JP2017217658A - Laser processor, laser processing method, optical system and padding processed product - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser processor capable of changing flexibly a light intensity distribution at a processing point by a simple constitution, and controlling easily heat input into a workpiece; and to provide a laser processing method, an optical system and a padding processed product.SOLUTION: A laser processor includes a laser source 12, a condensation part 14 for condensing a light flux L generated from the laser source 12 toward a workpiece W, and a light flux converter having a nonuniform transmissivity to the light flux L condensed by the condensation part 14, and containing an optical element 16 for non-uniformizing a light intensity distribution at a condensation point P.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、レーザ加工装置、レーザ加工方法、光学系、及び肉盛り加工品に関する。   The present invention relates to a laser processing apparatus, a laser processing method, an optical system, and a built-up product.

被加工物を加工する装置として、レーザ加工装置がある。レーザ加工装置を用いることにより、金属等の被加工物に対して、穴あけ、切断、溶接、焼入れ、クラッディング(肉盛り)等の様々な加工を施すことが可能である。また、施す加工内容等に応じて、レーザ加工装置に用いるレーザ光源の、加工点近傍におけるレーザビームのプロファイル(光強度分布、エネルギー密度)、及びその形成方法についても、さまざま検討されてきている。   As an apparatus for processing a workpiece, there is a laser processing apparatus. By using a laser processing apparatus, it is possible to perform various processes such as drilling, cutting, welding, quenching, and cladding (building up) on a workpiece such as metal. In addition, various studies have been conducted on the laser beam profile (light intensity distribution, energy density) in the vicinity of the processing point of the laser light source used in the laser processing apparatus and the method of forming the laser light source, depending on the processing content to be applied.

つまり、レーザ加工においては、加工内容、被加工物、被加工物に対する入熱(加工に際し、外部から加工点近傍に付与される熱量)プロファイル等に応じて、レーザ加工に用いるレーザ光源の望ましいビームプロファイルが異なるため、レーザ光源の加工点近傍におけるビームプロファイル、すなわち光強度分布は、柔軟に変えられることが求められる。   In other words, in laser processing, the desired beam of the laser light source used for laser processing according to the processing content, workpiece, heat input to the workpiece (amount of heat applied from the outside to the vicinity of the processing point during processing), etc. Since the profiles are different, the beam profile in the vicinity of the processing point of the laser light source, that is, the light intensity distribution is required to be flexibly changed.

レーザビームのプロファイルを変える一手法として、空間変調器(液晶、光学結晶、マイクロマシンなど)を用いる方法がある。つまり、レーザビームを空間変調器に入射させ、空間変調器を透過させたり、反射させたりすることにより、レーザビームに対する透過率やレーザビームの位相を制御して、集光点での強度分布を調整する方法である。   One method for changing the profile of the laser beam is to use a spatial modulator (liquid crystal, optical crystal, micromachine, etc.). In other words, by making the laser beam incident on the spatial modulator and transmitting or reflecting it through the spatial modulator, the transmittance with respect to the laser beam and the phase of the laser beam are controlled, and the intensity distribution at the condensing point can be controlled. It is a method to adjust.

また、レーザビームのプロファイルに関する従来技術として、特許文献1に開示されたレーザ加工装置が知られている。特許文献1に開示されたレーザ加工装置は、レーザを出力する固体レーザ発振器と、固体レーザ発振器から出力されたレーザを集光し、被加工物に照射させる光学系と、を有している。そして、固体レーザ発振器は、レーザの進行方向の中心を通る断面におけるビームプロファイルが、中心の外側に中心よりも出力が高い複数のピークが形成される形状のレーザを出力し、光学系は、焦点位置が被加工物の加工位置に対してずれたレーザを被加工物に照射する。特許文献1に開示されたレーザ加工装置では、このような構成を有することにより、被加工物に照射されるレーザを、レーザが照射される領域の端部側の出力がより強い分布とすることができるので、被加工物の加工領域の端部により強いレーザを照射することができ、高い精度で加工を行うことができるとしている。   Further, as a prior art relating to a laser beam profile, a laser processing apparatus disclosed in Patent Document 1 is known. The laser processing apparatus disclosed in Patent Document 1 includes a solid-state laser oscillator that outputs a laser, and an optical system that focuses the laser output from the solid-state laser oscillator and irradiates the workpiece. The solid-state laser oscillator outputs a laser having a shape in which a beam profile in a cross section passing through the center of the laser traveling direction forms a plurality of peaks whose outputs are higher than the center outside the center. The workpiece is irradiated with a laser whose position is shifted from the machining position of the workpiece. In the laser processing apparatus disclosed in Patent Document 1, by having such a configuration, the laser irradiated to the workpiece is distributed with a stronger output on the end side of the region irradiated with the laser. Therefore, a strong laser can be irradiated to the end of the processing region of the workpiece, and processing can be performed with high accuracy.

一方、レーザ加工の特質を生かした加工方法として、肉盛り加工がある。肉盛り加工とは、母材の所定部分に、母材とは異なった材料を溶融・凝固させ、母材の所定部分における表面の強度や耐摩耗性を向上させる加工である。レーザ加工では、この肉盛り加工の際の熱源として、レーザ光源が用いられている。   On the other hand, as a processing method that takes advantage of the characteristics of laser processing, there is overlaying. The build-up process is a process in which a material different from the base material is melted and solidified in a predetermined portion of the base material to improve the surface strength and wear resistance of the predetermined portion of the base material. In laser processing, a laser light source is used as a heat source in the build-up processing.

肉盛り加工のためのレーザ加工装置を開示した文献として、特許文献2に開示されたレーザ加工装置が知られている。特許文献2に開示されたレーザ加工装置では、シリンダヘッドのバルブシートに回転送りを与えながら、銅系合金粉末を所定量ずつ連続供給するとともに、凹面円柱鏡と、細い平面鏡をセグメントにもつ積分鏡とで線状に形成したレーザビームを銅系合金粉末の上から照射して、バルブシートに銅系合金の肉盛り層を形成する。特許文献2に開示されたレーザ加工装置では、このような構成を有することにより、線状のレーザビームのエネルギー密度特性が肉盛り幅方向でほぼ均一なものとなることから、肉盛り幅方向での入熱量の部分的なばらつきが生じにくく、特に肉盛り幅方向での部分的な母材希釈のない良好な肉盛り層を形成することができるとしている。   As a document disclosing a laser processing apparatus for build-up processing, a laser processing apparatus disclosed in Patent Document 2 is known. In the laser processing apparatus disclosed in Patent Document 2, while continuously feeding a predetermined amount of copper-based alloy powder while applying rotational feed to the valve seat of the cylinder head, an integrating mirror having a concave cylindrical mirror and a thin flat mirror as a segment Then, a laser beam formed linearly is irradiated from above the copper-based alloy powder to form a build-up layer of the copper-based alloy on the valve seat. In the laser processing apparatus disclosed in Patent Document 2, by having such a configuration, the energy density characteristic of the linear laser beam becomes substantially uniform in the build-up width direction. It is said that it is difficult to cause partial variations in the amount of heat input, and it is possible to form a good build-up layer without partial dilution of the base material particularly in the build-up width direction.

特許第5595573号公報Japanese Patent No. 5595573 特許第3232940号公報Japanese Patent No. 3232940

しかしながら、空間変調器は、一般に、レーザ加工装置の光出力のような高出力(数kW)のレーザビームを照射できるように構成されていないので、レーザ加工装置の光出力の一部を空間変調器のミラー(一般に金属で形成されている)に当てると、溶融してしまう可能性がある。   However, since the spatial modulator is not generally configured to irradiate a laser beam with a high output (several kW) like the optical output of the laser processing apparatus, a part of the optical output of the laser processing apparatus is spatially modulated. If it hits a mirror (generally made of metal), it may melt.

一方、特許文献1に開示されたレーザ加工装置では、レーザビームの焦点をデフォーカスすることによって光強度分布を変えているが、このような方法では、光強度分布を変化させる光軸方向の移動範囲に限界があり、光強度分布の可変幅が小さいという問題がある。従って、入熱プロファイルの柔軟な変更という点からも改善の余地がある。   On the other hand, in the laser processing apparatus disclosed in Patent Document 1, the light intensity distribution is changed by defocusing the focal point of the laser beam. In such a method, movement in the optical axis direction that changes the light intensity distribution is performed. There is a problem that the range is limited and the variable width of the light intensity distribution is small. Therefore, there is room for improvement in terms of flexible change of the heat input profile.

さらに、特許文献2に開示されたレーザ加工装置は、肉盛り加工に特化し、凹面円柱鏡と積分鏡との組合せという特殊な光学系を用いて、光強度分布を均一にすることを意図したものであり、光強度分布の柔軟な変更に対応したものではない。また、特許文献2に開示されたレーザ加工装置は反射型であるので、装置が大型化し、その分コストも高くなるという欠点がある。   Furthermore, the laser processing apparatus disclosed in Patent Document 2 specializes in build-up processing, and intends to make the light intensity distribution uniform by using a special optical system that is a combination of a concave cylindrical mirror and an integrating mirror. However, it does not correspond to a flexible change of the light intensity distribution. Moreover, since the laser processing apparatus disclosed in Patent Document 2 is a reflection type, there is a disadvantage that the apparatus becomes large and the cost is increased accordingly.

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で加工点における光強度分布を柔軟に変えることができ、被加工物に対する入熱を容易に制御することが可能なレーザ加工装置、レーザ加工方法、光学系、及び肉盛り加工品を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The light intensity distribution at a processing point can be flexibly changed with a simple configuration, and the heat input to the workpiece can be easily controlled. An object of the present invention is to provide a laser processing apparatus, a laser processing method, an optical system, and a build-up product.

上記目的を達成するために、請求項1に記載のレーザ加工装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源から発生した光束を被加工物に向けて集光する集光部と、前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有すると共に、集光点における光強度分布を不均一にする光学素子を含む光束変換部と、を備えたものである。   In order to achieve the above object, a laser processing apparatus according to claim 1 includes a laser light source, a condensing unit that condenses a light beam generated from the laser light source toward a workpiece, and the condensing unit. A light beam conversion unit including an optical element that has a non-uniform transmittance with respect to the condensed light beam and makes the light intensity distribution at the light condensing point non-uniform.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記光学素子は、円柱形状の石英により形成されているものである。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the optical element is formed of columnar quartz.

また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記光強度分布の形状は、外形が略円形状であり前記円形状の直径方向に光強度の低い領域を有することにより、前記光強度分布が不均一にされたものである。   The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the light intensity distribution has a substantially circular outer shape, and the light intensity is low in the diameter direction of the circular shape. By having a region, the light intensity distribution is made non-uniform.

また、請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の発明において、前記光束変換部は、複数の前記光学素子を含むものである。   According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, the light beam conversion unit includes a plurality of the optical elements.

また、請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の発明において、前記レーザ光源と前記集光部との間に、前記レーザ光源から発生した光を平行光とするコリメート部をさらに備えたものである。   The invention according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the light generated from the laser light source is interposed between the laser light source and the condensing unit. It further includes a collimating portion for parallel light.

また、請求項6に記載の発明は、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の発明において、肉盛り加工を行うための肉盛り部材を供給する肉盛り部材供給部を備えた肉盛り加工部をさらに備え、前記肉盛り加工部は、前記肉盛り部材供給部及び前記光束と、前記被加工物と、を相対的に移動させつつ前記肉盛り部材供給部から前記被加工物上に前記肉盛り部材を供給し、供給された前記肉盛り部材に前記光束を照射して肉盛り加工を行うものである。   The invention according to claim 6 is provided with a build-up member supply unit for supplying a build-up member for performing build-up processing in the invention according to any one of claims 1 to 5. The build-up processing unit further includes a build-up processing unit, and the build-up processing unit moves the work piece from the build-up member supply unit while relatively moving the build-up member supply unit, the light flux, and the work piece. The build-up member is supplied on top, and the build-up processing is performed by irradiating the supplied build-up member with the light beam.

また、請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の発明において、前記肉盛り加工部は、前記肉盛り加工を行って、内燃機関用のシリンダヘッドのバルブシートを形成するものである。   The invention according to claim 7 is the invention according to claim 6, wherein the build-up processing portion performs the build-up processing to form a valve seat of a cylinder head for an internal combustion engine. .

上記目的を達成するために、請求項8に記載の光学系は、光源から発生した光束を集光する集光部と、前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有すると共に、集光点における光強度分布を不均一にする光学素子と、を含むものである。   In order to achieve the above object, an optical system according to claim 8, a light collecting unit that collects a light beam generated from a light source, and a non-uniform transmission with respect to the light beam collected by the light collecting unit. And an optical element that makes the light intensity distribution at the condensing point non-uniform.

上記目的を達成するために、請求項9に記載のレーザ加工方法は、集光部により、レーザ光源から発生した光束を被加工物に向けて集光し、前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有する光学素子を含む光束変換部により、集光点における光強度分布を不均一にするものである。   In order to achieve the above object, in the laser processing method according to claim 9, the light beam generated from the laser light source is condensed toward the workpiece by the light collecting unit, and is collected by the light collecting unit. The light intensity distribution at the condensing point is made non-uniform by a light beam conversion unit including an optical element having non-uniform transmittance with respect to the light beam.

また、請求項10に記載の発明は、請求項9に記載の発明において、肉盛り加工を行うための肉盛り部材を供給する肉盛り部材供給部を備えた肉盛り加工部により、前記肉盛り部材供給部及び前記光束と、前記被加工物と、を相対的に移動させつつ前記肉盛り部材供給部から前記被加工物上に前記肉盛り部材を供給し、供給された前記肉盛り部材に前記光束を照射して肉盛り加工を行うものである。   The invention according to claim 10 is the invention according to claim 9, wherein the build-up processing unit includes a build-up member supply unit that supplies a build-up member supply unit for performing build-up processing. The build-up member is supplied onto the workpiece from the build-up member supply unit while relatively moving the member supply unit, the light beam, and the workpiece, and the supplied build-up member The build-up processing is performed by irradiating the light flux.

上記目的を達成するために、請求項11に記載の肉盛り加工品は、第1の金属からなる母材と、前記母材上に第2の金属により形成された肉盛り部と、前記母材と前記肉盛り部との間に配置された前記母材と前記肉盛り部とを溶融接合する合金部と、を含み、前記母材と前記合金部との接合面の形状が椀形状である肉盛り加工品であって、前記肉盛り部及び前記合金部は、前記母材上に肉盛り部材が供給されているときに、集光部により、レーザ光源から発生した光束が被加工物に向けて集光され、前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有する光学素子を含む光束変換部により、集光点における光強度分布が不均一にされることにより、供給された前記肉盛り部材に前記光束が照射され、肉盛り加工が行われることにより形成されたものである。   In order to achieve the above object, the build-up product according to claim 11 includes a base material made of a first metal, a build-up part formed of the second metal on the base material, and the base material. And an alloy part that melt-joins the base material and the build-up part disposed between the material and the build-up part, and the shape of the joint surface between the base material and the alloy part is a bowl shape A build-up product, wherein the build-up part and the alloy part have a light beam generated from a laser light source generated by a light collecting unit when a build-up member is supplied on the base material. The light intensity distribution at the condensing point is made non-uniform by the light beam conversion unit including an optical element that is condensed toward the light and has a non-uniform transmittance with respect to the light beam collected by the light collecting unit. As a result, the light beam is irradiated on the supplied build-up member, and the build-up processing is performed. And it is formed.

本発明によれば、簡易な構成で加工点における光強度分布を柔軟に変えることができ、被加工物に対する入熱を容易に制御することが可能なレーザ加工装置、レーザ加工方法、光学系、及び肉盛り加工品を提供することができるという効果を奏する。   According to the present invention, a laser processing apparatus, a laser processing method, an optical system capable of flexibly changing a light intensity distribution at a processing point with a simple configuration and easily controlling heat input to a workpiece. In addition, there is an effect that the processed meat product can be provided.

第1の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成の一例を示す図、光学素子の一例を示す図、及びビームプロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the laser processing apparatus which concerns on 1st Embodiment, the figure which shows an example of an optical element, and the figure which shows an example of a beam profile. 第1の実施の形態に係るレーザ光源の、加工点における光強度分布の一例を示すグラフ、及び写真である。It is the graph and photograph which show an example of the light intensity distribution in the processing point of the laser light source concerning a 1st embodiment. 第1の実施の形態に係るレーザ加工装置による焼入れ加工の状態の一例を示す断面図、及び従来技術に係るレーザ加工装置による焼入れ加工の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the state of the hardening process by the laser processing apparatus which concerns on 1st Embodiment, and sectional drawing which shows the state of the hardening process by the laser processing apparatus which concerns on a prior art. 第2の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成の一例を示す図、及びビームプロファイルを示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the laser processing apparatus which concerns on 2nd Embodiment, and a figure which shows a beam profile. 第3の実施の形態に係る光学素子の構成の一例を示す図、及びビームプロファイルを示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the optical element which concerns on 3rd Embodiment, and a figure which shows a beam profile. 第4の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the laser processing apparatus which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施の形態に係るレーザ加工装置による肉盛り加工を用いたバルブシートの作製について説明する図である。It is a figure explaining manufacture of the valve seat using the build-up process by the laser processing apparatus which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施の形態に係るレーザ加工装置による肉盛り加工部を説明する図である。It is a figure explaining the build-up process part by the laser processing apparatus which concerns on 4th Embodiment.

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[第1の実施の形態]
図1〜図3を参照して本実施の形態に係るレーザ加工装置10について説明する。図1(a)、(c)に示すように、レーザ加工装置10は、レーザ光源12、集光素子14、及び光学素子16(光束変換部)を含んで構成されている。
[First Embodiment]
A laser processing apparatus 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1A and 1C, the laser processing apparatus 10 includes a laser light source 12, a condensing element 14, and an optical element 16 (light beam conversion unit).

レーザ光源12は、加工に際しての熱を供給する熱源であり、本実施の形態では、半導体レーザを用いて構成されている。レーザ光源12は、図示しないコリメートレンズを内蔵し、半導体レーザから出射された平行光を光束Lとして出力する。また、レーザ光源12を構成する半導体レーザは、単体の半導体レーザであってもよいし、発光点が複数配列された半導体レーザアレイであってもよい。また、本実施の形態では、光束Lを平行光としているが、これに限られず、例えば被加工物Wの加工点Pに向けて一定程度集光された光束Lでもよい。   The laser light source 12 is a heat source that supplies heat at the time of processing. In the present embodiment, the laser light source 12 is configured using a semiconductor laser. The laser light source 12 includes a collimator lens (not shown) and outputs parallel light emitted from the semiconductor laser as a light beam L. Further, the semiconductor laser constituting the laser light source 12 may be a single semiconductor laser or a semiconductor laser array in which a plurality of light emitting points are arranged. In the present embodiment, the light beam L is parallel light. However, the present invention is not limited to this. For example, the light beam L condensed to a certain degree toward the processing point P of the workpiece W may be used.

なお、本実施の形態では、レーザ光源12として半導体レーザを用いた形態を例示して説明するが、これ限られず、Nd:YAG(ネオジウム:イットリウム・アルミニウム・ガーネット)固体レーザ、ファイバレーザ、ファイバ伝送式レーザ(固体レーザの出力や、半導体レーザの出力を光ファイバで伝送する方式の光源)等、他の形態のレーザ光源を用いてもよい。   In the present embodiment, an example in which a semiconductor laser is used as the laser light source 12 will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and an Nd: YAG (neodymium: yttrium, aluminum, garnet) solid state laser, fiber laser, and fiber transmission Other types of laser light sources, such as a type laser (a light source that transmits a solid-state laser output or a semiconductor laser output using an optical fiber), may be used.

集光素子14は、光束Lを被加工物Wの加工点Pに向けて集光する素子であり、例えばレンズを用いることができる。集光素子14を構成するレンズは、単体であっても複数枚のレンズ群であってもよい。   The condensing element 14 is an element that condenses the light beam L toward the processing point P of the workpiece W, and for example, a lens can be used. The lens constituting the condensing element 14 may be a single lens or a plurality of lens groups.

本実施の形態に係る光学素子16はレンズ作用を有し、光束Lの一部の光軸を変換することにより、レーザ光源12のビームプロファイルを変更する素子である。光学素子16は、例えばレーザ加工装置10の加工トーチ内に配置される。集光素子14と光学素子16とを含んで、本実施の形態に係る光学系20が構成されている。本実施の形態に係る光学素子16は、図1(e)に示すように、一例として円柱状の外形を有し、レーザ光源12の波長に対して透明な素材、例えば石英等で形成されている。つまり、本実施の形態に係る光学素子16は、石英棒(石英ロッド)である。なお、加工トーチとは、レーザ光を出射するヘッド部分であり、一般に円筒と円錐とが接続された形状をなしている。   The optical element 16 according to the present embodiment is an element that has a lens action and changes the beam profile of the laser light source 12 by converting a part of the optical axis of the light beam L. The optical element 16 is disposed, for example, in a processing torch of the laser processing apparatus 10. An optical system 20 according to the present embodiment is configured including the condensing element 14 and the optical element 16. As shown in FIG. 1E, the optical element 16 according to the present embodiment has a cylindrical outer shape as an example, and is formed of a material transparent to the wavelength of the laser light source 12, such as quartz. Yes. That is, the optical element 16 according to the present embodiment is a quartz rod (quartz rod). The processing torch is a head portion that emits laser light, and generally has a shape in which a cylinder and a cone are connected.

ここで、高出力(例えば、数kW)レーザを有するレーザ加工装置によってレーザ加工を行う場合、加工点での光強度分布を検討しながら加工特性(穴開け、溶接、焼入れなどの加工状態)を向上させたい場合がある。一般に、集光点(加工点)の光強度分布を変えるには、特殊レンズなどにより構成されるさまざまな光学系を試作し、加工の状態を観察しながら光学系の適否を判断する必要があった。その結果、従来技術に係るレーザ加工装置では、光学系決定までの試行錯誤のための多大な時間と費用を要した。   Here, when laser processing is performed by a laser processing apparatus having a high-power (for example, several kW) laser, processing characteristics (processing conditions such as drilling, welding, and quenching) are examined while examining the light intensity distribution at the processing point. Sometimes you want to improve. In general, in order to change the light intensity distribution at the focal point (processing point), it is necessary to prototype various optical systems composed of special lenses and determine the suitability of the optical system while observing the processing state. It was. As a result, the laser processing apparatus according to the prior art requires a great amount of time and cost for trial and error until the optical system is determined.

そのため、本実施の形態では、簡便にビームプロファイルを変更することが可能な光学系20を採用した。すなわち、光束Lの光路の途中に、石英棒のようなレンズ効果のある光学部品を配置する。この場合、石英棒のレンズ効果により、石英棒を透過するレーザ光は石英棒を挿入する以前の集光点以外で集光点を作り、本来の集光点では発散される。このようにして、石英棒を通過するレーザ光に部分的な損失を生じさせることにより、本来の集光点での光強度分布を調整している。   Therefore, in the present embodiment, the optical system 20 that can easily change the beam profile is employed. That is, an optical component having a lens effect such as a quartz rod is disposed in the optical path of the light beam L. In this case, due to the lens effect of the quartz rod, the laser light passing through the quartz rod creates a condensing point other than the condensing point before the quartz rod is inserted, and diverges at the original condensing point. In this way, the light intensity distribution at the original condensing point is adjusted by causing a partial loss in the laser light passing through the quartz rod.

上記構成を備えるにより、本実施の形態に係るレーザ加工装置10では、光学系決定までの時間と費用を大幅に削減することが可能となった。また、ビームプロファイルを容易に変更可能とすることによって、本実施の形態に係るレーザ加工装置10では、被加工物に対する入熱分布も容易に調整可能となっている。以下、本実施の形態に係る光学素子16の作用について、より詳細に説明する。   With the above configuration, the laser processing apparatus 10 according to the present embodiment can significantly reduce the time and cost for determining the optical system. Further, by making it possible to easily change the beam profile, in the laser processing apparatus 10 according to the present embodiment, the heat input distribution to the workpiece can be easily adjusted. Hereinafter, the operation of the optical element 16 according to the present embodiment will be described in more detail.

図1(b)及び(d)に、光学系20によって加工点Pに形成されるスポットS(ビームプロファイル、あるいは照射パターン)を示す。図1(b)及び(d)に示すように、本実施の形態に係るスポットSは、全体が略円形状をなすと共に、直径方向に延伸するスリット部Bを有している。スリット部Bは、スリット部Bの周辺の領域よりも光強度が低い領域である。つまり、本実施の形態に係るレーザ加工装置10では、スポットSを、中心部分における光強度が線状に低下された不均一な光強度分布を有する形状とすることにより、中心部分にレーザ光のパワーが集中しないようにすることが可能となっている。   FIGS. 1B and 1D show a spot S (beam profile or irradiation pattern) formed at a processing point P by the optical system 20. As shown in FIGS. 1B and 1D, the spot S according to the present embodiment has a substantially circular shape as a whole and has a slit portion B extending in the diameter direction. The slit part B is an area where the light intensity is lower than the area around the slit part B. That is, in the laser processing apparatus 10 according to the present embodiment, the spot S is formed into a shape having a non-uniform light intensity distribution in which the light intensity in the center portion is linearly reduced, so that the laser beam is focused on the center portion. It is possible to keep power from concentrating.

より具体的には、光束Lは、集光素子14によって集光された結果、加工点Pあるいは加工点Pの近傍において集光点(結像点)を形成しようとする。しかしながら、集光点を形成しようする光束Lは、図1(c)に示すように、光学素子16のレンズ作用によって光学素子16の直径方向に沿って外側に屈折され、散免される。そのため、集光しようとする光束Lの一部が集光点に到達しないので、スポットSは均一な光強度分布とはならず、直径方向に光強度が低下されたスリット部Bを有する形状となる。換言すれば、光学素子16は、略均一な光強度分布を有する光束Lの光路を変換すると共に、光強度分布を2次元的に変換する(光強度分布に偏りをもたせる)素子である。   More specifically, as a result of the light beam L being condensed by the light condensing element 14, the light beam L tends to form a condensing point (imaging point) in the vicinity of the processing point P or the processing point P. However, as shown in FIG. 1C, the light beam L that forms a condensing point is refracted outward along the diameter direction of the optical element 16 by the lens action of the optical element 16 and is scattered. Therefore, since a part of the light beam L to be collected does not reach the condensing point, the spot S does not have a uniform light intensity distribution, and has a shape having a slit portion B whose light intensity is reduced in the diameter direction. Become. In other words, the optical element 16 is an element that converts the optical path of the light beam L having a substantially uniform light intensity distribution and two-dimensionally converts the light intensity distribution (makes the light intensity distribution biased).

なお、本実施の形態では、スポットSが略円形状である形態を例示して説明するが、これに限られず、例えば楕円形状、矩形形状等、加工目的等に応じて適切な形状の形態としてよい。また、本実施の形態では、スリット部BがスポットSの外形端まで到達する形態を例示して説明するが、これ限られず、スリット部BがスポットSの外形に含まれるような形態としてもよい。さらに、本実施の形態では、スリット部BがスポットSの中央部(直径に相当する部分)に配置された形態を例示して説明するが、これに限られず、スリット部BがスポットSの周辺部の偏った位置に配置された形態としてもよい。   In the present embodiment, a description will be given by exemplifying a form in which the spot S has a substantially circular shape. However, the present invention is not limited to this. Good. Further, in the present embodiment, a description is given of an example in which the slit portion B reaches the outer edge of the spot S. However, the present invention is not limited to this, and the slit portion B may be included in the outer shape of the spot S. . Furthermore, in the present embodiment, a description will be given by exemplifying a form in which the slit portion B is arranged at the center portion (the portion corresponding to the diameter) of the spot S. It is good also as a form arrange | positioned in the position where the part biased.

図2を参照して、レーザ加工装置10におけるレーザビームのスポットSの、実際の観測結果について説明する。図2では、光学素子16と加工点Pとの距離d(図1(a)参照)をパラメータとしている。   With reference to FIG. 2, the actual observation result of the spot S of the laser beam in the laser processing apparatus 10 will be described. In FIG. 2, the distance d (see FIG. 1 (a)) between the optical element 16 and the processing point P is used as a parameter.

本観察では、図1(a)に示すレーザ加工装置10において、集光素子14の焦点距離fをf=380mmとし、光学素子16の直径を1mmとした。図2(a)は、d=19mmとした場合の、図1(b)に示すA−A’方向の光強度分布を、図2(b)は、スポットSの写真を示している。また、図2(c)は、d=64mmとした場合の、図1(b)に示すA−A’方向の光強度分布を、図2(d)は、スポットSの写真を示している。   In this observation, in the laser processing apparatus 10 shown in FIG. 1A, the focal length f of the light converging element 14 is set to f = 380 mm, and the diameter of the optical element 16 is set to 1 mm. 2A shows the light intensity distribution in the A-A ′ direction shown in FIG. 1B when d = 19 mm, and FIG. 2B shows a photograph of the spot S. 2C shows the light intensity distribution in the AA ′ direction shown in FIG. 1B when d = 64 mm, and FIG. 2D shows a photograph of the spot S. .

図2(a)、(c)に示すように、スポットSの光強度分布は、スリット部Bに対応して、中央付近に凹部Cを有する形状となる。図2(a)と図2(c)とを、また図2(b)と図2(d)とを比較して明らかなように、距離dが19mmの場合のスリット部Bは、距離dが64mmの場合のスリット部Bよりもスリット部Bの部分の光強度がより低下し、スリット部B以外の領域との境界もより明瞭となっている。換言すれば、距離dを大きくすることにより、スリット部Bでの光強度の低下を抑制すると共に、光強度分布をよりブロードにできることがわかる。つまり、本実施の形態では、一例として、光学素子16と加工点Pとの距離dを調整して、加工点PにおけるスポットSの光強度分布を調整することができる。   As shown in FIGS. 2A and 2C, the light intensity distribution of the spot S has a shape having a concave portion C near the center corresponding to the slit portion B. 2A and 2C, and FIG. 2B and FIG. 2D, the slit portion B when the distance d is 19 mm has a distance d. The light intensity at the portion of the slit portion B is lower than that at the slit portion B in the case of 64 mm, and the boundary with the region other than the slit portion B becomes clearer. In other words, it can be seen that by increasing the distance d, it is possible to suppress a decrease in light intensity at the slit portion B and to broaden the light intensity distribution. That is, in the present embodiment, as an example, the light intensity distribution of the spot S at the processing point P can be adjusted by adjusting the distance d between the optical element 16 and the processing point P.

次に、図3を参照して、本実施の形態に係るレーザ加工装置10によって実際に焼入れ加工を行った場合の試行結果について説明する。図3(a)は、本実施の形態に係るレーザ加工装置10で金属母材104に焼入れ加工を行った場合の、焼入れ部100を示す断面図、図3(b)は、従来技術に係るレーザ加工装置で金属母材104に金属焼入れ加工を行った場合の、焼入れ部102を示す断面図である。なお、従来技術に係るレーザ加工装置は、図1(a)、(c)において光学素子16を除いた構成を有するレーザ加工装置であり、そのビームプロファイルは、例えば図2(a)において中央付近の凹部Cがない形状となっている。   Next, with reference to FIG. 3, a description will be given of trial results when the quenching process is actually performed by the laser processing apparatus 10 according to the present embodiment. FIG. 3A is a cross-sectional view showing the quenched portion 100 when the metal base material 104 is quenched by the laser machining apparatus 10 according to the present embodiment, and FIG. 3B is related to the prior art. It is sectional drawing which shows the hardening part 102 at the time of performing a metal hardening process to the metal base material 104 with a laser processing apparatus. The laser processing apparatus according to the prior art is a laser processing apparatus having a configuration excluding the optical element 16 in FIGS. 1A and 1C, and its beam profile is, for example, near the center in FIG. The shape has no concave portion C.

図3(a)と(b)とを比較して明らかなように、従来技術に係るレーザ加工装置では中央部に過大な焼入れ加工部(入熱)が発生するのに対し、本実施の形態に係るレーザ加工装置10によれば、浅く広い領域に焼入れが可能となることがわかる。すなわち、本実施の形態に係るレーザ加工装置10によれば、加工目的等に応じて最適な入熱プロファイルを設定することが可能である。   As apparent from comparison between FIGS. 3A and 3B, the laser processing apparatus according to the prior art generates an excessively hardened portion (heat input) in the center portion, whereas the present embodiment According to the laser processing apparatus 10 according to the above, it can be seen that quenching can be performed in a shallow and wide area. That is, according to the laser processing apparatus 10 according to the present embodiment, it is possible to set an optimal heat input profile according to the processing purpose and the like.

以上、詳述したように、本実施の形態に係るレーザ加工装置、光学系、及びレーザ加工方法によれば、簡易な構成で加工点における光強度分布を柔軟に変えることができ、被加工物に対する入熱を容易に制御することができるという効果を奏する   As described above in detail, according to the laser processing apparatus, the optical system, and the laser processing method according to the present embodiment, the light intensity distribution at the processing point can be flexibly changed with a simple configuration, and the workpiece There is an effect that heat input to can be easily controlled.

[第2の実施の形態]
図4を参照して、本実施の形態に係るレーザ加工装置10aについて説明する。本実施の形態に係るレーザ加工装置10aは、上記のレーザ加工装置10において、光学素子16及び光学系20を、光学素子16a及び光学系20aに変更したものである。従って、光学素子16a及び光学系20a以外の構成はレーザ加工装置10と同様なので、同様の構成には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
[Second Embodiment]
With reference to FIG. 4, the laser processing apparatus 10a which concerns on this Embodiment is demonstrated. The laser processing apparatus 10a according to the present embodiment is obtained by changing the optical element 16 and the optical system 20 to the optical element 16a and the optical system 20a in the laser processing apparatus 10 described above. Therefore, since the configuration other than the optical element 16a and the optical system 20a is the same as that of the laser processing apparatus 10, the same reference numerals are given to the same configurations, and detailed description thereof is omitted.

図4(a)、(c)に示すように、レーザ加工装置10aの光学素子16aは、金属で板状に形成されたマスクとされている。金属の材料は、レーザ加工装置10aのレーザ光の波長に対して、反射特性(一部吸収特性)を示すような材料が選択される。レーザ加工装置10aでも、図4(b)、(d)に示すように、スリット部Bを有するスポットSを形成することができる。ただし、本実施の形態では、金属が一般に、kW級のレーザ光の一部を吸収することで溶融することから、レーザ光源12の波長と、光学素子16aの反射(吸収)特性との関係等について十分に検討することが好ましい。   As shown in FIGS. 4A and 4C, the optical element 16a of the laser processing apparatus 10a is a mask formed of a metal plate. As the metal material, a material that exhibits reflection characteristics (partial absorption characteristics) with respect to the wavelength of the laser beam of the laser processing apparatus 10a is selected. Also in the laser processing apparatus 10a, as shown in FIGS. 4B and 4D, the spot S having the slit portion B can be formed. However, in the present embodiment, since the metal generally melts by absorbing a part of the kW class laser beam, the relationship between the wavelength of the laser light source 12 and the reflection (absorption) characteristics of the optical element 16a, etc. It is preferable to fully examine the above.

[第3の実施の形態]
図5を参照して、本実施の形態に係るレーザ加工装置10bについて説明する。図5(a)は、本実施の形態に係る光学素子16bの平面図、及び側面図であり、図5(b)は、光学素子16bによって形成されるスポットSを示す図である。レーザ加工装置10bは、上記実施の形態に係るレーザ加工装置10において、光学素子16、光学系20を、各々光学素子16b、光学系20bに変更したものである。従って、レーザ加工装置10bのその他の構成はレーザ加工装置10と同様なので、図示を省略する。
また、光学系20bが、集光素子14と光学素子16bを含んで構成されることもレーザ加工装置10と同様なので、図示を省略する。
[Third Embodiment]
With reference to FIG. 5, the laser processing apparatus 10b which concerns on this Embodiment is demonstrated. FIG. 5A is a plan view and a side view of the optical element 16b according to the present embodiment, and FIG. 5B is a view showing a spot S formed by the optical element 16b. The laser processing apparatus 10b is obtained by changing the optical element 16 and the optical system 20 to the optical element 16b and the optical system 20b, respectively, in the laser processing apparatus 10 according to the above embodiment. Therefore, since the other structure of the laser processing apparatus 10b is the same as that of the laser processing apparatus 10, illustration is abbreviate | omitted.
Further, since the optical system 20b is configured to include the condensing element 14 and the optical element 16b as in the laser processing apparatus 10, the illustration is omitted.

図5(a)に示すように、本実施の形態に係る光学素子16bは、複数の石英棒、すなわち石英棒22a、石英棒22aに交差させて配置した石英棒22bと石英棒22c、及び石英棒22a、22b、22cの各々を固定する保持機構18を含んで構成されている。   As shown in FIG. 5A, the optical element 16b according to the present embodiment includes a plurality of quartz rods, that is, quartz rods 22a, quartz rods 22b and quartz rods 22c arranged so as to intersect the quartz rods 22a, and quartz. The holding mechanism 18 that fixes each of the rods 22a, 22b, and 22c is included.

図5(b)に示すように、光学素子16bによるスポットSは、石英棒22aによって形成されるスリット部Bを有するのみならず、石英棒22b及び22cによって周縁部が削除された形状となる。このように、本実施の形態に係るレーザ加工装置10b、光学系20bによれば、例えばレーザ加工装置10bの加工トーチ中に、光学素子16bを実装固定することにより、周辺部分も含めてスポットS(照射パターン)の形状をより微細に設定することができる。   As shown in FIG. 5B, the spot S by the optical element 16b has a shape in which not only the slit portion B formed by the quartz rod 22a but also the peripheral portion is deleted by the quartz rods 22b and 22c. Thus, according to the laser processing apparatus 10b and the optical system 20b according to the present embodiment, for example, the spot S including the peripheral portion is mounted by fixing the optical element 16b during the processing torch of the laser processing apparatus 10b. The shape of (irradiation pattern) can be set more finely.

[第4の実施の形態]
図6〜図8を参照して、本実施の形態に係るレーザ加工装置70について説明する。レーザ加工装置70は、本実施の形態に係るレーザ加工装置を肉盛り加工に適用した形態である。図6(a)に示すように、レーザ加工装置70は、上記のレーザ加工装置10に、肉盛り加工を行うための金属粉末供給機構30を追加したものとなっている。従って、レーザ光源12、集光素子14、及び光学素子16を含んで構成されるレーザ加工装置10は、上記の実施の形態に係るレーザ加工装置10と同じものなので、詳細な説明は省略する。
[Fourth Embodiment]
With reference to FIGS. 6-8, the laser processing apparatus 70 which concerns on this Embodiment is demonstrated. The laser processing apparatus 70 is a form in which the laser processing apparatus according to the present embodiment is applied to build-up processing. As shown to Fig.6 (a), the laser processing apparatus 70 adds the metal powder supply mechanism 30 for performing build-up processing to said laser processing apparatus 10. As shown in FIG. Therefore, since the laser processing apparatus 10 including the laser light source 12, the condensing element 14, and the optical element 16 is the same as the laser processing apparatus 10 according to the above-described embodiment, detailed description thereof is omitted.

金属粉末供給機構30は、ノズル32、及び図示を省略する金属粉末源及びその搬送部、搬送ガス及びその搬送部、遮蔽ガス及びその搬送部を含んで構成されている。   The metal powder supply mechanism 30 includes a nozzle 32, a metal powder source (not shown) and its transport unit, a transport gas and its transport unit, a shielding gas and its transport unit.

図6(a)に示すように、ノズル32は、肉盛り部材としての金属粉末を、搬送ガス(例えば窒素ガス)と共に粉末混合ガスPGとして供給するための金属粉末・搬送ガス流路34と、肉盛り加工に際して、加工作業部位を外部から遮断するための遮蔽ガスSG(例えば窒素ガス)を供給する遮蔽ガス流路36を備えている。図6(b)示すように、ノズル32は、+Y方向から見ると、金属粉末・搬送ガス流路34と遮蔽ガス流路36とが、同心円状に配置された構成となっている。そして、レーザ加工装置70では、光束Lを加工点に照射しつつノズル32から金属粉末を噴射させて肉盛り加工を行う。その際、肉盛り加工を行っている作業部位を遮蔽ガスSGでシールドし、作業部位の周辺が、搬送ガスの雰囲気に維持されるようにしている。   As shown in FIG. 6A, the nozzle 32 includes a metal powder / carrier gas flow path 34 for supplying metal powder as a build-up member as a powder mixed gas PG together with a carrier gas (for example, nitrogen gas), A shield gas flow path 36 for supplying a shielding gas SG (for example, nitrogen gas) for shutting off the processing work site from the outside during the build-up processing is provided. As shown in FIG. 6B, the nozzle 32 has a configuration in which the metal powder / carrier gas channel 34 and the shielding gas channel 36 are arranged concentrically when viewed from the + Y direction. In the laser processing apparatus 70, the metal powder is ejected from the nozzle 32 while irradiating the processing beam with the light beam L to perform the overlay processing. At this time, the work site where the build-up process is performed is shielded with the shielding gas SG so that the periphery of the work site is maintained in the atmosphere of the carrier gas.

肉盛り加工では、粉末あるいはワイヤ等の形態で供給された材料(肉盛り部材)を、母材の表面に溶融接合させる。肉盛り加工におけるスポットSのエネルギー密度は、肉盛り部材を溶融するのに十分であり、かつ入熱される熱量が極力抑制されると共に、熱影響部(入熱に際し、該入熱の影響の及ぶ範囲)が極力狭くされる(母材の入熱による歪が極力少なくされる)程度とされることが望ましい。また、肉盛り加工においては、溶融した母材が肉盛り部材に拡散する、いわゆる希釈という現象が程度の差はあっても必然的に発生する。ところが、この母材の拡散が過度に進み、この希釈部の領域が大きくなると、肉盛り部に割れが発生したり、肉盛り部の特性が劣化し硬くて脆くなるという問題が発生する。   In the build-up processing, a material (build-up member) supplied in the form of powder or wire is melt bonded to the surface of the base material. The energy density of the spot S in the build-up process is sufficient to melt the build-up member, and the amount of heat input is suppressed as much as possible, and the heat-affected zone (influence of the heat input upon heat input) It is desirable that the range is as narrow as possible (distortion due to heat input to the base material is minimized). In addition, in the build-up processing, a so-called dilution phenomenon in which the molten base material diffuses into the build-up member inevitably occurs to some extent. However, when the diffusion of the base material progresses excessively and the area of the diluted portion becomes large, there arises a problem that cracks occur in the build-up portion, and the characteristics of the build-up portion deteriorate and become hard and brittle.

上記点に関し、光学素子16、光学系20を使用しない従来技術に係るレーザ加工装置のスポットSのエネルギー密度は、一般に、スポットSの中央部分にレーザ光源のエネルギーが集中している。このような従来技術に係るスポットSのエネルギー密度は、上記のようなエネルギー密度が要求される肉盛り加工に適したエネルギー密度とは必ずしも一致していない。また、スポットSの光強度分布を均一な分布にする従来技術もあるが、このような光強度分布を採用したとしても、中心部分で加熱し過ぎる傾向にある。   Regarding the above point, the energy density of the spot S of the laser processing apparatus according to the prior art that does not use the optical element 16 and the optical system 20 is generally such that the energy of the laser light source is concentrated in the central portion of the spot S. The energy density of the spot S according to such a conventional technique does not necessarily coincide with the energy density suitable for overlaying processing that requires the energy density as described above. In addition, there is a conventional technique in which the light intensity distribution of the spot S is made uniform, but even if such a light intensity distribution is adopted, it tends to be overheated at the central portion.

そこで、本実施の形態に係るレーザ加工装置70では、光学素子16、光学系20の作用を用いて、加工点及び加工点近傍のスポットSのエネルギー密度を、肉盛り加工において最適となるように調整している。より具体的には、スポットSの中央付近でエネルギー密度を抑制することにより、つまり、線状の中央付近のエネルギーを両側に分散させることにより、加工点及び加工点近傍における入熱分布が均一になるようにしている。その結果、加工点及び加工点近傍における熱の集中が緩和され、肉盛り部材を均一に溶融しつつ、しかも母材を溶融し過ぎることが抑制され、高品質の肉盛り加工品を得ることができる。   Therefore, in the laser processing apparatus 70 according to the present embodiment, the energy density of the processing point and the spot S in the vicinity of the processing point is optimized in the overlay processing by using the action of the optical element 16 and the optical system 20. It is adjusted. More specifically, by suppressing the energy density in the vicinity of the center of the spot S, that is, by dispersing the energy in the vicinity of the linear center on both sides, the processing point and the heat input distribution in the vicinity of the processing point are made uniform. It is trying to become. As a result, the concentration of heat at the processing point and in the vicinity of the processing point is alleviated, and the build-up member is uniformly melted, and the base material is prevented from being melted too much, thereby obtaining a high-quality build-up product. it can.

次に、図7及び図8を参照して、レーザ加工装置70による肉盛り加工を、エンジン(内燃機関)のシリンダヘッドのバルブシートの形成に適用した場合を例示して、より詳細に説明する。図7(a)は、シリンダヘッドを示す断面図、図7(b)は、肉盛り加工を説明するための斜視図である。また、図8は、当該肉盛り加工によって形成された肉盛り部の断面の状態を、従来技術による肉盛り部の断面の状態と比較して示した図である。   Next, with reference to FIG. 7 and FIG. 8, the case where the build-up processing by the laser processing apparatus 70 is applied to the formation of the valve seat of the cylinder head of the engine (internal combustion engine) will be described in detail. . Fig.7 (a) is sectional drawing which shows a cylinder head, FIG.7 (b) is a perspective view for demonstrating build-up processing. FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional state of the built-up portion formed by the build-up processing in comparison with a cross-sectional state of the built-up portion according to the conventional technique.

図7(a)に示すように、エンジンの一部を構成するシリンダヘッド60の給排気用バルブ孔64の周縁部には、肉盛り加工によって形成されたバルブシート66が設けられている。このバルブシート66にバルブ68が当接したり、離間したりして、エンジン動作における吸気及び排気が行われる。従って、このバルブシート66は、硬度が高くなければならず、また、バルブシート66には、気密性と共に耐摩耗性が要求される。本実施の形態に係るレーザ加工装置70を用いた肉盛り加工は、このような特性が要求されるバルブシートの形成に好適に用いることができる。   As shown in FIG. 7A, a valve seat 66 formed by overlaying is provided on the peripheral edge of the air supply / exhaust valve hole 64 of the cylinder head 60 constituting a part of the engine. The valve 68 abuts on or separates from the valve seat 66, and intake and exhaust are performed during engine operation. Therefore, the valve seat 66 must have high hardness, and the valve seat 66 is required to have airtightness and wear resistance. The build-up processing using the laser processing apparatus 70 according to the present embodiment can be suitably used for forming a valve seat that requires such characteristics.

図7(b)に示すように、シリンダヘッド60には、一例として4個の給排気用バルブ孔64が設けられている。各給排気用バルブ孔64の周縁部には、シート面62が形成されている。このシート面62には、肉盛り部を形成するための溝が設けられる場合もある。本実施の形態では、シリンダヘッド60をアルミニウムで形成し、バルブシート66を銅で形成する形態を例示して説明する。なお、シリンダヘッド60を形成するアルミニウムはアルミニウム合金であってもよいし、バルブシート66を形成する銅は銅合金であってもよい。むろん、金属の組み合わせもこれらに限られず、他の金属の組合せを適用してもよい。   As shown in FIG. 7B, the cylinder head 60 is provided with four supply / exhaust valve holes 64 as an example. A seat surface 62 is formed at the peripheral edge of each air supply / exhaust valve hole 64. The sheet surface 62 may be provided with a groove for forming a built-up portion. In the present embodiment, an example in which the cylinder head 60 is formed of aluminum and the valve seat 66 is formed of copper will be described. The aluminum forming the cylinder head 60 may be an aluminum alloy, and the copper forming the valve seat 66 may be a copper alloy. Of course, the combination of metals is not limited to these, and other metal combinations may be applied.

肉盛り加工を行う場合には、図7(b)に示すように、ノズル32から粉末混合ガスPGを噴出し、粉末混合ガスPGに含まれる金属粉末(本実施の形態では銅粉末)に、レーザ光源12からの光束Lを照射する。光束Lの照射を受けて熱せられた銅粉末が溶融し、焼結してシート面62上に銅の肉盛り部が形成される。この肉盛り部を、給排気用バルブ孔64の周縁部に沿って形成することにより、バルブシート66が形成される。同様に光束Lの照射によって熱せられたシート面62のアルミニウムも溶融し、肉盛り部の下部には合金層が形成される。なお、図7(b)では、煩雑さを避けるために、図6に示すノズル32を、金属粉末・搬送ガス流路34に限定し簡略化して示している。   When performing the build-up processing, as shown in FIG. 7B, the powder mixed gas PG is ejected from the nozzle 32, and the metal powder (copper powder in the present embodiment) contained in the powder mixed gas PG is used. The light beam L from the laser light source 12 is irradiated. The copper powder heated by the irradiation of the light beam L is melted and sintered to form a copper overlay on the sheet surface 62. The valve seat 66 is formed by forming the build-up portion along the peripheral edge of the air supply / exhaust valve hole 64. Similarly, the aluminum on the sheet surface 62 heated by the irradiation of the light beam L is also melted, and an alloy layer is formed below the build-up portion. In FIG. 7B, the nozzle 32 shown in FIG. 6 is limited to the metal powder / carrier gas flow path 34 in order to avoid complexity.

図8を参照して、本実施の形態に係るレーザ加工装置70を用いて形成されたバルブシート66の断面構造について説明する。   With reference to FIG. 8, the cross-sectional structure of the valve seat 66 formed using the laser processing apparatus 70 according to the present embodiment will be described.

図8(a)は、レーザ加工装置70によって、アルミニウムの母材84上に形成された銅によるバルブシート66の断面構造を示している。図8(a)に示すように、バルブシート66は肉盛り部80を有し、肉盛り部80の下部には、母材84の内部に食い込む形で、銅とアルミニウムの合金層(希釈層)82が形成されている。この合金層82は、レーザ光源12によって入熱された部位に形成されており、合金層82の輪郭の形状は、熱影響部と略等しくなっている。   FIG. 8A shows a cross-sectional structure of the valve seat 66 made of copper formed on the aluminum base material 84 by the laser processing apparatus 70. As shown in FIG. 8A, the valve seat 66 has a built-up portion 80, and a copper-aluminum alloy layer (diluted layer) is formed below the built-up portion 80 so as to bite into the base material 84. ) 82 is formed. The alloy layer 82 is formed at a site where heat is input by the laser light source 12, and the contour shape of the alloy layer 82 is substantially equal to the heat affected zone.

図8(a)に示すように、本実施の形態に係るバルブシート66の合金層82の形状は、段等のない、単純な凹形状(椀形状)をなしている。これは、バルブシート66の形成において、加工点及び加工点近傍におけるスポットSのエネルギー密度を中央部分で抑制することにより、加工点及び加工点近傍における入熱分布を均一化したことの効果によるものである。   As shown in FIG. 8A, the shape of the alloy layer 82 of the valve seat 66 according to the present embodiment is a simple concave shape (saddle shape) having no steps. This is due to the effect of uniformizing the heat input distribution near the processing point and the processing point by suppressing the energy density of the spot S at the processing point and in the vicinity of the processing point in the formation of the valve seat 66. It is.

これに対し、図8(b)は、従来技術に係るレーザ加工装置によって母材84上に形成されたバルブシート66aを示している。バルブシート66aも肉盛り部80aを有し、肉盛り部80aの下部には合金層82aが形成されている。   On the other hand, FIG. 8B shows a valve seat 66a formed on the base material 84 by the laser processing apparatus according to the prior art. The valve seat 66a also has a build-up portion 80a, and an alloy layer 82a is formed below the build-up portion 80a.

図8(b)に示すように、バルブシート66aの合金層82aの形状は、バルブシート66の合金層82と異なり、段部Dを有している。これは、先述したように、従来技術に係るレーザ加工装置のビームスポットのエネルギー密度が、中央部分で比較的高いので、加工点の中央部分で過度に入熱されることによる。このような、過度に入熱された段部Dが存在すると、その部分の合金層82aが脆くなってしまう。本実施の形態に係るバルブシート66の合金層82は、段部D等を有さない単純な椀形状のため、このような問題の発生が抑制されている。   As shown in FIG. 8B, the shape of the alloy layer 82 a of the valve seat 66 a is different from the alloy layer 82 of the valve seat 66 and has a step portion D. As described above, this is because the energy density of the beam spot of the laser processing apparatus according to the prior art is relatively high in the central portion, and therefore excessive heat is input in the central portion of the processing point. If there is such an excessively heated step portion D, the alloy layer 82a at that portion becomes brittle. Since the alloy layer 82 of the valve seat 66 according to the present embodiment has a simple saddle shape that does not have the step portion D or the like, the occurrence of such a problem is suppressed.

なお、上記実施の形態では、光学素子を石英棒、又は金属マスクで形成する形態を例示して説明したが、これに限られず、他の材料、例えば、誘電体多層膜を用いた形態としてもよい。誘電体多層膜とは、例えばガラス等の基板上に、高屈折率と低屈折率の誘電体薄膜を交互に多層重ねた反射膜を有する反射鏡である。誘電体多層膜は、多層膜を構成する材料、及びその膜厚を変えることにより、レーザ加工装置のレーザ光の波長に対する反射率を設計することができる。このような誘電体多層膜を用いて集光途中の光束Lを反射することにより、集光点でのビームプロファイル(スポットSの形状)を調整することができる。   In the above-described embodiment, the optical element is described by using a quartz rod or a metal mask as an example. However, the present invention is not limited thereto, and other materials such as a dielectric multilayer film may be used. Good. The dielectric multilayer film is a reflector having a reflective film in which dielectric thin films having a high refractive index and a low refractive index are alternately laminated on a substrate such as glass. The dielectric multilayer film can design the reflectance with respect to the wavelength of the laser beam of a laser processing apparatus by changing the material which comprises a multilayer film, and its film thickness. The beam profile (the shape of the spot S) at the condensing point can be adjusted by reflecting the light beam L being collected using such a dielectric multilayer film.

石英棒による光学素子では、スリット部Bにおける光強度の抑制が顕著なのに対し、誘電体多層膜を用いた光学素子によれば、レーザ光源の波長に対する誘電体多層膜の透過率を変えることができるので、集光点での光強度のプロファイルをより微細に調整することができる。そのため、加工特性(入熱特性)をより緻密に制御することができる。   In the optical element using the quartz rod, the light intensity in the slit portion B is significantly suppressed, whereas the optical element using the dielectric multilayer film can change the transmittance of the dielectric multilayer film with respect to the wavelength of the laser light source. Therefore, the light intensity profile at the condensing point can be finely adjusted. Therefore, the processing characteristics (heat input characteristics) can be controlled more precisely.

10、10a、10b レーザ加工装置
12 レーザ光源
14 集光素子
16、16a、16b 光学素子
18 保持機構
20、20a、20b 光学系
22a、22b、22c 石英棒
30 金属粉末供給機構
32 ノズル
34 金属粉末・搬送ガス流路
36 遮蔽ガス流路
60 シリンダヘッド
62 シート面
64 給排気用バルブ孔
66、66a バルブシート
68 バルブ
70 レーザ加工装置
80、80a 肉盛り部
82、82a 合金層
84 母材
100、102 焼入れ部
104 金属母材
B スリット部
C 凹部
D 段部
L 光束
P 加工点
PG 粉末混合ガス
SG 遮蔽ガス
S スポット
W 被加工物
10, 10a, 10b Laser processing device 12 Laser light source 14 Condensing element 16, 16a, 16b Optical element 18 Holding mechanism 20, 20a, 20b Optical system 22a, 22b, 22c Quartz rod 30 Metal powder supply mechanism 32 Nozzle 34 Metal powder / Carrier gas flow path 36 Shielding gas flow path 60 Cylinder head 62 Seat surface 64 Air supply / exhaust valve holes 66, 66a Valve seat 68 Valve 70 Laser processing devices 80, 80a Overlay portion 82, 82a Alloy layer 84 Base material 100, 102 Quenching Part 104 Metal base material B Slit part C Concave part D Step part L Light flux P Processing point PG Powder mixed gas SG Shielding gas S Spot W Workpiece

Claims (11)

レーザ光源と、
前記レーザ光源から発生した光束を被加工物に向けて集光する集光部と、
前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有すると共に、集光点における光強度分布を不均一にする光学素子を含む光束変換部と、
を備えたレーザ加工装置。
A laser light source;
A condensing unit that condenses the light beam generated from the laser light source toward the workpiece;
A light beam conversion unit including an optical element having non-uniform transmittance with respect to the light beam collected by the light collecting unit and making the light intensity distribution at the light collecting point non-uniform;
A laser processing apparatus comprising:
前記光学素子は、円柱形状の石英により形成されている
請求項1に記載のレーザ加工装置。
The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the optical element is formed of cylindrical quartz.
前記光強度分布の形状は、外形が略円形状であり前記円形状の直径方向に光強度の低い領域を有することにより、前記光強度分布が不均一にされた
請求項1又は請求項2に記載のレーザ加工装置。
The shape of the light intensity distribution has a substantially circular outer shape, and the light intensity distribution is made non-uniform by having a low light intensity region in the diameter direction of the circular shape. The laser processing apparatus as described.
前記光束変換部は、複数の前記光学素子を含む
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。
The laser beam machining apparatus according to claim 1, wherein the light beam conversion unit includes a plurality of the optical elements.
前記レーザ光源と前記集光部との間に、前記レーザ光源から発生した光を平行光とするコリメート部をさらに備えた
請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。
The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising a collimating unit that collimates light generated from the laser light source between the laser light source and the condensing unit.
肉盛り加工を行うための肉盛り部材を供給する肉盛り部材供給部を備えた肉盛り加工部をさらに備え、
前記肉盛り加工部は、前記肉盛り部材供給部及び前記光束と、前記被加工物と、を相対的に移動させつつ前記肉盛り部材供給部から前記被加工物上に前記肉盛り部材を供給し、供給された前記肉盛り部材に前記光束を照射して肉盛り加工を行う
請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。
Further comprising a build-up processing unit provided with a build-up member supply unit for supplying a build-up member for performing build-up processing,
The build-up processing unit supplies the build-up member on the workpiece from the build-up member supply unit while relatively moving the build-up member supply unit, the light flux, and the workpiece. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the supplied build-up member is irradiated with the light flux to perform build-up processing.
前記肉盛り加工部は、前記肉盛り加工を行って、内燃機関用のシリンダヘッドのバルブシートを形成する
請求項6に記載のレーザ加工装置。
The laser processing apparatus according to claim 6, wherein the build-up processing unit performs the build-up processing to form a valve seat of a cylinder head for an internal combustion engine.
光源から発生した光束を集光する集光部と、
前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有すると共に、集光点における光強度分布を不均一にする光学素子と、
を含む光学系。
A condensing unit that condenses the luminous flux generated from the light source;
An optical element having a non-uniform transmittance with respect to the light beam collected by the light condensing unit, and a non-uniform light intensity distribution at the light collecting point;
Including optical system.
集光部により、レーザ光源から発生した光束を被加工物に向けて集光し、
前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有する光学素子を含む光束変換部により、集光点における光強度分布を不均一にする
レーザ加工方法。
Condensing the light beam generated from the laser light source toward the workpiece by the condensing unit,
A laser processing method in which a light intensity distribution at a condensing point is made non-uniform by a light beam converting unit including an optical element having a non-uniform transmittance with respect to the light beam condensed by the light collecting unit.
肉盛り加工を行うための肉盛り部材を供給する肉盛り部材供給部を備えた肉盛り加工部により、前記肉盛り部材供給部及び前記光束と、前記被加工物と、を相対的に移動させつつ前記肉盛り部材供給部から前記被加工物上に前記肉盛り部材を供給し、供給された前記肉盛り部材に前記光束を照射して肉盛り加工を行う
請求項9に記載のレーザ加工方法。
By the build-up processing part provided with the build-up member supply part which supplies the build-up member for performing build-up processing, the said build-up member supply part, the said light beam, and the said workpiece are moved relatively. The laser processing method according to claim 9, wherein the build-up member is supplied from the build-up member supply unit onto the workpiece and the build-up member is irradiated with the light beam to perform build-up processing. .
第1の金属からなる母材と、
前記母材上に第2の金属により形成された肉盛り部と、
前記母材と前記肉盛り部との間に配置された前記母材と前記肉盛り部とを溶融接合する合金部と、
を含み、前記母材と前記合金部との接合面の形状が椀形状である肉盛り加工品であって、
前記肉盛り部及び前記合金部は、前記母材上に肉盛り部材が供給されているときに、集光部により、レーザ光源から発生した光束が被加工物に向けて集光され、前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有する光学素子を含む光束変換部により、集光点における光強度分布が不均一にされることにより、供給された前記肉盛り部材に前記光束が照射され、肉盛り加工が行われることにより形成された
肉盛り加工品。
A base material made of a first metal;
A built-up portion formed of a second metal on the base material;
An alloy part that melt-joins the base material and the build-up part disposed between the base material and the build-up part;
And a build-up product in which the shape of the joint surface between the base material and the alloy part is a bowl shape,
When the build-up member is supplied on the base material, the build-up part and the alloy part are focused by the light collection unit on the light beam generated from the laser light source toward the workpiece. The above-mentioned surfacing supplied by making the light intensity distribution at the condensing point non-uniform by the light beam converting unit including an optical element having a non-uniform transmittance with respect to the light beam condensed by the light unit A build-up product formed by irradiating a member with the light beam and performing build-up processing.
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