JP2003290945A

JP2003290945A - レーザ表面加工装置

Info

Publication number: JP2003290945A
Application number: JP2002098431A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Hamamura; 秀行濱村; Naoya Hamada; 直也浜田; Motoi Kido; 基城戸; Hirofumi Imai; 浩文今井; Atsushi Sugibashi; 敦史杉橋; Tatsuhiko Sakai; 辰彦坂井; Hiroyuki Yamamoto; 博之山本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-04-01
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2003-10-14

Abstract

(57)【要約】【課題】表面処理、マーキングなどの表面加工を高速
で行なうことができるレーザ表面加工装置を提供する。【解決手段】複数のファイバレーザ発振装置１０と、
レーザ光出力をオン・オフ制御する出力制御装置２０と
を備えたレーザ表面加工装置であって、各光ファイバ１
１からの出力はそれぞれ独立して制御可能であり、光フ
ァイバ１１の出力端が２次元的に、かつ複数の出力端列
を形成するように配置されている。光ファイバの出力端
は２次元的に配置されているので、一時に多数の加工点
にレーザ光を照射することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ光により
表面処理、マーキングなどの表面加工を行なうレーザ表
面加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属、セラミックなどの加工物に表面処
理、マーキングその他の表面加工にＣＯ₂レーザ、ＹＡ
Ｇレーザなどのレーザが広く利用されている。従来、レ
ーザ光で加工面を走査するために、レーザ光伝送用レン
ズ、伝送用ミラー、ポリゴンミラーとその回転機構、あ
るいはｆθレンズとその揺動機構などを用いている。こ
れら装置、部品で構成した設備は構造が複雑であり、光
学部品の調整に長時間を要していた。

【０００３】近年、ファイバレーザが実用化されてい
る。ファイバレーザは光ファイバ（能動光ファイバ）で
レーザ光を発振するので、そのままレーザ光を光ファイ
バで伝送することができる。したがって、伝送用レン
ズ、ミラーなどの光学部品、およびこれらの調整は不要
であるという利点がある。

【０００４】また、ファイバレーザ利用の場合、多数の
光ファイバを用いればミラーや回転機構などを用いるこ
となく走査が可能である。すなわち、複数本の光ファイ
バを１列に並べて光ファイバ列を形成し、光ファイバ列
の端から順次レーザ光を出力する。加工物を移動しなが
ら上記レーザ光の出力動作を繰り返すことにより、加工
物表面を２次元的に走査することができる。しかし、こ
の方法では高速で移動する加工物に追従できない場合も
あり、また加工速度を更に上げたいという要望もある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、表
面処理、マーキングなどの表面加工を高速で行なうこと
ができるレーザ表面加工装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明のレーザ表面加
工装置は、複数のファイバレーザ発振装置と、レーザ光
出力をオン・オフ制御する出力制御装置とを備えたレー
ザ表面加工装置であって、各光ファイバからの出力はそ
れぞれ独立して制御可能であり、光ファイバの出力端が
２次元的に、かつ複数の出力端列を形成するように配置
されている。

【０００７】上記のように構成されたレーザ表面加工装
置は、光ファイバの出力端が２次元的に、かつ複数の出
力端列を形成するように配置されているので、一時に多
数の加工点にレーザ光を照射、集光することができる。
この結果、高速で表面加工を行なうことができる。な
お、表面加工がマーキングの場合、マーキングする文字
に応じて選択した位置に出力端が配置される。

【０００８】上記レーザ表面加工装置において、光ファ
イバの出力端と加工物の相対移動速度に応じて周期的に
光ファイバからのレーザ光出力をオン・オフするように
してもよい。これにより、光ファイバを全加工面に配置
することなく、少ない光ファイバにより全加工面にわた
りレーザ光を照射することができる。

【０００９】また、上記レーザ表面加工装置において、
コア断面形状が長方形の光ファイバを用いるか、コア断
面形状が円形の光ファイバから出力されたレーザ光を楕
円状に集光する集光光学系を用いるようにしてもよい。
これにより、表面処理およびマーキングにおいて光ファ
イバの数を、コア形状が円形の光ファイバを用いる場合
に比べて大幅に減らすことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１および図２はこの発明の１実
施の形態を示しており、図１はレーザ表面加工装置の模
式的概略図、図２は上記装置の加工ヘッドにおける光フ
ァイバ配置を模式的に示す底面図である。

【００１１】レーザ加工装置は、主として複数のファイ
バレーザ発振装置１０、出力制御装置２０および加工ヘ
ッド３０からなっている。

【００１２】ファイバレーザ発振装置１０は、図１では
１５個のファイバレーザ発振装置１０を例示している
が、加工条件によって数〜数万個が用いられる。ファイ
バレーザ発振装置１０は、励起装置として半導体レーザ
発振器１４を備えている。半導体レーザ発振器１４とし
て、例えばＧａ−Ａｓ系半導体レーザ発振器を用いるこ
とができる。半導体レーザ発振器１４から能動光ファイ
バ（レーザ発振用光ファイバ）１１に励起レーザ光（波
長：約０．８μm）を照射すると、能動光ファイバ１１
でレーザ光（波長：約１．０６μm）が発振する。能動
光ファイバ１１の出力は例えば１kWであり、コア径は５
０μmである。出力端面に受動光ファイバ（パワー伝送
用光ファイバ）を融着により接続し、受動光ファイバで
加工ヘッド３０までレーザ光を伝送するようにしてもよ
い。光ファイバ１１は束ねてケーブル１６とし、加工ヘ
ッド３０に接続する。

【００１３】出力制御装置２０は制御コンピュータから
なり、インターフェース（図示しない）を介して半導体
レーザ発振器１４に接続されている。出力制御装置２０
は、各ファイバレーザ発振装置１４ごとに半導体レーザ
発振器の注入電流を制御する。注入電流がしきい値を超
えるとファイバレーザ発振装置は発振し、以下となると
発振停止し、レーザ光出力はオン・オフ制御される。加
工条件によって、あらかじめ光ファイバごとにレーザ光
出力のタイミングおよび周期を設定する。

【００１４】加工ヘッド３０は、ファイバホルダ３２を
備えている。ファイバホルダ３２は、光ファイバ１１の
先端部を光軸を揃えて保持している。光ファイバ１１の
出力端は、図２に示すように２次元的に、この例では５
列×３列の出力端列を形成するように配置されている。

【００１５】上記のように構成したレーザ表面加工装置
において、加工物１を一定速度で送りながら、あらかじ
め選択した光ファイバについて所定のタイミング、周期
でレーザ光をオン・オフし、加工物１の表面に照射す
る。レーザ光の照射により加工物表面は硬化、塑性変形
などにより改質されて表面処理され、あるいは変色して
マーキングされる。

【００１６】光ファイバ１１の配置が、ｎ本の光ファイ
バが横方向に沿って１列に並び、その横列が縦方向に間
隔ｄをおいてＮ列並んでいるとし、加工物１が縦方向に
一定速度Ｖで送られているとする。この場合オン・オフ
の周波数ｆは、Ｖ／（ｄ・Ｎ）となる。

【００１７】なお、光ファイバの出力端を熱影響などで
加工物面に近づけない場合には、出力端を加工物から離
し、出力端と加工物との間に集光レンズを配置する。

【００１８】

【実施例】（実施例１）電磁鋼板の磁区制御レーザ照射により、鋼板の被覆を蒸発させ、蒸発反力に
より鋼板表層に歪みを付与し、還流磁区を形成させるこ
とによる電磁鋼板の磁区制御に本発明を適用した。

【００１９】実施形態は、コア直径は５０μmの光ファ
イバを板幅（６０mm）方向に６００本配列し、その横列
を長手方向に間隔６mmで４列配置した。光ファイバのオ
ン・オフ周波数は、速度および間隔から１２５Hzとし
た。光ファイバ１本当りのピーク出力は５００Wで６μs
照射するので、動作時の光ファイバ１本当りの平均出力
は、０．３８Wであった。これにより、従来よりも３倍
以上の鋼板通板速度１８０mpm（３m/s＝３０００mm/s）
での電磁鋼板の磁区制御処理が可能となり、高速加工が
実現できる。

【００２０】この実施例では、ファイバコア断面形状が
円形のものを用いたが、長方形断面の光ファイバあるい
は、円形断面から出力されたレーザ光を楕円状に集光し
て用いてもよい。これにより、板幅方向の光ファイバ本
数を大幅に減らすことができる。

【００２１】（実施例２）冷間圧延鋼板パターン加工による機能（プレス性向上）
付与レーザ照射による熱衝撃により照射部が局部的に塑性変
形し、冷間圧延鋼板の表面に深さ１μm、直径１０μm程
度の浅いくぼみをパターン形成させることにより、鋼板
のプレス加工性を向上させるのに適用した。

【００２２】実施形態は、コア直径は５０μmの光ファ
イバを板幅（１０００mm）方向に１００００本配列し、
その横列を長手方向に０．１mm（最密状態）で３０列配
置した。光ファイバのオン・オフの周波数は、速度およ
び間隔から１０００Hzとした。光ファイバ１本当りピー
ク出力は１０００Wで、５μs照射するので、動作時の光
ファイバ１本当りの平均出力は５Wであった。

【００２３】これにより、鋼板通板速度１８０mpm（３m
/s＝３０００mm/s）での冷間圧延鋼板パターン加工が高
速で実現できる。

【００２４】（実施例３）数字マーキングファイバホルダ３２は、ピッチ２００μmにて１３本の
光ファイバ１１を、図３(a) に示すように保持してい
る。各光ファイバ１１の出力は、１０Wである。所要の
数字を表示する光ファイバ１１を選択し、この光ファイ
バ１１からレーザ光を出力する。例えば図３(b) に示す
ように、「１」をマーキングする場合、縦１列に並ぶ５
本の光ファイバ１１aから、レーザ光を出力する。出力
制御装置２０は、あらかじめ設定した数字順に、材料の
送り速度に合わせてオン・オフ信号を出力し、数字列を
マーキングする。マーキングされる数字の高さは、１mm
であり、時計部品、プリント基板、ＩＣパッケージなど
の比較的小さい部品に数字をマーキングする。

【００２５】（実施例４）数字マーキングファイバホルダ３２は、７本の光ファイバ１２を、図４
(a) に示すように保持している。光ファイバ１２の断面
形状は、２００×５０μmの長方形となっている。例え
ば図４(b) に示すように、「１」をマーキングする場
合、縦１列に並ぶ２本の光ファイバ１２aから、レーザ
光を出力する。この装置では、図３に示す装置に比べて
光ファイバの本数を１３本から７本に大幅に減らすこと
ができる。

【００２６】なお、この実施例では長方形断面の光ファ
イバを用いたが、円形断面の光ファイバから出力された
レーザ光を楕円状に集光するようにしてもよい。楕円状
に集光するには、凸レンズに円柱レンズを組み合わせた
集光光学系を用いる。

【００２７】

【発明の効果】この発明のレーザ表面加工装置では、出
力端は２次元的に配置されているので、一時に多数の加
工点にレーザ光を照射することができる。この結果、高
速で表面加工を行うことができ、加工能率の向上を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のレーザ表面加工装置の模式的概略図
である。

【図２】上記装置における光ファイバ配置を示す模式図
である。

【図３】マーキング装置における光ファイバ配置例を示
す模式図である。

【図４】マーキング装置における光ファイバ配置の他の
例を示す模式図である。

【符号の説明】

１加工物１０ファイバレーザ発振
装置１１光ファイバ１４半導体レーザ発振
器１６光ファイバケーブル２０出力制御装置３０加工ヘッド３２ファイバホルダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者城戸基千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者今井浩文千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者杉橋敦史千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者坂井辰彦千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者山本博之千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内Ｆターム(参考） 4E068 CA02 CA05 CB01 CD02 CD06 CE08 5F072 AB07 AK06 HH04 HH07 JJ20 MM20 PP07 RR01 YY06 YY07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のファイバレーザ発振装置と、レー
ザ光出力をオン・オフ制御する出力制御装置とを備えた
レーザ表面加工装置であって、各光ファイバからの出力
はそれぞれ独立して制御可能であり、光ファイバの出力
端が２次元的に、かつ複数の出力端列を形成するように
配置されていることを特徴とするレーザ表面加工装置。
【請求項２】前記光ファイバの出力端と加工物の相対
移動速度に応じて周期的に光ファイバからのレーザ光出
力をオン・オフする請求項１記載のレーザ表面加工装
置。
【請求項３】前記光ファイバのコア断面形状が長方形
である請求項１記載のレーザ表面加工装置。
【請求項４】前記集光光学系がコア断面形状が円形の
光ファイバから出力されたレーザ光を楕円状に集光する
請求項１記載のレーザ表面加工装置。