JP2018144085A - レーザ加工判別装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ発振器の出力の大きさによらずに、確実に、ガウジング等のレーザ加工の不良を検出してレーザ加工の良否を判別する。【解決手段】レーザ発振器から発振されたレーザ光を、レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズによって集光しワークへ照射してレーザ加工を行うレーザ加工システムにおいて、レーザ加工位置からの反射光を検出し、その反射光によりレーザ加工状態の良否を判別するレーザ加工判別装置において、レーザ加工位置からの反射光の可視光量を調整する可視光量調整器と、可視光量調整器により調整された可視光を検出する可視光検出器とを有し、レーザ発振器の定格出力に合わせて、可視光量調整器によりレーザ加工位置からの反射光の可視光量を調整する。【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ加工機によるレーザ加工時に、レーザ加工位置からの材料からの反射光によりレーザ加工状態の良否を判別するレーザ加工判別装置及び方法に係り、さらに詳細には、レーザ発振器の出力の大きさによらずに、確実にレーザ加工の良否を判別することができるレーザ加工判別装置及び方法に関するものである。

レーザ加工機によってワークのレーザ加工を行う場合、レーザ加工位置からの材料からの反射光を検出することによってレーザ加工の良否の判別が行われていた。

すなわち、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、レーザ照射ユニットに備えたベンドミラーによってワーク方向へ反射し、この反射されたレーザ光を集光レンズによって集光してワークへ照射する。そして、ワークの加工位置からの反射光を、ベンドミラー及びそのベンドミラーの後方に備えられた光学フィルタ等を透過して反射光検出器へ入射し、その反射光検出器により検出された結果により、レーザ加工の良否を判別するようにしていた。

特開２０１６―９７４０７号公報 特開２０１６―１５５１４０号公報 特開２００９―１２２８４号公報

しかしながら、レーザ加工においては、良好な切断やピアシング形成や加工不良のガウジング等の様々な加工状況があり、それぞれの状況により、反射光の強度が大きく異なる。

例えば、ガウジングのように、切断の途中にレーザ光が貫通せずに溶融した金属が材料表面に噴出してしまった不良状態では、反射光の光量が増えてしまい、特に、レーザ発振器の定格出力が大きくなると、ワークの加工位置からの反射光も強くなり、反射光検出器により検出することが出来なくなる場合があった。

なお、本明細書では、ガウジングとは、レーザ切断加工において、切断できずに溝堀りしてその溶けた金属が材料表面に噴出してしまった不良の様を言う。

すなわち、反射光検出において、レーザ発振器の定格出力の大小による反射光の強度の大小に対応出来ない問題があった。

また、ガウジングのような反射光の光量が大きい状況と、その他の反射光の光量が小さい状況とにうまく対応出来ない問題もあった。

本発明は、上記した事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、レーザ発振器の定格出力の大きさによらずに、確実にレーザ加工の良否を判別することができるレーザ加工判別装置及び方法を提供することである。

本発明は上述の問題を解決するためのものであり、請求項１に係る発明は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズによって集光しワークへ照射してレーザ加工を行うレーザ加工システムにおいて、レーザ加工位置からの反射光を検出し、その反射光によりレーザ加工状態の良否を判別するレーザ加工判別装置であって、前記レーザ加工位置からの反射光の可視光量を調整する可視光量調整器と、前記可視光量調整器により調整された可視光を検出する可視光検出器とを有し、前記レーザ発振器の定格出力に合わせて、前記可視光量調整器により前記レーザ加工位置からの反射光の可視光量を調整して前記可視光検出器により検出することを特徴とするレーザ加工判別装置である。

請求項２に係る発明は、前記可視光検出器よりの出力が、所定の閾値を越えた場合、加工異常が発生したと判断ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工判別装置である。

請求項３に係る発明は、前記レーザ加工ヘッドが、前記レーザ発振器から発振されたレーザ光を、前記集光レンズ方向へ反射するベンドミラーを備え、前記可視光量調整器が、前記ベンドミラーを透過した前記反射光の可視光量を調整することを特徴とする請求項１あるいは２に記載のレーザ加工判別装置である。

請求項４に係る発明は、前記可視光量調整器が、前記反射光の可視光量を調整するアパーチャと、前記反射光の波長を限定すると共に前記反射光の可視光量を調整する波長限定型光学素子との少なくとも１つを有することを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工判別装置である。

請求項５に係る発明は、前記アパーチャが、光を通さない円形の板状部材の任意の位置に、光を通すための所定の小径の穴を設けた構成からなり、前記波長限定型光学素子が、前記反射光の波長を限定する光学素子部と、前記光学素子部の上に設けられた空間部とから構成されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工判別装置である。

請求項６に係る発明は、前記可視光量調整器において、前記任意の位置あるいは径が異なる穴をそれぞれ持つ種々のアパーチャが入れ替え可能であり、前記空間部の厚みが異なる種々の波長限定型光学素子が入れ替え可能であり、前記レーザ発振器の定格出力に合わせて、前記種々のアパーチャおよび前記種々の波長限定型光学素子を入れ替えて、前記反射光の可視光量を調整することを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工判別装置である。

請求項７に係る発明は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズによって集光しワークへ照射してレーザ加工を行うレーザ加工システムにおいて、レーザ加工位置からの反射光を検出し、その反射光によりレーザ加工状態の良否を判別するレーザ加工判別方法であって、前記レーザ加工位置からの反射光の可視光量を調整し、その可視光を検出するにあたり、前記レーザ発振器の定格出力に合わせて、前記レーザ加工位置からの反射光の可視光量を調整することを特徴とするレーザ加工判別方法である。

本発明によれば、レーザ発振器の定格出力の大きさによらずに、確実に、ガウジング等のレーザ加工の不良を検出してレーザ加工の良否を判別することができようになる。

本発明を実施したレーザ加工判別装置を有するレーザ加工システムの概略図である。 図１に示した可視光量調整器のアパーチャの構成例を示す概略平面図である。 図１に示した可視光量調整器の波長限定型光学素子の構成例を示す概略断面図である。 厚みが短い波長限定型光学素子を用いた場合の特性グラフ図であり、（ａ）は、中心位置に種々の径の穴を設けたアパーチャを用いた場合の出力電圧のグラフであり、（ｂ）は、所定の径の穴を中心位置から種々のオフセット量だけずらしたアパーチャを用いた場合の出力電圧のグラフである。 厚みが長い波長限定型光学素子を用いた場合の特性グラフ図であり、（ａ）は、中心位置に種々の径の穴を設けたアパーチャを用いた場合の出力電圧のグラフであり、（ｂ）は、所定の径の穴を中心位置から種々のオフセット量だけずらしたアパーチャを用いた場合の出力電圧のグラフである。 図１に示した可視光量調整器のアパーチャの他の構成例を示す概略平面図である。

図１は、本発明を実施したレーザ加工判別装置を有するレーザ加工システムの概略図である。

図１に示すように、レーザ加工ヘッド１は、ファイバレーザ発振器（図示省略）から発振されたレーザ光ＬＢを、集光レンズ３方向へ反射するベンドミラー５を備えている。集光レンズ３によって集光したレーザ光ＬＢはワークＷへ照射されワークＷのレーザ加工が行われる。

このベンドミラー５は、ファイバレーザ発振器から発振された波長が１μｍ帯のレーザ光と赤いガイド光を略１００％反射し、若しくは９９.５％反射し、それ以外の可視光波長帯の光は透過する。

ワークＷのレーザ加工に際し、ワークＷの加工位置ＷＰから反射した、若しくは誘導ラマン散乱光として反射した、反射光ＲＬＢは、ベンドミラー５へ戻り、その反射光ＲＬＢの内、可視光波長帯の光ＲＬＢ１が、ベンドミラー５を透過する。

ベンドミラー５を透過した光ＲＬＢ１は、後述するように可視光量を調整するための可視光量調整器（可視光量調整手段）７に入射される。

この可視光量調整器７は筒状に形成され、光ＲＬＢ１の可視光量を調整するアパーチャ９と、光ＲＬＢ１の波長を限定するための透過型フィルタを有する波長限定型光学素子１１とからなり、この波長限定型光学素子１１も可視光量を調整する機能を有している。

すなわち、この可視光量調整器７において、アパーチャ９は、後述するように、種々の形状のアパーチャ９に入れ替え可能に構成される。それと共に、波長限定型光学素子１１は、光ＲＬＢ１の波長を限定する光学素子部１１ａと、その光学素子部１１ａの上に設けられた空間部１１ｂとからなり、波長限定型光学素子１１の厚みｄの異なる複数の波長限定型光学素子１１に入れ替え可能に構成されている。

なお、波長限定型光学素子１１では、光学素子部１１ａは同じ厚みであり、空間部１１ｂの厚みが異なるようになっている。すなわち、光学素子部１１ａの上面から空間部１１ｂの上面までの厚みが異なる。

図２は、図１に示した可視光量調整器のアパーチャの構成例を示す概略平面図である。

ここでは、アパーチャ９は、図２（ａ）に示すような、光を通さない円形の板状部材の中心位置に、光を通すための所定の小径の穴９ａを設けたものと、図２（ｂ）に示すような、光を通さない円形の板状部材の中心から所定量オフセットした位置に、光を通すための所定の小径の穴９ｂを設けたものがある。

後述するように、アパーチャ９の穴９ａの径および穴９ａのオフセット量によって、可視光量が調整され、可視光検出器１５における出力電圧が調整される。

図３は、図１に示した可視光量調整器の波長限定型光学素子の構成例を示す概略断面図である。

また、波長限定型光学素子１１は、図３（ａ）に示すような、その厚みｄの短い波長限定型光学素子１１ａと、図３（ｂ）に示すような、その厚みｄの長い波長限定型光学素子１１ｂとがある。

後述するように、波長限定型光学素子１１の厚みｄ（空間部１１ｂの厚み）によって、波長限定型光学素子１１を通る可視光量が調整され、可視光検出器１５における出力電圧が調整される。

空間部１１ｂの厚み、すなわち、光学素子部１１ａの上面からファイバ１３の入射端までの空間部分の距離により、可視光量が調整される。光学素子部１１ａの上面からファイバ１３の入射端までの空間部分の距離が長いほど、可視光量が減少する。

なお、複数のアパーチャ９および波長限定型光学素子１１の入れ替え機構については、様々な構成が考えられるが、オペレータの手動により着脱自在とする一番簡単な構成でも良いし、他の構成でも良い。

この可視光量調整器７において、ベンドミラー５を透過した光ＲＬＢ１は、アパーチャ９に入射され、アパーチャ９により可視光量が調整された光ＲＬＢ２は、透過型フィルタからなる波長限定型光学素子１１に入射され、その光学素子部１１ａで限定された波長の光が透過されると共に、その空間部１１ｂで可視光量が調整される。

この波長限定型光学素子１１の光学素子部１１ａは、光ＲＬＢ１の波長を限定するものであり、光ＲＬＢ１の所定の可視光波長帯のみ透過する。

次に、可視光量調整器７からの可視光量が調整された光は、波長限定型光学素子１１の空間部１１ｂに接して設けられたファイバ１３に入射され、ファイバ１３から可視光検出器１５へ入射される。

可視光検出器１５は、フォトダイオードと増幅器からなり、ファイバ１３から入射された可視光がフォトダイオードにより検出され、その検出された検出信号が増幅器により増幅されて電圧値として出力される。

その可視光検出器１５よりの出力は、レーザ加工機のＮＣ装置１７に入力され、このＮＣ装置１７において、例えば、可視光検出器１５よりの出力が、所定の閾値を越えた場合、加工異常が発生したと判断され、例えば、ＮＣ装置１７によりアラームが発生され、レーザ加工が中断される。

上述した可視光量調整器７、ファイバ１３、および可視光検出器１５により、レーザ加工判別装置が構成される。

次に、可視光量調整器７による可視光調整機能について説明する。

本願発明は、レーザ発振器の定格出力の大小による反射光の強度の大小や、ガウジングのような反射光の光量が大きい状況と、その他の反射光の光量が小さい状況とに対応出来るようにしたものである。

ここでは、アパーチャ９の穴９ａの径によって、可視光量が調整され、可視光検出器１５における出力電圧が調整されると共に、波長限定型光学素子１１の厚みｄによって、可視光量が調整され、可視光検出器１５における出力電圧が調整される。

図４は、その厚みｄが３ｍｍと短い波長限定型光学素子１１を用いた場合の特性グラフ図であり、（ａ）は、中心位置に種々の径の穴９ａを設けたアパーチャ９を用いた場合の出力電圧のグラフであり、（ｂ）は、１ｍｍ径の穴９ａを中心位置から種々のオフセット量だけずらしたアパーチャ９を用いた場合の出力電圧のグラフである。

図５は、その厚みｄが１１ｍｍと長い波長限定型光学素子１１を用いた場合の特性グラフ図であり、（ａ）は、中心位置に種々の径の穴９ａを設けたアパーチャ９を用いた場合の出力電圧のグラフであり、（ｂ）は、１ｍｍ径の穴９ａを中心位置から種々のオフセット量だけずらしたアパーチャ９を用いた場合の出力電圧のグラフである。

ここで、図４および図５の特性グラフにおいては、ヘッド先端のノズル部分にLEDの安定光源を差し込み、可視光をファイバ部に当て、LED光源は電流値を一定にすることで、光量を固定したもので測定した。

すなわち、レーザ加工におけるガウジングでは変動が激しく、安定したデータが取りにくいので、実際の反射光で実験したものではない。つまり、実際の反射光は常に変化するので、アパーチャの位置や大きさの変化で、計測がどのように変化するかを捉えるために、安定した光を反射光に見立て、それによって、変化の傾向を掴んだものである。

また、出力電圧とは、可視光検出器１５により検出され増幅された後、ＮＣ装置１７に出力される電圧のことである。

図４に示すように、波長限定型光学素子１１の厚みｄが３ｍｍと短い（空間部１１ｂの厚みが短く、光学素子部１１ａの上面からファイバ１３の入射端までの空間部分の距離が短い）場合と、図５に示すように、波長限定型光学素子１１の厚みｄが１１ｍｍと長い（空間部１１ｂの厚みが長く、光学素子部１１ａの上面からファイバ１３の入射端までの空間部分の距離が長い）場合では、アパーチャ９の穴９ａの径およびアパーチャ９の穴９ａのオフセット量を変数としたグラフ特性が異なる。

従って、レーザ発振器の定格出力等の条件に応じて適宜に波長限定型光学素子１１の厚みやアパーチャ９の穴９ａの径およびアパーチャ９の穴９ａのオフセット量を選択することにより、ガウジングのような反射光の光量が大きい状況と、その他の反射光の光量が小さい状況とにうまく対応出来るようになり、レーザ発振器の出力の大きさによらずに、確実にレーザ加工の良否を判別することができるようになる。

例えば、２ｋＷ〜４ｋＷの定格出力のレーザ発振器ならば、波長限定型光学素子１１の厚みｄ＝３ｍｍ、アパーチャ９の穴９ａが1個で穴径をΦ１〜Φ４と選択し、６ｋＷの定格出力のレーザ発振器ならば、波長限定型光学素子１１の厚みｄ３ｍｍ、アパーチャ９の穴９ａとしてΦ１穴を中心から１ｍｍオフセットするか、もしくは、波長限定型光学素子１１の厚みｄ＝１１ｍｍ、アパーチャ９の穴９ａとして中心穴で穴径をΦ１と選択すれば、ガウジングのような反射光の光量が大きい状況と、その他の反射光の光量が小さい状況にうまく対応出来るようになり、レーザ発振器の出力の大きさによらずに、確実にレーザ加工の良否を判別することができるようになる。

すなわち、ゲイン調整で、基準の１Ｖに調整することが容易になるため、基準電圧の２倍〜４倍（２Ｖ〜４Ｖ）に達した場合に、ガウジングと認識することができる。

従って、戻ってくる可視光レベルが高い条件でも、可視光量調整器７によりファイバ１３への入射量を減らすことが出来るので、最終的な出力電圧を抑えることができる。

この発明は前述の実施形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことにより、その他の態様で実施し得るものである。

例えば、図６（a）に示すように、中心からオフセットされた位置に２つの穴９ｃを設けたアパーチャ９を用いても良く、図６（ｂ）に示すように、中心から同心円上にオフセットされた位置に３つの穴９ｄを設けたアパーチャ９を用いても良い。また、さらに多くの穴を持つアパーチャを用いても良い。

図６は、図１に示した可視光量調整器のアパーチャの他の構成例を示す概略平面図である。

また、この実施形態では、可視光量調整器７における可視光調整機能を、アパーチャ９による可視光調整と、波長限定型光学素子１１の空間部１１ｂによる可視光調整との両方としたが、どちらか一方による可視光調整としても良い。

１…レーザ加工ヘッド
３…集光レンズ
５…ベンドミラー
７…可視光量調整器
９…アパーチャ
１１…波長限定型光学素子
１５…可視光検出器
１７…ＮＣ装置

Claims (7)

1. レーザ発振器から発振されたレーザ光を、レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズによって集光しワークへ照射してレーザ加工を行うレーザ加工システムにおいて、レーザ加工位置からの反射光を検出し、その反射光によりレーザ加工状態の良否を判別するレーザ加工判別装置であって、
   前記レーザ加工位置からの反射光の可視光量を調整する可視光量調整器と、前記可視光量調整器により調整された可視光を検出する可視光検出器とを有し、前記レーザ発振器の定格出力に合わせて、前記可視光量調整器により前記レーザ加工位置からの反射光の可視光量を調整して前記可視光検出器により検出することを特徴とするレーザ加工判別装置。
2. 前記可視光検出器よりの出力が、所定の閾値を越えた場合、加工異常が発生したと判断ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工判別装置。
3. 前記レーザ加工ヘッドが、前記レーザ発振器から発振されたレーザ光を、前記集光レンズ方向へ反射するベンドミラーを備え、前記可視光量調整器が、前記ベンドミラーを透過した前記反射光の可視光量を調整することを特徴とする請求項１あるいは２に記載のレーザ加工判別装置。
4. 前記可視光量調整器が、前記反射光の可視光量を調整するアパーチャと、前記反射光の波長を限定すると共に前記反射光の可視光量を調整する波長限定型光学素子との少なくとも１つを有することを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工判別装置。
5. 前記アパーチャが、光を通さない円形の板状部材の任意の位置に、光を通すための所定の小径の穴を設けた構成からなり、前記波長限定型光学素子が、前記反射光の波長を限定する光学素子部と、前記光学素子部の上に設けられた空間部とから構成されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工判別装置。
6. 前記可視光量調整器において、前記任意の位置あるいは径が異なる穴をそれぞれ持つ種々のアパーチャが入れ替え可能であり、前記空間部の厚みが異なる種々の波長限定型光学素子が入れ替え可能であり、前記レーザ発振器の定格出力に合わせて、前記種々のアパーチャおよび前記種々の波長限定型光学素子を入れ替えて、前記反射光の可視光量を調整することを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工判別装置。
7. レーザ発振器から発振されたレーザ光を、レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズによって集光しワークへ照射してレーザ加工を行うレーザ加工システムにおいて、レーザ加工位置からの反射光を検出し、その反射光によりレーザ加工状態の良否を判別するレーザ加工判別方法であって、
   前記レーザ加工位置からの反射光の可視光量を調整し、その可視光を検出するにあたり、前記レーザ発振器の定格出力に合わせて、前記レーザ加工位置からの反射光の可視光量を調整することを特徴とするレーザ加工判別方法。

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