JP5072490B2

JP5072490B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP5072490B2
Application number: JP2007225092A
Authority: JP
Inventors: 剛史上田; 崇赤羽; 秀峰坪田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: JP2009056481A

Description

本発明は、レーザビームを用いて被加工物の加工を行うレーザ加工装置に関する。

レーザビームは、単色性、指向性に優れ、大きなエネルギを有しているため、レーザビームを点状に集束することにより、レーザ溶接、レーザ切断等のレーザ加工に使用されている。近年では、大きな出力のレーザ発振器から出射されたレーザビームを光ファイバで伝送し、被加工物に照射する直前で点状に集束して、レーザ溶接やレーザ切断等のレーザ加工を行うレーザ加工装置が知られている。

特許第３８５５５６３号公報

レーザ発振器や光ファイバの個体差に起因して、レーザ発振器や光ファイバから出射されたレーザビームの拡がり角にはバラツキがみられる。従って、光ファイバを伝送したレーザビームを用いて、レーザ加工を行う際には、以下のような影響があることが考えられ、所望のレーザ加工を実施できないおそれがある。
（１）レーザ溶接やレーザ切断において、デフォーカス設定で加工を行う場合、同一のデフォーカス設定であっても、使用するレーザ発振器、光ファイバにより、ビーム径に差異が生じる。
（２）複数のレーザビームを重ね合わせる場合、そのラップ量が変化してしまう。
（３）レンズ面における透過径が異なり、熱レンズ発生時には焦点位置シフト量に差異が生じる。

現在、特許文献１に示すように、集束したレーザビームの分布調整を行うレーザ加工装置は提案されているが、レーザ発振器や光ファイバの個体差に起因するレーザビームの拡がり特性を考慮して、その拡がり角を調整できるレーザ加工装置は未だに提案されていない。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、レーザビームの拡がり角を調整できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係るレーザ加工装置は、
レーザ発振器から射出されたレーザビームを、光ファイバを用いて光学ヘッドへ伝送して、被加工物に照射するレーザ加工装置において、
前記レーザ発振器から射出されたレーザビームの拡がり角を調整する調整手段を、前記光ファイバの入射側直前に設け、
前記調整手段は、前記光ファイバの許容開口数以下となる拡がり角であり、かつ、前記光ファイバから出射される前記レーザビームの拡がり角が常に一定となるように、前記光ファイバに入射する前記レーザビームの拡がり角を調整することを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るレーザ加工装置は、
レーザ発振器から射出されたレーザビームを、複数の光ファイバを用いて複数の光学ヘッドへ伝送した後、複数のレーザビームの一部を互いに重ね合わせて、被加工物に照射するレーザ加工装置において、
前記レーザ発振器から射出されたレーザビームの拡がり角を調整する調整手段を、前記複数の光ファイバの入射側直前に各々設け、
前記調整手段は、前記光ファイバの許容開口数以下となる拡がり角であり、かつ、前記光ファイバから出射される前記レーザビームの拡がり角が、全ての前記光ファイバで一定となるように、前記光ファイバに入射する前記レーザビームの拡がり角を調整することを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係るレーザ加工装置は、
上記第２の発明に記載のレーザ加工装置を、管体の溶接部分の外周面に複数のレーザビームを照射することにより管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置に適用することを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係るレーザ加工装置は、
上記第１〜第３のいずれかの発明に記載のレーザ加工装置において、
前記光学ヘッドは、前記被加工物に照射するレーザビームを、前記被加工物の加工面において、前記光学ヘッドに入射されたレーザビームより拡大して照射するものであることを特徴とする。
なお、被加工物に照射するレーザビームを拡大して照射する際には、光学ヘッドに入射されたレーザビームを、レンズ等を用いて、そのまま拡大するようにしてもよいし、一旦集光した後、拡大するようにしてもよい。

上記課題を解決する第５の発明に係るレーザ加工装置は、
上記第１〜第３のいずれかの発明に記載のレーザ加工装置において、
前記光学ヘッドは、前記被加工物に照射するレーザビームをデフォーカス設定にて使用するものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係るレーザ加工装置は、
上記第１〜第３のいずれかの発明に記載のレーザ加工装置において、
前記光学ヘッドは、前記被加工物に照射するレーザビームを均質化するライトパイプを有することを特徴とする。

本発明によれば、光ファイバで伝送したレーザビームを用いるレーザ加工装置において、光ファイバに入射するレーザビームの拡がり角を調整して、光ファイバから出射されるレーザビームの拡がり角を一定としたので、被加工物のレーザ加工を行う際、レーザ発振器や光ファイバの個体差による拡がり角のバラツキの影響を排除して、常に一定のレーザ加工結果を得ることができる。これは、レーザビームを拡げて（又は、デフォーカス設定にして）レーザ加工を行うときに特に有効であり、被加工物におけるビーム径を常に一定にすることができ、複数のレーザビームを重ね合わせてレーザ加工を行う際にも、そのラップ量を常に一定にすることができ、その結果、加工結果を常に一定とすることができる。

又、熱レンズ現象が発生しても、その影響を常に一定にすることができ、熱レンズ現象によるレーザ加工のバラツキを排除することができる。

更に、光ファイバから出射してくるレーザビームの拡がり角を適度な角度に調整することにより、レンズとの距離を離したり、大径のレンズを使用したりする必要が無くなるため、光学ヘッドの大きさの小型化を図ることができる。又、光学ヘッドにライトパイプを設けた場合には、レーザビームの均質化を常に一定とすることができる。

以下、図１〜図８を参照して、本発明に係るレーザ加工装置の実施形態を説明する。

図１は、本発明に係るレーザ加工装置を説明する概略構成図であり、図１（ａ）は、像倍率が小さいときの構成であり、図１（ｂ）は、像倍率が大きいときの構成である。

図１に示すように、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザビームＢ１を出射するレーザ発振器１と、レーザ発振器１の出射側に設けられ、レーザ発振器１から出射されたレーザビームＢ１の像倍率を調整する調整機構２と、調整機構２の出射側に設けられ、調整機構２から入射されたレーザビームＢ１を伝送する光ファイバ４と、光ファイバ４の出射側に設けられ、光ファイバ４から出射されたレーザビームＢ２を最終的に調整し、レーザビームＢ３として、被加工物に入射させる光学ヘッド６とを有し、制御装置（図示省略）により、レーザ発振器１，調整機構２、光学ヘッド６を制御して、所望のレーザ加工を行うものである。

調整機構２は、例えば、図１に示すように、１枚、若しくは、複数のレンズからなる移動前群２ａと、同じく、１枚、若しくは、複数のレンズからなる移動後群２ｂとを有し、互いの位置を移動させることにより、像倍率を変化させている。この調整機構２は、像倍率を変化させるものであるが、本発明においては、光ファイバ４の入射部３へ出射するレーザビームＢ１の拡がり角θ２が制御対象であり、レーザ発振器１から入射されたレーザビームＢ１の拡がり角θ１に応じて、所望の拡がり角θ２となるように、移動前群２ａ、移動後群２ｂの位置を調整している。例えば、拡がり角θ１が一定である場合、拡がり角θ２を更に小さくしたい場合には、図１（ｂ）に示すように、移動前群２ａ、移動後群２ｂの位置を移動して、倍率を増大させることで、拡がり角θ２を小さくすればよい。

又、レーザ発振器１の固体差により、拡がり角θ１がばらつく場合には、図２のグラフに示すように、レーザビームＢ１の出射開口数（以降、出射ＮＡと呼ぶ。）が、ターゲットの出射ＮＡとなるように、レーザビームＢ１の入射開口数（以降、入射ＮＡと呼ぶ。）に応じて、移動前群２ａ、移動後群２ｂの位置を調整すればよい。例えば、出射ＮＡ＝Ｔ_naに調整したいとき、入射ＮＡ＝Ｉ_na1（Ｉ_na1＜Ｉ_na2＜Ｉ_na3）である場合には、調整機構２の調整量はａ₁となり、入射ＮＡ＝Ｉ_na2である場合には、調整機構２の調整量はａ₂となり、入射ＮＡ＝Ｉ_na3である場合には、調整機構２の調整量はａ₃となる。

このとき、調整機構２からのレーザビームＢ１の出射ＮＡ（光ファイバ４へのレーザビームＢ１の入射ＮＡ）は、光ファイバ４の許容ＮＡ以下でなければならない。これは、光ファイバ４へのレーザビームＢ１の入射ＮＡが許容ＮＡ以下であれば、光ファイバ４からのレーザビームＢ２の出射ＮＡが、光ファイバ４の伝送後も、光ファイバ４へのレーザビームＢ１の入射ＮＡに対応して出射される傾向を持っているからであり、この特性を利用し、光ファイバ４の許容ＮＡ以下となるように、調整機構２からのレーザビームＢ１の出射ＮＡを一定に調整することにより、光ファイバ４伝送後のレーザビームＢ２の出射ＮＡが常に一定となるように、つまり、拡がり角θ３が常に一定となるようにしている。このことは、本発明者等の知見によるものである。この結果、常に一定の拡がり角θ３を持って、レーザビームＢ２が光学ヘッド６に入射することになり、一定のプロファイルに調整されたレーザビームＢ３を用いて、常に一定のレーザ加工結果を得ることができる。

実施例１においては、レーザ発振器１によるレーザビームＢ１の拡がり角θ１のバラツキの影響を排除するため、調整機構２を用いて、調整機構２からのレーザビームＢ１の出射ＮＡ（光ファイバ４へのレーザビームＢ１の入射ＮＡ）を調整するようにしているが、光ファイバ４の個体差によるレーザビームＢ２の拡がり角θ３のバラツキも全くないわけではないため、更に望ましくは、光ファイバ４からのレーザビームＢ２の出射ＮＡ（拡がり角θ３）を確認し、その出射ＮＡが常に一定となるように、調整機構２からのレーザビームＢ１の出射ＮＡ（拡がり角θ２）を調整するようにしてもよい。

これは、光ファイバ４は、その使用状態や製造時の個体差によって、その特性が異なることがあり、このような光ファイバ４に影響を受けて、伝送されるレーザビームＢ２の特性も変化するからである。従って、実施例１の図１に示したレーザ加工装置において、ファイバ４からのレーザビームＢ２の出射ＮＡ（拡がり角θ３）を確認し、その出射ＮＡが常に一定となるように、調整機構２からのレーザビームＢ１の出射ＮＡ（拡がり角θ２）を調整することにより、使用状態等により生じた光ファイバ４によるバラツキを吸収することができ、常に一定の拡がり角を持ったレーザビームＢ２を光学ヘッド６へ伝送することができ、その結果、常に一定のレーザ加工結果を得ることができる。

なお、出射ＮＡ（拡がり角θ３）の確認方法としては、レーザビームＢ２をレンズで集光し、レーザビームＢ２のデフォーカス位置におけるビームプロファイルを計測することにより、集光角、発散角を把握して、拡がり角θ３を確認するようにしてもよいし、レーザビームＢ２をレンズで平行光とし、その径を測定することにより、拡がり角θ３を算出して、確認するようにしてもよい。

本発明は、被加工物に最終的に照射するレーザビームＢ３のプロファイルに応じて、様々な応用例があるが、特に、レーザビームＢ３を拡げて（又は、デフォーカス設定にして）レーザ加工を行うときに好適となるものである。以降、上述した実施例１、２をベースとする応用例を、実施例３〜実施例７（図３〜図７）に示して、その説明を行う。

本実施例は、被加工物に最終的に照射するレーザビームＢ３を拡げると共に、拡げたレーザビームＢ３を複数用い、隣り合うレーザビームＢ３同士の一部を重ね合わせて被加工物に照射することを目的としている。そのため、本実施例の場合、例えば、図１（ａ）のレーザ加工装置の光学ヘッド６を複数並列に配置する構成とし、光学ヘッド６をレーザビームＢ３を拡大する光学系６Ａとしている。なお、後述する実施例８（図８）には、更に具体的な適用例を示して説明している。

従来は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ発振器１、光ファイバ４の個体差により、光ファイバ４の出射部５から出射されるレーザビームＢ２ａ、Ｂ２ｂの拡がり角θ３ａ、θ３ｂにバラツキがあり、光学系６Ａを透過したレーザビームＢ３ａ、Ｂ３ｂは、各々異なるビーム径へ拡大され、又、複数のレーザビームＢ３ａ同士、Ｂ３ｂ同士が重なるラップ量Ｌａ、Ｌｂも各々異なるものとなっていた。

これに対して、図３（ｃ）に示すように、実施例１、２と同様に、光ファイバ４の出射部５から出射されるレーザビームＢ２ｃの拡がり角θ３ｃを確認し、それが常に一定となるように、調整機構２からのレーザビームＢ１の出射ＮＡ（拡がり角θ２）を調整することにより、レーザ発振器１、光ファイバ４の個体差によるバラツキを吸収することができ、常に一定の拡がり角θ３ｃを持ったレーザビームＢ２ｃを光学系６Ａへ入射することができる。従って、光学系６Ａを透過したレーザビームＢ３ｃを、全て同じビーム径へ拡大することができ、複数のレーザビームＢ３ｃ同士のラップ量Ｌｃも常に一定とすることができ、その結果、レーザ発振器１、光ファイバ４の個体差に左右されることなく、常に一定のレーザ加工結果を得ることができる。

本実施例は、レーザ切断やレーザ溶接において、被加工物に最終的に照射するレーザビームＢ３をデフォーカス設定で被加工物に照射することを目的としている。そのため、本実施例の場合、その構成は、図１（ａ）に示すようなレーザ加工装置であればよく、光学ヘッド６は、デフォーカス設定の光学系６Ｂとしている。

従来は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ発振器１、光ファイバ４の個体差により、光ファイバ４の出射部５から出射されるレーザビームＢ２ａ、Ｂ２ｂの拡がり角θ３ａ、θ３ｂにバラツキがあり、光学系６Ｂを透過したレーザビームＢ３ａ、Ｂ３ｂは、所定の焦点位置Ｐ１でのビーム径が同等でも、被加工物への照射位置となるデフォーカス位置Ｐ２におけるビーム径Ｄａ、Ｄｂが各々異なるものとなっていた。

これに対して、図４（ｃ）に示すように、実施例１、２と同様に、光ファイバ４の出射部５から出射されるレーザビームＢ２ｃの拡がり角θ３ｃを確認し、それが常に一定となるように、調整機構２からのレーザビームＢ１の出射ＮＡ（拡がり角θ２）を調整することにより、レーザ発振器１、光ファイバ４の個体差によるバラツキを吸収することができ、常に一定の拡がり角θ３ｃを持ったレーザビームＢ２ｃを光学系６Ｂへ入射することができる。従って、光学系６Ｂを透過したレーザビームＢ３ｃを、所定の位置Ｐ１において焦点を合わせることにより、デフォーカス位置Ｐ２におけるビーム径Ｄｃを常に一定とすることができ、その結果、レーザ発振器１、光ファイバ４の個体差に左右されることなく、常に一定のレーザ加工結果を得ることができる。

レーザ加工装置においては、高出力のレーザを使用することが多く、そのレーザビームのエネルギ量、エネルギ密度が高いため、レーザビームが透過するレンズにおいて、熱レンズ現象が発生することがある。この熱レンズ現象は、レーザビームの焦点位置をシフトさせるため、レーザ加工のバラツキを生む１つの要因となっていた。本実施例では、光学ヘッド６に入射するレーザビームＢ２の拡がり角θ３を常に一定に調整することにより、熱レンズ現象によるレーザビームＢ３の焦点位置のシフト量を常に一定にすることを目的としている。そのため、本実施例の場合、その構成は、図１（ａ）に示すようなレーザ加工装置であればよく、光学ヘッド６は、集光系又はデフォーカス設定の光学系６Ｃが好適である。

従来は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ発振器１、光ファイバ４の個体差により、光ファイバ４の出射部５から出射されるレーザビームＢ２ａ、Ｂ２ｂの拡がり角θ３ａ、θ３ｂにバラツキがあり、光学系６Ｃに入射されるレーザビームＢ２ａ、Ｂ２ｂは、光学系６Ｃのレンズ面において、そのレンズ透過径Ｔａ、Ｔｂが各々異なるものとなっていた。その結果、光学系６Ｃで発生する熱レンズ現象の影響も各々異なり、レーザビームＢ３の焦点位置のシフト量Ｓａ、Ｓｂも各々異なるものとなっていた。

これに対して、本実施例においては、図５（ｂ）を参照して説明すると、実施例１、２と同様に、光ファイバ４の出射部５から出射されるレーザビームＢ２ｂの拡がり角θ３ｂを確認し、それが常に一定となるように、調整機構２からのレーザビームＢ１の出射ＮＡ（拡がり角θ２）を調整することにより、レーザ発振器１、光ファイバ４の個体差によるバラツキを吸収することができ、光学系６Ｃに入射されるレーザビームＢ２ｂのレンズ透過径Ｔｂを常に一定にして、熱レンズ現象の影響、つまり、レーザビームＢ３の焦点位置のシフト量Ｓｂを常に一定にしている。このとき、図５（ｂ）に示すように、レーザビームＢ２ｂの拡がり角θ３ｂがより大きい方が、レーザビームＢ３の焦点位置のシフト量Ｓｂがより小さくなるため、拡がり角θ３ｂをより大きくすることが望ましい。従って、光学系６Ｃを透過したレーザビームＢ３ｂの焦点位置のシフト量Ｓｂを低減することができると共に、その焦点位置を常に一定とすることができ、その結果、レーザ発振器１、光ファイバ４の個体差に左右されることなく、常に一定のレーザ加工結果を得ることができる。

本実施例も、実施例５と同様に、熱レンズ現象の影響を低減すると共に、その影響の大きさを常に一定にすることを目的としている。本実施例の場合、その構成は、図１（ａ）に示すようなレーザ加工装置であればよく、光学ヘッド６は、任意のものでよい。なお、図６では、一例として、平行光を形成するコリメータレンズ６Ｄを図示して説明している。

実施例５でも説明したように、高出力のレーザが使用されるレーザ加工装置においては、レーザビームが透過するレンズにおいて、熱レンズ現象が発生するため、そのエネルギ密度を低下させて、その影響を低減することが望ましい。特に、レンズ面に施す反射防止膜や全反射、半透過のコーティング膜の耐久性の問題から、エネルギ密度を低下させる必要があった。

ところが、図６（ａ）に示すように、従来は、レーザビームＢ２ａの拡がり角θ３ａを調整していないため、拡がり角θ３ａが小さい場合には、１番目のレンズとなるコリメータレンズ６Ｄのレンズ面において、レーザビームＢ２ａのレンズ透過径が小さくなり、そのエネルギ密度が高くなってしまうことがあった。このような場合、エネルギ密度を低下させるには、そのレンズ透過径を大きくする必要があり、図６（ｂ）に示すように、出射部５からコリメータレンズ６Ｄまでの距離Ｆｂを、図６（ａ）における距離がＦａより大きくする方法しかなく、コリメータレンズ６Ｄを有する光学ヘッド６が大型化する要因となっていた。

これに対して、本実施例においては、実施例１、２と同様に、光ファイバ４の出射部５から出射されるレーザビームＢ２ｂの拡がり角θ３ｂを確認し、それがより大きくかつ常に一定になるように、調整機構２からのレーザビームＢ１の出射ＮＡ（拡がり角θ２）を調整することにより、出射部５からコリメータレンズ６Ｄまでの距離Ｆｃを大きくすることなく、コリメータレンズ６Ｄに入射されるレーザビームＢ２ｂのレンズ透過径をより大きくし、そのエネルギ密度を低下させて、熱レンズ現象の影響を低減している。このように、距離Ｆｃを小さくすることができ、コリメータレンズ６Ｄを有する光学ヘッド６の小型化を図ることができ、光学ヘッド６の小型化とレンズ面でのエネルギ密度の低減とを両立させることができる。加えて、レーザビームＢ３ｂのビーム径Ｄｂは、図６（ｂ）におけるレーザビームＢ３ａのビーム径Ｄａと同じ大きさとすることもでき、小型化されても、そのビーム径の調整幅が制限されることはない。当然ながら、本実施例の構成においても、レーザビームＢ３ｂのビーム径Ｄｂを常に一定することができ、その結果、レーザ発振器１、光ファイバ４の個体差に左右されることなく、常に一定のレーザ加工結果を得ることができる。

このように、レーザ発振器１からのレーザビームＢ１の拡がり角θ１が小さく、光ファイバ４から出射してくるレーザビームＢ２の拡がり角θ３も小さい場合には、その拡がり角θ３を適度に大きくすることにより、光学系（レンズ等）との距離を短くして、光学ヘッド６の大きさの小型化を図ることもできる。逆に、レーザ発振器１からのレーザビームＢ１の拡がり角θ１が大きく、光ファイバ４から出射してくるレーザビームＢ２の拡がり角θ３も大きい場合には、その拡がり角θ３を適度に小さくすることにより、大きな口径のレンズ等を用いる必要が無くなり、この点においても、光学ヘッド６の大きさの小型化を図ることができる。特に、レーザビームＢ２の拡がり角θ３が大き過ぎる場合には、レーザビームＢ２がレンズ等の光学部品からはみだしてしまい、意図しない場所にレーザビームＢ２が照射されて、構成部品等が損傷してしまうことも想定されるが、本発明のように、レーザビームＢ２の拡がり角θ３を調整することにより、このような事態も確実に避けることができる。

本実施例は、被加工物に最終的に照射するレーザビームＢ３において、ライトパイプを用いて、そのビームプロファイルを均質化して被加工物に照射することを目的としている。そのため、本実施例の場合、その構成は、図１（ａ）に示すようなレーザ加工装置であればよいが、光学ヘッド６としては、少なくとも、ライトパイプ６Ｅを有する光学系としている。

従来は、図７（ａ）に示すように、レーザ発振器１、光ファイバ４の個体差により、光ファイバ４の出射部５から出射されるレーザビームＢ２ａの拡がり角θ３ａにバラツキがあり、ライトパイプ６Ｅを透過したレーザビームＢ３ａの均質化にバラツキがあった。しかも、拡がり角θ３ａが小さい場合には、ライトパイプ６Ｅ内での反射回数（図中のＲ１）が少なくなってしまい、ライトパイプ６Ｅを透過したレーザビームＢ３ａの均質化を十分に図ることができないおそれがあった。

これに対して、図７（ｂ）に示すように、実施例１、２と同様に、光ファイバ４の出射部５から出射されるレーザビームＢ２ｂの拡がり角θ３ｂを確認し、それが常に一定となるように、調整機構２からのレーザビームＢ１の出射ＮＡ（拡がり角θ２）を調整することにより、レーザ発振器１、光ファイバ４の個体差によるバラツキを吸収することができ、常に一定の拡がり角θ３ｂを持ったレーザビームＢ２ｂをライトパイプ６Ｅへ入射することができる。加えて、図７（ｂ）に示すように、レーザビームＢ２ｂの拡がり角θ３ｂをより大きくすることにより、ライトパイプ６Ｅ内での反射回数（図中のＲ１〜Ｒ３）を多くして、ライトパイプ６Ｅを透過したレーザビームＢ３ｂの均質化を十分に図ることができる。このように、レーザビームＢ２ｂの拡がり角θ３ｂを一定かつ大きくすることにより、ライトパイプ６Ｅ内での反射回数を一定かつ多くすることができ、ライトパイプ６Ｅを透過したレーザビームＢ３ｂの均質化を図ると共に常に一定とすることができ、その結果、レーザ発振器１、光ファイバ４の個体差に左右されることなく、常に一定のレーザ加工結果を得ることができる。

図８は、実施例３（図３）に示したレーザ加工装置を、管体の残留応力改善装置に適用した例を示す概略構成図である。

図８に示すように、本実施例のレーザ加工装置である残留応力改善装置１１は、円筒状の管体である配管１２の外周を周回移動可能に配置され、周方向移動速度を制御可能な回転駆動装置１３と、回転駆動装置１３に支持されると共に配管１２の軸方向に延設され、配管１２の周囲を配管１２と同軸に周回可能なアーム部１４と、アーム部１４に保持され、配管１２の溶接部Ｗの外周面の所定領域にレーザビーム２０を照射する複数の光学ヘッド１９と、レーザ発振器１５からのレーザビームを複数の光学ヘッド１９へ伝送する複数の光ファイバ１７と、回転駆動装置１３、レーザ発振器１５等を制御する制御部２１とを有するものである。

なお、回転駆動装置１３は、配管１２の外周に脱着可能なものであり、残留応力を改善したい箇所、例えば、溶接部Ｗ等の周囲に自由に設置可能である。又、回転駆動装置１３は、その内周側が配管１２を保持し、アーム部１４を支持する外周側が周回可能であればどのような構成でもよい。

光学ヘッド１９、光ファイバ１７、レーザ発振器１５は、加熱光学系を構成しており、配管１２の軸方向に沿ってアーム部１４に配置された複数の光学ヘッド１９により、複数のレーザビーム２０を配管１２の外周面の所定領域に照射し、所定領域を均一に加熱するようにしている。光学ヘッド１９においては、光学ヘッド１９を調整することにより、周方向照射幅、軸方向照射幅を調整して、所望の加熱領域を調整している。なお、光ファイバ１７、光学ヘッド１９や照射されるレーザビーム２０の数は、照射条件によって適宜に変更可能である。

図８に示す本実施例の残留応力改善装置において、図１のレーザ加工装置に示した調整機構２は、レーザ発振器１５の内部に収容され、各々の光ファイバ１７に対して設けられている。又、図８における符号１６、１８は、それぞれ、光ファイバ１７の入射部、出射部であり、各々の光学ヘッド１９において、レーザビームの拡がり角（θ３）が確認されて、それが常に一定となるように、レーザ発振器１５内部の調整機構を用いて、光ファイバ１７に入射されるレーザビーム拡がり角（θ２）が調整されている。その結果、図３（ｃ）に示すように、光学ヘッド１９を透過したレーザビーム２０を、全て同じビーム径へ拡大することができ、複数のレーザビーム２０同士のラップ量（Ｌｃ）も常に一定とすることができ、その結果、レーザ発振器１５、光ファイバ１７の個体差に左右されることなく、常に一定のレーザ加工結果を得ることができる。

残留応力を改善する際には、具体的には、本実施例の残留応力改善装置１１において、予め、各光学ヘッド１９の調整により加熱領域を調整し、制御部２１により、レーザ発振器１５の出力を制御すると共に回転駆動装置１３を所定の移動速度に制御して周回移動させることで、各光学ヘッド１９から照射されるレーザビーム２０が、配管１２の外周を周回移動しながら配管１２の外周面の所定領域に照射され、配管１２の外周面の所定領域が加熱されることになる。このとき、加熱時に発生する配管１２の内外面温度差を利用し、内面を引張降伏させることにより、冷却後の内面の残留応力を低減若しくは圧縮応力に改善している。周回数としては、１回の周回でもよいが、複数の周回としてもよく、複数の周回の場合は、始終端の位置を変更するようにしてもよい。又、加熱温度としては、材料に悪影響を及ぼさない温度とすればよい。

本発明は、ファイバ伝送したレーザビームを用いるレーザ溶接、レーザ切断、レーザ表面処理等の加工全般に適用可能である。特に、ファイバ伝送したレーザビームを拡げて使用するレーザ加工、例えば、外面にレーザ照射して内部の応力を緩和する残留応力改善装置等に好適である。

本発明に係るレーザ加工装置を説明する概略構成図であり、（ａ）は、像倍率が小さいときの構成、（ｂ）は、像倍率が大きいときの構成である。図１に示すレーザ加工装置の調整機構において、レーザビームの出射ＮＡに対する入射ＮＡと調整量の関係を示すグラフである。図１に示すレーザ加工装置の応用例の一例を説明する図である。図１に示すレーザ加工装置の応用例の他の一例を説明する図である。図１に示すレーザ加工装置の応用例の他の一例を説明する図である。図１に示すレーザ加工装置の応用例の他の一例を説明する図である。図１に示すレーザ加工装置の応用例の他の一例を説明する図である。図３に示すレーザ加工装置の具体的な適用例となる管体の残留応力改善装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１レーザ発振器
２調整機構
３入射部
４光ファイバ
５出射部
６光学ヘッド

Claims

レーザ発振器から射出されたレーザビームを、光ファイバを用いて光学ヘッドへ伝送して、被加工物に照射するレーザ加工装置において、
前記レーザ発振器から射出されたレーザビームの拡がり角を調整する調整手段を、前記光ファイバの入射側直前に設け、
前記調整手段は、前記光ファイバの許容開口数以下となる拡がり角であり、かつ、前記光ファイバから出射される前記レーザビームの拡がり角が常に一定となるように、前記光ファイバに入射する前記レーザビームの拡がり角を調整することを特徴とするレーザ加工装置。
レーザ発振器から射出されたレーザビームを、複数の光ファイバを用いて複数の光学ヘッドへ伝送した後、複数のレーザビームの一部を互いに重ね合わせて、被加工物に照射するレーザ加工装置において、
前記レーザ発振器から射出されたレーザビームの拡がり角を調整する調整手段を、前記複数の光ファイバの入射側直前に各々設け、
前記調整手段は、前記光ファイバの許容開口数以下となる拡がり角であり、かつ、前記光ファイバから出射される前記レーザビームの拡がり角が、全ての前記光ファイバで一定となるように、前記光ファイバに入射する前記レーザビームの拡がり角を調整することを特徴とするレーザ加工装置。
請求項２に記載のレーザ加工装置を、管体の溶接部分の外周面に複数のレーザビームを照射することにより管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置に適用することを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザ加工装置において、
前記光学ヘッドは、前記被加工物に照射するレーザビームを、前記被加工物の加工面において、前記光学ヘッドに入射されたレーザビームより拡大して照射するものであることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザ加工装置において、
前記光学ヘッドは、前記被加工物に照射するレーザビームをデフォーカス設定にて使用するものであることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザ加工装置において、
前記光学ヘッドは、前記被加工物に照射するレーザビームを均質化するライトパイプを有することを特徴とするレーザ加工装置。