JP2015024426A - レーザ熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い材質や形状の被加工物に対してレーザ光による加工を行うことができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ加工装置１００は、図示Ｘ軸方向に沿って４つのレーザ出射ユニット１１０が配置された一組のレーザ出射ユニット群１１４を図示Ｙ軸方向に２つ並列配置して構成されている。二組のレーザ出射ユニット群１１４をそれぞれ構成する各４つのレーザ光出射ユニット１１０は、被加工物ＷＫの表面に形成する光スポットＳＰの位置を図示Ｘ軸方向に変更可能に支持する支持ユニット１１５によってそれぞれ支持されている。被加工物ＷＫを支持するテーブル１０１は、送り装置１０２によって図示Ｘ軸方向に変位可能に支持されている。レーザ加工装置１００は、各レーザ出射ユニット１１０からレーザ光Ｌを出射させた状態でテーブル１０１を図示Ｘ軸方向に変位させることによって加工対象箇所に４つの光スポットＳＰを順次照射させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、被加工物に対してレーザ光を照射することにより被加工物に対して種々の加工を行うレーザ加工装置に関する。

従来から、炭素鋼などの被加工物の表面にレーザ光を照射することによりレーザ光を照射した部分をオーステナイト状態まで加熱して焼入れ処理を行うレーザ焼入れ装置が知られている。この場合、被加工物におけるオーステナイト状態まで加熱された部分の急冷は、レーザ光が通過した後における被加工物の内部や周辺への熱拡散および熱伝導によって自己的に行われる。例えば、下記特許文献１には、被加工物上に複数の楕円形のレーザ光スポットを等間隔に形成した状態でこれらのレーザ光スポットを各レーザ光スポットのピッチ分だけ平行移動させることにより効率的に焼入れ処理を行うようにしたレーザ焼入れ装置が開示されている。

特開２００７−６３６０６号公報

しかしながら、上記特許文献１に示されたレーザ焼入れ装置においては、加工対象箇所に対するレーザ光の照射が１回のみであるため、加工可能な被加工物がレーザ光の１回の照射で最適に加熱される材質や形状のものに限定されるという問題があった。

本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、幅広い材質や形状の被加工物に対してレーザ光による加工を行うことができるレーザ加工装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の特徴は、被加工物の表面にレーザ光による光スポットを形成して同被加工物の加工を行うレーザ加工装置において、被加工物に対して光スポットを相対変位させる光スポット走査手段と、被加工物上に光スポットの相対変位方向に沿って並んだ状態で複数の光スポットを形成する複数のレーザ光を出射するレーザ光出射手段と、複数の光スポットにおける光スポットの相対変位方向上の位置を変更する光スポット位置変更手段とを備え、光スポット走査手段は、被加工物における加工対象箇所に対して複数の光スポットを順次通過させることにある。この場合、レーザ加工装置が行なうレーザ光を用いた加工には、レーザによる焼入れ、焼き戻し、焼きなましまたは焼きならしなどの被加工物上の表面改質処理、被加工物上に異種または同種の材料を密着させるレーザ肉盛、２つの被加工物を互いに接続するレーザ溶接などがある。

このように構成した本発明の特徴によれば、レーザ加工装置は、レーザ光出射手段によって形成される複数の光スポットを被加工物における加工対象箇所に対して順次通過させることによって被加工物に熱を与える量、時間および与え方を自由に設定できるため、レーザ光を１回のみ照射する場合に比べて様々な種類の材質や形状の被加工物に対して加工を行うことができる。また、本発明の特徴によれば、レーザ加工装置は、被加工物に焼入れ処理などの熱処理加工を行う場合においては、従来技術におけるレーザ焼入れ装置のように先行するレーザ光によって焼入れ処理された部分が後続のレーザ光によって再加熱されて焼き戻しされることを防止できるため、ムラを抑えて均一な精度の良い熱処理を行うことができる。

また、本発明の他の特徴は、前記レーザ加工装置において、レーザ光出射手段は、複数の光スポットに対応する数だけ設けられており、光スポット位置変更手段は、レーザ光出射手段が出射するレーザ光の位置および向きのうちの少なくとも一つを変更自在な状態でレーザ光出射手段を支持することにある。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、レーザ加工装置は、複数のレーザ光出射手段を備えるとともに、このレーザ光出射手段は出射するレーザ光の位置および向きのうちの少なくとも一方が変更時に支持されているため、１つのレーザ光出射手段から出射されたレーザ光を分光する方式に比べて各レーザ光の出力を調整し易くすることができる。

また、本発明の他の特徴は、前記レーザ加工装置において、光スポット位置変更手段は、複数の光スポットのうちの少なくとも１つを光スポット変位手段による相対変位方向に交わる方向に変更することにある。この場合、光スポット位置変更手段は、光スポットを光スポット変位手段による光スポットの相対変位方向に対して直交する方向に変更させるとよい。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、レーザ加工装置は、光スポット位置変更手段が光スポットを光スポット変位手段による光スポットの相対変位方向に対して交わる方向に変更させることができるため、被加工物の材質、形状または加工範囲に合わせて被加工物に熱を与える量、時間および与え方を自由に設定できる。

また、本発明の他の特徴は、前記レーザ加工装置において、レーザ光出射手段は、被加工物上に光スポットの相対変位方向に直交する方向に沿って並んだ状態で複数の光スポットを形成する複数のレーザ光を出射することにある。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、レーザ加工装置は、被加工物上に光スポットの相対変位方向に直交する方向に沿って並んだ状態で複数の光スポットを形成するため、加工範囲の幅を広げることができ効率的に加工を行うことができる。

また、本発明の他の特徴は、前記レーザ加工装置において、レーザ光出射手段は、レーザ光の出射口を光スポットの相対変位方向に直交する方向に沿って複数有しているとともに、光スポットの相対変位方向に互いに隣接するレーザ光出射手段間で出射口がずれて配置されていることにある。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、レーザ加工装置は、光スポットの相対変位方向に直交する方向に沿ってレーザ光を出射する複数の出射口を有するとともに光スポットの相対変位方向に互いに隣接するレーザ光出射手段間において出射口がずれて配置されている。これにより、レーザ加工装置は、光スポットの相対変位方向に直交する方向に延びる長尺の光スポットを形成することができるとともに、光スポットの相対変位方向に互いに隣接するレーザ光出射手段間において光スポットが延びる方向における光強度のムラを抑えて照射されるレーザ光の光強度を均一にすることができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の構成を模式的に示したブロック図である。 図１に示すレーザ加工装置を構成するレーザ出射ユニットの内部構成を模式的に示す正面図である。 図１に示すレーザ加工装置を構成するレーザ出射ユニット群の配置構成を模式的に示す平面図である。 被加工物上に形成される光スポットを模式的に示す平面図である。 変位する４つのレーザ光によって被加工物が加熱される様子を示したグラフであり、縦軸が被加工物上の温度を示しており横軸が被加工物上の位置を示している。 本発明の変形例に係る被加工物上に形成される光スポットを模式的に示す平面図である。 本発明の他の変形例に係る被加工物上に形成される光スポットを模式的に示す平面図である。 本発明の他の変形例に係るレーザ加工装置を構成するレーザ出射ユニット群の配置構成を模式的に示す平面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、被加工物に形成された１つの光スポットの光強度を示したグラフであり、（Ａ）は縦軸が光強を示しており横軸がＸ軸方向を示しており、（Ｂ）はは縦軸が光強を示しており横軸がＹ軸方向を示しており、（Ｃ）は（Ｂ）の破線円で示した部分を拡大して示した図である。

（レーザ加工装置１００の構成）
以下、本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るレーザ加工装置１００の構成を模式的に示したブロック図である。なお、本明細書において参照する図は、本発明の理解を容易にするために一部の構成要素を誇張して表わすなど模式的に表している。このため、各構成要素間の寸法や比率などは異なっていることがある。このレーザ加工装置１００は、コンピュータ制御（ＮＣ制御）によって炭素鋼製の被加工物ＷＫ上にレーザ光を照射して表層に焼入れ処理を行うレーザ熱処理装置である。

レーザ加工装置１００は、テーブル１０１を備えている。テーブル１０１は、被加工物ＷＫを着脱自在に保持する板状の載置台であり、送り装置１０２によって支持されている。送り装置１０２は、テーブル１０１を同一平面内にて互いに直交する図示Ｘ軸方向および図示Ｙ軸方向の２軸方向にそれぞれ変位させるための機械装置であり、送りねじ機構を備えて構成されている。この場合、送りねじ機構は、雄ねじが形成されて図示Ｘ軸方向および図示Ｙ軸方向にそれぞれ延びる送りねじ軸（図示せず）と、これらの各雄ねじに噛み合う雌ねじがそれぞれ形成されてテーブル１０１に直接的または間接的に連結されるナット部（図示せず）とをそれぞれ備えて構成されている。なお、図１においてＸ軸方向は左右方向であり、Ｙ軸方向は紙面の奥行方向である。

この送り機構における図示Ｘ軸方向および図示Ｙ軸方向にそれぞれ延びる送りねじ軸には、図示しない送りモータがそれぞれ接続されている。これらの各送りモータは、各送りねじ軸を正回転方向および逆回転方向にそれぞれ回転駆動する電動モータ（本実施形態においてはサーボモータ）であり、後述する制御部１２０によって作動がそれぞれ制御される。

テーブル１０１の上方には、レーザ出射ユニット１１０が設けられている。レーザ出射ユニット１１０は、図２および図３にそれぞれ示すように、テーブル１０１上に保持された被加工物ＷＫに対してレーザ光Ｌを出射するための装置であり、金属製の筐体１１０ａ内に主として、レーザ光源１１１と集光光学系１１３とをそれぞれ備えて構成されている。レーザ光源１１１は、被加工物ＷＫを加熱するためのレーザ光Ｌを出射する光学素子であり、複数の半導体レーザチップを一列に並べて構成されている。本実施形態においては、レーザ光源１１１は、波長が８００ｎｍ、出力が２Ｗの３２個の半導体レーザチップを図示Ｙ軸方向に２００μｍの間隔で一列に並べて構成されている。なお、図２，３においては、レーザ光源１１１の数は、３２個より少なく示している。

これらの各レーザ光源１１１は、レーザ電源部１１２によって作動がそれぞれ制御される。レーザ電源部１１１２は、図示しない外部電源から供給される電力を制御部１２０の作動制御に応じてレーザ光源１１１に供給することによってレーザ光源１１１の作動を制御するためのドライバとして機能するスイッチング電源である。この場合、レーザ電源部１１２は、制御部１２０の作動制御によってレーザ出射ユニット１１０ごとにレーザ光Ｌの出射の可否およびレーザ光Ｌの出力強度をそれぞれ独立して制御してレーザ光源１１１からレーザ光Ｌを連続発振させる。

集光光学系１１３は、３２個のレーザ光源１１１から出射された各レーザ光Ｌを被加工物ＷＫ上に集光するシリンドリカルレンズなどの光学レンズの集合体で構成されている。本実施形態においては、集光光学系１１３は、３２個のレーザ光源１１１からそれぞれ出射された各レーザ光Ｌを被加工物ＷＫ上において図示Ｙ軸方向に延びる長方形状に集光した光スポットＳＰを形成する。

このレーザ出射ユニット１１０は、図示Ｘ軸方向に沿って４つ並べられたレーザ出射ユニット１１０によって一組のレーザ出射ユニット群１１４を構成するとともに、この一組のレーザ出射ユニット群１１４が図示Ｙ軸方向に２列設けられて構成されている。これらの二組のレーザ出射ユニット群１１４を構成する各レーザ出射ユニット１１０は、支持ユニット１１５を介して支持フレーム１１７によってそれぞれ支持されている。

支持ユニット１１５は、レーザ出射ユニット１１０から出射されて被加工物ＷＫ上に形成される光スポットＳＰの図示Ｘ−Ｙ平面上での位置を変更可能な状態でレーザ出射ユニット１１０を支持する装置である。具体的には、支持ユニット１１５は、公知の４軸ステージ（公知のＸ−Ｙステージに公知のゴニオ（傾斜）ステージを組み合わせたステージ）で構成されており、レーザ出射ユニット１１０を図示Ｘ軸方向、図示Ｙ軸方向、図示Ｘ軸回りであるθ_Ｘ回転方向および図示Ｙ軸回りであるθ_Ｙ回転方向にそれぞれ直線変位および回転変位可能な状態で支持する。

この場合、支持ユニット１１５は、各軸ごとに設けられた図示しない駆動モータの回転駆動によってレーザ出射ユニット１１０を各軸ごとに変位させる。この場合、各軸を駆動する駆動モータは、例えば、サーボモータによって構成されており、モータ駆動部１１６による作動制御によって回転駆動する。モータ駆動部１１６は、制御部１２０の作動制御によって支持ユニット１１４における各軸を駆動する駆動モータの回転駆動をそれぞれ独立して制御するドライバ回路である。

支持フレーム１１７は、８つのレーザ出射ユニット１１０を支持ユニット１１５を介して下垂した状態で支持する金属製の枠状部品である。この支持フレーム１１７は、制御部１２０によって作動制御される図示しない送り機構によって図示Ｚ軸方向に変位可能な状態で支持されている。

制御部１２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュータによって構成されており、レーザ加工装置１００の全体の作動を総合的に制御するとともに、作業者によって用意される図示しない加工プログラム（所謂ＮＣ（Numerical Control）プログラム）に従ってレーザ出射ユニット１１０からレーザ光Ｌを出射させながらテーブル１０１とレーザ出射ユニット１１０とを相対変位させることにより被加工物ＷＫの熱処理加工を制御する。また、この制御部１２０は、制御部１２０に対して作業者からの操作を受付けるための操作スイッチ群からなる操作盤１２１、作業者に対して制御部１２０の作動状況を表示するための液晶ディスプレイからなる表示装置１２２をそれぞれ備えている。

（レーザ加工装置１００の作動）
次に、上記のように構成したレーザ加工装置１００の作動について説明する。まず、被加工物ＷＫに対して熱処理加工を行う作業者は、テーブル１０１上に被加工物ＷＫをセットした後、光スポットＳＰの形成位置設定を行う。この光スポットＳＰの形成位置設定は、二組のレーザ出射ユニット群１１４をそれぞれ構成する各４つのレーザ出射ユニット１１０によって形成される４つの光スポットＳＰの被加工物ＷＫ上での形成位置を設定するものである。

具体的には、作業者は、操作盤１２１を介して制御部１２０に対して８つのレーザ出射ユニット１１０からそれぞれ微弱強度のレーザ光Ｌの出射を指示するとともに、操作盤１２１を介して制御部１２０に対して８つのレーザ出射ユニット１１０の図示Ｘ−Ｙ軸平面上の位置を指示するとともに図示θ_Ｘ回転方向における回転角および図示θ_Ｙ回転方向における回転角、すなわち、レーザ出射ユニット１１０の傾斜角度を指示する。

この指示に応答して制御部１２０は、図４に示すように、レーザ電源部１１２の作動を制御して各レーザ出射ユニット１１０から微弱強度のレーザ光Ｌを出射して光スポットＳＰを形成した状態でモータ駆動部１１６の作動を制御することにより支持ユニット１１５が支持するレーザ出射ユニット１１０の図示Ｘ軸、図示Ｙ軸、図示θ_Ｘ回転方向、図示θ_Ｙ回転方向の各位置を位置決めする。これにより、作業者は、被加工物ＷＫ上に形成される光スポットＳＰの位置を確認しながら図示Ｘ−Ｙ軸平面上での位置を調整して設定することができる。

本実施形態においては、作業者は、各レーザ出射ユニット群１１４ごとに図示Ｙ軸上における同一の位置に４つの光スポットＳＰを並べて配置するとともに、４つの光スポットＳＰの図示Ｘ軸上の位置、すなわち、互いに隣接する光スポットＳＰの間隔Δを２ｍｍにそれぞれ設定する。この場合、作業者は、図示Ｙ軸方向に互いに隣接する２つの光スポットＳＰの端部同士が互いに重なり合うように調整する。これにより、被加工物ＷＫ上には、図示Ｙ軸方向に光スポットＳＰの略２つ分の長さの帯状の光スポットＳＰが形成される。

次に、作業者は、レーザ出力設定を行う。このレーザ出力設定は、８つのレーザ出射ユニット１１０からそれぞれ出力するレーザ光Ｌの出力強度を設定するものである。具体的には、作業者は、操作盤１２１を介して制御部１２０に対して８つのレーザ出射ユニット１１０からそれぞれ出射させるレーザ光Ｌの強度を設定する。本実施形態においては、各レーザ出射ユニット群１１４ごとに同レーザ出射ユニット群１１４の進行方向（図示Ｘ軸方向左側）において先頭となるレーザ出射ユニット１１０の出力強度を「１」とすれば、最後尾となるレーザ出射ユニット１１０に向かって出力強度が「０.４８」、「０.４２」、「０.３１」と順次低くなるように設定する。

次に、作業者は、被加工物ＷＫに対して熱処理加工を行う。具体的には、作業者は、二組のレーザ出射ユニット（８つのレーザ出射ユニット１１０）群１１４に対してテーブル１０１を変位させる経路およびレーザ光Ｌの出射タイミングをそれぞれ規定した加工プログラムを制御部１２０に記憶させた後、制御部１２０に対してこの加工プログラムの実行を指示する。この指示に応答して制御部１２０は、加工プログラムに従って被加工物ＷＫの熱処理加工を開始する。

具体的には、制御部１２０は、送り装置１０２の作動を制御してテーブル１０１を変位させることにより被加工物ＷＫ上における加工対象箇所をレーザ出射ユニット群１１４の直下、より具体的には、レーザ出射ユニット群１１４において変位の先頭となるレーザ出射ユニット１１０の直下に位置決めする。次いで、制御部１２０は、レーザ電源部１１２の作動を制御してレーザ出射ユニット群１１４からレーザ光Ｌを出射させた状態で送り装置１０２の作動を制御することにより各レーザ出射ユニット１１０に対して被加工物ＷＫを相対変位させる。本実施形態においては、制御部１２０は、図４における破線矢印に示すように、レーザ出射ユニット群１１４に対して被加工物ＷＫを図示Ｘ軸方向右側に向かって直線状に変位させる。

これにより、被加工物ＷＫにおける加工対象箇所は、４つの光スポットＳＰが順次照射されることによってオーステナイト状態まで加熱された後、４つの光スポットＳＰが通過した後に急速に自然冷却されることによって焼入れ処理が施される。この場合、レーザ加工装置１００は、図５に示すように、被加工物ＷＫにおける加工対象箇所に対して４つの光スポットＳＰを順次照射することによって、１つの光スポットＳＰによって加熱する場合に比べて長時間加熱することができるため、硬化層深さを深くすることができるとともにこの硬化層の下層に母材に対して中間段階組織層を形成することができる。この中間段階組織層は、母材組織と硬化層組織との中間の組織であって、硬化層の割れ（所謂焼き割れ）や硬化層の母材からの剥離を抑制する性質を有している。

上記作動説明からも理解できるように、上記実施形態によれば、レーザ加工装置１００は、レーザ出射ユニット１１０によって形成される複数の光スポットＳＰを被加工物ＷＫにおける加工対象箇所に対して順次通過させることによって被加工物ＷＫに熱を与える量、時間および与え方を自由に設定できるため、レーザ光Ｌを１回のみ照射する場合に比べて様々な種類の材質や形状の被加工物ＷＫに対して加工を行うことができる。また、本発明の特徴によれば、レーザ加工装置１００は、従来技術におけるレーザ焼入れ装置のように先行するレーザ光Ｌによって焼入れ処理された部分が後続のレーザ光によって再加熱されて焼き戻しされることを防止できるため、ムラを抑えて均一な精度の良い熱処理を行うことができる。

さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。なお、下記各変形例の説明および参照する図においては、上記実施形態と同様の構成部分について同じ符号を付して、その説明を省略する。

例えば、上記実施形態においては、図示Ｘ軸方向に沿って被加工物ＷＫ上に形成される４つの光スポットＳＰ間の各間隔Δを均等とした。しかし、４つの光スポットＳＰ間の各間隔Δは、被加工物ＷＫの材質、レーザ加工（上記実施形態においては熱処理加工）を行う部分の形状、レーザ加工（上記実施形態においては熱処理加工）の仕様に応じて適宜決定されるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、４つの光スポットＳＰ間の各間隔Δを図６に示すように、進行方向前側から後ろ側に向かって徐々に間隔Δが大きくなるように設定することにより加工対象箇所の冷却速度を遅くして硬度を低く調整できる。また、４つの光スポットＳＰ間の各間隔Δを図７に示すように、進行方向前側から後ろ側に向かって徐々に間隔Δが小さくなるように設定することにより被加工物ＷＫの表面の過熱を抑えながら母材深くまで入熱することができる。つまり、光スポットＳＰは、互いの間隔Δを詰めることによって被加工物ＷＫを早期に加熱することができるとともに、互いの間隔Δを離すことによって被加工物ＷＫをゆっくりと加熱することができる。

また、上記実施形態においては、レーザ出射ユニット１１０は、複数の半導体レーザチップからなるレーザ光源１１１を備えて構成されている。しかし、レーザ出射ユニット１１０は、被加工物ＷＫに複数の光スポットＳＰを形成できれば必ずしも上記実施形態に限定されるものではない。すなわち、レーザ出射ユニット１１０が本発明に係るレーザ光出射手段に相当する。したがって、レーザ出射ユニット１１０は、半導体レーザチップ以外のレーザ光源１１１、具体的には、固体レーザやガスレーザを備えて構成することもできる。また、レーザ出射ユニット１１０は、レーザ出射ユニット１１０とは別体で設けられたレーザ光源１１１から光ファイバを介してレーザ光を導く構成とすることもできる。

また、レーザ出射ユニット１１０は、複数の半導体レーザチップからなるレーザ光源１１１を備えて構成される場合においても、レーザ光源１１１の数や配置も被加工物ＷＫへの加工仕様に応じて適宜選定されればよい。また、レーザ出射ユニット１１０は、複数の光スポットＳＰを形成する場合においても、必ずしも複数のレーザ出射ユニット１１０を必要とするものではなく、１つのレーザ出射ユニット１１０から出射されたレーザ光Ｌをビームスプリッタなどの光学素子を用いて分光して複数の光スポットＳＰを形成することもできる。

また、上記実施形態においては、レーザ加工装置１００は、二組のレーザ出射ユニット群１１４を図示Ｙ軸方向に並列配置して構成した。これにより、上記実施形態におけるレーザ加工装置１００においては、図示Ｙ軸方向に広範範囲にレーザ加工（熱処理加工）を行うことができる。しかし、レーザ加工装置１００は、少なくとも一組のレーザ出射ユニット群１１４を備えていればよい。また、レーザ加工装置１００は、三組以上のレーザ出射ユニット１１４を備えて構成することができる。この場合、三組以上のレーザ出射ユニット１１４は、図示Ｙ軸方向に互いに隣接配置してもよいが、図８に示すように図示Ｘ軸方向にずらして配置することによって三組以上のレーザ出射ユニット１１４を図示Ｙ軸方向に詰めて配置できるためレーザ加工装置１００をコンパクト化することができる。

また、上記実施形態においては、レーザ加工装置１００は、レーザ出射ユニット１１０に対してテーブル１０１を変位させるように構成した。すなわち、送り装置１０２が、本発明に係る光スポット走査手段に相当する。しかし、光スポット走査手段は、被加工物ＷＫに対して光スポットＳＰを相対変位させることができればよく、必ずしも上記実施形態に限定されるものではない。したがって、例えば、レーザ加工装置１００は、テーブル１０１に対してレーザ出射ユニット１１０を変位させるように構成することもできる。

また、上記実施形態においては、レーザ加工装置１００は、レーザ出射ユニット１１０を支持ユニット１１５によって位置および向きを変更可能に支持することにより、被加工物ＷＫ上に形成される光スポットＳＰの図示Ｘ−Ｙ軸平面上における位置を変更可能に構成した。すなわち、支持ユニット１１５が本発明に係る光スポット位置変更手段に相当する。しかし、光スポット位置変更手段は、複数の光スポットＳＰにおける少なくとも１つの光スポットＳＰの形成位置を同光スポットＳＰの変位方向（上記実施形態においては図示Ｘ軸方向）に沿って変更できるように構成されていればよく、必ずしも上記実施形態に限定されるものではない。

したがって、光スポット位置変更手段は、固定的に支持されたレーザ出射ユニット１１０から出射されたレーザ光Ｌを反射ミラーなどの光学素子を用いて光スポットＳＰの図示Ｘ−Ｙ軸平面上における位置を変更するように構成することができる。また、光スポット位置変更手段として上記実施形態における支持ユニット１１５を用いる場合においても、支持ユニット１１５は、４つの光スポットＳＰを図示Ｘ軸方向に沿って変更できるように構成されていればよいため、必ずしも図示Ｙ軸方向および図示θ_Ｘ回転方向にレーザ出射ユニット１１０を変位および傾斜可能に構成されている必要はない。

なお、支持ユニット１１５は、４つの光スポットＳＰのうちの少なくとも１つを他の光スポットＳＰに重ねることができるように構成することにより、光スポットＳＰの強度を向上させることができる。また、支持ユニット１１５は、上記実施形態のように４つの光スポットＳＰのうちの少なくとも１つを図示Ｙ軸方向にずらして形成できるように構成することにより、加工対象箇所に照射されるレーザ光Ｌの総量を減じることができる。また、支持ユニット１１５は、レーザ出射ユニット１１０の図示Ｘ軸方向、図示Ｙ軸方向、図示θ_Ｘ回転方向および図示θ_Ｙ回転方向への各変位を駆動モータおよびモータ駆動部１１６によらず作業者の手動操作によって変位させるように構成することもできる。

また、上記実施形態においては、一組のレーザ出射ユニット群１１４を構成する４つのレーザ出射ユニット１１０の出力強度を互いに異なる強度とした。しかし、４つのレーザ出射ユニット１１０の出力強度は、被加工物ＷＫの材質、レーザ加工（上記実施形態においては熱処理加工）を行う部分の形状、レーザ加工（上記実施形態においては熱処理加工）の仕様に応じて適宜決定されるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。したがって、４つのレーザ出射ユニット１１０の出力強度は、全て同一出力としてもよいし、光スポットＳＰの進行方向前側から後ろ側に向かって徐々に高くなるように設定することもできる。

また、上記実施形態においては、一組のレーザ出射ユニット群１１４を構成する４つのレーザ出射ユニット１１０で構成した。しかし、レーザ出射ユニット群１１４を構成するレーザ出射ユニット１１０の数、換言すれば、光スポットＳＰの進行方向に連ねるレーザ出射ユニット１１０の数は、被加工物ＷＫの材質、レーザ加工（上記実施形態においては熱処理加工）を行う部分の形状、レーザ加工（上記実施形態においては熱処理加工）の仕様に応じて適宜決定されるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。したがって、一組のレーザ出射ユニット群１１４を構成するレーザ出射ユニット１１０は、少なくとも２つ以上であればよい。

また、上記実施形態においては、一組のレーザ出射ユニット群１１４を構成する４つのレーザ出射ユニット１１０は、各レーザ出射ユニット１１０間において各レーザ光源１１１の図示Ｙ軸方向の位置が一致するように支持ユニット１１５に支持させて構成した。しかし、レーザ出射ユニット１１０が備える複数のレーザ光源１１１は、所定の間隔を介して配置されるとともに各レーザ光源１１１間における出力強度のバラツキも存在する。したがって、被加工物ＷＫ上に形成される光スポットＳＰの強度をプロファイルは、図９（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、レーザ光源１１１の配列方向に沿って凹凸が生じる。

したがって、一組のレーザ出射ユニット群１１４を構成する複数のレーザ出射ユニット１１０間において、互いに隣接するレーザ出射ユニット１１０におけるレーザ光源１１１、すなわち、レーザ光Ｌを出射させる出射口を光スポットＳＰの進行方向に交わる方向（例えば、図示Ｙ軸方向）にずらして配置することにより前記光スポットＳＰの強度をプロファイルにおける凹凸を抑制、すなわち、レーザ光源１１１の配列方向における光強度を均一化することができる。

また、上記実施形態においては、レーザ出射ユニット１１０は、集光光学系１１３を用いて被加工物ＷＫ上に平面視で長方形状の光スポットＳＰを形成した。しかし、レーザ出射ユニット１１０は、光スポットＳＰを長方形状以外の形状、例えば、円形状や楕円形状に形成するように構成することもできる。

また、上記実施形態においては、レーザ加工装置１００は、被加工物ＷＫの表層に焼入れ処理や焼き戻し処理を行うレーザ熱処理装置で構成した。しかし、本発明に係るレーザ加工装置１００は、被加工物ＷＫに対して熱処理などの表面改質処理以外の加工、例えば、
被加工物上に異種または同種の材料を密着させるレーザ肉盛、２つの被加工物を互いに接続するレーザ溶接などを行う各種機械装置に適用できるものである。

ＷＫ…被加工物、Ｌ…レーザ光、ＳＰ…光スポット
１００…レーザ加工装置、
１０１…テーブル、１０２…送り装置、
１１０…レーザ出射ユニット、１１０ａ…筐体、１１１…レーザ光源、１１２…レーザ電源部、１１３…集光光学系、１１４…レーザ出射ユニット群、１１５…支持ユニット、１１６…モータ駆動部、１１７…支持フレーム、
１２０…制御部、１２１…操作盤、１２２…表示装置。

Claims (5)

1. 被加工物の表面にレーザ光による光スポットを形成して同被加工物の加工を行うレーザ加工装置において、
   前記被加工物に対して前記光スポットを相対変位させる光スポット走査手段と、
   前記被加工物上に前記光スポットの相対変位方向に沿って並んだ状態で複数の前記光スポットを形成する複数のレーザ光を出射するレーザ光出射手段と、
   前記複数の光スポットにおける前記光スポットの相対変位方向上の位置を変更する光スポット位置変更手段とを備え、
   前記光スポット走査手段は、
   前記被加工物における加工対象箇所に対して前記複数の光スポットを順次通過させることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載したレーザ加工装置において、
   前記レーザ光出射手段は、
   前記複数の光スポットに対応する数だけ設けられており、
   前記光スポット位置変更手段は、
   前記レーザ光出射手段が出射する前記レーザ光の位置および向きのうちの少なくとも一つを変更自在な状態で前記レーザ光出射手段を支持することを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項１または請求項２に記載したレーザ加工装置において、
   前記光スポット位置変更手段は、
   前記複数の光スポットのうちの少なくとも１つを前記光スポット変位手段による相対変位方向に交わる方向に変更することを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１つに記載したレーザ加工装置において、
   前記レーザ光出射手段は、
   前記被加工物上に前記光スポットの相対変位方向に直交する方向に沿って並んだ状態で複数の前記光スポットを形成する複数のレーザ光を出射することを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１つに記載したレーザ加工装置において、
   前記レーザ光出射手段は、
   前記レーザ光の出射口を前記光スポットの相対変位方向に直交する方向に沿って複数有しているとともに、前記光スポットの相対変位方向に互いに隣接する前記レーザ光出射手段間で前記出射口がずれて配置されていることを特徴とするレーザ加工装置。
   

Images