DE102023104145A1

DE102023104145A1 - Optische einheit zur laserstrahlbestrahlung und laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102023104145A1
Application number: DE102023104145.2A
Authority: DE
Inventors: Kazunori Komori; Takashi Sakamoto; Masaki Takemoto
Original assignee: Tamron Co Ltd
Current assignee: Tamron Co Ltd
Priority date: 2022-03-01
Filing date: 2023-02-20
Publication date: 2023-09-07
Also published as: US20230278136A1; JP2023127037A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezweckt die Bereitstellung einer optischen Einheit zur Laserstrahlbestrahlung und einer Laserbearbeitungsvorrichtung, bei der die Bildform und die Energieintensitätsverteilung eines Flecks von Laserstrahl erhalten werden können, der ein geschmolzenes Werkstück angemessen wegbläst und nicht auf der Schnittfläche oder in den Löchern zurücklässt, auch wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Flecks des Laserstrahls hoch ist.[Mittel zu Lösen] Zum Erreichen des Zwecks wurde eine optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung angewendet, die einen zu bearbeitenden Gegenstand mit einem gebildeten Fleck mit Laserstrahl, der von einem Laseroszillator abgestrahlt wird, bestrahlt und laserbearbeitet,versehen mit einem Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung, der die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck auf einem Bestrahlungsweg des Laserstrahls vom Laseroszillator zum zu bearbeitenden Gegenstand einstellt,dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck ungleichmäßig einstellt.

Description

[Technisches Gebiet]
Die Erfindung betrifft eine optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung und eine Laserbearbeitungsvorrichtung.
[Hintergrundtechnik]
In den letzten Jahren werden Laserstrahlen umfangreich für die Bearbeitung verschiedener Produkte eingesetzt. Der Laserstrahl wird auf einen einzigen Fleck fokussiert und auf das Werkstück abgestrahlt, wodurch die Oberflächentemperatur des Werkstücks schnell ansteigt und die bestrahlte Oberfläche des Werkstücks schmilzt oder verdampft. Diese Laserbearbeitungsvorrichtung mit dem Laserstrahl ist eine Vorrichtung, die das Werkstück auf diese Weise durch Schneiden, Bohren oder Schweißen bearbeitet. Da der Laserstrahl auf einen einzigen Fleck fokussiert wird, ist eine präzise und feine Bearbeitung möglich. Der Einsatz eines Laserstrahls mit höherer Energie kann ferner die Bearbeitungszeit verkürzen und ermöglicht die Bearbeitung von Werkstücken hoher Härte, die mit einem Schneidewerkzeug nur schwer zu bearbeiten sind.
Hierbei wurden Flecke, bei denen die Bildform des Laserstrahls an dem Fleck, an den der Laserstrahl auf einen einzigen Punkt fokussiert wird, ringförmig ist und die Energieintensitätsverteilung gauß- oder zylinderhutförmig ist, herkömmlich angewendet. Bei dieser Laserbearbeitung, auf die der herkömmliche Fleck angewendet wird, besteht jedoch das Problem, dass beim Schneiden, Schmelzen oder Bohren des Werkstücks das vom Laserstrahl geschmolzene Werkstück auf der Schnittfläche oder in den Löchern verbleibt, was zu einer Verschlechterung der Bearbeitungsqualität führt. In den letzten Jahren werden daher Laserbearbeitungen vorgeschlagen, bei denen die Bildform des Laserstrahls am Fleck ringförmig ist, wodurch das geschmolzene Werkstück angemessen weggeblasen wird und nicht an der Schnittfläche oder in den Löchern verbleibt.
Indem bspw. beim Schweißen eines geschmolzenen Zinkstahlblech mit einem geschmolzenen Zinkstahlblech die Bildform des Laserstrahls am Fleck eine Ringform annimmt, spritzt die Spritzer beim Schmelzen in die entgegengesetzte Richtung zur Eintrittsseite des Laserstrahls am Fleck, was die Bearbeitungsqualität verbessert. Indem ferner bei der Bearbeitung von stark reflektierenden Materialien wie Aluminium oder Kupfer die Bildform des Laserstrahls am Fleck ringförmig und in der Mitte der Ringform gestaltet wird, schmilzt das Werkstück im ringförmigen Abschnitt und die Reflexion verringert wird, was das Schneiden und Schweißen in der Mitte der Ringform ermöglicht sind und die Bearbeitungsqualität verbessert.
Daher ist in Patentdokument 1 ein optisches System offenbart, bei dem eine Phasenverschiebungsfunktion des Laserstrahls in das optische System eingeführt und eine Phasendifferenz im Strahlenfluss des Laserstrahls teilweise vorgesehen ist, wodurch die Bildform des Laserstrahls am Fleck ringförmig und die Energieintensitätsverteilung des ringförmigen Laserstrahls gleichmäßig ist.
[Ermittelte Schrift]
[Patentdokument]
[Patentdokument 1] US Patent Nr. 9285593
[Übersicht der Erfindung]
[Zu lösende Aufgabe der Erfindung]
Wenn jedoch die Bildform des Laserstrahls am Fleck ringförmig und die Energieintensitätsverteilung des ringförmigen Laserstrahls gleichmäßig ist, besteht die Aufgabe, dass das geschmolzene Werkstück bei niedriger Bewegungsgeschwindigkeit des Flecks des Laserstrahls bei der Laserbearbeitung angemessen weggeblasen wird und nicht an der Schnittfläche oder in den Löchern verbleibt, jedoch das geschmolzene Werkstück bei hoher Bewegungsgeschwindigkeit des Flecks des Laserstrahls bei der Laserbearbeitung auf der Schnittfläche oder in den Löchern verbleibt. Außerdem besteht die Aufgabe, dass hiermit der Durchsatz bei der Laserbearbeitung nicht erhöht werden kann.
Die vorliegende Erfindung erfolgte angesichts dieser Umstände. Die vorliegende Erfindung bezweckt die Bereitstellung einer optischen Einheit zur Laserstrahlbestrahlung und einer Laserbearbeitungsvorrichtung, bei der die Bildform und die Energieintensitätsverteilung eines Flecks von Laserstrahl erhalten werden können, der ein geschmolzenes Werkstück angemessen wegbläst und nicht auf der Schnittfläche oder in den Löchern zurücklässt, auch wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Flecks des Laserstrahls hoch ist.
[Mittel zu Lösen der Aufgabe]
Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, wurde als Ergebnis intensiver Forschung die folgende optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung und Laserbearbeitungsvorrichtung entwickelt.
Als erfindungsgemäße optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung wird eine optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung angewendet, die einen zu bearbeitenden Gegenstand mit einem gebildeten Fleck mit Laserstrahl, der von einem Laseroszillator abgestrahlt wird, bestrahlt und laserbearbeitet, versehen mit einem Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung, der die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck auf einem Bestrahlungsweg des Laserstrahls vom Laseroszillator zum zu bearbeitenden Gegenstand einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck ungleichmäßig einstellt.
Als erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung angewendet, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch Aufnahme der oben erwähnte optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung im Laserbearbeitungskopf erhalten wird.
[Effekte der Erfindung]
Die erfindungsgemäße optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung kann das Werkstück im vorderen Bereich des Flecks in Bezug auf die Bewegungsrichtung aufschmelzen und das geschmolzene Werkstückmetall im hinteren Bereich des Flecks angemessen wegblasen, auch wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Flecks des Laserstrahls hoch ist. Hierdurch verbleibt kein geschmolzenes Werkstück auf der Schnittfläche oder in den Löchern des Werkstücks. Die Laserbearbeitungsvorrichtung mit der erfindungsgemäßen optischen Einheit zur Laserstrahlbestrahlung bietet ferner eine hervorragende Bearbeitungsqualität bei der Laserbearbeitung und einen hohen Durchsatz.
[Kurze Erläuterung der Zeichnungen]
Es zeigt:

1 die Schnittdarstellung, die die Anordnung der optischen Elemente der optischen Einheit zur Laserstrahlbestrahlung und den ungefähren Weg des Laserstrahls zeigt;
2 die grobe Darstellung der Energieintensitätsverteilung am Fleck;
3 die Schnittdarstellung der optischen Einheit zur Laserstrahlbestrahlung für den Fall, in dem die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls unter Verwendung einer Sammellinse ungleichmäßig eingestellt wird;
4 die Schnittdarstellung der optischen Einheit zur Laserstrahlbestrahlung für den Fall, in dem die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls unter Verwendung einer Kollimationslinse ungleichmäßig eingestellt wird;
5 die Schnittdarstellung der optischen Einheit zur Laserstrahlbestrahlung für den Fall, in dem die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls unter Verwendung eines Mechanismus zur Einstellung der Laserstrahlrichtung ungleichmäßig eingestellt wird;
6 die ungefähre Schnittdarstellung des Mechanismus zur Einstellung der Laserstrahlrichtung;
7 Messergebnisse im Fall, in dem der Winkel des Neigungsbetrags von Ausführungsbeispiel 1 0° beträgt;
8 Messergebnisse im Fall, in dem der Winkel des Neigungsbetrags von Ausführungsbeispiel 1 3° beträgt;
9 Messergebnisse im Fall, in dem der Winkel des Neigungsbetrags von Ausführungsbeispiel 1 3° beträgt;
10 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Verschiebung von 0,0 mm in Ausführungsbeispiel 2;
11 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Verschiebung von 0,125 mm in Ausführungsbeispiel 2;
12 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Verschiebung von 1,0 mm in Ausführungsbeispiel 2;
13 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Verschiebung von 4,0 mm in Ausführungsbeispiel 2;
14 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Verschiebung von 0,0 mm in Ausführungsbeispiel 2 null ist;
15 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Verschiebung von 0,125 mm in Ausführungsbeispiel 2 null ist;
16 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Verschiebung von 1,0 mm in Ausführungsbeispiel 2 null ist;
17 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Verschiebung von 4,0 mm in Ausführungsbeispiel 2 null ist;
18 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Neigung von 0° in Ausführungsbeispiel 3;
19 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Neigung von 3° in Ausführungsbeispiel 3;
20 die Energieverteilung der Bildform des Laserstrahls bei einer Neigung von 7° in Ausführungsbeispiel 3;
21 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Neigung von 0° in Ausführungsbeispiel 3 null ist;
22 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Neigung von 3° in Ausführungsbeispiel 3 null ist;
23 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Neigung von 7° in Ausführungsbeispiel 3 null ist;
24 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Verschiebung von 0,0 mm in Ausführungsbeispiel 4;
25 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Verschiebung von 0,125 mm in Ausführungsbeispiel 4;
26 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Verschiebung von 1,0 mm in Ausführungsbeispiel 4;
27 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Verschiebung von 4,0 mm in Ausführungsbeispiel 4;
28 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Verschiebung von 0,0 mm in Ausführungsbeispiel 4 null ist;
29 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Verschiebung von 0,125 mm in Ausführungsbeispiel 4 null ist;
30 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Verschiebung von 1,0 mm in Ausführungsbeispiel 4 null ist;
31 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Verschiebung von 4,0 mm in Ausführungsbeispiel 4 null ist;
32 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Neigung von 0° in Ausführungsbeispiel 5;
33 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Neigung von 1° in Ausführungsbeispiel 5;
34 die Energieverteilung der Bildform des Laserstrahls bei einer Neigung von 4° in Ausführungsbeispiel 5;
35 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Neigung von 0° in Ausführungsbeispiel 5 null ist;
36 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Neigung von 1° in Ausführungsbeispiel 5 null ist;
37 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Neigung von 4° in Ausführungsbeispiel 5 null ist;
38 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Verschiebung von 0,0 mm in Ausführungsbeispiel 6;
39 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Verschiebung von 0,125 mm in Ausführungsbeispiel 6;
40 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Verschiebung von 4,0 mm in Ausführungsbeispiel 6;
41 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Verschiebung von 0,0 mm in Ausführungsbeispiel 6 null ist;
42 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Verschiebung von 0,125 mm in Ausführungsbeispiel 6 null ist;
43 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Verschiebung von 4,0 mm in Ausführungsbeispiel 6 null ist;
44 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Neigung von 0° in Ausführungsbeispiel 7;
45 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Neigung von 3° in Ausführungsbeispiel 7;
46 die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls bei einer Neigung von 7° in Ausführungsbeispiel 7;
47 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Neigung von 0° in Ausführungsbeispiel 7 null ist;
48 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Neigung von 3° in Ausführungsbeispiel 7 null ist; und
49 die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position bei einer Neigung von 7° in Ausführungsbeispiel 7 null ist.

[Ausführungsformen der Erfindung]
Im Folgenden werden die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Einheit zur Laserstrahlbestrahlung und der Laserbearbeitungsvorrichtung erläutert. Die folgende Erläuterung stellt lediglich einen Aspekt dar und ist nicht als Beschränkung auf die nachstehend angegebenen Inhalte zu verstehen.
1. Optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung
Die erfindungsgemäße optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung ist eine optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung, die einen zu bearbeitenden Gegenstand mit einem gebildeten Fleck mit Laserstrahl, der von einem Laseroszillator abgestrahlt wird, bestrahlt und laserbearbeitet, versehen mit einem Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung, der die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck auf einem Bestrahlungsweg des Laserstrahls vom Laseroszillator zum zu bearbeitenden Gegenstand einstellt, wobei der Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck ungleichmäßig einstellt.
Der erfindungsgemäße Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung wird durch die Verwendung zumindest entweder eines Mechanismus zur Einstellung der Laserstrahlrichtung, oder einer Kollimationslinse oder einer Sammellinse realisiert.
Die optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung kann das Werkstück im vorderen Bereich des Flecks in Bezug auf die Bewegungsrichtung aufschmelzen und das geschmolzene Werkstückmetall im hinteren Bereich des Flecks angemessen wegblasen, indem die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck ungleichmäßig eingestellt wird, auch wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Flecks des Laserstrahls hoch ist. Hierdurch ist die Laserbearbeitung möglich, ohne dass das geschmolzene Werkstück auf der Schnittfläche oder in den Löchern des Werkstücks verbleibt.
Der Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung weist die Funktion auf, die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck „ungleichmäßig“ einzustellen. Wenn hier der Transmissionsverlust oder Verlust aufgrund der Reflexion im Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung außer Acht gelassen werden, stellt der Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls ungleichmäßig ein, ohne die Summe der Energie des ausgestrahlten Laserstrahls in Bezug auf den eingestrahlten Laserstrahl zu ändern. Auch wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Flecks des Laserstrahls hoch ist, ist die Ungleichmäßigkeit der Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls nicht eingeschränkt, solange diese erreicht, dass das geschmolzene Werkstück angemessen weggeblasen wird und nicht auf der Schnittfläche oder in den Löchern verbleibt. Um ein konkretes Beispiel anzuführen; als betreffende „ungleichmäßige“ Energieintensitätsverteilung ist im Bild, das durch Laserstrahl am Fleck gebildet wird, eine Verteilung bevorzugt, bei der die Energieintensität des Laserstrahls im vorderen Bereich in Bewegungsrichtung bei der Laserbearbeitung des Flecks schwach und die Energieintensität des Laserstrahls im hinteren Bereich, der sich vom vorderen Bereich unterscheidet (dem vorderen Bereich abgewandt ist), stark ist. Dies liegt daran, dass auch bei hoher Bewegungsgeschwindigkeit des Flecks des Laserstrahls es möglich ist, das Werkstück im vorderen Bereich des Flecks in Bezug auf die Bewegungsrichtung zu schmelzen und das geschmolzene Werkstückmetall im hinteren Bereich des Flecks angemessen wegzublasen.
Der Zustand der „ungleichmäßigen“ Energieintensitätsverteilung ist nicht auf die oben genannten Fälle beschränkt, sondern eine Verteilung ist auch möglich, bei der die Energieintensität des Laserstrahls im Bild, das durch den Laserstrahl am Fleck gebildet wird, im vorderen Bereich des Flecks in Bewegungsrichtung bei der Laserbearbeitung stark ist und die Energieintensität des Laserstrahls im hinteren Bereich des Flecks, der sich vom vorderen Bereich unterscheidet, schwach ist. Außerdem kann die Energieintensität des Laserstrahls in den linken und rechten Bereichen oder in den vorderen und hinteren diagonalen Bereichen in Bezug auf die Längsrichtung der Bewegungsrichtung bei der Laserbearbeitung des Flecks ungleichmäßig sein. Dies eignet sich bspw. für das Stumpfschweißen von Materialien, die stark reflektierend sind und unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen, wie Aluminium und Kupfer, oder für das Schweißen von Materialien mit unterschiedlichen Dicken oder wenn zwischen den zu schweißenden Materialien Spalten vorhanden sind.
1 zeigt die Schnittdarstellung, die die Anordnung der optischen Elemente einer erfindungsgemäße optischen Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung und den ungefähren Weg des Laserstrahls zeigt. In der optischen Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung sind ein Steckerteil 31, der eine Lichtleitfaser 30 verbindet, die einen von einem Laseroszillator ausgestrahlten Laserstrahl führt, ein Steckeraufnahmeteil 32, der den Steckerteil 31 am Bestrahlungsweg des Laserstrahls fixiert, eine Kollimationslinse 21 zum Umwandeln des vom Ausstrahlungsende der Lichtleitfaser 30 diffus ausgestrahlten Laserstrahls in einen parallelen Strahl, eine Sammellinse 22 zum Sammeln des durch die Kollimationslinse 21 in einen parallelen Strahl umgewandelten Laserstrahls auf einen Fleck auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Gegenstands und eine Beobachtungsvorrichtung 23 zur Beobachtung eines Beobachtungslichts, um die Intensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck zu überprüfen, in der Reihenfolge von der Seite des Laseroszillators entlang der optischen Achse 10 des Bestrahlungswegs der optischen Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung angeordnet. Das optische Zentrum der Kollimationslinse 21 und das optische Zentrum der Sammellinse 22 sind ferner derart angeordnet, dass diese mit der optischen Achse 10 zusammenfallen.
In 1 sind ein Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung, die Kollimationslinse 21 und die Sammellinse 22 entlang der optischen Achse 10 angeordnet, jedoch es auch möglich ist, dass in der Reihenfolge von der Seite des Laseroszillators der Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung, die Sammellinse 22 und die Kollimationslinse 21 angeordnet werden, solange die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck „ungleichmäßig“ eingestellt werden kann.
Jeder Laserstrahl, der für die Laserbearbeitung verwendet werden kann, kann als Laserstrahl verwendet werden, der vom Laseroszillator in die optische Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung eintritt. Insbesondere ist ein Nahinfrarot-Laserstrahl mit einer Oszillationswellenlänge von ca. 920 - 1080 nm bevorzugt, wie z. B. ein YAG-Laser (Wellenlänge 1064 nm), ein Faserlaser (Wellenlänge 1070 nm), ein Scheibenlaser (Wellenlänge 1030 nm), ein Halbleiterlaser (Wellenlänge 935 nm, 940 nm, 980 nm, 940-980 nm, 940-1025 nm). Die Energieverteilung an der Oberfläche senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls, der in die optische Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung eintritt, kann gaußförmig sein, wobei die Energie in der Mitte (Teil der optischen Achse) stark ist, oder gleichmäßig ist.
Der Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung besteht aus dem Steckerteil 31, mit dem die Lichtleitfaser 30 verbunden ist, und dem Steckeraufnahmeteil 32, der den Steckerteil 31 an der optischen Achse 10 des Bestrahlungswegs fixiert, wobei die Eintrittsrichtung des Laserstrahls in den Bestrahlungsweg eingestellt wird, indem zumindest entweder der Steckerteil 31 und der Steckeraufnahmeteil 32 um die Mitte des Kerns der Lichtleitfaser 30 am Ausstrahlungsende des Laserstrahls als Mittelpunkt kreisbogenförmig schwenkt.
In 1 sind der Steckeraufnahmeteil 32, die Kollimationslinse 21 und die Sammellinse 22 in einem Objektivrohr 33 derart eingebaut, dass das jeweilige optische Zentrum mit der optischen Achse 10 zusammenfallen. Mit dem Objektivrohr 33 ist ferner ein Beobachtungsrohr 34 verbunden, der mit einer Beobachtungsvorrichtung 23 versehen ist. Das Beobachtungsrohr 34 kann auch derart strukturiert sein, dass es vom Objektivrohr 33 abgenommen werden kann. Durch Verbinden des abnehmbaren Beobachtungsrohrs 34, das mit der Beobachtungsvorrichtung 23 versehen ist, mit dem Objektivrohr 33, das die optische Achse 10 des Bestrahlungswegs des Laserstrahls bildet, ist es möglich, die Eintrittsrichtung des Laserstrahls in den Bestrahlungsweg oder die Energieintensitätsverteilung des Beobachtungslichts am Fleck zu überprüfen, wenn diese unter Verwendung des erfindungsgemäßen Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung eingestellt wird. Nachdem die Intensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck durch Beobachtung mit der Beobachtungsvorrichtung 23 auf die gewünschte Verteilung eingestellt wurde, wird das Beobachtungsrohr 34 abgenommen und die Oberfläche des zu bearbeitenden Gegenstands dort positioniert, wo sich die Bildaufnahmefläche der Beobachtungsvorrichtung 23 befand, wodurch die Laserbearbeitung hochgenau durchgeführt werden kann.
Es ist bevorzugt, bevor der Laserstrahl in die Beobachtungsvorrichtung 23 eintritt, die Intensität des Laserstrahls auf ein Niveau zu reduzieren, das ohne Beschädigung der Beobachtungsvorrichtung 23 beobachtet werden kann. Jedes Element zur Lichtreduzierung kann verwendet werden, solange es die Intensität des Laserstrahls reduziert, ohne in die Beobachtungsvorrichtung 23 eintretendes Licht zu verzerren. Das in die Beobachtungsvorrichtung 23 eintretende Beobachtungslicht ist nicht auf den für die Bearbeitung verwendeten Laserstrahl oder den reduzierten Laserstrahl beschränkt, sondern es ist auch vorzuziehen, ein Beobachtungslicht zur Beobachtung zu verwenden, das sich vom für die Bearbeitung verwendeten Laserstrahl unterscheidet und als Führungslicht oder ausgerichtetes Licht bezeichnet wird. Dies liegt daran, dass die Energieintensität des Beobachtungslichts für die Beobachtung nicht so hoch ist, dass die Beobachtungsvorrichtung 23 beschädigt wird, und die Reduzierung von Licht nicht notwendig ist.
Hierbei weist mindestens entweder die Kollimationslinse 21 und die Sammellinse 22 der optischen Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung bevorzugt eine Funktion zur Umwandlung der Bildform des Laserstrahls am Fleck in eine Ringform auf, die mindestens aus einem ringförmigen Randbereich besteht (in der vorliegenden Beschreibung als Ringform-Umwandlungsfunktion bezeichnet). Die Ringform-Umwandlungsfunktion unterscheidet sich von der Funktion der „ungleichmäßigen Einstellung der Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls“ durch den oben erwähnten Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung, und wenn keine Einstellung des Laserstrahls durch den Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung erfolgt, ist die Energieintensität in der betreffenden ringförmigen Bildform punktsymmetrisch gleichmäßig in Bezug auf die optische Achse 10. Dadurch, dass die Form der Energieverteilung des Flecks eine Ringform zumindest aus dem ringförmigen Randbereich annimmt, wird die Energie des Laserstrahls auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Gegenstands vom mittleren Bereich des Flecks aus in alle Richtungen gleichmäßig abgestrahlt. Hierdurch entweichen die Zinkgase bei Überlappungsschweißung von geschmolzenen Zinkstahlblechen, was zu einer sauberen Schweißung führt.
Die Form des Flecks durch die Ringform-Umwandlungsfunktion ist nicht besonders beschränkt und kann z. B. eine Ringform und eine Punktform in der Mitte der Ringform (der Fleckteil ist gaußförmig) oder eine Zylinderhutform umfassen. Hierbei ist die Energieintensität des punktförmigen Flecks in der Mitte der Ringform bevorzugt höher als die Energieintensität des ringförmigen Teils. Denn bei Aluminium usw., bei dem die Lichtreflexion hoch ist, kann das Metall im ringförmigen Teil, bei dem die Energieintensität niedrig ist, geschmolzen werden, um die Reflexion zu verringern, und in der Mitte, in der die Energieintensität hoch ist, kann der zu bearbeitende Gegenstand tief aufgeschmolzen werden, so dass die Laserbearbeitung erleichtert wird.
Um die Bildform des oben genannten Flecks zu bilden, ist mindestens eine der optisch wirksamen Flächen des optischen Elements mit der Ringform-Umwandlungsfunktion bevorzugt eine Beugungslinse, eine Axicon-Linse oder eine asphärische Linse. Dies liegt daran, dass die Fleckform des Laserstrahls eine Ringform oder eine Form aus der Ringform und einer Punktform in der ringförmigen Mitte annehmen kann.
Die optische Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung muss nicht unbedingt die Ringform-Umwandlungsfunktion aufweisen, und es kann ein Laserstrahl verwendet werden, bei dem die Bildform des von der Lichtleitfaser 30 austretenden Laserstrahls eine Ringform zumindest aus dem ringförmigen Randbereich annimmt. Durch die Verwendung des Laserstrahls, bei dem die Bildform des von der Lichtleitfaser 30 austretenden Laserstrahls eine Form wie eine Ringform, eine Form aus der Ringform und der Punktform in der ringförmigen Mitte, eine Zylinderhutform usw. annimmt, kann die optische Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung die Energieintensitätsverteilung in der Bildform des Laserstrahls ungleichmäßig einstellen. Im Folgenden wird eine Ausführungsform erläutert, bei der mindestens entweder die Kollimationslinse 21 oder die Sammellinse 22 mit der Ringform-Umwandlungsfunktion versehen ist, jedoch ist die optische Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung nicht auf diejenigen beschränkt, die mit der Ringform-Umwandlungsfunktion versehen sind.
Als nächstes wird anhand von 2 die Energieintensitätsverteilung am Fleck im Fall erläutert, in dem die Bildform des Laserstrahls am Fleck ringförmig ist. 2A zeigt die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck im Fall, in dem durch Verwendung der Ringform-Umwandlungsfunktion die Energieintensitätsverteilung an der Oberfläche senkrecht zur optischen Achse des vom Laseroszillator abgestrahlten Laserstrahls gaußförmig ist und die Bildform des Laserstrahls am Fleck ringförmig ist, und die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls durch den Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung nicht ungleichmäßig eingestellt wird. Die Abszisse ist eine Koordinate auf einer geraden Linie, die senkrecht zur optischen Achse einschließlich der optischen Achse am Fleck verläuft, wobei die Richtung von der positiven Seite (rechten Seite) zur negativen Seite (linken Seite) der Koordinate die Bewegungsrichtung des Flecks bei der Laserbearbeitung ist. D. h., der erste Quadrant von 2A entspricht dem hinteren Bereich in der Bewegungsrichtung der Laserbearbeitung und der zweite Quadrant dem vorderen Bereich. Auf dem Mittelpunkt der Abszisse ist die Position der optischen Achse der optischen Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung abgetragen. Auf der Ordinate ist die Energieintensität des Laserstrahls. Die gestrichelte Linie in 2 zeigt den Spitzenwert der Energieintensität in 2A. D. h., wenn die Energieintensitätsverteilung durch den Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung nicht ungleichmäßig eingestellt wird, weist die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls eine bimodale Form mit gleichmäßigen Spitzenwerten im vorderen und hinteren Bereich auf.
2B zeigt die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck im Fall, in dem die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls im Zustand von 2A unter Verwendung des Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung ungleichmäßig eingestellt wird. So wie in 2A, entspricht der erste Quadrant in 2B dem hinteren Bereich in Bewegungsrichtung der Laserbearbeitung und der zweite Quadrant dem vorderen Bereich. 2B zeigt den Zustand, in dem die Energieintensitätsverteilung ungleichmäßig eingestellt ist, indem die Energie in den hinteren Bereich gelenkt wird. In diesem Fall ist die Energieintensität im vorderen Bereich in Bewegungsrichtung der Laserbearbeitung schwach und die Energieintensität im hinteren Bereich stark. D. h., die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls weist eine „bimodale Form mit ungleichen“ Spitzenwerten im vorderen und hinteren Bereich auf. Der Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung ändert die Summe der Energie des ausgestrahlten Laserstrahls in Bezug auf den eingestrahlten Laserstrahls nicht, so dass die Summen der Energie der Laserstrahlen (Integralwert der Energie auf der Abszisse) in 2A und 2B im Wesentlichen übereinstimmen.
Wenn die Bildform des Laserstrahls am Fleck ringförmig und die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls gleichmäßig und bimodal ist, wie in 2A gezeigt, wird das geschmolzene Werkstück bei niedriger Bewegungsgeschwindigkeit des Flecks des Laserstrahls bei der Laserbearbeitung angemessen weggeblasen und verbleibt nicht an der Schnittfläche oder in den Löchern, jedoch, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Flecks des Laserstrahls bei der Laserbearbeitung erhöht wird, verbleibt das geschmolzene Werkstück auf der Schnittfläche und in den Löchern. Wenn jedoch die Bildform des Laserstrahls am Fleck ringförmig ist, und die Energieintensitätsverteilung ungleichmäßig und bimodal ist, wobei die Energieintensität im vorderen Bereich in Bewegungsrichtung der Laserbearbeitung schwach ist und die Energieintensität im hinteren Bereich in Bewegungsrichtung der Laserbearbeitung stark ist, wie in 2B, kann das im vorderen Bereich des Flecks geschmolzene Werkstück im hinteren Bereich des Flecks mit der starken Energieintensität angemessen weggeblasen werden, auch wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Flecks des Laserstrahls bei der Laserbearbeitung hoch ist. Hierdurch verbleibt kein geschmolzenes Werkstück auf der Schnittfläche oder in den Löchern.
Das Stärkeverhältnis der ungleichmäßigen Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls in 2B ist bevorzugt derart beschaffen, dass, wenn der Spitzenwert der starken Energieintensität im hinteren Bereich (ersten Quadrant) in Bewegungsrichtung bei der Laserbearbeitung des Flecks auf 1 gesetzt wird, der Spitzenwert der schwachen Energieintensität im vorderen Bereich (zweiten Quadrant) zwischen 0,1 und 0,95 liegt. Dies liegt daran, dass, wie bereits erwähnt, ein Laserstrahl mit der schwachen Energieintensitätsverteilung und ein Laserstrahl mit der starken Energieintensitätsverteilung bei der Laserbearbeitung jeweils unterschiedliche Rollen spielen, z. B. ein Laserstrahl mit der schwachen Energieintensitätsverteilung das Werkstück schmilzt, während ein Laserstrahl mit der starken Energieintensitätsverteilung das Metall des geschmolzenen Werkstücks wegbläst. Wenn der Spitzenwert der starken Energieintensität auf 1 gesetzt wird, beträgt ein unterer Grenzwert des Spitzenwerts der schwachen Energieintensität mehr bevorzugt 0,20 und noch mehr bevorzugt 0,25. Wenn der Spitzenwert der starken Energieintensität auf 1 gesetzt wird, beträgt ein oberer Grenzwert des Spitzenwerts der schwachen Energieintensität mehr bevorzugt 0,6 und noch mehr bevorzugt 0,5. Der Vergleichsgegenstand für das Stärkeverhältnis der Energieintensität des Laserstrahls in 2B ist der Spitzenwert der Energieintensitätsverteilung, der die Spitzen in der „ungleichmäßigen bimodalen Form“ jeweils bildet, und die Mitte des Flecks (die Mitte der Abszisse in 2B) ist ausgeschlossen.
Außerdem kann eine ungleichmäßige Energieintensitätsverteilung auch möglich, deren Energieintensitätsverteilung im vorderen und hinteren Bereich in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Laserbearbeitung umgekehrt ist. D. h., das Stärkeverhältnis der Energieintensität in der ungleichmäßigen Energieintensitätsverteilung im ringförmigen Teil ist bevorzugt derart beschaffen, dass, wenn der Spitzenwert der starken Energieintensität im vorderen Bereich in Bewegungsrichtung der Laserbearbeitung des Flecks auf 1 gesetzt wird, der Spitzenwert der schwachen Energieintensität im hinteren Bereich zwischen 0,1 und 0,95 liegt. Dies liegt daran, dass der Laserstrahl mit der schwachen Energieintensität und der Laserstrahl mit der starken Energieintensitätsverteilung bei der Laserbearbeitung jeweils unterschiedliche Rollen spielen können. Wenn der Spitzenwert der starken Energieintensität auf 1 gesetzt wird, beträgt ein unterer Grenzwert des Spitzenwerts der schwachen Energieintensität mehr bevorzugt 0,20 und noch mehr bevorzugt 0,25. Wenn der Spitzenwert der starken Energieintensität auf 1 gesetzt wird, beträgt ein oberer Grenzwert des Spitzenwerts der schwachen Energieintensität mehr bevorzugt 0,6 und noch mehr bevorzugt 0,5.
[Erste Ausführungsform von Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung]
3 zeigt die Schnittdarstellung einer optischen Einheit 2 zur Laserstrahlbestrahlung für den Fall, in dem die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls unter Verwendung einer Sammellinse 22a und einer Sammellinse 22b ungleichmäßig eingestellt wird, was die erste Ausführungsform des Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung darstellt. Die Sammellinse 22a mit der Ringform-Umwandlungsfunktion in 3A zeigt den Zustand, in dem die Sammellinse 22a in einer Richtung parallel zur Ebene senkrecht zur optischen Achse 10 (in 3A oberhalb der optischen Achse 10 in der Zeichnung) bewegt wird. In der vorliegenden Beschreibung wird die Bewegung eines optischen Elements in der Richtung parallel zur Ebene senkrecht zur optischen Achse 10 als Verschiebung bezeichnet. In diesem Fall liegt das optische Zentrum der Sammellinse 22a oberhalb der optischen Achse 10 in der Zeichnung. In dem in 3A gezeigten Zustand ist die Krümmungsverteilung der Fläche der Sammellinse 22a unterschiedlich zwischen dem Laserstrahl, der die Hälfte unter der optischen Achse 10 der Sammellinse 22a passiert, und dem Laserstrahl, der die obere Hälfte passiert. Hierdurch wird im Laserstrahl, der die Sammellinse 22a passiert, eine exzentrische Koma-Aberration in Richtung der meridionalen Ebene erzeugt. Auf diese Weise kann die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck „ungleichmäßig“ eingestellt werde. Der Grad der Ungleichmäßigkeit kann durch den Betrag der Verschiebung der Sammellinse 22a eingestellt werden.
Die Sammellinse 22b mit der Ringform-Umwandlungsfunktion in 3B ist eine Sammellinse 22b im Zustand, in dem die Sammellinse 22b um eine gerade Linie senkrecht zur optischen Achse 10, einschließlich des optischen Zentrums der Sammellinse 22b auf der optischen Achse 10, als Drehachse geschwenkt wird. In der vorliegenden Beschreibung wird das Schwenken eines optischen Elements um eine gerade Linie senkrecht zur optischen Achse 10 einschließlich des optischen Zentrums auf der optischen Achse 10 als Drehachse, als Neigung bezeichnet. In diesem Fall fällt das optische Zentrum der Sammellinse 22b mit der optischen Achse 10 zusammen. In dem in 3B gezeigten Zustand weisen der Laserstrahl, der die Hälfte über der optischen Achse 10 der Sammellinse 22b passiert, und der Laserstrahl, der die untere Hälfte passiert, einen asymmetrischen normalen Eintrittswinkel zur Fläche der Sammellinse 22b auf. Hierdurch wird im Laserstrahl, der die Sammellinse 22b passiert, eine exzentrische Koma-Aberration in Richtung der meridionalen Ebene erzeugt. Auf diese Weise kann die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck „ungleichmäßig“ eingestellt werde. Der Grad der Ungleichmäßigkeit kann durch den Betrag der Neigung der Sammellinse 22b eingestellt werden.
Das Verfahren zum Verschieben der Sammellinse 22a kann bspw. durch Verwendung eines Linsenhalters, der die Sammellinse 22a fixiert und mit einer Funktion versehen ist, eine Verschiebung senkrecht zur optischen Achse zu ermöglichen, und durch Verschieben der Position des Linsenhalters durch Eindrücken mit einer Schraube usw. durchgeführt werden. Das Verfahren zum Neigen der Sammellinse 22b kann bspw. durch Verwendung eines Linsenhalters, der die Sammellinse 22b fixiert und mit einer Funktion versehen ist, die Neigung um eine gerade Linie einschließlich das optischen Zentrums als Drehachse zu ermöglichen, und durch Neigung des Linsenhalterwinkels durch Eindrücken usw. durchgeführt werden. Das oben erläuterte Verfahren ist nicht beschränkt, solange die Sammellinse 22a verschoben oder die Sammellinse 22b geneigt werden kann. Die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck kann dann „ungleichmäßig“ eingestellt werden, indem der Verschiebungsbetrag der Sammellinse 22a oder der Neigungsbetrag der Sammellinse 22b eingestellt wird, während die Energieintensitätsverteilung am Fleck unter Verwendung der oben erläuterten Beobachtungsvorrichtung 23 beobachtet wird.
Die oben erwähnte optische Einheit 2 zur Laserstrahlbestrahlung wurde so erläutert, dass die Ringform-Umwandlungsfunktion durch die Sammellinse 22a und die Sammellinse 22b bereitgestellt wird, jedoch die Ringform-Umwandlungsfunktion kann auch durch ein anderes optisches Element als die Sammellinse 22a und die Sammellinse 22b bereitgestellt werden. Bspw. kann die Kollimationslinse 21 mit der Ringform-Umwandlungsfunktion versehen sein. Auch in diesem Fall kann die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck auf den angemessenen „ungleichmäßigen“ Zustand eingestellt werden, indem der Verschiebungsbetrag der Sammellinse 22a oder der Neigungsbetrag der Sammellinse 22b auf die gleiche Weise wie oben erläutert eingestellt wird. In diesem Fall ist es bevorzugt, den Neigungsbetrag einzustellen, um die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck auf einen angemesseneren „ungleichmäßigen“ Zustand einzustellen.
[Zweite Ausführungsform von Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung]
Als nächstes zeigt 4 die Schnittdarstellung einer optischen Einheit 3 zur Laserstrahlbestrahlung in dem Fall, in dem die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls unter Verwendung einer Kollimationslinse 21a und einer Kollimationslinse 21b ungleichmäßig eingestellt wird, was die zweite Ausführungsform des Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung darstellt. Die Kollimationslinse 21a mit der Ringform-Umwandlungsfunktion in 4A zeigt den Zustand, in dem die Kollimationslinse 21a in der Richtung parallel zur Ebene senkrecht zur optischen Achse 10 (in 4A oberhalb der optischen Achse 10 in der Zeichnung) verschoben ist. In diesem Fall liegt das optische Zentrum der Kollimationslinse 21a oberhalb der optischen Achse 10 in der Zeichnung. In dem in 4A gezeigten Zustand ist die Krümmungsverteilung der Fläche der Kollimationslinse 21a unterschiedlich zwischen dem Laserstrahl, der die Hälfte unter der optischen Achse 10 der Kollimationslinse 21a passiert, und dem Laserstrahl, der die obere Hälfte passiert. Hierdurch wird im Laserstrahl, der die Kollimationslinse 21a passiert, eine exzentrische Koma-Aberration in Richtung der meridionalen Ebene erzeugt. Auf diese Weise kann die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck „ungleichmäßig“ eingestellt werde. Der Grad der Ungleichmäßigkeit kann durch den Betrag der Verschiebung der Kollimationslinse 21a eingestellt werden.
Die Kollimationslinse 21b mit der Ringform-Umwandlungsfunktion in 4B ist eine Kollimationslinse 21b im Zustand, in dem die Kollimationslinse 21b um eine gerade Linie senkrecht zur optischen Achse 10, einschließlich des optischen Zentrums der Kollimationslinse 21b auf der optischen Achse 10, als Drehachse geneigt wird. In diesem Fall fällt das optische Zentrum der Kollimationslinse 21b mit der optischen Achse 10 zusammen. In dem in 4B gezeigten Zustand weisen der Laserstrahl, der die Hälfte über der optischen Achse 10 der Kollimationslinse 21b passiert, und der Laserstrahl, der die untere Hälfte passiert, einen asymmetrischen normalen Eintrittswinkel zur Fläche der Kollimationslinse 21b auf. Hierdurch wird im Laserstrahl, der die Kollimationslinse 21b passiert, eine exzentrische Koma-Aberration in Richtung der meridionalen Ebene erzeugt. Auf diese Weise kann die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck „ungleichmäßig“ eingestellt werde. Der Grad der Ungleichmäßigkeit kann durch den Betrag der Neigung der Kollimationslinse 21b eingestellt werden.
Das Verfahren zum Verschieben der Kollimationslinse 21a kann bspw. durch Verwendung eines Linsenhalters, der die Kollimationslinse 21a fixiert und mit einer Funktion versehen ist, eine Verschiebung senkrecht zur optischen Achse zu ermöglichen, und durch Verschieben der Position des Linsenhalters durch Eindrücken mit einer Schraube usw. durchgeführt werden. Das Verfahren zum Neigen der Kollimationslinse 21b kann bspw. durch Verwendung eines Linsenhalters, der die Kollimationslinse 21b fixiert und mit einer Funktion versehen ist, die Neigung um eine gerade Linie einschließlich das optischen Zentrums als Drehachse zu ermöglichen, und durch Neigung des Linsenhalterwinkels durch Eindrücken usw. durchgeführt werden. Das oben erläuterte Verfahren ist nicht beschränkt, solange die Kollimationslinse 21a verschoben oder die Kollimationslinse 21b geneigt werden kann. Die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck kann dann „ungleichmäßig“ eingestellt werden, indem der Verschiebungsbetrag der Kollimationslinse 21a oder der Neigungsbetrag der Kollimationslinse 21b eingestellt wird, während die Energieintensitätsverteilung am Fleck unter Verwendung der oben erläuterten Beobachtungsvorrichtung 23 beobachtet wird.
Die oben erwähnte optische Einheit 3 zur Laserstrahlbestrahlung wurde so erläutert, dass die Ringform-Umwandlungsfunktion durch die Kollimationslinse 21a und die Kollimationslinse 21b bereitgestellt wird, jedoch die Ringform-Umwandlungsfunktion kann auch durch ein anderes optisches Element als die Kollimationslinse 21a und die Kollimationslinse 21b bereitgestellt werden. Bspw. kann die Sammellinse 22 mit der Ringform-Umwandlungsfunktion versehen sein. Auch in diesem Fall kann die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck auf den angemessenen „ungleichmäßigen“ Zustand eingestellt werden, indem der Verschiebungsbetrag der Kollimationslinse 21a oder der Neigungsbetrag der Kollimationslinse 21b auf die gleiche Weise wie oben erläutert eingestellt wird. In diesem Fall ist es bevorzugt, den Neigungsbetrag einzustellen, um die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck auf einen angemesseneren „ungleichmäßigen“ Zustand einzustellen.
[Dritte Ausführungsform von Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung]
Als nächstes zeigt 5 die Schnittdarstellung einer optischen Einheit 4 zur Laserstrahlbestrahlung in dem Fall, in dem die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls unter Verwendung eines Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung ungleichmäßig eingestellt wird, was die dritte Ausführungsform des Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung darstellt. Der Mechanismus 20a zur Einstellung der Laserstrahlrichtung, der aus einem Steckerteil 31a und einem Steckeraufnahmeteil 32a in 5A besteht, zeigt den Zustand, in dem der gesamte Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung in der Richtung parallel zur Ebene senkrecht zur optischen Achse 10 (in 5A oberhalb der optischen Achse 10 in der Zeichnung) verschoben ist. Ein Lichtleitfaser 30a ist am Steckerteil 31a fixiert. In diesem Fall liegt das optische Zentrum des Mechanismus 20a zur Einstellung der Laserstrahlrichtung oberhalb der optischen Achse 10 in der Zeichnung. In dem in 5A gezeigten Zustand ist die Krümmungsverteilung der Fläche der Kollimationslinse 21 und der Sammellinse 22 unterschiedlich zwischen dem Laserstrahl, der die Hälfte unter der optischen Achse 10 der Kollimationslinse 21 und der Sammellinse 22 passiert, und dem Laserstrahl, der die obere Hälfte passiert. D. h. wird im Bild, das sich am Fleck abbildet, eine exzentrischer Koma-Aberration in Richtung der meridionalen Ebene erzeugt. Auf diese Weise kann die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck „ungleichmäßig“ eingestellt werde. Der Grad der Ungleichmäßigkeit kann durch den Betrag der Verschiebung des Mechanismus 20a zur Einstellung der Laserstrahlrichtung eingestellt werden.
Ein Mechanismus 20b zur Einstellung der Laserstrahlrichtung in 5B nutzt die „bogenförmige Schwenk“-Funktion des Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung, um den Steckerteil 31b, an dem die Lichtleitfaser 30b fixiert ist, nach unten gegen das Steckeraufnahmeteil 32b in 5B zu neigen. Die Einzelheiten dieser „bogenförmigen Schwenk“-Funktion werden später erläutert. In diesem Fall fällt das optische Zentrum des Steckeraufnahmeteils 32b mit der optischen Achse 10 zusammen. Die Austrittsrichtung von Laserstrahl aus dem Ausstrahlungsende der Lichtleitfaser 30b wird hier als Zusammenfallen mit der optischen Referenzachse erläutert, die durch die Struktur des Ausstrahlungsendes der Lichtleitfaser 30b und des Steckerteils 31b bestimmt wird. In dem in 5B gezeigten Zustand weisen der Laserstrahl, der die Hälfte über der optischen Achse 10 der Kollimationslinse 21 und der Sammellinse 22 passiert, und der Laserstrahl, der die untere Hälfte passiert, einen asymmetrischen normalen Eintrittswinkel zur Fläche der Kollimationslinse 21 und der Sammellinse 22 auf. Hierdurch wird im Laserstrahl, der die Kollimationslinse 21 und die Sammellinse 22 passiert, eine exzentrische Koma-Aberration in Richtung der meridionalen Ebene erzeugt. Auf diese Weise kann die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck „ungleichmäßig“ eingestellt werde. Der Grad der Ungleichmäßigkeit kann durch den Betrag der Neigung des Mechanismus 20b zur Einstellung der Laserstrahlrichtung, d. h. den Betrag des bogenförmigen Schwenkens eingestellt werden.
Das Verfahren zum Verschieben des Mechanismus 20a zur Einstellung der Laserstrahlrichtung kann bspw. durch Verwendung eines Halters, der den Mechanismus 20a zur Einstellung der Laserstrahlrichtung fixiert und mit einer Funktion versehen ist, eine Verschiebung senkrecht zur optischen Achse zu ermöglichen, und durch Verschieben der Position des Halters durch Eindrücken mit einer Schraube usw. durchgeführt werden. Die „bogenförmige Schwenk“-Funktion des Mechanismus 20b zur Einstellung der Laserstrahlrichtung wird später erläutert. Das oben erläuterte Verfahren ist nicht beschränkt, solange der Mechanismus 20a zur Einstellung der Laserstrahlrichtung verschoben oder der Mechanismus 20b zur Einstellung der Laserstrahlrichtung geneigt werden kann. Die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck kann dann „ungleichmäßig“ eingestellt werden, indem der Verschiebungsbetrag des Mechanismus 20a zur Einstellung der Laserstrahlrichtung oder der Neigungsbetrag des Mechanismus 20b zur Einstellung der Laserstrahlrichtung eingestellt wird, während die Energieintensitätsverteilung am Fleck unter Verwendung der oben erläuterten Beobachtungsvorrichtung 23 beobachtet wird.
Bei der oben erwähnten optischen Einheit 4 zur Laserstrahlbestrahlung wird die Ringform-Umwandlungsfunktion durch die Kollimationslinse 21 bereitgestellt, jedoch die Ringform-Umwandlungsfunktion kann durch mindestens entweder die Kollimationslinse 21 oder die Sammellinse 22 bereitgestellt werden. Jedenfalls kann die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck auf den angemessenen „ungleichmäßigen“ Zustand eingestellt werden, indem der Verschiebungsbetrag des Mechanismus 20a zur Einstellung der Laserstrahlrichtung oder der Neigungsbetrag des Mechanismus 20b zur Einstellung der Laserstrahlrichtung mit der „bogenförmigen Schwenk-"Funktion eingestellt wird. Es ist ferner bevorzugt, den Neigungsbetrag einzustellen, um die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck auf einen angemesseneren „ungleichmäßigen“ Zustand einzustellen.
Wie in der ersten bis dritten Ausführungsform des Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung erläutert, kann der erfindungsgemäße Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung unter Verwendung mindestens entweder des Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung, oder der Kollimationslinse 21 oder der Sammellinse 22 realisiert werden.
[Mechanismus zur Einstellung der Laserstrahlrichtung]
6 zeigt die ungefähre Schnittdarstellung der Lichtleitfaser 30 und des Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung. Der Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung weist die Funktion auf, die Eintrittsrichtung des Laserstrahls in den Bestrahlungsweg in die angemessene Richtung einzustellen, selbst wenn die Austrittsrichtung von Laserstrahl vom Ausstrahlungsende der Lichtleitfaser 30 verkippt ist. Diese Einstellung wird unter Verwendung der „bogenförmigen Schwenk“-Funktion des Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung vorgenommen. Der Neigungsvorgang in der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung nutzt diese „bogenförmige Schwenk“-Funktion des Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung.
Die Funktion zur Einstellung der Eintrittsrichtung des Laserstrahls in den Bestrahlungsweg in eine angemessene Richtung durch den Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung wird erläutert. Der vom Laseroszillator ausgestrahlte Laserstrahl wird unter Verwendung der Lichtleitfaser 30 zum Laserbearbeitungskopf der Laserbearbeitungsvorrichtung geleitet. Die Lichtleitfaser 30 ist über den Steckerteil 31 mit der optischen Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung im Laserbearbeitungskopf verbunden. Wie in 6A gezeigt, weist die Austrittsrichtung von Laserstrahl 11 aus dem Ausstrahlungsende der Lichtleitfaser 30 hierbei in Bezug auf die optische Referenzachse, die durch die Struktur des Ausstrahlungsendes der Lichtleitfaser 30 und die Struktur des Steckerteils 31 bestimmt wird, (wobei die optische Referenzachse mit der optischen Achse 10 des Bestrahlungswegs zusammenfällt), eine Verkippung in einem bestimmten Bereich auf, ausgedrückt als Winkel θ, wobei die Mitte des Ausstrahlungsendes der Lichtleitfaser als Mittelpunkt dient. Konkret heißt es bspw. beim CW-Faserlaser der Firma Raycus Fiber, dass der Winkel der optischen Achse des vom Ausstrahlungsende der Lichtleitfaser ausgestrahlten Laserstrahls 30 mrad (Milliradian) oder weniger in Bezug auf die optische Referenzachse beträgt, die durch die Struktur des Ausstrahlungsendes der Lichtleitfaser und des Steckers bestimmt wird.
6B ist die Schnittdarstellung, die den Überblick bei der Einstellung der Eintrittsrichtung des Laserstrahls zeigt, der vom Ausstrahlungsende der Lichtleitfaser 30 in den Bestrahlungsweg ausgestrahlt wird, durch den Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung. In 6B schwenken die Lichtleitfaser 30 und der Steckerteil 31 unter Verwendung des Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung um einen Winkel von -θ in einer Bogenform mit dem Radius r, wobei der Mittelpunkt in der Mitte des Ausstrahlungsendes der Lichtleitfaser liegt. Die Schwenktrajektorie 40 zeigt die Trajektorie beim bogenförmigen Schwenken des Steckerteils 31 mit dem Radius r. D. h., die optische Referenzachse 12, die durch die Struktur des Ausstrahlungsendes der Lichtleitfaser 30 und des Steckerteils 31 bestimmt wird, befindet sich in einem Winkel von -θ zur optischen Achse 10 des Bestrahlungswegs. Durch diese Einstellung fällt die Austrittsrichtung 11 des vom Ausstrahlungsende der Lichtleitfaser 30 ausgestrahlten Laserstrahls mit der optischen Achse 10 des Bestrahlungswegs im Wesentlichen zusammen.
Der Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung weist bevorzugt eine Struktur auf, bei der dieser bogenförmig schwenkt, wobei die Mitte des Ausstrahlungsendes der Lichtleitfaser 30 des Laseroszillators als Mittelpunkt dient. Dies liegt daran, dass, indem der Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung die Struktur aufweist, bei der zumindest entweder der Steckerteil 31 oder der Steckeraufnahmeteil 32 bogenförmig schwenkt, wobei die Mitte des Kerns der Lichtleitfaser 30 am Ausstrahlungsende des Laserstrahls als Mittelpunkt dient, es möglich ist, die Eintrittsrichtung des Laserstrahls, der vom Ausstrahlungsende der Lichtleitfaser ausgestrahlt wird, in Bezug auf die optische Referenzachse 12, die durch die Struktur des Ausstrahlungsendes der Lichtleitfaser 30 und die Struktur des Steckerteils 31 bestimmt wird, derart einzustellen, dass die Eintrittsrichtung mit der optischen Achse 10 des Bestrahlungswegs des Laserstrahls der optischen Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung im Wesentlichen zusammenfällt.
Im Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung beträgt der Bereich des Schwenkwinkels θ des bogenförmigen Schwenkens mit der Mitte des Ausstrahlungsendes der Lichtleitfaser 30 als Mittelpunkt bevorzugt -30 mrad < θ < 30 mrad, wenn die Richtung der optischen Achse 10 durch das optische Zentrum des optischen Elements des Bestrahlungswegs auf 0 mrad gesetzt wird. Dies liegt daran, dass auch bei einer Verkippung der Austrittsrichtung 11 des vom Ausstrahlungsende der Lichtleitfaser 30 ausgestrahlten Laserstrahls in Bezug auf die optische Referenzachse 12, die durch die Struktur des Ausstrahlungsendes der Lichtleitfaser 30 und die Struktur des Steckerteils 31 bestimmt wird, die Eintrittsrichtung des Laserstrahls der optischen Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung in den Bestrahlungsweg derart eingestellt werden kann, dass die optische Achse 10 des Bestrahlungswegs mit ihr zusammenfällt, sowie der Neigungsvorgang in der dritten Ausführungsform des Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung durchgeführt werden kann.
Der oben erwähnte Schwenkwinkel θ des bogenförmigen Schwenkens mit der Mitte des Ausstrahlungsendes der Lichtleitfaser 30 als Mittelpunkt zeigt den Winkel in einer beliebigen Ebene in den Ebenen entlang der optischen Achse 10 des Bestrahlungswegs einschließlich der optischen Achse 10 des Bestrahlungswegs in Bezug auf die optische Achse 10 des Bestrahlungswegs und ist nicht auf einen Winkel in einer bestimmten Ebene beschränkt.
Ein Schwenkmechanismus des Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung kann bspw. mit einer Drehachse in X-Richtung und einer Drehachse in Y-Richtung, die orthogonal zueinander stehen, auf einer Ebene orthogonal zur optischen Achse 10 versehen sein, wodurch ein bogenförmiges Schwenken mit der Mitte des Ausstrahlungsendes der Lichtleitfaser 30 als Mittelpunkt durchgeführt werden kann. Der Schwenkmechanismus ist jedoch nicht auf den oben beschriebenen beschränkt, solange der Schwenkwinkel θ des bogenförmigen Schwenkens mit der Mitte des Ausstrahlungsendes der Lichtleitfaser 30 als Mittelpunkt im Bereich von -30 mrad < θ < 30 mrad in einer beliebigen Ebene in den Ebenen entlang der optischen Achse 10 des Bestrahlungswegs einschließlich der optischen Achse 10 des Bestrahlungswegs in Bezug auf die optische Achse 10 des Bestrahlungswegs eingestellt werden kann.
[Beobachtungsvorrichtung]
Die Beobachtungsvorrichtung 23 ist nicht besonders beschränkt, solange die Bestrahlungsposition des Laserstrahls, die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung eingestellt wird, und die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls beobachten werden können, und jede Beobachtungsvorrichtung kann verwendet werden. Das mit der Beobachtungsvorrichtung 23 versehene Beobachtungsrohr 34 ist bevorzugt vom Objektivrohr 33 abnehmbar. Die Position der Bildaufnahmefläche (Beobachtungspunkt) der Beobachtungsvorrichtung 23 bei der Verbindung des Beobachtungsrohrs 34 mit dem Objektivrohr 33 liegt bevorzugt an der gleichen Position wie die Oberfläche des zu bearbeitenden Gegenstands, an der der Fleck bei der Laserbearbeitung gebildet wird. Außerdem liegt die Position des Mittelpunkts der Bildaufnahmefläche der Beobachtungsvorrichtung 23 bevorzugt auf der optischen Achse 10 und auch in der Mitte des Bearbeitungsteils des zu bearbeitenden Gegenstands. Dies liegt daran, dass die Position des Laserstrahls und die Energieverteilung des Laserstrahls an der gleichen Position auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Gegenstands beobachtet werden können, an der der Fleck gebildet wird. Nach der Einstellung der Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck auf einen angemessenen „ungleichmäßigen“ Zustand kann die Beobachtungsvorrichtung 23 abgenommen und der zu bearbeitende Gegenstand bearbeitet werden, indem er derart positioniert wird, dass die Oberfläche des zu bearbeitenden Gegenstands an der Position der Bildaufnahmefläche der Beobachtungsvorrichtung 23 liegt.
[Kollimationslinse]
Die Kollimationslinse 21 ist ein optisches Element zur Umwandlung des vom Ausstrahlungsende der Lichtleitfaser 30 radial ausgestrahlten Laserstrahls in einen parallelen Strahl.
[Sammellinse]
Die Sammellinse 22 ist ein optisches Element zum Sammeln des durch die Kollimationslinse 21 in einen parallelen Strahl umgewandelten Laserstrahls auf einen Fleck.
[Verfahren zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung]
Anhand von erster bis dritter Ausführungsform des Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung der optischen Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung wird das konkrete Verfahren zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck erläutert, so dass die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls in angemessener Weise „ungleichmäßig“ ist. Dieses Einstellungsverfahren ist nicht auf das unten erläuterte Verfahren beschränkt.
Hier wird der Fall erläutert, in dem die Bildform des Laserstrahls am Fleck auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Gegenstands ringförmig ist. Aus dem von der Beobachtungsvorrichtung 23 aufgenommenen Fleckbild des Laserstrahls wird die Energieintensitätsverteilung auf der ersten Koordinatenachse in Bewegungsrichtung des Flecks bei der Laserbearbeitung einschließlich des Zentrums der Bildaufnahmefläche extrahiert. Die Werte der Energieintensitätsverteilung auf der negativen und der positiven Koordinatenseite auf der ersten Koordinatenachse werden dann integriert, wobei das Zentrum der Bildaufnahmefläche als Ursprung der ersten Koordinatenachse betrachtet ist, und die integrierten Werte sind als EM1 und EP1 betrachtet. Auf die gleiche Weise wird die Energieintensitätsverteilung auf der zweiten Koordinatenachse orthogonal zur ersten Koordinatenachse extrahiert, wobei das Zentrum der Bildaufnahmefläche als Ursprung der zweiten Koordinatenachse betrachtet ist, und die integrierten Werte der jeweiligen Energieintensitätsverteilungswerte auf der negativen und der positiven Koordinatenseite auf der zweiten Koordinatenachse sind als EM2 und EP2 betrachtet. Durch den Vergleich der Größen von den Werten EM1, EP1, EM2 und EP2 ist die Energieintensitätsverteilung des Fleckbildes auf der Koordinatenebene ersichtlich, die aus der ersten und der zweiten Koordinatenachse besteht.
Darüber hinaus werden aus dem von der Beobachtungsvorrichtung 23 aufgenommenen Fleckbild des Laserstrahls die Spitzenwerte der Energieintensitätswerte auf der negativen und der positiven Koordinatenseite auf der ersten bzw. der zweiten Koordinatenachse sowie die Koordinatenwerte mit den angezeigten Spitzenwerten extrahiert. Aus diesen Spitzenwerten der Energieintensitätswerte und den Koordinatenwerten mit den angezeigten Spitzenwerten sind die Ungleichmäßigkeit der Form der Energieintensitätsverteilung in der Bewegungsrichtung des Flecks und das Stärkeverhältnis der Energieintensität ersichtlich.
Anhand der auf diese Weise überprüften Informationen über die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck kann die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck durch Verwendung einer der ersten bis dritten Ausführungsformen des Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung auf einen angemessenen „ungleichmäßigen“ Zustand eingestellt werden. Nach der Einstellung wird die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck erneut durch das oben beschriebene Verfahren überprüft, und nach dem Zustand der Energieintensitätsverteilung durch den Vergleich der Größen von EM1, EP1, EM2 und EP2 oder den Beurteilungskriterien, ob die Differenz zwischen den Spitzenwerten des vorderen und des hinteren Bereichs in Bewegungsrichtung des Flecks innerhalb der zulässigen Werte des Stärkeverhältnisses der Energieintensität liegt, kann der Abschluss der Einstellung beurteilt werden. Wenn die Einstellung durch eine einzige Einstellung nicht innerhalb der Beurteilungskriterien abgeschlossen werden kann, ist eine erneute Einstellung durch das oben beschriebene Verfahren möglich. Auf diese Weise kann eine angemessene Energieverteilung am Fleck erreicht werden.
Bei der ersten bis der dritten Ausführungsform des Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung kann der Mittelpunkt (Fleckmittelpunktposition) zwischen dem vorderen und dem hinteren Bereich des Bildes am Fleck von der Position der optischen Achse abweichen, wenn die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck auf einen angemessenen ungleichmäßigen Zustand eingestellt wird. In diesem Fall kann nach der Einstellung der Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck auf den angemessenen ungleichmäßigen Zustand die Abweichung der Fleckmittelpunktposition von der optischen Achse 10 gemessen werden, wodurch die Fleckmittelpunktposition bei der Laserbearbeitung korrekt auf das zu bearbeitende Werkstück ausgerichtet werden kann.
Da die Energieintensitätsverteilung am Fleck von der Beobachtungsvorrichtung 23 als numerische Information erhalten werden kann, wie oben erläutert, ist es auch möglich, die Einstellung zu automatisieren, indem die oben beschriebenen von der Beobachtungsvorrichtung 23 erhaltenen Beobachtungswerte vorab von der Steuereinheit der optischen Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung entsprechend der Größe der Einstellung durch den Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung gelernt werden.
2. Laserbearbeitungsvorrichtung
Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung wird dadurch erhalten, dass die oben beschriebene optische Einheit 1 zur Laserstrahlbestrahlung in einen Laserbearbeitungskopf der Laserbearbeitungsvorrichtung aufgenommen wird. Hierdurch kann der Laserstrahl auf den zu bearbeitenden Gegenstand gestrahlt und die Bearbeitung des Gegenstands durch Erhitzen und Schmelzen durchgeführt werden. Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung kann ferner unter Verwendung der ersten bis der dritten Ausführungsform des Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung mit zumindest entweder dem Mechanismus zur Einstellung der Laserstrahlrichtung 20, oder der Kollimationslinse 21 oder der Sammellinse 22 die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck auf einen angemessenen „ungleichmäßigen“ Zustand einzustellen. Die „Ungleichmäßigkeit“ kann als eine Verteilung betrachtet werden, bei der die Energieintensität des Laserstrahls im vorderen Bereich in Bewegungsrichtung bei der Laserbearbeitung des Flecks, der durch eine gerade Linie senkrecht zur optischen Achse einschließlich der optischen Achse des Flecks begrenzt ist, schwach ist und die Energieintensität des Laserstrahls im hinteren Bereich, der sich vom vorderen Bereich unterscheidet, stark ist.
Folglich schmilzt die Laserbearbeitungsvorrichtung das Werkstück im vorderen Bereich des Flecks in Bewegungsrichtung, bläst das Metall des im hinteren Bereich des Flecks geschmolzenen Werkstücks angemessen weg und lässt nicht auf der Schnittfläche oder in den Löchern zurück, selbst wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahlflecks hoch ist.
Die oben erläuterten Ausführungsformen der Erfindung sind ein Aspekt der vorliegenden Erfindung und können nach Bedarf geändert werden, ohne vom Zweck der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die folgenden Ausführungsbeispiele beschränkt.
[Ausführungsbeispiel 1]
Für die optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung in Ausführungsbeispiel 1 wurde das optische System der dritten Ausführungsform des in 5B gezeigten Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung ausgewählt. Als Laseroszillator wurde ein Singlemode-Faserlaser YLS-6000 (hergestellt von der Firma IPG Photonics) mit einer Laserstrahlwellenlänge von 1070 nm verwendet. Da es sich um einen Singlemode handelt, ist die Energieintensitätsverteilung am Fleck gaußförmig. Der vom YLS-6000 austretende Laserstrahl wurde über die Lichtleitfaser 30b mit dem Steckerteil 31b verbunden. Die Austrittsrichtung des aus der Lichtleitfaser 30b ausgestrahlten Laserstrahls wurde derart ausgewählt, dass sie mit der optischen Achse 10 im Wesentlichen zusammenfällt. Für die Kollimationslinse 21 mit der Ringform-Umwandlungsfunktion wurde eine Linse mit einer Brennweite von 200 mm verwendet. Für die Sammellinse 22 wurde eine Linse mit einer Brennweite von 200 mm und einer asphärischen Oberfläche verwendet. Als Beobachtungsvorrichtung 23 wurde ein ForcusMonitor FM+ (hergestellt von der Firma PRIMES) verwendet. Der Mechanismus zur Einstellung der Laserstrahlrichtung 20b, die Kollimationslinse 21, die Sammellinse 22 und die Beobachtungsvorrichtung 23 wurden entlang der optischen Achse des optischen Systems von Ausführungsbeispiel 1 und in der Reihenfolge von der Seite des Laseroszillators aus angeordnet.
Die Leistung des YLS-6000 wurde auf 600 W gesetzt, und die Messung wurde mit der LaserDiagnoseSoftware (hergestellt von der Firma PRIMES) und dem ForcusMonitor FM+ durchgeführt. 7 zeigt die Messergebnisse bei einem Neigungswinkel von 0° unter Verwendung der „bogenförmigen Schwenk“-Funktion des Mechanismus 20b zur Einstellung der Laserstrahlrichtung. Die X-Intensitätskonturlinie in 7 zeigt die Energieintensitätsverteilung des Flecks in einer beliebigen Koordinate in der Ebene senkrecht zur optischen Achse des optischen Systems von Ausführungsbeispiel 1, wobei die Abszisse (X-Achse) die Koordinate angibt, bei der das Zentrum mit der Position der optischen Achse zusammenfällt, und die Ordinate die Energieintensität (die obere Seite zeigt die größere Energie). Die Y-Intensitätskonturlinie zeigt die Energieintensitätsverteilung des Flecks in den Koordinaten orthogonal zum Koordinatensystem der X-Intensitätskonturlinie, wobei die Ordinate (Y-Achse) die Koordinaten angibt, bei denen das Zentrum mit der Position der optischen Achse zusammenfällt, und die Abszisse die Energieintensität zeigt (die rechte Seite zeigt die größere Energie). Die X-Y-Konturlinie zeigt den Bereich auf der durch die Koordinaten der X- und Y-Achse gebildeten Ebene, in dem der Laserstrahl mit der gleichen Intensität wie die Energieintensität des Pfeils in der Zeichnung der Y-Intensitätskonturlinie (Spitzenwert der Energieintensität im Fall von 7) vorhanden ist, wobei die horizontale Richtung die Richtung der X-Achse, die vertikale Richtung die Richtung der Y-Achse, und das Zentrum der Zeichnung der X-Y-Konturlinie der Ursprung jeder Achse ist. Hierbei betrug der Durchmesser der Ringform, der den Spitzenwert des Flecks anzeigt, etwa 0,43 mm. Die Energieintensität des Pfeils in der Zeichnung der Y-Intensitätskonturlinie betrug 688,42 kW/cm².
Als nächstes zeigen 8 und 9 die Messergebnisse, wenn der Winkel des Neigungsbetrags mit der „bogenförmigen Schwenk“-Funktion des Mechanismus 20b zur Einstellung der Laserstrahlrichtung 3° beträgt. Die in den 8 und 9 dargestellten Informationen sind die gleichen wie in 7, abgesehen davon, dass die X-Y-Konturlinie in 8 den Bereich darstellt, in dem der Laserstrahl mit der gleichen Intensität wie die Energieintensität des Pfeils in der Zeichnung der Y-Intensitätskonturlinie in 8 vorhanden ist, und die X-Y-Konturlinie in 9 den Bereich darstellt, in dem der Laserstrahl mit der gleichen Intensität wie die Energieintensität des Pfeils in der Zeichnung der Y-Intensitätskonturlinie in 9 vorhanden ist. Aus den Zeichnungen der Y-Intensitätskonturlinie 8 und 9 wurde bestätigt, dass die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck in Richtung der Y-Achse durch Neigung des Laserstrahls unter Verwendung der „bogenförmigen Schwenk“-Funktion des Mechanismus 20b zur Einstellung der Laserstrahlrichtung „ungleichmäßig“ eingestellt werden kann.
Die Energieintensität am Pfeil in der Zeichnung der Y-Intensitätskonturlinie in 8 betrug 396,28 kW/cm² und die Energieintensität am Pfeil in der Zeichnung der Y-Intensitätskonturlinie in 9 betrug 810,61 kW/cm². D. h., es wurde bestätigt, dass die Energieintensität auf der Seite der starken Energieintensität nach der Einstellung der Energieintensität auf „ungleichmäßig“ einen größeren Wert aufwies als die Energieintensität vor der „ungleichmäßigen“ Einstellung der Energieintensität. Hierdurch wurde bestätigt, dass der Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung (in Ausführungsbeispiel 1 der Mechanismus zur Einstellung der Laserstrahlrichtung) die Summe der Energie des ausgestrahlten Laserstrahls im Verhältnis zum eingestrahlten Laserstrahl nicht verändert, selbst wenn die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls ungleichmäßig eingestellt wird.
[Ausführungsbeispiel 2]
Für die optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung in Ausführungsbeispiel 2 wurde das optische System der ersten Ausführungsform des in 3A gezeigten Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung ausgewählt. Hier wurden der Steckerteil 31, der die Lichtleitfaser 30 verbindet, die den vom Laseroszillator ausgestrahlten Laserstrahl mit einer gaußförmigen (Singlemode-) Energieintensitätsverteilung führt, der Steckeraufnahmeteil 32, der den Steckerteil 31 am Bestrahlungsweg des Laserstrahls fixiert, die Kollimationslinse 21 mit einer Brennweite von 200 mm zur Umwandlung des vom Ausstrahlungsende der Lichtleitfaser 30 diffus ausgestrahlten Laserstrahls in einen parallelen Strahl, und die Sammellinse 22a, die eine asphärische Oberfläche aufweist, versehen mit einer Brennweite von 200 mm und mit einer Ringform-Umwandlungsfunktion zur Sammlung des durch die Kollimationslinse 21 in einen parallelen Strahl umgewandelten Laserstrahls auf einen Fleck auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Gegenstands, verwendet. Der Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung, die Kollimationslinse 21, die Sammellinse 22a und die Beobachtungsvorrichtung 23 wurden entlang der optischen Achse des optischen Systems in Ausführungsbeispiel 2 und in der Reihenfolge von der Seite des Laseroszillators aus angeordnet. Die Beobachtungsvorrichtung 23 zur Beobachtung des Beobachtungslichts zur Überprüfung der Intensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck wurde als Beobachtungspunkt bei der optischen Simulation verwendet.
Es wurde dann festgelegt, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1070 nm von der Lichtleitfaser 30 in den Steckerteil 31 eintritt, und es wurde eine Simulation mit dem optischen Simulator ZemaxOpticStudio (hergestellt von der Firma Zemax, LLc) durchgeführt. Die Simulationsergebnisse der Energieintensitätsverteilung am Fleck bei der Verschiebung der Sammellinse 22a um 0,0 mm, 0,125 mm, 1,0 mm und 4,0 mm sind in den Zeichnungen 10 bis 17 dargestellt. Die Zeichnungen 10 bis 13 zeigen die Energieverteilung in der Bildform des Laserstrahls, der sich auf die Bildaufnahmefläche der Beobachtungsvorrichtung 23 abbildet, wobei die negative Seite der Y-Position auf der Ordinate dem vorderen Bereich bei der Laserbearbeitung und die positive Seite dem hinteren Bereich entspricht. Die X-Position auf der Abszisse zeigt ferner die Koordinaten orthogonal zur Ordinate. Der relative Anteil der Stärke der Energieintensität zu diesem Zeitpunkt ist durch die Farbschattierung angezeigt. Die 14 bis 17 zeigen die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position in den 10 bis 13 null ist, wobei die Abszisse die Y-Position und die Ordinate die Energieintensität des Laserstrahls zeigt.
Aus 10 bis 13 konnte bestätigt werden, dass sich die Energieintensitätsverteilung durch Verschieben der Sammellinse 22a um 0,0 mm, 0,125 mm, 1,0 mm und 4,0 mm von gleichmäßig zu ungleichmäßig ändert, wobei die Ringform der Bildform erhalten bleibt. 14 bis 17 zeigte ferner in Bezug auf das Stärkeverhältnis der Energieintensität im vorderen Bereich und im hinteren Bereich, dass die Energieintensität im vorderen Bereich bei einer Verschiebung von 0,0 mm 1,0 beträgt, wenn die Energieintensität im hinteren Bereich 1,0 beträgt, während die Energieintensität bei einer Verschiebung von 0,125 mm 0,87, bei einer Verschiebung von 1,0 mm 0,48, und bei einer Verschiebung von 4,0 mm 0,10.
[Ausführungsbeispiel 3]
Für die optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung in Ausführungsbeispiel 3 wurde das optische System der ersten Ausführungsform des in 3B gezeigten Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung ausgewählt, und für die Sammellinse 22b wurde die gleiche Ausbildung wie in Ausführungsbeispiel 2 verwendet, abgesehen davon, dass die gleiche Linse wie die Sammellinse 22a in Ausführungsbeispiel 2 verwendet wurde.
Es wurde dann festgelegt, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1070 nm von der Lichtleitfaser 30 in den Steckerteil 31 eintritt, und es wurde eine Simulation mit dem optischen Simulator ZemaxOpticStudio (hergestellt von der Firma Zemax, LLc) durchgeführt. Die Simulationsergebnisse der Energieintensitätsverteilung am Fleck bei einem Winkel des Neigungsbetrags der Sammellinse 22b von 0°, 3° und 7° sind in 18 bis 23 gezeigt. 18 bis 20 zeigen die Energieverteilung in der Bildform des auf der Bildaufnahmefläche der Beobachtungsvorrichtung 23 abgebildeten Laserstrahls, wobei die negative Seite der Y-Position auf der Ordinate dem vorderen Bereich bei der Laserbearbeitung und die positive Seite dem hinteren Bereich entspricht. Die X-Position auf der Abszisse zeigt ferner die Koordinaten orthogonal zur Ordinate. Der relative Anteil der Stärke der Energieintensität zu diesem Zeitpunkt ist durch die Farbschattierung angezeigt. 21 bis 23 zeigen die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position in 18 bis 20 null ist, wobei die Abszisse die Y-Position und die Ordinate die Energieintensität des Laserstrahls zeigt.
Aus 18 bis 20 konnte bestätigt werden, dass sich die Energieintensitätsverteilung durch Festlegen des Neigungswinkels der Sammellinse 22b auf 0°, 3° und 7° von gleichmäßig zu ungleichmäßig ändert, wobei die Ringform der Bildform erhalten bleibt. 21 bis 23 zeigte ferner in Bezug auf das Stärkeverhältnis der Energieintensität im vorderen Bereich und im hinteren Bereich, dass die Energieintensität im vorderen Bereich bei einer Neigung von 0° 1,0 beträgt, wenn die Energieintensität im hinteren Bereich 1,0 beträgt, während die Energieintensität bei einer Neigung von 3° 0,85 und bei einer Neigung von 7° 0,59.
[Ausführungsbeispiel 4]
Für die optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung in Ausführungsbeispiel 4 wurde das optische System der zweiten Ausführungsform des in 4A gezeigten Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung ausgewählt. Hier wurde für die Kollimationslinse 21a eine Linse, die eine asphärische Oberfläche aufweist, versehen mit einer Brennweite von 200 mm und mit einer Ringform-Umwandlungsfunktion, verwendet, und für die Sammellinse 22 wurde eine Linse mit einer Brennweite von 200 mm verwendet. Der Mechanismus 20 zur Einstellung der Laserstrahlrichtung, die Kollimationslinse 21a, die Sammellinse 22 und die Beobachtungsvorrichtung 23 wurden entlang der optischen Achse des optischen Systems in Ausführungsbeispiel 4 und in der Reihenfolge von der Seite des Laseroszillators aus angeordnet. Die Beobachtungsvorrichtung 23 zur Beobachtung des Beobachtungslichts zur Überprüfung der Intensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck wurde als Beobachtungspunkt bei der optischen Simulation verwendet.
Es wurde dann festgelegt, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1070 nm von der Lichtleitfaser 30 in den Steckerteil 31 eintritt, und es wurde eine Simulation mit dem optischen Simulator ZemaxOpticStudio (hergestellt von der Firma Zemax, LLc) durchgeführt. Die Simulationsergebnisse der Energieintensitätsverteilung am Fleck bei einer Verschiebung der Kollimationslinse 21a um 0,0 mm, 0,125 mm, 1,0 mm und 4,0 mm sind in 24 bis 31 gezeigt. 24 bis 27 zeigen die Energieverteilung in der Bildform des auf der Bildaufnahmefläche der Beobachtungsvorrichtung 23 abgebildeten Laserstrahls, wobei die negative Seite der Y-Position auf der Ordinate dem vorderen Bereich bei der Laserbearbeitung und die positive Seite dem hinteren Bereich entspricht. Die X-Position auf der Abszisse zeigt ferner die Koordinaten orthogonal zur Ordinate. Der relative Anteil der Stärke der Energieintensität zu diesem Zeitpunkt ist durch die Farbschattierung angezeigt. 28 bis 31 zeigen die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position in 24 bis 27 null ist, wobei die Abszisse die Y-Position und die Ordinate die Energieintensität des Laserstrahls zeigt.
Aus 24 bis 27 konnte bestätigt werden, dass sich die Energieintensitätsverteilung durch Verschieben der Kollimationslinse 21a um 0,0 mm, 0,125 mm, 1,0 mm und 4,0 mm von gleichmäßig zu ungleichmäßig ändert, wobei die Ringform der Bildform erhalten bleibt. 28 bis 31 zeigte ferner in Bezug auf das Stärkeverhältnis der Energieintensität im vorderen Bereich und im hinteren Bereich, dass die Energieintensität im vorderen Bereich bei einer Verschiebung von 0,0 mm 1,0 beträgt, wenn die Energieintensität im hinteren Bereich 1,0 beträgt, während die Energieintensität bei einer Verschiebung von 0,125 mm, 0,88, bei einer Verschiebung von 1,0 mm 0,49, und bei einer Verschiebung von 4,0 mm 0,12.
[Ausführungsbeispiel 5]
Für die optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung in Ausführungsbeispiel 5 wurde das optische System der zweiten Ausführungsform des in 4B gezeigten Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung ausgewählt, und für die Kollimationslinse 21b wurde die gleiche Ausbildung wie in Ausführungsbeispiel 4 verwendet, abgesehen davon, dass die gleiche Linse wie die Kollimationslinse 21a in Ausführungsbeispiel 4 verwendet wurde.
Es wurde dann festgelegt, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1070 nm von der Lichtleitfaser 30 in den Steckerteil 31 eintritt, und es wurde eine Simulation mit dem optischen Simulator ZemaxOpticStudio (hergestellt von der Firma Zemax, LLc) durchgeführt. Die Simulationsergebnisse der Energieintensitätsverteilung am Fleck bei einem Winkel des Neigungsbetrags der Kollimationslinse 21b von 0°, 1° und 4° sind in 32 bis 37 gezeigt. 32 bis 34 zeigen die Energieverteilung in der Bildform des auf der Bildaufnahmefläche der Beobachtungsvorrichtung 23 abgebildeten Laserstrahls, wobei die negative Seite der Y-Position auf der Ordinate dem vorderen Bereich bei der Laserbearbeitung und die positive Seite dem hinteren Bereich entspricht. Die X-Position auf der Abszisse zeigt ferner die Koordinaten orthogonal zur Ordinate. Der relative Anteil der Stärke der Energieintensität zu diesem Zeitpunkt ist durch die Farbschattierung angezeigt. 35 bis 37 zeigen die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position in 32 bis 34 null ist, wobei die Abszisse die Y-Position und die Ordinate die Energieintensität des Laserstrahls zeigt.
Aus 32 bis 34 konnte bestätigt werden, dass sich die Energieintensitätsverteilung durch Festlegendes Neigungswinkels der Kollimationslinse 21b auf 0°, 1° und 4° von gleichmäßig zu ungleichmäßig ändert, wobei die Ringform der Bildform erhalten bleibt. 35 bis 37 zeigte ferner in Bezug auf das Stärkeverhältnis der Energieintensität im vorderen Bereich und im hinteren Bereich, dass die Energieintensität im vorderen Bereich bei einer Neigung von 0° 1,0 beträgt, wenn die Energieintensität im hinteren Bereich 1,0 beträgt, während die Energieintensität bei einer Neigung von 1° 0,86 und bei einer Neigung von 4° 0,34.
[Ausführungsbeispiel 6]
Für die optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung in Ausführungsbeispiel 6 wurde das optische System der dritten Ausführungsform des in 5A gezeigten Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung ausgewählt. Hier wurde für die Kollimationslinse 21 eine Linse, die eine asphärische Oberfläche aufweist, versehen mit einer Brennweite von 200 mm und mit einer Ringform-Umwandlungsfunktion, verwendet, und für die Sammellinse 22 wurde eine Linse mit einer Brennweite von 200 mm verwendet. Der Mechanismus 20a zur Einstellung der Laserstrahlrichtung, die Kollimationslinse 21, die Sammellinse 22 und die Beobachtungsvorrichtung 23 wurden entlang der optischen Achse des optischen Systems in Ausführungsbeispiel 6 und in der Reihenfolge von der Seite des Laseroszillators aus angeordnet. Die Beobachtungsvorrichtung 23 zur Beobachtung des Beobachtungslichts zur Überprüfung der Intensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck wurde als Beobachtungspunkt bei der optischen Simulation verwendet.
Es wurde dann festgelegt, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1070 nm von der Lichtleitfaser 30 in den Steckerteil 31 eintritt, und es wurde eine Simulation mit dem optischen Simulator ZemaxOpticStudio (hergestellt von der Firma Zemax, LLc) durchgeführt. Die Simulationsergebnisse der Energieintensitätsverteilung am Fleck bei einer Verschiebung des Mechanismus 20a zur Einstellung der Laserstrahlrichtung um 0,0 mm, 0,125 mm, und 4,0 mm sind in 38 bis 43 gezeigt. 38 bis 40 zeigen die Energieverteilung in der Bildform des auf der Bildaufnahmefläche der Beobachtungsvorrichtung 23 abgebildeten Laserstrahls, wobei die negative Seite der Y-Position auf der Ordinate dem vorderen Bereich bei der Laserbearbeitung und die positive Seite dem hinteren Bereich entspricht. Die X-Position auf der Abszisse zeigt ferner die Koordinaten orthogonal zur Ordinate. Der relative Anteil der Stärke der Energieintensität zu diesem Zeitpunkt ist durch die Farbschattierung angezeigt. 41 bis 43 zeigen die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position in 38 bis 40 null ist, wobei die Abszisse die Y-Position und die Ordinate die Energieintensität des Laserstrahls zeigt.
Aus 38 bis 40 konnte bestätigt werden, dass sich die Energieintensitätsverteilung durch Verschieben des Mechanismus 20a zur Einstellung der Laserstrahlrichtung um 0,0 mm, 0,125 mm, und 4,0 mm von gleichmäßig zu ungleichmäßig ändert, wobei die Ringform der Bildform erhalten bleibt. 41 bis 43 zeigte ferner in Bezug auf das Stärkeverhältnis der Energieintensität im vorderen Bereich und im hinteren Bereich, dass die Energieintensität im vorderen Bereich bei einer Verschiebung von 0,0 mm 1,0 beträgt, wenn die Energieintensität im hinteren Bereich 1,0 beträgt, während die Energieintensität bei einer Verschiebung von 0,125 mm, 0,89 und bei einer Verschiebung von 4,0 mm 0,14.
[Ausführungsbeispiel 7]
Für die optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung in Ausführungsbeispiel 7 wurde das optische System der dritten Ausführungsform des in 5B gezeigten Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung ausgewählt. Hier wird die gleiche Ausbildung wie in Ausführungsbeispiel 6 verwendet, abgesehen von der Verwendung des Mechanismus 20b zur Einstellung der Laserstrahlrichtung.
Es wurde dann festgelegt, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1070 nm von der Lichtleitfaser 30 in den Steckerteil 31 eintritt, und es wurde eine Simulation mit dem optischen Simulator ZemaxOpticStudio (hergestellt von der Firma Zemax, LLc) durchgeführt. Die Simulationsergebnisse der Energieintensitätsverteilung am Fleck bei einem Winkel des Neigungsbetrags durch die „bogenförmige Schwenk“-Funktion des Mechanismus 20b zur Einstellung der Laserstrahlrichtung von 0°, 3° und 7° sind in 44 bis 49 gezeigt. 44 bis 46 zeigen die Energieverteilung in der Bildform des auf der Bildaufnahmefläche der Beobachtungsvorrichtung 23 abgebildeten Laserstrahls, wobei die negative Seite der Y-Position auf der Ordinate dem vorderen Bereich bei der Laserbearbeitung und die positive Seite dem hinteren Bereich entspricht. Die X-Position auf der Abszisse zeigt ferner die Koordinaten orthogonal zur Ordinate. Der relative Anteil der Stärke der Energieintensität zu diesem Zeitpunkt ist durch die Farbschattierung angezeigt. 47 bis 49 zeigen die Energieintensitätsverteilung in Richtung der Y-Position an der Position, an der die X-Position in 44 bis 46 null ist, wobei die Abszisse die Y-Position und die Ordinate die Energieintensität des Laserstrahls zeigt.
Aus 44 bis 46 konnte bestätigt werden, dass sich die Energieintensitätsverteilung durch Festlegen des Winkels des Neigungsbetrags durch die „bogenförmige Schwenk“-Funktion des Mechanismus 20b zur Einstellung der Laserstrahlrichtung auf 0°, 3° und 7° von gleichmäßig zu ungleichmäßig ändert, wobei die Ringform der Bildform erhalten bleibt. 47 bis 49 zeigte ferner in Bezug auf das Stärkeverhältnis der Energieintensität im vorderen Bereich und im hinteren Bereich, dass die Energieintensität im vorderen Bereich bei einer Neigung von 0° 1,0 beträgt, wenn die Energieintensität im hinteren Bereich 1,0 beträgt, während die Energieintensität bei einer Neigung von 3° 0,63 und bei einer Neigung von 7° 0,49.
[Industrielle Anwendbarkeit]
Die erfindungsgemäße optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung kann das Werkstück im vorderen Bereich des Flecks in Bezug auf die Bewegungsrichtung aufschmelzen und das geschmolzene Werkstückmetall im hinteren Bereich des Flecks angemessen wegblasen, auch wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Flecks des Laserstrahls hoch ist. Hierdurch verbleibt kein geschmolzenes Werkstück auf der Schnittfläche oder in den Löchern des Werkstücks. Die Laserbearbeitungsvorrichtung mit der erfindungsgemäßen optischen Einheit zur Laserstrahlbestrahlung weist einen hohen Durchsatz für die Laserbearbeitung auf. D. h., die erfindungsgemäße optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung für die Laserbearbeitung geeignet ist, bei der der Laserstrahl zu bearbeitenden Gegenstand abgestrahlt wird.
[Erläuterung der Bezugszeichen]

1: Optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung
10: Optische Achse von Bestrahlungsweg
11: Austrittsrichtung von Laserstrahl
12: Optische Referenzachse, die durch Struktur von Ausstrahlungsende von Lichtleitfaser und Stecker bestimmt wird
15: Bestrahlungsweg
20: Mechanismus zur Einstellung der Laserstrahlrichtung
20a: Mechanismus zur Einstellung der Laserstrahlrichtung
20b: Mechanismus zur Einstellung der Laserstrahlrichtung
21: Kollimationslinse
21a: Kollimationslinse
21b: Kollimationslinse
22: Sammellinse
22a: Sammellinse
22b: Sammellinse
23: Beobachtungsvorrichtung
30: Lichtleitfaser
30a: Lichtleitfaser
30b: Lichtleitfaser
31: Steckerteil
31a: Steckerteil
31b: Steckerteil
32: Steckeraufnahmeteil
32a: Steckeraufnahmeteil
32b: Steckeraufnahmeteil
33: Objektivrohr
34: Beobachtungsrohr
40: Schwenktrajektorie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9285593 [0006]

Claims

Optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung, die einen zu bearbeitenden Gegenstand mit einem gebildeten Fleck mit Laserstrahl, der von einem Laseroszillator abgestrahlt wird, bestrahlt und laserbearbeitet, versehen mit einem Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung, der die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck auf einem Bestrahlungsweg des Laserstrahls vom Laseroszillator zum zu bearbeitenden Gegenstand einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung die Energieintensitätsverteilung des Laserstrahls am Fleck ungleichmäßig einstellt.
Optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung nach Anspruch 1, wobei die ungleichmäßige Energieintensitätsverteilung eine Energieintensitätsverteilung ist, bei der die Energieintensität des Laserstrahls in einem vorderen Bereich auf einer Seite einer Bewegungsrichtung des Flecks im zu bearbeitenden Gegenstand schwach und die Energieintensität des Laserstrahls in einem hinteren Bereich, der sich vom vorderen Bereich unterscheidet, stark ist.
Optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Stärkeverhältnis der ungleichmäßigen Energieintensitätsverteilung derart beschaffen ist, dass, wenn die starke Energieintensität in der Energieintensitätsverteilung auf 1 gesetzt wird, die schwache Energieintensität zwischen 0,1 und 0,95 liegt.
Optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Bildform des Laserstrahls am Fleck eine Ringform ist, die mindestens aus einem ringförmigen Randbereich besteht.
Optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung zumindest entweder einen Mechanismus zur Einstellung der Laserstrahlrichtung, der die Eintrittsrichtung des Laserstrahls in Bezug auf den Bestrahlungsweg einstellt, oder eine Kollimationslinse zum Umwandeln des Laserstrahls in einen parallelen Strahl, oder eine Sammellinse zum Sammeln des Laserstrahls auf den Fleck umfasst.
Optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, versehen mit einer Beobachtungsvorrichtung zur Überprüfung der mit dem Mechanismus zur Einstellung der Energieintensitätsverteilung eingestellten Energieintensitätsverteilung am Fleck auf dem Bestrahlungsweg.
Optische Einheit zur Laserstrahlbestrahlung nach Anspruch 6, wobei ein Beobachtungslicht, das von der Beobachtungsvorrichtung beobachtet wird, das Beobachtungslicht für Beobachtung, das sich vom Laserstrahl unterscheidet.
Laserbearbeitungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch Aufnahme der optischen Einheit zur Laserstrahlbestrahlung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einen Laserbearbeitungskopf erhalten wird.