JPH0581359B2

JPH0581359B2 -

Info

Publication number: JPH0581359B2
Application number: JP63171320A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kishimoto
Original assignee: Hyogo Prefectural Government
Current assignee: Hyogo Prefectural Government
Priority date: 1988-07-09
Filing date: 1988-07-09
Publication date: 1993-11-12
Also published as: JPH0220682A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明はレーザ加工装置に関するものであ
る。

（従来技術および発明が解決しようとする課題）一般に、レーザ加工においては、レーザビーム
のエネルギー分布形態が加工効率、加工性能等に
大きな影響を与える。

従つて、高い加工効率、加工性能等を得るた
め、切断や溶接には所謂シングルモードのレーザ
ビームが使用され、表面処理や溶接には均一分布
のエネルギー分布を持つレーザビームが使用され
ている。

ところが、第１図に示すようなレーザ発振器と
集光レンズを備えた従来のレーザ加工装置におい
ては、レーザ発振器から放出されたレーザビーム
Leを集光レンズ１１により収束させても、レー
ザビームのエネルギー分布形態に変化は生じな
い。

また、シングルモードのレーザビームを集光さ
せて切断を行つた場合には適しているが、マルチ
モードのレーザビームを集光させて切断を行つた
場合には、レーザの出力の割に被加工物を切断し
難いという欠点が生ずる。このように、マルチモ
ードのレーザー発振器は切断加工に適していない
ことより、従来、切断をおこなう場合、専らシン
グルモードのレーザー発振器を用いておこなつて
いた。

本発明は、上記現状に鑑みおこなわれたもの
で、シングルモードあるいはマルチモード等どの
ような形態のモードのレーザ発振器から放出され
たレーザビームであつても、エネルギー分布形態
が中心に集中するレーザ加工装置を提供すること
を目的とする。

（課題を解決するための手段）本第１の発明は、レーザビームを発生するレー
ザ発振器と、通過するレーザビームを集束させる
集光レンズと、該集光レンズの下方に内面鏡を備
えたレーザ加工装置において、上記内面鏡を、長
さ方向にわたつて内径が均一の円筒からなる内面
鏡で構成したことを特徴とする。

また、本第２の発明は、上記第１の発明にかか
るレーザ装置において、集光レンズと内面鏡との
間に、補助ガス供給管を設けたことを特徴とす
る。

（作用）しかして、上記第１の発明にかかるレーザ加工
装置は、レーザ発振器から放出されたレーザビー
ムが、集光レンズで集光されるとともに、その下
方の長さ方向にわたつて内径が均一の円筒からな
る内面鏡で多重反射することによつて、内面鏡の
出口で適切な形態のエネルギー分布に変換され
る。つまり、上記エネルギー分布の形態は、上記
内面鏡の横断面形状が円形になつていることに起
因して、レーザ発振器から放出されるレーザビー
ムがシングルモードあるいはマルチモード等どの
ような形態のモードのレーザビームであつても、
中心部にエネルギーが飛躍的に集中するような形
態のエネルギー分布を得ることができ、また、こ
の場合、内面鏡の長さが増加するに従つてより収
束させることができる。

また、上記第２の発明にかかるレーザ加工装置
は、上記第１の発明のレーザ加工装置において、
レーザビームが照射されることによつて被加工物
からその溶融物が内面鏡側および集光レンズ側に
飛散するが、集光レンズと内面鏡との間に配設さ
れた補助ガス供給管から供給される補助ガスが集
光レンズと内面鏡近傍に雰囲気ガスとして充満
し、このガスは内面鏡内を通つて被加工物に向か
つて噴出して、上記飛散した溶融物が集光レンズ
と内面鏡に当接・損傷を与えるのを防止するとと
もに集光レンズと内面鏡等を冷却する。尚、この
補助ガスは、表面処理などをおこなうときの雰囲
気ガスとして、また高精度の切断をおこなうとき
の補助ガスとしても作用する。

（実施例）以下、図面を参照しながら本発明の実施例につ
いて説明する。

第２図は一部に被加工物の加工状態を示す斜視
図を含む本発明にかかるレーザ加工装置の要部の
構成を示す断面図である。

この第２図において、Leはレーザビームで、
このレーザビームLeは、図示しないレーザ発振
器から放出され、該レーザ発振器の光路上の下方
に位置する集光レンズ１１を通過し、さらにその
光路上の下方に位置する鏡筒１３を経て内面鏡１
４で多重反射し、開口されている上記内面鏡１４
から、下方に位置する被加工物１６に照射される
ように構成されている。

また、上記鏡筒１３の上下方向における中間部
位（即ち、上記集光レンズ１１と内面鏡１４との
間）には、補助ガス供給管１２の一端が、該鏡筒
１３内に向かつて開口するよう配設され、上記補
助ガス供給管１２の他端は図示しない補助ガス供
給源に接続されている。

図示しない上記レーザ発振器は、シングルモー
ド又はマルチモードのレーザビームを放出するい
ずれかのレーザ発振器で構成されている。また、
上記内面鏡１４は、横断面が円形のもの、つまり
長さ方向にわたつて内径が均一の円筒形のもので
構成されている。

しかして、上記レーザ加工装置を使用して、レ
ーザ加工すると以下のようになる。

即ち、内面鏡に、その横断面形状が直径3.2mm
の円形の、長さＬ＝101.6mmの管状（円筒形）の
ものを使用し、レーザ発振器から出力800Wでビ
ーム径16mmのシングルモードのレーザビームを
0.1秒間放出したときの内面鏡の出口におけるア
クリルバーンパターンは、第８図ｂに図示するよ
うになる。このアクリルバーンパターンは、エネ
ルギー分布の形態を表している。内面鏡のない従
来の装置を用いて出力800Wでビーム径3.2mmのシ
ングルモードのレーザビームを0.1秒間放出した
ときの内面鏡の出口におけるアクリルバーンパタ
ーンは、第８図ａに図示するようになる。

上記第８図ｂに図示するような形態のエネルギ
ー分布を、第８図ａに図示する形態のエネルギー
分布のものと比べると、中心の深さが約３倍にな
り中心部にエネルギーが極めて集中していること
がわかる。

また、上述の事象を、第３図に図示するような
モデル化されて示されるレーザ加工装置に基づい
て計算（シユミレーシヨン）によつて検証する
と、以下のようになる。尚、この場合、レーザビ
ームの干渉を無視することを前提としている。

即ち、内面鏡に横断面形状が直径3.2mmの円形
の、(1)長さＬ＝76.2mmの管状のもの、(2)長さＬ＝
101.6mmの管状のもの、(3)長さＬ＝508.0mmの管状
のものを使用し、レーザ発振器から、出力800W
でビーム径16mmのシングルモードのレーザビーム
を放出したとした場合、内面鏡の出口で、それぞ
れ第４図ｂ，ｃ，ｄに図示されるような形態のエ
ネルギー分布となる。

これらの図は、内面鏡ない従来の装置を用いて
出力800Wでビーム径1.6mmのシングルモードのレ
ーザビームを照射した第４図ａに図示する形態の
エネルギー分布のものと比べると、中心部にエネ
ルギーが極めて集中しており、実施例の結果と一
致する。

そして、上記第４図ｂ，ｃ，ｄの各図より、内
面鏡の長さＬの値が増加するにしたがつて、エネ
ルギー分布における中心部のエネルギー密度は増
加するが、分布形状の変化は少ないことが判る。

また、エネルギー分布の半径ｒ＝0.05mmにおけ
るエネルギー密度P_r=0.05及びエネルギー分布にお
ける最低のエネルギー密度P_nioと、内面鏡の長さ
Ｌとの関係は、第５図に図示するような関係とな
り、この図により、上記長さＬが増加するにした
がつて、上記P_r=0.05及びP_nioが一定の値に収束す
ることが判る。

次に、マルチモードのレーザビームの場合につ
いて検証する。

即ち、内面鏡に横断面形状が直径3.2mmの円形
の、(1)長さＬ＝50.8mmの管状のもの、(2)長さＬ＝
54.0mmの管状のもの、(3)長さＬ＝101.6mmの管状
のものを使用し、レーザ発振器から、出力800W
でビーム径16mmのマルチモードのレーザビームを
放出したとした場合、それぞれ第６図ｂ，ｃ，ｄ
に図示されるような形態のエネルギー分布とな
る。

マルチモードの場合には、シングルモードの場
合と異なり、内面鏡の長さが上記「(1)」の場合と
「(3)」の場合で、エネルギー分布が同じ形態とな
つている。また、エネルギー分布の半径ｒ＝0.05
mmにおけるエネルギー密度P_r=0.05及びエネルギー
分布における最低のエネルギー密度P_nioと、内面
鏡の長さＬとの関係は、第７図に図示するような
関係となり、この図より、内面鏡の長さＬの値が
50.8mmの倍数のところで同じエネルギー密度とな
ることが判る。

また、そのときのエネルギー密度は半径の値に
反比例している。即ち、上記第６図ｂ，ｃ，ｄの
図は、内面鏡のない従来の装置を用いて出力
800Wでビーム径3.2mmのマルチモードのレーザビ
ームを照射した第６図ａに図示する形態のエネル
ギー分布のものと比べると、中心部にエネルギー
が極めて集中しており、上記実施例の結果と一致
している。

上述のことから、横断面形状が円形（円筒形）
の内面鏡を装着すると、シングルモード及びマル
チモードのレーザビームは、中央部にエネルギー
が集中した形態のエネルギー分布に変換できるこ
とがわかる。

上記各実施例から言えることは、上述のように
構成されたレーザ加工装置の内面鏡１４を横断面
が円形のものを取着し、図示しない発振器からレ
ーザビームLeを放出すると、上記発振器がシン
グルモードもしくはマルチモード等のいかなる種
類のレーザビームを放出する場合にも、そのエネ
ルギー分布は、第４図ｂ〜ｄ、第６図ｂ〜ｄに図
示するように、被加工物に円形状に中央部分で集
中的に分布して照射されることとなる。

そして、シングルモードのレーザビームの場合
には第４図ｂとｃとｄに図示されるように、内面
鏡１４の長さＬが長くなる程より中央部分で集中
的に分布して照射されることとなる。また、マル
チモードのレーザビームの場合には、ある長さの
倍数のところで同じ形態のエネルギー分布とな
る。

（発明の効果）しかして、本発明にかかるレーザ加工装置によ
れば、レーザビームがシングルモードであつても
マルチモードであつても、その加工の態様に合わ
せて最適な形態のエネルギー分布に変換すること
ができる。つまり、上記エネルギー分布の形態
は、上記内面鏡の横断面形状が円形になつている
ことに起因して、レーザ発振器から放出されるレ
ーザビームがシングルモードあるいはマルチモー
ド等どのような形態のモードのレーザビームであ
つても、中心部にエネルギーが飛躍的に集中する
ような形態のエネルギー分布を得ることができ、
また、この場合、一般に、内面鏡の長さが増加す
るに従つてより収束させることができる。

従つて、加工効率、加工性能及び加工精度が向
上するとともに、省エネルギー化にも寄与するこ
とができる。

また、従来、切断加工に合わせてシングルモー
ドのレーザ発振器を具備しなければならなかつた
のが、本発明によれば、いずれの形態のレーザ発
振器であつても最適な切断加工をおこなうことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を示す模式図、第２図はこの発
明の一実施例を示す断面図、第３図は計算（シユ
ミレーシヨン）の対象となる構成のレーザ加工装
置の断面図、第４図ａは内面鏡を付さない場合の
出力800W、ビーム径1.6mmのシングルモードのレ
ーザビームのエネルギー分布図、第４図ｂ，ｃ，
ｄは横断面形状が直径3.2mmの円形の管からなる
内面鏡を付して出力800W、ビーム径16mmのシン
グルモードのレーザビームを放出した場合の該内
面鏡の出口でのエネルギー分布図、第５図はシン
グルモードのレーザビームを用いた場合の横断面
形状が円形の内面鏡の管の長さとエネルギー密度
との関係を示す図、第６図ａは内面鏡を付さない
場合の出力800W、ビーム径3.2mmのマルチモード
のレーザビームのエネルギー分布図、第６図ｂ，
ｃ，ｄは横断面形状が直径3.2mmの円形の管から
なる内面鏡を付して出力800W、ビーム径16mmの
マルチモードのレーザビームを放出した場合の該
内面鏡の出口でのエネルギー分布図、第７図はマ
ルチモードのレーザビームを用いた場合の横断面
形状が円形の内面鏡の管の長さとエネルギー密度
との関係を示す図、第８図ａは内面鏡を付さない
場合の出力800W、ビーム径3.2mmのシングルモー
ドのレーザビームのエネルギー分布を示すオシロ
波形写真、第８図ｂは横断面形状が直径3.2mmの
円形の管からなる内面鏡を付して出力800W、ビ
ーム径16mmのシングルモードのレーザビームを放
出した場合の該内面鏡の出口でのエネルギー分布
を示すオシロ波形写真である。 Le……レーザビーム、Ｇ……補助ガス、１１
……集光レンズ、１２……補助ガス供給管、１３
……鏡筒、１４……内面鏡、１５……内面鏡の出
口、１６……被加工物。

Claims

【特許請求の範囲】１レーザビームを発生するレーザ発振器と、通
過するレーザビームを集束させる集光レンズと、
該集光レンズの下方に内面鏡を備えたレーザ加工
装置において、上記内面鏡を、長さ方向にわたつて内径が均一
の円筒からなる内面鏡で構成したことを特徴とす
るレーザ加工装置。２請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記集光レンズと内面鏡との間に、補助ガス供
給管を設けたことを特徴とするレーザ加工装置。