JP2005161404A

JP2005161404A - レーザ溶接用集光ヘッド

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Publication number: JP2005161404A
Application number: JP2004330593A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Murata; 隆行村田
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2024-11-15
Also published as: JP4584683B2

Abstract

【課題】レーザエネルギーの照射密度の均一化を図るとともに、その構造を簡単化できるレーザ溶接用集光ヘッドを提供する。
【解決手段】レーザ溶接されるべき被溶接部材２の集光位置とコリメートレンズ９との光路間に配設され、光軸方向に略直交する第１方向だけに集光作用を有する第１円筒面レンズ１０と、集光位置と第１円筒面レンズ１０との光路間に配設され、光軸方向および第１方向に略直交する第２方向だけに集光作用を有する第２円筒面レンズ１１であって、第１および２円筒面レンズ１０，１１の焦点位置が略一致するように配設される第２円筒面レンズ１１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえばレーザ光源から発せられるレーザ光を、被溶接部材に集光させてレーザ溶接するためのレーザ溶接用集光ヘッドに関する。

本発明において、「略平行」は「平行」を含み、「略直交」は「直交」を含み、「略一致」は「一致」を含む。

従来、金属から成る被溶接部材にレーザ光を照射して溶接するためのレーザ加工機が実用に供されている。このレーザ加工機は、たとえばレーザ光を発するレーザ光源と、被溶接部材に臨む集光ヘッドと、レーザ光源から発せられるレーザ光を集光ヘッドまで導く光ファイバと、シールドガス供給手段などを有する。このようなレーザ加工機を用いてレーザ溶接するに際し、総板厚がたとえば８ｍｍ以上の材料をレーザ溶接すると、溶着金属中に生じる球状または略球状の空洞、いわゆるブローホールが発生しやすい。前記ブローホールを防止するための手段として、施工中に形成されるキーホールであって、溶融池の先端で熱源が母材裏側へ貫通して形成される孔であるキーホールを拡張することが挙げられる。このキーホールを拡張すべく次の（１）〜（４）の技術が提案されている（たとえば特許文献１参照）。

（１）被溶接部材に、複数の位置からレーザ光を照射する。（２）被溶接部材の厚み方向に対しレーザ光を傾斜させて発し、集光位置で楕円形となる楕円形ビームとする。（３）反射光学系を用いて、集光位置で楕円形となるビームを照射する。（４）レーザ光の光路途中に、１枚のシリンドリカルレンズを配設し、集光ビームを歪ませて楕円形ビームとする。

特開平６−１９０５７５号公報

（１）の複数の位置からレーザ光を照射する技術では、光学系が複雑になり、かつ一般的に入手可能な光学部品のみで前記光学系を構成することは困難である。（２）のレーザ光を傾斜させる技術では、たとえば集光ヘッドを、被溶接部材の厚み方向に対し傾斜させなければならないので、装置の配置に制約が生じるうえ、レーザエネルギーの照射密度が不均一になる。（３）の反射光学系を用いる技術では、光学系が複雑になるだけでなく、組立時の光軸調整が難しい。（４）のシリンドリカルレンズを用いる技術では、デフォーカス位置での集光となるので、（２）と同様にレーザエネルギーの照射密度が不均一になる。

本発明の目的は、レーザエネルギーの照射密度の均一化を図るとともに、その構造を簡単化することができるレーザ溶接用集光ヘッドを提供することである。

本発明は、レーザ光源から発せられるレーザ光を、レーザ溶接されるべき被溶接部材に集光させる光学部品を備えるレーザ溶接用集光ヘッドであって、
前記光学部品は、
レーザ光源から発せられるレーザ光を略平行化する第１のレンズと、
レーザ溶接されるべき被溶接部材の集光位置と第１のレンズとの光路間に配設され、光軸方向に略直交する第１方向だけに集光作用を有する第２のレンズと、
前記集光位置と第２のレンズとの光路間に配設され、前記光軸方向および第１方向に略直交する第２方向だけに集光作用を有する第３のレンズであって、この第３のレンズの焦点位置と第２のレンズの焦点位置とが略一致するように配設される第３のレンズとを備えることを特徴とするレーザ溶接用集光ヘッドである。

本発明に従えば、レーザ光源から発せられるレーザ光は、光学部品を介してレーザ溶接されるべき被溶接部材に集光される。光学部品は、第１〜第３のレンズを備える。これらレンズのうち、第１のレンズは、レーザ光源から発せられるレーザ光を略平行化する。第２レンズは、レーザ溶接されるべき被溶接部材の集光位置と、第１のレンズとの光路間に配設される。この第２のレンズは、光軸方向に略直交する第１方向だけに集光作用を有する。第３のレンズは、前記集光位置と、第２のレンズとの光路間に配設される。この第３のレンズは、前記光軸方向および第１方向に略直交する第２方向だけに集光作用を有する。さらに第３のレンズは、この焦点位置と第２のレンズの焦点位置とが略一致するように配設される。第２のレンズは第１方向だけに集光作用を有し、かつ第３のレンズは第２方向だけに集光作用を有するうえ、第２および第３のレンズの焦点位置が略一致するので、レーザ光源から発せられたレーザ光は、焦点位置で概ね楕円形となる。

また本発明は、第２および第３のレンズは、少なくとも一つの円柱面を含む円柱レンズであることを特徴とする。

本発明に従えば、少なくとも一つの円柱面を含む円柱レンズによって、第２および第３のレンズを実現することができる。

また本発明は、集光位置と第３のレンズとの光路間に配設される第４のレンズであって、第２および第３のレンズの焦点距離を拡大する第４のレンズを、さらに備えることを特徴とする。

本発明に従えば、第４のレンズは、集光位置と第３のレンズとの光路間に配設される。この第４のレンズは、第２および第３のレンズの焦点距離を拡大する。

また本発明は、前記第４のレンズは、凹レンズ群と凸レンズ群とを有することを特徴とする。

本発明に従えば、これら凹レンズ群と凸レンズ群とを組み合わせて配設することで、第２および第３のレンズの焦点距離の拡大を図ることができる。

また本発明は、前記凸レンズ群は発光方向最下流側に配設され、凸レンズ群のうち、発光方向上流側および下流側の凸レンズの集光比が変更可能に構成されることを特徴とする。

本発明に従えば、凹レンズ群および凸レンズ群のうち、凸レンズ群は発光方向最下流側に配設される。この凸レンズ群のうち、発光方向上流側および下流側の凸レンズの集光比を変更することで、集光サイズを相似に変更することができる。つまり焦点位置で概ね楕円形となるレーザ光の前記楕円形の長軸および短軸サイズを、容易に変更することができる。

本発明によれば、第２のレンズは第１方向だけに集光作用を有し、かつ第３のレンズは第２方向だけに集光作用を有するうえ、第２および第３のレンズの焦点位置が略一致するので、レーザ光源から発せられたレーザ光は、焦点位置で概ね楕円形となる。それ故、溶融池の先端で熱源が被溶接部材の母材裏側へ貫通して形成される孔、つまりキーホールを拡張することが可能となる。これによってレーザ溶接する際のブローホールを解消することができる。このように本発明によれば、従来のようにレーザ光を傾斜させて照射することなく、レーザ光を、焦点位置で楕円形にすることができる。したがってレーザエネルギーの照射密度の均一化を図るとともに、その構造を簡単化することができる。

また本発明によれば、少なくとも一つの円柱面を含む円柱レンズによって、第２および第３のレンズを実現することができる。

また本発明によれば、第４のレンズは、集光位置と第３のレンズとの光路間に配設される。この第４のレンズは、第２および第３のレンズの焦点距離を拡大する。これによって、集光ヘッドの先端部つまり被溶接部材に臨む先端部に配設されるレンズの汚損の低減を図ることができる。また輻射熱による影響を回避することができる。しかも溶接施工に必要な機器を配設し得る空間を確保することができる。

また本発明によれば、凹レンズ群と凸レンズ群とを組み合わせて配設することで、第２および第３のレンズの焦点距離の拡大を図ることができる。

また本発明によれば、凸レンズ群のうち、発光方向上流側および下流側の凸レンズの集光比を変更することで、集光サイズを相似に変更することができる。つまり焦点位置で概ね楕円形となるレーザ光の前記楕円形の長軸および短軸サイズを、容易に変更することができる。これによって施工対象に応じた最適なレーザ光を得ることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工機１の構成を概略示す系統図である。レーザ加工機１は、被溶接部材２にレーザ光を照射して溶接するためのものである。このレーザ加工機１は、たとえば、車両構体の台枠と側構との接合などに適用される。ただし本発明の適用対象は、車両すなわち鉄道車両だけに限定されるものではなく、たとえば自動車なども含む。レーザ加工機１は、主に、レーザ光源３と、レーザ溶接用集光ヘッド４と、光ファイバ５と、シールドガス供給手段６とを有する。レーザ光源３は、レーザ光を発することが可能である。本実施形態では、レーザ光源３には、たとえば固体レーザであるＹＡＧレーザであって、たとえば発振器出力４０００ワットのＹＡＧレーザが用いられる。ただしレーザ光源３は、必ずしもＹＡＧレーザに限定されるものではない。

レーザ溶接用集光ヘッド４は、被溶接部材２に臨んで離隔して配設される。以後レーザ溶接用集光ヘッド４を、単に、集光ヘッド４という場合がある。集光ヘッド４は、レーザ光源３から発せられるレーザ光を、レーザ溶接されるべき被溶接部材２に集光させる機能を有する。光ファイバ５は、レーザ光源３から発光されるレーザ光を集光ヘッド４まで導く。光ファイバ５には、たとえばコア径０．６ｍｍのものが適用される。シールドガス供給手段６は、被溶接部材２に形成される溶融部を大気から遮断するためのガスを供給する。被溶接部材２には、たとえば日本工業規格（ＪＩＳ）Ｇ４３０５に規定されるＳＵＳ３０４ステンレス鋼板などが適用される。

図２は、集光ヘッド４の楕円形集光光学系を示す斜視図である。図３は集光ヘッド４の楕円形集光光学系を示し、図３（ａ）は集光位置Ｆ１で形成すべき楕円形状の長軸方向に平行な方向から楕円形集光光学系を見た図、図３（ｂ）は楕円形状の短軸方向に平行な方向から楕円形集光光学系を見た図である。図１も参照しつつ説明する。

集光ヘッド４は、ヘッド本体７と光学部品８とを備える。本集光ヘッド４は、溶接線方向に移動駆動可能に構成されている。具体的に、集光ヘッド４をたとえば図示外のマウントに装着し、このマウントに駆動手段を設ける。前記マウントを移動させることによって、集光ヘッド４の溶接線方向への移動を実現することができる。逆に被溶接部材２を、多軸方向に移動可能な図示外のテーブルの一表面部に載置支持し、このテーブルを移動させることによって、集光ヘッド４を相対的に溶接線方向へ移動させるようにしてもよい。

ヘッド本体７は、後述する光学部品８および光ファイバ５の一端部５ａを保持するものであり、たとえば金属製で有底略円筒状に形成される。ヘッド本体７には、光軸方向に沿って順次、光ファイバ５の一端部５ａと、第１のレンズとしてのコリメートレンズ９と、第１円筒面レンズ１０と、第２円筒面レンズ１１とが保持される。円筒面レンズは、「円柱レンズ」と同義である。なお光ファイバ５の他端部は、レーザ光源３に保持される。第１円筒面レンズ１０が第２のレンズに相当し、第２円筒面レンズ１１が第３のレンズに相当する。本実施形態においてコリメートレンズ９は、たとえば焦点距離１２０ｍｍでかつ直径寸法が５０ｍｍのものが適用される。このコリメートレンズ９は、ヘッド本体７に支持される光ファイバ５の一端部５ａから発せられるレーザ光を略平行光にする。前記「略平行光」は「平行光」を含む。本実施形態においては、第１のレンズとして、コリメートレンズ９だけが適用されるが、必ずしもこの形態に限定されるものではない。つまり第１のレンズはレンズ群を含み、これらレンズ群によって、レーザ光を略平行光にし得る形態であってもよい。

本実施形態において第１円筒面レンズ１０は、たとえば焦点距離２５０ｍｍでかつ３０ｍｍ角のものが適用される。この第１円筒面レンズ１０は、コリメートレンズ９よりも光軸方向にやや離隔して配設される。つまり第１円筒面レンズ１０は、レーザ溶接されるべき被溶接部材２の集光位置Ｆ１とコリメートレンズ９との光路間に配設される。この第１円筒面レンズ１０は、光軸方向に略直交する第１方向だけに集光作用を有する。図２および図３（ｂ）において、前記第１方向を矢符ｘで表記する。第１円筒面レンズ１０は少なくとも一つの円筒面１０ａを含む円筒面レンズであり、その円筒面１０ａがコリメートレンズ９に臨むように配設される。本実施形態においては、第２のレンズとして、第１円筒面レンズ１０だけが適用されるが、必ずしもこの形態に限定されるものはない。つまり第２のレンズはレンズ群を含み、これらレンズ群によって、光軸方向に略直交する第１方向だけに集光作用を有する形態とすることも可能である。

本実施形態において第２円筒面レンズ１１は、たとえば焦点距離１００ｍｍでかつ３０ｍｍ角のものが適用される。この第２円筒面レンズ１１は、集光位置Ｆ１と第１円筒面レンズ１０との光路間に配設される。この第２円筒面レンズ１１は、光軸方向および第１方向に略直交する第２方向だけに集光作用を有する。図２および図３（ａ）において、前記第２方向を矢符ｙで表記する。第２円筒面レンズ１１は少なくとも一つの円筒面１１ａを含む円筒面レンズであり、その円筒面１１ａが第１円筒面レンズ１０に臨むように配設される。本実施形態においては、第３のレンズとして、第２円筒面レンズ１１だけが適用されるが、必ずしもこの形態に限定されるものではない。つまり第３のレンズはレンズ群を含み、これらレンズ群によって、光軸方向におよび第１方向に略直交する第２方向だけに集光作用を有する形態とすることも可能である。

これら第１および第２円筒面レンズ１０，１１の焦点位置は略一致するように配設される。換言すれば第２円筒面レンズ１１は、第１円筒面レンズ１０よりも、第１円筒面レンズ１０の焦点距離２５０ｍｍからこの第２円筒面レンズ１１の焦点距離１００ｍｍを減じた１５０ｍｍ間隔をあけて配設される。以上の構成によって図４に示すように、直径０．６ｍｍの光ファイバ５から導光されたレーザ光を、前記焦点位置において、短軸方向長さα（αはたとえば０．５ｍｍ）、長軸方向長さβ（βはたとえば１．２５ｍｍ）の楕円形に集光することができる。しかも本構成によれば、従来のようにレーザ光を傾斜させて照射することなく、レーザ光を焦点位置で楕円形にすることができる。

図４は、レーザ溶接される被溶接部材２を厚み方向に見た平面図である。図５は、円形集光ビームによる施工ビードの試験結果と、楕円形集光ビームによる施工ビードの試験結果とを比較する図表である。本実施形態では、シールドガス供給手段６から供給されるシールドガスとしてＡｒガスまたはＮ_２ガスを用いる。シールドガスはたとえば１分間あたり３０リットル供給される。またシールガスを用いない場合もある。被溶接部材２に対する集光ヘッド４の溶接線方向への相対移動速度は、たとえば３０ｃｍ／ｍｉｎ．または４０ｃｍ／ｍｉｎ．または５０ｃｍ／ｍｉｎ．に設定される。被溶接部材２として適用されるＳＵＳ３０４ステンレス鋼板には、たとえば板厚２ｍｍのものと板厚４ｍｍのものとが採用され、これら被溶接部材２が厚み方向に重ね合わされてレーザ溶接される。

以上説明したレーザ加工機１によれば、第１円筒面レンズ１０は第１方向だけに集光作用を有し、第２円筒面レンズ１１は第２方向だけに集光作用を有するうえ、第１および第２円筒面レンズ１０，１１の焦点位置が略一致するので、レーザ光源３から発せられたレーザ光は、焦点位置Ｆ１で概ね楕円形となる。それ故、溶融池の先端で熱源が被溶接部材の母材を溶融して形成される孔、つまりキーホールを拡張することが可能となる。このように本実施形態のレーザ加工機１によれば、従来のようにレーザ光を傾斜させて照射することなく、レーザ光を焦点位置で楕円形にすることができる。したがってレーザエネルギーの照射密度の均一化を図るとともに、その構造を簡単化することができる。

図６は、ワークディスタンスを拡張するための楕円形集光光学系を示す斜視図である。図７は、ワークディスタンスを拡張するための楕円形集光光学系を示す図である。ただし前記実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。集光ヘッド４Ａは、図示外のヘッド本体と、コリメートレンズ９と、第１円筒面レンズ１０と、第２円筒面レンズ１１とを有し、さらに球面平凹レンズ群１２と、球面平凸レンズ群１３とを有する。これらのうち球面平凹レンズ群１２は、集光位置Ｆ２と第２円筒面レンズ１１との光路間に配設される。

本実施形態においては、球面平凹レンズ群１２は２つの球面平凹レンズ１４から成る。各球面平凹レンズ１４は、たとえば焦点距離１００ｍｍでかつ直径５０ｍｍのものが適用される。これら球面平凹レンズ１４は、各凹面１４ａを対向させ、かつ対向する外周縁部１４ｂが当接するように配設される。球面平凸レンズ群１３は、集光位置Ｆ２と球面平凹レンズ群１２との光路間に配設される。本実施形態においては、球面平凸レンズ群１３は２つの球面平凸レンズ１５から成る。各球面平凸レンズ１５は、たとえば焦点距離２００ｍｍでかつ直径５０ｍｍのものが適用される。これら球面平凸レンズ１５は、各凸面１５ａを対向させ、近接するように配設される。

以上の構成によって、直径０．６ｍｍの光ファイバ５から導光されたレーザ光を、焦点位置Ｆ２において、たとえば短軸方向長さ０．５ｍｍ、長軸方向長さ１．２５ｍｍの楕円形に集光することができる。しかも本構成によれば、従来のようにレーザ光を傾斜させて照射することなく、レーザ光を、焦点位置で楕円形にすることができる。このとき発光方向最下流側のレンズ１５から焦点位置Ｆ２までの距離（前記距離をワークディスタンスともいう）は、約１７０ｍｍとなっている。

逆に言えば、第２円筒面レンズ１１から焦点位置までの距離を拡張することができる。つまり球面平凹レンズ群１２および球面平凸レンズ群１３によって、第１および第２円筒面レンズ１０，１１の焦点距離を拡大することができる。これら球面平凹レンズ群１２および球面平凸レンズ群１３が、第４のレンズに相当する。これによって、集光ヘッド４Ａの先端部つまり被溶接部材２に臨む先端部に配設されるレンズ１５の汚損の低減を図ることができる。また輻射熱による影響を回避することができる。しかも溶接施工に必要な機器、具体的にはシールドガス供給ノズル、スパッタやヒュームが光学系を汚損することを防ぐエア噴出ノズルなどを配設し得る空間を確保することができる。なお球面平凹レンズ群１２および球面平凸レンズ群１３を用いることなく、ワークディスタンスを拡張しようとすれば、たとえば６０ｍｍ角程度のレンズが必要となるが、このようなレンズは入手困難である。

図８は、集光寸法を変更可能な楕円形集光光学系の図である。ただし前記実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。集光ヘッド４Ｂは、図示外のヘッド本体と、コリメートレンズ９と、第１円筒面レンズ１０と、第２円筒面レンズ１１とを有し、さらに球面平凹レンズ群１２と、球面平凸レンズ群１６とを有する。これらのうち前記球面平凸レンズ群１６は発光方向最下流側に配設される。

球面平凸レンズ群１６は２つの球面平凸レンズ１５，１７から成る。これら球面平凸レンズ１５，１７は、各凸面１５ａ，１７ａを対向させて近接するように配設される。発光方向最下流側の球面平凸レンズ１７は、たとえば焦点距離１５０ｍｍでかつ直径５０ｍｍのものが適用される。本実施形態においては、特に球面平凸レンズ群１６のうち、発光方向上流側および下流側の球面平凸レンズ１５，１７の集光比が変更可能に構成される。換言すれば、前述の図６および図７に示す光学系に対して、発光方向最下流側の球面平凸レンズ１７を変更するだけで、楕円形寸法を変更可能である。具体的には、前述の構成によって、直径０．６ｍｍの光ファイバから導光されたレーザ光を、焦点位置Ｆ３において、たとえば短軸方向長さ０．３８ｍｍ、長軸方向長さ０．９２ｍｍの楕円形に集光することができる。このとき発光方向最下流側のレンズ１７から焦点位置Ｆ３までの距離は、約１３０ｍｍとなっている。したがって数種類の発光方向最下流側のレンズ１７を用意しておき、発光方向最下流側のレンズ１７から焦点位置Ｆ３までの距離を可変とすることができる。それ故、本集光ヘッド４Ｂを各種用途に適用でき、本集光ヘッド４Ｂの汎用性を高くすることができる。その他図６および図７に示す光学系と同様の効果を奏する。

本実施形態においてレーザ光源には、固体レーザが適用されるが、たとえばレーザ光源に半導体レーザを適用することも可能である。レーザ加工機は、光ファイバを省略した構成も可能である。シールガス供給手段からシールガスを供給しない場合もあり得る。被溶接部材には、ステンレス鋼板以外の金属製材料を適用してもよい。

本発明の実施形態に係るレーザ加工機１の構成を概略示す系統図である。集光ヘッド４の楕円形集光光学系を示す斜視図である。集光ヘッド４の楕円形集光光学系を示し、図３（ａ）は集光位置Ｆ１で形成すべき楕円形状の長軸方向に平行な方向から楕円形集光光学系を見た図、図３（ｂ）は楕円形状の短軸方向に平行な方向から楕円形集光光学系を見た図である。レーザ溶接される被溶接部材２を厚み方向に見た平面図である。円形集光ビームによる施工ビードの試験結果と、楕円形集光ビームによる施工ビードの試験結果とを比較する図表である。ワークディスタンスを拡張するための楕円形集光光学系を示す斜視図である。ワークディスタンスを拡張するための楕円形集光光学系を示す図である。集光寸法を変更可能な楕円形集光光学系の図である。

符号の説明

２被溶接部材
３レーザ光源
４，４Ａ，４Ｂ集光ヘッド
９コリメートレンズ
１０第１円筒面レンズ
１１第２円筒面レンズ
１２球面平凹レンズ群
１３球面平凸レンズ群
１５，１７球面平凸レンズ
Ｆ１〜Ｆ３焦点位置

Claims

レーザ光源から発せられるレーザ光を、レーザ溶接されるべき被溶接部材に集光させる光学部品を備えるレーザ溶接用集光ヘッドであって、
前記光学部品は、
レーザ光源から発せられるレーザ光を略平行化する第１のレンズと、
レーザ溶接されるべき被溶接部材の集光位置と第１のレンズとの光路間に配設され、光軸方向に略直交する第１方向だけに集光作用を有する第２のレンズと、
前記集光位置と第２のレンズとの光路間に配設され、前記光軸方向および第１方向に略直交する第２方向だけに集光作用を有する第３のレンズであって、この第３のレンズの焦点位置と第２のレンズの焦点位置とが略一致するように配設される第３のレンズとを備えることを特徴とするレーザ溶接用集光ヘッド。
第２および第３のレンズは、少なくとも一つの円柱面を含む円柱レンズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接用集光ヘッド。
集光位置と第３のレンズとの光路間に配設される第４のレンズであって、第２および第３のレンズの焦点距離を拡大する第４のレンズを、さらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接用集光ヘッド。
前記第４のレンズは、凹レンズ群と凸レンズ群とを有することを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接用集光ヘッド。
前記凸レンズ群は発光方向最下流側に配設され、凸レンズ群のうち、発光方向上流側および下流側の凸レンズの集光比が変更可能に構成されることを特徴とする請求項４に記載のレーザ溶接用集光ヘッド。