JPH01181987A - レーザビームの照射制御方法および装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明はレーザビーム照射法、特にレーザビーム照射に
おける照射光の形状を制御する方法及びその装置に関す
るものである。

従来の技術 一般に、レーザ加工において、照射部におけるビーム形
状を、その加工に応じた最適なものに制御することは重
要である。１例として、電縫管の溶接において入熱の不
足しがちな板厚中心部に、レーザを投入することによっ
て板厚方向を均一に溶融し、これにより溶接部品質の飛
躍的向上をはかるｒＥＲＷ：レーザ複合溶接法」をあげ
ると、投入されるビーム形状について最適な溶接を行な
うためには次のような制限がつく。即ち照射部における
ビームの縦径は管の肉厚に応じて変えなければならず、
一方ビームの横枠はある一定値以下に保ちたい。

そこで考えられる光学系としては、これまで第１図に示
すようなものが提案されている（ＬａｓｅｒＦｏｃｕｓ
　、　Ｎｏｖ、　１９７９　、８８頁、Ａ　Ｃｏｎｖｅ
ｘ　Ｂｅａｍ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ）。これは凹面鏡
と凸面鏡を組合わせたものであり、両鏡間距離りを変え
ることにより、照射部におけるビーム形状を制御するシ
ステムであるが、このシステムではビームの縦（横）径
を所望の値に設定すると同時に、ビームの横（縦）径も
一義的に決まるため、縦径横枠とも同時に所望の値に設
定することはできない。以下その理由を説明する。

第２図は凹面鏡からの距離に応じて、ビームの縦径、■
及び横枠Ｈがどのように変化するかを示したものである
。図示の如く、Ｖ、Ｈ両カーブにずれが生ずるのはビー
ムが凸面鏡、凹面鏡にある角度をなして入射することに
よる非点収差の影響で、横方向の焦点距離がみかけ１縦
方向の焦点距離より長くなるためであり、それ故ウェス
ト近傍でのビーム形状はＡ：横長→Ｂ：円→Ｃ：縦長と
なる。

実験により、横枠Ｈが小さいほうが溶接性がよいことが
確かめられているので、第２図のｄｈが最小になるよう
な距離りを決めると、第２図の両グラフが、一義的に決
まる。即ちこのときのビームの縦径Ｖも一義的に決まる
ので、縦径■を所望の−値にすることはできない。

発明が解決しようとする課題 以上のように従来の技術においては、ビーム形状を自由
に制御することができないという問題点があった。本発
明は上記問題点を解決し、照射光の形状を制御しうる照
射制御方法および装置を提供する。

課題を解決するための手段 上記問題点を解決するための第１の本発明は、レーザ発
振器から出たレーザビームを凸面鏡により拡大し、次に
該レーザビームを第１の凹円柱鏡により１方向に集光し
、次に該レーザビームのうち、上記方向に対し９０’変
位した方向成分を第２の凹円柱鏡により集光すると共に
、凸面鏡と第１の凹円柱鏡の距離及び第１の凹円柱鏡と
第２の凹円柱鏡の距離の１方または両方を変更して所望
の形状のレーザビームを得ることを特徴とするレーザビ
ーム照射制御方法である。

また第１の凹円柱鏡及び第２の凹円柱鏡が集光したそれ
ぞれの方向のレーザビームの径をレーザ照射部において
所望の大きさにし、また第１の凹円柱鏡と第２の凹円柱
鏡のいずれか一方を積分鏡とし、該積分鏡によりレーザ
照射部におけるレーザビームのエネルギー分布をも制御
することを特徴とするものである。

第２の本発明は、レーザ発振器から出たレーザビームを
拡大する凸面鏡と、拡大されたレーザビームを１方向に
集光する第１の凹柱鏡と、拡大されたレーザビームのう
ち上記方向に対して８０゜変位した方向成分を集光する
第２の凹円柱鏡とを箱体内に設置し、前記凸面鏡、第１
の凹円柱鏡及び第２の凹円柱鏡のそれぞれに位置調整装
置を設けたことを特徴とするレーザビーム照射制御装置
であり、また第１の凹円柱鏡と第２の凹円柱鏡のいずれ
か一方がわん曲方向に対して直角方向に分割された積分
鏡で構成されたものである。

作用 第１図は本発明の光学系を示すもので、凸面鏡３、横方
向にカーブをもつ凹円柱鏡４、縦方向にカーブをもつ凹
円柱鏡５の３者から成り、各鏡開距離り、、Ｄ２を変え
ることができる。ここで、ビームの横枠に注目すると縦
方向にカーブをもつ凹円柱鏡５は、横方向に対して平面
鏡の役割しか果たさないので、ビーム横枠の感じる光学
系は第２図に示す２枚鏡光学系と等価である。

一方ビーム縦径に注目すると、横方向にカーブをもつ凹
円柱鏡４は、縦方向に対して平面鏡の役割しか果たさな
いので、ビーム縦径の感じる光学系は第３図に示す２枚
ミラー光学もと等価である。

ここで第３図における３、４．５の鏡のいずれか２枚を
移動可能にすれば、Ｄ□、Ｄ２を独立に変えることがで
き、これから当然のことながら、第２図における両鏡間
距離Ｄｌと、第５図における両鏡間距離Ｄ１＋Ｄ２を独
立に変えられる。そしてこのことは第９図のビーム径■
、Ｈｌおのおののカーブを独立して動かすことが可能に
なったことを意味する。

例えば第１図におけるＤｉを一定に保ちつつＤ１＋Ｄ２
を小さくすると第４図に示すように横方向のビーム径の
変化、即ち曲線Ｈを固定したまま縦方向のビーム径の変
化、即ち曲線ＶをＶ　Ａ　＋ｖＢ＋ｖ、　　と動かすこ
とができる。これは即ち溶接点における横枠を一定に保
ったまま縦径を変えられることを意味し、このときビー
ム形状はＡ→Ｂ−Ｃとなる。以上のように本発明を用い
るとレーザ照射部におけるビーム形状を自由に制御でき
る。

実施例 ここで本発明の装置について第５図及び第６図に基づい
て更に具体的に説明する。

第５図は本発明を示す一実施例で、レーザビーム照射制
御装置のミラー系を示す断面図である。

凸円柱鏡３はミラーホルダー６内にはめこまれ、該ミラ
ーホルダー６は、支持棒７に回転自在に取付けられてい
る。

第１の凹円柱鏡４はミラーホルダー６〜１にはめこまれ
、該ミラーホルダー６−１はスライダー８に回転自在に
取付けられ、かつ該スライダー８は、支持棒９上を自在
に移動する。該円柱鏡４は、前記円柱鏡３と対峙して配
置される。

次に第２の凹円柱鏡５は、第１の凹円柱鏡４と対峙して
配置され、かつ上記同様ホルダー６−２を介して支持棒
９−１上に自在に移動するスライダー８−１に回転自在
に取付けられる。１１．１２は平板鏡である。以上のミ
ラー系が箱体１３内に収納されている。

第６図は例えば第１の凹円柱鏡４のミラーホルダー６−
１の駆動機構を更に詳細に示したもので、支持棒９に移
動自在に嵌挿されたスライダー８より突出構成されたシ
ャフト１０の先端に該シャフト１０の中心線を中心にし
て回転できるようにミラーホルダー６−１が取付けられ
ている。

このような装置において発振器より投入されたビームは
、平板鏡１１．１２により伝送されて凸面鏡に投入され
る。該凸面鏡３で投射されたビームは、その縦径、横枠
とも広げられた、即ち相似的に広げられた形状となる。

かかる投射ビームが第１の凹円柱鏡４、例えば横方向に
カーブを有する円杵鏡に投入されると該円柱鏡４では投
入ビームの縦方向の広がり方はそのままで、ビームの横
方向の成分だけが絞られた投射ビームとなる。かかる投
射ビームがさらに第２の凹円柱鏡５、例えば縦方向にカ
ーブを有する円柱鏡に投入されると該円柱鏡５では投入
ビームの横方向の絞られ方はそのままで、９０゜変位し
た方向成分、即ちビームの縦方向成分だけが絞られる投
射ビームとなる。

いま投射ビームの照射部における縦径を大きくするため
に、鏡開距離り、を一定にして、即ち凸面鏡３と横方向
にカーブをもつ凹面鏡４との距離を一定にして鏡開距離
Ｄ１＋Ｄ２を小さくする。

即ちＤ２を小さくするために円柱鏡５を移動する。以上
の操作により、円柱鏡５からの投射ビームは、Ｄ１＋Ｄ
２の値に応じた形状に制御され、溶接点へ投射される。

この場合は円柱鏡５を移動させたが、この他、凸面鏡３
と円柱鏡４を移動させても同様の効果が得られる。

なお、縦径を一定に保ったまま横枠を変える場合はＤ１
＋Ｄ２を一定に保ったままＤ２を変えればよい。この場
合は凸面鏡３、円柱鏡４、円柱鏡５のうちのいずれか２
枚の位置を変えることにより実現できる。また円柱鏡４
を縦方向にカーブをもつ凹円柱鏡に、円柱鏡５を横方向
にカーブをもつ凹円柱鏡にしても同様の効果が得られる
。この場合、横枠を一定に保ちたければＤ１＋Ｄ２を一
定にすればよく、縦径を一定に保ちたければＤ□を一定
にすればよい。

まお本発明をｒＥＲＷ・レーザ複合溶接法」に適用する
場合には、縦方向のエネルギー分布を最適なものにする
必要があるが、これは円柱鏡５をわん曲方向に対して直
角方向に分割した積分値にして、この積分値を構成する
各セグメントの縦方向の集光方向を調整することにより
実現できる。

第７図はこのような積分値の一例であるが、積分値４−
１のおのおののセグメン）４−１−Ａ、４−１−Ｂの裏
に調整ネジを設けて各ネジを操作することにより集光方
向の調整を行なう。

一般に投入ビームの形状及びエネルギー分布は、発振器
の種類によって代わるが、このように積分値を用いるこ
とにより発振器の種類に関係なく所望のエネルギー分布
を実現で゛きる。例えばＥＲＷとの併合の場合、縦方向
のエネルギー分布を均一にすることが回部である。

以上の説明は、本発明を電縫管等の溶接を主体にして述
べたが、これにとどまらず、レーザ加ニ一般において照
射部におけるビーム形状、エネルギー分布をその加工に
応じた最適なものに制御することは極めて重要であるが
故に、本発明は極めて有効であるといえる。

次に第５図に示す光学系によりレーザビームを集光する
ことによって以下の結果が得られた。

（以下余白） ここで、凸面鏡３の焦点距離　　　　　　　　　　　ｆ
、　＝−７３０横方向にカーブをもつ円柱鏡４の焦点距
離　ｆ４＝１３００縦方向にカーブをもつ円柱鏡５の焦
点距離　ｆｓ　＝１０００また表中り、−ｄｖば以下に
定義するとおりである。

Ｄｖ＝凸面鏡３ど縦方向にカーブをもつ円柱鏡５の間の
距離ＤＩＩ：凸面鏡３ど横方向にカーブをもつ円柱鏡４
の間の距離Ｌｖ：円柱鏡５から縦方向のウェストまでの
距峻ＬＨ二円柱鏡５から横方向のウェストまでのＭＬｖ
−Ｌ、：縦方向のウェストと横方向ウェスト間の距離ｄ
ｈ＋ｓｉｎ’横方向のウェスト径 ｄｖ：横方向ウェスト位置での縦方向の径以上の結果か
らＤＨを一定にしてＤｖを変更することにより、横枠を
２４ｍｍに保ったまま、縦径を１０ｉ＋ｎから２２ｍｍ
まで連続的に変えることができたことがわかる。なお、
エネルギー分布についても実用上間迦のない均一な分布
を得ることができたため、ＥＲＷ・レーザ複合溶接実験
を行ったところ、溶接部の品質が飛躍的に向上した。

発明の効果 以上詳述した如く、本発明は■レーザ照射部におけるビ
ームの縦径、横枠を完全に独立して制御できる。■その
制御がビーム伝送ミラーの位置を変えるだけという非常
に速やかな操作で可能である。また■必要であれば積分
値を構成する各ミラーを調整することによりエネルギー
分布制御も可能であるという特徴をもっており、その効
果は電縫管の溶接のみならずレーザ加ニ一般に対して極
めて大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学系を示した図、第２図、第３図は
第１図の光学系の機能を示した図、第４図は本発明の光
学系により制御されたレーザビーム形状の変化を表わし
た図、第５図は本発明の装置の概略断面図、第６図はミ
ラーの駆動機構を示す概略斜視図、第７図は本発明の積
分鏡の概略斜視図、第８図は凹凸面鏡を組合わせた従来
の光学系を示した図、第９図は第１図の光学系によって
制御されたビーム形状の変化を縦方向にカーブをもつ凹
円柱鏡からの距離の関数として表わした図である。 １・・・凸面鏡、２・・争凹面鏡、３・・・凸面鏡、４
−・Φ第１の凹円柱鏡、５や参φ第２の凹円柱鏡、４−
１φ争争積分鏡、１３争・・箱体、２０Φ争Φ投人ビー
ム、２１Φ・・投射ビーム。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．レーザ発振器から出たレーザビームを凸面鏡により
   広げ、次に該レーザビームを第１の凹円柱鏡により１方
   向に絞り、さらに該レーザビームのうち上記方向に対し
   ９０゜変位した方向成分を第２の凹円柱鏡により絞ると
   ともに、上記凸面鏡と第１の凹円柱鏡の距離、及び第１
   の凹円柱鏡と第２の凹円柱鏡の距離の一方または両方を
   変更して所望の形状のレーザビームを得ることを特徴と
   するレーザビーム照射制御方法。
2. ２．レーザ照射部における第１の凹円柱鏡及び第２の凹
   円柱鏡が絞ったそれぞれのレーザビームの径を所望の大
   きさにする特許請求の範囲第１項記載のレーザビーム照
   射制御方法。
3. ３．第１の凹円柱鏡と第２の凹円柱鏡のいずれか一方を
   積分鏡とし、該積分鏡によりレーザ照射部におけるレー
   ザビームのエネルギー分布をも制御することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項又は第２項記載のレーザビーム
   照射制御方法。
4. ４．レーザ発振器から出たレーザビームを広げる凸面鏡
   と、広げられた該レーザビームを１方向に絞る第１の凹
   円柱鏡と、絞られた該レーザビームのうち、上記方向に
   対し９０゜変位した方向成分を絞る第２の凹円柱鏡と、
   前記凸面鏡、第１の凹円柱鏡及び第２の凹円柱鏡のそれ
   ぞれに設けた位置調整装置とを箱体内に設置したことを
   特徴とするレーザビーム照射制御装置。
5. ５．第１の凹円柱鏡と第２の凹円柱鏡のいずれか一方が
   わん曲方向に対して直角方向に分割された積分鏡で構成
   された特許請求の範囲第４項記載のレーザビーム照射制
   御装置。