JPH0919785A - レーザ加工用光学系及びそれを用いた加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属製品の溶接や切断などに適用されるレー
ザ加工用光学系及びそれを用いたレーザ加工方法を提供
する。 【解決手段】 レーザ発振器からの光を加工のレーザ加
工用のレーザビームとする光学系において、レンズ系３
と光源である光ファイバ２間、又はレンズ系３と加工面
８間にクサビプリズム７を挿入してなり、大きさ，形
状，パワー密度の異なる複数の集光，ディフォーカスビ
ームを同時に作り出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属製品の溶接や
切断などに適用されるレーザ加工用光学系及びそれを用
いたレーザ加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のＹＡＧレーザ溶接に用いられてい
る光学系の構成の一例を図７に示す。図７中、符号１は
ＹＡＧレーザ発振器，２は光ファイバ，３は集光光学
系，４はレーザビーム，５は溶融池及び６は溶接ビード
を各々図示する。ここで、上記ＹＡＧレーザ発振器１か
らのレーザビーム４は、光ファイバ２によって伝送さ
れ、溶接用集光光学系３で集光され、溶接に用いられ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、アルミニウ
ム合金の溶接では、図７に示す方法において、レーザビ
ーム４の反射率が高く通常ＹＡＧレーザでは、パルスレ
ーザが用いられている。しかし、冷却速度が速いことか
ら、溶接部に割れが発生する場合がある。

【０００４】このため、最近、図８のように２台のＹＡ
Ｇレーザ発振器１で予熱しつつ溶接する手法が提案され
ている。

【０００５】同図に示す方法は、溶接割れ防止のため
に、図７で示したＹＡＧレーザ発振器１を２台用い、２
本の集光光学系により予熱しつつ溶接が行われる。

【０００６】この図８に示す方法では、全て２式の装置
を用いることから加工装置が高価になる上、溶接ヘッド
部が大型となり、狭隘個所への適用、適用対象へのアプ
ローチのフレキシブル性を損なうことになる、という問
題がある。

【０００７】さらに、溶接用集光光学系３も２台使用す
ることから２本のレーザビーム４と光軸を同一にするこ
とが困難で、レーザビーム４の材料に対する照射は斜め
になりビームエネルギー密度が低下する上、そのエネル
ギー密度設定は溶接用集光光学系３の光軸の傾きに依存
することから、その調整が容易でないという問題があ
る。

【０００８】本発明は上記問題に鑑み、割れ等の発生し
ない健全な加工ができるレーザ加工光学系及びそれを用
いた加工方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明にかかる構成は、レーザ発振器からの光を用いてレー
ザ加工を施すレーザ加工装置に用いる加工用のレーザビ
ームを形成する光学系において、レンズ系と光源間、又
はレンズ系と加工面間にクサビプリズムをレーザビーム
の光軸方向に挿入してなり、大きさ，形状，パワー密度
の異なる複数の集光，ディフォーカスビームを同時に作
り出すことを特徴とする。

【００１０】上記レーザ加工用光学系において、上記ク
サビ型プリズムの挿入量を所定量調整することにより、
複数のレーザビームへのレーザ出力の割合を適宜調整す
ることを特徴とする。

【００１１】一方の、レーザ加工方法は、上記レーザ加
工用光学系を備えた加工装置を用いて、レーザ加工する
ことを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施する実施の形
態の内容を詳細に説明する。

【００１３】本発明の加工光学系は、図１（ａ）に示す
ように、一体の溶接用集光光学系３であり、光源（光フ
ァイバー２）と集光光学系３との間あるいは集光光学系
３と加工面８すなわち像側に、クサビプリズム７を光軸
方向に挿入しレーザビーム４を分割するものである。ま
た、挿入するクサビプリズム７を光軸方向に挿入する量
の大小によってレーザビーム４の分割割合がきまる。

【００１４】本発明の加工光学系の構成は、図１（ａ）
に示すように、光ファイバ２から出射されたレーザビー
ム４のほとんどは集光光学系３により加工面８上の点Ｐ
に集光される。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＳ面での分
割されたレーザビーム９，１０の状態を示す。図１
（ｃ）は、図１（ａ）のＷ面での分割されたレーザビー
ム９，１０の状態を示す。図１（ｂ）に示すように、レ
ーザビーム４の一部は挿入されたクサビプリズム７によ
り曲げられ、クサビプリズム７の厚みによってディフォ
ーカスを生じるため、点Ｐ以外に光軸からｄだけ離れた
点Ｑにも集光される。

【００１５】したがって、図１（ｃ）のように、加工面
８では微小面積に集光されたレーザビーム１０のスポッ
ト１０ｓとこの集光スポット１０ｓからやや離れた位置
に、ある広がりを持つレーザビーム９のスポット９ｓが
同時にできる。よって、光ファイバ２と集光光学系３と
を一体として加工面８を走査すれば、該加工面８はある
程度広がりを持つレーザビーム９のスポット９ｓで加熱
された後に、微小面積に集光されたレーザビーム１０の
集光スポット１０ｓで溶接される。

【００１６】なお、図１（ａ）には、光ファイバ２の一
点から出たレーザビーム４のみを示したが、実際には点
Ｐ，Ｑの周りに光ファイバ２のコアの像の広がりを持つ
が、省略する。また、上記広がりを持つ方のスポット９
ｓの大きさは、点Ｑのディフォーカス量すなわちクサビ
プリズム７の厚さで決まってくる。上記広がりを持つス
ポット９ｓと集光スポット１０ｓ間の距離は、点Ｑのシ
フト量すなわちクサビプリズム７のクサビ角で決まる。
また、広がりを持つレーザビーム９と光軸上の集光され
たレーザビーム１０とのレーザ出力バランスは、クサビ
プリズム７の大きさ及びその挿入量により決定される。
また、広がりを持つレーザビーム９の形状は、面Ｓにお
けるクサビプリズム７の形状にほぼ等しい。

【００１７】ここで、点Ｑのディフォーカス量δと点Ｑ
のシフト量ｄの大きさは、 ε：クサビプリズム７のクサビ角， ｔ：クサビプリズム７の平均厚さ， ｎ：クサビプリズム７の屈折率， ｆ：レンズ焦点距離， とすると、

【数１】δ＝ｔ・（ｎ−１）／ｎ≒ｔ／３ となる。また、クサビプリズム７通過後の光軸のフレ角
は、

【数２】ε′＝ε・（ｎ−１）≒ε／２ となる。したがって、点Ｑのシフト量（光軸からの距
離）は、

【数３】ｄ＝ε′・ｆ≒ｆ・ε／２ となる。

【００１８】尚、上記クサビプリズム７は、集光光学系
３と加工面８との間に配置してもよい。但し、一般に結
像倍率は１以下なので、レンズの入射側より出射側のほ
うが、開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）が大きく、
上記クサビプリズム７の挿入により、大きな球面収差が
発生し易いため、集光スポットはぼけることとなる。

【００１９】次に、本発明のツインビームレーザ加工用
光学系の好適な一実施の形態を、図２〜図５によって述
べるが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００２０】図２に本実施の形態に係るレンズ構成を示
し、図２（Ａ）はツインビームレーザ加工用光学系の正
面図、（Ｂ）はその平面図を示す。本実施の形態の光学
系は前述した図７に示すレーザ加工装置の集光光学系３
として用いるものであり、本実施の形態にかかるクサビ
プリズム７は、光源すなわち光ファイバ２と集光光学系
３との間に挿入する構成となっている。また、実際の集
光光学系３は、収差補正のため５枚の組み合せレンズに
よって構成されており、溶接に用いるため加工面８側に
は、保護ガラス１２を設置している。

【００２１】下記「表１」に、本実施の形態において集
光光学系３に挿入する２種類のクサビプリズム７の特性
を示す。ここで、クサビプリズム７ No.１は、光軸上の
集光スポット１０ｓが、0.２３mmφに対し、広がりを持
つスポット（ここでは「加熱スポット」と呼ぶ）９ｓが
クサビプリズム７ No.１の挿入により0.６２×（０〜0.
７０）mmとなる。また、クサビプリズム No.２は、同様
に加熱スポット９ｓが0.４８×（０〜0.５６）mmとな
る。

【００２２】

【表１】

【００２３】図３に製作したクサビプリズム７の挿入機
構を示す。図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、集光光学
系３と連通する筒部材２１には、架台２２を介して移動
手段２２が設けられており、移動手段２２の回転レバー
２３を回転させることにより、移動部材２４に固定され
ているクサビプリズム７を光軸方向に所定量挿入又は引
き出しを行うようにしている。そして、上記クサビプリ
ズム７の先端が、光学系の光軸Ｌと一致させた位置を原
点（零）とし、クサビプリズム７を中へ挿入する方向を
「＋」とし、引き抜く方向を「−」とした。

【００２４】図４（Ａ）〜（Ｇ）にクサビプリズム７の
挿入位置を様々に変化させた際、本発明の光学系により
集光したレーザビーム９，１０を黒色アクリルに照射
し、黒色アクリルを蒸発させた結果を、模式的に描いた
ものを示す。図４（Ａ）〜（Ｇ）に示すように、いずれ
の場合でもレーザビーム９，１０が分割されていること
が確認できた。また、クサビプリズム７の挿入位置の変
化によって集光レーザビーム９，１０の分割の割合を自
由に変化させることが確認できた（左：加熱パターン，
右：溶接パターンを示す）。なお、ここに用いたクサビ
プリズム７は、上記「表１」の No.１に示したものであ
る。

【００２５】

【実施例】本発明の光学系等を用いて、下記に示す「条
件」にて板厚１mmのアルミニウム合金（A5052)を溶接し
た「一実施例」について説明する。図５に、アルミニウ
ム合金の溶接の結果を、模式的に描いたものを示す。

【００２６】＜条件＞ （１） ツインビーム条件 ビーム間隔；0.５mm エネルギー分配比 先行：後行＝４：６ （２） 溶 接 条 件 平均出力 ；５１０ｗ ピーク出力； 5.３kw パルス周波数 ；１０pps デューティ；１０％ 速 度 ； 0.３m/min 板 厚 ； １mmt

【００２７】図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、板厚１
mmのアルミニウム合金の溶接を施しても、本実施例の光
学系によるツインビームによる加工方法では、割れの発
生がないことを確認した。これは、先行するレーザビー
ム９の予熱効果によるものである。

【００２８】しかしながら、従来のシングルビームによ
る加工方法では、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、他
の条件は全て同一条件で溶接しているにもかかわらず、
板厚１mmのアルミニウム合金の表裏全厚に貫通する割れ
３１が発生した。

【００２９】

【発明の効果】このように、本発明の光学系は、レンズ
系と光源間、又はレンズ系と加工面間にクサビプリズム
を挿入してなり、大きさ，形状，パワー密度の異なる複
数の集光，ディフォーカスビームを同時に作り出すとい
うシンプルな装置で、種々のツインビームが得られるの
で、溶接や切断などのレーザ加工において、割れ等のな
い健全な加工が出来るものである。

【００３０】また、クサビプリズムの挿入量を所定量調
整することにより、複数のレーザビームへのレーザ出力
の割合を適宜調整できる、所望のレーザ加工が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る光学系の説明図であ
る。

【図２】本発明の実施の形態に係る光学系の構成図であ
る。

【図３】本発明の実施の形態に係るクサビプリズム挿入
機構の概略図である。

【図４】本発明の実施の形態に係るアクリルバーンパタ
ーンの状況図である。

【図５】本発明の実施例に係る溶接結果を示す模式図で
ある。

【図６】従来例に係る溶接結果を示す模式図である。

【図７】従来のＹＡＧレーザ溶接時の装置構成図であ
る。

【図８】従来の２台の装置を用いたＹＡＧレーザ溶接時
の装置構成図である。

【符号の説明】

１ ＹＡＧレーザ発振器 ２ 光ファイバー ３ 集光光学系 ４ レーザビーム ５ 溶融池 ６ 溶接ビード ７ クサビプリズム ８ 加工面 ９ クサビプリズムを通過したレーザビーム １０ レンズのみを通過したレーザビーム １１ 光束 １２ 保護ガラス ９ｓ スポット １０ｓ スポット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 濱田 彰一 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 赤羽 崇 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 大滝 桂 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器からの光を用いてレーザ加
   工を施すレーザ加工装置に用いいる加工用のレーザビー
   ムを形成する光学系において、 レンズ系と光源間、又はレンズ系と加工面間にクサビプ
   リズムをレーザビームの光軸方向に挿入してなり、大き
   さ，形状，パワー密度の異なる複数の集光，ディフォー
   カスビームを同時に作り出すことを特徴とするレーザ加
   工用光学系。
2. 【請求項２】 請求項１記載のレーザ加工用光学系にお
   いて、 上記クサビ型プリズムの挿入量を所定量調整することに
   より、複数のレーザビームへのレーザ出力の割合を適宜
   調整することを特徴とするレーザ加工用光学系。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のレーザ加工用光学
   系を備えた加工装置を用いて、レーザ加工することを特
   徴とするレーザ加工方法。