JP2022151051A

JP2022151051A - レーザ加工機およびレーザ加工方法

Info

Publication number: JP2022151051A
Application number: JP2021053945A
Authority: JP
Inventors: 明彦杉山; Akihiko Sugiyama
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-10-07
Also published as: EP4316723A1; WO2022202797A1; US20240173802A1

Abstract

【課題】簡易な処理で、レーザ光の焦点をデフォーカスせずに、レーザ加工対象の板金の表面に幅広のケガキ線をマーキングすることが可能なレーザ加工機およびレーザ加工方法を提供する。【解決手段】レーザ加工機１００は、レーザビームを開口３６ａより射出する加工ヘッド３５と、レーザビームを集束させて板金Ｗの表面にビームスポットを形成する集束レンズ３４と、加工ヘッド３５の位置を移動させるキャリッジ２２、２３と、開口３６ａより射出されるレーザビームを振動させて板金Ｗの表面のビームスポットを振動させるガルバノスキャナユニット３２と、ＮＣ装置５０とを備える。ＮＣ装置５０は、所定の振動幅で板金Ｗ表面のビームスポットを振動させるようにガルバノスキャナユニット３２を制御しながら、レーザビームの照射位置を所定方向に進行させるようにキャリッジ２２、２３を制御することで板金Ｗにケガキ線をマーキングする。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ加工機およびレーザ加工方法に関する。

板金（ワーク）に対するレーザ加工を行う際には、加工対象のワークの表面に加工箇所を示すケガキ線（marking-off line）を予めマーキングしておくことで、正確に加工作業を行うことができる。

ワークの表面へのケガキ線を形成するマーキングは、レーザ加工機によりレーザ光をワークの表面へ照射することで行われる。レーザ加工機によりワーク表面へ照射されるレーザ光は、一般的にはガウンシア形状のビーム強度分布を有しており、その焦点がワークの表面に合った状態（ジャストフォーカスの状態）でマーキングが行われる。そのため、照射されるレーザ光のビーム強度の高い部分のみがワーク表面に吸収され、細い線状のケガキ線がマーキングされる。

特許第２５９３４６４号公報

ワーク加工の内容によっては、加工前にそのワークの表面にマーキングしケガキ線を幅広の太い線で描きたい場合がある。そのような場合には、上述したような細い線状のケガキ線を、少しずつずらしながら何度も繰り替えし描くことで、塗りつぶすようにして太いケガキ線をマーキングする。しかし、細いケガキ線を何度も繰り返し描くには、時間と手間が多くかかるという問題があった。また、何度も繰り返しワーク表面にレーザ光を照射するため、その部分が酸化などの影響で変色する問題もあった。

太いケガキ線をマーキングする他の方法として、レーザ加工機の加工ヘッドをワークから遠ざけて照射する、つまりレーザ光の焦点をワークの表面から遠ざけてデフォーカス状態にすることで、ワークの表面に照射されるレーザ光を太くすることが考えられる。しかし、このようにしてレーザ光を照射すればエネルギー密度は低下する。それを補うためにワーク表面でレーザ光が吸収される程度にレーザ光の出力を増せば、レーザ光の吸収率（または反射率）との関係で、反射光のビーム強度も増してしまい、安全面の考慮も別途必要となり、太いケガキ線を描き難いという問題があった。

本発明の一態様は、レーザ光の焦点をデフォーカスせずに、レーザ加工対象の板金の表面に幅広のケガキ線をマーキングすることが可能なレーザ加工機およびレーザ加工方法にある。

本発明の一態様のレーザ加工機は、レーザビームを開口より射出するノズルが先端に取り付けられた加工ヘッドと、前記加工ヘッド内に設けられ、前記レーザビームを集束させて前記板金の表面にビームスポットを形成する集束レンズと、前記板金の表面に対する前記加工ヘッドの相対的な位置を移動させる移動機構と、前記開口より射出される前記レーザビームを前記開口内で振動させて、前記板金の表面の前記ビームスポットを振動させるビーム振動機構と、前記板金の表面の前記ビームスポットを所定の振動幅で振動させるように前記ビーム振動機構を制御しながら、前記加工ヘッドの相対的な位置を移動させて前記レーザビームの照射位置を所定方向に進行させるように前記移動機構を制御することで前記板金の表面にケガキ線をマーキングする制御装置とを備える。

また、本発明の一態様のレーザ加工方法は、集束したレーザビームをノズルの開口より板金の表面に照射し、前記開口より射出される前記レーザビームを前記開口内で振動させることで、前記板金の表面に形成されるビームスポットの軌跡を所定の振動幅で振動させながら、前記板金の表面に対する前記ノズルの相対的な位置を移動させることで、前記レーザビームの照射位置を所定方向に進行させて前記板金にケガキ線をマーキングする。

上述した構成のレーザ加工システムおよびレーザ加工方法は、板金の表面に形成されるビームスポットの軌跡を所定の振幅で振動させながらレーザビームの照射位置を所定方向に進行させることで、振動幅に応じた太さを有するように視認されるケガキ線を板金にマーキングすることができる。

本発明の一態様のレーザ加工機およびレーザ加工方法によれば、レーザ光の焦点をデフォーカスせずに、レーザ加工対象の板金の表面に幅広のケガキ線をマーキングすることができる。

図１は、一実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。図２は、一実施形態のレーザ加工機におけるコリメータユニット及び加工ヘッドの詳細な構成例を示す斜視図である。図３は、ビーム振動機構によるレーザビームの板金への照射位置の変位を説明するための図である。図４は、一実施形態のレーザ加工機により板金の表面にケガキ線をマーキングする際のレーザビームの振動幅を説明するための図である。図５は、一実施形態のレーザ加工機により板金の表面にマーキングされるケガキ線の軌跡および溶融金属の吹き飛ぶ方向を示す図である。図６は、一実施形態のレーザ加工機により板金の表面にマーキングされるケガキ線の形状を示す図である。図７は、一実施形態のレーザ加工機により板金の表面にケガキ線をマーキングする際に、加工ヘッドの開口からのレーザビームの射出位置を進行方向にずらした状態を説明するための図である。

以下、一実施形態のレーザ加工機およびレーザ加工方法について、添付図面を参照して説明する。図１は、一実施形態のレーザ加工機１００の全体的な構成例を示す図であり、図２は、一実施形態のレーザ加工機１００におけるコリメータユニット３０及び加工ヘッド３５の詳細な構成例を示す斜視図である。図１において、レーザ加工機１００は、レーザビームを生成して射出するレーザ発振器１０と、レーザ加工ユニット２０と、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームをレーザ加工ユニット２０へと伝送するプロセスファイバ１２とを備える。なお、プロセスファイバ１２はシングルコアであってもマルチクラッドであってもよく、またレーザ加工ユニット２０への伝送路上に光カプラがあってもよい。

また、レーザ加工機１００は、操作部４０と、ＮＣ（数値制御）装置５０と、加工プログラムデータベース６０と、加工条件データベース７０と、アシストガス供給装置８０とを備える。ＮＣ装置５０は、レーザ加工機１００の各部を制御する制御装置の一例である。

レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザビームを射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザビームを直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器１０は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）である。

レーザ発振器１０は、波長９００ｎｍ～１１００ｎｍの１μｍ帯のレーザビームを射出する。ファイバレーザ発振器及びＤＤＬ発振器を例とすると、ファイバレーザ発振器は、波長１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍのレーザビームを射出し、ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ～９５０ｎｍのレーザビームを射出する。場合によってレーザ発振器１０は、波長５４００ｎｍ～５５０ｎｍのブルーレーザビームからグリーンレーザビームの波長帯や、前述のＮＩＲ（近赤外線）波長帯との併用であっても良い。

レーザ加工ユニット２０は、加工対象の板金Ｗを載せる加工テーブル２１と、レーザビームを円形の開口３６ａより板金Ｗに射出するノズル３６が先端部に取り付けられた加工ヘッド３５と、加工ヘッド３５を加工位置へ移動させる門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｙ軸キャリッジ２３とを有し、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット３０に加工ヘッド３５が接続されている。Ｘ軸キャリッジ２２は、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在に構成されている。Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在に構成されている。Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３は、コリメータユニット３０と加工ヘッド３５を板金Ｗの表面に沿って、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、または、Ｘ軸とＹ軸との任意の合成方向に移動させる移動機構として機能する。

コリメータユニット３０と加工ヘッド３５を板金Ｗの表面に沿って移動させる代わりに、コリメータユニット３０と加工ヘッド３５は位置が固定されていて、板金Ｗが移動するように構成されていてもよい。レーザ加工機１００は、板金Ｗの表面に対するコリメータユニット３０と加工ヘッド３５の相対的な位置を移動させる移動機構を備えていればよい。

アシストガス供給装置８０は、板金Ｗの加工時に、アシストガスを加工ヘッド３５に供給する。アシストガス供給装置８０は、加工対象の板金Ｗが鉄系材の場合には、アシストガスとして酸素、窒素、または空気を使用可能である。アシストガスに酸素を用いる場合には、アシストガス供給装置８０は、過燃焼にならないようにガスの噴射状態を制御する。また、アシストガス供給装置８０は、板金Ｗがステンレス系材の場合には、アシストガスとして窒素または空気を使用可能である。加工ヘッド３５に供給されたアシストガスは、開口３６ａより板金Ｗに対して垂直な方向に吹き付けられる。アシストガスは、板金Ｗが溶融したカーフ幅内の溶融金属を排出する。

コリメータユニット３０は、プロセスファイバ１２より射出された発散光のレーザビームを平行光（コリメート光）に変換するコリメーションレンズ３１を備える。また、コリメータユニット３０は、ガルバノスキャナユニット３２と、ガルバノスキャナユニット３２より射出されたレーザビームをＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー３３とを備える。加工ヘッド３５は、ベンドミラー３３で反射したレーザビームを集束して、板金Ｗに照射する集束レンズ３４を備える。なお、プロセスファイバ１２より射出された発散光のレーザビームは、その光軸中心がコリメーションレンズ３１の中心に位置するように進行する。

レーザ加工機１００は、ノズル３６の開口３６ａより射出されるレーザビームが開口３６ａの中心に位置するように芯出しされている。基準の状態では、レーザビームは、開口３６ａの中心より射出する。ガルバノスキャナユニット３２は、加工ヘッド３５内を進行して開口３６ａより射出されるレーザビームを、開口３６ａ内で振動させるビーム振動機構として機能する。ガルバノスキャナユニット３２がレーザビームをどのように振動させるかについては後述する。

ガルバノスキャナユニット３２は、コリメーションレンズ３１より射出されたレーザビームを反射するスキャンミラー３２１と、スキャンミラー３２１を所定の角度となるように回転させる駆動部３２２とを有する。また、ガルバノスキャナユニット３２は、スキャンミラー３２１より射出されたレーザビームを反射するスキャンミラー３２３と、スキャンミラー３２３を所定の角度となるように回転させる駆動部３２４とを有する。スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とは、異なる方向に回転するように設置されている。

駆動部３２２及び３２４は、ＮＣ装置５０による制御に基づき、それぞれ、スキャンミラー３２１及び３２３を所定の角度に設定することができる。また、駆動部３２２及び３２４は、スキャンミラー３２１及び３２３を所定の角度範囲で往復振動させることができる。ガルバノスキャナユニット３２は、スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方の角度を変化させることによって板金Ｗに照射されるレーザビームのビームスポットを移動させることができる。またガルバノスキャナユニット３２は、スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方を往復振動させることによって、レーザビームのビームスポットを振動させることができる。

ガルバノスキャナユニット３２はビーム振動機構の一例であり、ビーム振動機構は一対のスキャンミラーを有するガルバノスキャナユニット３２に限定されない。

図３は、ガルバノスキャナユニット３２によるレーザビームの板金Wへの照射位置の変位を説明するための図である。ここでは、スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方が傾けられて、板金Wに照射されるレーザビームの位置が変位した状態を示している。図３において、ベンドミラー３３で折り曲げられて集束レンズ３４を通過する細実線は、レーザ加工機１００が基準の状態であるときのレーザビームの光軸を示している。

なお、詳細には、ベンドミラー３３の手前に位置しているガルバノスキャナユニット３２の作動により、ベンドミラー３３に入射するレーザビームの光軸の角度が変化し、光軸がベンドミラー３３の中心から外れる。図３では、簡略化のため、ガルバノスキャナユニット３２の作動前後でベンドミラー３３へのレーザビームの入射位置を同じ位置としている。

ガルバノスキャナユニット３２による作用によって、レーザビームの光軸が細実線で示す位置から太実線で示す位置へと変位したとする。ベンドミラー３３で反射するレーザビームが角度θで傾斜したとすると、板金Ｗへのレーザビームの照射位置は距離Δｓだけ変位する。集束レンズ３４の焦点距離をＥＦＬ（Effective Focal Length）とすると、距離Δｓは、ＥＦＬ×ｓｉｎθで計算される。

ガルバノスキャナユニット３２がレーザビームを図３に示す方向とは逆方向に角度θだけ傾ければ、板金Ｗへのレーザビームの照射位置を図３に示す方向とは逆方向に距離Δｓだけ変位させることができる。距離Δｓは開口３６ａの半径未満の距離であり、好ましくは、開口３６ａの半径から所定の余裕長だけ引いた距離を最大距離とした最大距離以下の距離である。

ＮＣ装置５０は、ガルバノスキャナユニット３２の駆動部３２２及び３２４を制御することによって、レーザビームを板金Ｗの表面の所定の方向に振動させることができる。レーザビームを振動させることによって、板金Ｗの表面に形成されるビームスポットを振動させることができる。

加工プログラムデータベース６０には、板金Ｗの表面にケガキ線をマーキングするための加工プログラムおよび、設定されたケガキ線の太さに対応するレーザビームの振動幅の情報が記憶されている。図４は、一実施形態のレーザ加工機１００により板金Ｗの表面にケガキ線をマーキングする際のレーザビームの振動幅を説明するための図である。レーザビームの振動幅は、図４に示すように、開口３６ａの直径Bから所定の余裕長（G1+G2）を引いた距離Cを最大距離とした最大距離以下の距離である。ＮＣ装置５０は、加工プログラムデータベース６０より加工プログラムおよびレーザビームの振動幅の情報を読み出す。そしてＮＣ装置５０は、読み出した振動幅で板金Ｗの表面のビームスポットが振動するようにガルバノスキャナユニット３２の駆動部３２２及び３２４を制御しつつ、加工プログラムに基づいて板金Ｗの表面にケガキ線をマーキングするようＸ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３を制御する。

以上のように構成されるレーザ加工機１００は、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームによって板金Ｗの表面にケガキ線をマーキングする。図５は、一実施形態のレーザ加工機１００により板金Ｗにマーキングされるケガキ線の軌跡および溶融金属の吹き飛ぶ方向を示す図である。図５に示すように、レーザビームがノズル３６の開口３６ａ内を、ケガキ線を描くための進行方向D1と垂直な方向D2にケガキ線の太さに応じた振幅E/2で振動しながら、加工ヘッド３５が板金Ｗ上を進行方向D1に進行する。このように動作して、ノズル３６の開口３６ａ位置が、実線で示す開口３６ａ位置から点線で示す開口３６ａ位置の方向に移動すると、板金W上に、矢印Lで示すような軌跡でケガキ線がマーキングされる。

このケガキ線のマーキング処理時に、アシストガス供給装置８０から加工ヘッド３５にアシストガスが供給されることにより、加工ヘッド３５の開口３６ａから板金Ｗにアシストガスが吹き付けられる。このとき、アシストガスは常に開口３６ａの中心位置から板金Ｗに対して垂直に吹き付けられる。板金Ｗの表面にかかるアシストガスの圧力分布は、開口３６ａから噴出した直後に板金Ｗとの間の隙間から拡散して低圧に変化する。したがって、開口３６ａの中心の位置が最もガス圧が高く、周囲に行くほど低下する。言い換えれば、開口３６ａの中心の位置が最も流速が遅く、周囲に行くほど早い。つまり、レーザビームの振動方向の開口３６ａの縁側が最も流体（アシストガス）速度が速い。そのため、レーザビームは開口３６ａの中心位置を通りつつ振動し、マーキングで溶融された金属はレーザビームの振動方向D2と同じF1およびF2の方向に吹き飛ばされ、マーキングしたケガキ線上に溶融金属が付着しない。

図６は、一実施形態のレーザ加工機１００により板金Wの表面にマーキングされるケガキ線の形状を示す図である。上述した処理により、板金Wの表面に、図６に示すような形状の線G、具体的にはレーザビームの振幅E/2に応じた太さを有するように視認される幅広の線Gにより、明瞭なケガキ線をマーキングすることができる。

上述した加工プログラムデータベース６０に記憶される加工プログラムに含まれるレーザビームの振動幅Eの情報を適宜変更することにより、ケガキ線の太さを変更することができる。

（他の実施形態）
図７は、一実施形態のレーザ加工機１００により板金にケガキ線をマーキングする際に、加工ヘッド３５の開口３６ａからのレーザビームの射出位置を進行方向にずらした状態を説明するための図である。ＮＣ装置５０は、図７に示すように、開口３６ａからのレーザビームの射出位置を、開口３６ａの中心よりもレーザビームの進行方向D1側にずらして振動させるように、ガルバノスキャナユニット３２の駆動部３２２及び３２４を制御してもよい。

このようにレーザビームの射出位置をずらした状態で振動させることにより、板金W上のビームスポットの位置がアシストガスの吹き付け位置の中心Sよりも進行方向D1の前方になる。そのため、溶融金属の吹き飛ぶ方向がF1およびF2のようにレーザビームの進行方向D1側に傾き、進行方向D1の後方に形成されたケガキ線上に溶融金属が付着する確率をさらに低くすることができる。この場合、レーザビームの振動幅Eに所定の余裕長G1およびG2を足した長さ（E + G1 + G2）がノズル３６の開口３６ａ内に収まる範囲で、レーザビームの射出位置をずらすことができる。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１０レーザ発振器
１２プロセスファイバ
２０レーザ加工ユニット
２１加工テーブル
２２Ｘ軸キャリッジ
２２キャリッジ
２３Ｙ軸キャリッジ
３０コリメータユニット
３１コリメーションレンズ
３２ガルバノスキャナユニット
３３ベンドミラー
３４集束レンズ
３５加工ヘッド
３６ノズル
３６ａ開口
４０操作部
５０ＮＣ装置
６０加工プログラムデータベース
７０加工条件データベース
８０アシストガス供給装置
１００レーザ加工機
３２１スキャンミラー
３２２駆動部
３２３スキャンミラー
３２４駆動部

Claims

レーザビームを開口より射出するノズルが先端に取り付けられた加工ヘッドと、
前記加工ヘッド内に設けられ、前記レーザビームを集束させて板金の表面にビームスポットを形成する集束レンズと、
前記板金の表面に対する前記加工ヘッドの相対的な位置を移動させる移動機構と、
前記開口より射出される前記レーザビームを前記開口内で振動させて、前記板金の表面の前記ビームスポットを振動させるビーム振動機構と、
前記板金の表面の前記ビームスポットを所定の振動幅で振動させるように前記ビーム振動機構を制御しながら、前記加工ヘッドの相対的な位置を移動させて前記レーザビームの照射位置を所定方向に進行させるように前記移動機構を制御することで前記板金にケガキ線をマーキングする制御装置と、を備えるレーザ加工機。
前記板金へのケガキ線のマーキング処理時に、前記開口より前記板金に吹き付けるためのアシストガスを前記加工ヘッドに供給するアシストガス供給装置をさらに備え、
前記ビーム振動機構は、前記移動機構による前記レーザビームの照射位置の進行方向に垂直な方向に、前記レーザビームを振動させる、請求項１に記載のレーザ加工機。
前記ビーム振動機構は、前記開口より射出され前記板金の表面に集束される前記レーザビームのビームスポットを移動させる機能を含み、
前記制御装置は、前記板金の表面の前記ビームスポットの位置が、前記アシストガスの吹き付け位置の中心よりも、前記レーザビームの進行方向の前方になるように、前記ビーム振動機構を制御する、請求項２に記載のレーザ加工機。
集束したレーザビームをノズルの開口より板金の表面に照射し、
前記開口より射出される前記レーザビームを前記開口内で振動させることで、前記板金の表面に形成されるビームスポットを所定の振動で振動させながら、前記板金の表面に対する前記ノズルの相対的な位置を移動させることで、前記レーザビームの照射位置を所定方向に進行させて前記板金にケガキ線をマーキングする、レーザ加工方法。