JP6367194B2 - レーザビームを用いた被加工物の加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを用いて被加工物を加工する装置、特に溶接装置に関する。

レーザビームを用いた被加工物の加工（穿孔、切断、溶接）は多くの利点に結びついており、それらの利点には、とりわけ他の加工方法に比べて熱流入が少ないこと、ならびにアクセス困難な個所での加工が可能で、複雑な接合輪郭を有する溶接継ぎ目の生成が可能であることが含まれる。しかし、電子、医療又は装飾工業における、例えば銅又はアルミニウムのような高反射性の被加工物やその他の高反射性材料の加工は厄介である。

従って、本発明の課題は、とりわけ高反射性の被加工物、特に高反射性の金属被加工物を加工するのに適した、レーザビームを用いて被加工物を加工する装置を提供することにある。

上記課題は、本発明によれば請求項１の特徴事項を有する装置により解決される。これらの特徴事項によれば、レーザビームを用いて被加工物を加工する装置、とりわけ高反射性の被加工物を加工する装置は、１ｎｍよりも小さい帯域幅を有するパルス化された１次レーザビームを生成するレーザビーム源としてファイバレーザを含む。

ファイバレーザは、直線偏光された１次レーザビームを生成することが好ましい。

特に、レーザビームはシングルモード又は低モードファイバレーザである。

本発明の他の実施形態ではファイバレーザが準連続発振（ｑｃｗ）ファイバレーザである。

１次レーザビームのビーム通路中に、少なくとも１つの周波数逓倍された２次レーザビームを生成するための周波数逓倍器モジュールが配置されているならば、高反射性の被加工物の場合に、吸収が改善され、かつ加工品質および再現性が著しく改善される。

加工ジオメトリ（例えば溶接深さ）に合わせて総放射エネルギーを調整し、特に溶接時に飛沫形成を抑制するために、周波数逓倍器モジュールから出射するレーザビームのビーム通路内に調整モジュールが配置されており、この調整モジュールは、１つまたは複数の２次レーザビームの強度に対して相対的に、残っている１次レーザビーム、即ち周波数逓倍器モジュールにおいて逓倍された周波数を有するレーザビームに変換されない１次レーザビームの強度を調整することを可能にする。

本発明の他の有利な実施形態では、周波数逓倍器モジュールに円偏光子が後続接続されている。このようにして、直線偏光されたレーザビームの偏光方向への被加工物の吸収特性の依存性によって生じ得る作用を回避することができる。

他の有利な実施形態では、レーザビームを案内するために１つ又は複数の搬送ファイバが設けられ、全ての搬送ファイバが１５μｍよりも大きいコア直径を有する。このような搬送ファイバによりレーザビームの結合が容易になる。さらに、ビーム品質が維持されたままで、非線形作用が抑制される。

特に、本装置は、コリメータ装置と、偏向光学系と、被加工物にレーザビームを集束するフォーカス光学系とを含む加工ヘッドを有する。

レーザビームのビーム通路内にある複数の光学的な構成要素が石英ガラスから成るとよい。

本発明の他の好ましい実施形態では、被加工物から軸方向に出射する放射を取り出して検出するための装置が設けられている。

このために、第１の実施形態における固定又は可動の偏向光学系が偏向ミラーを含み、その偏向ミラーは１次レーザビームおよび１つ又は複数の２次レーザビームに対して狭帯域で高反射性であり、かつ被加工物から出射するプラズマ放射および熱放射に対して透過性である。

その代わりに、他の好ましい実施形態では、被加工物から軸方向に出射する放射をファイバ光学式のビームスプリッタを介して搬送ファイバから取り出すことができる。

被加工物から出射する放射を信号処理ユニットにおいて分析し、この分析に基づいて加工プロセスを制御するための制御信号を生成するならば、加工品質を監視して、加工に使用されるレーザビームを調整することにより、加工品質を著しく改善することができる。被加工物から出射するこの放射は、反射されたレーザ放射、加工ゾーンでのレーザ放射から出射する熱放射、又は加工ゾーンで形成されるプラズマから出射するプラズマ放射であり、特に単一パルスの波形と同様に、被加工物から出射する放射のパルス列の波形も分析に利用される。

本発明をさらに詳細に説明するために図面を参照する。

図１は本発明による装置の実施例を概略的に示す。

この図によれば、本装置は、ファイバレーザ１、とりわけ近赤外線帯域（１〜２μｍ）内の放射を有するｑｃｗ（準連続発振）ファイバレーザ又は変調されたｃｗ（連続発振）ファイバレーザを含み、そのファイバレーザは、シングルモード（singlemode）又は低モード数を有するマルチモード（multimode）で存在する準連続性の、好ましくは直線偏光された１次レーザビームＬ₁を生成するように構成されており、その１次レーザビームは１ｎｍよりも小さい帯域幅を有し、そのレーザビームのパルス時間は１０μｓと５０ｍｓとの間にある。ファイバレーザ１は、単一パルスで動作させられてもよいし、１００ｋＨｚまでのパルス周波数で動作させられてもよい。さらに、有利な実施形態では、光学ポンピングに使用されるポンピングダイオードの適切な制御によって、ファイバレーザ１により生成されるパルス又はパルス列の成形が可能である。ファイバレーザ１の制御は制御ユニット２により行われる。

ガウス状の横断面輪郭を有する１次レーザビームＬ₁が、好ましくは偏光を維持する第１の搬送ファイバ３と第１の視準光学系４とを介して、周波数逓倍器５内に入射させられる。その周波数逓倍器５は、フォーカス光学系６ａと第２の視準光学系６ｂとの間に配置された非線形結晶７、例えばＫＴＰ結晶又はＬＢＯ結晶を含む。搬送ファイバ３は十分に短いので、搬送ファイバ内で非線形光学作用により引き起こされる帯域幅増大を大幅に回避して、帯域幅を１ｎｍ以下に制限することができる。第１の搬送ファイバ３は、１５ｎｍよりも大きいコア直径を有するＬサイズコアシングルモードファイバ又は低モードファイバであることが好ましい。

非線形結晶７の温度安定化にサーモスタット装置８が使用されている。付加的に、周波数逓倍器モジュール５内に入射した１次レーザビームＬ₁の強度に相当する測定値が、センサ装置９により測定され、ファイバレーザ１の監視および制御のために制御ユニット２に供給される。

代替実施形態では、周波数逓倍器モジュール５が、第１の搬送ファイバ３の介在なしにファイバレーザ１の出力端の直後に取り付けられる。

周波数逓倍器モジュール５から出射するレーザビームＬは、残っている（通常、周波数逓倍効率＜５０％）周波数ωを有する１次レーザビームＬ₁’と、周波数２ω又は３ωを有する周波数逓倍された２次レーザビームＬ₂とから成る。１次レーザビームＬ₁’および２次レーザビームＬ₂は、光学調整モジュール１０を介して案内され、その光学調整モジュール１０により、残っている１次レーザビームＬ₁’と２次レーザビームＬ₂との間の強度比を調整することができる。このために使用される光学調整モジュール１０は、例えば残っている１次レーザビームＬ₁’に対する遮断フィルタとして用いられる段階フィルタであり、１次レーザビームＬ₁’に対するその段階フィルタの透過度は、通常１０〜１００％の間で自動調整可能である。この遮断フィルタは同時に２次レーザビームＬ₂を透過させる。光学調整モジュール１０によって透過させられない、即ち反射された１次レーザビームは吸収器１１内に案内される。

代替実施形態では、光学調整モジュール１０が、残っている１次レーザビームＬ₁’の一部を調整可能に吸収器１１に導入する波長選択性の電気光学素子又は音響光学素子を含む。

光学調整モジュール１０から出射する、残りの１次レーザビームＬ₁”と２次レーザビームＬ₂とから成るレーザビームＬは、偏光に依存しない光アイソレータ１３およびフォーカス光学系１４を介して、加工ヘッド１５に通じている第２の搬送ファイバ１６内に入射させられ、この第２の搬送ファイバ１６から、加工ヘッド１５内又はそれに近接して配置されたコリメータ装置１７、第１のビーム成形装置１８および円偏光子（λ／４板）１２の中へ出射される。

光アイソレータ１３は、主として反射された１次レーザ放射である被加工物から反射されたレーザ放射を、これがファイバレーザ１の動作の妨げにならないように、低減するために使用される。

第２の搬送ファイバ１６は、通常１５μｍよりも大きいコア直径を有するラージコアシングルモードファイバ又は低モードファイバである。この搬送ファイバ１６の特性は、その出口側で（特に、残りの１次レーザビームＬ₀”において）元のガウス輪郭から、他のビーム輪郭、例えばトップハット輪郭又はドーナツ輪郭が生じるように選ばれるとよい。

代替実施形態では、搬送ファイバ１６において元のビーム輪郭が維持されたままで、第２の搬送ファイバ１６の出口側において第１のビーム成形装置１８により、加工ゾーンのできるだけ均一な加熱を保証するべく、強度輪郭の形状、例えばドーナツ輪郭、トップハット輪郭又は他のガウス輪郭が調整される。

加工ヘッド１５内に配置された第２のビーム成形装置１９により、残りの１次レーザビームＬ₁”および２次レーザビームＬ₂の直径を変化させることができる。両ビーム成形装置１８および１９が１つのユニットを構成してもよい。

このようにして成形されたレーザビームＬ（Ｌ”およびＬ₂）は、偏向光学系２０を介して、レーザビームＬを被加工物２２に焦束させるフォーカス光学系２１に達する。偏向光学系２０は、ビームを横方向に（被加工物表面に平行に）偏向するためのミラー装置、例えば２Ｄ又は３Ｄスキャナを有し、あるいはそれに代わり図示の実施形態では固定的に組み込まれた波長選択性かつ空間選択性の偏向ミラー２３を有する。この偏向ミラー２３は、一方ではレーザビームＬを被加工物２２へ案内し、他方では被加工物２２のレーザ加工時に発生する軸方向の放射Ｒ_a、即ち被加工物２２に入射するレーザビームＬとは逆方向に溶接個所から出射する放射Ｒ_aを透過させる。その放射Ｒ_aの強度が、波長選択性かつ空間選択性の偏向ミラー２３を通り抜けた後にセンサ２４により検出される。偏向ミラー２３の空間的な選択特性は、偏向ミラー２３がレーザビームＬの波長に関して限定された範囲内での反射性であり、この範囲外では透過性であることにある。この場合に、被加工物２２から出射する放射Ｒ_aのアパーチャが偏向ミラー２３上でのレーザビームＬのアパーチャよりも大きいことが利用されるので、偏向ミラー２３はこの範囲内でのみ反射性でなければならない。偏向ミラー２３およびセンサ２４は、このようにして、被加工物２２から軸方向に出射する放射を取り出して検出するための装置を構成する。

他のセンサ２５において、付加的に、加工個所から出射する非軸方向の光放射Ｒ_naが検出される。センサ２４，２５によって検出された測定信号は信号処理ユニット２６に導入される。信号処理ユニット２６では、測定信号から、ファイバレーザ１を制御する制御ユニット２のための制御信号が生成される。

図示の実施形態の代わりに、光学信号Ｒ_a，Ｒ_naを先ず光案内ファイバに入射させて、センサ２４，２５が組み込まれている信号処理ユニット２６に搬送してもよい

センサ２４，２５によって生成された測定信号により、加工プロセスを監視し、信号処理ユニット２６を介して加工プロセスを制御することができる。

特に有利な実施形態では、固定又は可動の偏向光学系が波長選択性かつ空間選択性の偏向ミラー２３を含まず、従って加工個所から軸方向に出射する例えば反射レーザビーム、プラズマ放射又は熱放射のような放射が再び搬送ファイバ１６のコアおよび被覆中に入射する。この実施形態では、被加工物２２から戻る放射が、搬送ファイバ１６内のファイバ光学式のビームスプリッタ２７により分離されて、信号処理ユニット２６内でさらに分析される。

さらに、図にはモニタ２８が例示されており、そのモニタには加工個所から出射した放射のうちの１つのパルス２９ａが示されている。このようなパルス２９ａの波形からパルス期間中の加工個所の動的な吸収特性に関する情報を導き出すことができる。というのは金属における吸収は温度依存性であるからである。この情報は、後で加工プロセスの制御に使用することができる。

さらに図には、同様にモニタ２８上で再生可能であるパルス列２９ｂが示されている。このようなパルス列２９ｂのパルス２９ａの相対特性から、被加工物における加工中の表面変化やジオメトリ変化など、被加工物２２における局所的変化を検出することができる。これは、例えば溶接の場合、溶接個所における飛沫や望ましくない穴のような溶接欠陥であり得る。これらの分析可能性は、逆に成功したレーザビームによる穿孔および切断を認識する場合にも役立つ。

他の実施形態では、光アイソレータ１３が取り除かれた場合に、レーザ側の搬送ファイバ３においても、又はファイバレーザ１自体の中においても、ファイバ光学式のビームスプリッタを介して、第２の搬送ファイバ１６へ戻される放射を取り出して、分析およびプロセス制御に供することができる。

本発明による装置は、特に電子、医療又は装飾工業における銅、アルミニウム又は他の高反射材料のレーザ加工に適している。

本発明を細部において好ましい実施例によって詳しく図解して説明したが、本発明は開示した例に限定されず、これからその他の変形を当業者によって、本発明の保護範囲を逸脱することなく導き出すことができる。

１ ファイバレーザ
２ 制御ユニット
３ 搬送ファイバ
４ 視準光学系
５ 周波数逓倍器
６ａ フォーカス光学系
６ｂ 視準光学系
７ 非線形結晶
８ サーモスタット装置
９ センサ装置
１０ 光学調整モジュール
１１ 吸収器
１２ 円偏光子
１３ 光アイソレータ
１４ フォーカス光学系
１５ 加工ヘッド
１６ 搬送ファイバ
１７ コリメータ装置
１８ ビーム成形装置
１９ ビーム成形装置
２０ 偏向光学系
２１ フォーカス光学系
２２ 被加工物
２３ 偏向ミラー
２４ センサ
２５ センサ
２６ 信号処理ユニット
２７ ビームスプリッタ
２８ モニタ
２９ａ パルス
２９ｂ パルス列

Claims (8)

1. レーザビーム（Ｌ）を用いて被加工物（２２）を加工する装置であって、１ｎｍよりも小さい帯域幅を有するパルス化された１次レーザビーム（Ｌ１）を生成するためのレーザビーム源としてファイバレーザ（１）を有し、前記１次レーザビーム（Ｌ_１）のビーム通路内に、周波数逓倍された２次レーザビーム（Ｌ_２）を生成するための周波数逓倍器モジュール（５）が配置され、前記周波数逓倍器モジュール（５）から出射するレーザビーム（Ｌ_１’，Ｌ_２）のビーム通路内に光学調整モジュール（１０）が配置されていて、その光学調整モジュール（１０）により１次レーザビーム（Ｌ_１”）の強度が２次レーザビーム（Ｌ_２）の強度に対して相対的に調整可能であり、
   また、コリメータ装置（１７）と、偏向光学系（２０）と、被加工物（２２）にレーザビーム（Ｌ _１ ”，Ｌ _２ ）を集束するためのフォーカス光学系（２１）とを含む加工ヘッド（１５）を有し、さらに、前記被加工物（２２）から軸方向に出射する放射を取り出して検出するための装置を有し、前記偏向光学系（２０）が偏向ミラー（２３）を含み、その偏向ミラー（２３）が１次レーザビームおよび２次レーザビームに対して狭帯域で高反射性であり、かつ被加工物（２２）から出射するプラズマ放射および熱放射に対して透過性である装置。
2. レーザビーム（Ｌ）を用いて被加工物（２２）を加工する装置であって、１ｎｍよりも小さい帯域幅を有するパルス化された１次レーザビーム（Ｌ１）を生成するためのレーザビーム源としてファイバレーザ（１）を有し、前記１次レーザビーム（Ｌ_１）のビーム通路内に、周波数逓倍された２次レーザビーム（Ｌ_２）を生成するための周波数逓倍器モジュール（５）が配置され、前記周波数逓倍器モジュール（５）から出射するレーザビーム（Ｌ_１’，Ｌ_２）のビーム通路内に光学調整モジュール（１０）が配置されていて、その光学調整モジュール（１０）により１次レーザビーム（Ｌ_１”）の強度が２次レーザビーム（Ｌ_２）の強度に対して相対的に調整可能であり、
   また、前記レーザビーム（Ｌ _１ ，Ｌ _１ ’，Ｌ _１ ”，Ｌ _２ ）を案内するための１つ又は複数の搬送ファイバ（３，１６）を有し、全ての搬送ファイバ（３，１６）が１５μｍよりも大きいコア直径を有し、さらに、コリメータ装置（１７）と、偏向光学系（２０）と、被加工物（２２）にレーザビーム（Ｌ _１ ”，Ｌ _２ ）を集束するためのフォーカス光学系（２１）とを含む加工ヘッド（１５）を有し、また、前記被加工物（２２）から軸方向に出射する放射を取り出して検出するための装置を有し、かつ、前記被加工物（２２）から軸方向に出射する放射（Ｒ _ａ ）がファイバ光学式のビームスプリッタ（２７）を介して前記搬送ファイバ（３，１６）から取り出される装置。
3. 前記１次レーザビーム（Ｌ_１）が直線偏光されている請求項１または２記載の装置。
4. 前記ファイバレーザ（１）がシングルモードファイバレーザ又は低モードファイバレーザである請求項１乃至３のいずれか１つに記載の装置。
5. 前記ファイバレーザ（１）が準連続発振（ｑｃｗ）ファイバレーザである請求項１乃至４のいずれか１つに記載の装置。
6. 前記周波数逓倍器モジュール（５）に円偏光子（１２）が後続接続されている請求項１乃至５のいずれか１つに記載の装置。
7. 前記レーザビーム（Ｌ_１”，Ｌ_２）のビーム通路内にある複数の光学的な構成要素が石英ガラスから成る請求項１乃至６のいずれか１つに記載の装置。
8. 被加工物（２２）から加工中に出射する放射（Ｒ_ａ，Ｒ_ｎａ）のパルス波形またはパルス列の変化および時間的経過を分析し、この分析に基づいて加工プロセスを制御するための制御信号を生成する信号処理ユニット（２６）を有する請求項１又は２に記載の装置。

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