JP3157798B2 - レーザ加工機 - Google Patents

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】レーザビームを小スポットに集光し、金
属等の加工対象物に照射することにより、切断、溶接等
の加工を行なうことができる。

【０００３】単一のレーザビームスポットを加工対象物
上に照射し、加工対象物とレーザビームスポットを相対
的に走査すると、所望形状の加工を行なうことができる
が、加工対象物に過大の局所的加熱が生じ、歪等の悪影
響を招くことがある。

【０００４】このような現象の対策としては、レーザビ
ームをデフォーカスし、ビーム径を拡大する方法や、ト
レパニングヘッド等によりレーザビームスポットを回転
させつつ操作させる方法が知られている。

【０００５】しかしながら、レーザ重ね合わせ溶接やレ
ーザ突き合わせ溶接等を実施する場合には、レーザビー
ムによる本溶接の前もしくは後に補助加熱を行なうこと
が望まれる場合がある。このような補助加熱を行なうた
めに、他のレーザを用意し、複数のレーザビームを照射
すれば溶接品質の向上や安定性等が実現できるであろう
が、レーザ加工機の構成は複雑化してしまう。

【０００６】また、熱容量や融点等の異なる異種材料の
突き合わせ溶接等においては、それぞれの材料に適した
エネルギが異なり、高品位の溶接を行なうためには異種
材料にそれぞれ適合したレーザビームエネルギを与える
ことが望まれる。

【０００７】単一のレーザビームでこのような異種材料
の突き合わせ溶接を実施する場合には、突き合わせ位置
とレーザビームの中心位置を偏心させる技術等が行なわ
れている。この場合は高精度の位置制御が必要とされ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】レーザ加工機の構成を
簡単化するためには、１つのレーザビーム源で加工を行
なうことが望まれる。

【０００９】しかしながら、溶接等の主加工と共に補助
加熱が必要な場合や、突き合わせた異種材料に適合する
異なるエネルギ強度のレーザビームが必要な場合には単
一のレーザビームでは対処することが容易でなかった。

【００１０】本発明の目的は、単一のレーザビームを用
い、かつ所望の性質を有する複数のレーザビームスポッ
トを形成することのできるレーザ加工機を提供すること
である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ加工機
は、レーザ光を伝送し、出射する光伝送系と、光伝送系
の少なくとも出射口を取り囲み、回転可能なプーリを有
するケースと、光伝送系から出射されるレーザビームを
可変分割比で分割するビーム分割部と、ビーム分割部を
保持し、前記プーリに取り外し可能に固定されるビーム
分割部セルと、ビーム分割部から出射される複数のレー
ザビームに対して共通の集光レンズ部であり、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、
集光レンズ部を保持し、前記ビーム分割部セルに取り外
し可能に固定される集光レンズ部セルと、前記プーリを
回転駆動することにより前記ビーム分割部および前記集
光レンズ部を一体的に回転駆動する駆動部とを有する。

【００１２】

【作用】可変分割比でレーザビームを分割することので
きるビーム分割部を用いることにより、所望のエネルギ
強度比を有する複数のレーザビームを得ることができ
る。これら複数のレーザビームを用いることにより、主
加熱と補助加熱やレーザエネルギ強度の異なる複数のレ
ーザビームによる加熱加工を行なうことができる。

【００１３】複数のレーザビームに対して共通の集光レ
ンズ部を用いることにより、構成を簡単化し、装置を小
型化することができる。

【００１４】ビーム分割部と集光レンズ部とを光伝送系
のケースから取り外し可能とすることにより、目的に合
わせた種々の複数のレーザビームスポットを得ることが
できる。

【００１５】

【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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】プリズム３で分割された２本のレーザビー
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。

【００１９】なお、屋根形プリズム３はプリズムセル６
に保持され、集光レンズ４は集光レンズセル７に保持さ
れる。プリズムセル６下端と集光レンズセル７上端には
相係合するねじが切られており、集光レンズセル７をプ
リズムセル６にねじ込むことにより、両者は一体化され
る。

【００２０】コリメートレンズ２はコリメートレンズケ
ース５に保持される。ファイバ先端１を保持するファイ
バケースは、その下端に形成されたねじ部がコリメート
レンズケース５上端に形成されたねじ部にねじ込まれて
固定される。

【００２１】また、コリメートレンズケース５下端には
ベアリング８が設けられており、ベアリング８の反対側
にはプーリ１１が結合されている。プーリ１１の下端に
はねじ部が形成され、プリズムセル上端に形成されたね
じ部とねじ込み係合される。

【００２２】すなわち、プリズムセル６および集光レン
ズ７は一体化され、ベアリング８によって回転自在に保
持されている。ファイバ先端１、コリメートレンズ２、
集光レンズ４は同軸上に配置されている。

【００２３】図中、左方には、コリメートレンズケース
５が固定さている固定構造物が配置され、その内部にス
テッピングモータ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。

【００２４】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
に結合したプリズムセル６および集光レンズセル７が回
転し、プリズム３および集光レンズ４が回転する。

【００２５】ステッピングモータ９にはエンコーダが設
けられており、所定数のパルスを与えることにより、ス
テッピングモータ９を所定角度回転させることができ
る。ステッピングモータ９の回転は、小プーリ１０およ
び大プーリ１１を介して減速され、プリズム３および集
光レンズ４を所定角度回転させる。

【００２６】なお、ベルト駆動の代りにギア駆動、摩擦
駆動等の他の駆動方式を採用することもできる。

【００２７】なお、プリズム３は後に詳述するように、
図中左右方向に可動であり、その位置を変更することに
より、入射レーザビームの分割比を変更することができ
る。

【００２８】図２は、以上説明したレーザ加工機から光
学系を抽出し、屋根形プリズム３の稜が光軸上に配置さ
れている状態を示す。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。

【００２９】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。

【００３０】屋根形プリズム３の２つの入射面は、入射
するレーザビームを２分割し、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。

【００３１】プリズム３の屈折率をｎ、角度θは小さ
く、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＝１ｍｍφ×（ｆ２／ｆ１） ｄ＝２×ｆ２×ｔａｎδ となる。ただし、δ（＜または≒）（ｎ−１）θであ
る。

【００３２】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。

【００３３】図１の構成において、プリズム３は、図中
左右方向に位置を変更することができる。さらに、プリ
ズムセル６および集光レンズセル７はねじ込み式であ
り、プーリ１１から取り外すことができる。所望の特性
を有するプリズムおよび集光レンズを組合せ、プーリ１
１にねじ込むことにより、ビームの分割特性および集光
特性を変更することができる。別の見方をすると、プリ
ズムセル６またはプリズムセル複数の組が可変分割比の
ビーム分割部を構成する。

【００３４】図３は、プリズムセル６内のプリズム３の
機能を説明するための図である。図３（Ａ）はプリズム
セルの概略上面図を示し、図３（Ｃ）はプリズムの位置
の変更に伴う光学的特性の変更を示す。

【００３５】図３（Ａ）に示すように、プリズム３はプ
リズムホルダ１３に保持され、プリズムセル６内に調整
ねじ１９を介して支持される。調整ねじ１９は、左右が
押しねじ−引きねじの関係にあり、上下の２組でプリズ
ムホルダ１３を水平に保持する。調整ねじ１９を調整す
ることにより、プリズムセル６内でプリズム３の位置は
左右に調整することができる。

【００３６】図３（Ｂ）は、プリズムに入射するコリメ
ートされたレーザビームＬとプリズム３の関係を示す。
実線で示されるプリズム３ａは、その稜Ｔａがレーザビ
ームＬの中心Ｌ３と一致し、レーザビームＬを均等に２
つのビームに分割する。

【００３７】屋根形プリズム３ａの左側斜面に入射した
レーザビームは、屋根形プリズムで屈折され、レーザビ
ームＢｂとなり、屋根形プリズム３ａの右側斜面に入射
したレーザビームは、屋根形プリズム３ａで屈折され、
レーザビームＢａとなる。

【００３８】このように、屋根形プリズム３ａの稜Ｔａ
がレーザビームＬの中心と一致する場合には、２つの等
しいエネルギ強度を有するレーザビームＢａおよびＢｂ
が得られる。

【００３９】次に、屋根形プリズムを右側に移動させ、
その稜ＴｂがレーザビームＬ中の右側に位置する光線Ｌ
４に一致したとする。この状態では、屋根形プリズム３
ｂの左側斜面に入射するビーム面積が広く、右側斜面に
入射するビーム面積は狭い。

【００４０】屋根形プリズム３ｂの左側斜面に入射する
レーザビームは、屋根形プリズム３ｂで屈折され、レー
ザビームＢｙを形成し、屋根形プリズム３ｂの右側斜面
に入射したレーザビームは、屋根形プリズム３ｂで屈折
し、Ｂｘを形成する。左右両斜面に入射するレーザビー
ムの面積の比により、形成されるレーザビームＢｘおよ
びＢｙのビーム強度が変化する。

【００４１】なお、屋根形プリズムは斜面の角度が一定
でその底面は水平に保たれているため、出射するビーム
強度比を変更してもその進行方向の角度は変わらない。

【００４２】ステッピングモータ９を駆動し、ベアリン
グ８を回転させることにより、レーザビームの分割方向
は任意に設定することができる。

【００４３】図４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。こ
こで、屋根形プリズムの稜は、入射するレーザビームの
中心から偏心され、大強度のレーザビームスポットＢｙ
および小強度のレーザビームスポットＢｘを形成してい
るとする。また、加工対象物１３と１４はその相対位置
を変えず、レーザビームスポットＢｘ、Ｂｙに対し、相
対的に移動するものとする。

【００４４】なお、強度の大小を表すため、スポット径
が異なるかのように図示しているが、実際上は平行光束
を集光するため、スポット径はほぼ同一である。

【００４５】図４（Ａ）は溶接前に補助加熱を行なう場
合の操作を示す。大強度のレーザビームスポットＢｙの
前に小さなレーザビームスポットＢｘが配置され、共に
加工対象物１３、１４の突き合わせ位置に沿って相対的
に右方に移動される。

【００４６】加工対象物１３、１４の突き合わせ面にお
いては、まず小強度のレーザビームスポットＢｘにより
補助加熱され、予備加熱された状態に大強度のレーザビ
ームスポットＢｙが照射する。このように、予熱を行な
った加工対象物に主レーザビームを照射して溶接を行な
うことにより、高品位の溶接を行なうことができる。

【００４７】図４（Ｂ）は、主レーザビームスポットＢ
ｙの後ろに補助レーザビームスポットＢｘが配置される
構成を示す。溶接後、急激に加工対象物を冷却すると、
歪等によりヒビ等の悪影響を与える場合に適した配置で
ある。

【００４８】主レーザビームスポットＢｙは加工対象物
１３、１４の突き合わせ位置に沿って図中右側に移動す
る。主レーザビームＢｙの後方に補助レーザビームＢｘ
が配置され、所定間隔を保ったまま主レーザビームと同
一の軌跡をたどる。

【００４９】主レーザビームＢｙに照射され、溶接が行
なわれた加工箇所は、主レーザビームＢｙが離れるにし
たがって冷却を開始するが、補助レーザビームＢｘが次
に照射するため、急激な冷却が防止され、ゆるやかな温
度低下を示す。このように、急冷が防止されることによ
り、高品位の溶接を実現することができる。

【００５０】図４（Ｃ）は、熱容量や融点の異なる異種
材料の突き合わせ溶接を示す。加工対象物１３は、加工
対象物１４と比較して熱容量が高く、かつ融点が高いも
のとする。したがって、加工対象物１３を溶融するため
には大きなエネルギ強度が必要である。

【００５１】加工対象物１３、１４を溶融するために必
要とされるエネルギ強度に対応して、レーザビームスポ
ットＢｙとＢｘのエネルギ強度比が選択される。これら
エネルギ強度の異なる２つのレーザビームスポットを、
加工対象物１３、１４の突き合わせ位置の両側に配置
し、突き合わせ位置に沿って移動させることにより、異
なる特性を有する加工対象物１３、１４をそれぞれ最適
の状態で溶融させ、溶接を行なうことができる。

【００５２】なお、上述の直径１ｍｍのファイバ出射端
を有し、集光スポット径６００μｍφ、集光スポット径
間隔１ｍｍとなるレンズ−プリズム系を用い、厚さ０．
８ｍｍのステンレス鋼板の重ね合わせ溶接および突き合
わせ溶接を行なった。レーザ光源としては４００ＷのＹ
ＡＧレーザを用い、エネルギ強度比が５Ｊ：１５Ｊ＝
１：３になるようにビーム分割を行なった。

【００５３】低強度のレーザビームスポットを予備加熱
に用い、高強度のレーザビームを溶接加工に用いた。な
お、加工速度は１００ｍｍ／ｍｉｎとした。この予備加
熱レーザビーム溶接により、ステンレス鋼板を良好に溶
接することができた。１本のレーザビームのスポットを
デフォーカスして広げ、溶接加工した場合と比べると、
溶接ビードの外観等において本実施例による溶接がより
良好な結果を与えた。

【００５４】なお、屋根形プリズムの代りに台形プリズ
ムを用いてビームを３分割することもできる。３分割ビ
ームによって、たとえば予備加熱、溶接、徐冷補助加熱
を行なうことができる。

【００５５】図５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を保持するプリズムセル６および
集光レンズセル７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。

【００５６】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、切断用には酸素等、溶
媒用には不活性ガス等が用いられる。

【００５７】なお、屋根形プリズム、台形プリズムを用
い、レーザビームを直線上で２分割、３分割する場合を
説明したが、他の分割様式を用いてもよい。たとえば、
三角錐等、多角錐状のプリズムを用い、３本以上のビー
ムを得てもよい。プリズムの代わりに屋根形ミラーやコ
ーナキューブミラー等を用いてビーム分割を行なっても
よい。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】

【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品
位の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】プリズムセル６の構成および機能を説明するた
めの平面図および概略図である。

【図４】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５】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 コリメートレンズケース ６ プリズムセル ７ 集光レンズセル ８ ベアリング ９ ステッピングモータ 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 Ｌ、Ｂ レーザビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−155315（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−66990（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−44192（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−65592（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−92793（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−344882（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/067

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を伝送し、出射する光伝送系
   と、 光伝送系の少なくとも出射口を取り囲み、回転可能なプ
   ーリを有するケースと、 光伝送系から出射されるレーザビームを可変分割比で分
   割するビーム分割部と、 ビーム分割部を保持し、前記プーリに取り外し可能に固
   定されるビーム分割部セルと、 ビーム分割部から出射される複数のレーザビームに対し
   て共通の集光レンズ部であり、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、 集光レンズ部を保持し、前記ビーム分割部セルに取り外
   し可能に固定される集光レンズ部セルと、 前記プーリを回転駆動することにより前記ビーム分割部
   および前記集光レンズ部を一体的に回転駆動する駆動部
   とを有するレーザ加工機。
2. 【請求項２】 前記ビーム分割部が分割された複数のレ
   ーザビームを屈折によって異なる方向に出射する請求項
   １記載のレーザ加工機。
3. 【請求項３】 前記ビーム分割部が溶接を行なう主レー
   ザビームと補助加熱を行なう補助レーザビームを形成
   し、レーザ加工機が溶接を行なう請求項１ないし２記載
   のレーザ加工機。
4. 【請求項４】 さらに、前記ビーム分割部セル、前記集
   光レンズ部セルを取り囲むように配置され、アシストガ
   ス取入口および下部噴出口を備えたハウジングを有する
   請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工機。