JPH04138888A

JPH04138888A - レーザ加工用ヘッド

Info

Publication number: JPH04138888A
Application number: JP2262244A
Authority: JP
Inventors: Fumito Yoshino; 芳野　文人; Hiroyuki Shimizu; 弘之清水
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1990-09-29
Filing date: 1990-09-29
Publication date: 1992-05-13

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】（産業上の利用分野）本発明は、レーザ加工用ヘッドに係り、特に亜鉛メツキ
鋼板、ジンクプライマ塗布鋼板、或いは亜鉛メツキアル
ミ板などのように亜鉛又は亜鉛含有合金を含む防錆皮膜
を表面に有する表面処理金属板や、他の表面処理金属板
の溶接加工に適しているレーザ加工用ヘッドに関する。

（従来の技術及び解決しようとする課題）近年、自動車
産業や住宅産業においては、防食の観点から鋼板や鋼材
（以下、「鋼板」と総称する）の耐久性を向上させるべ
く、亜鉛メツキ鋼板。

ジンクプライマ塗布鋼板など、防錆性の向上を図った表
面処理鋼板の使用が急速に拡大する傾向になっている。

このような表面処理鋼板は、防錆性において優れている
ものの、表面処理が施されていない通常の鋼板に比べ、
ビットやスパッタ等の溶接欠陥が発生し易く、その溶接
性が極めて悪いという問題がある、したがって、現状で
は、成分組成を調整した被覆アーク溶接棒或いはソリッ
ドワイヤを用い、低速溶接（３０ｃ＋ａ／分程度）や鋼
板の間隙を開けた溶接（０，５ｍｍ＋程度のギャップ）
等、主として経験に基づいた施工面での工夫により対応
している。

しかし乍ら、これらの溶接法は、溶接欠陥の原因となる
防錆皮膜を予め除去しないで施工するため、完全には溶
接欠陥の発生を防止できないという致命的な問題があっ
た。しかも、溶接速度が遅いために能事が低く、また鋼
板の間隙によって溶落ちやアンダーカット等の欠陥も発
生し易い。

方、溶接速度の増大や鋼板の間隙の減少は、防錆皮膜中
に亜鉛及びその化合物が含まれているため、ブローホー
ル等の増加やスパッタ発生量の増加を招くことが指摘さ
れている。

もっとも、防錆皮膜を溶接施工前に人手により予め除去
することも考えられるが、非能率であることは明らかで
あり、また、ＴＩＧ溶接により防錆皮膜を先行して除去
する方法も試みられているが、除去すべき幅のコントロ
ールが困難であって不要な部分まで焼いてしまい、また
入熱量が大きいために鋼板の角変形を招くという問題が
ある。

また、このような問題は、亜鉛又は亜鉛合金を表面に被
覆した表面処理アルミ板においても同様に生じる。

ところで、溶接の熱源としてレーザビームを利用する溶
接法が知られている。この方法は１個のレーザビームヘ
ッドを用いてエネルギーを集中させ、溶接を行う方法で
ある。しかし、溶接性や溶接部欠陥の点では従来の被覆
アーク溶接棒或いはソリッドワイヤを用いる方法と殆ど
変わらず、更には、急熱、急冷により、溶接部の硬さが
必要以上に高くなり、鋼種によっては、母材との極端な
アンバランスを生じる場合もあり、そうならない場合で
も極低炭素鋼にしか利用できない等、適用鋼種が限定さ
れていた。

そこで、本発明者は、このような表面処理鋼板の溶接法
にレーザビームを利用することを先に開発した。この方
法は、本溶接に先立って、レーザビームを用いた溶接を
先行させて防錆皮膜を蒸発除去するものである。しかし
、この方法において本溶接にレーザビームを利用するこ
とも考えられるが、本溶接に用いる場合、上述の如く特
に溶接部の硬さを必要以上に高くしない等、各種機能を
備えたレーザ加工ヘッド装置の開発が必要である。

本発明は、か）る要請に応えるべくなされたものであっ
て、各種表面処理金属板を溶接欠陥を発生することなく
健全な溶接部が得られ、また母材の硬さと溶接部の硬さ
を適切に調整でき、高能率な溶接を可能にするレーザビ
ーム加工用ヘッドを提供することを目的とするものであ
る。

（課題を解決するための手段）前記課題を解決するため、本発明者は、レーザビーム発
振器から生じるレーザビームのビーム系について鋭意研
究を重ねた結果、ここに本発明ななしたものである。

すなわち１本発明に係るレーザ加工用ヘッドは、１つの
レーザ発振器から生じるレーザビームを部分面積反射ミ
ラー又は部分反射ミラーを用いて、ビームエネルギーの
多いレーザビーム（第１ビーム系）と、ビームエネルギ
ーの少ないレーザビーム（第２ビーム系）とに２分し、
かつ、一方のビームを全反射ミラーにて屈曲させるビー
ム系とし、第１ビーム系を本加工用に、第２ビーム系を
補助加工用に用いる構成にしたことを特徴とするもので
ある。

なお、ここで言う「部分面積反射ミラー」とは、後述の
第４図に示すように、ミラーの一部を完全コーティング
し、残部にてレーザ光を透過させることにより、エネル
ギーをコントロールするミラーのことを言い、ｒ部分反
射ミラーとばＪ、誘電体コーティング等の方法によって
ミラー全体をコーティングしてエネルギーの透過量をコ
ントロールするミラーのことを言う。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

（実施例）第１図〜第３図は本発明のレーザビーム加工用ヘッドに
おけるレーザビーム系の各種態様を例示したものである
。

第１図の態様の場合は、１個のレーザビーム発振器１か
ら生じるレーザビームを、まず部分面積反射ミラー又は
部分反射ミラーＭｍにより２分して、エネルギーの多い
第１ビームとエネルギーの少ない第２ビームを形成し、
更に、第２ビームには全反射ミラー（例、放物面鏡）Ｍ
ｓを設けてビーム経路を屈曲させて、第１ビームと同方
向に指向させる。

第２図及び第３図の態様の場合は、第１図に示した態様
において、第２ビーム系に更に２個又は２個以上の全反
射ミラーを設けてビーム経路を屈曲させたものである０
図示の場合、全反射ミラーとして平板状のミラーＭｉと
放物面鏡Ｍ２の２個が組合せて用いられている。第２図
の態様は、第３図の態様よりも第１ビームと第２ビーム
とのビーム間距離を短くしたものである。

いずれの態様の場合にも、部分反射ミラーを用いてエネ
ルギーを分割するか又は部分面積反射ミラーを用いて、
第４図に一例を示すように、様々な形状のミラ一部（図
中、斜線部）を備えたミラーを利用して種々のエネルギ
ーを持った第２ビームを形成できる。例えば、＜ａ＞の
場合は円形状のミラ一部が中心に配列され、（ｂ）の場
合はリング状のミラ一部が周囲に配列されており、いず
れもミラ一部で反射されたビームによって第２ビームが
形成され、第１ビーム及び第２ビームのビームエネルギ
ー比率をミラ一部の面積にて変えることができる。一方
、（ｃ）の場合は半円形状のミラーを移動可能に設けた
もので、このミラーを移動させることによって第１ビー
ムと第２ビームとのビームエネルギー比率を任意に変え
ることができる。

第４図に示した形状の部分反射ミラーを用いた場合、レ
ーザビーム発振器から生じるレーザビームを第５図に示
すように２分することができる。

（ａ）の場合は中心部を第２ビームとして反射させ、（
ｂ）の場合は周辺部を第２ビームとして反射させ、（ｃ
）の場合は右又は左部分を第２ビームとして反射させる
ものである。これらの態様は、レーザビームが多数のモ
ードを有するビームの集合と考えられ、レーザビームの
横断面におけるエネルギー分布が必ずしも均一でないが
、上述のような様々な形状のミラ一部を有する部分反射
ミラーを用いることによって所望のビームエネルギーに
分割できる。

本発明のレーザ加工用ヘッドによれば、以下の機能が実
現できる。

第１に、レーザビーム発振器から生じるレーザビームエ
ネルギーを任意のエネルギー比率のレーザビームに２分
できる。この場合、本加工用ビームと補助加工用ビーム
のビームエネルギー比率は、補助加工用ビームのエネル
ギーが全体の５０％以内となるようにする。

したがって、このようにビームエネルギーを強弱２通り
に分割できるので、亜鉛又は亜鉛合金を含む防錆皮膜を
表面に有する表面処理鋼板又はアルミ板などのように各
種の表面処理板の溶接において補助加工用ビームを予め
防錆皮膜を除去するために利用することができ、或いは
予熱処理のため又は後熱処理のためにも利用できる。一
方、本加工用ビームは本溶接等の加工に利用できる。そ
の際、本加工用ビームと補助加工用ビームのビームエネ
ルギー比率は概ね４：１とする。

第２に、第１ビーム、第２ビームの一方又は双方をスキ
ャニングすることができる。

スキャニングとは、第６図（ａ）〜（Ｃ）に例示するよ
うに、ミラーを振動して溶接方向に直角な方向にビーム
をオシレートさせることを云う、全反射ミラーを振動さ
せることは容易であるので、例えば、上記態様において
第２ビーム系の全反射ミラーを振動させたり、或いは第
１ビーム系に全反射ミラーを設けた態様でもこれを振動
させることができる。勿論、本加工用ビーム系と補助加
工用ビームの距離を固定した上でレーザビーム系全体を
スキャニングさせることも可能である。補助加工用ビー
ムを防錆皮膜の除去に利用する場合、これをスキャニン
グすることによって溶接線上の所定幅の防錆皮膜のみを
効率よく蒸発除去できる。

勿論、種々のレーザビームに利用可能であることは云う
までもない。

例エバ、レーザ光の種類としては、気体レーザ（例、Ｃ
ｏ、Ｌ／−ザ）、固体レーザ（例、ＹＡＧＬ／−ザ）等
々の各種のレーザが可能であるが、大出力が得られるＣ
Ｏ２レーザ、或いはエネルギーが光ファイバーを通すこ
とで取り扱い易いＹＡＧレーザが適当である。

集光方式は焦点設定位置が母材表面上である場合と母材
表面の上方位置である場合（デイ・フォーカス；焦点外
し）などがあり、適宜選択して使用できる。レーザは集
光特性に優れているため、必要以上に被加工部を加熱す
ることがなく、熱応力等による被加工部変形は無視でき
る。

必要街路じて、本加工用ビーム直下にフィラワイヤを供
給し溶接することも可能である。

（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、レーザビーム発
振器から生じるレーザビームを２分し、かつ、少なくと
も一方のビーム系に全反射ミラーを設けて、本加工用ビ
ームと補助加工用ビームを形成するので、加工目的に応
じた任意のビームエネルギーを加工に利用できる。また
、ビームをスキャニングすることによって所定幅の加工
が容易である。特に、亜鉛メツキ鋼板、ジンクプライマ
塗布鋼板などのように亜鉛又は亜鉛含有合金を含む防錆
皮膜を表面に有する表面処理鋼板又は鋼材或いはアルミ
板のような各種の表面処理板の溶接に適用すれば、補助
加工用ビームを先行させて防錆皮膜を除去し、しかる後
に本溶接を行えるので、ピット、ブローホールなどの溶
接欠陥の発生を防止することができる。また補助加工用
ビームを予熱又は後熱処理にも利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明におけるレーザビーム系の一例
を示す図、第４図（ａ）、　（ｂ）、（Ｃ）は部分面積反射ミラー
のミラ一部の各種形状を説明する図、第５図（、）、（ｂ）、（ｅ）は部分面積反射ミラーを
用いてレーザビームのエネルギー分布を２分する態様を
説明する図。第６図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はスキャニングの態様を
説明する図である。１・・・レーザビーム発振器、２・・・被加工部、Ｍ纏・・・部分面積反射ミラー、Ｍｓ。ＭいＭ２・・・全面積反射ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

（１）１つのレーザ発振器から生じるレーザビームを部
分面積反射ミラー又は部分反射ミラーを用いて、ビーム
エネルギーの多いレーザビーム（第１ビーム系）と、ビ
ームエネルギーの少ないレーザビーム（第２ビーム系）
とに２分し、かつ、一方のビームを全反射ミラーにて屈
曲させるビーム系とし、第１ビーム系を本加工用に、第
２ビーム系を補助加工用に用いる構成にしたことを特徴
とするレーザ加工用ヘッド。
（２）第２ビームを２個以上の全反射ミラーを用いて屈
曲させる請求項１に記載のレーザ加工用ヘッド。
（３）補助加工用ビームのビームエネルギーが全体の５
０％以内である請求項１に記載のレーザ加工用ヘッド。
（４）レーザビーム系にスキャニング機構を設けた請求
項１に記載のレーザ加工用ヘッド。