CN113165114A - 激光加工装置及激光加工方法 - Google Patents

Abstract

将激光(1)照射至加工对象物(W)而进行使加工对象物(W)分离为加工品(29)和边角料(28)的切断加工的激光加工装置(100)的特征在于，具有：喷嘴(15)，其朝向加工点喷射气体；旋转机构(16)，其使喷嘴(15)或加工对象物(W)绕光轴(1a)旋转；以及控制部，其在切断加工的期间，对旋转机构(16)进行控制以使得喷嘴(15)从加工品(29)侧朝向加工点喷射气体。

Description

激光加工装置及激光加工方法

技术领域

本发明涉及将激光照射至加工对象物而将加工对象物切断的激光加工装置及激光加工方法。

背景技术

近年，作为兼具高强度和轻量的材料，由如碳纤维强化塑料(CFRP：Carbon FiberReinforced Plastic)这样的母材和强化纤维构成的纤维强化复合材料正在受到关注。纤维强化复合材料的母材和强化纤维各自具有不同的特性，因此已知加工困难。激光加工装置能够通过提高激光输出而提高加工速度，因此在要求加工速度的情况下，有时在纤维强化复合材料的加工中使用激光加工装置。

在激光加工装置的领域中，有时一边喷射气体而将分解生成物吹飞，一边进行激光加工，以使得在加工时产生的分解生成物不会积存于加工部位。例如，在专利文献1中公开了具有朝向激光加工位置附近喷射气体的喷嘴的激光加工装置。在该激光加工装置中对喷嘴的位置进行控制以使得成为切断行进方向的前侧。

专利文献1：日本特开平05－329679号公报

发明内容

但是，在使用专利文献1所记载的技术而对纤维强化复合材料进行加工的情况下，存在下述问题，即，在加工时生成的分解生成物会附着于加工对象物，导致加工品质降低。特别是在以高速进行切断的情况下，生成的分解生成物变多。

具体地说，在纤维强化复合材料中，母材的熔点和强化纤维的熔点不同，强化纤维的熔点大多高于母材的熔点。在该情况下，与强化纤维的熔点相匹配地对激光的强度进行调整，因此分解生成物的温度成为与强化纤维的熔点相同的程度，高于母材的熔点。在对由单一材料构成的加工对象物进行激光加工的情况下，如果喷射气体而分解生成物的温度降低，低于加工对象物的熔点，则即使通过气体的喷射而被吹飞的分解生成物与加工对象物接触也没有问题。但是，例如在CFRP中，碳纤维的熔点为3500度，与此相对，作为母材的树脂的熔点低，为250度左右，因此难以使分解生成物的温度低于母材的熔点，如果与加工对象物接触，则分解生成物会附着于母材。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，得到能够提高纤维强化复合材料的加工品质的激光加工装置。

为了解决上述的课题，达到目的，本发明所涉及的激光加工装置将激光照射至加工对象物而进行使加工对象物分离为加工品和边角料的切断加工，该激光加工装置的特征在于，具有：喷嘴，其向加工点喷射气体；旋转机构，其使喷嘴或加工对象物绕激光的光轴旋转；以及控制部，其在切断加工的期间，对旋转机构进行控制以使得喷嘴从加工品侧朝向加工点喷射气体。

发明的效果

本发明所涉及的激光加工装置具有下述效果，即，能够提高纤维强化复合材料的加工品质。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的激光加工装置的功能结构的图。

图2是表示图1所示的激光加工装置的硬件结构例的图。

图3是图2的俯视图。

图4是图2所示的激光加工装置的效果的说明图。

图5是表示用于实现图1所示的控制部的功能的硬件结构的图。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的实施方式所涉及的激光加工装置及激光加工方法详细地进行说明。此外，本发明不受本实施方式限定。

实施方式1.

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的激光加工装置100的功能结构的图。激光加工装置100具有激光振荡器11、光路12、加工头13、驱动部14、喷嘴15、旋转机构16、检测部17和控制部18。

激光加工装置100具有下述功能，即，向加工对象物W照射激光1，进行加工对象物W的切断加工。加工对象物W是包含母材及强化纤维在内的纤维强化复合材料。作为纤维强化复合材料的一个例子而举出CFRP。在该情况下，强化纤维是直径为5～10微米的碳纤维，母材是以环氧树脂为代表的热硬化型的树脂。碳纤维的导热率为100～800W/m·K，高于树脂的导热率0.3W/m·K。碳纤维的熔点为2000～3500度，高于树脂的熔点250度。

激光振荡器11使激光1振荡而射出。激光振荡器11例如是光纤激光振荡器、碳酸气体激光器、将YAG(Yttrium Aluminum Garnet)晶体等作为激励介质的固体激光器、直接二极管激光器等。

从激光振荡器11射出的激光1经由光路12向加工头13供给。光路12是将由激光振荡器11射出的激光1传送至加工头13为止的路径，可以是使激光1在空中传输的路径，也可以是经过光纤使激光1传送的路径。光路12与激光1的特性相应地被设计。

加工头13具有将激光1向加工对象物W聚光的光学系统。加工头13将供给的激光1向加工对象物W照射。加工头13优选具有在加工对象物W的表面附近聚焦这样的光学系统。

驱动部14能够对加工头13和加工对象物W的相对位置关系进行控制而使其变化。此外，在激光加工装置100中，驱动部14通过使加工头13的位置变化，从而使加工头13和加工对象物W的相对位置关系变化，但驱动部14也可以使对加工对象物W进行载置的工作台的位置变化，也可以使加工头13及对加工对象物W进行载置的工作台这两者的位置变化。即，驱动部14只要具有使加工头13及加工对象物W中的至少1个位置变化的功能即可。

驱动部14一边使加工头13和加工对象物W的相对位置关系变化，一边由加工头13对加工对象物W照射激光1，由此能够进行加工对象物W的切断加工。

喷嘴15是朝向加工点喷射气体的气体喷射喷嘴。加工点是从加工头13照射的激光1照射至加工对象物W的点，也可以说是激光1的光轴1a和加工对象物W相交的点。喷嘴15从光轴1a之外朝向光轴1a喷射气体。喷嘴15的位置通过使喷嘴15绕光轴1a旋转的旋转机构16而发生变化。喷嘴15的旋转轴与光轴1a一致。旋转机构16在喷嘴15的前端朝向光轴1a的状态下，使喷嘴15绕光轴1a旋转。

检测部17是对加工对象物W的状态或激光加工装置100的状态进行检测的传感器。检测部17对加工中的加工对象物W的位置、在加工中产生的光的强度及波长、声波、超声波这样的物理量的测量值进行测量而作为时间序列信号。检测部17例如是静电容量传感器、光电二极管、CCD(Charge Coupled Device)传感器、CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)传感器、光谱分光器、音响传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器、距离传感器、位置检测器、温度传感器、湿度传感器等。检测部17将表示测量值的时间序列信号输入至控制部18。

控制部18按照所设定的加工条件，对激光振荡器11、驱动部14、旋转机构16等进行控制，以使得激光1对加工对象物W上的加工路径进行扫描。加工条件例如包含加工对象物W的材质、厚度及表面的状态。加工条件还包含激光振荡器11的激光输出强度、激光输出频率、激光输出的占空比、模式、波形及波长等。加工条件能够包含激光1的焦点位置、激光的聚光直径、从喷嘴15喷射的气体的种类、气体压力、喷嘴的孔径、加工速度等。另外，加工条件也能够包含加工对象物W和加工头13之间的距离、温度、湿度等从检测部17输入的测量值。

图2是表示图1所示的激光加工装置100的硬件结构的一个例子的图。在这里，加工对象物W设为是包含作为强化纤维的碳纤维Wa和作为母材的树脂Wb在内的纤维强化复合材料。此外，将加工对象物W的表面设为XY平面，将与XY平面垂直的方向设为Z轴方向。激光1的照射方向与Z轴水平。

包含将激光1聚光至加工点的聚光透镜21的光学单元22是图1所示的加工头13的一部分。喷嘴15固定于旋转机构16。旋转机构16包含框体23、轴承24、齿轮25和伺服电动机26。旋转机构16的框体23经由轴承24能够旋转地支撑于光学单元22。旋转机构16的旋转中心与光轴1a一致。旋转机构16通过伺服电动机26使齿轮25旋转，由此能够将喷嘴15定位于任意的旋转角度。从控制部18输入的控制信号输入至旋转机构16的伺服电动机26，伺服电动机26按照控制信号进行动作，由此能够对喷嘴15的位置进行控制。

喷嘴15的前端构成为无论在喷嘴15处于哪个位置时都朝向光轴1a上的加工点。即，来自喷嘴15的气体的喷射方向D1朝向加工点。喷嘴15的朝向即气体的喷射方向D1和光轴1a所成的角度Ψ大于0度、小于90度。在喷嘴15连接有软管15a，供给从喷嘴15的前端喷射的气体。软管15a的长度额外地长出能够使喷嘴15正反旋转1周的量。

在喷嘴15固定有对与加工对象物W之间的距离h进行测量的间隙传感器27。在纤维强化复合材料的切断加工中，激光1的光束的聚光性越高，则越能够以高速且高品质进行切断加工。但是，聚光性高的光束的焦点深度浅，因此需要进行高精度的间隙控制，即，将与加工对象物W之间的距离h保持恒定的控制。间隙传感器27例如是静电容量式、接触式、涡电流式的传感器。间隙传感器27与喷嘴15一体地以光轴1a为中心进行旋转。在间隙传感器27连接有传感器线缆27a。传感器线缆27a与图1所示的控制部18连接，将表示间隙传感器27的测量值的时间序列信号供给至控制部18。控制部18基于该测量值对光学单元22的光轴方向的高度进行控制，以使得间隙成为恒定。传感器线缆27a的长度也与软管15a同样地，是足以使喷嘴15正反旋转1周的长度。

激光加工装置100对加工对象物W照射激光1，进行使加工对象物W分离为加工品29和边角料28的切断加工。加工品29是在切断加工后作为部件等被使用的一侧，边角料28是在切断加工后不需要的一侧。照射激光1的加工对象物W上的位置由控制部18进行控制，沿加工路径移动。在图2中示出了切断加工的中途的情形，因此加工路径是通过在已经进行了加工的加工对象物W形成的切断槽31和激光1的行进方向D2表示的。

图3是图2的俯视图。激光加工装置100通过对喷嘴15的位置进行控制，从而将在切断加工时产生的分解生成物30朝向边角料28吹飞。控制部18进行控制以使得喷嘴15与加工路径相比位于加工品29侧。喷嘴15构成为无论在喷嘴15处于哪个位置时均朝向光轴1a上的加工点，光轴1a位于加工路径上。因此，通过进行控制以使得喷嘴15与加工路径相比位于加工品29侧，从而能够将来自喷嘴15的气体的喷射方向D1朝向边角料28。如上所述，控制部18在切断加工的期间，能够使喷嘴15从加工品29侧经过加工点而朝向边角料28喷射气体。

控制部18对喷嘴15的位置进行控制，以使得在与光轴1a正交的平面中，将激光1的行进方向D2和从光轴1a朝向喷嘴15的方向所成的角度α维持为大于0度而小于180度。换言之，控制部18对喷嘴15的位置进行控制，以使得将包含光轴1a及激光1的行进方向D2在内的面和包含光轴1a及喷嘴15在内的面所成的角度α维持为大于0度而小于180度。通过以上述方式对喷嘴15的位置进行控制，从而在对纤维强化复合材料进行切断时喷出的分解生成物30向边角料28侧吹飞，因此切断加工后所需的加工品29侧能够抑制分解生成物30的附着。如上所述的效果是从喷嘴15喷射的气体压力越高则越有效，分解生成物30向光轴1a外的去除效果也越高。因此，通过如上述所示对喷嘴15的位置进行控制，从而能够兼顾将分解生成物30从光轴1a上去除、和在切断加工后减少加工对象物W的表面的污垢，能够实现高速且高品质的切断加工。

另外，在与光轴1a正交的平面中，从光轴1a朝向喷嘴15的方向和从光轴1a朝向间隙传感器27的方向所成的角度θ小于90度。换言之，包含光轴1a及喷嘴15在内的面和包含光轴1a及间隙传感器27在内的面所成的角度θ小于90度。在激光加工装置100对CFRP进行切断的情况下，有时从加工点起热分解不充分的碳纤维Wa也与分解生成物30一起喷出。碳纤维Wa具有导电性，因此如果碳纤维Wa侵入至间隙传感器27和加工对象物W之间，则静电容量大幅地变化而测量精度降低。因此，将角度θ设为小于90度，间隙传感器27与加工点相比位于气流的上游侧。通过设为如上所述的结构，从而能够抑制碳纤维Wa向间隙传感器27和加工对象物W之间侵入，高精度地对与加工对象物W之间的距离h进行测量。因此，能够使用聚光性良好的光束而实现高速且高品质的切断加工。

在间隙传感器27为接触式的情况下，如果分解生成物30附着于间隙传感器27而堆积，则以堆积的量对偏移的值进行检测。另外，在间隙传感器27为涡电流式的情况下，如果碳纤维Wa附着于间隙传感器27，则由于在碳纤维Wa具有导电性，因此也会产生测量误差。因此，通过将角度θ设为小于90度，从而能够抑制分解生成物30附着于间隙传感器27的情况，能够实现高速且高品质的切断加工。

另外，在与光轴1a正交的平面中，控制部18在切断加工的期间对旋转机构16进行控制，以使得维持激光1的行进方向D2和从光轴1a朝向间隙传感器27的方向所成的角度Φ小于90度。换言之，控制部18对旋转机构16进行控制，以使得将包含光轴1a及激光1的行进方向D2在内的面和包含光轴1a及间隙传感器27在内的面所成的角度Φ维持小于90度。如图2所示，在使用激光加工装置100对CFRP进行切断时，有时碳纤维Wa的切割端32从切断槽31伸出。碳纤维Wa具有导电性，因此在该切割端32的附近，静电容量式的间隙传感器27的测量精度降低。另外，切断槽31的凹陷也成为间隙传感器27的测量误差的主要原因。控制部18将角度Φ维持为小于90度，由此能够使间隙传感器27与加工点相比位于激光1的行进方向D2即切断的行进方向D2侧。因此，间隙传感器27不受从切断槽31伸出的碳纤维Wa的切割端32的影响，能够使用除了切断槽31以外的平坦的部分对距离h进行测量，因此能够抑制测量误差的产生。其结果，控制部18能够进行高精度的间隙控制，激光加工装置100能够实现高速且高品质的切断加工。

图4是图2所示的激光加工装置100的效果的说明图。在图4(a)中与图2所示的激光加工装置100同样地，示出了使用从光轴1a之外朝向光轴1a喷射气体的侧流喷嘴即喷嘴15的例子。在图4(b)中是在板金的切断加工中通常使用的对比例，示出了使用从沿光轴1a的方向朝向加工点喷射气体的轴流喷嘴的例子。

在轴流喷嘴的情况下，喷出的分解生成物30的一部分向加工对象物W的方向被推回，与加工对象物W的表面接触。在轴流喷嘴中，分解生成物30与加工对象物W的表面接触的接触部分33在隔着加工路径的两侧的大范围扩展。与此相对，在侧流喷嘴中，从光轴1a之外朝向光轴1a喷射气体，因此分解生成物30被吹飞的方向成为1个方向。因此，通过对喷嘴15的位置进行控制以使得气体的喷射方向D1相对于加工路径具有角度，即，不与加工路径变得平行，从而能够使得在通过加工路径分离的2个部分的一方形成接触部分33，在另一方不形成接触部分33。

在纤维强化复合材料中，大多是强化纤维的熔点高于母材的熔点，熔点的差大。例如，如上所述，在CFRP中，碳纤维Wa的熔点为3500度左右，树脂Wb的熔点为250度左右。在该情况下，切断加工时的加工点的温度与熔点高的一方相匹配地被调整，因此成为大于或等于3500度。因此，分解生成物30的温度也达到大于或等于3500度。在直至对分解生成物30喷射气体将其吹飞而与加工对象物W的表面接触为止的期间，分解生成物30的温度降低，在与接触部分33的熔点相比降低的情况下，即使分解生成物30与加工对象物W接触也没有问题。但是，分解生成物30的温度大于或等于3500度，树脂Wb的熔点为250度左右，因此在分解生成物30与加工对象物W接触时，温度低于树脂Wb的熔点的可能性低。因此，在纤维强化复合材料中，接触部分33被加工，加工对象物W的表面被污染。

如果降低从喷嘴15喷射的气体的气体压力，则能够减少加工对象物W的表面的污染，但分解生成物30在光轴1a上对流，分解生成物30将激光1的光束散射吸收，因此加工品质降低，或加工速度降低。在将气体压力例如提高为大于或等于0.1MPa的情况下，从光轴1a上将分解生成物30去除的效果提高，但接触部分33的面积会扩展。

因此，如在实施方式1中说明所述，通过对旋转机构16进行控制以使得朝向光轴1a喷射气体的喷嘴15与加工路径相比位于加工品29侧，从而能够将分解生成物30与加工对象物W的表面接触的接触部分33形成于边角料28侧，能够抑制加工品29与分解生成物30接触的情况。在该情况下，接触部分33形成于在切断加工后不需要的边角料28侧，因此接触部分33的面积可以扩展。因此，能够提高气体压力而加快加工速度。

图5是表示用于实现图1所示的控制部18的功能的硬件结构的图。激光加工装置100的控制部18的功能如图5所示，是通过具有CPU(Central Processing Unit)201、存储器202、存储装置203、显示装置204及输入装置205的控制装置实现的。由控制部18执行的功能是通过软件、固件或者软件和固件的组合而实现的。软件或固件作为计算机程序被记述而储存于存储装置203。CPU 201通过将在存储装置203中存储的软件或固件读出至存储器202而执行，从而实现控制部18的功能。即，计算机系统具有存储装置203，该存储装置203用于对在控制部18的功能由CPU 201执行时，实施在实施方式1中说明的控制部18的动作的程序步最终得以执行的程序进行储存。另外，这些程序可以说是使计算机执行实现控制部18的功能的处理。存储器202相当于如RAM(Random Access Memory)这样的易失性的存储区域。存储装置203相当于如ROM(Read Only Memory)、闪存这样的非易失性或易失性的半导体存储器、磁盘。显示装置204的具体例为监视器、显示器。输入装置205的具体例为键盘、鼠标、触摸面板。

如以上说明所述，根据本发明的实施方式1，激光加工装置100具有：喷嘴15，其从激光1的光轴1a之外朝向光轴1a喷射气体；旋转机构16，其使喷嘴15或加工对象物W绕光轴1a旋转；以及控制部18，其在切断加工的期间，对旋转机构16进行控制，以使得喷嘴15与切断加工的加工路径相比位于加工品29侧。通过如上所述的结构，朝向光轴1a喷射气体的喷嘴15与加工路径相比维持加工品29侧的位置，因此来自喷嘴15的气体的喷射方向D1朝向边角料28侧。因此，在切断加工的过程中产生的分解生成物30向边角料28侧吹飞，能够抑制分解生成物30向加工品29的附着。因此，能够提高纤维强化复合材料的加工品质。

另外，激光加工装置100具有间隙传感器27，该间隙传感器27固定于喷嘴15，对与加工对象物W之间的距离h进行检测。在这里，从光轴1a朝向喷嘴15的方向和从光轴1a朝向间隙传感器27的方向所成的角度θ小于90度。通过设为如上所述的结构，从而间隙传感器27的位置与加工点相比维持在气流的上游侧。因此，抑制碳纤维Wa向间隙传感器27和加工对象物W之间侵入，能够高精度地测量与加工对象物W之间的距离h。因此，能够使用聚光性良好的光束而实现高速且高品质的切断加工。

另外，激光加工装置100的控制部18在切断加工的期间，对旋转机构16进行控制，以使得将激光1的行进方向D2和从光轴1a朝向间隙传感器27的方向所成的角度Φ维持为小于90度。通过设为如上所述的结构，从而间隙传感器27的位置与加工点相比维持在激光1的行进方向D2侧。因此，间隙传感器27能够使用没有形成切断槽31的平坦的部分而对距离h进行测量，能够抑制测量误差的产生。其结果，激光加工装置100能够进行高精度的间隙控制，能够实现高速且高品质的切断加工。

以上的实施方式所示的结构，表示本发明的内容的一个例子，也能够与其他公知技术进行组合，在不脱离本发明的主旨的范围，也能够对结构的一部分进行省略、变更。

例如，在实施方式1中，旋转机构16使用齿轮25使喷嘴15的位置变化，但也可以通过传动带进行驱动。另外，在实施方式1中，示出了与旋转的喷嘴15相匹配地具有额外长度的软管15a，但也可以取代软管15a而使用利用了滑动的密封材料的旋转接头，向喷嘴15供给气体。同样地，在实施方式1中，与间隙传感器27连接的传感器线缆27a也与旋转的喷嘴15相匹配地具有额外长度，但也可以取代传感器线缆27a而使用电刷的集电环。

另外，在实施方式1中，旋转机构16使喷嘴15绕光轴1a旋转，但本实施方式并不限定于该例。例如，旋转机构16也可以使加工对象物W以光轴1a为中心而绕光轴1a旋转。

另外，在实施方式1中，加工对象物W为纤维强化复合材料，强化纤维为碳纤维Wa，作为母材的树脂Wb是以环氧树脂为代表的热硬化型树脂，但本实施方式并不限定于该例。强化纤维除了碳纤维Wa以外，也可以是碳化硅(SiC)、硼(B)等。另外，母材除了热硬化侧树脂以外，也可以是以聚酰胺树脂、聚碳酸酯树脂为代表的热可塑型树脂。并且，本实施方式所示的技术并不限定于纤维强化复合材料，适用于由热性质不同的多个材质构成的复合材料。另外，本实施方式所示的技术针对复合材料的效果特别高，但并不限定于复合材料，也能够使用于各种材料的激光加工。

标号的说明

1激光，1a光轴，11激光振荡器，12光路，13加工头，14驱动部，15喷嘴，16旋转机构，17检测部，18控制部，21聚光透镜，22光学单元，23框体，24轴承，25齿轮，26伺服电动机，27间隙传感器，28边角料，29加工品，30分解生成物，31切断槽，32切割端，33接触部分，100激光加工装置，201CPU，202存储器，203存储装置，204显示装置，205输入装置，D1喷射方向，D2行进方向，h距离，W加工对象物，Wa碳纤维，Wb树脂，α，Ψ，θ，Φ角度。

Claims (6)

1.一种激光加工装置，其将激光照射至加工对象物而进行使所述加工对象物分离为加工品和边角料的切断加工，

该激光加工装置的特征在于，具有：

喷嘴，其向加工点喷射气体；

旋转机构，其使所述喷嘴或所述加工对象物绕所述激光的光轴旋转；以及

控制部，其在所述切断加工的期间，对所述旋转机构进行控制以使得所述喷嘴从所述加工品侧朝向所述加工点喷射所述气体。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

还具有间隙传感器，该间隙传感器固定于所述喷嘴，对与所述加工对象物之间的距离进行检测，

包含所述光轴及所述喷嘴在内的面、和包含所述光轴及所述间隙传感器在内的面所成的角度小于90度。

3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，

所述控制部在所述切断加工的期间，将包含所述光轴及所述激光的行进方向在内的面、和包含所述光轴及所述间隙传感器在内的面所成的角度维持为小于90度。

4.一种激光加工方法，其特征在于，

包含下述步骤，即，激光加工装置将激光照射至加工对象物而进行使所述加工对象物分离为加工品和边角料的切断加工，

在所述切断加工的期间，从所述加工品侧朝向加工点喷射气体。

5.根据权利要求4所述的激光加工方法，其特征在于，

所述激光加工装置具有间隙传感器，该间隙传感器固定于喷射所述气体的喷嘴，对与所述加工对象物之间的距离进行检测，

将包含所述激光的光轴及所述喷嘴在内的面、和包含所述光轴及所述间隙传感器在内的面所成的角度设为小于90度。

6.根据权利要求5所述的激光加工方法，其特征在于，

在所述切断加工的期间，将包含所述光轴及所述激光的行进方向在内的面、和包含所述光轴及所述间隙传感器在内的面所成的角度维持为小于90度。

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