JP2015199114A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定して高速にピアス加工を実施するためのレーザ加工方法及びレーザ加工装置を得ること。
【解決手段】レーザビーム２を発するレーザ発振器１と、レーザビーム２を集光する集光レンズ７を備えたレーザ加工ヘッド４と、レーザ発振器１から出射されるレーザビーム２をレーザ加工ヘッド４に導く伝搬光学系３と、を有し、集光レンズ７でレーザビーム２を被加工材１０に集光して被加工材１０にピアス加工を施すレーザ加工装置であって、集光レンズ７へ入射するレーザビーム２のビーム径Ｄを変化させるビーム径可変光学系６と、ピアス加工の進展に伴い、レーザビーム２の集光点１３における集光径Ｓが大きくなるようにビーム径可変光学系６を制御するコントローラ２０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザビームの照射により、加工材にピアス加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

従来のピアス加工においては、加工するワークの材質や厚さによって、可変曲率ミラーの曲率を空気圧により変化させ、集光レンズに入射するビーム径及び発散角を同時に変更することで、ピアス加工時のスポット径及び焦点位置を所定の値に変化させていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３８４８５号公報

このようなピアス加工方法においては、ピアス加工中に集光ビーム径を変更できないため、ピアス加工の進展に伴い、最適なビーム径を選択できないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定して高速にピアス加工を実施するためのレーザ加工装置及びレーザ加工方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザビームを発するレーザ発振器と、レーザビームを集光する集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと、レーザ発振器から出射されるレーザビームをレーザ加工ヘッドに導く伝搬光学系とを有し、集光レンズでレーザビームを被加工材に集光して被加工材にピアス加工を施すレーザ加工装置であって、集光レンズへ入射するレーザビームのビーム径を変化させるビーム径可変光学系と、ピアス加工の進展に伴い、レーザビームの集光点における集光径が大きくなるようにビーム径可変光学系を制御するコントローラとを有することを特徴とする。

本発明によれば、ピアス加工の進展に応じて集光ビーム径を小さくするようにしたので、加工する材質や厚さに対して、ピアス加工中に応じて最適なビーム強度のピアス加工条件を選択できるので、安定して高速にピアス加工を行えるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す断面図である。 図２は、ビーム径可変光学系のレンズ位置を変えることで、集光レンズへ入射するビーム径を小さくした状態のレーザ加工装置を示す図である。 図３は、ピアス加工開始時の穴形状を示す図である。 図４は、ピアス加工途中の穴形状を示す図である。 図５は、レーザビームの伝搬状況を模式的に示す図である。 図６は、集光点におけるビーム径を大きくした状態を示す図である。 図７は、集光点を加工穴底に近づけた状態を示す図である。 図８は、集光点でのレーザビームの集光径を拡大した状態を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成を示す断面図である。 図１０は、ビーム径可変光学系のレンズ位置を変えることで、集光レンズへ入射するビーム径を小さくした状態のレーザ加工装置を示す図である。 図１１は、気体レーザでのピアス加工時のレーザパルス条件の一例を示す図である。 図１２は、固体レーザでのピアス加工時のレーザパルス条件の一例を示す図である。 図１３は、本発明の実施の形態３に係るレーザ加工装置の光学系の構成を示す図である。 図１４は、実施の形態３に係るレーザ加工装置の伝搬光学系の別の構成を示す図である。

以下に、本発明にかかるレーザ加工装置及びレーザ加工方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す断面図である。レーザ加工装置は、レーザ発振器１、伝搬光学系３、レーザ加工ヘッド４及びコントローラ２０を有する。伝搬光学系３は、レーザ発振器１から発せられたレーザビーム２をレーザ加工ヘッド４に導くための光学系であり、例えば光ファイバである。伝搬光学系３の出力側のファイバ端３ａには光コネクタ３ｂが設けられており、光コネクタ３ｂを介してレーザ加工ヘッド４にレーザビーム２を導光している。

レーザ加工ヘッド４は、ビーム径可変光学系６、集光レンズ７及び加工ノズル８を有する。

ビーム径可変光学系６は複数の凸レンズ６ａ，６ｂで構成されており、かつレンズ間の間隔Ｌは、凸レンズ６ａの焦点距離と凸レンズ６ｂの焦点距離とを足したものよりも長く、レーザビーム２は凸レンズ６ａ,６ｂの間で一度集光される。ビーム径可変光学系６を構成する複数の凸レンズ６ａ，６ｂは、個別に上下移動可能にレーザ加工ヘッド４内に設置されている。ビーム径可変光学系６を構成する凸レンズ６ａ，６ｂを上下動させる機構としては、レーザ加工ヘッド４内に設けられた駆動モータにより回転駆動されるボールねじを用いて凸レンズ６ａ，６ｂを移動させる機構を例として挙げることができる。

集光レンズ７は、直径の大きいレーザビーム２が入射すると、集光点１３でのビーム径が小さくなり、直径の小さいレーザビーム２が入射すると、集光点１３でのビーム径が大きくなる光学特性を備えている。集光レンズ７はビーム径可変光学系６とは独立して上下移動可能にレーザ加工ヘッド４内に設置されている。集光レンズ７を上下動させる機構としては、レーザ加工ヘッド４内に設けられた駆動モータにより回転駆動されるボールねじを用いてレンズを移動させる機構を例として挙げることができる。

加工ノズル８は、レーザ加工ヘッド４の先端に設けられている。

コントローラ２０は、レーザ発振器１の発振の制御に加え、ビーム径可変光学系６の凸レンズ６ａ，６ｂや集光レンズ７の位置を制御する。

レーザ発振器１から発振されたレーザビーム２は、伝搬光学系３によりファイバ端３ａまで導かれ、ファイバ端３ａからレーザ加工ヘッド４に出射される。レーザ加工ヘッド４内に出射されたレーザビーム２は、レーザ加工ヘッド４の内部に設けられたビーム径可変光学系６を経て、集光レンズ７に導かれる。集光レンズ７で集光されたレーザビーム２は、加工ノズル８を通過して被加工材１０に照射される。これにより、被加工材１０の表面には、集光点１３に集光されたレーザビーム２によって加工穴１１が形成される。

実施の形態１に係るレーザ加工装置は、ビーム径可変光学系６を構成する複数の凸レンズ６ａ，６ｂ間の距離Ｌを変えることによって、集光レンズ７へ入射するビーム径Ｄを変化させることができるため、被加工材１０上の集光点１３に照射されるレーザビーム２の集光径Ｓも可変である。したがって、コントローラ２０は、集光レンズ７に入射するレーザビーム２のビーム径Ｄを小さくすることで、被加工材１０上での集光径Ｓを大きくすることができる。

なお、本実施の形態では、集光レンズ７に入射するレーザビーム２はほぼ平行ビームとなっているため、コントローラ２０は、集光レンズ７をビーム径可変光学系６とは独立して上下させることで、被加工材１０上の集光点１３の上下方向の位置を集光径Ｓとは独立して制御できる。

図２は、ビーム径可変光学系のレンズ位置を変えることで、集光レンズへ入射するビーム径を小さくした状態のレーザ加工装置を示す図である。図１と比較して凸レンズ６ａと凸レンズ６ｂとの間の間隔Ｌが広くなっている。また、凸レンズ６ｂは、集光レンズ７に出射するレーザビーム２が平行ビームとなる位置に移動しているため、凸レンズ６ｂを透過して集光レンズ７に入射するビーム径Ｄは図１の状態と比較して小さくなっている。この場合、被加工材１０上の集光点１３におけるレーザビーム２の集光径Ｓは大きくなる。図１、図２のいずれの状態においても、集光レンズ７は、レーザビーム２が被加工材１０の表面に集光点１３が形成される位置に配置されている。

板金レーザ加工における切断加工や穴開け加工においては、ピアス穴と呼ばれる加工穴を加工開始点に形成することが一般的に行われている。

図３は、ピアス加工開始時の穴形状を示す図である。図４は、ピアス加工途中の穴形状を示す図である。加工穴１１は、レーザビーム２の照射を継続するに従い、深く進展していく。レーザビーム２の伝搬において、最もパワー密度が高いのは集光点１３であり、一般的に集光点１３から離れていくに従い、ビーム径は大きくなり、パワー密度は小さくなっていく。したがって、ピアス穴における加工穴底１２においては、加工が進展していくに従い、パワー密度は小さくなり、加工穴深さの進展速度は遅くなっていく。

ここで、集光径とビーム径の伝搬との関係について説明する。図５は、レーザビームの伝搬状況を模式的に示す図であり、ビーム径を小さく絞った場合と、ビーム径を大きく絞った場合との２種類の伝搬状況が示されている。図５に示されるように、一般的に集光点におけるビーム径が小さいほど、集光点から離れた位置でのレーザビーム径は大きくなり、パワー密度が小さくなる。

したがって、加工穴底１２におけるパワー密度を高めることは、集光点におけるビーム径を大きくすることで実現可能である。図６は、集光点におけるビーム径を大きくした状態を示す図である。集光点でのビーム径を大きくすることで、集光点でのパワー密度は低下するにもかかわらず、ビーム径拡大が低減されるため、加工穴底１２におけるパワー密度を高くすることができる。すなわち、集光点におけるビーム径を拡大することで、加工穴底１２でのパワー密度は高められ、ピアス加工の加工時間を短縮できる。

あるいは、集光レンズ７の位置を加工点側に移動させることによって、集光点を加工穴底１２に近づけてパワー密度の低下を抑制することができる。図７は、集光点を加工穴底に近づけた状態を示す図である。

しかしながら、図７に示すようなビーム径を小さく絞った状態で、集光点を加工穴底１２方向に動かした場合には、加工穴の入口側開口でレーザビームが干渉し、ビーム出力がケラレるため、かえって加工穴底１２でのビーム強度が低下することとなり、加工速度が低下する。つまり、集光ビーム径が小さいままでは、集光点を大きく下げることはできない。

図８は、集光点でのレーザビームの集光径を拡大した状態を示す図である。図８に示すように、集光点１３でのレーザビームの集光径を拡大することで、加工穴入口側開口でのケラレを低減しつつ集光点１３を下げることができる。これにより、加工穴底１２でのビーム強度低下を低減でき、ピアス穴加工を高速化できる。

本実施の形態では、ビーム径可変光学系６が２枚の凸レンズで構成され、かつ、レンズ間の間隔Ｌは、凸レンズ６ａの焦点距離と凸レンズ６ｂの焦点距離とを足したものよりも長く、レーザビーム２は、凸レンズ６ａ，６ｂ間で一度集光される場合を例としたが、レンズ間の間隔Ｌが、凸レンズ６ａの焦点距離と凸レンズ６ｂの焦点距離とを足したものよりも短く、レーザビーム２は凸レンズ６ａ,６ｂの間で集光せずとも、ビーム径可変光学系を構成できる。その場合は、凸レンズ６ａと凸レンズ６ｂとの間の間隔Ｌを狭くすることで集光点１３におけるレーザビーム２の集光径を大きくできる。また、これまでは、２枚の凸レンズ６ａ，６ｂでビーム可変光学系６を構成したが、凸レンズと凹レンズとの組合せで、ビーム径可変光学系６を構成してもよい。その場合、凸レンズと凹レンズの間の間隔Ｌを広くすることで、集光レンズへ入射するビーム径Ｄが小さくなり、集光点１３におけるレーザビーム２の集光径を大きくできる。

また、ビーム品質や加工対象により収差の影響を低減する必要がある場合や、光学系を配置する空間の制限などにより、さらに多くのレンズを用いてビーム径可変光学系６を構成しても良い。前述と同様、各レンズの動かし方は、各レンズの焦点距離や配置の組合せに依存するが、集光点１３におけるレーザビーム２の集光径が所望の大きさとなるように動かせばよい。また、集光レンズ７についても、本実施の形態では、１枚のレンズで構成される場合を例としたが、２枚以上のレンズにより集光光学系を構成するようにしても良い。また、本実施の形態ではピアス加工開始時のレーザビーム２の集光点１３の位置を被加工材１０の表面の場合を例としたが、被加工材１０の材質や厚さによっては、集光点１３の位置を、被加工材１０の表面に限定せずとも良い。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成を示す断面図である。図１０は、ビーム径可変光学系のレンズ位置を変えることで、集光レンズへ入射するビーム径を小さくした状態のレーザ加工装置を示す図である。実施の形態１においては、伝搬光学系３を光ファイバで構成したが、本実施の形態では、ミラーなどを用いて空間伝搬することで伝搬光学系３を構成する。

図１１は、気体レーザでのピアス加工時のレーザパルス条件の一例を示す図である。各々のパルスは、パルス幅に相当する時間、パルス高さに相当する強度でレーザ発振器１を発振させることを示している。ピアス加工時に加工箇所が過熱状態となることを防ぐために、図１１に示すように、初期のパルスエネルギーを小さくし、穴形成が進むにつれてパルス周波数を高めるとともに、ピークエネルギーを挙げ、さらにパルスデューティを上げるなどして、パルスエネルギーを大きくしていくことが一般的である。図１１の定格平均出力は、レーザ発振器１から出力可能な平均出力を示しているが、ＣＯ_２レーザなどでは、デューティを調整することにより、定格平均出力以上のピークエネルギーを持つパルスを得ることが可能である。

また、短時間であれば、さらに高ピークで高パルスデューティなエネルギーパルスを得ることも可能であり、これによって、ピアス加工時の穴形成速度を高めることができる。

図１２は、固体レーザでのピアス加工時のレーザパルス条件の一例を示す図である。伝搬光学系３に光ファイバを用いたファイバレーザやディスクレーザなど、レーザダイオード励起によるレーザ（例えばＹＡＧレーザ）の場合には、定格平均出力以上のパルスを得ることができない。これは、レーザ発振器１の励起源であるレーザダイオードを定格出力以上のパワーで動かすことは、急激な素子劣化を招くためである。このため、固体レーザでのピアス加工では、図１２に示すように、定格平均出力以上のピークエネルギーを持ったパルスを得ることができず、ピアス加工が進展した段階においても、定格平均出力と同じピークエネルギーによりピアス加工を行うことになる。すなわち、定格平均出力以上のピークエネルギーを持つパルスを用いてピアス加工を高速化することは困難である。

伝搬光学系３を空間伝搬によって構成することで、レーザダイオード励起による固体レーザ以外にも、ＣＯ_２レーザのような光ファイバではロスが大きくなるため伝搬できない波長帯のレーザを発振するレーザ発振器１を適用可能となる。この場合には、レーザ発振器１側でパルスピークエネルギーを高めることで被加工材１０上でのパワー密度を高めることに加え、さらにビーム径可変光学系６によって、被加工材１０上でのレーザビーム２の照射ビーム径を大きくできる。このため、実施の形態１よりもレーザビーム２のパワー密度を高め、ピアス加工をさらに高速化できる。

実施の形態３．
図１３は、本発明の実施の形態３に係るレーザ加工装置の光学系の構成を示す図である。実施の形態１，２では、レーザ加工ヘッド４の中にビーム径可変光学系６を配置した構成を例としたが、本実施の形態では、伝搬光学系３を複数のミラーによって構成し、伝搬光学系３内の凹面曲率ミラー６ｃ，６ｄ間の距離をコントローラ２０が変化させることによってビーム径可変光学系６を構成している。図１３（ａ）は、レーザ発振器１から発せられたレーザビーム２が凹面曲率ミラー６ｃ，６ｄで反射された後に、ミラー６ｅで反射されて集光レンズ７に入射する状態を示し、図１３（ｂ）は、凹面曲率ミラー６ｃ，６ｄの間隔が図１３（ａ）よりも広い状態を示す。凹面曲率ミラー６ｃ，６ｄの間隔を広げることにより、凹面曲率ミラー６ｄからミラー６ｅに入射するレーザビーム２のビーム径が小さくなり、集光レンズ７に入射するレーザビーム２のビーム径Ｄは小さくなり、集光点１３でのレーザビーム２の集光径Ｓは大きくなる。

本実施の形態においても、ピアス穴加工の進展に従い、凹面曲率ミラー間の距離を変更することで、集光レンズ７に入射するビーム径を変化させることができるため、被加工材１０上の照射ビーム径をピアス加工の進展に伴って小さくすることが可能である。

また、レーザビーム２の吸収による熱に起因する焦点位置のずれや収差などは、レンズ等の透過光学系では問題となりやすい上に、レーザビームの出力に応じて焦点の位置ずれ量や収差の大きさが変化する。本実施の形態では、光学系をミラーとすることにより、レーザビーム２の吸収による熱に起因する焦点位置のずれや収差が低減されるため、出力を変化させた場合でも安定して動作させることが可能である。

また、集光レンズ７に上下移動させるための駆動系を設けることで、照射ビーム径とは独立に、集光ビーム位置を変化させることが可能である。

また、伝搬光学系３のうち、加工ヘッドに近い部分のミラー、例えば図１３ではミラー６ｅを可変曲率ミラーとしても良い。その場合には、集光レンズ７を上下移動させなくても焦点位置を変更することが可能となる。また、本実施の形態では、可変ビーム光学系６として、２つの凹面曲率ミラーを用い、レーザビーム２を、可変ビーム光学系６の凹面曲率ミラー６ｃ，６ｄ間で集光させず、かつ、伝搬光学系３の途中にレーザビーム２を一度集光させた場合について、凹面曲率ミラーの動かし方について説明したが、可変ビーム光学系６に含まれる凹面曲率ミラーの曲率及び配置により、凹面曲率ミラー間及び、伝搬光学系３の途中で集光させるあるいは、集光しない等、どの組合せに対しても可変ビーム光学系６を構成することができる。この場合、集光点１３でのレーザビーム２の集光径Ｓを大きくするための、凹面曲率ミラー６ｃ，６ｄの動かし方は、凹面曲率ミラー６ｃ，６ｄの各曲率及び他の伝搬光学系３を含めたミラー配置構成に依存する。

図１４は、実施の形態３に係るレーザ加工装置の伝搬光学系の別の構成を示す図である。図１４に示す構成では、伝搬光学系３を構成するミラーのうちレーザ発振器１側のミラー６０を可変曲率ミラーとしてビーム径可変光学系６を形成している。可変曲率ミラーであるミラー６０の曲率をコントローラ２０が変化させることで、集光レンズ７に入射するビーム径が変化する。図１４（ａ）は、レーザ発振器１から発せられたレーザビーム２が可変曲率ミラー６０で反射された後に、ミラー６ｅで反射されて集光レンズ７に入射する状態を示し、図１４（ｂ）は、可変曲率ミラー６０の曲率が図１４（ａ）よりも小さい状態を示す。可変曲率ミラー６０の曲率を小さくすることにより、可変曲率ミラー６０からミラー６ｅに入射するレーザビーム２のビーム径が小さくなり、集光レンズ７に入射するレーザビーム２のビーム径Ｄは小さくなり、集光点１３でのレーザビーム２の集光径Ｓは大きくなる。

また、本実施の形態では、伝搬光学系３にレーザビーム２を一度集光させる場合を例としたが、構成によっては、可変曲率ミラー６０から集光レンズ７までの間にレーザビーム２を集光させなくてもよい。この場合は、可変曲率ミラー６０の曲率を小さくすることにより，可変曲率ミラー６０からミラー６ｅに入射するレーザビーム２のビーム径が小さくなり、集光レンズ７に入射するレーザビーム２のビーム径Ｄも小さくなり、集光点１３でのレーザビーム２の集光径Ｓは大きくなる。また、集光レンズ７に上下移動させるための駆動系を設けることで、照射ビーム径とは独立に、集光ビーム位置を変化させることが可能である。

さらに、伝搬光学系３のうち、加工ヘッドに近い部分のミラー、例えば図１４ではミラー６ｅも可変曲率ミラーとしても良い。その場合には、集光レンズ７を上下移動させなくても焦点位置を変更することが可能となる。

本実施の形態においても、伝搬光学系３は空間伝搬で構成されているので実施の形態２と同様の効果が得られる。

以上のように、本発明にかかるレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、レーザビームの集光径を大きくして集光点から離れた位置におけるパワー密度を高めることができる点で有用である。

１ レーザ発振器、２ レーザビーム、３ 伝搬光学系、４ レーザ加工ヘッド、６ ビーム径可変光学系、６ａ，６ｂ 凸レンズ、６ｃ，６ｄ 凹面曲率ミラー、６ｅ ミラー、７ 集光レンズ、８ 加工ノズル、１０ 被加工材、１１ 加工穴、１２ 加工穴底、１３ 集光点、２０ コントローラ、６０ 可変曲率ミラー。

Claims (7)

1. レーザビームを発するレーザ発振器と、レーザビームを集光する集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと、前記レーザ発振器から出射されるレーザビームを前記レーザ加工ヘッドに導く伝搬光学系とを有し、前記集光レンズでレーザビームを被加工材に集光して該被加工材にピアス加工を施すレーザ加工装置であって、
   前記集光レンズへ入射するレーザビームのビーム径を変化させるビーム径可変光学系と、
   前記ピアス加工の進展に伴い、レーザビームの集光点における集光径が大きくなるように前記ビーム径可変光学系を制御するコントローラとを有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記ビーム径可変光学系は、前記レーザ加工ヘッド内に配置された、間隔を変更可能な複数のレンズによって構成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記伝搬光学系が光ファイバであることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記伝搬光学系は、複数の曲率ミラーによって構成されており、
   前記ビーム径可変光学系は、前記複数の曲率ミラーの間隔を変更可能とすることによって、前記伝搬光学系内に構成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
5. 前記伝搬光学系は、複数の曲率ミラーによって構成されており、
   前記ビーム径可変光学系は、前記複数の曲率ミラーのうちの少なくとも一つを可変曲率ミラーとすることによって、前記伝搬光学系内に構成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
6. 前記コントローラは、前記ピアス加工の進展に伴い、前記レーザビームの集光位置を加工穴の穴底方向に移動させることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
7. レーザ発振器から発せられるレーザビームを、伝搬光学系によりレーザ加工ヘッド内の集光レンズに導光し、該集光レンズにより前記レーザビームを被加工材に集光してピアス加工を行うレーザ加工方法であって、
   前記集光レンズへ入射するレーザビームのビーム径を変化させるビーム径可変光学系を用いて、前記ピアス加工の進展に伴い、前記被加工材に集光するレーザビームの集光径を大きくすることを特徴とするレーザ加工方法。

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