JP2016112609A - レーザ切断装置およびレーザ切断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のレーザ加工装置は、ＹＡＧレーザ発振器であるため形成される２つの焦点は焦点距離が等しく、レーザ出力も分散される。そのため、加工物に合わせた最適な切断を行うことができない。本開示は、高出力であり、焦点距離が異なる複数の焦点を形成できる多波長レーザ光によって切断を行うレーザ切断装置およびレーザ切断方法を提供する。【解決手段】本開示のレーザ切断装置は、レーザ発振装置と、光ファイバと、レーザ出射部と、駆動装置とを有する。レーザ発振装置は、複数の波長を有する多波長レーザ光を出射する。光ファイバは、第１の端部が、レーザ発振装置に接続され、多波長レーザ光を伝送する。レーザ出射部は、第１の端部とは反対側の光ファイバの第２の端部が接続され、多波長レーザ光を加工物に出射する。駆動装置は、レーザ出射部に接続され、レーザ出射部を動かす。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体レーザデバイスを用いたレーザ切断装置およびレーザ切断方法に関し、特に、多波長レーザ光を用いたレーザ切断装置およびレーザ切断方法に関する。

図８を用いて、従来のＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザ光を用いたレーザ加工装置について説明する。

図８は、特許文献１に記載された、従来のレーザ加工装置１０１の構成を示すブロック図である。レーザ加工装置１０１は、３相交流電源１０２と、ブレーカ１０３と、整流平滑回路１０４と、チョッパ回路１０５と、整流平滑化出力回路１０６と、ＹＡＧレーザ発振器１０７と、アークランプ１０８と、ＹＡＧレーザ棒１０９と、光ファイバケーブル１１０と、制御盤１１１と、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）パルス発生器１１２と、制御回路１１３と、起動回路１１４と、ＹＡＧレーザ照射ヘッド１１５とを有する。ＹＡＧレーザ照射ヘッド１１５は、レンズ１１６と、プリズム１１７と、ノズルボディ１１８と、銅チップ１１９とを有する。

ＹＡＧレーザ発振器によって発振されるレーザ光は、材料によって特定された、１つの波長（１０６４ｎｍ）の光だけである。そのため、レーザ光をレンズで集光すると、焦点が１つだけ形成される。これに対し、従来のレーザ加工装置１０１は、プリズム１１７を有しているため、レーザ光を右側レーザ光束１２０Ｒと左側レーザ光束１２０Ｌに分割し、右側焦点１２１Ｒと左側焦点１２１Ｌという２つの焦点を母材１２２上に形成できる。さらに、ＰＷＭパルス発生器１１２と制御回路１１３とを用いてアークランプ１０８の電流を制御し、レーザ光の出力を調整している。

上述のレーザ加工装置は、レーザ溶接に使用することができるが、言うまでもなく、レーザ切断装置として用いることも可能である。

特開２００３−２００２８２号公報

しかしながら、従来のレーザ加工装置１０１は、ＹＡＧレーザ照射ヘッド１１５にプリズム１１７を用いるため、ＹＡＧレーザ照射ヘッド１１５の構造が複雑になる。また、形成される２つの焦点は焦点距離が等しく、レーザ出力も分散される。そのため、加工物に合わせた最適な切断または溶接加工を行うことができない。この課題は、加工物の溶接のみならず、加工物の切断においても同様である。本開示は、高出力であり、焦点距離が異なる複数の焦点を形成できる多波長レーザ光によって切断を行うレーザ切断装置およびレーザ切断方法を提供する。

本開示のレーザ切断装置は、レーザ発振装置と、光ファイバと、レーザ出射部と、駆動装置とを有する。レーザ発振装置は、複数の波長を有する多波長レーザ光を出射する。光ファイバは、第１の端部が、レーザ発振装置に接続され、多波長レーザ光を伝送する。レーザ出射部は、第１の端部とは反対側の光ファイバの第２の端部が接続され、多波長レーザ光を加工物に出射する。駆動装置は、レーザ出射部に接続され、レーザ出射部を動かす。

本開示のレーザ切断方法は、切断部分を有する加工物を配置する工程を有する。さらに、レーザ発振装置から多波長レーザ光を出力する工程を有する。さらに、多波長レーザ光をレーザ出射部から出射する工程を有する。さらに、加工物の切断部分に、レーザ出射部から出射された多波長レーザ光を照射し、加工物を切断する工程を有する。

本開示のレーザ切断装置およびレーザ切断方法は、多波長レーザ光をレーザヘッドから出射するため、焦点距離が異なる複数の焦点を結ぶことができ、加工物に合わせた最適な切断を行うことができる。

図１は、実施の形態のレーザ切断装置を示す概略図である。 図２は、実施の形態のレーザ発振装置を示す概略図であり、（ａ）はレーザ発振装置の概略図であり、（ｂ）は半導体レーザバーの概略図であり、（ｃ）は半導体スタックの概略図である。 図３は、実施の形態の光ファイバを示す概略図であり、とくに（ａ）はシングルクラッドファイバを示す概略図であり、（ｂ）はダブルクラッドファイバを示す概略図である。 図４は、実施の形態のレーザ出射部を示す概略図である。 図５は、実施の形態のアシストガス供給装置を示す概略図である。 図６は、実施の形態の制御装置を示す概略図である。 図７は、実施の形態のレーザ切断方法の工程を示す概略図である。 図８は、従来のレーザ切断装置を示す概略図である。

（実施の形態）
本開示の、実施の形態のレーザ切断装置を、図面を用いて説明する。図１は、本実施の形態のレーザ切断装置１を示す概略図である。図２は、本実施の形態のレーザ発振装置１０を示す概略図である。図３の（ａ）および（ｂ）は、本実施の形態の光ファイバ３０を示す概略図である。図４は、本実施の形態のレーザ出射部４０を示す概略図である。図５は、本実施の形態のアシストガス供給装置５０を示す概略図である。図６は、本実施の形態の制御装置８０を示す概略図である。

図１に示すように、本実施の形態のレーザ切断装置１は、レーザ発振装置１０と、光ファイバ３０と、レーザ出射部４０と、アシストガス供給装置５０と、マニピュレータ６０（駆動装置）と、制御装置８０とを有する。レーザ発振装置１０は複数の波長成分を有するレーザ光（以下、多波長レーザ光）を出力し、光ファイバ３０に入射する。光ファイバ３０は、レーザ発振装置１０で出力された多波長レーザ光をレーザ出射部４０に伝送する。レーザ出射部４０は、光ファイバ３０によって伝送された多波長レーザ光を加工物７０に出射する。アシストガス供給装置５０はレーザ出射部４０に接続され、アシストガスをレーザ出射部４０に供給する。マニピュレータ６０は、レーザ出射部４０から出射される多波長レーザ光が、加工物７０の加工位置に出射されるように、レーザ出射部４０を移動させる。制御装置８０は、レーザ発振装置１０からの多波長レーザ光の出力と、アシストガス供給装置５０からのアシストガス供給量と、マニピュレータ６０の動作とを制御する。

（レーザ発振装置１０について）
図２を用いて、レーザ発振装置１０について、具体的に説明する。図２の（ａ）に示すように、レーザ発振装置１０は、半導体レーザデバイス１１（第１の半導体レーザデバイス）と、半導体レーザデバイス１２（第２の半導体レーザデバイス）と、分光器１３と、部分反射鏡１４と、光ファイバ３０の入射端３１（第１の端部）とを有する。半導体レーザデバイス１１は、分光器１３側の端部がレーザ出射端２１（第１の出射端）であり、レーザ出射端２１と反対側の端部はレーザ光を全反射する全反射端２２（第１の全反射端）である。半導体レーザデバイス１２は、分光器１３側の端部がレーザ出射端２３（第２の出射端）であり、レーザ出射端２３と反対側の端部はレーザ光を全反射する全反射端２４（第２の全反射端）である。部分反射鏡１４は、半導体レーザデバイス１１、１２側の第１の面２５と、半導体レーザデバイス１１、１２とは反対側の第２の面２６とを有する。

また、図２の（ｂ）、（ｃ）に示すように、半導体レーザデバイス１１は、複数のエミッタ２７を有する半導体レーザバー１１−１（第１の半導体レーザバー）を用いることも可能であり、さらに、複数の半導体レーザバーを積み重ねた半導体スタック１１−２（第１の半導体スタック）を用いても構わない。半導体レーザデバイス１２は、複数のエミッタを有する半導体レーザバー１２−１（第２の半導体レーザバー）を用いることも可能であり、さらに、複数の半導体レーザバーを積み重ねた半導体スタック１２−２（第２の半導体スタック）を用いても構わない。

半導体レーザデバイス１１のレーザ出射端２１から出射されたレーザ光（第１のレーザ光）は、分光器１３を通過し、部分反射鏡１４で一部が反射する。部分反射鏡１４で反射されたレーザ光は、分光器１３を通過し、出射された半導体レーザデバイス１１に戻り、半導体レーザデバイス１１の全反射端２２で反射される。このように、部分反射鏡１４と全反射端２２との間で共振が起こり、半導体レーザデバイス１１からのレーザ光が発振される。半導体レーザデバイス１１から発振されたレーザ光は、部分反射鏡１４を透過し、光ファイバ３０の入射端３１から光ファイバ３０へ入射する。半導体レーザデバイス１２についても同様にレーザ光（第２のレーザ光）が発振され、光ファイバ３０へ入射する。これにより、光ファイバ３０には多波長レーザ光が入射される。以上のように、半導体レーザデバイス１１の全反射端２２と部分反射鏡１４との間で分光器１３を介して発振器が構成される。この構成は、半導体レーザデバイス１１の外部の領域を含めてレーザ光が発振されるため、外部共振器と呼ばれる。半導体レーザデバイス１２についても同様である。

次に、半導体レーザデバイス１１、１２と分光器１３と部分反射鏡１４とによる、レーザ発振の原理とレーザ光の波長について説明する。

図２に示すように、半導体レーザデバイス１１から出射されたレーザ光と半導体レーザデバイス１２から出射されたレーザ光とは、分光器１３から見て異なる方向から分光器１３に入射されている。半導体レーザデバイス１１は、分光器１３の面に垂直な方向から、角度θ₁（第１の角度）だけ傾いた方向に位置している。半導体レーザデバイス１２は、分光器１３の面に垂直な方向から、角度θ₂（第２の角度）だけ傾いた方向に位置している。分光器１３は、例えば回折格子であり、回折格子は、入射角が互いに異なる複数のレーザを、共通の出射角で出射させる特徴を有する。ここで、分光器１３が、スリット間隔ｄである回折格子であり、半導体レーザデバイス１１が発振するレーザ光の波長（第１の波長）がλ₁ｎｍであり、半導体レーザデバイス１２が発振するレーザ光の波長（第２の波長）がλ₂ｎｍであり、Ｎ、Ｍを整数とする場合のレーザ発振波長について説明する。この場合、以下の式１が半導体レーザデバイス１１からのレーザ光の回折条件であり、以下の式２が半導体レーザデバイス１２からのレーザ光の回折条件である。

ｄ×ｓｉｎθ₁＝Ｎ×λ₁ ・・・（式１）
ｄ×ｓｉｎθ₂＝Ｍ×λ₂ ・・・（式２）
このように、半導体レーザデバイス１１と半導体レーザデバイス１２とを分光器１３に対し異なる方向に配置することにより、半導体レーザデバイス１１によるレーザ光と半導体レーザデバイス１２によるレーザ光とは出射方向を同一にできる。そして、波長が互いに異なる半導体レーザデバイス１１によるレーザ光と半導体レーザデバイス１２によるレーザ光との出力を合算することができる。すなわち、半導体レーザデバイス１１、１２と部分反射鏡１４とが分光器１３を介して外部共振器を構成することで、それぞれのレーザ光のビーム品質を悪化することなく、両者の出力が合算された、より高い出力のレーザ光を得ることができるという効果がある。また、半導体レーザデバイス１１、１２を分光器１３からみて異なる方向に配置することで、半導体レーザデバイス１１、１２が、互いに波長が異なるレーザ光を発振できる。そして、半導体レーザデバイス１１が発振するレーザ光と半導体レーザデバイス１２が発振するレーザ光とを光ファイバ３０に入射させることにより、２つの波長のレーザ光を光ファイバ３０に出力できる。以上の説明では、２つの半導体レーザデバイス１１、１２で説明したが、半導体レーザデバイスの数は２とは限らず、３以上でもよい。その場合も、半導体レーザデバイスが、複数のエミッタを有する半導体レーザバーや、複数の半導体レーザバーを積み重ねた半導体スタックであってもよい。なお、本実施の形態では、分光器１３として透過型のものを使用しているが、反射型のものであってもよい。分光器１３は、例えば、反射型回折素子でもよい。

（光ファイバ３０について）
図３を用いて、光ファイバ３０について、具体的に説明する。図３の（ａ）は、シングルクラッドファイバ３２を示す断面図である。図３の（ｂ）は、ダブルクラッドファイバ３５を示す断面図である。

図３の（ａ）に示すように、シングルクラッドファイバ３２は、直径（外径）がｄ１であり、屈折率がｎ１であるコア３３と、コア３３の外側に形成され、直径（外径）がｄ２であり、屈折率がｎ２であるクラッド３４からなる。コア３３の屈折率ｎ１は、クラッド３４の屈折率ｎ２よりも大きく、これにより、多波長レーザ光をコア３３に閉じ込める効果がある。

図３の（ｂ）に示すように、ダブルクラッドファイバ３５は、直径（外径）がｄ３であり、屈折率がｎ３であるコア３６と、コア３６の外側に形成され、直径（外径）がｄ４であり、屈折率がｎ４であるクラッド３７と、クラッド３７の外側に形成され、直径（外径）がｄ５であり屈折率がｎ５であるクラッド３８とからなる。コア３６の屈折率ｎ３は、クラッド３７の屈折率ｎ４よりも大きく、これにより、多波長レーザ光をコア３６に閉じ込める効果がある。クラッド３７の屈折率ｎ４は、クラッド３８の屈折率ｎ５よりも大きく、これにより、多波長レーザ光をクラッド３７に閉じ込める効果があり、ひいては、多波長レーザ光をコア３６に閉じ込める効果がある。

（レーザ出射部４０について）
図４を用いて、レーザ出射部４０について、具体的に説明する。

レーザ出射部４０は、光ファイバ３０の出射端３９から出射される多波長レーザ光に焦点を結ばせる光学的な機構と、加工物７０の加工箇所にアシストガスを供給する物理的な機構とを有する。レーザ出射部４０の光学的な機構は、さらに、光ファイバ３０から出射される多波長レーザ光の方向を制御する機構を有していてもよい。

まず、レーザ出射部４０の、レーザ光を制御する光学的な機構について説明する。図４に示すように、光ファイバ３０の出射端３９からレーザ出射部４０内に出射された、広がった多波長レーザ光は、コリメートレンズ４２によって平行にされる。そして、平行にされた多波長レーザ光は集光レンズ４３によって集光されてレーザ出射部４０から出射される。レーザ光が異なる２つの波長を持つ場合は、図４に示すように、２箇所で焦点を結ぶように集光される。

次に、レーザ出射部４０の、アシストガスを供給する物理的な機構について説明する。図４に示すように、レーザ出射部４０には、レーザ光およびアシストガスが通過する空間４１が設けられている。空間４１には、アシストガスを導入する導入口４５が設けられている。さらに、レーザ出射部４０の先端には、レーザ光およびアシストガスが通過する空間を有するチップ４４が設けられている。チップ４４の先端には、アシストガスを排出する排出口４６が設けられている。排出口４６は、レーザ光が出射されるレーザ出射口でもある。排出口４６を有するチップ４４によって、アシストガスが勢いよく放出され、これによりレーザ光による溶融物を吹き飛ばすことができる。以上の説明では、１枚のコリメートレンズ４２と１枚の集光レンズ４３とを使用した光学系について説明をした。しかし、複数のレンズを使用したコリメートレンズ系、または複数のレンズを使用した集光レンズ系を構成しても構わない。

（アシストガス供給装置５０について）
図５を用いて、アシストガス供給装置５０について、具体的に説明する。アシストガス供給装置５０は、ガスボンベ５１と、バルブ５２とを有する。ガスボンベ５１に接続されたバルブ５２の開閉は制御装置８０によって制御される。ガスボンベ５１は、バルブ５２を介してレーザ出射部４０の導入口４５に接続されるバルブ５２の開閉により導入口４５へ送給するアシストガスの量を調整できるものである。

（マニピュレータ６０について）
図１に示すように、マニピュレータ６０の先端には、レーザ出射部４０が取り付けられており、レーザ出射部４０を高い自由度で移動させることができる。すなわち、レーザ出射部４０の位置および角度を高い自由度で変更できる。これにより、さまざまな切断部位の形状に対応して、切断を行うことができる。また、レーザ光の出射位置や出射方向を変更する手段は、レーザ出射部４０とマニピュレータ６０の組み合わせに限らず、２次元にスキャンできるようなスキャニングヘッドであってもよい。また、レーザ出射部４０を固定し、マニピュレータ６０が加工物７０を移動させてもよい。

（加工物７０について）
加工物７０の材質としては、軟鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などがあり、形状としては、板状、棒状などが考えられる。

（制御装置８０について）
図６を用いて、制御装置８０について、具体的に説明する。制御装置８０は、レーザ発振装置１０とアシストガス供給装置５０とマニピュレータ６０とに接続され、レーザ発振装置１０とアシストガス供給装置５０とマニピュレータ６０との動作を制御する。制御装置８０は、ティーチングペンダント８１と、メイン制御部８２と、レーザ発振装置通信部８３と、アシストガス供給装置通信部８４と、マニピュレータ通信部８５と、記憶部８６とを有する。

作業者は、ティーチングペンダント８１を用いて、レーザ切断装置１が行う切断条件を設定する。メイン制御部８２は、作業者がティーチングペンダント８１に入力した切断条件で切断を行うように、記憶部８６に蓄積されたデータを利用して、レーザ発振装置通信部８３を介してレーザ発振装置１０を、アシストガス供給装置通信部８４を介してアシストガス供給装置５０を、マニピュレータ通信部８５を介してマニピュレータ６０を制御する。メイン制御部８２は、作業者によるティーチングペンダント８１の操作なしに、記憶部８６に蓄積されたデータを利用して、レーザ発振装置１０とアシストガス供給装置５０とマニピュレータ６０とを制御してもよい。

図６ではロボットを例にしてレーザ発振装置１０の制御について説明したが、ロボットの代わりにＮＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）コントローラなどの制御装置を使用しても構わない。

次に、本開示の、実施の形態のレーザ切断方法を、図面を用いて説明する。図７は、本実施の形態のレーザ切断方法の工程を示す概略図である。

図７の（ａ）に示すように、厚さＴ１である加工物７１のレーザ切断方法について説明する。

まず、図７の（ａ）に示すように、切断部分（点線）を有する加工物７１を配置する。次に、制御装置８０によってレーザ発振装置１０を制御し、多波長レーザ光をレーザ発振装置１０から光ファイバ３０に出力する。そして、レーザ発振装置１０から出力された多波長レーザ光は、光ファイバ３０を経由してレーザ出射部４０に伝送される（図示せず）。

次に、図７の（ｂ）に示すように、レーザ出射部４０からレーザ光を出射して、加工物７１を切断する。このとき、加工物７１の上面に対して垂直方向における、加工物７１の上面からのレーザ出射部４０の先端の高さをＨ１とする。レーザ出射部４０からの多波長レーザ光のうちの、一つの波長のレーザ光の焦点をＦ１とし、加工物７１の上面からの焦点Ｆ１の深さをＤ１とする。レーザ出射部４０からの多波長レーザ光の波長の数と同じ数だけ、焦点Ｆ１および深さＤ１が存在する。

図７の（ｂ）に示す状態で、レーザ出射部４０をマニピュレータ６０によって動かして切断を行う。切断速度は、例えば、０．１〜１５０ｍ／分であり、加工物７１の厚さに応じてこの速度範囲で切断を行うことができる。

ここで、本実施の形態のレーザ切断方法に用いる多波長レーザ光について、詳細に説明する。

前述のレーザ発信装置では、２つの半導体レーザデバイス１１、１２を用いて、２つの異なる波長λ₁、λ₂のレーザ光を出力するレーザ発振装置１０について説明した。しかし、半導体レーザデバイスの数は２つに限らず、３つ以上の半導体レーザデバイスを用いても良い。例えば、２５個の半導体レーザデバイスを互いに、分光器１３から見た方向が異なるように配置することで、２５種類の波長をもつ多波長レーザ光を光ファイバ３０に出力できる。同様に、１５個の半導体レーザデバイスによって１５種類の波長をもつ多波長レーザ光を、１２個の半導体レーザデバイスによって１２種類の波長をもつ多波長レーザ光を、９個の半導体レーザデバイスによって９種類の波長をもつ多波長レーザ光を、光ファイバ３０に出力できる。このように、複数の波長を含んだ多波長レーザ光をレーザ出射部４０で集光することにより、少しずつ焦点距離をずらした複数の焦点が形成できる。これにより、疑似的にレーリー長（Ｒａｙｌｅｉｇｈ Ｌｅｎｇｔｈ）が長くなるので、例えば、加工物の表面が微細に変形し、焦点位置が加工物に対して相対的に変動しても、切断の仕上がりへの影響を低減させるという利点がある。また、加工物を複数の焦点によって均等に加熱することができる。特に、多波長レーザ光の波長の種類が２５種類であれば、この効果が顕著に表れ、多波長レーザ光の波長の種類が１５種類から１２種類に変わっても、同様の効果が得られる。特に、多波長レーザ光の波長の種類が９種類であれば、この効果を確保しつつ、実用上、ビーム品質を落とさずに、高い出力のレーザ光が得られるという利点がある。

また、出力する多波長レーザ光の波長の範囲は、例えば、０．８μｍ〜５μｍであり、レーザ光に対して反射率の高い材料、例えば、アルミニウム合金などにおいても高い吸収率が得られるという利点がある。この範囲内の波長で、２５種類、１５種類、１２種類、９種類といった複数の波長のレーザ光を１つの光ファイバ３０に入射させ、多波長レーザ光を形成する。出力する多波長レーザ光の波長の範囲は、０．８μｍ〜０．９μｍでもよく、０．９μｍ〜１．０μｍでもよく、また１．０μｍ〜２．０μｍでもよい。特に、出力する多波長レーザ光の波長の範囲が０．８μｍ〜０．９μｍでは、特に反射率の高い材料、例えば、アルミニウム合金においても、最も高い吸収率が得られるという利点がある。特に、出力する多波長レーザ光の波長の範囲が０．９μｍ〜１．０μｍでは、特に反射率の高い材料、例えば、アルミニウム合金においても、多波長レーザ光の波長の範囲が０．８μｍ〜０．９μｍの場合よりもわずかに低下するが、実用上ほとんど差のない、高い吸収率が得られるという利点がある。また、多波長レーザ光の波長の範囲が１．０μｍ〜２．０μｍでは、この波長帯に吸収帯を持つ材料、例えば、プラスチック材料のような高分子材料を加工できる。

ここで、９種類の波長の多波長レーザ光の一例を（表１）に、１５種類の波長の多波長レーザ光の一例を（表２）に、２５種類の波長の多波長レーザ光の一例を（表３）に示す。

（表１）〜（表３）において、λは波長（μｍ）であり、ｆは集光レンズの焦点距離（ｍｍ）、Δｆは最も長い波長のレーザ光の焦点と各波長のレーザ光の焦点との距離の差（焦点間の距離）である。

（表１）〜（表３）は、０．９７５μｍを中心波長としており、（表１）は０．００５μｍ間隔で９種類の波長のレーザ光であるため、多波長レーザ光の波長は０．９５５μｍ〜０．９９５μｍであり、波長の分布幅は０．０４μｍである。（表２）は０．００４μｍ間隔で１５種類の波長のレーザ光であるため、多波長レーザ光の波長は０．９４７μｍ〜１．００３μｍであり、波長の分布幅は０．０５６μｍである。（表３）は０．００３μｍ間隔で２５種類の波長のレーザ光であるため、多波長レーザ光の波長は０．９３９μｍ〜１．０１１μｍであり、波長の分布幅は０．０７２μｍである。

焦点間の距離Δｆについて、以下のことがわかる。光は波長が短いほど屈折しやすいため、レーザ光の波長が短いほど焦点距離も短くなる。そのため、レーザ光の波長の差に比例して、焦点間の距離Δｆは大きくなる。また、集光レンズの焦点距離ｆに比例して、焦点間の距離Δｆは大きくなる。以上のことから、多波長レーザ光に含まれるレーザ光の波長の幅が広いほど、焦点の分布幅が広くなる。また、集光レンズの焦点距離が大きいほど、焦点の分布幅が広くなる。すなわち、加工物７１の上面からのレーザ出射部４０の先端の高さＨ１を大きくすると、焦点の分布幅を広くできる。

以下に、本実施の形態であるレーザ切断方法の一例を示す。

厚さＴ１が１．６ｍｍの加工物７１をレーザ切断する。集光レンズの焦点距離ｆを１５００ｍｍとし、（表１）の９種類の波長の多波長レーザ光を用いると、焦点Ｆ１の分布幅は１．８ｍｍとなる。これにより、厚さ１．６ｍｍの加工物７１の上面から下面までの全域に焦点Ｆ１を分布させることができる。集光レンズの焦点距離ｆを１０００ｍｍとし、（表１）の９種類の波長の多波長レーザ光を用いると、焦点Ｆ１の分布幅は１．２ｍｍとなる。これにより、厚さ１．６ｍｍの加工物７１の上面から下面までの範囲内に焦点Ｆ１を分布させることができる。以上のように、加工物７１の上面から下面にわたる領域の全域に焦点Ｆ１を分布させても良く、一部に焦点Ｆ１を分布させても良い。また、焦点Ｆ１の分布幅の中心は、加工物７１の上面から下面にわたる領域の中心と一致させても良い。また、焦点Ｆ１の分布幅の中心は、加工物７１の上面から下面にわたる領域の中心よりも上面側にしても良い。これにより、加工物７１の下面側への過剰な入熱を抑制できる。以上のように、多波長レーザ光を使用することにより加工物７１の上面から下面にわたる領域に複数の焦点を作ることができるので、個々の焦点位置におけるレーザパワーを均等に分配できるこれにより、加工物７１をより広い範囲で均等に、効率よく加熱することができる。ただし、上述のような焦点距離では、レーザ出射部４０と加工物７１との距離が遠くなるため、レーザ出射部４０からのアシストガスでは、溶けた加工物７１を吹き飛ばすことは困難である。レーザ出射部４０と加工物７１との距離が大きい場合は、アシストガスを吹き付けるためのノズルを新たに設け、レーザ光の照射部にアシストガスを吹き付けても良い。

また、レーザ出射部４０からのアシストガスで溶けた加工物７１を吹き飛ばすために、集光レンズの焦点距離ｆを１２５ｍｍ、２５０ｍｍなどにしても構わない。この場合、焦点Ｆ１の分布は狭くなるが、レーザ出射部４０からのアシストガスで溶けた加工物７１を吹き飛ばすことができるので、アシストガスのためのノズルを用意する必要はない。

また、光ファイバ３０から出射される多波長レーザ光のＢＰＰ（Ｂｅａｍ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔ）は、例えば、２ｍｍ・ｍｒａｄ〜１０ｍｍ・ｍｒａｄであり、従来技術であるＹＡＧレーザ発振器より細い光ファイバにレーザ光を導入できるという利点がある。ＢＰＰが小さいほど、同一の光学系でレーザ光を集光した際には、レーザ光の焦点でのスポット径を小さくできる。光ファイバ３０から出射される多波長レーザ光のうちのそれぞれの波長のレーザ光のＢＰＰは、２ｍｍ・ｍｒａｄ以上や、６ｍｍ・ｍｒａｄ以下や、８ｍｍ・ｍｒａｄ以下などでもよい。特に、レーザ光のＢＰＰが２ｍｍ・ｍｒａｄ以上であれば光ファイバにレーザ光を導入する際に、光ファイバ端面におけるレーザ光のパワー密度を高めずに、光学系を容易に構成できるという利点がある。特に、レーザ光のＢＰＰが６ｍｍ・ｍｒａｄ以下であればコア直径（外径）１５０μｍの光ファイバにレーザを導入できるという利点がある。特に、レーザ光のＢＰＰが８ｍｍ・ｍｒａｄ以下であればコア直径（外径）２００μｍの光ファイバにレーザ光を導入できるという利点がある。

また、光ファイバ３０から出射される多波長レーザ光の出力は、例えば、０．１ｋＷ〜３０ｋＷであり、広い範囲で切断深さを制御できるため、幅広い範囲の板厚の加工物の切断ができるという利点がある。光ファイバ３０から出射される多波長レーザ光の出力は、好ましくは０．５〜１５ｋＷであり、さらに好ましくは０．５〜１０ｋＷである。特に、多波長レーザ光の出力が０．５〜１０ｋＷであれば、１０ｋＷより高い場合よりレーザ発振装置の構成が簡単となり、レーザ切断装置全体のコストパフォーマンスを高めることができるという利点がある。

また、光ファイバ３０から出射されるレーザ光は、レーザ発振装置１０において、連続波発振させても構わないし、パルス発振させても構わない。レーザ光をパルス発振させる場合の周波数は、例えば、０．１Ｈｚ〜１０ｋＨｚ（周期は１０秒〜０．１ｍ秒）であり、広い範囲で、加工物へ投入するレーザエネルギーを調整することができ、広い範囲の板厚の加工物を加工しやすくできるという利点がある。多波長レーザ光をパルス発振させる場合の周波数は、好ましくは１０Ｈｚ〜５ｋＨｚ（周期は０．１秒〜０．２ｍ秒）であり、さらに好ましくは１０Ｈｚ〜５００Ｈｚ（周期は０．１秒〜２ｍ秒）である。特に、パルス発振させた多波長レーザ光の周波数が１０Ｈｚ〜５ｋＨｚであれば、広い範囲で、加工物へ投入するレーザエネルギーを調整することができるという利点がある。特に、パルス発振させた多波長レーザ光の周波数が１０Ｈｚ〜５００Ｈｚであれば、広い範囲で、加工物へ投入するレーザエネルギーを調整することができると共に、特に低い切断速度時において加工物の切断を制御しやすくできるという利点がある。

また、レーザ発振装置１０の立上り時間は、例えば、１μ秒〜１０ｍ秒であり、切断開始時に加工物へ投入するエネルギーの投入速度を調整でき、切断開始時の切断面の形状を制御しやすくできるという利点がある。立上り時間が短いほど、早く加工を開始できるため、加工のタクトタイム（Ｔａｋｔ Ｔｉｍｅ）を短縮できる。また、多波長レーザ光をパルス発振させる場合は、発振パルスの周期よりも短い立上り時間でなければならない。レーザ発振装置１０の立上り時間は、好ましくは１０μ秒〜１ｍ秒であり、さらに好ましくは１０μ秒〜５００μ秒である。特に、レーザ発振装置１０の立上り時間が１０μ秒〜１ｍ秒であれば、切断開始時に加工物へ投入するエネルギーの投入速度を調整でき、切断開始を早くできるという利点がある。特に、レーザ発振装置１０の立上り時間が１０μ秒〜５００μ秒であれば、切断開始時に加工物へ投入するエネルギーの投入速度を調整でき、特に切断速度の速い切断を行う際に、切断開始を早くできるという利点がある。

さらに、本実施の形態のレーザ切断方法に用いる、多波長レーザ光を伝送する光ファイバについて、詳細に説明する。

図３の（ａ）に示すシングルクラッドファイバ３２を用いる場合は、コア３３の直径（外径）ｄ１が重要となる。例えば、コア３３の直径（外径）ｄ１が１０μｍから１０００μｍであれば、図４に示すレーザ出射部４０と組み合わせることにより、焦点位置におけるビーム径は、例えば、コリメートレンズ４２と集光レンズ４３との焦点距離を組み合わせることにより、５０μｍから２０００μｍとなる。なお、クラッド３４の直径（外径）ｄ２は、光ファイバの可とう性を損なわない範囲でよい。

図３の（ｂ）に示すダブルクラッドファイバ３５を用いる場合は、コア３６の直径（外径）ｄ３が重要となる。例えば、コア３６の直径（外径）ｄ３が１０μｍから１０００μｍであれば、図４に示すレーザ出射部４０と組み合わせることにより、焦点位置におけるビーム径は、例えば、コリメートレンズ４２と集光レンズ４３との焦点距離を組み合わせることにより、５０μｍから２０００μｍとなる。なお、クラッド３７の直径（外径）ｄ４は、コア３６の直径（外径）ｄ３より、例えば、１０μｍから１０００μｍ大きければよい。クラッド３８の直径（外径）ｄ５は、光ファイバの可とう性を損なわない範囲でよい。その場合、コア３６と同様に、クラッド３７でレーザ光の一部または全部伝送することができる。これにより、様々なビームプロファイルのビームを得ることができる。

さらに、本実施の形態のレーザ切断方法における、多波長レーザ光を照射するレーザ出射部について、詳細に説明する。

レーザ出射部４０は、多波長レーザ光を加工物７０に照射するとともに、加工箇所にアシストガスを供給する。加工物７０の材質が軟鋼である場合は、アシストガスとしては、空気、アルゴン、二酸化炭素、窒素、ヘリウム、酸素のいずれか、もしくは、これらの組み合わせが用いられ、このいずれを使用しても加工物の切断をスムーズにできるという利点がある。また、加工物７０の材質がステンレス鋼またはアルミニウム合金である場合は、アシストガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウムのいずれか、もしくは、これらの組み合わせが用いられ、このいずれを使用しても加工物の切断をスムーズにできるという利点がある。

さらにこのアシストガスの役割について、詳細に説明する。

加工物の切断は、加工物の溶融と溶融した加工物の除去という２つの現象によって行われる。加工物の種類にかかわらず、少なくとも、多波長レーザ光による加熱によって加工物を溶融でき、アシストガスの風圧により加工物を除去することができる。さらに加工物の溶融と溶融した加工物の除去とをスムーズに行うために、加工物の種類によってアシストガスを使い分けることが有効である。加工物の材質が軟鋼である場合は、アシストガスとしては、空気、二酸化炭素、酸素のいずれか、もしくは、これらの組み合わせを用いることで、加工物が酸化され、酸化鉄が形成される。酸化鉄は流動性が高いため、アシストガスの風圧による除去が容易にできる。これに対し、加工物７０の材質がステンレス鋼またはアルミニウム合金である場合は、アシストガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウムのいずれか、もしくは、これらの組み合わせを用いることで、加工物は酸化されずに溶融される。ステンレス鋼またはアルミニウム合金は酸化されていないほうが、酸化物よりも流動性が高いため、アシストガスの風圧による除去が容易にできる。

さらに、本実施の形態のレーザ切断方法における、多波長レーザ光によって加工される加工物について、詳細に説明する。

加工物７０の材質としては、軟鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などがあり、形状としては、板状のものを例として説明する。加工物７０が軟鋼またはステンレス鋼である場合、軟鋼またはステンレス鋼の厚さは、例えば、０．３ｍｍ〜５０ｍｍである。加工物７０がアルミニウム合金である場合、アルミニウム合金の厚さは、例えば、０．５ｍｍ〜３０ｍｍである。

以上のようなレーザ切断方法を行うことによって、図７（ｃ）に示すように、加工物７１には、レーザ光によって、上部の幅がＷｔ１であり、下部の幅がＷｂ１である切断領域が形成され、加工物７２と加工物７３とに分離される。

このように、多波長レーザ光によって焦点距離が異なる複数の焦点を結ぶことができ、疑似的にレーリー長が長くなるとともに加工物を複数の焦点によって均等に加熱することができる。これにより、加工物に合わせた最適な切断条件で切断することができる。特に、上部幅Ｗｔ１と下部幅Ｗｂ１との差の少ない、良質の切断を行うことができる。

本開示に係るレーザ切断装置およびレーザ切断方法によると、多波長レーザ光によって、焦点距離が異なる複数の焦点を結ぶことができ、加工物を複数の焦点から均等に加熱することができる。これにより、加工物に合わせた最適な切断条件で切断することができ、産業上有用である。

１ レーザ切断装置
１０ レーザ発振装置
１１、１２ 半導体レーザデバイス
１１−１、１２−１ 半導体レーザバー
１１−２、１２−２ 半導体スタック
１３ 分光器
１４ 部分反射鏡
２１、２３ レーザ出射端
２２、２４ 全反射端
２５ 第１の面
２６ 第２の面
２７ エミッタ
３０ 光ファイバ
３１ 入射端
３２ シングルクラッドファイバ
３３、３６ コア
３４、３７、３８ クラッド
３５ ダブルクラッドファイバ
３９ 出射端
４０ レーザ出射部
４１ 空間
４２ コリメートレンズ
４３ 集光レンズ
４４ チップ
４５ 導入口
４６ 排出口
５０ アシストガス供給装置
５１ ガスボンベ
５２ バルブ
６０ マニピュレータ
７０〜７３ 加工物
８０ 制御装置
８１ ティーチングペンダント
８２ メイン制御部
８３ レーザ発振装置通信部
８４ アシストガス供給装置通信部
８５ マニピュレータ通信部
８６ 記憶部
１０１ レーザ加工装置
１０２ ３相交流電源
１０３ ブレーカ
１０４ 整流平滑回路
１０５ チョッパ回路
１０６ 整流平滑化出力回路
１０７ ＹＡＧレーザ発振器
１０８ アークランプ
１０９ ＹＡＧレーザ棒
１１０ 光ファイバケーブル
１１１ 制御盤
１１２ ＰＷＭパルス発生器
１１３ 制御回路
１１４ 起動回路
１１５ ＹＡＧレーザ照射ヘッド
１１６ レンズ
１１７ プリズム
１１８ ノズルボディ
１１９ 銅チップ
１２０Ｒ 右側レーザ光束
１２０Ｌ 左側レーザ光束
１２１Ｒ 右側焦点
１２１Ｌ 左側焦点
１２２ 母材

Claims (13)

1. 切断部分を有する加工物を配置する工程と、
   レーザ発振装置から波長合成されたレーザ光を出力する工程と、
   前記波長合成されたレーザ光をレーザ出射部から出射する工程と、
   前記加工物の前記切断部分に、前記波長合成されたレーザ光を照射し、前記加工物を切断する工程と、
   を備えたレーザ切断方法。
2. 前記加工物の材質は、軟鋼、ステンレス鋼およびアルミニウム合金のいずれか１つである請求項１に記載のレーザ切断方法。
3. 前記材質は軟鋼またはステンレス鋼であり、
   前記加工物の厚さは、０．３ｍｍ〜５０ｍｍである請求項２に記載のレーザ切断方法。
4. 前記材質はアルミニウム合金であり、
   前記加工物の厚さは、０．５ｍｍ〜３０ｍｍである請求項２に記載のレーザ切断方法。
5. 前記材質は軟鋼であり、
   前記切断部分には、アシストガスとして、空気、アルゴン、二酸化炭素、窒素、ヘリウム、酸素のいずれか１つまたはこれらの組み合わせが供給される請求項２に記載のレーザ切断方法。
6. 前記材質はステンレス鋼またはアルミニウム合金であり、
   前記切断部分には、アシストガスとして、アルゴン、窒素、ヘリウムのいずれか１つまたはこれらの組み合わせが供給される請求項２に記載のレーザ切断方法。
7. 切断速度は、０．１〜１５０ｍ／分である請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ切断方法。
8. 前記レーザ発振装置は、第１のレーザ出射端および第１の全反射端とを有する第１の半導体レーザデバイスと、第２のレーザ出射端および第２の全反射端とを有する第２の半導体レーザデバイスと、分光器と、部分反射鏡とを有し、
   前記第１の全反射端と前記部分反射鏡との間で、前記分光器を介して第１のレーザ光を発振し、
   前記第２の全反射端と前記部分反射鏡との間で、前記分光器を介して第２のレーザ光を発振する請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ切断方法。
9. 前記第１の半導体レーザデバイスは、複数のエミッタを有する第１の半導体レーザバーであり、
   前記第２の半導体レーザデバイスは、複数のエミッタを有する第２の半導体レーザバーである請求項８に記載のレーザ切断方法。
10. 前記第１の半導体レーザデバイスは、複数の前記第１の半導体レーザバーが積み重ねられ、
    前記第２の半導体レーザデバイスは、複数の前記第２の半導体レーザバーが積み重ねられている請求項９に記載のレーザ切断方法。
11. 前記レーザ出射部と前記切断部分とは、５００ｍｍ以上離れて配置されている請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザ切断方法。
12. 前記レーザ出射部は、前記波長合成されたレーザ光を集光し、
    集光された前記波長合成されたレーザ光は、前記加工物の厚さ方向に複数の焦点を結び、擬似的にレーリー長を長くする請求項１〜１１のいずれかに記載のレーザ切断方法。
13. 波長合成されたレーザ光を出射するレーザ発振装置と、
    第１の端部が、前記レーザ発振装置に接続され、前記波長合成されたレーザ光を伝送する光ファイバと、
    前記第１の端部とは反対側の前記光ファイバの第２の端部が接続され、前記波長合成されたレーザ光を加工物に出射するレーザ出射部と、
    前記レーザ出射部に接続され、前記レーザ出射部を動かす駆動装置と、を備えた、レーザ切断装置。

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