JP2712937B2 - Gas laser oscillation device - Google Patents
Gas laser oscillation deviceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、各種材料の加工，溶接
および熱処理に用いる、被加工物の厚さに応じて集光レ
ンズを交換する必要がないガスレーザ発振装置に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas laser oscillating apparatus used for processing, welding and heat treatment of various materials, which does not require replacing a condenser lens according to the thickness of a workpiece.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ガスレーザ発振装置は、放電管に設けた
金属電極間の放電によりレーザガスを励起し、放電管の
両端に設けたミラーによって形成された共振器によりレ
ーザ光を発生させ、出力ミラーから出射されたレーザ光
を集光レンズを用いて集光し、各種材料を加工，溶接お
よび熱処理を行う。2. Description of the Related Art A gas laser oscillator excites a laser gas by a discharge between metal electrodes provided in a discharge tube, generates laser light by a resonator formed by mirrors provided at both ends of the discharge tube, and generates a laser beam from an output mirror. The emitted laser light is focused using a focusing lens, and various materials are processed, welded, and heat-treated.
【０００３】以下、図面を参照して従来のガスレーザ発
振装置を用いたレーザ加工装置の一例について説明す
る。図５に従来のレーザ加工装置を示す。図５におい
て、１はガスレーザ発振装置であり、主に以下の部分に
より構成されている。すなわち２はガラス等の誘電体か
らなる２本の放電管、３と４は放電管２の内部に設けら
れた対となった金属電極、５は金属電極３および４に接
続された高圧電源、６はレーザガスの入口、７はレーザ
ガスの出口、８は終段ミラー、９は出力ミラー、１０は
出力ミラー９を冷却する冷却水回路、１１はガスレーザ
発振装置１の出力ミラー９から出力されたレーザビー
ム、１２はレーザビーム１１を被加工物（以下ワークと
いう）１４に導く全反射ミラー、１３はレーザビーム１
１を集光する集光レンズである。Hereinafter, an example of a laser processing apparatus using a conventional gas laser oscillation device will be described with reference to the drawings. FIG. 5 shows a conventional laser processing apparatus. In FIG. 5, reference numeral 1 denotes a gas laser oscillation device, which is mainly composed of the following parts. That is, 2 is two discharge tubes made of a dielectric material such as glass, 3 and 4 are paired metal electrodes provided inside the discharge tube 2, 5 is a high-voltage power supply connected to the metal electrodes 3 and 4, 6 is a laser gas inlet, 7 is a laser gas outlet, 8 is a final mirror, 9 is an output mirror, 10 is a cooling water circuit for cooling the output mirror 9, and 11 is a laser output from the output mirror 9 of the gas laser oscillator 1. A beam 12 is a total reflection mirror for guiding the laser beam 11 to a workpiece (hereinafter referred to as a work) 14, and 13 is a laser beam 1
This is a condenser lens that collects 1 light.
【０００４】以上のような構成のレーザ加工装置につい
て、その動作および加工原理について説明する。まず図
示されていない送風機により放電管内にレーザガスを流
し、対となった金属電極３および４間に高圧電源５から
高電圧を印加し、放電管２内で対となった金属電極３お
よび４間で放電を発生させる。放電により放電空間が励
起され、放電空間のエネルギーは出力ミラー９と終段ミ
ラー８によって形成された光共振器で共振状態となり、
増幅されて出力ミラー９からレーザビーム１１が出力さ
れる。出力ミラー９ではレーザビーム１１が通過すると
きレーザ光の一部が吸収される。出力ミラー９が過度に
レーザ光を吸収すると熱レンズ効果と呼ばれる現象、す
なわち出力ミラー９内に温度差が発生し、凸状に変形し
レンズ効果を持つ。このためレーザビーム１１の径が小
さくなることが知られており、レーザビーム１１の径が
変化しないように、可能な限り冷却水により冷却してい
る。レーザビーム１１は全反射ミラー１２により集光レ
ンズ１３に誘導され、図４に示すように集光レンズ１３
の焦点距離で集光される。この集光したレーザ光を綱板
等のワーク１４に照射して切断加工を行う。この集光さ
れたレーザ光はスポット径と焦点深度という２つの指標
で表され、通常、スポット径は約０．２mm、エネルギー
密度が１０6〜１０7Ｊ／cm2に達する範囲すなわち焦点
深度は数mm以上となり、厚さ数mmの鉄板等を溶融し切断
することが可能となる。一般に、レーザ加工において
は、薄板切断にはスポット径の小さいもの、厚板切断で
は焦点深度の大きいものが良いとされている。[0004] The operation and working principle of the laser processing apparatus having the above configuration will be described. First, a laser gas is flowed into the discharge tube by a blower (not shown), a high voltage is applied from a high-voltage power supply 5 between the paired metal electrodes 3 and 4, and a pair of metal electrodes 3 and 4 is formed in the discharge tube 2. To generate a discharge. The discharge space is excited by the discharge, and the energy of the discharge space is resonated by the optical resonator formed by the output mirror 9 and the last-stage mirror 8,
The laser beam 11 is output from the output mirror 9 after being amplified. When the laser beam 11 passes through the output mirror 9, a part of the laser light is absorbed. If the output mirror 9 excessively absorbs the laser beam, a phenomenon called a thermal lens effect, that is, a temperature difference occurs in the output mirror 9, and the output mirror 9 deforms into a convex shape to have a lens effect. For this reason, it is known that the diameter of the laser beam 11 is reduced, and the laser beam 11 is cooled by cooling water as much as possible so as not to change. The laser beam 11 is guided to the condenser lens 13 by the total reflection mirror 12, and as shown in FIG.
At a focal length of. The condensed laser light is applied to a work 14 such as a rope to perform a cutting process. This condensed laser light is represented by two indices, a spot diameter and a depth of focus. Usually, the spot diameter is about 0.2 mm, and the energy density reaches a range of 10 6 to 10 7 J / cm 2 , that is, a depth of focus. It becomes several mm or more, and it becomes possible to melt and cut an iron plate or the like having a thickness of several mm. In general, in laser processing, it is considered that a thin plate should have a small spot diameter and a thick plate should have a large depth of focus.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
加工においてはワークの厚みが１mm以下の薄板から１９
mmの厚板までの加工を要求される。一方、光学理論で
は、図４に示すように、 （１）スポット径は集光レンズに入るレーザビームの径
により定まり、焦点深度はスポット径に反比例する。す
なわち、レーザビーム径が大きいとスポット径は小さ
く、焦点深度は浅くなる。However, in laser processing, a work having a thickness of 1 mm or less is required to reduce the thickness of the work to 19 mm.
Processing up to a thick plate of mm is required. On the other hand, according to the optical theory, as shown in FIG. 4, (1) the spot diameter is determined by the diameter of the laser beam entering the condenser lens, and the depth of focus is inversely proportional to the spot diameter. That is, when the laser beam diameter is large, the spot diameter is small and the depth of focus is small.
【０００６】（２）スポット径は集光レンズの焦点距離
に比例する。の２点が明確に証明され、公知である。(2) The spot diameter is proportional to the focal length of the condenser lens. Are clearly proved and well known.
【０００７】したがって、最適に加工するためにはワー
クに合わせて、薄板切断の場合には集光レンズの焦点深
度の小さいもの、厚板切断の場合には焦点深度の大きい
ものに交換して使用しなければならないという問題があ
った。[0007] Therefore, in order to machine the workpiece optimally, it is necessary to replace the condenser lens with a small focal depth when cutting a thin plate and with a large focal depth when cutting a thick plate in accordance with the work. There was a problem that had to be done.
【０００８】本発明はこのような従来の問題を解決する
もので、集光レンズを交換することなくワークの板厚に
応じて、常に良好な切断ができるレーザビームを発生す
るガスレーザ発振装置を提供することを目的とする。The present invention solves such a conventional problem, and provides a gas laser oscillation device that generates a laser beam that can always be cut satisfactorily in accordance with the thickness of a work without replacing a condenser lens. The purpose is to do.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明のガスレーザ発振
装置は、内部に励起するレーザガスを配した絶縁体から
なる少なくとも１本の放電管と、前記放電管の両端に配
置し共振器を形成する終段ミラー及び出力ミラーと、前
記出力ミラーの冷却量を制御する冷却制御部を備え、前
記冷却制御部で、レーザ加工されるワークの厚さが薄い
ときの出力ミラーの冷却量に比べてワークの厚さが厚い
ときの出力ミラーの冷却量を小さくするものである。A gas laser oscillator according to the present invention comprises at least one discharge tube made of an insulator in which a laser gas to be excited is disposed, and a resonator formed at both ends of the discharge tube. and the final-stage mirror and the output mirror, before
A cooling control unit that controls the cooling amount of the output mirror is provided.
In the cooling control unit, the thickness of the work to be laser-processed is thin
The work thickness is thicker than the cooling amount of the output mirror when
This is to reduce the amount of cooling of the output mirror at that time.
【００１０】[0010]
【作用】本発明は、出力ミラーに温度分布が発生すれば
熱レンズ効果と呼ばれるレーザビームの径が小さくなる
現象が発生することを利用したものであり、熱レンズ効
果により変化したレーザビーム径とスポット径および焦
点深度の関係を図４に示している。すなわち、図４にお
いて１３は集光レンズであり、φＡは熱レンズ効果が生
じていないときのレーザビーム径、φＢは熱レンズ効果
が生じているときのレーザビーム径であり、レーザビー
ム径が小さい場合にスポット径が大きくなり焦点深度が
大きくなることを示している。The present invention utilizes the fact that when a temperature distribution occurs in the output mirror, a phenomenon called a thermal lens effect, in which the diameter of the laser beam is reduced, occurs. FIG. 4 shows the relationship between the spot diameter and the depth of focus. That is, in FIG. 4, 13 is a condenser lens, φA is a laser beam diameter when the thermal lens effect is not generated, φB is a laser beam diameter when the thermal lens effect is generated, and the laser beam diameter is small. In this case, the spot diameter increases and the depth of focus increases.
【００１１】上記した構成により、レーザ出力により出
力ミラーの冷却能力を変化させ、この熱レンズ効果を故
意に発生させて利用することにより、ワークの板厚に応
じて薄板には小さなスポット径、厚板に対しては大きな
焦点深度が得られるレーザビーム径とすることにより切
断性能の向上がはかれる。With the above configuration, the cooling capacity of the output mirror is changed by the laser output, and this thermal lens effect is intentionally generated and used. The cutting performance can be improved by setting the laser beam diameter to obtain a large depth of focus for the plate.
【００１２】[0012]
【実施例】以下、本発明のガスレーザ発振装置の一実施
例について説明する。図１は本発明のガスレーザ発振装
置を用いたレーザ加工装置の一実施例の要部構成を示し
ている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the gas laser oscillation device according to the present invention will be described below. FIG. 1 shows a configuration of a main part of an embodiment of a laser processing apparatus using the gas laser oscillation device of the present invention.
【００１３】図１において従来例を示す図５と同じ部分
については同じ符号を付して説明は省略し、異なる点に
ついて説明する。図１において、１５はレーザ出力設定
信号発生器、１６は出力ミラー部を冷却する冷却量（こ
こでは冷却水の流量）をレーザ出力設定器１５の信号に
より制御する冷却制御部となる冷却水制御部であり、そ
の他の構成は図５と同じである。In FIG. 1, the same parts as those in FIG. 5 showing the conventional example are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted, and different points will be described. In FIG. 1, reference numeral 15 denotes a laser output setting signal generator, and 16 denotes a cooling amount (cooling amount) for cooling an output mirror section.
Here, the cooling water controller is a cooling controller that controls the flow rate of the cooling water (a flow rate of the cooling water) by a signal from the laser output setting device 15, and the other configuration is the same as that of FIG.
【００１４】このような構成のレーザ加工装置において
は、出力ミラー９は Ｐ＝レーザ出力×吸収率 で表される熱量Ｐを吸収するため、十分な冷却を行わな
いとレーザ出力により出力ミラー９の温度分布が変化す
る。冷却方法により一律には定まらないが、図２に出力
３kWで試験した、出力ミラー９から４ｍの地点での冷却
水量とレーザビーム径の関係および冷却水量と出力ミラ
ー９の温度の関係を実測した一例を示す。出力３kWで行
った試験においては、出力ミラー９の冷却水量を低下さ
せることにより熱レンズ効果が観察された。また出力ミ
ラー９の寿命は表面温度で推定できるが、冷却水を停止
しても温度上昇の限界は７０℃程度であり、出力ミラー
９の使用限界の１００℃までには、余裕があることが確
認された。In the laser machining apparatus having such a configuration, the output mirror 9 absorbs the heat amount P represented by P = laser output × absorption rate. The temperature distribution changes. Although not uniformly determined by the cooling method, the relationship between the amount of cooling water and the laser beam diameter at a point 4 m from the output mirror 9 and the relationship between the amount of cooling water and the temperature of the output mirror 9 were measured in FIG. An example is shown. In a test performed at an output of 3 kW, a thermal lens effect was observed by reducing the amount of cooling water of the output mirror 9. The life of the output mirror 9 can be estimated from the surface temperature. However, even if the cooling water is stopped, the temperature rise limit is about 70 ° C., and there is a margin for the use limit of the output mirror 9 to 100 ° C. confirmed.
【００１５】図３には本発明のガスレーザ発振装置にお
ける、出力ミラー９から４ｍの地点でのレーザ出力とレ
ーザビーム径の関係の実測結果を示している。図３によ
れば、冷却能力が低い場合にはレーザ出力が１．５kW以
下ではレーザビーム径は大きく、かつ一定であり、出力
が大きくなるにしたがいレーザビーム径は次第に小さく
なる。光学理論では前述したように、レーザビーム径が
小さくなればスポット径は大きくなり焦点深度は大きく
なることが判明している。したがって、図３は冷却能力
によってレーザ出力が一定となるレーザ出力の範囲が異
なることを示しており、レーザ出力が大きい範囲では、
同じレーザ出力でも出力ミラー９の冷却状態によって焦
点深度を変えることができることを示している。FIG. 3 shows the measured results of the relationship between the laser output and the laser beam diameter at a point 4 m from the output mirror 9 in the gas laser oscillation device of the present invention. According to FIG. 3, when the cooling capacity is low, the laser beam diameter is large and constant when the laser output is 1.5 kW or less, and the laser beam diameter gradually decreases as the output increases. As described above, it has been found from the optical theory that the smaller the laser beam diameter, the larger the spot diameter and the larger the depth of focus. Therefore, FIG. 3 shows that the range of the laser output in which the laser output is constant differs depending on the cooling capacity. In the range where the laser output is large,
This shows that the depth of focus can be changed depending on the cooling state of the output mirror 9 even with the same laser output.
【００１６】以上の結果によれば、出力レーザ値の設定
信号により出力ミラー９部の冷却能力を変化させる冷却
水制御部１６を設けたガスレーザ発振装置１を製作すれ
ば、冷却水量により出力ミラー９の温度を変化させて集
光されたレーザ光のスポット径および焦点深度を変える
ことが可能となり、レーザ加工装置の切断性能を向上さ
せることができる。すなわち、 （１）小さなレーザ出力を使用する薄板の領域では出力
ミラー９での熱の吸収は少なく熱レンズ効果は生じない
ので、レーザビーム径は大きく小さなスポット径を得る
ことができ、薄板の切断に適している。According to the above results, if the gas laser oscillation device 1 provided with the cooling water control unit 16 for changing the cooling capacity of the output mirror 9 by the output laser value setting signal is manufactured, the output mirror 9 can be controlled by the amount of the cooling water. By changing the temperature of the laser beam, the spot diameter and the depth of focus of the collected laser beam can be changed, and the cutting performance of the laser processing apparatus can be improved. (1) In the area of a thin plate using a small laser output, the heat absorption by the output mirror 9 is small and the thermal lens effect does not occur, so that the laser beam diameter is large and a small spot diameter can be obtained, and the thin plate is cut. Suitable for.
【００１７】（２）大きなレーザ出力を使用する厚板の
領域では、出力ミラー９での熱吸収が大きく、熱レンズ
効果が生じてレーザビーム径が小さくなり、大きな焦点
深度が得られ、冷却水量をレーザ出力に応じて制御する
ことにより各板厚の厚板の切断に適した焦点深度とする
ことができる。(2) In a region of a thick plate using a large laser output, heat absorption at the output mirror 9 is large, a thermal lens effect occurs, a laser beam diameter is reduced, a large depth of focus is obtained, and a cooling water amount is obtained. Is controlled in accordance with the laser output, so that the depth of focus suitable for cutting a thick plate of each thickness can be obtained.
【００１８】以上、説明したガスレーザ発振装置は出力
ミラー９が水冷式であったが、出力ミラー９の冷却は強
制空冷によるものであっても上記と同等の結果が得られ
る。ただし、この場合は上記実施例における出力ミラー
９を冷却する冷却水量を制御する冷却水制御部１６が、
出力ミラー９を冷却する冷却風量を制御する冷却風制御
部となる。In the gas laser oscillator described above, the output mirror 9 is of a water-cooled type. However, even if the output mirror 9 is cooled by forced air cooling, the same result as described above can be obtained. However, in this case, the cooling water control unit 16 for controlling the amount of cooling water for cooling the output mirror 9 in the above embodiment is
The cooling air control unit controls the amount of cooling air for cooling the output mirror 9.
【００１９】[0019]
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、ワーク
が薄板の領域ではレーザ出力が小さく熱レンズ効果は生
じないためレーザビームは大きく、薄板の切断に適した
小さなスポット径が得られる。ワークが厚板の領域では
レーザ出力が大きく熱レンズ効果が生じるためレーザビ
ームは小さくなり、大きな焦点深度が得られるが、本発
明により、出力ミラーを冷却し、レーザ出力に応じて冷
却の程度を制御することによりレーザビーム径を調整
し、各板厚の厚板の切断に適した大きさの焦点深度が得
られる。このように、ワークの板厚に応じてレーザ出力
とともに出力ミラーの冷却の程度を変化させることによ
り、各板厚に適したスポット径と焦点深度が得られ、切
断性能の向上が果たせる。As is apparent from the above description, in the region where the work is a thin plate, the laser beam is small and the thermal lens effect does not occur, so that the laser beam is large and a small spot diameter suitable for cutting the thin plate can be obtained. In the area where the workpiece is a thick plate, the laser output is large and the thermal lens effect is generated, so the laser beam is small, and a large depth of focus can be obtained. By controlling the laser beam diameter, the focal depth suitable for cutting a thick plate of each thickness can be obtained. As described above, by changing the degree of cooling of the output mirror together with the laser output according to the thickness of the work, a spot diameter and a depth of focus suitable for each thickness can be obtained, and the cutting performance can be improved.
【図１】本発明のガスレーザ発振装置を用いたレーザ加
工装置の一実施例の要部構成図FIG. 1 is a main part configuration diagram of an embodiment of a laser processing apparatus using a gas laser oscillation device of the present invention.
【図２】冷却水量と出力ミラー温度との関係および冷却
水量とレーザビーム径との関係を示す特性図FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between a cooling water amount and an output mirror temperature and a relationship between a cooling water amount and a laser beam diameter.
【図３】レーザ出力とレーザビーム径との関係を示す特
性図FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between a laser output and a laser beam diameter.
【図４】レーザビーム径とスポット径および焦点深度の
関係を示す集光レンズ部の断面図FIG. 4 is a cross-sectional view of a condenser lens showing a relationship between a laser beam diameter, a spot diameter, and a focal depth.
【図５】従来のガスレーザ発振装置を用いたレーザ加工
装置の要部構成図FIG. 5 is a main part configuration diagram of a laser processing apparatus using a conventional gas laser oscillation device.
１ ガスレーザ発振装置 ２ 放電管 ３，４ 金属電極 ５ 高圧電源 ８ 終段ミラー ９ 出力ミラー １５ レーザ出力信号発生器 １６ 冷却水制御部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas laser oscillator 2 Discharge tube 3, 4 Metal electrode 5 High voltage power supply 8 Final mirror 9 Output mirror 15 Laser output signal generator 16 Cooling water controller
Claims (2)
体からなる少なくとも１本の放電管と、前記放電管の両
端に配置し共振器を形成する終段ミラー及び出力ミラー
と、前記出力ミラーの冷却量を制御する冷却制御部を備
え、前記冷却制御部で、レーザ加工されるワークの厚さ
が薄いときの出力ミラーの冷却量に比べてワークの厚さ
が厚いときの出力ミラーの冷却量を小さくすることを特
徴とするガスレーザ発振装置。At least one discharge tube made of an insulator in which a laser gas to be excited is disposed, a final mirror and an output mirror disposed at both ends of the discharge tube to form a resonator, and A cooling control unit that controls a cooling amount, wherein the cooling control unit controls the cooling amount of the output mirror when the thickness of the work is thicker than the cooling amount of the output mirror when the thickness of the work to be laser-processed is small. A gas laser oscillation device characterized by reducing the size of the gas laser.
部へ入力し、レーザ出力をレーザ加工されるワークの板
厚に応じて増加させることを特徴とする請求項１記載の
ガスレーザ発振装置。2. A signal of a laser output signal generator is input to a cooling control unit, and a laser output is applied to a plate of a work to be laser-processed.
2. The gas laser oscillation device according to claim 1, wherein the thickness is increased according to the thickness .
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|---|---|---|---|
| JP3258926A JP2712937B2 (en) | 1991-10-07 | 1991-10-07 | Gas laser oscillation device |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP3258926A JP2712937B2 (en) | 1991-10-07 | 1991-10-07 | Gas laser oscillation device |
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|---|---|
| JPH05102554A JPH05102554A (en) | 1993-04-23 |
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1991
- 1991-10-07 JP JP3258926A patent/JP2712937B2/en not_active Expired - Fee Related
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