JP2016078046A - ダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた金属板の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多波長のレーザ光を集光したときの色収差により生じる多重焦点の間隔を積極的に大きくすることができ、厚板の切断加工に適したビームを形成することができるダイレクトダイオードレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】多波長のレーザ光を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、コリメータレンズにより平行光に変換された多波長のレーザ光を集光して被加工材に照射する集光レンズとを備え、コリメータレンズ及び集光レンズの少なくともいずれか一方に、石英よりも波長分散の大きい材料を用いることにより、光軸上の異なる位置に複数の集光点を形成し、且つ複数の集光点の間隔を分散させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた金属板の加工方法に関する。

従来、板金加工用のレーザ加工装置として、炭酸ガス（ＣＯ_２）レーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器、ファイバレーザ発振器をレーザ光源として用いたものが知られている。ファイバレーザ発振器は、ＹＡＧレーザ発振器よりも光品質に優れ、発振効率が極めて高い等の利点を有する。このため、ファイバレーザ発振器を用いたファイバレーザ加工装置は、産業用、特に板金加工用（切断又は溶接等）に利用されている。

更に近年では、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ：Direct Diode Laser）発振器をレーザ光源として用いるＤＤＬ加工装置が開発されている。ＤＤＬ加工装置は、複数のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）を用いて多波長（multiple-wavelength）のレーザ光を重畳し、伝送ファイバを用いて加工ヘッドまで伝送する。そして、伝送ファイバの端面から射出されたレーザ光は、コリメータレンズ及び集光レンズ等により被加工材上に集光されて照射される。

ところで、板金加工用のレーザ加工装置においては、厚板に対してもより高速に切断加工を行えることが要求される。このため、特許文献１では、多波長のレーザ光を色消し機能を持たない集光レンズで集光し、色収差の影響により同一光軸上の異なる位置にフォーカスして被加工物に照射して、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としている。

特開２００８−４４０００号公報

しかしながら、特許文献１では、色消し機能を持たない合成石英製の集光レンズを用いたときに生じる色収差を利用しているが、色収差による多重焦点の間隔を積極的に大きくするものではない。

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、多波長のレーザ光を集光したときの色収差により生じる多重焦点の間隔を積極的に大きくすることができ、厚板の切断加工に適したビームを形成することができるダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた金属板の加工方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、多波長のレーザ光を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、コリメータレンズにより平行光に変換された多波長のレーザ光を集光して被加工材に照射する集光レンズとを備え、コリメータレンズ及び集光レンズの少なくともいずれか一方に、石英よりも波長分散の大きい材料を用いることにより、光軸上の異なる位置に複数の集光点を形成し、且つ複数の集光点の間隔を分散させるダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた金属板の加工方法が提供される。

本発明によれば、多波長のレーザ光を集光したときの色収差により生じる多重焦点の間隔を積極的に大きくすることができ、厚板の切断加工に適したビームを形成することができるダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた金属板の加工方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係るＤＤＬ加工装置の一例を示す斜視図である。 図２（ａ）は、本発明の実施の形態に係るレーザ発振器の一例を示す正面図である。図２（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るレーザ発振器の一例を示す側面図である。 本発明の実施の形態に係るレーザ発振器の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るレーザ発振器の発振波長の一例を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係るコリメータレンズ及び集光レンズの一例を示す概略図である。 各波長のｄ２に対するピーク強度を表すグラフである。 レンズの材料毎の焦点位置の変化を表すシミュレーション結果である。 レンズの材料の組み合わせ毎の焦点位置の変化を表すシミュレーション結果である。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。

まず、図１を参照して、本発明の実施の形態に係るダイレクトダイオードレーザ（以下、「ＤＤＬ」という）加工装置の全体構成を説明する。本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置は、図１に示すように、多波長のレーザ光ＬＢを発振するレーザ発振器１１と、レーザ発振器１１により発振されたレーザ光ＬＢを伝送する伝送ファイバ（プロセスファイバ）１２と、伝送ファイバ１２により伝送されたレーザ光ＬＢを高エネルギー密度に集光させて被加工材（ワーク）Ｗに照射するレーザ加工機１３とを備える。

レーザ加工機１３は、伝送ファイバ１２から射出されたレーザ光ＬＢをコリメータレンズ１５で略平行光に変換するコリメータユニット１４と、略平行光に変換されたレーザ光ＬＢを、Ｘ軸及びＹ軸方向に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射するベンドミラー１６と、ベンドミラー１６により反射されたレーザ光ＬＢを集光レンズ１８で集光する加工ヘッド１７とを備える。なお、図１では図示を省略するが、コリメータユニット１４内には、コリメータレンズ１５を光軸に平行な方向（Ｘ軸方向）に駆動するレンズ駆動部が設置されている。また、ＤＤＬ加工装置は、レンズ駆動部を制御する制御部を更に備える。

レーザ加工機１３は更に、被加工材Ｗが載置される加工テーブル２１と、加工テーブル２１上においてＸ軸方向に移動する門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上においてＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に移動するＹ軸キャリッジ２３とを備える。コリメータユニット１４内のコリメータレンズ１５、ベンドミラー１６、及び加工ヘッド１７内の集光レンズ１８は、予め光軸の調整が成された状態でＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３と共にＹ軸方向に移動する。なおＹ軸キャリッジ２３に対して上下方向へ移動可能なＺ軸キャリッジを設け、当該Ｚ軸キャリッジに集光レンズ１８を設けることも出来る。

本発明の実施の形態に係るＤＤＬ加工装置は、集光レンズ１８により集光されて最も小さい集光直径（最小集光直径）のレーザ光ＬＢを被加工材Ｗに照射し、また同軸にアシストガスを噴射して溶融物を除去しながら、Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３を移動させる。これにより、ＤＤＬ加工装置は被加工材Ｗを切断加工することができる。被加工材Ｗとしては、ステンレス鋼、軟鋼、アルミニウム等の種々の材料が挙げられる。被加工材Ｗの板厚は、例えば０．１ｍｍ〜５０ｍｍ程度である。

次に、図２及び図３を参照して、レーザ発振器１１について説明する。レーザ発振器１１は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、筐体６０と、筐体６０内に収容され、伝送ファイバ１２に接続されているＤＤＬモジュール１０と、筐体６０内に収容され、ＤＤＬモジュール１０に電力を供給する電源部６１と、筐体６０内に収容され、ＤＤＬモジュール１０の出力等を制御する制御モジュール６２等が設けられている。また、筐体６０の外側には、筐体６０内の温度及び湿度を調整する空調機器６３が設置されている。

ＤＤＬモジュール１０は、図３に示すように、多波長（multiple-wavelength）λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎのレーザ光を重畳して出力する。ＤＤＬモジュール１０は、複数のレーザダイオード（以下、「ＬＤ」という）３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎ（ｎは４以上の整数）と、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎにファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎを介して接続され、多波長λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎのレーザ光に対してスペクトルビーム結合（spectral beam combining）を行うスペクトルビーム結合部５０と、スペクトルビーム結合部５０からのレーザ光を集光して伝送ファイバ１２へ入射させる集光レンズ５４とを備える。

複数のＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎとしては、各種の半導体レーザが採用可能である。ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎの種類と数の組み合わせは特に限定されず、板金加工の目的に合わせて適宜選択可能である。ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎの波長λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎは、例えば１０００ｎｍ未満で選択したり、８００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲で選択したり、９１０ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲で選択したりすることができる。

多波長λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎのレーザ光は、例えば、波長帯域毎に群（ブロック）管理されて制御される。そして、波長帯域毎に個別に出力を可変調節することができる。また、全波長帯域の出力を吸収率が一定となるよう調整することができる。

切断加工に際しては、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎを同時に動作させると共に、酸素、窒素等の適宜のアシストガスを焦点位置近傍へ吹き付ける。これにより、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎからの各波長のレーザ光が、相互に協働すると共に、酸素等のアシストガスとも協働してワークを高速で溶融する。また当該溶融ワーク材料がアシストガスにより吹き飛ばされてワークが高速で切断される。

スペクトルビーム結合部５０は、ファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎの射出端側を束ねて固定しファイバアレイ４とする固定部５１と、ファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎからのレーザ光を平行光にするコリメータレンズ５２と、多波長λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎのレーザ光を回折し光軸を一致させる回折格子（diffraction grating）５３と、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎ後端部に設けた反射面と共に共振器を構成する部分反射カプラ５５を備える。なお、図３に示す部分反射カプラ５５の位置は一例であり、これに特に限定されるものではない。

図４に示すように、レーザ発振器１１は、多波長（図４では５つの波長λ１〜λ５）のレーザ光を発振する。このため、レーザ発振器１１からのレーザ光をレンズにより集光すると色収差が生じる。そこで、本発明の実施の形態においては、色収差を積極的に利用すべく、コリメータレンズ１５及び集光レンズ１８の少なくともいずれかの材料を、石英よりも波長分散の大きい（換言すれば、多重焦点化の効果が大きい）材料を使用する。石英よりも波長分散の大きい材料としては、硫化亜鉛（ＺｎＳ）又はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等が採用可能である。コリメータレンズ１５及び集光レンズ１８の少なくともいずれかの材料として、石英よりも波長分散の大きい材料を用いることにより、色収差の影響がより顕著になり、光軸上の多重焦点の間隔をより大きくすることができ、多重焦点を分散することができる。

なお、コリメータレンズ１５及び集光レンズ１８の材料としては、互いに同一材料であってもよく、異なる材料であってもよい。コリメータレンズ及び集光レンズ１８の一方がＺｎＳ、ＺｎＳｅであれば、コリメータレンズ及び集光レンズ１８がともに石英の場合に比べ、多重焦点化が可能である。

ここで、図５に示すように、伝送ファイバ１２の射出端とコリメータレンズ１５との距離をｄ０、コリメータレンズ１５と集光レンズ１８との距離をｄ１、集光レンズ１８と加工点（集光点）Ｐとの距離をｄ２とする。例えば、波長が８００ｎｍ〜８４０ｎｍの範囲で、８００ｎｍ、８１０ｎｍ、８２０ｎｍ、８３０ｎｍ、８４０ｎｍの５つの波長の光が出力、結合されているとし、ｄ０＝９７．８ｍｍ、ｄ１＝１５００ｍｍとする。この場合、波長８００ｎｍ、８１０ｎｍ、８２０ｎｍ、８３０ｎｍ、８４０ｎｍのｄ２はそれぞれ、１３４．２ｍｍ、１３５．２ｍｍ、１３６．１ｍｍ、１３７．０ｍｍ、１３７．８ｍｍとなり、３．６ｍｍの範囲内で、約０．９ｍｍ間隔の多重焦点が形成される。

また、例えば波長が９６０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲で、９６０ｎｍ、９７０ｎｍ、９８０ｎｍ、９９０ｎｍ、１０００ｎｍの５つの波長の光が出力、結合されているとし、ｄ０＝１００．９ｍｍ、ｄ１＝１５００ｍｍとする。この場合、波長９６０ｎｍ、９７０ｎｍ、９８０ｎｍ、９９０ｎｍ、１０００ｎｍのｄ２はそれぞれ、１３０．４ｍｍ、１３１．４ｍｍ、１３２．３ｍｍ、１３３．２ｍｍ、１３４．０ｍｍとなり、３．６ｍｍの範囲内で、約０．９ｍｍ間隔の多重焦点が形成される。

＜実施例＞
次に、本発明の実施の形態に係るＤＤＬ加工装置の実施例を説明する。コリメータレンズ１５として、曲率Ｒ＝１４７．８０８ｍｍのＺｎＳｅからなる平凸レンズを用い、集光レンズ１８として、曲率Ｒ＝２２１．７１１ｍｍのＺｎＳｅからなる平凸レンズを用いるとする。また、レーザ発振器１１では、波長が９１０ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲で、９１０ｎｍ、９２０ｎｍ、９３０ｎｍ、９４０ｎｍ、９５０ｎｍの５つの波長の光が出力、結合されているとする。なおレーザ光は連続波を用いることができる。

例えばｄ０＝１００ｍｍ、ｄ１＝１５００ｍｍとすると、図６に示すように、波長９１０ｎｍ、９２０ｎｍ、９３０ｎｍ、９４０ｎｍ、９５０ｎｍのｄ２はそれぞれ、１３１．９ｍｍ、１３２．９ｍｍ、１３３．８ｍｍ、１３４．７ｍｍ、１３５．５ｍｍとなり、３．６ｍｍの範囲内で、約０．９ｍｍ間隔の多重焦点が形成される。よって、例えば０．９ｍｍ〜３．６ｍｍ程度の板厚の被加工材Ｗの切断可能に好適である。

図６において、横軸はｄ２を示し、縦軸は各波長のレーザ光のピーク強度を示す。なお伝送ファイバから出射される各波長の光出力とＢＰＰは同じとした。これより、ｄ２方向（加工深さ方向）に各波長のピーク強度がシフトしていることが分かる。これは厚板切断に優位であることを示す。

なお上記において多波長のレーザ光の実質的なレイリー長（最も短い焦点距離のレーザ光のレイリー領域（当該レーザ光において、ビームウェストの上下のレイリー長でカバーされる領域）の最上端から、最も長い焦点距離のレーザ光のレイリー領域の最下端までの距離）はワークの板厚とほぼ等しいのが望ましい。

図７は、レンズの焦点距離（設計波長：１０８０ｎｍ）、配置は同条件時の材料毎の波長による焦点位置の変化についてのシミュレーション結果を示す。シミュレーションにおいて、コリメータレンズ１５までの距離ｄ０：１００ｍｍ、コリメータレンズ１５の焦点距離：１００ｍｍ（設計波長が１０８０ｎｍの平凸レンズ）、コリメータレンズ１５と集光レンズ１８の距離ｄ１：１５００ｍｍ、集光レンズ１８の焦点距離：１５０ｍｍ（設計波長が１０８０ｎｍの平凸レンズ）とした。縦軸には波長１ｎｍによる焦点位置の変化を示す。横軸の「Ｃ」はコリメータレンズ１５、「Ｆ」は集光レンズ１８を示す。図７から、ＺｎＳ、ＺｎＳｅは石英より焦点間隔の広い多重焦点が形成されることが分かる。

図８に、図７と同条件の場合の材料の組み合わせによる焦点位置の変化についてのシミュレーション結果を示す。縦軸には波長１ｎｍによる焦点位置の変化を示す。横軸の「Ｃ」はコリメータレンズ１５、「Ｆ」は集光レンズ１８を示す。図８から、コリメータレンズ１５と集光レンズ１８のいずれかにＺｎＳ、ＺｎＳｅを用いれば、石英より焦点間隔の広い多重焦点が形成されることが分かる。

以上説明したように、本発明によれば、コリメータレンズ１５及び集光レンズ１８の少なくともいずれか一方に、石英よりも波長分散の大きい材料を用いることにより、従来のようなレンズの曲率を特殊に変化させた多重焦点レンズを用いることなく光軸上の異なる位置に複数の集光点を形成し、且つ複数の集光点の間隔をより大きく分散させることができる。したがって、厚板に適したビームを形成することができ、厚板に対しても切断加工の高速化を図ることができる。

また、厚板の種類に応じて、コリメータレンズ１５及び集光レンズ１８の材料の組み合わせを替えることにより、複数の集光点の間隔を可変させることができ、加工対象の厚板に適したビームを形成することができる。

また、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎを同時に動作させると共に、酸素、窒素等の適宜のアシストガスを焦点位置近傍へ吹き付けることにより、高速切断が可能となる。

本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１０…ＤＤＬモジュール
１１…レーザ発振器
１２…伝送ファイバ（プロセスファイバ）
１３…レーザ加工機
１４…コリメータユニット
１５，５２…コリメータレンズ
１６…ベンドミラー
１７…加工ヘッド
１８，５４…集光レンズ
２１…加工テーブル
２２…Ｘ軸キャリッジ
２３…Ｙ軸キャリッジ
３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎ…レーザダイオード（ＬＤ）
４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎ…ファイバ
５０…スペクトルビーム結合部
５１…固定部
５３…回折格子
５５…部分反射カプラ
６０…筐体
６１…電源部
６２…制御モジュール
６３…空調機器

Claims (7)

1. 多波長のレーザ光を発振するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、
   前記伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、
   前記コリメータレンズにより平行光に変換された多波長のレーザ光を集光して被加工材に照射する集光レンズ
   とを備え、
   前記コリメータレンズ及び前記集光レンズの少なくともいずれか一方に、石英よりも波長分散の大きい材料を用いることにより、光軸上の異なる位置に複数の集光点を形成し、且つ前記複数の集光点の間隔を分散させることを特徴とするダイレクトダイオードレーザ加工装置。
2. 前記コリメータレンズ及び前記集光レンズの少なくともいずれか一方が、硫化亜鉛又はセレン化亜鉛からなることを特徴とする請求項１に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
3. 前記多波長のレーザ光の波長が８００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
4. 前記被加工材の板厚が、０．９ｍｍ〜３．６ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
5. 前記多波長のレーザ光の実質的なレイリー長は、前記被加工材の板厚と略等しいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置を用いて、板厚０．９ｍｍ〜３．６ｍｍの金属板を加工する方法であって、
   前記金属板の板厚方向に異なる焦点位置を有する多波長のレーザ光を、前記金属板の所定加工位置に同時に照射するステップと、
   アシストガスを当該加工位置へ吹き付けるステップ
   とを有することを特徴とする金属板の加工方法。
7. 前記加工は板金の切断であることを特徴とする請求項６に記載の金属板の加工方法。

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