JPH0767633B2 - 同軸多焦点式レーザビーム集光装置 - Google Patents
同軸多焦点式レーザビーム集光装置Info
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- JPH0767633B2 JPH0767633B2 JP62300197A JP30019787A JPH0767633B2 JP H0767633 B2 JPH0767633 B2 JP H0767633B2 JP 62300197 A JP62300197 A JP 62300197A JP 30019787 A JP30019787 A JP 30019787A JP H0767633 B2 JPH0767633 B2 JP H0767633B2
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- JP
- Japan
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- lens
- laser
- lenses
- convex
- laser beam
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
- B23K26/0608—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]
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- B23K26/067—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing
Description
【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、レーザ加工装置のビーム集光装置に関する。
＜従来の技術＞ レーザ加工装置は第３図に示すような構成で、レーザ発
振器１、全反射鏡２、出力鏡３、全反射鏡５、集光レン
ズ６、ワーク７よりなり、伝送ビーム４は集光系である
集光レンズ６によりワーク７上の焦点８に集光される。
振器１、全反射鏡２、出力鏡３、全反射鏡５、集光レン
ズ６、ワーク７よりなり、伝送ビーム４は集光系である
集光レンズ６によりワーク７上の焦点８に集光される。
第４図は、ワーク７の材料温度とレーザ光の吸収率を示
しており、溶融点上及びそれ以上の温度にて吸収が甚だ
しい。すなわち、レーザ加工に当ってレーザ吸収率を考
慮しないと溶断などの加工ができないことが判明する。
しており、溶融点上及びそれ以上の温度にて吸収が甚だ
しい。すなわち、レーザ加工に当ってレーザ吸収率を考
慮しないと溶断などの加工ができないことが判明する。
また、第５図は２個の全反射鏡5a,5bを備えると共に２
個の集光レンズ6a,6bを備えて焦点８に集光させた例を
示している。
個の集光レンズ6a,6bを備えて焦点８に集光させた例を
示している。
＜発明が解決する問題点＞ このように第３図や第５図に示すレーザ加工装置があ
り、第４図に示す加工に当ってレーザ吸収があるもので
あるが、次の問題がある。
り、第４図に示す加工に当ってレーザ吸収があるもので
あるが、次の問題がある。
第３図に示す１焦点レーザ光による母材溶け込み形
状は、焦点位置との関係で第７図（イ），（ロ），
（ハ）の如くとなる。即ち、適正深さｈ＝h2以外では、
（イ）の三角状や（ハ）の瓢箪型となり、高感度ハイセ
ンサーを搭載しても、高速溶接時には溶け込み形状９の
ばらつきが問題であった。すなわち、第７図（ロ）の好
適な形状になりにくい。
状は、焦点位置との関係で第７図（イ），（ロ），
（ハ）の如くとなる。即ち、適正深さｈ＝h2以外では、
（イ）の三角状や（ハ）の瓢箪型となり、高感度ハイセ
ンサーを搭載しても、高速溶接時には溶け込み形状９の
ばらつきが問題であった。すなわち、第７図（ロ）の好
適な形状になりにくい。
レーザ光では、相当な長焦点レンズを使用しない限
り、第６図に示すようにエネルギー密度の高い焦点８近
傍のビームウェスト部の長さｌが短く、このため厚板の
溶接，溶断が困難となる一因があった。他方、長大焦点
レンズを用いる方法もあるが、溶接、溶断ヘッド機構が
大型化し実用的でなかった。
り、第６図に示すようにエネルギー密度の高い焦点８近
傍のビームウェスト部の長さｌが短く、このため厚板の
溶接，溶断が困難となる一因があった。他方、長大焦点
レンズを用いる方法もあるが、溶接、溶断ヘッド機構が
大型化し実用的でなかった。
１焦点レーザ光による深溶け込み溶接手段として、
第４図の特公昭56−49195号で示すごとく、波長10.6μ
ｍのCO2レーザ光のアルミニウムに対する吸収率の特性
結果から、アルミニウムが溶融すると吸収率が大幅に向
上する特性を利用して、予めTIG溶接で先行溶融させた
領域にレーザ光を後行照射させるというTIGとレーザ光
の併用溶接法の有効性を提案している。
第４図の特公昭56−49195号で示すごとく、波長10.6μ
ｍのCO2レーザ光のアルミニウムに対する吸収率の特性
結果から、アルミニウムが溶融すると吸収率が大幅に向
上する特性を利用して、予めTIG溶接で先行溶融させた
領域にレーザ光を後行照射させるというTIGとレーザ光
の併用溶接法の有効性を提案している。
本法では、２つの加熱手段が不可欠となるものである。
第５図に示す２焦点レーザ光を用いる方式では、２
光線は交叉するため板厚直交方向へのエネルギ分散効果
が悪い。
光線は交叉するため板厚直交方向へのエネルギ分散効果
が悪い。
そこで、本発明は、上述の問題点を解決して、母材溶け
込み形状を正常化し、ビームウエストを長くし、TIGと
レーザとの併用を回避し、そしてエネルギ分散を良化し
たレーザビーム集光装置を提供する。
込み形状を正常化し、ビームウエストを長くし、TIGと
レーザとの併用を回避し、そしてエネルギ分散を良化し
たレーザビーム集光装置を提供する。
＜問題点を解決するための手段＞ 上述の目的を達成する本発明は、レーザ発振器及びビー
ム伝送系を経たビームを集光させるビーム集光装置にお
いて、周辺部が均一厚さで中央部が凸形状を有する一方
のレンズと、周辺部が凸形状で中央部が均一厚さを有す
る他方のレンズとを光軸を一致させて配置したことを特
徴とする。
ム伝送系を経たビームを集光させるビーム集光装置にお
いて、周辺部が均一厚さで中央部が凸形状を有する一方
のレンズと、周辺部が凸形状で中央部が均一厚さを有す
る他方のレンズとを光軸を一致させて配置したことを特
徴とする。
＜作用＞ 光軸に沿って一方のレンズによる焦点と他方のレンズに
よる焦点を形成することにより、夫々のレンズにより、
エネルギー密度の高い焦点を板厚方向に分散でき、レン
ズ間距離を可変とすることにより、板厚の任意の所望位
置に集光できる。特別の場合として、焦点を合致させ、
レーザの全エネルギーを一点集光できる。
よる焦点を形成することにより、夫々のレンズにより、
エネルギー密度の高い焦点を板厚方向に分散でき、レン
ズ間距離を可変とすることにより、板厚の任意の所望位
置に集光できる。特別の場合として、焦点を合致させ、
レーザの全エネルギーを一点集光できる。
＜実 施 例＞ ここで、第１図および第２図を参照して本発明の実施例
を説明する。第１図は光軸に沿って２枚のレンズを配置
し、第２図は３枚のレンズを配置した例を示す。第１図
において、光軸を一致させた２枚の平凸レンズ6Aと6Bを
配置し、レンズ6A（焦点距離fA）は中央部fgが平ら（平
坦部）で周辺部ef,ghが凸部になっており、レンズ6B
（焦点距離fB）は中央部bCが凸で周辺部ab,cdが平らに
なっている。そして、レンズ6Aの中央部fgとレンズ6Bの
中央部bCとが光学的に対処し、レンズ6Aの周辺部ef,gh
とレンズ6Bの周辺部ab,cdが光学的に対応している。そ
して、両レンズ6A,6B間距離ｇは可変機構により調節で
きるようになっており、光軸方向に２つの異焦点8A,8B
が得られる。
を説明する。第１図は光軸に沿って２枚のレンズを配置
し、第２図は３枚のレンズを配置した例を示す。第１図
において、光軸を一致させた２枚の平凸レンズ6Aと6Bを
配置し、レンズ6A（焦点距離fA）は中央部fgが平ら（平
坦部）で周辺部ef,ghが凸部になっており、レンズ6B
（焦点距離fB）は中央部bCが凸で周辺部ab,cdが平らに
なっている。そして、レンズ6Aの中央部fgとレンズ6Bの
中央部bCとが光学的に対処し、レンズ6Aの周辺部ef,gh
とレンズ6Bの周辺部ab,cdが光学的に対応している。そ
して、両レンズ6A,6B間距離ｇは可変機構により調節で
きるようになっており、光軸方向に２つの異焦点8A,8B
が得られる。
なお、本装置に於て、レンズ6Aによる焦点を8Bの位置
に、レンズ6Bによる焦点を8Aの位置に逆転配置してもよ
い。又レンズ6Aとレンズ6Bのレンズ配置を逆転配置して
も良い。但しこの場合、一部集光しきれない平行ビーム
処理対策が必要となる。
に、レンズ6Bによる焦点を8Aの位置に逆転配置してもよ
い。又レンズ6Aとレンズ6Bのレンズ配置を逆転配置して
も良い。但しこの場合、一部集光しきれない平行ビーム
処理対策が必要となる。
また、両凸レンズ6A,6Bの焦点距離fA,fBは,gを一定値に
固定する場合にはfA≠fBとするが、ｇが可変の場合には
fA＝fBであってもfA≠fBであっても良い。又、両者の凸
レンズ面の面積比SA/SB（SA:Aレンズの凸部面積、SB:B
レンズの凸部面積、SA＋SB＝１）は目的により設定する
ものとする。
固定する場合にはfA≠fBとするが、ｇが可変の場合には
fA＝fBであってもfA≠fBであっても良い。又、両者の凸
レンズ面の面積比SA/SB（SA:Aレンズの凸部面積、SB:B
レンズの凸部面積、SA＋SB＝１）は目的により設定する
ものとする。
第２図は３枚の平凸レンズ6A,6B,6Cを備えており、レン
ズ6A（焦点距離fA）、レンズ6B（焦点距離fB）、レンズ
6C（焦点距離fC）の光軸が一致され、レンズ6Cの凸部と
レンズ6B,6Aの平坦部レンズ6Bの凸部とレンズ6C,6Aの平
坦部、レンズ6Aの凸部とレンズ6B,6Cの平坦部とが光学
的に対応する。
ズ6A（焦点距離fA）、レンズ6B（焦点距離fB）、レンズ
6C（焦点距離fC）の光軸が一致され、レンズ6Cの凸部と
レンズ6B,6Aの平坦部レンズ6Bの凸部とレンズ6C,6Aの平
坦部、レンズ6Aの凸部とレンズ6B,6Cの平坦部とが光学
的に対応する。
また、レンズ6A,6B,6C相互間の距離g1,g2は可変にでき
るようにし、レンズ6A,6B,6C及び焦点8A,8B,8Cを逆転配
置しても良い。更にレンズを４枚以上としても良い。
るようにし、レンズ6A,6B,6C及び焦点8A,8B,8Cを逆転配
置しても良い。更にレンズを４枚以上としても良い。
＜発明の効果＞ 以上の構成により次の効果を有する。
（１） 板厚方向に焦点を分散させているので、１焦点
レーザ光に比べて、板厚方向の焦点位置が変動しても、
溶け込み形状のばらつき感受性が鈍感となり、均一な溶
け込み形状を得ることができる。
レーザ光に比べて、板厚方向の焦点位置が変動しても、
溶け込み形状のばらつき感受性が鈍感となり、均一な溶
け込み形状を得ることができる。
（２） 板厚方向に高エンルギー密度領域を分散させる
ことにより、擬似的にビームウェストの長いレーザビー
ム光となる。即ち板厚表層側の焦点で、微小溶融金属プ
ールを形成でき、第2,第３のレーザ光吸収率を向上でき
るため、同一出力でより厚板の溶接、溶断が可能とな
る。
ことにより、擬似的にビームウェストの長いレーザビー
ム光となる。即ち板厚表層側の焦点で、微小溶融金属プ
ールを形成でき、第2,第３のレーザ光吸収率を向上でき
るため、同一出力でより厚板の溶接、溶断が可能とな
る。
（３） 長焦点レンズを用いることなく板厚方向に焦点
分散できるので、ヘッド機構が小型となる。
分散できるので、ヘッド機構が小型となる。
（４） 他の予熱手段（TIG加熱など）が不要となり操
作性が向上する。
作性が向上する。
第１図，第２図は、本発明の実施例で、第１図は２焦点
レーザ集光装置の構成図、第２図は３焦点レーザ集光装
置の構成図、第３図，第５図は従来のレーザ加工装置の
構成図、第４図はワークと材料温度とのレーザ光の吸収
率を示す特性図、第６図はビームウェストを示す説明
図、第７図（イ），（ロ），（ハ）は溶け込み形状を示
す説明図である。 図中、 6A,6B,6Cは集光レンズ、 8A,8B,8Cは焦点、 g,g1,g2はレンズ間距離 fA,fB,fCは焦点距離である。
レーザ集光装置の構成図、第２図は３焦点レーザ集光装
置の構成図、第３図，第５図は従来のレーザ加工装置の
構成図、第４図はワークと材料温度とのレーザ光の吸収
率を示す特性図、第６図はビームウェストを示す説明
図、第７図（イ），（ロ），（ハ）は溶け込み形状を示
す説明図である。 図中、 6A,6B,6Cは集光レンズ、 8A,8B,8Cは焦点、 g,g1,g2はレンズ間距離 fA,fB,fCは焦点距離である。
Claims (1)
- 【請求項１】レーザ発振器及びビーム伝送系を経たビー
ムを集光させるビーム集光装置において、周辺部が均一
厚さで中央部が凸形状を有する一方のレンズと、周辺部
が凸形状で中央部が均一厚さを有する他方のレンズとを
光軸を一致させて配置したことを特徴とする同軸多焦点
式レーザビーム集光装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62300197A JPH0767633B2 (ja) | 1987-11-30 | 1987-11-30 | 同軸多焦点式レーザビーム集光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62300197A JPH0767633B2 (ja) | 1987-11-30 | 1987-11-30 | 同軸多焦点式レーザビーム集光装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01143783A JPH01143783A (ja) | 1989-06-06 |
| JPH0767633B2 true JPH0767633B2 (ja) | 1995-07-26 |
Family
ID=17881902
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62300197A Expired - Lifetime JPH0767633B2 (ja) | 1987-11-30 | 1987-11-30 | 同軸多焦点式レーザビーム集光装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0767633B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109128530A (zh) * | 2018-09-27 | 2019-01-04 | 广东工业大学 | 一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法 |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2798223B2 (ja) * | 1991-05-22 | 1998-09-17 | 松下電工株式会社 | レーザ切断方法 |
| JP2664625B2 (ja) * | 1993-09-10 | 1997-10-15 | 川崎重工業株式会社 | レーザ切断方法および装置 |
| GB9516099D0 (en) * | 1995-08-05 | 1995-10-04 | Boc Group Plc | Laser cutting of materials |
| DK109197A (da) * | 1996-09-30 | 1998-03-31 | Force Instituttet | Fremgangsmåde til bearbejdning af et materiale ved hjælp af en laserstråle |
| EP1232038B1 (en) | 1999-11-24 | 2008-04-23 | Applied Photonics, Inc. | Method and apparatus for separating non-metallic materials |
| GB2402230B (en) * | 2003-05-30 | 2006-05-03 | Xsil Technology Ltd | Focusing an optical beam to two foci |
| JP2014073526A (ja) | 2012-10-05 | 2014-04-24 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 光学系及びレーザ加工装置 |
| CN104807818B (zh) * | 2014-01-29 | 2017-12-15 | 西安交通大学 | 三维静态及动态显微检测系统及方法 |
| CN106695113B (zh) * | 2016-12-08 | 2018-11-06 | 华中科技大学 | 一种轴向的双焦点镜头 |
| CN107335915A (zh) * | 2017-06-12 | 2017-11-10 | 大族激光科技产业集团股份有限公司 | 激光焊接装置及其焊接方法 |
| CN112305702A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-02-02 | 电子科技大学中山学院 | 一种便捷的多焦点光路系统 |
-
1987
- 1987-11-30 JP JP62300197A patent/JPH0767633B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109128530A (zh) * | 2018-09-27 | 2019-01-04 | 广东工业大学 | 一种动态调整多焦点的激光微孔加工方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01143783A (ja) | 1989-06-06 |
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