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JP3160467B2 - Laser device for heating tubular body - Google Patents

Laser device for heating tubular body

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JP3160467B2
JP3160467B2 JP15016594A JP15016594A JP3160467B2 JP 3160467 B2 JP3160467 B2 JP 3160467B2 JP 15016594 A JP15016594 A JP 15016594A JP 15016594 A JP15016594 A JP 15016594A JP 3160467 B2 JP3160467 B2 JP 3160467B2
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Japan
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lens
heated
laser beam
heating
laser
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孝 石出
保身 名倉
博幸 藤原
崇 赤羽
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光線を用いた加
熱装置に関し、特に熱交換器伝熱管のような管状体内面
を均等に加熱するレーザ装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heating apparatus using a laser beam, and more particularly to a laser apparatus for uniformly heating the inner surface of a tubular body such as a heat exchanger tube.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザは所望の狭い箇所のみ、高温に加
熱でき、周辺の部分に余分な熱影響を与えないので、溶
接や表面硬化処理等に広く利用されている。この種の装
置においては、一般的には、レーザ光をワークの表面に
集光させ、その集光点を所定の経路に従って走査する。
集光点には、十分な光エネルギが与えられるから、所望
温度まで昇温し、あるいは溶融し、走査により集光点が
移動すれば、速やかに冷却される。
2. Description of the Related Art Since a laser can be heated to a high temperature only in a desired narrow portion and does not exert an extra thermal influence on a peripheral portion, it is widely used for welding, surface hardening and the like. In this type of apparatus, generally, laser light is focused on the surface of a work, and the focused point is scanned according to a predetermined path.
Since sufficient light energy is given to the focal point, the temperature is raised or melted to a desired temperature, and if the focal point moves by scanning, it is quickly cooled.

【0003】このようなレーザ装置を用いて細いシリン
ダの内面や、細い伝熱管の内面を加熱する場合には、一
般にオプティカルファイバ等の光伝送体により、レーザ
光を軸方向に導き、軸まわりに回転するミラーによって
レーザ光を反射させ、この反射されたレーザ光を半径方
向に導いて前記内面を加熱する例が多い。
When the inner surface of a thin cylinder or the inner surface of a thin heat transfer tube is heated by using such a laser device, the laser beam is generally guided in the axial direction by an optical transmission body such as an optical fiber, and the laser beam is guided around the axis. In many cases, the laser light is reflected by a rotating mirror, and the reflected laser light is guided in the radial direction to heat the inner surface.

【0004】しかしながら、叙上のような一般的なレー
ザ内面加熱装置では、比較的広い面積の加熱対象部位を
一様に加熱するには不向きであると共に、ミラーを回転
する機構を必要として構造が複雑化するきらいがある。
However, such a general laser inner surface heating apparatus as described above is not suitable for uniformly heating a relatively large area to be heated, and requires a mechanism for rotating a mirror. There is a tendency to be complicated.

【0005】このため、回転ミラーの代わりに、円錐形
のミラーを使用することが提案されている。しかしなが
ら、この場合には円錐形ミラーの特性上、尖頭部で反射
した光は、広範囲に広がってしまい、あまり加熱には有
効でない。
For this reason, it has been proposed to use a conical mirror instead of a rotating mirror. However, in this case, due to the characteristics of the conical mirror, the light reflected by the cusp is spread over a wide range and is not very effective for heating.

【0006】従って、円錐形ミラーを使用する場合、所
定幅の裁頭円錐面を反射面として用い、これに円周上に
配置した複数の光ファイバからレーザ光を当てると、管
状体内面に鉢巻き状の反射光照射面が生じ、加熱され
る。
Therefore, when a conical mirror is used, a frusto-conical surface having a predetermined width is used as a reflecting surface, and when a laser beam is irradiated from a plurality of optical fibers arranged on the circumference to the reflecting surface, a headband is formed on the inner surface of the tubular body. A reflected light illuminated surface is formed and heated.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】以上説明したような円
錐形ミラーを利用したレーザ加熱装置では、一応、所期
の目的を達成し、管状体内面の面積を同時に加熱し得る
のであるが、それでもなお次のような問題点がある。
With the laser heating apparatus using the conical mirror as described above, it is possible to achieve the intended purpose and to simultaneously heat the area of the inner surface of the tubular body. There are the following problems.

【0008】すなわち、 (1) 1本のオプティカルファイバから出射される光
は、光の性格上、中心部で光のエネルギ密度が大きく、
周辺部では小さい。従って、複数のオプティカルファイ
バを用いた場合、鉢巻き状の被加工面に低温領域が生
じ、円周方向に温度のばらつきが生じる。このような温
度のばらつきは、溶体化処理等より均一な温度分布を必
要とする熱処理には好ましくない。
That is, (1) the light emitted from one optical fiber has a large light energy density at the center due to the nature of the light.
Small in the periphery. Therefore, when a plurality of optical fibers are used, a low-temperature region is generated on the head-shaped work surface, and the temperature varies in the circumferential direction. Such a temperature variation is not preferable for a heat treatment requiring a more uniform temperature distribution than a solution treatment or the like.

【0009】(2) 従来の円錐形ミラーの反射角は9
0度であり、反射した光は入射角が0度で管状体の内面
に入射する。従って、反射率が高く、加熱に供される吸
熱エネルギが小さく、エネルギ効率が悪い。
(2) The reflection angle of the conventional conical mirror is 9
The angle is 0 degree, and the reflected light is incident on the inner surface of the tubular body at an incident angle of 0 degree. Therefore, the reflectance is high, the heat absorption energy used for heating is small, and the energy efficiency is poor.

【0010】(3) 管状体内面の被加熱体の幅は、円
錐形ミラーの形状や大きさ、更にはオプティカルファイ
バとの相対的な関係から一義的に決まってしまい、調整
ができない。 と言ったような点である。従って、本発明の目的とする
ところは、上述のような不具合のないレーザ加熱装置を
提供することにある。
(3) The width of the object to be heated on the inner surface of the tubular body is uniquely determined from the shape and size of the conical mirror and the relative relationship with the optical fiber, and cannot be adjusted. It is the point which said. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a laser heating apparatus free from the above-mentioned problems.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明はつぎのように構成する。すなわち、レーザ
光を管状の被加熱物に導き、この被加熱物の内周面に照
射して加熱を行うレーザ装置において、レーザ光源より
レーザ光を導く1系統分の可撓性導光手段と、この可撓
性導光手段により導かれたレーザ光のスポット径を可変
調整する凸レンズおよび凹レンズによるレンズ光学機構
と、このレンズ光学機構の光軸に光軸を一致させて配さ
れ、該レンズ光学機構によりスポット径を調整されたレ
ーザ光を漏斗状に光路変換し、加熱用レーザ光として出
射する円錐レンズ(アクシコンレンズ)とを備えて構成
する。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows. That is, in a laser device that guides laser light to a tubular object to be heated and irradiates the inner peripheral surface of the object to be heated, a flexible light guide means for one system for guiding laser light from a laser light source is provided. A lens optical mechanism comprising a convex lens and a concave lens for variably adjusting the spot diameter of the laser light guided by the flexible light guiding means, and an optical axis aligned with the optical axis of the lens optical mechanism; A laser beam whose spot diameter is adjusted by a mechanism is converted into a funnel-shaped optical path, and a conical lens (axicon lens) for emitting laser light for heating is provided.

【0012】また、円錐レンズは、被加熱管体の管内表
面へのレーザ光のビーム入射角が70〜80°になるも
のを使用する。また、レンズ光学機構はそのレンズ間距
離を調整可能に構成する。
Further, the conical lens used is such that the incident angle of the laser beam on the inner surface of the tube to be heated is 70 to 80 °. Further, the lens optical mechanism is configured so that the distance between the lenses can be adjusted.

【0013】[0013]

【作用】このような構成において、第1には、1本の光
ファイバにより伝送されたレーザ光を光学系で拡大後、
コリメートし、円錐レンズ(アクシコンレンズ)で漏斗
状に広がる断面リング状のレーザ光に変換し、これを被
加熱管体の管内表面に照射するので、管内周面のレーザ
光のビームの強度分布が均一になる。そのため、レーザ
光の管内の照射域を均一に加熱することができるように
なる。
In such a configuration, first, after a laser beam transmitted by one optical fiber is enlarged by an optical system,
The laser beam is collimated, converted into a ring-shaped laser beam that expands in a funnel shape by a conical lens (axicon lens), and radiated onto the inner surface of the tube to be heated. Becomes uniform. Therefore, it becomes possible to uniformly heat the irradiation area in the tube of the laser light.

【0014】また、第2には、レーザ光の反射率を低く
保つことができるビーム入射角が70〜80度であるこ
とから、被加熱管体の管内表面へのレーザ光のビーム入
射角が70〜80度になるような漏斗状レーザ光を出力
できるように設計した円錐レンズを用いるようにするこ
とで、レーザ光のビーム吸収率が高まり、効率の良い加
熱ができるようになると共に、光学系特に被加熱管体へ
のレーザ光出力端となる円錐レンズと被加熱管体の加熱
対象部間の距離を十分離すことができるようになり、こ
のこととレーザ光のビーム吸収率の向上(つまり、反射
レーザ光が少なくなる)ことによって光学系の熱損傷を
防止できるようになる。
Second, since the beam incident angle at which the reflectivity of the laser beam can be kept low is 70 to 80 degrees, the beam incident angle of the laser beam on the inner surface of the tube to be heated is reduced. The use of a conical lens designed to output a funnel-shaped laser beam at 70 to 80 degrees increases the beam absorptance of the laser beam, enables efficient heating, and enables optical heating. In particular, the distance between the conical lens serving as the laser beam output end to the heated tube and the portion to be heated of the heated tube can be sufficiently separated, and this can improve the beam absorptivity of the laser beam ( That is, the amount of reflected laser light is reduced), so that thermal damage to the optical system can be prevented.

【0015】更に、第3には、光学系のレンズ間距離の
組合せを変化させることによって、レーザ光照射による
管内表面加熱幅を可変調整できることから、熱処理条件
に合せて加熱幅を調整して加熱することができるように
なり、信頼性の高い、そして、精度の高い加熱処理が可
能となる。
Third, by changing the combination of the distances between the lenses of the optical system, the width of heating of the inner surface of the tube by laser light irradiation can be variably adjusted. Therefore, the heating width is adjusted by adjusting the heating width in accordance with the heat treatment conditions. And heat treatment with high reliability and high accuracy can be performed.

【0016】[0016]

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1に、本発明のレーザ加熱装置における
先端光学系である加熱ヘッド部の構成図を示す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration diagram of a heating head section which is a tip optical system in a laser heating apparatus of the present invention.

【0017】図1は加熱ヘッド部の概略的な構成を示す
正面図であり、図中1は光ファイバ、2は円錐レンズ
(アクシコンレンズ)、ppは加熱対象の管(以下、加
熱対象管と呼ぶ)であり、3はその加熱対象部、4は加
熱幅、5はレーザ光、6a,6b,6cは凸レンズ、7
は凹レンズ、8aおよび8bはレンズ間距離である。
FIG. 1 is a front view showing a schematic configuration of a heating head section, in which 1 is an optical fiber, 2 is a conical lens (axicon lens), and pp is a tube to be heated (hereinafter, a tube to be heated). 3 is a heating target portion, 4 is a heating width, 5 is a laser beam, 6a, 6b and 6c are convex lenses, 7
Is a concave lens, and 8a and 8b are distances between lenses.

【0018】前記光ファイバ1は図示しないレーザ発振
源より、レーザ光を導くための可撓性導光手段であり、
1系統分の光路を提供する。光ファイバ1はその一端側
がレーザ発振源に接続されている。光ファイバ1の他端
側(レーザ光出射端側)は加熱ヘッド部に接続される。
加熱ヘッド部は凸レンズ6a,6b,6c、凹レンズ7
および円錐レンズ2により構成される。
The optical fiber 1 is a flexible light guiding means for guiding a laser beam from a laser oscillation source (not shown).
An optical path for one system is provided. One end of the optical fiber 1 is connected to a laser oscillation source. The other end of the optical fiber 1 (laser emission end) is connected to the heating head.
The heating head section includes a convex lens 6a, 6b, 6c, a concave lens 7
And a conical lens 2.

【0019】光ファイバ1は用途により例えば、オプチ
カルファイバのように、芯線を複数本バンドル(束ね
る)したものであっても、また、芯線1本のみの構成と
したものであっても良いが、光路としては全体で1本分
(1系統分)であり、従来のように複数本、すなわち、
複数系統とすることによる弊害を除去している。
Depending on the application, the optical fiber 1 may be a bundle of a plurality of core wires (bundled), such as an optical fiber, or a configuration having only one core wire. The total number of optical paths is one (one system), and a plurality of optical paths,
The adverse effects of using multiple systems have been eliminated.

【0020】つまり、1本の光ファイバ1によりレーザ
光を導く構成とすることにより、この導光路により得ら
れるレーザ光のスポットは1個となり、複数系統の場合
のように系統別にスポットが得られて、スポットが複数
個になることによるレーザ光のエネルギ分布の極端な疎
密化を防止している。
That is, by adopting a configuration in which laser light is guided by one optical fiber 1, the number of laser light spots obtained by this light guide path is one, and spots can be obtained for each system as in the case of a plurality of systems. This prevents the energy distribution of the laser beam from becoming extremely dense due to the plurality of spots.

【0021】レンズ群は光ファイバ1のレーザ光出射端
側より、凸レンズ6a、凸レンズ6b、凹レンズ7、凸
レンズ6c、そして、円錐レンズ2の順に光軸を一致さ
せて配される。そして、凸レンズ6aおよび円錐レンズ
2は位置固定であるが、凸レンズ6b,6c、凹レンズ
7はその光軸方向に位置移動調整が可能な構成である。
また、レンズ群の光軸は光ファイバ1のレーザ光出射端
側の光軸と一致させてあり、レーザ光のスポットはその
中心が上記レンズ群の光軸に一致される。
The lens group is arranged from the laser light emitting end side of the optical fiber 1 in the order of the convex lens 6a, the convex lens 6b, the concave lens 7, the convex lens 6c, and the conical lens 2 so that the optical axes are aligned. The positions of the convex lens 6a and the conical lens 2 are fixed, while the positions of the convex lenses 6b and 6c and the concave lens 7 can be adjusted in the optical axis direction.
The optical axis of the lens group is aligned with the optical axis on the laser light emitting end side of the optical fiber 1, and the center of the spot of the laser light is aligned with the optical axis of the lens group.

【0022】円錐レンズ2は一方の面が平坦面、他方の
面が円錐形に形成された円錐台形状のレンズであり、円
錐側をレーザ光の出射端側とし、平坦側をレーザ光の入
射端側としてある。
The conical lens 2 is a frusto-conical lens in which one surface is formed as a flat surface and the other surface is formed as a conical shape. It is as the end side.

【0023】凸レンズ6aは光ファイバ1から円錐状に
広がるようにして出射されるレーザ光をコリメート(平
行光線化)し、凸レンズ6bはこのコリメートされたレ
ーザ光を絞ってスポット径を小さくし、凹レンズ7はこ
の絞られたレーザ光を広げ、凸レンズ6cは広がったこ
のレーザ光をコリメートして円錐レンズ2に入射させる
役割を担う。
The convex lens 6a collimates (collimates) the laser light emitted from the optical fiber 1 so as to spread conically, and the convex lens 6b narrows the collimated laser light to reduce the spot diameter. Numeral 7 spreads the narrowed laser light, and convex lens 6c plays a role of collimating the widened laser light and making it collimate.

【0024】上述したように、本装置では凸レンズ6a
と円錐レンズ2の間の距離は固定であるが、凸レンズ6
bと凸レンズ6cおよびこれらの間にある凹レンズ7は
凸レンズ6aと円錐レンズ2の間で位置を移動調整でき
る構成である。凸レンズ6bと凹レンズ7との間の距離
がレンズ間距離8aであり、凹レンズ7と凸レンズ6c
との間の距離がレンズ間距離8bである。
As described above, in the present apparatus, the convex lens 6a
The distance between the lens and the conical lens 2 is fixed,
b and the convex lens 6c and the concave lens 7 between them have a configuration in which the position can be adjusted between the convex lens 6a and the conical lens 2. The distance between the convex lens 6b and the concave lens 7 is the lens distance 8a, and the concave lens 7 and the convex lens 6c
Is the inter-lens distance 8b.

【0025】このような構成において、レーザ発振源よ
り発振されたレーザ光5は光ファイバ1により加熱ヘッ
ド部に導かれ、光ファイバ1のレーザ光出射端側より出
射されて凸レンズ6aに入射される。そして、凸レンズ
6aより凸レンズ6bそして凹レンズ7を経て凸レンズ
6cを通り、円錐レンズ2に入射する。
In such a configuration, the laser light 5 oscillated from the laser oscillation source is guided to the heating head by the optical fiber 1, emitted from the laser light emitting end side of the optical fiber 1, and made incident on the convex lens 6a. . Then, the light passes through the convex lens 6c via the convex lens 6b and the concave lens 7 from the convex lens 6a, and enters the conical lens 2.

【0026】凸レンズ6a,6b、凹レンズ7よりなる
レンズ系はレーザ光の光束を拡大するためのものであ
り、これらのレンズ系を通って拡大されたレーザ光は凸
レンズ6cによりコリメート(平行光線化)され、円錐
レンズ2に入射される。
The lens system composed of the convex lenses 6a, 6b and the concave lens 7 is for expanding the luminous flux of the laser light, and the laser light expanded through these lens systems is collimated (parallelized) by the convex lens 6c. And is incident on the conical lens 2.

【0027】円錐レンズ2は一方の面が平坦面、他方の
面が円錐形に形成された円錐台形状のレンズであり、円
錐側をレーザ光の出射端側とし、平坦側をレーザ光の入
射端側としてある。そして、円錐レンズ2に平行光線を
入射させると、円錐の中心線を中心にその周囲の領域の
光を内側に曲げるように作用するので、コリメートされ
て円錐レンズ2の入射端側より当該円錐レンズ2に入射
されたレーザ光はその出射光の光分布がリング状にな
り、しかも、円錐レンズ2の位置から離れるにつれてリ
ングの径は広がるようになる。
The conical lens 2 is a frusto-conical lens in which one surface is formed as a flat surface and the other surface is formed as a conical shape. It is as the end side. When a parallel ray is incident on the conical lens 2, the light acts on the center line of the cone so as to bend the light in the surrounding area inward. The laser light incident on the lens 2 has a ring-shaped light distribution, and the diameter of the ring increases as the distance from the conical lens 2 increases.

【0028】つまり、コリメートされた断面円形のレー
ザ光束は円錐レンズ2を通すと、漏斗状に広がる断面リ
ング状の光束に変わる。従って、被加熱管体の内部に加
熱ヘッド部を挿入すると、レーザ光は加熱ヘッド部より
漏斗状に広がる断面リング状の光束となって被加熱管体
内壁に向かうので、被加熱管体内壁側から見れば斜めに
レーザ光が入射してくることになり、被加熱管体に対す
るレーザ光の吸収効率が良くなる。
That is, when the collimated laser beam having a circular cross section passes through the conical lens 2, the collimated laser beam is converted into a beam having a ring-shaped cross section that expands in a funnel shape. Therefore, when the heating head is inserted into the heated pipe, the laser beam becomes a light flux having a ring-shaped cross section that spreads in a funnel shape from the heating head and travels toward the inner wall of the heated pipe. When viewed from above, the laser light is incident obliquely, and the absorption efficiency of the laser light to the heated tube is improved.

【0029】このように、本発明装置では、レーザ発振
源から1系統分の可撓性導光手段である光ファイバ1に
より伝送されたレーザ光5は、凸レンズ6a,6b、凹
レンズ7によりスポット径を拡大後、凸レンズ6cによ
りコリメートされてから、加熱ヘッド部における光学系
出射端の円錐レンズ(アクシコンレンズ)2によって漏
斗状に広がる断面リング状のレーザ光に成形されて、被
加熱管内表面の加熱対象部3に照射され、当該管を内表
面から加熱するようにしたものである。
As described above, in the apparatus of the present invention, the laser beam 5 transmitted from the laser oscillation source by the optical fiber 1 which is one system of flexible light guide means has the spot diameter by the convex lenses 6a and 6b and the concave lens 7. After being enlarged by a convex lens 6c, the conical lens (axicon lens) 2 at the exit end of the optical system in the heating head unit is formed into a laser light having a ring-shaped cross section that expands in a funnel shape, and the inner surface of the heated tube is exposed. The tube 3 is irradiated with the light to be heated, and the tube is heated from the inner surface.

【0030】本発明の装置では、レーザ光によって加熱
された被加熱物の加熱対象部3からの反射レーザ光によ
る反射熱や輻射熱から光学系(特に光学系出射端の円錐
レンズ2)を保護するため、光学系に対して被加熱物で
ある被加熱管における加熱対象部3の位置が管軸方向に
離れるようにすると共に、レーザ光5のビーム吸収率を
高めるために、加熱対象部3へのレーザ光5のビーム入
射角θが70〜80度になるように調整して照射する。
In the apparatus of the present invention, the optical system (particularly, the conical lens 2 at the exit end of the optical system) is protected from the heat reflected or radiated by the laser light reflected from the object 3 to be heated by the laser light. Therefore, the position of the object to be heated 3 in the tube to be heated, which is an object to be heated with respect to the optical system, is separated in the tube axis direction, and the object to be heated 3 is The laser beam 5 is irradiated so as to be adjusted so that the beam incident angle θ is 70 to 80 degrees.

【0031】これは円錐レンズ2における円錐面の角度
を選べば良く、加熱対象部3へのレーザ光5のビーム入
射角θが70〜80度になるような円錐レンズを選定し
て用いるようにすれば良い。
This can be achieved by selecting the angle of the conical surface of the conical lens 2 and selecting and using a conical lens such that the beam incident angle θ of the laser beam 5 to the object to be heated 3 becomes 70 to 80 degrees. Just do it.

【0032】レーザ光5のビーム入射角θ(度)と反射
率(%)の関係を図2に示す。図2は縦軸に反射率%
を、そして、横軸にビーム入射角θ度をとり、ニッケル
に対してθ度でレーザ光を入射させた場合の各ビーム入
射角θに対する反射率を測定してプロットしたものであ
る。
FIG. 2 shows the relationship between the beam incident angle θ (degree) of the laser beam 5 and the reflectance (%). FIG. 2 shows the reflectance% on the vertical axis.
And the horizontal axis represents the beam incident angle θ degrees, and the reflectance is measured and plotted for each beam incident angle θ when a laser beam is incident on nickel at θ degrees.

【0033】レーザ光5のビーム入射角θ(度)と反射
率(%)の関係は図2に示すように、ビーム入射角θが
70度未満の場合は、反射率が高くなり、また、80度
超になると急激に反射率が高くなっていることがわか
る。従って、80度超の領域はビーム入射角θが少しで
もずれると反射率が大きく変化するので使いづらい領域
である。従って、加熱対象部3へのレーザ光5のビーム
入射角θが70〜80度の領域が反射率の点で最も効率
の良い領域であるから、この領域を使用する。
As shown in FIG. 2, the relationship between the beam incident angle θ (degree) and the reflectivity (%) of the laser beam 5 is such that when the beam incident angle θ is less than 70 degrees, the reflectivity increases. It can be seen that the reflectivity sharply increases when the angle exceeds 80 degrees. Therefore, a region exceeding 80 degrees is a region that is difficult to use because the reflectance greatly changes even if the beam incident angle θ deviates even a little. Therefore, a region where the beam incident angle θ of the laser beam 5 to the object to be heated 3 is 70 to 80 degrees is the most efficient region in terms of reflectivity, so this region is used.

【0034】しかし、加熱対象部3へのレーザ光5のビ
ーム入射角θが小さくなると、加熱ヘッド部と加熱対象
部3との間の距離が長くなり過ぎて、実用的でなくな
り、逆にビーム入射角θが大きくなると、加熱ヘッド部
と加熱対象部3との間の距離が短くなって光学系への熱
の問題が生じるから、加熱対象部3へのレーザ光5のビ
ーム入射角θが70〜80度の範囲で、さらにこのよう
な条件を踏まえて最適なビーム入射角θを選定する。
However, when the beam incident angle θ of the laser beam 5 on the heating target section 3 becomes small, the distance between the heating head section and the heating target section 3 becomes too long, which is impractical. When the incident angle θ is large, the distance between the heating head unit and the heating target unit 3 is short, and a problem of heat to the optical system occurs. Therefore, the beam incident angle θ of the laser beam 5 to the heating target unit 3 is small. In the range of 70 to 80 degrees, an optimum beam incident angle θ is selected based on such conditions.

【0035】例えば、光学系と加熱対象部3との距離
は、約20mm未満の場合、光学系が加熱対象部3から
の反射レーザ光による反射熱や輻射熱により損傷する危
険が大きいが、20mm以上離した場合は、約1,15
0℃で300回昇温・冷却のサイクルを繰返しても、光
学系の損傷はなく、また、光学系の透過率にも変化がな
く良好であったことを実験により確認しているので、加
熱対象部3へのレーザ光5のビーム入射角θが70〜8
0度の範囲で、しかも、被加熱管体の管径等も考慮して
光学系と加熱対象部3との距離が20mm以上確保でき
るように円錐レンズ2を選ぶ。
For example, if the distance between the optical system and the object to be heated 3 is less than about 20 mm, there is a great risk that the optical system will be damaged by heat reflected or radiated by the reflected laser light from the object 3 to be heated, If released, about 1,15
Even if the cycle of heating and cooling at 0 ° C. was repeated 300 times, the optical system was not damaged, and the transmittance of the optical system was confirmed by experiments to be good without any change. The beam incident angle θ of the laser beam 5 to the section 3 is 70 to 8
The conical lens 2 is selected so that the distance between the optical system and the heating target portion 3 is at least 20 mm within a range of 0 degrees and in consideration of the diameter of the heated tube.

【0036】一方、本加熱ヘッド部における光学系にお
いては、光学系の凸レンズ6aと凹レンズ7のレンズ間
距離8a及び凹レンズ7と凸レンズ6cのレンズ間距離
8bを変化させることができ、これにより、つぎの第1
表に示すように、レーザ光5による被加熱管の管内表面
における加熱幅Wを任意に調整することができる。
On the other hand, in the optical system of the heating head, the distance 8a between the convex lens 6a and the concave lens 7 and the distance 8b between the concave lens 7 and the convex lens 6c of the optical system can be changed. First
As shown in the table, the heating width W on the inner surface of the tube to be heated by the laser beam 5 can be arbitrarily adjusted.

【0037】 (第 1 表) −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− レンズ間距離8a レンズ間距離8b ビーム幅 (L1 mm) (L2 mm) (W mm) −−−−−−−−−−+−−−−−−−−−−+−−−−−−− 13.664 22.000 9.70 14.129 21.000 8.73 14.546 20.000 7.89 14.907 19.000 7.19 15.223 18.000 6.59 15.502 17.000 6.08 15.749 16.000 5.63 15.971 15.000 5.25 16.171 14.000 4.91 16.352 13.000 4.62 16.516 12.000 4.36 16.666 11.000 4.13 16.803 10.000 3.93 16.930 9.000 3.76 17.047 8.000 3.60 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− つまり、被加熱管の管内表面における加熱幅Wはこの例
でも、3.6mmから9.7mmの範囲で調整できるこ
とがわかる。
(Table 1) Distance between lenses 8a Distance between lenses 8b Beam width (L 1 mm) (L 2 mm) (W mm) ---------------------------------------------------------- 13.664 22.000 9.70 14 .129 21.000 8.73 14.546 20.000 7.89 14.907 19.000 7.19 15.223 18.000 6.59 15.502 17.000 6.08 15.749 16.000 5.63 15.971 15.000 5.25 16.171 14.000 4.91 16.352 13.000 4.62 16.516 12.000 4.36 16.666 11.000 4.13 16.13. 803 10.000 3.93 16 .930 9.000 3.76 17.047 8.000 3.60 ------------------------- That is, to be heated It can be seen that the heating width W on the inner surface of the tube can be adjusted in the range of 3.6 mm to 9.7 mm in this example as well.

【0038】つぎに本発明の装置により、外径18.8
mm、肉厚1.20mmのNi−Cr−Fe合金管(ニ
ッケル‐クロム‐鉄合金管)を、溶体化処理温度である
約1,100〜1,200℃に加熱した結果を図3およ
び図4に示す。
Next, the apparatus according to the present invention employs an outer diameter of 18.8.
The results of heating a Ni—Cr—Fe alloy tube (nickel-chromium-iron alloy tube) having a thickness of 1.20 mm and a thickness of 1.20 mm to a solution treatment temperature of about 1,100 to 1,200 ° C. are shown in FIGS. It is shown in FIG.

【0039】図3は、被加熱管における加熱対象部3の
幅に合わせてレーザ光の照射幅である加熱幅Wを変化さ
せた場合の被加熱管の軸方向の温度分布を示した特性図
であり、縦軸に温度を、そして、横軸に管軸方向長をと
ったものである。また、図4は加熱幅Wを変化させた場
合の管の周方向の温度分布を示したもので、縦軸に温度
を、そして、横軸に被加熱管の周方向角度をとったもの
である。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the temperature distribution in the axial direction of the heated tube when the heating width W, which is the irradiation width of the laser beam, is changed according to the width of the heating target portion 3 in the heated tube. The temperature is plotted on the vertical axis, and the length in the tube axis direction is plotted on the horizontal axis. FIG. 4 shows the temperature distribution in the circumferential direction of the tube when the heating width W is changed. The vertical axis represents the temperature, and the horizontal axis represents the circumferential angle of the heated tube. is there.

【0040】これらの図より、被加熱管の軸方向及び被
加熱管の周方向共に均一な加熱が得られていることがわ
かる。図6は、本発明の手法により、図5に示す状態で
被試験体である被加熱管ppに対して行った加熱試験の
一例を示す。図5(a)は側面断面図、図5(b)は被
加熱管ppの正面図であり、図5において、被試験体で
ある被加熱管ppの加熱対象部の領域幅(加熱すべき領
域の幅)は6mmとし、これを光学系先端出力580W
のレーザ光5で加熱を行った。
From these figures, it can be seen that uniform heating was obtained both in the axial direction of the heated pipe and in the circumferential direction of the heated pipe. FIG. 6 shows an example of a heating test performed on the heated pipe pp as the test object in the state shown in FIG. 5 by the method of the present invention. 5A is a side cross-sectional view, and FIG. 5B is a front view of the heated pipe pp. In FIG. 5, the area width of the heated portion of the heated pipe pp which is the test object (the area to be heated) The width of the area is 6 mm, and this is 580 W at the tip of the optical system.
The heating was performed with the laser light 5.

【0041】被加熱管ppの加熱対象部の温度測定は被
加熱管ppの加熱対象部位置での周囲0°,90°,1
80°,270°の位置における外周面にそれぞれ設け
た熱電対T/Cで行い、加熱対象部位置からのレーザ光
の反射出力を調べるため、被加熱管ppの端部には管軸
に軸線を一致させてレーザ光の反射出力の強さを測定す
るためのパワーメータPWMを配置した。
The temperature of the heated portion of the pipe pp to be heated was measured at 0 °, 90 °, 1 ° around the heated portion of the pipe pp.
In order to check the reflection output of the laser beam from the position to be heated by the thermocouples T / C provided on the outer peripheral surface at the positions of 80 ° and 270 °, the end of the heated pipe pp has an axis at the pipe axis. And a power meter PWM for measuring the intensity of the reflected output of the laser beam is arranged.

【0042】加熱ヘッド部の光学系を構成する円錐レン
ズ2の位置から熱電対T/C設置面までの距離は約33
mmであり、熱電対T/C設置面からパワーメータPW
Mの検出面までの距離は61mmである。
The distance from the position of the conical lens 2 constituting the optical system of the heating head section to the thermocouple T / C installation surface is about 33.
mm and the power meter PW from the thermocouple T / C installation surface.
The distance to the detection surface of M is 61 mm.

【0043】この条件で、被加熱管ppはレーザ光によ
り照射すると、被加熱管ppの加熱対象部は照射開始
後、30秒経過時点程度までは温度変化があまり見られ
ないが、それ以後、照射開始80秒経過時点程度までの
間に急に温度勾配が高くなり、温度変化が大きくなる。
そして、照射開始90秒経過時点程度までの間に一挙に
1,200°C程度迄温度上昇する。この間、パワーメ
ータPWMで検出される反射出力は最小でほぼ0°C程
度、最大で200°C程度であり、変化の傾向は加熱対
象部の温度変化特性曲線と似たものとなる。
Under these conditions, when the pipe pp to be heated is irradiated with the laser beam, the portion to be heated of the pipe pp to be heated does not show much temperature change until about 30 seconds after the start of the irradiation. The temperature gradient suddenly increases until about 80 seconds after the start of irradiation, and the temperature change increases.
Then, the temperature rises to about 1,200 ° C. all at once until about 90 seconds after the start of irradiation. During this time, the reflection output detected by the power meter PWM is about 0 ° C. at the minimum and about 200 ° C. at the maximum, and the tendency of the change is similar to the temperature change characteristic curve of the portion to be heated.

【0044】パワーメータPWMで検出される反射出力
の大きさは小さいものとなっているが、これは加熱対象
部にレーザ光が良く吸収されて、反射分が少ないことを
意味し、加熱対象部の加熱を効率良く行えていることを
意味する。
The magnitude of the reflected output detected by the power meter PWM is small, which means that the laser beam is well absorbed by the heating target and the amount of reflection is small. This means that the heating of is efficiently performed.

【0045】この結果、約1,100〜1,200°C
迄、短時間のうちに昇温され、熱処理及びろう付等、種
々の熱源として効果的に利用できることがわかる。な
お、本発明の技術は垂直固定管、水平固定管及び垂直・
水平回転管などにもその状況に応じて適用することがで
きる。その他、本発明は上述した実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形し
て実施し得るものである。
As a result, about 1,100 to 1,200 ° C.
It can be seen that the temperature is raised in a short time, and that it can be effectively used as various heat sources such as heat treatment and brazing. In addition, the technology of the present invention is applied to a vertical fixed pipe, a horizontal fixed pipe and a vertical fixed pipe.
The present invention can be applied to a horizontal rotating tube or the like according to the situation. In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified and implemented without departing from the scope of the invention.

【0046】以上、本発明は加熱ヘッド部をつぎのよう
にした。 (1) 1本の光ファイバ(1系統分の可撓性導光路)
から出るレーザ光を拡大後、コリメートし、円錐レンズ
(アクシコンレンズ)により、リング状に変換して管内
の前方表面に照射するようにした。
As described above, according to the present invention, the heating head section is as follows. (1) One optical fiber (flexible light guide for one system)
After expanding the laser light emitted from the tube, the light was collimated, converted into a ring shape by a conical lens (axicon lens), and irradiated to the front surface in the tube.

【0047】(2) 光学系の円錐レンズ(アクシコン
レンズ)の設計によって、管内表面へのレーザ光のビー
ム入射角を70〜80°に設定するようにした。 (3) 光学系のレンズ間距離の組合せを変化させるこ
とによってレーザ光照射による加熱幅を変化させるよう
にした。
(2) The incident angle of the laser beam to the inner surface of the tube is set to 70 to 80 ° by designing a conical lens (axicon lens) of the optical system. (3) The width of heating by laser light irradiation is changed by changing the combination of the distances between the lenses of the optical system.

【0048】そして、このようにすることにより、第1
には、1本の光ファイバにより伝送されたレーザ光を光
学系で拡大後、コリメートし、円錐レンズ(アクシコン
レンズ)で漏斗状に広がる断面リング状のレーザ光に変
換し、これを被加熱管体の管内表面に照射するので、管
内周面のレーザ光のビームの強度分布が均一になる。そ
のため、レーザ光の管内の照射域を均一に加熱すること
ができるようになる。
By doing so, the first
The laser light transmitted by a single optical fiber is expanded by an optical system, collimated, converted into a funnel-shaped ring-shaped laser light by a conical lens (axicon lens), and heated. Since the irradiation is performed on the inner surface of the tube, the intensity distribution of the laser beam on the inner surface of the tube becomes uniform. Therefore, it becomes possible to uniformly heat the irradiation area in the tube of the laser light.

【0049】また、第2には、レーザ光の反射率を低く
保つことができるビーム入射角が70〜80度であるこ
とから、被加熱管体の管内表面へのレーザ光のビーム入
射角が70〜80度になるような漏斗状レーザ光を出力
できるように設計した円錐レンズを用いるようにするこ
とで、レーザ光のビーム吸収率が高まり、効率の良い加
熱ができるようになると共に、光学系特に被加熱管体へ
のレーザ光出力端となる円錐レンズと被加熱管体の加熱
対象部間の距離を十分離すことができるようになり、こ
のこととレーザ光のビーム吸収率の向上(つまり、反射
レーザ光が少なくなる)ことによって光学系の熱損傷を
防止できるようになる。
Second, since the beam incident angle at which the reflectivity of the laser beam can be kept low is 70 to 80 degrees, the beam incident angle of the laser beam on the inner surface of the tube to be heated is reduced. The use of a conical lens designed to output a funnel-shaped laser beam at 70 to 80 degrees increases the beam absorptance of the laser beam, enables efficient heating, and enables optical heating. In particular, the distance between the conical lens serving as the laser beam output end to the heated tube and the portion to be heated of the heated tube can be sufficiently separated, and this can improve the beam absorptivity of the laser beam ( That is, the amount of reflected laser light is reduced), so that thermal damage to the optical system can be prevented.

【0050】更に、第3には、光学系のレンズ間距離の
組合せを変化させることによって、レーザ光照射による
管内表面加熱幅を可変調整できることから、熱処理条件
に合せて加熱幅を調整して加熱することができるように
なり、信頼性の高い、そして、精度の高い加熱処理が可
能となる。なお、本発明は上述した実施例に限定される
ものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形
して実施し得る。
Thirdly, by changing the combination of the distances between the lenses of the optical system, the width of heating of the inner surface of the tube by laser light irradiation can be variably adjusted. Therefore, the heating width is adjusted according to the heat treatment conditions. And heat treatment with high reliability and high accuracy can be performed. Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented with appropriate modifications without departing from the scope of the invention.

【0051】[0051]

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明によれ
ば、管内表面を加熱するにあたり、レーザ光を1本のレ
ーザビームとして導き、これを円錐レンズによりリング
状にして管内表面に照射するので管内周面をリング状に
均一に加熱できるようになる他、光学系と加熱部管の距
離を離すことができるので、加熱対象部による光学系の
熱的損傷を十分に防止できるようになり、また、管内表
面へのレーザ光のビーム入射角を適正に設定することが
できるので、レーザ光の反射率を低減し、効率良く管を
加熱することができるようになり、更には、レーザ光の
加熱幅を自由に変化させることができるので、必要な加
熱幅を得て的確に加熱することができるようになる等の
効果が得られる。
As described above in detail, according to the present invention, when heating the inner surface of the tube, the laser beam is guided as a single laser beam, which is formed into a ring shape by a conical lens and irradiated onto the inner surface of the tube. As a result, the inner peripheral surface of the tube can be uniformly heated in a ring shape, and the distance between the optical system and the heating unit tube can be increased, so that thermal damage to the optical system due to the heating target part can be sufficiently prevented. In addition, since the beam incident angle of the laser beam on the inner surface of the tube can be set appropriately, the reflectance of the laser beam can be reduced, and the tube can be efficiently heated. Since the heating width of the light can be freely changed, it is possible to obtain the required heating width and achieve an effect such that the heating can be accurately performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例を説明するための図であって、
本発明の第1実施例に係るレーザ装置における加熱ヘッ
ド部(先端光学系)の概略的な構成を示す図。
FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of a heating head unit (tip optical system) in the laser device according to the first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例を説明するための図であって、
本発明の第1実施例に係るレーザ光の入射角と反射率の
関係を示す図。
FIG. 2 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention,
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between an incident angle of a laser beam and a reflectance according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施例を説明するための図であって、
本発明の第1実施例に係る管の軸方向の温度分布図。
FIG. 3 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention,
The temperature distribution figure of the axial direction of the pipe concerning a 1st example of the present invention.

【図4】本発明の実施例を説明するための図であって、
本発明の第1実施例に係る管の周方向の温度分布図。
FIG. 4 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention,
FIG. 4 is a diagram of a temperature distribution in a circumferential direction of the tube according to the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施例を説明するための図であって、
被加熱管ppに対して行った加熱試験の状況を説明する
ための図。
FIG. 5 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention,
The figure for demonstrating the state of the heating test performed with respect to the pipe pp to be heated.

【図6】本発明の実施例を説明するための図であって、
図5に示す状況下において本発明を適用して実施した加
熱試験での加熱時間と加熱温度の関係を示す図。
FIG. 6 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention,
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a heating time and a heating temperature in a heating test performed by applying the present invention under the situation shown in FIG. 5.

【符号の説明】 1…光ファイバ 2…円錐レンズ 2a…円錐ミラー 3…加熱対象部 W…加熱幅 5…光路 6a,6b,6c…凸レンズ 7…凹レンズ 8a,8b…レンズ間距離。[Description of Signs] 1 ... optical fiber 2 ... conical lens 2a ... conical mirror 3 ... part to be heated W ... heating width 5 ... optical path 6a, 6b, 6c ... convex lens 7 ... concave lens 8a, 8b ... distance between lenses.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI G02B 27/09 G02B 27/00 E // B23K 101:06 (72)発明者 藤原 博幸 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 (56)参考文献 特開 平3−170616(JP,A) 特開 平2−47221(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 26/00 - 26/073 C21D 1/34 C21D 9/08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI G02B 27/09 G02B 27/00 E // B23K 101: 06 (72) Inventor Hiroyuki Fujiwara Hirokazu Wadazaki, Hyogo-ku, Hyogo-ku, Kobe-shi, Hyogo Chome 1-1, Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Kobe Shipyard (72) Inventor Takashi Akabane 1-1-1, Wadazaki-cho, Hyogo-ku, Kobe, Hyogo Prefecture Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.Kobe Shipyard (56) References -170616 (JP, A) JP-A-2-47221 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) B23K 26/00-26/073 C21D 1/34 C21D 9/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】レーザ光を環状の被加熱物に導き、この被
加熱物の内周面に照射して加熱を行うレーザ装置におい
て、 レーザ光源よりレーザ光を導く1系統分の可撓性導光手
段と、 この可撓性導光手段により導かれたレーザ光のスポット
径を可変調整する凸レンズおよび凹レンズによるレンズ
光学機構と、 このレンズ光学機構の光軸に光軸を一致させて配され、
該レンズ光学機構によりスポット径を調整されたレーザ
光を漏斗状に光路変換すると共に、被加熱管体の管内表
面へのレーザ光のビーム入射角が70〜80°になる角
度に変換して加熱用レーザ光として出射する円錐レンズ
(アクシコンレンズ)と、 より構成することを特徴とする管状体加熱用のレーザ装
置。
1. A laser device for guiding a laser beam to an annular object to be heated and irradiating the inner peripheral surface of the object to be heated with a flexible device for guiding laser light from a laser light source. A light means, a lens optical mechanism including a convex lens and a concave lens for variably adjusting the spot diameter of the laser light guided by the flexible light guide means, and an optical axis aligned with the optical axis of the lens optical mechanism,
The optical path of the laser beam whose spot diameter is adjusted by the lens optical mechanism is converted into a funnel shape, and the inside of the heated tube is adjusted.
Angle at which the beam incident angle of the laser beam on the surface becomes 70 to 80 °
A conical lens (axicon lens) for converting the laser beam into a laser beam and emitting the laser beam for heating, and a laser device for heating a tubular body.
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