JPS6317035B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、レーザの高エネルギー密度を利用し
て各種の材料に各種の加工を施すレーザ加工装置
に関し、特に、任意所望のレーザビームパターン
を形成してレーザエネルギーを多種多様の加工に
利用し得るようにしたものである。

従来技術 従来、この種レーザ加工の技術分野において
は、木材、布、プラスチツク、ガラス、セラミツ
クスおよび金属など各種の材料よりなる製品につ
いて、切断、穿孔、模様加工、溶接、合金化、肉
盛、熱処理など各種の加工技術が研究され、実用
化されつつある。かかるレーザ加工に用いるレー
ザ発振器についても、発振出力の増大とともに、
発振ビームモードも、ガウス分布型、準ガウス分
布型、三日月型など種々のモードが実用されてお
り、レーザ加工に際しては、かかる各種モードの
レーザビームをレンズあるいは反射鏡により導い
て集光し、被加工物の表面に当てるようにしてい
る。しかしながら、従来のレーザ加工において
は、一般に、一つのレーザ発振器から得られるレ
ーザビームのモードは１種類乃至２種類に留ま
り、多種多様の加工の目的を達成するには、機能
的に不十分な場合が多かつた。したがつて、かか
るレーザビームを、光学系により、左右あるいは
前後に揺動させて適切なエネルギー分布を有する
熱源を形成するように工夫がなされていたが、か
かるエネルギー分布形成に用いる光学系によつて
も、限られた形態のビームモードしか形成し得
ず、レーザ加工の多目的利用には不十分である、
という欠点があつた。

発明の要点 本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去
し、レーザによる熱源のエネルギー分布を形成す
る光学系を適切に構成して、１種類乃至２種類の
レーザ発振ビームのモードを分光・集光すること
によつて無数に近い種類のビームパターンを形成
し、レーザ・エネルギーを任意所望の多目的に利
用し得るようにしたレーザ加工の提供することに
ある。

本発明の他の目的は、従来はレーザ加工によつ
ては極めて困難とされていた態様の加工技術を可
能にするレーザ加工の装置を提供することにあ
る。

すなわち、本発明は、多面鏡により分光したレ
ーザビームを適切に集光して組合わせ、さらに、
回転させれば軸対称に種々の形態のエネルギー分
布が得られることに着目してなしたものであり、
導入するレーザ光ビームの軸の周りに配置した複
数個の鏡面を有して前記レーザ光ビームをすべて
反射させる鏡体と、前記複数個の鏡面にそれぞれ
対向して各前記鏡面により反射した前記レーザ光
ビームをそれぞれ反射させて前記軸上の所定の位
置にほぼ集光するように配置した複数個の凹面鏡
とを一体にして前記軸の周りに連続して高速回転
させるように構成したことにより、前記所定の位
置に配置した被加工物上に軸対称のエネルギー分
布を形成して加工するようにしたことを特徴とす
るものである。

実施例 以下に図面を参照して実施例につき本発明を詳
細に説明する。

まず、本発明によるレーザ加工装置の具体的構
成の例を第１図に示す。図示の構成においては、
レーザ発振器（図示せず）から取出したままのオ
リジナルレーザビーム１を支持枠２により保持し
た多面体鏡３に当てて複数本のレーザビームに分
光する。図示の例においては、２面体鏡３により
オリジナルレーザビーム１を２分してビーム４ａ
と４ｂとに分けてある。それら分光した各ビーム
４ａ，４ｂを凹面鏡支持枠５によりそれぞれ保持
した凹面鏡６ａ，６ｂにそれぞれ導いて反射さ
せ、被加工物７上の１点に各反射ビーム８ａ，８
ｂをほぼ集光する。

上述のような構成の光学系においては、多面体
鏡３の各鏡面が互いに交差する頂点および被加工
物７上のビーム集光点をオリジナルレーザビーム
１の軸上にそれぞれ位置させ、そのビーム軸を回
転の軸として多面体鏡３および各凹面鏡６ａ，６
ｂよりなるこの光学系を高速回転させる。すなわ
ち、図示のように構成して組合わせた各回転支持
具９，１０および１１により、支持枠２、多面体
鏡３、凹面鏡支持枠５および各凹面鏡６ａ，６ｂ
を支持し、回転プーリ、ベルトやチエーンなどの
回転伝導体１３および駆動側回転プーリ１４を順
次に介して電動モータ１５により駆動して高速度
に連続回転させる。

かかる構成において、多面体鏡３の頂点角度、
凹面鏡６ａ，６ｂの間隔、焦点距離および集光時
の合わせ具合などにより、被加工物７上には種々
の形状の静止ビームパターン、すなわち、静止状
態におけるレーザ光のエネルギー分布パターンが
得られる。かかる種々の形状の静止ビームパター
ンを上述のように連続的に高速回転させると、被
加工物７上の加工点を照射する集光ビームのエネ
ルギー分布は静止分布から回転分布に転じ、レー
ザビームのエネルギー分布パターンが時間的に反
復される形態となり、材料加工に種々の効果をも
たらす。

すなわち、レーザ発振器から直接に得られるオ
ルジナルビームによつては、一つ乃至二つのビー
ムモードしか形成し得ないが、そのオリジナルレ
ーザビームを多面体鏡の頂点に当てて分光し、複
数本のレーザビームを形成した後に、凹面鏡によ
り集光して再び単一のレーザビームに戻すことに
よつて二次的に得られる静止ビームパターンは、
第２図に示すように、種々の形状のビームパター
ンとなる。したがつて、かかる種々の形状の静止
ビームパターンを回転させると、その回転の速度
に応じて、実効的に極めて多種多様の回転ビーム
パターンが得られる。

上述のように、単一のオリジナルレーザビーム
を複数本のビームに分光した後に再度単一のビー
ムに集光して種々の形状のビームパターンを形成
したものを高速回転させ、多種多様の回転ビーム
パターンを形成すれば、つぎのような種々の作用
効果が得られる。

(1) １種類のオリジナルビームパターンから多種
類の静止ビームパターンあるいは回転ビームパ
ターンを得ることができ、例えば、第２図のＣ
欄に示したようなドーナツ状分布のビームパタ
ーンから円錐台状のビームパターンＣ―５ある
いはＣ―６を得ることができる。したがつて、
レーザによる表面焼入れ処理を行なう場合に
は、焼入れの深さを一層均一にした幅広い焼入
れ層を形成することができる。

(2) 被加工物に溶接を施す場合に、被加工物の表
面に対し、垂直の方向からではなく、斜めの方
向から各レーザビームを集光して照射するの
で、被加工物材料の溶融、蒸発時に生ずるスパ
ツタおよび蒸気等による加工光学系の汚れや破
損を防ぎ易く、したがつて、通例、垂直方向か
らレーザビームを照射する場合に必要とする加
工光学系保護用ガス、例えば、ヘリウムを用い
る必要がない。

(3) 従来、金属のレーザビーム溶接の際には、溶
接時に生ずる金属蒸気によつて溶接池の真上に
プラズマ雲が生ずるためにレーザ光が散乱し、
レーザエネルギーが被加工物に有効に伝わらな
かつたのに対し、本発明装置においては、第３
図に示すように、被加工物７上の加工点の真上
に生じたプラズマ雲１６を避けて各レーザビー
ム８ａ，８ｂを斜めに入射させるとともに、プ
ラズマ化し易いガスを上述の保護用ガスとして
用いていないので、プラズマによつて生ずる諸
問題の発生自体が抑制される。

(4) 種々の静止ビームパターンおよび回転ビーム
パターンによつて任意所望のパターンを有する
エネルギー分布が得られるので、そのパターン
を焼付けることによつて模様加工を行なうこと
ができる。

(5) 集光ビームを高速にて回転させているので、
深溶込み溶接に際しては、ビーム溶接孔を従来
より深く安定に保つことができ、また、気孔の
発生を抑制することができる。

(6) 第４図に示すように、２個の被加工物７ａ，
７ｂの開先部を接合させて溶接する場合に、開
先部に角度θを有するＶ型溝を形成すると、レ
ーザビーム８ａ，８ｂは、図示のAC面あるい
はBC面にて反射し、板厚方向すなわち被加工
物の深部に向う方向に進入するので、被加工物
７ａ，７ｂの表面にて反射し、散乱するレーザ
光を減少させることができ、レーザエネルギー
を有効に使用して深い溶込みを得ることができ
る。

(7) 加工用集光ビームを高速回転させることによ
り、第５図ａに示すように静止ビームパターン
をもつて照射する場合には得ることが不可能の
真円に近い底面をもつて、第５図ｂに示すよう
な円錐状乃至円錐台状の被照射部を得ることが
できる。

(8) 第１図示の構成における多面体鏡３の頂点と
オリジナルビーム１の中心軸との相対位置の関
係を変化させることにより、各凹面鏡６ａ，６
ｂに向けて分光する各ビームの光量を調節する
ことができ、また、多面体鏡支持枠の支柱の長
さを変化させるとともに、各凹面鏡６ａ，６ｂ
の取付け角度、相互間隔および焦点距離を変化
させることなどにより、各分光ビーム４ａ，４
ｂを各凹面鏡６ａ，６ｂによつて再度単一ビー
ムに集光する際に、種々異なつた静止ビームパ
ターン乃至回転ビームパターンを同時に得るこ
とができ、したがつて、例えば、第６図に示す
ように、非対称形状の被加工物７ａを平板状の
被加工物７ｂに溶接する際に、左右非対称のす
み肉溶接を同時に行なうことが可能となり、ま
た、第７図に示すように、各分光ビーム８ａ，
８ｂにより、各被加工物７ａ，７ｂの異なる複
数個所に同時に加工を施すこともできる。

(9) 溶接すべき非加工物の開先部にＶ型溝を形成
するともに、そのＶ型溝を含めて開先面にグラ
フアイトなどのレーザ吸収剤を塗布したうえ
で、レーザビームにより照射すれば、本発明に
よる被加工物の溶接を一層有効に行なうことが
できる。

効 果 以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、限られたビームパターンしか有しないオリジ
ナル・レーザビームを多面体鏡の頂点に当てて分
光したものを凹面鏡により集光して多種多様の静
止ビームパターンを形成し、さらに、その静止ビ
ームパターンを高速回転させて任意所望の回転ビ
ームパターンを形成し得るので、単純なパターン
のレーザビームのエネルギーを多目的の加工に極
めて有効適切に利用し得るという格別の効果を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザ加工装置の構成例
を示す正面図、第２図は同じくそのレーザ加工装
置におけるオリジナルビームパターンと静止ビー
ムパターンおよび回転ビームパターン並びに被加
工部の形態との関係の例を示す線図、第３図は同
じくそのレーザ加工装置における加工の態様の例
を示す線図、第４図は同じくそのレーザ加工装置
における溶接の態様の例を示す線図、第５図ａお
よびｂは従来および本発明のレーザ加工において
形成する被加工物照射部の形状の例をそれぞれ示
す線図、第６図は本発明によるレーザ加工の態様
の例を示す線図、第７図は本発明によるレーザ加
工の態様の他の例を示す線図である。 １…オルジナル・レーザビーム、２…支持枠、
３…多面体鏡、４ａ，４ｂ，８ａ，８ｂ…分光レ
ーザビーム、５…凹面鏡支持枠、６ａ，６ｂ…凹
面鏡、７，７ａ，７ｂ…被加工物、９，１０，１
１…回転支持具、１２，１４…回転プーリ、１３
…回転伝動体、１５…電動モータ、１６…プラズ
マ雲、１７…レンズ、Ａ…回転軸。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 導入するレーザ光ビームの軸の周りに配置し
   た複数個の鏡面を有して前記レーザ光ビームをす
   べて反射させる鏡体と、前記複数個の鏡面にそれ
   ぞれ対向して各前記鏡面により反射した前記レー
   ザ光ビームをそれぞれ反射させて前記軸上の所定
   の位置にほぼ集光するように配置した複数個の凹
   面鏡とを一体にして前記軸の周りに連続して高速
   回転させるように構成したことにより、前記所定
   の位置に配置した被加工物上に軸対称のエネルギ
   ー分布を形成して加工するようにしたことを特徴
   とするレーザ加工装置。