CN107127449A - 激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

一种具备能够排除来自被加工物的反射光所造成的不良影响并且高效地开始激光加工的功能的激光加工装置。激光加工装置具备：光传感器等反射光强度检测部，其检测从激光振荡器经由激光光学系统射出的激光中的、在工件的表面反射而重新射入到激光振荡器或激光光学系统的反射光的强度；光强度增加部，其使照射到工件表面上的激光的强度在规定的时间范围内渐增；下一工序选择部，其基于在照射到工件表面上的激光的强度增加的期间内、由反射光强度检测部检测出的反射光强度的经时变化，来选择下一工序的内容；以及执行部，其基于由下一工序选择部选择出的下一工序的内容，来执行激光加工的下一工序。

Description

激光加工装置
技术领域
本发明涉及一种具备能够抑制来自被加工物的反射光并且开始该被加工物的激光加工的功能的激光加工装置。
背景技术
已知以下一种技术：在对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2706498号公报中记载了一种激光加工装置，其具有：反射光检测单元，其检测由于工件表面处的反射而返回到激光振荡器内的反射激光的水平；探测单元，其探测反射激光的水平减少为规定值以下的时间点；以及指令单元，其以需要的输出水平输出激光来开始打孔加工，在反射激光的水平减少为规定值以下的时间点结束打孔加工，并继续输出下一个打孔加工的指令。
另外，在日本特开2012-076088号公报中记载了以下一种方法：在进行板状的工件的激光切割加工之前，进行对聚光透镜相对于工件的接近位置进行各种变更来对焦点相对于工件的位置进行各种变更的多次穿孔加工，保持在该多次穿孔加工时检测到的散射光量的检测值为最小值时的焦点位置来进行工件的激光切割加工。
在被加工物是钢、铝等容易反射激光的金属材料的情况下，有时在对被加工物照射激光的瞬间该激光的一部分在与往路相似的路径上沿反方向前进而作为反射光返回至激光振荡器，由此存在激光振荡器、激光光路发生故障、损坏的情况。这样，作为用于防止由于反射光返回至激光振荡器内而造成无法控制激光输出或光学系统发生损坏的以往技术例，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一致。
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同的路径上沿反方向前进，而作为反射光返回至激光振荡器。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越高。以往，为了防止过大的反射光，需要预先以暂定的条件对被加工物的表面照射激光，在反射光的强度高到造成不良影响的程度的情况下，对加工条件进行变更(优化)以降低反射光强度。
上述的日本专利第2706498号公报和日本特开2012-076088号公报所记载的技术虽然对反射光(散射光)进行检测，但是并不降低或排除由反射光对激光光源等造成的不良影响。另一方面，日本特开昭62-289387号公报公开了使照射头和反射材料中的一方或双方倾斜以避免由反射光造成的不良影响的意思。然而，因为需要对被加工物的表面斜着射入激光，因此无法进行在激光加工中向一般的被加工物的大致垂直的射入，或者，为了进行大致垂直的射入而需要设置能够自如地变更被加工物与激光的角度的单元。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种具备能够排除由来自被加工物的反射光造成的不良影响并且高效地开始激光加工的功能的激光加工装置。
为了达成上述目的，本申请发明提供一种激光加工装置，通过聚光光学系统对激光进行聚光后对被加工物照射该激光，由此来进行该被加工物的激光加工，该激光加工装置具备：反射光强度检测部，其检测从激光振荡器经由激光光学系统射出的激光中的、在所述被加工物的表面反射而重新射入到所述激光振荡器或所述激光光学系统的反射光的强度；聚光光学系统，其对从所述激光振荡器射出的激光进行聚光；光强度增加部，其使照射到所述被加工物的表面上的激光的强度在规定的时间范围内连续地增加；下一工序选择部，其基于在照射到所述被加工物的表面上的激光的强度增加的期间内、由所述反射光强度检测部检测出的反射光强度的经时变化，来选择下一工序的内容；以及执行部，其基于由所述下一工序选择部选择出的下一工序的内容，来执行激光加工的下一工序。
在优选的实施方式中，所述光强度增加部变更所述聚光光学系统的聚光点与被加工物之间的距离。或者，所述光强度增加部也可以变更射入到所述聚光光学系统的激光的光束直径。
在优选的实施方式中，由所述下一工序选择部选择的下一工序的内容是激光加工的继续进行、激光照射的停止或加工程序的中止、以及重试(retry)动作中的任一个。
所述激光加工装置也可以还具有对照射到所述被加工物的表面上的激光的强度的增加率进行设定的单元、变更从所述反射光强度转为减少起到转移至由所述下一工序选择部决定的下一工序为止的时间的单元。
在优选的实施方式中，在所述反射光强度在所述规定的时间内转为减少时，所述下一工序选择部选择激光加工的继续进行来作为下一工序。
另外，优选的是，在所述反射光强度超过了预先决定的第一阈值时，所述下一工序选择部选择激光照射的停止或加工程序的中止来作为下一工序。
并且，优选的是，在所述反射光强度在所述规定的时间内未转为减少、且在所述规定的时间内所述反射光强度未达到第二阈值时，所述下一工序选择部选择激光加工的继续进行来作为下一工序，该第二阈值低于预先决定的第一阈值。
并且，优选的是，在所述反射光强度在所述规定的时间内未转为减少、且在经过了所述规定的时间后所述反射光强度比预先决定的第一阈值低且比第二阈值高时，所述下一工序选择部选择重试动作来作为下一工序，该第二阈值低于所述第一阈值。在该情况下，优选的是，所述重试动作是在增加了激光输出、或者增加了激光的强度的增加率之后执行的。
在优选的实施方式中，在使照射到所述被加工物的表面上的激光的强度增加的期间内，由所述激光振荡器输出的激光输出被保持为固定。
附图说明
参照附图说明以下的优选的实施方式，由此会进一步明确本发明的上述或其它目的、特征以及优点。
图1是本发明的优选的实施方式所涉及的激光加工装置的功能框图。
图2是表示使包括聚光光学系统的加工头能够接近和远离工件的结构例的图。
图3是表示使加工头内的聚光光学系统能够接近和远离工件的结构例的图。
图4是表示设为激光光学系统能够变更光束直径的结构例的图。
图5是说明反射光强度在规定的时间内转为减少的例子的曲线图。
图6是说明反射光强度在规定的时间内未转为减少而超过第一阈值的例子的曲线图。
图7与图5类似，是说明使激光强度的增加率变化的例子的曲线图。
图8与图5类似，是说明设定、变更从反射光强度转为减少起到转移至下一工序为止的时间的例子的曲线图。
图9是表示通过激光照射而在工件表面形成的凹洼比较浅的例子的图。
图10是表示通过激光照射而在工件表面形成的凹洼比较深的例子的图。
图11与图5类似，是说明即使在未检测到反射光强度转为减少的情况下也能够继续进行激光加工的例子的曲线图。
图12与图11类似，是说明在未检测到反射光强度转为减少的情况下作为下一工序而转移至重试动作的例子的曲线图。
图13是说明作为重试动作的具体例而将激光输出变更为比前一次的激光输出大的值的例子的曲线图。
图14是说明作为重试动作的具体例而将激光强度的增加率变更为比前一次的激光强度的增加率大的值的例子的曲线图。
图15是表示激光输出呈现脉冲波形的例子的图。
具体实施方式
图1是本发明的优选的实施方式所涉及的激光加工装置10的功能框图。激光加工装置10构成为通过聚光光学系统16对从激光振荡器12经由激光光学系统14输出的激光进行聚光后对被加工物(工件)18的表面20(优选为大致垂直地)照射该激光(参照图2-图3)，来对工件18进行切割、焊接、穿孔、标记等规定的激光加工。
激光加工装置10具备：光传感器等反射光强度检测部22，其检测(监视)从激光振荡器12经由激光光学系统14射出的激光中的、在工件18的表面20反射而重新射入到激光振荡器12或激光光学系统14的反射光的强度；光强度增加部24，其使照射到工件表面20上的激光的强度在规定的时间范围内连续地增加(渐增)；下一工序选择(决定)部26，其基于在照射到工件表面20上的激光的强度增加的期间内、由反射光强度检测部22检测出的反射光强度的经时变化，来选择(决定)下一工序的内容；以及执行部28，其基于由下一工序选择部26选择(决定)出的下一工序的内容，来执行激光加工的下一工序。
图1所记载的各结构要素的动作能够由对激光加工装置10的基本动作进行控制的控制装置30(的处理器)自动地执行、控制，但是也能够由与控制装置30相分别的装置(例如个人计算机)来自动地执行、控制。另外，关于后述的激光加工装置10的功能(设定激光的强度的增加率的单元、变更到转移至下一工序为止的时间的单元等)也是，能够由控制装置30(的处理器)承担，但是也能够由与控制装置30相分别的装置(例如个人计算机)承担。
此外，本申请说明书中的反射光(的)强度是指在工件表面反射的光的每单位面积的光的强弱、或射入到对反射光进行检测的传感器的光的强弱，照射到工件表面上的激光(的)强度是指与朝向工件表面的激光的光轴方向垂直的面上的每单位面积的光的强弱。
图2-图4是表示相当于光强度增加部24的装置的具体例的图。图2示出了构成为将聚光光学系统(聚光透镜)16固定配置在加工头32内并且加工头32能够接近和远离工件18(上下运动)的例子。通过使用驱动轴等使加工头32相对于工件20移动，能够使照射到工件表面20的激光的能量密度(激光强度)逐渐增加(渐增)。
图3作为图2的代替例，示出了构成为将聚光光学系统(聚光透镜)16以可动的方式配置在加工头32内并且聚光光学系统16能够接近和远离工件18(上下运动)的例子。通过使用驱动轴等使聚光光学系统16相对于工件20移动，能够使照射到工件表面20的激光的能量密度(激光强度)逐渐增加(渐增)。图2和图3的例子在将聚光透镜16的聚光点34与工件表面20之间的距离设为能够变更这一方面是共通的。
图4示出了对射入到聚光光学系统(聚光透镜)16的激光的光束直径进行变更的单元，具体地说，能够使用图1所记载的激光光学系统14来使从激光振荡器12射出的激光的光束直径变化。例如，能够使用AO(Adaptive Optics，自适应光学)镜(曲率可变镜)作为激光光学系统14，通过改变该AO镜的曲率来使射入到聚光光学系统16的激光的光束直径变化，其结果，能够使照射到工件表面20的激光的能量密度(激光强度)逐渐增加。
图5是在同一时间轴上大致示出了激光加工装置10中的激光输出、照射到工件表面20的激光的强度以及来自工件表面20的反射光的强度的曲线图。当在时刻t1开始激光输出时(曲线36)，如图2-图4所例示的光强度增加部使照射到工件表面20的激光强度在规定的时间范围内逐渐增加(曲线38)。此时，伴随着照射到工件表面20的激光强度的增加而反射光强度也增加，但是在很多情况下，激光被工件表面20吸收，由此在工件表面20形成凹洼(凹坑)，如曲线40所示，反射光强度(监视强度)转为减少。
因而，通过检测到反射光强度的减少，能够判断为在工件表面20形成了凹洼，另外如果形成了凹洼，则工件表面20成为更容易吸收激光的表面状态。因此，在图5的例子中，无需继续增加激光强度直到时刻t2，而能够当反射光强度转为减少时立刻(例如时刻t3)停止激光输出并转移至下一工序(激光加工的继续进行)。在下一工序中，能够从初始开始就以高的激光强度进行加工，即，即使不使照射到工件表面20的激光强度逐渐增加(也就是说即使直接就对工件照射高强度的激光)，也能够在抑制了反射光的状态下开始加工。
图6是与图5类似的曲线图，但是示出了没有如图5那样在规定的时间范围内(t1～t2)形成凹洼的例子。具体地说，图6示出了以下情况：在时刻t1开始激光输出(曲线36)，在照射到工件表面20的激光强度在规定的时间范围内逐渐增加的期间(曲线38)内，反射光强度在时刻t4超过了预先决定的第一阈值L1(曲线42)。这样，在即使增加激光强度也没有在工件表面形成凹洼等而反射光强度超过第一阈值L1的情况下，存在由于反射光而造成激光振荡器等发生故障、损伤的可能性，因此优选的是停止激光输出。换言之，第一阈值L1设定为可能对激光振荡器等造成损伤等的强度、或者从该强度减去规定的余量而得到的值，例如能够经验性地确定。因而，该情况下的下一工序是激光照射的停止或与激光加工有关的加工程序的停止。
在工件由反射率高的材料形成的情况下，虽然也要看激光的强度，但是存在对工件照射激光的瞬间产生高的反射光且由于该反射光而造成激光振荡器等发生故障、损伤的情况。在图6所示的实施例中，能够当超过第一阈值时立刻停止激光输出(激光振荡器)，因此能够可靠地防止由反射光造成的激光振荡器等的故障、损伤。此外，也可以在反射光强度超过第一阈值L1时产生警报，使得作业者能够迅速地得知该意思。
图7是与图5类似的曲线图，但是示出了使激光强度(能量密度)的增加率变化的例子。基于激光强度的增加率而反射光强度也发生变化，因此通过事先求出激光强度的最优值，能够具有针对反射光的裕度。在图7的例子中，当设为如从虚线曲线44到实线曲线46那样变更了从时刻t1到时刻t2的激光的强度变化时，反射光强度如从虚线曲线48到实线曲线50那样地变化。
一般来说，存在反射光强度发生变动、根据工件表面的状态而反射光强度急剧地变高的情况。因此，希望反射光强度与成为警报产生(激光照射停止)的基准的第一阈值L1相比尽可能地低。因此，使激光的强度的增加率变化来事先求出反射光强度最小的最优条件，由此能够使得即使反射光强度变动也不超过第一阈值，从而能够可靠地转移至下一工序(通常的激光加工)。在图7的例子中，实线曲线50所示的反射光强度(的最大值)与虚线曲线48所示反射光强度(的最大值)相比更具有针对第一阈值L1的余量，因此可以说实线曲线是更合适的条件。
此外，作为使激光强度的增加率变化的单元，能够考虑各种方式，例如能够列举出使图2中的加工头32相对于工件18的移动速度、或者图3中的聚光光学系统16相对于工件18的移动速度变化的方式。另外在图4中，也可以使AO镜(可变曲率镜)的曲率的变化比率发生变化。
图8是与图5类似的曲线图，但是示出了设定、变更从反射光强度转为减少起到转移至下一工序为止的时间的例子。例如，在反射光强度刚转为减少之后(时刻t3)，如图9所示那样，形成的凹洼52比较浅，当之后也继续照射激光时(例如时刻t2)，如图10所示那样，形成的凹洼54比较深。这样，能够通过在反射光减少后也继续进行激光的照射来调整在工件表面形成的凹洼的深浅。如果凹洼比较深，则例如在下一工序中进行穿孔加工的情况下，能够缩短穿孔加工时间，能够以更低的激光输出进行穿孔加工。
图11是与图5类似的曲线图，但是示出了即使在未检测到反射光强度转为减少的情况下也能够继续进行激光加工的例子。例如，在工件由反射率低的材料形成时，存在难以检测到在工件表面形成了凹洼等而反射光强度转为减少的情况。因此，如图11的曲线56所示，能够事先设定低于上述的第一阈值L1的第二阈值L2，并在未检测到反射光强度转为减少、且反射光强度未达到第二阈值L2而经过了规定的时间(t1～t2)的情况下，转移至下一工序(激光加工的继续进行)。
这样，在规定的时间范围内反射光强度未超过低于第一阈值的第二阈值的情况下，能够认为即使继续进行激光加工，由于反射光而造成激光振荡器等发生损伤的可能性也低，因此即使没有检测到反射光强度转为减少，也能够继续进行激光加工。此外，第二阈值也能够经验性地确定。
图12是与图11类似的曲线图，但是示出了在未检测到反射光强度转为减少的情况下作为下一工序而转移至重试动作的例子。在图12的例子中，如曲线58所示，在规定的时间范围内(t1～t2)未检测到反射光强度转为减少，并且，在时刻t2反射光强度的峰值为第一阈值L1与第二阈值L2之间的值。优选的是，这种情况下的下一工序既不是激光加工的中止(如图6那样反射光强度超过第一阈值的情况)也不是激光加工的继续进行(如图11那样反射光强度未超过第二阈值的情况)，而是重试动作(也就是说反复进行使激光强度在规定的时间范围内逐渐增加的操作)。通过进行重试动作，在规定的时间范围内在工件表面形成凹洼(反射光强度转为减少)的可能性提高，因此作为结果，能够如图5那样转移至激光加工的继续。另外在图12的例子中，还能够防止在工件表面没有形成凹洼而在下一工序中过大的反射光重新射入。
图13和图14是说明与图12相关联地进行了说明的重试动作的优选的具体例的曲线图。重试动作既可以在与前一次动作的条件相同的条件(即向工件表面照射的激光强度的增加率相同)下进行，但是也可以如图13的曲线60所示那样将激光输出变更为比前一次的激光输出大的值来进行重试动作。在该情况下，激光强度如曲线62所示那样变化。或者，也可以如图14的曲线64所示那样将激光强度的增加率变更为比前一次的激光强度的增加率大的值来进行重试动作。
在激光加工中，有时由于工件表面的状态不好等理由而反射光强度存在大的偏差，从而难以确定加工条件。在这种情况下，通过如图13或图14示出的那样改变条件(具体地说，增加激光输出或增加激光强度的增加率)来进行重试动作，能够不论工件表面的状态如何都可靠地形成凹洼。
此外，在图5～图14示出的各实施例中，关于从时刻t1到时刻t2的时间，虽然也要看加工条件，但是大致为1秒～10秒，更优选为3秒～5秒。使激光强度渐增的时间(规定的时间范围)与反射光强度的经时变化的各模式(反射光强度转为减少、超过第一阈值)相应地设定为能够进行选择、决定适当的下一工序的内容的处理的程度的长度。
另外，在图5～图14示出的各实施例中，从激光振荡器输出的激光输出(上部曲线)优选为在使激光强度(中部曲线)增加的期间内保持为固定。为了抑制反射光，虽然也存在以低的激光输出开始激光加工并使激光输出逐渐增加的方法，但是在本实施例中，激光输出为固定即可，因此无需复杂的激光输出控制。另外此处的“保持为固定”除了如图5～图14所示的那样将激光输出设为连续波形(CW)的情况以外，还包括设为如图15所示的固定输出的脉冲波形的情况。
在本发明所涉及的实施例中，一边使激光的强度逐渐增加一边检测(监视)反射光，基于监视到的反射光强度的变化模式来选择并执行下一工序的内容。例如，在反射光强度转为减少的时间点，能够判断为在材料表面形成了凹洼，一旦开始形成凹洼，则成为激光易于被工件材料吸收的状态，因此在下一工序的加工中反射光减轻。另外，通过针对反射光设定阈值，即使未在工件表面形成凹洼等而反射光增大，也能够在产生过大的反射光之前使激光振荡器停止。
根据本发明所涉及的激光加工装置，能够自动地进行如下处理：一边使激光的强度逐渐增加一边检测(监视)反射光，基于检测出的反射光强度的经时变化来选择、执行激光加工的下一工序的内容。因而，能够与作业者的熟练度等无关地能够排除由过大的反射光造成的不良影响并且高效地开始激光加工。

Claims (12)

1.一种激光加工装置，通过聚光光学系统对激光进行聚光后对被加工物照射该激光，由此进行该被加工物的激光加工，该激光加工装置具备：
反射光强度检测部，其检测从激光振荡器经由激光光学系统射出的激光中的、在所述被加工物的表面反射而重新射入到所述激光振荡器或所述激光光学系统的反射光的强度；
聚光光学系统，其对从所述激光振荡器射出的激光进行聚光；
光强度增加部，其使照射到所述被加工物的表面上的激光的强度在规定的时间范围内连续地增加；
下一工序选择部，其基于在照射到所述被加工物的表面上的激光的强度增加的期间内、由所述反射光强度检测部检测出的反射光强度的经时变化，来选择下一工序的内容；以及
执行部，其基于由所述下一工序选择部选择出的下一工序的内容，来执行激光加工的下一工序。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述光强度增加部变更所述聚光光学系统的聚光点与被加工物之间的距离。
3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述光强度增加部变更射入到所述聚光光学系统的激光的光束直径。
4.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
由所述下一工序选择部选择的下一工序的内容是激光加工的继续进行、激光照射的停止或加工程序的中止、以及重试动作中的任一个。
5.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
还具有对照射到所述被加工物的表面上的激光的强度的增加率进行设定的单元。
6.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
还具有变更从所述反射光强度转为减少起到转移至由所述下一工序选择部决定的下一工序为止的时间的单元。
7.根据权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，
在所述反射光强度在所述规定的时间内转为减少时，所述下一工序选择部选择激光加工的继续进行来作为下一工序。
8.根据权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，
在所述反射光强度超过预先决定的第一阈值时，所述下一工序选择部选择激光照射的停止或加工程序的中止来作为下一工序。
9.根据权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，
在所述反射光强度在所述规定的时间内未转为减少、且在所述规定的时间内所述反射光强度未达到第二阈值时，所述下一工序选择部选择激光加工的继续进行来作为下一工序，该第二阈值低于预先决定的第一阈值。
10.根据权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，
在所述反射光强度在所述规定的时间内未转为减少、且在经过了所述规定的时间后所述反射光强度比预先决定的第一阈值低且比第二阈值高时，所述下一工序选择部选择重试动作来作为下一工序，该第二阈值低于所述第一阈值。
11.根据权利要求10所述的激光加工装置，其特征在于，
所述重试动作是在增加了激光输出、或者增加了激光的强度的增加率之后执行的。
12.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
在使照射到所述被加工物的表面上的激光的强度增加的期间内，由所述激光振荡器输出的激光输出被保持为固定。
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