JP3212486B2 - レーザ加工用光学系及びそれを用いた加工方法 - Google Patents

レーザ加工用光学系及びそれを用いた加工方法

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義男 橋本
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崇 赤羽
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属製品の溶接や
切断などに適用されるレーザ加工用光学系及びそれを用
いたレーザ加工方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のYAGレーザ溶接に用いられてい
る光学系の構成の一例を図7に示す。図7中、符号1は
YAGレーザ発振器,2は光ファイバ,3は集光光学
系,4はレーザビーム,5は溶融池及び6は溶接ビード
を各々図示する。ここで、上記YAGレーザ発振器1か
らのレーザビーム4は、光ファイバ2によって伝送さ
れ、溶接用集光光学系3で集光され、溶接に用いられ
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、アルミニウ
ム合金の溶接では、図7に示す方法において、レーザビ
ーム4の反射率が高く通常YAGレーザでは、パルスレ
ーザが用いられている。しかし、冷却速度が速いことか
ら、溶接部に割れが発生する場合がある。
【0004】このため、最近、図8のように2台のYA
Gレーザ発振器1で予熱しつつ溶接する手法が提案され
ている。
【0005】同図に示す方法は、溶接割れ防止のため
に、図7で示したYAGレーザ発振器1を2台用い、2
本の集光光学系により予熱しつつ溶接が行われる。
【0006】この図8に示す方法では、全て2式の装置
を用いることから加工装置が高価になる上、溶接ヘッド
部が大型となり、狭隘個所への適用、適用対象へのアプ
ローチのフレキシブル性を損なうことになる、という問
題がある。
【0007】さらに、溶接用集光光学系3も2台使用す
ることから2本のレーザビーム4と光軸を同一にするこ
とが困難で、レーザビーム4の材料に対する照射は斜め
になりビームエネルギー密度が低下する上、そのエネル
ギー密度設定は溶接用集光光学系3の光軸の傾きに依存
することから、その調整が容易でないという問題があ
る。
【0008】本発明は上記問題に鑑み、割れ等の発生し
ない健全な加工ができるレーザ加工光学系及びそれを用
いた加工方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明にかかる構成は、レーザ発振器からの光を用いてレー
ザ加工を施すレーザ加工装置に用いる加工用のレーザビ
ームを形成する光学系において、レンズ系と光源間、又
はレンズ系と加工面間にクサビプリズムをレーザビーム
の光軸方向に挿入してなり、前記クサビプリズムにより
前記レーザビームの一部を曲げて前記レーザビームを前
記クサビプリズムの挿入量に応じた分割割合の複数のレ
ーザビームに分割し、前記クサビプリズムの挿入量及び
前記クサビプリズムの前記光軸方向の厚みに応じて、
きさ,形状,パワー密度の異なる複数の集光,ディフォ
ーカスビームを同時に作り出すことを特徴とする。
【0010】上記レーザ加工用光学系において、上記ク
ビプリズムの挿入量を所定量調整することにより、複
数のレーザビームへのレーザ出力の割合を適宜調整する
ことを特徴とする。
【0011】一方の、レーザ加工方法は、上記レーザ加
工用光学系を備えた加工装置を用いて、レーザ加工する
ことを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施する実施の形
態の内容を詳細に説明する。
【0013】本発明の加工光学系は、図1(a)に示す
ように、一体の溶接用集光光学系3であり、光源(光フ
ァイバー2)と集光光学系3との間あるいは集光光学系
3と加工面8すなわち像側に、クサビプリズム7を光軸
方向に挿入しレーザビーム4を分割するものである。ま
た、挿入するクサビプリズム7を光軸方向に挿入する量
の大小によってレーザビーム4の分割割合がきまる。
【0014】本発明の加工光学系の構成は、図1(a)
に示すように、光ファイバ2から出射されたレーザビー
ム4のほとんどは集光光学系3により加工面8上の点P
に集光される。図1(b)は、図1(a)のS面での分
割されたレーザビーム9,10の状態を示す。図1
(c)は、図1(a)のW面での分割されたレーザビー
ム9,10の状態を示す。図1(b)に示すように、レ
ーザビーム4の一部は挿入されたクサビプリズム7によ
り曲げられ、クサビプリズム7の光軸方向の厚みによっ
てディフォーカスを生じるため、点P以外に光軸からd
だけ離れた点Qにも集光される。
【0015】したがって、図1(c)のように、加工面
8では微小面積に集光されたレーザビーム10のスポッ
ト10とこの集光スポット10からやや離れた位置
に、ある広がりを持つレーザビーム9のスポット9
同時にできる。よって、光ファイバ2と集光光学系3と
を一体として加工面8を走査すれば、該加工面8はある
程度広がりを持つレーザビーム9のスポット9で加熱
された後に、微小面積に集光されたレーザビーム10の
集光スポット10で溶接される。
【0016】なお、図1(a)には、光ファイバ2の一
点から出たレーザビーム4のみを示したが、実際には点
P,Qの周りに光ファイバ2のコアの像の広がりを持つ
が、省略する。また、上記広がりを持つ方のスポット9
の大きさは、点Qのディフォーカス量すなわちクサビ
プリズム7の厚さで決まってくる。上記広がりを持つス
ポット9と集光スポット10間の距離は、点Qのシ
フト量すなわちクサビプリズム7のクサビ角で決まる。
また、広がりを持つレーザビーム9と光軸上の集光され
たレーザビーム10とのレーザ出力バランスは、クサビ
プリズム7の大きさ及びその挿入量により決定される。
また、広がりを持つレーザビーム9の形状は、面Sにお
けるクサビプリズム7の形状にほぼ等しい。
【0017】ここで、点Qのディフォーカス量δと点Q
のシフト量dの大きさは、 ε:クサビプリズム7のクサビ角, t:クサビプリズム7の平均厚さ, n:クサビプリズム7の屈折率, f:レンズ焦点距離, とすると、
【数1】δ=t・(n−1)/n≒t/3 となる。また、クサビプリズム7通過後の光軸のフレ角
は、
【数2】ε′=ε・(n−1)≒ε/2 となる。したがって、点Qのシフト量(光軸からの距
離)は、
【数3】d=ε′・f≒f・ε/2 となる。
【0018】尚、上記クサビプリズム7は、集光光学系
3と加工面8との間に配置してもよい。但し、一般に結
像倍率は1以下なので、レンズの入射側より出射側のほ
うが、開口数(NA:Numerical Aperture)が大きく、
上記クサビプリズム7の挿入により、大きな球面収差が
発生し易いため、集光スポットはぼけることとなる。
【0019】次に、本発明のツインビームレーザ加工用
光学系の好適な一実施の形態を、図2〜図5によって述
べるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0020】図2に本実施の形態に係るレンズ構成を示
し、図2(A)はツインビームレーザ加工用光学系の正
面図、(B)はその平面図を示す。本実施の形態の光学
系は前述した図7に示すレーザ加工装置の集光光学系3
として用いるものであり、本実施の形態にかかるクサビ
プリズム7は、光源すなわち光ファイバ2と集光光学系
3との間に挿入する構成となっている。また、実際の集
光光学系3は、収差補正のため5枚の組み合せレンズに
よって構成されており、溶接に用いるため加工面8側に
は、保護ガラス12を設置している。
【0021】下記「表1」に、本実施の形態において集
光光学系3に挿入する2種類のクサビプリズム7の特性
を示す。ここで、クサビプリズム7 No.1は、光軸上の
集光スポット10が、0.23mmφに対し、広がりを持
つスポット(ここでは「加熱スポット」と呼ぶ)9
クサビプリズム7 No.1の挿入により0.62×(0〜0.
70)mmとなる。また、クサビプリズム No.2は、同様
に加熱スポット9が0.48×(0〜0.56)mmとな
る。
【0022】
【表1】
【0023】図3に製作したクサビプリズム7の挿入機
構を示す。図3(A),(B)に示すように、集光光学
系3と連通する筒部材21には、架台22を介して移動
手段22が設けられており、移動手段22の回転レバー
23を回転させることにより、移動部材24に固定され
ているクサビプリズム7を光軸方向に所定量挿入又は引
き出しを行うようにしている。そして、上記クサビプリ
ズム7の先端が、光学系の光軸Lと一致させた位置を原
点(零)とし、クサビプリズム7を中へ挿入する方向を
「+」とし、引き抜く方向を「−」とした。
【0024】図4(A)〜(G)にクサビプリズム7の
挿入位置を様々に変化させた際、本発明の光学系により
集光したレーザビーム9,10を黒色アクリルに照射
し、黒色アクリルを蒸発させた結果を、模式的に描いた
ものを示す。図4(A)〜(G)に示すように、いずれ
の場合でもレーザビーム9,10が分割されていること
が確認できた。また、クサビプリズム7の挿入位置の変
化によって集光レーザビーム9,10の分割の割合を自
由に変化させることが確認できた(左:加熱パターン,
右:溶接パターンを示す)。なお、ここに用いたクサビ
プリズム7は、上記「表1」の No.1に示したものであ
る。
【0025】
【実施例】本発明の光学系等を用いて、下記に示す「条
件」にて板厚1mmのアルミニウム合金(A5052)を溶接し
た「一実施例」について説明する。図5に、アルミニウ
ム合金の溶接の結果を、模式的に描いたものを示す。
【0026】<条件> (1) ツインビーム条件 ビーム間隔;0.5mm エネルギー分配比 先行:後行=4:6 (2) 溶 接 条 件 平均出力 ;510w ピーク出力; 5.3kw パルス周波数 ;10pps デューティ;10% 速 度 ; 0.3m/min 板 厚 ; 1mmt
【0027】図5(A),(B)に示すように、板厚1
mmのアルミニウム合金の溶接を施しても、本実施例の光
学系によるツインビームによる加工方法では、割れの発
生がないことを確認した。これは、先行するレーザビー
ム9の予熱効果によるものである。
【0028】しかしながら、従来のシングルビームによ
る加工方法では、図6(A),(B)に示すように、他
の条件は全て同一条件で溶接しているにもかかわらず、
板厚1mmのアルミニウム合金の表裏全厚に貫通する割れ
31が発生した。
【0029】
【発明の効果】このように、本発明の光学系は、レンズ
系と光源間、又はレンズ系と加工面間にクサビプリズム
を挿入してなり、大きさ,形状,パワー密度の異なる複
数の集光,ディフォーカスビームを同時に作り出すとい
うシンプルな装置で、種々のツインビームが得られるの
で、溶接や切断などのレーザ加工において、割れ等のな
い健全な加工が出来るものである。
【0030】また、クサビプリズムの挿入量を所定量調
整することにより、複数のレーザビームへのレーザ出力
の割合を適宜調整できる、所望のレーザ加工が実現でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る光学系の説明図であ
る。
【図2】本発明の実施の形態に係る光学系の構成図であ
る。
【図3】本発明の実施の形態に係るクサビプリズム挿入
機構の概略図である。
【図4】本発明の実施の形態に係るアクリルバーンパタ
ーンの状況図である。
【図5】本発明の実施例に係る溶接結果を示す模式図で
ある。
【図6】従来例に係る溶接結果を示す模式図である。
【図7】従来のYAGレーザ溶接時の装置構成図であ
る。
【図8】従来の2台の装置を用いたYAGレーザ溶接時
の装置構成図である。
【符号の説明】
1 YAGレーザ発振器 2 光ファイバー 3 集光光学系 4 レーザビーム 5 溶融池 6 溶接ビード 7 クサビプリズム 8 加工面 9 クサビプリズムを通過したレーザビーム 10 レンズのみを通過したレーザビーム 11 光束 12 保護ガラス 9 スポット 10 スポット
フロントページの続き (72)発明者 濱田 彰一 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目1番 1号 三菱重工業株式会社 神戸造船所 内 (72)発明者 赤羽 崇 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目1番 1号 三菱重工業株式会社 神戸造船所 内 (72)発明者 大滝 桂 東京都千代田区丸の内3丁目2番3号 株式会社ニコン内 (56)参考文献 特開 平3−165992(JP,A) 特開 昭62−21480(JP,A) 特開 昭61−88989(JP,A) 実開 昭61−49688(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 26/00 - 26/40

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ発振器からの光を用いてレーザ加
    工を施すレーザ加工装置に用いる加工用のレーザビーム
    を形成する光学系において、 レンズ系と光源間、又はレンズ系と加工面間にクサビプ
    リズムをレーザビームの光軸方向に挿入してなり、前記
    クサビプリズムにより前記レーザビームの一部を曲げて
    前記レーザビームを前記クサビプリズムの挿入量に応じ
    た分割割合の複数のレーザビームに分割し、前記クサビ
    プリズムの挿入量及び前記クサビプリズムの前記光軸方
    向の厚みに応じて、大きさ,形状,パワー密度の異なる
    複数の集光,ディフォーカスビームを同時に作り出すこ
    とを特徴とするレーザ加工用光学系。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のレーザ加工用光学系にお
    いて、 上記クサビプリズムの挿入量を所定量調整することによ
    り、複数のレーザビームへのレーザ出力の割合を適宜調
    整することを特徴とするレーザ加工用光学系。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2記載のレーザ加工用光学
    系を備えた加工装置を用いて、レーザ加工することを特
    徴とするレーザ加工方法。
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JP4664569B2 (ja) * 2002-05-08 2011-04-06 株式会社東芝 表面欠陥の封止方法及び封止装置
JP5611757B2 (ja) * 2010-10-18 2014-10-22 株式会社東芝 加熱補修装置および加熱補修方法
JP5833093B2 (ja) * 2013-12-26 2015-12-16 シャープ株式会社 加工装置
CN105328331B (zh) * 2015-11-10 2017-08-04 哈尔滨工程大学 用于激光车削和磨削复合加工的强聚焦光学系统及加工方法

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