビー
ム焦点位置を光軸方向に振動させることができる。
の反射鏡４を曲率可変鏡７に置き代えた図である。この
曲率可変鏡７の反射面の曲率半径を変化させると集光レ
ンズ６へ入射するビームの発散角が変化し、これによっ
てビームの焦点位置が光軸方向に移動する。従って、反
射面の曲率半径を反復して変化させることにより、ビー
ム焦点位置を光軸方向に振動させることができる。
【００２１】使用する曲率可変鏡は、本出願人が特開平
９−２９３９１５号公報で提案しているようなものが好
ましい。図４に、その曲率可変鏡の模式図を示す。これ
は、反射板（ミラー）７ａを、水冷式のミラーマウト７
ｂで支え、背後に設けたピエゾアクチュエータ７ｃで押
圧して変形させる。ピエゾアクチュエータ７ｃは、圧電
性セラミックスの積層体をステンレスケースに収納した
加圧素子である。ほかにも、水圧などを利用する変形鏡
があるが、高速駆動が可能なピエゾアクチュエータを駆
動源として備える曲率可変鏡を採用すると、焦点振動の
振動周波数を大きくしてポロシティの抑制効果を高める
ことができる。
９−２９３９１５号公報で提案しているようなものが好
ましい。図４に、その曲率可変鏡の模式図を示す。これ
は、反射板（ミラー）７ａを、水冷式のミラーマウト７
ｂで支え、背後に設けたピエゾアクチュエータ７ｃで押
圧して変形させる。ピエゾアクチュエータ７ｃは、圧電
性セラミックスの積層体をステンレスケースに収納した
加圧素子である。ほかにも、水圧などを利用する変形鏡
があるが、高速駆動が可能なピエゾアクチュエータを駆
動源として備える曲率可変鏡を採用すると、焦点振動の
振動周波数を大きくしてポロシティの抑制効果を高める
ことができる。
【００２２】なお、高速駆動が可能な他の方式の曲率可
変鏡があれば、勿論それを使用してもよい。
変鏡があれば、勿論それを使用してもよい。
【００２３】次に、ビーム焦点の光軸と垂直方向への振
動は、回転振動、直線振動のどちらであってもよく、被
加工物を送りながら回転振動を加えるとスピニングが行
え、被加工物を送りながら直線振動を加えるとスキャン
ニングが行える。
動は、回転振動、直線振動のどちらであってもよく、被
加工物を送りながら回転振動を加えるとスピニングが行
え、被加工物を送りながら直線振動を加えるとスキャン
ニングが行える。
【００２４】このスピニング、スキャンニングは、先に
挙げた論文集や、実開平８−１９２２８６号公報に示さ
れる方法、即ち、図５に示すように、２つの反射鏡３、
４を直交する向きの軸を支点にしてガルバノメータ８で
微小角度で振動（揺動）させる方法で行うと好ましい。
この方法を採ると、スピニング、スキャンニングの使い
分けができる。
挙げた論文集や、実開平８−１９２２８６号公報に示さ
れる方法、即ち、図５に示すように、２つの反射鏡３、
４を直交する向きの軸を支点にしてガルバノメータ８で
微小角度で振動（揺動）させる方法で行うと好ましい。
この方法を採ると、スピニング、スキャンニングの使い
分けができる。
【００２５】図５の反射鏡３、４のどちらか一方、又は
双方或は反射鏡２を先に述べたような曲率可変鏡で構成
すると、ビームの焦点を光軸方向に振動させながらスピ
ニング法やスキャンニング法を実施することが可能にな
る。
双方或は反射鏡２を先に述べたような曲率可変鏡で構成
すると、ビームの焦点を光軸方向に振動させながらスピ
ニング法やスキャンニング法を実施することが可能にな
る。
【００２６】なお、レーザビームの焦点位置を光軸方向
に振動させるビーム制御については、レーザ切断の分野
で切断面の表面粗さを滑らかにすると言う効果が報告さ
れている（Ｔａｋａｃｓ ｅｔ．ａｌ．，Ａｄｖａｎｃ
ｅｄ Ｌａｓｅｒ ＢｅａｍＣｕｔｔｉｎｇ Ｕｓｉｎ
ｇ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ，ＥＣＬＡ’９
６，ｐｐ９７１）が、その制御がレーザ溶接におけるポ
ロシティの抑制に有効なことは、上記の報告からは見い
出せない。
に振動させるビーム制御については、レーザ切断の分野
で切断面の表面粗さを滑らかにすると言う効果が報告さ
れている（Ｔａｋａｃｓ ｅｔ．ａｌ．，Ａｄｖａｎｃ
ｅｄ Ｌａｓｅｒ ＢｅａｍＣｕｔｔｉｎｇ Ｕｓｉｎ
ｇ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ，ＥＣＬＡ’９
６，ｐｐ９７１）が、その制御がレーザ溶接におけるポ
ロシティの抑制に有効なことは、上記の報告からは見い
出せない。
【００２７】以下に、この発明の方法のより具体的な実
施例を挙げる。ピエゾアクチュエータを使った図４の構
造の曲率可変鏡を参考文献（岡田健他、ＣＯ2 レーザ用
アダプティグミラーの開発、ＳＥＩテクニカルビュ、Ｎ
ｏ１５２、ｐｐ１８３）に従って製作した。この曲率可
変鏡の仕様は、図４のミラーマウント直径Ｄ＝１００ｍ
ｍ、反射面開口ｄ＝６２ｍｍ、ピエゾアクチュエータ７
ｃのストローク＝３０μｍ、位置決め精度：±１μｍ、
反射板７ａの非制御時反射面形状：平面、反射面の曲率
範囲：∞⇔凸２０ｍ、有効径：５０ｍｍである。反射板
５ａは高精度の球面を得るために、裏面に中央側が厚く
なる厚み分布をつけた。また、反射面に反射ロスを減ら
すための金を蒸着した。
施例を挙げる。ピエゾアクチュエータを使った図４の構
造の曲率可変鏡を参考文献（岡田健他、ＣＯ2 レーザ用
アダプティグミラーの開発、ＳＥＩテクニカルビュ、Ｎ
ｏ１５２、ｐｐ１８３）に従って製作した。この曲率可
変鏡の仕様は、図４のミラーマウント直径Ｄ＝１００ｍ
ｍ、反射面開口ｄ＝６２ｍｍ、ピエゾアクチュエータ７
ｃのストローク＝３０μｍ、位置決め精度：±１μｍ、
反射板７ａの非制御時反射面形状：平面、反射面の曲率
範囲：∞⇔凸２０ｍ、有効径：５０ｍｍである。反射板
５ａは高精度の球面を得るために、裏面に中央側が厚く
なる厚み分布をつけた。また、反射面に反射ロスを減ら
すための金を蒸着した。
【００２８】以上の仕様の曲率可変鏡７を、図３に示す
ように集光レンズ６の手前側に配置してＣＯ2 レーザ加
工機の加工ヘッドに組み付けた。レーザ発振器は、ここ
ではＣＯ2 レーザ発振器を用いたが、これに限界される
ものではなく、ＹＡＧレーザなどの使用も可能である。
また、集光レンズ６の代わりに放物面鏡や他の光学部品
で集光しても差し支えない。
ように集光レンズ６の手前側に配置してＣＯ2 レーザ加
工機の加工ヘッドに組み付けた。レーザ発振器は、ここ
ではＣＯ2 レーザ発振器を用いたが、これに限界される
ものではなく、ＹＡＧレーザなどの使用も可能である。
また、集光レンズ６の代わりに放物面鏡や他の光学部品
で集光しても差し支えない。
【００２９】ビーム条件は、ＣＷ、出力１ｋｗ、ガウス
モードであり、一般的なφ３０ｍｍ（１／ｅ2 径）のビ
ームが曲率可変鏡に入射角１５°で入射するようにし
た。
モードであり、一般的なφ３０ｍｍ（１／ｅ2 径）のビ
ームが曲率可変鏡に入射角１５°で入射するようにし
た。
【００３０】集光レンズの焦点距離は７．５インチ（１
９０．５ｍｍ）である。焦点振動の周波数は２００Ｈ
ｚ、焦点位置の振動幅は±１．５ｍｍ（図３の振幅Ｓ＝
３ｍｍ）である。振動波形は図１に示す正弦波を用い
た。
９０．５ｍｍ）である。焦点振動の周波数は２００Ｈ
ｚ、焦点位置の振動幅は±１．５ｍｍ（図３の振幅Ｓ＝
３ｍｍ）である。振動波形は図１に示す正弦波を用い
た。
【００３１】被加工物は、ＳＵＳ３０４及びマグネシウ
ム合金（ＭＰ１）用いたが、加工対象の材質は、これ等
に限定されない。
ム合金（ＭＰ１）用いたが、加工対象の材質は、これ等
に限定されない。
【００３２】焦点振動の振幅中心Ｃは、被加工物Ｗの表
面から１．５ｍｍの深さ位置に設定した。また、溶接時
の送り速度は１ｍ／ｍｉｎとし、シールドガスはアルゴ
ンガスを使用した。
面から１．５ｍｍの深さ位置に設定した。また、溶接時
の送り速度は１ｍ／ｍｉｎとし、シールドガスはアルゴ
ンガスを使用した。
【００３３】以上の条件で溶接を行った後、溶接ビード
中のポロシティの数を調べた。その結果を表１に示す。
ポロシティの評価は、放射線透過試験（６０ｋｖ×５ｍ
Ａ）によって行った。焦点振動の有る場合と無い場合の
ビード断面写真を図６に示す。
中のポロシティの数を調べた。その結果を表１に示す。
ポロシティの評価は、放射線透過試験（６０ｋｖ×５ｍ
Ａ）によって行った。焦点振動の有る場合と無い場合の
ビード断面写真を図６に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】焦点を光軸方向に振動させるとポロシティ
が減少することが表１の結果によく現れている。
が減少することが表１の結果によく現れている。
【００３６】なお、ビームの焦点位置を光軸に対して垂
直方向に振動させるスキャンニング又はスピニングと光
軸方向振動とを組み合わせると、溶け込み幅が広く、し
かもポロシティが少ない良好な溶接が可能となることも
実験で確認した。
直方向に振動させるスキャンニング又はスピニングと光
軸方向振動とを組み合わせると、溶け込み幅が広く、し
かもポロシティが少ない良好な溶接が可能となることも
実験で確認した。
【００３７】
【発明の効果】以上述べたように、この発明ではレーザ
ビームの焦点を光軸方向に振動させながら溶接を行うの
で、ビームスピン無しでもポロシティの抑制効果を生じ
させることができ、溶接欠陥を減少させるのに役立つ。
ビームの焦点を光軸方向に振動させながら溶接を行うの
で、ビームスピン無しでもポロシティの抑制効果を生じ
させることができ、溶接欠陥を減少させるのに役立つ。
【００３８】また、スピニング法と組み合わせて溶け込
み幅を広げながらポロシティの抑制効果を更に高めた
り、スキャンニング法と組み合わせて溶け込み幅の拡
大、溶接状態の均一化を図りながらポロシティを減少さ
せたりすることもでき、溶接継手の信頼性向上が図れ
る。
み幅を広げながらポロシティの抑制効果を更に高めた
り、スキャンニング法と組み合わせて溶け込み幅の拡
大、溶接状態の均一化を図りながらポロシティを減少さ
せたりすることもでき、溶接継手の信頼性向上が図れ
る。
【図１】焦点振動のプロファイルの一例を示す図
【図２】レーザ加工機の加工ヘッド内光学系の一例を示
す図
す図
【図３】曲率可変鏡による焦点振動の原理を示す図
【図４】ピエゾアクチュエータを用いた曲率可変鏡の概
略構造図
略構造図
【図５】ガルバノメータで反射鏡を振動させる構造の光
学系を示す図
学系を示す図
【図６】（ａ）焦点振動有りの場合の溶接ビードの断面
を示す図 （ｂ）焦点振動無しの場合の溶接ビードの断面を示す図
を示す図 （ｂ）焦点振動無しの場合の溶接ビードの断面を示す図
１ レーザビーム ２、３、４ 反射鏡 ５ トーチ ６ 集光レンズ ７ 曲率可変鏡 ７ａ 反射板 ７ｂ ミラーマウント ７ｃ ピエゾアクチュエータ ８ ガルバノメータ Ｗ 被加工物 Ｓ 振幅 Ｃ 振幅中心
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 26/10 Ｇ０２Ｂ 26/10 １０１ １０１ 7/18 Ｂ 27/09 27/00 Ｅ
Claims (4)
- 【請求項１】 レーザビームを熱源とし、そのレーザビ
ームを、ビームの焦点位置を光軸方向に振動させながら
被加工物に照射して溶接を行なうことを特徴とするレー
ザ溶接方法。 - 【請求項２】 レーザビームを熱源とし、そのレーザビ
ームを、ビームの焦点位置を光軸方向及び光軸に対して
垂直方向の２方向に振動させながら被加工物に照射して
溶接を行うことを特徴とするレーザ溶接方法。 - 【請求項３】 レーザ加工機において光路途中に設けら
れる反射鏡のうち、少なくともひとつを反射面の曲率制
御が可能な曲率可変鏡で構成し、その曲率可変鏡の反射
面の曲率半径を変化させてビームの焦点位置を光軸方向
に振動させる請求項１又は２記載のレーザ溶接方法。 - 【請求項４】 反射板の背後に設けたピエゾアクチュエ
ータを伸長、収縮させて反射板を変形させる方式の曲率
可変鏡を使用して２０Ｈｚ以上の振動周波数でビームの
焦点位置を光軸と平行方向に振動させる請求項３記載の
レーザ溶接方法。
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