CN107073643A - 直接二极管激光加工装置及其输出监视方法 - Google Patents

直接二极管激光加工装置及其输出监视方法 Download PDF

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Abstract

具备：激光振荡器(11)，其具有使多波长的激光振荡的多个激光二极管；传输光纤(12)，其对通过激光振荡器(11)振荡后的多波长的激光进行传输，激光加工机(13)，其对通过传输光纤传输的多波长的激光进行汇聚来加工被加工材(W)；检测机构(7)，其对多波长的激光的一部分进行采样，并按波长对该采样的激光的光强度进行检测；监视部，其基于多波长的激光的每个波长的光强度的变化，来监视多波长的激光的输出下降；以及控制模块，其基于监视部(73)的监视结果来控制多个激光二极管。

Description

直接二极管激光加工装置及其输出监视方法
技术领域
本发明涉及直接二极管激光加工装置及其输出监视方法。
背景技术
过去，作为板金加工用的激光加工装置，已知将二氧化碳(CO2)激光振荡器或YAG激光振荡器、光纤激光振荡器用作激光源。光纤激光振荡器具有比YAG激光振荡器光品质更好、振荡效率极高等优点。因此，使用光纤激光振荡器的光纤激光加工装置利用于产业用，尤其是板金加工用(切断或焊接等)。
近年来，还开发了将直接二极管激光(DDL：Direct Diode Laser)振荡器用作激光源的DDL加工装置。DDL加工装置使用多个激光二极管(LD：Laser Diode)并重叠多波长(multiple-wavelength)的激光，使用传输光纤传输至加工头。并且，从传输光纤的端面射出的激光通过准直透镜及聚光透镜等被汇聚并照射至被加工材上。
另外，如国际公开公报WO93/16512号(专利文献1)所例示的那样，作为关联的激光二极管的输出等的监视手法，已知使用光电二极管来监视激光二极管的输出，并管理激光二极管的故障或寿命的手法。
另外，如日本国专利公开公报特开2000-081370号(专利文献2)所例示的那样，已知使用偏光分离元件将来自光纤的被波长多重传输的激光分离，并通过受光元件接受各偏光成分，根据偏向成分彼此之间的光强度比来测量波长的变化的装置。
发明内容
然而，专利文献1是对激光二极管的输出进行个别监视的技术，无法对DDL加工装置所使用的多波长的激光的输出进行监视。另外，在专利文献2中，将根据偏向成分彼此之间的光强度比的变化来测量波长的变化。另一方面，DDL加工装置中所使用的多波长的激光的输出按波长或按波长频带可变，从而专利文献2的手法无法应用于DDL加工装置。
本发明就是鉴于上述课题而完成的，根据本发明能够提供一种在使用多波长的激光来进行加工时，可以对多波长的激光的输出下降适当地进行监视的直接二极管激光加工装置及其输出监视方法。
根据本发明的一方式，提供直接二极管激光加工装置及其输出监视方法，该直接二极管激光加工装置具备：激光振荡器，其具有使多波长的激光振荡的多个激光二极管；传输光纤，其对通过激光振荡器振荡后的多波长的激光进行传输；激光加工机，其对通过传输光纤传输的多波长的激光进行汇聚来加工被加工材；检测机构，其对多波长的激光的一部分进行采样，并按波长对该采样的激光的光强度进行检测；监视部，其基于多波长的激光的每个波长的光强度的变化，来监视多波长的激光的输出下降；以及控制模块，其基于监视部的监视结果来控制多个激光二极管。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的DDL加工装置的一例的立体图。
图2(a)是表示本发明的实施方式所涉及的激光振荡器的一例的主视图；图2(b)是表示本发明的实施方式所涉及的激光振荡器的一例的侧视图。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的DDL模块的一例的概要图。
图4是表示本发明的实施方式所涉及的检测机构及监视部周边的一例的概要图。
图5(a)是表示正常时的波长分布的一例的曲线图；图5(b)是表示生成的波长分布的一例的曲线图；图5(c)是表示生成的波长分布的另一例的曲线图。
图6是用于说明本发明的实施方式所涉及的DDL加工装置的输出监视方法的一例的流程图。
具体实施方式
参照附图，对本发明的实施方式进行说明。在下面的附图的记载中，对相同或类似的部分标注相同或类似的符号。
参照图1，对本发明的实施方式所涉及的直接二极管激光(Direct diode laser)(下面，记作“DDL”)加工装置的整体结构进行说明。本发明的实施方式所涉及的DDL加工装置，如图1所示，具备：激光振荡器11，其使多波长的激光LB振荡；传输光纤(Process fiber)12，其传输通过激光振荡器11被振荡后的激光LB；以及激光加工机13，其使通过传输光纤12传输的激光LB汇聚为高能量密度并向被加工材(工件)W进行照射。
激光加工机13具备：准直单元14，其通过准直透镜15将从传输光纤12射出的激光LB转换为大致平行光；弯曲镜(bend mirror)16，其使转换为大致平行光的激光LB向垂直于X轴及Y轴方向的Z轴方向下方反射；以及加工头17，其通过聚光透镜18对由弯曲镜16反射后的激光LB进行汇聚。准直透镜15及聚光透镜18可以使用例如石英制的平凸透镜等一般的透镜。
此外，虽然在图1中省略图示，但是在准直单元14内设置有沿平行于光轴的方向(X轴方向)驱动准直透镜15的透镜驱动部。另外，DDL加工装置还具备控制透镜驱动部的控制部。
激光加工机13还具备：加工台21，其载置有被加工材W；门型X轴滑架(carriage)22，其在加工台21上沿X轴方向移动；以及Y轴滑架23，其在X轴滑架22上沿垂直于X轴方向的Y轴方向移动。准直单元14内的准直透镜15、弯曲镜16、以及加工头17内的聚光透镜18在完成光轴调整的状态下被预先固定于Y轴滑架23，与Y轴滑架23一起沿Y轴方向移动。此外，也可以设置相对于Y轴滑架23可向上下方向移动的Z轴滑架，并在该Z轴滑架上设置聚光透镜18。
本实施方式所涉及的DDL加工装置通过聚光透镜18聚光而向被加工材W照射最小的聚光直径(最小聚光直径)的激光LB，或者一边向同轴喷射辅助气体来去除熔融物，一边使X轴滑架22及Y轴滑架23移动。由此，DDL加工装置可以对被加工材W进行切断加工。被加工材W为不锈钢、软钢、铝等各种材料。被加工材W的厚度例如为0.1mm～100mm左右。在本实施方式中，被加工材W的厚度优选15mm以上，也可以是2mm以上，或者还可以是30mm。另外，该厚度优选100mm以下。
参照图2及图3，对激光振荡器11进行说明。激光振荡器11如图2(a)及图2(b)所示，设置有框体60、收容于框体60内并与传输光纤12连接的DDL模块10、收容于框体60内并向DDL模块10供电的电源部61、以及收容于框体60内并控制DDL模块10的输出等的控制模块62等。另外，在框体60的外侧，设置有对框体60内的温度及湿度进行调整的空调设备63。
DDL模块10如图3所示，将多波长(multiple-wavelength)λ1、λ2、λ3、···、λn(下面记作{λi})的激光重叠输出。DDL模块10具备：多个激光二极管(下面记作“LD”)31、32、33、···3n(n为4以上的整数)；光谱合束部50，其经由光纤41、42、43、···4n被连接至LD31、32、33、···3n，并对多波长{λi}的激光进行光谱合束(spectral beam combining)；以及聚光透镜54，其对来自光谱合束部50的激光进行汇聚并入射至传输光纤12。
多个LD31、32、33、···3n(下面记作多个LD3)可采用各种半导体激光器。多个LD3的种类和数量的组合没有特别限定，可以配合板金加工的目的进行适当选择。多个LD3的各波长λ1、λ2、λ3、···、λn例如可以选择不足1000nm，或者在800nm～990nm的范围内选择或者在910nm～950nm的范围内选择。
多波长{λi}的激光例如按波长频带进行群(组)管理并进行控制。并且，可以按波长频带个别地对输出进行可变调节。另外，可以将全波长频带的输出调整为使吸收率成为恒定。
在进行切断加工时，使多个LD同时进行动作，并且向焦点位置附近喷射氧气、氮气等适当的辅助气体。由此，来自多个LD3的各波长的激光相互协同动作，并且与氧气等辅助气体协同动作，从而使工件高速熔融。另外，该熔融工件材料被辅助气体吹飞，从而使工件被高速切断。
光谱合束部50具备：固定部51，其捆束并固定光纤41、42、43、···4n的射出端侧而形成光纤阵列4；准直透镜52，其使来自光纤41、42、43、···4n的激光成为平行光；衍射光栅(diffraction grating)53，其使多波长{λi}的激光衍射并使光轴一致；以及局部反射耦合器55，其与设置在多个LD3后端部的反射面一起构成谐振器。此外，图3所示的局部反射耦合器55的配置位置为一个例子，并不局限于此。
在基于这样的DDL加工装置的切断加工等加工中，多波长{λi}的激光的每个波长的光束束腰例如为100μm～400μm左右，并以多个直径形成多焦点。光束束腰通过聚光透镜18的入射直径为2mm～20mm左右、且焦点距离为50mm～300mm的光学要素形成。在激光振荡器11的每个波长或每个波长频带的控制的输出可变调节中，可以将垂直于被加工材W的切断面的轴设为入射角0°，并在入射角为0～40°的范围内使短波长侧的波长频带的输出高于长波长侧的波长频带。被加工材W的切断速度例如可以在60m/min～250m/min的范围内选择。
在DDL加工装置中，多个LD3的劣化(寿命)或故障、光谱合束部50内的光学元件的失调(Misalignment)作为主要原因，有时多波长的激光的输出下降。
因此，为了监视多波长的激光输出，本实施方式所涉及的DDL加工装置如图4所示，还具有检测机构7和连接至检测机构7的监视部73。检测机构7对从传输光纤12射出的多波长λ1、λ2、λ3的激光的一部分进行分离(采样)，并按波长λ1、λ2、λ3来检测所采样的激光的光强度。此外，虽然这里对3个波长λ1、λ2、λ3进行了说明，但是波长的个数并不局限于此。
检测机构7具备：分离元件71，其被配置在准直透镜15与聚光透镜18之间，对通过了准直透镜15的多波长λ1、λ2、λ3的激光的一部分进行分离；分光元件72，其按波长λ1、λ2、λ3使分离后的激光分散；以及检测元件群81、82、83，其按波长λ1、λ2、λ3对分散后的激光进行检测。从分离元件71到检测元件群81、82、83的光的传播通过空间或光纤传输来进行。
分离元件71例如可以使用分光器或包层光剥离器(Clad light stripper)等光学元件。分光元件72可以使用衍射光栅(光栅)或棱镜等光学元件。检测元件群81、82、83可以使用如下单元：能够在分别包含波长λ1、λ2、λ3的振荡区域的每个波长域，对可以充分进行目的控制的范围及通过分解能力分光后的光进行检测的单个或多个光检测器、或具有同样功能的测定器。例如，在光谱合束部50失调的情况下，由于有时波长λ1、λ2、λ3以外的波长变化，因此也可以独立于检测元件群81、82、83设置可测定波长λ1，λ2，λ3以外的波长的检测元件。另外，还可以具有综合内置有分光元件72和检测元件群81、82、83的光谱分析仪等，来替代单独设置分光元件72和检测元件群81、82、83。
监视部73为控制器且由中央运算处理装置(CPU)等构成。监视部73基于检测元件群81、82、83的检测结果，对多个激光的输出下降进行监视。监视部73预先将图5(a)所示的正常时的每个波长λ1、λ2、λ3的强度分布(下面记作“波长分布(Wavelength profile)”)存储于存储器等。监视部73根据检测元件群81、82、83的检测结果，生成图5(b)所示的波长分布。在图5(b)中，波长λ2的强度相较于正常时下降。这假设是因为对应于波长λ2的LD劣化或故障、对应于波长λ2的LD失调的原因。
监视部73通过对所生成的波长分布与正常时的波长分布进行比较，根据相对于正常时的各波长λ1、λ2、λ3的光强度的变化来判定输出下降。例如，如图5(b)所示，在所生成的波长分布中，当至少1个波长λ2的强度变化至正常时的预定范围外时，更具体地，在下降至预定阈值以下时，监视部73判定为输出下降。与此同时，监视部73将与波长λ2相对应的LD确定为存在异常的LD。预定的阈值可以在相对于正常时的波长分布所允许的范围内设定，只要预先存储于监视部73的存储器等即可。监视部73向控制模块62通知警报及存在异常的LD的识别信息。
控制模块62接受来自监视部73的警报，可以使装置整体停止，或者将存在异常的LD的识别信息显示在显示部等。或者，控制模块62也可以基于来自监视部73的存在异常的LD的识别信息，停止存在异常的LD的输出，或者提高其他正常的LD的输出来补偿存在异常的LD的输出部分。由此，可以使所生成的波长分布的各波长的输出的总和，与正常时的波长分布的各波长的输出的综合接近或一致，从而可以使装置的运转继续。
另外，监视部73如图5(c)所示，有时也生成多个波长λ1、λ3的强度下降的波长分布。这假设是由于波长混合部的失调等的原因。监视部73在所生成的波长分布上，当多个波长λ1、λ3的强度变化(下降)至预定阈值以下时，监视部73判定为输出下降，并且将与波长λ1、λ3对应的LD确定为存在异常的LD。
另外，监视部73也可以在所生成的波长分布的各波长λ1、λ2、λ3的输出的总和相对于正常时的波长分布的各波长λ1、λ2、λ3的输出的综合下降至预定阈值以下时，判定为输出下降。此时，监视部73向控制模块62通知警报及波长分布的比较结果，控制模块62可以使装置整体停止、或者将波长分布的比较结果显示在显示部上。
进一步地，控制模块62与多个寿命测定元件(寿命测定元件群)74相连接。寿命测定元件群74例如由多个pin光电二极管等构成。寿命测定元件群74中包含的元件被配置在图3所示的各LD31、32、33、···3n的附近。寿命测定元件群74对从各LD31、32、33、···3n输出的激光进行受光，并检测激光的光强度，来测定LD31、32、33、···3n的寿命(劣化)或故障。
控制模块62也可以基于寿命测定元件群74的检测结果使达到寿命(劣化)或故障的LD的输出停止，并提高其他正常的LD的输出来补偿存在异常的LD的输出部分。另外，控制模块62也可以基于寿命测定元件群74的检测结果，提高劣化的LD的控制电流值，来接近额定输出。
控制模块62还可以基于监视部73的监视结果和基于寿命测定元件群74的检测结果，来确定(推测)多波长的激光的输出下降原因。具体来说，当来自监视部73的存在异常的LD的识别信息所包含的LD在寿命测定元件群74的检测结果中光强度未下降(未检测出故障或劣化)时，控制模块62确定多波长的激光的输出下降原因并不是LD的故障或劣化，而是多波长的激光的失调。此外，该功能也可以设为监视部73侧的功能，而不是控制模块62侧。
由此，在多波长的激光的输出下降时，可以将其原因区分为LD的故障或劣化、或多波长的激光的失调。这里，由于确定输出下降的原因为光谱合束部50的失调，可以避免如LD故障或劣化时的对策那样为了获得额定输出而增加电流值的反馈，从而可以防止光纤损耗及光纤烧损。另外，由于明确输出下降的原因，因此可以采取正确的对策。
进一步地，在由于光谱合束部50的失调而使输出下降的情况下，光束参数积(BPP)劣化。在单波长的激光的情况下，即使是未形成问题的程度的输出下降，在多波长激光的情况下由于与其相伴的BPP劣化，有时仍将造成加工不良。进而，在由于光谱合束部50的失调而输出下降时，入射至传输光纤12时的发热使段差变高且容易烧损。因此，由于确定输出下降的原因为光谱合束部50的失调，因此即使由于LD故障或劣化造成不需要对策的程度的输出下降，仍可以直接使装置停止从而防止传输光纤12的烧损。
控制模块62有时也仅基于监视部73的监视结果，就能够确定(推定)光谱合束部50失调为原因。具体来说，如图5(c)所示，在相对于正常时的波长分布，多个波长λ1、λ3的强度大幅下降的情况下，或在设计上不进行激光振荡且不应该变化的波长域强度发生变化时，可以确定(推定)原因是光谱合束部50的失调，而不是LD劣化或故障。
＜激光的输出监视方法＞
一边参照图6的流程图，一边对使用本发明的实施方式所涉及的DDL加工装置的输出监视方法的一例进行说明。
在步骤S1中，检测机构7对从传输光纤12射出的多波长的激光的一部分进行采样，并按波长对所采样的激光的光强度进行检测。
在步骤S2中，监视部73根据检测机构7的检测结果生成波长分布。在步骤S3中，对监视部73生成的波长分布和从存储器读取的正常时的波长分布进行比较。如果所生成的波长分布的变化相对于正常时在预定阈值以上，则判定为LD存在异常，并转入步骤S4。
在步骤S4中，监视部73对控制模块62通知存在异常的LD的识别信息和警报。控制模块62接收警报并使装置停止。
如以上说明那样，根据本发明的实施方式，对多波长的激光的一部分进行采样，按波长对所采样的激光的光强度进行检测，并基于多波长激光的每个波长的光强度(波长分布)的变化，对多波长的激光的输出下降进行监视，基于监视结果来控制多个激光二极管，由此可以适当地监视输出下降。因此，可以防止基于烧损或BPP增加而造成的加工不良。
(其他实施方式)
本发明由实施方式所记载，但是不应理解为形成本公开的一部分的论述及附图对本发明有所限定。根据本公开，本领域技术人员将明确各种代替实施方式、实施例及运用技术。
在本发明的实施方式中，说明了检测机构7被搭载在激光加工机13内的准直透镜15与聚光透镜18之间(加工头部分)，并对从传输光纤12射出后的激光进行采样的情况，但是并不特别限定于此。例如，也可以搭载于图3所示的激光振荡器11内的光谱合束部50与传输光纤12之间。检测机构7检测入射至传输光纤12前的激光的光强度。
另外，图1所示的传输光纤12由连接至激光振荡器11的第1传输光纤、以及连接至第1传输光纤与激光加工机13之间的第2传输光纤这2根构成，在第1及第2传输光纤通过光束耦合器(Beam coupler)等光学要素连接时，也可以在该光学要素部分搭载检测机构7。检测机构7对从第1光纤射出的激光的光强度进行检测。
本发明的实施方式所涉及的DDL加工装置的板金加工除了切断加工外，还可以应用于激光成形加工、退火、焖火及消融等各种板金加工。
这样，本发明当然包含在这里未记载的各种实施方式等。因此，本发明的技术范围根据上述说明，仅通过妥当的要求专利保护的范围所涉及的发明特定事项来确定。
根据本发明，可以提供在使用多波长的激光来进行加工时，能够恰当地对多波长的激光的输出下降进行监视的直接二极管激光加工装置及其输出监视方法。
(美国指定)
本国际专利申请涉及美国指定，针对2014年10月14日申请的日本国专利申请第2014-209913号，引用基于美国专利法第119条(a)的优先权权益，并引用该公开内容。

Claims (9)

1.一种直接二极管加工装置，其特征在于，具备：
激光振荡器，其具有使多波长的激光振荡的多个激光二极管；
传输光纤，其对通过所述激光振荡器振荡后的多波长的激光进行传输；
激光加工机，其对通过所述传输光纤传输的多波长的激光进行汇聚来加工被加工材；
检测机构，其对所述多波长的激光的一部分进行采样，并按波长对该采样的激光的光强度进行检测；
监视部，其基于所述多波长的激光的每个波长的光强度的变化，来监视所述多波长的激光的输出下降；以及
控制模块，其基于所述监视部的监视结果来控制所述多个激光二极管的输出。
2.根据权利要求1所述的直接二极管加工装置，其特征在于，
在所述多波长的激光的每个波长的光强度中的某一个相较于正常时变化了预定阈值以上时，所述监视部判定为所述多波长的激光的输出下降，并且确定与所述光强度为预定阈值以下的波长相对应的激光二极管，
所述控制模块使由所述监视部确定的激光二极管的输出停止，并且提高其他正常的激光二极管的输出以便对停止了该输出的激光二极管的输出量进行补偿。
3.根据权利要求1所述的直接二极管加工装置，其特征在于，
在所述多波长的激光的每个波长的光强度的总和相较于正常时变化了预定阈值以上时，所述监视部判定为所述多波长的激光的输出下降，
在由所述监视部判定为多波长的激光的输出下降的情况下，所述控制模块使装置停止。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的直接二极管加工装置，其特征在于，
该直接二极管加工装置还具备：多个光电二极管，其分别检测从所述多个激光二极管分别输出的激光的光强度，
所述控制模块基于所述监视部的监视结果、以及所述多个光电二极管的检测结果，来判定对所述多波长的激光的输出下降的原因进行确定的情况。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的直接二极管加工装置，其特征在于，所述检测机构具备：
分离元件，其对所述多波长的激光的一部分进行分离；
分光元件，其按波长对所述分离后的激光进行分光；以及
检测元件群，其按波长对所述分光后的激光进行检测。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的直接二极管加工装置，其特征在于，
所述检测机构被设置在所述激光加工机内，对从所述传输光纤射出的多波长的激光的光强度进行检测。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的直接二极管加工装置，其特征在于，
所述传输光纤具备：第1传输光纤，其被连接至所述激光振荡器；以及第2传输光纤，其被连接至所述第1传输光纤与所述激光加工机之间，
所述检测机构被设置在所述第1传输光纤及第2传输光纤之间，对从所述第1传输光纤射出的多波长的激光的光强度进行检测。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的直接二极管加工装置，其特征在于，
所述检测机构被设置在所述激光振荡器内，对入射至所述传输光纤前的多波长的激光的光强度进行检测。
9.一种直接二极管加工装置的输出监视方法，该直接二极管加工装置为权利要求1～8中任一项所述的直接二极管加工装置，其特征在于，该方法包含：
对所述多波长的激光的一部分进行采样，并按波长对该采样的激光的光强度进行检测的步骤；以及
基于所述多波长的激光的每个波长的光强度的变化，来监视所述多波长的激光的输出下降的步骤。
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