JP2016097407A - 反射光検出方法及びレーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工位置からの反射光における光量のＡ／Ｄカウント値の最大値と最小値との比を小さく抑制することのできる反射光検出方法及びレーザ加工ヘッドを提供する。
【解決手段】レーザ発振器から発振されたレーザ光を、レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズによって集光しワークへ照射してレーザ加工を行う際に、レーザ加工位置ＷＰからの反射光ＲＬＢを検出する反射光検出方法であって、レーザ加工位置ＷＰから反射された反射光ＲＬＢにおいて反射光量の大きな波長帯の反射光をレーザ加工ヘッド１に備えたフィルタ７によって遮光し、前記フィルタ７を透過した反射光量の小さな波長帯の反射光を、前記レーザ加工ヘッド１に備えた反射光検出器９によって検出するものであり、前記フィルタ７が透過する反射光の波長の範囲は、可視光量のＡ／Ｄカウント値の最大値／最小値を３以下にする範囲であって、約５５０ｎｍ〜８１１ｎｍの範囲である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズによって集光し、金属材料へ照射してレーザ加工を行う際に、レーザ加工位置からの反射光を検出する反射光検出方法及び反射光検出器を備えたレーザ加工ヘッドに係り、さらに詳細には、ワークの材質、板厚、アシストガス、加工方法などの相違によって、反射光量のばらつきが大きい場合であっても、反射光の検出を安定して行うことができる反射光検出方法及び反射光検出機能を備えたレーザ加工ヘッドに関するものである。

従来、金属板へレーザ光を照射してレーザ加工を行う際、レーザ加工位置からの反射光を反射光検出器によって検出して加工監視を行っている（例えば特許文献１，２参照）。

特開２００６−２４７６８１号公報 特許第５０２０７２４号公報

前記特許文献１に記載の構成は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、光ファイバを介してレーザ照射ユニットに伝送している。そして、上記光ファイバから出射されたレーザ光を、前記レーザ照射ユニットに備えたベンドミラーによってワーク方向へ反射し、この反射されたレーザ光を集光レンズによって集光してワークへ照射している。そして、ワークの加工位置からの反射光は、前記ベンドミラー及び当該ベンドミラーの後方に備えられた光学フィルタを透過して反射光検出器へ入射される構成である。

上記構成において、パルスレーザをワークへ照射してレーザ加工を行うと、ワークの加工位置からの反射光の光強度はレーザ出力とは一定の比例関係にあるものの、反射光の波形は、特許文献１の図３（Ｃ）に示されているように、矩形から相当崩れたレーザ出力波形として検知されるものである。すなわち、特許文献１に記載の構成における前記光学フィルタは、レーザ加工位置からの反射光における特定波長として、レーザ光と同じ波長の光を選択的に通す干渉フィルタである。

前記特許文献２に記載の構成は、レーザ光源から発振されたレーザ光を、同軸ヘッドに備えたダイクロックミラーによって樹脂板の密着位置へ反射する構成である。前記樹脂板の密着位置に介在した吸着材へレーザ光を照射することにより、上記吸着材によって発生された光の発光強度を測定するために、前記ダイクロックミラーの背側に光検出器を備えた構成である。そして、前記ダイクロックミラーと前記光検出器との間には、前記レーザ光源の発振波長（８０８ｎｍ）よりも短い波長の光を透過させる光学フィルタが備えられている。前記光検出器は、赤外から赤色までの波長（６００ｎｍ〜９８０ｎｍ）を計測できるオートマルチャンネルアナライザを使用している。

上述のように、従来は、板状のワークのレーザ加工を行う際、ワークの加工位置からの反射光を反射光検出器によって検出している。そして、上記反射光検出器によって検出した反射光量の検出信号をＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換後のカウント値を監視することによって加工状態の検出を行っている。

ところで、レーザ加工においては、ワークの材質、板厚、アシストガス、加工方法などによって反射光量のばらつきが大きいものである。例えば、チタン等のレーザ切断加工時は強い反射光を発生する。しかし、アルミニウム、ＳＵＳ、真鍮等においては反射光は弱い傾向にある。

したがって、反射光レベルの大きなばらつきに対応するために幅広い明暗に対応した（明るい光で飽和せず、暗い光でノイズに干渉しない）コントロールシステムを用いなければならなかった。すなわち、コントロールシステムの構成が複雑で高価な構成となるものであった。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズによって集光しワークへ照射してレーザ加工を行う際に、レーザ加工位置からの反射光を検出する反射光検出方法であって、レーザ加工位置から反射された反射光において反射光量の大きな波長帯の反射光をレーザ加工ヘッドに備えたフィルタによって遮光し、前記フィルタを透過した反射光量の小さな波長帯の反射光量を、前記レーザ加工ヘッドに備えた反射光検出器によって検出することを特徴とするものである。

また、前記反射光検出方法において、前記フィルタが透過する反射光の波長の範囲は、可視光量の値の最大値／最小値を３以下にする範囲であって、約５５０ｎｍ〜８１１ｎｍの範囲であることを特徴とするものである。

また、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、集光レンズ方向へ反射するベンドミラーを備えると共に、レーザ加工位置から反射された反射光を検出する反射光検出器を前記ベンドミラーの背側に備えたレーザ加工ヘッドであって、前記ベンドミラーと前記反射光検出器との間に、反射光において反射光量の大きな波長帯の反射光を遮光し、反射光量の小さな波長帯の反射光を透過するフィルタを備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記ベンドミラーは、レーザ加工機に備えたガイド光発振器から発振されたガイド光及びレーザ加工に使用するレーザ光を透過し難いものであり、かつ前記フィルタが透過する反射光の波長は、前記ベンドミラーを透過した反射光であって、波長が約５５０ｎｍ〜８１１ｎｍの範囲であることを特徴とするものである。

本発明によれば、反射光量の小さな波長帯の反射光を反射光検出器によって検出するものであるから、検出値の最大値と最小値との比を小さく抑制することができ、コントロールシステムの簡素化を図ることができると共に、レーザ加工の監視が容易になるものである。

本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの主要な構成を概念的、概略的に示した説明図である。 レーザ加工位置からの反射光における波長と反射光量との関係を示す説明図である。 波長が４００ｎｍ〜７００ｎｍ，５５０ｎｍ〜８１１ｎｍにおける反射光量のＡ／Ｄカウント値の最大値と最小値との比を示す説明図である。

図１に概念的、概略的に示すように、本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッド１は、レーザ発振器（図示省略）から発振されたレーザ光ＬＢを、集光レンズ３方向へ反射するベンドミラー５を備えている。

このベンドミラー５は、ファイバーレーザ発振器から発振された場合は波長が１μｍ帯のレーザ光を透過し難く、例えばＣＯ２レーザ発振器から発振された場合は１０μｍ帯のレーザ光を透過し難く、かつレーザ加工機のアライメント調整のために、レーザ加工機に備えたガイド光発振器から発振されたガイド光（レーザ光）を透過し難いものである。前記集光レンズ３によって集光したレーザ光ＬＢをワークＷへ照射することによってワークＷのレーザ加工が行われるものである。ワークＷのレーザ加工を行うとき、ワークＷの加工位置ＷＰから反射した反射光ＲＬＢの一部は前記ベンドミラー５及びベンドミラー５の背部側に備えたフィルタ７を透過して、反射光検出器９に入射される構成である。

前記フィルタ７は、可視光全域を透過させるフィルタであって、複数枚使用して透過率を調節してある。前記反射光検出器９においては、前記フィルタ７を透過した反射光をコントローラ（図示省略）内の受光素子に入射し、この入射した反射光の光量が電流に変換される。そして、この電流は後の回路で電圧に変換されるものである。なお、前記光量が少な過ぎたり多過ぎたりすると、光量と電流とが比例関係にならないことがある。

変換された前記電圧に対して、前記コントローラ内で倍率が掛けられる。前記倍率は加工条件毎に設定でき、（電圧×倍率）が予め設定された設定値の範囲に入るようにオートゲイン調整（正常切断）で倍率が決められる。すなわち、例えばピアス加工、切断加工等の加工条件で加工するとき、前記電圧に所定の倍率を掛けた値でもって加工状態が判定されている。

上記構成の場合、レーザ加工条件によって反射光量のばらつきが大きく、現状のコントローラではオートゲインの倍率範囲では対応が難しいものである。例えば、チタンの切断時には強い反射光が発生するので、オートゲイン調整時には最小倍率であっても、電圧値が予め設定した基準値電圧を超えることがある。また、アルミニウム、ＳＵＳ、真鍮などの場合には、切断加工時の反射光が弱すぎるために、オートゲイン調整が最大の倍率であっても、前記基準値電圧以下になることがある。

すなわち、アシストガスとして窒素ガスを使用し、ワークとしてチタン板のレーザ切断加工を行ったときの反射光における可視光の反射光量は、図２に示すとおりであった。そして、前記反射光検出器９においては、波長が約４００ｎｍ〜７００ｎｍの反射光の光量を検出していた。図２より明らかなように、上記波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲には、波長が約４００ｎｍ〜５５０ｎｍの反射光量の大きな範囲が含まれている。そこで、各種の材質のワークにおいて、例えばピアス加工、切断加工等の種々の加工を行って、反射光において反射光量の大きな波長帯を検出したところ、反射光量には種々の大きさがあるものの、反射光量の大きな波長の範囲は約４００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲に多く含まれることを見い出した。

また、図２に示すように、可視光において、約５５０ｎｍ〜８１１ｎｍの波長においては、反射光量は小さなものの、各種の材質、各種の加工条件において反射光量に大きな変動が少ない安定波長帯であることを見い出した。

そこで、本実施形態においては、前記フィルタ７として、レーザ加工位置ＷＰからの反射光において反射光量の大きな波長帯（例えば約４００ｎｍ〜５５０ｎｍ）の反射光を遮光（遮断）し、反射光量の小さな波長帯（例えば約５５０ｎｍ〜８１１ｎｍ）の反射光を透過するフィルタ７を使用している。なお、上記フィルタとしては、例えば、透過型フィルタ、反射型フィルタ、色ガラスフィルタ、誘多膜フィルタ、拡散板、限定波長反射ミラー、限定波長透過ミラー、プリズムなどの波長限定型光学素子を用いることができる。

そして、反射光検出器９内のフォトダイオードにおいて可視光を測定できる範囲の波長は３２０ｎｍ〜１１００ｎｍであった。

上記構成において、アシストガスとしてエアー、チッソガス、酸素ガス等を使用し、ワークとしてのＡＬ、ＳＥＣＣ、ＳＰＣ、ＳＵＳ、真鍮、チタン、銅等の各種材料（各種厚さ）を各種のレーザ加工条件でレーザ加工を行い、前記フィルタを透過した４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長帯の反射光量を検出して、反射光量の値の最大値と最小値の比を求めたところ、図３に示すように、１９．５６であった。同様に、５５０ｎｍ〜８１１ｎｍの波長帯における反射光量を検出してその値の最大値と最小値の比を求めたところ、２．６５であった。因に、図２は、図３に示したＮＯ２１の場合である。

したがって、波長５５０ｎｍ〜８１１ｎｍの波長帯における反射光量の値の最大値／最小値の値は３以下となり反射光量の変動は小さなものである。よって、各種材質、板厚のワークのレーザ加工を行ったときにおけるレーザ加工時の反射光量を、前記５５０ｎｍ〜８１１ｎｍの波長帯において検出し、予め基準値の範囲を設定する。そして、５５０ｎｍ〜８１１ｎｍの波長帯においてレーザ加工位置からの反射光量を検出し、この検出値と前記基準値とを比較することにより、レーザ加工の良否を判別できることとなるものである。

以上のごとき説明から理解されるように、レーザ加工時にレーザ加工位置から反射される反射光の光量の小さな範囲の波長帯であって、反射光量の変動が少ない安定波長帯の反射光を透過し、反射光の光量が大きくかつ変動の大きな波長帯の反射光を遮光する構成を有するフィルタを使用し、かつ上記フィルタを透過した反射光の光量を検出する反射光検出器を備えた構成である。したがって、反射光のばらつきの小さな範囲においてレーザ加工位置の状態を検出できることとなり、前述したごとき問題を解消し得るものである。

なお、本発明は、前述したごとき実施形態のみに限られるものではなく、適宜の変更を行うことにより、その他の形態でもって実施可能なものである。すなわち、反射光検出器を、ベンドミラーの背部に限ることなく、レーザ加工位置からの反射光を検出することのできる所望位置に配置することも可能である。なお、この場合も、前記反射光検出器へ入射される反射光の波長帯を制限する前記フィルタを反射光検出器への入射側に備えるものである。

１ レーザ加工ヘッド
３ 集光レンズ
５ ベンドミラー
７ フィルタ
９ 反射光検出器

Claims (4)

1. レーザ発振器から発振されたレーザ光を、レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズによって集光しワークへ照射してレーザ加工を行う際に、レーザ加工位置からの反射光を検出する反射光検出方法であって、レーザ加工位置から反射された反射光において反射光量の大きな波長帯の反射光をレーザ加工ヘッドに備えたフィルタによって遮光し、前記フィルタを透過した反射光量の小さな波長帯の反射光量を、前記レーザ加工ヘッドに備えた反射光検出器によって検出することを特徴とする反射光検出方法。
2. 請求項１に記載の反射光検出方法において、前記フィルタが透過する反射光の波長の範囲は、可視光量の値の最大値／最小値を３以下にする範囲であって、約５５０ｎｍ〜８１１ｎｍの範囲であることを特徴とする反射光検出方法。
3. レーザ発振器から発振されたレーザ光を、集光レンズ方向へ反射するベンドミラーを備えると共に、レーザ加工位置から反射された反射光を検出する反射光検出器を前記ベンドミラーの背側に備えたレーザ加工ヘッドであって、前記ベンドミラーと前記反射光検出器との間に、反射光において反射光量の大きな波長帯の反射光を遮光し、反射光量の小さな波長帯の反射光を透過するフィルタを備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
4. 請求項３に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記ベンドミラーは、レーザ加工機に備えたガイド光発振器から発振されたガイド光及びレーザ加工に使用するレーザ光を透過し難いものであり、かつ前記フィルタが透過する反射光の波長は、前記ベンドミラーを透過した反射光であって、波長が約５５０ｎｍ〜８１１ｎｍの範囲であることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
   

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