JPH0819881A - 管状体加熱用のレーザ装置 - Google Patents
管状体加熱用のレーザ装置Info
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- Laser Beam Processing (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】光学系の熱損傷を防止すると共に、効率良く加
熱対象部を加熱できる管状体加熱用のレーザ装置を提供
すること。 【構成】レーザ光を管状の被加熱物ppに導き、この被加
熱物の内周面に照射して加熱を行うレーザ装置におい
て、レーザ光源よりレーザ光を導く１系統分の可撓性導
光手段 1と、この可撓性導光手段により導かれたレーザ
光のスポット径を可変調整する凸レンズ6a〜6cおよび凹
レンズ 7によるレンズ光学機構と、このレンズ光学機構
の光軸に光軸を一致させて配され、該レンズ光学機構に
よりスポット径を調整されたレーザ光を漏斗状に光路変
換し、加熱用レーザ光として出射する円錐レンズ（アク
シコンレンズ） 2とを備えて構成する。
熱対象部を加熱できる管状体加熱用のレーザ装置を提供
すること。 【構成】レーザ光を管状の被加熱物ppに導き、この被加
熱物の内周面に照射して加熱を行うレーザ装置におい
て、レーザ光源よりレーザ光を導く１系統分の可撓性導
光手段 1と、この可撓性導光手段により導かれたレーザ
光のスポット径を可変調整する凸レンズ6a〜6cおよび凹
レンズ 7によるレンズ光学機構と、このレンズ光学機構
の光軸に光軸を一致させて配され、該レンズ光学機構に
よりスポット径を調整されたレーザ光を漏斗状に光路変
換し、加熱用レーザ光として出射する円錐レンズ（アク
シコンレンズ） 2とを備えて構成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光線を用いた加
熱装置に関し、特に熱交換器伝熱管のような管状体内面
を均等に加熱するレーザ装置に関するものである。
熱装置に関し、特に熱交換器伝熱管のような管状体内面
を均等に加熱するレーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】レーザは所望の狭い箇所のみ、高温に加
熱でき、周辺の部分に余分な熱影響を与えないので、溶
接や表面硬化処理等に広く利用されている。この種の装
置においては、一般的には、レーザ光をワークの表面に
集光させ、その集光点を所定の経路に従って走査する。
集光点には、十分な光エネルギが与えられるから、所望
温度まで昇温し、あるいは溶融し、走査により集光点が
移動すれば、速やかに冷却される。
熱でき、周辺の部分に余分な熱影響を与えないので、溶
接や表面硬化処理等に広く利用されている。この種の装
置においては、一般的には、レーザ光をワークの表面に
集光させ、その集光点を所定の経路に従って走査する。
集光点には、十分な光エネルギが与えられるから、所望
温度まで昇温し、あるいは溶融し、走査により集光点が
移動すれば、速やかに冷却される。
【０００３】このようなレーザ装置を用いて細いシリン
ダの内面や、細い伝熱管の内面を加熱する場合には、一
般にオプティカルファイバ等の光伝送体により、レーザ
光を軸方向に導き、軸まわりに回転するミラーによって
レーザ光を反射させ、この反射されたレーザ光を半径方
向に導いて前記内面を加熱する例が多い。
ダの内面や、細い伝熱管の内面を加熱する場合には、一
般にオプティカルファイバ等の光伝送体により、レーザ
光を軸方向に導き、軸まわりに回転するミラーによって
レーザ光を反射させ、この反射されたレーザ光を半径方
向に導いて前記内面を加熱する例が多い。
【０００４】しかしながら、叙上のような一般的なレー
ザ内面加熱装置では、比較的広い面積の加熱対象部位を
一様に加熱するには不向きであると共に、ミラーを回転
する機構を必要として構造が複雑化するきらいがある。
ザ内面加熱装置では、比較的広い面積の加熱対象部位を
一様に加熱するには不向きであると共に、ミラーを回転
する機構を必要として構造が複雑化するきらいがある。
【０００５】このため、回転ミラーの代わりに、円錐形
のミラーを使用することが提案されている。しかしなが
ら、この場合には円錐形ミラーの特性上、尖頭部で反射
した光は、広範囲に広がってしまい、あまり加熱には有
効でない。
のミラーを使用することが提案されている。しかしなが
ら、この場合には円錐形ミラーの特性上、尖頭部で反射
した光は、広範囲に広がってしまい、あまり加熱には有
効でない。
【０００６】従って、円錐形ミラーを使用する場合、所
定幅の裁頭円錐面を反射面として用い、これに円周上に
配置した複数の光ファイバからレーザ光を当てると、管
状体内面に鉢巻き状の反射光照射面が生じ、加熱され
る。
定幅の裁頭円錐面を反射面として用い、これに円周上に
配置した複数の光ファイバからレーザ光を当てると、管
状体内面に鉢巻き状の反射光照射面が生じ、加熱され
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したような円
錐形ミラーを利用したレーザ加熱装置では、一応、所期
の目的を達成し、管状体内面の面積を同時に加熱し得る
のであるが、それでもなお次のような問題点がある。
錐形ミラーを利用したレーザ加熱装置では、一応、所期
の目的を達成し、管状体内面の面積を同時に加熱し得る
のであるが、それでもなお次のような問題点がある。
【０００８】すなわち、 （１） １本のオプティカルファイバから出射される光
は、光の性格上、中心部で光のエネルギ密度が大きく、
周辺部では小さい。従って、複数のオプティカルファイ
バを用いた場合、鉢巻き状の被加工面に低温領域が生
じ、円周方向に温度のばらつきが生じる。このような温
度のばらつきは、溶体化処理等より均一な温度分布を必
要とする熱処理には好ましくない。
は、光の性格上、中心部で光のエネルギ密度が大きく、
周辺部では小さい。従って、複数のオプティカルファイ
バを用いた場合、鉢巻き状の被加工面に低温領域が生
じ、円周方向に温度のばらつきが生じる。このような温
度のばらつきは、溶体化処理等より均一な温度分布を必
要とする熱処理には好ましくない。
【０００９】（２） 従来の円錐形ミラーの反射角は９
０度であり、反射した光は入射角が０度で管状体の内面
に入射する。従って、反射率が高く、加熱に供される吸
熱エネルギが小さく、エネルギ効率が悪い。
０度であり、反射した光は入射角が０度で管状体の内面
に入射する。従って、反射率が高く、加熱に供される吸
熱エネルギが小さく、エネルギ効率が悪い。
【００１０】（３） 管状体内面の被加熱体の幅は、円
錐形ミラーの形状や大きさ、更にはオプティカルファイ
バとの相対的な関係から一義的に決まってしまい、調整
ができない。 と言ったような点である。従って、本発明の目的とする
ところは、上述のような不具合のないレーザ加熱装置を
提供することにある。
錐形ミラーの形状や大きさ、更にはオプティカルファイ
バとの相対的な関係から一義的に決まってしまい、調整
ができない。 と言ったような点である。従って、本発明の目的とする
ところは、上述のような不具合のないレーザ加熱装置を
提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明はつぎのように構成する。すなわち、レーザ
光を管状の被加熱物に導き、この被加熱物の内周面に照
射して加熱を行うレーザ装置において、レーザ光源より
レーザ光を導く１系統分の可撓性導光手段と、この可撓
性導光手段により導かれたレーザ光のスポット径を可変
調整する凸レンズおよび凹レンズによるレンズ光学機構
と、このレンズ光学機構の光軸に光軸を一致させて配さ
れ、該レンズ光学機構によりスポット径を調整されたレ
ーザ光を漏斗状に光路変換し、加熱用レーザ光として出
射する円錐レンズ（アクシコンレンズ）とを備えて構成
する。
め、本発明はつぎのように構成する。すなわち、レーザ
光を管状の被加熱物に導き、この被加熱物の内周面に照
射して加熱を行うレーザ装置において、レーザ光源より
レーザ光を導く１系統分の可撓性導光手段と、この可撓
性導光手段により導かれたレーザ光のスポット径を可変
調整する凸レンズおよび凹レンズによるレンズ光学機構
と、このレンズ光学機構の光軸に光軸を一致させて配さ
れ、該レンズ光学機構によりスポット径を調整されたレ
ーザ光を漏斗状に光路変換し、加熱用レーザ光として出
射する円錐レンズ（アクシコンレンズ）とを備えて構成
する。
【００１２】また、円錐レンズは、被加熱管体の管内表
面へのレーザ光のビーム入射角が７０〜８０°になるも
のを使用する。また、レンズ光学機構はそのレンズ間距
離を調整可能に構成する。
面へのレーザ光のビーム入射角が７０〜８０°になるも
のを使用する。また、レンズ光学機構はそのレンズ間距
離を調整可能に構成する。
【００１３】
【作用】このような構成において、第１には、１本の光
ファイバにより伝送されたレーザ光を光学系で拡大後、
コリメートし、円錐レンズ（アクシコンレンズ）で漏斗
状に広がる断面リング状のレーザ光に変換し、これを被
加熱管体の管内表面に照射するので、管内周面のレーザ
光のビームの強度分布が均一になる。そのため、レーザ
光の管内の照射域を均一に加熱することができるように
なる。
ファイバにより伝送されたレーザ光を光学系で拡大後、
コリメートし、円錐レンズ（アクシコンレンズ）で漏斗
状に広がる断面リング状のレーザ光に変換し、これを被
加熱管体の管内表面に照射するので、管内周面のレーザ
光のビームの強度分布が均一になる。そのため、レーザ
光の管内の照射域を均一に加熱することができるように
なる。
【００１４】また、第２には、レーザ光の反射率を低く
保つことができるビーム入射角が７０〜８０度であるこ
とから、被加熱管体の管内表面へのレーザ光のビーム入
射角が７０〜８０度になるような漏斗状レーザ光を出力
できるように設計した円錐レンズを用いるようにするこ
とで、レーザ光のビーム吸収率が高まり、効率の良い加
熱ができるようになると共に、光学系特に被加熱管体へ
のレーザ光出力端となる円錐レンズと被加熱管体の加熱
対象部間の距離を十分離すことができるようになり、こ
のこととレーザ光のビーム吸収率の向上（つまり、反射
レーザ光が少なくなる）ことによって光学系の熱損傷を
防止できるようになる。
保つことができるビーム入射角が７０〜８０度であるこ
とから、被加熱管体の管内表面へのレーザ光のビーム入
射角が７０〜８０度になるような漏斗状レーザ光を出力
できるように設計した円錐レンズを用いるようにするこ
とで、レーザ光のビーム吸収率が高まり、効率の良い加
熱ができるようになると共に、光学系特に被加熱管体へ
のレーザ光出力端となる円錐レンズと被加熱管体の加熱
対象部間の距離を十分離すことができるようになり、こ
のこととレーザ光のビーム吸収率の向上（つまり、反射
レーザ光が少なくなる）ことによって光学系の熱損傷を
防止できるようになる。
【００１５】更に、第３には、光学系のレンズ間距離の
組合せを変化させることによって、レーザ光照射による
管内表面加熱幅を可変調整できることから、熱処理条件
に合せて加熱幅を調整して加熱することができるように
なり、信頼性の高い、そして、精度の高い加熱処理が可
能となる。
組合せを変化させることによって、レーザ光照射による
管内表面加熱幅を可変調整できることから、熱処理条件
に合せて加熱幅を調整して加熱することができるように
なり、信頼性の高い、そして、精度の高い加熱処理が可
能となる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１に、本発明のレーザ加熱装置における
先端光学系である加熱ヘッド部の構成図を示す。
て説明する。図１に、本発明のレーザ加熱装置における
先端光学系である加熱ヘッド部の構成図を示す。
【００１７】図１は加熱ヘッド部の概略的な構成を示す
正面図であり、図中１は光ファイバ、２は円錐レンズ
（アクシコンレンズ）、ｐｐは加熱対象の管（以下、加
熱対象管と呼ぶ）であり、３はその加熱対象部、４は加
熱幅、５はレーザ光、６ａ，６ｂ，６ｃは凸レンズ、７
は凹レンズ、８ａおよび８ｂはレンズ間距離である。
正面図であり、図中１は光ファイバ、２は円錐レンズ
（アクシコンレンズ）、ｐｐは加熱対象の管（以下、加
熱対象管と呼ぶ）であり、３はその加熱対象部、４は加
熱幅、５はレーザ光、６ａ，６ｂ，６ｃは凸レンズ、７
は凹レンズ、８ａおよび８ｂはレンズ間距離である。
【００１８】前記光ファイバ１は図示しないレーザ発振
源より、レーザ光を導くための可撓性導光手段であり、
１系統分の光路を提供する。光ファイバ１はその一端側
がレーザ発振源に接続されている。光ファイバ１の他端
側（レーザ光出射端側）は加熱ヘッド部に接続される。
加熱ヘッド部は凸レンズ６ａ，６ｂ，６ｃ、凹レンズ７
および円錐レンズ２により構成される。
源より、レーザ光を導くための可撓性導光手段であり、
１系統分の光路を提供する。光ファイバ１はその一端側
がレーザ発振源に接続されている。光ファイバ１の他端
側（レーザ光出射端側）は加熱ヘッド部に接続される。
加熱ヘッド部は凸レンズ６ａ，６ｂ，６ｃ、凹レンズ７
および円錐レンズ２により構成される。
【００１９】光ファイバ１は用途により例えば、オプチ
カルファイバのように、芯線を複数本バンドル（束ね
る）したものであっても、また、芯線１本のみの構成と
したものであっても良いが、光路としては全体で１本分
（１系統分）であり、従来のように複数本、すなわち、
複数系統とすることによる弊害を除去している。
カルファイバのように、芯線を複数本バンドル（束ね
る）したものであっても、また、芯線１本のみの構成と
したものであっても良いが、光路としては全体で１本分
（１系統分）であり、従来のように複数本、すなわち、
複数系統とすることによる弊害を除去している。
【００２０】つまり、１本の光ファイバ１によりレーザ
光を導く構成とすることにより、この導光路により得ら
れるレーザ光のスポットは１個となり、複数系統の場合
のように系統別にスポットが得られて、スポットが複数
個になることによるレーザ光のエネルギ分布の極端な疎
密化を防止している。
光を導く構成とすることにより、この導光路により得ら
れるレーザ光のスポットは１個となり、複数系統の場合
のように系統別にスポットが得られて、スポットが複数
個になることによるレーザ光のエネルギ分布の極端な疎
密化を防止している。
【００２１】レンズ群は光ファイバ１のレーザ光出射端
側より、凸レンズ６ａ、凸レンズ６ｂ、凹レンズ７、凸
レンズ６ｃ、そして、円錐レンズ２の順に光軸を一致さ
せて配される。そして、凸レンズ６ａおよび円錐レンズ
２は位置固定であるが、凸レンズ６ｂ，６ｃ、凹レンズ
７はその光軸方向に位置移動調整が可能な構成である。
また、レンズ群の光軸は光ファイバ１のレーザ光出射端
側の光軸と一致させてあり、レーザ光のスポットはその
中心が上記レンズ群の光軸に一致される。
側より、凸レンズ６ａ、凸レンズ６ｂ、凹レンズ７、凸
レンズ６ｃ、そして、円錐レンズ２の順に光軸を一致さ
せて配される。そして、凸レンズ６ａおよび円錐レンズ
２は位置固定であるが、凸レンズ６ｂ，６ｃ、凹レンズ
７はその光軸方向に位置移動調整が可能な構成である。
また、レンズ群の光軸は光ファイバ１のレーザ光出射端
側の光軸と一致させてあり、レーザ光のスポットはその
中心が上記レンズ群の光軸に一致される。
【００２２】円錐レンズ２は一方の面が平坦面、他方の
面が円錐形に形成された円錐台形状のレンズであり、円
錐側をレーザ光の出射端側とし、平坦側をレーザ光の入
射端側としてある。
面が円錐形に形成された円錐台形状のレンズであり、円
錐側をレーザ光の出射端側とし、平坦側をレーザ光の入
射端側としてある。
【００２３】凸レンズ６ａは光ファイバ１から円錐状に
広がるようにして出射されるレーザ光をコリメート（平
行光線化）し、凸レンズ６ｂはこのコリメートされたレ
ーザ光を絞ってスポット径を小さくし、凹レンズ７はこ
の絞られたレーザ光を広げ、凸レンズ６ｃは広がったこ
のレーザ光をコリメートして円錐レンズ２に入射させる
役割を担う。
広がるようにして出射されるレーザ光をコリメート（平
行光線化）し、凸レンズ６ｂはこのコリメートされたレ
ーザ光を絞ってスポット径を小さくし、凹レンズ７はこ
の絞られたレーザ光を広げ、凸レンズ６ｃは広がったこ
のレーザ光をコリメートして円錐レンズ２に入射させる
役割を担う。
【００２４】上述したように、本装置では凸レンズ６ａ
と円錐レンズ２の間の距離は固定であるが、凸レンズ６
ｂと凸レンズ６ｃおよびこれらの間にある凹レンズ７は
凸レンズ６ａと円錐レンズ２の間で位置を移動調整でき
る構成である。凸レンズ６ｂと凹レンズ７との間の距離
がレンズ間距離８ａであり、凹レンズ７と凸レンズ６ｃ
との間の距離がレンズ間距離８ｂである。
と円錐レンズ２の間の距離は固定であるが、凸レンズ６
ｂと凸レンズ６ｃおよびこれらの間にある凹レンズ７は
凸レンズ６ａと円錐レンズ２の間で位置を移動調整でき
る構成である。凸レンズ６ｂと凹レンズ７との間の距離
がレンズ間距離８ａであり、凹レンズ７と凸レンズ６ｃ
との間の距離がレンズ間距離８ｂである。
【００２５】このような構成において、レーザ発振源よ
り発振されたレーザ光５は光ファイバ１により加熱ヘッ
ド部に導かれ、光ファイバ１のレーザ光出射端側より出
射されて凸レンズ６ａに入射される。そして、凸レンズ
６ａより凸レンズ６ｂそして凹レンズ７を経て凸レンズ
６ｃを通り、円錐レンズ２に入射する。
り発振されたレーザ光５は光ファイバ１により加熱ヘッ
ド部に導かれ、光ファイバ１のレーザ光出射端側より出
射されて凸レンズ６ａに入射される。そして、凸レンズ
６ａより凸レンズ６ｂそして凹レンズ７を経て凸レンズ
６ｃを通り、円錐レンズ２に入射する。
【００２６】凸レンズ６ａ，６ｂ、凹レンズ７よりなる
レンズ系はレーザ光の光束を拡大するためのものであ
り、これらのレンズ系を通って拡大されたレーザ光は凸
レンズ６ｃによりコリメート（平行光線化）され、円錐
レンズ２に入射される。
レンズ系はレーザ光の光束を拡大するためのものであ
り、これらのレンズ系を通って拡大されたレーザ光は凸
レンズ６ｃによりコリメート（平行光線化）され、円錐
レンズ２に入射される。
【００２７】円錐レンズ２は一方の面が平坦面、他方の
面が円錐形に形成された円錐台形状のレンズであり、円
錐側をレーザ光の出射端側とし、平坦側をレーザ光の入
射端側としてある。そして、円錐レンズ２に平行光線を
入射させると、円錐の中心線を中心にその周囲の領域の
光を内側に曲げるように作用するので、コリメートされ
て円錐レンズ２の入射端側より当該円錐レンズ２に入射
されたレーザ光はその出射光の光分布がリング状にな
り、しかも、円錐レンズ２の位置から離れるにつれてリ
ングの径は広がるようになる。
面が円錐形に形成された円錐台形状のレンズであり、円
錐側をレーザ光の出射端側とし、平坦側をレーザ光の入
射端側としてある。そして、円錐レンズ２に平行光線を
入射させると、円錐の中心線を中心にその周囲の領域の
光を内側に曲げるように作用するので、コリメートされ
て円錐レンズ２の入射端側より当該円錐レンズ２に入射
されたレーザ光はその出射光の光分布がリング状にな
り、しかも、円錐レンズ２の位置から離れるにつれてリ
ングの径は広がるようになる。
【００２８】つまり、コリメートされた断面円形のレー
ザ光束は円錐レンズ２を通すと、漏斗状に広がる断面リ
ング状の光束に変わる。従って、被加熱管体の内部に加
熱ヘッド部を挿入すると、レーザ光は加熱ヘッド部より
漏斗状に広がる断面リング状の光束となって被加熱管体
内壁に向かうので、被加熱管体内壁側から見れば斜めに
レーザ光が入射してくることになり、被加熱管体に対す
るレーザ光の吸収効率が良くなる。
ザ光束は円錐レンズ２を通すと、漏斗状に広がる断面リ
ング状の光束に変わる。従って、被加熱管体の内部に加
熱ヘッド部を挿入すると、レーザ光は加熱ヘッド部より
漏斗状に広がる断面リング状の光束となって被加熱管体
内壁に向かうので、被加熱管体内壁側から見れば斜めに
レーザ光が入射してくることになり、被加熱管体に対す
るレーザ光の吸収効率が良くなる。
【００２９】このように、本発明装置では、レーザ発振
源から１系統分の可撓性導光手段である光ファイバ１に
より伝送されたレーザ光５は、凸レンズ６ａ，６ｂ、凹
レンズ７によりスポット径を拡大後、凸レンズ６ｃによ
りコリメートされてから、加熱ヘッド部における光学系
出射端の円錐レンズ（アクシコンレンズ）２によって漏
斗状に広がる断面リング状のレーザ光に成形されて、被
加熱管内表面の加熱対象部３に照射され、当該管を内表
面から加熱するようにしたものである。
源から１系統分の可撓性導光手段である光ファイバ１に
より伝送されたレーザ光５は、凸レンズ６ａ，６ｂ、凹
レンズ７によりスポット径を拡大後、凸レンズ６ｃによ
りコリメートされてから、加熱ヘッド部における光学系
出射端の円錐レンズ（アクシコンレンズ）２によって漏
斗状に広がる断面リング状のレーザ光に成形されて、被
加熱管内表面の加熱対象部３に照射され、当該管を内表
面から加熱するようにしたものである。
【００３０】本発明の装置では、レーザ光によって加熱
された被加熱物の加熱対象部３からの反射レーザ光によ
る反射熱や輻射熱から光学系（特に光学系出射端の円錐
レンズ２）を保護するため、光学系に対して被加熱物で
ある被加熱管における加熱対象部３の位置が管軸方向に
離れるようにすると共に、レーザ光５のビーム吸収率を
高めるために、加熱対象部３へのレーザ光５のビーム入
射角θが７０〜８０度になるように調整して照射する。
された被加熱物の加熱対象部３からの反射レーザ光によ
る反射熱や輻射熱から光学系（特に光学系出射端の円錐
レンズ２）を保護するため、光学系に対して被加熱物で
ある被加熱管における加熱対象部３の位置が管軸方向に
離れるようにすると共に、レーザ光５のビーム吸収率を
高めるために、加熱対象部３へのレーザ光５のビーム入
射角θが７０〜８０度になるように調整して照射する。
【００３１】これは円錐レンズ２における円錐面の角度
を選べば良く、加熱対象部３へのレーザ光５のビーム入
射角θが７０〜８０度になるような円錐レンズを選定し
て用いるようにすれば良い。
を選べば良く、加熱対象部３へのレーザ光５のビーム入
射角θが７０〜８０度になるような円錐レンズを選定し
て用いるようにすれば良い。
【００３２】レーザ光５のビーム入射角θ（度）と反射
率（％）の関係を図２に示す。図２は縦軸に反射率％
を、そして、横軸にビーム入射角θ度をとり、ニッケル
に対してθ度でレーザ光を入射させた場合の各ビーム入
射角θに対する反射率を測定してプロットしたものであ
る。
率（％）の関係を図２に示す。図２は縦軸に反射率％
を、そして、横軸にビーム入射角θ度をとり、ニッケル
に対してθ度でレーザ光を入射させた場合の各ビーム入
射角θに対する反射率を測定してプロットしたものであ
る。
【００３３】レーザ光５のビーム入射角θ（度）と反射
率（％）の関係は図２に示すように、ビーム入射角θが
７０度未満の場合は、反射率が高くなり、また、８０度
超になると急激に反射率が高くなっていることがわか
る。従って、８０度超の領域はビーム入射角θが少しで
もずれると反射率が大きく変化するので使いづらい領域
である。従って、加熱対象部３へのレーザ光５のビーム
入射角θが７０〜８０度の領域が反射率の点で最も効率
の良い領域であるから、この領域を使用する。
率（％）の関係は図２に示すように、ビーム入射角θが
７０度未満の場合は、反射率が高くなり、また、８０度
超になると急激に反射率が高くなっていることがわか
る。従って、８０度超の領域はビーム入射角θが少しで
もずれると反射率が大きく変化するので使いづらい領域
である。従って、加熱対象部３へのレーザ光５のビーム
入射角θが７０〜８０度の領域が反射率の点で最も効率
の良い領域であるから、この領域を使用する。
【００３４】しかし、加熱対象部３へのレーザ光５のビ
ーム入射角θが小さくなると、加熱ヘッド部と加熱対象
部３との間の距離が長くなり過ぎて、実用的でなくな
り、逆にビーム入射角θが大きくなると、加熱ヘッド部
と加熱対象部３との間の距離が短くなって光学系への熱
の問題が生じるから、加熱対象部３へのレーザ光５のビ
ーム入射角θが７０〜８０度の範囲で、さらにこのよう
な条件を踏まえて最適なビーム入射角θを選定する。
ーム入射角θが小さくなると、加熱ヘッド部と加熱対象
部３との間の距離が長くなり過ぎて、実用的でなくな
り、逆にビーム入射角θが大きくなると、加熱ヘッド部
と加熱対象部３との間の距離が短くなって光学系への熱
の問題が生じるから、加熱対象部３へのレーザ光５のビ
ーム入射角θが７０〜８０度の範囲で、さらにこのよう
な条件を踏まえて最適なビーム入射角θを選定する。
【００３５】例えば、光学系と加熱対象部３との距離
は、約２０ｍｍ未満の場合、光学系が加熱対象部３から
の反射レーザ光による反射熱や輻射熱により損傷する危
険が大きいが、２０ｍｍ以上離した場合は、約１，１５
０℃で３００回昇温・冷却のサイクルを繰返しても、光
学系の損傷はなく、また、光学系の透過率にも変化がな
く良好であったことを実験により確認しているので、加
熱対象部３へのレーザ光５のビーム入射角θが７０〜８
０度の範囲で、しかも、被加熱管体の管径等も考慮して
光学系と加熱対象部３との距離が２０ｍｍ以上確保でき
るように円錐レンズ２を選ぶ。
は、約２０ｍｍ未満の場合、光学系が加熱対象部３から
の反射レーザ光による反射熱や輻射熱により損傷する危
険が大きいが、２０ｍｍ以上離した場合は、約１，１５
０℃で３００回昇温・冷却のサイクルを繰返しても、光
学系の損傷はなく、また、光学系の透過率にも変化がな
く良好であったことを実験により確認しているので、加
熱対象部３へのレーザ光５のビーム入射角θが７０〜８
０度の範囲で、しかも、被加熱管体の管径等も考慮して
光学系と加熱対象部３との距離が２０ｍｍ以上確保でき
るように円錐レンズ２を選ぶ。
【００３６】一方、本加熱ヘッド部における光学系にお
いては、光学系の凸レンズ６ａと凹レンズ７のレンズ間
距離８ａ及び凹レンズ７と凸レンズ６ｃのレンズ間距離
８ｂを変化させることができ、これにより、つぎの第１
表に示すように、レーザ光５による被加熱管の管内表面
における加熱幅Ｗを任意に調整することができる。
いては、光学系の凸レンズ６ａと凹レンズ７のレンズ間
距離８ａ及び凹レンズ７と凸レンズ６ｃのレンズ間距離
８ｂを変化させることができ、これにより、つぎの第１
表に示すように、レーザ光５による被加熱管の管内表面
における加熱幅Ｗを任意に調整することができる。
【００３７】 （第 １ 表） −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− レンズ間距離８ａ レンズ間距離８ｂ ビーム幅 （Ｌ1 ｍｍ） （Ｌ2 ｍｍ） （Ｗ ｍｍ） −−−−−−−−−−＋−−−−−−−−−−＋−−−−−−− １３．６６４ ２２．０００ ９．７０ １４．１２９ ２１．０００ ８．７３ １４．５４６ ２０．０００ ７．８９ １４．９０７ １９．０００ ７．１９ １５．２２３ １８．０００ ６．５９ １５．５０２ １７．０００ ６．０８ １５．７４９ １６．０００ ５．６３ １５．９７１ １５．０００ ５．２５ １６．１７１ １４．０００ ４．９１ １６．３５２ １３．０００ ４．６２ １６．５１６ １２．０００ ４．３６ １６．６６６ １１．０００ ４．１３ １６．８０３ １０．０００ ３．９３ １６．９３０ ９．０００ ３．７６ １７．０４７ ８．０００ ３．６０ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− つまり、被加熱管の管内表面における加熱幅Ｗはこの例
でも、３．６ｍｍから９．７ｍｍの範囲で調整できるこ
とがわかる。
でも、３．６ｍｍから９．７ｍｍの範囲で調整できるこ
とがわかる。
【００３８】つぎに本発明の装置により、外径１８．８
ｍｍ、肉厚１．２０ｍｍのＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金管（ニ
ッケル‐クロム‐鉄合金管）を、溶体化処理温度である
約１，１００〜１，２００℃に加熱した結果を図３およ
び図４に示す。
ｍｍ、肉厚１．２０ｍｍのＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金管（ニ
ッケル‐クロム‐鉄合金管）を、溶体化処理温度である
約１，１００〜１，２００℃に加熱した結果を図３およ
び図４に示す。
【００３９】図３は、被加熱管における加熱対象部３の
幅に合わせてレーザ光の照射幅である加熱幅Ｗを変化さ
せた場合の被加熱管の軸方向の温度分布を示した特性図
であり、縦軸に温度を、そして、横軸に管軸方向長をと
ったものである。また、図４は加熱幅Ｗを変化させた場
合の管の周方向の温度分布を示したもので、縦軸に温度
を、そして、横軸に被加熱管の周方向角度をとったもの
である。
幅に合わせてレーザ光の照射幅である加熱幅Ｗを変化さ
せた場合の被加熱管の軸方向の温度分布を示した特性図
であり、縦軸に温度を、そして、横軸に管軸方向長をと
ったものである。また、図４は加熱幅Ｗを変化させた場
合の管の周方向の温度分布を示したもので、縦軸に温度
を、そして、横軸に被加熱管の周方向角度をとったもの
である。
【００４０】これらの図より、被加熱管の軸方向及び被
加熱管の周方向共に均一な加熱が得られていることがわ
かる。図６は、本発明の手法により、図５に示す状態で
被試験体である被加熱管ｐｐに対して行った加熱試験の
一例を示す。図５（ａ）は側面断面図、図５（ｂ）は被
加熱管ｐｐの正面図であり、図５において、被試験体で
ある被加熱管ｐｐの加熱対象部の領域幅（加熱すべき領
域の幅）は６ｍｍとし、これを光学系先端出力５８０Ｗ
のレーザ光５で加熱を行った。
加熱管の周方向共に均一な加熱が得られていることがわ
かる。図６は、本発明の手法により、図５に示す状態で
被試験体である被加熱管ｐｐに対して行った加熱試験の
一例を示す。図５（ａ）は側面断面図、図５（ｂ）は被
加熱管ｐｐの正面図であり、図５において、被試験体で
ある被加熱管ｐｐの加熱対象部の領域幅（加熱すべき領
域の幅）は６ｍｍとし、これを光学系先端出力５８０Ｗ
のレーザ光５で加熱を行った。
【００４１】被加熱管ｐｐの加熱対象部の温度測定は被
加熱管ｐｐの加熱対象部位置での周囲０°，９０°，１
８０°，２７０°の位置における外周面にそれぞれ設け
た熱電対Ｔ／Ｃで行い、加熱対象部位置からのレーザ光
の反射出力を調べるため、被加熱管ｐｐの端部には管軸
に軸線を一致させてレーザ光の反射出力の強さを測定す
るためのパワーメータＰＷＭを配置した。
加熱管ｐｐの加熱対象部位置での周囲０°，９０°，１
８０°，２７０°の位置における外周面にそれぞれ設け
た熱電対Ｔ／Ｃで行い、加熱対象部位置からのレーザ光
の反射出力を調べるため、被加熱管ｐｐの端部には管軸
に軸線を一致させてレーザ光の反射出力の強さを測定す
るためのパワーメータＰＷＭを配置した。
【００４２】加熱ヘッド部の光学系を構成する円錐レン
ズ２の位置から熱電対Ｔ／Ｃ設置面までの距離は約３３
ｍｍであり、熱電対Ｔ／Ｃ設置面からパワーメータＰＷ
Ｍの検出面までの距離は６１ｍｍである。
ズ２の位置から熱電対Ｔ／Ｃ設置面までの距離は約３３
ｍｍであり、熱電対Ｔ／Ｃ設置面からパワーメータＰＷ
Ｍの検出面までの距離は６１ｍｍである。
【００４３】この条件で、被加熱管ｐｐはレーザ光によ
り照射すると、被加熱管ｐｐの加熱対象部は照射開始
後、３０秒経過時点程度までは温度変化があまり見られ
ないが、それ以後、照射開始８０秒経過時点程度までの
間に急に温度勾配が高くなり、温度変化が大きくなる。
そして、照射開始９０秒経過時点程度までの間に一挙に
１，２００°Ｃ程度迄温度上昇する。この間、パワーメ
ータＰＷＭで検出される反射出力は最小でほぼ０°Ｃ程
度、最大で２００°Ｃ程度であり、変化の傾向は加熱対
象部の温度変化特性曲線と似たものとなる。
り照射すると、被加熱管ｐｐの加熱対象部は照射開始
後、３０秒経過時点程度までは温度変化があまり見られ
ないが、それ以後、照射開始８０秒経過時点程度までの
間に急に温度勾配が高くなり、温度変化が大きくなる。
そして、照射開始９０秒経過時点程度までの間に一挙に
１，２００°Ｃ程度迄温度上昇する。この間、パワーメ
ータＰＷＭで検出される反射出力は最小でほぼ０°Ｃ程
度、最大で２００°Ｃ程度であり、変化の傾向は加熱対
象部の温度変化特性曲線と似たものとなる。
【００４４】パワーメータＰＷＭで検出される反射出力
の大きさは小さいものとなっているが、これは加熱対象
部にレーザ光が良く吸収されて、反射分が少ないことを
意味し、加熱対象部の加熱を効率良く行えていることを
意味する。
の大きさは小さいものとなっているが、これは加熱対象
部にレーザ光が良く吸収されて、反射分が少ないことを
意味し、加熱対象部の加熱を効率良く行えていることを
意味する。
【００４５】この結果、約１，１００〜１，２００°Ｃ
迄、短時間のうちに昇温され、熱処理及びろう付等、種
々の熱源として効果的に利用できることがわかる。な
お、本発明の技術は垂直固定管、水平固定管及び垂直・
水平回転管などにもその状況に応じて適用することがで
きる。その他、本発明は上述した実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形し
て実施し得るものである。
迄、短時間のうちに昇温され、熱処理及びろう付等、種
々の熱源として効果的に利用できることがわかる。な
お、本発明の技術は垂直固定管、水平固定管及び垂直・
水平回転管などにもその状況に応じて適用することがで
きる。その他、本発明は上述した実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形し
て実施し得るものである。
【００４６】以上、本発明は加熱ヘッド部をつぎのよう
にした。 （１） １本の光ファイバ（１系統分の可撓性導光路）
から出るレーザ光を拡大後、コリメートし、円錐レンズ
（アクシコンレンズ）により、リング状に変換して管内
の前方表面に照射するようにした。
にした。 （１） １本の光ファイバ（１系統分の可撓性導光路）
から出るレーザ光を拡大後、コリメートし、円錐レンズ
（アクシコンレンズ）により、リング状に変換して管内
の前方表面に照射するようにした。
【００４７】（２） 光学系の円錐レンズ（アクシコン
レンズ）の設計によって、管内表面へのレーザ光のビー
ム入射角を７０〜８０°に設定するようにした。 （３） 光学系のレンズ間距離の組合せを変化させるこ
とによってレーザ光照射による加熱幅を変化させるよう
にした。
レンズ）の設計によって、管内表面へのレーザ光のビー
ム入射角を７０〜８０°に設定するようにした。 （３） 光学系のレンズ間距離の組合せを変化させるこ
とによってレーザ光照射による加熱幅を変化させるよう
にした。
【００４８】そして、このようにすることにより、第１
には、１本の光ファイバにより伝送されたレーザ光を光
学系で拡大後、コリメートし、円錐レンズ（アクシコン
レンズ）で漏斗状に広がる断面リング状のレーザ光に変
換し、これを被加熱管体の管内表面に照射するので、管
内周面のレーザ光のビームの強度分布が均一になる。そ
のため、レーザ光の管内の照射域を均一に加熱すること
ができるようになる。
には、１本の光ファイバにより伝送されたレーザ光を光
学系で拡大後、コリメートし、円錐レンズ（アクシコン
レンズ）で漏斗状に広がる断面リング状のレーザ光に変
換し、これを被加熱管体の管内表面に照射するので、管
内周面のレーザ光のビームの強度分布が均一になる。そ
のため、レーザ光の管内の照射域を均一に加熱すること
ができるようになる。
【００４９】また、第２には、レーザ光の反射率を低く
保つことができるビーム入射角が７０〜８０度であるこ
とから、被加熱管体の管内表面へのレーザ光のビーム入
射角が７０〜８０度になるような漏斗状レーザ光を出力
できるように設計した円錐レンズを用いるようにするこ
とで、レーザ光のビーム吸収率が高まり、効率の良い加
熱ができるようになると共に、光学系特に被加熱管体へ
のレーザ光出力端となる円錐レンズと被加熱管体の加熱
対象部間の距離を十分離すことができるようになり、こ
のこととレーザ光のビーム吸収率の向上（つまり、反射
レーザ光が少なくなる）ことによって光学系の熱損傷を
防止できるようになる。
保つことができるビーム入射角が７０〜８０度であるこ
とから、被加熱管体の管内表面へのレーザ光のビーム入
射角が７０〜８０度になるような漏斗状レーザ光を出力
できるように設計した円錐レンズを用いるようにするこ
とで、レーザ光のビーム吸収率が高まり、効率の良い加
熱ができるようになると共に、光学系特に被加熱管体へ
のレーザ光出力端となる円錐レンズと被加熱管体の加熱
対象部間の距離を十分離すことができるようになり、こ
のこととレーザ光のビーム吸収率の向上（つまり、反射
レーザ光が少なくなる）ことによって光学系の熱損傷を
防止できるようになる。
【００５０】更に、第３には、光学系のレンズ間距離の
組合せを変化させることによって、レーザ光照射による
管内表面加熱幅を可変調整できることから、熱処理条件
に合せて加熱幅を調整して加熱することができるように
なり、信頼性の高い、そして、精度の高い加熱処理が可
能となる。なお、本発明は上述した実施例に限定される
ものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形
して実施し得る。
組合せを変化させることによって、レーザ光照射による
管内表面加熱幅を可変調整できることから、熱処理条件
に合せて加熱幅を調整して加熱することができるように
なり、信頼性の高い、そして、精度の高い加熱処理が可
能となる。なお、本発明は上述した実施例に限定される
ものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形
して実施し得る。
【００５１】
【発明の効果】以上、詳述したように、本発明によれ
ば、管内表面を加熱するにあたり、レーザ光を１本のレ
ーザビームとして導き、これを円錐レンズによりリング
状にして管内表面に照射するので管内周面をリング状に
均一に加熱できるようになる他、光学系と加熱部管の距
離を離すことができるので、加熱対象部による光学系の
熱的損傷を十分に防止できるようになり、また、管内表
面へのレーザ光のビーム入射角を適正に設定することが
できるので、レーザ光の反射率を低減し、効率良く管を
加熱することができるようになり、更には、レーザ光の
加熱幅を自由に変化させることができるので、必要な加
熱幅を得て的確に加熱することができるようになる等の
効果が得られる。
ば、管内表面を加熱するにあたり、レーザ光を１本のレ
ーザビームとして導き、これを円錐レンズによりリング
状にして管内表面に照射するので管内周面をリング状に
均一に加熱できるようになる他、光学系と加熱部管の距
離を離すことができるので、加熱対象部による光学系の
熱的損傷を十分に防止できるようになり、また、管内表
面へのレーザ光のビーム入射角を適正に設定することが
できるので、レーザ光の反射率を低減し、効率良く管を
加熱することができるようになり、更には、レーザ光の
加熱幅を自由に変化させることができるので、必要な加
熱幅を得て的確に加熱することができるようになる等の
効果が得られる。
【図１】本発明の実施例を説明するための図であって、
本発明の第１実施例に係るレーザ装置における加熱ヘッ
ド部（先端光学系）の概略的な構成を示す図。
本発明の第１実施例に係るレーザ装置における加熱ヘッ
ド部（先端光学系）の概略的な構成を示す図。
【図２】本発明の実施例を説明するための図であって、
本発明の第１実施例に係るレーザ光の入射角と反射率の
関係を示す図。
本発明の第１実施例に係るレーザ光の入射角と反射率の
関係を示す図。
【図３】本発明の実施例を説明するための図であって、
本発明の第１実施例に係る管の軸方向の温度分布図。
本発明の第１実施例に係る管の軸方向の温度分布図。
【図４】本発明の実施例を説明するための図であって、
本発明の第１実施例に係る管の周方向の温度分布図。
本発明の第１実施例に係る管の周方向の温度分布図。
【図５】本発明の実施例を説明するための図であって、
被加熱管ｐｐに対して行った加熱試験の状況を説明する
ための図。
被加熱管ｐｐに対して行った加熱試験の状況を説明する
ための図。
【図６】本発明の実施例を説明するための図であって、
図５に示す状況下において本発明を適用して実施した加
熱試験での加熱時間と加熱温度の関係を示す図。
図５に示す状況下において本発明を適用して実施した加
熱試験での加熱時間と加熱温度の関係を示す図。
１…光ファイバ ２…円錐レンズ ２ａ…円錐ミラー ３…加熱対象部 Ｗ…加熱幅 ５…光路 ６ａ，６ｂ，６ｃ…凸レンズ ７…凹レンズ ８ａ，８ｂ…レンズ間距離。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２１Ｄ 1/34 Ｈ 9/08 Ｊ Ｇ０２Ｂ 27/09 (72)発明者 藤原 博幸 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 赤羽 崇 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内
Claims (2)
- 【請求項１】 レーザ光を管状の被加熱物に導き、この
被加熱物の内周面に照射して加熱を行うレーザ装置にお
いて、 レーザ光源よりレーザ光を導く１系統分の可撓性導光手
段と、 この可撓性導光手段により導かれたレーザ光のスポット
径を可変調整する凸レンズおよび凹レンズによるレンズ
光学機構と、 このレンズ光学機構の光軸に光軸を一致させて配され、
該レンズ光学機構によりスポット径を調整されたレーザ
光を漏斗状に光路変換し、加熱用レーザ光として出射す
る円錐レンズ（アクシコンレンズ）と、より構成するこ
とを特徴とする管状体加熱用のレーザ装置。 - 【請求項２】 円錐レンズは、被加熱管体の管内表面へ
のレーザ光のビーム入射角が７０〜８０°になるものを
使用することを特徴とする請求項１記載の管状体加熱用
のレーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15016594A JP3160467B2 (ja) | 1994-06-30 | 1994-06-30 | 管状体加熱用のレーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15016594A JP3160467B2 (ja) | 1994-06-30 | 1994-06-30 | 管状体加熱用のレーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0819881A true JPH0819881A (ja) | 1996-01-23 |
| JP3160467B2 JP3160467B2 (ja) | 2001-04-25 |
Family
ID=15490933
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15016594A Expired - Fee Related JP3160467B2 (ja) | 1994-06-30 | 1994-06-30 | 管状体加熱用のレーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3160467B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006218487A (ja) * | 2005-02-08 | 2006-08-24 | Nissan Motor Co Ltd | レーザ溶接装置、レーザ溶接システム、およびレーザ溶接方法 |
| WO2008120622A1 (ja) * | 2007-03-30 | 2008-10-09 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | 管体の残留応力改善装置 |
| US7485828B2 (en) | 2004-07-29 | 2009-02-03 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Residual stress improving apparatus for piping technical field |
| EP2303501A2 (en) * | 2008-04-30 | 2011-04-06 | Corning Incorporated | Laser scoring with curved trajectory |
| US8044323B2 (en) | 2004-07-29 | 2011-10-25 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Apparatus for improving residual stress of piping technical field |
| CN104175000A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-12-03 | 江苏大学 | 一种环形激光带除锈机 |
| JP2015520032A (ja) * | 2012-06-21 | 2015-07-16 | ジョンソン・コントロールズ・ゲー・エム・ベー・ハー | ２つの部材を接合する方法 |
| CN114274520A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-04-05 | 武汉艾菲通精密科技有限公司 | 激光焊接装置及塑料焊接系统 |
-
1994
- 1994-06-30 JP JP15016594A patent/JP3160467B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| EP2303501A4 (en) * | 2008-04-30 | 2013-07-31 | Corning Inc | LASER STRIP WITH CURVED TRACK |
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| US9555461B2 (en) | 2012-06-21 | 2017-01-31 | Johnson Controls Gmbh | Method for connecting two components |
| CN104175000A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-12-03 | 江苏大学 | 一种环形激光带除锈机 |
| CN104175000B (zh) * | 2014-08-26 | 2016-06-08 | 江苏大学 | 一种环形激光带除锈机 |
| CN114274520A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-04-05 | 武汉艾菲通精密科技有限公司 | 激光焊接装置及塑料焊接系统 |
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| JP3160467B2 (ja) | 2001-04-25 |
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