JP2016078051A - 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の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多波長のレーザ光を用いて加工を行う際に、光学的要素を増大させることなく、多波長のレーザ光の色収差を補正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、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色消しレンズを使用することにより、多波長のレーザ光の波長毎の色収差を補正する。【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。

ＤＤＬ加工装置では多波長のレーザ光を用いるため、一般的な光学レンズで集光すると、色収差により波長毎に焦点位置が異なる。この結果、集光位置でのビーム径が増加し、単位面積当たりのパワー密度が低下するため、特に薄板の加工速度が低下してしまう。

従来、レーザ光による加工技術に関して、２つの波長の光について色収差を補正する方法が提案されている（特許文献１及び２参照）。

特開２００５−２５８３３６号公報 特開平４−２５１６８６号公報

しかしながら、特許文献１又は２のいずれも、ＤＤＬ加工装置の多波長のレーザ光の波長毎の色収差を補正するものではないうえ、色収差を補正するためにレンズ等の光学的要素が増大するという課題があった。

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、光学的要素を増大させることなく、多波長のレーザ光の色収差を補正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、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色消しレンズを使用することにより、多波長のレーザ光の波長毎の色収差を補正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用いて加工を行う際に、光学的要素を増大させることなく、多波長のレーザ光の色収差を補正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の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。 単レンズの集光特性を示す概略図である。 色消しレンズの集光特性を示す概略図である。 比較例及び実施例に係る加工機の光学レイアウトを示す概略図である。 比較例に係る単レンズの集光ビームプロファイルを表すグラフである。 実施例に係る色消しレンズの集光ビームプロファイルを表すグラフである。 比較例及び実施例に係る集光点におけるビームプロファイルを表すグラフである。

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。

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。多波長λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎのレーザ光の各波長は、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。多波長のレーザ光の組み合わせとしては、例えば８００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲から、８００ｎｍ、９１０ｎｍ、９３０ｎｍ、９５０ｎｍ、１０００ｎｍの５つの波長を出力することができる。

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とを備える。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１に示したレーザ加工機１３において、コリメートレンズ１５及び集光レンズ１８として、図４に示すような一般的な単レンズ（図４では集光レンズ１８として使用したものとする）を使用して多波長のレーザ光を集光すると、色収差により波長毎に焦点位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が異なる。

そこで、本発明の実施形態においては、レーザ加工機１３内のコリメートレンズ１５及び集光レンズ１８のうちの少なくともいずれか一方に、色消しレンズ（アクロマートレンズ等）を使用する。例えば、図５に示すように、集光レンズ１８が色消しレンズを使用する。集光レンズ（色消しレンズ）１８は、例えば低屈折率且つ低分散のクラウンガラスからなる凸レンズ１８ａと、高屈折率且つ高分散のフリントガラスからなる凹レンズ１８ｂとを組み合わせて構成されている。集光レンズ（色消しレンズ）１８により多波長のレーザ光を集光させることにより、波長毎の色収差を補正し、焦点のずれを抑制して焦点位置Ｐ０を略一致させることができる。

なお、多波長のレーザ光の波長の組み合わせ等を考慮して、コリメートレンズ１５及び集光レンズ１８の両方に色消しレンズを使用してもよい。また、コリメートレンズ１５及び集光レンズ１８のうち一方に色消しレンズを使用し、他方に一般的に使用される単レンズを使用してもよい。色消しレンズの種類は特に限定されず、３枚以上のレンズを組み合わせたものを使用してもよい。

コリメートレンズ１５及び集光レンズ１８のうちの少なくともいずれか一方に色消しレンズを使用することにより、多波長のレーザ光についての色収差の影響を抑制することができるので、集光ビームのビーム品質を向上させることができる。即ち、被加工材Ｗ上に集光されるレーザ光のビーム径が縮小するため、単位面積当たりのパワー密度が増加し、特に薄板の切断加工において高速化を図ることができる。

＜実施例＞
次に、本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置の比較例及び実施例を説明する。図６に示すように、比較例及び実施例において、コリメートレンズ１５の焦点距離を１００ｍｍ、集光レンズ１８の焦点距離１５０ｍｍ、コリメートレンズ１５と集光レンズ１８との距離を１．５ｍとする。

比較例として、コリメートレンズ１５及び集光レンズ１８として、ファイバレーザ加工装置で一般的に使用される単レンズ（ＺｎＳ）を使用するものとする。一方、実施例では、集光レンズ１８に色消しレンズを使用するものとする。多波長のレーザ光としては、９１０ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲から、９１０ｎｍ、９３０ｎｍ、９５０ｎｍの３つの波長を出力する。

図７及び図８は、比較例及び実施例のそれぞれについて、各波長毎の集光レンズ１８と加工点との距離ｄ２と、加工点でのビームの集光径ｗ２を示す。図７に示す比較例では、集光されたレーザ光は、波長に依存して集光点がずれてしまうことが分かる。一方、図８に示す実施例では、色収差が抑制された結果、集光点が略一致していることが分かる。

図９に、比較例及び実施例のそれぞれについての集光点におけるビームプロファイルを示す。図９の横軸が光軸からの距離ｒを示し、縦軸は、光強度を示す。図９から、実施例（色消しレンズ）が比較例（単レンズ）よりも集光点のビーム径ｗ２が小さくなることが分かる。多波長のレーザ光を９１０ｎｍ〜９５０ｎｍの波長で出力した場合、色消しレンズを使用することで、集光点のビーム径ｗ２を約２．４％縮小することが可能である。特に、レーザ光の波長帯域が広くなるほど、集光点のビーム径ｗ２を縮小する効果はより顕著となる。

この実施例においては、２枚のレンズを含むアクロマートレンズを色消しレンズとして用いたため、単レンズに対しての重量増加を最小に抑えることができる。従って、加工ヘッド１７の急加速が可能となり、例えば、Ｙ軸キャリッジ２３等に対して加工ヘッド１７を首振り運動させる場合に、高速での首振り運動が可能となる。

＜加工方法＞
前記実施例のＤＤＬ加工装置を使用して、鉄、アルミニウム等の薄板（板金）を加工するのが好ましい。ここに薄板とは、３ｍｍ以下の板厚を有する板金を意味し、より好ましくは１．５ｍｍ以下の板厚を有する板金を意味し、更に好ましくは１ｍｍ以下の板厚を有する板金を意味する。

厚板の場合は、切断に際しての溶融金属排出の観点から、集光点のビーム径が小さいだけでは高速加工（切断）を実現することは難しいが、薄板の場合は、前記障害がないため、集光点のビーム径が小さければ小さい程、高速加工を図ることができる。ここに高速とは、例えば１０ｍ／分以上の速度を意味する。従って、前記実施例のＤＤＬ加工装置を用いて、鉄、アルミニウム等の薄板を高速で加工（穴明け、切断等）することができる。

以上説明したように、本発明によれば、コリメートレンズ１５及び集光レンズ１８のうちの少なくともいずれか一方に色消しレンズを使用することにより、多波長のレーザ光についての色収差の影響を抑制することができ、特に薄板の切断加工において高速化を図ることができる。

（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。

本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置による板金加工としては、切断加工の他にも、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
１５，５２…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
１８ａ…凸レンズ
１８ｂ…凹レンズ
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 (3)

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
   とを備え、
   前記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色消しレンズを使用することにより、前記多波長のレーザ光の波長毎の色収差を補正す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. 前記多波長のレーザ光は、８００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲であ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. 請求項１又は２のダイレクトダイオードレーザ加工装置を用いて、薄い板金を高速で切断することを特徴とする板金の加工方法。
   

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