JP2016215222A

JP2016215222A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法

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Publication number: JP2016215222A
Application number: JP2015101499A
Authority: JP
Inventors: 稔緒方; Minoru Ogata
Original assignee: Amada Holdings Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2016-12-22
Anticipated expiration: 2035-05-19
Also published as: JP6568716B2

Abstract

【課題】材料を高速かつ適切に加工することができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ発振器１は、第１の複数の波長のレーザを発振する。レーザ分割部（ダイクロイックミラー２）は、第１の複数の波長のレーザを、それぞれ、１または第１の複数より少ない第２の複数の波長のレーザよりなる複数の群に分割する。曲率可変ミラー３は、曲率可変の反射面を有し、反射面の曲率が予め設定されており、複数の群のうちの一部の群のレーザを反射面によって反射させる。レーザ合成部（ダイクロイックミラー２）は、複数の群のうちの他の一部のレーザと、曲率可変ミラー３で反射したレーザとを合成して合成レーザを生成する。集光レンズ５は、合成レーザを材料（板材６１）に照射する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザによって材料を加工するレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

レーザによって例えば金属の板材である材料を加工するレーザ加工装置が普及している。

国際公開第２０１４／１７４６５９号

レーザ加工装置によって材料を切断するとき、材料の切断箇所以外も不必要に溶かすという不適切な加工とならない適切な加工が求められる。また、できるだけ高速な加工が求められる。

本発明は、材料を高速かつ適切に加工することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、第１の複数の波長のレーザを発振するレーザ発振器と、前記第１の複数の波長のレーザを、それぞれ、１または第１の複数より少ない第２の複数の波長のレーザよりなる複数の群に分割するレーザ分割部と、曲率可変の反射面を有し、前記複数の群のうちの一部の群のレーザを前記反射面によって反射させる曲率可変ミラーと、前記複数の群のうちの他の一部のレーザと、前記曲率可変ミラーで反射したレーザとを合成して合成レーザを生成するレーザ合成部と、前記合成レーザを材料に照射する集光レンズとを備えることを特徴とするレーザ加工装置を提供する。

上記のレーザ加工装置において、前記レーザ分割部は、ダイクロイックミラーを含むことが好ましい。上記の構成において、前記レーザ合成部は、ダイクロイックミラーを含むことが好ましい。

上記のレーザ加工装置において、前記曲率可変ミラーの前記反射面の曲率を、前記材料の板厚と、前記材料の材質と、アシストガスの種類と、アシストガスの圧力と、前記集光レンズの焦点距離とのうちの少なくとも１つに応じて設定する曲率設定制御部をさらに備えること好ましい。

また、本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、レーザ発振器によって第１の複数の波長のレーザを発振させ、前記第１の複数の波長のレーザを、それぞれ、１または第１の複数より少ない第２の複数の波長のレーザよりなる複数の群に分割し、曲率可変の反射面を有する曲率可変ミラーを用い、前記複数の群のうちの一部の群のレーザを前記反射面によって反射させ、前記複数の群のうちの他の一部のレーザと、前記曲率可変ミラーで反射したレーザとを合成して合成レーザを生成し、前記合成レーザを集光レンズを介して材料に照射することによって前記材料を加工することを特徴とするレーザ加工方法を提供する。

上記のレーザ加工方法において、前記曲率可変ミラーの前記反射面の曲率を、前記材料の板厚と、前記材料の材質と、アシストガスの種類と、アシストガスの圧力と、前記集光レンズの焦点距離とのうちの少なくとも１つに応じて設定すること好ましい。

本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工方法によれば、材料を高速かつ適切に加工することができる。

第１実施形態のレーザ加工装置を概念的に示す構成図である。第１実施形態のレーザ加工装置を動作させるときの応用例を示す構成図である。図２における板材の表面及び底面におけるレーザの波長の分布状態を示す図である。第２実施形態のレーザ加工装置を概念的に示す構成図である。

以下、各実施形態のレーザ加工装置及びレーザ加工方法について、添付図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１において、レーザ発振器１は、例えば波長λ１〜λ４よりなる複数の波長のレーザを発振する。レーザ発振器１は、一例としてダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）発振器である。波長λ１〜λ４は、例えば、９１０，９２０，９３０，９４０ｎｍである。

レーザ発振器１が射出する複数の波長のレーザは、ダイクロイックミラー２に入射される。ダイクロイックミラー２は、例えば、波長λ１，λ２のレーザを反射させ、波長λ３，λ４のレーザを透過させる。ダイクロイックミラー２で反射した波長λ１，λ２のレーザは、全反射ミラー４に入射する。ダイクロイックミラー２を透過した波長λ３，λ４のレーザは、曲率可変ミラー３に入射する。

ダイクロイックミラー２は、１つの波長のレーザのみを透過させてもよいし、１つの波長のレーザのみを反射させてもよい。

波長λ１〜λ４のレーザを第１の複数の波長のレーザとすると、ダイクロイックミラー２は、第１の複数の波長のレーザを、それぞれ、１または第１の複数より少ない第２の複数の波長のレーザよりなる複数の群に分割すればよい。ダイクロイックミラー２は、レーザ分割部として機能する。群は、１つの波長のレーザのみである場合を含むものとする。

曲率可変ミラー３は、曲率可変の反射面を有する。具体的には、曲率可変ミラー３は、ミラー内部の流体の圧力を制御することによって反射面の曲率を凹面または凸面とすることができ、凹面または凸面の曲率を可変することができる。曲率設定制御部１０は、曲率可変ミラー３の反射面の曲率を適宜の値に設定する。

図１においては、曲率可変ミラー３の反射面は、曲率設定制御部１０による制御に基づいて、所定の曲率の凹面に設定されている。曲率可変ミラー３は、複数の群のうちの一部の群のレーザを反射面によって反射させる。即ち、波長λ３，λ４のレーザは曲率可変ミラー３の反射面で反射して、ダイクロイックミラー２に入射する。

波長λ１，λ２のレーザは全反射ミラー４で反射して、ダイクロイックミラー２に入射する。ダイクロイックミラー２は、波長λ３，λ４のレーザを透過させ、波長λ１，λ２のレーザを反射する。よって、ダイクロイックミラー２は、波長λ１，λ２のレーザと波長λ３，λ４のレーザとを合成して射出する。

ダイクロイックミラー２は、全反射ミラー４で反射した複数の群のうちの他の一部のレーザと、曲率可変ミラー３で反射したレーザとを合成して合成レーザを生成するレーザ合成部としても機能する。

集光レンズ５は、合成レーザを板材６１の所定の位置に集光・照射させる。合成レーザを板材６１の所定の位置に集光させ、アシストガス供給装置７によって板材６１上にアシストガスを供給することによって、板材６１が切断加工される。

図１に示す例では、波長λ１，λ２のレーザは板材６１の底面に集光し、波長λ３，λ４のレーザは板材６１の表面に集光している。

板材６１には、入射角及び入射径が異なる複数の群のレーザが入射されるので、板材６１の板厚や材質に応じて、レーザのパワーやビームスポット位置を適宜の位置に設定することによって板材６１を高速かつ適切に加工することが可能となる。

ところで、曲率設定制御部１０は、曲率可変ミラー３の反射面の曲率を、切断加工しようとする材料（ここでは板材６１）の板厚と、材料の材質と、アシストガスの種類と、アシストガスの圧力と、集光レンズ５の焦点距離とのうちの少なくとも１つに応じて設定するのがよい。

曲率設定制御部１０は、曲率可変ミラー３の反射面の曲率を、上記の複数の要素のうちの２またはそれ以上を組み合わせて、組み合わせた条件に応じて設定するのがさらによい。

曲率設定制御部１０は、曲率可変ミラー３の反射面の曲率を、上記の複数の要素に基づいて自動的に設定してもよいし、オペレータが手動で設定してもよい。

＜第２実施形態＞
図２に示す第２実施形態において、図１に示す第１実施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略することがある。

図２において、レーザ発振器１は、例えば波長λ１〜λ５よりなる複数の波長のレーザを発振する。波長λ１〜λ５は、例えば、９１０，９２０，９３０，９４０，９５０ｎｍである。

ダイクロイックミラー２は、例えば、波長λ１，λ２のレーザを反射させ、波長λ３〜λ５のレーザを透過させる。曲率可変ミラー３は、波長λ３〜λ５のレーザを反射させる。ダイクロイックミラー２は、波長λ１，λ２のレーザと波長λ３〜λ５のレーザとを合成した合成レーザを生成して射出する。

集光レンズ５は、合成レーザを図１に示す板材６１よりも板厚の厚い板材６２の所定の位置に集光・照射させる。図２に示す例では、波長λ１，λ２のレーザは板材６２の底面に集光し、波長λ３〜λ５のレーザは板材６２の板厚の中間部に集光している。

板材６２の表面においては、図３（ａ）に示すように、波長λ１，λ２のレーザの円形の分布範囲の中に波長λ３〜λ５のレーザの円形の分布範囲が位置している。板材６２の底面においては、図３（ｂ）に示すように、波長λ３〜λ５のレーザの円形の分布範囲の中に波長λ１，λ２のレーザの円形の分布範囲が位置している。

以上のように、切断加工しようとする材料（ここでは板材６２）の板厚によっては、レーザのビームスポット位置を材料の表面と底面との間の中間部としてもよい。このようにすると、板厚が比較的厚くても、材料を高速かつ適切に加工することが可能となる。

＜第３実施形態＞
図４に示す第３実施形態において、図１に示す第１実施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略することがある。

図４において、ダイクロイックミラー２１は、例えば、波長λ１，λ２のレーザを反射させ、波長λ３，λ４のレーザを透過させる。ダイクロイックミラー２１は、図１のダイクロイックミラー２と実質的に同じである。

ダイクロイックミラー２１で反射した波長λ１，λ２のレーザは、ダイクロイックミラー２２に入射する。ダイクロイックミラー２２は、例えば、波長λ２のレーザを反射させ、波長λ１のレーザを透過させる。

ダイクロイックミラー２１を透過した波長λ３，λ４のレーザは、曲率可変ミラー３１に入射する。ダイクロイックミラー２２を透過した波長λ１のレーザは、曲率可変ミラー３２に入射する。曲率可変ミラー３１，３２は、図１の曲率可変ミラー３と実質的に同じである。

曲率可変ミラー３１は波長λ３，λ４のレーザを反射させ、曲率可変ミラー３２は波長λ１のレーザを反射させる。

ダイクロイックミラー２１は、波長λ３，λ４のレーザを透過させ、波長λ２のレーザを反射する。よって、ダイクロイックミラー２１は、波長λ２のレーザと波長λ３，λ４のレーザとを合成した第１の合成レーザを生成して射出する。

第１の合成レーザは、ダイクロイックミラー２３に入射する。曲率可変ミラー３２で反射した波長λ１のレーザは、ダイクロイックミラー２３に入射する。ダイクロイックミラー２３は、第１の合成レーザを透過させ、波長λ１のレーザを反射する。よって、ダイクロイックミラー２３は、波長λ１のレーザと第１の合成レーザとを合成した第２の合成レーザを生成して射出する。

集光レンズ５は、第２の合成レーザを板材６３の所定の位置に集光・照射させる。波長λ１のレーザは板材６３の表面に集光し、波長λ３，λ４のレーザは板材６３の板厚の中間部に集光し、波長λ２のレーザは板材６３の底面に集光している。

第３実施形態においては、板材６３に入射角及び入射径が異なる３つの群のレーザが入射されるので、板材６３を高速かつ適切に加工することが可能となる。

第３実施形態においては、ダイクロイックミラー２１，２２がレーザ分割部として機能し、ダイクロイックミラー２１，２３がレーザ合成部として機能している。

なお、各実施形態において、レーザ分割部とレーザ合成部の機能を奏するダイクロイックミラーは、２つの機能を１個で共有して持っていてもよく、レーザ分割部専用の機能とレーザ合成部専用の機能とを個別に持つ複数個で構成してもよい。

分割した光を、再度同じ仕様のミラーを用いて結合する場合、複数のミラーに分けるよりも１個のミラーでレーザ分割部の機能とレーザ合成部の機能とを共有させた方が有利である。但し分割部と結合部の距離が大きい場合には、１個のミラーを巨大化するよりも複数に分けたほうが有利である。ミラーの加工上の都合やレーザ加工装置全体の製造のしやすさ等を考慮して、適宜な構成とすればよい。

また、レーザ分割部とレーザ合成部の機能を奏するダイクロイックミラーを、グレーティング（回折格子）に変えても同じ機能を奏することが可能である。つまり、特定の波長を反射または透過させることができる光学素子で代用することができる。

以上説明したように、各実施形態のレーザ加工装置及びレーザ加工方法によれば、材料を高速かつ適切に加工することができる。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１レーザ発振器
２，２１〜２３ダイクロイックミラー（レーザ分割部，レーザ合成部）
３，３１，３２曲率可変ミラー
４全反射ミラー
５集光レンズ
７アシストガス供給装置
１０曲率設定制御部
６１〜６３板材（材料）

Claims

第１の複数の波長のレーザを発振するレーザ発振器と、
前記第１の複数の波長のレーザを、それぞれ、１または第１の複数より少ない第２の複数の波長のレーザよりなる複数の群に分割するレーザ分割部と、
曲率可変の反射面を有し、前記複数の群のうちの一部の群のレーザを前記反射面によって反射させる曲率可変ミラーと、
前記複数の群のうちの他の一部のレーザと、前記曲率可変ミラーで反射したレーザとを合成して合成レーザを生成するレーザ合成部と、
前記合成レーザを材料に照射する集光レンズと、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
前記レーザ分割部は、ダイクロイックミラーを含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
前記レーザ合成部は、ダイクロイックミラーを含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
前記曲率可変ミラーの前記反射面の曲率を、前記材料の板厚と、前記材料の材質と、アシストガスの種類と、アシストガスの圧力と、前記集光レンズの焦点距離とのうちの少なくとも１つに応じて設定する曲率設定制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
レーザ発振器によって第１の複数の波長のレーザを発振させ、
前記第１の複数の波長のレーザを、それぞれ、１または第１の複数より少ない第２の複数の波長のレーザよりなる複数の群に分割し、
曲率可変の反射面を有する曲率可変ミラーを用い、前記複数の群のうちの一部の群のレーザを前記反射面によって反射させ、
前記複数の群のうちの他の一部のレーザと、前記曲率可変ミラーで反射したレーザとを合成して合成レーザを生成し、
前記合成レーザを集光レンズを介して材料に照射することによって前記材料を加工する
ことを特徴とするレーザ加工方法。
前記曲率可変ミラーの前記反射面の曲率を、前記材料の板厚と、前記材料の材質と、アシストガスの種類と、アシストガスの圧力と、前記集光レンズの焦点距離とのうちの少なくとも１つに応じて設定することを特徴とする請求項５記載のレーザ加工方法。