JP2004136307A

JP2004136307A - レーザ加工方法とレーザ加工装置

Info

Publication number: JP2004136307A
Application number: JP2002301707A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Sasaki; 佐々木　光夫
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【課題】レーザ溶接の際に、溶接部材同士の突合せ面に隙間が存在していても、確実に溶接部材同士を接合することができるレーザ加工方法とレーザ加工装置とを提供すること。
【解決手段】レーザ光を移動させて照射した軌跡を、レーザ光の光軸に沿って対向して配置された２枚のウェッジ板９、９ａ、９ｂ、９ｃまたはプリズムを、回転機構１２により予め設定されている所定の位置関係で相互に逆方向に所定の回転速度で回転させる。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属に対してレーザを用いて溶接を行うレーザ加工方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、金属薄板等の被加工物である溶接部材の突合わせ溶接には、アーク溶接や電気抵抗シーム溶接と共にレーザ溶接が用いられている。
【０００３】
レーザ光は、非常に強い集光性があるので、エネルギ密度の極めて高い集中熱源となり、溶接に適用すれば、溶け込み深さが深く、高速溶接を行うことができるので、レーザ溶接は、他の溶接法に比較して溶接速度が速いことやビード幅を狭くすることができる。そのため、アーク溶接や電気抵抗シーム溶接に比べて、生産性が高くなることや、ビード幅が狭いため溶接結合による薄板のプレス成形性が優れる等の利点を有している。
【０００４】
レーザ溶接に用いる固体レーザとしては、ＹＡＧレーザが多く使用されている。ＹＡＧレーザは連続発振が可能なうえ、Ｑスイッチによる高ピーク出力のパルスでの高速繰り返し発振が可能であり、レーザ出力の波形制御も容易におこなうことができる。
【０００５】
レーザ溶接装置では、レーザ発振器により出射したレーザ光を集光光学系により集光して加工点で集光させている。また、２枚の金属を付き合わせ溶接する場合、突合せ部であるレーザ光により溶接（溶融）する部分（溶接ライン）は、隙間を極力なくするように、予め、各金属の付き合わせ面を加工して用いている。
【０００６】
付き合わせ面に隙間が存在すると、レーザ光が溶融部を形成（溶接部材に照射されず抜けてしまう）できなくなり、溶接不良または未溶接部が発生する。これを解決する方法として、レーザ光の集光部を揺動させることで、溶接部に隙間が存在していても溶接部材の溶融を可能にした溶接法が用いられている。それらの動作は、例えば、ガルバノミラー等を用いて回転と振動させるか（例えば特許文献１参照）、ウェッジ板等を回転させ、それらにより円運動等を行わせて、溶接面でのレーザ光の揺動を行っている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−３８４８４（段落番号［００１７］〜［００３０］、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザ溶接ではレーザ光の集光性が高いという特徴の裏返しとして、溶接部材の突合わせ間隙を厳格に管理する必要がある。突合わせ間隙の許容量は、０．３ｍｍ以内（例えば、溶接部材の板厚が２〜３ｍｍの場合、その１０％程度）であり、これを越えると溶融部が溶け落ちて、溶接継手の強度が低下する。
【０００９】
また、突合せ部に隙間が存在してもレーザ光を揺動させることにより、その不具合を解消する溶接法の場合、レーザ光の集光部を遥動させる手段として、ガルバノミラーを用いた際は、駆動系や遥動ミラーが大きくなるために、集光光学系が大型化が避けられず。また、集光光学系の価格も高価になる。また、ウェッジ板を回転させて用いた場合は、円運動をおこなわせているので、進行方向に対して、溶接に必要な以上に余分のレーザ照射を行なわなければならない欠点がある。
【００１０】
本発明はこれらの事情に基づいてなされたもので、レーザ溶接の際に、溶接部材同士の突合せ面に隙間が存在していても、確実に溶接部材同士を接合することができるレーザ加工方法とレーザ加工装置とを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１による手段によれば、レーザ発振器から出射したレーザ光を、被加工物の突合せ部に照射して、該突合せ部の溶接を行うレーザ加工方法であって、
前記レーザ光の光軸に沿って対向して配置された２枚のウェッジ板またはプリズムを相互に逆方向に所定の回転速度で回転させながら前記レーザ光を走査することにより前記突合せ部に対して揺動する軌跡を形成させて前記突合せ部の溶接をおこなうことを特徴とするレーザ加工方法である。
【００１２】
また請求項２による手段によれば、前記２枚のウェッジ板またはプリズムの屈折角は異なることを特徴とするレーザ加工方法である。
【００１３】
また請求項３による手段によれば、前記２枚のウェッジ板またはプリズムの回転速度は等しいことを特徴とするレーザ加工方法である。
【００１４】
また請求項４による手段によれば、レーザ発振器と、このレーザ発振器の出射光の光軸に沿って順次配置された光伝送用光学系と加工用集光光学系とを具備したレーザ加工装置において、
前記加工用集光光学系は、前記光軸に沿って所定の位置関係で対向して配置された２枚の透光性のウェッジ板またはプリズムと、このウェッジ板またはプリズムを相互に逆方向に回転させる回転機構とを少なくとも有していることを特徴とするレーザ加工装置である。
【００１５】
また請求項５による手段によれば、前記レーザ発振器はＹＡＧレーザ発振器であり、前記光伝送用光学系は光ファイバを用いていることを特徴とするレーザ加工装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態の一例として、ＹＡＧレーザ加工装置に適用した場合の構成を示した模式図である。
【００１８】
レーザ発振器１の出射光軸の前方には、光ファイバ２の入射側と出射側にそれぞれレンズ３、４を具備したファイバ入射光学系５（光伝送用光学系）が配置され、このファイバ入射光学系５の出力側には、光ファイバ２の出射端に対向して加工用集光光学系６が配置されている。この加工用集光光学系６の出力側には、被加工体７ａ、７ｂが所定方向に移動する加工テーブル８の上に載置されている。
【００１９】
レーザ発振器１は、一般に用いられている構成なので特に図示はしないが、ＹＡＧロッドと、このＹＡＧロッドに励起用の光を供給する励起光供給部と、ＹＡＧロッドの両端面にそれぞれ対向し、光共振器を形成する全反射ミラーとハーフミラーからなる出力ミラーを具備している。
【００２０】
図２に構成を示すように、加工用集光光学系６は、光軸に沿って２枚の透光性の屈折角が等しいウェッジ板９ａ、９ｂが対向して、所定の相対的な位置を保持して後述する回転機構により相互に逆回転するように回転自在に形成されて配置されている。出力側のウェッジ板９ｂ（または、プリズム）の出力側には集光レンズ１１が配置されている。なお、ウェッジ板９ａ、９ｂは、石英ガラスやＢＫ等の材質が用いられており、また、回転数は３，０００ｒｐｍ程度である。
【００２１】
図３は、２枚の透光性のウェッジ板９ａ、９ｂを回転させる回転機構１２の模式斜視図である。２枚のウェッジ板９ａ、９ｂはいずれも外周に歯車１３ａ、１４ａが刻設された回転体１３、１４に形成されている。集光レンズ１１側の回転体１４の歯車１４ａにはモータ１５の回転軸１５ａに固定された駆動歯車Ａ１６が噛合し、もう一方の回転体１３の歯車１３ａには、モータ１５の回転軸１５ａに固定された中間歯車Ａ１７に噛合した中間歯車Ｂ１８の回転軸１８ａに固定された駆動歯車Ｂ１９が噛合して、それぞれを回転駆動している。
【００２２】
これらの構成により、レーザ発振器１１から出射したレーザ光は、ファイバ入射光学系５に入射して集光され、集光されたレーザ光は光ファイバ２に入射して伝送される。光ファイバ２の出力端から出力されたレーザ光は加工用集光光学系６に入射する。
【００２３】
加工用集光光学系６に入射したレーザ光は、入射側のウェッジ板９ａにより光軸の中心軸線方向から屈折により曲げられる。曲げられたレーザ光は出射側（第２番目）のウェッジ板９ｂ（又はプリズム）によりさらに屈折して集光レンズ１１に入射され被加工体７ａ、７ｂの加工点に集光する。
【００２４】
加工用集光光学系６の作用について、さらに詳細に説明する。図４（ａ）に模式構成図を示すように、ウェッジ板９（又はプリズム）が１枚の場合は、ウェッジ板９に入射されたレーザ光は、光軸の中心軸線方向から屈折により曲げられ、集光レンズ１１に入射される。集光レンズ１１に入射されたレーザ光は光軸中心の軸線から傾いており、加工点において光軸中心の軸線から離れた位置に集光される。従って、図４（ｂ）に軌跡を示すように、加工点でのレーザ光の軌跡は、被加工体７ａ、７ｂの加突合せのラインに沿ってスパイラル状の軌跡を形成する。この場合、各スパイラルのピッチは被加工体７ａ、７ｂを載置している加工テーブル８の送り速度により、また、スパイラルの半径は、ウェッジ板９の角度に基づくウェッジ板９を通過する光の屈折角による。
【００２５】
一方、図２に示した構成のように、２枚のウェッジ板９ａ、９ｂ（又はプリズム）を用いた場合について、図５（ａ）〜（ｃ）に示した動作図により説明する。なお、図５（ａ）〜（ｃ）に示した２枚のウェッジ板９ａ、９ｂの位置は相対位置で、座標上の絶対位置ではない。
【００２６】
図５（ａ）に示すように、２枚のウェッジ板９ａ、９ｂが同位相の場合、つまり位相差が０度の場合は、レーザ光の光路は光軸の中心軸に対して最大の傾きとなる。その結果、レーザ光の集光レンズ１１を介しての被加工体７ａ、７ｂの加工点での集光位置は、光軸の中心軸から最も離れた位置になる。
【００２７】
また、図５（ｂ）に示すように、２枚のウェッジ板９ａ、９ｂが、回転機構１２により回転して、９０度の位相差の場合、レーザ光の光路はウェッジ板９ａ、９ｂによる屈折は、１枚目のウェッジ板９ａと２枚目のウェッジ板９ｂとが相互に逆方向に同時に同じだけ回転するため、相対的な位置は変わらない。その結果、レーザ光の集光レンズ１１を介しての被加工体７ａ、７ｂの加工点での集光位置は、光軸の中心軸から０度の場合の半分の位置になる。
【００２８】
また、図５（ｃ）に示すように、２枚のウェッジ板９ａ、９ｂが、回転機構１２により回転して、１８０度の位相差の場合、レーザ光の光路はウェッジ板９ａ、９ｂの１枚目のウェッジ板９ａの屈折分を２枚目のウェッジ板９ｂが光軸方向に戻す作用を果たす。その結果、レーザ光の集光レンズ１１を介しての被加工体７ａ、７ｂの加工点での集光位置は、光軸の中心軸の位置になる。
【００２９】
なお、図５（ａ）〜（ｃ）で示した、２枚のウェッジ板９ａ、９ｂの３つの位置関係の間の各位置でも、レーザ光の集光レンズ１１を介しての被加工体７ａ、７ｂの加工点での集光位置は、位相差が０度から９０度の場合は、図５（ａ）及び図５（ｂ）の位置を用い、また、位相差が９０度から１８０度の場合は、図５（ｂ）及び図５（ｃ）の位置を用いて、それぞれ角度に応じて補間法により算出することができる。それらの位置は、位相差が０度から１８０度にわたって略直線状に分布する。
【００３０】
また、位相差が１８０度から３６０度の間でも、レーザ光の集光レンズ１１を介しての被加工体７ａ、７ｂの加工点での集光位置は、位相差が０度から１８０度の場合と光軸に対して対称位置になる。
【００３１】
これらにより、図６に説明図を示すように、実際に加工点でのレーザ光の軌跡は、被加工体７ａ、７ｂの加工する突合せのラインに沿って、直線で形成したジグザグ状の軌跡で進行することを確認した。この場合、２枚のウェッジ板９ａ、９ｂの屈折角を変えることにより、ジグザグ状の揺動幅を変えることができる。また、ジグザグ状の軌跡（ただし、ジグザグの頂点は丸みをおびており波線状である）のピッチは被加工体７ａ、７ｂを載置している加工テーブル８の送り速度を変えることにより変化させることができる。
【００３２】
したがって、レーザ溶接する際に、突合せ部に隙間が存在していてもその隙間に対応が可能となるので、突合せ部の隙間の存在に関係なくなり安定した溶接をおこなうことができる。
【００３３】
次に上述の変形例として、図７に示したように、２枚のウェッジ板９ｃ、９ｄの屈折角を異ならした場合（構造的には、頂角α_１、α_２を異ならせる）について説明する。この場合、先に２枚のウェッジ板９ａ、９ｂの屈折角が等しい場合について、図５（ａ）〜（ｃ）で説明したのと対比して説明すると、２枚のウェッジ板９ｃ、９ｄ（又はプリズム）の位相差が０度及び９０度である図５（ａ）および（ｂ）は、同様の説明になるが、位相差が１８０度の図５（ｃ）については、レーザ光の光路は、１枚目のウェッジ板９ｃの屈折分を２枚目のウェッジ板９ｄが光軸方向に戻す作用を果たすので、２枚のウェッジ板９ｃ、９ｄの屈折角が等しい場合は、レーザ光の集光レンズ１１を介しての被加工体７ａ、７ｂの加工点での集光位置は、光軸の中心軸の位置になるが、２枚のウェッジ板９ｃ、９ｄの屈折角が異なる場合は、レーザ光の集光レンズ１１を介しての被加工体７ａ、７ｂの加工点での集光位置は、加工の際の突合せラインの軸のからずれた位置になる。したがって、図８に示すように、集光位置の軌跡が示すジグザグは、被加工体７ａ、７ｂの突合せラインの軸に対して非対称になる。その結果、突合せラインの左側と右側ではレーザ光の照射エネルギが異なることになる。
【００３４】
この照射エネルギの異なるレーザ光による溶接としては、例えば、図９に示したような板厚の異なる２枚の被加工体７ａ、７ｃの突合せ溶接に好適である。
【００３５】
なお、上述の実施の形態では、ＹＡＧレーザ加工装置に適用した場合について説明したが、固体レーザ装置に限らず、ＣＯ_２等のガスレーザ装置のガスレーザヘッドとしても用いることができる。ただし、その場合は、ウェッジ板９ａ、９ｂの材質として、ＺｎＳｅ等を用い、また、レーザ光の光伝送用の光学系は光ファイバ２の替わりにレンズやミラーによる光学系により伝送路を形成する。その場合もＹＡＧレーザ加工装置の場合と同様な作用が得られる。
【００３６】
以上に説明したように、上述の各実施の形態によれば、光学系を形成している２枚のウェッジ板又はプリズムを、同時に所定の位置関係でモータ等により、相互に逆方向に回転運動させることにより、光学系からの集光位置の軌跡を溶接ラインに沿って直線的なジグザグ状の揺動軌跡を形成することができる。それにより、溶接ラインを形成している２枚の金属の間に隙間が存在している場合でも、確実に溶接することができる。
【００３７】
また、上述の実施の形態では、光学系を２枚のウェッジ板又はプリズムで形成しているので、従来用いられているガルバノミラーに比べて、構造が簡単でコンパクトに形成することが出来、比較的コストを低く押えることがでる。
【００３８】
また、上述の実施の形態での加工用集光光学系は、コンパクトに形成することができるため、加工用集光レンズに付属する形で取り付けることができ、取り付けが容易である。
【００３９】
また、光学系の制御についても、単に２枚のウェッジ板又はプリズムの回転数を設定するだけで、揺動の振幅数（周波数）を変えることができるので、複雑な制御部を用いることなく安定した制御が可能である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ溶接の際に、溶接部材同士の突合せ面に隙間が存在していても、確実に溶接部材同士を接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のＹＡＧレーザ加工装置に適用した場合の構成を示した模式図。
【図２】本発明のレーザ加工装置の加工用集光光学系の構成図。
【図３】本発明のレーザ加工装置の回転機構の模式斜視図。
【図４】（ａ）は比較例の集光光学系の構成図、（ｂ）は比較例の集光光学系によるレーザ光の軌跡の説明図。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の加工用集光光学系の動作図。
【図６】本発明の加工用集光光学系によるレーザ光の軌跡の説明図。
【図７】本発明のレーザ加工装置の加工用集光光学系の変形例の構成図。
【図８】本発明のレーザ加工装置の加工用集光光学系の変形例のレーザ光の軌跡の説明図。
【図９】被加工物の例。
【符号の説明】
１…レーザ発振器、５…ファイバ入射光学系、６…加工用集光光学系、７ａ、７ｂ…被加工体、９、９ａ、９ｂ、９ｃ…ウェッジ板、１１…集光レンズ、１２…回転機構、１３…回転体、１４…回転体

Claims

レーザ発振器から出射したレーザ光を、被加工物の突合せ部に照射して、該突合せ部の溶接を行うレーザ加工方法であって、
前記レーザ光の光軸に沿って対向して配置された２枚のウェッジ板またはプリズムを相互に逆方向に所定の回転速度で回転させながら前記レーザ光を走査することにより前記突合せ部に対して揺動する軌跡を形成させて前記突合せ部の溶接をおこなうことを特徴とするレーザ加工方法。
前記２枚のウェッジ板またはプリズムの屈折角は異なることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
前記２枚のウェッジ板またはプリズムの回転速度は等しいことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
レーザ発振器と、このレーザ発振器の出射光の光軸に沿って順次配置された光伝送用光学系と加工用集光光学系とを具備したレーザ加工装置において、
前記加工用集光光学系は、前記光軸に沿って所定の位置関係で対向して配置された２枚の透光性のウェッジ板またはプリズムと、このウェッジ板またはプリズムを相互に逆方向に回転させる回転機構とを少なくとも有していることを特徴とするレーザ加工装置。
前記レーザ発振器はＹＡＧレーザ発振器であり、前記光伝送用光学系は光ファイバを用いていることを特徴とする請求項４記載のレーザ加工装置。