JP2023112733A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの加工品質及び加工速度を高める。【解決手段】レーザ加工ヘッド２０は、短波長の第１レーザ光Ｌ１と、長波長の第２レーザ光Ｌ２とを出射する。第２レーザ光Ｌ２は、ワークＷを溶融させ、所定の移動方向に延びる溶融池３１を形成する。第１レーザ光Ｌ１の出射位置は、所定の出射領域３０内で移動する。出射領域３０の移動方向寸法及び移動方向に直交する幅方向寸法は、溶融池３１の移動方向寸法及び幅方向寸法よりも大きい。【選択図】図５

Description

本発明は、レーザ加工方法に関するものである。

特許文献１には、長波長と短波長の２つのレーザを同軸の光路に導いて重畳させる光学系と、同軸の光路に重畳した２つのレーザの出力ビームをワーク（被加工物）上に集光する集光レンズとを備えたレーザ加工光学装置が開示されている。

特開２００５－３２４２５４号公報

ところで、短波長のレーザ光は、レーザ光の反射率が鉄などに比べて相対的に高い、銅やアルミのような高反射率材料のワークに対するレーザ吸収率が高いが、ビーム径が小さく、レーザ光の最大出力が小さい。そのため、必要な溶接ビード幅を得るためには、ビーム径を大きくしなければならないが、パワー密度が低下するため、加工速度を遅くする必要がある。

一方、長波長のレーザ光は、短波長のレーザ光よりもビーム径が大きく、レーザ光の最大出力が大きい。しかしながら、長波長のレーザ光は、高反射率材料のワークに対するレーザ吸収率が低く、溶け込み深さを一定にすることが困難であり、加工品質が低下するおそれがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ワークの加工品質及び加工速度を高めることにある。

第１の発明は、レーザ光を出射してワークを加工するレーザ加工方法であって、第１レーザ光と、該第１レーザ光よりも波長の長い第２レーザ光とを、前記ワークに出射する工程と、所定の移動方向に沿って、前記ワークに対する前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の出射位置を相対的に移動させる工程と、前記第２レーザ光で前記ワークを溶融させ、前記移動方向に沿って延びる溶融池を形成する工程と、前記第１レーザ光の出射位置を、所定の出射領域内で移動させる工程とを備え、前記出射領域の移動方向寸法及び移動方向に直交する幅方向寸法は、前記溶融池の移動方向寸法及び幅方向寸法よりも大きいことを特徴とする。

第１の発明では、短波長の第１レーザ光と、長波長の第２レーザ光とを出射する。第２レーザ光は、ワークを溶融させ、所定の移動方向に延びる溶融池を形成する。第１レーザ光の出射位置は、所定の出射領域内で移動する。出射領域の移動方向寸法及び幅方向寸法は、溶融池の移動方向寸法及び幅方向寸法よりも大きい。

このように、第２レーザ光で形成される溶融池よりも広い範囲に第１レーザ光を出射することで、ワークの加工品質及び加工速度を高めることができる。

具体的に、短波長の第１レーザ光（例えば、６００ｎｍ以下の青色レーザ光）は、銅などの高反射率材料のワークに対するレーザ吸収率が高いが、レーザ光の最大出力が低い。一方、長波長の第２レーザ光（例えば、８００ｎｍ以上の赤外レーザ光）は、高反射率材料のワークに対するレーザ吸収率は低いが、レーザ光の最大出力が高い。

そこで、第１レーザ光をワークの表面に先行して出射することで、ワークの表面を酸化させる等の表面改質やワークの予熱を行う。そして、ワークの表面改質及び予熱が行われた部分に対して第２レーザ光を出射することで、第２レーザ光がワークに吸収されやすくなる。

このとき、第１レーザ光を溶融池よりも広い範囲に出射することで、ビーム径が小さい第１レーザ光であっても、ワークの幅広い範囲を表面改質及び予熱することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記出射領域の少なくとも一部は、前記第２レーザ光の出射位置よりも前記移動方向の前方に設けられることを特徴とする。

第２の発明では、第２レーザ光の出射位置よりも移動方向の前方に、出射領域の少なくとも一部が設けられる。

これにより、第１レーザ光でワークの表面を先行して荒らすとともにワークを予熱した後、第２レーザ光でワークの加工を行うことで、溶融池を短時間で作成することができる。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記出射領域の少なくとも一部は、前記第２レーザ光の出射位置よりも前記移動方向の後方に設けられることを特徴とする。

第３の発明では、第２レーザ光の出射位置よりも移動方向の後方に、出射領域の少なくとも一部が設けられる。

これにより、第１レーザ光を溶接ビードの終了端に出射することで、クレータの発生を抑えることができる。

第４の発明は、第１の発明において、前記出射領域は、前記第２レーザ光の出射位置よりも前記移動方向の前方及び後方に跨がって設けられることを特徴とする。

第４の発明では、第２レーザ光の出射位置よりも移動方向の前方及び後方に跨がって出射領域が設けられる。

このように、第２レーザ光で形成される溶融池の周辺部に第１レーザ光を出射することで、溶融池の中心部と周辺部との温度差を小さくして、スパッタの発生を抑えることができる。

また、第１レーザ光でワークの表面を先行して荒らすとともにワークを予熱した後、第２レーザ光でワークの加工を行うことで、溶融池を短時間で作成することができる。

さらに、第２レーザ光の後方にも第１レーザ光を出射して熱伝導溶接を行うことで、第２レーザ光で溶接後に凝固した溶接ビードの外観を滑らかにして、ワークの加工表面をきれいにすることができる。

本発明によれば、ワークの加工品質及び加工速度を高めることができる。

本実施形態１に係るレーザ加工装置の概略構成を示す側面図である。 レーザ光の波長と反射率との関係を示すグラフ図である。 レーザ開始位置において、第１レーザ光をワークに出射させた状態を示す平面図である。 第１レーザ光を第２レーザ光よりも前方にジグザグ状に出射させた状態を示す平面図である。 第１レーザ光を出射領域内でジグザグ状に往復移動させた状態を示す平面図である。 レーザ終了位置において、第１レーザ光を第２レーザ光よりも後方にジグザグ状に出射させた状態を示す平面図である。 本実施形態２に係るレーザ加工装置において、第１レーザ光を第２レーザ光よりも前方及び後方にジグザグ状に出射させた状態を示す平面図である。

以下、本発明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、本発明、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。

《実施形態１》
図１に示すように、レーザ加工装置１は、第１レーザ発振器１１と、第２レーザ発振器１２と、第１伝送ファイバ１５と、第２伝送ファイバ１６と、レーザ加工ヘッド２０と、ロボット２と、制御部５とを備える。

第１レーザ発振器１１は、制御部５からの指令に基づいて、第１レーザ光Ｌ１を出力する。第１レーザ光Ｌ１は、短波長のレーザ光である。短波長の第１レーザ光Ｌ１は、波長が６００ｎｍ以下（例えば、２６６ｎｍ～６００ｎｍ）の青色レーザ光又は緑色レーザ光である。

第１レーザ発振器１１とレーザ加工ヘッド２０とは、第１伝送ファイバ１５で接続される。第１レーザ光Ｌ１は、第１伝送ファイバ１５を介して、第１レーザ発振器１１からレーザ加工ヘッド２０に伝送される。

第２レーザ発振器１２は、制御部５からの指令に基づいて、第２レーザ光Ｌ２を出力する。第２レーザ光Ｌ２は、第１レーザ光Ｌ１よりも波長の長い、長波長のレーザ光である。長波長の第２レーザ光Ｌ２は、波長が８００ｎｍ以上（例えば、８００ｎｍ～１６０００ｎｍ程度）の赤外レーザ光である。

第２レーザ発振器１２とレーザ加工ヘッド２０とは、第２伝送ファイバ１６で接続される。第２レーザ光Ｌ２は、第２伝送ファイバ１６を介して、第２レーザ発振器１２からレーザ加工ヘッド２０に伝送される。

レーザ加工ヘッド２０は、第１伝送ファイバ１５及び第２伝送ファイバ１６から入射される第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２をワークＷに出射する。

レーザ加工ヘッド２０は、第１コリメートレンズ２１と、第２コリメートレンズ２２と、第１ミラー２３と、第２ミラー２４と、２軸ＭＥＭＳミラー２５（Micro Electro Mechanical Systems）と、ダイクロイックミラー２６と、ｆθレンズ２７と、検出部２８とを有する。

第１コリメートレンズ２１は、第１伝送ファイバ１５の出射端から出射された第１レーザ光Ｌ１を平行化する。第１ミラー２３は、第１コリメートレンズ２１で平行化された第１レーザ光Ｌ１を反射して、ワークＷに対する第１レーザ光Ｌ１の出射位置を変更可能に、ミラー角度を可変とする２軸ＭＥＭＳミラー２５に導光する。

なお、ここで、第１コリメートレンズ２１及び第２コリメートレンズ２２を光軸方向に移動することで、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のビーム径を拡大または縮小するように変更することができる。

第２コリメートレンズ２２は、第２伝送ファイバ１６の出射端から出射された第２レーザ光Ｌ２を平行化する。第２ミラー２４は、第２コリメートレンズ２２で平行化された第２レーザ光Ｌ２を反射して、ダイクロイックミラー２６に導光する。

２軸ＭＥＭＳミラー２５は、第１ミラー２３で反射された第１レーザ光Ｌ１をさらに反射して、ダイクロイックミラー２６に導光する。２軸ＭＥＭＳミラー２５は、ミラーの角度を２軸方向に変更することで、ダイクロイックミラー２６に対する第１レーザ光Ｌ１の入射位置を変更する。なお、２軸ＭＥＭＳミラー２５の代わりに、２軸のガルバノメータ（ガルバノミラー）を用いた構成としてもよい。

ダイクロイックミラー２６は、第２レーザ光Ｌ２を透過するとともに、第１レーザ光Ｌ１を反射する。ダイクロイックミラー２６は、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２をｆθレンズ２７に導光する。

ｆθレンズ２７は、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の入射位置において、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２をそれぞれ、ワークＷの面（像面）に対して垂直入射するビームとなるように集光する。ｆθレンズ２７で集光された第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２は、互いに平行光（言い換えると主光線が光軸に対して平行な平行光）としてワークＷに出射される。

ここで、ワークＷに対する第１レーザ光Ｌ１の出射位置は、２軸ＭＥＭＳミラー２５の角度を変更して、ｆθレンズ２７に対する第１レーザ光Ｌ１の入射位置を移動させることで、変更可能となっている。

検出部２８は、例えば、フォトダイオードで構成される。検出部２８は、ワークＷで反射された第１レーザ光Ｌ１の散乱光を検出する。検出部２８の検出結果は、制御部５に送られる。制御部５は、検出部２８で検出された第１レーザ光Ｌ１の散乱光が所定の閾値よりも小さい場合に、ワークＷの表面改質及び予熱が十分に行われたと判断する。

ロボット２は、ロボットアーム３を有する。ロボットアーム３の先端部には、レーザ加工ヘッド２０が取り付けられる。ロボットアーム３は、複数の関節部４を有する。

ロボット２は、制御部５からの指令に基づいて、レーザ加工ヘッド２０を所定の溶接方向（移動方向）に沿って移動させ、ワークＷに対するレーザ加工ヘッド２０の位置を変更する。これにより、ワークＷに対する第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の位置を移動させ、レーザ加工を行う。

制御部５は、第１レーザ発振器１１、第２レーザ発振器１２、レーザ加工ヘッド２０、及びロボット２に接続される。制御部５は、第１レーザ発振器１１、第２レーザ発振器１２、レーザ加工ヘッド２０、及びロボット２の動作を制御する。

制御部５は、レーザ加工ヘッド２０の移動速度の他に、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の出力開始や停止、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の出力強度などを制御する機能も備える。なお、制御部５は、ここで１つの構成になっているが、複数で構成しても良い。

ワークＷは、第１部材Ｗ１と、第２部材Ｗ２とを有する。第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２は、板状に形成される。第１部材Ｗ１は、第２部材Ｗ２の上面に重ね合わされる。

ワークＷは、レーザ吸収率の低い高反射率材料で構成される。具体的に、図２に示すように、レーザ光の反射率は、ワークＷの材質によって異なる。例えば、波長が８００ｎｍ以上の長波長としての赤外レーザ光を基準とした場合、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）は、鉄（Ｆｅ）に比べてレーザ光の波長の反射率（％）が高く、言い換えるとレーザ吸収率の低い高反射率材料であることが分かる。一方、鉄（Ｆｅ）は、相対的にレーザ光の波長の反射率（％）が低く、言い換えるとレーザ吸収率の高い低反射率材料であることが分かる。

そこで、本実施形態では、ワークＷをレーザ吸収率の低い高反射率材料である銅で構成している。なお、ワークＷを金又は銀で構成してもよい。

〈レーザ加工装置の動作〉
ところで、短波長の第１レーザ光Ｌ１は、銅などの高反射率材料のワークＷに対するレーザ吸収率が高いが、レーザ光の最大出力が低い。そのため、必要な溶接ビード幅を得るためには、ビーム径を大きくしなければならないが、パワー密度が低下するため、加工速度を遅くする必要がある。

一方、長波長の第２レーザ光Ｌ２は、高反射率材料のワークＷに対するレーザ吸収率は低いが、レーザ光の最大出力が高い。しかしながら、長波長の第２レーザ光Ｌ２は、高反射率材料のワークＷに対するレーザ吸収率が低く、溶け込み深さを一定にすることが困難であり、加工品質が低下するおそれがある。

そこで、本実施形態では、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の出射位置を工夫することで、ワークＷの加工品質及び加工速度を高めることができるようにしている。

図３に示すように、レーザ加工ヘッド２０は、ワークＷに対して短波長の第１レーザ光Ｌ１を出射する。レーザ開始位置では、レーザ加工ヘッド２０は、短波長の第１レーザ光Ｌ１をパルス状に出射する。これにより、パワー密度の低い第１レーザ光Ｌ１であっても、パルス状に繰り返し出射してトータルの出力を高めることで、ワークＷを十分に予熱することができる。

具体的に、レーザ加工ヘッド２０は、高反射率材料に対するレーザ吸収率の高い第１レーザ光Ｌ１を、ワークＷの表面に先行して出射することで、ワークＷの表面を酸化させたり、ワークＷの表面を先に一部溶融させる等の表面改質を行う。

制御部５は、検出部２８の検出結果に基づいて、ワークＷの表面改質及び予熱の状態を判断する。具体的に、制御部５は、検出部２８で検出された短波長の第１レーザ光Ｌ１の散乱光が所定の閾値よりも小さい場合に、ワークＷの予熱が十分に行われたと判断する。

図４に示すように、レーザ加工ヘッド２０は、２軸ＭＥＭＳミラー２５（図１参照）の角度調整を行うことで、第１レーザ光Ｌ１の出射位置を変更する。具体的に、第１レーザ光Ｌ１は、レーザ開始位置よりも溶接方向（図４で左方向）の前方に設定された所定の出射領域３０内でジグザグ状に出射される。

レーザ加工ヘッド２０は、第１レーザ光Ｌ１を出射してワークＷの出射領域３０内を表面改質及び予熱した後、高反射率材料のワークＷにおける表面改質が行われたレーザ開始位置に、パワー密度の高い長波長の第２レーザ光Ｌ２を出射する。ワークＷのレーザ開始位置は、第１レーザ光Ｌ１で表面改質及び予熱されているため、第２レーザ光Ｌ２がワークＷに吸収されやすくなっている。

図５に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ加工ヘッド２０を溶接方向に移動させる。レーザ加工ヘッド２０は、ワークＷに対して第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を連続的に出射する。ワークＷは、第２レーザ光Ｌ２によって溶融され、溶接方向に沿って延びる溶融池３１が形成される。溶融池３１が凝固すると、溶接ビード３２が形成される。これにより、ワークＷの第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２が溶接される。

このように、レーザ加工ヘッド２０は、短波長の第１レーザ光Ｌ１をワークＷの表面に先行して出射することで、ワークＷの表面を酸化させる等の表面改質やワークＷの予熱を行う。そして、ワークＷの表面改質及び予熱が行われた部分に対して長波長の第２レーザ光Ｌ２を出射することで、第２レーザ光Ｌ２がワークに吸収されやすくなる。

このとき、第１レーザ光Ｌ１を溶融池３１よりも広い範囲に出射することで、ビーム径が小さい第１レーザ光Ｌ１であっても、ワークＷの幅広い範囲を表面改質及び予熱することができる。

出射領域３０は、レーザ加工ヘッド２０の移動に連動して、溶接方向の前方に移動する。出射領域３０の移動方向寸法及び移動方向に直交する幅方向寸法は、溶融池３１の移動方向寸法及び幅方向寸法よりも大きい。

レーザ加工ヘッド２０は、出射領域３０内で、第１レーザ光Ｌ１の出射位置をジグザグ状に往復移動させる。このように、第１レーザ光Ｌ１を、第２レーザ光Ｌ２で形成される溶融池３１よりも広い範囲に出射するようにしている。

ここで、出射領域３０は、第２レーザ光Ｌ２よりも溶接方向の前方に設けられる。レーザ加工ヘッド２０は、高反射率材料に対するレーザ吸収率の高い第１レーザ光Ｌ１を、ワークＷの表面に先行して出射する。出射領域３０内では、第１レーザ光Ｌ１が出射されることで、ワークＷの表面を酸化させる等の表面改質やワークＷの予熱が行われる。

レーザ加工ヘッド２０は、ワークＷにおける表面改質及び予熱が行われた部分に対して、パワー密度の高い第２レーザ光Ｌ２を出射する。これにより、第２レーザ光Ｌ２がワークＷに吸収されやすくなり、溶融池３１を短時間で作成することができる。

図６に示すように、レーザ終了位置において、出射領域３０は、第２レーザ光Ｌ２よりも溶接方向の後方に設けられる。具体的に、出射領域３０は、溶接ビード３２の終了端を囲むように位置している。

レーザ加工ヘッド２０は、出射領域３０内で、第１レーザ光Ｌ１の出射位置をジグザグ状に移動させる。このように、溶接ビード３２に対して第１レーザ光Ｌ１を出射することで、溶接ビード３２の外観を滑らかにするとともに、クレータの発生を抑えることができる。

《実施形態２》
以下、前記実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。

図７に示すように、レーザ加工ヘッド２０は、溶接方向に沿って移動しながら、ワークＷに対して第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を出射する。出射領域３０は、第２レーザ光Ｌ２の出射位置よりも溶接方向の前方及び後方に跨がって設けられる。出射領域３０は、レーザ加工ヘッド２０の移動に連動して、溶接方向の前方に移動する。

レーザ加工ヘッド２０は、出射領域３０内で、第１レーザ光Ｌ１の出射位置をジグザグ状に往復移動させる。このように、第２レーザ光Ｌ２で形成される溶融池３１の周辺部に第１レーザ光Ｌ１を出射することで、溶融池３１の中心部と周辺部との温度差を小さくして、スパッタの発生を抑えることができる。

また、第１レーザ光Ｌ１でワークＷの表面を先行して荒らすとともにワークＷを予熱した後、第２レーザ光Ｌ２でワークＷの溶接を行うことで、溶融池３１を短時間で作成することができる。

さらに、第２レーザ光Ｌ２の後方にも第１レーザ光Ｌ１を出射して熱伝導溶接を行うことで、第２レーザ光Ｌ２で溶接後に凝固した溶接ビード３２の外観を滑らかにして、ワークＷの加工表面をきれいにすることができる。

《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

本実施形態では、出射領域３０内で、第１レーザ光Ｌ１の出射位置をジグザグ状に往復移動させるようにしたが、この形態に限定するものではない。例えば、第１レーザ光Ｌ１の出射位置を、螺旋状、８の字状、無限大（∞）形状等の移動軌跡に沿って往復移動させるようにしてもよい。

本実施形態では、ロボット２でレーザ加工ヘッド２０を移動させ、ワークＷに対するレーザ加工ヘッド２０の位置を変更するようにしたが、この形態に限定するものではない。例えば、ワークＷを移動テーブル（図示省略）に搭載して、ワークＷに対してレーザ加工ヘッド２０を相対的に移動させる構成であってもよい。

本実施形態では、１つのレーザ加工ヘッド２０から第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を出射するようにした形態について説明したが、この形態に限定するものではない。例えば、第１レーザ光Ｌ１を出射するレーザ加工ヘッドと、第２レーザ光Ｌ２を出射するレーザ加工ヘッドとを別々に設けた構成であってもよい。

以上説明したように、本発明は、ワークの加工品質及び加工速度を高めることができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

１ レーザ加工装置
２０ レーザ加工ヘッド
３０ 出射領域
３１ 溶融池
Ｌ１ 第１レーザ光
Ｌ２ 第２レーザ光
Ｗ ワーク

Claims (4)

1. レーザ光を出射してワークを加工するレーザ加工方法であって、
   第１レーザ光と、該第１レーザ光よりも波長の長い第２レーザ光とを、前記ワークに出射する工程と、
   所定の移動方向に沿って、前記ワークに対する前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の出射位置を相対的に移動させる工程と、
   前記第２レーザ光で前記ワークを溶融させ、前記移動方向に沿って延びる溶融池を形成する工程と、
   前記第１レーザ光の出射位置を、所定の出射領域内で移動させる工程とを備え、
   前記出射領域の移動方向寸法及び移動方向に直交する幅方向寸法は、前記溶融池の移動方向寸法及び幅方向寸法よりも大きい
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 請求項１において、
   前記出射領域の少なくとも一部は、前記第２レーザ光の出射位置よりも前記移動方向の前方に設けられる
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
3. 請求項１又は２において、
   前記出射領域の少なくとも一部は、前記第２レーザ光の出射位置よりも前記移動方向の後方に設けられる
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
4. 請求項１において、
   前記出射領域は、前記第２レーザ光の出射位置よりも前記移動方向の前方及び後方に跨がって設けられる
   ことを特徴とするレーザ加工方法。