JPS6240991A - レ−ザ溶接用集光レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 レーザ溶接装置に設けられるレーザ溶接用集光レンズで
あって、同一のレーザビームによって。

被加工物を加熱溶融するとともに、溶融部の周辺部を予
熱あるいは微温加熱するように構成することによって、
被加工物の急激な温度変化によるクランクの発生を防止
したもの。

〔産業上の利用分野〕

本発明はレーザ溶接装置に備えられるレーザ溶接用集光
レンズに関するものである。

レーザは自然光と異なって、簡単なレンズによって非常
に小さなスポットに絞ることができ、エネルギー密度を
非常に高くすることができる。

このため、小型精密機械部品等における微小かつ精密な
溶接等に用いられでいるが、これらの用途には、瞬間的
に超高者が得られることから、一般にパルス動作の固体
レーザ、とくにパルス繰返し数を高（できるＹＡＧレー
ザがよく利用されている。

上記のようにレーザ溶接装置では、溶接部の非常に狭い
面積に対し非常に大きなエネルギーを集中するため、加
工部の周辺に大きな温度勾配が発生する。

したがって、溶接部の周辺における熱応力による歪ある
いはクランク等の発生を防止するように構成されている
ことが望ましい。

１は９発振周波数＋００ｐｐＳ・パルス幅６ミリ秒・出
力２５ジユール・ビーム径６ｍｍのパルス動作のＹＡＧ
レーザ。

２はＹＡＧレーザ１が発生ずるレーザビームを集光さセ
る焦点距離２５ｍｍ・直ｉ￥１０ｍｍの単一焦点の凸レ
ンズ。

３は被加工物４を搭載し約１ｍｍ／秒の速度で駆動さセ
る直交２軸駆動の移動テーブル（ＸＹテーブル）である
。

すなわち、レーザ溶接用レンズには、従来、車−焦点の
レンズを使用していた。

パルスレーザの出力を単一焦点の凸しンスニヨって絞っ
たときの焦点内の出力密！ｔＰ　（パワー／ｃ＋Ｊ　）
は次式で表される。

Ｐ＝４Ｅ／πＦ２θ２ｔ ただし、Ｅはレーザの出力エネルギー、Ｆは焦点距離、
ｔはパルス幅、またθはレーザビームの広がり角（ラジ
アン）であり、波長をλ、レーザビームの直ｉ￥をＤと
すると。

θ−λ／Ｄ として近似される。

また焦点でのスポットの径Ｓは７次式で近似され。

ＳζＦθ θ−０，００５ラジアン、Ｆ−２５ｍｍとすると、Ｓ＝
Ｏ。

１２５　ｍｍとなって、非常に大きなエネルギーがスポ
ットに集中される。

このエネルギーはそのまま被加工物に吸収されず表面に
おける反射のために大幅に減少する。

しかし、スポットのｉ￥が非常に小さいので、スポット
の中心部の温度はたとえば１０００°Ｃ以」二に上昇す
る。反面、加熱時間すなわちパルス幅ｔが短いため、そ
の周辺における温度上昇は少なく、全体として急峻な温
度分布を示す。

このため、特に熱伝動率の低い材料の場合には。

スポットの内側と外側との間に非常に大きな温度勾配が
生ずる。

このため、溶接部に熱応力よるクラックが発生しやすり
、シたがって十分な強度の溶接ができないという問題点
が生じている。

したつがって２本発明の目的は１強固な溶接を行い得る
レーザ溶接用レンズを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明のレーザ溶接用集光レンズは、第１図の原理図に
示すように、レーザビームを集光して被加工物上に高エ
ネルギー密度のスポットを形成させる第一の領域５と、
同じレーザビームを前記スポットの周辺の領域に低エネ
ルギー密度で集光させる第二の領域６とから構成されて
いる。

〔作用〕

すなわち、第一の領域５によって、レーザビームを被加
工物４上の溶接部Ａにスポット状に集光させ、同時に第
二の領域６によって、溶接部の周辺の領域Ｂに対し同じ
レーザビームをドーナツ状に集光させることによって、
溶接部を中心として。

径方向に第２図に示すようなエネルギー密度分布を与え
、たとえば１０００℃の温度で溶接部を熔融すると同時
に、その周辺の広い範囲を５００℃前後の温度に加熱す
るものである。

これによって溶接部と周辺との間の温度勾配を従来例よ
り緩やかにすることができる。

〔実施例〕

第〆図は第一の実施例を斜視図ｆａｔと断面図Ｃｂ）と
によって示したものであり、直径１５ｍｍ・焦点距離４
０ｍｍの凸レンズ７の中央部に直ｉ￥６ｍｍ・焦点距離
１５ｍｍの凸レンズ８を同心円状に重ねたものを一体に
形成したものである。

このような構成のレーザ溶接用レンズを用い。

レーザビームの直径を１２ｍｍとする他は、従来と同一
の条件で１ｍｍの厚さのステンレス板の突合わせシーム
溶接を行った結果、スポットの周辺の直径約１０ｍｍの
範囲に常に５００℃前後の温度領域を作ることができた
。

その結果、／８接部の周辺における温度勾配を緩やかに
することができ、熱応力による被加工物のクラックの発
生を防１にすることができた。

第４図（ａｌおよびｆｂｌに第二の実施例および第三の
実施例をそれぞれ断面図によって示す。

第二の実施例ｔａ＋は凸レンズ９によって第一の領域５
を構成するとともに、その周囲に「−ナラ状の凸レンズ
１０によって第二の領域６を構成したものであり５第三
の実施例ｆｂｌは径の異なる２枚の凸レンズ１１と１２
とを同心円状に重ねたものであり。

何れも第一の実施例と同様な効果を得ることができる。

〔発明のりＪ果〕

以」二説明したように１本発明によれば溶接部の周辺に
おＬＪる温度勾配を減少することができるので熱応力に
よる被加工物のクランクの発生を防止し、溶接部の強度
を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図。 第２図は作用の説明図。 第３図（ａｌ　ｆｂｌは第一の実施例の構成図。 第４図ｆａｌは第二の実施例の断面図。 第４図ｆｂｌは第三の実施例の断面図。 第５図は従来例の説明図である　。 図中。 ］はＹＡＧレーザ、　　　２は凸レンズ。 ３はｘｙ子テーブル　　　４は被加工物。 ５は第一の領域、　　　　６は第二の領域を示す。 麟イ列の脈叩 −Ａ７す

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 レーザビームを集光して被加工物上に高エネルギー密度
   のスポットを形成させる第一の領域（５）と、 前記レーザビームを前記スポットの周辺の領域に低エネ
   ルギー密度で集光させる第二の領域（６）とによって構
   成されることを備えることを特徴とするレーザ溶接用集
   光レンズ。