JPS6235871B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザ出力波形の勾配を変えて例えば
溶接欠陥の減少をはかり得るレーザ加工機の電源
装置に関する。

パルスレーザ光を照射して金属の溶接加工を行
う場合、上記レーザ光の出力波形によつて溶接性
能が大きく異なることが知られている。そこで従
来では一般にレーザ加工機の電源装置を第１図に
示すように構成して出力波形制御を行つている。
即ち直流電源１にスイツチ２を介して第１の充放
電コンデンサ３を接続すると共に、第１の波形整
形コイル４を介して第２の充放電コンデンサ５を
接続する。そして、この第２の充放電コンデンサ
５に第２の波形整形コイル６を介して励起ランプ
７を接続し、この励起ランプ７に対向してレーザ
ロツド８等からなるレーザ共振器を設けた構成と
している。尚、９ａ，９ｂはレーザロツド８の両
端面に対向配置された共振器ミラーで、１０は集
光レンズである。

しかして上記構成の従来装置にあつては、スイ
ツチ２をON制御することによりパルス幅の広い
レーザ出力を得、またスイツチ２をOFF制御す
ることによつてパルス幅の挾いレーザ出力を得て
レーザ出力波形を切換えている。ところがこのよ
うな構成であればレーザ出力波形の制御範囲が数
種類に限られる為、金属溶接に最適な波形を得る
には不都合が多かつた。更には上記制御方式では
コンデンサ３，５の充電を零電位から行う必要が
あるので、その充電時間が長く、従つて高速繰り
返し充放電による高速繰り返しパルスレーザ光の
出力に無理があつた。この点、励起ランプ７に直
流電源１からスイツチ素子を介して矩形波状電力
を供給して高速繰り返しパルスレーザ光を得る装
置が提唱されているが、レーザ光照射による溶け
込み深さや、溶接部内部の空洞等、溶接欠陥が生
じ易い為に問題があつた。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、
その目的とするところは、レーザ出力波形を簡易
に変えて例えば溶接欠陥を招くことなく良好なレ
ーザ加工を安定に行い得る簡単な構成のレーザ加
工機の電源装置を提供せんことにある。

即ち本発明は、レーザ出力波形の立上りあるい
は立下りの勾配を可能としてレーザ出力のパルス
繰り返し速度の向上と溶接加工性能の向上をはか
つて上記目的を達成したものである。

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明
する。

第２図は本装置の基本的な概略構成を示す図
で、ここでは４本の励起ランプを用いて装置を実
現している。直流電源１１には充放電用コンデン
サ１２が接続され、同コンデンサ１２の充電電荷
は４つのスイツチング素子１３ａ，１３ｂ，１３
ｃ，１３ｄにそれぞれ並列的に導びかれている。
これらのスイツチング素子１３ａ，１３ｂ，１３
ｃ，１３ｄは例えばSCRからなるもので、スイ
ツチ制御回路１４により各別に制御されてそれぞ
れON―OFF動作する。これらのスイツチング素
子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄにてゲート処
理されて供給される前記コンデンサ１２からの電
荷は波形整形コイル１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１
５ｄを各別に介して励起ランプ１６ａ，１６ｂ，
１６ｃ，１６ｄにそれぞれ印加される。これらの
励起ランプ１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄには
また補助直流電源１７から抵抗１８ａ，１８ｂ，
１８ｃ，１８ｄを各別に介して電流が供給され
て、同ランプ１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの
予備放電駆動が行われている。これらの予備放電
は、例えば約100mA程度の直流放電からなるも
のである。

しかして前記ランプ１６ａ，６ｂ，１６ｃ，１
６ｄはYAGロツド等のレーザロード１９を囲ん
で対向配置され、その周囲を集光鏡２０で覆つた
ものであり、前記コンデンサ１２から供給される
電荷を受けて閃光放電発光して前記レーザロツド
１９を光励起する。この光励起により、レーザロ
ツド１９はその両端部に対向配置された共振器ミ
ラー２１ａ，２１ｂとの間でレーザ発振を呈し、
集光レンズ２２を介してレーザ光を発振出力す
る。

かくして上記のように構成された本装置によれ
ば第３図ａに示す時刻t₁にスイツチング素子１３
ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを同時にON（導
通）制御すると、補助直流電源１７からの供給電
流によつて予備放電状能にある励起ランプ１６
ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄはそれぞれコンデン
サ１２からの主放電電荷を受けて同時に閃光発光
放電を開始する。しかるのに時刻t₂，t₃，t₄，t₅に
亘つて順次スイツチング素子１３ａ，１３ｂ，１
３ｃ，１３ｄをOFF（非導通）制御すれば、励
起ランプ１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄへの主
放電電荷の供給が順次停止されてその閃光発光放
電が第３図ｂ〜ｅに示すように停止する。従つて
レーザロツド１９は第３図５に示すように時刻t₁
からt₂にかけて４つのランプ１６ａ，１６ｂ，１
６ｃ，１６ｄからの光を受けて励起され、時刻t₂
〜t₃では３つのランプ１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ、
時刻t₃〜t₄では２つのランプ１６ｃ，１６ｄ、そ
して時刻t₄〜t₅では１つのランプ１６ｄからの光
のみを受けて励起されてレーザ発振する。このレ
ーザロツド１９のレーザ発振出力はランプ１６
ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄからの励起光量に略
化例するものであり、従つて上記閃光放電を呈す
るランプ数の減少に伴つてレーザ出力は順次階段
的に低下する。尚、スイツチング素子１３ａ，１
３ｂ，１３ｃ，１３ｄのオフ制御タイミングを時
刻t₂，t₆，t₇，t₈の如く設定すればレーザ出力波形
は第３図５中破線に示す如く変化する。

このように本装置によればスイツチング素子１
３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄのオン制御を同時
に行わしめたのち、そのオフ制御タイミングを順
次時間経過を伴つて行なわしめることによつて、
レーザ光の出力波形の立下り特性を急峻にした
り、あるいは緩慢にしたりすることができる。つ
まりレーザ光の出力を徐々にステツプ的に低下さ
せて、出力波形の立下り特性を緩やかにすること
が可能となる。しかもその制御をスイツチング素
子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄのオフ制御の
みにより簡易に行い得る。

このような特性のレーザ光を用いれば、初期時
においてレーザ集光スポツトの十分高いエネルギ
を被溶接物としての金属に照射することにより、
溶融物の内部にまでレーザビームが浸透して溶接
部の一様な溶融状態を作り出し、その後徐々に低
下するレーザ出力によつて上記溶融領域が徐々に
再凝固してここにレーザ溶接が完了する。この場
合、レーザ出力を徐々に低下させて溶融物の再凝
固までの時間を十分に長くとれるので、溶融金属
がその内部にまで密に満たされるので非常に良好
な溶接が行われる。この点、従来装置にあつては
レーザ光照射による金属の溶融ののち、急激なレ
ーザ光照射の停止がなされるが故に、上記溶融部
分が急冷されてその表面から再凝固し易すい。こ
の結果内部に空洞等の欠陥を生じ易すかつたが、
上記した本装置によればこのような不都合が生じ
る虞れが全くない、即ち本装置によればレーザ出
力を徐々に減少せしめ得るので、金属内部の溶融
境界部から再凝固が始まり、表面中心部は最終ま
で弱いレーザ出力によつて溶融状態が保たれるの
で、内部欠陥の発生し難い、緻密な溶接加工が可
能となる。またレーザ出力の立下り波形を前述し
たように簡易に制御できるので、被溶接物の異な
り等に対して常にその最適条件設定が可能である
から、汎用性が高い。

第４図はスイツチング素子１３ａ，１３ｂ，１
３ｃ，１３ｄとしてSCRを用いた本発明装置の
具体的構成を示す図で、第５図はスイツチ制御回
路１４の構成例を示す図である。尚、第２図と同
一部分には同一符号を付して以下説明する。

スイツチング素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１
６ｄにま上述したようにSCR２３ａ，２３ｂ，
２３ｃ，２３ｄが用いられる。これらのSCR２
３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄはコンデンサ１２
から波形整形コイル１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１
５ｄに向けて順方向に接続される。一方、前記直
流電源１１からSCR２４とチヨークコイル２５
とを直列に介して導びかれる電流は、ダイオード
２６ａ，２６ｂ，２６ｃを順に介して転流用コン
デンサ２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄにそれぞ
れ充電れる。これらの転流用コンデンサ２７ａ，
２７ｂ，２７ｃ，２７ｄの各充電電荷は転流オフ
制御用のSCR２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ
を介して前記CR２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３
ｄの各カソードに印加されるように構成される。

一方、装置の作動タイミングを規定するクロツ
ク信号は、第５図に示す如き縦続に接続れた６段
の遅延回路２９ａ〜２９ｆに入力される。これら
の遅延回路２９ａ〜２９ｆのうち後部４段の遅延
回路２９ｃ〜２９ｆは可変抵抗器３０ａ〜３０ｄ
によりそれぞれ独立に遅延時間設定されるもので
ある。そして、第１のゲートパルス発生器３１ａ
は遅延回路２９ａの出力を受けて前記SCR２４
を点弧導通制御して転流用コンデンサ２ａ，２７
ｂ，２７ｃ，１７ｄにそれぞ転流電荷を充電せし
むる。しかるのち、遅延回路２９ｂの出力を受け
て作動する第２のゲートパルス発生器３１ｂは前
記SCR２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの各ゲ
ートに同時に点弧パルスを与え、これらSCR２
３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ、を同時にON制
御せしむる。その後、第３段乃至第６段目の各遅
延回路２９ｃ，２９ｄ，２９ｅ，２９ｆの各出力
を受けてそれぞれ作動する第３乃至第６のゲート
パルス発生器３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，３１ｆは
前記流用のSCR２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８
ｄの各ゲートにそれぞれ点弧パルスを与える。従
つて、これらのCR２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２
８ｄの各ON動作タイミングは、前記可変抵抗器
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄにより各々時間
設定された時間差を有することになる。これらの
CR２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄのON動作に
よつて転流用コンデンサ２７ｄ，２７ｂ，２７
ｃ，２７ｄからの電荷がSCR２３ａ，２３ｂ，
２ｃ，２３ｄの各カソードにそれぞれ印加され、
これらSCR２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを
逆バイアスして転流させ、オフ制御することにな
る。

このようにすればSCR２３ａ，２３ｂ，２３
ｃ，２３ｄのオン、オフ制御を極めて正確に、且
つ確実に行うことができるので、常に安定した最
適条件のレーザ光を発振出力することが可能であ
る。しかもクロツク信号の周期を高めることによ
つて上記波形制御したレーザ光を高速度に繰り返
して出力することができるので、レーザ加工率の
向上をはかることができる。また上述したように
SCRとダイオードを組合せてスイツチング素子
（SCR）のオフ制御を簡易に行い得て、またその
構成の簡易化を図り得るので安価に製作し、幅広
く応用することができる。また立上り特性の適応
設定を可変抵抗器３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０
ｄの調整による遅延時間制御のみにより行に得る
ので、その取扱いが非常に簡単である。

さて、上記した実施例ではレーザ出力の立下り
特性を可変設定したが、同様にして立上り特性を
可変設定することができる。この場合には、スイ
ツチング素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの
オン時刻を順次ずらして、励起ランプ１６ａ，１
６ｂ，１６ｃ，１６ｄの閃光発光放電本数を徐々
に増やすようにすればよい。例えば第６図に示す
ようにSCR２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの
各ゲートに加える点弧パルスを時間差をもつて与
え、レーザ出力停止時には転流用コンデンサ３２
に蓄えられた電荷をSCR３３からダイオード３
４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄを介して前記
SCR２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの各カソ
ードに各別に、且つ同時に加えるようにすればよ
い。このようにすれば、SCR２３ａ，２３ｂ，
２３ｃ，２３ｄの点弧タイミングの時間差を調整
することによつてレーザ出力波形の立上り特性を
簡易に可変することができる。また上記時間差の
設定も遅延回路等により簡易に行い得るので、装
置構成が簡単で、その取扱いも容易である等の効
果を奏する。

尚、本発明は上記実施例にのみ限定されるもの
ではない。実施例では４本の励起ランプを用いた
が、複数本であれば仕様に応じて任意に設定でき
る。またこれらの励起ランプは同一規格のもので
あればそのメンテナンス等において好都合ではあ
るが、発光量等の規格が異なるものを数種類用い
て装置を構成してもよい。この場合には、上記規
格の異なりを考慮してその発光を制御すればレー
ザ出力波形の細かい可変設定ができるので、レー
ザ出力の最適化設定には好ましい。またこのと
き、その制御が多少複雑化するがマイクロプログ
ラムコントロール等によつて汎用性を以つて制御
するようにすれば実現が容易である。更にスイツ
チング素子のオンまたはオフ制御タイミングは仕
様に応じて設定すればよいものであり、レーザ出
力の立上り波、立下り波形の双方の可変するよう
にしても勿論よい。要するに本発明はその要旨を
逸脱しない範囲で種々変形して実施することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の一例を示す構成図、第２図
は本発明の一実施例を示す基本的な構成図、第３
図ａ〜ｆは実施例装置の作用を示す信号波形図、
第４図は装置の具体的構成を示す図、第５図はス
イツチ制御回路の構成例を示す図、第６図は本発
明の他の実施例を示す概略構成図である。 １１…直流電源、１２…充放電コンデンサ、１
３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ…スイツチング素
子、１４…スイツチ制御回路、１５ａ，１５ｂ，
１５ｃ，１５ｄ…波形整形コイル、１６ａ，１６
ｂ，１６ｃ，１６ｄ…励起ランプ、１７…補助直
流電源、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ…抵
抗、１９…レーザロツド、２１ａ，２１ｂ…共振
器ミラー、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２
４…SCR、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，
３２…転流用コンデンサ、２８ａ，２８ｂ，２８
ｃ，２８ｄ，３３…転流用SCR、２９ａ，２９
ｂ〜２９ｆ…遅延回路、３０ａ，３０ｂ，３０
ｃ，３０ｄ…可変抵抗器、３１ａ〜３１ｆ…ゲー
トパルス発生器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直流電源と、この直流電源に接続され複数の
   スイツチング素子を各別に介して並列接続された
   複数の励起ランプに充電電圧を供給する充放電コ
   ンデンサと、前記複数のスイツチング素子のオン
   制御またはオフ制御を少なくとも順次制御するス
   イツチ制御回路とを具備したことを特徴とするレ
   ーザ加工機の電源装置。