JP2828879B2 - レーザ加工機 - Google Patents

レーザ加工機

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JP2828879B2
JP2828879B2 JP5214430A JP21443093A JP2828879B2 JP 2828879 B2 JP2828879 B2 JP 2828879B2 JP 5214430 A JP5214430 A JP 5214430A JP 21443093 A JP21443093 A JP 21443093A JP 2828879 B2 JP2828879 B2 JP 2828879B2
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誠 谷
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    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0608Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]
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    • B23K26/067Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工機に関し、
特に高品質の溶接加工等の可能なレーザ加工機に関す
る。
【0002】
【従来の技術】レーザ溶接において、小スポットに集束
させたレーザビームを溶接線に沿って移動させると、溶
融金属幅が狭く、かつ深くなり、溶接金属内にガス成分
を閉じ込めたポロシティも発生する。
【0003】そこで、レーザ肉盛溶接においては、所要
の溶接面積を得、同時に品質改善を図るため、レーザビ
ームを溶接線方向と直交する方向に振動させる技術が知
られている。
【0004】さらに、レーザビームの光軸に対して、偏
心して配置した集光レンズを回転させることにより、ビ
ームスポットを円周状に移動させ、所要幅を有する溶接
部を得るレーザ溶接機が提案されている(たとえば、特
開平3−285785号公報)。
【0005】また、重ね合わせ溶接において、集光レン
ズを3角プリズムと合体させてビーム集光機能と共に偏
向機能を持たせ、この合体構造を回転させることによっ
てレーザビームスポットを回転させ、環状の溶接部を得
るレーザ溶接機も提案されている(たとえば、特開平3
−243292号公報)。
【0006】ところで、近年、レーザ加工においてレー
ザビームを光ファイバで伝送する技術が進歩してきてい
る。レーザビームを光ファイバで伝送すれば、意図せざ
るレーザ照射による加熱事故等を防止することができ、
レーザビームの取り扱いも容易となる。
【0007】また、溶接において、2個の物品を1個所
で溶接すると、加熱、冷却機の熱変形により加工対象物
に歪が生じる。複数点でスポット溶接した後に溶接線に
沿って連続溶接すれば熱歪は減少するが、これをレーザ
加工において行なおうとすると、操作が複雑となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
レーザ加工技術は進歩を続けているが、未だ解決されて
いない問題点もあり、さらなる進歩が望まれている。
【0009】本発明の目的は、低歪で品質のよいレーザ
溶接等が可能なレーザ加工機を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明のレーザ加工機
は、固定された上部鏡筒と、前記上部鏡筒に結合され、
レーザ光を伝送し、上部鏡筒内に出射する光伝送系と、
前記上部鏡筒に対して回転可能に保持され、変換可能で
ある下部鏡筒と、前記下部鏡筒に保持され、光伝送系か
ら出散されるレーザビームを分割するビーム分割部と、
前記下部鏡筒に保持され、ビーム分割部から出射される
複数のレーザビームを異なる位置に集光させる集光レン
ズ部と、前記下部鏡筒を回転させてレーザビームの集光
点を回転させる回転駆動機構とを有する。
【0011】
【作用】レーザビームを分割して複数のレーザビームと
し、これらを回転させることにより、同時に2点におけ
るレーザ加工が可能となる。下部鏡筒を交換可能とする
ことにより、1台の加工機を用いて種々の加工が可能と
なる。
【0012】レーザ溶接においては、レーザ溶接開始時
に同時に2点において溶接を行なうことにより、加工対
象物に生じる歪を低減し、低歪のレーザ溶接を可能とす
る。
【0013】
【実施例】図1は、本発明の一実施例によるレーザ溶接
機の構成を概略的に示す。レーザ発振機から発射された
レーザビームは、ファイバ中を転送され、ファイバ先端
1から図中下方に出射する。
【0014】ファイバ先端1から発散して出射されたレ
ーザ光は、コリメートレンズ2によってコリメートさ
れ、平行光束となる。この平行光束は、直進して屋根形
プリズム3に入射する。屋根形プリズム3は、図中上側
に左右に傾いた対称的入射面を有する。
【0015】屋根形プリズム3は、図中左半分に入射し
たレーザビームは右下方に偏向し、右半分に入射したレ
ーザビームは左下方に偏向する。このように、屋根形プ
リズム3は、入射するレーザビームを2つのビームに分
割する役割を果たす。
【0016】なお、1本の平行光束を2本のビームに分
割する場合を説明したが、3つ以上のビームに分割する
ことも可能である。また、屋根形プリズムでレーザビー
ムを分割する場合を説明したが、ハーフミラー等の構成
によってレーザビームを分割することも可能である。
【0017】プリズム3で分割された複数のレーザビー
ムは、集光レンズ4によって集光され、異なる点にスポ
ット状に集光される。集光点の位置は、プリズム3の与
える偏向(屈折)角度、プリズム3と集光レンズ4との
間の距離、集光レンズ4の集光距離等によって定まる。
【0018】なお、屋根型プリズム3および集光レンズ
4は、下部鏡筒6に保持されており、下部鏡筒6はベア
リング8によって上部鏡筒5に対して回転可能に保持さ
れたプーリ11に螺子止めされている。
【0019】プリズム3および集光レンズ4を収容した
下部鏡筒6を交換することにより、所望のビーム分割特
性、集光特性を得ることができる。なお、コリメートレ
ンズ2およびファイバ先端1は、上部鏡筒5に固定され
ている。ファイバ先端1、コリメートレンズ2、プリズ
ム3、集光レンズ4は、機械加工精度内で光軸上に配置
されている。
【0020】図中、左方には、上部鏡筒5が固定さてい
る固定構造物が配置され、その内部にモータ9が設置さ
れている。モータ9の回転軸は、図中下方に延び、プー
リ10と結合している。プーリ10とプーリ11は、高
さ方向が一致して配置され、その周囲にベルト12が結
合されている。
【0021】プーリ10の径は、プーリ11の径よりも
小さく、モータ9の回転にしたがってベルト12を駆動
し、減速した回転をプーリ11に与える。プーリ11が
ベアリング8にガイドされて回転されると、プーリ11
に結合した下部鏡筒6が回転し、プリズム3および集光
レンズ4が回転する。
【0022】この下部鏡筒6の回転に伴ってプリズム3
で分割されたレーザビームは、それぞれ円運動を行な
う。プリズム3が光軸に関して対称的な屋根形プリズム
であれば、2つのビームスポットは同一円周上を回転す
る。
【0023】図2は、以上説明したレーザ加工機から光
学系を抽出し、レーザビームとの関連を示す。ファイバ
先端1は、ファイバのコアに相当し、その端部からレー
ザビームを発散して出射する。ファイバ先端1の径は、
たとえば約1mmである。
【0024】ファイバ先端1から発散するレーザビーム
を受けるコリメートレンズ2は、発散するレーザビーム
を平行光束に変換する。コリメートレンズ2の焦点f1
は、ほぼコリメートレンズ2とファイバ先端1との間の
距離に相当する。
【0025】屋根形プリズム3の2つの入射面は、入射
するレーザ平行光束に対して角度θ傾いた対称的な面法
線を有する。プリズム3の出射面は平面であり、プリズ
ム3から出射するレーザビームは、元の方向からδ傾い
た偏向角度を有する。プリズム3から出射した平行レー
ザビームは、集光レンズ4に入射し、集光されて2つの
スポットに集まる。
【0026】プリズム3の屈折率をn、集光レンズ4の
焦点距離をf2とすると、集光スポット径φDおよび集
光スポット間の間隔dは、 φD=φ1mm×(f2/f1) d=2×f2×tanδ となる。ただし、δ(<または≒)(n−1)θであ
る。
【0027】すなわち、ファイバ径に対する集光スポッ
ト径はレンズ2、4の焦点距離の比によって定まり、集
光スポット間の距離dは、プリズム3による偏向角度お
よび集光レンズ4の焦点距離によって定まる。
【0028】図1の構成において、下部鏡筒6を交換可
能としたことにより、複数の下部鏡筒を準備しておき、
適宜所望のφDおよびdを有する下部鏡筒を交換するこ
とができる。
【0029】図3は、図1に示すレーザ溶接機を用い、
突き合わせ溶接を行なう場合の操作を概略的に示す。加
工対象物13と14が突き合わせて配置されている。破
線c1は、2本の集光レーザビーム共通の軌跡である。
【0030】図1の構成において、下部鏡筒6を回転さ
せると、集光されるレーザビームスポットは破線c1の
円周上を回転する。2つの点S1、S2で溶接が実行さ
れると、加工対象物13、14は2つの点で溶融部が形
成され、2つの点S1、S2の回転軌跡により、大口径
スポット径でのレーザビーム溶接が実現できる。
【0031】溶接によって生じる加熱、冷却の熱変形に
おいても、溶接開始点が2点で開始しているため、加工
対象物13、14に生じる熱変形は減少される。このた
め、熱歪の少ない溶接が可能となる。
【0032】溶接開始後、レーザビームを軌跡c1上で
回転させつつ、加工対象物13、14を溶接線に沿って
移動させると、所要の溶接幅を有する突き合わせ溶接が
実行される。
【0033】図4は、本発明の他の実施例によるガスア
シスト・レーザ加工機の構成を部分的に示す。本実施例
においては、レーザビーム出射部分において、プリズム
3および集光レンズ4を保持する下部鏡筒6の周囲を、
アシストガス取入口15を有するハウジング16が取り
囲んでいる。
【0034】アシストガス取入口15から導入されたア
シストガスは、ハウジング16によって案内され、下部
噴出口17から下方に噴出する。下部噴出口17の開口
部分は、図中上部に示したプリズム3、集光レンズ4を
介して集光されるレーザビームと接触しないように設計
される。アシストガスとしては、切断用には酸素や溶媒
用には不活性ガス等が用いられる。
【0035】本発明者らは、上述のファイバ出射光学系
を用い、集光スポット径φD=600μm、集光スポッ
ト間隔d=1mmとなるレンズ・プリズム系を選択し、
厚さ0.8mmのSUS304板の重ね合わせ溶接およ
び突き合わせ溶接を実験し、それぞれ良好な溶接部を得
ることができた。
【0036】ここで、1スポットのレーザ集光径をデフ
ォーカスして溶接した場合、また、1スポットのレーザ
集光径を偏向角度をつけて回転させながらウィービング
溶接した場合と、上述の2スポットレーザ集光径を回転
させながら溶接した場合とを比較した。
【0037】ギャップ間隔の大きいサンプルを対象物と
すると、上述の実施例にしたがって2本のレーザビーム
に分岐し、集光したレーザビームスポットをサンプルの
各々に対して同時にレーザ照射しながらウイービング溶
接する方が、1スポットのレーザ集光径を用いる場合よ
りも良好な溶接結果を与えることが判った。これは、分
岐されたレーザビームが互いに余熱効果を与え合うこと
等によるものと考えられる。
【0038】なお、レーザ加工により溶接を行なう場合
を説明したが、同様の構成を用い、レーザ切断を行なう
ことも可能である。このような場合においても、レーザ
ビームを分割し、複数の点に照射することにより、加熱
点が分散し、加工対象物に与える熱歪み等を減少するこ
とが可能と考えられる。また、複数本に分割したレーザ
ビームは回転させる他、往復運動させたり、停止させた
りしてもよい。
【0039】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
【0040】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
2本以上に分岐したレーザビームを同時に用いてレーザ
加工を行なうことにより、従来のレーザ加工よりも高速
かつ低歪で品質の良いレーザ加工を行なうことが可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例によるレーザ溶接機の構成を概
略的に示す断面図である。
【図2】図1のレーザ溶接機における光学系を抽出して
示す概略断面図である。
【図3】図1のレーザ溶接機を用い、突き合わせ溶接を
行なう場合の手順を説明するための概念図である。
【図4】本発明の他の実施例によるガスアシストレーザ
加工機の構成を示す概略部分断面図である。
【符号の説明】
1 ファイバ先端 2 コリメートレンズ 3 プリズム 4 集光レンズ 5 上部鏡筒 6 下部鏡筒 8 ベアリング 9 モータ 10、11 プーリ 12 ベルト 13、14 加工対象物 15 アシストガス取入口 16 ハウジング 17 下部噴出口 c1 レーザビーム軌跡 S1、S2 レーザビームスポット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B23K 26/00 - 26/08

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固定された上部鏡筒と、 前記上部鏡筒に結合され、レーザ光を伝送し、上部鏡筒
    内に出射する光伝送系と、 前記上部鏡筒に対して回転可能に保持され、変換可能で
    ある下部鏡筒と、 前記下部鏡筒に保持され、光伝送系から出散されるレー
    ザビームを分割するビーム分割部と、 前記下部鏡筒に保持され、ビーム分割部から出射される
    複数のレーザビームを異なる位置に集光させる集光レン
    ズ部と、 前記下部鏡筒を回転させてレーザビームの集光点を回転
    させる回転駆動機構とを有するレーザ加工機。
  2. 【請求項2】 さらに、前記下部鏡筒の周囲を取り囲
    み、レーザ光出射開口とガス取入口とを有するハウジン
    グを有する請求項1記載のレーザ加工機。
JP5214430A 1993-08-30 1993-08-30 レーザ加工機 Expired - Lifetime JP2828879B2 (ja)

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