JPH05212572A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ加工の一つである、焦点を外したスポ
ットによる熱処理加工をレーザ出力の損失を少なくし、
効率良く行えるレーザ加工装置の提供。 【構成】 レーザ加工装置において、レーザビーム４の
焦点を被加工物５の表面から外れた位置に設定できる焦
点位置決め機構と、被加工物表面からの光を被加工物表
面に向けて反射する再反射ミラー７を設ける。再反射ミ
ラーは加工ヘッド１と被加工物５の間に配置され、レー
ザビーム４を通過させる貫通孔８を有している。再反射
ミラー７を作動位置と退避位置とに移動可能としたり、
冷却機構を設けることがある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、被加工物に溶接、焼
き入れなどの熱処理加工を行うレーザ加工装置に関す
る。

【０００２】

【従来技術】近年レーザ発振器の大出力化が進むにつれ
て、レーザ溶接、レーザ焼き入れと入ったレーザによる
熱処理への応用が進んでいる。レーザ加工は、非常に狭
い範囲にレーザビームを集光照射して被加工物を急速に
加熱して加工できることが特徴である。

【０００３】レーザビームによる溶接加工では、通常、
被加工物表面に焦点を合わせてレーザビームが照射され
る。この場合の被加工物上の集光点（スポット）はきわ
めて小さく、高いエネルギ密度となるので、被加工物表
面は急速に加熱されて溶け込む。この溶けこみ個所は加
工ヘッドあるいは被加工物の移動にともなうスポットの
移動と共に移動し、所要長さの溶接が行われる。溶けこ
み個所は周囲に対して非常に小さな個所なので、従来の
熱処理加工のように広い範囲にわたり熱による影響を残
してしまうことがない利点がある。

【０００４】しかし、溶接過程において、周囲に対して
非常に小さな溶けこみ個所は、スポットが移動して去る
と、急速に熱を失い、急速に冷却される。このためにレ
ーザビームによる溶接は、溶けこみ個所が急冷されるこ
とが原因で、焼き入れ性がある材料の場合に焼きが入っ
て割れたり（焼き割れ）、また、他の材料であっても溶
けて膨脹した部分が元に戻らない間に固まってしまい、
芯の部分が割れてしまう（引け割れ）と入った現象を生
じる。

【０００５】このような現象は、抵抗やガスなどの副次
的な熱源を利用して、溶接個所を予熱し、また、溶融後
を徐冷するようにすれば防ぐことができる。しかし、副
次的熱源を利用することは熱処理装置としてコスト高に
なるし、なによりも、熱を加える部分を必要最小限に止
めることができるとか、ビームを伝送することによって
どんなところでも加工できるという、レーザによる熱処
理加工の長所を充分に活かすことができない。

【０００６】一方、被加工物表面に焦点を外したレーザ
ビームを照射して行う熱処理加工がある。焼き入れ加工
や焼き鈍し加工、あるいは溶接の場合に溶融される幅を
大きくする場合である。前記の予熱、徐冷もこのような
熱処理加工の一つとして行うことができる。しかし、レ
ーザビームの焦点を被加工物の表面から外して照射する
ことによる熱処理加工は、そのままでは効率が悪い。

【０００７】すなわち、レーザの出力が材料に効率良く
吸収されるのは、良く集光した焦点が材料の表面にあ
り、材料表面に材料の溶けた池とこの中央に形成された
孔（キーホール）があって、レーザ出力の大部分がキー
ホール内の狭い領域で反復反射によって吸収され、充分
なエネルギ密度が得られるときであるが、焦点が材料表
面から外れると、多くの材料の場合、とくに金属材料の
場合、吸収率が２５％未満となり、他の大部分のレーザ
エネルギは反射されて散乱してしまい、高いエネルギ密
度を得られない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、レーザに
よる熱処理加工の一つである、焦点を被加工物の表面か
ら外してレーザビームを照射する熱処理加工を効率良く
行えるレーザ加工装置の提供を課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】加工ヘッド先端からレー
ザビームを被加工物に集光照射して熱処理を行うレーザ
加工装置とする。レーザビームの焦点を被加工物の表面
から外れた位置に設定できる焦点位置決め機構と、被加
工物表面からの光を被加工物表面に向けて反射する再反
射ミラーを設ける。前記のミラーは加工ヘッドと被加工
物間に位置し、レーザビームを通過させる貫通孔を有す
るものとする。

【００１０】再反射ミラーを加工ヘッドと被加工物間の
作動位置と、この位置から退避した退避位置とに移動可
能とすることは好ましい構成である。再反射ミラーに冷
却機構を設けることは好ましい構成である。

【００１１】

【作用】焦点位置決め機構は、レーザビームの焦点を被
加工物の表面から外れた位置に設定することを可能にす
る。再反射ミラーは被加工物表面から反射するレーザ光
を繰り返し反射し、被加工物表面に照射する。

【００１２】

【実施例】図１、図２は、レーザ加工装置における加工
ヘッド１の個所を示す。加工ヘッド１は上下移動（Ｚ
軸）する遮光筒２の先端に固定され、内部に集光レンズ
３を備えている。レーザ発振器から設定された導光路を
経て集光レンズ３に達したレーザビーム４は、集光され
て焦点Ｆを形成し、被加工物５の表面に集光点（スポッ
ト）Ｐを形成する。加工ヘッド１を上下することによっ
てスポットＰは焦点Ｆの大きさとなったり、焦点Ｆから
若干拡散した大きさとなる。

【００１３】すなわち、加工ヘッド１を先端に固定し上
下移動する遮光筒２、レーザ加工装置のＺ軸移動機構お
よびレーザ加工装置が備えた数値制御装置（ＮＣ装置）
は、レーザビームの焦点Ｆを被加工物の表面から外れた
位置に設定することができる焦点位置決め機構を構成す
る。なお、加工ヘッド１にはアシストガスを供給するた
めの配管６が接続されている。

【００１４】加工ヘッド１と被加工物５との間には平板
形の再反射ミラー７が被加工物５の表面と平行に水平配
置されている。再反射ミラー７は被加工物５と対面する
側が鏡面７´に形成され、レーザビーム４の光軸ａと交
叉する個所に貫通孔８が形成されている。貫通孔８は集
光されたレーザビーム４を通過させるのに支障がない範
囲でできるだけ小さなものとされている。

【００１５】再反射ミラー７は全体的に中空構造とさ
れ、一端に形成された水ポート９を介して冷却水が循環
できるようになっている。また、再反射ミラー７の一端
にはガス・ポート１０が形成されて、再反射ミラー７と
被加工物５の表面との間隙にシールドガスが供給される
ようになっている。符号１１は冷却水循環用配管、符号
１２はシールドガス供給用配管である。

【００１６】再反射ミラー７は一端に形成された軸受部
材１３（図１）で支持体１４から突出した軸１５に固定
されている。軸１５はモータ１６の出力軸に連結されて
いて回転する。モータ１６は支持体１４の内部に取付け
られ、前記したレーザ加工装置のＮＣ装置の制御下で駆
動される。支持体１４は遮光筒２の下端部に固定され加
工ヘッド１と共に上下移動する。また、軸受部材１３の
内部には水通路とガス通路が形成され、さらに、軸１５
には前記の冷却水用配管１１とシールドガス供給用配管
１２が連結されており、これらは前記の水ポート９とガ
ス・ポート１０で相互に回動可能に接続されている。

【００１７】再反射ミラー７は前記のモータ１６によっ
て、加工ヘッド１と被加工物５の間に配置された作動位
置（図１の実線位置）と、この位置から完全に退避した
退避位置（同鎖線位置）とに移動可能とされている。符
号１７は再反射ミラー７を作動位置で停止するためのリ
ミットスイッチ、符号１８は同様に退避位置で停止する
ためのリミットスイッチである。

【００１８】なお、支持体１４には、再反射ミラー７の
退避位置に該ミラー７の鏡面７´に接し、これの全面を
覆うカバー１９が固定されている。また、再反射ミラー
７が作動位置とされたとき、レーザビーム４の焦点Ｆは
貫通孔８の出口付近に位置するように調整されている。
これにより、再反射ミラー７における貫通孔８の出口径
をもっとも小さなものとできる。

【００１９】以上のような加工ヘッド１を備えたレーザ
加工装置で、パイプ２０とフランジ２１を溶接ラインｂ
に沿って溶接する場合について説明する（図４）。これ
らパイプ２０とフランジ２１の素材は焼き入れ性のある
鉄鋼材である。治具２２，２２´が準備される。治具２
２，２２´はそれぞれ、架台２３とその一端に取り付け
られたモータ２４，２４´およびモータ２４，２４´の
出力軸に連結されて回転する取付け具２５，２５´で構
成されている。また、レーザ加工装置の加工ヘッド１は
Ｚ軸による上下移動のみが行われる。この上下移動のタ
イミングと移動量、前記のモータ１６（再反射ミラー
用）やモータ２４，２４´（治具用）の駆動タイミング
および回転量などはＮＣ装置にプログラムされ、また、
データとして入力されて設定されている。

【００２０】一方の治具２２における取付け具２５にフ
ランジ２１を仮に固定し、他方の治具２２´における架
台２３´にパイプ２０を載せて回動自在とする。パイプ
２０の一端面をフランジ２１の端面を突き合わせ、他端
を補助具２６を用いて取付け具２４´に固定する。そし
て、治具２２，２２のモータ２４，２４´が同期してて
駆動され、フランジ２１とパイプ２０が所定の速度で回
転される。

【００２１】レーザ加工装置の加工ヘッド１を溶接ライ
ンｂに近接させて配置し、再反射ミラー７を作動位置と
する（図２、図３Ａ）。この状態で加工ヘッド１にアシ
ストガスを、また、再反射ミラー７に冷却水とシールド
ガスを供給して、レーザビーム４を照射する。レーザビ
ーム４は焦点Ｆを通過して少し拡散した状態で被加工物
５の表面にスポットＰを形成する。

【００２２】スポットＰは拡散しているので、被加工物
５の表面が溶けて溶融した材料の池にキーホールが形成
されることはないので、レーザビーム４のエネルギは一
次的には２０％くらいしか熱として被加工物５に吸収さ
れない。他の８０％は被加工物５の表面で反射される。
したがって、この段階で溶接ラインｂの被加工物は加熱
されるが、スポットＰにより溶融されることはない。一
方、反射されたレーザ光は再反射ミラー７で反射されて
再び被加工物５の表面に到達し、二次的に一部が熱に変
化する。さらに反射されたレーザ光はさらに再反射ミラ
ー７で反射されて被加工物５の表面に達し、一部が熱に
変化する。

【００２３】このようにして、被加工物５の表面で反射
されたレーザ光は再反射ミラー７との間で反射を繰り返
し、最終的にレーザビーム４が持っていたエネルギのほ
とんどが熱として被加工物５に吸収される。しかし、そ
の熱吸収面は反射にともなうレーザ光の拡散によって広
く、被加工物５が溶融される程ではない。なお、レーザ
ビーム４のエネルギは、一部が再反射ミラー７に吸収さ
れ、該ミラー７の温度を上昇させるが、この熱は冷却水
により外部に排出されて、再反射ミラー７が損なわれる
ことはない。

【００２４】この間、溶接ラインｂは所定の速度で回動
されているので、結局、溶接ラインｂの周辺が比較的広
い範囲にわたって予熱される。このような予熱を溶接ラ
インｂの全周にわたり、必要な温度が達成されるまで数
周回行う。

【００２５】適宜な温度検出手段により、予熱の達成が
確認されると、加工ヘッド１がいったん被加工物５から
引き離され、ついで、モータ１６が駆動されて再反射ミ
ラー７が作動位置から退避位置に回動される。モータ１
６は再反射ミラー７がリミットスイッチ１８を踏むこと
で停止される。これにより、加工ヘッド１が被加工物５
に対し直接に対向すると共に、再反射ミラー７の鏡面７
´がカバー１８で覆われる。

【００２６】この状態で、加工ヘッド１が被加工物５の
表面に向けて移動され、今度は焦点Ｆを溶接ラインｂに
配置する（図３Ｂ）。そして、レーザビーム４を照射す
ると、スポットＰは非常に小さいので、被加工物５の表
面は急速に溶融され、また、溶接ラインｂの回動にとも
ない溶融個所が移動していくので、溶接ラインｂが一周
したとき、パイプ１９とフランジ２０が溶接される。こ
のとき、溶接ラインｂの周辺は充分に予熱されているの
で、溶接個所の急冷は生じない。また、再反射ミラー７
は退避位置にあって、溶接時に生じる多量のスパツタや
ミストから鏡面７´がカバー１８によって保護されてい
る。

【００２７】モータ２４の回転量から溶接ラインｂの一
回転がＮＣ装置によって確認されると、加工ヘッド１は
被加工物５から引き離され、再度、再反射ミラー７が作
動位置に設定される。ついで、加工ヘッド１は予熱時と
同じ位置まで被加工物５の表面に接近され、予熱時と同
様に焦点を外れた位置でスポットＰを被加工物表面に形
成する。ついで、モータ２４，２４´により溶接ライン
ｂが回動される。そして、溶接個所の温度が設定した温
度になるまで数周回、溶接ラインｂを回動させて徐冷が
行われる。これにより、溶接個所の急冷が防止される。

【００２８】以上のようにして、結局、溶接個所の急冷
はなく、焼き割れや引け割れのない良質の溶接が完了す
る。また、予熱温度や徐冷温度は再反射ミラー７を用い
てレーザビーム４を照射するときの照射時間（回動数）
を調整することで任意に設定できる。しかも、この場合
にスポットＰの大きさを変化させれば、被加工物５にお
いて予熱作用や徐冷作用のおよぶ範囲を調整することが
できる。

【００２９】材料の溶融を必要としない焼き入れ、焼き
鈍しの場合は、一貫して再反射ミラー７を作動位置とし
た前記の予熱、徐冷の要領で行う。このときの焼き入
れ、焼き鈍し温度は加工ヘッド１に対する被加工物５の
移動速度や照射の繰り返し回数などによって調節する。

【００３０】図５は再反射ミラー７に関する他の実施例
を示し、鏡面７´が凹面鏡に形成されている。前記のよ
うに鏡面７´が平面の場合、被加工物表面から反射され
たレーザ光はスポットＰの周囲に拡散するが、この実施
例では被加工物表面から反射されたレーザ光をスポット
Ｐの周囲に集光させる機能がある。これにより、レーザ
光による予熱、徐冷あるいはその他の、被加工物５の表
面に焦点Ｆを外したレーザビーム４のスポットＰを形成
して行う熱処理加工の効率を、より向上させることがで
きる。

【００３１】以上は実施例である。被加工物５の表面
に、レーザビームの焦点Ｆを外したスポットＰを作るの
に、前記の焦点Ｆの位置を実施例のように光軸ａ上、被
加工物表面に対する加工ヘッド１側ではなく、被加工物
５側としても良い。再反射ミラー７を作動位置と退避位
置とするのに、回動によらず平行移動によっても良く、
さらに、着脱式としても良い。ミラー７の冷却は液冷に
限らず空冷でも良い。

【００３２】

【発明の効果】レーザ加工の一つである、焦点を外した
スポットによる熱処理加工において、レーザ出力の損失
を大きく改善し、効率の良い熱処理加工を実施すること
ができる。焼き入れ性のある材料を溶接する場合に、レ
ーザビームを用いて効率良く、予熱、徐冷を行うことが
でき、良質の溶接を行うことができる。溶接のような熱
処理加工であっても、加工時にレーザビーム以外の副次
的な熱源を必要としないので、レーザビームを伝送でき
るところであれば加工を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ加工装置における加工ヘッド部分の正面
図。

【図２】一部を断面にして示す機構図。

【図３】一部を断面にした、作動を説明するための図。

【図４】中央部を省略して示す正面図。

【図５】断面で示す正面図（他の実施例）。

【符号の説明】

１ 加工ヘッド ４ レーザビーム ５ 被加工物 ７ 再反射ミラー ８ 貫通孔 Ｆ 焦点 Ｐ スポット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加工ヘッド先端からレーザビームを被加
   工物に集光照射して熱処理を行うレーザ加工装置であっ
   て、レーザビームの焦点を被加工物の表面から外れた位
   置に設定できる焦点位置決め機構と、被加工物表面から
   の光を被加工物表面に向けて反射する再反射ミラーを備
   え、該ミラーは加工ヘッド先端と被加工物間に位置し、
   レーザビームを通過させる貫通孔を有していることを特
   徴としたレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 再反射ミラーが、加工ヘッドと被加工物
   間の作動位置とこの位置から退避した退避位置とに移動
   可能とされていることを特徴とした請求項１に記載のレ
   ーザ加工装置。
3. 【請求項３】 再反射ミラーに冷却機構が設けられてい
   ることを特徴とした請求項１または請求項２に記載のレ
   ーザ加工装置。