JP2002210579A - Ripple-oscillated yag laser beam device and equipment for welding thin steel plate using the same - Google Patents

Ripple-oscillated yag laser beam device and equipment for welding thin steel plate using the same

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JP2002210579A
JP2002210579A JP2001008215A JP2001008215A JP2002210579A JP 2002210579 A JP2002210579 A JP 2002210579A JP 2001008215 A JP2001008215 A JP 2001008215A JP 2001008215 A JP2001008215 A JP 2001008215A JP 2002210579 A JP2002210579 A JP 2002210579A
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JP
Japan
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yag laser
laser beam
oscillation
laser
ripple
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JP2001008215A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsuhiro Minamida
勝宏 南田
Naoya Hamada
直也 浜田
Masakazu Tsuji
正和 辻
Masashi Oikawa
昌志 及川
Hiroyuki Yamamoto
博之 山本
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HANWA KOGYO KK
Nippon Steel Corp
Hanwa Co Ltd
Original Assignee
HANWA KOGYO KK
Nippon Steel Corp
Hanwa Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device with which a ripple-oscillated laser beam is obtained by efficiently coaxially synthesizing a pulse-oscillation YAG laser beam and a continuous-wave oscillation YAG laser beam, and to provide equipment for laser beam welding with which a setting accuracy of a butting gap for preventing the generation of a burn through or a humping in a butt welding of thin steel plates is remarkably relaxed. SOLUTION: Either a YAG laser beam unit which generates a conventional solid laser beam or a YAG laser beam unit which generates a hollow laser beam which has a spatial distribution in reflectivity of a partially transparent mirror is set at a continuous oscillation and the other is set at a pulse oscillation. A ripple waveform is realized at a high efficiency by coaxially synthesizing these laser beams with a beam coupler which has a prescribed aperture. Further, as a ripple condition, the ratio of a mean output of the pulse component to a total output is set at a prescribed value and applied to a butt welding of the thin steel plates.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明が属する技術分野】本発明は特定の時間波形を有
するレーザ出力を得るための固体レーザ装置に関わるも
のであり、特にパルス発振レーザビームと連続発振レー
ザビームを共振器外部で効率的に同軸状で合成すること
で所望の時間波形を実現し、薄鋼板のレーザビーム突き
合わせ溶接で操業条件変動などが発生しても健全な溶接
を達成するための装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state laser device for obtaining a laser output having a specific time waveform, and in particular, to efficiently coaxially couple a pulsed laser beam and a continuous wave laser beam outside a resonator. The present invention relates to an apparatus for realizing a desired time waveform by synthesizing in a shape, and achieving a sound welding even when operating conditions fluctuate in laser beam butt welding of a thin steel plate.

【0002】[0002]

【従来の技術】薄鋼板の突き合わせ溶接においては、板
厚の減少と共に突き合わせ精度を確保することが加速的
に困難になる。その結果、突き合わせ間隙が大きくなり
すぎ、健全な溶接を達成できない問題点があった。この
問題に対応するため特開平4−322892号公報に
は、複数台のレーザ発振器から出力された連続波レーザ
とパルスレーザをレーザ発振器の外で結合させ、これを
突き合わせ溶接部に供給することで、溶け落ちやハンピ
ングの発生等の欠陥を防止する方法が提示されている。
これは溶接部に時間的にリップルを伴った、すなわち連
続波にパルスが重畳したレーザ光を供給することで、パ
ルス部でレーザ光の吸収率を安定化させ連続波成分で溶
接に必要なパワーを供給するものであり、このような
「リップルレーザ光」は薄鋼板のレーザ溶接に特に有効
であることが公知となっている。
2. Description of the Related Art In butt welding of thin steel sheets, it becomes difficult to secure the butt accuracy with a decrease in the thickness of the steel sheet. As a result, the butt gap becomes too large, and there is a problem that sound welding cannot be achieved. To cope with this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-322892 discloses that a continuous wave laser and a pulsed laser output from a plurality of laser oscillators are coupled outside the laser oscillator and supplied to a butt weld. A method for preventing defects such as burn-through and humping has been proposed.
This is because a laser beam with ripples in time, that is, a pulse superimposed on a continuous wave, is supplied to the welded portion, stabilizing the laser beam absorptivity at the pulsed portion, and the power required for welding with the continuous wave component. It is known that such “ripple laser light” is particularly effective for laser welding thin steel plates.

【0003】ここで、上記特開平4−322892号公
報ではリップルレーザ光を溶接部で実現するため、複数
台から得られたレーザビームを伝送用ファイバの入射端
で結合する、もしくは独立のファイバで伝送したビーム
を最終集光光学系で結合するかいずれかの方法をとる手
段が開示されている。このような結合方法を実現するた
めには、前者の場合ファイバ入射用レンズの開口径を大
きくとる必要があり、その結果ファイバへの入射角が大
きくなるため、NA(Numerical Aperture)の制約から
ファイバーへの投入効率が低下する問題点があった。さ
らに後者の場合は、結像光学系の光源が複数点あること
に相当するため、厳密には集光点が一致せず上記に示し
た所望の効果を充分に発揮できないという問題点があっ
た。これらの問題点は異なるレーザ発振器から出力され
たレーザビームを同軸状に合成することが困難であった
点に起因している。
[0003] In Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-322892, laser beams obtained from a plurality of laser beams are combined at the input end of a transmission fiber, or independent fibers are used to realize a ripple laser beam at a welding portion. Means are disclosed for combining the transmitted beams with the final focusing optics or any other way. In order to realize such a coupling method, in the former case, it is necessary to increase the aperture diameter of the fiber incidence lens. As a result, the angle of incidence on the fiber increases, so that the fiber is limited due to the limitation of numerical aperture (NA). There was a problem that the input efficiency to the system was reduced. Further, in the latter case, since there are a plurality of light sources of the imaging optical system, there is a problem that the convergence points do not exactly coincide with each other and the above-described desired effects cannot be sufficiently exerted. . These problems result from the difficulty in coaxially combining laser beams output from different laser oscillators.

【0004】このような問題点に対応するため二つのレ
ーザビームを同軸状に合成する手法として、図6
(A)、(B)に示す様な方式が実施されている。同図
(A)においては、レーザビーム径の異なる二つのレー
ザビーム22、23を直交方向からビーム結合素子24
へ入射させ、レーザビーム22はビーム結合素子24の
開口部を透過させ、レーザビーム23はビーム結合素子
の開口部周辺に設けられた反射面において反射させるこ
とで同軸状に合成する方式である。しかしながら、レー
ザビーム23の内の開口部に相当する成分は開口を通過
してしまうため、結合に伴う出力損失が大きくなる問題
がある。同図(B)はビームスプリッタ25を用いるこ
とで同軸ビームを得る方法であるが、この場合もレーザ
ビーム22の反射成分ならびにレーザビーム23の透過
成分が出力損失になるという問題があった。また、ビー
ムスプリッタ25を偏光ビームスプリッタとして、レー
ザビーム22をP偏光、レーザビーム23をS偏光とす
ることで、出力合成効率を高める方策も考えられるが、
偏光ビームスプリッタのS偏光反射面は誘電体多層膜蒸
着で形成されるため、高出力に対する耐光強度が劣るた
め長期信頼性に欠けるという問題点があった。またレー
ザ発振器から直線偏光出力を得るため、共振器内部に偏
光規定素子を挿入する必要があり、レーザ発振器の出力
効率が低下してしまうという問題点もあった。
To cope with such a problem, two laser beams are coaxially combined as shown in FIG.
(A) and (B) have been implemented. In FIG. 3A, two laser beams 22 and 23 having different laser beam diameters are combined from a beam combining element 24 in an orthogonal direction.
In this method, the laser beam 22 is transmitted through the opening of the beam combining element 24, and the laser beam 23 is reflected on a reflection surface provided around the opening of the beam combining element 24 so as to be coaxially combined. However, since a component of the laser beam 23 corresponding to the opening passes through the opening, there is a problem that the output loss due to the coupling increases. FIG. 6B shows a method of obtaining a coaxial beam by using the beam splitter 25, but also in this case, there is a problem that a reflected component of the laser beam 22 and a transmitted component of the laser beam 23 cause an output loss. Also, a method of increasing the output combining efficiency by using the beam splitter 25 as a polarization beam splitter and using the laser beam 22 as P-polarized light and the laser beam 23 as S-polarized light can be considered.
Since the S-polarized light reflecting surface of the polarizing beam splitter is formed by depositing a dielectric multilayer film, there is a problem that the light resistance against high output is inferior and the long-term reliability is poor. Further, in order to obtain a linearly polarized light output from the laser oscillator, it is necessary to insert a polarization regulating element inside the resonator, and there is a problem that the output efficiency of the laser oscillator is reduced.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題とすると
ころは、上記の従来技術において問題であった複数レー
ザビームの同軸状の結合効率を抜本的に改善できる手段
を提供することで、高効率なリップル発振YAGレーザ
装置を提供し、このようなレーザ発振装置を特定の条件
で薄鋼板の溶接に適用することで相対的に低出力のレー
ザを用いて溶接欠陥の無い安定したレーザ溶接を達成で
きる溶接装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a means for drastically improving the coaxial coupling efficiency of a plurality of laser beams, which has been a problem in the above-mentioned prior art. Providing an efficient ripple oscillation YAG laser device and applying such a laser oscillation device to the welding of thin steel sheets under specific conditions to achieve stable laser welding without welding defects using a relatively low output laser. It is to provide a welding device that can be achieved.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】前記課題は、以下の
(1)〜(3)の発明により解決される。 (1).共振器を構成するYAGレーザ発振器の部分透
過出力鏡の反射率を光軸中心部で高反射率とし周辺部で
反射率を低下させる、もしくは共振器中の光軸中心位置
にレーザビームに対して損失の大きい円形物質を挿入す
ることで中空のリングモード発振ビームを得る第一のパ
ルス発振YAGレーザと、部分透過出力鏡の反射率が空
間的に一定なものを用い中実の発振ビームを得る第二の
連続波発振YAGレーザと、第一のYAGレーザの中空
部の内径が第二のYAGレーザの外径と一致もしくは大
きくなる条件とするため第一のYAGレーザビーム径を
変更するコリメータと、開口径が、前記コリメータによ
って径を調整された第一のYAGレーザビームの中空部
の内径以下で第二のYAGレーザの外径以上の開口部を
有し、前記開口部を第二のYAGレーザが通過し、開口
出力部において第一のYAGレーザビームが反射する反
射面を有することで第一、第二のYAGレーザビームを
同軸的に結合するビーム結合素子によって構成されるこ
とを特徴とするリップル発振YAGレーザ装置。 (2).共振器を構成するYAGレーザ発振器の部分透
過出力鏡の反射率を光軸中心部で高反射率とし周辺部で
反射率を低下させる、もしくは共振器中の光軸中心位置
にレーザビームに対して損失の大きい円形物質を挿入す
ることで中空のリングモード発振ビームを得る第一の連
続波発振YAGレーザと、部分透過出力鏡の反射率が空
間的一定なものを用い中実の発振ビームを得る第二のパ
ルス発振YAGレーザと、第一のYAGレーザの中空部
の内径が第二のYAGレーザの外径と一致もしくは大き
くなる条件とするため第一のYAGレーザビーム径を変
更するコリメータと、開口径が前記コリメータによって
径を調整された第一のYAGレーザビームの中空部の内
径以下で第二のYAGレーザの外径以上の開口部を有
し、前記開口部を第二のYAGレーザが通過し、開口出
力部において第一のYAGレーザビームが反射する反射
面を有するビーム結合素子によって構成されることを特
徴とするリップル発振YAGレーザ装置。 (3).(1)項または(2)項記載のリップル発振Y
AGレーザの発振条件をパルス成分の平均出力が全体の
レーザ出力の20%〜50%とし、前記リップル発振固
体レーザ装置から得られたレーザビームを光ファイバー
もしくはミラー反射によって伝送して、集光光学系にて
集光して薄手鋼板の突き合わせ溶接部に照射するように
したことを特徴とする薄鋼板溶接装置。
The above object is achieved by the following inventions (1) to (3). (1). The reflectivity of the partial transmission output mirror of the YAG laser oscillator that constitutes the resonator is made high at the center of the optical axis to reduce the reflectivity at the periphery, or the laser beam is located at the center of the optical axis in the resonator. A first pulsed YAG laser that obtains a hollow ring-mode oscillating beam by inserting a circular substance with a large loss, and a solid oscillating beam obtained by using a partially transmitting output mirror whose reflectance is spatially constant A second continuous wave YAG laser, and a collimator for changing the diameter of the first YAG laser beam so that the inner diameter of the hollow portion of the first YAG laser is equal to or larger than the outer diameter of the second YAG laser. The opening diameter is equal to or less than the inner diameter of the hollow portion of the first YAG laser beam whose diameter is adjusted by the collimator, and is equal to or more than the outer diameter of the second YAG laser; The first and second YAG laser beams are coaxially coupled by having a reflecting surface through which the AG laser passes and the first YAG laser beam is reflected at the aperture output section. A ripple oscillation YAG laser device. (2). The reflectivity of the partial transmission output mirror of the YAG laser oscillator that constitutes the resonator is made high at the center of the optical axis to reduce the reflectivity at the periphery, or the laser beam is located at the center of the optical axis in the resonator. A first continuous wave YAG laser that obtains a hollow ring-mode oscillation beam by inserting a lossy circular substance, and a solid oscillation beam is obtained using a partially transmitted output mirror with a spatially constant reflectance. A second pulsed YAG laser, and a collimator that changes the first YAG laser beam diameter so that the inner diameter of the hollow portion of the first YAG laser matches or becomes larger than the outer diameter of the second YAG laser; The opening diameter is equal to or less than the inner diameter of the hollow portion of the first YAG laser beam whose diameter is adjusted by the collimator, and is equal to or more than the outer diameter of the second YAG laser. Laser passes, ripple wave YAG laser apparatus characterized by first YAG laser beam at the aperture output unit is constituted by a beam coupling element having a reflecting surface for reflecting. (3). The ripple oscillation Y described in the item (1) or (2).
The oscillation condition of the AG laser is such that the average output of the pulse component is 20% to 50% of the entire laser output, and the laser beam obtained from the ripple oscillation solid-state laser device is transmitted by an optical fiber or mirror reflection, and is condensed. A thin steel plate welding apparatus characterized in that the light is condensed and irradiated to a butt weld portion of a thin steel plate.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態および実施例】以下、本発明に関わ
るリップル発振YAGレーザ装置とそれを用いた溶接装
置について詳細に説明する。図2は本発明の一部を構成
するレーザ共振器の構造を模式的に表した説明図であ
る。なお、同図においては、構成表示の煩雑化を防ぐた
め、レーザ媒質を励起するための光源装置や媒質を冷却
するための冷却構造は省略して示した。図2(A)は通
常の安定型レーザ共振器の構成である。レーザ共振器は
部分透過鏡11と高反射鏡10およびレーザ媒質である
Nd3+:YAGレーザロッド9からなる。以上の構成の
レーザ発振器から得られる出力レーザビーム2は高次T
EMモードの中実ビームとして得られる。同図(B)は
(A)の出力ビームと同軸で合成すべき中空形状のレー
ザビーム1を得るための共振器構成を示したものであ
る。同図(A)に比較して、部分透過鏡12の反射面の
コーティングが光軸中央部において高反射コーティング
13が施され、その周辺部には部分透過コーティング1
4が施されている。この結果、レーザロッド9の中央部
分で共振した成分は共振器の中に閉じこめられ、出力ビ
ーム1の空間分布はリング状のレーザビームとなる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a ripple oscillation YAG laser device according to the present invention and a welding device using the same will be described in detail. FIG. 2 is an explanatory view schematically showing the structure of a laser resonator constituting a part of the present invention. In FIG. 1, a light source device for exciting the laser medium and a cooling structure for cooling the medium are omitted to avoid complication of the configuration display. FIG. 2A shows the configuration of a normal stable laser resonator. The laser resonator includes a partially transmitting mirror 11, a high reflection mirror 10, and an Nd3 +: YAG laser rod 9 as a laser medium. The output laser beam 2 obtained from the laser oscillator having the above configuration has a higher order T
Obtained as a solid beam in EM mode. FIG. 2B shows a resonator configuration for obtaining a hollow laser beam 1 to be synthesized coaxially with the output beam of FIG. Compared to FIG. 2A, the reflection surface of the partial transmission mirror 12 is coated with a high reflection coating 13 at the center of the optical axis, and the partial transmission coating 1 is applied to the periphery thereof.
4 is given. As a result, the component resonating at the center of the laser rod 9 is confined in the resonator, and the spatial distribution of the output beam 1 becomes a ring-shaped laser beam.

【0008】以上の構成でレーザロッド9の直径を6m
m、高反射コーティング13部の直径を3mm、反射率を
99%とし、部分透過コーティング14部の反射率を7
0%として発振を行わせた結果、通常の空間的に分布を
持たない部分透過鏡11で反射率を80%とした場合の
出力と同一の出力で、光軸中心3mm領域には出力を有し
ないレーザビーム1を得ることができた。図2(A)、
(B)それぞれの共振器から取り出された出力レーザビ
ームの空間分布をそれぞれ図3(A)、(B)に示す。
なお、以上の例においては安定型共振器から中空形状の
リングモード出力を得る例を示したが、不安定型共振器
からリング形状ビームを取り出すことも可能である。ま
た、中空形状ビームを得る手段として、部分透過鏡11
の反射率に空間分布を持たせる例を示したが、他の方法
として光軸中心部にレーザ共振を抑制するためレーザビ
ームに対して透過率が低く損失の大きい円形物質を光軸
中心位置に挿入することによっても同様な中空ビームを
得ることが可能である。
With the above configuration, the diameter of the laser rod 9 is set to 6 m.
m, the diameter of 13 parts of the high reflection coating is 3 mm, the reflectance is 99%, and the reflectance of 14 parts of the partially transmitting coating is 7
As a result of oscillating at 0%, the output is the same as the output when the reflectance is set to 80% by the normal partially transmitting mirror 11 having no spatial distribution, and the output is provided in the region of the optical axis center of 3 mm. A laser beam 1 not obtained was obtained. FIG. 2 (A),
(B) FIGS. 3A and 3B show the spatial distribution of the output laser beam extracted from each resonator.
In the above example, an example in which a hollow-shaped ring mode output is obtained from a stable resonator has been described. However, a ring-shaped beam can be extracted from an unstable resonator. As a means for obtaining a hollow beam, a partially transmitting mirror 11 is used.
An example of giving a spatial distribution to the reflectivity of the laser beam was shown, but as another method, a circular substance with a low transmittance and a large loss to the laser beam was placed at the center of the optical axis to suppress laser resonance at the center of the optical axis. A similar hollow beam can be obtained by insertion.

【0009】図1は本発明の次の構成要素であるビーム
結合素子を用いた二つのレーザビームの同軸合成を説明
する模式図である。図2(B)の構成のレーザ発振器か
ら取り出した中空レーザビーム1は共焦点条件に配置さ
れた凹レンズ3、凸レンズ4によって構成されるコリメ
ータによってビーム径が拡大される。この拡大率は合成
すべき中実レーザビーム2の外形と等しいかそれよりも
大きな径になるように設定される。以上で拡大された中
空レーザビーム1はビーム結合素子5の反射面によって
反射され図中の左方向へ光軸が変換される。ここでビー
ム結合素子に設けられた開口径は上記で拡大された中空
レーザビーム1の内径と等しいかそれよりも小さな値に
設定されており、基本的には中空レーザビーム1の殆ど
全ての出力が反射されることになる。なお、ビーム形状
の変換過程で回折の影響で中空部分に若干の出力が混入
することがあるため、開口部を通過した出力成分はビー
ムダンパー6によって吸収する構成となっている。ビー
ム結合素子5の開口径は同時に中実レーザビーム2の外
形と等しいかそれよりも大きな値に設定されていること
から、中実レーザビーム2の出力も基本的には全て開口
部を介して図中左方向へ伝播し、前述の中空レーザビー
ム1の反射光と同軸状に合成される。以上の構成で同軸
状に合成されたレーザビームは集光レンズ7によって集
光され光ファイバー8のコア部分へ入射する。
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining coaxial synthesis of two laser beams using a beam combining element which is the next component of the present invention. The beam diameter of the hollow laser beam 1 extracted from the laser oscillator having the configuration shown in FIG. 2B is enlarged by a collimator constituted by a concave lens 3 and a convex lens 4 arranged under confocal conditions. This magnification is set to be equal to or larger than the outer shape of the solid laser beam 2 to be synthesized. The hollow laser beam 1 expanded as described above is reflected by the reflection surface of the beam combining element 5, and the optical axis is changed to the left in the figure. Here, the diameter of the aperture provided in the beam combining element is set to a value equal to or smaller than the inner diameter of the hollow laser beam 1 expanded as described above. Will be reflected. In the process of converting the beam shape, a slight output may be mixed into the hollow portion due to the influence of diffraction. Therefore, the output component passing through the opening is absorbed by the beam damper 6. Since the aperture diameter of the beam combining element 5 is set to a value equal to or larger than the outer shape of the solid laser beam 2 at the same time, the output of the solid laser beam 2 is basically basically all transmitted through the opening. The light propagates to the left in the figure and is coaxially synthesized with the reflected light of the hollow laser beam 1 described above. The laser beam coaxially synthesized by the above configuration is condensed by the condensing lens 7 and enters the core of the optical fiber 8.

【0010】以上の構成において、図2(B)の中空レ
ーザ発振器をパルス励起動作とし、平均出力100W
(パルス繰り返し周波数300Hz、パルスエネルギ33
mJ)、図2(A)の中実レーザ発振器を連続波励起動作
とし、平均出力250Wとした。中空レーザビーム1の
内径を3mm、外径を6mm、コリメータの拡大率を2.2
倍とし、ビーム結合素子の反射面における内径を6.6
mm、中実レーザビーム2の外径を6mm、ビーム結合素子
5の開口径を6.3mmとしてそれぞれのビームの同軸合
成を行った結果、合成されたレーザビームの出力として
340Wが得られ、97.1%の合成効率が確認され
た。以上によって合成されたレーザビームの時間波形を
測定した結果を図4に示す。連続波レベルは中実レーザ
ビームの出力である250Wとなっており、それに中空
レーザビーム1の出力であるパルス波形が重畳した形態
のリップル波形が実現されている。なお、本実施例にお
いては、中空レーザビーム1をパルスレーザとし、中実
レーザビーム2を連続波レーザとした例を示したが、こ
の逆、すなわち中空レーザビーム1を連続波レーザと
し、中実レーザビーム2をパルスレーザとして同様な合
成効率を評価した結果、96.9%の合成効率が確認さ
れた。
In the above configuration, the hollow laser oscillator shown in FIG.
(Pulse repetition frequency 300Hz, pulse energy 33
mJ), the solid laser oscillator shown in FIG. The inner diameter of the hollow laser beam 1 is 3 mm, the outer diameter is 6 mm, and the magnification of the collimator is 2.2.
And the inner diameter at the reflection surface of the beam combining element is 6.6.
mm, the outer diameter of the solid laser beam 2 was 6 mm, and the aperture diameter of the beam combining element 5 was 6.3 mm. As a result of performing coaxial synthesis of each beam, 340 W was obtained as the output of the synthesized laser beam. A synthesis efficiency of .1% was confirmed. FIG. 4 shows the result of measuring the time waveform of the laser beam synthesized as described above. The continuous wave level is 250 W which is the output of the solid laser beam, and a ripple waveform is realized in which the pulse waveform which is the output of the hollow laser beam 1 is superimposed. In this embodiment, an example is shown in which the hollow laser beam 1 is a pulse laser and the solid laser beam 2 is a continuous wave laser. As a result of evaluating the same synthesis efficiency using the laser beam 2 as a pulse laser, a synthesis efficiency of 96.9% was confirmed.

【0011】図5は本発明のリングモード発振YAGレ
ーザを用いたリップル発振YAGレーザ装置の全体構成
を示す模式図である。中実レーザ発振器15の出力であ
る中実レーザビーム2は図1の凹レンズ3と凸レンズ4
の組合せと同様な発散角補正光学系17によってビーム
発散角が調整された後、図1に示す構成のビーム結合器
19に入る。中空レーザ発振器16の出力である中空レ
ーザビーム1は中実レーザビーム2の場合と同様に発散
角補正光学系17によってビーム発散角が調整され、反
射鏡であるビーム偏向器18を介してビーム結合器19
に入る。ビーム結合器19によって合成、集光されたレ
ーザビームは光ファイバー8によって被溶接材まで伝送
され、レーザ集光・加工ヘッド20内に設置された集光
レンズによって再度集光され、被溶接材21へ照射する
ことで溶接が達成される。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the overall configuration of a ripple oscillation YAG laser device using a ring mode oscillation YAG laser according to the present invention. The solid laser beam 2 output from the solid laser oscillator 15 is a concave lens 3 and a convex lens 4 shown in FIG.
After the beam divergence angle is adjusted by the divergence angle correction optical system 17 similar to the combination, the beam enters the beam combiner 19 having the configuration shown in FIG. The divergence angle of the hollow laser beam 1, which is the output of the hollow laser oscillator 16, is adjusted by the divergence angle correcting optical system 17 as in the case of the solid laser beam 2, and the beam is combined via the beam deflector 18 which is a reflecting mirror. Table 19
to go into. The laser beam synthesized and condensed by the beam combiner 19 is transmitted to the material to be welded by the optical fiber 8, condensed again by the converging lens installed in the laser condensing / processing head 20, and is conveyed to the material 21 to be welded. Irradiation achieves welding.

【0012】次に、本発明によるリップル発振YAGレ
ーザ装置を用いた薄鋼板溶接装置に関して説明する。図
4のレーザ発振波形において、パルス発振部はそのピー
ク出力の高さに起因して、鋼板表面を瞬時に溶融状態へ
移行させる機能を持つ。溶融状態の金属は固相金属に比
べ高いレーザ吸収率を示すことから、パルス成分によっ
て高い吸収率となった金属表面はその後にやってくる連
続波成分によってより安定的に溶融相を維持する。その
結果、溶接時に発生するハンピングや溶け落ちといった
溶接欠陥の発生が抑制される。ここで、本件発明者らに
よる実験研究の結果、パルス成分の平均出力が総出力の
20%以下であると、上記の吸収率改善効果が顕著で無
くなり連続波での溶接現象と同等になること、また50
%を越えると、今度はパルス溶接主体となり、高速溶接
においてはかえってハンピング現象が明確に発生するこ
とが判明した。以上から、パルス成分の平均出力は総平
均出力の20〜50%とすることが本発明に関わるリッ
プル発振YAGレーザ装置を薄鋼板突き合わせ溶接に適
用するための条件となる。
Next, a thin steel sheet welding apparatus using the ripple oscillation YAG laser apparatus according to the present invention will be described. In the laser oscillation waveform of FIG. 4, the pulse oscillation section has a function of instantaneously shifting the steel sheet surface to a molten state due to the height of the peak output. Since the metal in the molten state has a higher laser absorptivity than the solid phase metal, the metal surface having a high absorptivity by the pulse component maintains the molten phase more stably by the subsequent continuous wave component. As a result, occurrence of welding defects such as humping and burn-through occurring during welding is suppressed. Here, as a result of an experimental study by the present inventors, if the average output of the pulse component is 20% or less of the total output, the above-described effect of improving the absorptance is not significant and becomes equivalent to a welding phenomenon in a continuous wave. , Again 50
%, The pulse welding was mainly performed, and it was found that the humping phenomenon clearly occurred in high-speed welding. From the above, it is a condition for applying the ripple oscillation YAG laser device according to the present invention to thin steel plate butt welding that the average output of the pulse component should be 20 to 50% of the total average output.

【0013】図7は、本発明に関わる溶接装置の構成を
示したものである。本装置は薄手の鋼板コイル30,3
1の突き合わせ溶接用であり、図5の構成の内のビーム
結合器19までで構成されるリップルYAGレーザ装置
26、励起電源(連続波電源、パルス電源双方を設置し
たもの)27、レーザ光伝送用光ファイバー8、レーザ
集光・加工ヘッド20、ヘッドの移動装置としての走査
テーブル28とレール29、鋼板のクランパー32,3
3にて構成される。なお、以上の実施例においては、リ
ップルレーザビームの伝送に光ファイバー8を用いる例
を示したが、全反射鏡と導波路によって構成されるビー
ム伝送を行うことも可能である。
FIG. 7 shows a configuration of a welding apparatus according to the present invention. This device is a thin steel coil 30,3
5, a ripple YAG laser device 26 comprising up to the beam combiner 19 in the configuration of FIG. 5, an excitation power source (one provided with both a continuous wave power source and a pulse power source) 27, and laser light transmission Optical fiber 8, laser condensing / processing head 20, scanning table 28 and rail 29 as head moving device, steel plate clampers 32, 3
3 In the above-described embodiment, an example in which the optical fiber 8 is used for transmitting the ripple laser beam has been described. However, it is also possible to perform beam transmission including a total reflection mirror and a waveguide.

【0014】以上の構成で図4に示したリップル発振レ
ーザ出力を用いた0.2mm厚の薄鋼板の突き合わせ溶接
を突き合わせ間隔を逐次変更して実施した。その結果、
図8に示すように板厚で正規化したギャップ量30%す
なわち60μmまでは溶け落ちやハンピングの全くない
健全な溶接ビードが得られた。比較のため、連続波発振
で出力350Wのレーザビームを同一の溶接装置に適用
して同様な溶接試験を行った結果、図8中の従来溶接法
(CW)に示したように板厚で正規化したギャップ量1
0%すなわち20μmより大きなギャップが存在する
と、健全な溶接が得られないことが判明した。以上か
ら、本発明による溶接装置を適用することによって突き
合わせ間隙の許容量を従来溶接装置に比べて3倍まで拡
大することが可能となった。
With the above configuration, butt welding of a thin steel plate having a thickness of 0.2 mm using the ripple oscillation laser output shown in FIG. 4 was performed by sequentially changing the butt interval. as a result,
As shown in FIG. 8, a sound weld bead having no burn-through or humping was obtained up to a gap amount of 30% normalized by the plate thickness, that is, up to 60 μm. For comparison, a similar welding test was performed by applying a continuous-wave laser beam having an output of 350 W to the same welding apparatus. As a result, as shown in the conventional welding method (CW) in FIG. Gap amount 1
It was found that if there was a gap larger than 0%, that is, 20 μm, sound welding could not be obtained. As described above, by applying the welding apparatus according to the present invention, the allowable amount of the butt gap can be increased up to three times as compared with the conventional welding apparatus.

【0015】[0015]

【発明の効果】以上詳細に説明したごとく、本発明のリ
ップル発振YAGレーザ装置によれば、高効率で合成さ
れたリップル波形を持つ出力が得られるので、従来法に
比較して大幅に小型の装置から同軸状に合成されたリッ
プル出力を得ることができる利点がある。さらに本リッ
プル発振YAGレーザ装置を薄鋼板(特に0.1〜1.
0mmクラス)の突き合わせ溶接に適用することで、板幅
方向全域にわたって厳しいギャップ管理を行わなくて良
いという利点があり、溶接線を形成するための切断機の
精度やクランパーの精度を大幅に緩和できることから、
溶接装置全体のコストを大幅に低減できる利点を有す
る。
As described in detail above, according to the ripple oscillation YAG laser device of the present invention, an output having a ripple waveform synthesized with high efficiency can be obtained. There is an advantage that a ripple output synthesized coaxially from the device can be obtained. Furthermore, the ripple oscillation YAG laser device is used for thin steel plates (particularly 0.1 to 1.
By applying to butt welding (0mm class), there is an advantage that strict gap management does not have to be performed over the entire area in the plate width direction, and the accuracy of the cutting machine and the accuracy of the clamper for forming the welding line can be greatly reduced. From
This has the advantage that the cost of the entire welding device can be significantly reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のリップル発振YAGレーザ装置を構成
する一要素であるビーム結合器の構成を表す説明図であ
る。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a beam combiner which is one element constituting a ripple oscillation YAG laser device of the present invention.

【図2】本発明のリップル発振YAGレーザ装置を構成
する他の要素である中実レーザビームを得るための共振
器構成(A)と中空レーザビームを得るための共振器構
成(B)を表す説明図である。
FIG. 2 shows a resonator configuration (A) for obtaining a solid laser beam and a resonator configuration (B) for obtaining a hollow laser beam, which are other elements constituting the ripple oscillation YAG laser device of the present invention. FIG.

【図3】中実レーザビームの空間分布(A)ならびに中
空レーザビームの空間分布(B)を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a spatial distribution (A) of a solid laser beam and a spatial distribution (B) of a hollow laser beam.

【図4】本発明のリップル発振YAGレーザ装置によっ
て得られたリップルレーザの時間波形を示すグラフであ
る。
FIG. 4 is a graph showing a time waveform of a ripple laser obtained by the ripple oscillation YAG laser device of the present invention.

【図5】本発明のリップル発振YAGレーザ装置の全体
構成を示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an overall configuration of a ripple oscillation YAG laser device of the present invention.

【図6】従来のレーザビーム同軸合成手法の説明図であ
る。
FIG. 6 is an explanatory diagram of a conventional laser beam coaxial synthesis method.

【図7】本発明のリップル発振YAGレーザ装置を用い
た薄鋼板溶接装置の構成を示す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory view showing a configuration of a thin steel plate welding apparatus using the ripple oscillation YAG laser device of the present invention.

【図8】薄鋼板突き合わせ溶接における溶接欠陥発現特
性に関して本発明と従来法を対比した結果を示すグラフ
である。
FIG. 8 is a graph showing the results of a comparison between the present invention and a conventional method with respect to welding defect occurrence characteristics in butt welding of thin steel sheets.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 中空レーザビーム 2 中実レーザ
ビーム 3 凹レンズ 4 凸レンズ 5 ビーム結合素子 6 ビームダン
パー 7 集光レンズ 8 光ファイバ
ー 9 YAGレーザロッド 10 高反射鏡 11、12 部分透過鏡 13 高反射コ
ーティング 14 部分透過コーティング 15 中実レー
ザ発振器 16 中空レーザ発振器 17 発散角補
正光学系 18 ビーム偏向器 19 ビーム結
合器 20 レーザ集光・加工ヘッド 21 被溶接材 22,23 レーザビーム 24 ビーム結
合素子 25 ビームスプリッタ 26 リップル
YAGレーザ装置 27 励起電源 28 走査テー
ブル 29 レール 30,31 鋼
板コイル 32,33 クランパー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hollow laser beam 2 Solid laser beam 3 Concave lens 4 Convex lens 5 Beam coupling element 6 Beam damper 7 Condensing lens 8 Optical fiber 9 YAG laser rod 10 High reflection mirror 11, 12 Partial transmission mirror 13 High reflection coating 14 Partial transmission coating 15 Medium Actual laser oscillator 16 Hollow laser oscillator 17 Divergence angle correction optical system 18 Beam deflector 19 Beam combiner 20 Laser focusing / working head 21 Workpiece to be welded 22, 23 Laser beam 24 Beam combining element 25 Beam splitter 26 Ripple YAG laser device 27 Excitation power supply 28 Scanning table 29 Rail 30,31 Steel coil 32,33 Clamper

───────────────────────────────────────────────────── 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) // B23K 103:04 B23K 103:04 (72)発明者 浜田 直也 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 辻 正和 大阪府大阪市中央区伏見町4−3−9 阪 和興業株式会社内 (72)発明者 及川 昌志 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 山本 博之 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 Fターム(参考) 4E068 BE00 CD02 CD05 5F072 AB01 JJ02 KK06 KK15 KK30 MM07 YY06 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) // B23K 103: 04 B23K 103: 04 (72) Inventor Naoya Hamada 20-1 Shintomi, Futtsu-shi, Chiba New Japan (72) Inventor Masakazu Tsuji 4-3-9 Fushimicho, Chuo-ku, Osaka City, Osaka Prefecture Osaka Incorporated Company (72) Inventor Masashi Oikawa 20-1 Shintomi, Futtsu-shi, Chiba New Nippon Steel Corporation Technology Development Division (72) Inventor Hiroyuki Yamamoto 20-1 Shintomi, Futtsu City, Chiba Prefecture Nippon Steel Corporation Technology Development Division F-term (reference) YY06

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 共振器を構成するYAGレーザ発振器の
部分透過出力鏡の反射率を光軸中心部で高反射率とし周
辺部で反射率を低下させる、もしくは共振器中の光軸中
心位置にレーザビームに対して損失の大きい円形物質を
挿入することで中空のリングモード発振ビームを得る第
一のパルス発振YAGレーザと、部分透過出力鏡の反射
率が空間的に一定なものを用い中実の発振ビームを得る
第二の連続波発振YAGレーザと、第一のYAGレーザ
の中空部の内径が第二のYAGレーザの外径と一致もし
くは大きくなる条件とするため第一のYAGレーザビー
ム径を変更するコリメータと、開口径が、前記コリメー
タによって径を調整された第一のYAGレーザビームの
中空部の内径以下で第二のYAGレーザの外径以上の開
口部を有し、前記開口部を第二のYAGレーザが通過
し、開口出力部において第一のYAGレーザビームが反
射する反射面を有することで第一、第二のYAGレーザ
ビームを同軸的に結合するビーム結合素子によって構成
されることを特徴とするリップル発振YAGレーザ装
置。
The reflectance of a partially transmitting output mirror of a YAG laser oscillator constituting a resonator is made high at the center of the optical axis to reduce the reflectance at the peripheral portion, or at the center of the optical axis in the resonator. The first pulsed YAG laser that obtains a hollow ring-mode oscillation beam by inserting a circular substance with a large loss into the laser beam, and a solid-state output mirror with a partially transmitted output mirror whose reflectance is spatially constant And a second continuous wave YAG laser for obtaining an oscillation beam of the first YAG laser and a first YAG laser beam diameter for satisfying a condition that the inner diameter of the hollow portion of the first YAG laser is equal to or larger than the outer diameter of the second YAG laser. A collimator that changes the diameter of the first YAG laser beam whose diameter is adjusted by the collimator and is equal to or smaller than the inner diameter of the hollow portion of the first YAG laser beam and equal to or larger than the outer diameter of the second YAG laser. The second YAG laser passes through the mouth and has a reflecting surface at which the first YAG laser beam is reflected at the aperture output portion, so that the first and second YAG laser beams are coaxially combined by a beam combining element. A ripple oscillation YAG laser device comprising:
【請求項2】 共振器を構成するYAGレーザ発振器の
部分透過出力鏡の反射率を光軸中心部で高反射率とし周
辺部で反射率を低下させる、もしくは共振器中の光軸中
心位置にレーザビームに対して損失の大きい円形物質を
挿入することで中空のリングモード発振ビームを得る第
一の連続波発振YAGレーザと、部分透過出力鏡の反射
率が空間的に一定なものを用い中実の発振ビームを得る
第二のパルス発振YAGレーザと、第一のYAGレーザ
の中空部の内径が第二のYAGレーザの外径と一致もし
くは大きくなる条件とするため第一のYAGレーザビー
ム径を変更するコリメータと、開口径が前記コリメータ
によって径を調整された第一のYAGレーザビームの中
空部の内径以下で第二のYAGレーザの外径以上の開口
部を有し、前記開口部を第二のYAGレーザが通過し、
開口出力部において第一のYAGレーザビームが反射す
る反射面を有するビーム結合素子によって構成されるこ
とを特徴とするリップル発振YAGレーザ装置。
2. The reflectivity of a partially transmitting output mirror of a YAG laser oscillator constituting a resonator is made high at the center of the optical axis to reduce the reflectance at the peripheral portion, or at the center of the optical axis in the resonator. The first continuous-wave YAG laser that obtains a hollow ring-mode oscillation beam by inserting a circular substance with high loss into the laser beam, and a partially transmitted output mirror whose spatial reflectance is spatially constant are used. A second pulse oscillation YAG laser for obtaining an actual oscillation beam, and a first YAG laser beam diameter for satisfying a condition that the inner diameter of the hollow portion of the first YAG laser is equal to or larger than the outer diameter of the second YAG laser. A collimator for changing the diameter of the first YAG laser beam whose diameter is adjusted by the collimator is equal to or smaller than the inner diameter of the hollow portion of the first YAG laser beam and equal to or larger than the outer diameter of the second YAG laser. The second YAG laser passes through the section,
A ripple oscillation YAG laser device comprising a beam combining element having a reflection surface for reflecting a first YAG laser beam at an aperture output section.
【請求項3】 請求項1または2記載のリップル発振Y
AGレーザの発振条件をパルス成分の平均出力が全体の
レーザ出力の20%〜50%とし、前記リップル発振固
体レーザ装置から得られたレーザビームを光ファイバー
もしくはミラー反射によって伝送して、集光光学系にて
集光して薄手鋼板の突き合わせ溶接部に照射するように
したことを特徴とする薄鋼板溶接装置。
3. The ripple oscillation Y according to claim 1 or 2,
The oscillation condition of the AG laser is such that the average output of the pulse component is 20% to 50% of the entire laser output, and the laser beam obtained from the ripple oscillation solid-state laser device is transmitted by an optical fiber or mirror reflection, and is condensed. A thin steel plate welding apparatus characterized in that the light is condensed and irradiated to a butt weld portion of a thin steel plate.
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