CN107020450B - 激光加工机 - Google Patents

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Abstract

一种激光加工机，具备以下功能：将激光大致垂直地照射到被加工物的表面来进行激光加工，并且降低或排除来自被加工物的反射光所造成的不良影响。激光加工机具备：驱动轴等聚光点移动部，在照射激光的同时，该聚光点移动部使加工头、聚光光学系统的光学部件以及工件中的至少一个沿光轴方向移动，由此使激光的聚光点的位置沿光轴方向移动；以及聚光点距离设定部，其设定聚光点距离，该聚光点距离是开始照射激光时的工件表面与聚光点之间的距离，其中，聚光点距离被设定为如下距离：使被工件表面反射的光经过聚光光学系统而返回到加工头的量为规定的容许值以下的距离。

Description

激光加工机
技术领域
本发明涉及一种具有一边向被加工物照射激光一边使加工头接近该被加工物的功能的激光加工机。
背景技术
已知以下技术：在向金属材料等被加工物(工件)照射激光来进行激光加工的情况下，利用来自工件的反射光来实现焊接质量的提高。例如在日本专利第3154176号公报中记载了以下焦点位置控制装置：逐次检测来自焊接部分的激光反射光，基于其强度来进行焦点的自动调整。
另外，在日本专利第5100833号公报中，记载了以下激光加工装置和激光加工方法：利用反射光来检查冲孔的加工完成定时，基于该检测结果来进行从打孔加工向切割加工的切换，由此意图抑制加工不良的发生且高效地进行激光加工。
图9是说明在现有技术所涉及的激光加工机中向被加工物照射激光的状态的图。来自光纤等的加工头100的光通过聚光光学系统(光学透镜)102而被聚光，如箭头104所示的那样大致垂直地照射到被加工物106的表面。此时，在被加工物106是钢、铝等容易反射激光的金属材料的情况下，有时如箭头108所示的那样，照射在照射点110的激光的一部分在与往路相似的路径上向反方向前进而作为反射光返回到加工头100，由此存在激光光源等发生损坏的情况。这样，作为用于防止由于反射光返回到激光振荡器内而导致无法控制激光输出或光学系统发生损坏的现有技术例，在日本特开昭62-289387号公报中记载了以下技术：使照射头和反射材料中的一方或双方倾斜，以使照射激光的光轴与反射光的光轴不重合。
如上所述，在激光加工的被加工物是钢、铝等容易反射激光的金属材料的情况下、加工点处的能量密度低的情况下，当聚光点位于被加工物的表面上时，有时照射的激光的一部分在与往路相似的路径上向反方向前进而作为反射光返回到激光光源。该反射光的量越多(或强度越高)，激光加工机的光路、光源发生损伤的可能性就越高。
上述的日本专利第3154176号公报和日本专利第5100833号公报所记载的装置虽然具备检测反射光的单元，但是不具备降低或排除反射光对激光光源等造成的不良影响的单元。另一方面，日本特开昭62-289387号公报公开了以下意思：为了避免反射光所造成的不良影响，使照射头和反射材料中的一方或双方倾斜。然而，在激光相对于被加工物的表面倾斜地入射的情况下，相比大致垂直地入射的情况而言，存在激光加工质量低劣的倾向。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种具备以下功能的激光加工机：将激光大致垂直地照射到被加工物的表面来进行激光加工，并且降低或排除来自被加工物的反射光所造成的不良影响。
为了达成上述目的，本申请发明提供一种激光加工机，该激光加工机传输激光来将激光引导至加工头，并将被聚光光学系统聚光后的光大致垂直地照射到被加工物的表面来进行激光加工，该激光加工机具备：聚光点移动部，在照射激光的同时，该聚光点移动部使聚光后的光的聚光点的位置从在垂直方向上与所述被加工物的表面相离的点向所述被加工物的表面接近；以及聚光点距离设定部，其设定聚光点距离，该聚光点距离是开始照射激光时的所述聚光点与所述被加工物的表面之间的距离，其中，所述聚光点距离被设定为以下距离：使被所述被加工物的表面反射的光经过所述聚光光学系统而返回到激光光源的量为容许值以下的距离。
在优选的实施方式中，所述聚光点距离是根据所述被加工物的反射率、激光射出部的面积、所述激光射出部处的反射光的面积、激光输出的关系并通过计算或实际测量而预先决定的。在该情况下，优选的是，所述激光射出部是光纤的照射端，并且，优选的是，所述聚光点距离被设定为使返回到所述光纤的芯的反射光和返回到所述光纤的包层(clad)的反射光这双方分别为容许值以下。
在优选的实施方式中，所述聚光点移动部使所述聚光光学系统的光学部件沿光轴方向移动。
在优选的实施方式中，所述聚光点移动部使包括所述聚光光学系统的所述加工头沿光轴方向移动。在该情况下，激光加工机能够还具备：经过点设定部，在进行一系列的激光加工的加工程序中，在前往下一个加工开始点时，该经过点设定部设定位于以下位置的经过点，该位置是比与开始照射激光的聚光点距离相当的加工头的位置靠上方的位置；以及路径生成部，其生成经过所述经过点和所述加工头的位置那样的路径。
在优选的实施方式中，还具备移动速度限制部，该移动速度限制部将与所述聚光点距离相当的所述加工头的位置以后的所述加工头的移动速度限制为规定的速度以下。
附图说明
通过参照附图说明以下的优选的实施方式，本发明的上述或其它目的、特征以及优点会变得更加明确。
图1是说明使用本发明的优选的实施方式所涉及的激光加工机进行的激光加工的图，示出了聚光点从工件表面向上方离开的状态。
图2是说明使用本发明的优选的实施方式所涉及的激光加工机进行的激光加工的图，示出了聚光点位于工件表面上的状态。
图3是表示激光加工机为空间传输式的情况下的加工头周围的构造的概要图。
图4是表示通过使聚光光学系统的光学部件移动来使聚光点移动的结构例的概要图。
图5a是表示通过使加工头移动来使聚光点移动的结构例的概要图。
图5b是表示通过加工头的下降而机械式开关工作的状态的图。
图5c是表示加工头进一步下降后的状态的图。
图6是说明在进行一系列的激光加工的情况下在比与聚光点距离相当的加工头的位置靠上方的位置设定经过点的例子的图。
图7是说明在进行一系列的激光加工的情况下在比与聚光点距离相当的加工头的位置靠上方的位置设定经过点的其它例子的图。
图8是说明限制从与聚光点距离相当的加工头的位置起的加工头的移动速度的例子的曲线图。
图9是表示在现有技术所涉及的激光加工机中向被加工物照射激光的状态的图。
具体实施方式
图1和图2是说明使用本发明的优选的实施方式所涉及的激光加工机进行的激光加工的图。激光加工机10构成为：利用光纤12等传输激光来将激光引导至加工头14，通过聚光光学系统(光学透镜)18对从激光射出部(在图示例中为光纤照射端)16照射出的光进行聚光，并将聚光后的光大致垂直地照射到被加工物20的表面22，来对工件20进行切割、焊接、标记等规定的激光加工。
另外，激光加工机10具备：驱动轴等聚光点移动部26，在照射激光的同时，该聚光点移动部26使加工头14、聚光光学系统18的光学部件(后述)以及工件20中的至少一个沿光轴方向(在图示例中为上下方向)移动，由此使激光的焦点位置(聚光点)24的位置沿光轴方向移动；以及运算处理装置(CPU)等聚光点距离设定部28，其设定聚光点距离DP，该聚光点距离DP是开始照射激光时的工件表面22与聚光点24之间的距离，其中，聚光点距离DP被设定为如下距离：使被工件表面22反射的光经过聚光光学系统18而返回到加工头14(激光光源)的量为规定的容许值以下的距离。
此外，在图1的例子中，聚光点移动部26的动作能够由对激光加工机10中的动作、处理进行控制的控制装置30来控制，控制装置30具备聚光点距离设定部28的功能，但是聚光点距离设定部28也能够构成为个人计算机等与控制装置30相分别的装置。而在图2中，省略了除加工头14、聚光光学系统18以及工件20以外的结构要素的图示。
如图1所示，加工头14从以下位置开始照射激光：该位置是聚光点24在垂直方向上向上方与工件表面22相离了聚光点距离DP的位置。此时，与图9进行比较可知，由于光学位置关系发生变化，被工件表面22反射而返回到光纤照射端16的光的量(光束)变少。更具体地说，光纤照射端16的位置处的反射光的(关于大致水平截面的)面积比光纤照射端16的面积大。因而，在图1的状态下，返回到激光光源的光的量比以往少。
从图1的状态起，加工头14一边照射激光一边逐渐移动以使聚光点24的位置接近工件表面22，从而如图2所示那样成为聚光点24位于工件表面22上的状态。图2的光学位置关系与图9示出的光学位置关系实质相同，但是在从图1的状态起至达到图2的状态为止向工件表面22已照射了一定量的激光，因此在成为图2的状态时，工件表面22的被照射了激光的部位因熔融等而变质或光束的反射率改变，因此返回到光纤照射端16的光的量比图9的情况少。因而，根据本实施方式，能够在反射光少的聚光点位置处开始加热工件20来使工件表面22熔融等而发生变质，与此同时使聚光点24靠近工件表面22，从而在抑制反射光的返回的同时开始激光加工。一旦开始加工，已熔融、变质的加工点持续吸收激光，从而能够连续地进行切割、焊接、标记等激光加工。
此外，能够使用图1的尺寸a′、b′或图2的尺寸a、b来通过以下的式(1)求出聚光光学系统18的焦点距离f。
1/f＝1/a′+1/b′＝1/a+1/b (1)
如上所述，开始照射激光的聚光点距离DP被设定为以下距离：使被工件表面22反射的光经过聚光光学系统18而返回到激光光源(激光射出部16)的量为规定的容许值以下的距离，而更具体地说，能够根据工件表面22的反射率、激光射出部16的面积、激光射出部16处的反射光的面积以及激光输出的关系，预先通过计算或实际测量求出开始照射激光的聚光点距离DP。在此，利用激光输出W、工件表面22的反射率R、激光射出部16的面积A1以及光纤照射端16的位置处的反射光的面积A2，通过以下的式(2)表示向激光射出部16反射的反射光的光束Φ。
Φ＝W×R×A1/A2 (2)
能够根据聚光光学系统18的焦点距离f、聚光点距离DP并基于实际测量或计算求出反射光的面积A2，因此通过将光束Φ的容许值设定为不会使激光光源发生损坏的程度的值(或者对该值赋予一定的余量而得到的值)，能够求出(设定)适当的聚光点距离DP。
此外，在如图1所记载的那样地激光射出部16是光纤照射端的情况下，优选将聚光点距离DP设定为以下距离：使返回到光纤12的芯32的反射光(的光束)和返回到光纤12的包层34的反射光的(光束)这双方分别为规定的容许值以下的距离。由此，能够更可靠地保护激光加工机的光纤激光振荡器、光学系统免受反射光的损害。
在实验性地求出聚光点距离的情况下，能够通过进行小输出、短时间的照射并基于作为其结果而得到的测定值进行计算来求出该聚光点距离。另外，也能够在实际加工之前自动地进行这样的测定、计算过程，来自动地求出并设定开始激光照射的聚光点距离。
图3是激光加工机为二氧化碳激光器的情况下的加工头的概要图。在图3的例子中，来自激光射出部16′的激光在传输空间36内传输，通过聚光光学系统18被聚光后照射到工件表面22上。此时，通过设定上述的聚光点距离DP，能够减少返回到激光射出部16′的反射光的光束。这样，即使激光加工机是空间传输式的激光加工机，也能够应用本发明。
图4是表示上述的聚光点移动部26通过使聚光光学系统18的光学部件移动来使聚光点移动的结构例的概要图。在图4的例子中，聚光光学系统18具有凹透镜38来作为光学部件，聚光点移动部26使凹透镜38沿光轴方向移动，由此能够变更聚光点24的位置。根据图4可知，能够使聚光点24的移动量大于凹透镜38的移动量，这样，根据聚光光学系统的设计，能够使焦点位置快速地移动。另外，在该方法中，也能够一边使加工头移动一边照射激光，以使聚光点从工件表面的下方移动到工件表面附近。例如，在激光光源与聚光光学系统之间存在另外的光学部件等时，能够防止由于反射光所形成的另外的聚光点出现在该光学部件上而对该光学部件产生不良影响。
图5a-图5c作为图4的代替例，是表示上述的聚光点移动部26通过使包括聚光光学系统的加工头移动来使聚光点移动的结构例的概要图。在图5a-图5c的例子中，聚光点移动部26使包括聚光光学系统18的加工头14整体移动，由此能够变更聚光点的位置。在图5a-图5c的例子中，能够在激光加工中进行一般的加工头14相对于工件20的退避动作或接近动作时附带地进行用于变更聚光点位置的加工头14的移动。另外，在该例子中，图示了聚光点距离设定部28构成为机械式开关的情况。
图6是说明以下例子的图：在进行一系列的激光加工的情况下，在某个加工部位的加工完成后前往下一个加工开始点时，在比与上述的聚光点距离DP相当的加工头的位置靠上方的位置设定经过点。详细地说，以使在工件20的部位M的激光加工完成后加工头14前往下一个加工开始点N时加工头14(的代表点)从经过点Q经过的方式设定该经过点Q，该经过点Q在光轴方向上位于比与上述的聚光点距离DP相当的加工头的位置P靠上方的位置处。能够在加工程序内生成包含所设定的经过点Q的路径。在图6的例子中，从部位M至经过点Q的路径为直线40，由此能够实现加工时间的进一步缩短。
图7作为图6的代替例，是说明以下的其它例子的图：在进行一系列的激光加工的情况下，在某个加工部位的加工完成后前往下一个加工开始点时，在比与上述的聚光点距离DP相当的加工头的位置靠上方的位置设定经过点。详细地说，在工件20的部位M的激光加工完成后加工头14前往下一个加工开始点N时，以使加工头14(的代表点)从经过点Q经过的方式设定该经过点Q，该经过点Q在光轴方向上位于比与上述的聚光点距离DP相当的加工头的位置P靠上方的位置处。能够在进行一系列的激光加工的加工程序内设定、生成所设定的经过点Q以及包括该经过点Q的路径。在图7的例子中，从部位M至经过点Q的路径表示为曲线42，曲线42在经过点Q处成为不会与从经过点Q至加工头位置P的直线44不连续地连接(加工头14不发生急剧的加减速)。由此，能够在某种程度上缩短加工时间，并且能够避免由于急剧的加减速而使加工头14受到冲击等。
在图6和图7中的任一图中，均在从加工开始点N开始激光加工之后，在工件表面22上形成小孔(keyhole)、或使表面状态粗糙，因此返回到加工头14的反射光少，从而能够进行稳定的激光加工。此外，例如能够由以CPU等方式在图1中示出的控制装置30来具备作为如图6和图7所记载那样的经过点Q的设定部(单元)和路径生成部(单元)的功能，但是也能够将经过点设定部和路径生成部构成为个人计算机等与控制装置30相分别的装置。
图8是说明将从与上述的聚光点距离DP相当的加工头的位置P起的加工头14的移动速度限制为规定的速度以下的例子的曲线图。详细地说，如图8的曲线46所示，加工头14从比与聚光点距离DP相当的加工头的位置P靠前的位置(例如图6或图7示出的经过点Q)到位置P(时刻t1)为止以比较快的第一移动速度移动，而从位置P至相当于图2的状态的加工头的位置S(时刻t2)为止以比第一移动速度慢的第二移动速度移动。例如能够由以CPU等方式在图1中示出的控制装置30来具备作为这样的移动速度的限制部(单元)的功能，但是也能够将移动速度限制部构成为个人计算机等与控制装置30相分别的装置。或者，也可以设置如图5a-图5c那样的机械式开关，利用来自该开关的信号将移动速度限制为规定的速度以下。
一般来说，在利用激光开始加热工件20后使工件表面22变质(熔融等)需要某种程度的时间。因此，在图8的例子中，通过限制从开始激光照射的位置P起的移动速度，能够确保该时间(在图示例中为时刻t1～t2)。
说明采用上述的图5a-图5c的结构的情况，首先在图5a中，加工头14快速地接近工件20，在该状态下尚未照射激光。接着如图5b所示，当加工头14到达上述的位置P时，设置于加工头14的凸轮(cam)47使机械式开关(聚光点距离设定部28)工作(断开→接通)，从机械式开关向激光光源及聚光点移动部26分别发送信号。接收到这些信号后，在开始激光光源的激光照射的同时，加工头14的移动速度被限制为预先设定的规定的速度以下。在该状态下，虽然存在来自工件表面22的反射光，但是其量是不会使激光光源等发生损坏的程度的值。并且，如图5c所示，当成为聚光点的位置与工件表面22大致重合的状态时，工件表面22已被充分地加热，由于变形、变质而成为能够充分地吸收激光的状态，能够开始激光切割、焊接。
在图8中，能够基于实际测量值等来预先决定加工头14的速度限制的模式，但是优选的是，如表示激光照射点的中心处的工件的表面温度的曲线48那样，以使工件的表面温度在加工头从位置P至位置S的期间内从常温Ta上升到表面发生变质的温度Tb的方式来决定加工头14的速度限制的模式。
此外，在上述的实施方式中，激光加工机是使用光纤的光纤激光器，但是本发明不限于此，例如也能够应用于直接二极管激光器(DDL)或使用二氧化碳的激光加工机。而本发明在应用于具有光纤的激光加工机的情况下特别发挥显著的效果。
根据本发明所涉及的激光加工机，在使返回到激光光源和激光光路的反射光少的聚光点位置处开始加热被加工物来使该被加工物的表面发生变质的同时加工头接近该被加工物，因此能够在抑制反射光所造成的不良影响的同时开始激光加工。

Claims (8)

1.一种激光加工机，传输激光来将激光引导至加工头，并将被聚光光学系统聚光后的激光大致垂直地照射到被加工物的表面来进行激光加工，该激光加工机具备：
聚光点移动部，在照射激光的同时，该聚光点移动部使聚光后的激光的聚光点的位置从在垂直方向上与所述被加工物的表面相离的点向所述被加工物的表面接近；以及
聚光点距离设定部，其设定聚光点距离(DP)，该聚光点距离是开始照射激光时的所述聚光点与所述被加工物的表面之间的距离，
其中，所述加工头从以下位置开始照射激光：该位置是所述聚光点在垂直方向上与所述被加工物的表面相离了所述聚光点距离的位置，
所述聚光点距离被设定为以下距离：使被所述被加工物的表面反射的激光经过所述聚光光学系统而返回到激光光源的量为容许值以下且在所述聚光点到达所述被加工物的表面时所述被加工物的表面已由于所述激光照射而发生了变质这样的距离。
2.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，
所述聚光点距离是根据所述被加工物的反射率、激光射出部的面积、所述激光射出部处的反射光的面积、激光输出的关系而通过计算或实际测量来预先决定的。
3.根据权利要求2所述的激光加工机，其特征在于，
所述激光射出部是光纤的照射端。
4.根据权利要求3所述的激光加工机，其特征在于，
所述聚光点距离被设定为：返回到所述光纤的芯的反射光和返回到所述光纤的包层的反射光这双方分别为容许值以下。
5.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，
所述聚光点移动部使所述聚光光学系统的光学部件沿光轴方向移动。
6.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，
所述聚光点移动部使包括所述聚光光学系统的所述加工头沿光轴方向移动。
7.根据权利要求6所述的激光加工机，其特征在于，还具备：
经过点设定部，在进行一系列的激光加工的加工程序中，在前往下一个加工开始点时，该经过点设定部设定位于以下位置的经过点，该位置是比与开始照射激光的聚光点距离相当的加工头的位置靠上方的位置；以及
路径生成部，其生成经过所述经过点和所述加工头的位置那样的路径。
8.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，
还具备移动速度限制部，该移动速度限制部将与所述聚光点距离相当的所述加工头的位置以后的所述加工头的移动速度限制为规定的速度以下。
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