JP2002261365A

JP2002261365A - 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

Publication number: JP2002261365A
Application number: JP2001058201A
Authority: JP
Inventors: Naoya Hamada; 直也浜田; Hirofumi Imai; 浩文今井; Katsuhiro Minamida; 勝宏南田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2002-09-13

Abstract

(57)【要約】【課題】簡便な構成のレーザ共振器から単一の出力ビ
ームで連続波出力に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】レーザ励起光源として独立した連続光と
パルス光を発する励起装置を設け、同一レーザ媒質に励
起装置からの連続光とパルス光とで励起を行うことによ
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。さらにその発振条件をパル
ス成分の平均出力が全体のレーザ出力の２０〜５０％と
し、該装置から得られたレーザビームをファイバー等で
伝送して、集光光学系にて集光して薄手鋼板の突き合わ
せ溶接に適用する薄鋼板溶接装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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
でリップル波形を得るためには励起ヘッドを２個以上用
意することが必須であるため、装置が大型化し、コスト
が高くなる問題点があった。さらに、この方式は、同一
共振器内に別々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、単一励起ヘッドの
簡易な構造でリップルレーザ波形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）〜（６）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
を用いた固体レーザ発振装置において、レーザ励起光源
として独立した連続光とパルス光を発する励起装置を設
け、同一レーザ媒質に前記励起装置からの連続光とパル
ス光とで励起を行う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）．連続光を発する前記第一の励起装
置の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。

【００１０】（３）．パルス光を発する前記第二の励起
装置の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）項又は（２）項記載の固体
レーザ発振装置。

【００１１】（４）．前記レーザ媒質がＮｄ^３＋：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。

【００１２】（５）．レーザ共振器内に前記レーザ媒質
と前記レーザ励起光源とからなるレーザヘッドが一組で
構成される、もしくは前記レーザヘッドの複数組をカス
ケード型に配置することを特徴とする（１）〜（４）項
のいずれか一つに記載の固体レーザ発振装置。

【００１３】（６）．（１）〜（５）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。

【００１４】

【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。

【００１５】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り、同図（ｂ）は（ａ）
のＡ−Ａ’断面の構成を示したものである。なお、構成
表示の煩雑化を防ぐため図１（ａ）おいて、冷却水冷構
造は省略して示した。

【００１６】図１（ｂ）において固体レーザ媒質である
ＮＤ^３＋：ＹＡＧレーザロッド１は二つの楕円の焦点が
一致する構成とした二重楕円形状集光鏡９の共焦点位置
に設置され、二つの楕円のそれぞれの残る焦点位置には
連続波励起を行うアークランプ２とパルス励起を行うフ
ラッシュランプ４が設置されている。この結果、それぞ
れのランプからの発光は共焦点位置に設置されたレーザ
ロッド１に効率良く集光される。

【００１７】図１（ａ）において、アークランプ２は連
続波励起電源３に、またフラッシュランプ４はパルス励
起電源５に接続され、それぞれ連続波発光ならびにパル
ス発光を出力する。レーザロッド１内にはアークランプ
２による励起で時間的に連続な反転分布が形成され、さ
らに一定時間間隔でフラッシュランプ４からの励起を受
けることで当該反転分布はパルス的に増大する。その結
果、反転分布の時間挙動は連続波にパルスが重畳した
「リップル」波形を伴ったものとなる。

【００１８】レーザロッド１は高反射ミラー６と部分透
過ミラー７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８が得られる。出力レーザビーム８の時間波形は反
転分布の時間挙動を踏襲した「リップル」形状を持つ波
形として、かつ単一ロッド、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が得られる。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４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。

【００１９】図２は、本発明に関わる固体レーザ発振装
置の別の構成として、固体レーザ励起にランプ発光を用
いる代わりに半導体レーザを用いるケースを示す説明図
である。なお、構成の煩雑化を防ぐため、図１と同様に
冷却水冷構造は省略して示した。また、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。

【００２０】図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’断面で
の構成を示したものであり、固体レーザロッド１の周囲
の円柱面には、概半周ずつ半導体レーザ波長に対する高
反射コーティング１４が施されており、直径方向の２点
（図中では時計の３時、９時位置）の紙面垂直方向に線
状に半導体レーザ波長に対する減反射コーティング１５
が施されている。連続波発振半導体レーザ１１の出力ビ
ームは円柱レンズ１０によって線状集光されレーザロッ
ド１の左面からロッドへ入射し、ロッド内部で多重反射
することにより連続波形状の反転分布をロッド内に形成
する。パルス発振半導体レーザ１３の出力ビームは同様
に円柱レンズ１２によって線状集光されレーザロッド１
の右面からロッドへ入射し、ロッド内部で多重反射する
ことでパルス形状の反転分布をロッド内に形成する。こ
のような過程で時間的に「リップル」形状を持つ反転分
布が形成されることで、図１の場合と全く同様にリップ
ル波形を伴うレーザ出力８が得られる。

【００２１】図３は、本発明に関わる固体レーザ発振装
置のさらに別の構成として、レーザ平均出力が約５００
Ｗ以上のレベルが要求された場合の例を示したものであ
る。図３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。

【００２２】この図３の例は、図１に比較してレーザ共
振器の内部にレーザ励起ヘッドが２式設置された場合で
ある。各レーザ励起ヘッドは、固体レーザヘッド１と、
アークランプ２と、フラッシュランプ４とを有する。な
お、パルス励起は複数のレーザロッド１に対して時間的
に同期して励起する必要があるため、２本のフラッシュ
ランプ４は同一のパルス励起電源５に接続されている。
ここでは、単一の電源５から並列接続する例を示した
が、電源容量制約がある場合には、時間的に同期したト
リガをかけることによって２台のパルス励起電源を用い
ることも可能である。

【００２３】図４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１１Ｊ、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３３０ｍＪ、パル
ス繰り返し周波数３００Ｈｚ、平均出力１００Ｗ、総合
平均出力が３５０Ｗの値が得られた。図１のごとく同一
媒質を異なる励起源で励起する構成としたことから、図
４に示すように、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。

【００２４】ここまでの例においては固体レーザ結晶と
してＮｄ^３＋：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。また結晶の形
状は円柱形状を持つ例を示したが、スラブ形状などの他
の形状であってもよい。さらに図１、図２ではそれぞれ
ランプ、半導体レーザで励起する例を示したが、たとえ
ば連続波励起をランプで行い、パルス励起を半導体レー
ザで行うといった励起源の組み合わせも全ての場合が可
能である。

【００２５】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４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。

【００２６】図５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２
４, ２５の突き合わせ溶接用であり、リップルＹＡＧレ
ーザ発振器１７、励起電源（連続波電源、パルス電源双
方を設置したもの）１６、レーザ光伝送用光ファイバー
１８、レーザ集光・加工ヘッド１９、ヘッドの移動装置
としての走査テーブル２０とレール２１、鋼板のクラン
パー２２, ２３にて構成される。ここで、図５におい
て、リップルＹＡＧレーザ発振器１７と励起電源１６と
が図１に示す固体レーザ発振装置に該当する。なお、図
５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１８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。

【００２７】以上の構成の薄鋼板溶接装置を使用し、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６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６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。

【００２８】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。

【００２９】

【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、簡便な単一の励起ヘッドからリップル発振出力
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０．１〜０．３
ｍｍ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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【図３】本発明の固体レーザ発振装置の発振器構成の更
に別の実施例を示す説明図である。

【図４】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。

【図５】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。

【図６】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。

【符号の説明】

１固体レーザロッド２アークランプ３連続波励起電源４フラッシュランプ５パルス励起電源６高反射ミラー７部分透過ミラー８出力レーザビーム９二重楕円形状集光鏡１０，１２円柱レンズ１１連続波発振半導体レーザ１３パルス発振半導体レーザ１４高反射コーティング１５減反射コーティング１６励起電源１７リップルＹＡＧレーザ発振器１８レーザ光伝送用光ファイバー１９レーザ集光・加工ヘッド２０走査テーブル２１レール２２，２３クランパー２４，２５鋼板コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者南田勝宏千葉県富津市新富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 CA02 CE08 CK01 DA05 DA14 DB01 5F072 AB02 KK05 PP01 PP07 SS10 YY06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ媒質として固体レーザ結晶を用い
た固体レーザ発振装置において、レーザ励起光源として
独立した連続光とパルス光を発する励起装置を設け、同
一レーザ媒質に前記励起装置からの連続光とパルス光と
で励起を行う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】連続光を発する前記励起装置の光源がア
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】パルス光を発する前記励起装置の光源が
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Ｎｄ^３＋：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】レーザ共振器内に前記レーザ媒質と前記
レーザ励起光源とからなるレーザヘッドが一組で構成さ
れる、もしくは前記レーザヘッドの複数組をカスケード
型に配置することを特徴とする請求項１〜４のいずれか
一つに記載の固体レーザ発振装置。
【請求項６】請求項１〜５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。