JP2000005892A - レーザ加工方法 - Google Patents

レーザ加工方法

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Toshifumi Matsumoto
敏史 松本
Yasuo Kondo
康夫 近藤
Naoaki Fukuda
直晃 福田
Jun Takaishi
純 鷹石
Hiroshi Matsushita
宏 松下
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ加工方法として、厚板の溶接や切断等
のように被加工物の光軸方向の加工幅が大きい場合で
も、加工幅全体にわたって最適な加工条件を設定でき、
従来に比較して加工精度や加工能率を大きく向上し得る
手段を提供する。 【解決手段】 被加工物Wに集光したレーザビームLを
照射して所要の加工を施すに当たり、集光光学系1,2
によって照射するレーザビームLに光軸O方向の位置が
異なる複数の焦点F1,F2を結ばせ、この多重焦点で
加工を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、被加工物に集光し
たレーザビームを照射して溶接や切断等の所要の加工を
施すレーザ加工方法に関する。
【0002】
【従来技術とその課題】近年、レーザを利用した材料加
工は、自動車、エレクトロニクス、航空宇宙、鉄構、重
工業、製鉄等の様々の産業分野で積極的に導入が進めら
れ、その需要が着実に拡大しつつあり、またレーザ発振
器の出力の向上に伴って、被加工物としても厚さが1m
m以下の薄板から数10mmの厚板まで幅広い厚みのも
のが対象になってきている。
【0003】しかして、従来のレーザ加工においては、
レーザ発振器から出射されるレーザビームを集光レンズ
や凹面鏡で集光し、その焦点を一般的に被加工物の表面
付近に合わせた状態で、被加工物の材質等に応じて加工
速度やアシストガス条件等を適当に設定して所要の加工
を施している。
【0004】しかしながら、このような加工方法では、
被加工物の厚みが薄い場合には加工部位のエネルギー密
度等の条件を最適範囲に設定できるが、厚みが大きくな
ると厚み方向の位置よって加工条件に差を生じるために
最適な加工を行えない。例えば、厚さ10mm以上の厚
板を対象としてレーザによる溶接や切断等を行う場合、
焦点付近で最適な加工条件が得られるとすれば、この焦
点位置を厚板の表面付近に合わせると、厚み方向の中間
部から裏面側の領域になるほど最適条件から外れて加工
品位が低下することになる。従って、従来における厚板
のレーザ加工では、最適条件ではなく、厚み方向の平均
的な加工品位がある程度以上となるような次善の条件を
採択せざるを得ないため、加工精度や加工能率を充分に
高められないという問題があった。
【0005】本発明は、上述の事情に鑑みて、レーザ加
工方法として、厚板の溶接や切断等のように被加工物の
光軸方向の加工幅が大きい場合でも、その加工幅全体に
わたって最適な加工条件を設定でき、もって従来に比較
して加工精度や加工能率を大きく向上し得る手段を提供
することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項1に係るレーザ加工方法は、被加工
物に集光したレーザビームを照射して所要の加工を施す
に当たり、集光光学系によって照射するレーザビームに
光軸方向の位置が異なる複数の焦点を結ばせ、この多重
焦点で加工を行うことを特徴としている。すなわち、こ
の方法によれば、照射するレーザビームが光軸方向に位
置が異なる複数の焦点を有するため、被加工物の光軸方
向の加工幅が大きい場合に、その加工幅内の適当な位置
に上記複数の焦点の各々が合うように設定する、例えば
厚板の加工では表面部と裏面部の2カ所あるいは中間部
を加えた3カ所に焦点が合うように設定することによ
り、光軸方向の加工幅全体を最適条件として所要のレー
ザ加工を行える。
【0007】しかして、請求項2の発明は、上記請求項
1のレーザ加工方法において、レーザビームに複数の焦
点を結ばせる集光光学系に多重焦点レンズ又は多重焦点
反射鏡を用いるものとしている。この場合、レーザ発振
器から出射されたレーザビームを単に多重焦点レンズに
透過させるか多重焦点反射鏡で反射させるだけで、光軸
方向の位置が異なる多重焦点が得られるから、集光光学
系の構成が極めて簡素になる。
【0008】また、請求項3の発明は、上記請求項1又
は2のレーザ加工方法において、被加工物の光軸方向の
加工幅が10mm以上である構成としている。すなわ
ち、このように光軸方向の加工幅が大きくなると、単一
焦点のレーザビームによる加工では加工幅全体に高い加
工品位を得ることは殆ど不可能であるが、多重焦点によ
る加工によって加工幅全体を高い加工品位とできる。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明のレーザ加工方法では、被
加工物に集光したレーザビームを照射して溶接や切断等
の所要の加工を施す際、既述のように、集光光学系によ
って照射するレーザビームに光軸方向の位置が異なる複
数の焦点を結ばせ、この多重焦点で加工を行うことか
ら、被加工物の光軸方向の加工幅が大きい場合でも、そ
の加工幅内の適当な位置に上記複数の焦点の各々が合う
ように設定できる。従って、光軸方向の加工幅全体のエ
ネルギー密度等を最適条件とした加工を施し、もって高
い加工品位、加工精度を得ることができると共に、溶接
や切断等の加工速度を速めて加工能率を大きく向上させ
ることも可能である。
【0010】上記の被加工物の光軸方向の加工幅とは、
例えば厚板の溶接や切断等では板の厚さに相当するが、
被加工物の表面から所要深さまでの加工を施す場合には
その深さとなる。この光軸方向の加工幅が特に10mm
以上になると、単一焦点のレーザビームによる加工では
加工幅全体に高い加工品位を得ることは殆ど不可能であ
るが、本発明の多重焦点による加工によって加工幅全体
を高い加工品位とできる。しかして、厚板の溶接や切断
においては、その厚み方向全体が最適な加工条件になる
ように、レーザビームの多重焦点を表面部と裏面部の2
カ所あるいは中間部を加えた3カ所等の複数カ所に合わ
せればよい。
【0011】上述のようにレーザビームに多重焦点を結
ばせるための集光光学系としては、特に制約はなく、屈
折率が異なる部位が一体化した多重焦点レンズや、曲率
の異なる複数の凹面部を有する多重焦点反射鏡のように
単独で多重焦点を生じる光学部品を用いてもよいし、複
数の光学部品の組み合わせによって多重焦点を現出する
構成としてもよい。しかして、透過光学系では複数の透
過部位の屈折率の差によって、反射光学系では複数の反
射面の曲率差によって、それぞれ多重焦点の相互の距離
を任意に設定できるから、前記の光軸方向の加工幅や被
加工物の材質に応じて、多重焦点の相互の距離が適当な
ものを選択すればよい。また、レンズの屈折率や反射鏡
の曲率をレーザビームの入射特性に応じて可変制御でき
るアダプティブ光学系を採用することも可能である。な
お、前記の多重焦点レンズや多重焦点反射鏡によれば、
レーザ発振器から出射されたレーザビームを単に透過あ
るいは反射させるだけで、光軸方向の位置が異なる多重
焦点が得られるから、集光光学系の構成が極めて簡素に
なるという利点がある。
【0012】図1及び図2に多重焦点が得られる集光光
学系を例示する。図1(A)(B)は透過光学系による
レーザビームの集光状態、図2(A)(B)は反射光学
系によるレーザビームの集光状態である。
【0013】図1(A)に示す多重焦点レンズ1は、中
央部の高屈折率部11と周辺部の低屈折率部12とが一
体化したものであり、レーザビームLが透過した際、高
屈折率部11を通った光成分L1が光軸O上の浅い位置
で焦点F1を結ぶと共に、低屈折率部12を通った光成
分L2が同じく深い位置で焦点F2を結ぶ。また、図1
(B)に示す多重焦点レンズ2は、上記とは逆に周辺部
を高屈折率部21として中央部が低屈折率部22となっ
たものであり、レーザビームLが透過した際、高屈折率
部21を通った光成分L1が光軸O上の浅い位置で焦点
F1を結ぶと共に、低屈折率部22を通った光成分L2
が同じく深い位置で焦点F2を結ぶ。
【0014】図2(A)に示す多重焦点反射鏡3は、中
央部の曲率の大きい凹曲面部31の周囲に曲率の小さい
凹曲面部32を有しており、レーザビームLが反射した
際、凹曲面部31で反射した光成分L1が光軸O上の浅
い位置で焦点F1を結ぶと共に、凹曲面部32で反射し
た光成分L2が同じく深い位置で焦点F2を結ぶ。ま
た、図2(B)に示す多重焦点反射鏡4は、上記とは逆
に周辺部が曲率の大きい凹曲面部41で中央部を曲率の
小さい凹曲面部42としており、レーザビームLが反射
した際、凹曲面部41で反射した光成分L1が光軸O上
の浅い位置で焦点F1を結ぶと共に、凹曲面部42で反
射した光成分L2が同じく深い位置で焦点F2を結ぶ。
【0015】これらの多重焦点レンズ1,2や多重焦点
反射鏡3,4を用いたレーザ加工によって図1,2の仮
想線で示すような厚板状の被加工物Wを加工する場合、
その厚み方向全体が最適な加工条件になるように、レー
ザビームLの焦点F1,F2を例えば被加工物Wの表面
部と裏面部の2カ所に合わせて加工を行う。なお、これ
ら図1,2では判り易いように焦点距離を短く図示して
いるが、実際の焦点距離は長く、従って光成分L1,L
2の収束角度は図よりも格段に小さい角度である。
【0016】上記の多重焦点レンズ1,2や多重焦点反
射鏡3,4は光軸方向の位置が異なる2つの焦点F1,
F2を結ぶものであるが、屈折率や曲率の異なる部分を
同心状に3つ以上設けることによって3つ以上の多重焦
点を生じる多重焦点光学系となし得る。
【0017】なお、本発明のレーザ加工方法において
は、使用するレーザ発振器の種類、レーザビームを導く
光路構成、レーザビーム照射位置の移動手段等に特に制
約はなく、レーザ加工の種類と被加工物の材質及び形状
に応じ、通常のレーザ加工方法に準じて適宜設定すれば
よい。
【0018】
【発明の効果】請求項1の発明によれば、被加工物に集
光したレーザビームを照射して溶接や切断等の所要の加
工を施すレーザ加工において、集光光学系によって照射
するレーザビームに光軸方向の位置が異なる複数の焦点
を結ばせ、この多重焦点で加工を行うことから、厚板の
溶接や切断等のように被加工物の光軸方向の加工幅が大
きい場合でも、その加工幅全体にわたって最適な加工条
件を設定でき、もって従来に比較して加工精度や加工能
率を大きく向上し得る手段が提供される。
【0019】請求項2の発明によれば、上記のレーザ加
工方法において、レーザビームに複数の焦点を結ばせる
集光光学系に多重焦点レンズ又は多重焦点反射鏡を用い
ることから、集光光学系の構成が極めて簡素になるとい
う利点がある。
【0020】請求項3の発明によれば、上記のレーザ加
工方法において、特に被加工物の光軸方向の加工幅が1
0mm以上である場合に、多重焦点による加工によって
加工幅全体を高い加工品位とできるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のレーザ加工方法に用いる透過光学系
を例示するものであり、(A)図は中央部を高屈折率、
周辺部を低屈折率とした多重焦点レンズによるレーザビ
ームの集光状態を示す縦断面図、(B)図は中央部を低
屈折率、周辺部を高屈折率とした多重焦点レンズによる
同集光状態を示す縦断面図である。
【図2】 本発明のレーザ加工方法に用いる反射光学系
を例示するものであり、(A)図は中央部を曲率大、周
辺部を曲率小とした多重焦点反射鏡によるレーザビーム
の集光状態を示す縦断面図、(B)図は中央部を曲率
小、周辺部を曲率大とした多重焦点反射鏡による同集光
状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
1,2 多重焦点レンズ 3,4 多重焦点反射鏡 11,21 高屈折率部 12,22 低屈折率部 31,41 曲率の大きい凹曲面部 32,42 曲率の小さい凹曲面部 F1,F2 焦点 L レーザビーム L1,L2 光成分 O 光軸 W 被加工物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福田 直晃 兵庫県尼崎市道意町7丁目1番8 財団法 人近畿高エネルギー加工技術研究所内 (72)発明者 鷹石 純 兵庫県尼崎市道意町7丁目1番8 財団法 人近畿高エネルギー加工技術研究所内 (72)発明者 松下 宏 兵庫県尼崎市道意町7丁目1番8 財団法 人近畿高エネルギー加工技術研究所内 Fターム(参考) 4E068 CA11 CA13 CD12 CD14 DA14 5F072 KK05 KK30 MM08 MM09 YY06

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被加工物に集光したレーザビームを照射
    して所要の加工を施すに当たり、集光光学系によって照
    射するレーザビームに光軸方向の位置が異なる複数の焦
    点を結ばせ、この多重焦点で加工を行うことを特徴とす
    るレーザ加工方法。
  2. 【請求項2】 レーザビームに複数の焦点を結ばせる集
    光光学系に多重焦点レンズ又は多重焦点反射鏡を用いる
    請求項1記載のレーザ加工方法。
  3. 【請求項3】 被加工物の光軸方向の加工幅が10mm
    以上である請求項1又は2に記載のレーザ加工方法。
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