JP2002273592A - Method and apparatus for laser beam machining - Google Patents
Method and apparatus for laser beam machiningInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、パルスレーザによ
る加工方法及び装置に関するもので、主に、レーザ加工
により生じた付着物のクリーニングを行う加工方法及び
装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a processing method and an apparatus using a pulse laser, and more particularly to a processing method and an apparatus for cleaning adhered matter generated by laser processing.
【0002】[0002]
【従来の技術】レーザによる加工は、金属の切断や精密
な加工等が可能であり、工業的用途も広い。しかしなが
ら、加工時に分解・蒸発した物質が、デブリと呼ばれる
微粒子となって再付着し、加工部および周辺を汚染する
問題点があった。2. Description of the Related Art Laser processing enables metal cutting, precision processing, and the like, and is widely used in industrial applications. However, there is a problem that the substances decomposed and evaporated during processing become fine particles called debris and adhere again, thereby contaminating the processed part and the surroundings.
【0003】従来、このデブリを除去する方法として、
レーザによるクリーニングが提案されており、その中で
も除去形態としては、母材のごく表面部のクリーニング
と母材表面を削りとるクリーニングとがある。Conventionally, as a method of removing this debris,
Laser cleaning has been proposed, and among the removal modes, there are cleaning of a very surface portion of the base material and cleaning of the base material surface.
【0004】レーザによるクリーニングでは、現在のと
ころ、CO2レーザ、YAGレーザ、エキシマレーザな
どが使われており、その利用方法を概括すると、エキシ
マレーザは、電子部品の微細な付着粒子の除去や、表面
物質に対する浸透深さが小さいことから、微妙なはく離
量調整が要求される美術品の表面クリーニングなどへの
利用の例がある。YAGレーザは、ファイバ伝送が可能
なため、細いパイプの内壁などのクリーニングが検討さ
れている。これらのレーザに対して、表面付着物質への
深い光浸透によって大量除去が可能なCO2レーザは、
構造材料などの大面積表面クリーニングに適したレーザ
である。At present, a CO 2 laser, a YAG laser, an excimer laser and the like are used for cleaning by a laser, and the use of the laser is generally summarized as follows. Due to the small penetration depth into the surface material, there is an example of application to surface cleaning of fine arts, which requires fine adjustment of the amount of peeling. Since the YAG laser can perform fiber transmission, cleaning of an inner wall of a thin pipe or the like is being studied. In contrast to these lasers, CO 2 lasers that can be removed in large quantities by deep light penetration into surface adherents are
This laser is suitable for cleaning large-area surfaces such as structural materials.
【0005】また、レーザの発振形態にはパルス発振と
CW発振の2種類があり、パルスレーザは微細な加工、
CWレーザは金属材料の溶接や切断に適している。[0005] There are two types of laser oscillation modes, pulse oscillation and CW oscillation.
CW lasers are suitable for welding and cutting metal materials.
【0006】パルスレーザで母材表面を削りとる場合
は、母材への熱拡散がおこる前、すなわち熱的に非平衡
な状態の間に表面を蒸散させていくため、被除去物質の
母材へのさらなる浸透を低減することができる。When the surface of the base material is scraped by a pulsed laser, the surface is evaporated before thermal diffusion to the base material occurs, that is, during a thermally non-equilibrium state. Further penetration into the can be reduced.
【0007】パルスレーザによる表面クリーニングは、
材料のごく表面を選択的に除去する方法である。[0007] Surface cleaning with a pulse laser
This is a method of selectively removing the very surface of the material.
【0008】それに対してCWレーザでは、表面を熱的
に溶融して、溶けた表面部を蒸発によって取り除く。C
W法は、レーザの出力を調整することにより切断と表面
クリーニングの両方に使用することもできるが、表面上
の溶融層への再溶け込みの問題も存在する。On the other hand, in a CW laser, the surface is thermally melted and the melted surface is removed by evaporation. C
The W method can be used for both cutting and surface cleaning by adjusting the laser output, but there is also the problem of re-melting into the molten layer on the surface.
【0009】図2は、従来のレーザ加工及びクリーニン
グを示し、加工用レーザ212を、加工用レーザ集光レ
ンズ211を介して被加工物210に照射して加工を行
う。その後、クリーニング用レーザ214を、クリーニ
ング用集光レンズ215を介して被加工物210に照射
して被加工物210に付着したデブリ216を除去す
る。FIG. 2 shows conventional laser processing and cleaning, in which processing is performed by irradiating a processing laser 212 to a workpiece 210 via a processing laser condenser lens 211. Thereafter, the workpiece 210 is irradiated with the cleaning laser 214 via the cleaning condenser lens 215 to remove debris 216 attached to the workpiece 210.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
レーザ加工後のクリーニング方法では、レーザ加工装置
以外のクリーニング装置のコストがかかり、トータルス
ループットも長くなる。However, in the cleaning method after laser processing as described above, the cost of a cleaning apparatus other than the laser processing apparatus is increased, and the total throughput is increased.
【0011】本発明は上記課題を解決するもので、被加
工物をパルスレーザによる加工と同時にクリーニングす
ることで、被加工物に対して高精細でクリーンな加工を
形成することができる加工方法及び加工装置を提供する
ことを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems, and a processing method capable of forming a high-definition and clean processing on a workpiece by cleaning the workpiece at the same time as processing by a pulse laser. It is an object to provide a processing device.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、発振器から発振されたパルスレーザの偏光
方向を切り替え、この切り替えられたレーザ光を偏光板
により分岐させ、この分岐された一方のレーザ光をコリ
メータにより拡大して、この拡大されたレーザ光と前記
分岐された他方のレーザ光をそれぞれ屈折させ、同じ光
軸上に出射させ、この出射したレーザ光を集光し、前記
他方のレーザ光で被加工物を加工し、前記一方のレーザ
光で被加工物の表面をクリーニングするものである。In order to achieve this object, the present invention switches the polarization direction of a pulse laser oscillated from an oscillator, splits the switched laser beam with a polarizing plate, and splits the laser beam. One laser light is expanded by a collimator, the expanded laser light and the other branched laser light are refracted, respectively, emitted on the same optical axis, and the emitted laser light is collected. The workpiece is processed by the other laser beam, and the surface of the workpiece is cleaned by the one laser beam.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施の形態にか
かるレーザ加工装置の概略図である。図1において、レ
ーザ発振器110から出射されたレーザ光111は、直
線偏光であり、変調器112はレーザ光111の偏光方
向を任意に変えることができる。また、波長板113を
変調器112から出射するレーザ光に対して反射角がブ
リュースター角(56°)となるように設置すること
で、分岐されるレーザ光の出力を電気光学変調器または
音響光学変調器112の調整で任意に変えることができ
る。すなわち、偏光方向がP偏光の直線偏光の状態で、
波長板113に入射すると、レーザ光111がすべて透
過するが、変調器112によるレーザ光の偏光方向を調
整することにより、波長板113の透過光の割合と反射
光の割合を調整することができる。よって、レーザ光1
11を高出力光114と低出力光115に分岐すること
ができる。低出力光115は、拡大率が変更可能なコリ
メータ117によって任意に拡大される。そして、プリ
ズム118により、同じ光軸上に屈折された高出力光1
14と低出力光115を同じ集光レンズ119により集
光する。高出力光114の集光位置は一定で、この位置
に被加工物120が搬送ステージ121により搬送さ
れ、加工される。FIG. 1 is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, laser light 111 emitted from laser oscillator 110 is linearly polarized light, and modulator 112 can arbitrarily change the polarization direction of laser light 111. Further, by installing the wave plate 113 so that the reflection angle with respect to the laser light emitted from the modulator 112 becomes a Brewster angle (56 °), the output of the branched laser light can be adjusted by an electro-optic modulator or an acoustic wave. It can be arbitrarily changed by adjusting the optical modulator 112. In other words, the polarization direction is linearly polarized light of P polarization,
When the laser beam 111 is incident on the wave plate 113, all of the laser light 111 is transmitted. By adjusting the polarization direction of the laser light by the modulator 112, the ratio of the transmitted light and the reflected light of the wave plate 113 can be adjusted. . Therefore, the laser light 1
11 can be split into high-power light 114 and low-power light 115. The low output light 115 is arbitrarily expanded by a collimator 117 whose magnification can be changed. The high-power light 1 refracted on the same optical axis by the prism 118
14 and the low output light 115 are condensed by the same condensing lens 119. The condensing position of the high-power light 114 is constant, and the workpiece 120 is conveyed by the conveying stage 121 to this position and processed.
【0014】一方、低出力光115の集光位置は、コリ
メータ117による拡大率の調整で、開口率を変えるこ
とで、被加工物120にデフォーカスの状態で照射さ
れ、そのため被加工物120には、弱いエネルギー密度
で照射されることになり、被加工物120上のデブリの
除去に使われる。On the other hand, the condensing position of the low-output light 115 is applied to the workpiece 120 in a defocused state by changing the aperture ratio by adjusting the enlargement ratio by the collimator 117, so that the workpiece 120 is defocused. Is irradiated at a low energy density, and is used for removing debris on the workpiece 120.
【0015】被加工物120がレーザ加工されると、そ
の直後に分解生成物が放出され、レーザ光を吸収して高
温のプラズマプルームが形成される。プルームの膨張に
よって雰囲気ガスが押しのけられて、ブラスト波と呼ば
れる衝撃波が発生する。デブリの付着半径は、このブラ
スト波の最大半径Rmaxに比例する。そこで、可視光
レーザ発振器124の可視光レーザを受光して、被加工
物120の加工時に発生するブラスト波を認識するため
のCCDカメラ125とを用いて、このブラスト波の最
大半径Rmaxを認識して、出力データを画像解析・制
御装置127に送る。Immediately after the workpiece 120 is laser-processed, decomposition products are released, and the laser beam is absorbed to form a high-temperature plasma plume. The atmosphere gas is displaced by the expansion of the plume, and a shock wave called a blast wave is generated. The attachment radius of debris is proportional to the maximum radius Rmax of the blast wave. Then, the visible light laser of the visible light laser oscillator 124 is received, and the maximum radius Rmax of the blast wave is recognized by using the CCD camera 125 for recognizing the blast wave generated when the workpiece 120 is processed. Then, the output data is sent to the image analysis / control device 127.
【0016】また、低出力光115の出力が、被加工物
120の加工しきい値を越えると、加工部以外も加工さ
れる。被加工物120の表面に付着したデブリの除去し
きい値を下回ると、除去残差がでる。そこで、認識用の
可視光レーザを発振する認識用レーザ発振器122と、
加工およびクリーニングのためのレーザはすべて透過さ
せ、認識用レーザは半分透過、半分反射させる認識用レ
ーザ入射手段としてのハーフミラー125と、ハーフミ
ラー125を通った可視光レーザを受光して被加工物の
加工後の表面状態を認識するためのCCDカメラ123
とにより、加工部を認識して、画像解析・制御装置12
7に送る。以上のデータをもとに画像処理・制御装置1
27により、加工用高出力レーザ光114の出力を一定
にして低出力光115の出力を変えるために、レーザ発
振器110の出力、変調器112の調整を行う。また、
集光レンズ119に入射するビーム径を大きくすると被
加工物に照射される低出力光115のビーム径が大きく
なり、除去面積が大きくなる、これをコリメータ117
の倍率の調整で行う。When the output of the low-output light 115 exceeds the processing threshold value of the workpiece 120, portions other than the processed portion are processed. When the debris is below the threshold value for removing debris attached to the surface of the workpiece 120, a residual residue is generated. Therefore, a recognition laser oscillator 122 that oscillates a visible light laser for recognition,
A laser for processing and cleaning is all transmitted, and a laser for recognition is half-transmitted and half-reflected. CCD camera 123 for recognizing the surface state after processing
By recognizing the processing section, the image analysis / control device 12
Send to 7. Image processing / control device 1 based on the above data
According to 27, the output of the laser oscillator 110 and the modulator 112 are adjusted to change the output of the low-output light 115 while keeping the output of the high-output laser light 114 for processing constant. Also,
Increasing the beam diameter incident on the condenser lens 119 increases the beam diameter of the low-output light 115 applied to the workpiece and increases the removal area.
Adjustment of magnification.
【0017】[0017]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、発振器か
ら発振されたパルスレーザの偏光方向を切り替え、この
切り替えられたレーザ光を偏光板により分岐させ、この
分岐された一方のレーザ光をコリメータにより拡大し
て、この拡大されたレーザ光と前記分岐された他方のレ
ーザ光をそれぞれ屈折させ、同じ光軸上に出射させ、こ
の出射したレーザ光を集光し、前記他方のレーザ光で被
加工物を加工し、前記一方のレーザ光で被加工物の表面
をクリーニングすることで、被加工物に対して高精細で
クリーンな加工が可能であり、短時間で微小材料に対し
ても形成することができる。As described above, according to the present invention, the polarization direction of the pulse laser oscillated from the oscillator is switched, the switched laser light is branched by the polarizing plate, and one of the branched laser lights is separated. Enlarged by a collimator, the expanded laser light and the other split laser light are refracted, respectively, emitted on the same optical axis, and the emitted laser light is condensed, and the other laser light is condensed. By processing the workpiece and cleaning the surface of the workpiece with the one laser beam, it is possible to perform high-definition and clean processing on the workpiece, and even for a minute material in a short time. Can be formed.
【図1】本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置の
概略図FIG. 1 is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
【図2】従来のレーザクリーニングの概略図FIG. 2 is a schematic view of a conventional laser cleaning.
110 パルスレーザ発振器 112 変調器 113 偏光板 117 コリメータ 118 プリズム 119 集光レンズ 120 被加工物 123 CCDカメラ 125 CCDカメラ 126 制御装置 Reference Signs List 110 pulse laser oscillator 112 modulator 113 polarizing plate 117 collimator 118 prism 119 condenser lens 120 workpiece 123 CCD camera 125 CCD camera 126 controller
Claims (7)
光方向を切り替える工程と、この切り替えられたレーザ
光を偏光板により分岐させる工程と、この分岐された一
方のレーザ光をコリメータにより拡大する工程と、この
拡大されたレーザ光と前記分岐された他方のレーザ光を
それぞれ屈折させ、同じ光軸上に出射させる工程と、こ
の出射したレーザ光を集光し、前記他方のレーザ光で被
加工物を加工し、前記一方のレーザ光で被加工物の表面
をクリーニングする工程とを有することを特徴とするレ
ーザ加工方法。1. A step of switching the polarization direction of a pulse laser emitted from an oscillator, a step of splitting the switched laser light by a polarizing plate, and a step of enlarging one of the split laser lights by a collimator. A step of refracting the expanded laser light and the other split laser light and emitting the same on the same optical axis, condensing the emitted laser light, and processing the workpiece with the other laser light. And cleaning the surface of the workpiece with the one laser beam.
整して、被加工物の表面クリーニング面積を制御するこ
とを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。2. The laser processing method according to claim 1, wherein the magnification of the laser beam by the collimator is adjusted to control the surface cleaning area of the workpiece.
が、被加工物の加工しきい値とクリーニングされる被加
工物上の付着物質除去のしきい値との間になるよう制御
することを特徴とする請求項1、2のいずれかに記載の
レーザ加工方法。3. A method for controlling a laser output of one of the branched laser beams to be between a processing threshold value of a workpiece and a threshold value for removing an adhered substance on a workpiece to be cleaned. The laser processing method according to claim 1, wherein:
と、この解析した結果に基づいて、分岐された他方のレ
ーザ光の必要出力を解析して発振器と変調器を用いてレ
ーザ出力を調整する工程とを有することを特徴とする請
求項1〜3のいずれかに記載のレーザ加工方法。4. A step of image-analyzing a processed portion of a workpiece, analyzing a required output of the other split laser beam based on a result of the analysis, and converting a laser output using an oscillator and a modulator. The laser processing method according to claim 1, further comprising an adjusting step.
パルスレーザ発振器と、このパルスレーザ発振器から出
射したレーザ光の偏光方向を切り替える変調器と、この
変調器から出射したレーザ光に対してブリュースター角
で設置し、レーザ光を分岐する偏光板と、この分岐され
た一方のレーザ光を拡大し、この拡大率が変更可能なコ
リメータと、この拡大したレーザ光と分岐された他方の
レーザ光とをそれぞれ入射させ、同じ光軸上に出射させ
るプリズムと、このプリズムからの出射光を集光するた
めの集光手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装
置。5. A pulse laser oscillator for oscillating a pulse laser having linear polarization, a modulator for switching the polarization direction of laser light emitted from the pulse laser oscillator, and a Brewster for the laser light emitted from the modulator. It is installed at an angle, a polarizing plate that branches the laser light, a collimator that enlarges one of the branched laser lights, and can change the magnification, and another laser light that is branched from the expanded laser light. A laser beam processing apparatus, comprising: a prism that causes each of the light beams to enter and emits light on the same optical axis; and condensing means for condensing light emitted from the prism.
段と、この解析した結果に基づいて被加工物への分岐さ
れた一方のレーザの必要出力を解析し、発振器と変調器
を調整する制御装置とを備えたことを特徴とするレーザ
加工装置。6. An analysis means for image-analyzing a processed portion of a workpiece, and analyzing a required output of one of the lasers branched to the workpiece based on a result of the analysis, and adjusting an oscillator and a modulator. A laser processing apparatus comprising:
ことを特徴とする請求項6に記載のレーザ加工装置。7. The laser processing apparatus according to claim 6, wherein the control device also controls a collimator magnification.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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