JP2016078043A - レーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】加工される被加工材の条件や加工の種類に応じてビーム品質を異なることができるレーザ加工機を提供する。【解決手段】レーザ加工機は、レーザを射出するレーザ発振器と、レーザ発振器より射出されたレーザを用いて被加工材を加工するレーザ加工ユニットと、レーザ発振器より射出されたレーザをレーザ加工ユニットへと伝送するプロセスファイバ１２とを備える。レーザ加工ユニットは、レーザ発振器より射出されたレーザを略平行光束とするコリメートレンズ２８と、プロセスファイバ１２の出力端とコリメートレンズ２８との間に、ガウシアンビーム状に分布するレーザの裾野の部分を遮断する量を可変させるアパーチャ２４とを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ発振器より射出されたレーザによって被加工材を加工するレーザ加工機に関する。

半導体レーザ発振器より射出されたレーザを用いて、金属の板材等の被加工材を加工するダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ：Direct Diode Laser）加工機が普及している。

特開平４−２５１６８８号公報 特開２０００−２６３２６７号公報

レーザ加工機によって被加工材を加工する際に、例えば被加工材の板厚や被加工材に対してどのような加工を施すかに応じて、レーザの最適なビーム品質は異なる。そこで、加工される被加工材の条件や加工の種類に応じてビーム品質を異ならせることが求められる。

本発明は、このような要望に対応するため、加工される被加工材の条件や加工の種類に応じてビーム品質を異なることができるレーザ加工機を提供することを目的とする。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、レーザを射出するレーザ発振器と、前記レーザ発振器より射出されたレーザを用いて被加工材を加工するレーザ加工ユニットと、前記レーザ発振器より射出されたレーザを前記レーザ加工ユニットへと伝送するプロセスファイバとを備え、前記レーザ加工ユニットは、前記レーザ発振器より射出されたレーザを略平行光束とするコリメートレンズと、前記プロセスファイバの出力端と前記コリメートレンズとの間に、ガウシアンビーム状に分布する前記レーザの裾野の部分を遮断する量を可変させるアパーチャとを有することを特徴とするレーザ加工機を提供する。

上記のレーザ加工機は、前記アパーチャには光軸を中心とする所定の直径を有する開口が形成され、前記アパーチャはレーザの光軸方向に移動自在に設けられていることが好ましい。

本発明のレーザ加工機によれば、加工される被加工材の条件や加工の種類に応じてビーム品質を異なることができる。よって、被加工材の条件や加工の種類に応じて最適な加工が可能となる。

一実施形態のレーザ加工機の全体的な構成を示す斜視図である。 一実施形態のレーザ加工機が備える半導体レーザ発振器の構成例を示すブロック図である。 図２中のＤＤＬユニットの具体的な構成図である。 一実施形態のレーザ加工機が備えるアパーチャがコリメートレンズに近い位置にある状態を示す図である。 一実施形態のレーザ加工機が備えるアパーチャがコリメートレンズから離れた位置にある状態を示す図である。 レーザのビーム強度分布を示す図である。 ビームの裾野の部分をアパーチャによって遮断している状態を示す図である。 ビームの裾野の部分をアパーチャによって図７に示す状態よりも多く遮断している状態を示す図である。 ビームの裾野の部分をアパーチャによって図８に示す状態よりも多く遮断している状態を示す図である。 ビームパラメータ積を説明するための図である。 アパーチャの位置と、ビームパラメータ積及びビームパワーとの関係を示す特性図である。

以下、一実施形態のレーザ加工機について、添付図面を参照して説明する。図１に示す本実施形態のレーザ加工機１００は、レーザによって被加工材を切断加工するレーザ切断加工機である場合を例とする。

レーザ加工機は、レーザによって被加工材を溶接加工するレーザ溶接加工機、レーザによって被加工材の表面を改質する表面改質装置、レーザによって被加工材にマーキングするマーキング装置であってもよい。

レーザ加工機１００は、レーザＬＢを生成して射出するレーザ発振器１１と、レーザ加工ユニット１５と、レーザＬＢをレーザ加工ユニット１５へと伝送するプロセスファイバ１２とを備える。

レーザ発振器１１は、一例としてＤＤＬ発振器である。以下、ＤＤＬ発振器１１と称する。ＤＤＬ発振器１１の具体的構成及び動作については後に詳述する。レーザ発振器１１は、ＤＤＬ発振器に限定されない。

プロセスファイバ１２は、レーザ加工ユニット１５に配置されたＸ軸及びＹ軸のケーブルダクト（図示せず）に沿って装着されている。

レーザ加工ユニット１５は、被加工材Ｗを載せる加工テーブル２１と、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在である門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在であるＹ軸キャリッジ２３とを有する。また、レーザ加工ユニット１５は、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット２９を有する。

コリメータユニット２９は、プロセスファイバ１２の出力端から射出されたレーザＬＢを略平行光束とするコリメートレンズ２８と、略平行光束に変換されたレーザＬＢをＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー２５とを有する。また、コリメータユニット２９は、ベンドミラー２５で反射したレーザＬＢを集光させる集光レンズ２７と、加工ヘッド２６とを有する。

図１では、図示を省略しているが、コリメータユニット２９は、レーザの光軸方向に移動自在のアパーチャ２４（図４等参照）と、アパーチャ２４を移動させる駆動部２４Ｄ（図４等参照）とを有する。

コリメートレンズ２８、ベンドミラー２５、集光レンズ２７、加工ヘッド２６は、予め光軸が調整された状態でコリメータユニット２９内に固定されている。焦点位置を補正するために、コリメートレンズ２８がＸ軸方向に移動するように構成されていてもよい。

コリメータユニット２９は、Ｙ軸方向に移動自在のＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸方向に移動自在のＸ軸キャリッジ２２に設けられている。よって、レーザ加工ユニット１５は、加工ヘッド２６から射出されるレーザＬＢを被加工材Ｗに照射する位置を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動させることができる。

以上の構成によって、レーザ加工機１００は、ＤＤＬ発振器１１より射出されたレーザＬＢをプロセスファイバ１２によってレーザ加工ユニット１５へと伝送させ、高エネルギ密度の状態で被加工材Ｗに照射して被加工材Ｗを切断加工することができる。

なお、被加工材Ｗを切断加工するとき、被加工材Ｗには溶融物を除去するためのアシストガスが噴射される。図１では、アシストガスを噴射する構成については図示を省略している。

次に、図２，図３を用いて、ＤＤＬ発振器１１の具体的な構成及び動作を説明する。図２に示すように、ＤＤＬ発振器１１は、ＤＤＬユニット11u1〜11unのｎ個のＤＤＬユニットと、ＤＤＬユニット11u1〜11unそれぞれより射出されたレーザを空間結合させるコンバイナ１１２とを有する。

また、ＤＤＬ発振器１１は、ＤＤＬユニット11u1〜11unに電力を供給する電力供給部１１３と、ＤＤＬ発振器１１を制御する制御部１１４とを有する。

ＤＤＬユニット11u1〜11unのうちのいずれかを特定しないＤＤＬユニットをＤＤＬユニット１１ｕと称することとする。ＤＤＬユニット１１ｕの個数ｎは２以上であり、射出するレーザＬＢの必要とする出力に応じて適宜設定すればよい。

ＤＤＬユニット１１ｕは、具体的に、図３に示すように構成される。ＤＤＬユニット１１ｕは、レーザダイオードモジュールＵｍ１〜Ｕｍｎのｎ個のレーザダイオードモジュールを有する。

レーザダイオードモジュールＵｍ１〜Ｕｍｎのうちのいずれかを特定しないレーザダイオードモジュールをレーザダイオードモジュールＵｍと称することとする。レーザダイオードモジュールＵｍの個数ｎも適宜設定すればよい。

それぞれのレーザダイオードモジュールＵｍは、複数のレーザダイオードが直列に接続されて構成されている。レーザダイオードの個数は例えば１４個である。レーザダイオードモジュールＵｍのそれぞれでロックさせるレーザの波長が異なる。

レーザダイオードモジュールＵｍ１〜Ｕｍｎには、光ファイバＵｆ１〜Ｕｆｎの一方の端部が接続されている。レーザダイオードモジュールＵｍ１〜Ｕｍｎは、光ファイバＵｆ１〜Ｕｆｎが接続されていない側の端部に、図示していない高反射ミラーを有する。光ファイバＵｆ１〜Ｕｆｎの他方の端部は、光ファイバが横方向（レーザが射出方向を直交する方向）に並んだファイバユニットＵ１１に接続されている。

レーザダイオードモジュールＵｍ１〜Ｕｍｎより射出されたレーザは、ファイバユニットＵ１１より射出して、コリメートレンズＵ１２によって略平行光束とされる。コリメートレンズＵ１２より射出されたそれぞれのレーザは、グレーティングＵ１３によって方向が曲げられて、パーシャルミラーＵ１４を介して射出する。

レーザの一部は、パーシャルミラーＵ１４で反射してレーザダイオードモジュールＵｍへと戻り、高反射ミラーで反射して再びパーシャルミラーＵ１４に入射する。このように、レーザは、レーザダイオードモジュールＵｍの高反射ミラーとパーシャルミラーＵ１４との間で共振する。ＤＤＬユニット１１ｕは外部共振器を構成し、グレーティングＵ１３は、レーザの波長をロックさせる波長ロック機構として動作する。

以上の構成及び動作によって、ＤＤＬユニット１１ｕからは、複数の波長にロックされた図示のような波長スペクトルＳＰ１を有するレーザが出力される。

図２に示すＤＤＬ発振器１１が射出するレーザの波長は、例えば８００〜９９０ｎｍ、好ましくは、９１０〜９５０ｎｍである。

次に、図４〜図１０を用いて、コリメータユニット２９内に設けられているアパーチャ２４の働きを説明する。

図４に示すように、アパーチャ２４は、プロセスファイバ１２の出力端側とコリメートレンズ２８との間に配置されている。図４は、アパーチャ２４がコリメートレンズ２８に比較的近い位置に位置している状態を示している。

図５に示すように、駆動部２４Ｄは、アパーチャ２４をプロセスファイバ１２の出力端側へと移動させることができる。

図４，図５に示すｘ軸は、レーザの光軸に対して直交する方向、ｚ軸はレーザの光軸方向である。ｘ軸及びｚ軸は、コリメータユニット２９内での軸を示している。

アパーチャ２４の中央部には、円形の開口２４０が形成されている。開口２４０は真円であるのがよい。開口２４０は、光軸を中心とする所定の直径を有する。アパーチャ２４が図４に示すようにコリメートレンズ２８に比較的近い位置に位置していると、ガウシアンビーム状のレーザの裾野の部分はアパーチャ２４によって遮断される。

アパーチャ２４が図５に示すようにコリメートレンズ２８から離れて、プロセスファイバ１２の出力端に比較的近い位置に位置していると、レーザの裾野の部分はアパーチャ２４によってわずかに遮断される状態、または、ほとんど遮断されない状態となる。

図６は、ビームの強度分布を示している。ビーム径２ｗは、ビーム強度のピークから１／ｅ^２だけ下降した位置の径で定義される。ビーム強度のピークを１００％とすると、ビーム径２ｗはビーム強度が１３．５％の位置である。

図７は、アパーチャ２４がプロセスファイバ１２の出力端に近い位置に位置している状態を概念的に示している。この状態では、アパーチャ２４の開口２４０は、相対的に、ビーム径２ｗよりも広い。よって、アパーチャ２４は、ビーム径２ｗの位置のレーザを遮断していない。

図８は、アパーチャ２４が図７よりもコリメートレンズ２８側に移動した状態を概念的に示している。この状態でも、アパーチャ２４は、ビーム径２ｗの位置のレーザを遮断していない。図７と図８とでは、レーザの裾野の部分を遮断している量が異なるので、レーザパワーは変化する。

図９は、アパーチャ２４が図８よりもコリメートレンズ２８側に移動した状態を概念的に示している。この状態では、アパーチャ２４の開口２４０は、相対的に、ビーム径２ｗよりも狭い。よって、アパーチャ２４は、ビーム径２ｗの位置のレーザを遮断する。図９の状態におけるビーム径は、開口２４０の相対的な直径Ｄａｐとなる。

開口２４０の相対的な直径Ｄａｐは開口２４０の絶対的な直径ではなく、アパーチャ２４の位置に応じて変化する、ビームを通過させる直径を意味する。

ところで、ビーム品質を表すパラメータの１つとして、ビームパラメータ積（以下、ＢＰＰ：Beam Parameter Product）がある。図１０に示すように、ＢＰＰは、ビームウェストにおけるビーム径２ｗとビームの広がり角θを用いて、次のように定義することができる。

ＢＰＰ＝ｗ×（θ／２） …（１）

図９のように開口２４０の相対的な直径Ｄａｐがビーム径２ｗよりも狭くなると、図１０のようにビームが破線の状態から実線の状態へとビーム径を絞り込むことと等価となる。よって、式（１）で計算されるＢＰＰの値が変化することになる。

ＢＰＰの値は、アパーチャ２４がビーム径２ｗの位置のレーザを遮断する程度によって変化する。

本実施形態のレーザ加工機１００は、移動自在のアパーチャ２４を備えることによって、ＢＰＰの値を変化させることができる。本実施形態のレーザ加工機１００によれば、ＢＰＰの値を変化させることによって、加工される被加工材の条件や加工の種類に応じてビーム品質を異なることができる。

図１１を用いて、ＢＰＰの値に応じて、加工される被加工材の条件や加工の種類を使い分ける例を説明する。アパーチャ２４によってビームを遮断していない初期条件を次のとおりとする。

アパーチャ２４の開口２４０の半径を２．５ｍｍとする。レーザパワーを２０００Ｗとする。ビーム半径ｗを０．１ｍｍ、広がり角θを０．２ｒａｄとする。よって、ＢＰＰは１０ｍｍ・ｍｒａｄである。

図１１において、横軸はアパーチャ２４のｚ軸方向の位置、左縦軸はＢＰＰの値、右縦軸はビームパワーを示している。アパーチャ２４のｚ軸方向の位置は、アパーチャ２４がプロセスファイバ１２の出力端に最も近い位置を０とし、位置０からコリメートレンズ２８方向への距離を示している。

実線はＢＰＰの値の変化を示す特性、破線はビームパワーの変化を示す特性を示している。ＢＰＰの値は、アパーチャ２４がビーム径２ｗの位置のレーザを遮断する前では一定値であり、アパーチャ２４がビーム径２ｗの位置のレーザを遮断する位置以降では、曲線状に漸減する。ビームパワーは、アパーチャ２４がプロセスファイバ１２の出力端に最も近い位置から所定の距離まで一定値であり、その後、曲線状に漸減する。

本実施形態においては、ＢＰＰの値を、例えば領域Rgn1〜Rgn3の３つの領域に分けている。レーザ加工機１００によって板厚９ｍｍ以上の厚板を切断する場合には、ＢＰＰが６ｍｍ・ｍｒａｄ以上１０ｍｍ・ｍｒａｄ以下の領域Rgn1を用いるのが好適である。そこで、ＢＰＰが６ｍｍ・ｍｒａｄ以上１０ｍｍ・ｍｒａｄ以下となるように、駆動部２４Ｄはアパーチャ２４の位置を調節する。

レーザ加工機１００によって板厚１ｍｍ以上９ｍｍ未満の薄板を切断する場合には、ＢＰＰが２ｍｍ・ｍｒａｄ以上６ｍｍ・ｍｒａｄ未満の領域Rgn2を用いるのが好適である。そこで、ＢＰＰが２ｍｍ・ｍｒａｄ以上６ｍｍ・ｍｒａｄ未満となるように、駆動部２４Ｄはアパーチャ２４の位置を調節する。

レーザ加工機１００によって板厚１ｍｍ未満の極薄板を切断する場合には、ＢＰＰが２ｍｍ・ｍｒａｄ未満の領域Rgn3を用いるのが好適である。そこで、ＢＰＰが２ｍｍ・ｍｒａｄ未満となるように、駆動部２４Ｄはアパーチャ２４の位置を調節する。被加工材Ｗを切断するのではなく、マーキング等の微細加工を施す場合にも、領域Rgn3を用いるのが好適である。

開口２４０が形成され、レーザの光軸方向に移動自在のアパーチャ２４の代わりに、光軸方向の位置が固定され、開口の大きさを可変させるアパーチャを用いてもよい。この場合も、開口を真円として、真円の大きさを可変させることが好ましい。なお、真円の大きさを可変させる機構は複雑な構成を必要とするので、光軸方向に移動自在のアパーチャ２４を用いる方が好ましい。

本実施形態においては、ＢＰＰのみに着目したが、レーリー長等の他のパラメータを最適化することが好ましい。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１１ ＤＤＬ発振器（レーザ発振器）
１２ プロセスファイバ
１５ レーザ加工ユニット
２１ 加工テーブル２１
２２ Ｘ軸キャリッジ
２３ Ｙ軸キャリッジ
２４ アパーチャ
２４Ｄ 駆動部
２５ ベンドミラー
２６ 加工ヘッド
２７ 集光レンズ
２８ コリメートレンズ
２９ コリメータユニット
１００ レーザ加工機
２４０ 開口
Ｗ 被加工材

Claims (2)

1. レーザを射出するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器より射出されたレーザを用いて被加工材を加工するレーザ加工ユニットと、
   前記レーザ発振器より射出されたレーザを前記レーザ加工ユニットへと伝送するプロセスファイバと、
   を備え、
   前記レーザ加工ユニットは、前記レーザ発振器より射出されたレーザを略平行光束とするコリメートレンズと、
   前記プロセスファイバの出力端と前記コリメートレンズとの間に、ガウシアンビーム状に分布する前記レーザの裾野の部分を遮断する量を可変させるアパーチャと、
   を有することを特徴とするレーザ加工機。
2. 前記アパーチャには光軸を中心とする所定の直径を有する開口が形成され、前記アパーチャはレーザの光軸方向に移動自在に設けられていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工機。

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