JP2007253165A

JP2007253165A - レーザ加熱方法

Info

Publication number: JP2007253165A
Application number: JP2006077379A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Iwaki; 俊一岩木; Kazuo Genji; 一夫玄地; Naoki Kawada; 直樹河田; Yosuke Otsuka; 陽介大塚
Original assignee: Tokyu Car Corp
Current assignee: Tokyu Car Corp
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-10-04

Abstract

【課題】レーザ光の走査によって対象物を加熱する場合において、対象物の内部まで均一な加熱を可能にするレーザ加熱方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るレーザ加熱方法は、レーザ溶接装置１のレーザ装置７から出射したレーザ光Ｌを矢印Ｂ方向に走査しながら金属板３，３を加熱、溶接する方法である。金属板３，３上の集光スポットＦにおけるレーザ光Ｌの出力分布は、走査方向Ｂの上流側にいく程出力が低くなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ装置から出射したレーザ光を走査しながら対象物を加熱するレーザ加熱方法に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のレーザ溶接装置が知られている。このレーザ溶接装置は、レーザ光源からのレーザビームを回折格子で分割し、分割された複数のレーザビームを被溶接部材に対して出射するものである。そして、これら複数のレーザビームの照射スポットを略直線状に配列させて走査することにより、溶接部を均一に加熱し高強度な溶接を図ることが提案されている。
特開２００４−１７４５２９号公報

しかしながら、この溶接では、溶接部に照射スポットが到来した時に、各溶接部の表面が加熱され、被溶接部材の表面温度のみが急激に上がり、その後、表面温度は急激に低下する。このように、被溶接部材の表面温度が急激に上下するので、熱が被溶接部材の厚さ方向に十分に伝わらず、被溶接部材の内部まで均一な加熱が行われないおそれがあった。

そこで、本発明は、レーザ光の走査によって対象物を加熱する場合において、対象物の内部まで均一な加熱を可能にするレーザ加熱方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ加熱方法は、レーザ装置から出射したレーザ光を走査しながら対象物を加熱するレーザ加熱方法において、対象物の加熱部分におけるレーザ光の出力分布は、走査方向の上流側にいく程出力が低くなっていることを特徴とする。

このレーザ加熱方法によれば、レーザ光の走査によって加熱部分が対象物上を移動することになる。この対象物上の１つの被加熱点に注目した場合、この被加熱点上に加熱部分が差し掛かると、この被加熱点は、加熱部分の先頭部における比較的高い出力のレーザ光により加熱される。そして、この被加熱点上を加熱部分が通過して行くに従って、この被加熱点を加熱するレーザ光の出力が低くなっていくので、この被加熱点は緩やかに温度変化する。その結果、対象物上の各被加熱点の急激な温度変化を抑制することができ、対象物の内部まで均一な加熱を行うことができる。

また、走査方向に直交する方向において、レーザ光の出力分布の中央部の出力は、両端部よりも低くなっていることが好ましい。このような構成により、走査方向に直交する方向における加熱部分の両端部は、比較的出力が高いレーザ光により加熱されるので温度上昇率が高い。その一方、中央部は、比較的出力が低いレーザ光により加熱されると共に、上記両端からの熱伝導によっても温度が上昇する。従って、中央部と両端部との温度上昇率が均一化されるので、加熱部分の温度を走査方向に直交する方向において均一化することができる。

また、レーザ装置に設けられたレーザ出射部は複数のレーザ出射点を有し、複数のレーザ出射点は、走査方向の上流側に行くほど出力が低くなるように配列されていることが好ましい。このようなレーザ出射部を用いることにより、走査方向の上流側にいくほど出力が低くなるようなレーザ出力分布が、対象物の加熱部分において形成されるので、対象物上の各点の急激な温度変化を抑制することができ、対象物の内部まで均一な加熱を行うことができる。

また、走査方向に直交する方向において、複数のレーザ出射点のうちの中央部のレーザ出射点の出力は、両端部のレーザ出射点の出力よりも低いこととしてもよい。このような構成により、走査方向に直交する方向における加熱部分の両端部は、比較的出力が高いレーザ光により加熱されるので温度上昇率が高い。その一方、中央部は、比較的出力が低いレーザ光により加熱されると共に、上記両端からの熱伝導によっても温度が上昇する。従って、中央部と両端部との温度上昇率が均一化されるので、加熱部分の温度を走査方向に直交する方向において均一化することができる。

本発明のレーザ加熱方法によれば、レーザ光の走査によって対象物を加熱する場合において、対象物の内部まで均一に加熱することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るレーザ加熱方法の好適な一実施形態について詳細に説明する。

図１に示すように、レーザ溶接装置１は、２枚の同種の金属板（対象物）３，３の重ね合わせ部分にレーザ光を走査させて、この金属板３，３を溶接し接合する装置である。この装置１は、２枚の金属板３を設置するテーブル５を備えている。更に、このテーブル５の上方には、レーザ出射部７ａから下向きにレーザ光Ｌを出射するレーザ装置７が設けられている。テーブル５上には、２枚の金属板３，３が重なった状態で設置され、レーザ装置７からのレーザ光Ｌは、この重ね合わせ部上で集光する。

そして、重ね合わせ部上でレーザ光Ｌが集光した状態で、テーブル５が後方（Ａ方向）に直線的に水平移動することで、レーザ光Ｌが重ね合わせ部上の溶接部３ａを前方（Ｂ方向）に走査され、金属板３，３の端部同士が溶接される。また、レーザ装置７の後方には、レーザ光Ｌの集光点（加熱部分）Ｆに向けて斜め上から溶接雰囲気ガスを噴出するガス供給ノズル９が設けられている。

ここで用いられるレーザ装置７の特性を考えた場合、集光スポットＦにおけるレーザ光Ｌの出力の空間的分布としては、中央にピークをもつような出力分布を示すことが一般に考えられる。ところが、そのような分布では、金属板３に供給される熱エネルギーは集光スポットＦの中で中央部に偏ることになり、更に、金属板３の集光スポットＦにおける中央部の熱は、その周縁部の熱の影響で外側への熱拡散が起こりにくい。その結果、上記のような出力分布では、集光スポットＦの中央部が周縁部に比較して高温になりやすいので、走査方向Ｂに直交する左右方向（Ｃ方向）において溶接部３ａが均一に加熱されず、均一な溶接が達成できない。

また、溶接部３ａ上の一つの溶接点３ｂに注目して考えると、この溶接点３ｂに集光スポットＦの中央部が到達した時に、溶接点３ｂの温度が急激に上昇し、その後、集光スポットＦが通過した時、熱拡散により溶接点３ｂの温度が急激に低下する。このように、溶接点３ｂの温度が急激に変化するので、溶接点３ｂにおける金属板３の厚さ方向への熱拡散が十分ではなく、金属板３の内部において良好な溶接が行われないおそれがある。また、逆に、金属板３の内部まで十分に加熱しようとすると、金属板３の表面のみが高温になりすぎるという問題が発生する。

そこで、図２に示すように、このレーザ装置７のレーザ出射部７ａは、３行３列のマトリックス状に配列された合計９個の半導体レーザ素子（レーザ出射点）１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１３ａ，１３ｂ，１３ｃを備えている。この半導体レーザ素子１１ａ〜１３ｃの各々からは、トップハット型の出力分布をもつレーザビームが一本ずつ出射される。そして、このレーザ素子１１ａ〜１３ｃ各々から出射される９本のレーザビームの束によって、レーザ出射部７ａからの上記レーザ光Ｌが構成されている。更に、これらのレーザ素子１１ａ〜１３ｃへの供給電流は個別に制御されており、レーザ素子１１ａ〜１３ｃから出射されるレーザ光の出力は個別に設定されている。設定された各レーザ素子１１ａ〜１３ｃの出力の一例は、以下の通りである。
レーザ素子１１ａ：９００Ｗ、レーザ素子１１ｂ：６００Ｗ、レーザ素子１１ｃ
：３００Ｗ、
レーザ素子１２ａ：３００Ｗ、レーザ素子１２ｂ：２００Ｗ、レーザ素子１２ｃ：１００Ｗ、
レーザ素子１３ａ：９００Ｗ、レーザ素子１３ｂ：６００Ｗ、レーザ素子１３ｃ：３００Ｗ。

このように、レーザ出射部７ａの出力は合計４２００Ｗであるが、走査方向Ｂの前列から後列に行くほど低出力になるように、レーザ出力が配分されている。また、左右方向Ｃについては、中央列が両端の列よりも低出力になるようにレーザ出力が配分されている。このように出力配分されたレーザ出射部７ａによれば、各レーザ素子１１ａ〜１３ｃが示す出力分布が合成されて、図３（ａ）に示すように、集光スポットＦにおいても、走査方向Ｂにおいては上流側に行くほど出力が低くなる出力分布が形成される。また、図３（ｂ）に示すように、左右方向Ｃにおいては中央部１５の出力が両端部１７よりも低くなるような出力分布が形成される。

従って、図４に示すように、金属板３，３の溶接工程において、溶接点３ｂは、まず、集光スポットＦの先頭部が到達したときに、レーザ出射部７ａの前列のレーザ素子１１ａ，１２ａ，１３ａからのレーザ光によって、金属板３の融点よりも少し高い最高到達温度Ｔｍａｘに加熱される（図中の状態Ａ１）。その後、集光スポットＦの中央付近が到達すると、溶接点３ｂは、出力が弱められたレーザ出射部７ａ中列のレーザ素子１１ｂ，１２ｂ，１３ｂからのレーザ光によって再び加熱される。

このとき、レーザ素子１１ｂ，１２ｂ，１３ｂからのレーザ光の出力が弱められていることから、熱拡散による冷却とのバランスにより、溶接点３ｂの温度は上記最高到達温度から極めて緩やかに低下する（図中の状態Ａ２）。更にその後、集光スポットＦの後方部が到達すると、出力が更に弱められたレーザ出射部７ａ後列のレーザ素子１１ｃ，１２ｃ，１３ｃからのレーザ光によって再び加熱される。このときも、熱拡散による冷却とのバランスにより、溶接点３ｂの温度は極めて緩やかに低下する（図中の状態Ａ３）。その後、集光スポットＦが溶接点３ｂを通り過ぎると、溶接点３ｂは熱拡散により徐々に冷却され、溶融した金属が硬化する（図中の状態Ａ４）。

このように、溶接点３ｂは、レーザ素子１１ａ，１２ａ，１３ａからのレーザ光によって金属板３の融点よりも少し高い温度に加熱された後、徐々に出力が弱められたレーザ光により順次加熱される。このことで、溶接点３ｂの温度低下が緩やかになり、金属板３の融点よりも少し高い温度が長く維持される。従って、金属板３の厚さ方向にも十分な熱拡散が起こり、厚さ方向における均一な加熱が行われる。その結果、金属板３の内部においても十分に温度が上昇することで、良好な溶接が達成される。また、金属板３の表面のみが高温になりすぎることも抑制することができる。

また、溶接部３ａの左右方向Ｃについて考えると、集光スポットＦの両端部は、それぞれ、高出力のレーザ素子１１ａ〜１１ｃとレーザ素子１３ａ〜１３ｃとで加熱され、集光スポットＦの中央部は、比較的低出力の１２ａ〜１２ｃで加熱される。そして、この中央部は、両端部からの熱拡散による温度上昇が加わることで、両端部と同じ程度に温度上昇することになる。従って、この溶接によれば、溶接部３ａの左右方向Ｃにおいて温度上昇が均一化され、均一な溶接の深さを得ることができる。また、温度上昇の均一化により、レーザ出射部７ａからのエネルギーの無駄を抑えることができると共に、溶接部３ｂの一部が高温になりすぎることも抑制することができる。

以下、本発明に係るレーザ加熱方法の実施例について説明する。

（実施例１）
上述のレーザ溶接装置１を用いて、ＳＵＳ３０４製の板厚０．４ｍｍの金属板３の端部同士を２枚重ね合わせて溶接した。この場合、レーザ出射部７ａにおいて、各レーザ素子１１ａ〜１３ｃからのレーザビームは、トップハット型の出力分布を示し、１．２ｍｍの間隔をもって各々直径１ｍｍの円形で金属板３上に照射される。従って、集光スポットＦは一辺が約３．４ｍｍの略正方形状に形成される。レーザ装置７の出力は合計４２００Ｗであり、レーザ素子１１ａ〜１３ｃの出力配分は以下の通りである。
レーザ素子１１ａ：９００Ｗ、レーザ素子１１ｂ：６００Ｗ、レーザ素子１１ｃ：３００Ｗ、
レーザ素子１２ａ：３００Ｗ、レーザ素子１２ｂ：２００Ｗ、レーザ素子１２ｃ：１００Ｗ、
レーザ素子１３ａ：９００Ｗ、レーザ素子１３ｂ：６００Ｗ、レーザ素子１３ｃ：３００Ｗ。

レーザ光Ｌの走査速度（テーブル５の水平移動速度）は、６ｍ／分であり、溶接雰囲気ガスとしては、アルゴンを用いた。以上のような条件により、左右方向Ｃにおいて均一な深さで、幅約２．８ｍｍの内部まで良好な溶接が可能となった。

（実施例２）
上記レーザ溶接装置１は、金属の溶接に限らず、樹脂同士の重ね溶着にも適用が可能である。そこで、レーザ溶接装置１を用いて、レーザ光吸収材からなる樹脂板にレーザ光透過材からなる樹脂板を重ね合わせて、重ね溶着を行った。この場合、レーザ出射部７ａにおいて、各レーザ素子１１ａ〜１３ｃからのレーザビームは、トップハット型の出力分布を示し、各々直径３ｍｍの円形であり、走査方向Ｂにおける間隔は６ｍｍ、左右方向Ｃにおける間隔は４ｍｍで樹脂板３上に照射される。レーザ装置７の出力は合計４２Ｗであり、レーザ素子１１ａ〜１３ｃの出力配分は以下の通りである。
レーザ素子１１ａ：９Ｗ、レーザ素子１１ｂ：６Ｗ、レーザ素子１１ｃ：３Ｗ、
レーザ素子１２ａ：３Ｗ、レーザ素子１２ｂ：２Ｗ、レーザ素子１２ｃ：１Ｗ、
レーザ素子１３ａ：９Ｗ、レーザ素子１３ｂ：６Ｗ、レーザ素子１３ｃ：３Ｗ。

レーザ光Ｌの走査速度（テーブル５の水平移動速度）は、０．６ｍ／分であり、溶接雰囲気ガスとしては、ドライエアを用いた。以上のような条件により、重ねた樹脂板の溶着面付近のみを溶融することが可能で、左右方向Ｃにおいて均一な幅１０ｍｍの良好な溶着が可能となった。

一方、レーザ装置７と同じ４２Ｗの出力で半値幅３ｍｍのマルチモードのレーザ装置を用いて、広い溶着幅を得ようとすれば、集光スポット中央に対応する樹脂板の部分が深く溶融されてしまう。従って、樹脂板における不必要な溶融部分が発生したり、集光スポット中央で樹脂板材料が蒸発してしまったりする不具合が発生する。従って、上記の装置１によれば、従来のマルチモード型や矩形型の出力分布をもつレーザ光による溶着よりも、広い溶着幅を得やすい。

本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明のレーザ加熱方法は、金属の溶接及び樹脂溶着に限らず、表面焼き入れ、表面合金化といった加工にも適用が可能である。また、上記実施形態では、加熱部分（集光スポットＦ）におけるレーザ光出力分布を、複数配列されたレーザ素子１１ａ〜１３ｃにより形成したが、本発明では、レーザ素子の発振モードを設定することにより、出射されるレーザ光の出力分布を形成してもよい。

また、上記実施形態では、複数配列されたレーザ出射点を、レーザ素子１１ａ〜１３ｃを配列することにより構成したが、１つのレーザ光源からのレーザ光を、回折格子、光ファイバ又はビームスプリッタ等の光学装置を用いて分割することで、複数のレーザ出射点を構成してもよい。また、各レーザ出射点から出射されるレーザビームの出力分布は、トップハット型の分布に限らず、ガウス分布であってもよい。

本発明に係るレーザ加熱方法が用いられるレーザ溶接装置の一実施形態を示す斜視図である。レーザ出射部を下方から見た平面図である。（ａ）は、集光スポットの走査方向におけるレーザＬの出力分布である。（ｂ）は、集光スポットの左右方向におけるレーザＬの出力分布である。溶接点の温度の経時的な変化を示すグラフである。

符号の説明

１…レーザ溶接装置、３…金属板（対象物）、７…レーザ装置、７ａ…レーザ出射部、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…レーザ素子（レーザ出射点）、１５…中央部、１７…両端部、Ｂ…走査方向、Ｃ…左右方向（走査方向に直交する方向）、Ｆ…集光スポット、Ｌ…レーザ光。

Claims

レーザ装置から出射したレーザ光を走査しながら対象物を加熱するレーザ加熱方法において、
前記対象物の加熱部分における前記レーザ光の出力分布は、走査方向の上流側にいく程出力が低くなっていることを特徴とするレーザ加熱方法。
前記走査方向に直交する方向において、前記レーザ光の前記出力分布の中央部の出力は、両端部よりも低くなっていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加熱方法。
前記レーザ装置に設けられたレーザ出射部は複数のレーザ出射点を有し、
複数の前記レーザ出射点は、前記走査方向の上流側に行くほど出力が低くなるように配列されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加熱方法
前記走査方向に直交する方向において、複数の前記レーザ出射点のうちの中央部の前記レーザ出射点の出力は、両端部の前記レーザ出射点の出力よりも低いことを特徴とする請求項３に記載のレーザ加熱方法。