CN108620726A - 激光加工装置及激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加工装置及激光加工方法，其中激光加工方法使用包括产生连续波激光光的连续波激光振荡器(12)、及将所述连续波激光光集中于一点并照在加工对象物上的聚光透镜(18)的激光加工装置(10)，激光加工装置(10)包括：连续波激光振荡器(12)，产生连续波激光光；聚光透镜(18)，将连续波激光光集中于一点并照在加工对象物上；以及延迟时间设定部件，根据加工数据计算由连续波激光光的照射所进行的每次加工的工作量并且进行累积，当其累积工作量超过规定的阈值时在加工与加工之间设定规定的延迟时间。本发明简易地抑制经由聚光透镜对加工对象物照射连续波激光时的热透镜效应。

Description

激光加工装置及激光加工方法

技术领域

本发明涉及一种激光加工装置及激光加工方法，所述激光加工装置具备产生连续波激光光的连续波激光振荡器、及将连续波激光光集中于一点并照在加工对象物上的聚光透镜，且根据加工数据对加工对象物照射多次连续波激光光，由此进行多次加工。

背景技术

激光有断续地射出功率高的激光光的脉冲激光、及连续地射出激光光的连续波激光。脉冲激光所擅长的加工种类根据脉冲宽度的长短或重复频率的高低而不同。例如钇铝石榴石(Yttrium Aluminium Garnet，YAG)的脉冲激光的脉冲宽度为0.2ms～10ms而比较大，可将热充分地传递至加工对象物并使加工对象物确实地熔化，因此适合于焊接或切断、开孔等巨大的材料加工，但重复频率为30Hz以下而低，若高速地进行扫描，则加工痕迹(点)分离而无法作为文字进行识别，因此不适合于标记(印字)或图案化等表面加工。另一方面，例如Q开关激光的脉冲宽度为纳秒级而比较小，因此在热传递至加工对象物之前激光照射已结束，无法使加工对象物充分地熔化而不适合于焊接等材料加工，但可仅削去加工对象物的表层，因此适合于标记等高速地进行表面加工。因此，当利用脉冲激光进行材料加工与表面加工这样的种类不同的加工时，存在如下的问题：必须对应于加工种类使用振荡特性不同的激光加工装置，成本变高。

对此，发明者发现了通过控制连续波激光的输出与扫描速度，可利用一台激光振荡器实现材料加工与表面加工。但是，连续波激光存在如下的情况：由激光光朝聚光透镜的连续射入所引起的热积累变得过大而产生热透镜效应(thermal lens effect)，使加工品质下降。所谓热透镜效应，是指透镜本身吸收激光光且温度上升，焦点位置因折射率的变化或由热膨胀所引起的应变而变动的现象。若焦点位置变动，则加工点处的光点直径变大，因此功率密度(激光输出/光点的剖面面积)的值变小，作为结果，成为焊接不良或标记时的文字的缺损的原因。

作为所述热透镜效应的对策，可列举使用难以吸收激光光的合成石英玻璃制的聚光透镜。但是，合成石英玻璃制的聚光透镜的价格非常高。另外，合成石英玻璃的折射率的温度系数(dn/dT)约为7.5×10^-6，与一般的光学玻璃(BK7)的折射率的温度系数相比也约大5倍，因此存在如下的缺点：透镜因激光加工时所产生的溅射或烟雾等而污损，若一旦产生激光光的吸收，则热透镜效应增大。

作为其他热透镜对策，在专利文献1中提出有如下的技术，即在投影曝光装置中，当制造半导体元件时利用投影光学系统将中间掩模面上的电子电路图案投影至晶片面上时，调整构成所述投影光学系统的透镜吸收曝光的光、温度上升且光学特性变化时的所述光学特性的变化，具体而言，利用包含压电元件的压力传感器测定透镜的由热膨胀所引起的形状变化，并根据其测定结果修正透镜的焦点位置的变动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1日本专利特开平5-144701号公报

发明内容

发明所要解决的问题

在专利文献1的投影曝光装置中，从照明系统发出，并透过中间掩模的光射入至透镜的比较广的范围内，因此透镜的温度一样地上升，伴随于其的热膨胀也一样。因此，可认为直接测定透镜的由热膨胀所引起的形状变化，并根据其测定结果调整投影光学系统的光学特性的方法在投影曝光装置中有用。

但是，在激光加工装置中，由激光光所产生的热进入至透镜的局部，因此伴随于其的热膨胀也不一样。因此，即便将专利文献1中所提出的所述方法用于激光加工装置，也无法准确地测定透镜的由热膨胀所引起的形状变化，而无法稳定地进行加工。另外，专利文献1中所提出的方法需要用以测定透镜的形状变化的压力传感器或修正焦点位置的变动的驱动机构，装置复杂化并且价格高。

本发明的目的在于消除所述现有技术的问题，并提供一种可简易地抑制经由聚光透镜对加工对象物照射连续波激光时的热透镜效应的激光加工装置及激光加工方法。

解决问题的技术手段

本发明是一种激光加工装置，包括产生连续波激光光的连续波激光振荡器、及将所述连续波激光光集中于一点并照在加工对象物上的聚光透镜，且根据加工数据对所述加工对象物照射所述连续波激光光来进行加工，为了达成所述目的，其具备延迟时间设定部件，根据所述加工数据计算由所述连续波激光光的照射所进行的每次加工的工作量并且进行累积，当其累积工作量超过规定的阈值时，在加工与加工之间设定规定的延迟时间。

再者，在本发明的激光加工装置中，所述延迟时间设定部件优选以根据所述加工数据中所含有的所述连续波激光光的输出及加工时间，计算由所述连续波激光光的照射所进行的每次加工的所述工作量的方式构成。

另外，在本发明的激光加工装置中，优选具备聚光透镜旋转部件，当包含所述延迟时间的加工步骤整体的周期时间超过容许周期时间时，使所述聚光透镜绕其光轴旋转来代替至少一次的延迟时间的设定。

进而，在本发明的激光加工装置中，优选具备扫描部件，在所述加工中包含焊接，当进行所述焊接时以形成比所述连续波激光光的光点直径大的焊接部的方式扫描所述连续波激光光。

另外，本发明是一种激光加工方法，其使用具备产生连续波激光光的连续波激光振荡器、及将所述连续波激光光集中于一点并照在加工对象物上的聚光透镜的激光加工装置，根据加工数据对所述加工对象物照射所述连续波激光光来进行加工，为了达成所述目的，包括根据所述加工数据计算由所述连续波激光光的照射所进行的每次加工的工作量并且进行累积，当其累积工作量超过规定的阈值时，在加工与加工之间设定规定的延迟时间。

再者，在本发明的激光加工方法中，优选根据所述加工数据中所含有的所述连续波激光光的输出及加工时间，计算由所述连续波激光光的照射所进行的每次加工的所述工作量。

另外，在本发明的激光加工方法中，优选当包含所述延迟时间的加工步骤整体的周期时间超过容许周期时间时，使所述聚光透镜绕其光轴旋转来代替至少一次的延迟时间的设定。

进而，在本发明的激光加工方法中，在所述加工中包含焊接，优选当进行所述焊接时扫描所述连续波激光光来形成比所述连续波激光光的光点直径大的焊接部。

进而，在所述加工中包含焊接与标记，优选对位于与进行所述焊接的面不同的高度位置的面进行所述标记。

此外，在本发明的激光加工方法中，优选对比进行所述焊接的面更位于所述聚光透镜侧的面进行所述标记。

发明的效果

根据本发明的激光加工装置及激光加工方法，延迟时间设定部件计算、积累由激光所进行的每次加工的工作量，当其积累工作量超过规定的阈值时在加工与加工之间设定延迟时间(间隔)，由此确保聚光透镜的冷却时间，因此可通过简易的装置构成来抑制热透镜效应。进而，可利用1台激光加工装置进行焊接等材料加工与标记等表面加工这样的要求不同的振荡特性的加工，因此可大幅度地节约设备投资费用，并且可削减设置空间。进而，可一次性实现对加工对象物进行焊接及标记等多种加工时的在平台上的定位，因此可缩短加工时间。另外，由定位所引起的重复误差可通过一次性地进行定位而最小化。此外，通过在焊接等加工时进行批号等的标记，可确实地进行加工时间点的记录，可提升追踪精度。

附图说明

图1是根据本发明的一实施方式的激光加工装置的概略构成图。

图2是表示在图1的激光加工装置的平台上配置光电二极管，以与实际的焊接加工相同的输出、加工时间对光电二极管照射激光光并测定激光光的能量的结果的图。

图3是表示利用热电偶测定以与实际的焊接加工相同的输出、加工时间对光电二极管照射激光光时的聚光透镜的温度变化的结果的图。

图4是表示根据本发明的一实施方式的激光加工方法中的步骤的流程图。

图5是表示呈圆周状地扫描激光光来形成比激光光的光点直径大的焊接部的状态的示意图。

图6是表示在加工对象物的高度不同的面上形成焊接与标记的状态的加工对象物的立体图。

符号的说明

10：激光加工装置；

12：连续波激光振荡器；

14：X轴流电扫描仪；

14a、16a：马达；

16：Y轴流电扫描仪；

14b、16b：镜子；

18：聚光透镜；

20：平台；

22：控制装置；

24：带有轮的马达；

A：加工对象物；

S1～S11：步骤X、Y、Z：方向。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行详细说明。此处，图1是根据本发明的一实施方式的激光加工装置的概略构成图。

如图1所示，实施方式的激光加工装置10包括：连续波激光振荡器12、X轴流电扫描仪(Galvano Scanner)14、Y轴流电扫描仪16、聚光透镜18、加工对象物A以被定位的状态得到固定的平台20、以及控制装置22。

连续波激光振荡器12向流电扫描仪14、流电扫描仪16射出用于激光加工的连续波激光光(以下，也简称为“激光光”)。作为连续波激光振荡器12，例如可使用波長为1000nm～1100nm，光的传播模式为单模(single mode)的连续波光纤激光。

X轴流电扫描仪14及Y轴流电扫描仪16是协同动作来构成本发明的扫描部件者，分别包含带有旋转编码器的马达14a、马达16a，及固定于马达14a、马达16a的旋转轴上并反射激光光的镜子14b、镜子16b。X轴流电扫描仪14对镜子14b进行旋转驱动，由此使激光光朝X轴方向扫描。另一方面，Y轴流电扫描仪16对镜子16b进行旋转驱动，由此使激光光朝Y轴方向扫描。

聚光透镜18是将通过X轴流电扫描仪14及Y轴流电扫描仪16所扫描的激光光集中于一点并照在加工对象物A上者。聚光透镜18可使用能够使所扫描的激光光的焦点位于加工对象物A的同一加工面上的fθ透镜。

控制装置22是包含具备运算部或存储部、各种接口等的计算机，控制激光加工装置10的整体的动作者。在控制装置22中输入包含每次加工的形状、位置、激光光输出、激光光照射时间(加工时间)等的加工数据，并根据所输入的加工数据控制从连续波激光振荡器12照射激光光的动作与时机、及X轴流电扫描仪14与Y轴流电扫描仪16的动作。

进而，控制装置22是以根据加工数据计算由激光光的照射所进行的每次加工的工作量并且进行累积，当其累积工作量超过规定的阈值时，在加工与加工之间设定规定的延迟时间(间隔)的方式构成。因此，控制装置22构成本发明中的延迟时间设定部件。具体而言，以根据加工数据中所含有的激光光的输出及加工时间，计算由激光光的照射所进行的每次加工的工作量的方式构成。每次加工的工作量可通过使对应于激光光的各输出的事先测定的工作率乘以加工时间来求出。

工作率可通过在激光加工装置10的平台20上配置光电二极管，并对所述光电二极管照射与实际的加工时相同的输出的激光光来进行测定。图2表示在激光加工装置10的平台20上配置光电二极管，以与实际的焊接加工(图示例中为3个部位焊接)相同的输出、加工时间对光电二极管照射激光光并测定激光光的能量的结果。将以所述方式测定的激光光的每次输出的能量转换成工作率，并先存储在控制装置22的存储部中。

另外，相对于积累工作量的所述规定的阈值成为判定伴随激光光的吸收的聚光透镜18的温度上升就热透镜效应的观点而言是否在容许范围内时的基准，累积工作量与聚光透镜18的温度上升的关联可通过在利用光电二极管测定工作率的同时，利用热电偶等测定聚光透镜18的温度变化来获得。

图3表示利用热电偶测定以与实际的焊接加工(图示例中为3个部位焊接)相同的输出、加工时间对光电二极管照射激光光时的聚光透镜18的温度变化的结果。图中的容许温度Tmax是即便产生热透镜效应，也可以确保加工品质的聚光透镜18的最大温度，可知在至第2点为止的激光光照射中，聚光透镜18的温度上升为容许温度Tmax以下，但在第3点的激光光照射中超过容许温度Tmax。因此，根据聚光透镜18的温度上升与积累工作量的关联，所述规定的阈值在所述例中相当于对至第2点为止的工作量进行累计所得者。

另外，与测定聚光透镜18的温度上升一并测定停止激光光照射时的聚光透镜18的温度下降率。所述温度下降率可在求出设定于加工与加工之间的延迟时间时使用。若根据图3的例进行说明，则可将延迟时间设为紧接于第2点的激光光照射后的聚光透镜18的温度下降至第2点的激光光照射前的温度为止所需的时间，经过此种延迟时间后进行第3点的激光光照射，由此如图中虚线所示那样，可避免聚光透镜18的温度超过容许温度Tmax。

再者，控制装置22根据加工数据算出每次加工的工作量并且进行累计，当其积累工作量一旦超过规定的阈值时，也可以在其后的所有加工与加工之间设定的延迟时间。

另外，如图1所示，所述实施方式的激光加工装置10具备使聚光透镜18绕其光轴旋转的带有轮的马达24，当包含延迟时间的加工步骤整体的周期时间超过容许周期时间时，控制装置22使马达24运转，而使聚光透镜18绕其光轴旋转来代替至少一次的延迟时间的设定。因此，马达24及控制装置22构成本发明中的聚光透镜旋转部件。再者，若在激光加工中聚光透镜18旋转，则存在因聚光透镜18的振动等而导致加工品质的下降之虞，因此聚光透镜18的旋转优选在加工与加工的间歇期实施。

继而，关于使用如以上那样构成的激光加工装置10的根据本发明的一实施方式的激光加工方法，基于图4的流程图进行说明。

在所述实施方式的激光加工方法中，在步骤S1中将加工对象物A定位及固定于平台20上，在步骤S2中控制装置22读取所输入的加工数据，在步骤S3中对加工对象物A照射激光光来进行加工(例如焊接)，在步骤S4中作为延迟时间设定部件的控制装置22根据加工数据计算由激光光的照射所进行的每次加工的工作量并且进行累积，在步骤S5中作为延迟时间设定部件的控制装置22判定累积工作量是否为规定的阈值以下，当累积工作量为规定的阈值以下时，视为聚光透镜18的温度上升为容许温度以下而返回步骤S3进行接下来的加工(例如焊接)。另一方面，当在步骤S5中累积工作量超过规定的阈值时，在步骤S6中作为延迟时间设定部件的控制装置22计算必要的延迟时间(间隔)，继而在步骤S7中控制装置22判定包含延迟时间的加工步骤整体的周期时间是否在事先设定的容许周期时间内，当在容许周期时间内时，经过步骤S8中的延迟时间后，在步骤S11中进行接下来的加工(例如标记)后结束加工。另一方面，当在步骤S7中包含延迟时间的加工步骤整体的周期时间超过容许周期时间时，在步骤S9中使聚光透镜18绕其光轴仅旋转规定角度来代替延迟时间的确保，继而在步骤S10中使聚光透镜18停止后，在步骤S11中进行接下来的加工(例如标记)后结束加工。

因此，根据所述实施方式的激光加工装置10及激光加工方法，控制装置22计算、积累由激光光所进行的每次加工的工作量，当其积累工作量超过规定的阈值时在加工与加工之间设定延迟时间(间隔)，由此确保聚光透镜18的冷却时间，因此可通过简易的装置构成来抑制热透镜效应。进而，可利用1台激光加工装置10进行焊接等材料加工与标记等表面加工这样的要求不同的振荡特性的加工，因此可大幅度地节约设备投资费用，并且可削减设置空间。进而，可一次性实现对加工对象物A进行焊接及标记等多种加工时的在平台20上的定位，因此可缩短加工时间。另外，由定位所引起的重复误差可通过一次性地进行定位而最小化。此外，通过在焊接等加工时进行批号等的标记，可确实地进行加工时间点的记录，可提升追踪精度。

然而，当对焊接特定部位定点照射激光光来进行焊接时，若激光输出小，则焊接部的直径变小且焊接部的强度不足，若激光输出大，则产生在加工对象物A中开孔这一不良情况，因此在利用定点照射的焊接中，加工品质的确保并不容易。因此，在所述实施方式的激光光加工装置10及激光加工方法中，作为扫描部件的X轴流电扫描仪14及Y轴流电扫描仪16如图5所示那样，以使激光光的光点沿着圆形的轨跡(图中的点划线)进行扫描来形成比激光光的光点直径大的焊接部的方式构成。由此，可防止焊接部的开孔并形成直径大的焊接部而提高焊接部的强度。再者，为了防止激光光的光点的轨跡密集而局部地进行加热，优选将激光光的光点的轨跡的直径设为激光光的光点直径的2倍以上。另外，激光光的光点也可以沿着椭圆形状或多边形状等的轨跡进行扫描。

另外，当利用激光光进行焊接时，为了提高能量密度，光点直径越小越好(例如约0.06mm)，但若直接以所述光点直径进行标记，则所形成的线过细而导致可见度下降。因此，在所述实施方式的激光加工装置10及激光加工方法中，优选使激光光的焦点适合进行焊接的面，但与进行标记的面不一致且光点直径得到扩大。其也可以通过使聚光透镜18及平台20的至少一者在Z轴方向(参照图1)上移动来实现，但如图6所示，可通过在加工对象物A的进行焊接的面与进行标记的面之间事先形成高度方向(Z轴方向)的阶差这一简单的方法来实现。再者，在从聚光透镜18来看激光光的焦点的近前侧与内侧，近前侧的激光光的功率分布一致，即相对于光点直径，功率呈同心圆状地分布，因此更优选对比进行焊接的面更位于聚光透镜18侧的面进行标记。

以上，根据附图对本发明进行了说明，但本发明并不限定于所述实施方式，可在专利申请的记载范围内进行追加、变更，例如聚光透镜18也可以使用远心透镜(TelecentricLens)。

产业上的可利用性

根据本发明，可提供一种可简易地抑制经由聚光透镜对加工对象物照射连续波激光时的热透镜效应的激光加工装置及激光加工方法。

Claims (10)

1.一种激光加工装置，包括产生连续波激光光的连续波激光振荡器、及将所述连续波激光光集中于一点并照在加工对象物上的聚光透镜，且根据加工数据对所述加工对象物照射所述连续波激光光来进行加工，其特征在于：

包括延迟时间设定部件，根据所述加工数据计算由所述连续波激光光的照射所进行的每次加工的工作量并且进行累积，当其累积所述工作量超过规定的阈值时，在加工与加工之间设定规定的延迟时间。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述延迟时间设定部件是以根据所述加工数据中所含有的所述连续波激光光的输出及加工时间，计算由所述连续波激光光的照射所进行的每次加工的所述工作量的方式构成。

3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，包括聚光透镜旋转部件，当包含所述延迟时间的加工步骤整体的周期时间超过容许周期时间时，使所述聚光透镜绕其光轴旋转来代替至少一次的延迟时间的设定。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，包括扫描部件，在所述加工中包含焊接，当进行所述焊接时以形成比所述连续波激光光的光点直径大的焊接部的方式扫描所述连续波激光光。

5.一种激光加工方法，其使用包括产生连续波激光光的连续波激光振荡器、及将所述连续波激光光集中于一点并照在加工对象物上的聚光透镜的激光加工装置，根据加工数据对所述加工对象物照射所述连续波激光光来进行加工，其特征在于：

根据所述加工数据计算由所述连续波激光光的照射所进行的每次加工的工作量并且进行累积，当其累积工作量超过规定的阈值时，在加工与加工之间设定规定的延迟时间。

6.根据权利要求5所述的激光加工方法，其特征在于，根据所述加工数据中所含有的所述连续波激光光的输出及加工时间，计算由所述连续波激光光的照射所进行的每次加工的所述工作量。

7.根据权利要求5或6所述的激光加工方法，其特征在于，当包含所述延迟时间的加工步骤整体的周期时间超过容许周期时间时，使所述聚光透镜绕其光轴旋转来代替至少一次的延迟时间的设定。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的激光加工方法，其特征在于，在所述加工中包含焊接，当进行所述焊接时扫描所述连续波激光光来形成比连续波激光光的光点直径大的焊接部。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的激光加工方法，其特征在于，在所述加工中包含焊接与标记，对位于与进行所述焊接的面不同的高度位置的面进行所述标记。

10.根据权利要求9所述的激光加工方法，其特征在于，对比进行所述焊接的面更位于所述聚光透镜侧的面进行所述标记。