JPS6384788A

JPS6384788A - レ−ザビ−ムの照射制御方法および装置

Info

Publication number: JPS6384788A
Application number: JP61230530A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Nakanishi; 伸介中西; Naoya Hamada; 直也浜田; Katsuhiro Minamida; 勝宏南田; Junya Suehiro; 純也末廣
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-09-29
Filing date: 1986-09-29
Publication date: 1988-04-15

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】〔産業上の利用分野〕本発明はレーザビームの照射光の照射分布、即ち照射光
の形状および強度分布を制御するレーザビームの照射制
御方法、およびレーザビームの照射制御装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

レーザビームの照射光の照射分布を制御して溶接を行な
うことは１例えば「第３版鉄鋼便覧第４■巻、二次加工
９表面処理、溶接」　（社）溶接学会ｍＰ４４６〜４８
１等に示されているように種々の用途に適用されている
。しかしながら、これらの方法においては、レーザビー
ム径、出力などを制御し、最適な条件で溶接を行なうこ
とは簡単ではなかった。

また、電気抵抗溶接法（以下ＥＲＷと略称する）は、溶
接法として最もよく使用されている技術の１つである。

例えば、溶接ａｇＩＫ−の製造分野において、一般に電
縫管と呼ばれている管を製造する方法は、溶接速度の速
い、すなわち生産性の高い溶接法として広く行なわれて
いる。第８図は、従来一般に行なわれている高周波接触
式電気抵抗溶接法による造管方法の一例を示すもので、
その溶接法の概略を説明すると、管状に成形された管状
鋼１の側端部２，２をスクイズロール３，３によって突
き合せ突き合せ部を頂点とするクサビ状に形成し、さら
にスクイズロール３，３の上流に設けた接触子４ａ、４
ｂに高周波電源４から高周波電圧を印加して、側端部２
，２のクサビ状を呈する部分に沿って高周波電流回路を
形成し、この部分を加熱する。その結果、管状鋼はクサ
ビ形状の頂点において溶接温度に達し、スクイズロール
３により加圧溶接され、鋼管となる。ところが、この溶
接法も溶接物が厚肉になったり、あるいは溶接速度を高
めようとした場合には問題がある０例えば、厚肉になる
と、第９図に示すように、管状鋼の側端部２において、
そのコーナ一部２ａ、２ｂの高周波電流密度が管状鋼の
板厚中央部２ｃの高周波電流密度より高くなり、その結
果、温度分布はＨａ２に示すように、板厚中央部２ｃに
低温部分を生じ、溶接欠陥が発生する。このような冷接
による欠陥をなくすために、高入熱状態にすると、温度
分布はＨａｌに示すような状態になり、ベネトレータ欠
陥が発生する。

そこで、これに対しては、このＥＲＷによる溶接法にレ
ーザビームを併用することにより、すなわち、前記のよ
うな管状鋼のクサビ状部に水平方向からレーザビームを
導入し、該部分を加熱することにより、上記のような開
運を解決することが提案されている（特開昭５８−１０
０９８５号公報、特開昭５９−１９１５７７号公報）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このように電気抵抗溶接方法にレーザビ
ームを併用し、レーザビームを導入して溶接しても、投
入するレーザビーム形状、強度分布の違いによって溶接
状態が変わるため、最適な溶接状態が得られるようにレ
ーザビームの形状、強度分布を形成する必要がある。一
般に、レーザ溶接や、レーザ加工を行なう際に、レーザ
照射部における照射光分布、即ちビーム形状および強度
分布を独立に、かつ速やかに制御する技術は今だ確立さ
れていない。

したがって１本発明は、レーザ加工をさらに確実に効率
よく行なうために、レーザビームの照射光の照射分布を
制御し、照射光の形状および強度分布を独立に制御する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明においては、第１の円
柱鏡によりレーザビームの照射光の一方向の照射分布を
制御し、次いで、第２の円柱鏡により、前記一方向と交
叉する他方向に、レーザビームの照射光の照射分布を制
御して、レーザビーム照射部におけるレーザビームの形
状および強度分布を独立に制御する。ここで、例えば、
この第１の円柱鏡によりレーザビームの照射光の照射分
布を制御した一方向に対して、第２の円柱鏡により制御
する他方向は、９０度変位した方向である。

また、レーザビームの照射分布というのは、レーザ照射
部におけるレーザビームの縦方向または横方向の径およ
び強度分布（エネルギー分布）、即ち、レーザビームの
形状および強度分布を指す。

また、本発明においては、レーザビームを照射して加工
を行なうに際し、レーザビームの光路上に、２枚の円柱
鏡、または１枚の円柱鏡と円柱鏡を該円柱鏡の彎曲方向
に対し直角方向に分割した１枚の積分鏡、または円柱鏡
を該円柱鏡の彎曲方向に対し直角方向に分割した２枚の
積分鏡を、対峙させて構成されるミラー系を箱体内に配
置して、レーザビームの照射制御装置を構成し、各円柱
鏡開の距離２円柱鏡の焦点距離、および、積分鏡を構成
する個々の円柱鏡の集光方向を制御することにより、レ
ーザビーム照射部におけるレーザビームの形状および強
度分布を独立に制御する。

〔作用〕

これによれば、第１の円柱鏡によりレーザビームの照射
光の一方向の照射分布を制御し９次いで。

第１の円柱鏡の彎曲方向に対して、直交する方向をその
彎曲方向とした第２の円柱鏡により、前記レーザビーム
の照射光の照射分布を制御した一方向に対して、直角方
向に変位した方向にレーザビームの照射光の照射分布を
制御することにより、レーザビーム照射部におけるレー
ザビームの形状および強度分布を独立に制御する。この
照射分布の制御は、第１の円柱鏡と第２の円柱鏡の間の
距離、各円柱鏡の焦点距離、および、第１の円柱鏡また
は第２の円柱鏡として１円柱鏡を該円柱鏡の彎曲方向に
対し直角方向に分割した積分鏡゛を用い。

該積分鏡を構成する個々の円柱鏡の集光方向を、適宜に
調整することにより行なう。

〔実施例〕

第１図は、本発明を一態様で実施するレーザビームの照
射制御装置のミラー系を示す断面図である。第１図の照
射制御装置７では、第１の円柱鏡。

第２の円柱鏡ともに単一面のものを用いてミラー系を構
成し、このミラー系を箱体２０の内に設置している。図
示しないレーザ発振器からこのミラー系の光学系に入っ
たレーザビームは、まず平板鏡１１によって方向を変え
て第１の円柱鏡１２に入射する。この第１の円柱鏡１２
ではレーザビームの横方向の径を絞る。第１の円柱ｆｉ
１２によって横方向を絞られたレーザビームは、次に第
２の円柱ｆｉ１３に入射する。この第２の円柱鏡１３は
第１の円柱鏡１２に対して９０度変位した方向に配設さ
れており、この第２の円柱鏡１３により、今度は縦方向
を絞られて出射し、加熱すべき溶接部に到る。９はレー
ザビームを通すビームダクトである。ここでは、第１の
円柱鏡１２と第２の円柱鏡１３との間の距離Ｄｘ、およ
び第１の円柱鏡１２の焦点距離ｆ１を変えることによっ
て、照射部におけるレーザビームの横方向を径を制御し
、また、第１の円柱ｆｉ１２と第２の円柱鏡１３との間
の距離Ｄｘ、および第２の円柱鏡１３の焦点距離ｆ２を
変えることによって照射部におけるレーザビームの縦方
向の径を制御する。さて、ここで縦方向、横方向という
のはあくまで第１図にしたがった説明であり、２つの円
柱鏡の相対的な位置関係さえ保たれれば、光学系全体の
向きは任意に決めることができる。

第２図は、本発明を他の一態様で実施するレーザビーム
の照射制御装置のミラー系を示す断面図である。第２図
の照射制御装置７では、第１の円柱鏡として単一面のも
のを、第２の円柱鏡として、円柱鏡を該円柱鏡の彎曲方
向に対し直角方向に分割した積分鏡（第３図）を用いて
、ミラー系を構成し、このミラー系を箱体２０内に設置
している。

ここでは、光学系に入ったレーザビームは、まず平板鏡
１１によって方向を変えて、第１の円柱鏡１２に入射す
る。この円柱鏡１２によって横方向を絞られたレーザビ
ームは、次に積分鏡１４に入射し、今度は縦方向を絞ら
れて溶接部に到る。このレーザビームの照射制御装置に
おいても、円柱針１２と積分！！１４のの間の距離Ｄｘ
および円柱針１２の焦点距離ｆ１を変えることによって
、照射部におけるレーザビームの横方向の径を制御し、
また、レーザビームの縦方向の照射分布は、積分鏡１４
の位置、積分鏡１４を構成する個々の円柱針の集光方向
を変えることにより制御する。

次に、この積分鏡１４によって、レーザビームの縦方向
の怪と、縦方向の強度分布が独立に制御可能なことを説
明する。第３図は、積分子Ｉｔ１４の一例を示す斜視図
である。この積分鏡１４は８つの円柱ｆｉ１４−１〜１
４−８およびホルダー１５から構成され、１つ１つの円
柱針１４−１〜１４−８に調整装置がついている。第４
図は、積分ｔＲ１４の集光の様子を示す断面図である。

この積分子ｉ１４においては、照射部を縦方向にＡ部分
およびＢ部分と２つに分け、積分鏡を構成する各円柱ｆ
ｉ１４−１〜１４−４の反射光はＡ部分に、各円柱［１
４−５〜１４−８の反射光はＢ部分に投射するように円
柱針の反射方向が調整されている。いま、積分鏡１４に
入射するレーザビームの縦方向の強度分布が、積分鏡１
４を構成する円柱ｆｉ１４−１〜１４−８すべてにわた
るものとし、各円柱針に入るレーザビームの強度分布を
均一化して考えると、第５ａ図に示すような分布となる
。ここで、ａ　”　ｈは各円柱針に入るエネルギー量を
示す。これから、積分鏡１４を構成する各円柱ｆｉ１４
−１〜１４−８の反射方向を調整することにより、第５
ｂ図〜第５ｇ図に示されるような縦方向のビーム径およ
び強度分布をつくることができる。すなわち、例えば第
５ｂ図に示すように、円柱ｆｉ１４−２に入るエネルギ
ー量すと円柱ｆｉ１４−３に入るエネルギー量Ｃを加え
あわせて１つのポジションに入射しくｂ＋ｃ）、円柱ｆ
ｉ１４−１に入るエネルギーｆｔａと円柱ｆｉ１４−４
に入るエネルギー量ｄを加えあわせて他の１つのポジシ
ョンに入射しくａ＋ｄ）１円柱鏡１４−５に入るエネル
ギー量ｅと円柱針１４−８に入るエネルギー量りを加え
あわせて別の１つのポジションに入射しくｅ　＋　ｈ）
、さらに円柱ｆｉ１４−６に入るエネルギー量ｆと円柱
針１４−７に入るエネルギー量ｇを加えあわせて別の他
の１つのポジシ鳳ンに入射する（ｆ＋ｇ）ように、円柱
！ｌ！１４−１〜１４−８のビーム反射方向を調整する
ことにより、各ポジションの強度分布を均一とすること
ができる。この場合のエネルギー分布の広がり、すなわ
ち、ビームの径は４ポジション分となっている。このよ
うに、各円柱ｆｉ１４−１〜１４−８に入るエネルギー
量ａ　”　ｈを適宜に加えあわせることにより、１つの
ポジションに入射するエネルギー強度を調整して、Ｉｆ
＆方向において強度を一定とすることができる。第５ｂ
図〜第５ｇ図において、図中のａ＋ｂは、エネルギー量
ａとエネルギー量すが加えあわされて１つのポジション
に入射することを意味する。第５ｂ図〜第５ｄ図は、縦
方向の強度分布を一定にして縦方向の径を変化させた例
であり、第５ｅ図〜第５ｇ図は、縦方向の径を一定にし
て縦方向の強度分布を変化させた例である６以上の説明
から理解されるように、縦方向におけるレーザビームの
径および強度分布が独立に制御できる。

即ち、第２図に示される光学系によるレーザビームの照
射制御装置においては、レーザビームの横方向の径、縦
方向の径および縦方向の強度分布の王者が独立に制御で
きる。ここで、縦方向、横方向というのは、あくまで第
２図に従った説明であり、円柱針と積分鏡の相対的な位
置関係さえ保たれれば、光学系全体の向きは任意に決め
ることができるものである。また、第２図において１円
柱ｆｉ１２と積分鏡１４を入れかえれば、こんどはレー
ザビームの縦方向の径、横方向の径および横方向の強度
分布が独立に制御できることは明らかである。さらにレ
ーザビームの縦方向の径および強度分布、横方向の径お
よび強度分布の４者を独立に制御する場合には、各円柱
針とも積分鏡を用いたミラー系の光学系を構成すればよ
い。

第６図は、従来の技術の説明で述べた電縫管の溶接部を
真上から見たもので、クサビ状を呈する溶接部における
レーザビームの集光する様子を示したものである。この
ようにクサビ状を呈する溶接部においては、レーザビー
ムは多重反射を繰り返して溶接部に入るため、このクサ
ビ形の溶接部におけるレーザビームの横方向の強度分布
は、多重反射を繰り返して入射する積分効果により均一
な理想的分布となる。それ故この場合には、横方向の強
度分布の制御は不要になり、第１図で示した光学系を用
いて、縦方向の径、縦方向の強度分布。

および横方向の径を制御すればよいことになる。

なお、積分銀を構成する各円柱鏡の焦点距離をＦとする
と、各円柱鏡は、Ｆ）Ｏで凹面円柱鏡、Ｆ〈０で凸面円
柱鏡、Ｆ＝ψで平面鏡となる。

次に、第１図または第２図に例示したようなレーザビー
ムの照射制御装置７を用いて、電縫管を製造する際の溶
接方法の一例を説明する。第７図は、レーザビーム照射
と電気抵抗溶接を併用して電縫管を製造する様子を示す
説明図である。ここで、１は銅帯を管状に成形した管状
体、２はその管状鋼１の溶接部のクサビ形状部を形成す
る測端部である。４は高周波電源、４ａ、４ｂは接触子
である。５はレーザ発振器、７はレーザビーム照射制御
装置、８は対物ミラー、９はレーザビームＬＢを通過さ
せるビームダクト、１０は酸化防止用ガス供給管、１０
ａはその先端のノズル部、また、２ａは接合端部の上端
、２ｂは下端、２Ｃは中央部である。なお、５１．５２
はレーザ発振器５の発振用ミラーである。

このレーザビームの照射制御装置７においては、第２図
に示すように、レーザビームＬＢの光軸変換用ミラー１
１．横方向に彎曲した円柱ｆｉ１２、縦方向に曲率Ｒを
もつ円柱鏡を縦１列に並べた積分銀１４からなるミラー
系を設けである。そして。

円柱鏡１２と積分銀１４との距離Ｄｘを調整することに
より、ビームダクト９より照射されたレーザビームＬＢ
の横方向の径を制御し、また、積分銀１４を構成する各
円柱鏡の角度を調整することによって、レーザビームＬ
Ｂの縦方向の径および縦方向のレーザビームの強度分布
（エネルギー分布）を制御する。このように制御された
レーザビームＬＢを対物ミラー８を介して酸化防止用ガ
ス雰囲気中で接合端部に照射する。第７図に例示する電
縫管の溶接方法においては、レーザビームの強度分布を
第５ｇ図のように調整したので、接合端部の中央部２ｃ
に高いエネルギーが、しかも所望の形状（横径、縦径）
に照射され、その結果。

高周波電源４からのエネルギー供給と合わせて、管状鋼
１の接合端部２ａ、２ｂ、２ｃには、はぼ均一したエネ
ルギーが供給され、これにより、極めて良好な溶接を行
うことができた。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、被照射物の形状そ
の他に応じてレーザビーム照射光の形状強度分布を独立
に制御し、最適なものにすることができるので、レーザ
加工を一層確実に行なうことができ、その効果はきわめ
て大きい。

【図面の簡単な説明】

第１回は本発明を一態様で実施するレーザビームの照射
制御装置のミラー系を示す断面図、第２図は本発明を他
の一態様で実施するレーザビームの照射制御装置のミラ
ー系を示す断面図、第３図は積分銀１４の一例を示す斜
視図、第４図は積分銀１４の集光の様子を示す断面図で
ある。第５ａ図は、積分銀１４を構成する各円柱鏡に入射する
レーザビームの強度分布を示す図である。第５ｂ図、第５ｃ図および第５ｄ図は、積分銀１４によ
り縦方向の強度分布を一定にして縦方向の径を変化させ
たレーザビームの強度分布を示す図である。第５ｅ図、第５ｆ図および第５ｇ図は、縦方向の径を一
定にして縦方向の強度分布を変化させたレーザビームの
強度分布を示す図である。第６図は、管状鋼１の溶接部におけるレーザビームの集
光する様子を示した平面図である。第７図は、レーザビーム照射法と電気抵抗溶接法を併用
して電縫管を製造する様子を概略的に示す説明図である
。第８図は、従来一般に行なわれている高周波接触式電気
抵抗溶接法による造管方法の一例を示す説明図である。第９図は、第８図の電気抵抗溶接法により造管を行なう
場合の肉厚の管状鋼１の側端部２における温度分布を示
す説明図である。１：管状鋼　　　　　　２：側端部３ニスクイズロール　　４：高周波電源４ａ、４ｂ：接
触子　　５：レーザ発振器７：レーザビーム照射制御装
置８：対物ミラー　　　　９：ビームダクト１０：酸化防
止用ガス供給管１０ａ：ノズル部　　　　１１：平板鏡１２：第１の円
柱鏡　　　１３：第２の円柱鏡１４：積分鏡　　　　　
　１４−１〜１４−８：円柱鏡１５：ホルダー　　　　
　２０：箱体ＬＢ：レーザビーム５１．５２　：レーザ発振用ミラー第１母馬２母第４図第５８ワ　　　　躬５ｂ阿　　第５ｃ図　　　垢５ｄ囲
も５ｅワ　　も５ｆ口　　第５９父第６図第８シム第９何Ｈａｌ　　１−１２’？

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の円柱鏡によりレーザビームの照射光の一方
向の照射分布を制御し、次いで、第２の円柱鏡により、
前記一方向と交叉する他方向に、レーザビームの照射光
の照射分布を制御する、レーザビームの照射制御方法。
（２）他方向は、一方向に対して、９０度変位した方向
である、前記特許請求の範囲第（１）項記載のレーザビ
ームの照射制御方法。
（３）第１の円柱鏡によりレーザビームの形状を制御す
る、前記特許請求の範囲第（１）項記載のレーザビーム
の照射制御方法。
（４）第１の円柱鏡を積分鏡とし、該積分鏡によりレー
ザビームの形状および強度分布を制御する、前記特許請
求の範囲第（１）項記載のレーザビームの照射制御方法
。
（５）第２の円柱鏡によりレーザビームの形状を制御す
る、前記特許請求の範囲第（１）項記載のレーザビーム
の照射制御方法。
（６）第２の円柱鏡を積分鏡とし、該積分鏡によりレー
ザビームの形状および強度分布を制御する、前記特許請
求の範囲第（１）項記載のレーザビームの照射制御方法
。
（７）レーザビームの光路上に、該レーザビームに対し
て一方向に彎曲した鏡面で構成された第１の円柱鏡と、
該第１の円柱鏡で制御されたレーザビームの光路上に前
記一方向に対して９０度変位した方向に彎曲し、且つ第
１の円柱鏡の鏡面に対峙して配置された鏡面で構成され
た第２の円柱鏡とを、箱体内に設置したことを特徴とす
るレーザビームの照射制御装置。
（８）第１の円柱鏡が単一面で構成された、前記特許請
求の範囲第（７）項記載のレーザビームの照射制御装置
。
（９）第１の円柱鏡が、彎曲方向に対して直角方向に分
割された積分鏡で構成された、前記特許請求の範囲第（
７）項記載のレーザビームの照射制御装置。
（１０）第２の円柱鏡が単一面で構成された、前記特許
請求の範囲第（７）項記載のレーザビームの照射制御装
置。
（１１）第２の円柱鏡が、彎曲方向に対して直角方向に
分割された積分鏡で構成された、前記特許請求の範囲第
（７）項記載のレーザビームの照射制御装置。
（１２）第２の円柱鏡を移動可能に設置した、前記特許
請求の範囲第（７）項記載のレーザビームの照射制御装
置。