JPH01500070A - 軸方向ガスレーザの操作安定化法と軸方向ガスレーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 軸方向ガスレーザの操作安定化法と軸方向ガスレーザ技術分野 本発明は少なくとも１つのレーザ励起管と、少なくとも１つのガス供給装置と、 ガス供給装置とガス励起管との間に連結装置を有する軸方向ガスレーザの操作安 定化法ならびに軸方向ガスレーザに関する。

背景技術 例えば、かん諸工業におけるかん詰の長さ方向の継目の溶接に対して軸方向ガス レーザによる操作のとき溶接継目に厚い部分が周期的に生じることが知られてい る。これは換言すればレーザ効率の脈動の結果と考えられる。

発　明　の　開　示 本発明の課題はそのような現象を除去することである。これはガス供給装置の圧 力脈動により生じる圧力分布の周波数成分の周波数のすくなくとも１部分がすく なくとも励起管及び連結装置により形成される供給装置の負荷の共振周波数のそ ばで選択されることによって達成される。

そのような軸方向ガスレーザを考察するに基本的には変動する信号源としてガス 供給装置が考えられ、出力側にそして例えば設けた圧縮室の数ならびに装置の回 転数により、その大きさにより固定される基本回転数により、その大きさにより 固定される基本周波数と共に一つの平均値のまわりに脈動する圧力が発生する。

ガス供給装置の形成により出力圧力はそのため正弦形状の脈動のときには一つの 単独な周波数成分を持ち、正弦形からそれる脈動のときには高周波に相当する周 波数成分を持っている。

励起管、連結装置及び必要あればすべてのそれに結合する別の装置、励起管の電 気的な直流−または交流の励起のための電気的装置のように一般的な源としての ガス供給ｖ装置が付加する周波数依存の負荷インピーダンスを共通に形成する。

一般の機械系が電気的インピーダンスの完全な類推で考察され得ることは知られ ている。同じく機械的／音響的／’Ｒ気的等々の淀合系は１つの系として電気機 械的類推の考察によって処理することができる。負荷として源から考えられる一 般的なインピーダンス、トランスミッタとして周波数の従属−伝達関数と共にポ ーデ（Ｂｏｄｅ）図から与えられるように源の圧力変動の基本周波数または高周 波に一致する共振周波数を持つならば、そこには共振周波数で励起される共振回 路ができる。そのためレーザの出力効率の変動が生じ換言すれば溶接継目での厚 さの変動を導く。

ガス供給装置としてルーツ（Ｒｏｏｔｓ　）送１！Ｉｌｌを使用すると使用した 送！ｉＩ機により出力側に発生する脈動振動によって周波数が溶接継目の厚さを 変動させることが知られている。

ガス供給装置としてすくなくともピストン圧縮機が使用される。そのなかには回 転圧縮機、ルーツ圧縮機、スクリュー圧縮機も知られている。そこに設けられる 圧縮室の数及び圧縮機の回転数により与えられる圧力変動の基本周波数は室の数 及び／または回転数をたかめることにより共振周波数のすくなくとも一部分より も実質的により高く選択され、特にそれをほとんど減衰しないことが提案されて いる。

負荷、電気系／ガス励起管／連結装置の個々の成分が基本的に互に連結が切られ るならば部分系の共振周波数が個々に観察できる。そのことは全系の閉じられた 考察として実質的には簡単になる。これは好ましくはレーザ管及び連結装置、連 結装置からレーザ管へのガスの噴出によって適度の周波数で切られるように処理 されている。

さらにガスのために連結装置に緩衝室を設けることによりその容積はガス圧力装 置により生じる周期的な供給容積の脈動により容積周波数よりも実質的に大きい が、レーザ管にその効果に関して圧力変動を強く減衰させる。大容積はローパス 部材として作用する。そのようなＭ衝容積が設けられるならば２つ及びそれ以上 のガス導管のときレーザ管もしくはレーザ管配首に対するガス供給をすべての供 給導管に関して等しくすることを保証しなければならない。これに対して１１５ 室はレーザ管に配置された室に対して軸方向に平行に設けられ、レーザ励起管に 対して半径方向にｎ＞２を持つｎ個のｙＪ管から導かれ、そのとき請求の範囲第 ６項に具体的に説明したような寸法である。その際、導管のなかに格子、蜂の巣 形等々を設けることにより抵抗係数をたかめることが好ましい。

本発明による軸方向ガスレーザは上記の課題を解決するためにガス供給装置とし てターボ圧縮機を設けることを特徴としている。それは出力側に実際上、圧力の 変動を生じない。さらに本発明の軸方向ガスレーザは請求の範囲第９項もしくは 第１０項に明確に説明されている。

図面の簡単な説明 本発明は詳しく図面により説明される。

第１図は本発明による軸方向ガスレーザ配置を概略的に解説する図を、 第１図は第１図による配置の定性的な等価回路図でその周波数関係を説明する図 、 第３図は第１図による室の定性的な周波数−振幅特性を示している。

実　施　例 軸方向ガスレーザは励起管配置１にここに図示されていない電気的な直流または 交流の励起のための電極があり、点線でレーザ軸Ａが記入されている。励起管配 置１に２つの励起管間隔１ａ−１ｄ当りにガス導管３を導き、２つの励起管間隔 に対して各１つのガスの通過口４を設けている。導管３は好ましくはすくなくと もレーザ軸Ａに対して取り付けされ、長さ方向に伸びている＊＊室５はほぼ軸方 向に平行に導かれている。導管３から励起管へのガスの移行は断面積が減少して いる概略的に示した開ロアとか、オリスイス、もしくはノズル及び／または別の 流れの抵抗体、格子７ａを貫通して行われる。緩衝室５にはたとえばルーツ圧縮 機によりガス供給装置ｆ９の圧力が加えられる。

ｍ個の圧縮室を使用する供給装置に設け、ｒなる回転数で操作すると、概略的な 図の圧力／時間図式ｐｓ＝Ｆ（ｔ）においてガス供給装Ｍ９の出力側に による基本周波数を有する出力圧力Ｐ９の脈動がもたらされることが明らかであ る。第２図において第１図による配置の等価回路図を示している。第１図による ガス供給装置９は一般的に脈動する圧力Ｐｓ　（ｔ）を出力側に放出する。その 際生じる圧力変動は第２図に概略的に示されるように１つの基本周波数に相当す るｆ９゜と高調波ｆ９ｘとを持っている。ガス供給装置９の負荷された系−室５ 、導管３及び励起管１、すべてのそれに設けられる機械的、電気的、光学的等々 の予防処置を有する連結装置９は圧力伝達部から組みたてられ、概略的に第２図 においてＥ５，３　、Ｅ’＋等々と記入されていて、入力側の圧力変化はボーデ （Ｂｏｄｅ）図表の振幅−周波数特性として第２図に示すＦ（Ｓ）に相当する周 波数従属の伝達関数を伝達する。そのような伝達関数Ｆ　（Ｓ）はラプラース演 算子としてのＳをもってラプラシアン入力量に対する比として、すなわちとして 定義されることが知られている。

第２図において伝達関数の純粋に定性的な可能な振幅−周波数特性は山で示され る。個々の間隔Ｅの周波数特性はその際間隔に特異的な共振周波数ｆ「を持って いる。２つまたはそれ以上のそのような単一体Ｅが、第１図による位置の構造に 対して必要なものであるが、組み立てられるならば、そこに組み立てられた伝達 ブロックＥｋが生じる。組み立て単一体Ｅｋの共振周波数Ｆｒｋが、すくなくと も個々のブロックのｆ「に近似して共振周波数を含み、源のガス供給装置？ｉ９ の調波の周波数ｆ９にの１つにあるならば、そこで単一体Ｅｋは共振的に励起さ れる振動回路として作用し、生起する出力側のこの周波数の圧力変動の価値係数 により大きくなる。この圧力変動は出力側で放電間隔１のなかでレーザ出力効率 の脈動をすなわち上に述べた効果を伴って導いている。

この問題の解決は個別的または組み合わせて次の措置によって行われる。

負荷の共振周波数から異なるかまたは反転する励起周波数を選択すること、 個々の単一体の互に分離すること：反作用の免除のための整備、 例えばローパス部材（Ｔｉｅｆｐａｓｓｇｌｉｅｄｅｒ　）として危険な共振位 置ｆｒ、ｆｒｋのとき減衰により組み合わされた周波数特性の影響を目標にする ために望ましい周波数特性を有する伝達ブロックを整えること。

その問題を除去するための第１の措置はガス供給装置９により発生する周波数成 分子９Ｋを出来るかぎり広（組み合せ単一体Ｅｋの共振周波数ｆｒｋ、ｆｒが存 在するよう移すことである。

ガス供給装置９の生起する出力の圧力脈動の基本周波数ｆ９に対して上述の表現 によればこれは設けられる圧縮室ｍの数及び／または設けられる圧縮機の回転数 ｒを高めることにより達成される。特にターボ圧縮機の装入の際に、（Ｗ、０ｐ ｉｔｚ　：ターボ圧縮機「機械工学　便覧」１４版　スプリングル出版社ベルリ ン）実際的に圧縮機の出力に圧力脈動が発生しない。そのためそのようなターボ 圧縮機の装入は目下の目的に役に立っている。

そのような圧縮の際ｍならびにｒを高く選択（ることができる。

とくにそのような圧縮機は実験的に加えられる負荷での最適回転数ｒをその際効 率損失を仕方なく背負むことなしに探求できるように容易に制御できる。

第１図により第２の措置として申独もしくはしばしば記載し、必要とあれば追加 して記載される緩衝室５をガス供給装置９の後に加える。その容＠ｉ　Ｖ　ｓは 実質的に圧力脈動の基本周波数のとき供給容積−振幅値ΔＶよりも大きくすると 第３図に示すようにその大きな容積のためこの室５は通常の励起周波数よりも実 質的に低い共振の盛り上りを伴う限界周波数をもつローパス部材として作用する 。そのため、負荷の周波数ｆｒ、ｆｒｋのとき強い減衰を生じ、その結果、送風 機Ｅｓ　、Ｅｓ　ｌ　３　、Ｅ＋の負荷は励起周波数がとくに送風機の基本周波 数の脈動周波数ｆ９゜を強く減衰する。この措置すなわちＭ筒室５を設けること は単独または補助的に前述のＦＵＨに対してガス供給装置でのもしくは記載した 措置に対してレーザー効率変動の実質的な減少を生じている。

第１図に示すように緩衝室５が励起管配置１に対する多くの導管３を供給して設 けるならばすべての設けられた導管３はその数ｎ〉２であるｎ個で示されている が、均一にガスを流すことがさらに配慮されねばならない。このことはすくなく とも近似的に が与えられるときに達成される。その際Ａｚｕは伸長軸Ｂに対して垂直である室 ５の横断面積であり、ｎ〉２は当該導管３の数であり、 ζ、。は当該導管３の抵抗係数である。

導管３の抵抗係数ζ、。は第１図の７８で示すようにすくなくとも格子、蜂の巣 の形のような流れに対する抵抗素子によって高められるのが好ましい。

この条件が守られるならばすべてｎ個の設けられた導管３を通して励起管配置１ における均一なガスの流入が保証される。

励起管１において、たとえば乱流の阻止経由で、上述の意味でレーザ効率は安定 化される。

さらに独立のまたは他の組み合わせ可能なレーザ効率の変動の生起を除去する措 置は連結装［３，５と励起間隔１との間に分離部材を導入することである。第１ 図によればこれはノズル７によって達成される。特に励起間隔側の圧力に対して 室側の圧力の比が〉１．８をもって、きわめて危険な運転がされるときにノズル ７は極端に低い限界周波数を有するローパス部材として作用する。非常に緩慢な 入力側の圧力変化が出力側にも同じく生じ、一方より迅速な圧力変化が出力側に 現われない。このことは両伝達方向にＩＪ察され、通常室５のとき、それにより 周波数の減結合もしくは分離が実現される。

個別のまたはそれ以上の上記措置を考慮することによりレーザー出力効率の変動 現象を除去することが成功する。個別の部分系の周波数特性及び組み合せ系の周 波数特性はすくなくとも近似的に計算される。負荷の周波数特性は測量され、こ のときたとえば入力側の正弦形の圧力変動が一定な振幅と可変の周波数に置かれ 、伝達の出力側の圧力変動を確かめることは簡単である。選択される入力量の経 過を用いてステップ、インパルス、正弦等々で伝達ブロックによる伝達関係の同 定はよく知られている。

最後に１つの例としてａ）条件の使用及びｂ）負荷−共振周波数ｆｒの計算を示 づ。

ａ）第１による励起管１の長さを２０００ｎｍとし、導管３の数を８に等しくす る。

第１図の７ａに相当する各々の１ｊ管で抵抗係数ζ【ｎΣ７を有する穴明き板が 挿入され、穴開き板は４０％の開口に相当する。

第１図による室５は辺の長さ６０ｊｗｅ、１４０履をもつ平面Ａ２ｕに相当する 矩形横断面を持っている。

導管３の直径を３０ａｌ＋とする。

面積Ａｚｕに対して Ａ２．＝６０・　１４０＝　８４００ｎＦ　（２’）が生じ、導管の横断面積に 対して が生じ、したがって（１）から が生じる。

そのため、条件（１）は満足され、励起管１のなかに８個の設けられる導管３に より均一なガス供給が生じる。

ｂ）励起管は長さ２０００ＭＲが与えられる。

励起管は２つの側を閉じた管として管の両側に公知の鏡が設けられる。この管の 共振周波数は Ｊ により計算されることが知られている。基本周波数（Ｋ＝Ｏ）に対して入れられ るガスの音速Ｃ［の６００ｍ／ｓを入れると、 ｆｌ’ｘ　６００°”３−１５０ｓｓｅ４＝　１５０Ｈ２（６）Ｏ□ ４．２・１０３ が得られる。そのため送風機が入れられ、出力側の圧力の脈動が１５０Ｈ２の基 本周波数をもって放出されるならば、そこには１５０Ｈ２で共振周波数を有する 共振器を形成する励起管はその共振周波数で励起され相当するレーザの効率脈動 が観察される。使用される送風機はすべての場合生じる圧力脈動がその１５０Ｈ ｚよりも実質的に＾い周波数であるのが好ましい基本周波数を持つように室数及 び／または回転数を選択により選択すべきである。

ＦＩＧ、３ 国際調査報告 ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　−匹　ＩＮＴＥＲＮＡＴｒＯＮＡｆ、５ＥＡＲＣＨＲＥＰＯ ＲτＯＮ１’ｏｔ　ｍｏｒ＠　ｄｅｔａｉｌｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｉｓ　ａｎｎ ｅｘ　！

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．すくなくとも１つのレーザ励起管と、すくなくとも１つのガス供給装置と、 前記ガス供給装置と前記レーザ励起管との間に連結装置を有する軸方向ガスレー ザの操作安定化に対して前記ガス供給装置（９）の圧力脈動により生じる圧力変 動の周波数成分（ｆ９ｘ）の周波数のすくなくとも１部分をすくなくとも前記励 起管（１）及び前記連結装置（３，５）により生じる前記供給装置の負荷の共振 周波数（ｆｒ）の傍に選択することを特徴とする軸方向ガスレーザの操作安定化 法。
2. ２．前記ガス供給装置（９）はすくなくともピストン圧縮機、そのなかには回転 圧縮機、ルーツ圧縮機、スクリュー圧縮機を含むが前記圧縮機（９）での設けら れる圧縮室（ｍ）の数、及び前記圧縮機（９）の回転数（ｒ）によって与えられ る圧力変動（Ｐ９）の基本周波数（ｆ９ｏ）を室数（ｍ）及び／または回転数（ ｒ）をたかめることにより負荷の共振周波数（ｆｒ）のすくなくとも１部分より も実質的に高く選択することを特徴とする請求の範囲第１項記載による安定化法 。
3. ３．圧力変動−周波数成分−振幅の最小化のために放射状通風機、軸方向通風器 、１段または多段放射状通風機、軸方向通風器、１室または多室放射状圧縮機、 軸方向送風機または軸方向圧縮機のような１つのターボ圧縮機を据え付けること を特徴とする請求の範囲第１項記載による安定化法。
4. ４．前記励起管（１）及び前記連結装置（３，５）を前記レーザ励起管への前記 連結装置（３，５）からのガス噴出により周波数的に連結を切ることを特徴とす る請求の範囲第１項から第３項記載のいずれか１つによる安定化法。
5. ５．訂記連結装置（３，５）に１つの緩衝容積（Ｖ５）をガスのために設け、前 記緩衝容積が前記ガス供給装置により生じる供給容積−脈動による振幅よりも実 質的に大きいことを特徴とする請求の範囲第１項から第４項記載のいずれか１つ による安定化法。
6. ６．前記緩衝容積（Ｖ５）が前記レーザ管（１）に対して軸方向平行に配置され る室（５）のなかに設けられｎ＞２を有するｎ個の導管から半径方向に前記レー ザ励起管（１）に導かれ、その際室Ａｚｕの横断面積と前記導管の横断面積（Ａ Ｌｎ）同じく前記導管（３）の抵抗係数（ζＬｎ）が▲数式、化学式、表等があ ります▼ の状態にあることを特徴とする請求の範囲第５項記載による安定化法。
7. ７．前記抵抗係数（ζＬｎ）をすくなくとも格子（７ａ）のような流れの抵抗要 素を使用して前記導管（３）のなかで高めることを特徴とする請求の範囲第６項 記載による安定化法。
8. ８．すくなくとも１つのレーザ励起管（１）と、すくなくとも１つのガス供給装 置（９）と、前記ガス供給装置と前記レーザ励起管との間に連結装置（３，５） とを有する軸方向ガスレーザは前記ガス供給装置（９）はすくなくともターボ圧 縮機を含むことを特徴とする軸方向ガスレーザ。
9. ９．すくなくとも１つのガス励起管（１）と、すくなくともガス供給装置（９） と、前記ガス供給装置と前記レーザ励起管との間の連結装置（３，５）を有する 軸方向ガスレーザは前記連結装置が前記供給装置（９）と前記励起管（１）との 間にすくなくとも１つの緩衝室（５）を含み、前記緩衝室の容積（Ｖ）が前記ガ ス供給装置により生じる供給容積一脈動の振幅よりもすくなくとも実質的に大き いことを特徴とする軸方向ガスレーザ。
10. １０．前記請求の範囲第８項及び同じく第９項による軸方向ガスレーザ。
11. １１．前記緩衝室（５）がすくなくとも励起管（１）に対してほぼ軸方向に平行 して構成され、ｎ＞２を有するｎ個の連続導管（３）を半径方向に前記管（１） に対して設け、室の横断面積（Ａｚｕ）と前記導管（３）の導管横断面積（ＡＬ ｎ）同じく前記導管（３）の抵抗係数（ζＬｎ）がすくなくとも▲数式、化学式 、表等があります▼ の状態に近づけることを特徴とする請求の範囲第９項および第１０項記載のいず れか１つによる軸方向ガスレーザ。
12. １２．前記連結装置に格子のような流れの抵抗要素（７ａ）が設けられることを 特徴とする請求の範囲第１１項記載による軸方向ガスレーザ。
13. １３．前記レーザ励起管に対する前記連結装置の連結はすくなくともノズル（７ ）を通して行うことを特徴とする請求の範囲第８項から１２項記載のいずれか１ つによる軸方向ガスレーザ。
14. １４．すべての前記供給装置の後に接続される集合体は負荷として機械的、光学 的、音響的、電気的やり方で考察されることを特徴とする請求の範囲第１項から ７項記載のいずれか１つによる安定化法。