JP2018034185A - レーザ加工ヘッドおよびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】様々なワークに応じた最適な集光ビームプロファイルを有するレーザビームを照射できるレーザ加工ヘッドを提供する。【解決手段】複数の波長を有するレーザビームが入射する入射口と、前記レーザビームを集光する第１集光レンズと、前記第１集光レンズにより集光された前記レーザビームをさらに集光する第２集光レンズと、前記第１集光レンズおよび前記第２集光レンズの少なくとも一方を、前記レーザビームの進行方向に沿って移動させる位置調整機構と、を備える、レーザ加工ヘッド。【選択図】図１

Description

本発明は、加工対象物をレーザ加工する際に用いられるレーザ加工ヘッドおよびこれを備えるレーザ加工装置に関し、特に、レーザ加工ヘッドの集光レンズの改良に関する。

レーザ発振器により発振されるレーザ光は、単色性および指向性に優れており、かつ、コヒーレントな光であるため、切断、穴あけ、溶接、表面処理、マーキング等の様々な工業的な加工に用いられている。

従来のレーザ加工装置およびレーザ加工ヘッドについて、図５を参照しながら説明する。図５は、レーザ加工装置の構成を模式的に示す斜視図である。図中、同様の構成および機能を備える部材には、同じ符号を付している。

レーザ加工装置２０００は、レーザビームＬＢを出射するレーザ発振器２１００と、レーザビームＬＢを導光するプロセスファイバ２３００と、レーザビームＬＢを加工対象物（ワークＷ）に向けて照射するレーザ加工ヘッド２４００と、を備える。

レーザ加工ヘッド２４００は、コリメータレンズ２４１０および集光レンズ２４２０を備える。レーザ加工ヘッド２４００に到達したレーザビームＬＢは、コリメータレンズ２４１０を介して集光レンズ２４２０（例えば、アクロマートレンズ）に入射し、密度が高められた状態でワークＷに照射される。ワークＷは、加工テーブル２５００上に固定されている。一方、レーザ加工ヘッド２４００は、Ｘ軸モータ２７１０およびＹ軸モータ２７２０によって移動可能であり、レーザ加工ヘッド２４００をワークＷに対して相対的に移動させながら、所定の加工が施される。レーザ発振器２１００、Ｘ軸モータ２７１０およびＹ軸モータ２７２０は、加工制御部２６００により制御されており、その状態は、加工制御部２６００に同期されている。

加工精度および生産性の高いレーザ加工を行うには、レーザビームＬＢの密度だけではなく、ワークＷに照射されるレーザビームＬＢの集光ビームプロファイルが重要である。集光ビームプロファイルとは、集光レンズによって集光されたレーザビームＬＢが、集光レンズから出射する際に描く軌跡であり、例えば、そのレーザビームＬＢの焦点深度ＤＦや最小のビーム径ＤＷを表している（図２Ａ〜２Ｃ、図６参照）。集光ビームプロファイルは、例えば、レーザ加工ヘッド２４００に配置される集光レンズ２４２０の光学的物性等に応じて変化する。

特許文献１および２には、複数の波長を有するレーザビームを、複数の焦点が形成されるように集光レンズで集光させることにより、焦点深度ＤＦを深くする方法が教示されている。図６に、特許文献１の方法により形成される集光ビームプロファイルを模式的に示す。特許文献１では、波長の異なる複数のレーザビームＬＢを単一の集光レンズ２４２１で集光することにより、複数の焦点を形成している。

特開２００１−３２１９７８号公報 特開２０１０−１５８６８６号公報

図７に、それぞれ異なる焦点深度を有する３種類のレーザビームＬＢを用いてワークＷ（ステンレス鋼板）を切断加工する場合の、ワークＷの厚みと切断速度との関係を表すグラフを示す。レーザビームＬＢは、いずれも出力４ｋＷのレーザ発振器から出射され、その焦点深度ＤＦは、それぞれ３ｍｍ、６ｍｍおよび９ｍｍである。

このグラフからわかるように、切断速度は、レーザビームＬＢの焦点深度およびワークＷの厚みに影響される。例えば、ワークＷの厚みが２ｍｍ未満である場合、３ｍｍの焦点深度を有するレーザビームＬＢを用いると、他の焦点深度を有するレーザビームＬＢと比較して切断速度は速くなる。ワークＷの厚みが２〜８ｍｍ程度である場合、６ｍｍの焦点深度を有するレーザビームＬＢを用いると、他の焦点深度を有するレーザビームＬＢと比較して切断速度は速くなる。ワークＷの厚みが８ｍｍを超える場合、９ｍｍの焦点深度を有するレーザビームＬＢを用いると、他の焦点深度を有するレーザビームＬＢと比較して切断速度は速くなる。板厚１６ｍｍ以上の軟鋼を切断加工する場合も、９ｍｍの焦点深度を有するレーザビームＬＢを用いると、切断速度は速くなる。なお、焦点深度とは、ビーム径が光学的に同じであると見なされる範囲であって、具体的には、ビーム半径の２√２倍の径に拡がるまでの範囲（レイリーの範囲）である。

一般的に、レーザビームＬＢの最小のビーム径（以下、ビームウエスト径ＤＷ）が大きくなると、焦点深度ＤＦは大きくなる。つまり、９ｍｍの焦点深度を有するレーザビームＬＢのビームウエスト径ＤＷは、他のレーザビームＬＢのビームウエスト径ＤＷよりも大きい。レーザビームＬＢによる切断加工は、溶融されたワークＷの一部（ドロス）に高圧ガスを噴射して、ドロスを切断部分から吹き飛ばしながら、行われる。そのため、上記の場合、ビームウエスト径ＤＷの大きい（つまり、切断の幅がより広くなる）９ｍｍの焦点深度を有するレーザビームＬＢを用いる場合に、切断速度が最も早くなる。溶接等の切断加工以外のレーザ加工においても、ワークＷの材質等により、適切な焦点深度は異なる。

しかし、従来のレーザ加工装置では、ワークＷあるいは加工条件に応じてレーザビームＬＢの焦点深度（すなわち、集光ビームプロファイル）を変えることはできない。そのため、加工精度および生産性が低下し易く、また加工されるワークの品質も低下し易い。

本発明の一局面は、複数の波長を有するレーザビームが入射する入射口と、前記レーザビームを集光する第１集光レンズと、前記第１集光レンズにより集光された前記レーザビームをさらに集光する第２集光レンズと、前記第１集光レンズおよび前記第２集光レンズの少なくとも一方を、前記レーザビームの進行方向に沿って移動させる位置調整機構と、を備える、レーザ加工ヘッドである。

本発明の他の一局面は、複数の波長を有するレーザビームを出射するレーザ発振器と、前記レーザビームが入射する上記レーザ加工ヘッドと、を備える、レーザ加工装置である。

本発明のレーザ加工ヘッドによれば、様々なワークに応じた最適な集光ビームプロファイルを有するレーザビームを照射することができる。よって、これを備えるレーザ加工装置を用いると、加工精度および生産性に優れるレーザ加工が可能となるとともに、高品質のレーザ加工品が得られる。

本発明に係るレーザ加工ヘッドの構成を模式的に示す断面図である。 ２枚の集光レンズの位置関係と、これにより集光されたレーザビームＬＢの集光ビームプロファイルと、を示す模式図である。 ２枚の集光レンズの他の位置関係と、これにより集光されたレーザビームＬＢの集光ビームプロファイルと、を示す模式図である。 ２枚の集光レンズのさらに他の位置関係と、これにより集光されたレーザビームＬＢの集光ビームプロファイルと、を示す模式図である。 ２枚の集光レンズ間の距離Ｄと焦点深度ＤＦとの関係を示すグラフである。 本発明に係るレーザ加工装置の構成を模式的に示す斜視図である。 従来のレーザ加工装置の構成を模式的に示す斜視図である。 １枚の集光レンズにより集光されたレーザビームの集光ビームプロファイルを示す模式図である。 ワークの厚みと切断速度との関係を表すグラフである。

レーザビームＬＢの集光レンズによる屈折率は、波長によって異なる。そのため、複数の波長を含むレーザビームＬＢを集光レンズにより集光させると、分散して、色収差が発生する。色収差の程度によって、集光ビームプロファイルは変化する。本実施形態のレーザ加工ヘッドは、この色収差を利用して集光ビームプロファイルを変化させて、種々のレーザ加工条件に対応するレーザビームＬＢを生成する。

具体的には、レーザ加工ヘッドに複数の集光レンズを配置し、これらの間の距離を変化させることにより、レーザビームＬＢの集光ビームプロファイルを適宜変化させる。これにより、ワークＷに、加工内容、ワークＷの厚みや材質、さらには加工形状等に応じた焦点深度を有するレーザビームＬＢを照射することができる。本実施形態は、特に、広い波長域にわたる複数の波長を有するレーザビームＬＢを用いたレーザ加工に適している。

以下、本実施形態を、図１〜図４を参照しながら説明する。図１は、本実施形態のレーザ加工ヘッドの構成を模式的に示す断面図である。図２Ａ〜２Ｃは、２枚の集光レンズの位置関係と、これにより集光されたレーザビームの集光ビームプロファイルと、を示す模式図である。図３は、２枚の集光レンズ間の距離Ｄと焦点深度ＤＦとの関係を示すグラフである。図４は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成を模式的に示す斜視図である。図中、同様の構成および機能を備える部材には、同じ符号を付している。

（レーザ加工ヘッド）
レーザ加工ヘッド４００は、レーザビームＬＢが入射する入射口４４０と、入射したレーザビームＬＢを集光する第１集光レンズ４２１と、第１集光レンズ４２１により集光されたレーザビームＬＢをさらに集光する第２集光レンズ４２２と、位置調整機構４３０と、を備える。入射口４４０に入射するレーザビームＬＢは、複数の波長を有する。位置調整機構４３０は、第１集光レンズ４２１および第２集光レンズ４２２の少なくとも一方を、レーザビームＬＢの進行方向に沿って移動させる。

レーザ加工ヘッド４００は、さらに、コリメータレンズ４１０を備えていてもよい。図４に示すように、レーザビームＬＢは、レーザ発振器１００から出射された後、プロセスファイバ３００の内部を伝搬し、レーザ加工ヘッド４００に到達する。レーザ加工ヘッド４００に到達したレーザビームＬＢは、コリメータレンズ４１０を経た後、第１集光レンズ４２１および第２集光レンズ４２２によって密度が高められて、ワークＷに照射される。

ワークＷは、加工テーブル５００上に固定されている。一方、レーザ加工ヘッド４００は、Ｘ軸モータ７１０およびＹ軸モータ７２０によって移動可能であり、レーザ加工ヘッド４００をワークＷに対して相対的に移動させながら、所定の加工が行われる。レーザ発振器１００、Ｘ軸モータ７１０およびＹ軸モータ７２０は、加工制御部６００により制御されており、その状態は、加工制御部６００に同期されている。

第１集光レンズ４２１および第２集光レンズ４２２の少なくとも一方は可動であり、両者の間の距離Ｄを変えることができる。図示例では、第１集光レンズ４２１および第２集光レンズ４２２のいずれもが、位置調整機構４３０（４３１、４３２）により、レーザビームＬＢの進行方向に沿って可動である。この場合、第１集光レンズ４２１と第２集光レンズ４２２との間の距離Ｄとともに、コリメータレンズ４１０と第１集光レンズ４２１との間の距離を変えることができる。

図２Ａに示すように、第１集光レンズ４２１と第２集光レンズ４２２との少なくとも一部が接触した状態（距離Ｄ＝０）を、基準位置Ｄ_０とする。これは、光学系で一般的に使用されるアクロマートレンズと同じ構成である。アクロマートレンズを用いる場合、レーザビームＬＢの焦点はほぼ一点に収束される。つまり、第１集光レンズ４２１と第２集光レンズ４２２とが基準位置Ｄ_０にある場合、レーザビームＬＢの色収差はもっとも小さくなって、その焦点深度ＤＦ_０は最小になる。よって、密度の高いレーザビームＬＢが得られる。このレーザビームＬＢは、例えば、薄いワークＷを切断加工するのに適している。

第１集光レンズ４２１および／または第２集光レンズ４２２を基準位置Ｄ_０から移動させて、集光レンズ間の距離Ｄを大きくすると、レーザビームＬＢの集光ビームプロファイルは変化する。例えば、図２Ｂおよび２Ｃに示すように、ビームウエスト径ＤＷのより大きいレーザビームＬＢが得られる。図２Ｂにおける集光レンズ間の距離が距離Ｄ_１、図２Ｃにおける集光レンズ間の距離が距離Ｄ_２であって、距離Ｄ_１＜Ｄ_２である場合、それぞれの焦点深度はＤＦ_１＜ＤＦ_２になり、それぞれのビームウエスト径はＤＷ_１＜ＤＷ_２になる。つまり、レンズ間の距離Ｄを大きくすると、焦点深度ＤＦおよびビームウエスト径ＤＷもまた大きくなる。ビームウエスト径ＤＷの最も大きい図２ＣのレーザビームＬＢは、例えば、より厚いワークを切断加工するのに適している。

集光レンズ間の距離Ｄと焦点深度ＤＦとの関係の一例を表すグラフを、図３に示す。ここで、レーザビームＬＢは、図４に示すレーザ加工装置１０００のレーザ加工ヘッド４００から照射されている。レーザビームＬＢは、コア径１００μｍのプロセスファイバ３００を介して、レーザ加工ヘッド４００まで伝搬されている。レーザビームＬＢは、波長域９５０ｎｍ〜１０００ｎｍの複数の波長を有している。コリメータレンズ４１０の焦点距離は１００ｍｍ、基準位置Ｄ_０にある集光レンズ４２０（第１集光レンズ４２１および第２集光レンズ４２２が少なくとも一部で接触し、１枚の集光レンズとみなされるレンズ）の焦点距離は１５０ｍｍである。

図３では、集光レンズ間の距離Ｄが０ｍｍのとき、焦点深度ＤＦは約３ｍｍである。また、結像比は１．５倍であり、ビームウエスト径は１５０μｍである。この場合における結像比は、コリメータレンズ４１０に入射するレーザビームＬＢのビーム径（具体的には、プロセスファイバ３００のコア径１００μｍ）に対する、コリメータレンズ４１０を経由して、集光レンズ４２０から出射するレーザビームＬＢのビームウエスト径ＤＷの比である。結像比は、集光レンズ間の距離Ｄによって変化する。集光レンズ間の距離Ｄが４ｍｍの場合、焦点深度ＤＦは約６ｍｍとなり、集光レンズ間の距離Ｄが８ｍｍの場合、焦点深度ＤＦは約９ｍｍとなる。

位置調整機構４３０は特に限定されず、位置決めに用いられる公知の機構を用いればよい。位置調整機構４３０としては、例えば、サーボモータ等が挙げられる。位置調整機構４３０は、レーザ加工ヘッド４００に配置される集光レンズ４２０の少なくとも１つを移動することができればよい。

レーザ加工ヘッド４００には、第１集光レンズ４２１および第２集光レンズ４２２以外の集光レンズ４２０が配置されてもよい。この場合、それぞれの集光レンズ４２０間の距離を適宜調整して、集光ビームプロファイルを制御すればよい。

集光レンズ４２０の形状も特に限定されない。図示例のように、２つの凸面を備える両凸レンズ（第１集光レンズ４２１）と、凹メニスカスレンズ（第２集光レンズ４２２）と、を組み合わせて配置してもよいし、これ以外のレンズを組み合わせてもよい。集光レンズ４２０としては、上記の両凸レンズおよび凹メニスカスレンズの他、凸面と平面とを備える平凸レンズ、凸面と凹面とを備えるとともにレンズの中央が周縁よりも厚い凸メニスカスレンズ、２つの凹面を備える両凹レンズ、凹面と平面とを備える平凹レンズ等が挙げられる。これらは、所望の集光ビームプロファイルに応じて、２以上を適宜組み合わせて用いられる。

（レーザ加工装置）
本実施形態に係るレーザ加工装置１０００は、図４に示されるように、レーザビームＬＢを出射するレーザ発振器１００と、レーザ発振器１００から出射されるレーザビームＬＢが入射するレーザ加工ヘッド４００と、を備える。レーザビームＬＢは、レーザ加工ヘッド４００からワークＷに向けて照射される。レーザ発振器１００から出射されるレーザビームＬＢは、プロセスファイバ３００により導光されて、レーザ加工ヘッド４００に入射してもよい。レーザ発振器１００からは、プロセスファイバ３００内を伝搬できる複数の波長（通常、可視光域から近赤外域）を有するレーザビームＬＢが出射される。

レーザ加工装置１０００によりワークＷを切断あるいは穴あけする場合（以下、まとめてレーザ切断と称す）、レーザ加工ヘッド４００には、ワークＷにレーザビームＬＢと同軸上で高圧ガス（高圧の酸素、窒素、大気等）を吹き付けるためのガス孔と、当該ガス孔に高圧ガスを供給するガス経路が配置される（いずれも図示せず）。レーザ切断では、レーザビームＬＢにより溶融されたワークＷの一部を高圧ガスにより除去しながら、ワークＷが切断あるいは穴あけされる。

レーザ加工装置１０００により２以上のワークＷを溶接する場合（レーザ溶接）、レーザ加工ヘッド４００には、ワークＷに不活性ガス（アルゴン、ヘリウム等）を低圧で吹き付けるためのガス孔と、当該ガス孔に不活性ガスを供給するガス経路が配置される（いずれも図示せず）。レーザビームＬＢにより溶融されたワークＷの酸化を不活性ガスにより抑制しながら、ワークＷ同士が溶接される。レーザ加工装置１０００によりワークＷを表面処理する場合も、上記と同様に、ワークＷに、例えば不活性ガスを吹き付けながらレーザビームＬＢを照射する。レーザ加工装置１０００によりワークＷにマーキングする場合、ワークＷに、所望の色に応じたガスを吹き付けながらレーザビームＬＢを照射する。

上記のとおり、レーザ加工ヘッド４００に配置される集光レンズの数、形状、および、プロセスファイバ３００のコア径が決まれば、集光レンズ間の距離Ｄに応じた焦点深度ＤＦが算出される。そこで、ワークＷの厚み等に応じた焦点深度ＤＦとこれに対応する距離Ｄとを、図示しない記憶装置に記憶させておいてもよい。このとき、レーザ加工装置１０００に、位置調整機構４３０を制御する位置制御部８００を配置する。位置制御部８００は、ワークＷに応じて設定された焦点深度ＤＦに対応する距離Ｄを満たすように、第１集光レンズ４２１および第２集光レンズ４２２の少なくとも一方をレーザビームＬＢの進行方向に沿って移動させるよう、位置調整機構４３０を制御する。これにより、レーザ加工の際に、例えば、位置制御部８００に接続する入力部（図示せず）に所望の焦点深度ＤＦを入力することにより、記憶装置に記憶された焦点深度ＤＦと距離Ｄとの関係に基づいて距離Ｄが設定され、この距離Ｄを満たすように、自動的に第１集光レンズ４２１および／または第２集光レンズ４２２が移動する。このシステムにより、生産性はさらに向上する。

レーザ発振器１００のレーザ発振機構は特に限定されず、レーザ発振の媒体として半導体を用いる半導体レーザの他、媒体として炭酸ガス（ＣＯ_２）等の気体を用いる気体レーザ、ＹＡＧ等を用いる固体レーザ、および、ファイバレーザ等が挙げられる。これらは単独で、あるいは、２以上を組み合わせて用いられる。なかでも、光品質および発振効率に優れる点で、半導体レーザが好ましい。

半導体レーザからは、その特性上、複数のレーザ光が合波されたレーザビームＬＢが出射される。これら複数のレーザ光の波長の差は比較的大きく、レーザビームＬＢには、９５０〜１０００ｎｍの広い波長域にわたるレーザ光が含まれ得る。そのため、半導体レーザから出射されるレーザビームＬＢに対して、本実施形態のレーザ加工ヘッド４００を用いると、集光ビームプロファイルの変化の程度が大きくなる。よって、より広範囲の加工条件あるいはワークＷに対応させることができる。

本発明のレーザ加工ヘッドによれば、加工内容、ワークの厚みや材質、加工形状等に応じた集光ビームプロファイルを有するレーザビームを出射できるため、種々のレーザ加工に適用できる。また、このレーザ加工ヘッドを備えるレーザ加工装置は、加工精度および生産性に優れるとともに、高い汎用性を備える。

１０００：レーザ加工装置
１００：レーザ発振器
３００：プロセスファイバ
４００：レーザ加工ヘッド
４１０：コリメータレンズ
４２０：集光レンズ
４２１：第１集光レンズ
４２２：第２集光レンズ
４３０、４３１、４３２：位置調整機構
４４０：入射口
５００：加工テーブル
６００：加工制御部
７１０：Ｘ軸モータ
７２０：Ｙ軸モータ
８００：位置制御部
２０００：レーザ加工装置
２１００：レーザ発振器
２３００：プロセスファイバ
２４００：レーザ加工ヘッド
２４１０：コリメータレンズ
２４２０、２４２１：集光レンズ
２５００：加工テーブル
２６００：加工制御部
２７１０：Ｘ軸モータ
２７２０：Ｙ軸モータ

Claims (4)

1. 複数の波長を有するレーザビームが入射する入射口と、
   前記レーザビームを集光する第１集光レンズと、
   前記第１集光レンズにより集光された前記レーザビームをさらに集光する第２集光レンズと、
   前記第１集光レンズおよび前記第２集光レンズの少なくとも一方を、前記レーザビームの進行方向に沿って移動させる位置調整機構と、を備える、レーザ加工ヘッド。
2. 複数の波長を有するレーザビームを出射するレーザ発振器と、
   前記レーザビームが入射する請求項１に記載のレーザ加工ヘッドと、を備える、レーザ加工装置。
3. さらに、前記位置調整機構を制御する位置制御部を備え、
   前記位置制御部が、加工対象物に応じて設定された前記第１集光レンズと前記第２集光レンズとの間の距離を満たすように、前記第１集光レンズおよび前記第２集光レンズの少なくとも一方を前記レーザビームの進行方向に沿って移動させるよう、前記位置調整機構を制御する、請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記レーザ発振器が、半導体レーザ発振器である、請求項２または３に記載のレーザ加工装置。

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