JPH04182088A - Condensing device for laser beam machining - Google Patents
Condensing device for laser beam machiningInfo
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- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は、レーザ加工用集光装置に係り、特にレーザ溶
接用に適するレーザ加工用集光装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a condensing device for laser processing, and particularly to a condensing device for laser processing suitable for laser welding.
(従来の技術及び解決しようとする課題)従来より、レ
ーザによる熱源は、溶接、表面改質等々の様々な加工用
途に利用されており、熱源としてもCO2レーザ、YA
Gレーザ等々の種々のものが利用されている。(Prior art and problems to be solved) Conventionally, laser heat sources have been used for various processing applications such as welding and surface modification, and CO2 lasers, YA
Various types such as G laser are used.
ところで、レーザ加工用集光装置におけるレーザビーム
系には、レーザ発振器からの1本のビームをそのまま利
用するビーム系と、反射ミラーを用いて2つのビームに
分割して利用するビーム系とがある。By the way, there are two types of laser beam systems in condensing devices for laser processing: beam systems that use a single beam from a laser oscillator as is, and beam systems that use a reflection mirror to split the beam into two beams. .
従来、後者の2つのビームに分割するために用いられる
反射ミラーとしては部分反射ミラー(スプリットミラー
)が用いられていた。特にCO2レーザにおいてはZn
5e表面に誘導体膜をコーティングした反射ミラーが必
要であった。Conventionally, a partial reflection mirror (split mirror) has been used as the reflection mirror used to split the beam into the latter two beams. Especially in CO2 lasers, Zn
A reflective mirror whose 5e surface was coated with a dielectric film was required.
しかし、部分反射ミラーにてビームを2つに分割する場
合、一方のビームは反射されるが、他方のビームは部分
反射ミラー内部を通過させるので。However, when a beam is split into two by a partially reflecting mirror, one beam is reflected while the other beam passes through the partially reflecting mirror.
ミラーの耐久性に問題があった。また、Zn5e等の材
質自体が水分に弱いため、耐久性に問題があると共に高
価である。There was a problem with the durability of the mirror. Furthermore, since the material itself, such as Zn5e, is susceptible to moisture, it has problems with durability and is expensive.
更には、部分反射ミラーを用いてビームを分割するので
、ビームエネルギーの空間分布を任意に変えることは困
難であり、レーザ加工の利用に限界があった・
本発明は、上記従来技術の問題点を解決して、耐久性に
問題のない材質のミラーを用いてレーザビームを2つに
分割でき、かつビームエネルギーの空間分布を任意に変
えることができるビーム系を有する安価なレーザ加工用
集光装置を提供することを目的とするものである。Furthermore, since the beam is split using a partially reflecting mirror, it is difficult to arbitrarily change the spatial distribution of the beam energy, which limits the use of laser processing. An inexpensive condenser for laser processing that solves the problem and has a beam system that can split the laser beam into two using mirrors made of materials that have no problems with durability, and can arbitrarily change the spatial distribution of beam energy. The purpose is to provide a device.
(課題を解決するための手段)
前記課題を解決するため、本発明者等は、レーザビーム
系について鋭意研究を重ねた結果、ここに本発明をなし
たものである。(Means for Solving the Problems) In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted extensive research on laser beam systems, and have hereby accomplished the present invention.
すなわち、本発明は、レーザ発振器からのレーザビーム
を反射ミラーにて2つのビームに分割して加工部に集光
させるレーザビーム系りこおり1て。That is, the present invention provides a laser beam system 1 in which a laser beam from a laser oscillator is split into two beams by a reflecting mirror and focused on a processing section.
前者の反射ミラーとして切妻屋根状の傾斜面を有する全
反射ミラーを用い、各傾斜面を利用して2つのビームに
分割し、各ビームを更に他の反射ミラーにて反射させて
集光する構成にしたことを特徴とするレーザ加工用集光
装置を要旨とするものである。The former reflection mirror uses a total reflection mirror with a gable-roof-shaped slope, and uses each slope to split into two beams, and each beam is further reflected by another reflection mirror to condense the light. The gist of the present invention is a condensing device for laser processing, which is characterized by the following features.
また、必要に応じて、レーザビーム方向と同軸方向又は
交差する方向にガスを流すスAツタ付着防止装置を集光
ビームの回りに設けたことを特徴とするものである。The present invention is also characterized in that, if necessary, an ivy adhesion prevention device is provided around the condensed beam to cause gas to flow in a direction coaxial with or perpendicular to the direction of the laser beam.
以下に本発明を更に詳細に説明する。The present invention will be explained in more detail below.
(作用)
前述のように、レーザービームを2つのビームに分割す
る場合、従来は部分反射ミラーを用いて反射ビームと透
過ビームに分割していたのに対し、本発明では、この部
分反射ミラーに代えて、特定の形状を有する全反射ミラ
ーを用いて2つの反射ビームに分割するものである。(Function) As mentioned above, when splitting a laser beam into two beams, conventionally a partially reflecting mirror was used to split the laser beam into a reflected beam and a transmitted beam, but in the present invention, this partially reflecting mirror Instead, a total reflection mirror with a specific shape is used to split the beam into two reflected beams.
全反射ミラーであるので、ビームがミラー内部を通過す
ることがなく、安価な材質のものを利用できる。このよ
うな全反射ミラーとしては1例えば、Cu ”? A
uなどの貴金属で表面を被覆した耐久性のあるミラーを
使用できる。Since it is a total reflection mirror, the beam does not pass through the interior of the mirror, and inexpensive materials can be used. As such a total reflection mirror, for example, Cu''?A
A durable mirror whose surface is coated with a noble metal such as u can be used.
第1図は本発明のレーザビーム系を示したもので、レー
ザ発振器からのレーザビームを全反射ミラー1にて反射
させて2つのビームに分割する。FIG. 1 shows a laser beam system of the present invention, in which a laser beam from a laser oscillator is reflected by a total reflection mirror 1 and divided into two beams.
この全反射ミラー1は切妻屋根状の傾斜面を有する形状
のミラーであることが必要である。切妻屋根状とは、要
するに三角形状であるが、一方の反射面と他方の反射面
とを同じ傾斜角、或いは異なる傾斜角にすることができ
、また双方の反射面の長さを同一に又は異なる寸法にす
ることもできる。The total reflection mirror 1 needs to be a mirror having a gable roof-like sloped surface. A gable roof is basically a triangular shape, but one reflective surface and the other reflective surface can have the same or different inclination angles, and both reflective surfaces can have the same or different lengths. It can also be of different dimensions.
このように2つに分割されたビームは、第1図に示すよ
うに、それぞれ、他の反射ミラー2.3にて反射され、
加工部に集光する。このミラーとしては適宜の形状のも
のを使用でき、放物面ミラー、球面ミラー又はセミシリ
ンドリカルミラーなどが挙げられる。The beams thus divided into two are each reflected by another reflecting mirror 2.3, as shown in FIG.
Focuses the light on the processing area. This mirror can be of any suitable shape, such as a parabolic mirror, a spherical mirror, or a semi-cylindrical mirror.
かシる構成のレーザビーム系において、切妻屋根状の全
反射ミラー1を加工部に対して平行に移動することがで
きる。また後者の反射ミラー2.3をそれぞれ回転可能
にしたり、或いは上下方向(加工部に対して直角方向)
に移動可能にすることもできるので、以下のような利用
態様が可能である。In the laser beam system having the above-mentioned configuration, the gable-roof-shaped total reflection mirror 1 can be moved parallel to the processing section. In addition, the latter reflecting mirrors 2 and 3 can be rotated or rotated in the vertical direction (perpendicular to the processed part).
Since it can also be made movable, the following usage modes are possible.
まず、レーザ発振器からのレーザビームは第2図に一例
を示すように断面方向に様々なビームエネルギー分布を
有しているが、切妻屋根状のミラーを加工部に対して移
動することにより、第3図に示すように、一方のビーム
と他方のビームとの強度比をX軸方向で任意に変えるこ
とができる。First, the laser beam from the laser oscillator has various beam energy distributions in the cross-sectional direction, as shown in an example in Fig. 2. As shown in FIG. 3, the intensity ratio between one beam and the other beam can be changed arbitrarily in the X-axis direction.
また、後者の反射ミラー2.3を回転させることによっ
て、各ビームを母材法線方向から傾けて入射させること
ができる。これにより、プラズマプルーム(金属霧)の
影響を避けて、有効に母材にビームエネルギーを供給で
きる(第4図参照)。Furthermore, by rotating the latter reflecting mirror 2.3, each beam can be incident at an angle from the normal direction of the base material. Thereby, beam energy can be effectively supplied to the base material while avoiding the influence of plasma plume (metal mist) (see FIG. 4).
更には、後者の反射ミラー2.3を回転させることによ
って、母材上で2つのビームの距離を近づけたり遠ざけ
たりすることもできる(第3図参照)。Furthermore, by rotating the latter reflecting mirror 2.3, the distance between the two beams can be made closer or farther apart on the base material (see FIG. 3).
これらの利用態様を単独で或いは組合せることにより、
ビームエネルギーの空間分布(X軸方向。By using these usage modes alone or in combination,
Spatial distribution of beam energy (X-axis direction)
y軸方向、高さ方向)を任意に設定できる。したがって
、一方のビームにより表面処理金属板の表面処理膜の除
去や、予熱或いは後熱などが可能となる。また、2つの
ビームを重なるように集光させると、溶込み形状の制御
が可能となるほか、ビード形状、凝固組織の改善も可能
となる。(y-axis direction, height direction) can be set arbitrarily. Therefore, using one of the beams, it is possible to remove the surface treatment film of the surface treated metal plate, and perform preheating or postheating. Furthermore, by converging the two beams so as to overlap, it becomes possible to control the penetration shape, and also to improve the bead shape and solidified structure.
なお、後者の反射ミラー2,3としてセミシリンドリカ
ルミラーを用いた場合には、更しこ以下のような作用も
可能である。In addition, when semi-cylindrical mirrors are used as the latter reflecting mirrors 2 and 3, the following effects are also possible.
ここで、セミシリンドリカルミラーとは、通常のシリン
ドリカルミラーが有する曲率方向と直交する方向にも曲
率を設けたミラーを云う。すなわち、全体が第5図に示
すような形状のミラーであり、そのA断面は第6図に示
すようにシリンドリカル面(円柱側面)が曲率fの局面
を有し、B断面は第7図に示すようにシリンドリカル面
がaXfの曲率(1<a)を有している。このaの値が
大きいほど、第8図に示すようにB断面方向(y軸方向
)のビーム幅を拡げることができる。したがって、母材
にギャップのある溶接やフィラーワイヤを用いる溶接に
適している。Here, the semi-cylindrical mirror refers to a mirror that also has curvature in a direction orthogonal to the curvature direction of a normal cylindrical mirror. In other words, the entire mirror is shaped as shown in Figure 5, and its cross section A has a cylindrical surface (cylindrical side surface) with a curvature f as shown in Figure 6, and the cross section B has a curve as shown in Figure 7. As shown, the cylindrical surface has a curvature of aXf (1<a). The larger the value of a, the wider the beam width in the B cross-section direction (y-axis direction), as shown in FIG. Therefore, it is suitable for welding with a gap in the base metal or welding using filler wire.
第9図は上述のレーザビーム系に設けるスパッタ付着防
止装置を示している。この装置は、セミシリンドリカル
ミラーからの集光ビームの回りにガス流通部材4を配置
したものである。レーザビーム方向と同軸方向に流す場
合には、環状部材の流出口をビームと同軸方向に向ける
ようにする。FIG. 9 shows a sputter adhesion prevention device provided in the above-mentioned laser beam system. In this device, a gas distribution member 4 is arranged around a condensed beam from a semi-cylindrical mirror. When the flow is coaxial with the direction of the laser beam, the outlet of the annular member is oriented coaxially with the beam.
一方、レーザビーム方向と交差する方向に流す場合には
、交差する方向に一対のガス流出口とガス吸引口をビー
ム周囲に対向させ、ガス流出口からガスを噴出させて、
これをガス吸引口に吸引する構成にする。溶接スパッタ
は加工部からほぼ上方に飛散するので、レーザビームと
同軸方向にガスを流すのが好ましい。ガスとしてはN2
、Ar、Heなどの不活性ガスが用いられる。ガスを流
す速度は適宜法められる。On the other hand, when flowing in a direction that intersects the laser beam direction, a pair of gas outlet ports and a gas suction port are placed opposite to each other around the beam in the intersecting direction, and the gas is ejected from the gas outlet port.
This is configured to be sucked into the gas suction port. Since welding spatter is scattered almost upward from the processed area, it is preferable to flow the gas in the same axis direction as the laser beam. N2 as a gas
, Ar, He, and other inert gases are used. The gas flow rate is determined as appropriate.
(発明の効果)
以上詳述したように、本発明によれば、特定形状の全反
射ミラーを用いてビームを2つに分割するので、2つの
ビームを任意のビーム強度パターン比率で分割でき、ま
たビームエネルギーの空間分布を任意に選定でき、更に
はビームをターゲツト法線方向より傾けさせて入射でき
る等々の種々の利用態様が可能である。また、耐久性の
ある安価なミラーを使用でき、スパッタ付着防止も可能
であるので、経済的である。(Effects of the Invention) As detailed above, according to the present invention, since the beam is split into two using a total reflection mirror of a specific shape, the two beams can be split at an arbitrary beam intensity pattern ratio. In addition, various usage modes are possible, such as being able to arbitrarily select the spatial distribution of beam energy, and furthermore allowing the beam to be incident at an angle with respect to the normal direction of the target. Furthermore, it is economical because a durable and inexpensive mirror can be used and spatter adhesion can be prevented.
第1図は本発明のレーザビーム系の構成を示す説明図。
第2図は分割前のビームエネルギー分布の一例を示す図
、
第3図(a)〜(c)は分割後の各ビームのエネルギー
分布の一例を示す図、
第4図はビームの入射方向とプルーム発生状況を説明す
る図。
第5図〜第7図はセミシリンドリカルミラーを説明する
図で、第5図は斜視図、第6図は第5図のA断面図、第
7図は第5図のB断面図であり。
第8図はセミシリンドリカルミラーで集光したビーム強
度分布の形状を説明する図、
第9図(a)、(b)はスパッタ付着防止装置を示す説
明図である。
1・・・切妻屋根状の反射面を有する全反射ミラー、2
.3・・・反射ミラー、4・・・ガス流通部材。
特許出願人 株式会社神戸製鋼所
代理人弁理士 中 村 尚
第1図
第2図
第3図(C) 第4図
↓′
第7図
第9図
(C1) (b)FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a laser beam system of the present invention. Figure 2 shows an example of the beam energy distribution before splitting, Figure 3 (a) to (c) shows an example of the energy distribution of each beam after splitting, and Figure 4 shows the incident direction of the beam. A diagram explaining the plume generation situation. 5 to 7 are views for explaining the semi-cylindrical mirror, in which FIG. 5 is a perspective view, FIG. 6 is a cross-sectional view of A in FIG. 5, and FIG. 7 is a cross-sectional view of B in FIG. FIG. 8 is a diagram illustrating the shape of the beam intensity distribution focused by a semi-cylindrical mirror, and FIGS. 9(a) and 9(b) are explanatory diagrams showing a sputter adhesion prevention device. 1... Total reflection mirror having a gable roof-like reflecting surface, 2
.. 3... Reflection mirror, 4... Gas distribution member. Patent applicant Takashi Nakamura, Patent attorney representing Kobe Steel, Ltd. Figure 1 Figure 2 Figure 3 (C) Figure 4↓' Figure 7 Figure 9 (C1) (b)
Claims (5)
て2つのビームに分割して加工部に集光させるレーザビ
ーム系において、前者の反射ミラーとして切妻屋根状の
傾斜面を有する全反射ミラーを用い、各傾斜面を利用し
て2つのビームに分割し、各ビームを更に他の反射ミラ
ーにて反射させて集光する構成にしたことを特徴とする
レーザ加工用集光装置。(1) In a laser beam system in which a laser beam from a laser oscillator is split into two beams by a reflection mirror and focused on the processing area, a total reflection mirror with a gable-roof slope is used as the former reflection mirror. A condensing device for laser processing, characterized in that it is configured to split into two beams using each inclined surface, and each beam is further reflected and condensed by another reflecting mirror.
方向に移動可能にした請求項1に記載のレーザ加工用集
光装置。(2) The condensing device for laser processing according to claim 1, wherein the total reflection mirror having a gable-roof-like inclined surface is movable in the processing direction.
下方向に移動可能に設けた請求項1又は2に記載のレー
ザ加工用集光装置。(3) The condensing device for laser processing according to claim 1 or 2, wherein each of the latter reflecting mirrors is provided rotatably or movably in the vertical direction.
ー又はセミシリンドリカルミラーを用いる請求項1、2
又は3に記載のレーザ加工用集光装置。(4) Claims 1 and 2 in which a parabolic mirror, spherical mirror or semi-cylindrical mirror is used as the latter reflecting mirror.
Or the condensing device for laser processing according to 3.
ガスを流すスパッタ付着防止装置を集光ビームの回りに
設けた請求項1に記載のレーザ加工用集光装置。(5) The condensing device for laser processing according to claim 1, further comprising a sputter adhesion prevention device that causes gas to flow in a direction coaxial with or perpendicular to the direction of the laser beam, provided around the condensed beam.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2312133A JPH04182088A (en) | 1990-11-17 | 1990-11-17 | Condensing device for laser beam machining |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2312133A JPH04182088A (en) | 1990-11-17 | 1990-11-17 | Condensing device for laser beam machining |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04182088A true JPH04182088A (en) | 1992-06-29 |
Family
ID=18025652
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2312133A Pending JPH04182088A (en) | 1990-11-17 | 1990-11-17 | Condensing device for laser beam machining |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH04182088A (en) |
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-
1990
- 1990-11-17 JP JP2312133A patent/JPH04182088A/en active Pending
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