JP2002261358A - 固体レーザ発振装置及びそれを用いた薄鋼板溶接装置 - Google Patents
固体レーザ発振装置及びそれを用いた薄鋼板溶接装置Info
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- JP2002261358A JP2002261358A JP2001058202A JP2001058202A JP2002261358A JP 2002261358 A JP2002261358 A JP 2002261358A JP 2001058202 A JP2001058202 A JP 2001058202A JP 2001058202 A JP2001058202 A JP 2001058202A JP 2002261358 A JP2002261358 A JP 2002261358A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 レーザ共振器から単一の出力ビームで連続波
出力になめらかなパルス出力が重畳したリップル発振レ
ーザビームを得ることができる固体レーザ発振装置を提
供し、さらに薄鋼板の突き合わせ溶接において溶け落ち
やハンピングが発生しない突き合わせ間隙の設定精度を
大幅に緩和し得る溶接装置を提供する。 【解決手段】 レーザ媒質として固体レーザ結晶を２個
以上用いてカスケード型に配置した固体レーザ発振装置
において、中実レーザロッドと中空レーザロッドをそれ
ぞれ１個以上ずつ用い、それぞれのロッドの中心軸を合
わせるとともに、中空レーザロッドの内径ｄ2 が中実レ
ーザロッドの直径ｄ1 以上であり、且つ、中実レーザロ
ッド及び中空レーザロッドのうち一方のロッドを連続光
で励起し、他方のロッドをパルス光で励起する励起装置
を設けることにより連続波発振出力にパルス発振が重畳
したリップル発振を得る固体レーザ発振装置。
出力になめらかなパルス出力が重畳したリップル発振レ
ーザビームを得ることができる固体レーザ発振装置を提
供し、さらに薄鋼板の突き合わせ溶接において溶け落ち
やハンピングが発生しない突き合わせ間隙の設定精度を
大幅に緩和し得る溶接装置を提供する。 【解決手段】 レーザ媒質として固体レーザ結晶を２個
以上用いてカスケード型に配置した固体レーザ発振装置
において、中実レーザロッドと中空レーザロッドをそれ
ぞれ１個以上ずつ用い、それぞれのロッドの中心軸を合
わせるとともに、中空レーザロッドの内径ｄ2 が中実レ
ーザロッドの直径ｄ1 以上であり、且つ、中実レーザロ
ッド及び中空レーザロッドのうち一方のロッドを連続光
で励起し、他方のロッドをパルス光で励起する励起装置
を設けることにより連続波発振出力にパルス発振が重畳
したリップル発振を得る固体レーザ発振装置。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】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発振装置に関
わるものであり、特に薄鋼板など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。
有するレーザ出力を得るための固体レーザ発振装置に関
わるものであり、特に薄鋼板など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。
【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。
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。
【０００３】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。ここ
で、本引用例では、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 Apertu
re）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。
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。ここ
で、本引用例では、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 Apertu
re）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。
【０００４】前記のような問題点に対応するため、単一
のレーザ発振器からリップル波形を持つレーザ出力を得
る方法として特許第１９７４８２８号公報において、固
体レーザを励起するためのアークランプ電流に連続波成
分にパルスを重畳させ励起光自体をリップル化させる装
置が提示されている。この方式によって前記のような複
数ビームを結合させることに起因する問題点から脱却す
ることが可能となる。しかしながら、アークランプ自体
の電流変調では、変調の度合いに上限が存在し、パルス
成分のエネルギならびにそのピーク出力を大きくとるこ
とに限界があった。本願発明者らの実験研究によると、
後に詳述するように、パルス成分のエネルギにパルス繰
り返し周波数を乗して得られる平均出力成分がリップル
レーザ全体出力のうちの２０〜５０％であるという条件
を実現して初めて、突き合わせ間隙の許容度の緩和が実
現できることを見出しており、この引用例の方式ではこ
れほどの出力を得ることができないという問題点があっ
た。
のレーザ発振器からリップル波形を持つレーザ出力を得
る方法として特許第１９７４８２８号公報において、固
体レーザを励起するためのアークランプ電流に連続波成
分にパルスを重畳させ励起光自体をリップル化させる装
置が提示されている。この方式によって前記のような複
数ビームを結合させることに起因する問題点から脱却す
ることが可能となる。しかしながら、アークランプ自体
の電流変調では、変調の度合いに上限が存在し、パルス
成分のエネルギならびにそのピーク出力を大きくとるこ
とに限界があった。本願発明者らの実験研究によると、
後に詳述するように、パルス成分のエネルギにパルス繰
り返し周波数を乗して得られる平均出力成分がリップル
レーザ全体出力のうちの２０〜５０％であるという条件
を実現して初めて、突き合わせ間隙の許容度の緩和が実
現できることを見出しており、この引用例の方式ではこ
れほどの出力を得ることができないという問題点があっ
た。
【０００５】一方、リップル出力のパルス成分を大きな
出力で得る方法として、レーザ共振器内に多段のレーザ
励起ヘッドを設け、そのうちの一段をパルス励起とし残
りのヘッドを連続波励起とする方法が第４回「フォトン
計測・ 加工技術」シンポジウム講演集ｐ．６８（２００
０．１１．２２）半導体レーザ励起ＹＡＧレーザの場合
について開示されている。この方式では、励起ヘッドが
独立であることからパルスレーザ出力成分の大きさをパ
ルス励起強度で独立に制御できるので、ある程度任意に
出力を制御できる利点を持つ。しかしながら、この方式
は、同一共振器内に同径のロッドを有する励起ヘッドを
設け、連続波発振を行っている段階でパルスを重畳させ
る方式であるため、発振ビームが空間的にオーバーラッ
プして、発振過程において相互干渉を起こし、パルスピ
ーク部分で出力が脈動を伴う現象が発生する。このよう
な脈動の発生はレーザ吸収率を安定化させる目的には合
致せず、溶接現象が不安定化するという問題点があっ
た。
出力で得る方法として、レーザ共振器内に多段のレーザ
励起ヘッドを設け、そのうちの一段をパルス励起とし残
りのヘッドを連続波励起とする方法が第４回「フォトン
計測・ 加工技術」シンポジウム講演集ｐ．６８（２００
０．１１．２２）半導体レーザ励起ＹＡＧレーザの場合
について開示されている。この方式では、励起ヘッドが
独立であることからパルスレーザ出力成分の大きさをパ
ルス励起強度で独立に制御できるので、ある程度任意に
出力を制御できる利点を持つ。しかしながら、この方式
は、同一共振器内に同径のロッドを有する励起ヘッドを
設け、連続波発振を行っている段階でパルスを重畳させ
る方式であるため、発振ビームが空間的にオーバーラッ
プして、発振過程において相互干渉を起こし、パルスピ
ーク部分で出力が脈動を伴う現象が発生する。このよう
な脈動の発生はレーザ吸収率を安定化させる目的には合
致せず、溶接現象が不安定化するという問題点があっ
た。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に基
づいてなされたものであり、その目的とするところは、
上記の従来技術において、単一発振器から一つの出力
ビームとしてリップルレーザ波形を得ることで複数のレ
ーザビームを発振器外で結合させる問題点から脱却し、
パルス出力成分の平均出力を増加させ、かつその割合
を任意に制御できる方式を実現し、リップルレーザ波
形として脈動などの不安定性を有しない発振ビームを得
ることができる固体レーザ発振装置を提供し、このよう
な固体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薄鋼板溶接装置
を提供することにある。
づいてなされたものであり、その目的とするところは、
上記の従来技術において、単一発振器から一つの出力
ビームとしてリップルレーザ波形を得ることで複数のレ
ーザビームを発振器外で結合させる問題点から脱却し、
パルス出力成分の平均出力を増加させ、かつその割合
を任意に制御できる方式を実現し、リップルレーザ波
形として脈動などの不安定性を有しない発振ビームを得
ることができる固体レーザ発振装置を提供し、このよう
な固体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薄鋼板溶接装置
を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記課題は、以下の
（１）〜（５）の発明により解決される。
（１）〜（５）の発明により解決される。
【０００８】（１）．レーザ媒質として固体レーザ結晶
を２個以上用いてカスケード型に配置した固体レーザ発
振装置において、中実レーザロッドと中空円柱構造レー
ザロッドをそれぞれ１個以上ずつ用い、それぞれのロッ
ドの中心軸を合わせるとともに、前記中実レーザロッド
の直径をｄ1 としたときに、前記中空円柱構造レーザロ
ッドの内径ｄ2 がｄ2 ≧ｄ1 を満たすものとし、且つ、
前記中実レーザロッド及び前記中空円柱構造レーザロッ
ドのうち一方のロッドを連続光で励起し、他方のロッド
をパルス光で励起する励起装置を設けることにより連続
波発振出力にパルス発振が重畳したリップル発振を得る
ことを特徴とする固体レーザ発振装置。
を２個以上用いてカスケード型に配置した固体レーザ発
振装置において、中実レーザロッドと中空円柱構造レー
ザロッドをそれぞれ１個以上ずつ用い、それぞれのロッ
ドの中心軸を合わせるとともに、前記中実レーザロッド
の直径をｄ1 としたときに、前記中空円柱構造レーザロ
ッドの内径ｄ2 がｄ2 ≧ｄ1 を満たすものとし、且つ、
前記中実レーザロッド及び前記中空円柱構造レーザロッ
ドのうち一方のロッドを連続光で励起し、他方のロッド
をパルス光で励起する励起装置を設けることにより連続
波発振出力にパルス発振が重畳したリップル発振を得る
ことを特徴とする固体レーザ発振装置。
【０００９】（２）．前記連続光を発するレーザ励起光
源がアークランプもしくは半導体レーザであることを特
徴とする（１）項記載の固体レーザ発振装置。
源がアークランプもしくは半導体レーザであることを特
徴とする（１）項記載の固体レーザ発振装置。
【００１０】（３）．前記パルス光を発するレーザ励起
光源がフラッシュランプもしくは半導体レーザであるこ
とを特徴とする（１）又は（２）項記載の固体レーザ発
振装置。
光源がフラッシュランプもしくは半導体レーザであるこ
とを特徴とする（１）又は（２）項記載の固体レーザ発
振装置。
【００１１】（４）．前記レーザ媒質がＮｄ３＋：ＹＡ
Ｇ結晶であることを特徴とする（１）〜（３）項のいず
れか一つに記載の固体レーザ発振装置。
Ｇ結晶であることを特徴とする（１）〜（３）項のいず
れか一つに記載の固体レーザ発振装置。
【００１２】（５）．（１）〜（４）項のいずれか一つ
に記載の固体レーザ発振装置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
記固体レーザ発振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
ることを特徴とする薄鋼板溶接装置。
に記載の固体レーザ発振装置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
記固体レーザ発振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
ることを特徴とする薄鋼板溶接装置。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明に関わる固体レーザ
発振装置とそれを用いた薄鋼板溶接装置について詳細に
説明する。
発振装置とそれを用いた薄鋼板溶接装置について詳細に
説明する。
【００１４】図１（ａ）は、本発明に関わる固体レーザ
発振装置の構成を示すものである。なお、構成表示の煩
雑化を防ぐため同図において、冷却水冷構造は省略して
示した。
発振装置の構成を示すものである。なお、構成表示の煩
雑化を防ぐため同図において、冷却水冷構造は省略して
示した。
【００１５】中実レーザロッド１はＮｄ３＋：ＹＡＧレ
ーザロッドであり、同図（ｂ）に模式的に示すような円
柱形状をしており、その直径ｄ1 は５ｍｍ、長さは１１
０ｍｍである。この中実レーザロッド１は図示されない
楕円面集光鏡の焦点位置に設置され、他の焦点位置に設
置された連続波発光アークランプ２からの発光により励
起される。アークランプ２は連続波励起電源３に接続さ
れ、時間的に連続な電流の供給を受け連続波発光を行
う。
ーザロッドであり、同図（ｂ）に模式的に示すような円
柱形状をしており、その直径ｄ1 は５ｍｍ、長さは１１
０ｍｍである。この中実レーザロッド１は図示されない
楕円面集光鏡の焦点位置に設置され、他の焦点位置に設
置された連続波発光アークランプ２からの発光により励
起される。アークランプ２は連続波励起電源３に接続さ
れ、時間的に連続な電流の供給を受け連続波発光を行
う。
【００１６】中空レーザロッド４はＮｄ３＋：ＹＡＧレ
ーザロッドであり、同図（ｃ）に模式的に示すような中
空円柱形状を持つ。その内径ｄ2 は５ｍｍ、外径ｄ3 は
９ｍｍ、長さは１１０ｍｍである。この中空レーザロッ
ド４は図示されない楕円面集光鏡の焦点位置に設置さ
れ、他の焦点位置に設置されたパルス発光フラッシュラ
ンプ５からの発光により励起される。フラッシュランプ
５はパルス励起電源６に接続され、時間的にパルス状の
電流の供給を受けパルス発光を行う。
ーザロッドであり、同図（ｃ）に模式的に示すような中
空円柱形状を持つ。その内径ｄ2 は５ｍｍ、外径ｄ3 は
９ｍｍ、長さは１１０ｍｍである。この中空レーザロッ
ド４は図示されない楕円面集光鏡の焦点位置に設置さ
れ、他の焦点位置に設置されたパルス発光フラッシュラ
ンプ５からの発光により励起される。フラッシュランプ
５はパルス励起電源６に接続され、時間的にパルス状の
電流の供給を受けパルス発光を行う。
【００１７】これらのレーザロッド１，４の光軸方向か
ら見た位置関係を示す説明図が図１（ｄ）であり、中空
レーザロッド４は中実レーザロッド１の外周を包み込む
形で光軸調整がなされている。これらのレーザロッド
１，４は高反射ミラー７と部分透過ミラー８で構成され
るレーザ共振器内に設置され、それぞれのランプ励起が
なされることにより出力レーザビーム９が得られる。
ら見た位置関係を示す説明図が図１（ｄ）であり、中空
レーザロッド４は中実レーザロッド１の外周を包み込む
形で光軸調整がなされている。これらのレーザロッド
１，４は高反射ミラー７と部分透過ミラー８で構成され
るレーザ共振器内に設置され、それぞれのランプ励起が
なされることにより出力レーザビーム９が得られる。
【００１８】以上に示した構成で得られるレーザビーム
９は図１（ｄ）に示したレーザロッドの位置関係を踏襲
した形状で発振することになる。すなわち、レーザロッ
ドの光軸方向から見たときに、同心円状の中心部では中
実レーザロッド１の発振形態、つまり連続波で発振し、
それを取り囲むリング状の部分では中空レーザロッド４
の発振形態、つまりパルス発振を行う。その結果、出力
レーザビーム９を空間的に平均すると、連続波発振にパ
ルス発振が重畳した「リップル」発振が得られることに
なり、さらに単一共振器からの出力であることから単一
のレーザビーム出力として得られる。また、連続波とパ
ルス波の出力はアークランプ２とフラッシュランプ５の
励起出力の比率を適宜変更することによって任意に変更
することが可能である。なお、以上の例においてはｄ2
＝ｄ1 の場合を示したが、本願発明の目的とするパルス
成分と連続波成分が相互干渉しない条件を満たせばよい
ことから、ｄ2 ≧ｄ1 の関係を満たしていればよい。
９は図１（ｄ）に示したレーザロッドの位置関係を踏襲
した形状で発振することになる。すなわち、レーザロッ
ドの光軸方向から見たときに、同心円状の中心部では中
実レーザロッド１の発振形態、つまり連続波で発振し、
それを取り囲むリング状の部分では中空レーザロッド４
の発振形態、つまりパルス発振を行う。その結果、出力
レーザビーム９を空間的に平均すると、連続波発振にパ
ルス発振が重畳した「リップル」発振が得られることに
なり、さらに単一共振器からの出力であることから単一
のレーザビーム出力として得られる。また、連続波とパ
ルス波の出力はアークランプ２とフラッシュランプ５の
励起出力の比率を適宜変更することによって任意に変更
することが可能である。なお、以上の例においてはｄ2
＝ｄ1 の場合を示したが、本願発明の目的とするパルス
成分と連続波成分が相互干渉しない条件を満たせばよい
ことから、ｄ2 ≧ｄ1 の関係を満たしていればよい。
【００１９】図２は、本発明に関わる固体レーザ発振装
置の別の実施例として、中実レーザロッド１を２本用い
た場合の構成を示した図である。ここで、図２におい
て、図１に示すものと同一の機能を有するものには、同
一の符号を付することにより、その詳細な説明を省略す
る。この図２の例は、図１の構成に加えて中実レーザ励
起ヘッドを高反射ミラー７側にもう一式加えた構成であ
り、動作原理は図１の場合と全く同一である。この例の
利点は、共振器構成が共振器方向中央点を挟んで左右対
称となっていることから、レーザロッド１，４の熱レン
ズ効果が発生した条件下でもより安定したリップル発振
が実現できる点にある。
置の別の実施例として、中実レーザロッド１を２本用い
た場合の構成を示した図である。ここで、図２におい
て、図１に示すものと同一の機能を有するものには、同
一の符号を付することにより、その詳細な説明を省略す
る。この図２の例は、図１の構成に加えて中実レーザ励
起ヘッドを高反射ミラー７側にもう一式加えた構成であ
り、動作原理は図１の場合と全く同一である。この例の
利点は、共振器構成が共振器方向中央点を挟んで左右対
称となっていることから、レーザロッド１，４の熱レン
ズ効果が発生した条件下でもより安定したリップル発振
が実現できる点にある。
【００２０】図３は図１の構成のレーザ共振器から得ら
れたレーザ出力の時間波形を示したものである。アーク
ランプへの励起入力は１５ｋＷの連続波であり、フラッ
シュランプへの励起入力はパルス出力１５Ｊ、パルス幅
５００μｓｅｃ、パルス繰り返し周波数３００Ｈｚのパ
ルス設定とした。得られた出力は図のごとく、連続波成
分が２５０Ｗ、パルス成分がエネルギ５００ｍＪ、パル
ス繰り返し周波数３００Ｈｚ、平均出力１５０Ｗ、総合
平均出力が４００Ｗの値が得られた。図１のごとく連続
波とパルスの発振モードが空間的に重ならない構成とし
たことから、図３に示すように、相互干渉が全く発生し
ないので、なめらかなパルスが重畳したリップル波形が
実現されている。
れたレーザ出力の時間波形を示したものである。アーク
ランプへの励起入力は１５ｋＷの連続波であり、フラッ
シュランプへの励起入力はパルス出力１５Ｊ、パルス幅
５００μｓｅｃ、パルス繰り返し周波数３００Ｈｚのパ
ルス設定とした。得られた出力は図のごとく、連続波成
分が２５０Ｗ、パルス成分がエネルギ５００ｍＪ、パル
ス繰り返し周波数３００Ｈｚ、平均出力１５０Ｗ、総合
平均出力が４００Ｗの値が得られた。図１のごとく連続
波とパルスの発振モードが空間的に重ならない構成とし
たことから、図３に示すように、相互干渉が全く発生し
ないので、なめらかなパルスが重畳したリップル波形が
実現されている。
【００２１】ここまでの例においては固体レーザ結晶と
してＮｄ３＋：ＹＡＧを用いた例を示したが、平均出力
として１００Ｗ以上の値が得られるならば、どのような
結晶媒質に対しても本発明は適用される。また図１、図
２ではレーザ励起源としてアークランプ、フラッシュラ
ンプで行う例を示したが、半導体レーザで励起すること
も可能である。さらに図１、図２では中実レーザロッド
１で連続波発振を行わせ、中空レーザロッド４でパルス
発振を行わせる例を示したが、その逆、つまり中実レー
ザロッド１でパルス発振を行わせ、中空レーザロッド４
で連続波発振を行わせる構成とすることも可能である。
してＮｄ３＋：ＹＡＧを用いた例を示したが、平均出力
として１００Ｗ以上の値が得られるならば、どのような
結晶媒質に対しても本発明は適用される。また図１、図
２ではレーザ励起源としてアークランプ、フラッシュラ
ンプで行う例を示したが、半導体レーザで励起すること
も可能である。さらに図１、図２では中実レーザロッド
１で連続波発振を行わせ、中空レーザロッド４でパルス
発振を行わせる例を示したが、その逆、つまり中実レー
ザロッド１でパルス発振を行わせ、中空レーザロッド４
で連続波発振を行わせる構成とすることも可能である。
【００２２】次に、本発明による固体レーザ発振装置を
用いた薄鋼板溶接装置に関して説明する。図３のレーザ
発振波形において、パルス発振部においてはそのピーク
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、本願発明者らによ
る実験研究の結果、パルス成分の平均出力が総出力の２
０％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固体レ
ーザ発振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。
用いた薄鋼板溶接装置に関して説明する。図３のレーザ
発振波形において、パルス発振部においてはそのピーク
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、本願発明者らによ
る実験研究の結果、パルス成分の平均出力が総出力の２
０％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固体レ
ーザ発振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。
【００２３】図４は、本発明に関わる薄鋼板溶接装置の
構成を示したものである。本装置は薄手の鋼板コイル１
８, １９の突き合わせ溶接用であり、リップルＹＡＧレ
ーザ発振器１１、励起電源（連続波電源、パルス電源双
方を設置したもの）１０、レーザ光伝送用光ファイバー
１２、レーザ集光・加工ヘッド１３、ヘッドの移動装置
としての走査テーブル１４とレール１５、鋼板のクラン
パー１６, １７にて構成される。ここで、図４におい
て、リップルＹＡＧレーザ発振器１１と励起電源１０と
が図１に示す固体レーザ発振装置に該当する。なお、図
４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１２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。
構成を示したものである。本装置は薄手の鋼板コイル１
８, １９の突き合わせ溶接用であり、リップルＹＡＧレ
ーザ発振器１１、励起電源（連続波電源、パルス電源双
方を設置したもの）１０、レーザ光伝送用光ファイバー
１２、レーザ集光・加工ヘッド１３、ヘッドの移動装置
としての走査テーブル１４とレール１５、鋼板のクラン
パー１６, １７にて構成される。ここで、図４におい
て、リップルＹＡＧレーザ発振器１１と励起電源１０と
が図１に示す固体レーザ発振装置に該当する。なお、図
４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１２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。
【００２４】以上の構成の薄鋼板溶接装置を使用し、図
３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５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、連続発振で出力４００Ｗ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５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１０％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、本発明による薄鋼板溶接
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。
３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５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、連続発振で出力４００Ｗ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５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１０％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、本発明による薄鋼板溶接
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。
【００２５】尚、本発明は上記の実施形態に限定される
ものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が
可能である。
ものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が
可能である。
【００２６】
【発明の効果】以上詳細に説明したごとく、本発明の固
体レーザ発振装置によれば、単一の発振器から単一出力
ビームでリップル形状を持つ出力が得られるので、従来
法で問題となっていた発振器外で複数のビームを結合さ
せる問題が無く容易にファイバ伝送ができること、連続
波出力成分とパルス出力成分の出力比を任意に変更でき
ること、出力ビームとしては単一であるものの空間的に
分割した領域で連続波発振とパルス発振を得る構成とし
たことから、それらの相互干渉が無く滑らかなリップル
発振出力を得ることができること、等の多数の利点があ
る。さらに本固体レーザ発振装置を薄鋼板（特に０．１
〜０．３ｍｍ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
なくてよ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。
体レーザ発振装置によれば、単一の発振器から単一出力
ビームでリップル形状を持つ出力が得られるので、従来
法で問題となっていた発振器外で複数のビームを結合さ
せる問題が無く容易にファイバ伝送ができること、連続
波出力成分とパルス出力成分の出力比を任意に変更でき
ること、出力ビームとしては単一であるものの空間的に
分割した領域で連続波発振とパルス発振を得る構成とし
たことから、それらの相互干渉が無く滑らかなリップル
発振出力を得ることができること、等の多数の利点があ
る。さらに本固体レーザ発振装置を薄鋼板（特に０．１
〜０．３ｍｍ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
なくてよ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。
【図１】本発明の固体レーザ発振装置の発振器構成の一
実施例を示す説明図である。
実施例を示す説明図である。
【図２】本発明の固体レーザ発振装置の発振器構成の別
の実施例を示す説明図である。
の実施例を示す説明図である。
【図３】本発明の固体レーザ発振装置の発振時間波形を
示すグラフである。
示すグラフである。
【図４】本発明の固体レーザ発振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。
接装置の構成を示す説明図である。
【図５】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。
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。
１ 中実レーザロッド ２ アークランプ ３ 連続波励起電源 ４ 中空レーザロッド ５ フラッシュランプ ６ パルス励起電源 ７ 高反射ミラー ８ 部分透過ミラー ９ 出力レーザビーム １０ 励起電源 １１ リップルＹＡＧレーザ発振器 １２ レーザ光伝送用光ファイバー １３ レーザ集光・加工ヘッド １４ 走査テーブル １５ レール １６，１７ クランパー １８，１９ 鋼板コイル
Claims (5)
- 【請求項１】 レーザ媒質として固体レーザ結晶を２個
以上用いてカスケード型に配置した固体レーザ発振装置
において、中実レーザロッドと中空円柱構造レーザロッ
ドをそれぞれ１個以上ずつ用い、それぞれのロッドの中
心軸を合わせるとともに、前記中実レーザロッドの直径
をｄ1 としたときに、前記中空円柱構造レーザロッドの
内径ｄ2 がｄ2 ≧ｄ1 を満たすものとし、且つ、前記中
実レーザロッド及び前記中空円柱構造レーザロッドのう
ち一方のロッドを連続光で励起し、他方のロッドをパル
ス光で励起する励起装置を設けることにより連続波発振
出力にパルス発振が重畳したリップル発振を得ることを
特徴とする固体レーザ発振装置。 - 【請求項２】 前記連続光を発するレーザ励起光源がア
ークランプもしくは半導体レーザであることを特徴とす
る請求項１記載の固体レーザ発振装置。 - 【請求項３】 前記パルス光を発するレーザ励起光源が
フラッシュランプもしくは半導体レーザであることを特
徴とする請求項１又は２記載の固体レーザ発振装置。 - 【請求項４】 前記レーザ媒質がＮｄ３＋：ＹＡＧ結晶
であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに
記載の固体レーザ発振装置。 - 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか一つに記載の固
体レーザ発振装置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、前記固体レー
ザ発振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ことを特
徴とする薄鋼板溶接装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001058202A JP2002261358A (ja) | 2001-03-02 | 2001-03-02 | 固体レーザ発振装置及びそれを用いた薄鋼板溶接装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001058202A JP2002261358A (ja) | 2001-03-02 | 2001-03-02 | 固体レーザ発振装置及びそれを用いた薄鋼板溶接装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002261358A true JP2002261358A (ja) | 2002-09-13 |
Family
ID=18917962
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001058202A Withdrawn JP2002261358A (ja) | 2001-03-02 | 2001-03-02 | 固体レーザ発振装置及びそれを用いた薄鋼板溶接装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002261358A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019123691A1 (ja) * | 2017-12-19 | 2019-06-27 | 株式会社島津製作所 | チューブ状レーザ光源を作製する方法、チューブ状レーザ光源及びそのチューブ状レーザ光源を用いた検出器 |
| RU2763262C1 (ru) * | 2021-05-28 | 2021-12-28 | Евгений Владленович Бурый | Квантрон лазера с диодной накачкой активной среды |
-
2001
- 2001-03-02 JP JP2001058202A patent/JP2002261358A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019123691A1 (ja) * | 2017-12-19 | 2019-06-27 | 株式会社島津製作所 | チューブ状レーザ光源を作製する方法、チューブ状レーザ光源及びそのチューブ状レーザ光源を用いた検出器 |
| CN111418119A (zh) * | 2017-12-19 | 2020-07-14 | 株式会社岛津制作所 | 制作管状激光光源的方法、管状激光光源及使用所述管状激光光源的检测器 |
| JPWO2019123691A1 (ja) * | 2017-12-19 | 2020-12-24 | 株式会社島津製作所 | チューブ状レーザ光源を作製する方法、チューブ状レーザ光源及びそのチューブ状レーザ光源を用いた検出器 |
| RU2763262C1 (ru) * | 2021-05-28 | 2021-12-28 | Евгений Владленович Бурый | Квантрон лазера с диодной накачкой активной среды |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20080513 |