CN113245706A - 激光加工方法、激光加工装置及其输出控制装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种激光加工方法、激光加工装置及其输出控制装置。本公开的激光加工装置(100)对蓝色激光振荡器(101)以及红外激光振荡器(102)的输出进行控制而使得：在对被加工物(1)检测到表面熔融之前，对被加工物(1)至少照射蓝色激光(L1)，并且在对被加工物(1)检测到表面熔融之后，对被加工物(1)照射的红外激光(L2)的功率比检测到表面熔融前增加。

Description

激光加工方法、激光加工装置及其输出控制装置
技术领域
本公开涉及激光加工方法、激光加工装置以及激光加工装置的输出控制装置。
背景技术
激光加工装置被广泛用于微细加工、焊接、标记、切断这样的各种加工。激光加工装置将激光束的能量局部聚光，对被加工物照射高能量密度的激光，因此能够高速地实现高精细的加工。
然而，激光具有向作为被加工物的铜、铝、铝合金等的吸收率差(换言之，反射率高)这样的缺点。其结果，需要照射高功率的激光。
另一方面，铜、铝、铝合金等的被加工物具有如下特性：一旦熔融，则对激光的反射率下降，吸收率提高。关注到这一点，以往开发了使被加工物的表面迅速地转移到熔融状态的技术。
例如，在专利文献1中公开了如下技术：在被加工物的初期加工阶段，对被加工物除了照射低功率的半导体激光之外还照射高功率的脉冲激光，从而促进被加工物的表面熔融。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-316282号公报
发明内容
本公开的激光加工方法的一个方式包括：第一照射步骤，在被加工物的表面熔融前的初期加工阶段，对所述被加工物至少照射蓝色激光；熔融检测步骤，检测所述被加工物的表面熔融；以及第二照射步骤，在检测到所述表面熔融之后，对所述被加工物照射功率比检测到表面熔融之前的功率大的红外激光。
本公开的激光加工装置的一个方式，具备：激光形成部，形成对被加工物照射的蓝色激光以及红外激光；熔融检测部，检测所述被加工物的表面熔融；以及输出控制部，对由所述激光形成部输出的所述蓝色激光以及所述红外激光的功率进行控制，所述输出控制部对所述激光形成部的输出进行控制而使得：在对所述被加工物检测到表面熔融之前，对所述被加工物至少照射蓝色激光，并且在对所述被加工物检测到表面熔融之后，对所述被加工物照射的红外激光的功率比检测到表面熔融前增加。
本公开的激光加工装置的输出控制装置的一个方式具备：输出控制部，控制对被加工物照射的激光的功率；以及熔融检测部，检测所述被加工物的表面熔融，所述输出控制部对所述激光的功率进行控制而使得：在对所述被加工物检测到表面熔融之前，对所述被加工物至少照射蓝色激光，在对所述被加工物检测到表面熔融之后，对所述被加工物照射的红外激光的功率比检测到表面熔融前增加。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的激光加工装置的主要部分结构的概略图。
图2是用于说明实施方式的激光加工装置的动作的图。
符号说明
1 被加工物
100 激光加工装置
101 蓝色激光振荡器
102 红外激光振荡器
110 激光头
111 聚光透镜
120 驱动部
130 功率计
140 输出运算部
150 输出控制部
L1 蓝色激光
L2 红外激光
L3 反射光
具体实施方式
如果使用专利文献1的激光加工方法，则能够促进被加工物的熔融，使被加工物的表面迅速地转移到熔融状态，但在被加工物的激光照射部分会由于高功率的脉冲激光而形成键孔，有可能产生飞溅、空隙等。
本公开考虑以上方面而完成，提供一种激光加工方法、激光加工装置以及激光加工装置的输出控制装置，能够进行高品质且高速的激光加工。
<1>完成本发明的经过
首先，在说明本发明的实施方式前，对完成本发明的经过进行说明。
本发明的发明人考虑了将波长不同的激光更具体而言是蓝色激光和红外激光这两者用于激光加工。在此，蓝色激光的波长为380～500[nm]，红外激光的波长为700～1100[nm]。蓝色激光具有向被加工物的吸收率高的特征，红外激光具有光束质量好(BPP(BeamParameter Products)、M2(M Square))小)的特征。
在此，对铜、铝、铝合金等的被加工物，红外激光在被加工物的表面熔融前的初期加工阶段存在吸收率低的缺点。为了弥补这一缺点，考虑在表面熔融前照射高功率的红外激光来促进熔融，但这样的话，在被加工物的固液相变化时会产生急剧的温度上升，因此熔融变得不稳定，会导致飞溅、凹陷孔的产生。
与此相对，对于铜、铝、铝合金等的被加工物，蓝色激光具有在被加工物的表面熔融前的初期加工阶段吸收率高于红外激光的优点。因此，如果使用蓝色激光，则能够以比红色激光低的功率形成熔融状态，因此熔融状态稳定化，能够抑制飞溅、凹陷孔的产生。
但是，难以实现用于产生高功率的蓝色激光的激光装置。其结果，在使用蓝色激光的情况下，在被加工物的熔融后也不得不照射低功率的蓝色激光，难以在被加工物确保充分的熔融体积。
因此，发明人认为如果使用蓝色激光和红外激光这两者并适当地选择它们的照射时刻，则能够实现高品质且高速的激光加工，从而完成了本发明。
本发明的激光加工方法以及装置的一个特征在于，在被加工物的表面熔融之前的初期加工阶段，对被加工物至少照射蓝色激光，在检测到被加工物的表面熔融之后，对被加工物照射功率比检测到表面熔融之前的功率大的红外激光。
<2>实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本公开的实施方式所涉及的激光加工装置100的主要部分结构的概略图。
激光加工装置100具有蓝色激光振荡器101、红外激光振荡器102、激光头110、驱动部120、功率计130、输出运算部140以及输出控制部150。
由蓝色激光振荡器101得到的蓝色激光以及由红外激光振荡器102得到的红外激光入射到激光头110。
激光头110具有聚光透镜111。入射到激光头110的蓝色激光L1以及红外激光L2被聚光透镜111照射到被加工物1的表面。
另外，在图1中，为了方便，将蓝色激光L1和红色激光L2错开记载，但实际上，蓝色激光L1和红色激光L2照射到被加工物1上的相同的点。例如，被引导至激光头110的蓝色激光L1以及红外激光L2在激光头110内通过分色镜、棱镜等波长合成单元(未图示)而重叠，照射到被加工物1上的相同的点。另外，在与扫描一起进行激光照射的情况下，也可以使蓝色激光L1在先，将红外激光L2照射到从蓝色激光L1向扫描后方偏离的位置。
驱动部120使被加工物1在与激光L1的光轴正交的面方向上移动。
功率计130测定来自被加工物1的反射光的功率。在本实施方式的情况下，测定来自被加工物1的红外激光L2的反射光L3的功率。
输出运算部140基于功率计130的测定结果，通过运算求出蓝色激光振荡器101以及红外激光振荡器102应输出的功率。
输出控制部150基于输出运算部140的运算结果，向蓝色激光振荡器101以及红外激光振荡器102发送输出控制信号。
图2是用于说明本实施方式的激光加工装置100的动作的图。
首先，如图2的(A)所示，在被加工物1的表面熔融前的初期加工阶段，激光加工装置100对被加工物1照射蓝色激光L1和红外激光L2。此时的蓝色激光L1被控制为高功率，红外激光L2被控制为低功率。但是，如上所述，即使蓝色激光L1是高功率，与红外激光L2的高功率(参照图2的(C))相比也是非常低的功率。
在图2的(A)的状态下，通过相对于铜、铝合金等的被加工物1的吸收率高的蓝色激光L1来促进表面熔融。此外，在图2的(A)中，由于被加工物1的表面为熔融前，因此通过功率计130测定出高功率的反射光L3。
不久，如图2的(B)所示，若被加工物1的表面熔融，则被加工物1的表面的红外激光L2的吸收率上升，反射率下降，因此反射光L3的功率降低(时间点t1)。若检测出这样的反射光L3的功率的降低，则激光加工装置100转移到图2的(C)所示的状态。
如图2的(C)所示，激光加工装置100在检测到反射光L3的功率降低的时间点t1之后(换句话说，检测到表面熔融之后)，提高红外激光L2的功率。由此，在被加工物1的表面熔融后，能够利用高功率的红外激光L2进行确保了充分的熔融体积的激光加工。顺便提及，检测到表面熔融后的蓝色激光L1可以如图2的例子那样仍控制为高功率，或者也可以控制为低功率。
不久，激光加工装置100若在时间点t2对被加工物1完成了期望的熔融，则如图2的(D)所示，停止来自蓝色激光振荡器101以及红外激光振荡器102的蓝色激光L1以及红外激光L2的输出。
如以上说明的那样，根据本实施方式的激光加工装置100，在被加工物1的表面熔融前的初期加工阶段，对被加工物1至少照射蓝色激光L1，在检测到被加工物1的表面熔融之后，对被加工物1照射功率比检测到表面熔融之前大的红外激光L2。
由此，通过向被加工物1的吸收率高的蓝色激光L1来促进被加工物1的表面熔融，在检测到表面熔融之后，通过高功率的红外激光L1来确保熔融体积，因此能够进行高品质且高速的激光加工。
<3>其他实施方式
上述实施方式只不过示出了实施本发明时的具体化的一个例子，本发明的技术范围并不被这些实施方式限定性地解释。即，本发明能够在不脱离其主旨或者其主要特征的范围内以各种形式实施。
在上述实施方式中，对在被加工物1的表面熔融前的初期加工阶段中，除了蓝色激光L1以外还照射红外激光L2的情况进行了说明，但在初期加工阶段，未必需要照射红外激光L2。也可以代替红外激光L2而照射能够检测表面熔融的其他参照光。此外，也可以设置对被加工物1的表面进行摄像的摄像部，基于该摄像部的摄像图像来检测被加工物1的表面熔融。总之，只要能够检测被加工物1的表面熔融即可。
但是，若如上述实施方式那样在熔融检测中使用低功率的红外激光L2，则在检测到表面熔融之后照射高功率的红外激光L2时，具有红外激光L2的上升变快、加工精度提高这样的优点。
此外，关于检测到表面熔融之后的蓝色激光L1，更优选根据在熔融检测中检测到的表面熔融状态而进行增减控制。例如，如果基于红外激光L2的反射光L3的等级的变化量(＝初期熔融的生长的速度)来调整表面熔融后的蓝色激光L1的功率，则能够使表面熔融后的熔融更稳定。例如，在反射光L3的变化量大的情况下，换句话说初期熔融急剧发展的情况下，有可能因蓝色激光L1而产生飞溅、空隙。因此，在这样的情况下，通过降低蓝色激光L1的功率，能够维持良好的变化量，使品质稳定化。相反，在反射光L3的变化量小的情况下，存在初期熔融不充分的可能性，因此优选提高蓝色激光L1的功率。
<4>总结
本公开的激光加工方法的一个方式包括：第一照射步骤，在被加工物的表面熔融前的初期加工阶段，对所述被加工物至少照射蓝色激光；熔融检测步骤，检测所述被加工物的表面熔融；以及第二照射步骤，在检测到所述表面熔融之后，对所述被加工物照射功率比检测到表面熔融之前的功率(包括0)大的红外激光。
在本公开的激光加工方法的一个方式中，在所述第一照射步骤中，对所述被加工物除了蓝色激光以外还照射功率比给定阈值低的红外激光，在所述熔融检测步骤中，基于功率比所述给定阈值低的红外激光的来自所述被加工物的反射光来检测所述表面熔融，在所述第二照射步骤中，照射所述给定阈值以上的功率的红外激光。
在本公开的激光加工方法的一个方式中，在所述第一照射步骤中，除了蓝色激光以外还照射红外激光，并且在所述第二照射步骤中，除了比所述第一照射步骤大的功率的红外激光以外还照射蓝色激光，在所述第二照射步骤中照射的蓝色激光的功率根据在所述熔融检测步骤中检测到的表面熔融状态而被增减控制。
本公开的激光加工装置的一个方式具备：激光形成部(蓝色激光振荡器101，红外激光振荡器102)，形成对被加工物1照射的蓝色激光L1以及红外激光L2；熔融检测部(功率计130)，检测被加工物1的表面熔融；以及输出控制部(输出运算部140、输出控制部150)，控制由激光形成部(蓝色激光振荡器101、红外激光振荡器102)输出的蓝色激光L1以及红外激光L2的功率，输出控制部(输出运算部140、输出控制部150)控制激光形成部(蓝色激光振荡器101、红外激光振荡器102)的输出而使得：在对被加工物1检测到表面熔融之前，对被加工物1至少照射蓝色激光L1，并且在对被加工物1检测到表面熔融之后，对被加工物1照射的红外激光L2的功率比检测到表面熔融前增加。
在本公开的激光加工装置的一个方式中，输出控制部(输出运算部140、输出控制部150)控制激光形成部(蓝色激光振荡器101、红外激光振荡器102)的输出而使得：在对被加工物1检测到表面熔融之前，对被加工物1除了蓝色激光L1以外还照射功率比给定阈值低的红外激光L2，并且在对被加工物1检测到表面熔融之后，照射给定阈值以上的功率的红外激光L2。
在本公开的激光加工装置的一个方式中，输出控制部(输出运算部140、输出控制部150)控制激光形成部(蓝色激光振荡器101、红外激光振荡器102)的输出而使得：在对被加工物1检测到表面熔融之前，对被加工物1除了蓝色激光L1以外还照射功率比给定阈值低的红外激光L2，并且，在对被加工物1检测到表面熔融之后，除了给定阈值以上的功率的红外激光L2以外还照射蓝色激光L1，并且，在对被加工物1检测到表面熔融之后照射的蓝色激光L1的功率，根据由熔融检测部(功率计130)检测到的表面熔融状态而增减。
在本公开的激光加工装置的一个方式中，熔融检测部具有检测从被加工物反射的反射光的光量的光检测器(功率计130)，基于在被加工物1的表面熔融前对被加工物1照射的功率比给定阈值低的红外激光L2的来自被加工物1的反射光L3的功率，检测被加工物1的表面熔融。
在本公开的激光加工装置的一个方式中，熔融检测部具有对被加工物1的表面进行摄像的摄像部，基于该摄像部的摄像图像来检测被加工物1的表面熔融。
本公开的激光加工装置的输出控制装置的一个方式具备：输出控制部(输出运算部140、输出控制部150)，控制对被加工物1照射的激光的功率；以及熔融检测部(功率计130)，检测被加工物1的表面熔融，输出控制部(输出运算部140、输出控制部150)控制激光L1、L2的功率而使得：在对被加工物1检测到表面熔融之前，对被加工物1至少照射蓝色激光L1，在对被加工物1检测到表面熔融之后，对被加工物1照射的红外激光L2的功率比检测到表面熔融前增加。
在本公开的激光加工装置的输出控制装置的一个方式中，输出控制部(输出运算部140、输出控制部150)控制激光形成部(蓝色激光振荡器101、红外激光振荡器102)的输出而使得：在对被加工物1检测到表面熔融之前，对被加工物1除了蓝色激光L2以外还照射功率比给定阈值低的红外激光L2，并且，在对被加工物1检测到表面熔融之后，照射给定阈值以上的功率的红外激光L2。
在本公开的激光加工装置的输出控制装置的一个方式中，输出控制部(输出运算部140、输出控制部150)控制激光形成部(蓝色激光振荡器101、红外激光振荡器102)的输出而使得：在对被加工物1检测到表面熔融之前，对被加工物1除了蓝色激光L1以外还照射功率比给定阈值低的红外激光L2，并且，在对被加工物1检测到表面熔融之后，除了给定阈值以上的功率的红外激光L2以外还照射蓝色激光L1，并且，在对被加工物1检测到表面熔融之后照射的蓝色激光L1的功率，根据由熔融检测部(功率计130)检测到的表面熔融状态而增减。
在本公开的激光加工装置的输出控制装置的一个方式中，熔融检测部具有检测从被加工物1反射的反射光的光量的光检测器(功率计130)，基于在被加工物1的表面熔融前向被加工物1照射的功率比给定阈值低的红外激光L2的来自被加工物1的反射光L3的功率，检测被加工物1的表面熔融。
在本公开的激光加工装置的输出控制装置的一个方式中，熔融检测部具有对被加工物1的表面进行摄像的摄像部，基于该摄像部的摄像图像来对被加工物1的表面熔融进行检测。
根据本公开，能够进行高品质且高速的激光加工。
产业上的可利用性
本发明具有能够进行高品质且高速的激光加工的效果，能够广泛应用于进行焊接、切断等的激光加工方法、激光加工装置以及激光加工装置的输出控制装置。

Claims (13)

1.一种激光加工方法，包括：
第一照射步骤，在被加工物的表面熔融前的初期加工阶段，对所述被加工物至少照射蓝色激光；
熔融检测步骤，检测所述被加工物的表面熔融；以及
第二照射步骤，在检测到所述表面熔融之后，对所述被加工物照射功率比检测到表面熔融之前的功率大的红外激光。
2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中，
在所述第一照射步骤中，对所述被加工物除了蓝色激光以外还照射功率比给定阈值低的红外激光，
在所述熔融检测步骤中，基于功率比所述给定阈值低的红外激光的来自所述被加工物的反射光来检测所述表面熔融，
在所述第二照射步骤中，照射所述给定阈值以上的功率的红外激光。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工方法，其中，
在所述第一照射步骤中，除了蓝色激光以外还照射红外激光，并且在所述第二照射步骤中，除了比所述第一照射步骤大的功率的红外激光以外还照射蓝色激光，
在所述第二照射步骤中照射的蓝色激光的功率，根据在所述熔融检测步骤中检测到的表面熔融状态而被增减控制。
4.一种激光加工装置，具备：
激光形成部，形成对被加工物照射的蓝色激光以及红外激光；
熔融检测部，检测所述被加工物的表面熔融；以及
输出控制部，对由所述激光形成部输出的所述蓝色激光以及所述红外激光的功率进行控制，
所述输出控制部对所述激光形成部的输出进行控制而使得：
在对所述被加工物检测到表面熔融之前，对所述被加工物至少照射蓝色激光，并且
在对所述被加工物检测到表面熔融之后，对所述被加工物照射的红外激光的功率比检测到表面熔融前增加。
5.根据权利要求4所述的激光加工装置，其中，
所述输出控制部对所述激光形成部的输出进行控制而使得：
在对所述被加工物检测到表面熔融之前，对所述被加工物除了蓝色激光以外还照射功率比给定阈值低的红外激光，并且
在对所述被加工物检测到表面熔融之后，照射所述给定阈值以上的功率的红外激光。
6.根据权利要求4或5所述的激光加工装置，其中，
所述输出控制部对所述激光形成部的输出进行控制而使得：
在对所述被加工物检测到表面熔融之前，对所述被加工物除了蓝色激光以外还照射功率比给定阈值低的红外激光，并且
在对所述被加工物检测到表面熔融之后，除了所述给定阈值以上的功率的红外激光以外还照射蓝色激光，并且
在对所述被加工物检测到表面熔融之后照射的蓝色激光的功率，根据由所述熔融检测部检测到的表面熔融状态而增减。
7.根据权利要求5或6所述的激光加工装置，其中，
所述熔融检测部具有检测从所述被加工物反射的反射光的光量的光检测器，基于在所述被加工物的表面熔融前对所述被加工物照射的功率比给定阈值低的所述红外激光的来自所述被加工物的反射光的功率，检测所述被加工物的表面熔融。
8.根据权利要求4所述的激光加工装置，其中，
所述熔融检测部具有对所述被加工物的表面进行摄像的摄像部，基于该摄像部的摄像图像来检测所述被加工物的表面熔融。
9.一种激光加工装置的输出控制装置，具备：
输出控制部，控制对被加工物照射的激光的功率；以及
熔融检测部，检测所述被加工物的表面熔融，
所述输出控制部对所述激光的功率进行控制而使得：
在对所述被加工物检测到表面熔融之前，对所述被加工物至少照射蓝色激光，
在对所述被加工物检测到表面熔融之后，对所述被加工物照射的红外激光的功率比检测到表面熔融前增加。
10.根据权利要求9所述的激光加工装置的输出控制装置，其中，
所述输出控制部对所述激光的功率进行控制而使得：
在对所述被加工物检测到表面熔融之前，对所述被加工物除了蓝色激光以外还照射功率比给定阈值低的红外激光，
在对所述被加工物检测到表面熔融之后，照射所述给定阈值以上的功率的红外激光。
11.根据权利要求9或10所述的激光加工装置的输出控制装置，其中，
所述输出控制部对所述激光的功率进行控制而使得：
在对所述被加工物检测到表面熔融之前，对所述被加工物除了蓝色激光以外还照射功率比给定阈值低的红外激光，并且
在对所述被加工物检测到表面熔融之后，除了所述给定阈值以上的功率的红外激光以外还照射蓝色激光，并且
在对所述被加工物检测到表面熔融之后照射的蓝色激光的功率，根据由所述熔融检测部检测到的表面熔融状态而增减。
12.根据权利要求10所述的激光加工装置的输出控制装置，其中，
所述熔融检测部具有检测从所述被加工物反射的反射光的光量的光检测器，基于在所述被加工物的表面熔融前对所述被加工物照射的功率比给定阈值低的所述红外激光的来自所述被加工物的反射光的功率，检测所述被加工物的表面熔融。
13.根据权利要求9所述的激光加工装置的输出控制装置，其中，
所述熔融检测部具有对所述被加工物的表面进行摄像的摄像部，基于该摄像部的摄像图像来检测所述被加工物的表面熔融。
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