JP2016078047A - 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板金加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多波長のレーザ光を用いて加工を行う際に、特殊な部品を用いることなく且つ簡易な構成で、ライン状のビームに整形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し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する集光レンズと、多波長のレーザ光を波長毎に分散させることにより、被加工材上において異なる位置に複数の焦点を有するライン状のビームに整形する分散素子とを備える。
【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板金加工方法に関する。

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、レーザ加工装置を用いてレーザアニール等の板金加工を行う際に、効率的に加工を行うため、レーザ光をライン状のビームに整形することが提案されている（特許文献１〜６参照）。

特開平１０−１５３７４６号公報 特開２００４−６４０６５号公報 特開２０１２−１３１６８１号公報 特開２０１２−２４３９００号公報 特開２０１１−１０４６０５号公報 特開平９−１６６５３２号公報

しかしながら、特許文献１〜６はいずれも、ＤＤＬ加工装置のように多波長のレーザ光を用いて加工を行うものではないうえ、ライン状のビームに整形するために特殊で高価な光学部品を用いたり、複雑な制御が必要であったりという課題がある。

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用いて加工を行う際に、特殊で高価な光学部品を用いることなく且つ簡易な構成で、ライン状のビームに整形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板金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し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する集光レンズと、多波長のレーザ光を波長毎に分散させることにより、被加工材上において異なる位置に複数の焦点を有するライン状のビームに整形する分散素子とを備え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及びこれを用いた板金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用いて加工を行う際に、特殊な部品を用いることなく且つ簡易な構成で、ライン状のビームに整形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板金加工方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る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。 本発明の実施形態に係るレーザ加工機部分の一例を示す概略図である。 本発明の実施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。 本発明のその他の実施形態に係るレーザ加工機部分の一例を示す概略図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。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回折する分散素子（回折格子）１６と、分散素子１６により回折されたレーザ光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、分散素子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〜９９０ｎｍ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。

本発明の実施形態では、図４に示すように、コリメータレンズ１５と集光レンズ１８の間に、多波長のレーザ光を波長毎に分散させる分散素子（回折格子）１６を配置している。分散素子１６は、コリメータレンズ１５により平行光に変換された多波長のレーザ光を、昇順又は降順に整列させる。分散素子１６としては、回折格子の他にもプリズム等が使用可能である。また、コリメータレンズ１５及び集光レンズ１８としては、合成石英や硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等からなる一般的なレンズを使用可能である。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を用いた板金加工では、コリメータレンズ１５により平行光に変換された多波長のレーザ光を、分散素子１６を用いて波長毎に分散させ、分散させた光を集光レンズ１８を用いて集光して、被加工材Ｗの表面において波長毎に異なる位置に集光する。この光の重ね合わせにより、ライン状のビームが整形される。

例えば、図５に示すように、９１０〜９５０ｍｍの範囲の３つの波長λ１，λ２，λ３のレーザ光を用いた場合、分散素子１６を用いて波長毎に焦点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を分散させることにより、被加工材Ｗの表面上の３つの焦点Ｐ１，Ｐ２が隣接する間隔が６ｍｍ程度で、最も遠い焦点Ｐ１，Ｐ３同士の間隔が１２ｍｍ程度のライン状のビームを形成することができる。

＜実施例＞
次に、本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置を用いたライン状のビームの整形方法の一例を説明する。入射角をα、回折角をβ、回折次数をｎ、溝本数をＧ、波長をλとして、回折格子の式は以下の式（１）で表される。

ｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝ｎＧλ ・・・（１）

ここで、α＝４５°、ｎ＝１、Ｇ＝１５００本／ｍｍ、λ＝９１０、９３０、９５０ｎｍとすると、βはそれぞれ４１．１２、４３．４６、４５．８８°となる。

この式（１）に基づき、図４に示す構成において、集光レンズ１８のｆを１５０ｍｍとし、回折格子１６と集光レンズ１８との距離を１５０ｍｍ、集光レンズ１８と加工点（被加工材Ｗの表面）までの距離を１５０ｍｍとすると、９１０ｎｍと９３０ｎｍの波長のレーザ光の集光点Ｐ１，Ｐ２の距離は６．０８ｍｍとなり、９３０ｎｍと９５０ｎｍの波長のレーザ光の集光点Ｐ２，Ｐ３の距離は６．３３ｍｍとなる。この結果、最も遠い集光点Ｐ１，Ｐ同士の距離が１２．４１ｍｍのライン状のビームが整形される。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、特殊なレンズを用いることなく、一般的な部品であるコリメータレンズ１５、分散素子１６、集光レンズ１８を用いて、全体として簡易な構成でライン状のビームを整形することが可能となる。したがって、このようなライン状のビームは、特に、レーザフォーミング加工やレーザアニール等の板金加工に好適である。

更に、レーザ加工機１３において、レーザ光をＺ軸方向下方へ向けるために通常使用されるベンドミラーの代わりに、分散素子１６によりレーザ光をＺ軸方向下方へ向けることができるので、部品数の増加を抑制することができる。

また、波長帯域毎に個別に出力を可変させて、レーザ光の出力を波長毎に変えることにより、光軸に垂直な被加工材Ｗの表面においてライン状のビームの光強度分布を可変させることができる。また回折格子の溝本数Ｇを調整することによりライン上ビームの長さを調整することができる。更に、回折格子には冷却装置を設けることができる。これにより、上記ライン状ビームの長さを一定に保持することができる。

（その他の実施形態）
本発明は実施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形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

本発明の実施形態では、図４に示すように、レーザ加工機１３のコリメータレンズ１５と集光レンズ１８の間に分散素子１６を配置する構成を説明したが、この構成に限定されるものではない。例えば、図６に示すように、レーザ加工機１３のコリメータレンズ１５及び集光レンズ１８の後段に分散素子１６を配置し、集光レンズ１８により分散素子１６上に集光する構成であってもよい。そして、分散素子１６の後段には、分散素子１６からの分散光を平行光に変換するコリメートレンズ１９を更に備えていてもよい。コリメートレンズ１９により平行光に変換された波長毎のレーザ光が被加工材Ｗに照射され、ライン状のビームに整形される。

また、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を用いたライン状ビームの整形方法及び加工方法は、板金加工の種類は特に限定されず、レーザフォーミング加工、焼鈍、アニーリング及びアブレーション等の種々の板金加工に適用可能である。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施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
１５，１９，５２…コリメータレンズ
１６…分散素子
１７…加工ヘッド
１８，５４…集光レンズ
５５…部分反射カプラ
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
６０…筐体
６１…電源部
６２…制御モジュール
６３…空調機器

Claims (9)

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し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する集光レンズと、
   前記多波長のレーザ光を波長毎に分散させることにより、被加工材上において異なる位置に複数の焦点を有するライン状のビームに整形する分散素子
   とを備え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. 前記分散素子は、前記コリメータレンズと前記集光レンズの間に配置され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. 前記分散素子は、前記集光レンズの後段に、前記多波長のレーザ光が前記分散素子上に集光されるように配置され、
   前記分散素子により波長毎に分散された多波長のレーザ光を平行光に変換するレンズを更に備え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。
4. 前記分散素子が、前記多波長のレーザ光を昇順又は降順に整列させて、ライン状のビームに整形す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は、波長帯域毎に群管理されて制御される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. 前記多波長のレーザ光は、波長帯域毎に個別に出力を調節可能であることを特徴とする請求項５に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
7. 前記被加工材上の最も遠い焦点同士の間隔が６ｍｍ〜１２ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜６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。
8. 前記多波長のレーザ光の波長が９１０ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜７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。
9. 多波長のレーザ光をコリメータレンズを用いて平行光に変換するステップと、
   前記平行光に変換された多波長のレーザ光を集光レンズを用いて集光するステップと、
   前記多波長のレーザ光を分散素子を用いて波長毎に分散させることにより、被加工材上において異なる位置に複数の焦点を有するライン状のビームに整形するステップ
   とを含む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を用いた板金加工方法。

Images