JP2014172082A - High-power laser machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ溶接等に用いるファイバーレーザやディスクレーザの如き高輝度・高収束のレーザ加工機であって、特にレーザ光路に全反射膜を有するスクレーパが介在する高出力レーザ加工機に関する。 The present invention relates to a high-intensity and high-convergence laser processing machine such as a fiber laser or a disk laser used for laser welding or the like, and more particularly to a high-power laser processing machine in which a scraper having a total reflection film is interposed in a laser beam path.
レーザ溶接は、高出力のレーザ光を加工ヘッドの集光レンズで絞ったスポットを被加工物の表面に照射しつつ、溶接部位に沿って照射位置を移動させることにより、照射部位の被加工物素材を連続的に溶融・固化させてゆくものであり、高密度のエネルギーを微小領域に集中できることから、狭い溶接ビード幅で深い溶込みが得られると共に、小さい入熱量で高能率の溶接を行えるという利点がある。そして、このようなレーザ溶接にはファイバーレーザやディスクレーザ等のレーザ波長1μm帯用の高輝度・高収束のレーザ加工機が多用されるが、その集光レンズやコリメータレンズの如き光学部品として一般的に石英母材の表面に無反射コートを施したものが使用されている。 Laser welding irradiates the surface of the workpiece with a high-power laser beam focused by the condenser lens of the machining head, and moves the irradiation position along the welding site, thereby allowing the workpiece at the irradiated site to move. The material is continuously melted and solidified, and high-density energy can be concentrated in a minute region, so that deep penetration can be achieved with a narrow weld bead width and high-efficiency welding can be performed with a small heat input. There is an advantage. In such laser welding, a high-intensity and high-convergence laser processing machine for a laser wavelength band of 1 μm, such as a fiber laser or a disk laser, is often used. However, it is generally used as an optical component such as a condenser lens or a collimator lens. In particular, a quartz base material with a non-reflective coating is used.
しかるに、レーザ溶接においては、一般的に溶接開始位置から離れるにしたがって溶接品位が低下する傾向が認められる。これは、熱レンズ現象として、レーザ光路に介在する光学部品がレーザ光を吸収して昇温し、熱膨張及び屈折率変化を生じてレーザ光の焦点距離が変化する(通常は凸レンズ効果で焦点距離が短くなる)ことに起因している。なお、この熱レンズ現象に繋がるレーザ光の吸収は、光学部品の石英母材でもある程度は生じるが、表面の無反射コート部分での吸収が大きい。一方、このような高出力レーザ加工機では加工ヘッド内部のレーザ散乱光による周辺部品の過熱という問題もある。 However, in laser welding, it is generally recognized that the weld quality tends to decrease with increasing distance from the welding start position. This is because, as a thermal lens phenomenon, an optical component intervening in the laser optical path absorbs the laser light and rises in temperature, causing thermal expansion and a change in refractive index to change the focal length of the laser light (usually the focal lens effect causes a focal point). This is because the distance becomes shorter. The absorption of the laser light that leads to this thermal lens phenomenon occurs to some extent even in the quartz base material of the optical component, but the absorption at the non-reflective coating portion on the surface is large. On the other hand, such a high-power laser processing machine also has a problem of overheating of peripheral components due to laser scattered light inside the processing head.
従来、レーザ加工機における熱レンズ現象に対処するために、いくつかの手段が提案されている。その一つは、集光レンズの上方に2組の温度センサを取り付けた回転自動ステージを設け、両温度センサによって集光レンズのレーザ光入射側である上面全体をスキャニングし、得られる温度データから該集光レンズの焦点距離変化量を算出し、その算出値に基づいて焦点距離自動調整装置によって集光レンズを上下に移動させることにより、焦点が常に被加工物上に結ばれるように制御する方式である(特許文献1)。また他の一つは、セレン化亜鉛等よりなる屈折率の温度変化率が正の透過光学素子を含む加工光路系を有するレーザ加工機において、その加工光路途中にフッ化バリウム等よりなる屈折率の温度変化率が負の透過型熱レンズ補正素子を配置することにより、屈折率の温度変化率が正の透過光学素子で発生する収束系の熱レンズ特性を打ち消す方式である(特許文献2)。更に他の一つは、レーザ加工中に変化するレーザ光出力の大きさに基づいて、レーザ光照射位置で焦点位置の変化量を算出し、この変化量に基づいて加工レンズの位置を制御するか、もしくは背面側に空間を有するベンドミラーを配置し、その空間への流体供給圧力によって該ベンドミラーを弾性変形させて曲率を制御することにより、焦点位置を補正する方式である(特許文献3)。 Conventionally, several means have been proposed in order to cope with the thermal lens phenomenon in a laser beam machine. One of them is that a rotating automatic stage with two sets of temperature sensors is installed above the condenser lens, and the entire upper surface on the laser beam incident side of the condenser lens is scanned by both temperature sensors. The focal length change amount of the condenser lens is calculated, and the focal lens is moved up and down by the automatic focal length adjustment device based on the calculated value, so that the focal point is always connected to the workpiece. It is a system (patent document 1). The other is a laser processing machine having a processing optical path system including a transmission optical element having a positive temperature change rate of refractive index made of zinc selenide or the like, and a refractive index made of barium fluoride or the like in the middle of the processing optical path. This is a system that cancels out the thermal lens characteristics of a converging system that occurs in a transmissive optical element having a positive refractive index temperature change rate by arranging a transmission type thermal lens correction element having a negative temperature change rate (Patent Document 2). . The other one calculates the amount of change in the focal position at the laser light irradiation position based on the magnitude of the laser light output that changes during laser processing, and controls the position of the processing lens based on this amount of change. Alternatively, a bend mirror having a space on the back side is disposed, and the focus position is corrected by elastically deforming the bend mirror by the fluid supply pressure to the space and controlling the curvature (Patent Document 3). ).
しかしながら、前記特許文献1の方式では、2組の温度センサ、回転自動ステージとその駆動機構、焦点レンズの上下移動機構とその制御機構等を必要とするため、加工ヘッド及び付帯設備のコストが高く付くと共に、温度測定値→集光レンズ全体の温度分布→熱変形量→焦点距離変化量を順次演算する熱解析手段の構築にも多大な労力を要するとになる。また、特許文献2の方式では、通常の加工光路系に介在させる透過型レンズをセレン化亜鉛等の特殊な材料で製作し、しかもフッ化バリウム等の特殊な材料からなる透過型熱レンズ補正素子を用いる必要があり、これらの材料コスト及び製作コストが極めて高く付くために実用性に乏しいという問題がある。更に、特許文献3の方式では、加工条件に関する設定情報とレーザ加工機構からの熱レンズ情報として多くの様々な数値を加工制御装置に入力し、その入力情報から焦点位置の変化量を算出する必要があり、その操作及び制御システム構築に多大な手間を要し、また加工レンズの駆動及び制御機構やベンドミラーを流体圧で変形させるための極めて特殊な装置及び制御機構が必要になる。
However, the method of
本発明は、上述の事情に鑑みて、レーザ溶接等に用いる高出力レーザ加工機として、各別な駆動機構や制御機構を要することなく熱レンズ特性を補償でき、もって高精度のレーザ加工を容易に行えると共に低コストで製作可能なもの、更には加工ヘッド内部のレーザ散乱光による周辺部品の過熱を抑制できるものを提供することを目的としている。 In view of the above circumstances, the present invention can compensate for thermal lens characteristics without requiring a separate drive mechanism or control mechanism as a high-power laser processing machine used for laser welding or the like, thereby facilitating highly accurate laser processing. Another object of the present invention is to provide a device that can be manufactured at low cost and that can suppress overheating of peripheral components due to laser scattered light inside the processing head.
上記課題を解決するための手段を図面の参照符号を付して示せば、請求項1の発明は、レーザ光路に全反射膜を有するスクレーパ2が介在する高出力レーザ加工機において、レーザ光路に介在するスクレーパ2以外の光学部品(集光レンズ4、コリメータレンズ5、保護ガラス6)による収束側の熱レンズ作用を、レーザ光Lを吸収した該スクレーパ2の熱膨張に伴う反射面2aの曲率変化による拡散側の熱レンズ作用によって相殺することにより、レーザ加工機全体の熱レンズ特性を補償するように構成されてなることを特徴としている。
If the means for solving the above-mentioned problems are shown with reference numerals in the drawings, the invention of
請求項2の発明は、上記請求項1の高出力レーザ加工機において、スクレーパ2の全反射膜が2層以上の誘電体層からなるものとしている。
According to a second aspect of the present invention, in the high power laser processing machine according to the first aspect, the total reflection film of the
請求項3の発明は、上記請求項1又は2の高出力レーザ加工機において、レーザ光路に全反射膜を有する複数のスクレーパ2が介在し、これらスクレーパ2による重奏した拡散側の熱レンズ作用によって前記収束側の熱レンズ作用を相殺するように設定されてなるものとしている。
According to a third aspect of the present invention, in the high-power laser processing machine according to the first or second aspect, a plurality of
請求項4の発明は、上記請求項1〜3のいずれかの高出力レーザ加工機において、内部に集光レンズ4と少なくとも一つのスクレーパ2を含む光学部品を装着した加工ヘッド1の内表面10aに、ブラスト処理及び黒化処理が施されてなるものとしている。
According to a fourth aspect of the present invention, in the high-power laser processing machine according to any one of the first to third aspects, the inner surface 10a of the
請求項5の発明は、上記請求項4の高出力レーザ加工機において、ブラスト処理及び黒化処理が施された加工ヘッド1の構造部材11〜13の内部に冷却水路7が設けられ、該構造部材11〜13のレーザ散乱光吸収に伴う熱エネルギーを冷却水路7に流通する冷却水との熱交換によって排熱するように構成されてなる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the high-power laser processing machine according to the fourth aspect, the
次に、本発明の効果について図面の参照符号を付して説明する。まず、請求項1の発明に係る高出力レーザ加工機では、レーザ光路に介在するスクレーパ2以外の光学部品(集光レンズ4、コリメータレンズ5、保護ガラス6)による収束側の熱レンズ作用を予め計測しておき、全反射膜を有するスクレーパ2として、レーザ光Lの吸収による熱膨張に伴って反射面2aに、前記収束側の熱レンズ作用に対応した拡散側の熱レンズ作用をもたらす曲率変化を生じるものを使用することにより、その収束側と拡散側の熱レンズ作用を相殺させる。従って、この高出力レーザ加工機によれば、上記曲率変化を生じる吸収特性を持つスクレーパ2を選択するだけで、各別な駆動機構や制御機構を要することなくレーザ加工機全体の熱レンズ特性が補償されるから、高精度のレーザ加工を容易に行えると共に、該レーザ加工機を低コストで製作できる。
Next, effects of the present invention will be described with reference numerals in the drawings. First, in the high-power laser processing machine according to the first aspect of the present invention, the thermal lens action on the convergence side by the optical components (the
請求項2の発明によれば、スクレーパ2の全反射膜が2層以上の誘電体層からなるため、その誘電体層の層数及び層厚プロフィールの設定によって前記吸収特性を持つ該スクレーパ2を容易に製作できる。
According to the second aspect of the present invention, since the total reflection film of the
請求項3の発明によれば、レーザ光路に全反射膜を有する複数のスクレーパ2が介在し、これらスクレーパ2による重奏した拡散側の熱レンズ作用によって前記収束側の熱レンズ作用を相殺するから、個々のスクレーパ2による拡散側の熱レンズ作用が小さくとも、複数のスクレーパ2によって必要な拡散側の熱レンズ作用を確保でき、それだけ該スクレーパ2の設計・製作が容易になると共に、レーザ加工機の機種や使用するスクレーパ2以外の光学部品の品種による収束側の熱レンズ作用の強弱度合が違う場合でも、個々の拡散側の熱レンズ作用が異なるスクレーパ2を適宜組み合わせることで対応できる。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、加工ヘッド1の内表面10aにブラスト処理及び黒化処理が施されているから、該加工ヘッド1の構造部材11〜13にレーザ散乱光が効率よく吸収され、もって周辺部品の過熱が抑制される。
According to the invention of
請求項5の発明によれば、ブラスト処理及び黒化処理が施された加工ヘッド1の構造部材11〜13の内部に冷却水路6を有し、該構造部材11〜13のレーザ散乱光吸収に伴う熱エネルギーを冷却水路6の冷却水との熱交換で効率よく排熱できるから、周辺部品の過熱をより効果的に防止できる。
According to the invention of
図1で示す加工ヘッド1は、レーザ溶接用ファイバーレーザの溶接ヘッドを構成するものであり、側面視略L字形に曲折した筒状のハウジング10内に、レーザ光路に沿って図示上部側から順次、光ファイバー3の出射端3aから出射されるレーザ光Lを平行光に変換するコリメータレンズ5、45°の角度で傾斜配置して該平行光を90°異なる方向(図示左方向)へ全反射させる反射型スクレーパ2、その反射光を収束して加工テーブルT上の被加工物Wの表面近傍で焦点Fを結ばせる集光レンズ4、平板状の保護ガラス6が配置している。
The
そして、ハウジング10は、その内表面10aにブラスト処理及び黒化処理が施されると共に、コリメータレンズ5及び集光レンズ4の各々周囲の構造部材11,12と、スクレーパ2の配置部分の構造部材13の、それぞれ内部に冷却水路6が設けてある。また、該ハウジング10におけるスクレーパ2の背面側には、焦点レンズ4の光軸方向に設けた開口部14に臨んで外側に観察用のCCDカメラ15が設置されている。
The
ここで、集光レンズ4及びコリメータレンズ5と保護ガラス6はいずれも石英母材の表面に無反射膜を設けたもの、スクレーパ2は石英母材の表面に全反射膜を設けたものである。そして、レーザ光路に介在するスクレーパ2を除く光学部品、つまり集光レンズ4、コリメータレンズ5、保護ガラス6は、レーザ光Lの吸収に伴う熱膨張と屈折率変化によって焦点Fを集光レンズ4側へ変位させる収束側(正)の熱レンズ作用を生じるものであるのに対し、スクレーパ2は後述するようにレーザ光Lの吸収に伴う熱膨張で反射面2aが凸形に変形する曲率変化により、前記収束側(正)の熱レンズ作用を相殺する拡散側(負)の熱レンズ作用を生じるものであり、これによって加工ヘッド1全体の熱レンズ特性が補償されている。
Here, the
次に市販の反射型スクレーパ2A〜2C(径80mm、厚さ8mm)を用いた加工ヘッドによる熱レンズ特性の試験結果を示す。これらスクレーパ2A〜2Cは、いずれも石英母材の表面に電子ビーム蒸着によってSiO2 及びTiO2 の誘電体層を交互に多数層に積層した全反射膜を備え、次表1に示す反射率と全反射膜の層数比率(スクレーパ2Aを基準1とする比率)を有するものである。試験では、出力10kWのレーザ光Lの出射開始から3分後における集光レンズ4側への焦点変位、ならびにその時点でのスクレーパの中心(反射中心)と周辺との温度差を計測した。次表1に、計測結果をスクレーパ2Aを基準1とした相対値で示すと共に、試験時の状況を図2で模式的に示す。なお、焦点変移は短縮側への変移である。
Next, test results of thermal lens characteristics by a processing head using commercially available
表1に示すように、反射型スクレーパ2A,2Cを用いた加工ヘッドでは、収束側への熱レンズ作用が強く、焦点変移が大きくなっている。そして、スクレーパ2A,2Cの中心と周辺との温度差は僅かである。これは、スクレーパ2A,2Cではレーザ光Lの吸収率が小さいため、図2(a)に示すように反射面2aが平面状を維持する結果、これらスクレーパ2A,2Cを除く集光レンズ4等の光学部品のレーザ光Lの吸収に伴う熱膨張と屈折率変化による収束側(正)の熱レンズ作用がそのまま現れ、焦点位置が本来のF0からF1へ移動する大きな焦点変移Δf1を生じていると言える。これに対し、反射型スクレーパ2Bを用いた加工ヘッドでは、収束側への熱レンズ作用が弱く、焦点変移が少なくなっているが、該スクレーパ2Bの中心と周辺との温度差はスクレーパ2A,2Cの6倍以上にも大きくなっている。この場合、スクレーパ2Bではレーザ光Lの吸収率が大きいため、その反射面2aが熱膨張によって図2(b)に示すように凸状に変形し、レーザ光Lが凸面で反射することで拡散側(負)の熱レンズ作用を生じ、その分だけスクレーパ2Bを除く集光レンズ4等の光学部品による収束側(正)の熱レンズ作用が減殺される結果、焦点位置が本来のF0からF2へ移動するだけの小さな焦点変移Δf2に止まっていると想定される。
As shown in Table 1, in the processing head using the
本発明は、上記試験結果に基づく知見から、レーザ光路に介在するスクレーパ2以外の光学部品(集光レンズ4、コリメータレンズ5、保護ガラス6等)による収束側の熱レンズ作用を予め計測しておき、スクレーパ2としてレーザ光吸収に伴って反射面2aに該収束側の熱レンズ作用に対応した拡散側の熱レンズ作用をもたらす曲率変化を生じるものを使用することにより、その収束側と拡散側の熱レンズ作用の相殺され、もってレーザ加工機全体としての熱レンズ特性を補償できることを見出したものである。
From the knowledge based on the above test results, the present invention measures in advance the thermal lens action on the convergence side by an optical component other than the scraper 2 (condensing
すなわち、本発明の高出力レーザ加工機では、図3(a)に示すように、低いレーザ出力で各光学部品に掛かる負荷が低い場合、スクレーパ2以外の集光レンズ4等の光学部品の熱膨張と屈折率変化による収束側(正)の熱レンズ作用は小さいが、スクレーパ2も僅かな熱膨張で反射面2aの凸形の曲率変化が小さく、その曲率変化による拡散側(負)の熱レンズ作用と前記収束側(正)の熱レンズ作用とが打ち消し合って本来の焦点位置F0が保たれる。そして、図3(b)に示すように、高いレーザ出力で各光学部品に掛かる負荷が高い場合、スクレーパ2以外の光学部品の熱膨張と屈折率変化による収束側(正)の熱レンズ作用は大きくなるが、スクレーパ2も大きな熱膨張で反射面2aの凸形の曲率変化が大きくなり、その曲率変化による拡散側(負)の熱レンズ作用と前記収束側(正)の熱レンズ作用とが打ち消し合い、やはり本来の焦点位置F0が保たれる。従って、この高出力レーザ加工機によれば、熱レンズ特性の補償のための各別な駆動機構や制御機構を要することなく、常に一定した焦点位置で高精度のレーザ加工を行える。
That is, in the high-power laser processing machine of the present invention, as shown in FIG. 3A, when the load applied to each optical component is low with a low laser output, the heat of the optical components such as the
因みに、前記試験時の反射形スクレーパ2Bについて、その反射中心から半径10mmまでの領域における反射面2aの表面変移を測定したところ、図4に示す結果が得られた。図示のように、この表面変移は中心側ほど高い略円弧状のカーブを描いており、その変移曲線は曲率半径R=26.5mに略相当する。しかして、使用する反射型スクレーパ2の吸収特性つまり熱膨張特性は、全反射膜に用いる誘電体の種類と層数及び層厚プロフィールによって任意に設定できるから、適用する加工ヘッド1のレーザ光路に介在する集光レンズ4、コリメータレンズ5、保護ガラス6等の他の光学部品による収束側(正)の熱レンズ特性に対応して、逆の拡散側(負)の熱レンズ特性になるものを選択すればよい。なお、スクレーパ2の材質としては、特に制約はないが、光学特性及び材料コストより石英の母材が好ましく、全反射膜を構成する誘電体としてはSiO2 及びTiO2 が好適である。また、全反射膜の形成手段としては、種々の薄膜形成方法を用い得るが、特に電子ビーム蒸着法やイオンビーム蒸着法が均一な厚みの誘電体層を容易に積層形成できる点から推奨される。
Incidentally, when the surface transition of the reflective surface 2a in the region from the reflection center to the radius of 10 mm was measured for the
一方、上記実施形態の高出力レーザ加工機の加工ヘッド1では、その内表面にブラスト処理及び黒化処理が施されているから、加工ヘッド1の構造部材11〜13によって内部のレーザ散乱光が効率よく吸収されることに加え、これら構造部材11〜13の内部に冷却水路6を有するため、該構造部材11〜13のレーザ散乱光吸収に伴う熱エネルギーを冷却水路6の冷却水との熱交換で効率よく排熱でき、もって赤外線センサー9やCCDカメラ15等の周辺部品の過熱を効果的に防止できるという利点がある。なお、ブラスト処理は粗面化で生じた微細凹凸部においてレーザ散乱光が複数回反射することで吸収率を高めるものであり、また黒化処理は黒色アルマイト処理等による黒化で光吸収性を高めるものである。
On the other hand, in the
前記実施形態の高出力レーザ加工機では、最も基本的な構成として、加工ヘッド1内のレーザ光路が一つのスクレーパ2による反射で90°方向を変えるものを例示したが、加工ヘッド1内に限らず、加工機全体としてのレーザ光路中に複数の反射型のスクレーパ2を介在させ、これらスクレーパ2によってレーザ光の方向を複数段階に変える構成としてもよい。例えば、図5に示す他の実施形態の高出力レーザ加工機は、レーザ発振器9より出射されたレーザ光Lが、1番目と2番目のスクレーパ2,2で反射して順次90°ずつ方向を変えてコリメータレンズ5を通過し、更に3番目のスクレーパ2で反射して90°方向を変えて集光レンズ4に入射し、該集光レンズ4で収束されて被加工物Wに照射されるようになっている。
In the high-power laser processing machine of the above embodiment, the laser beam path in the
このようにレーザ光路に複数の反射型のスクレーパ2を介在させる場合、これらスクレーパ2の重奏による拡散側の熱レンズ作用により、これらスクレーパ2以外のレーザ光路に介在する光学部品による収束側の熱レンズ作用を相殺し、もってレーザ加工機全体の熱レンズ特性を補償するように設定すればよい。この場合、個々のスクレーパ2による拡散側の熱レンズ作用が小さくとも、複数のスクレーパ2によって必要な拡散側の熱レンズ作用を確保できるから、単一のスクレーパ2のみで大きな拡散側の熱レンズ作用を発揮させる場合に比較し、スクレーパ2の設計・製作が容易になる。また、レーザ加工機の機種や使用するスクレーパ2以外の光学部品の品種により、収束側の熱レンズ作用の強弱度合の違いがあっても、個々の拡散側の熱レンズ作用が異なるスクレーパ2を適宜組み合わせて対応することが可能となる。
When a plurality of
なお、本発明においては、反射型のスクレーパ2と共に、必要に応じて無反射膜を有する透過型のスクレーパ、つまり収束側の熱レンズ作用を生じるスクレーパをレーザ光路に介在させてもよい。また、本発明では、集光レンズ4やコリメータレンズ5等の他の光学部品の配置位置や配置数、周辺部品の種類と配置構成等、細部構成については実施形態以外に種々設計変更可能である。
In the present invention, together with the
1 加工ヘッド
2 スクレーパ
2a 反射面
4 集光レンズ(他の光学部品)
5 コリメータレンズ(他の光学部品)
6 保護ガラス(他の光学部品)
7 冷却水路
10a 内表面
11〜13 加工ヘッド構成部材
L レーザ光
F 焦点
DESCRIPTION OF
5 Collimator lens (other optical components)
6 Protective glass (other optical components)
7 Cooling channel 10a Inner surface 11-13 Processing head component L Laser beam F Focus
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