JP2008044000A

JP2008044000A - 加工深さを増加したレーザ加工装置

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Publication number: JP2008044000A
Application number: JP2006224651A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Imai; 浩文今井; Tatsuhiko Sakai; 辰彦坂井
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2026-08-21
Also published as: JP4690967B2

Abstract

【課題】厚物のレーザ加工において重要となる加工深さの特性を改善するレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【解決手段】波長の異なる複数のレーザL１、L2、L3から出射したレーザ光を同一光軸上にビーム合成してなるレーザ光を集光レンズ６にて、屈折率の波長分散に基づく該集光レンズ６の焦点距離の波長依存性を利用することにより集光し、同一光軸上別々の位置にフォーカスして被加工物Ｗに照射して、かつ、レーザ光を波長の短い順に繰り返して点灯させることにより、厚物材料に対しても高性能の加工を可能にする。被加工材Wの表面から浅い順に加工の中心を移動することにより、加工の効率性を高めることができる。レーザ光のパルス時間幅は、被加工材Wの溶融のタイミングを考慮すると、１ns以上１０s以下がより効果的である。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属やセラミックス等を被加工物として、溶接や切断等の加工を施すレーザ加工装置に関するものである。

従来、溶接や切断等の加工を施すレーザ加工装置において、加工の効率を向上する目的で、異なる波長を有する複数のレーザ光を同一点に集光する方法が、例えば、特許文献１、特許文献２等に開示されている。

特許文献１には、発振波長１．０６μmのYAGレーザと発振波長１．３μmのヨウ素レーザからの発振光を同一加工点に集光照射する加工法が開示されている。前記２種のレーザ光は、波長１．３μmの光を反射し波長１．０６μmの光を透過する多層膜を表面に形成したビームスプリッタで同一光軸に合わせて同一の光ファイバに導入し加工ヘッドまで伝送されるが、光ファイバに正しく結合させるための位置調節機構が複雑である。

特許文献２には、YAGレーザの基本波（１．０６μm：赤外光）と第２高調波（０．５３μm：緑色）を、ダイクロイックミラーを用いて加工点に重畳集光させる装置が開示されている。これは異なる波長を有するレーザ光を、ダイクロイックミラーを用いて同軸レーザ光にビーム合成した後、集光レンズにて集光したとき、色収差を補償するために基本波を導光する光ファイバ及び第２高調波を導光する光ファイバの何れか一方の光ファイバの出射端をそれぞれのコリメートレンズの焦点位置からオフセットした所定の位置に配置するものである。効果として２種のレーザ光は同一加工点に集光点を持つようになる。

特開平１０−３１４９７３号公報特開２００５−３１３１９５号公報

上記した従来の方法では、ビーム合成のための装置が複雑であり、また、厚物加工において重要である加工深さの特性については改善されるところがなかった。加工能力を上げるべくパワー密度を高くするために集光レンズで急角度に絞り込むと、加工深さが限られ厚物材料の加工性能が劣ることに繋がる。このように、厚物加工にはパワー密度が高く細くて長いレーザビームが求められる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、厚物のレーザ加工において重要となる加工深さの特性を改善するレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の要旨は、下記のごとくである。
（１）波長の異なる複数のレーザ光を同一光軸上にビーム合成してなるレーザ光を、集光レンズにて、屈折率の波長分散に基づく集光レンズの焦点距離の波長依存性を利用することにより、光軸上の異なる集光点に集光して被加工材の加工を行ない、かつ、
前記複数のレーザ光を波長の短い順に繰り返して点灯させることを特徴とするレーザ加工装置。
（２）前記複数のレーザがそれぞれファイバレーザから発振したレーザ光であることを特徴とする（１）に記載のレーザ加工装置。
（３）前記レーザの空間モードがシングルモードであることを特徴とする（２）に記載のレーザ加工装置。
（４）前記ビーム合成の手段として波長合成素子を具備することを特徴とする（２）または（３）に記載のレーザ加工装置。
（５）前記波長合成素子がWDMカプラーであることを特徴とする（４）に記載のレーザ加工装置。
（６）前記複数のレーザビームを１ns以上１０s以下の時間幅で繰り返し点灯させることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載のレーザ加工装置。

本発明によれば、厚物のレーザ加工において重要となる加工深さの特性を改善するレーザ加工装置を提供することができる。

本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。なお、下記の各図において、同一の機能を有する部分には同一の番号を付記した。

＜実施の形態＞
本願第１の発明である加工深さを増加したレーザ加工装置の一例について、レーザ切断における実施の形態を図１に示すブロック図を用いて説明する。なお、切断のほか穴明け、溶接、焼き入れ、表面処理、または表層除去等を行うレーザ加工装置においても、同様に適用できることは明らかである。

レーザL1、L2、L3は、それぞれ発振波長λ1、λ2、λ3を有するシングルモードファイバレーザである。それぞれ伝送用の受動光ファイバ１、２、３を融着している。ビーム合成のため波長合成素子としてWBMカプラー４、５を用い、まず、WDMカプラー４にて光ファイバ２内を伝播する波長λ2のレーザ光を光ファイバ１に結合させる。ここで、WDMカプラーとは同一媒体内で互いの光ファイバを近接させることにより光ビームのエバネッセント結合を利用して光エネルギーの移乗を起こさせる素子である。相互作用の長さで移乗の割合を変化させることができる。ここでの移乗の割合は波長λ2の光が光ファイバ２から光ファイバ１へ１００％、波長λ1の光が光ファイバ１から光ファイバ２へ０％である。

次に、同様に、WDMカプラー５にて光ファイバ３内を伝播する波長λ3のレーザ光を光ファイバ１に結合させる。以上によって、波長λ1、λ2、λ3のレーザ光が１本の光ファイバ１に結合される。なお、シングルモードファイバレーザの台数が４台以上の場合も同様にして可能である。

同軸合成された波長λ1、λ2、λ3のレーザ光が光ファイバ１から出射して集光レンズ６により集光される。この際、集光レンズ６として色消し機能のないレンズを用いることにより、屈折率の波長分散に基づく色収差が発生し、集光レンズ６の焦点距離の波長依存性が生じ、波長λ1、λ2、λ3のビームが同一光軸上ではあるがそれぞれ異なる集光点P1、P2、P3に収束する。これらを被加工物Wの厚み方向に順に配置するよう波長が短い順に選び、波長の短い順にレーザ光を繰り返し点灯させる。これにより、被加工材Wの表面から浅い順に加工の中心を移動することにより、加工の効率性を高めることができる。レーザ光のパルス時間幅は、被加工材Wの溶融のタイミングを考慮すると、１ns以上１０s以下がより効果的である。

また、それぞれ発振波長λ1、λ2、λ3を有するレーザL1、L2、L3は、ファイバレーザでなくともよい。さらに、シングルモードにはこだわらない。図５に示すように、通常の固体レーザ等を用いることもできる。レーザ光を光ファイバに導光しない場合は、波長合成素子としてダイクロイックミラー等を用いてビーム合成を行う。ダイクロイックミラーの表面には、波長の異なる光に対して反射／透過特性が異なるコーティングが施されており、例えば図５の波長合成素子である波長合成ミラーM1について述べると、レーザL1から発した波長λ1のレーザ光は１００％透過し、レーザL2から発した波長λ2のレーザ光は１００％反射する。この結果、２つのレーザ光をビーム合成することができる。

レーザ光照射に当たっては、レーザ光と同軸でアシストガスを供給するノズル７より酸素や酸素と窒素の混合ガスをアシストガスとして噴射し、加工を促進する。上述のように、本発明の加工深さを増加したレーザ加工装置によれば、複雑な調整機構を要せず容易に加工深さを増加したレーザ装置を提供することができる。

図１に於いて、それぞれ発振波長λ1＝１．０７５μm、λ2＝１．３μm、λ3＝１．５μmを有するシングルモードファイバレーザL1、L2、L3を用いて構成した本発明の加工深さを増加したレーザ加工装置により、軟鋼のレーザ切断を試みた。それぞれのレーザの平均出力は２５０Wである。なお、L2はL1を励起源としたラマンレーザであり、L3はL2を励起源としたラマンレーザである。なお、ビーム合成前のレーザ出力はそれぞれ自由に決めることができる。

集光レンズ６直前でのビーム合成したレーザ光の合計平均出力は７３０Wとなった。集光レンズ６は焦点距離１９０mmの合成石英製平凸レンズである。集光レンズ６への入射レーザビーム径は約７mmφ、集光点P1、P2、P3でのビームスポットサイズはそれぞれ約０．２mmφである。このとき、P1とP2の距離は約３０mm、P2とP3の距離は約３０mmである。ノズルの出口直径は１．８mmである。アシストガスは酸素を用い、ガス圧は０．０５MPaとした。

まず、加工特性の比較のために別に用意した波長０．０７５μm、出力１kWのシングルモードファイバレーザを用い出力を７３０Wとして上記と同様の光学系にて上記の材料を切断したところ、板厚12mmが限界であった。

対して、本実施例の装置では、板厚２６mmまで切断可能であった。各レーザは図２に示すごとくL1、L2、L3の順にレーザL1、L2、L3を点灯させるシーケンスにて動作させた。この際、マスター周波数はレーザL1に持たせ、レーザL2、L3はレーザL1に対してそれぞれ所定の遅延時間を持たせて点灯させた。必ずしもレーザL1が基準である必要はないが、本例ではレーザL1とした。レーザL1を５００Hzでパルス運転とし、デューティは２５％、パルス時間幅は５００μsとした。そして、レーザL2とL3はパルス時間幅５００μsで点灯させ、それぞれ遅延時間６６６μs、１３３２μsを持たせてある。すなわち、トータルのデューティが７５％となる設定である。

なお、上記の波長や出力、および集光レンズの組み合わせは一例であり、他の値のものを選ぶこともできる。ビームの数も３本にこだわるものではない。また、パルス周波数は５００Hzにこだわるものではない。デューティも７５％以外であっても良い。例えば、図３に示すように、始めにλ1を１０秒間連続照射した後、λ2、λ3をそれぞれ異なるパルス条件にて繰り返して照射するような照射方法でも良い。複数のレーザ光の点灯は、波長の短い順に開始すれば良く、例えば始めにλ1を点灯させ、λ1の点灯終了後に、λ2、λ3の点灯を順に開始させても良いし、λ1の点灯終了前に、λ2、λ3の点灯を順に開始させても良い。また、λ2の点灯終了後にλ3の点灯を開始させても良いし、λ2の点灯終了前にλ3の点灯を開始させても良い。更に、複数のレーザ光の点灯は、いずれも一回もしくは複数回繰り返して行っても良い。

図５に於いて、発振波長λ1＝１．０６μmのNd:YAGレーザL1、同λ2＝１．３μmのNd:YAGレーザL2、同λ3＝１．５μmのEr:YAGレーザL3を用いて構成した本発明の加工深さを増加したレーザ加工装置により、軟鋼のレーザ切断を試みた。それぞれのレーザ出力は２５０Wである。なお、ビーム合成前のレーザ出力はそれぞれ自由に決めることができる。これら３台のレーザからの発振光を波長合成ミラーM1、M2にてビーム合成した。

集光レンズ６直前でのビーム合成したレーザ光の合計出力は７３０Wとなった。集光レンズ６は焦点距離１９０mmの合成石英製平凸レンズである。集光レンズへの入射レーザビーム径は約７mmφ、集光点P1、P2、P3でのスポットサイズはそれぞれ約０．３mmφである。このとき、P1とP2の距離は約３０mm、P2とP3の距離は約３０mmである。ノズルの出口直径は１．８mmである。アシストガスは酸素を用い、ガス圧は０．０５MPaとした。

本実施例の装置にて、板厚２５mmまで切断可能であった。レーザはパルス運転とし、レーザL1、L2、L3の順に点灯させるシーケンスにて動作させた。この際、マスター周波数はレーザL1に持たせ、レーザL2、L3はレーザL1に対してそれぞれ所定の遅延時間を持たせて点灯させた。必ずしもレーザL1が基準である必要はないが本例ではレーザL1とした。レーザL1を５００Hzでパルス運転とし、デューティは２５％、パルス時間幅は５００μsとした。そして、レーザL2とL3はパルス時間幅５００μsで点灯させ、それぞれ遅延時間６６６μs、１３３２μsを持たせてある。すなわち、トータルのデューティが７５％となる設定である。

なお、上記の波長や出力、および集光レンズの組み合わせは一例であり、他の値のものを選ぶこともできる。ビームの数も３本にこだわるものではない。また、パルス繰り返し周波数は５００Hzにこだわるものではない。デューティも７５％以外であっても良い。例えば、図４に示すように始めにλ1を１０秒間連続照射し、途中からλ2、λ3をそれぞれ異なるパルス条件にて照射して重畳するような照射方法でも良い。

本発明は、例えば金属やセラミックス等を被加工物として、溶接や切断等の加工を施すレーザ加工技術に利用できる。特に、厚物の加工に適する。また、遠方より集光して走査しながら広い面積を処理することにも適する。

第１の発明の実施の形態に係る本発明の加工深さを増加したレーザ加工装置のブロック構成を示す図である。３台のレーザの点灯の時間関係を例示的に説明する図である。３台のレーザの点灯の時間関係を例示的に説明する図である。３台のレーザの点灯の時間関係を例示的に説明する図である。第２の発明の実施の形態に係る本発明の加工深さを増加したレーザ加工装置のブロック構成を示す図である。

符号の説明

L1 発振波長λ1を有するレーザ
L2 発振波長λ2を有するレーザ
L3 発振波長λ3を有するレーザ
１，２，３伝送用光ファイバ
４，５ WDMカプラー
６集光レンズ
７レーザ加工ノズル
８レンズ
９レーザL1から出射した波長λ1のレーザ光（２本の線で挟まれる領域）
１０レーザL2から出射した波長λ2のレーザ光（２本の線で挟まれる領域）
１１レーザL3から出射した波長λ3のレーザ光（２本の線で挟まれる領域）
１２光ファイバ１から出射した波長λ1（実線）、λ2（破線）、λ3（一点鎖線）のレーザ光（各２本の線で挟まれる領域）
Ｗワーク（被切断材）
M1 波長λ1とλ2のレーザ光をビーム合成する波長合成ミラー
M2 波長λ1、λ2、λ3のレーザ光をビーム合成する波長合成ミラー
P1 波長λ1のレーザ光の集光点
P2 波長λ2のレーザ光の集光点
P3 波長λ3のレーザ光の集光点

Claims

波長の異なる複数のレーザ光を同一光軸上にビーム合成してなるレーザ光を、集光レンズにて、屈折率の波長分散に基づく該集光レンズの焦点距離の波長依存性を利用することにより、光軸上の異なる集光点に集光して被加工材の加工を行ない、かつ、前記複数のレーザ光を波長の短い順に繰り返して点灯させることを特徴とするレーザ加工装置。
前記複数のレーザ光がそれぞれファイバレーザから発振したレーザ光であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記レーザ光の空間モードがシングルモードであることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
前記ビーム合成の手段として波長合成素子を具備することを特徴とする請求項２または３に記載のレーザ加工装置。
前記波長合成素子がWDMカプラーであることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
前記複数のレーザ光を１ns以上１０s以下の時間幅で繰り返し点灯させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ加工装置。