CN106536122B - 激光加工系统以及激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本公开的激光加工系统具有：激光振荡器(2)、激光加工头(3)和反射单元(4)。激光振荡器(2)输出激光(1)。激光加工头(3)通过第1光学部件来对激光(1)进行聚光并射出。反射单元(4)具有对从激光加工头(3)射出的激光(1)进行反射的反射部件，将由反射部件反射的激光(1)照射到工件(8)。

Description

激光加工系统以及激光加工方法

技术领域

本公开涉及激光加工系统以及激光加工方法，特别地，涉及使从激光加工头射出的激光反射来对工件进行加工的激光加工系统以及激光加工方法。

背景技术

在使用了激光的工件的加工(以下，激光加工)中，激光的聚光点即焦点很重要。其原因在于，激光在焦点处的能量密度最高，因此在切断、焊接等加工中，在能够高效地进行加工的焦点进行加工。因此，在激光加工中，需要恒定地保持根据聚光透镜等光学系统而决定的激光的焦距。若激光的焦距不恒定，则照射到工件的激光的能量密度变化，因此加工的状态存在差别，不能进行适当的加工。进一步地，为了进行适当的加工，在恒定地保持激光的焦距的基础上，也需要恒定地保持激光加工头与工件的距离(工件距离)。

进一步地，在激光加工中，激光向工件的照射角度很重要。例如，在激光焊接的情况下，若激光的照射角度不当，则向工件的熔化变浅，被加工的工件的强度变得不充分。激光向工件的照射角度最好从工件的加工面的垂直方向起为±10°以内。

通过以上的理由，以往进行了适当地保持工件距离、激光的照射角度的组合。

专利文献1中记载了以下的激光加工机：通过对被加工物的姿势进行控制的3轴定位器装置，控制被加工物的姿势，以使得被加工物的加工面相对于激光垂直。

此外，专利文献2中记载了以下的激光焊接装置：将1台激光振荡器的光束分配给多台焊接机。使用图7来对专利文献2所述的激光焊接装置进行说明。如图7所示，在现有的激光焊接装置中，在从激光振荡器101射出的光束102的光轴上，设置能够通过多个选择反射镜驱动构件106、107、108而进退自由的多个选择反射镜103、104、105。此外，选择反射镜驱动构件106～108与选择反射镜控制装置113连接，选择反射镜控制装置113根据来自焊接机A～D(未图示)的动作状况信号109、110、111、112，控制选择反射镜驱动构件106～108。

例如，如图7所示，在将光束引导至焊接机B的情况下，选择反射镜控制装置113驱动选择反射镜驱动构件107，将选择反射镜104配置在光束102的光轴上。由此，光束102被选择反射镜104反射，并引导至焊接机B。同样地，在将光束102引导至焊接机A的情况下，选择反射镜控制装置113驱动选择反射镜驱动构件106，将选择反射镜103配置在光束102的光轴上。同样地，在将光束102引导至焊接机C的情况下，选择反射镜控制装置113驱动选择反射镜驱动构件108，将选择反射镜105配置在光束102的光轴上。此外，在将光束102引导至焊接机D的情况下，选择反射镜控制装置113不驱动选择反射镜驱动构件106～108，光束102前进并引导至焊接机D。

这样，由于能够将激光振荡器101的光束102分配给多个焊接机A～D，因此能够大幅度地减少激光振荡器101占据激光焊接装置的比例。此外，由于跳过了在焊接机A～D之内等待索引的情况，从而对焊接使用状态的机器依次利用来自激光振荡器101的光束102，因此能够最大限度地利用1台激光振荡器101的全部能量。此外，由于选择反射镜103～105在不改变反射角的情况下使其移动，因此在选择时不会出现选择反射镜103～105的停止精度的影响。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3955491号公报

专利文献2：日本特开昭60-6292号公报

发明内容

但是，专利文献1所述的激光加工机限定于3轴定位器装置的性能，因此不能用于大型的工件。此外，专利文献2所述的激光焊接装置需要多个选择反射镜、多个选择反射镜驱动构件、并且特别是需要多个焊接机，激光焊接装置的构成依然复杂。

为了解决上述课题，本公开的激光加工系统具有：激光振荡器、激光加工头和反射单元。激光振荡器输出激光。激光加工头通过第1光学部件来对激光进行聚光并射出。反射单元具有对从激光加工头射出的激光进行反射的反射部件，将由反射部件反射的激光照射到工件。

此外，本公开的激光加工方法具有：输出工序、射出工序、反射工序和照射工序。在输出工序中，通过激光振荡器，输出激光。在射出工序中，通过激光加工头，对被输出的激光进行聚光并射出。在反射工序中，通过反射单元，对被射出的激光进行反射。在照射工序中，通过反射单元，将被反射的激光照射到工件。

根据本公开的激光加工系统以及激光加工方法，能够适当地保持激光的焦距、激光的照射角度，并且能够通过基于一个激光振荡器、一个激光加工头和一个反射单元的简单的构成来对相互分离的多个加工位置进行激光加工。

附图说明

图1是表示实施方式1～3中的激光加工系统的示意构成的图。

图2是表示实施方式1～4中的激光加工头的示意构成的图。

图3是表示实施方式1中的反射单元的示意构成的图。

图4是表示实施方式2中的反射单元的示意构成的图。

图5是表示实施方式3中的反射单元的示意构成的图。

图6是表示实施方式4中的激光加工系统的示意构成的图。

图7是表示现有的激光加工机的一部分的立体图。

具体实施方式

(实施方式1)

以下，使用图1～3来对本公开的实施方式1进行说明。图1是表示本实施方式中的激光加工系统的示意构成的图。图2是表示本实施方式中的激光加工头的示意构成的图。图3是表示本实施方式中的反射单元的示意构成的图。

如图1所示，本实施方式的激光加工系统具有：照射激光1的激光照射系统9、使激光1反射来照射到工件8的激光反射系统10。

激光照射系统9具有：激光振荡器2、激光加工头3、机械手5a(第1机械手)、机器人控制装置6a(第1机器人控制装置)和光纤等激光传输构件7。激光加工头3被安装于机械手5a的前端。此外，由激光振荡器2输出的激光经由激光传输构件7而被引导至激光加工头3。此外，机器人控制装置6a与机械手5a连接，对机械手5a的动作进行控制。

激光反射系统10具有：反射单元4、机械手5b(第2机械手)和机器人控制装置6b(第2机器人控制装置)。反射单元4被安装于机械手5b的前端。此外，机器人控制装置6b与机械手5b连接，对机械手5b的动作进行控制。

对激光照射系统9进一步具体进行说明。激光振荡器2输出的激光是YAG、DISK等固体激光、光纤激光、直接二极管激光等。激光加工头3的构成最好是使用了电流镜(galvanometer mirror)的构成，但也可以如图2所示，是由准直透镜11(第1准直透镜)、聚焦透镜12(第1聚光透镜)构成的光学部件(第1光学部件)这种用于对激光1进行聚光的光学系统。激光加工头3射出激光1，以使得以第1焦距对由激光传输构件7引导的激光1进行聚光。基于激光传输构件7的激光1的传输可以是基于光纤等可挠性电缆的传输，也可以是基于使用了反射镜的反射的传输。

对激光反射系统10进一步具体进行说明。如图3所示，反射单元4具有：反射部件14、和用于释放反射部件14的热量的散热器13。反射部件14是具有需要尽可能减少激光1的能量损耗且激光1的透过率和吸收率较低且反射率较高的(例如90％以上)材质或者材质的层的部件。作为反射率较高的反射部件14的材质的例子，是金、银、铜、铝等金属。为了进一步提高反射部件14的反射率，或者为了保护表面，最好将氟化镁、氧化硅、电介质膜涂覆于反射镜表面。此外，作为反射部件14的例子，除了金属以外，也可以是对玻璃基板实施了电介质多层膜涂覆等的反射镜。散热器13优选是热传导性较高的金属制，如果是在内部通过冷却水的水冷式则优选。

激光照射系统9的机械手5a以及激光反射系统10的机械手5b为了保持工件距离恒定，或者为了适当地保持激光1向工件的照射角度，需要能取得灵活的姿势。因此，机械手5a、5b最好是6轴以上的多关节机器人。此外，只要是能够变更激光1的照射方向(反射方向)、照射位置(反射位置)即可，机械手5a(5b)并不局限于机械手，也可以是加工台、定位器等。此外，机器人控制装置6a与机器人控制装置6b能够通过有线或无线来交换位置、姿势的信息，以使得机械手5a与机械手5b能够相互协调地进行动作。

接下来，使用图1～图3来对使用了上述的构成的激光加工系统的激光加工方法、特别是激光焊接方法进行说明。

首先，通过激光振荡器2来输出激光1(输出工序)。被输出的激光1通过光纤等激光传输构件7而被引导至激光加工头3。接下来，被引导至激光加工头3的激光1如图2所示，在通过处于激光加工头3的内部的准直透镜11而被平行化后，被聚焦透镜12聚光，并从激光加工头3射出(射出工序)。

另外，虽未图示，但在激光1通过激光照射系统9所达到的范围内存在工件8的焊接位置的情况下，通过从激光加工头3射出的激光1来对工件8进行直接激光焊接。此时，通过机器人控制装置6a来示教机械手5a进行激光焊接，以使得适当地保持工件距离、激光1的照射角度。

接下来，说明如图1所示，对从激光照射系统9来观察时距离分离的位置、工件8的相反侧进行焊接的情况。从激光加工头3射出的激光1如图3所示，通过激光反射系统10所具有的反射单元4的反射部件14而被反射，并照射到工件8。

此时，将从激光加工头3到反射部件14的距离设为第1距离50，将从反射部件14到工件8的距离设为第2距离51。第1距离50与第2距离51的合计距离为工件距离。也就是说，优选由激光加工头3聚光的激光1的焦距与合计距离几乎相等。并且，需要使经由反射单元4的合计距离一直恒定来进行激光加工。虽然工件距离根据由光学系统决定的焦点深度而不同，但最好将允许变动幅度恒定为±50mm以内。若超过允许变动幅度地工件距离进行变动并进行激光焊接，则焊接位置的能量密度变化，不能进行稳定的激光焊接。

因此，通过将机器人控制装置6a与机器人控制装置6b连接，使机械手5a与机械手5b协调，从而恒定地保持工件距离。例如，若工件距离为100cm，则将第1距离50设为70cm，将第2距离51设为30cm，或者将第1距离50设为80cm，将第2距离51设为20cm即可。这样，由于能够在某种程度上自由地设定第1距离50和第2距离51，因此能够确保激光1的优选的照射角度。进一步地，由于激光1的路线的变更也能够增加，因此激光1的能照射的区域也能够大幅度地扩大。

综上所述，在本实施方式的激光加工系统中，在大型的工件8、复杂形状的工件8中，能够在不移动工件8的情况下进行激光焊接。由此，由于在不移动工件8的情况下完成，因此能够实现省空间化，此外，由于不需要移动工件8的时间，因此能够实现动作时间缩短。此外，由于不需要多台激光传输构件以及激光焊接机，因此能够减少成本。进一步地，通过2台机械手的协调控制，能够适当地保持工件距离、激光1的照射角度。

在本实施方式中，虽然说明了使从激光加工头3射出的激光1反射来进行焊接的激光加工系统以及激光加工方法，但并不局限于焊接，也可以是激光切断、其他的加工。此外，虽然说明了反射单元4内的反射部件14是一个的情况，但在反射单元内也可以存在多个反射部件14。此外，激光反射系统10也可以是多个。此外，虽然示例了使工件距离恒定来进行加工的激光加工系统以及激光加工方法，但在使能量密度恒定的状态下进行加工很重要。因此，例如也可以使光学系统移动，根据由此变化的焦距，使工件距离变化来进行加工。

(实施方式2)

接下来，使用图1、2、4来对本公开的实施方式2进行说明。图1以及图2与实施方式1相同，省略说明，对与实施方式1不同的方面进行说明。图4是表示本实施方式中的反射单元的示意构成的图。

如图4所示，在本实施方式中，具备反射部件14的反射单元24具有对激光1进行聚光的功能。由此，在激光1的照射距离(从激光加工头到加工位置的距离)较长的情况下特别有效。在反射单元4不具有对激光1进行聚光的功能的情况下，若激光1的照射距离比激光加工头3的焦距长，则激光1发散。此时，加工位置处的激光1的能量密度降低，不能进行效率良好的加工。与此相对地，本实施方式的反射单元24具有对激光1进行聚光的功能，因此使来自激光加工头3的激光1再次聚光。因此，即使激光1的照射距离变长，也能够进行聚光以使得激光1在加工位置再次聚焦。

在图4中，反射单元24具有对从激光加工头3射出并达到反射单元24的激光1进行聚光的机构。如图4所示，反射单元24在反射单元4上进一步具有由准直透镜21(第2准直透镜)和聚焦透镜22(第2聚光透镜)构成的光学部件(第2光学部件)。反射部件14以及散热器13与实施方式1的反射单元4相同。并且，在反射单元24中，在由反射部件14使通过焦点并开始发散的来自激光加工头3的激光1反射之后，通过准直透镜21来平行化，通过聚焦透镜22来进行聚光。通过该构造，反射单元24能够使来自激光加工头3的激光1以第2焦距进行聚光。

接下来，特别是以激光焊接方法为例，针对本实施方式的激光加工方法，以与实施方式1的不同点为中心来进行说明。对于与实施方式1共用的方面，省略说明。

本实施方式的激光焊接方法与实施方式1的差异在于，反射单元24具有对激光1进行聚光的功能。与实施方式1同样地，将从激光加工头3到反射单元24的距离设为第1距离50，将从反射单元24到工件8的距离设为第2距离51(参照图1)。在该情况下，在本实施方式中，需要激光1通过焦点而开始发散，直到激光1到达反射单元24的准直透镜21。也就是说，第1距离50比激光加工头3的第1焦距长即可。并且，从反射单元24到工件8的第2距离51是工件距离，是与反射单元24的第2焦距几乎相等的恒定的距离。工件距离的允许变动幅度与实施方式1同样地，最好恒定为±50mm以内。

此外，在本实施方式中，关于第1距离50，只要比第1焦距长，就能够在某种程度上自由地设定。因此，激光加工系统的配置的自由度较高，能焊接的区域大幅度地放大。其中，如果从激光加工头3到反射单元24的第1距离50也恒定则更优选。由于激光加工头3与反射单元24的第1距离50变大，从而激光1的光束逐渐发散。因此，若入射到反射单元24的准直透镜21、聚焦透镜22的激光1的光束直径变化，则第2焦距变化。由此，这是因为成为焊接位置的焦点处的光束直径(光斑直径)变化，焊接中产生偏差。此外，进一步地，若来自激光加工头3的激光1过于发散，则可能激光1不能收敛至反射单元24的反射部件14，或者激光1不能收敛至反射后的准直透镜21、聚焦透镜22。因此，若第1距离50恒定(允许变动幅度±300mm)则优选。

(实施方式3)

接下来，使用图1、2、5来对本公开的实施方式3进行说明。图1以及图2与实施方式2相同，省略说明，对与实施方式2不同的方面进行说明。图5是表示本实施方式中的反射单元的示意构成的图。

如图5所示，在本实施方式中，具备表面是凹形状的反射部件44的反射单元34具有对激光1进行聚光的功能。虽然在实施方式2中，通过准直透镜21和聚焦透镜22来对激光1进行聚光，但在本实施方式中，通过反射部件44来对激光1进行聚光。由此，能够在不存在透过准直透镜21、聚焦透镜22时的能量的损耗的情况下，通过反射部件44来同时进行激光1的反射和聚光。

另外，关于共用的构成以及效果，与实施方式1、实施方式2相同。

(实施方式4)

接下来，使用图2、6来对本公开的实施方式4进行说明。图2与实施方式1相同，省略说明，对与实施方式1不同的方面进行说明。图6是表示本实施方式中的激光加工系统的示意构成的图。

如图6所示，在本实施方式的激光加工系统中，取代激光反射系统10，将固定的反射部件54用作为反射单元。由此，不需要使用激光反射系统的机械手5b、机器人控制装置6b，激光加工系统的构成变得非常简单。固定的反射部件54可以固定于壁面，此外，也可以安装于台子上。反射部件54能够使用与实施方式1的反射部件14相同的材质、构造。

另外，关于共用的构成以及效果，与实施方式1相同。

综上所述，在实施方式1～4中，示例了使工件距离恒定来进行加工的激光加工系统以及激光加工方法。但是，使激光的能量密度相对于工件8的照射位置恒定来进行加工即可，激光加工头3以及反射单元4、24、34的至少一方也可以具有变焦功能。并且，也可以根据通过变焦功能而变化的焦距，使工件距离变化来进行加工。

产业上的可利用性

根据本公开的激光加工系统以及激光加工方法，能够适当地保持激光的焦距、激光的照射角度，并且通过简单的构成来对相互分离的多个加工位置进行激光加工，在产业上有用。

-符号说明-

1 激光

2 激光振荡器

3 激光加工头

4、24、34 反射单元

5a、5b 机械手

6a、6b 机器人控制装置

7 激光传输构件

8 工件

9 激光照射系统

10 激光反射系统

11 准直透镜

12 聚焦透镜

13 散热器

14、44、54 反射部件

21 准直透镜

22 聚焦透镜

50 第1距离

51 第2距离

101 激光振荡器

102 光束

103、104、105 选择反射镜

106、107、108 选择反射镜驱动构件

109、110、111、112 动作状况信号

113 选择反射镜控制装置

A～D 焊接机

Claims (9)

1.一种激光加工系统，其照射激光来加工工件，具备：

激光振荡器，输出所述激光；

激光加工头，构成为通过第1光学部件来对所述激光进行聚光并射出；

激光照射系统，具有构成为被安装有所述激光加工头并对所述激光加工头的位置进行变更的第1机械手、和构成为对所述第1机械手的动作进行控制的第1控制装置；和

激光反射系统，具有：具备构成为对从所述激光加工头射出的所述激光进行反射的反射部件并且将由所述反射部件反射的所述激光照射到所述工件上的反射单元、构成为被安装有所述反射单元并对所述反射单元的位置进行变更的第2机械手、和构成为对所述第2机械手的动作进行控制的第2控制装置，

所述第1控制装置和所述第2控制装置构成为：

在所述工件的焊接位置处于来自所述激光照射系统的激光所直接达到的范围内的情况下，将激光直接照射到所述工件，

在从所述激光照射系统对处于相反侧的所述工件的位置进行加工的情况下，彼此连接的所述第1控制装置和所述第2控制装置使所述第1机械手和所述第2机械手协调动作，从所述激光照射系统的所述激光加工头射出的所述激光通过所述激光反射系统的所述反射部件来进行反射，从而照射到所述工件，

所述第1控制装置和所述第2控制装置使所述第1机械手和所述第2机械手协调动作，以使得从所述激光加工头到所述反射单元的第1距离与从所述反射单元到所述工件的第2距离之和恒定，从而维持恒定的工件距离，

所述第1距离比所述激光加工头的第1焦距长，

所述反射单元具有第2光学部件，该第2光学部件对由所述反射部件反射的所述激光进行聚光。

2.根据权利要求1所述的激光加工系统，其中，

所述第1机械手以及所述第2机械手进行动作，以使得所述第1距离以及所述第2距离分别恒定。

3.根据权利要求1所述的激光加工系统，其中，

所述第2光学部件由第2准直透镜和第2聚光透镜构成，其中，所述第2准直透镜使由所述反射部件反射的所述激光平行化，所述第2聚光透镜对被平行化的所述激光进行聚光。

4.根据权利要求1所述的激光加工系统，其中，

所述反射单元的所述反射部件的表面是凹形状。

5.根据权利要求1所述的激光加工系统，其中，

所述第2机械手进行动作，以使得从所述反射单元到所述工件的第2距离恒定。

6.根据权利要求1所述的激光加工系统，其中，

所述反射单元是被固定的反射部件。

7.根据权利要求1～6的任意一项所述的激光加工系统，其中，

所述第1光学部件由第1准直透镜和第1聚光透镜构成，其中，所述第1准直透镜使从所述激光发射器输出的所述激光平行化，第1聚光透镜对被平行化的所述激光进行聚光。

8.一种激光加工方法，其照射激光来加工工件，

所述工件具有：所述激光从激光加工头所直接达到的焊接位置、和处于与所述激光加工头相反的一侧的焊接位置，

所述激光加工方法具备：

输出工序，通过激光振荡器来输出所述激光；

射出工序，通过所述激光加工头，对所述输出工序中被输出的所述激光进行聚光并射出；

反射工序，通过反射单元，对所述射出工序中被射出的所述激光进行反射；和

照射工序，通过所述反射单元，将被反射的所述激光照射到所述工件，

在被聚光的所述激光的所述射出工序中，在所述工件的焊接位置处于所述激光通过所述激光加工头所直接达到的范围内的情况下，将所述激光直接照射到所述工件，

在对处于所述激光加工头的相反一侧的所述工件的位置进行加工的情况下，将在被聚光的所述激光的所述射出工序中从所述激光加工头被射出并且之后在反射被射出的所述激光的所述反射工序中由所述反射单元反射的所述激光照射到所述工件，

进行协调动作控制，以使得从所述激光加工头到所述反射单元的第1距离与从所述反射单元到处于所述激光加工头的相反一侧的所述工件的位置为止的第2距离之和恒定，从而维持恒定的工件距离，

所述第1距离比所述激光加工头的第1焦距长，

所述激光加工方法还具备：聚光工序，通过所述反射单元，对被反射的所述激光进行聚光。

9.根据权利要求8所述的激光加工方法，其中，

所述激光的从通过所述反射工序而被反射直至到达所述工件的距离恒定。