JPS5855665Y2

JPS5855665Y2 - 加工用レ−ザ装置

Info

Publication number: JPS5855665Y2
Application number: JP1980078585U
Authority: JP
Inventors: 憲石川
Original assignee: 株式会社東芝
Priority date: 1980-06-05
Filing date: 1980-06-05
Publication date: 1983-12-20
Also published as: JPS573483U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は溶接特性の改善を図った加工用レーザ装置に関
する。

従来パルスレーザを利用して金属を溶接する際に、溶接
部に照射されるパレスレーザ光のパルス波形によって溶
接状態が変わることが知られている。

そのため、特にスポット溶接においてはレーザ光のパル
スの波高値、パルス幅、パルスの立上り。

パルスの立下りの制御を行なうことが必要である。

このレーザ光のパルス波形の制御は、固体レーザのノー
マルパルスレーザを用いた場合、レーザロッド励起用の
フラッシュランプの放電電流波形を制御することにより
行なっている。

この放電電流波形の制御回路として、コンテ゛ンサＣ１
とコイルＬとを用いてＬＣ波形制御回路を多段に設け、
順次放電させる構成のものや、スイッチング回路を設は
前記フラッシュランプへ流入する電流をオン・オフする
構成のものなどがある。

しかし、前記ＬＣ波形制御回路はＬＣ回路の充電に時間
を要すること、また放電中には充電を停止することが必
要であることなどの理由により、高速繰り返しパルス動
作ができないという欠点があった。

また、前記した電流をオン・オフする波形制御回路は、
パルスレーザ光の立下がりが急なので、溶接の場合溶融
金属が急激に冷却し溶融金属池の中心部に穴（キーホー
ル）を形成するという欠点がある。

特に深情は込みの溶接の場合は、キーホールに周囲の溶
融金属が流入し、この流入溶融金属の熱の周囲に放散す
ることにより急激に冷却凝固し、キーホール部に空胴が
形成されたり、溶接表面に凹凸が形成されたままの状態
で溶接が終了する。

溶接金属の材料、形状によって程度の差はあるが、溶接
部内部に欠陥を有すると共に、溶接部表面の平坦さを欠
いているので、機械的な強度を低下させるという欠点が
あった。

本考案は以上のような欠点を除去するためになされたも
のであり、溶接特性を改善した加工用レーザ装置を提供
することを目的とする。

以下、本考案の一実施例を図面を参照しながら説明する
。

第１図は本考案の一実施例の回路図である。

交流電源１の一方の出力端がチョークコイル２を介して
整流回路３の一方の入力端に接続されている。

また、前記交流電源１の他出刃端は位相制御整流回路４
を介して前記整流回路３の他入力端に接続されている。

なお、前記位相制御整流回路４はサイリスタ４ａのアノ
ードがサイリスタ４ｂのカソードに接続され、このサイ
リスタ４ｂのアノードに前記サイリスタ４ａのカソード
が接続された構成である。

前記整流回路３のプラス側出力端はダイオード５のアノ
ードに接続され、このダイオード５のカソードはコンデ
ンサ６を介して前記整流回路３のマイナス側出力端に接
続されている。

また、前記ダイオード５のアノードにはダイオード７の
アノードが接続されており、このダイオード７のカソー
ドは可変容量コンデンサ８を介して前記コンデンサ６の
マイナス側端に接続されている。

前記可変容量コンデンサ８の両端には電圧検出用抵抗９
，１０が直列接続されている。

これら検出用抵抗９，１０の接続点Ｐは比較増幅回路１
１の一方の入力端に接続されており、この比較増幅回路
１１の他方の入力端には基準電圧回路１２が接続されて
いる。

同比較回路１１の出力信号はゲートパルス回路１３ａ
へ送出される。

このゲートパルス回路１３ａは前記比較回路１１から送
出された信号により前記位相制御整流回路４のサイリス
タ４ａ、４ｂのゲートパルス信号を送出し、前記コンデ
ンサ８の充電電圧を安定に保つ。

ゲートパルス回路１３ｂは後述する複数のサイリスタの
ゲートに所定のタイミングでゲートパルス信号を送出す
るものである。

前記ダイオード７のカソードには、サイリスタ１４のア
ノードが接続されており、このサイリスタ１４のカソー
ドはコイル１５、コンテ゛ンサ１６を介して前記コンデ
ンサ８のマイナス端に接続されている。

なお、前記コイル１５とコンデンサ１６とは共振充電回
路を形成している。

前記コンデンサ６のプラス端にサイリスタ１７のアノー
ドが接続され、このサイリスタ１７のカソードはコイル
１８を介してフラッシュランプ１９のアノードに接続さ
れている。

なお、同サイリスタ１７の両端にはダイオード２０が逆
導通形に接続されている。

前記フラッシュランプ１９のカソードは前記コンテ゛ン
サ１６のマイナス端に接続されている。

前記コンデンサ８のプラス端はサイリスタ２１のアノー
ドに接続されており、このサイリスタ２１のカソードは
コイル２２を介して前記サイリスタ１７のカソードに接
続されている。

なお、同サイリスタ２１の両端にはダイオード２３が逆
導通形に接続されている。

前記コンデンサ１６のプラス端はサイリスタ２４のアノ
ードに接続されており、このサイリスタ２４のカソード
はコイル２５を介して前記サイリスタ２１のカソードに
接続されている。

なお、前記サイリスク１７，２１．２４のゲートには前
記ゲートパルス回路１３ｂからゲートパルス信号が送出
される。

前記フラッシュランプ１９と平行にレーザロッド２６が
設けられており、このレーザロッド２６とフラッシュラ
ンプ１９とは集光鏡２７の中に配設されている。

この集光鏡２７にはトリガ回路２８からパルス電圧が印
加されるものとなっている。

前記レーザロッド２６の軸上にはレーザ共振器を構成す
る反射鏡２９．３０が対向して設けられている。

一方の反射鏡３０を透過したレーザ光は、集光レンズ３
１により集束され集束ビームを形成して被加工物３２へ
照射されるように構成されている。

以上のような構成の本実施例の動作を説明する。

第２図ａに示したタイムチャートの時刻ｔ。までにすで
にコンデンサ６は第２図すに示したように電圧レベルＶ
ｃｌに充電され、またコンデンサ８は同図Ｃに示したよ
うに電圧レベル■。

２に充電されている。

このような状態において、時刻ｔ。にゲートパルス回路
１３ｂからサイリスタ１４のゲートにゲートパルス信号
が印加される。

そうするとこのサイリスタ１４が導通し、共振充電回路
を形成しているコイル１５とコンテ゛ンサ１６とにコン
テ゛ンサ８から充電電流が供給され、第２図ｄに示した
ようにこのコンテ゛ンサ８の充電電圧レベルＶｃ２より
高い充電電圧レベルＶＣ３にコンテ゛ンサ１６が充電さ
れる。

このコンデンサ１６の充電電圧レベルＶＣ３が前記コン
デンサ８の充電電圧レベルＶＣ２より大きくなると、前
記サイリスタ１４は逆バイアスされるので、しゃ断状態
となり充電は完了する。

第２図ｃ、ｄの時間ｔ。

−１１におけるＶＣＩ、ＶＣ２の特性の変化はこの
過程を示している。

このようにして、時刻ｔｌにはコンデンサ６．８．１６
の充電電圧はそれぞれＶＣＩ、ＶＣ２、Ｖ３に
充電される。

時刻ｔ２において前記ゲートパルス回路１３ｂからサイ
リスタ１７のゲートへゲートパルス信号が送出される。

そうするとこのサイリスタ１７は導通し、コンテ゛ンサ
６の充電電圧が同サイリスタ１７を介して放電する。

また、前記サイリスタ１７の導通と同期して、トリガ回
路３８から集光鏡２７にパルス電圧が印加される。

その結果、フラッシュランプ１９は放電状態になり、前
記コンテ゛ンサ６からの放電電流りはサイリスタ１７、
コイル１８を介して同フラッシュランプ１９を流れる。

第２図ｅはランプ放電電接Ｈの特性を図示したものであ
り、時刻ｔ２において急峻に立上がる。

この放電によって、前記コンデンサ６の電圧は第２図す
に図示したようにゆるやかに低下すると共に、ランプ放
電電流■１もゆるやかに低下する。

このようにフラッシュランプブ１９が励起されることに
より、レーザ出力は第２図ｆに図示したようにランプ放
電電流りより遅れて立上がる。

時刻ｔ３において、前記ゲートパルス回路１３ｂからサ
イリスタ２１のゲートへゲートパルス信号が送出される
。

この時点において、コンテ゛ンサ８の充電電圧の方が、
すてに１２〜４３間の放電によって低下した前記コンデ
ンサ６の充電電圧よりも高いので、・前記サイリスタ２
１には順方向にバイアス電圧が印加される。

その結果、このサイリスタ２１は導通し、前記コンテ゛
ンサ８の充電電圧が放電し、コイル２２とコイル１８と
の接続点に放電電流が流入する。

この放電電流の一部は前記コイル１８を介してフラッシ
ュランプ１９に流れ、残りの電流はダイオード２０を介
して残留電圧レベルにあるコンテ゛ンサ６に流入する。

一方、この時点において前記サイリスタ１７は逆バイア
スされるので、しゃ断状態になる。

そうして、このような放電の結果、コンデンサ８の充電
電圧が低下し、コイル２２．１８の接合点の電圧がコン
デンサ６の電圧まで低下すると、ダイオード２０が逆バ
イアスになるので、このダイオード２０を介しての電流
の流出は停止する。

その結果、コンテ゛ンサ８からの放電電流は全てコイル
２２．１８を介してフラッシュランプ１９へ流入する。

しかし、コンテ゛ンサ８の容量はコンテ゛ンサ６の容量
より小さく設定されているので、小さな時定数で放電し
、４１〜１４間のランプ放電電流の低下スロープは前記
１２〜４３間のスロープより急なものとなる。

第２図ｃｅの時間ｔ３〜ｔ４の特性は以上の経過を示し
ている。

そしてレーザ出力は第２図ｆの４３〜１４間に図示した
ように降下する。

時刻ｔ４において、前記ゲートパルス回路１３ｂからサ
イリスタ２４のゲーＩ〜へゲートパルス信号が送出され
る。

その結果、同サイリスタ２４は導通し、コンデンサ１６
の充電電圧が放電し、コイル２５とコイル２２との接続
点に放電電流が流入する。

この放電電流の一部は前記コイル２２．１８を介してフ
ラッシュランプ１９へ流入し、残りの電流はダイオード
２０、２３を介して残留電圧レベルにあるコンテ゛ン
サ６，８に流入する。

一方、この時点において前記サイリスタ２１は逆バイア
スされるので、しゃ断状態になる。

そうして、このような放電の結果、コンデンサ１６の充
電電圧が低下し、コイル２５．２２の接合点の電圧がコ
ンデンサ８の電圧まで低下すると、ダイオード２３が逆
バイアスになるので、このダイオード２３を介しての電
流の流出は停止する。

その結果、コンデンサ１６からの放電電流は全てコイル
２５，２２．１８を介してフラッシュランプ１９へ流入
する。

しかし、コンデンサ１６の容量はコンデンサ８の容量よ
り小さく設定されているので、１４〜１５間のランプ放
電電流の低下スロープは前記４３〜１４間のスロープよ
り急なものとなる。

レーザ出力は第２図ｆに図示したように時刻ｔ４以前に
おいて、すなわちランプ放電電流が零レベルに達する前
に停止する。

第２図ｄ、ｅ、ｆの時間ｔ４〜ｔ５の特性は以上の経過
を図示している。

このようにして、コンデンサ１６からの放電終了によっ
て放電波形制御サイクルが完了する。

以上のように信号処理が行なわれる一方、時刻ｔ３以後
はコンデンサ８の電圧は基準電圧回路１２から供給され
る基準電圧より低くなるので、この基準電圧との電圧差
に応じて位相制御整流回路４のサイリスタ４ａ、４
ｂの導通角を増大させるゲートパルス信号がゲートパ
ルス回路１３ａから送出される。

し力化、レーザ発振制御のゲート信号のパルス幅（ｔ２
〜ｔ４）は数ｍＳ〜２０ｍ５程度である一方、位相制御
のための応答速度が２０ｍＳより大きいので、ゲート
信号の１パルス発生中は前記コンテ゛ンサ６，８は放電
によって電圧の低下を続け、このパルスの動作後に充電
動作が開始される。

第２図において、時刻ｔ６からコンデンサ６．８の充電
が始まり、時刻ｔ７において両コンテ゛ンサ６，８の電
圧レベルはそれぞれＶ。

ｌ、ＶＣ２に回復する。また、コンテ゛ンサ１６の放電
中にはサイリスタ１４により充電がなされないように設
定されており、フラッシュランプ１９は連続放電するこ
とはない。

また、レーザ出力Ｐ＋−は第２図ｅ、ｆから明らかな
ように、ランプ放電電流１１、より遅れて立上がり、早
く立下がるのでパルス発振を行なう。

このように本実施例は、容量の異なるコンテ゛ンンサを
３段設け、時間ｔ２〜ｔ３において先ず一番大きい容量
を有するコンデンサ６を放電させてし・−ザロツド２６
を強く励起して強いレーザ光により充分溶接部を溶融し
、次に時間ｔ３〜ｔ４において二番目に大きい容量を有
するコンテ゛ンサ８を放電させて弱いレーザ光により前
記溶接部を周囲から除々に凝固させ、時刻ｔ４において
一番小さい容量を有するコンデンサ１６を放電させて、
凝固後には余分な熱が前記溶接部に流入するのを防止し
ている。

そのため、本実施例によれば前記溶接部の欠陥、熱影響
層を減少させることができる。

また、本実施例は、ランプ放電電流の波形制御を、大容
量コンデンサ６．８が充電電圧を残したまま放電が停止
し、容量の一番小さい最終のコンデンサ１６のみが放電
を完了し、再充電が短時間で行なえる構成であるので、
パルス放電の繰返し率を大きく保ち、かつパルス幅の長
い大出力放電を安定に維持できる。

そのため、本実施例によれば、溶接スピードを向上させ
ることができる。

また、本実施例は、溶融形成期間ｔ２〜ｔ３の時間間隔
はゲートパルス回路１３ｂによるサイリスタ１７．２１
の点弧タイミングで制御でき、レーザ出力は基準電圧回
路１２を任意設定することでコンデンサ８，１６の充電
電圧を変えて制御でき、また溶融部分の除冷冷却期間ｔ
３〜ｔ４の時間間隔はゲートパルス回路１３ｂによるサ
イリスタ２１．２４の点弧タイミング制御できる。

また、レーザ出力の減少スロープはコンテ゛ンサ８の容
量の増減、およびこのコンデンサ８からフラッシュラン
プ１９への放電時定数を変えることにより制御できるの
で、被加工物３２の構造、熱的性質などに応じて最適設
定することができる。

なお、本考案は前述した一実施例に限られるものではな
い。

たとえば、前記実施例では、コンデンサを３段設はレー
ザ出力の波形制御を行なう構成であったが、３段以上の
段数のコンデンサを設けてレーザ出力の波形制御を行な
ってもよい。

また、前記実施例を立上がり特性の改善された加工用レ
ーザ装置に適用することにより、さらに溶接特性の改善
が図れる。

その他本考案の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施で
きることは勿論である。

以上説明したように、本考案は容量の異なった３個以上
のコンデンサを充電し、この複数のコンデンサを容量の
大きいものから順次部分放電されることにより、パルス
レーザ光の立下がりに溶接加工に応じた特性を与えると
共に、前記コンテ゛ンサの充電時間を短縮することによ
り高速繰り返しのパルスレーザ光を得られるようにした
ものである。

したがって本考案によれば、溶接特性を改善した加工用
レーザ装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例の回路図、第２図ａは同実施
例の各部の動作を説明するためのタイムチャート、同図
ｂ−ｄはそれぞれコンテ゛ンサの充電電圧の波形図、同
図ｅはランプ放電電流の波形図、同図ｆはレーザ出力の
波形図である。１・・・・・・交流電源、３・・・・・・整流回路、４
・・・・・・位相制御整流回路、６・・・・・・コンテ
゛ンサ、８・・・・・・可変容量コンテ゛ンサ、９，１
０・・・・・・電圧検出用抵抗、１１・・・・・・比較
増幅回路、１２・・・・・・基準電圧回路、１３ａ、ｂ
・・・・・・ゲートパルス回路、１４．１７・・・・・
・サイリスタ、１９・・・・・・フラッシュランプ、２
７・・・・・・集光鏡、２６・・・・・・レーザロッド
、３２・・・・・・被加工物。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

（１）レーザ材料励起用ランプの放電電流波形を制御す
ることにより被加工物に照射されるパルスレーザ光の波
形制御を行なう加工用レーザ装置において、直流電源と
、この直流電源により充電される３個以上の容量の異な
るコンデンサと、これらのコンデンサを容量の大きい順
に予め定められた時間間隔で順次部分放電させかつ一番
中さい容量のコンデンサのみ零電圧レベルまで放電させ
る制御回路と、前記コンデンサの放電により励起の強度
を変化する励起ランプと、この励起ランプから出力され
る励起光によりパルスレーザ光を得被加工物にレーザビ
ームを照射するレーザ発振器とを具備したことを特徴と
する加工用レーザ装置。
（２）制御回路は、各コンテ゛ンサのプラス側端にサイ
リスタを設け、容量の大きいコンテ゛ンサに接続された
サイリスタの導通が、より容量の小さいコンデンサに接
続されているサイリスクの点弧に伴ないしゃ断される構
成であることを特徴とする実用新案登録請求の範囲第（
１）項記載の加工用レーザ装置。
（３）直流電源はコンデンサの充電電圧と予め定められ
た電圧レベルとを比較し、その電圧差に応じて電流供給
量を制御するようにしたことを特徴とする実用新案登録
請求の範囲第（１）項記載の加工用レーザ装置。