JPH02108486A

JPH02108486A - レーザー加工方法および装置

Info

Publication number: JPH02108486A
Application number: JP63259058A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Omae; 良一大前
Original assignee: Teijin Seiki Co Ltd
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 1988-10-14
Filing date: 1988-10-14
Publication date: 1990-04-20

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】ｉｔ−立■皿±ｊこの発明は、レーザー光によって溶接、切断等を行なう
レーザー加工方法および装置に関する。

従」ＬΩ」［術従来、レーザー加工、例えばレーザー溶接を行なう場合
には、レーザー発振器からのレーザー光を、片面が球面
の一部を構成する一対の平凸レンズをラムスデンレンズ
のように凸側か対向するよう配置したレンズを通過させ
て集束するとともに、該レンズの焦点付近に配置された
被加工物の加工部、例えば第１７．１８図に示すような
両端同士が突き合わされた有端リングＵの突き合わせ部
Ｔに前記集束されたレーザー光を照射し、レーザー溶接
を行なうようにしている。

が　　しよ〜ここで、一般に、被加工物の加工部は、前述の突き合わ
せ部Ｔのように直線状に延在している場合が多いが、前
述のようにレンズが一対の平凸レンズから構成されてい
ると、レーザー光は該レンズによってその光軸に垂直な
平面上における光斑が真円となるよう集束されるため、
溶接時、該集束されたレーザー光は突き合わせ部Ｔの周
囲の広い領域にも照射される。この結果、該周囲の領域
を超高温に加熱して悪影響を与え、著しい場合にはスパ
ッターとして大気中に飛散させて大きな凹みＲを形成し
てしまうという問題点がある。しかも、このような溶接
に無関係な周囲の領域をも加熱させるため、余分なエネ
ルギーが必要となり、エネルギー損失が大きいという問
題点もある。

この発明は、加工に関係のない加工部の周囲へのレーザ
ー光の照射を可能な限り阻止することにより、周囲の領
域に与える悪影響およびエネルギー損失を減少させるこ
とができるレーザー加工方法および装置を提供すること
を目的とする。

−めこのような目的は、第１に、レーザー光をレンズによっ
てその光軸に垂直な平面上における光斑が楕円となるよ
う集束するとともに、該集束されたレーザー光を被加工
物に前記楕円の長軸と被加工物の加工部の延在方向とを
合致させて照射し、該被加工物に対してレーザー加工を
行なうようにしたレーザー加工方法により、第２に、レ
ーザー発振器と、レーザー発振器からのレーザー光を集
束して出射する出射ユニー／　トとを備え、前記出射ユ
ニットはケースと、ケース内に収納され、ケース内に導
かれたレーザー光を光軸に垂直な平面上における光斑が
楕円となるよう集束するレンズと、を有するレーザー加
工装置により達成することができる。

１月今、レーザー発振器から発振されたレーザー光が出射ユ
ニットに導かれ、該出射ユニットにおいてレンズにより
集束された後、被加工物の加工部に向かって出射されて
いるとする。このとき、該レンズによって前記レーザー
光はその光軸に垂直な平面上における光斑が楕円となる
よう集束する。そして、このように楕円になるよう集束
されたレーザー光は、該楕円の長軸が前記加工部の延在
方向に合致されながら該加工物に照射される。

この結果、超高温に加熱されるのは加工物の周囲の極く
僅かな領域に限定され、レーザー光が円形に集束された
場合に比較して影響を受ける領域が狭くなる。しかも、
余分な領域を殆ど加熱することもないため、エネルギー
効率も向上する。

１呈１以下、この発明の第１実施例を図面に基づいて説明する
。

第１．２図において、　１は成形装置であり、この成形
装置ｌの右方には細長い素材２、この実施例ではアルミ
ニウム線材が巻付けられたリールスタンド３が設置され
ている。前記成形装置　ｌのリールスタンド３に接近す
る右側面には、リールスタンド３から巻出された素材２
を成形装置　ｌに供給するフィード装置４が取付けられ
ている。そして、このフィード装置４によって成形装置
　１に供給された素材２は、該成形装置ｌにおいて所定
長に切断されるとともに、該切断された小片の素材２が
リング状に屈曲されて両端同士が突合わされ、第３図に
示すような被加工物としての有端リングＵが成形される
。一方、成形装置　ｌの左側方にはパワーコントローラ
等の制御機器を内蔵したコントロールボックス５が設け
られ、このコントロールボックス５によって制御される
レーザー発振器Ｂは前記コントロールボックス５上に設
置されている。このレーザー発振器６から発振されたレ
ーザー光は、光ファイバー７を介して成形装置１に取付
けられた出射ユニット　８に送られる。この出射ユニッ
ト　８は該レーザー光を集束するとともに出射し、被加
工物の加工部、即ち有端リングＵの突き合わせ部Ｔに照
射する。これにより、該有端リングＵの突き合わせ部Ｔ
はレーザー溶接加工される。

第１．４．５図において、前記出射ユニット　８は下端
が開口した有底円筒状の上ケース本体１１を有し、この
上ケース本体１１の上端底壁１２には前記光ファイバー
　７の先端に連結されたコネクター１３が挿入固定され
、これにより、レーザー光が上ケース本体１１内に導か
れる。前記上ケ゛−ス本体１１は中央部内周にフランジ
１４を有し、このフランジｌ４の段差１５と該フランジ
１４にねじ込まれた押えリング１６との間で上ケース本
体ｌｌ内には上レンズ１７が挟持されている。そして、
この上レンズ１７は、上ケース本体１１の開口端（下端
）に接近する片面が球面の一部をなし、上ケース本体１
１の上端底壁１２に接近する他面が平担な平凸レンズか
ら構成され、全体として円盤状を呈している。上ケース
本体１１より有端リングＵ側（下方）には該上ケース本
体１１と同軸の円筒状をした下ケース本体２１が設けら
れ、この下ケース本体２１の下端部外周にはねじ部２２
が形成されている。２３は円筒状をした繰り出しリング
であり、この繰り出しリング２３の上端部は前記上ケー
ス本体１１の下端部外側に嵌合され、これにより、繰り
出しリング２３と上ケース本体１１とは相対回転可能で
軸方向に相対移動不能に連結される。また、この繰り出
しリング２３の下端部は下ケース本体２１の外側に嵌合
されるとともに、その内周に形成されたねじ部２４は前
記ねじ部２２に螺合している。この結果、下ケース本体
２１の回転を阻止しながら繰り出しリング２３を回転さ
せると、下ケース本体２１は軸方向に移動して上ケース
本体１１に接近あるいは離隔し、上レンズ１７と後述す
る下レンズ３８との焦点が調節される。前述した上ケー
ス本体１１、下ケース本体２１、繰り出しリング２３は
全体としてケース２５を構成する。

２８は下ケース本体２１内に設けられた第１下レンズで
あり、この第１下レンズ２８は下ケース本体２１の内周
に設けられた段差２９と下ケース本体２１の上端部にね
じ込まれた押えリング３０とにより挟持されている。そ
して、この第１下レンズ２日は前記上レンズ１７に近接
する片面が球面の一部をなし、下ケース本体２１の下端
に接近する他面が平担な平凸レンズから構成され、全体
として円盤状を呈している。３１は第１下レンズ２８よ
り有端リングＵに近接する側（下方）の第１下ケース２
１内に設けられた第２下レンズであり、この第２下レン
ズ３１は下ケース本体２１の内周に形成された段差３２
と下ケース本体２１の下端面に複数のポルト３３により
取付けられたリング状の押えプレート３４とにより挟持
されている。そして、この押えプレート３４と前記第２
下レンズ３１との間にはデイスタンスピース３５および
レーザー光の出射口３Ｂ、即ちケース２５の下端開口を
閉止する透明な保護ガラス３７が介装されている。前記
第２下レンズ３１はその第１下レンズ２８に近接する片
面が円筒面の一部をなし、他面が平担なシリンダーレン
ズから構成され、全体として矩形のかまぼこ形を呈して
いる。前述した第１下レンズ２８および第２下レンズ３
１は全体としてレンズとしての下レンズ３８を構成し、
この下レンズ３８は前記ケース２５内に収納されレーザ
ー光を集束する。ここで、下レンズ３８を、該下レンズ
３８の光軸Ｈを含む−の平面Ｐによって切断してその切
断面（第１図に示す断面）を考え、この切断面における
下レンズ３８の肉厚、この場合には第１下レンズ２８の
肉厚と第２下レンズ３１の肉厚の合計肉厚の減少率を該
光軸Ｈを基点として求める。また、下レンズ３８を、該
下レンズ３８の光軸Ｈを含むとともに前記−の平面Ｐに
直角な他の平面Ｑによって切断してその切断面（第５図
に示す断面）を考え、この切断面における下レンズ３８
の肉厚の減少率を該光軸Ｈを基点として求める。このと
き、第１下レンズ２８の肉厚は−および他の平面Ｐおよ
びＱ上で光軸Ｈから離れるに従い同率で減少するが、第
２下レンズ３１の肉厚は−の平面Ｐ上では光軸Ｈから離
れても一定であるのに対し、他の平面Ｑ上では光軸Ｈか
ら離れるに従い減少するため、−の平面Ｐ上での下レン
ズ３８の肉厚の減少率と他の平面Ｑ上での下レンズ３８
の肉厚の減少率とは異なり、前者が後者より小さい、こ
の結果、このような下レンズ３８をレーザー光が通過す
ると、該レーザー光は焦点において集中するが、前述の
ように−の平面Ｐにおける肉厚の減少率が他の平面Ｑに
おける肉厚の減少率より小さいので、−の平面Ｐを通過
したレーザー光の焦点距離が他の平面Ｑを通過したレー
ザー光の焦点距離より長くなる。この結果、下レンズ３
８を通過した後のレーザー光は、下レンズ３８の焦点と
の間において、下レンズ３８の光軸Ｈに垂直な平面上に
投射される光斑が楕円となるよう集束し、この楕円の長
軸が−の平面Ｐに合致し、短軸が他の平面Ｑに合致する
。なお、この発明においては、下レンズを構成する物質
の種類を場合によって異ならせることにより各場所にお
ける屈折率を変化させ、これにより、−の平面を通過し
たレーザー光の焦点距離と他の平面を通過したレーザー
光の焦点距離とを異ならせるようにしてもよい、そして
、このレーザー光の焦点近傍に前記有端リングＵを配置
する。

次に、この発明の第１実施例の作用について説明する。

今、レーザー発振器８から発振されたレーザー光が光フ
ァイバー７を介して出射ユニット　８内に導かれたとす
る。この出射ユニット　８内に導かれたレーザー光は、
上レンズ１７．下レンズ３８を次々と通過して集束され
るとともに、出射口３Ｂから第３図に示す有端リングＵ
の突き合わせ部Ｔに向かって出射される。ここで、下レ
ンズ３８は前述したようなレンズであるため、該下レン
ズ３Ｂによって前記レーザー光はその光軸Ｈに垂直な平
面上における光斑が楕円となるよう集束し、このとき、
楕円の長軸が−の平面Ｐに、短軸が他の平面Ｑに合致す
る。そして、このように楕円になるよう集束されたレー
ザー光を、第３図に示すように該楕円の長軸と前記突き
合わせ部Ｔの延在方向とを合致させながら、該突き合わ
せ部Ｔに照射する。この結果、該突き合わせ部Ｔは超高
温に加熱されて溶融し、レーザー溶接される。ここで、
前述のようにレーザー光を楕円に集束し、この楕円の長
軸を突き合わせ部Ｔの延在方向に合致させたので、超高
温に加熱されるのは、突き合わせ部Ｔの周囲の極〈僅か
な領域に限定され、レーザー光が円形に集束された場合
に比較して熱影響を受ける領域が狭くなる。しかも、余
分な領域を殆ど加熱することもないため、エネルギー効
率も向上する。

第６，７図は、この発明の第２実施例を示す図である。

この実施例においては、レンズとしての下レンズ４１を
共に同一形状の単シリンダーレンズからなる第１、第２
下レンズ４２．４３から構成し、これら第１、第２下レ
ンズ４２．４３を光軸Ｈの方向に互いに離隔させるとと
もに、これら第１、第２下レンズ４２．４３の軸線同士
が直角となるよう配置している。この結果、該第１下レ
ンズ４１を通過したレーザー光の焦点と第２下レンズ４
３を通過したレーザー光の焦点が光軸Ｈ上で前後に離れ
、これにより、レーザー光は楕円に集束される。なお、
この発明においては、第１、第２下レンズ４２、４３の
肉厚の減少率あるいは構成する物質の種類を互いに異な
らせてもよい。

第８．９図はこの発明の第３実施例を示す図である。こ
の実施例においては、レンズとしての下レンズ４５を、
単シリンダーレンズからなる第１下レンズ４６と、２山
シリンダーレンズからなる第２下レンズ４７と、から構
成したものである。このようにすれば、光軸Ｈが２木で
き、レーザー光が互いに離れた２つの楕円に集束される
。

第１０．１１図はこの発明の第４実施例を示す図である
。この実施例においては、レンズとしての下レンズ５１
を、共に同一形状の２山シリンダーレンズからなる第１
、第２下レンズ５２．５３から構成したものである。こ
のようにすれば、光軸Ｈが４本でき、レーザー光が互い
に離れた４つの楕円に集束される。そして、第３．４実
施例のように構成すると、同時に２個所あるいは４個所
においてレーザー加工を行なうことができ、加工能率が
商工する。

第１２．１３図はこの発明の第５実施例を示す図である
。この実施例においては、レンズとしての下レンズ５５
を、平凸レンズからなる第１下レンズ５Ｂと、１山のシ
リンダー凹レンズからなる第２下レンズ５７と、から構
成したものである。

第１４．１５．１６図はこの発明の第６実施例を示す図
である。この実施例においては、レンズとしての下レン
ズ５θを１個の平凸レンズから構成したものである。こ
の下レンズ５９は、第１５図に示す断面における肉厚の
減少率が、第１６図に示す断面における肉厚の減少率よ
り大きく、これにより、このような下レンズ５９を通過
した後のレーザー光は楕円に集束される。

なお、前述の実施例においては、被加工物をレーザー溶
接加工するようにしたが、この発明においてはレーザー
切断加工するようにしてもよい。

光」ＬΩ」Ｌ朱以上説明したように、この発明によれば、加工部の周囲
の領域に与える悪影響およびエネルギー損失を減少させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例を示すその射出ユニット
の正面断面図、第２図はその概略全体正面図、第３図は
被加工物の平面図、第４図は第１図のＩ−Ｉ矢視断面図
、第５図は第１図の■−■矢視断面図、第６図はこの発
明の第２実施例を示すレンズの正面図、第７図は第６図
と同様のレンズの側面図、第８図はこの発明の第３実施
例を示すレンズの正面図、第９図は第８図と同様のレン
ズの側面図、第１Ｏ図はこの発明の第４実施例を示すレ
ンズの正面図、第１１図は第１Ｏ図と同様のレンズの側
面図、第１２図はこの発明の第５実施例を示すレンズの
正面図、第１３図は第１２図と同様のレンズの側面図、
第１４図はこの発明の第６実施例を示すレンズの斜視図
、第１５図は第１４図の■−■矢視断面図、第１６図は
第１４図のＩＴ−ｒＶ矢視断面図、第１７図は従来のレ
ーザー加工方法、装置により加工された被加工物に正面
図、第１８図は第１７図と同様の被加工物の平面図であ
る。６・・・レーザー発振器　８・・・出射ユニット２５・
・・ケース　　　　　３８・・・レンズＵ・・・被加工
物　　　　Ｔ・・・加工部Ｈ・・・光軸特許出願人　　　帝人製機株式会社代理人　弁理士　多　１）敏　雄第１図第３図Ｕ−−一禮炉工判Ｔ−・力岨苓心第４図第５図］１１− ８−・出自４工＝、ット３８−ｔ、’ス゛四−楠スＨ−一一肥軸第図第図第図第 ■ 図第図第図第図第図第図第慇図第図第図第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）レーザー光をレンズによってその光軸に垂直な平
面上における光斑が楕円となるよう集束するとともに、
該集束されたレーザー光を被加工物に前記楕円の長軸と
被加工物の加工部の延在方向とを合致させて照射し、該
被加工物に対してレーザー加工を行なうようにしたこと
を特徴とするレーザー加工方法。
（２）レーザー発振器と、レーザー発振器からのレーザ
ー光を集束して出射する出射ユニットとを備え、前記出
射ユニットはケースと、ケース内に収納され、ケース内
に導かれたレーザー光を光軸に垂直な平面上における光
斑が楕円となるよう集束するレンズと、を有することを
特徴とするレーザー加工装置。