JPH0214155B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザビームをエネルギー源とする、
物体の溶接方法およびその装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

レーザビームをエネルギー源として溶接を行う
ことは、例えば「第３版鉄鋼便覧第巻二次加
工、表面処理、熱処理、溶接」（社）溶接学会編
P446〜481等に示されているように種々の用途に
適用されている。また本出願人も先に溶接部をク
サビ状に形成し該クサビ状部分にレーザビームを
照射して溶接を行う方法（特公昭60−32553号公
報）、該方法に電気抵抗溶接法を併用する方法
（特開昭58−100985号公報、特開昭59−191577号
公報）等を発明し特許出願した。しかしながらこ
れらの方法においては、レーザビーム径、出力な
どを制御し、最適な条件で溶接を行うことを簡単
ではなかつた。また前述の電気抵抗溶接法（以下
ERWと略称する）は、溶接法として最もよく使
用されている技術の１つである。例えば、溶接鋼
管の製造分野において、一般に電縫管と呼ばれて
いる管を製造する方法は、溶接速度の速い、すな
わち生産性の高い溶接法として広く行われてい
る。

第６図は、従来一般に行われている高周波接触
式電気抵抗溶接法による造管の一例を示すもの
で、鋼帯を、図示していない成形ロール群によつ
て管状に成形し、さらに該鋼管（以下管状体とい
う）１の端部２，２をスクイズロール３，３によ
つて突き合せ、突き合せ部を頂点とするクサビ状
に形成する。さらに、スクイズロール３，３の上
流に設けた接触子４ａ，４ｂに高周波電源４から
高周波電圧を印加し、接触子４ａから４ｂ（ある
いは４ｂから４ａ）へ高周波電流回路を形成し
て、クサビ状を呈する端部２，２を加熱する。そ
の結果、帯状鋼はクサビ形状の頂点において溶接
温度に達し、スクイズロール３により加圧溶接さ
れ、鋼管となる。ところが、このERWも溶接物
が厚肉になつたり、あるは溶接速度を高めようと
した場合には問題がある。例えば、厚肉になると
第７図に示すように、端部２のコーナ部２ａ，２
ｂの高周波電流密度が板厚中央部２ｃの高周波電
流密度より高くなり、その結果、温度分布はHa₂
に示すように、板厚中央部に低温部を生じ、溶接
欠陥が発生する。また、冷接をなくすために高入
熱状態にすると、温度分布は第７図のHa₁に示す
ようになり、ペネトレータ欠陥が発生する。

そこで本発明者等は、先に、ERWにレーザビ
ームを併用することにより、すなわち前記のよう
な管状体のクサビ状部に水平方向からレーザビー
ムを導入し、該部分を加熱することにより上記の
ような問題を解決することを提案した（特開昭58
−100985号公報、同59−191577号公報）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明はレーザビームをエネルギー源とする溶
接、あるいかレーザビームと他のエネルギー源と
を併用する溶接におて、レーザビームの形状を制
御することにより溶接をさらに確実かつ効率よく
行うことを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、被溶接物にレーザビームを照射して
溶接を行うに際し、レーザビームの光路に、凸面
鏡と複数の凹面鏡とからなる積分鏡により構成さ
れるミラー系を配置し、該ミラー系の位置と被溶
接点の距離、凸面鏡と積分鏡の距離および積分鏡
を構成する個々の凹面鏡の集光方向、を制御する
ことにより、レーザビームの形状と強度分布を制
御する。またこれを有利に実行するために、レー
ザ光源と溶接点とを結ぶ光路に、光軸変更用ミラ
ー、凸面鏡および多数の凹面鏡を配設した積分
鏡、からなるミラー系を設け、かつ積分鏡を構成
する凹面鏡の個々の方向を調節可能にするととも
に凸面鏡と積分鏡の距離を移動可能に構成する。

以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明に使用するミラー系を示すもの
であり、７はビーム形状変換器で、その内部に
は、レーザビームの光軸上に、光源方向から順に
光軸変換用ミラーMa、凸面鏡Mb、積分鏡Mc等
を配置してある。

積分鏡Mcは第２図に示すように横方向にｍ個、
縦方向にｎ個の凹面鏡を並設して構成してある。
なお個々の凹面鏡はそれぞれ曲率Ｒをもつてい
る。また第３図はレーザと電気抵抗溶接を併用し
て本発明を実施する電縫管の製造態様を示す説明
図であり、１は鋼帯を管状に成形した管状体、２
はそのクサビ形状部である。４は高周波電源、４
ａ，４ｂは接触子である。５はレーザ発振器、７
はビーム形状変換器、８は対物ミラー、９はレー
ザビームLBを通過させるビームダクトである。
１０は酸化防止用ガス供給管、１０ａはその先端
のノズル部、また２ａは溶接端部の上端、２ｂは
下端、２ｃは中央部である。なお、５１，５２は
発振用ミラーである。

本発明は、レーザ発振器５からレーザビーム
LBをビーム形状変換器７を介して溶接部に照射
し、その際ビーム形状変換器７に内蔵されるミラ
ー系を調節することによりビーム形状を制御する
ことを特徴とするものである。その実際を、第３
図に示すレーザ溶接と電気抵抗溶接を併用して電
縫管の製造に適用した場合を例にして説明する
と、前述の第６図の場合と同様に、鋼帯を成形ロ
ール（図示せず）により管状に成形し、レーザ発
振器５からレーザビームLBを、ビーム形状変換
器７、対物ミラー８およびビームダクト９を介し
て管状体１の端部２，２の突合せ部に投射する。
一方、高周波電源４からの高周波電流を接触子４
ａおよび４ｂを介して管状体１のクサビ状端部に
流し加熱する。その結果、前記クサビ状端部２，
２（Ｖ開先という）を加熱溶接することができ
る。このとき本発明においては、レーザビーム
LBの光路にビーム形状変換器７を配置し、該変
換器に光軸変換用ミラーMa、凸面鏡Mb、曲率
Ｒを持つ多数の凹面鏡を並設した積分鏡Mcから
なるミラー系を設けてあるので、凸面鏡Mb、積
分鏡Mcと溶接部とのそれぞれの距離を変化する
ことによつて、焦点距離と集光径を決定すること
ができる。

すなわち、レーザ発振器５からのレーザビーム
LBの発散角をθ、凸面鏡Mbの焦点距離をfb、積
分鏡Mcを構成する凹面鏡Mmnの焦点距離をfc、
および凸面鏡Mbと積分鏡Mc間の鏡間距離をDx
とすると、集光距離lxと集光径dxは次ようにな
る。

lx＝fc（Dx−fb）（Dx−fb−fc）^-1 dx＝Afb・fc（Dx−fb−fc）^-1 ここでＡはレーザビームのモードおよび伝送距
離等により決定される定数である。

そこで第４ａ図に示すように、積分鏡Mcを構
成する各凹面鏡Mmnの角度を調節して、集光点
Pmnを必要なエネルギー密度分布になるように
設定する。第４ｂ図には第４図の設定状態おける
レーザエネルギー密度分布を示す。その結果、レ
ーザビームLBはビーム進行方向ｘ軸の積分鏡Mc
の集光距離lxに集光される。第５ａ図は焦点位置
における垂直平面上での各凹面鏡Mmnの集光状
況を、第５ｂ図はその強度分布を示すものであ
る。また、集光径dxも上記関係により決定され
る。

そこで、溶接鋼板の板厚ｔと溶接速度ｖおよび
高周波電力EpIpよつて鏡間距離Dx、凹面鏡Mmn
の集光位置Pmnおよびレーザ出力Poなどを調節
し、溶接形状が平担になるように制御して溶接性
を高めることができる。

〔実施例〕

鏡間距離Dxを調節してレーザビームの集光径
dxおよび集光位置Pmnを設定し、さらに積分鏡
Mcを構成する各凹面鏡Mmnの角度を調節するこ
とにより、ビームの形状およびその強度分布を所
望の態様に制御した。すなわち各凹面鏡の角度を
調節することによつて、第８ａ図、第８ｂ図およ
び第８ｃ図に示すような強度分布のビームを得る
ことができた。

例えば、鏡間距離Dxを1000〜1500mm、fb＝730
mm、fc＝1300mm、とすると、単位集光径は２〜６
mmφになり、これをもとにしてエネルギー密度分
布を設定することができ、その結果、10mmφの平
滑なエネルギー密度分布（第８ａ図に示すエネル
ギー密度分布）を得ることができた。

一方、例えば”Laser Focus”Nov.1979年68
頁「Ａ Convex Beam Integrator」には、第９
図に示すように凸面鏡および凹面鏡を用いてレー
ザビームを制御する手段が示されているが、この
方法では、本発明のような強度分布を得ることは
できない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、レーザ
発振器からのレーザビームを強度分布に対応し、
かつ被溶接物の形状、加熱の状態などに応じて凸
面鏡、積分鏡間の距離、積分鏡内の凹面鏡の集光
位置を制御しレーザビームの形状、強度分布を最
適なものとすることができるので、溶接を一層確
実に行うことができ、その結果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するレーザビーム変換器
におけるミラー系を示す断面図、第２図は本発明
で使用するミラー系の積分鏡の構成を示す正面
図、第３図は本発明の一実施態様を示す斜視図で
ある。第４ａ図は本発明で使用する積分鏡の光軸
と焦点の関係を示す断面図、第４ｂ図は第４ａ図
に示す焦点分布によるレーザエネルギー密度分布
を示すグラフである。第５ａ図は本発明で使用す
る積分鏡の集光状態を示す正面図であり、第５ｂ
図は該集光状態でのレーザエネルギー密度分布を
示すグラフである。第６図は、従来公知の高周波
接触式電気抵抗溶接による電縫管の製造工程を示
す斜視図、第７図は該製造工程における管厚方向
の温度分布を示す部分断面図である。第８ａ図、
第８ｂ図および第８ｃ図は本発明におけるレーザ
ビームの形状と強度分布の実例を示すグラフであ
り、縦軸はレーザビームの強度を、横軸は光軸ｘ
からのずれ量（ｙ軸位置）を示す。第９図は従来
技術によるレーザビームの強度調整態様とエネル
ギー密度分布との関係を示す説明図である。 １：管状体、２：端部、３：スクイズロール、
４：高周波電源、４ａ，４ｂ：接触子、５：レー
ザ発振器、７：ビーム形状変換器、８：対物ミラ
ー、LB：レーザビーム、９：ビームダクト、１
０：ガス供給管、１０ａ：ノズル部、Ma：光軸
変換用ミラー、Mb：凸面鏡、Mc：積分鏡、
Mmn：凹面鏡、Pmn：凹面鏡の集光位置、Dx：
凸面鏡と積分鏡との鏡間距離、lx：積分鏡の集光
距離。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被溶接物にレーザビームを照射して溶接を行
   うに際し、レーザビームの光路に、凸面鏡と複数
   の凹面鏡からなる積分鏡とにより構成されるミラ
   ー系を配置し、該ミラー系の位置と被溶接点との
   距離、凸面鏡と積分鏡の距離よび積分鏡を構成す
   る個々の凹面鏡の集光方向を制御することにより
   レーザビームの形状と強度分布を制御することを
   特徴とするレーザ溶接方法。 ２ 被溶接物に電気エネルギーを供給し、発生す
   るジユール熱により溶接部を加熱し、該溶接部に
   レーザビームを照射する特許請求の範囲第１項記
   載のレーザ溶接方法。 ３ 相対する溶接面は、互に漸近し溶接点を頂点
   とするクサビ形状であり、該クサビ形状にレーザ
   ビームを照射する特許請求の範囲第１項又は第２
   項記載のレーザ溶接方法。 ４ レーザ光源と溶接点とを結ぶ光路に、光軸変
   更用ミラー、凸面鏡および多数の凹面鏡を配設し
   た積分鏡、からなるミラー系を設け、かつ積分鏡
   を構成する凹面鏡の個々の方向を調節可能とする
   とともに、凸面鏡と積分鏡の距離を移動可能に構
   成したことを特徴とするレーザ溶接装置。