(57)【要約】【課題】電子ビームの高速偏向を利用して加工に最適な光学系を把握し、もって低コストでかつ短時間で最適化設計を終えることができるレーザ光学系の設計方法を提供する。【解決手段】電子銃１から出射された電子ビームＢを集束装置により集束した後、電流制御回路７から偏向コイル５、６に供給する電流を変化させて、電子ビームＢを高速偏向し、二枚重ねのめっき鋼板Ｗ１，Ｗ２の表面に、所望のエネルギ密度分布および大きさを有するビームパターンＰを疑似的に形成し、加工テストを行い、この加工テストの結果に基づいてレーザ光学系を設計および製作する。電子ビームＢのビームパターンＰにおけるエネルギ密度分布および大きさの偏向は、電子ビーム装置内の加工プログラムの変更だけで対処できるので、レーザ光学系の設計、製作を繰返す必要はなくなる。【選択図】　　図１
2004101570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを高速偏向させて所望のエネルギ密度分布および大きさを有するビームパターンをワーク面上に疑似的に形成して加工テストを行い、しかる後、前記加工テストの結果に基づいてレーザ光学系を設計することを特徴とするレーザ光学系の設計方法。
【請求項２】
高速偏向された電子ビームの照射スポットの集積度を場所により変えて所望のエネルギ密度分布を得ることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光学系の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接、溶断、肉盛、焼入れ等を行うレーザ加工に用いるレーザ光学系の設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ加工に用いるレーザ光学系を設計するには、一般に図５に示すように、先ず、ステップＳ１にて、過去の加工データ等に基づいて、レーザビームのエネルギ密度分布（断面強度分布）や照射パターンの大きさを基本設計し、次に、ステップＳ２にて、前記基本設計に基づいてレンズ、鏡筒等の光学系部品を製作し、その後、ステップＳ３にて、実際にワークを対象に加工テストを行い、満足する結果が得られるまで、前記ステップＳ１〜Ｓ３（基本設計、部品製作および加工テスト）を繰返す作業を行っていた。
【０００３】
ところで、レーザ光学系は、一般にレーザ発振源から光ファイバを介して送られたレーザビームを平行ビームに変更する第１集束レンズと、この第１集束レンズから出射された平行ビームを集束する第２集束レンズとを備えた構造となっている。このようなレーザ光学系において、前記第２集束レンズとしてノーマル形状の凸レンズを用いた場合は、第２集束レンズから出射されたレーザビームのエネルギ密度分布は指数関数的な形状となり、これに伴って、ワークの表層部における溶込み深さ、焼入れ深さ等がビーム照射の幅方向で均等にならない。
そこで、従来は、レーザビームのエネルギ密度分布を平均化するため、上記第２集束レンズの凸面側中央部に平面部を形成したり（例えば、特許文献１参照）、あるいは異形ミラーで反射させた２つのレーザビームをワーク面上で重合照射させること（例えば、特許文献２参照）が行われていた。
【０００４】
なお、電子ビーム光学系の場合は、電磁気的なレンズを用いるため、例えば、電子ビームを高速偏向させることにより、複数箇所にスポット的にビームを照射して、同時に複数箇所を加工することなども可能で（例えば、特許文献３、特許文献４等参照）、その最適化設計にそれほどの困難さを要しない。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−７６０８５号公報
【特許文献２】
特公昭６０−５４８３８号公報
【特許文献３】
特開昭６１−４２８４５号公報
【特許文献４】
特開昭６３−１１９９９１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のレーザ光学系の設計方法によれば、満足する結果が得られるまで、高価なレンズを含めて光学系部品を何回も製作し直す必要があるため、設計完了までに高コストと長期間とを要し、上記したエネルギ密度分布を平均化するための特殊レンズや異形ミラーを必要とする場合は、さらなるコスト増大と期間延長とを招くこととなっていた。また、亜鉛めっき鋼板やアルミニウムめっき鋼板などのめっき鋼板をレーザ重ね溶接する場合は、めっき成分の蒸発、飛散に伴うスパッタ発生やブローホール発生など、予測不能な現象が起こるため、レーザ光学系の最適化設計はより一層困難となっていた。
【０００７】
そこで、本発明者は、上記特許文献３、４等に記載される電子ビームの高速偏向に着目し、この電子ビームを規則的に高速偏向させることにより、所望のエネルギ密度分布および大きさを有するビームパターンをワーク面上に疑似的に形成できることを見い出した。
本発明は、上記した知見に基づいてなされたもので、その課題とするところは、電子ビームの高速偏向を利用して加工に最適な光学系を把握し、もって低コストでかつ短時間で最適化設計を終えることができるレーザ光学系の設計方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、電子ビームを高速偏向させて所望のエネルギ密度分布および大きさを有するビームパターンをワーク面上に疑似的に形成して加工テストを行い、しかる後、前記加工テストの結果に基づいてレーザ光学系を設計することを特徴とする。
このように行うレーザ光学系の設計方法においては、電子ビームの高速偏向により形成した疑似的なビームパターンにより実際に加工テストを行うので、電子ビーム加工装置の制御装置内の加工プログラムの変更だけで、最適なエネルギ密度分布および大きさを有するビームパターンを把握することができ、したがって、レーザ光学系の設計、製作を一回の作業で済ませることができる。
本発明において、所望のエネルギ密度分布を得るには、例えば、高速偏向された電子ビームの照射スポットの集積度を場所により変える方法を用いることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るレーザ光学系の設計に用いる電子ビーム加工装置を示したものである。同図において、１は、電子ビームＢを発生させる電子銃、２は電子銃１から出射された電子ビームＢを集束する集束装置、３は、集束装置２により集束された電子ビームＢを高速偏向する偏向装置である。偏向装置３は、電子ビームＢのビーム通路（光路）４内に磁界を発生させる二対の偏向コイル５、６を備えており、各対の偏向コイル対５、６には電流制御回路７から電流が供給されるようになっている。電流制御回路７は、本電子ビーム加工装置の全体を制御する制御装置８に予め記憶された加工プログラムに従って各対の偏向コイル対５、６に供給する電流を変化させ、これにより光路４内の磁界が変化して、電子ビームＢが所定の偏向プログラムに従って高速偏向される。
【００１０】
本実施の形態において、上記電子ビーム加工装置は、二枚のめっき鋼板（亜鉛めっき鋼板、アルミニウムめっき鋼板等）Ｗ１，Ｗ２の重ね溶接を行うもので、その上側のめっき鋼板Ｗ１の面上には、前記レーザビームＢの高速偏向により、所定のエネルギ密度分布および大きさを有する、後に詳述するビームパターンＰが疑似的に形成される。溶接に際しては、電子銃１と二枚重ねのワークＷ１，Ｗ２とを相対移動させることで、ビームパターンＰが溶接方向Ａへ走査され、この走査線上の材料が溶融してワークＷ１，Ｗ２は相互に重ね溶接される。
【００１１】
しかして、本実施の形態においては、上記偏向装置３により電子ビームＢを高速偏向させることにより、図２に示すように、同心円上に等価的に多数の照射スポットＦを配列し、これら照射スポットＦの集合により一つのビームパターンＰを疑似的に形成するようにしている。この場合、各同心円上に配列される照射スポットの集積度（数）に差を付けることにより、例えば、同図に示すように、比較的低いビーム強度Ｓ１を有しかつ比較的大きな直径Ｄを有する平均パターンＰ１の中心部に、比較的高いビーム強度Ｓ２を有しかつ比較的小さい直径ｄを有する極大パターンＰ２が配された二重強度分布のビームパターンＰを形成することができる。なお、このような二重強度分布のビームパターンＰは、前記照射スポットＦを螺旋状に配列することによっても形成することができる。また、偏心円上に照射スポットＦを配列した場合は、前記極大パターンＰ２を平均パターンＰ１の偏心部位に位置させることもできる。
【００１２】
以下、上記電子ビーム加工装置を利用して行うレーザ光学系の設計方法を図３も参照して説明する。
レーザ光学系の設計に際しては、先ず、ステップＳ１１において設計者が、めっき鋼板Ｗ１，Ｗ２の重ね溶接に適していると考えるエネルギ密度分布および大きさを有するビームパターンを決定（考案）すると共に、ビーム走査条件を決定する。次に、ステップＳ１２において加工プログラムを作成し、これを前記電子ビーム加工装置の制御装置８に記憶させる。この場合、前記加工プログラムは、偏向装置３内の偏向コイル５、６により電子ビームＢを高速偏向させる偏向プログラムを含んでいる。次に、ステップＳ１３において、電子銃１から二枚重ねのめっき鋼板Ｗ１，Ｗ２に向けて電子ビームＢを出射させ、これと同時に二枚重ねのめっき鋼板Ｗ１，Ｗ２を一定速度で移動させる。すると、上側のめっき鋼板Ｗ１の面上には、偏向コイル５、６による高速偏向で、例えば、前記図２に示したような平均パターンＰ１の中心部に極大パターンＰ２が配された二重強度分布のビームパターンＰが疑似的に形成され、このビームパターンＰが溶接方向Ａへ走査される。これによりビーム走査線上の材料が溶融して、いわゆる溶接ビードが形成され、該溶接ビードを介して二枚のめっき鋼板Ｗ１，Ｗ２が相互に重ね溶接される。そして、所定の長さにわたって重ね溶接が進行すると、加工プログラムに従って電子銃１からの電子ビームＢの出射が停止され、これと同時にめっき鋼板Ｗ１，Ｗ２の移動が停止され、加工テスト（溶接テスト）は終了する。
【００１３】
上記のように加工テストが終了したら、めっき成分の蒸発、飛散に伴うスパッタ発生状態やブローホール発生状態を含む溶接品質を、目視、重量測定、切断面の顕微鏡検査等により確認し、満足する結果が得られない場合は、ステップＳ１１に戻って、ビームパターンのエネルギ密度分布や大きさあるいはビーム走査条件（走査速度）を修正し、加工プログラムの作成（ステップＳ１２）、加工テスト（ステップ１３）を繰返し、最適なエネルギ密度分布や大きさあるいはビーム走査条件が把握されるまで、前記ステップＳ１１〜Ｓ１３を繰返す。
【００１４】
その後は、ステップＳ１４において、上記した電子ビーム加工装置による加工テストを経て把握した最適なエネルギ密度分布および大きさが得られるようにレーザ光学系を設計し、続いて、ステップＳ１５において前記設計に基づいてレーザ光学系部品（レンズ、鏡筒等）を製作し、最終のステップＳ１６で上記めっき鋼板Ｗ１，Ｗ２を対象に確認テスト（レーザ重ね溶接）を行い、これにてレーザ光学系の設計、製作は終了する。しかして、ビームパターンの最適なエネルギ密度分布および大きさの把握は、上記したように電子ビームによる加工テストまでのステップ（Ｓ１１〜Ｓ１３）で実質的に終了しているので、従来のようにレーザ光学系部品を再製作する（図５のステップＳ２）必要はなくなり、結果として、レーザ光学系の設計および製作を低コストでかつ短期間で終えることができる。
【００１５】
【実施例】
ワークとして、板厚０．８ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの亜鉛めっき鋼板（ＪＩＳ　ＳＣＧＡ２７０）と普通鋼板（ＪＩＳ　ＳＰＣ２７０）とを選定し、図１に示した電子ビーム加工装置を用いて、その偏向装置３により電子ビームＢを高速偏向させることにより、図４に示すように、直径Ｄ＝４ｍｍの平均パターンＰ１に対して、走査方向の後側の内接位置と、中心位置と走査方向前側の内接位置との３箇所に直径ｄ＝１ｍｍの極大パターンＰ２を配置した３つのビームパターンＰＡ、ＰＢ、ＰＣをワーク面上に形成し、４ｍ／分の速度で電子ビームを走査して各鋼板を１２０ｍｍの長さだけ重ね溶接した。そして、溶接後、表面に付着するスパッタを除去して溶接鋼板の重量を測定し、初期重量からの重量減少量すなわちスパッタ発生量を測定した。
【００１６】
図４は、各ビームパターンＰＡ、ＰＢ、ＰＣごとの重量減少量（スパッタ発生量）を示したもので、普通鋼板を対象とした場合は、各ビームパターンＰＡ、ＰＢ、ＰＣによる重量減少量にほとんど差が認められない。これに対し、亜鉛めっき鋼板を対象とした場合は、平均パターンＰ１に対して、走査方向後側の内接位置に極大パターンＰ２を配置したビームパターンＰＡにより溶接したものが最もスパッタ発生量が少なく、平均パターンＰ１に対して、走査方向前側の内接位置に極大パターンＰ２を配置したビームパターンＰＣにより溶接したものが最もスパッタ発生量が多くなっている。ビームパターンＰＡにより溶接したものが最もスパッタ発生量が少なくなっている理由は、比較的ビーム強度の低い平均パターンＰ１が走査方向前側に位置することで溶接予定部位が予熱され、この予熱効果により前側のめっき成分の蒸発が促進され、キーホールから抜け易くなったため、と推定される。
【００１７】
すなわち、上記した電子ビームによる加工テストの結果によれば、めっき鋼板をレーザ重ね溶接するには、平均パターンＰ１に対して、走査方向後側の内接位置に極大パターンＰ２を配置したビームパターンＰＡを選択するのが最適であると判断することができる。したがって、このようなビームパターンＰＡが得られるようにレーザ光学系を設計することで、その最適化設計は終了し、レーザ光学系部品の製作も一回で済むことになる。特に、めっき鋼板の重ね溶接においては、めっき成分の蒸発、飛散に伴ってスパッタやブローホールが多く発生するなど、予測不能な現象が起こるが、本発明の方法によれば、前記した電子ビームによる加工テストで事前に溶接品質を確認できるので、レーザ光学系の設計に対する信頼性は著しく高いものとなる。
【００１８】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係るレーザ光学系の設計方法によれば、電子ビームの高速偏向を利用して加工に最適な光学系を把握し、これをレーザ光学系の設計に反映させるので、レーザ光学系の設計および製作を繰返す必要がなくなり、低コストでかつ短時間でレーザ光学系の最適化設計を終えることができ、その利用価値は大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ光学系の設計に用いる電子ビーム加工装置の構造を示す模式図である。
【図２】電子ビームの高速偏向による疑似的なビームパターンの形成方法の一例を示す説明図である。
【図３】本発明に係るレーザ光学系の設計および製作手順を示すフローチャートである。
【図４】電子ビームの高速偏向により形成される種々のビームパターンにより実際に溶接を行った際のスパッタ発生量を示すグラフである。
【図５】従来のレーザ光学系の設計および製作手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　　電子銃
２　　集束装置
３　　偏向装置
５、６　偏向コイル
７　　電流制御回路
８　　電子ビーム加工装置の制御装置
Ｂ　　電子ビーム
Ｐ　　ビームパターン
Ｗ１、Ｗ２　めっき鋼板（ワーク）
【図１】
2004101570.tif 000003
【図２】
2004101570.tif 000004
【図３】
2004101570.tif 000005
【図４】
2004101570.tif 000006
【図５】
2004101570.tif 000007