JP3139932B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ発振器から出
力されるレーザビームを加工ヘッドに伝送し、ワークに
照射して溶接、切断等の加工に用いるレーザ加工装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームで被加工物（ワーク）上を
走査して、溶接、切断等の加工を行う場合には、レーザ
ビームを照射する加工ヘッドを移動させるか、ワークを
移動させる必要がある。特にオンライン上で加工を行う
場合、ワークの移動方向および速度は自由には決定でき
ないので、加工ヘッドの側を移動させた方が都合がよ
い。

【０００３】加工ヘッドを移動さる際、加工に用いるレ
ーザ発振器が低出力のものであれば、加工ヘッドとレー
ザ発振器を一体化してワーク上を移動させることができ
る。しかしこの方法では、かなりの重量のレーザ発振器
を高速かつ正確に移動させる必要があるため、きわめて
剛性の高い駆動装置が必要である。また、用いるレーザ
発振器が高出力のものである場合には、レーザ発振器自
体が相当な重量と大きさになるため、非現実的である。

【０００４】一方、レーザ発振器は所定位置に配置し
て、加工ヘッドのみを移動させるという方法もある。し
かし、この方法ではレーザ発振器から加工ヘッドまでの
レーザビームの光路長が加工ヘッドの移動に伴い変化す
る。このため、数mrad程度の発散角を有するレーザビー
ムのビーム径が加工位置によって変化し、加工点でのビ
ーム特性が不安定となり、均一な加工性能が得られな
い。

【０００５】この加工点でのビーム特性が不安定になる
問題を解決する装置として、特公平１−５５０７６号公
報に記載のものがある。この装置は、図５に示すように
レーザ発振器と加工ヘッドの間の光路上に光路長を一定
に保つためのビーム反転光学系を設けている。ビーム反
転光学系が連続的に移動する加工ヘッドの移動距離の１
／２で同方向に連続的に移動して、Ｌ1 ＋Ｌ2 が一定に
なるのでレーザ発振器と加工ヘッド間の全光路長は変化
せず、加工点でのビーム特性が安定するというものであ
った。

【０００６】しかしながら、この装置ではビーム反転光
学系を精密に駆動する必要があり、装置の規模が大きく
なるとともに、全体の調整も精密に行わねばならないと
いう問題があった。また、ビーム走査距離が長距離であ
る場合、ビーム反転光学系を設けるために全光路長がさ
らに延びてしまい、加工ヘッドに達するレーザビームの
ビーム径が、実用には不都合なほど大きくなるという問
題もあった。

【０００７】また、特開平６−１８２５７６号公報に
は、加工点におけるビーム特性の安定性を一定以上に保
つレーザ加工装置が開示されている。この装置は、図６
に示すように、コラム４１上を加工ヘッド４３が水平に
移動可能で、レーザビームは伸縮可能な可動光導入路４
５から加工ヘッドに導入されるというものであった。こ
こで可動光導入路４５は一端が軸受部４８に固定されて
いるので、軸受部４８を中心として加工ヘッド４３の移
動に伴い揺動する構造になっている。この装置によれ
ば、加工点の移動に伴うレーザビーム全光路長の変動を
一定以下にすることができる。

【０００８】しかしながら、この装置は可動光導入路４
５が揺動する構造となっているので、装置が複雑にな
る。また、加工ヘッドの移動が固定レール上に制限され
ているため、オンライン工程内に組み込むことはできな
い。

【０００９】熱間圧延工程あるいは連続鋳造工程では、
長尺のワーク（シートバーあるいはスラブ）をこれの長
手方向に送りながら溶接あるいは切断する場合がある。
この場合、これらワークは厚肉であるため、ワークと同
方向、同速度で加工ヘッドを長距離（たとえば１０m ）
移動しなければならない。上記特公平１−５５０７６号
公報および特開平６−１８２５７６号公報で開示された
レーザ加工装置はいずれも、ワークが静止した状態で加
工される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、加工ヘッ
ドを長距離移動させても加工点でのビーム径の変動が小
さく、構造が簡単であるとともに、オンライン工程内で
の用途に適したレーザ加工装置を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明のレーザ加工装
置は、レーザ発振器と、レーザ発振器から出力されるレ
ーザビームの光軸方向に進退可能な第１移動手段と、第
１移動手段の移動方向に対し直角方向に進退可能な、第
１移動手段に設けられた第２移動手段と、ビーム方向を
変えてレーザビームをワークに集光する、第２移動手段
に設けられた加工ヘッドとを備えたレーザ加工装置にお
いて、レーザ発振器に伝送距離に対応したビーム発散角
を調整するビーム変換器が備えられ、かつレーザビーム
の光軸方向を第２移動手段の移動方向に変えるとともに
レーザビームの発散を抑制する中間伝送光学系が加工ヘ
ッドのビーム入射側の光路にあって前記第１移動手段に
設けられるとともに、ビーム変換器から加工ヘッドまで
の距離にかかわらずワーク上のビーム径が一定になるよ
うに加工ヘッドの集光レンズとワークとの距離が固定さ
れたことを特徴とする。

【００１２】上記レーザ加工装置において、レーザ発振
器はダスト、ミスト、熱などから遮蔽され、所定位置に
設置される。

【００１３】第２移動手段は第１移動手段上を移動する
ので、装置の構成を簡単、小型化する点から短い距離を
移動する移動手段を第２移動手段とする。第１移動手段
および第２移動手段の移動距離は、ワークの寸法あるい
はワークの移動距離によって決まり、たとえば第１移動
手段は５〜２５m 程度、第２移動手段は第１移動手段の
移動距離の数分の１以下である。第１移動手段は長距離
を移動するので、モータ駆動による移動架台、トロリな
どが用いられ、レールやガイドなどに沿って移動する。
第２移動手段は比較的短距離を移動するので、モータま
たは油圧もしくは空気圧駆動の移動台あるいは移動ブロ
ックが用いられ、ガイドに沿って移動する。ワークが移
動する場合、第１移動手段をワークの移動方向および速
度と同方向および同速度で移動するようにしてもよい。

【００１４】第１移動手段と第２移動移動手段は、互い
に直角方向に移動可能であるので、それぞれに設けた駆
動機構によって移動させると、レーザビームの２次元的
な走査が可能となる。また、レーザビームをワークの加
工部位に照射しつつ、第１移動手段および第２移動手段
を移動させることで、加工部位を連続的に移動させるこ
とができる。たとえば、ワークが一定速度で移動するオ
ンライン工程にこの装置を導入する場合に、第１移動手
段の移動方向および移動速度を、ワークの移動方向およ
び移動速度と同じにして、第２移動手段を移動させなが
ら加工を行えば、ワークの移動方向に対して垂直方向の
加工を行うことができる。

【００１５】加工ヘッドは、ワークの加工点にレーザビ
ームを集光する集光レンズ、または放物面鏡もしくは凹
面鏡、およびビーム方向を変える平面鏡を備えている。
また、加工ヘッドはワークに対し一定距離を保持するよ
うにして第２移動手段に取り付けられている。

【００１６】中間伝送光学系は凹面鏡あるいは薄レンズ
を有し、レーザビームを集束し、あるいは平行光束にす
る。凹面鏡あるいは薄レンズの焦点距離は、入射するレ
ーザビームの発散角、レーザ発振器から中間伝送光学系
までの距離、中間伝送光学系から加工ヘッドまでの距
離、移動手段の移動距離などによって決められ、３〜３
０m 程度である。レーザビームを集束する場合、中間伝
送光学系直後の集束角は、たとえば０〜２０ mrad あ
る。ビーム方向を変える必要がある手段として、主とし
て平面鏡を用いる。

【００１７】レーザ発振器と中間伝送光学系との間は、
レーザビームがダスト、ミストなどで散乱しないよう
に、移動手段の移動に伴い伸縮可能な構造のダクト（た
とえば蛇腹）によって覆ってもよい。またダクト内に
は、必要であればドライエアや窒素ガスを供給してもよ
い。

【００１８】第２移動手段の総移動距離が比較的短く、
レーザビームの伝送距離の変化に伴う加工性能の変化が
ほとんど無いような場合には、第２移動手段上に第１移
動手段に設けたのと同様な光学系を配置しても、装置が
複雑・大型化する等の悪影響の方が大きいので、第２移
動手段上には光学系を設けなくてもよい。

【００１９】

【作用】第１移動手段および第２移動手段の移動によ
り、レーザ発振器から加工ヘッドまでの光路長が変化す
る。この発明のレーザ加工装置では、第１移動手段上の
中間伝送光学系から加工ヘッドに至るレーザビームの発
散は、中間伝送光学系により抑制される。このために、
加工ヘッドに入射するレーザビームの発散角は、０かま
たは、レーザ発振器から加工ヘッドに直接入射する場合
に比べて小さくなる。したがって、第２移動手段が移動
して中間伝送光学系から加工ヘッドまでの光路長が変化
しても、加工ヘッドに入射するレーザビームのビーム径
の変動は小さい。また、加工ヘッドとワークとの間の距
離は一定に保持されている。これらのことから、ワーク
加工点でのレーザビームスポット径の変動は小さくな
る。この結果、レーザ照射により加工点に生じるキーホ
ールの大きさの変動は小さく、ワークを高精度で均一に
加工することができる。

【００２０】

【実施例】図１および図２は、この発明の一実施例であ
るレーザ溶接装置を示している。図１はレーザ溶接装置
の概略平面図であり、図２は正面図である。

【００２１】レーザ溶接装置は、長手方向に移動してい
る先行シートバーの後端部に後行シートバーの先端部を
これの幅方向に沿って溶接し、両シートバーを接続す
る。レーザ溶接装置は、主としてレーザ発振器１、移動
架台（第１移動手段）１１、中間伝送光学系２１、キャ
リッジ（第２移動手段）２５および溶接ヘッド３１とか
らなっている。

【００２２】レーザ発振器１は、ビーム発散角を補正す
るビーム変換器３を備えている。ビーム変換器３はビー
ム方向を変える平面鏡５およびレーザビーム６を僅かに
集束する凹面鏡を備えている。

【００２３】移動架台１１は、ワークＷの移動方向に沿
って設けられたレール１４に車輪１５を介して支持され
ている。移動架台１１は、モータ、伝動機構などからな
る走行駆動装置（図示しない）を備えており、ワークＷ
と同速度で移動する。ビーム変換器３の出射側と移動架
台１１のハウジング１２とは蛇腹式のビーム伝送ダクト
１８で連結されている。ビーム伝送ダクト１８は、レー
ザビームＬＢの光路を覆うように配置されている。

【００２４】中間伝送光学系２１は、移動架台１１の一
方の側端でハウジング１２内に配置されている。中間伝
送光学系２１は、ビーム方向を変える平面鏡２２および
レーザビームＬＢを僅かに集束する凹面鏡２３を備えて
いる。上記のように、ビーム変換器３と中間伝送光学系
２１には、どちらとも平面鏡と凹面鏡の組み合わせを用
いているが、これは凹面鏡２３への入射角を小さな値に
抑え、凹面鏡による非点収差の導入を抑制するためであ
る。

【００２５】キャリッジ２５は、移動架台１１に設けら
れたガイド２７に支持されている。ガイド２７は、移動
架台１１の移動方向に対し直角方向かつ水平に延びてい
る。キャリッジ２５は、モータ、伝動機構などからなる
走行駆動装置（図示しない）を備えており、ガイド２７
に沿って移動する。

【００２６】溶接ヘッド３１は、キャリッジ２５に取り
付けられている。溶接ヘッド３１は、ビーム方向を９０
゜変える平面鏡３２、およびレーザビームＬＢをワーク
Ｗの加工点に集光する集光レンズ３３を備えている。キ
ャリッジ２５およびワークＷは共に水平に移動するの
で、溶接ヘッド３１とワークＷの加工面との間の距離は
一定に保持される。

【００２７】上記のように構成されたレーザ溶接装置に
おいて、レーザ発振器１から出力されたレーザビームＬ
Ｂは、まずビーム変換器３によって初期的なビーム発散
角の補正を受ける。その後、ビーム伝送ダクト１８内を
長距離伝送されたレーザビームＬＢは、移動架台１１上
に設置された中間伝送光学系２１によって、発散角の抑
制を受けると同時に、レーザビームＬＢの方向をキャリ
ッジ２５の方向に変えられる。ついで、レーザビームＬ
Ｂは溶接ヘッド３１に伝送され、ビーム方向が平面鏡３
２で垂直方向に変えられ、溶接ヘッド３１の集光レンズ
３３によりワークＷの加工点に集光される。加工点はレ
ーザビームＬＢで加熱され、溶接される。

【００２８】この装置で移動架台を移動させたときの、
ビームの直径の変動を以下の条件で調べた。 レーザ発振器の出力：１５kW、 出力ビーム径：６
３．５mm ビーム変換器の凹面鏡の焦点距離：２５．０ m 中間伝送光学系の凹面鏡の焦点距離：１２．５ m キャリッジ：初期位置に固定 ビーム変換器の凹面鏡と中間伝送光学系の凹面鏡間の光
路長（初期値）：１５．８ m 中間伝送光学系の凹面鏡と溶接ヘッドの集光レンズ間の
光路長：７ m この条件で、移動架台を初期位置からビーム変換器と反
対の方向に２m おきに移動させ、それぞれの位置におけ
る、溶接ヘッドの集光レンズ入射側のビーム径を測定し
た。伝送距離の変化に伴うビーム径の変動結果を、図３
に示す。図３において、曲線Ａ上の点Ａ₁ 〜Ａ₆ は中間
伝送光学系を設けなかった場合のビーム径を、また曲線
Ｃ上の点Ｃ₁ 〜Ｃ₆ は中間伝送光学系を設けた場合のビ
ーム径をそれぞれ示す。なお、曲線群Ｂは中間伝送光学
系による伝送距離の変化に伴うビーム径の変動を示す。

【００２９】上記装置で移動架台を１０m 移動させた場
合、ビーム変換器の凹面鏡から集光レンズまでのビーム
の伝送距離は、２２．８m （位置）から３２．８m
（位置）に変動するが、その間に集光レンズに達する
ビーム径の変動は２２mmである。一方、中間伝送光学系
を設けなかった場合、同様にビームの伝送距離が２２．
８m から３２．８m に変動すると、集光レンズに達する
ビーム径は４６mmも変動する。集光レンズでのビーム発
散角は、前者の場合２．２ mrad であり、後者の場合
４．６ mrad である。また、集光レンズでの最大ビーム
径は、前者の場合８２ mm であり、後者の場合１４３ m
m である。

【００３０】次に上記装置で移動架台を移動させた場
合、集光レンズに達したレーザビームを焦点距離３８１
mmの集光レンズで集光した場合の、集光点近傍でのビー
ム径の変動を図４に示す。各位置〜（図３参照）に
おける集光位置ならびに最小集光径はビーム伝送距離に
応じて変化するが、集光レンズから３８０mmの位置での
各位置〜におけるビーム径は、点での最小集光径
にほぼ一致していることがわかる。したがって、集光レ
ンズとワークとの距離をこの距離に固定しておけば、移
動架台を１０m 移動させても加工性能はほとんど変化し
ない。

【００３１】なお、移動架台よりビーム上流側の固定位
置に中間伝送光学系を設けたとしても、移動架台を１０
m 移動させると、中間伝送光学系から集光レンズまでの
距離も１０m 変化し、集光レンズに達するビーム径は大
きく変動して（図３参照）、安定した加工性能は得られ
ない。

【００３２】上記装置で、キャリッジの総移動距離が比
較的短ければ、キャリッジが移動しても、中間伝送光学
系の凹面鏡から集光レンズまでのビーム伝送距離の変化
は小さく、集光レンズに達するビーム径はほとんど変化
しないので、加工性能にはほとんど影響がない。

【００３３】特に、幅の狭いワークのオンライン工程に
この装置を適用する場合、移動架台の移動をワークと同
期させ、キャリッジの移動方向をワークの幅方向として
加工を行えば、キャリッジ上に中間伝送光学系を配置し
なくても、安定した加工を行うことができる。

【００３４】ビーム直径の変動を調べた際と同一の装置
に、溶接ヘッドの集光素子として焦点距離381mm の軸外
し放物面鏡を用い、放物面鏡とワークの距離を380mm に
して、移動架台を速度１０m/min で１０m 移動させなが
ら、軟鋼の突き合わせ溶接を行った。その結果、溶接ビ
ードにおける溶け込み深さの変動は、平均値４．１ mm
に対して５% 以下であり、実用上全く問題のない溶接特
性が得られた。

【００３５】対比のため、移動架台上に中間伝送光学系
を設けず、そのほかは実施例と同じ条件で軟鋼の突き合
わせ溶接を行った。溶接ビードにおける溶け込み深さの
変動は、平均値に対して４０% も変動しており、溶接ビ
ードの幅も同程度変動していて、その結果溶接線方向で
の溶接強度に大きな変動が発生していた。

【００３６】

【発明の効果】この発明によれば、第１移動手段に中間
伝送光学系を設けているので、レーザ発振器に対して加
工ヘッドを長距離移動させても、ビーム系の変動は小さ
い。この結果、高精度で均一なレーザ加工を行うことが
できる。また、光路長を一定にするための複雑な光学系
を必要としないため、装置の構造が簡単となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のレーザ加工装置の一例を示す概略平
面図である。

【図２】図１に示すレーザ加工装置の正面図である。

【図３】図１に示すレーザ加工装置の第１移動架台を移
動させたときのビーム径の変動を示すグラフである。

【図４】図１に示すレーザ加工装置の第１移動架台を図
２と同様に移動させたときの、集光レンズで集光したビ
ーム径の変動を示すグラフである。

【図５】従来のレーザ加工装置のビーム伝送光学系の一
例を示す模式図である。

【図６】従来のレーザ加工装置の他の例を示す模式図で
ある。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ３ ビーム変換器 ５ 平面鏡 ６ 凹面鏡 １１ 移動架台（第１移動手段） １２ ハウジング １４ レール １５ 車輪 １８ ビーム伝送ダクト ２１ 中間伝送光学系 ２２ 平面鏡 ２３ 凹面鏡 ２５ キャリッジ（第２移動手段） ２７ ガイド ３１ 溶接ヘッド（加工ヘッド） ３２ 平面鏡 ３３ 集光レンズ ４１ コラム ４３ 加工ヘッド ４５ 可動光導入路 ４８ 軸受部 ＬＢ レーザビーム Ｗ ワーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｂ２３Ｋ 26/06 Ｂ２３Ｋ 26/06 Ｚ Ｇ０２Ｂ 27/09 Ｇ０２Ｂ 27/00 Ｅ (72)発明者 城戸 基 神奈川県相模原市淵野辺５−10−１ 新 日本製鐵株式会社 エレクトロニクス研 究所内 (56)参考文献 特開 昭63−121812（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−305473（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−46387（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−142966（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−159988（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/08 B21B 15/00 B22D 11/126 B23K 26/06 G02B 27/09

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器と、レーザ発振器から出力
   されるレーザビームの光軸方向に進退可能な第１移動手
   段と、第１移動手段の移動方向に対し直角方向に進退可
   能な、第１移動手段に設けられた第２移動手段と、ビー
   ム方向を変えてレーザビームをワークに集光する、第２
   移動手段に設けられた加工ヘッドとを備えたレーザ加工
   装置において、レーザ発振器に伝送距離に対応したビー
   ム発散角を調整するビーム変換器が備えられ、かつレー
   ザビームの光軸方向を第２移動手段の移動方向に変える
   とともにレーザビームの発散を抑制する中間伝送光学系
   が加工ヘッドのビーム入射側の光路にあって前記第１移
   動手段に設けられるとともに、ビーム変換器から加工ヘ
   ッドまでの距離にかかわらずワーク上のビーム径が一定
   になるように加工ヘッドの集光レンズとワークとの距離
   が固定されたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 前記第１移動手段が、移動するワークの
   移動方向および速度と同方向および同速度で移動する請
   求項１記載のレーザ加工装置。