JPS585754B2 - レ−ザ溶接加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、品質良くしかも高能率で金属の溶接加工を行
ない得るようにしたレーザ溶接加工方法に関する。

一般に、パルスレーザビームを被加工
体としての金属に照射して溶接加工を行なう瑞合、パル
スレーザビームの波形は溶接部の強度や溶接表面の仕上
がり形状に大きな影響を与える。

したがって溶接に適した波形を設定することは、より良
い溶接を行なう上で非常に重要である。

ところが、従来では、直流電源の出力をサイリスタ等の
スイッチング素子でオンオフ制御することによりフラッ
シュランプをパルス発光させ，このパルス光でレーザロ
ツドを光励起して方形波状のパルスレーザビームを発生
させていた。

このため、立上がりから高出力で熱せられ溶融した金属
が、変化の急激な立下がり部により溶接部内で安定しな
いまま冷却されるので、第１図に示す如く溶接部内に空
泡が発生したり、溶接部の表面が部分的に飛散して極端
な凹凸が形成され、強度の低下や仕上がりの悪化を招い
ていた。

一方、コンデンサおよびインダクタによる充放電動作を
利用して立下がり変化のゆるやかなパルス光をフラッシ
ュランプから発光させ、このパルス光によりレーザロッ
ドを光励起して溶接加工を行なう方法も行なわれている
。

この種の方法によれば、溶接金属が十分に安定したのち
冷却されるので、品質の良い溶接を行なうことができる
。

しかしながら、この方法では、コンデンサの充電電荷を
空になるまで放電させ、しかるのち充電して次の放電動
作を行なうようにしているので、パルスを高速度に繰り
返して発生させることが難かしく、このため加工能率が
低かった。

本発明は、上記事情に着目してなされたもので、その目
的とするところは、溶融金属を十分に安定させた状態で
冷却し得るとともにパルスレーザビームを高速に繰り返
し発生させ得、品質良くしかも高能率に溶接し得るよう
にしたレーザ溶接加工方法を提供することにある。

本発明は、パルスレーザビームの波形に変化のゆるやか
な立下がり部を形成し、かつこの立下がり部の変化が所
定値以下になったときパルスレーザビームをオフするよ
うにしたことにより、上記目的を達成する。

以下、本発明を図面に示す一実施例を参照して説明する
。

第２図は同実施例におけるレーザ溶接加工方法を適用し
たレーザ加工装置の概略構成図で、図中１は主直流電源
、２はレーザロツドを示している。

主直流電源１の出力は、コイル３および逆流阻止ダイオ
ード４を介して第１のコンデンサ５に共振充電されると
ともに、上記コイル３および逆流阻止ダイオード６を介
してそれぞれ第２のコンデンサＩおよび第３のコンデン
サ８に共振充電されるようになっている。

第１のコンデンサ５の充電電荷は、サイリスタ９がター
ンオンされたとき波形整形コイル１０を介してフラッシ
ュランプ１１に放電される。

また、第２および第３のコンデンサ７，８の各充電電荷
は、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）１２がター
ンオンされたとき波形整形コイル１３および１０をそれ
ぞれ介してフラッシュランプ１１に放電されるようにな
っている。

なお、上記第３のコンデンサ８の充放電経路にはスイッ
チ１４が設けてあり、このスイッチ１４がオンのときの
み第３のコンデンサ８は充放電動作を行なう。

一方、前記フラッシュランブ１１の両電極間には補助直
流電源１５の出力が放電安定化抵抗１６を介して供給さ
れており、これによりフラッシュランプ１１は常時微小
放電動作している。

このフラッシュランプ１１で発生されたパルス光は
、集光鏡１７で集光されてレーザロツド２に照射され、
これによりレーザロツド２を光励起している。

そして、このレーザロツド２で発生されたパルスレーザ
ビーム１８は、共振器ミラー１９ａ１９ｂおよび集光レ
ンズ２０を介して図示しない被加工部位に照射されるよ
うになっている。

なお，図中２１はフラッシュランプ１１を起動させるた
めのトリガ電源である。

ところで、図中２２は前記フラッシュランプ１１の放電
動作を制御する放電制御回路で、クロツクパルス発生器
２３を備えている。

このクロツクパルス発生器２３で発生されたクロツクパ
ルス信号は、直接第１の制御パルス発生器２４に供給さ
れるとともに遅延回路２５を介して第２の制御パルス発
生器２６に供給され、さらに上記遅延回路２５および遅
延回路２７を介して第３の制御パルス発生器２８に供給
されている。

第１の制御パルス発生器２４は、前記クロツクパルス信
号が供給された時点で正の制御パルス信号を発生して前
記サイリスタ９をターンオンするものである。

一方、第２および第３の制御パルス発生器２６．２８は
、前記クロツクパルス信号が供給された時点でそれぞれ
正の制御パルス信号および負の制御パルス信号を発生し
、これらの各信号により前記ＧＴＯ１２をターンオンお
よびターンオフしている。

なお、遅延回路２５は、第１のコンデンサ５の放電開始
タイミングから第２および第３のコンデンサ７，８を放
電するまでの時間を設定するものである。

また、遅延回路２７は、上記第２および第３のコンデン
サ７，８を放電させてから同コンデンサ７，８の放電動
作を停止させるまでの時間を設定するもので、この時間
は第２および第３のコンデンサ７，８の放電開始タイミ
ングから、これらの各コンデンサ７，８の放電電流が所
定値以下に低下するまでの時間に定められる。

次に、以上のように構成された装置の作用を説明する。

先ず、スイッチ１４は開放状態とし、この状態で主直流
電源１により第１および第２のコンデンサ５，７をそれ
ぞれ充電する。

そして、トリガ電源２１より集光鏡１７にトリガ電圧を
印加してフラッシュランプ１１を起動し、フラッシュラ
ンプ１１を微小放電動作させる。

さてこの状態で、時刻ｔ１においてクロックパルス発生
器２３から第３図Ｃに示す如くクロツクパルス信号を発
生させると、第１の制御パルス発生器２４が動作してサ
イリスタ９がターンオンされ、この結果第１のコンデン
サ５の充電電荷が第３図ｅのようにフラッシュランプ１
１に放電されてフラッシュランプ１１はパルス発光を開
始する。

そして、時刻ｔ２にて第２の制御パルス発生器２６が動
作しＧＴＯ１２に第３図ｄに示す如く正の制御パルス信
号が印加されると、ＧＴＯ１２がターンオンして第２の
コンデンサ１の充電電荷が第３図ｅに示す如くフラッシ
ュランプ１１に放電され、フラッシュランプ１１は発光
動作を継続する。

一方、このとき前記サイリスタ９のカソードには第２の
コンデンサ７による高電圧が転流パルスとして印加され
るため、サイリスタ９がターンオフして第１のコンデン
サ５の放電動作は停止され、第１のコンデンサ５は第３
図ａに示す如く再び充電動作に移行する。

しかるのち、第２のコンデンサ７の放電電流か第３図イ
に示す所定値以下になると、時刻ｔ３において第３の制
御パルス発生器２８から負の制釧パルス信号（第３図ｄ
）が発生されてＧＴＯ１２がターンオフし、この結果第
２のコンデンサ７は放電動作を停止する。

ここで、時刻ｔ２〜ｔ３までの第２のコンデンサ７の放
電電流は、放電経路の時定数が比較的大きく、また波形
整形コイル１３１０のインダクタンスが比較的大きく設
定してあるため、ゆるやかにかつフラットに変化する。

したがって、フラッシュランプ１１からは立下がり部分
のゆるやかなパルス光が発生される。

なお、第２のコンデンサＴは、放電停止後直ちに充電動
作に移行し、第３図ｂに示す如く再び充電されるかくし
て、第１番目のパルスを発生させるための一連の動作を
終了し、第２のコンデンサ７の再充電が完了すると、そ
の時点で再びクロックパルス発生器２３からクロックパ
ルス信号（第３図Ｃが出力されて前述した各動作が繰り
返して行なわれ、第２番目のパルスが発生される。

以後同様に，クロツクパルス信号が発生される毎に各パ
ルスが繰り返し発生される。

一方、スイッチ１４を投入した場合には、第２のコンデ
ンサＴの放電時に第３のコンデンサ８の放電動作も行な
われるので、フラッシュランプ５１１に流入する放電電
流は、第３図ｅ中想像線のように前記第２のコンデンサ
７だけの場合に比べてさらにゆるやかに変化する。

したがうて、フラッシュランプ１１から発生されるパル
ス光の波形も、立下がり部分の一層ゆるやかなものとな
る。

なお、この場合遅延回路２７の遅延時間は、第２および
第３のコンデンサ７，８の放電が開始されてからその放
電電流が所定値イ以下に低下するまでの時間（ｔ４ ４
２）に切換えられる。

以上のようにしてフラッシュランプ１１からパルス光が
発生されると、レーザロツド２から上記パルス光の波形
に対応するパルスレーザビーム１８が発生され、このパ
ルスレーザビーム１８により被加工部位の溶接加工がな
される。

すなわち、被加工部位は、先ずパルス波形の立上がり部
位により第４図ａのように表面部分が加熱溶融され、し
かるのち波形の高出力部分（第３図ｅのｔ２付近）によ
り溶融金属３０が第４図ｂのように盛り上がって被加工
部位に凹部３１が形成される。

そして、パルス波形の立下がり部分により上記溶融金属
３０が徐々に凹部３１内に流入して均一化され，しかる
のち照射終了後（ｔ・後）冷却されて第４図Ｃに示す如
く内部に気泡等がなくかつ表面の平坦な溶接部位となる
。

このように、本実施例によれば、パルスレーザビーム１
８の波形にゆるやかな立下がり部位を形成しているので
、盛り上がった溶融金属３０が徐徐に凹部３１に流入し
て溶接部位を形成するから、従来の方形波状のパルスレ
ーザビームを用いた場合のように溶接部内に気泡が発生
したり溶接表面が部分的に飛散して凹凸が形成されると
いった欠陥を生じることがなく、溶接断面が均一で表面
の平坦な品質の良い溶接結果を得ることができる。

また、パルスレーザビームの立下がり部分が所定値（溶
融金属３０が十分に安定化する値）以下となったときに
出力をオフするようにしているので、コンデンサの充電
電荷が空になるまで放電動作を継続していた従来の方法
に比べて、充放電動作を高速に繰り返し行なうことがで
き、この結果加工能率を高めることができる。

さらに、本実施例によれば、パルス波形の立下がり部を
形成するためのコンデンサを第２および第３のコンデン
サ７，８からなる２個のコンデンサにより構成し、第３
のコンデンサ８をスイッチ１４で接続制御するようにし
ているので、金属の種類や特性に応じた２種類の加工を
行なうことができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

例えば、上記実施例ではコンデンサを２段構成にしたが
、３段以上の多段に構成してもよい。

このようにすれば、パルス幅をより長く設定することが
できる。

また、最終段のコンデンサ、つまり立下がり部分を形成
するためのコンデンサは、２個以外に３個以上のコンデ
ンサから構成してもよい。

これにより、立下がり部分の傾きの種類をさらに増やす
ことができ、さらに多種類の溶接に対応することができ
る。

また、最終段のコンデンサの放電制御をＧＴＯ以外にサ
イリスタにより行なってもよい。

この場合には、サイリスタのターンオフ用に転流コンデ
ンサを設けるだけで容易に実施できる。

要するに、波形を制御するための回路構成は，本発明の
要旨である波形を得られるものであれば、如何に設定し
てもよい。

その他、溶接加工の種類やレーザの種類等についても、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施でき
る。

以上詳述したように本発明によれば、パルスレーザビー
ムの波形に変化のゆるやかな立下がり部を形成し、かつ
この立下がり部の変化が所定値以下となったときパルス
レーザビームをオフするようにしたことによって、溶融
金属を十分に安定させた状態で冷却し得るとともにパル
スレーザビームを高速に繰り返し発生させ得、品質良く
しかも高能率に溶接を行ない得るレーザ溶接加工方法を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来説明に用いるための溶接状態を示す模式図
、第２図は本発明の一実施例におけるレーザ溶接加工方
法を適用したレーザ加工装置の概略構成図、第３図およ
び第４図は上記実施例の作用説明に用いるための図で、
第３図ａ〜ｅは波形図、第４図ａ〜ｃは溶接状態を示す
模式図である。 １・・・・・・主直流電源、２・・・・・・レーザロッ
ド、５・・・・・・第１のコンデンサ、７・・・・・・
第２のコンデンサ、８・・・・・・第３のコンデンサ、
９・・・・・・サイリスタ、１１・・・・・・フラッシ
ュランプ、１２・・・・・・ゲートターンオフサイリス
タ（ＧＴＯ）、１８・・・・・・パルスレーザビーム、
２２・・・・・・放電制御回路、２３・・・・・・クロ
ツクパルス発生器、２４・・・・・・第１の制御パルス
発生器、２５，２７・・・・・・遅延回路、２６・・・
・・・第２の制御パルス発生器、２８・・・・・・第３
の制御パルス発生器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ パルスレーザビームを被加工部位に照射して溶接加
   工を行なうレーザ溶接加工方法において、パルスレーザ
   ビームの出力波形に出力レベルがゆるやかに変化する立
   下がり部分を形成し、上記パルスレーザビームの主部分
   により被加工部位を加熱溶融させてその加工部位に凹部
   を形成するとともにこの凹部の周縁部に溶融金属の盛り
   上がりを形成し、しかるのち前記パルスレーザビームの
   立下がり部分により上記溶融金属を徐々に凹部内に流入
   させてこの流入した溶融金属の表面が平担となる時点で
   前記パルスレーザビームの出力をオフするようにしたこ
   とを特徴とするレーザ溶接加工方法。 ２ パルスレーザビームの出力波形の立下がり部分の傾
   きがパルス単位で可変設定されるものである特許請求の
   範囲第１項記載のレーザ溶接加工方法。