CN113543922A - 激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

提供能够正确把握工序条件、工序状态的激光加工装置。激光加工装置(1)具备：加工激光源(20)，其生成在规定期间中具有连续的能量密度的加工激光(CL)；第一光学系统(31、32)，其将加工激光(CL)照射于加工对象物(W)的表面；脉冲激光源(50)，其生成具有比加工激光(CL)的能量密度高的峰值的能量密度的脉冲激光(PL)；第二光学系统(61、62)，其朝向加工对象物(W)的加工部(P)照射脉冲激光(PL)；以及光检测部(80)，其检测由加工对象物(W)的加工部(P)产生的等离子光。

Description

激光加工装置
技术领域
本发明涉及激光加工装置，特别涉及将激光照射于加工对象物来加工加工对象物的激光加工装置。
背景技术
在将激光照射于加工对象物来加工加工对象物时，在激光通过由加工产生的蒸气(羽流：plume)时，羽流过热从而产生等离子光。公知这种等离子光对应于此时的工序条件以及工序状态而变化。因此，通过测定在加工加工对象物时产生的等离子光，能够把握此时的工序条件以及工序状态，由此能够判定激光加工的优劣，或者进行针对激光加工的反馈。
将激光照射于加工对象物来加工加工对象物的激光加工装置多数将光纤激光器、YAG激光器作为激光源来使用(例如参照专利文献1)。通过这种激光源生成的激光的波长比通过二氧化碳气体激光器生成的激光的波长(10.6μm)短，这种短波长的激光具有难以被电离的羽流吸收的性质。因此，在加工中产生的等离子光的量少，难以从等离子光正确地把握工序条件以及工序状态。
专利文献1：日本特开2018－144085号公报
发明内容
本发明是鉴于这种现有技术的问题点完成的，目的在于提供能够正确地把握工序条件、工序状态的激光加工装置。
根据本发明的一个方式，提供能够正确地把握工序条件、工序状态的激光加工装置。该激光加工装置具备：加工激光源，其生成在规定期间中具有连续的能量密度的加工激光；第一光学系统，其将上述加工激光照射于加工对象物的表面；脉冲激光源，其生成能量密度的峰值比上述加工激光的能量密度高的脉冲激光；第二光学系统，其朝向上述加工对象物的加工部照射上述脉冲激光；以及光检测部，其检测由上述加工对象物的上述加工部产生的等离子光。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式中的激光加工装置的整体结构的示意图。
图2是表示在图1所示的激光加工装置中使用的激光的输出在时间上的变化的图解。
图3是表示在图1所示的激光加工装置中被检测的等离子光的光量在时间上的变化的一个例子的图解。
图4是表示本发明的第二实施方式中的激光加工装置的整体结构的示意图。
图5是表示本发明的第三实施方式中的激光加工装置的整体结构的示意图。
图6是表示图5所示的激光加工装置中的第三光纤的结构的示意剖视图。
具体实施方式
以下，针对本发明的激光加工装置的实施方式，参照图1～图6详细进行说明。此外，在图1～图6中，对相同或相当的构成要素标注相同的附图标记并省略重复说明。另外，在图1～图6中，存在各构成要素的比例尺、尺寸被夸张示出的情况、一部分构成要素被省略的情况。
图1是表示本发明的第一实施方式中的激光加工装置1的整体结构的示意图。如图1所示，本实施方式中的激光加工装置1具备保持加工对象物W的工作台10、生成加工激光CL的加工激光源20、将加工激光CL照射于加工对象物W的表面的第一激光射出部30、将加工激光源20和第一激光射出部30连接的第一光纤40、生成脉冲激光PL的脉冲激光源50、朝向加工对象物W的加工部P照射脉冲激光PL的第二激光射出部60、将脉冲激光源50和第二激光射出部60连接的第二光纤70、以及检测在加工对象物W的加工部P产生的等离子光的光检测部80。此外，本说明书中的“加工部”是指包含通过加工激光CL加工的加工对象物W的表面上的加工点及其附近在内的空间。
作为加工激光源20，例如能够使用光纤激光器、YAG激光器。通过该加工激光源20生成的加工激光CL是所谓的连续波(CW)激光，如图2所示，至少具有在恒定期间(例如10毫秒)中连续的能量密度。该加工激光CL在第一光纤40的纤芯中传播，向第一激光射出部30入射。
第一激光射出部30包含对加工激光CL进行准直的准直透镜31和将通过准直透镜31进行了准直的加工激光CL聚光于加工对象物W的表面的聚光透镜32。上述透镜31、32构成将加工激光CL照射于加工对象物W的表面的第一光学系统。通过这样将高能量密度的加工激光CL照射于加工对象物W的表面，加工对象物W的表面的温度上升，加工对象物W融解或者蒸发，由此进行焊接、切断等加工。
作为脉冲激光源50，例如能够使用光纤激光器、YAG激光器。例如如图2所示，通过该脉冲激光源50生成的脉冲激光PL是脉冲宽度为几十nm、反复频率约为100Hz的脉冲光。该脉冲激光PL的能量密度的峰值比在该时刻的加工激光CL的能量密度高。在图2所示的例子中，脉冲激光PL的输出的峰值约为10kW，加工激光CL的平均输出约为1kW。
第二激光射出部60包含对脉冲激光PL进行准直的准直透镜61和将通过准直透镜61进行了准直的脉冲激光PL聚光于加工对象物W的加工部P的特定位置的聚光透镜62。上述透镜61、62构成朝向加工对象物W的加工部P照射脉冲激光PL的第二光学系统。这里，聚光透镜62的焦点可以位于加工对象物W的表面的加工点，也可以位于加工点的附近。为了增加后述等离子光的光量，优选聚光透镜62的焦点位于通过加工激光CL的照射从加工对象物W的表面产生的羽流内(例如距离加工对象物W的表面几mm～50mm的位置)。
若加工激光CL照射于加工对象物W的表面，则在加工对象物W的加工点产生高温的金属蒸气(羽流)。若激光在该羽流通过，则羽流过热产生等离子光。公知该等离子光的光量对应于加工激光CL的能量的变动、辅助气体的状态、加工对象物W的表面的污垢、被加工的材料的组成的变化、加工的接合点间的缝隙的变化之类的工序条件以及工序状态而变化。因此，通过检测等离子光的光量的变化，能够把握此时的工序条件以及工序状态，由此能够判定激光加工的优劣或者进行针对激光加工的反馈。
光检测部80用于检测这种等离子光，例如构成为包含能够检测可见光范围的光的公知光传感器等。该光检测部80经由信号线81与处理部90连接。在该处理部90中，根据通过光检测部80检测出的等离子光的光量决定该时刻的工序条件以及工序状态，根据需要判定激光加工的优劣或者使通过加工激光源20生成的加工激光CL的输出变化。
如上述所述，在本实施方式中，朝向加工对象物W的加工部P照射该能量密度的峰值比加工激光CL的能量密度高的脉冲激光PL。由于从羽流产生的等离子光的光量与产生的羽流的量和在羽流通过的光的能量密度成比例，所以通过这样将高能量密度的脉冲激光PL照射于加工对象物W的加工部P(羽流)，能够增加从羽流产生的等离子光的光量。因此，光检测部80中的等离子光的检测变容易，能够更正确地检测等离子光的光量的变化。另外，由于相对于加工激光CL独立地将脉冲激光PL照射于加工部P(羽流)，所以即便在根据加工条件使加工激光CL的参数进行了变动的情况下，仍能不受加工激光CL的参数的变化影响地在光检测部80中更正确地检测等离子光的光量的变化。其结果是，能够更正确地把握该时刻的工序条件、工序状态。
此外，虽然脉冲激光PL的能量密度的峰值比此时刻的加工激光CL的能量密度高，但由于脉冲激光PL是短脉冲宽度的脉冲波，所以脉冲激光PL对加工对象物W的表面(加工点)给予的影响小。换言之，由于图2中的脉冲激光PL的输出的时间积分值(平均输出)比加工激光CL的输出的时间积分值(平均输出)小，所以脉冲激光PL对加工对象物W的表面(加工点)给予的影响小。根据该观点，例如优选使脉冲激光PL的单位时间的输出比加工激光CL的单位时间的输出的十分之一小。
这里，优选使脉冲激光PL的能量密度的峰值恒定。通过这样使脉冲激光PL的能量密度的峰值恒定，即便在使加工激光CL的能量密度根据加工条件进行了变动的情况下，由于照射于羽流的脉冲激光PL的能量密度始终恒定，所以仍能不受加工激光CL的能量密度的变动影响地在光检测部80中更正确地检测等离子光的光量的变化。
作为使用等离子光的光量判定激光加工的优劣的方法，例如考虑如以下那样的方法。如图3所示，预先设定针对通过光检测部80检测的等离子光的光量的上限值T1以及下限值T2，将其存储于处理部90内的存储装置。处理部90比较通过光检测部80检测出的等离子光的光量与上限值T1以及下限值T2，如果通过光检测部80检测出的等离子光的光量处于上限值T1与下限值T2之间，则判断为正进行良好的加工。另一方面，在通过光检测部80检测出的等离子光的光量比上限值T1多或比下限值T2少的情况下，处理部90判断为未进行良好的加工，例如考虑使通过加工激光源20生成的加工激光CL的参数变化。
图4是表示本发明的第二实施方式中的激光加工装置101的整体结构的示意图。取代上述第一实施方式中的第一激光射出部30和第二激光射出部60，本实施方式的激光加工装置101具备单一的激光射出部130。该激光射出部130通过第一光纤40以及第二光纤70分别与加工激光源20以及脉冲激光源50连接。
激光射出部130包含对加工激光CL进行准直的准直透镜131、对脉冲激光PL进行准直的准直透镜132、镜子133以及聚光透镜134。镜子133构成为对加工激光CL的波长的光进行反射、使脉冲激光PL的波长的光透过的分色镜。
聚光透镜134构成为，将通过准直透镜131被准直、通过镜子133反射的加工激光CL聚光于加工对象物W的表面，并且将通过准直透镜132被准直、透过镜子133的脉冲激光PL聚光于加工对象物W的加工部P的特定位置。这里，通过调整准直透镜132的位置，能够将脉冲激光PL聚光于加工对象物W的表面的加工点或者加工点附近的位置(羽流)。另外，通过使准直透镜132的F值相对增大，能够提高通过聚光透镜134被聚光的脉冲激光PL的能量密度。
这样，在本实施方式中，准直透镜131、镜子133以及聚光透镜134构成将加工激光CL照射于加工对象物W的表面的第一光学系统，准直透镜132、镜子133以及聚光透镜134构成朝向加工对象物W的加工部P照射脉冲激光PL的第二光学系统。即，在第一光学系统与第二光学系统之间聚光透镜134被共享，由此能够减少所需的光学元件的数量，能够实现简易结构。
图5是表示本发明的第三实施方式中的激光加工装置201的整体结构的示意图。取代第二实施方式的激光射出部130，本实施方式的激光加工装置201具备与第一光纤40和第二光纤70连接的光合路器210、从光合路器210延伸的第三光纤220、以及与第三光纤220连接的激光射出部230。
光合路器210将在第一光纤40的纤芯传播的加工激光CL和在第二光纤70的纤芯传播的脉冲激光PL结合输出至第三光纤220。例如，如图6所示，该第三光纤220由包含内侧纤芯221A、位于内侧纤芯221A的周围、折射率比内侧纤芯221A低的外侧纤芯221B、位于外侧纤芯221B的周围、折射率比外侧纤芯221B低的内侧包层222、位于内侧包层222的周围、折射率比内侧包层222低的外侧包层223、和覆盖外侧包层的周围的被覆224在内的双包层光纤构成。例如，内侧纤芯221A的直径为30μm，外侧纤芯221B的直径为50μm。
激光射出部230包含对加工激光CL以及脉冲激光PL进行准直的准直透镜231和对加工激光CL以及脉冲激光PL进行聚光的聚光透镜232。这样，在本实施方式中，准直透镜231以及聚光透镜232构成既作为将加工激光CL照射于加工对象物W的表面的第一光学系统也作为朝向加工对象物W的加工部P照射脉冲激光PL的第二光学系统发挥功能的共用光学系统。通过使用这种共用光学系统，能够减少所需的光学元件的数量，能够实现简易结构。
光合路器210与第三光纤220的连接形态不特别限定，例如，也可以在第三光纤220的内侧纤芯221A结合从光合路器210输出的脉冲激光PL，在外侧纤芯221B结合加工激光CL。或者，也可以在内侧包层222结合加工激光CL。这样，由于通过使脉冲激光PL与内侧纤芯221A结合，能够将能量密度高的脉冲激光PL传播至激光射出部230来提高通过聚光透镜134被聚光的脉冲激光PL的能量密度，所以能够将高能量密度的脉冲激光PL照射于加工对象物W的加工部P(羽流)。因此，能够增加从羽流产生的等离子光的光量，光检测部80中的等离子光的检测变容易，能够更正确地检测等离子光的光量的变化。
特别优选第三光纤220的内侧纤芯221A能够传播单模或多模的光。通过在这种模式传播数量少的内侧纤芯221A结合脉冲激光PL，能够抑制脉冲激光PL在内侧纤芯221A传播期间其能量密度的峰值降低。因此，能够将高能量密度的脉冲激光PL照射于加工对象物W的加工部P(羽流)。另外，还具有脉冲激光PL的脉冲宽度难以扩宽这一优点。
在这种情况下，能够使脉冲激光PL的波长比加工激光CL的波长短。例如，能够使加工激光CL的波长为1070nm，使脉冲激光PL的波长为800nm～900nm。能够通过这样利用聚光透镜232的色差，将加工激光CL照射于加工对象物W的表面，并且将脉冲激光PL照射于位于比加工对象物W的表面靠上方的羽流。
至此说明了本发明的优选实施方式，但本发明不限定于上述实施方式，不言而言，在其技术思想的范围内，可以通过各种不同方式来实施。
如以上所述，根据本发明的一个方式，提供能够正确把握工序条件、工序状态的激光加工装置。该激光加工装置具备：加工激光源，其生成在规定期间中具有连续的能量密度的加工激光；第一光学系统，其将上述加工激光照射于加工对象物的表面；脉冲激光源，其生成能量密度的峰值比上述加工激光的能量密度高的脉冲激光；第二光学系统，其朝向上述加工对象物的加工部照射上述脉冲激光；以及光检测部，其检测由上述加工对象物的上述加工部产生的等离子光。
这样，通过朝向加工对象物的加工部(羽流)照射能量密度的峰值比加工激光的能量密度高的脉冲激光，能够增加从羽流产生的等离子光的光量。因此，光检测部中的等离子光的检测变容易，能够更正确地检测等离子光的光量的变化。另外，由于相对于加工激光独立地将脉冲激光照射于加工部(羽流)，所以即便在使加工激光的参数根据加工条件进行了变动的情况下，也能不受加工激光的参数的变化影响地在光检测部中更正确地检测等离子光的光量的变化。其结果是，能够更正确地把握该时刻的工序条件、工序状态。
优选上述第二光学系统构成为，将上述脉冲激光聚光于通过将上述加工激光照射于上述加工对象物的上述表面而产生的羽流部。通过这种结构，能够增加在羽流部产生的等离子光的光量。
优选使上述脉冲激光的能量密度的上述峰值恒定。通过这样使脉冲激光的能量密度的峰值恒定，即便在使加工激光的能量密度根据加工条件进行了变动的情况下，也由于照射于羽流的脉冲激光的能量密度始终恒定，所以能够不受加工激光的能量密度的变动影响地在光检测部中更正确地检测等离子光的光量的变化。
优选上述脉冲激光的单位时间的输出比上述加工激光的单位时间的输出的十分之一小。根据这种结构，能够减少脉冲激光对加工对象物的表面给予的影响。
上述第一光学系统以及上述第二光学系统也可以共享至少一个透镜。通过这样在第一光学系统与第二光学系统之间共享至少一个透镜，能够减少所需的光学元件的数量，能够实现简易构造。
上述激光加工装置也可以还具备：第一光纤，其与上述加工激光源连接；第二光纤，其与上述脉冲激光源连接；共用光学系统，其作为上述第一光学系统以及上述第二光学系统中的任一系统均能发挥功能；第三光纤，其与上述共用光学系统连接；以及光合路器，其将来自上述第一光纤的上述加工激光和来自上述第二光纤的上述脉冲激光结合输出至上述第三光纤。通过使用这种共用光学系统使加工激光和脉冲激光传播，能够减少所需的光学元件的数量，能够实现简易结构。
优选上述第三光纤包含传播上述脉冲激光的内侧纤芯、覆盖上述内侧纤芯的周围、折射率比上述内侧纤芯低的外侧纤芯、和覆盖上述外侧纤芯的周围、折射率比上述外侧纤芯低的包层。另外，优选上述第三光纤的上述内侧纤芯能够传播单模或多模的光。通过这样使脉冲激光与模式传播数量少的内侧纤芯结合，能够抑制脉冲激光在内侧纤芯传播期间其能量密度的峰值降低。因此，能够使能量密度高的脉冲激光在共用光学系统传播，能够将高能量密度的脉冲激光照射于加工对象物的加工部。因此，能够增加从羽流产生的等离子光的光量，光检测部中的等离子光的检测变容易，能够更正确地检测等离子光的光量的变化。
上述脉冲激光的波长也可以比上述加工激光的波长短。特别是在使用了上述共用光学系统的情况下，通过使脉冲激光的波长比加工激光的波长短，能够利用共用光学系统内的透镜的色差，将加工激光照射于加工对象物的表面，并且将脉冲激光照射于位于比加工对象物的表面靠上方的羽流部。
根据本发明，由于能够增加从羽流产生的等离子光的光量，所以光检测部中的等离子光的检测变容易，能够不受加工激光的参数的变化影响地更正确地检测等离子光的光量的变化。其结果是，能够更正确地把握该时刻的工序条件、工序状态。
本申请基于于2019年3月11日提出的日本专利申请特愿2019－043452号专利，主张该申请的优先权。该申请的公开通过参照其整体被引入本说明书中。
工业上的可利用性
本发明适宜用于将激光照射于加工对象物来加工加工对象物的激光加工装置。
附图标记说明：
1…激光加工装置；10…工作台；20…加工激光源；30…第一激光射出部；31…准直透镜；32…聚光透镜；40…第一光纤；50…脉冲激光源；60…第二激光射出部；61…准直透镜；62…聚光透镜；70…第二光纤；80…光检测部；90…处理部；101…激光加工装置；130…激光射出部；131、132…准直透镜；133…镜子；134…聚光透镜；201…激光加工装置；210…光合路器；220…第三光纤；221A…内侧纤芯；221B…外侧纤芯；222…内侧包层；223…外侧包层；224…被覆；230…激光射出部；231…准直透镜；232…聚光透镜；P…加工部；W…加工对象物；CL…加工激光；PL…脉冲激光。

Claims (9)

1.一种激光加工装置，其中，具备：
加工激光源，其生成在规定期间中具有连续的能量密度的加工激光；
第一光学系统，其将所述加工激光照射于加工对象物的表面；
脉冲激光源，其生成能量密度的峰值比所述加工激光的能量密度高的脉冲激光；
第二光学系统，其朝向所述加工对象物的加工部照射所述脉冲激光；以及
光检测部，其检测由所述加工对象物的所述加工部产生的等离子光。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中，
所述第二光学系统构成为，将所述脉冲激光聚光于通过将所述加工激光照射于所述加工对象物的所述表面产生的羽流部。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其中，
所述脉冲激光的能量密度的所述峰值恒定。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的激光加工装置，其中，
所述脉冲激光的单位时间的输出比所述加工激光的单位时间的输出的十分之一小。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的激光加工装置，其中，
所述第一光学系统以及所述第二光学系统共享至少一个透镜。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的激光加工装置，其中，
还具备：
第一光纤，其与所述加工激光源连接；
第二光纤，其与所述脉冲激光源连接；
共用光学系统，其作为所述第一光学系统以及所述第二光学系统中的任一系统均能发挥功能；
第三光纤，其与所述共用光学系统连接；以及
光合路器，其将来自所述第一光纤的所述加工激光和来自所述第二光纤的所述脉冲激光结合输出至所述第三光纤。
7.根据权利要求6所述的激光加工装置，其中，
所述第三光纤包含：
内侧纤芯，其传播所述脉冲激光；
外侧纤芯，其覆盖所述内侧纤芯的周围，折射率比所述内侧纤芯低；以及
包层，其覆盖所述外侧纤芯的周围，折射率比所述外侧纤芯低。
8.根据权利要求7所述的激光加工装置，其中，
所述第三光纤的所述内侧纤芯能够传播单模或多模的光。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的激光加工装置，其中，
所述脉冲激光的波长比所述加工激光的波长短。
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