JP3999999B2 - Laser surface processing equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ファイバレーザ光により穴あけまたは表面処理するレーザ表面加工装置に関する。
この発明のレーザ表面加工装置は、薄い金属板(箔)、セラミック板などの穴あけ、および電磁鋼板の磁区制御その他の表面処理に利用される。
【0002】
【従来の技術】
金属、セラミックなどの穴あけまたは表面処理に、CO2レーザ、YAGレーザなどのレーザが広く利用されている。これらレーザは高出力が得られるので、一度で深い穴を加工することができる。
【0003】
しかし、出力が高くなるほどプラズマが発生しやすくなる傾向がある。発生したプラズマはレーザ光を吸収するので、加工部に供給される熱エネルギーが減少し、加工能率が低下する。また、スパッタが多量に発生して加工ノズルが汚れるので、加工ノズルの清掃または取替えが必要となる。さらに、穴あけまたは表面処理で生じた穴の周辺が盛り上がり、あるいは返りが生じ、製品の機能が低下し、また美観を損ねるという加工品質の点でも問題がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、高い加工能率および加工品質で穴あけまたは表面処理することができるレーザ表面加工装置を提供することを課題としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この発明のレーザ表面加工装置は、複数のファイバレーザ発振装置と、レーザ光出力をオン・オフ制御する出力制御装置とを備え、複数のファイバレーザ発振装置に対応する複数の能動光ファイバ若しくは能動光ファイバに接続する複数の受動光ファイバの出力端が接続された複数の加工ノズルに対し一定速度で相対的に移動する電磁鋼板若しくは連続鋳造ロールの表面に穴あけまたは表面処理するレーザ表面加工装置であって、前記加工ノズルが2次元的に、かつ整列して配置されており、前記移動の方向に整列する、同一の加工部への照射回数と同数の加工ノズルからレーザ光を順次周期的に照射して電磁鋼板若しくは連続鋳造ロールの表面の移動方向に等間隔に加工を施し、同一の加工部に複数回レーザ光が照射されるように前記出力制御装置によりファイバレーザを励起する複数の半導体レーザの注入電流を制御して照射周期を制御し、かつ、後段の加工ノズルは前段の加工ノズルからのレーザ光で加工された深さだけ集光点の位置を下げて照射する。
【0006】
上記のように構成されたレーザ表面加工装置は、同一の加工部に複数回に分けてレーザ光を照射するので、1回の照射出力は低くてすむ。この結果、プラズマおよびスパッタの発生を抑えることができる。また、穴あけまたは表面処理で生じた穴の周辺に盛り上がりまたは返りが生じこともない。なお、照射回数は加工条件によって異なるが、2〜数回程度である。
【0007】
上記レーザ表面加工装置においては、前段の光ファイバからのレーザ光で加工された深さだけ後段の光ファイバの出力端の位置を下げて後段の光ファイバを配置するようにしてもよい。これにより、高いエネルギ密度で加工途中の穴底部を照射することができ、加工効率を高めることができる。
【0008】
また、上記レーザ表面加工装置において、コア断面形状が長方形の能動光ファイバ若しくは受動光ファイバを用いるか、コア断面形状が円形の能動光ファイバ若しくは受動光ファイバから出力されたレーザ光を楕円状に集光する集光光学系を用いるようにしてもよい。これにより、表面加工において光ファイバの数を、コア形状が円形の光ファイバを用いる場合に比べて大幅に減らすことができる。楕円状に集光する場合には、凸レンズと円柱レンズとを組み合わせた集光光学系を用いる。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の1実施の形態を示しており、レーザ表面加工装置の模式的概略図である。
【0010】
レーザ表面加工装置は、主として複数のファイバレーザ発振装置10、出力制御装置16および加工ノズル群20からなっている。
【0011】
ファイバレーザ発振装置10は、図1では8個のファイバレーザ発振装置10を例示しているが、加工条件によって数〜数万個が用いられる。ファイバレーザ発振装置10は、励起装置として半導体レーザ発振器14を備えている。半導体レーザ発振器14として、例えばGa−As系半導体レーザ発振器を用いることができる。半導体レーザ発振器14から能動光ファイバ(レーザ発振用光ファイバ)12に励起レーザ光(波長:約0.8μm)を照射すると、能動光ファイバ12でレーザ光(波長:約1.06μm)が発振する。能動光ファイバ12の出力は例えば5Wであり、コア径は50μmである。出力端面に受動光ファイバ(パワー伝送用光ファイバ)を融着により接続し、受動光ファイバで加工ノズル25までレーザ光を伝送するようにしてもよい。
【0012】
出力制御装置16は制御コンピュータからなり、インターフェース(図示しない)を介して半導体レーザ発振器14に接続されている。出力制御装置16は、各ファイバレーザ発振装置10ごとに半導体レーザ発振器の注入電流を制御する。注入電流がしきい値を超えるとファイバレーザ発振装置10は発振し、以下となると発振停止し、レーザ光出力はオン・オフ制御される。光ファイバ列21、22、23は、加工条件によってあらかじめ照射周波数が設定されている。
【0013】
加工ノズル群20は、加工物1の移動方向(縦方向)に間隔dをおいて配置された加工ノズル列21、22、23の3列から構成されている。加工ノズル列21、22、23は、移動方向にに対し直角方向(横方向)に8個の加工ノズル25が並んでいる。加工ノズル21、22、23は、光ファイバ12の先端部を光軸を揃えて保持している。図1では簡便のために、第1加工ノズル列21だけに光ファイバ12の接続を示している。光ファイバ12の出力端は、加工部の位置に面して配置されている。加工部の縦方向の間隔はdLである。
【0014】
上記のように構成したレーザ表面加工装置において、加工物1を一定速度Vで送りながら、あらかじめ設定した周波数でレーザ光をオン・オフする。図2のタイムチャートに示すように、第1加工ノズル列21、22、23はすべて同じ周波数V/dLでオン・オフされる。そして、第2加工ノズル列22は第1加工ノズル列21よりd/Vだけ遅れて、また第3加工ノズル列23は2d/Vだけ遅れてオン・オフされる。したがって、1つの加工部は3回照射されることになる。第2加工ノズル列22では、第1加工ノズル列21で加工された深さだけ、集光点の位置を下げて照射される。第3加工ノズル列23も同様に集光点の位置が下げて照射される。各光ファイバ12から出力されるパワーは、1回で照射する場合の約1/3以下の大きさである。
【0015】
なお、光ファイバを1次元的に配置する場合は、加工物の移動方向に沿って所定の間隔をおいて1列に配置する。また、光ファイバの出力端を熱影響などで加工物面に近づけて配置できない場合には、出力端を加工物面から離し、出力端と加工物との間に集光レンズを配置する。
【0016】
【実施例】
(実施例1)
電磁鋼板(板幅60mm)に、板幅方向に深さ15μm、直径0.1mmの穴を圧延方向にdL=3mmピッチで鋼板両面に加工することにより耐熱性を持った電磁鋼板の磁区制御に本発明を適用する。
【0017】
実施形態は、コア直径は50μmの光ファイバを加工ノズルあたり600本、長手方向に間隔d=3mmで3列配置した。鋼板の移動速度Vは、180mpm(3m/s=3,000mm/s)とした。光ファイバの出力周波数は、上記速度Vおよび加工間隔dLから1kHzとした。上記加工条件で光ファイバ1本当りの必要エネルギーは約5mJとなる。これにより、光ファイバ1本当りのピーク出力は1000Wで5μs照射するので、動作時の光ファイバ1本当りの平均出力は、5Wであった。
【0018】
3回に分割してレーザ照射することにより、電磁鋼板表面に深さ15μm、直径0.1mmの目的の寸法に、また1回で加工した場合に生じる返りや溶融突起のない品質の高い穴加工が実現できた。これにより、ブラッシング等の後処理を必要としない耐熱性を持った磁区制御電磁鋼板が得られた。
【0019】
この実施例では、ファイバコア断面形状が円形のものを用いたが、長方形断面の光ファイバあるいは、円形断面から出力されたレーザ光を楕円状に集光して用いてもよい。これにより板幅方向のファイバ本数を大幅に減らすことができる。
【0020】
(実施例2)
連続鋳造ロール(直径2m、幅1m)表面に、深さ80μm、直径0.18mmの穴を縦横dL=0.25mmピッチに加工することにより、連続鋳造される鋼板表面に割れやむらのない連続鋳造鋼板製造に本発明を適用する。
【0021】
実施形態は、コア直径は100μmの光ファイバを加工ノズル1列あたり1本、長手方向に間隔d=0.25mmで3列配置した。ロールの回転速度Vは、12rpm(線速=1.26m/s)で、加工ノズルは、ロールの胴長と並行に速度50μm/s(=50×10-6m/s)で移動する。光ファイバの出力周波数は、上記速度Vおよび加工間隔dLから5040Hzとした。上記加工条件で光ファイバ1本当りの必要エネルギーは約25mJとなる。これにより、光ファイバ1本当りのピーク出力は1000Wで5μs照射するので、動作時の光ファイバ1本当りの平均出力は、126Wであった。ロール表面全体に0.25mmピッチの加工を行うのに約20000s(=5時間33分20秒)で完了する。
【0022】
3回に分割してレーザ照射することにより、ロール表面に深さ80μm、直径0.18mmの目的の寸法にばらつきの少ない品質の高い穴加工ができ、また1回で加工した場合に生じる返りや溶融突起がない穴加工が実現できた。これにより、ブラッシング等の後処理を必要としないので、生産効率が向上するとともに品質の高い鋼板製造が可能となる。
【0023】
(実施例3)
電磁鋼板(板幅60mm)に、板幅方向に深さ0.01mm、幅0.05mmの溶融再凝固層を圧延方向にdL=3mmピッチで鋼板両面に加工することにより耐熱性を持った電磁鋼板の磁区制御に本発明を適用する。
【0024】
実施形態は、コア直径は50μm×200μmの光ファイバを加工ノズル1列あたり150本、長手方向に間隔dを1mmで3列配置した。鋼板の移動速度Vは、180mpm(3m/s=3,000mm/s)とした。光ファイバの出力周波数は、上記速度Vおよび加工間隔dLから1kHzとした。上記加工条件で光ファイバ1本当りの必要エネルギーは約5mJとなる。これにより、光ファイバ1本当りのピーク出力は1000Wで5μs照射するので、動作時の光ファイバ1本当りの平均出力は、5Wであった。
【0025】
3回に分割してレーザ照射することにより、電磁鋼板表面に深さ10μm、幅0.05mm、長さ0.2mmの目的の寸法に、また1回で加工した場合に生じる返りや溶融突起のない品質の高い溶融再凝固層加工が実現できた。これにより、ブラッシング等の後処理を必要としない耐熱性を持った磁区制御電磁鋼板が得られた。
【0026】
この実施例では、ファイバコア断面形状が長方形断面の光ファイバを用いたが、円形断面から出力されたレーザ光を楕円状に集光して用いてもよい。
【0027】
【発明の効果】
この発明のレーザ表面加工装置では、同一の加工部に複数回に分けてレーザ光を照射するので、1回の照射出力は低くてすむ。この結果、プラズマおよびスパッタの発生を抑えることができる。また、穴あけまたは表面処理で生じた穴の周辺に盛り上がりまたは返りが生じることもない。この結果、高い加工能率および加工品質で表面加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のレーザ表面加工装置の模式的概略図である。
【図2】上記装置において、加工ノズル列のレーザ光照射のタイムチャートである。
【符号の説明】
1 加工物 19 ファイバレーザ発振装置
12 光ファイバ 14 半導体レーザ発振器
16 出力制御装置 20 加工ノズル群
21、22、23 加工ノズル列
25 加工ノズル
dL 加工間隔 d 加工ノズル列間隔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser surface processing apparatus for drilling or surface-treating with a fiber laser beam.
The laser surface processing apparatus of the present invention is used for drilling a thin metal plate (foil), a ceramic plate or the like, and for controlling the magnetic domain of an electromagnetic steel sheet and other surface treatments.
[0002]
[Prior art]
Lasers such as a CO2 laser and a YAG laser are widely used for drilling or surface treatment of metals and ceramics. Since these lasers provide high output, deep holes can be machined at once.
[0003]
However, the higher the output, the more easily plasma is generated. Since the generated plasma absorbs the laser beam, the thermal energy supplied to the processing portion decreases, and the processing efficiency decreases. Further, since a large amount of spatter is generated and the processing nozzle becomes dirty, it is necessary to clean or replace the processing nozzle. Furthermore, there is a problem in terms of processing quality in that the periphery of the hole generated by drilling or surface treatment is raised or returned, the function of the product is lowered, and the appearance is impaired.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a laser surface processing apparatus capable of drilling or surface-treating with high processing efficiency and processing quality.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The laser surface processing apparatus according to the present invention includes a plurality of fiber laser oscillation devices and an output control device for controlling on / off of the laser light output, and a plurality of active optical fibers or active lights corresponding to the plurality of fiber laser oscillation devices. A laser surface processing device that drills or surface-treats the surface of a magnetic steel sheet or continuous casting roll that moves relative to a plurality of processing nozzles connected to the output ends of a plurality of passive optical fibers connected to the fiber at a constant speed. The processing nozzles are arranged two-dimensionally and aligned, and laser beams are sequentially and sequentially emitted from the same number of processing nozzles as the number of times of irradiation to the same processing unit aligned in the direction of movement. Then, the output is performed so that processing is performed at equal intervals in the moving direction of the surface of the electromagnetic steel sheet or continuous casting roll, and the same processed part is irradiated with laser light a plurality of times. By controlling the injection current of a plurality of semiconductor lasers for exciting the fiber laser by control unit controls the irradiation period, and the subsequent processing nozzle is a depth that is processed by the laser beam from the preceding processing nozzle focal point Lower the position of and irradiate.
[0006]
The laser surface processing apparatus configured as described above irradiates the same processed portion with a plurality of times of laser light, so that the output of one irradiation can be low. As a result, generation of plasma and sputtering can be suppressed. Further, there is no swell or return around the hole produced by drilling or surface treatment. In addition, although the frequency | count of irradiation changes with process conditions, it is about 2 to several times.
[0007]
In the laser surface processing apparatus, the rear optical fiber may be disposed by lowering the position of the output end of the rear optical fiber by the depth processed by the laser light from the front optical fiber. Thereby, the hole bottom part in the middle of processing can be irradiated with high energy density, and processing efficiency can be improved.
[0008]
In the laser surface processing apparatus, an active optical fiber or a passive optical fiber having a rectangular core cross section is used, or laser beams output from an active optical fiber or a passive optical fiber having a circular core cross section are collected in an elliptical shape. A condensing optical system that emits light may be used. Thereby, the number of optical fibers in surface processing can be significantly reduced compared with the case where an optical fiber with a circular core shape is used. When condensing in an elliptical shape, a condensing optical system that combines a convex lens and a cylindrical lens is used.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention and is a schematic diagram of a laser surface processing apparatus.
[0010]
The laser surface processing apparatus mainly includes a plurality of fiber
[0011]
1 illustrates eight
[0012]
The
[0013]
The
[0014]
In the laser surface processing apparatus configured as described above, the laser beam is turned on / off at a preset frequency while feeding the workpiece 1 at a constant speed V. As shown in the time chart of FIG. 2, the first
[0015]
When the optical fibers are arranged one-dimensionally, they are arranged in a line at a predetermined interval along the moving direction of the workpiece. If the output end of the optical fiber cannot be placed close to the workpiece surface due to heat or the like, the output end is separated from the workpiece surface, and a condenser lens is arranged between the output end and the workpiece.
[0016]
【Example】
Example 1
For magnetic domain control of magnetic steel sheets with heat resistance by machining holes with a depth of 15μm in the plate width direction and a diameter of 0.1mm on both sides of the steel sheet at a pitch of dL = 3mm in the rolling direction on an electromagnetic steel sheet (plate width 60mm) The present invention is applied.
[0017]
In the embodiment, 600 optical fibers having a core diameter of 50 μm are arranged in three rows with a distance d = 3 mm in the longitudinal direction at 600 per processing nozzle. The moving speed V of the steel plate was 180 mpm (3 m / s = 3,000 mm / s). The output frequency of the optical fiber was set to 1 kHz from the speed V and the processing interval dL. Under the above processing conditions, the required energy per optical fiber is about 5 mJ. As a result, the peak output per optical fiber is 1000 W and irradiation is performed for 5 μs, so the average output per optical fiber during operation is 5 W.
[0018]
By irradiating with laser divided into 3 times, high-quality hole processing without fluctuating and melting protrusions that occur when processing to the target dimensions of 15μm in depth and 0.1mm in diameter on the surface of magnetic steel sheet. Was realized. As a result, a magnetic domain control electrical steel sheet having heat resistance that does not require post-treatment such as brushing was obtained.
[0019]
In this embodiment, a fiber core having a circular cross-sectional shape is used. However, an optical fiber having a rectangular cross section or laser light output from a circular cross section may be condensed into an elliptical shape. As a result, the number of fibers in the plate width direction can be greatly reduced.
[0020]
(Example 2)
By continuously drilling holes with a depth of 80 μm and a diameter of 0.18 mm on the surface of a continuous casting roll (diameter: 2 m, width: 1 m) at a vertical and horizontal dL = 0.25 mm pitch, there is no continuous cracking or unevenness on the continuously cast steel plate surface. The present invention is applied to the production of cast steel sheets.
[0021]
In the embodiment, one optical fiber having a core diameter of 100 μm is arranged in one row per processing nozzle, and three rows are arranged in the longitudinal direction at an interval d = 0.25 mm. The rotation speed V of the roll is 12 rpm (linear speed = 1.26 m / s), and the machining nozzle moves at a speed of 50 μm / s (= 50 × 10 −6 m / s) in parallel with the body length of the roll. The output frequency of the optical fiber was 5040 Hz from the speed V and the processing interval dL. Under the above processing conditions, the required energy per optical fiber is about 25 mJ. As a result, the peak output per optical fiber is 1000 W and irradiation is performed for 5 μs, so the average output per optical fiber during operation is 126 W. It takes about 20,000 s (= 5 hours 33
[0022]
By irradiating with laser divided into three times, high-quality hole processing with a small variation in the target dimensions of 80 μm depth and diameter of 0.18 mm can be made on the roll surface. Drilling without melting protrusions was realized. Thereby, since post-processing such as brushing is not required, the production efficiency is improved and a high-quality steel sheet can be manufactured.
[0023]
(Example 3)
Electromagnetic steel with heat resistance by machining a melt-resolidified layer with a depth of 0.01mm in the plate width direction and a width of 0.05mm on both sides of the steel plate (dL = 3mm pitch) in the rolling direction. The present invention is applied to the magnetic domain control of a steel plate.
[0024]
In the embodiment, 150 optical fibers each having a core diameter of 50 μm × 200 μm are arranged in 150 rows per row of processing nozzles, and three rows are arranged at a distance d of 1 mm in the longitudinal direction. The moving speed V of the steel plate was 180 mpm (3 m / s = 3,000 mm / s). The output frequency of the optical fiber was set to 1 kHz from the speed V and the processing interval dL. Under the above processing conditions, the required energy per optical fiber is about 5 mJ. As a result, the peak output per optical fiber is 1000 W and irradiation is performed for 5 μs, so the average output per optical fiber during operation is 5 W.
[0025]
By irradiating with laser divided into three times, the surface of the magnetic steel sheet has a depth of 10 μm, a width of 0.05 mm, and a length of 0.2 mm. High quality melt resolidification layer processing was realized. As a result, a magnetic domain control electrical steel sheet having heat resistance that does not require post-treatment such as brushing was obtained.
[0026]
In this embodiment, an optical fiber having a rectangular fiber core cross-sectional shape is used, but laser light output from a circular cross-section may be condensed into an elliptical shape and used.
[0027]
【The invention's effect】
In the laser surface processing apparatus according to the present invention, the same processed portion is irradiated with laser light in a plurality of times, so that the output of one irradiation can be reduced. As a result, generation of plasma and sputtering can be suppressed. Further, there is no swell or return around the hole generated by drilling or surface treatment. As a result, surface processing can be performed with high processing efficiency and processing quality.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a laser surface processing apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a time chart of laser beam irradiation of a machining nozzle row in the apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Workpiece 19 Fiber
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