JP2017131955A - 加工ヘッドのアプローチ機能を有するレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を被加工物の表面に略垂直に照射してレーザ加工を行うとともに、被加工物からの反射光による悪影響を低減し又は排除する機能を備えたレーザ加工機の提供。
【解決手段】レーザ加工機１０は、加工ヘッド１４、集光光学系１８の光学部品及びワーク２０のうちの少なくとも１つを、レーザ光を照射しつつ光軸方向に移動させることにより、レーザ光の集光点２４の位置を光軸方向に移動させる駆動軸等の集光点移動部２６と、レーザ光の照射を開始するときのワーク表面２２と集光点２４との距離である集光点距離ＤＰを設定する集光点距離設定部２８とを備え、集光点距離ＤＰは、ワーク表面２２で反射した光が集光光学系１８を通して、加工ヘッド１４に戻る量が、所定の許容値以下になるような距離に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加工物にレーザを照射しつつ、該被加工物に対して加工ヘッドを接近させる機能を有するレーザ加工機に関する。

金属材料等の被加工物（ワーク）にレーザ光を照射してレーザ加工を行う場合に、ワークからの反射光を利用して溶接品質の向上を図る技術が知られている。例えば特許文献１には、溶接部分からのレーザ反射光を逐次検出し、その強度をもとに焦点の自動調整を行う焦点位置制御装置が記載されている。

また特許文献２には、反射光を用いてピアス穴の加工完了タイミングを検出し、この検出結果に基づいてピアス加工から切断加工への切り替えを行うことにより、加工不良の発生を抑えつつ効率良くレーザ加工を行うことを企図したレーザ加工装置及びレーザ加工方法が記載されている。

図９は、従来技術に係るレーザ加工機において、被加工物にレーザを照射している状態を説明する図である。光ファイバ等の加工ヘッド１００からの光は、集光光学系（光学レンズ）１０２によって集光され、矢印１０４で示すように、被加工物１０６の表面に略垂直に照射される。このとき、被加工物１０６が鋼やアルミニウム等のレーザ光を反射しやすい金属材料である場合、矢印１０８で示すように、照射点１１０において照射されたレーザ光の一部が往路と似た経路を逆方向に進み、反射光として加工ヘッド１００に戻ることがあり、これによってレーザ光源等が破損することがある。このように、反射光がレーザ発振器内に戻ることによって、レーザ出力が制御不能となったり光学系が破損したりすることを防止するための従来技術例として、特許文献３には、照射レーザ光の光軸と反射光の光軸とが合致しないように、照射ヘッド及び反射材料の一方又は双方を傾斜させる技術が記載されている。

特許第３１５４１７６号公報 特許第５１００８３３号公報 特開昭６２−２８９３８７号公報

上述のように、レーザ加工の被加工物が、鋼やアルミニウム等のレーザ光を反射しやすい金属材料である場合や、加工点でのエネルギー密度が低い場合に、集光点が被加工物の表面上にあると、照射されたレーザ光の一部が往路と似た経路を逆方向に進み、反射光としてレーザ光源に戻ることがある。この反射光の量が多い（或いは強度が高い）ほど、レーザ加工機の光路や光源が損傷する可能性が高まる。

上述の特許文献１及び２に記載の装置は、反射光を検出する手段を具備するものではあるが、反射光がレーザ光源等に及ぼす悪影響を低減し又は排除する手段を具備するものではない。一方、特許文献３は、反射光による悪影響を回避するために、照射ヘッド及び反射材料の一方又は双方を傾斜させる旨を開示している。しかしながら、レーザ光が被加工物の表面に対して斜めに入射する場合、略垂直に入射する場合に比べ、レーザ加工品質が劣る傾向がある。

そこで本発明は、レーザ光を被加工物の表面に略垂直に照射してレーザ加工を行うとともに、被加工物からの反射光による悪影響を低減し又は排除する機能を備えたレーザ加工機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、レーザ光を伝送して加工ヘッドに導き、集光光学系で集光した光を被加工物の表面に略垂直に照射してレーザ加工を行うレーザ加工機において、集光された光の集光点の位置を、前記被加工物の表面から垂直方向に離れた点から、レーザ光を照射しつつ前記被加工物の表面に近接させる集光点移動部と、レーザ光の照射を開始するときの前記集光点と前記被加工物の表面との間の距離である集光点距離を設定する集光点距離設定部と、を備え、前記集光点距離は、前記被加工物の表面で反射した光が前記集光光学系を通して、レーザ光源に戻る量が、許容値以下になる距離に設定される、レーザ加工機を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記集光点距離は、前記被加工物の反射率、レーザ光出射部の面積、前記レーザ光出射部における反射光の面積、レーザ出力の関係から、計算又は実測によって予め決定される、レーザ加工機を提供する。

第３の発明は、第２の発明において、前記レーザ光出射部は、光ファイバの照射端である、レーザ加工機を提供する。

第４の発明は、第３の発明において、前記集光点距離は、前記光ファイバのコアに戻る反射光と、前記光ファイバのクラッドに戻る反射光の双方がそれぞれ許容値以下となるように設定される、レーザ加工機を提供する。

第５の発明は、第１の発明において、前記集光点移動部は、前記集光光学系の光学部品を光軸方向に移動させる、レーザ加工機を提供する。

第６の発明は、第１の発明において、前記集光点移動部は、前記集光光学系を含む前記加工ヘッドを光軸方向に移動させる、レーザ加工機を提供する。

第７の発明は、第６の発明において、一連のレーザ加工を行う加工プログラムの中で、次の加工開始点に向かう際に、レーザ光の照射を開始する集光点距離に相当する加工ヘッドの位置より上方に位置する通過点を設定する通過点設定部と、前記通過点と、前記加工ヘッドの位置を通過するような経路を生成する経路生成部とをさらに備える、レーザ加工機を提供する。

第８の発明は、第１の発明において、前記集光点距離に相当する前記加工ヘッドの位置以降の前記加工ヘッドの移動速度を、所定の速度以下に制限する移動速度制限部をさらに備える、レーザ加工機を提供する。

本発明に係るレーザ加工機によれば、レーザ光源及びレーザ光路に戻ってくる反射光が少ない集光点位置にて被加工物を熱し始め、該被加工物の表面を変質させつつ加工ヘッドが該被加工物に接近するので、反射光による悪影響を抑制しつつレーザ加工を開始することができる。

本発明の好適な実施形態に係るレーザ加工機を用いて行うレーザ加工を説明する図であり、集光点がワーク表面から上方に離れた状態を示す。 本発明の好適な実施形態に係るレーザ加工機を用いて行うレーザ加工を説明する図であり、集光点がワーク表面上にある状態を示す。 レーザ加工機が空間伝送式である場合の加工ヘッド周りの構造を示す概略図である。 集光光学系の光学部品を移動させることによって集光点を移動させる構成例を示す概略図である。 （ａ）加工ヘッドを移動させることによって集光点を移動させる構成例を示す概略図であり、（ｂ）加工ヘッドの下降によって機械式スイッチが作動した状態を示す図であり、（ｃ）加工ヘッドがさらに下降した状態を示す図である。 一連のレーザ加工を行う場合に、集光点距離に相当する加工ヘッドの位置よりも上方に通過点を設定する例を説明する図である。 一連のレーザ加工を行う場合に、集光点距離に相当する加工ヘッドの位置よりも上方に通過点を設定する他の例を説明する図である。 集光点距離に相当する加工ヘッドの位置からの加工ヘッドの移動速度を制限する例を説明するグラフである。 従来技術に係るレーザ加工機において、被加工物にレーザを照射している状態を示す図である。

図１及び図２は、本発明の好適な実施形態に係るレーザ加工機を用いて行うレーザ加工を説明する図である。レーザ加工機１０は、光ファイバ１２等を用いてレーザ光を伝送して加工ヘッド１４に導き、レーザ光出射部（図示例では光ファイバ照射端）１６から照射された光を集光光学系（光学レンズ）１８で集光し、被加工物２０の表面２２に略垂直に照射して、ワーク２０に対して切断、溶接、マーキング等の所定のレーザ加工を行うように構成されている。

またレーザ加工機１０は、加工ヘッド１４、集光光学系１８の光学部品（後述）及びワーク２０のうちの少なくとも１つを、レーザ光を照射しつつ光軸方向（図示例では上下方向）に移動させることにより、レーザ光の焦点位置（集光点）２４の位置を光軸方向に移動させる駆動軸等の集光点移動部２６と、レーザ光の照射を開始するときのワーク表面２２と集光点２４との距離である集光点距離ＤＰを設定する集光点距離設定部２８とを備え、集光点距離ＤＰは、ワーク表面２２で反射した光が集光光学系１８を通して、加工ヘッド１４（レーザ光源）に戻る量が、所定の許容値以下になるような距離に設定される。

なお図１の例では、集光点移動部２６の動作は、レーザ加工機１０における動作や処理を制御する制御装置３０によって制御可能であり、集光点距離設定部２８の機能は制御装置３０が具備しているものとする。但し図２では、加工ヘッド１４、集光光学系１８及びワーク２０以外の構成要素については図示を省略している。

図１に示すように、加工ヘッド１４は、集光点２４がワーク表面２２から垂直方向に集光点距離ＤＰだけ上方に離れた位置からレーザ照射を開始する。このとき、図９との比較からわかるように、光学的な位置関係が変化することにより、ワーク表面２２で反射して光ファイバ照射端１６に戻る光の量（光束）が少なくなる。より具体的に言えば、光ファイバ照射端１６の位置における反射光の（略水平断面についての）面積は、光ファイバ照射端１６の面積よりも大きい。従って図１の状態では、レーザ光源に戻る光の量が、従来よりも少ない。

図１の状態から、加工ヘッド１４はレーザ光を照射しつつ、集光点２４の位置がワーク表面２２に近接するように徐々に移動し、図２に示すように、集光点２４がワーク表面２２上に位置した状態となる。図２の光学的な位置関係は、図９に示したものと実質同等であるが、図１の状態から図２の状態に至るまでにワーク表面２２には一定量のレーザ光が照射されているので、図２の状態となったときには、レーザ光が照射されたワーク表面２２の部位は溶融等によって変質したりビームの反射率が変わったりしており、故に光ファイバ照射端１６に戻る光の量は図９の場合に比べ少ない。従って本実施形態によれば、反射光が少ない集光点位置にてワーク２０を熱し始め、ワーク表面２２を溶融させるなど変質させると同時に、集光点２４をワーク表面２２に近づけ、反射光の戻りを抑制しつつレーザ加工を開始することができる。一旦加工が開始されると、溶融・変質した加工点はレーザ光を吸収し続けて、連続的に切断・溶融・マーキング等のレーザ加工が行われる。

なお集光光学系１８の焦点距離ｆは、図１の寸法ａ′、ｂ′又は図２の寸法ａ、ｂを用いて、以下の式（１）によって求めることができる。
１／ｆ ＝ １／ａ′＋１／ｂ′ ＝ １／ａ＋１／ｂ （１）

上述のように、レーザ光の照射を開始する集光点距離ＤＰは、ワーク表面２２で反射した光が集光光学系１８を通して、レーザ光源（レーザ光出射部１６）に戻る量が、所定の許容値以下になる距離に設定されるが、より具体的には、ワーク表面２２の反射率、レーザ光出射部１６の面積、レーザ光出射部１６における反射光の面積、及びレーザ出力の関係から、予め計算又は実測によって求めておくことができる。ここで、レーザ光出射部１６への反射光の光束Φは、レーザ出力Ｗ、ワーク表面２２の反射率Ｒ、レーザ光出射部１６の面積Ａ１、及び光ファイバ照射端１６の位置における反射光の面積Ａ２を用いて、以下の式（２）で表される。
Φ ＝ Ｗ×Ｒ×Ａ１／Ａ２ （２）

反射光の面積Ａ２は、集光光学系１８の焦点距離ｆや集光点距離ＤＰから実測又は計算から求めることができるので、光束Φの許容値を、レーザ光源が破損しない程度の値（又はこれに一定のマージンを付与した値）に設定することにより、適切な集光点距離ＤＰを求める（設定する）ことができる。

なお、図１に記載のように、レーザ光出射部１６が光ファイバ照射端である場合は、光ファイバ１２のコア３２に戻る反射光（の光束）と、光ファイバ１２のクラッド３４に戻る反射光の（光束）の双方が、それぞれ所定の許容値以下となるように、集光点距離ＤＰが設定されることが好ましい。これにより、レーザ加工機のファイバレーザ発振器や光学系を、より確実に反射光から保護することができる。

実験的に設定距離を求める場合は、小出力や短時間の照射を行い、その結果として得られた測定値に基づく計算によって該設定距離を求めることができる。また、このような測定・計算手順を、実加工に先立ち自動的に行い、レーザ照射を開始する焦点距離を自動的に求めて設定することも可能である。

図３は、レーザ加工機が炭酸ガスレーザである場合の加工ヘッドの概略図である。図３の例では、レーザ光出射部１６′からのレーザ光は、伝送空間３６内を伝送して、集光光学系１８によって集光されてワーク表面２２上に照射される。このとき、上述の集光点距離ＤＰを設定することにより、レーザ光出射部′１６に戻る反射光の光束を減少させることができる。このようにレーザ加工機が空間伝送式のものであっても本発明は適用可能である。

図４は、上述の集光点移動部２６が、集光光学系１８の光学部品を移動させることによって集光点を移動させる構成例を示す概略図である。図４の例では、集光光学系１８が光学部品として凹レンズ３８を有し、集光点移動部２６が凹レンズ３８を光軸方向に移動させることにより、集光点２４の位置を変更することができる。図４からわかるように、凹レンズ３８の移動量よりも集光点２４の移動量を大きくすることができ、このように集光光学系の設計次第で、焦点位置を高速で移動させることができる。また、この方法においては、集光点がワーク表面の下方からワーク表面近傍に移動するように、加工ヘッドを移動させつつレーザを照射することもできる。例えば、レーザ光源と集光光学系との間に別の光学部品などが存在するとき、反射光による別の集光点がその光学部品上に出現することで、これに悪影響を与えることを防ぐことができる。

図５は、図４の代替例として、上述の集光点移動部２６が、集光光学系を含む加工ヘッドを移動させることによって集光点を移動させる構成例を示す概略図である。図５の例では、集光光学系１８を含む加工ヘッド１４全体を、集光点移動部２６が移動させることにより、集光点の位置を変更することができる。図５の例では、集光点位置の変更のための加工ヘッド１４の移動を、レーザ加工において一般的な、ワーク２０に対する加工ヘッド１４の退避動作又は近接動作に付随して行うことができる。またこの例では、焦点距離設定部２８が機械的スイッチとして構成された場合を図示している。

図６は、一連のレーザ加工を行う場合に、ある加工部位の加工が完了して次の加工開始点に向かう際に、上述の集光点距離ＤＰに相当する加工ヘッドの位置よりも上方に通過点を設定する例を説明する図である。詳細には、ワーク２０の部位Ｍのレーザ加工が完了し、加工ヘッド１４が次の加工開始点Ｎに向かう際に、上述の集光点距離ＤＰに相当する加工ヘッドの位置Ｐよりも光軸方向について上方の通過点Ｑを加工ヘッド１４（の代表点）が通過するように、通過点Ｑが設定される。設定された通過点Ｑを含む経路は、加工プログラム内に生成することができる。図６の例では、部位Ｍから通過点Ｑに至る経路は直線４０となっており、これにより加工時間のさらなる短縮を図ることができる。

図７は、図６の代替例として、一連のレーザ加工を行う場合に、ある加工部位の加工が完了して次の加工開始点に向かう際に、上述の集光点距離ＤＰに相当する加工ヘッドの位置よりも上方に通過点を設定する他の例を説明する図である。詳細には、ワーク２０の部位Ｍのレーザ加工が完了し、加工ヘッド１４が次の加工開始点Ｎに向かう際に、上述の集光点距離ＤＰに相当する加工ヘッドの位置Ｐよりも光軸方向について上方の通過点Ｑを加工ヘッド１４（の代表点）が通過するように、通過点Ｑが設定される。設定された通過点Ｑ及びこれを含む経路は、一連のレーザ加工を行う加工プログラム内に設定・生成することができる。図７の例では、部位Ｍから通過点Ｑに至る経路は曲線４２として表されており、曲線４２は通過点Ｑにおいて、通過点Ｑから加工ヘッド位置Ｐに至る直線４４と不連続に接続しない（加工ヘッド１４の急激な加減速が生じない）ようになっている。これにより、加工時間をある程度短縮できるとともに、急激な加減速によって加工ヘッド１４に衝撃等がかからないようにすることができる。

図６及び図７のいずれにおいても、加工開始点Ｎからレーザ加工が開始された後は、ワーク表面２２にキーホールが形成されたり、表面状態が荒れたりしているので、加工ヘッド１４に戻る反射光は少なく、安定したレーザ加工を行うことができる。なお図６及び図７に記載したような通過点Ｑの設定部（手段）及び経路生成部（手段）としての機能は、例えば図１に示す制御装置３０が具備することができる。

図８は、上述の集光点距離ＤＰに相当する加工ヘッドの位置Ｐからの加工ヘッド１４の移動速度を所定の速度以下に制限する例を説明するグラフである。詳細には、図８のグラフ４６に示すように、集光点距離ＤＰに相当する加工ヘッドの位置Ｐよりも前の位置（例えば図６又は図７に示した通過点Ｑ）から位置Ｐ（時刻ｔ１）までは、加工ヘッド１４は比較的速い第１の移動速度で移動し、位置Ｐから図２の状態に相当する加工ヘッドの位置Ｓ（時刻ｔ２）に至るまでは、第１の移動速度よりも遅い第２の移動速度で移動する。このような移動速度の制限部（手段）としての機能は、例えば図１に示す制御装置３０が具備することができる。あるいは、図５のような機械的なスイッチを設け、該スイッチからの信号を用いて移動速度を所定の速度以下に制限してもよい。

一般に、ワーク２０をレーザで熱し始めてからワーク表面２２を変質（溶融等）させるには、ある程度の時間が必要である。そこで図８の例では、レーザ照射を開始する位置Ｐからの移動速度を制限することにより、この時間（図示例では時刻ｔ１〜ｔ２）を確保することができる。

上述の図５の構成を用いた場合を説明すると、先ず図５（ａ）では、加工ヘッド１４がワーク２０に対して高速に接近しており、この状態ではレーザ光は未だ照射されていない。次に図５（ｂ）に示すように、加工ヘッド１４が上述の位置Ｐに達すると、加工ヘッド１４に設けたカム４７が機械式スイッチ（集光点距離設定部２８）を作動（ＯＦＦ→ＯＮ）させ、機械式スイッチからレーザ光源及び集光点移動部２６のそれぞれに信号が送られる。これらの信号を受けて、レーザ光源によるレーザ照射が始まるとともに、加工ヘッド１４の移動速度が予め設定されている所定の速度以下に制限される。この状態では、ワーク表面２２からの反射光はあるが、その量はレーザ光源等が破損しない程度の値である。さらに、図５（ｃ）に示すように、集光点の位置がワーク表面２２に概ね合致した状態になると、ワーク表面２２は十分に加熱され、変形や変質によってレーザ光を十分に吸収できる状態となり、レーザ切断や溶接が開始される。

図８において、加工ヘッド１４の速度制限のパターンは、実測値等に基づいて予め決定しておくことができるが、レーザ照射点の中心におけるワークの表面温度を示すグラフ４８のように、加工ヘッドが位置Ｐから位置Ｓに至るまでの間に、ワークの表面温度が常温Ｔａから、表面が変質する温度Ｔｂまで上昇するように決定されることが好ましい。

なお上述の実施形態では、レーザ加工機は光ファイバを用いたファイバレーザであるが、本発明はこれに限られず、例えばダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）又は炭酸ガスを用いたレーザ加工機にも適用可能である。但し本発明は、光ファイバを有するレーザ加工機に適用した場合、特に顕著な効果を奏する。

１０ レーザ加工機
１２ 光ファイバ
１４ 加工ヘッド
１６ レーザ照射端
１８ 集光光学系
２０ ワーク
２２ ワーク表面
２４ 集光点
２６ 集光点移動部
２８ 集光点距離設定部
３０ 制御装置
３２ コア
３４ クラッド
３６ 伝送空間
３８ 凹レンズ

Claims (8)

1. レーザ光を伝送して加工ヘッドに導き、集光光学系で集光した光を被加工物の表面に略垂直に照射してレーザ加工を行うレーザ加工機において、
   集光された光の集光点の位置を、前記被加工物の表面から垂直方向に離れた点から、レーザ光を照射しつつ前記被加工物の表面に近接させる集光点移動部と、
   レーザ光の照射を開始するときの前記集光点と前記被加工物の表面との間の距離である集光点距離を設定する集光点距離設定部と、を備え、
   前記集光点距離は、前記被加工物の表面で反射した光が前記集光光学系を通して、レーザ光源に戻る量が、許容値以下になる距離に設定される、レーザ加工機。
2. 前記集光点距離は、前記被加工物の反射率、レーザ光出射部の面積、前記レーザ光出射部における反射光の面積、レーザ出力の関係から、計算又は実測によって予め決定される、請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記レーザ光出射部は、光ファイバの照射端である、請求項２に記載のレーザ加工機。
4. 前記集光点距離は、前記光ファイバのコアに戻る反射光と、前記光ファイバのクラッドに戻る反射光の双方がそれぞれ許容値以下となるように設定される、請求項３に記載のレーザ加工機。
5. 前記集光点移動部は、前記集光光学系の光学部品を光軸方向に移動させる、請求項１に記載のレーザ加工機。
6. 前記集光点移動部は、前記集光光学系を含む前記加工ヘッドを光軸方向に移動させる、請求項１に記載のレーザ加工機。
7. 一連のレーザ加工を行う加工プログラムの中で、次の加工開始点に向かう際に、レーザ光の照射を開始する集光点距離に相当する加工ヘッドの位置より上方に位置する通過点を設定する通過点設定部と、
   前記通過点と、前記加工ヘッドの位置を通過するような経路を生成する経路生成部とをさらに備える、請求項６に記載のレーザ加工機。
8. 前記集光点距離に相当する前記加工ヘッドの位置以降の前記加工ヘッドの移動速度を、所定の速度以下に制限する移動速度制限部をさらに備える、請求項１に記載のレーザ加工機。

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