JP2019202324A - Laser processing head and laser cutting processing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば板状のワークのレーザ切断を行うレーザ加工ヘッド及びレーザ切断加工方法に関する。さらに詳細には、コリメーションレンズとして二重焦点のコリメーションレンズを使用したレーザ加工ヘッド及び二重焦点のコリメーションレンズを透過した外層光の焦点位置と内層光の焦点位置との光軸方向の位置的関係を、ワークの板厚に対応して調節して切断加工を行うレーザ切断加工方法に関する。 The present invention relates to a laser processing head and a laser cutting processing method for performing laser cutting of, for example, a plate-shaped workpiece. More specifically, the positional relationship in the optical axis direction between the focal position of the outer layer light and the focal position of the inner layer light transmitted through the laser processing head using the bifocal collimation lens as the collimation lens and the bifocal collimation lens. The present invention relates to a laser cutting processing method in which the cutting processing is performed by adjusting the thickness according to the thickness of the workpiece.
板状のワークのレーザ切断加工を行う場合、薄板の場合には集光レンズとして短焦点レンズを備えたレーザ加工ヘッドが使用される。そして、厚板のレーザ切断加工を行う場合には、長焦点レンズを備えたレーザ加工ヘッドが使用される。すなわち、ワークの板厚が変わると、適正の集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと交換することが行われている。したがって、種々の厚さのワークのレーザ切断を連続的に行う場合、能率向上を図る上において問題がある。 When performing laser cutting processing of a plate-like workpiece, a laser processing head including a short focus lens is used as a condensing lens in the case of a thin plate. And when performing the laser cutting process of a thick plate, the laser processing head provided with the long focus lens is used. In other words, when the thickness of the workpiece changes, it is replaced with a laser processing head provided with an appropriate condenser lens. Therefore, there is a problem in improving efficiency when laser cutting of workpieces of various thicknesses is performed continuously.
そこで、１つのレーザ加工ヘッドにおいて、厚さ３ｍｍ以下の薄板、厚さ３ｍｍ〜１２ｍｍ程度の中厚板及び厚さ１２ｍｍ〜２０ｍｍ程度の厚板に対応して、レーザ光の集光径を適正に調節することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。 Therefore, in one laser processing head, the diameter of the focused laser beam is appropriately adjusted to correspond to a thin plate having a thickness of 3 mm or less, a medium thickness plate having a thickness of about 3 mm to 12 mm, and a thick plate having a thickness of about 12 mm to 20 mm. It has been proposed to adjust (see, for example, Patent Document 1).
前記特許文献１に記載の構成は、特許文献１の図１，２に概略的に示されているように、レーザ光を出射する光ファイバの出射端に対向してレーザ光の広がり角を調整するための第１のレンズが備えられている。そして、この第１のレンズに対向してコリメータレンズ（本実施形態のコリメーションレンズと同様）が備えられている。さらに、コリメータレンズによって、平行光線化されたレーザ光を集光する集光レンズが備えられている。 The configuration described in Patent Document 1 adjusts the spread angle of the laser beam so as to face the emission end of the optical fiber that emits the laser beam, as schematically shown in FIGS. A first lens is provided. A collimator lens (similar to the collimation lens of this embodiment) is provided to face the first lens. Furthermore, a condensing lens for condensing the collimated laser beam by a collimator lens is provided.
上記構成において、集光レンズを定位置に保持した状態において、第１のレンズ及びコリメータレンズを光軸方向に位置調節することによって、集光レンズによって集光されるレーザ光の集光径を調節している。したがって、レーザ光の集光径を、ワークの板厚に応じて調節できるものである。また、前記構成においては、第１のレンズ及びコリメータレンズを定位置に保持して集光レンズを光軸方向に位置調節することにより、集光径を一定に保持して集光位置を調節する構成である。 In the configuration described above, the condensing diameter of the laser light condensed by the condensing lens is adjusted by adjusting the position of the first lens and the collimator lens in the optical axis direction while the condensing lens is held at a fixed position. doing. Therefore, the condensing diameter of the laser beam can be adjusted according to the thickness of the workpiece. In the above-described configuration, the first lens and the collimator lens are held at fixed positions and the condenser lens is adjusted in the optical axis direction, thereby adjusting the condenser position while keeping the condenser diameter constant. It is a configuration.
したがって、特許文献１に記載の構成によれば、レーザ加工ヘッドを交換することなく、レーザ光の集光径及び集光位置を調節できることになる。 Therefore, according to the configuration described in Patent Document 1, the condensing diameter and condensing position of the laser light can be adjusted without exchanging the laser processing head.
しかし、特許文献１に記載の構成においては、第１のレンズ、コリメータレンズ及び集光レンズが必要であり、レンズの数が多くなるという問題がある。また、第１のレンズ、コリメータレンズ及び集光レンズの各レンズを、光軸方向に個別に移動調節自在な構成としなければならず、構成が複雑になる、という問題がある。 However, the configuration described in Patent Document 1 requires a first lens, a collimator lens, and a condenser lens, and there is a problem that the number of lenses increases. In addition, each of the first lens, the collimator lens, and the condenser lens must be configured to be individually movable and adjustable in the optical axis direction, resulting in a complicated configuration.
本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、コリメーションレンズとして、二重焦点のコリメーションレンズを使用して、レンズの数を少なくし構成の簡素化を図ったものである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and uses a bifocal collimation lens as a collimation lens to reduce the number of lenses and simplify the configuration.
したがって、本発明は、プロセスファイバーの出射端から出射されたレーザ光を平行光線化するコリメーションレンズと、コリメーションレンズを透過したレーザ光を集光してワークへ照射する集光レンズとを備えたレーザ加工ヘッドであって、
前記コリメーションレンズは、外周縁に備えたリング状の外側コリメーションレンズの内側に、内側コリメーションレンズを一体に備えた構成であり、外側コリメーションレンズの焦点距離は、内側コリメーションレンズの焦点距離よりも大である。
Accordingly, the present invention provides a laser including a collimation lens that collimates laser light emitted from the exit end of the process fiber, and a condensing lens that condenses the laser light transmitted through the collimation lens and irradiates the workpiece. A machining head,
The collimation lens has a configuration in which an inner collimation lens is integrally provided inside a ring-shaped outer collimation lens provided on the outer periphery, and the focal length of the outer collimation lens is larger than the focal length of the inner collimation lens. is there.
また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、内側コリメーションレンズの直径は、内側コリメーションレンズの焦点位置とプロセスファイバーの出射端とを一致した位置に位置決めしたときに、出射端から出射されて広がるレーザ光を入射する直径にほぼ同じになるように形成してある。 In the laser processing head, the diameter of the inner collimation lens is incident on the laser beam emitted from the emission end and spread when the focal position of the inner collimation lens and the emission end of the process fiber are aligned with each other. It is formed to be approximately the same in diameter.
また、前記レーザ加工ヘッドを使用してのレーザ切断加工方法であって、外側コリメーションレンズを透過したレーザ光の焦点位置を、内側コリメーションレンズを透過して一旦集光された後に広がる広がり角内に保持してワークのレーザ切断加工を行う。 Further, in the laser cutting processing method using the laser processing head, the focal position of the laser light transmitted through the outer collimation lens is within a spread angle that is once condensed through the inner collimation lens. Hold and perform laser cutting of the workpiece.
また、前記レーザ切断加工方法において、集光レンズによって集光された焦点位置でのモード解析図をビームフォーカスモニタの表示画面に表示し、表示されたモード解析図の面積の９８％を占める位置を基底位置とし、この基底位置からモード解析図の頂部までの中間位置を５０％としたとき、基底位置におけるモード解析図の直径をＤ１とし、中間位置の直径をＤ２としたとき、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ２の値が１．００以下である。 In the laser cutting method, a mode analysis diagram at the focal position focused by the condenser lens is displayed on the display screen of the beam focus monitor, and a position that occupies 98% of the area of the displayed mode analysis diagram. When the intermediate position from the base position to the top of the mode analysis diagram is 50%, the diameter of the mode analysis diagram at the base position is D1, and the diameter of the intermediate position is D2, (D1-D2 ) / D2 is 1.00 or less.
本発明によれば、コリメーションレンズとして二重焦点のコリメーションレンズを使用するものである。したがって、集光レンズによって集光径及び集光位置を、コリメーションレンズを光軸方向に位置調節することによって、ワークの板厚に対応して調節することができる。よって、レンズの数を少なくでき、構成の簡素化を図ることができるものである。 According to the present invention, a bifocal collimation lens is used as the collimation lens. Therefore, the condensing diameter and condensing position can be adjusted by the condensing lens according to the thickness of the workpiece by adjusting the position of the collimation lens in the optical axis direction. Therefore, the number of lenses can be reduced and the configuration can be simplified.
以下、図面を用いて本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドについて説明するに、理解を容易にするために、レーザ加工ヘッドに備えた光学系について説明する。 In the following, a laser processing head according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. For easy understanding, an optical system provided in the laser processing head will be described.
図１を参照するに、本実施形態に係るレーザ加工ヘッド１は、プロセスファイバー３の出射端３Ｅから出射されたレーザ光ＬＢを平行光線化するコリメーションレンズ５を備えている。さらに、レーザ加工ヘッド１には、前記コリメーションレンズ５を透過したレーザ光ＬＢを集光してワークＷへ照射する集光レンズ７を備えている。この集光レンズ７は、プラノコンベックスレンズ（平凸レンズ）から構成してある。そして、集光レンズ７は、レーザ加工ヘッド内で相対的に昇降可能で、常態では所定の位置に固定して備えられている。 Referring to FIG. 1, a laser processing head 1 according to the present embodiment includes a collimation lens 5 that collimates a laser beam LB emitted from an emission end 3 </ b> E of a process fiber 3. Further, the laser processing head 1 is provided with a condensing lens 7 that condenses the laser light LB transmitted through the collimation lens 5 and irradiates the work W. The condenser lens 7 is composed of a plano-convex lens (plano-convex lens). The condenser lens 7 can be moved up and down relatively in the laser processing head, and is normally fixed at a predetermined position.
前記コリメーションレンズ５は、二重焦点のコリメーションレンズである。より詳細には、コリメーションレンズ５は、外縁側に備えたリング状の外側コリメーションレンズ５Ａの内側に、内側コリメーションレンズ５Ｂを一体に備えた構成である。さらに詳細には例えば、直径ｄより内側の入射面の曲率半径が直径ｄのより外側の入射面の曲率半径より小さくなっている。但し何れの入射面も凸レンズの作用をもつものであり、球面の中心は入射面より図において下方に位置する。 The collimation lens 5 is a bifocal collimation lens. More specifically, the collimation lens 5 has a configuration in which an inner collimation lens 5B is integrally provided inside a ring-shaped outer collimation lens 5A provided on the outer edge side. More specifically, for example, the radius of curvature of the incident surface inside the diameter d is smaller than the radius of curvature of the incident surface outside the diameter d. However, any of the incident surfaces has a function of a convex lens, and the center of the spherical surface is located below the incident surface in the drawing.
そして、コリメーションレンズ５は、基準位置９Ａから集光レンズ７に近接する方向（プロセスファイバー３の出射端３Ｅから離反する方向）の厚板対応領域の一つである位置９Ｂ側へ移動可能に備えられている。また、コリメーションレンズ５は、前記基準位置９Ａからプロセスファイバー３の出射端３Ｅに近接する方向（集光レンズ７から離反する方向）の薄板対応領域の一つである位置９Ｃ側へ移動可能に備えられている。 The collimation lens 5 is provided so as to be movable toward the position 9B, which is one of the thick plate corresponding areas in the direction approaching the condenser lens 7 from the reference position 9A (the direction away from the emission end 3E of the process fiber 3). It has been. Further, the collimation lens 5 is provided so as to be movable from the reference position 9A toward the position 9C, which is one of the thin plate corresponding areas in the direction close to the emission end 3E of the process fiber 3 (the direction away from the condenser lens 7). It has been.
前記コリメーションレンズ５において、外側コリメーションレンズ５Ａの焦点距離は、内側コリメーションレンズ５Ｂの焦点距離よりも大きくしてある。換言すれば、外側コリメーションレンズ５Ａは、長焦点レンズに構成してある。そして、内側コリメーションレンズ５Ｂは短焦点レンズに構成してある。 In the collimation lens 5, the focal length of the outer collimation lens 5A is larger than the focal length of the inner collimation lens 5B. In other words, the outer collimation lens 5A is configured as a long focus lens. The inner collimation lens 5B is a short focus lens.
コリメーションレンズ５において、内側コリメーションレンズ５Ｂの直径ｄは、コリメーションレンズ５を、基準位置９Ａ（内側コリメーションレンズ５Ｂの焦点位置がプロセスファイバー３の出射端３Ｅとほぼ一致する位置）に位置決めしたときに、プロセスファイバー３の出射端３Ｅから出射されて広がるレーザ光ＬＢの径と等しくなるように構成してある。したがって、コリメーションレンズ５を、基準位置９Ａに位置決めすると、コリメーションレンズ５を透過したレーザ光ＬＢは、内側コリメーションレンズ５Ｂの径ｄに等しい径の平行光線となるものである。そして、図２（ｂ）に示すように、レーザ光ＬＢはワーク載置面Ｆ上に載置した所定厚さの中板厚のワークＷＢの上面に集光されるものである。 In the collimation lens 5, the diameter d of the inner collimation lens 5 </ b> B is determined when the collimation lens 5 is positioned at the reference position 9 </ b> A (a position where the focal position of the inner collimation lens 5 </ b> B substantially coincides with the emission end 3 </ b> E of the process fiber 3). It is configured to be equal to the diameter of the laser beam LB emitted from the emission end 3E of the process fiber 3 and spreading. Therefore, when the collimation lens 5 is positioned at the reference position 9A, the laser light LB transmitted through the collimation lens 5 becomes a parallel light beam having a diameter equal to the diameter d of the inner collimation lens 5B. Then, as shown in FIG. 2B, the laser beam LB is focused on the upper surface of the workpiece WB having a predetermined thickness and placed on the workpiece placement surface F.
なお、レーザ加工ヘッド１内で集光レンズ７を、光軸方向に位置調節することにより、集光位置ＰＡは、ワークＷＢの上面、上面から離れた位置及びワークＷＢの内部の位置の所望位置に調節することができる。ところで、前記集光位置ＰＡでのエネルギー分布を、フォーカスモニタによって観察すると、図２（ｂ−１）に示すとおりであった。 In addition, by adjusting the position of the condensing lens 7 in the optical axis direction in the laser processing head 1, the condensing position PA is set to a desired position of the upper surface of the work WB, a position away from the upper surface, and a position inside the work WB Can be adjusted to. By the way, when the energy distribution at the condensing position PA is observed with a focus monitor, it is as shown in FIG.
既に理解されるように、コリメーションレンズ５を、前記基準位置９Ａから厚板対応領域の一つである位置９Ｂの位置、すなわち、プロセスファイバー３の出射端３Ｅから基準位置９Ａよりも離れる方向の位置に移動すると、図２（ａ）に示すように、プロセスファイバー３から出射されたレーザ光ＬＢはより大きな直径となってコリメーションレンズ５に入射される。したがって、レーザ光ＬＢは、コリメーションレンズ５における外側コリメーションレンズ５Ａ及び内側コリメーションレンズ５Ｂに入射される。よって、コリメーションレンズ５を透過したレーザ光ＬＢは、図２（ａ）に示すように、外層光１１Ａと内層光１１Ｂに区分けして集光レンズ７に入射されることになる。 As already understood, the collimation lens 5 is moved from the reference position 9A to the position 9B that is one of the thick plate corresponding areas, that is, the position in the direction away from the reference position 9A from the exit end 3E of the process fiber 3. As shown in FIG. 2A, the laser beam LB emitted from the process fiber 3 is incident on the collimation lens 5 with a larger diameter. Therefore, the laser beam LB is incident on the outer collimation lens 5A and the inner collimation lens 5B in the collimation lens 5. Therefore, the laser beam LB transmitted through the collimation lens 5 is divided into an outer layer light 11A and an inner layer light 11B and is incident on the condenser lens 7 as shown in FIG.
ここで、コリメーションレンズ５における外側コリメーションレンズ５Ａは長焦点レンズに構成してあり、内側コリメーションレンズ５Ｂは短焦点レンズに構成してあるから、内層光１１Ｂは、図２（ａ）に示すように、厚板のワークＷＡの表面の外側の集光位置ＰＢに集光される。そして、集光位置ＰＢを通過すると、内層光１１Ｂは所定の広がり角でもって広がり（発散する）板金上で比較的大きな（図２（ｂ）における板金上のスポット径より大きい）スポット径を有することになる。 Here, since the outer collimation lens 5A in the collimation lens 5 is configured as a long focus lens and the inner collimation lens 5B is configured as a short focus lens, the inner layer light 11B is as shown in FIG. The light is condensed at a light condensing position PB outside the surface of the thick workpiece WA. Then, after passing through the condensing position PB, the inner layer light 11B has a relatively large spot diameter (larger than the spot diameter on the sheet metal in FIG. 2B) on the sheet metal that spreads (diverges) with a predetermined spread angle. It will be.
そして、外側コリメーションレンズ５Ａを透過した外層光１１Ａは、前記集光位置ＰＢから広がる内層光１１Ｂの広がり角内において集光することになる。この外層光１１Ａの集光位置ＰＣは、ワークＷＡの内部に位置する。すなわち、内層光１１Ｂの集光位置ＰＢと外層光１１Ａの集光位置ＰＣは、光軸方向に位置ずれした形態にある。そして、外層光１１Ａは、ワークＷＡの内部においては内層光１１Ｂの発散角内に位置し、（概念上）ワークＷＡの切断面に直接接触するものではない。 Then, the outer layer light 11A transmitted through the outer collimation lens 5A is condensed within the spreading angle of the inner layer light 11B spreading from the condensing position PB. The condensing position PC of the outer layer light 11A is located inside the workpiece WA. That is, the condensing position PB of the inner layer light 11B and the condensing position PC of the outer layer light 11A are shifted in the optical axis direction. The outer layer light 11A is located within the divergence angle of the inner layer light 11B inside the workpiece WA and (conceptually) does not directly contact the cut surface of the workpiece WA.
したがって、コリメーションレンズ５を透過して、集光レンズ７によって集光されたレーザ光ＬＢの集光部分（焦点位置）の集光径は大きなものであり、かつ集光部分の光軸方向の寸法（焦点深度）は大きなものである。よって、アシストガスによるドロスの排出性が向上するものであり、厚板の切断に適したモードとなるものである。なお、ワークＷＡの表面に対する集光位置ＰＢ，ＰＣの位置は、レーザ加工ヘッド１を光軸方向に位置調節することにより、所望の位置関係に調節することができる。 Therefore, the condensing diameter of the condensing part (focal position) of the laser light LB that has passed through the collimation lens 5 and is condensed by the condensing lens 7 is large, and the dimension of the condensing part in the optical axis direction is large. (Depth of focus) is large. Therefore, the dross discharge property by the assist gas is improved, and the mode is suitable for cutting a thick plate. The positions of the condensing positions PB and PC with respect to the surface of the workpiece WA can be adjusted to a desired positional relationship by adjusting the position of the laser processing head 1 in the optical axis direction.
すなわち、図２（ａ）に示すように、コリメーションレンズ５を厚板対応領域の位置９Ｂに位置決めすると、ワークＷＡを切断加工する部分のレーザ光ＬＢのエネルギー分布は、厚板切断に適したモードとなるものである。なお、集光位置ＰＢと集光位置ＰＣとの間におけるワーク表面のエネルギー分布をフォーカスモニタによって観察すると、図２（ａ−１）に示すとおりであった。したがって、切断幅を広くしてワークＷＡの切断を行うことができる。 That is, as shown in FIG. 2A, when the collimation lens 5 is positioned at the position 9B of the thick plate corresponding region, the energy distribution of the laser beam LB at the portion where the workpiece WA is cut is a mode suitable for thick plate cutting. It will be. In addition, when the energy distribution on the workpiece | work surface between the condensing position PB and the condensing position PC was observed with the focus monitor, it was as showing to Fig.2 (a-1). Therefore, the workpiece WA can be cut with a wider cutting width.
次に、コリメーションレンズ５を、前記基準位置９Ａからプロセスファイバー３の出射端３Ｅ側の薄板対応領域の位置９Ｃへ位置決めすると、レーザ光ＬＢは、内側コリメーションレンズ５Ｂの軸心側を透過する。この際、透過したレーザ光ＬＢは、平行光線化されることなく、所定の広がり角を保持して透過する。 Next, when the collimation lens 5 is positioned from the reference position 9A to the position 9C of the thin plate corresponding region on the emission end 3E side of the process fiber 3, the laser beam LB passes through the axial center side of the inner collimation lens 5B. At this time, the transmitted laser beam LB is transmitted while maintaining a predetermined spread angle without being converted into parallel rays.
したがって、集光レンズ７に入射されるレーザ光ＬＢの径は、コリメーションレンズ５を基準位置９Ａ、厚板対応領域の位置９Ｂに位置決めしたときよりも大径となる。よって、集光レンズ７の焦点位置（集光位置）ＰＤの集光径をより小さくすることができる。すなわち、コリメーションレンズ５を、薄板対応領域の位置９Ｃに位置決めすることによって、集光径をより小さくして薄板のワークＷＣの切断に適した形態となるものである。なお、焦点位置ＰＤは、レーザ加工ヘッド１の位置を調節することにより、ワークＷＣの上面に対して所望の位置とすることができる。そして、焦点位置ＰＤにおけるエネルギー分布は、フォーカスモニタによって観察すると、図２（ｃ−１）に示すとおりであった。 Therefore, the diameter of the laser beam LB incident on the condenser lens 7 is larger than that when the collimation lens 5 is positioned at the reference position 9A and the position 9B of the thick plate corresponding region. Therefore, the condensing diameter of the focal position (condensing position) PD of the condensing lens 7 can be further reduced. That is, by positioning the collimation lens 5 at the position 9C of the thin plate corresponding region, the condensing diameter is further reduced and the form suitable for the cutting of the thin plate work WC is obtained. The focal position PD can be set to a desired position with respect to the upper surface of the workpiece WC by adjusting the position of the laser processing head 1. The energy distribution at the focal position PD was as shown in FIG. 2C-1 when observed with a focus monitor.
以上のごとき説明から理解されるように、本実施形態においては、プロセスファイバー３の出射端３Ｅから出射されたレーザ光ＬＢを平行光線化するためのコリメーションレンズ５は、リング状の長焦点レンズに構成した外側コリメーションレンズ５Ａの内側に短焦点レンズに構成したコリメーションレンズ５Ｂを一体に備えた、二重焦点のコリメーションレンズ５に構成してある。そして、レーザ加工ヘッド１の定位置に備えた集光レンズ７に対してコリメーションレンズ５を光軸方向に位置調節可能に備えている。 As can be understood from the above description, in this embodiment, the collimation lens 5 for collimating the laser light LB emitted from the emission end 3E of the process fiber 3 is a ring-shaped long focus lens. A bifocal collimation lens 5 is integrally provided with a collimation lens 5B configured as a short focus lens inside the configured outer collimation lens 5A. The collimation lens 5 is provided so that the position of the collimation lens 5 can be adjusted in the optical axis direction with respect to the condenser lens 7 provided at a fixed position of the laser processing head 1.
すなわち、本実施形態においては、コリメーションレンズ５と、集光レンズ７を備えた簡単な構成でもって、コリメーションレンズ５を光軸方向に位置調節することにより、厚板のワークＷＡ、中厚のワークＷＢ及び薄板のワークＷＣに対応して集光径及び焦点深度を適正値に調節することができる。 That is, in the present embodiment, a thick plate workpiece WA and a medium thickness workpiece can be obtained by adjusting the position of the collimation lens 5 in the optical axis direction with a simple configuration including the collimation lens 5 and the condenser lens 7. Corresponding to the WB and the thin workpiece WC, the condensing diameter and the focal depth can be adjusted to appropriate values.
ところで、前記構成において、厚板のワークＷＡのレーザ切断加工を行う場合、外層光１１Ａは内層光１１Ｂの発散角内に位置する。したがって、ワークＷＡのレーザ切断加工を行う場合、内層光１１Ｂの発散角の影響を受けることで厚板の加工に適した状態になる。そこで、コリメーションレンズ５の位置を９Ｂの位置から９Ａの位置まで変化させて同じ材料（ＳＳ４００板厚２２ｍｍ）に対して、レーザ切断加工を行った。コリメーションレンズ５を位置９Ａ，９Ｃに位置決めした場合には、板厚２２ｍｍのワークの切断は不可能であった。 By the way, in the said structure, when performing the laser cutting process of the thick workpiece | work WA, the outer layer light 11A is located in the divergence angle of the inner layer light 11B. Therefore, when laser cutting of the workpiece WA is performed, the workpiece WA is in a state suitable for processing of a thick plate due to the influence of the divergence angle of the inner layer light 11B. Therefore, the position of the collimation lens 5 was changed from the position 9B to the position 9A, and laser cutting was performed on the same material (SS400 plate thickness 22 mm). When the collimation lens 5 was positioned at positions 9A and 9C, it was impossible to cut a workpiece having a thickness of 22 mm.
ここで、ワークの切断可能性と面精度を確認するために、コリメーションレンズ５を位置９Ｂから位置９Ａ側へ僅かに移動して切断加工を行った。 Here, in order to confirm the cutting possibility and surface accuracy of the workpiece, the collimation lens 5 was slightly moved from the position 9B to the position 9A side to perform the cutting process.
図３の写真は切断面精度の違いが現れやすい板厚２２ｍｍの切断面の上側約５ｍｍの写真である。一番上がコリメーションレンズ５の位置が９Ｂの位置の状態で、真ん中がコリメーションレンズ５の位置が９Ｂの位置から少し９Ａの位置に近づいた状態で、一番下がコリメーションレンズ５が９Ｂの位置からさらに９Ａに近づいた位置の状態の写真である。 The photograph in FIG. 3 is a photograph of about 5 mm above the cut surface having a plate thickness of 22 mm in which a difference in cut surface accuracy is likely to appear. The top position is the position of the collimation lens 5 at 9B, the middle position of the collimation lens 5 is a little closer to the position of 9A from the position of 9B, and the bottom position is the position of the collimation lens 5 is 9B. It is the photograph of the state of the position which approached 9A further.
また、図３右部の写真はそれぞれ一番上と一番下の板厚２２ｍｍの断面全体に渡る写真であるがいずれも切断可能であることが確認できた。左部の写真で明らかなように厚板の加工ではコリメーションレンズ５が９Ｂの位置の状態である一番上の写真が切断面精度は良好で、コリメーションレンズ５が９Ｂの位置から遠ざかり９Ａの位置に近づく状態になるに従い、切断面上側が粗くなる傾向であることが分かった。よって加工する厚板材料の板厚、材質に対してコリメーションレンズ５を９Ａから９Ｂに位置を適宜変更することで、面粗度が良好なコリメーションレンズ５の位置を決定することができることになる。 Moreover, although the photograph of the right part of FIG. 3 is a photograph over the whole cross section of 22 mm of plate | board thickness at the top and the bottom respectively, it has confirmed that all were cutable. As is clear from the photograph on the left, in the processing of the thick plate, the uppermost photograph in which the collimation lens 5 is at the 9B position has good cutting surface accuracy, and the collimation lens 5 is far from the 9B position and the position of 9A It has been found that the upper side of the cut surface tends to become rougher as the state approaches. Therefore, by appropriately changing the position of the collimation lens 5 from 9A to 9B with respect to the thickness and material of the thick plate material to be processed, the position of the collimation lens 5 with good surface roughness can be determined.
そこで、ビームフォーカスモニタを用いて切断位置（集光位置ＰＣ）でのモード解析を行った。そして、図４に示すように、ビームフォーカスモニタの表示画面１３において、モード解析図１５の面積の９８％を含む位置を基底位置１７とし、この基底位置１７における直径ｄ（９８％）をＤ１とした。そして、モード解析図１５の頂部１９と基底位置１７との中間位置２１における直径ｄ（５０％）をＤ２とした。ここで、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ２の値を、モード傾斜比率と定義した。したがって、図４に示したモード解析において、モード傾斜比率は、（０．７２８−０．５０３）／０．５０３≒０．４５となる。 Therefore, mode analysis at the cutting position (condensing position PC) was performed using a beam focus monitor. As shown in FIG. 4, on the display screen 13 of the beam focus monitor, a position including 98% of the area of the mode analysis diagram 15 is a base position 17, and a diameter d (98%) at the base position 17 is D1. did. The diameter d (50%) at the intermediate position 21 between the top portion 19 and the base position 17 in the mode analysis FIG. 15 was defined as D2. Here, the value of (D1-D2) / D2 was defined as the mode inclination ratio. Therefore, in the mode analysis shown in FIG. 4, the mode inclination ratio is (0.728−0.503) /0.503≈0.45.
ここで、コリメーションレンズ５の位置（９Ｃ、９Ａ、９Ｂ）をそれぞれ移動させたときにおけるモード傾斜比率および特許文献１（特許第５６２３４５５号公報）の図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）に示すように薄板、中厚板、厚板用に変化させた時のモード傾斜比率の関係を、図５に示している。 Here, the mode inclination ratio when the position (9C, 9A, 9B) of the collimation lens 5 is moved, and FIGS. 1A, 1B, and 1B of Patent Document 1 (Japanese Patent No. 5623455), FIG. FIG. 5 shows the relationship of the mode inclination ratio when the thickness is changed for thin plate, medium thickness plate and thick plate as shown in FIG.
このとき、厚さ３ｍｍ以下の薄板に対してコリメーションレンズ５を９Ｃ位置から９Ａ位置寄の位置に、厚さ３ｍｍ〜１２ｍｍ程度の中厚板に対してコリメーションレンズ５を９Ａ位置から僅かに９Ｃ位置寄りの位置から、９Ａ位置から僅かに９Ｂ位置寄りの位置に、及び厚さ１２ｍｍ〜２０ｍｍ程度の厚板に対応して、コリメーションレンズ５を僅かに９Ａ位置寄りの位置から９Ｂ位置に移動させ、薄板から厚板まで切断できることを確認した。よってレンズ等の交換をすることなく薄板は従来通りの加工特性を維持しつつ厚板まで切断できる。 At this time, the collimation lens 5 is positioned at a position near the 9A position from the 9C position with respect to a thin plate having a thickness of 3 mm or less, and the collimation lens 5 is positioned at a slightly 9C position from the 9A position with respect to a medium thickness plate of about 3 mm to 12 mm in thickness. The collimation lens 5 is moved from the position slightly closer to the 9A position to the position 9B, from the position closer to the position 9B than the position 9A, and corresponding to the thick plate having a thickness of about 12 mm to 20 mm. It was confirmed that thin to thick plates can be cut. Therefore, the thin plate can be cut to a thick plate while maintaining the conventional processing characteristics without exchanging the lens or the like.
また、各切断板厚の面粗さを確認したが、特に厚板ではモード傾斜比率が小さくなるほど切断の面粗さは小さくなり、モード傾斜比率が大きくなるほど切断の面粗さは大きくなる傾向にあることが分かった。よって本件発明の構成においては厚板においては従来技術より面粗度が良好な加工を実現できる。なお厚板の切断においてはモード傾斜比率は１．０以下でより小さい方が切断面粗度においては望ましい。参考までに、従来構成のコリメーションレンズを９Ｂ位置に相当する位置に位置決めした場合には、図５の９Ｂ位置の上側に示すように、モード傾斜比率は１．０より大きなものである。 In addition, the surface roughness of each cutting plate thickness was confirmed. Particularly, in the thick plate, the cutting surface roughness decreases as the mode inclination ratio decreases, and the cutting surface roughness tends to increase as the mode inclination ratio increases. I found out. Therefore, in the configuration of the present invention, it is possible to realize processing with a surface roughness better than that of the prior art in the thick plate. When cutting a thick plate, the mode inclination ratio is preferably 1.0 or less and smaller in terms of the cut surface roughness. For reference, when the collimation lens having the conventional configuration is positioned at a position corresponding to the 9B position, the mode inclination ratio is larger than 1.0 as shown above the 9B position in FIG.
また薄板においては、モード傾斜比率の影響より、集光径の大きさの影響が大なので、集光径が小さければ高速で面粗度の良質な加工ができ、従来と同様の加工を実現できる。 In thin plates, the effect of the size of the light condensing diameter is greater than the effect of the mode inclination ratio. Therefore, if the light condensing diameter is small, high-quality processing with high surface roughness can be achieved at high speed, and the same processing as before can be realized. .
すなわち、モード傾斜比率が大きくなることは、レーザ光がワークの切断に寄与している部分におけるレーザビームの外周面のテーパー角度が大きいことに相当するものである。したがって、ワークのレーザ切断面は、ワーク表面に対して傾斜面となり易いものである。よって、モード傾斜比率を小さく保持して、二重焦点のコリメーションレンズを光軸方向に位置調節することで、ワークの板厚に対応した加工が容易に実現できる。 That is, an increase in the mode inclination ratio corresponds to a large taper angle of the outer peripheral surface of the laser beam in a portion where the laser beam contributes to the workpiece cutting. Therefore, the laser cut surface of the workpiece is likely to be inclined with respect to the workpiece surface. Therefore, by adjusting the position of the bifocal collimation lens in the optical axis direction while keeping the mode inclination ratio small, processing corresponding to the thickness of the workpiece can be easily realized.
以上のごとき説明から理解されるように、本実施形態によれば、レーザ加工ヘッド１に備えたコリメーションレンズ５を、二重焦点のコリメーションレンズの構成としたから、ワークが薄板、中厚板、厚板の場合であっても、容易に対応可能であり、前述したごとき問題を解消し得るものである。 As understood from the above description, according to the present embodiment, since the collimation lens 5 provided in the laser processing head 1 is configured as a bifocal collimation lens, the workpiece is a thin plate, a medium thickness plate, Even in the case of a thick plate, it can be easily dealt with, and the above-described problems can be solved.
また、本実施形態によれば、コリメーションレンズ５が二重焦点のコリメーションレンズであることにより、モード傾斜比率をより小さくすることができ厚板ワークの切断面粗度のよい切断がより容易になるものである。 Moreover, according to this embodiment, since the collimation lens 5 is a bifocal collimation lens, the mode inclination ratio can be further reduced, and the cutting of the thick plate workpiece with good cutting surface roughness is facilitated. Is.
なお、本発明は、前述したごとき実施形態のみに限るものではなく、適宜の変更を行うことにより、その他の形態でもって実施可能である。すなわち、モード傾斜比率を演算する際、ビームフォーカスモニタの表示画面に表示されたモード解析図の９８％を占める位置を基底位置とした。しかし、基底位置は、９８％を占める位置に限ることなく、他の位置にすることも可能である。また、モード解析図の基底位置と頂部との中間位置を選択してモード傾斜比率を求めた。しかし、中間位置に限ることなく、基底位置寄りの位置又は頂部寄りの位置を選択することも可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in other forms by making appropriate modifications. That is, when calculating the mode inclination ratio, a position that occupies 98% of the mode analysis diagram displayed on the display screen of the beam focus monitor is set as the base position. However, the base position is not limited to the position that occupies 98%, but may be another position. Further, the mode inclination ratio was obtained by selecting an intermediate position between the base position and the top of the mode analysis diagram. However, the position closer to the base position or the position closer to the top can be selected without being limited to the intermediate position.
１ レーザ加工ヘッド
３ プロセスファイバー
５ コリメーションレンズ
５Ａ 外側コリメーションレンズ
５Ｂ 内側コリメーションレンズ
７ 集光レンズ
９Ａ 基準位置
９Ｂ 厚板対応位置
９Ｃ 薄板対応位置
１１Ａ 外層光
１１Ｂ 内層光
１３ 表示画面
１５ モード解析図
１７ 基底位置
１９ 頂部
２１ 中間位置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser processing head 3 Process fiber 5 Collimation lens 5A Outer collimation lens 5B Inner collimation lens 7 Condensing lens 9A Reference position 9B Thick plate corresponding position 9C Thin plate corresponding position 11A Outer layer light 11B Inner layer light 13 Display screen 15 Mode analysis diagram 17 Base position 19 Top 21 Intermediate position
Claims (4)
前記コリメーションレンズは、外周縁に備えたリング状の外側コリメーションレンズの内側に、内側コリメーションレンズを一体に備えた構成であり、外側コリメーションレンズの焦点距離は、内側コリメーションレンズの焦点距離よりも大であることを特徴とするレーザ加工ヘッド。 A laser processing head comprising: a collimation lens that collimates laser light emitted from the exit end of the process fiber; and a condensing lens that collects the laser light that has passed through the collimation lens and irradiates the workpiece.
The collimation lens has a configuration in which an inner collimation lens is integrally provided inside a ring-shaped outer collimation lens provided on the outer periphery, and the focal length of the outer collimation lens is larger than the focal length of the inner collimation lens. A laser processing head characterized by being.
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