JP2021194673A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設備コストを大幅に上昇させることなく、スパッタ発生の抑制と加工生産性の向上とが図れるレーザ加工方法を提供する。【解決手段】レーザ加工方法は、レーザ光ＬＢをＹ方向に進行させながら、さらにＹ方向に沿って往復させるように走査してワーク２００に照射することで、ワーク２００の所定の領域２２０を加熱する予熱ステップを備えている。また、レーザ加工方法は、予熱ステップの後に、レーザ光ＬＢをＹ方向に進行させながら、レーザ光ＬＢを領域２２０に照射して、ワークをレーザ加工する加工ステップを備えている。また、予熱ステップと加工ステップとを交互に繰り返して実行する。【選択図】図３

Description

本開示は、レーザ加工方法に関する。

レーザ溶接を含むレーザ加工は、被加工物であるワークに照射されるレーザ光のパワー密度が高いため、高速かつ高品質の加工を行うことができる。特に、レーザ光をワークの表面で高速にスキャンしながら加工を行うスキャニング加工では、加工速度をより高めることができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−０９５９３４号公報

ところで、レーザ光による加工速度を高めていくと、ワークのレーザ光が照射された部分では、ワークへの入熱量及び当該部分の温度が急激に変化し、ワークが固体から溶融状態になる状態変化の速度も大きくなる。このため、いわゆる突沸が起きやすく、スパッタの発生率が高くなることが知られている。スパッタとは、溶融状態の金属が飛び散ってワークに付着凝固したものである。スパッタの発生率が高くなると、加工箇所近傍でワークの外観を損ね、加工品質を大きく低下させる。

スパッタの発生を抑制するために、加工速度を低くすると、ワークの加工生産性が低下してしまう。一方、加工速度を高めつつスパッタの発生を抑制するために、レーザ光の出力を高め、ワークのレーザ光が照射された部分で、入熱量及び温度の時間変化を緩やかにする手法も考えられる。

しかし、レーザ光の出力を高めるためには、レーザ発振器を含めてレーザ加工装置が大型化し、設備コストが大幅に上昇するという課題がある。

また、レーザ加工時にワークに吹き付けられるシールドガスの噴射条件を調整したり、レーザ光をパルス状や三角波状に出力変調したりする手法も考えられるが、スパッタの発生を十分に抑制することは難しかった。

また、アーク溶接等では、ワークを予め加熱しておくことで、アークが照射された部分での温度変化を緩やかにし、スパッタの発生を抑制する手法が知られている。加熱方式として、ワークに電流を流したり、あるいはヒーター等で直熱加熱する方式や誘導加熱方式が知られている。

しかし、このような予備加熱（以下、予熱という）を行うためには、ワークの加熱設備が別途必要となり、設備コストが大幅に上昇するという課題がある。

本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、設備コストを大幅に上昇させることなく、スパッタ発生の抑制と加工生産性の向上とが図れるレーザ加工方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本開示に係るレーザ加工方法は、レーザ光を所定の方向に進行させながら、さらに前記所定の方向に沿って往復させるように走査してワークに照射することで、前記ワークの所定の領域を加熱する予熱ステップと、前記予熱ステップの後に、前記レーザ光を前記所定の方向に進行させながら、前記レーザ光を前記所定の領域に照射して、前記ワークをレーザ加工する加工ステップと、を少なくとも備え、前記予熱ステップと前記加工ステップとを交互に繰り返して実行することを特徴とする。

本開示によれば、設備コストを大幅に上昇させることなく、スパッタ発生の抑制と加工生産性の向上とが図れる。

実施形態１に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 レーザ光スキャナの概略構成図である。 実施形態１に係るレーザ加工方法の説明図である。 レーザ加工時の加工パラメータのタイムチャートである。 変形例に係るレーザ加工時の加工パラメータのタイムチャートである。 実施形態２に係るレーザ光の加工軌跡を示す図である。 実施形態２に係るレーザ加工時の加工パラメータのタイムチャートである。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

［レーザ加工装置及びレーザ光スキャナの構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成の模式図を示し、図２は、レーザ光スキャナの概略構成図を示す。

なお、以降の説明において、反射ミラー３３からレーザ光スキャナ４０に向かうレーザ光ＬＢの進行方向と平行な方向をＸ方向と、レーザヘッド３０から出射されるレーザ光ＬＢの光軸と平行な方向をＺ方向と、Ｘ方向及びＺ方向とそれぞれ直交する方向をＹ方向とそれぞれ呼ぶことがある。Ｘ方向とＹ方向とを面内に含むＸＹ平面は、ワーク２００の表面が平坦面である場合、当該表面と略平行でもよく、一定の角度を有してもよい。

図１に示すように、レーザ溶接装置１００は、レーザ発振器１０と光ファイバ２０とレーザヘッド３０とコントローラ５０とマニピュレータ６０とを備えている。

レーザ発振器１０は、図示しない電源から電力が供給されてレーザ光ＬＢを発生させるレーザ光源である。なお、レーザ発振器１０は、単一のレーザ光源で構成されていてもよいし、複数のレーザモジュールで構成されていてもよい。後者の場合は、複数のレーザモジュールからそれぞれ出射されたレーザ光を結合してレーザ光ＬＢとして出射する。また、レーザ発振器１０で使用されるレーザ光源あるいはレーザモジュールは、ワーク２００の材質や溶接部位の形状等に応じて、適宜選択される。

例えば、ファイバレーザかディスクレーザ、あるいはＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザをレーザ光源とすることもできる。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、１０００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲に設定される。また、半導体レーザをレーザ光源あるいはレーザモジュールとしてもよい。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、８００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲に設定される。また、可視光レーザをレーザ光源あるいはレーザモジュールとしてもよい。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲に設定される。

光ファイバ２０は、レーザ発振器１０に光学的に結合されており、レーザ発振器１０で発生したレーザ光ＬＢは、光ファイバ２０に入射されて、その内部をレーザヘッド３０に向けて伝送される。

レーザヘッド３０は、光ファイバ２０の端部に取り付けられており、光ファイバ２０から伝送されたレーザ光ＬＢをワーク２００に向けて照射する。

また、レーザヘッド３０は、光学部品として、コリメーションレンズ３２と反射ミラー３３と集光レンズ３４とレーザ光スキャナ４０とを有しており、筐体３１の内部にこれらの光学部品が所定の配置関係を保って収容されている。

コリメーションレンズ３２は、光ファイバ２０から出射されたレーザ光ＬＢを受け取って、平行光に変換し、反射ミラー３３に入射させる。また、コリメーションレンズ３２は、図示しない駆動部に連結されており、コントローラ５０からの制御信号に応じて、Ｚ方向に変位可能に構成されている。コリメーションレンズ３２をＺ方向に変位させることで、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させ、ワーク２００の形状に応じて適切にレーザ光ＬＢを照射させることができる。

反射ミラー３３は、コリメーションレンズ３２を透過したレーザ光ＬＢを反射して、レーザ光スキャナ４０に入射させる。反射ミラー３３の表面は、コリメーションレンズ３２を透過したレーザ光ＬＢの光軸と約４５度をなすように設けられている。なお、反射ミラー３３の表面とレーザ光ＬＢの光軸とがなす角度は、コリメーションレンズ３２と集光レンズ３４との配置関係に応じて、適宜変更されうる。

図２に示すように、レーザ光スキャナ４０は、第１ガルバノミラー４１と第２ガルバノミラー４２とを有する公知のガルバノスキャナである。第１ガルバノミラー４１は、第１ミラー４１ａと第１回転軸４１ｂと第１駆動部４１ｃとを有し、第２ガルバノミラー４２は、第２ミラー４２ａと第２回転軸４２ｂと第２駆動部４２ｃとを有している。反射ミラー３３で反射されたレーザ光ＬＢは、第１ミラー４１ａで反射され、さらに第２ミラー４２ａで反射されて、集光レンズ３４に入射する。

例えば、第１駆動部４１ｃ及び第２駆動部４２ｃは、モータであり、第１回転軸４１ｂ及び第２回転軸４２ｂは、モータの出力軸である。第１駆動部４１ｃが、コントローラ５０からの制御信号に応じて回転駆動することで、第１回転軸４１ｂに取り付けられた第１ミラー４１ａが第１回転軸４１ｂの軸線回りに回転する。同様に、第２駆動部４２ｃが、コントローラ５０からの制御信号に応じて回転駆動することで、第２回転軸４２ｂに取り付けられた第２ミラー４２ａが第２回転軸４２ｂの軸線回りに回転する。

第１ミラー４１ａが第１回転軸４１ｂの軸線回りに所定の回転動作をすることで、レーザ光ＬＢがＸ方向に走査される。また、第２ミラー４２ａが第２回転軸４２ｂの軸線回りに所定の回転動作をすることで、レーザ光ＬＢがＹ方向に走査される。つまり、レーザ光スキャナ４０は、レーザ光ＬＢをＸＹ平面内で一次元的に、または二次元的に走査してワーク２００に向けて照射するように構成されている。

コントローラ５０は、レーザ発振器１０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１０に接続された図示しない電源に対して出力電流やオンオフ時間等の制御信号を供給することにより、レーザ発振制御を行う。

また、コントローラ５０は、選択されたレーザ加工プログラムの内容に応じて、レーザヘッド３０の動作を制御する。具体的には、レーザヘッド３０に設けられたレーザ光スキャナ４０及びコリメーションレンズ３２の駆動部の駆動制御を行う。さらに、コントローラ５０は、マニピュレータ６０の動作を制御する。なお、レーザ加工プログラムは、コントローラ５０の内部または別の場所に設けられた記憶部（図示せず）に保存され、コントローラ５０からの命令によってコントローラ５０に呼び出される。

コントローラ５０は、図示しないＬＳＩまたはマイクロコンピュータ等の集積回路を有しており、この集積回路上でソフトウェアであるレーザ溶接プログラムを実行することで、前述のコントローラ５０の機能が実現される。

マニピュレータ６０は、多関節ロボットであり、レーザヘッド３０の筐体３１に取り付けられている。また、マニピュレータ６０は、コントローラ５０と信号の授受が可能に接続され、前述のレーザ加工プログラムに応じて所定の軌跡を描くようにレーザヘッド３０を移動させる。なお、マニピュレータ６０の動作を制御する別のコントローラ（図示せず）を設けるようにしてもよい。

［レーザ加工方法］
図３は、レーザ加工方法の説明図を示し、図４は、レーザ加工時の加工パラメータのタイムチャートを示す。なお、本実施形態では、マニピュレータ６０を動作させて、レーザ光ＬＢをＸ方向に直線的に進行させ、板状のワーク２００に対してＹ方向に溶接または切断を行うレーザ加工方法を例にとって説明する。以降の説明において、Ｙ方向を加工方向または進行方向と呼ぶことがある。また、Ｙ方向において、ある時点でのワーク２００へのレーザ光ＬＢの照射位置を基準として、同じ時点で既にレーザ光ＬＢが照射された側を後方と、未だレーザ光ＬＢが照射されていない側を前方とそれぞれ呼ぶことがある。

図３に示すように、レーザ光ＬＢは、Ｙ方向前方に進行しながらワーク２００の表面に照射される。このときのレーザ光ＬＢの進行速度をＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）とする。進行速度Ｖは、レーザ光ＬＢによるワーク２００の加工速度に相当し、以降の説明において、加工速度Ｖと呼ぶことがある。本実施形態では、加工速度Ｖは、マニピュレータ６０に保持されて、ワーク２００に対してＹ方向に相対的に移動するレーザヘッド３０の移動速度でもある。

また、レーザ光ＬＢは、進行速度ＶでＹ方向前方に進行中に、第２ガルバノミラー４２により、後で述べる周期Ｔ毎に、さらにＹ方向に沿って前方に走査され、次に後方に戻るように走査される。つまり、レーザ光ＬＢは、周期Ｔ毎にＹ方向に沿って所定の距離を往復するように走査される。このようにすることで、ある時点でのレーザ光ＬＢの照射領域２１０（図３参照；以下、単に領域２１０という）のＹ方向前方に位置するワーク２００の所定の領域２２０（図３参照；以下、単に領域２２０という）に、レーザ光ＬＢが照射される。このことにより、領域２２０において、ワーク２００が加熱される。

なお、本実施形態では、Ｙ方向に沿った領域２１０と領域２２０との距離は、数ｍｍ〜十数ｍｍに設定されるが、特にこれに限定されず、ワーク２００の形状や材質、また、進行速度Ｖやレーザ光ＬＢに出力に応じて適宜変更されうる。

つまり、本実施形態に示すレーザ加工方法では、レーザ光ＬＢをＹ方向に進行させながら、さらにＹ方向に沿って往復させるように走査してワーク２００に照射することで、ワーク２００の領域２２０を加熱する（予熱ステップ）。また、この予熱ステップの後に、レーザ光ＬＢをＹ方向に進行させながら、レーザ光ＬＢを予熱ステップで加熱された領域２２０に照射して、ワーク２００をレーザ加工する（加工ステップ）。

また、図４に示すように、予熱ステップと加工ステップとは、交互に繰り返して実行される。各ステップにおけるマニピュレータ６０や第２ガルバノメータ４２の動作及びレーザ光ＬＢの出力は、予め設定されたレーザ加工プログラムにしたがってコントローラ５０により制御される。

なお、レーザ光ＬＢは連続発振され、進行速度Ｖ及びレーザ光ＬＢの出力Ｐ（Ｗ）は、レーザ加工中、一定の値に保持される。つまり、予熱ステップにおける進行速度Ｖ及びレーザ光ＬＢの出力Ｐは、加工ステップにおける進行速度Ｖ及びレーザ光ＬＢの出力Ｐとそれぞれ等しい。

なお、本願明細書において、「等しい」または「同じ」とは、制御系の誤差を含んで制御対象の制御結果が同じまたは同一という意味であり、厳密に比較対象となる両者が同じまたは同一であることまでを要求するものではない。

ここで、予熱ステップにおけるレーザ光ＬＢのＹ方向前方への最大変位量をＡ（ｍｍ）とし、予熱ステップにおけるレーザ光ＬＢの走査周波数をｆ（Ｈｚ）とすると、以下に示す式（１）を満たすように各パラメータが設定される。なお、走査周波数ｆは、第２ガルバノメータ４２の動作周波数（＝ｆ）に相当する。本実施形態では、第２ガルバノメータ４２は、最大動作周波数ｆ_ｍａｘで動作し、レーザ光も周波数ｆ_ｍａｘで走査される。ただし、これに限定されず、ｆ_ｍａｘよりも低い周波数で第２ガルバノメータ４２を動作させてもよい。

２ｆＡ／Ｂ≧Ｖ ・・・（１）

ここで、Ｂは、予熱ステップにおいて、領域２２０を所望の温度に加熱するのに必要なエネルギーに関係した値である。なお、式（１）の左辺の項（２ｆＡ）は、予熱ステップでのレーザ光ＬＢの走査速度に相当する。

加工速度Ｖやワーク２００の材質にもよるが、レーザ光ＬＢの出力Ｐが、１ｋＷ〜十数ｋＷの範囲で設定される場合、予熱に必要なエネルギーは、出力Ｐの１／１０〜１／１００程度の範囲となる。予熱に必要なエネルギーは、領域２２０を所望の温度に加熱するのに必要なエネルギーである。例えば、予熱に必要なエネルギーが１００Ｗ〜４００Ｗ程度である場合、式（１）の関係を考慮すると、例えば、式（２）の関係が成立する必要がある。

１００Ｖ≦２ｆＡ ・・・（２）

また、図４から明らかなように、周期Ｔは、予熱ステップの処理時間とこれに連続する前記加工ステップの処理時間との和である。予熱ステップにおいて、レーザ光ＬＢをＹ方向前方に走査するときの第２ガルバノミラー４２によるレーザ光ＬＢのワーク２００上での変位量をＡ１とするとき、以下の式（３）が成立する。

Ｔ＝Ａ１／Ｖ ・・・（３）

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工方法は、レーザ光ＬＢをＹ方向に進行させながら、さらにＹ方向に沿って往復させるように走査してワーク２００に照射することで、ワーク２００の所定の領域２２０を加熱する予熱ステップを備えている。また、レーザ加工方法は、予熱ステップの後に、レーザ光ＬＢをＹ方向に進行させながら、レーザ光ＬＢを領域２２０に照射して、ワークをレーザ加工する加工ステップを備えている。また、予熱ステップと加工ステップとを交互に繰り返して実行する。

本実施形態によれば、予熱ステップで、その時点でのレーザ光ＬＢの照射領域２１０の前方に位置するワーク２００の領域２２０を加熱することで、領域２２０の温度を上昇させることができる。このことにより、後に続く加工ステップで、領域２２０にレーザ光ＬＢが照射された場合に、スパッタが発生するのを抑制できる。

また、加工速度Ｖが同じである場合、予熱ステップがない場合に比べて、スパッタの発生を抑制できる。言い換えると、本実施形態によれば、予熱ステップがない場合に比べて、加工速度Ｖを高めることができ、ひいては、ワーク２００の加工生産性を向上できる。

また、レーザ光スキャナ４０は、公知のガルバノスキャナとして構成されている。ガルバノスキャナはレーザ加工装置１００やレーザ発振器１０、また、これを駆動する電源（図示せず）等に比べて十分に小型化されている。よって、レーザ光スキャナ４０を設けることによる設備コストの上昇は、レーザ発振器１０を大型化したり、加熱設備を別途設けたりする場合に比べて、大幅に抑えることができる。

つまり、本実施形態によれば、設備コストを大幅に上昇させることなく、スパッタ発生の抑制と加工生産性の向上を図ることができる。

予熱ステップでは、前述の式（１）の関係を満たすように、レーザ光ＬＢが走査されるのが好ましい。

このようにすることで、予熱ステップで、領域２２０が過度に加熱されず、領域２２０が溶融したりするおそれがない。このことにより、領域２２０を適切に加熱してスパッタの発生を確実に抑制できる。

予熱ステップにおけるレーザ光ＬＢの走査は、レーザ光スキャナ４０に設けられた第２ガルバノメータ４２を用いて行われる。

このようにすることで、簡便かつ確実に、ワーク２００の表面でレーザ光ＬＢを所定の方向に所定の距離だけ走査することができる。

また、周期Ｔは、前述の式（３）の関係を満たすことが好ましい。

このようにすることで、加工速度Ｖを変更することなく、予熱ステップを実行でき、レーザ加工の制御が簡素化される。このことにより、加工コストが上昇するのを抑制できる。

予熱ステップでは、第２ガルバノミラー４２を最大動作周波数ｆ_ｍａｘで動作させるのが好ましい。

このようにすることで、予熱ステップの処理時間を短くでき、加工ステップでのレーザ加工に与える予熱ステップの影響を小さくできる。つまり、加工品質を大きく低下させることなく、スパッタ発生の抑制と加工生産性の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、レーザ光ＬＢのＹ方向への進行速度Ｖが、予熱ステップと加工ステップとで等しくなるように設定されている。このことにより、レーザ光ＬＢの進行速度Ｖの制御が簡素化され、加工コストが上昇するのを抑制できる。

また、本実施形態では、レーザ光ＬＢの出力Ｐが、予熱ステップと加工ステップとで等しくなるように設定されている。このことにより、出力Ｐの制御が簡素化され、加工コストが上昇するのを抑制できる。

本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、レーザ光ＬＢを発生させるレーザ発振器１０と、レーザ光ＬＢを受け取ってワーク２００に向けて照射するレーザヘッド３０と、レーザヘッド３０の動作を制御するコントローラ５０と、を少なくとも備えている。

レーザヘッド３０は、レーザ光ＬＢをＸ方向とＸ方向と交差するＹ方向のそれぞれに走査するレーザ光スキャナ４０を有している。

また、レーザ光スキャナ４０は、レーザ光ＬＢをＸ方向に走査する第１ガルバノミラー４１と、レーザ光ＬＢをＹ方向に走査する第２ガルバノミラー４２と、で構成されている。

また、レーザ溶接装置１００は、レーザヘッド３０が取り付けられたマニピュレータ６０をさらに備え、コントローラ５０は、マニピュレータ６０の動作を制御する。マニピュレータ６０は、ワーク２００の表面に対して、所定の方向にレーザヘッド３０を移動させる。

コントローラ５０は、レーザヘッド３０の移動中に、所定の周期Ｔ毎に、レーザ光ＬＢを加工方向であるＹ方向に沿って往復して走査させるように、レーザ光スキャナ４０の第２ガルバノミラー４２を駆動制御する。

また、コントローラ５０は、レーザヘッド３０がＹ方向に沿って進行速度Ｖで移動するように、マニピュレータ６０の動作を制御する。

本実施形態によれば、設備コストを大幅に上昇させることなく、スパッタ発生の抑制と加工生産性の向上を図ることができる。

また、マニピュレータ６０を設けることで、レーザ光ＬＢの加工方向を変化させることができる。また、複雑な形状、例えば、立体的な形状のワーク２００に対して、レーザ加工を容易に行うことができる。

また、レーザ光スキャナ４０を公知のガルバノスキャナで構成することで、レーザ光ＬＢを簡便に一次元的、または二次元的に走査することができ、さらにレーザ加工装置１００の設備コストが上昇するのを抑制できる。

コントローラ５０は、周期Ｔ毎に、第２ガルバノミラー４２が最大動作周波数ｆ_ｍａｘで動作するように制御する。

このようにすることで、加工ステップでのレーザ加工に与える予熱ステップの影響を小さくできる。つまり、加工品質を大きく低下させることなく、スパッタ発生の抑制と加工生産性の向上を図ることができる。

また、コントローラ５０は、レーザ加工中に、レーザ光ＬＢの出力Ｐを一定に保つようにレーザ発振器１０を制御する。

このことにより、出力Ｐの制御が簡素化され、加工コストが上昇するのを抑制できる。

レーザ発振器１０とレーザヘッド３０とは光ファイバ２０で接続されており、レーザ光ＬＢは、光ファイバ２０を通って、レーザ発振器１０からレーザヘッド３０に伝送される。

このように光ファイバ２０を設けることで、レーザ発振器１０から離れた位置に設置されたワーク２００に対してレーザ加工を行うことが可能となる。このことにより、レーザ加工装置１００の各部を配置する自由度が高められる。

＜変形例＞
図５は、本変形例に係るレーザ加工時の加工パラメータのタイムチャートを示す。なお、図５及び以降に示す各図面において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図５に示すように、本変形例は、予熱ステップと加熱ステップとで、レーザ光ＬＢのＸ方向への進行速度が異なる点で、実施形態１に示すレーザ加工方法と異なる。

具体的には、予熱ステップでは、レーザ光ＬＢをＹ方向に進行速度Ｖ１で進行させながら、さらにレーザ光ＬＢをＹ方向に沿って往復走査している。このときの進行速度Ｖ１は、加工ステップにおけるレーザ光ＬＢの進行速度Ｖよりも低くなっている。

実施形態１で説明した進行速度Ｖが所定以下の場合、予熱ステップを実行して、レーザ光ＬＢをＹ方向に往復走査したとしても、ワーク２１０への入熱量が大きく減少することはない。よって、レーザ切断では、ワーク２００の厚さ方向に溶け残りが生じたりしないし、レーザ溶接では溶接部の溶け込み深さが不足したりしない。よって、レーザ加工不良の発生を抑制できる。

しかし、レーザ光ＬＢの進行速度Ｖを高めていくと、予熱ステップの実行時に、前述したワーク２００の領域２１０にレーザ光ＬＢが十分に照射されず、領域２１０への入熱量が不足してしまうことがある。このようなことが起こると、レーザ切断での溶け残りやレーザ溶接での溶け込み深さの不足が生じてしまう。つまり、レーザ加工不良が発生してしまう。

このような不具合を回避するために、本変形例では、予熱ステップにおけるレーザ光ＬＢの進行速度Ｖ１を、加工ステップにおけるレーザ光ＬＢの進行速度Ｖよりも低くなるように設定している。つまり、コントローラ５０は、レーザ光ＬＢのＹ方向への進行速度がこのようになるように、マニピュレータ６０の動作を制御している。

このようにすることで、予熱ステップの実行時に、領域２１０へのレーザ光ＬＢの照射時間を確保でき、領域２１０に十分に入熱することができる。このことにより、レーザ加工不良の発生を抑制できる。

また、本変形例によれば、実施形態１に示す方法が奏するのと同様に、設備コストを大幅に上昇させることなく、スパッタ発生の抑制を図ることができる。

なお、通常、予熱ステップの処理時間は、加工ステップの処理時間よりも十分に短いため、予熱ステップで、レーザ光ＬＢのＹ方向への進行速度を低下させたとしても、全体の加工タクトに与える影響は低く抑えられる。つまり、本変形例によれば、実施形態１に示す方法が奏するのと同様に、加工生産性の向上を図ることができる。

なお、説明の便宜上、図５では、レーザ光ＬＢの進行速度が階段状に変化する例を示しているが、実際には、レーザヘッド３０の移動中には、レーザヘッド３０に慣性力が加わるため、予熱ステップから加工ステップへ、またその逆にステップが移行する際には、レーザ光ＬＢの進行速度は、連続的に変化させるのが好ましい。

（実施形態２）
図６は、本実施形態に係るレーザ光の加工軌跡を示し、図７は、レーザ加工時の加工パラメータのタイムチャートを示す。

例えば、レーザ溶接では、ワーク２００に所定の幅の溶接ビード（図示せず）を形成する。溶接ビードの幅は、ワーク２００の形状や、外観に求められる要求仕様等に応じて様々である。所定以上の幅の溶接ビードを形成するために、前述のスキャニング溶接、例えば、レーザ光ＬＢをＹ方向に進行させながら、レーザ光をさらにＸ方向に走査する溶接方法が多く採用される。また、レーザ溶接に限らず、レーザ切断等でも同様の方法が採られることがある。

例えば、図６に示すように、レーザ光ＬＢが時間軸上でらせん状の軌跡を描くように走査される。なお、図６に示すレーザ光ＬＢの軌跡は、レーザ光ＬＢをＹ方向に一定の進行速度Ｖで進行させた場合の、ワーク２００の表面でのレーザ光ＬＢの加工軌跡に相当する。

ワーク２００の表面に図６に示すレーザ光ＬＢの加工軌跡を描くようにするためには、加工ステップにおいて、図２に示す第１ガルバノミラー４１及び第２ガルバノミラー４２をそれぞれ用いて、レーザ光ＬＢを進行させる。

例えば、マニピュレータ６０を動作させて、レーザヘッド３０をＹ方向に一定の進行速度Ｖで移動させながら、第１ガルバノミラー４１及び第２ガルバノミラー４２をそれぞれ動作させて、レーザ光ＬＢが円形を描くように走査することで得られる。

また、この場合、予熱ステップにおいて、第１ガルバノミラー４１及び第２ガルバノミラー４２をそれぞれ動作させて、レーザ光ＬＢを往復走査させる。このときの動作周波数は、前述の最大動作周波数ｆ_ｍａｘであることが好ましい。加工品質を大きく低下させることなく、スパッタ発生の抑制と加工生産性の向上を図ることができるからである。ただし、第２ガルバノミラー４２のみを最大動作周波数ｆ_ｍａｘで動作させるようにしてもよい。

加工ステップにおいて、レーザ光ＬＢを円形状に走査する場合の第１ガルバノミラー４１及び第２ガルバノミラー４２の動作周波数をｆ_ｏｐとする。図７に示すように、動作周波数ｆ_ｏｐは、予熱ステップでの最大動作周波数ｆ_ｍａｘよりも小さくなるように設定される。レーザ光ＬＢの走査幅が、前述の最大変位量Ａよりも大きいためである。

一方、本実施形態における最大動作周波数ｆ_ｍａｘは、以下の式（４）を満たすように設定されるのが好ましい。

ｆ_ｍａｘ／２≧ｆ_ｏｐ ・・・（４）

言い換えると、コントローラ５０は、レーザ加工中に、式（４）の関係を満たすように、第１ガルバノミラー４１及び第２ガルバノミラー４２のそれぞれを駆動制御する。

加工ステップでの動作周波数ｆ_ｏｐが所定以上に高いと、変形例で説明したように、領域２１０での入熱不足が生じ、レーザ加工不良が発生するおそれがある。

一方、本実施形態によれば、第１ガルバノミラー４１及び第２ガルバノミラー４２の動作周波数を前述の関係に設定している。

このようにすることで、変形例に示したのと同様に、予熱ステップの実行時に、領域２１０へのレーザ光ＬＢの照射時間を確保でき、領域２１０に十分に入熱することができる。このことにより、レーザ加工不良の発生を抑制できる。

また、本実施形態によれば、実施形態１に示す方法が奏するのと同様に、設備コストを大幅に上昇させることなく、スパッタ発生の抑制と加工生産性の向上を図ることができる。

なお、本実施形態では、第１ガルバノミラー４１及び第２ガルバノミラー４２の動作周波数ｆ_ｏｐを同じ値としているが、それぞれ異なっていてもよい。その場合、式（４）に示すｆ_ｏｐは、２つのガルバノミラー４１，４２を１つとしてみた場合の動作周波数に書き換えられる。予熱ステップで、第１ガルバノミラー４１及び第２ガルバノミラー４２をそれぞれ動作させる場合の最大動作周波数ｆ_ｍａｘについても同様である。

（その他の実施形態）
実施形態１，２及び変形例に示した各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。例えば、実施形態２において、変形例に示すように、レーザ光ＬＢの進行速度を変化させるようにしてもよい。

また、実施形態２では、レーザ光ＬＢの加工軌跡がらせん状である例を示したが、特にこれに限定されず、三角波が連続したジグザグ状であってもよいし、正弦波状であってもよい。

また、第１ガルバノミラー４１及び第２ガルバノミラー４２をそれぞれ用いて、リサージュ図形を描くようにレーザ光ＬＢを走査してもよい。

また、予熱ステップにおいて、第１ガルバノミラー４１及び第２ガルバノミラー４２をそれぞれ用いて、レーザ光ＬＢを往復走査させる場合、レーザ光ＬＢの進行方向に沿ったガルバノミラーの動作周波数、例えば、図７に示す例では、第２ガルバノミラー４２の動作周波数は、最大動作周波数ｆ_ｍａｘかそれに近い値であることが好ましい。

なお、図１に示す例では、集光レンズ３４は、レーザ光スキャナ４０の前段に配置されていたが、レーザ光スキャナ４０の後段、つまり、レーザ光スキャナ４０とレーザヘッド３０の光出射口との間に配置されていてもよい。

本開示のレーザ加工方法は、設備コストを大幅に上昇させることなく、スパッタ発生の抑制と加工生産性の向上とが図れるため、有用である。

１０ レーザ発振器
２０ 光ファイバ
３０ レーザヘッド
３１ 筐体
３２ コリメーションレンズ
３３ 反射ミラー
３４ 集光レンズ
４０ レーザ光スキャナ
４１ 第１ガルバノミラー
４１ａ 第１ミラー
４１ｂ 第１回転軸
４１ｃ 第１駆動部
４２ 第２ガルバノミラー
４２ａ 第２ミラー
４２ｂ 第２回転軸
４２ｃ 第２駆動部
２００ ワーク

Claims (10)

1. レーザ光を所定の方向に進行させながら、さらに前記所定の方向に沿って往復させるように走査してワークに照射することで、前記ワークの所定の領域を加熱する予熱ステップと、
   前記予熱ステップの後に、前記レーザ光を前記所定の方向に進行させながら、前記レーザ光を前記所定の領域に照射して、前記ワークをレーザ加工する加工ステップと、を少なくとも備え、
   前記予熱ステップと前記加工ステップとを交互に繰り返して実行することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 請求項１に記載のレーザ加工方法において、
   前記予熱ステップでは、
   ２ｆＡ／Ｂ≧Ｖ
   の関係を満たすことを特徴とするレーザ加工方法。
   ここで
   Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）：加工速度であって、前記加工ステップにおける前記レーザ光の進行速度
   Ａ（ｍｍ）：前記予熱ステップにおける前記レーザ光の前記所定の方向への最大変位量
   ｆ（Ｈｚ）：前記予熱ステップにおける前記レーザ光の走査周波数
   Ｂ：前記予熱ステップにおいて、前記所定の領域を所望の温度に加熱するのに必要なエネルギーに関係した値
3. 請求項２に記載のレーザ加工方法において、
   前記予熱ステップにおける前記レーザ光の走査は、ガルバノミラーを用いて行われることを特徴とするレーザ加工方法。
4. 請求項３に記載のレーザ加工方法において、
   前記加工ステップでは、前記ガルバノミラーを用いて、所定の軌跡を描くように前記レーザ光を進行させることを特徴とするレーザ加工方法。
5. 請求項３または４に記載のレーザ加工方法において、
   前記予熱ステップの処理時間とこれに連続する前記加工ステップの処理時間との和を周期Ｔとし、前記予熱ステップにおいて、前記レーザ光を前記所定の方向に沿って前方に走査するときの前記ガルバノミラーによるレーザ光の位置変位量をＡ１とするとき、
   Ｔ＝Ａ１／Ｖの関係を満たすことを特徴とするレーザ加工方法。
6. 請求項５に記載のレーザ加工方法において、
   前記予熱ステップでは、前記ガルバノミラーを最大動作周波数ｆ_ｍａｘで動作させることを特徴とするレーザ加工方法。
7. 請求項６に記載のレーザ加工方法において、
   前記加工ステップにおける前記ガルバノミラーの動作周波数をｆ_ｏｐとするとき、
   ｆ_ｍａｘ／２≧ｆ_ｏｐの関係を満たすことを特徴とするレーザ加工方法。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、
   前記レーザ光の前記所定の方向への進行速度は、前記予熱ステップと前記加工ステップとで等しいことを特徴とするレーザ加工方法。
9. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、
   前記予熱ステップでは、前記レーザ光を前記所定の方向に所定の速度で進行させながら、前記レーザ光を前記所定の方向に沿って往復走査し、
   前記所定の速度は、前記加工ステップにおける前記レーザ光の前記所定の方向への進行速度よりも低いことを特徴とするレーザ加工方法。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、
    前記レーザ光の出力は、前記予熱ステップと前記加工ステップとで等しいことを特徴とするレーザ加工方法。

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