JP2020199513A - レーザ加工機及びレーザ加工機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの材質、板厚などに応じた適切なレーザビームを形成可能なレーザ加工機を提供する。【解決手段】レーザ加工機１００は、レーザ発振器１１、１４と、集束レンズ１８と、ＧＩファイバ３０とを備える。レーザ発振器１１、１４は、互いに波長の異なる第１レーザビーム１２、第２レーザビーム１５を射出する。集束レンズ１８は、レーザ発振器１１、１４によって射出された第１レーザビーム及び第２レーザビームを集束させる。ＧＩファイバ３０は、集束レンズ１８によって集束された第１レーザビーム及び第２レーザビームを伝播する。第１レーザビーム及び第２レーザビームの、光ファイバに入射する入射角が互いに異なる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工機及びレーザ加工機の制御方法に関する。

従来より、レーザ加工中に融解金属内部に気泡を残して凝固するポロシティ及び融解金属が飛び散るスパッタの発生を抑制しつつ、被加工材に対し深い加工点で小面積の溶融加工が可能なレーザビームを照射する技術が知られている（特許文献１）。特許文献１に記載された方法は、ガウシアン型の第１レーザビームとトップハット型（フラットトップ型）又は環状型（リング型）の第２レーザビームとの出力を個別に制御して最適化する。

特開２０１９−４６９１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法において、レーザビームの出力の変更は可能であるものの、レーザビームのビーム径はファイバコアの径や形状、レンズなどによって固定される。このため、ワークの材質、板厚などに応じた適切なレーザビームを形成することが難しい場合がある。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ワークの材質、板厚などに応じた適切なレーザビームを形成可能なレーザ加工機及びレーザ加工機の制御方法の提供を目的とする。

本発明に係るレーザ加工機は、互いに波長の異なる第１レーザビームと第２レーザビームを射出する１または複数のレーザ発振器と、レーザ発振器によって射出された第１レーザビーム及び第２レーザビームを集束させる集束レンズと、集束レンズによって集束された第１レーザビーム及び第２レーザビームを伝播する光ファイバと、を備え、第１レーザビーム及び第２レーザビームの、光ファイバに入射する入射角が互いに異なる。

本発明に係るレーザ加工機の制御方法は、互いに波長の異なる第１レーザビームと第２レーザビームを射出し、射出された第２レーザビームを回転可能なミラーで反射させ、第１レーザビーム及びミラーによって反射した第２レーザビームを集束レンズによって集束させ、集束された第１レーザビーム及び第２レーザビームの、光ファイバに入射する入射角が互いに異なるように、少なくともミラーの角度及び集束レンズの位置のどちらか一方を制御する。

本発明によれば、ワークの材質、板厚などに応じた適切なレーザビームを形成しうる。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工機の概略構成図である。 図２は、本発明の実施形態に係るセンタービーム及びリングビームを説明する図である。 図３は、図１の一部拡大図であり、レーザビームの入射角について説明する図である。 図４は、本発明の実施形態に係るレーザビームの出力及びビーム径について説明する図である。 図５は、本発明の変形例に係るレーザ加工機の概略構成図である。 図６は、図５の一部拡大図であり、レーザビームの入射角について説明する図である。 図７は、本発明の変形例に係るレーザビームの出力及びビーム径について説明する図である。 図８は、本発明の変形例に係るセンタービーム及びリングビームを説明する図である。 図９は、レーザビームの出力及びビーム径の他の例について説明する図である。 図１０は、レーザビームの出力及びビーム径の他の例について説明する図である。 図１１は、光ファイバ内におけるレーザビームの集束位置の一例を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

（レーザ加工機の構成例）
図１を参照して、本実施形態におけるレーザ加工機１００の構成例について説明する。図１に示すように、レーザ加工機１００は、レーザビームを射出するレーザ発振器１０と、レーザ発振器１０に接続され、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームを加工ヘッド６０へと伝播するプロセスファイバ２０と、レーザビームを加工対象のワーク８０に照射してワーク８０を加工する加工ヘッド６０と、を備える。

レーザ発振器１０は、第１レーザビーム１２を射出するレーザ発振器１１と、第１レーザビーム１２を平行化し、いわゆるコリメート光に変換するコリメートレンズ１３を備える。また、レーザ発振器１０は、第２レーザビーム１５を射出するレーザ発振器１４と、第２レーザビーム１５を平行化し、コリメート光に変換するコリメートレンズ１６を備える。また、レーザ発振器１０は、コリメートレンズ１６によってコリメート光に変換された第２レーザビーム１５を反射させて第２レーザビーム１５の角度を調整するベンドミラー１７を備える。また、レーザ発振器１０は、第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５を集束させる集束レンズ１８を備える。また、レーザ発振器１０は、集束レンズ１８に接続され、集束レンズ１８の空間上の位置（ＸＹＺ軸上の位置）を制御可能なモータ１９を備える。Ｚ軸方向は、例えば、鉛直方向であり、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、Ｚ軸方向に垂直な平面（水平面）上において互いに直交する方向である。

レーザ発振器１１は、所定の波長を有する第１レーザビーム１２を射出する。例えばレーザ発振器１１がファイバレーザ発振器である場合、第１レーザビーム１２の波長は１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍである。これに対して、レーザ発振器１４は、第１レーザビーム１２の波長と異なる波長を有する第２レーザビーム１５を射出する。例えばレーザ発振器１４がＤＤＬ発振器である場合、第２レーザビーム１５の波長は９１０ｎｍ〜９５０ｎｍである。本実施形態において、レーザ発振器１４は、水平面上でレーザ発振器１１に対して９０度ずれて配置されるものとして説明するが、配置は水平面上に限定されず、９０度に限定されるものでもない。なお、第１レーザビーム１２の波長と、第２レーザビーム１５の波長は互いに異なると説明したが、１ｎｍ以上異なっていればよい。

コリメートレンズ１３によってコリメート光に変換された第１レーザビーム１２とベンドミラー１７によって反射された第２レーザビーム１５は、光学的に結合されて集束レンズ１８に入射する。なお、図示は省略するがベンドミラー１７には、ベンドミラー１７の角度を調整する回転機構が接続されており、ベンドミラー１７は回転可能である。よってベンドミラー１７による第２レーザビーム１５の反射角度は、適宜変更可能である。

なお、図示は省略するが、モータ１９にはモータ１９を制御するためのコントローラが接続されている。このコントローラから出力される制御信号に基づいてモータ１９の回転速度が制御され、モータ１９に接続される集束レンズ１８の位置が制御される。

集束レンズ１８から射出された第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５は、プロセスファイバ２０に入射する。本実施形態において、プロセスファイバ２０は、ＧＩファイバ３０と、ＧＩファイバ３０に接続するＳＩファイバ４０と、ＳＩファイバ４０に接続するＧＩファイバ５０から構成される。なお、第１レーザビーム１２はプロセスファイバ２０の軸の方向からプロセスファイバ２０に入射する。

ＧＩファイバ３０は、レーザ発振器１０に接続される。ＧＩファイバ３０は、ＧＩ（Ｇｒａｄｅｄ Ｉｎｄｅｘ）型の光ファイバであり、入射面はレーザ発振器１０に接続され、射出面はＳＩファイバ４０に接続される。また、ＧＩファイバ３０は、コアの屈折率を二次曲線に分布させた光ファイバである。ＧＩファイバ３０は、断面が円形状のコア３１と、コア３１の外側面を覆う、断面が円環形状のクラッド３２と、を有する。コア３１内の屈折率分布は、一例としてコア３１の中心からクラッド３２の方向に向かうに連れて屈折率がなだらかに減少する中心軸対称の分布形状である。ＧＩファイバ３０は、レーザ発振器１０から射出された第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５を集束するＧＲＩＮレンズとして機能する。これにより、レーザ発振器１０から射出された第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５は、コア３１の中心（中心軸上の位置）に集束する。ＧＩファイバ３０から射出された第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５は、ＳＩファイバ４０に入射する。

本実施形態において、図１の点線で囲んだ領域に示すように、第１レーザビーム１２がＧＩファイバ３０に入射する入射角と、第２レーザビーム１５がＧＩファイバ３０に入射する入射角とが異なる。詳細は後述する。

ＳＩファイバ４０は、ＳＩ（Ｓｔｅｐ Ｉｎｄｅｘ）型の光ファイバであり、入射面はＧＩファイバ３０に接続され、射出面はＧＩファイバ５０に接続される。ＳＩファイバ４０は、断面が円形状のコア４１と、コア４１の外側面を覆う、断面が円環形状のクラッド４２と、を有する。ＳＩファイバ４０ではコア４１内の屈折率分布は一様であるため、図１に示すように第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５がコア４１内で繰り返し屈折する。ＳＩファイバ４０から射出された第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５は、ＧＩファイバ５０に入射する。

ＧＩファイバ５０は、ＧＩファイバ３０と同様にＧＩ型の光ファイバであり、入射面はＳＩファイバ４０に接続され、射出面は加工ヘッド６０に接続される。ＧＩファイバ５０は、断面が円形状のコア５１と、コア５１の外側面を覆う、断面が円環形状のクラッド５２と、を有する。コア５１内の屈折率分布は、上述したコア３１内の屈折率分布と同じである。ＧＩファイバ５０から射出された第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５は、加工ヘッド６０に入射する。

加工ヘッド６０は、加工対象のワーク８０にレーザビーム（センタービーム７０とリングビーム７１）を照射するための装置であり、コリメートレンズ６１と集束レンズ６２とを有する。コリメートレンズ６１は、ＧＩファイバ５０から射出された第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５を平行化し、コリメート光に変換する。集束レンズ６２は、コリメートレンズ６１によってコリメート光に変換された第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５を集束する。そして、集束レンズ６２からワーク８０に向かってセンタービーム７０とリングビーム７１が照射される。

次に、図２を参照して、センタービーム７０とリングビーム７１について説明する。なお、本実施形態では、センタービーム７０が第１レーザビーム１２に対応するレーザビームであり、リングビーム７１が第２レーザビーム１５に対応するレーザビームとして説明するが、これに限定されない。センタービーム７０が第２レーザビーム１５に対応するレーザビームであり、リングビーム７１が第１レーザビーム１２に対応するレーザビームであってもよい。

図２に示すように、リングビーム７１はセンタービーム７０の外側をリング状に囲むビームである。センタービーム７０は主に接合用のビームとして用いられ、リングビーム７１は主に予備加熱用のビームとして用いられる。このため、主にセンタービーム７０の出力は、リングビーム７１の出力と比較して高出力である。このようなセンタービーム７０とリングビーム７１を用いた溶接は、例えばＳＥＣＣなどの亜鉛めっき鋼板の溶接において有効である。ＳＥＣＣなどの亜鉛めっき鋼板の溶接においては、亜鉛の融点が低いため気化した亜鉛ガスにより、ブローホールまたはアンダーフィルが発生し、溶接不良となるおそれがある。本実施形態ではリングビーム７１の予備加熱によって亜鉛メッキを除去可能なため、このような溶接不良を防止しうる。なお、ブローホールとは、溶接金属内で発生したガスもしくは侵入したガスが凝固時に大気中へ放出されず、溶接金属内に閉じ込められた状態である。アンダーフィルとは、突合せ継手の鋼板の隙間で、溶融金属量が不足して溶接部表面が凹み、母材に比べて溶接部が薄くなる状態である。

また、リングビーム７１の前半部分で予備加熱を行い、次にセンタービーム７０で亜鉛ガスの排出を促し、最後にリングビーム７１の後半部分で本溶接を行うことにより、いわゆるゼロギャップ溶接の実現が可能となる。

なお、センタービーム７０とリングビーム７１を用いた溶接は、アルミニウムの溶接においても有効である。アルミニウムの溶接において、レーザビームのエネルギー密度の高さとアルミニウムの融点との関係により、ポロシティが発生しやすく、安定した溶接の実現が難しい場合がある。そこでセンタービーム７０とリングビーム７１を用いた、以下の方法が考えられる。まずリングビーム７１の前半部分で予備加熱を行い、次にセンタービーム７０で溶融池を形成し、リングビーム７１の後半部分で溶融池を安定化させる。この方法によれば、ポア（気孔、ポロシティ）、スパッタを低減し、溶け込み深さ及びビード表面の安定した高品質な加工結果を得ることが可能である。なお、リングビーム７１の予備加熱により、アルミニウムの酸化被膜を除去することも可能である。

次に、図３を参照して、第１レーザビーム１２がＧＩファイバ３０に入射する入射角と、第２レーザビーム１５がＧＩファイバ３０に入射する入射角との相違について説明する。図３は、図１の点線で囲んだ領域の拡大図である。

図３に示すように、第１レーザビーム１２がＧＩファイバ３０のコア３１に入射する入射角θ１と、第２レーザビーム１５がＧＩファイバ３０のコア３１に入射する入射角θ２とが異なる。ここでいう入射角とは、レーザビームが入射するときの、入射方向と境界面（ＧＩファイバ３０の入射面）の法線とがなす角度をいう。入射角θ１と入射角θ２との角度差の大きさは限定されず、０より大きければ任意の大きさでよい。図３に示す例において、第１レーザビーム１２はプロセスファイバ２０の軸の方向からプロセスファイバ２０に入射するため入射角θ１は一定であるが、入射角θ２は可変である。入射角θ２を所望する角度に調整したい場合、ベンドミラー１７の角度を調整すればよい。

第１レーザビーム１２と第２レーザビーム１５が異なる入射角でＧＩファイバ３０に入射するため、第１レーザビーム１２と第２レーザビーム１５はＧＩファイバ３０の射出面において異なる角度で射出する。これにより、第１レーザビーム１２と第２レーザビーム１５はＧＩファイバ５０において異なる角度を有した状態で拡散する（図１参照）。

また、図３に示すように、第１レーザビーム１２がＧＩファイバ３０のコア３１に入射する位置と、第２レーザビーム１５がＧＩファイバ３０のコア３１に入射する位置も異なる。

つまり、ＧＩファイバ３０の特徴によれば、コア３１の屈折率分布は、屈折率の大きい中心部、屈折率の小さい周辺部により構成されているので、第２レーザビーム１５が放物線状に屈折し、ＳＩファイバ４０に入射する際に第１レーザビーム１２と異なる入射角で入射されて伝搬する。これにより、出射時に第１レーザビーム１２がガウシアン型のセンタービームを形成するのに対し、第２レーザビーム１５はリング型ビームを形成する。

（作用効果）
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工機１００によれば、以下の作用効果が得られる。

本実施形態では、第１レーザビーム１２がＧＩファイバ３０のコア３１に入射する入射角θ１と、第２レーザビーム１５がＧＩファイバ３０のコア３１に入射する入射角θ２とが互いに異なる。このように入射角θ１と入射角θ２とを異ならせることにより、センタービーム７０及びリングビーム７１のビームプロファイルを自在に調整可能となる。ここでいうビームプロファイルとは、レーザビームの出力の大きさまたはビーム強度、ビーム径を意味する。なお、ビームプロファイルにはＢＰＰ（Ｂｅａｍ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）などが含まれてもよく、つまりビームウエスト位置の集光径や発散角が含まれる。更にビームプロファイルにはビーム強度の分布状態も含まれてよい。図４に示す例は、センタービーム７０の出力及びビーム径が、リングビーム７１の出力及びビーム径より大きくなるように調整された例である。本実施形態によれば、ワーク８０の材質、板厚などに応じた適切な出力及びビーム径を有するレーザビームの形成が可能となる。これにより上述した、亜鉛めっき鋼板、ゼロギャップ溶接、アルミニウムなどの溶接において、短時間かつ高品質な溶接が実現しうる。

（変形例）
次に、図５を参照して本実施形態の変形例について説明する。

上述した実施形態では、第１レーザビーム１２はプロセスファイバ２０の軸の方向からプロセスファイバ２０に入射するため入射角θ１は一定であると説明したが、これに限定されず、入射角θ１も調整可能である。入射角θ１を調整する場合は、図５に示すようにモータ１９を用いて集束レンズ１８を鉛直方向下側に移動させればよい。これにより、図６（図５の点線で囲んだ領域の拡大図）に示すように、第１レーザビーム１２がＧＩファイバ３０のコア３１に入射する入射角が調整される。調整後の入射角は、θ３で示される。なお、図５に示す集束レンズ１８の移動方向（鉛直方向下側）はあくまで一例であり、任意の方向に移動可能である。

集束レンズ１８を鉛直方向下側に移動させたことによって、第２レーザビーム１５がＧＩファイバ３０のコア３１に入射する入射角も調整される。具体的には、図３に示す入射角θ２から図６に示す入射角θ４に調整される。このように第２レーザビーム１５がＧＩファイバ３０のコア３１に入射する入射角は、ベンドミラー１７の角度及び集束レンズ１８の位置によって調整可能である。すなわち、第２レーザビーム１５がＧＩファイバ３０のコア３１に入射する入射角は、ベンドミラー１７の角度及び集束レンズ１８の位置のどちらか一方によって調整されてもよく、両方で調整されてもよい。

図６に示す入射角θ３と入射角θ４も、図３に示す入射角θ１と入射角θ２との関係と同様に、異なる角度である。また、図６に示す例においても、第１レーザビーム１２がＧＩファイバ３０のコア３１に入射する位置と、第２レーザビーム１５がＧＩファイバ３０のコア３１に入射する位置は異なる。

次に図７〜図８を参照して、ビームプロファイル（特に、出力やビーム径）の相違について説明する。

図６に示す入射角θ３と入射角θ４によれば、図７〜図８に示すように、図２及び図４とは異なるビームプロファイルが得られる。具体的には、図６に示す入射角θ３と入射角θ４によれば、入射角θ１と入射角θ２（図３参照）と比較して、大きなビーム径が得られる。

なお、図４及び図７のビーム形状は、一例であり、第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５の入射角を調整することにより、さまざまなビームプロファイルが得られる。例えば、図９に示すピアス型のビームプロファイル、図１０に示す高出力のリングビーム７１も得られる。ピアス型のビームプロファイルによれば、高出力により貫通加工において加工時間を短縮しうる。このように本実施形態によれば、ワーク８０の材質、板厚などに応じた適切な出力及びビーム径を有するレーザビームの形成が可能となる。なお、ここでいう高出力とは、ＪＩＳ（日本工業規格）のＣ６８０２「レーザ製品の安全基準」によるクラス分けに準ずるものとして説明するが、これに限定されない。例えば、アメリカ、欧州などで定義されている基準にしたがうものであってもよい。

上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

上述した実施形態では、レーザ発振器１０内で第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５を合成しているが、第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５をそれぞれ別々のレーザ発振器で出力させ、加工機と発振器との間に光カプラーを設けて、その光カプラー内で第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５を合成してもよい。

上述した実施形態では、ＧＩファイバ３０に入射した第１レーザビーム１２及び第２レーザビーム１５はコア３１の中心軸（所定位置）に集束すると説明したが、これに限定されない。例えば、集束する位置は必ずしも中心軸の１点とは限らず、図１１に示すように集束する位置は少しずれていてもよい。また、ＧＩファイバ３０に替えてＧＲＩＮレンズを用いてもよい。

また、上述した実施形態では集束レンズ１８を移動させる移動機構としてモータ１９を取り上げたが、移動機構はモータ１９に限定されない。例えば、移動機構としてラックアンドピニオン、シャフトなどが用いられてもよい。

また、上述した実施形態では、レーザ発振器１１が第１レーザビーム１２を射出し、レーザ発振器１４が第２レーザビーム１５を射出すると説明したが、これに限定されない。例えば、一つのレーザ発振器が、互いに波長の異なる第１レーザビーム１２と第２レーザビーム１５を射出してもよい。

１０、１１、１４ レーザ発振器
１２ 第１レーザビーム
１３、１６、６１ コリメートレンズ
１５ 第２レーザビーム
１７ ベンドミラー
１８、６２ 集束レンズ
１９ モータ
２０ プロセスファイバ
３０、５０ ＧＩファイバ
３１、４１、５１ コア
３２、４２、５２ クラッド
４０ ＳＩファイバ
６０ 加工ヘッド
７０ センタービーム
７１ リングビーム
８０ ワーク
１００ レーザ加工機

Claims (6)

1. 互いに波長の異なる第１レーザビームと第２レーザビームを射出する１または複数のレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器によって射出された前記第１レーザビーム及び前記第２レーザビームを集束させる集束レンズと、
   前記集束レンズによって集束された前記第１レーザビーム及び前記第２レーザビームを伝播する光ファイバと、を備え、
   前記第１レーザビーム及び前記第２レーザビームの、前記光ファイバに入射する入射角が互いに異なる
   ことを特徴とするレーザ加工機。
2. 前記第１レーザビーム及び前記第２レーザビームは、前記光ファイバの所定位置で集束する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記光ファイバは一つのコアを有し、
   前記第１レーザビーム及び前記第２レーザビームは前記コアに入射する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工機。
4. 前記レーザ発振器によって射出された前記第２レーザビームを反射させる、回転可能なミラーをさらに備え、
   前記第２レーザビームは前記ミラーによって反射して前記集束レンズに入射する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
5. 前記集束レンズを移動させる移動機構をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
6. 互いに波長の異なる第１レーザビームと第２レーザビームを射出し、
   射出された前記第２レーザビームを回転可能なミラーで反射させ、
   前記第１レーザビーム及び前記ミラーによって反射した前記第２レーザビームを集束レンズによって集束させ、
   集束された前記第１レーザビーム及び前記第２レーザビームの、光ファイバに入射する入射角が互いに異なるように、少なくとも前記ミラーの角度及び前記集束レンズの位置のどちらか一方を制御する
   ことを特徴とするレーザ加工機の制御方法。
   

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