JP2524449B2 - レ―ザ加工装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザビーム出力に
よる光学部品への熱影響を抑制して加工開始時のビーム
径変動を抑制し、加工の安定化を実現したレーザ加工装
置及び方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザビームをワークに照射
して、熱処理、溶接及び切断等を行うレーザ加工装置は
良く知られている。図５は例えば特開昭63-60092号公報
に記載された従来のレーザ加工装置の光路示す構成図で
ある。

【０００３】図において、１はレーザビームＬを出射す
るレーザ発振器、２はレーザビームＬの出射ウィンドウ
となるレーザ発振器１の出力窓、３はレーザビームＬの
方向を切換えるミラー、４はミラー３で反射されたレー
ザビームＬを収束する集光レンズ、５は集光レンズ４を
介したレーザビームＬのスポットＳが照射されて所望の
加工が施されるワークである。

【０００４】尚、出力窓２と集光レンズ４との間には、
ビーム径Ｄを補正するための補正用レンズ(図示せず)等
が光学部品として挿入され得る。又、ミラー３及び集光
レンズ４は、両機能を具備した集光ミラーに置き換える
こともできる。

【０００５】次に、図５に示した従来のレーザ加工装置
の動作について説明する。レーザ発振器１の出力窓２か
ら出射されたレーザビームＬは、ミラー３により反射さ
れ、集光レンズ４により収束されてスポットとなり、ワ
ーク５に照射される。その後、例えばミラー３及び集光
レンズ４をワーク５の表面に沿って掃引することによ
り、ワーク５に対して所望の加工処理が施される。

【０００６】このとき、レーザビームＬの出力や集光レ
ンズ４の焦点距離等の使用は、加工条件に応じて予め設
定されている。しかし、長時間の加工が行われると、出
力窓２を含む透明光学部品が熱を持ち、局部的な温度上
昇による屈折率分布の変化や熱応力による形状変化が生
じる。例えば、通常は透明板からなる出力窓２が熱レン
ズ作用によって凸レンズに変形すると、出力窓２を通過
して一旦収束されたレーザビームＬは、集光レンズ４に
到達するまでに発散してビーム径Ｄが拡散し、レーザビ
ームＬのモード及び出力が正常状態から変化してしま
う。

【０００７】この現象は、出力窓２等の光学部品の吸収
率が大きくなるほど、又、レーザビームＬの出力が大き
くなるほど顕著に現れる。従って、出力窓２が長時間使
用により汚れてきた場合や、10ＫＷ程度の高出力レーザ
加工の場合、加工開始直後には正常な加工ができても、
途中から加工不良になってしまう。これを防ぐため、例
えばレーザ出力を低減するなどにより、加工条件を変更
することは考えられるが、加工時間が長くかかってしま
うことになる。

【０００８】特に、近年では、５ＫＷ程度の低出力のレ
ーザビームのみならず、10ＫＷ程度の高出力のレーザビ
ームが多用される傾向にあり、低出力レーザ加工装置で
は問題にならなかった光学部品への熱影響が無視できな
くなっている。従って、出力窓２を含む光学部品が経時
劣化によって熱変化を生じ易く、既に調整されたワーク
５の加工仕様を満たさなくなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ加工装置
及び方法は以上のように、高出力レーザ加工における出
力窓２を含む光学部品の熱変化を考慮していないので、
使用中にレーザビームＬのビーム径Ｄが変動してワーク
５に対する加工が不安定になり、所望の加工を施すこと
ができないという問題点があった。

【００１０】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、光学部品の熱影響によるビーム
径変動を抑制して加工の不安定化を防止し、高出力のレ
ーザ加工を常に安定に行うことのできるレーザ加工装置
及び方法を得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係るレーザ加
工装置は、出力窓を含む光学部品と集光手段との間に挿
入されたビームシャッタと、ビームシャッタを開閉駆動
してレーザビームを選択的に遮断又は通過させる開閉手
段と、レーザビームの出力を加工発振出力とこの加工発
振出力より低い予備発振出力とに切換える出力切換手段
と、開閉手段及び出力切換手段を制御する制御手段とを
設け、制御手段が、ワークの加工直前にはビームシャッ
タによりレーザビームを遮断すると共にレーザビームの
出力を予備発振出力に設定し、ワークの加工時にはビー
ムシャッタを開放してレーザビームを通過させると共に
レーザビームの出力を加工発振出力に設定するようにし
たものである。

【００１２】又、この発明に係るレーザ加工方法は、ワ
ークを加工する直前には、加工発振出力より低い予備発
振出力のレーザビームで出力窓を含む光学部品を暖める
と共に集光手段に対するレーザビームの入射を禁止し、
ワークを加工するときには、レーザビームを加工発振出
力に設定すると共に集光手段に対する入射を可能にした
ものである。

【００１３】

【作用】この発明においては、加工開始前に加工出力よ
り低出力の予備発振を行い、出力窓を含む光学部品を低
いレーザビーム出力で暖めておき、加工開始時における
光学部品の急激な熱変化を緩和させる。

【００１４】

【実施例】 実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１はこの発明の一実施例に適用されるレーザ加
工装置を示す斜視図であり、１、２及び５は前述と同様
のものである。4aは前述のミラー３及び集光レンズ４の
機能を兼ね備えた集光ミラー、5a及び5bは２枚の板材か
らなるワークである。ここでは、ワーク5a及び5bを突き
合わせて、線5cを介してＡ点からＢ点まで矢印Ｃ方向に
溶接する場合を示している。６は出力窓２と集光ミラー
4Aとの間の光路中に挿入されたビームシャッタである。

【００１５】図２はレーザ発振器１及びビームシャッタ
６の制御系(図１に示されない)を示す機能ブロック図で
あり、11はビームシャッタ６を開閉駆動してレーザビー
ムＬを選択的に遮断又は通過させる開閉手段、12はレー
ザビームＬの出力を加工発振出力とこの加工発振出力よ
り低い予備発振出力とに切換える出力切換手段、13は開
閉手段11及び出力切換手段12を制御する制御手段であ
る。

【００１６】制御手段13は、ワーク５の加工直前にはビ
ームシャッタ６によりレーザビームＬを遮断すると共に
レーザビームＬの出力を予備発振出力(例えば５ＫＷ)に
設定し、ワーク５の加工時にはビームシャッタ６を開放
してレーザビームＬを通過させると共にレーザビームＬ
の出力を加工発振出力(例えば10ＫＷ)に設定するように
なっている。

【００１７】図３は発振時間ｔに対するレーザビームＬ
のビーム径Ｄ並びに溶接の裏ビード幅Ｗの関係を示す特
性図である。通常、所望の加工能力を確保するために
は、加工ビーム径Ｄは50ｍｍ程度以下に絞り込まれなけ
ればならない。又、裏ビード幅Ｗとは、溶接加工時にワ
ーク５の裏から見た線5cでの溶接幅であり、溶接完成度
に対応し、１〜２ｍｍ程度以上の値が要求される。

【００１８】図３において、各曲線Ｄａ〜Ｄｃは従来装
置によるビーム径特性であり、Ｄａは出力窓２が新品で
あって正常状態(例えば、吸収率αが0.2％程度)にあると
きに10ＫＷの高出力発振させた場合を示し、Ｄｂは出力
窓２の吸収率αが長時間使用による表面汚れ等で(例え
ば、0.4％程度に)増大した状態で高出力発振させた場合
を示し、Ｄｃは出力窓２の吸収率αが0.4％程度に増大し
た状態で５ＫＷの低出力発振させた場合を示す。

【００１９】曲線Ｄｄはこの発明の装置によるビーム径
特性であり、出力窓２の吸収率αが増大した状態で、約
20秒間の５ＫＷの低出力予備発振させた後に10ＫＷの高
出力発振させた場合を示す。

【００２０】Ｔａ〜Ｔｄは各ビーム径Ｄａ〜Ｄｄに対応
した溶接時間であり、Ｔａ、Ｔｂは従来装置の10ＫＷ出
力による溶接時間、Ｔｃは従来装置の５ＫＷ出力による
溶接時間、Ｔｄ′はこの発明装置の５ＫＷ出力による予
備発振時間、Ｔｄはこの発明装置の10ＫＷ出力による溶
接時間を示す。Ｗａ〜Ｗｄは、各ビーム径Ｄａ〜Ｄｄの
レーザビームＬにより板厚3.2ｍｍのワーク５を溶接し
たときの裏ビード幅であり、Ａ点は溶接開始点、Ｂ点は
溶接終了点を示す。

【００２１】図４は一般的な熱レンズ作用を示す説明図
であり、(ａ)は出力窓２が正常状態でのレーザビームＬ
の光路、(ｂ)は熱レンズ作用により出力窓２が変形した
場合のレーザビームＬの光路をそれぞれ示す。この場
合、出力窓２の熱レンズ作用が生じると、(ｂ)のよう
に、ビーム径Ｄ′が正常状態のビーム径Ｄより大きくな
ることを示している。

【００２２】次に、図３及び図４を参照しながら、図１
及び図２に示したこの発明の一実施例の動作について説
明する。まず、加工直前の状態において、制御手段13
は、開閉手段11及び出力切換手段12を制御し、ビームシ
ャッタ６を閉成すると共に、レーザ発振器１から出射さ
れるレーザビームＬを予備発振出力即ち５ＫＷに設定す
る。その後、一定時間例えば図３のＴｄ′で示すように
20秒間の発振が行われ、低出力のレーザビームＬによ
り、出力窓２は適切に暖められる。このとき、レーザビ
ームＬは、ビームシャッタ６で遮断され、集光ミラー4A
への入射は禁止され、ワーク５に照射されることはな
い。

【００２３】続いて、ワーク５の加工時において、制御
手段13は、開閉手段11を制御してビームシャッタ６を開
放すると共に、出力切換手段12を制御してレーザ発振器
１から出射されるレーザビームＬを加工発振出力即ち10
ＫＷに設定する。これにより、高出力のレーザビームＬ
は、ビームシャッタ６を通過して集光ミラー4Aに入射さ
れ、ワーク５に照射される。

【００２４】このとき、加工開始前の予備発振により出
力窓２が暖められているので、加工開始時の熱レンズ作
用等の急激な熱変化は緩和され、図３のＤｄで示すよう
にビーム径変動も抑制される。このことは、加工開始時
点から直ちに10ＫＷ出力の発振を行った場合の特性曲線
Ｄｂとの比較から明らかである。そして、溶接時間Ｔｄ
(60秒間程度)の間に、レーザビームＬは、ワーク5a及び
5bを突き合わせた線5cに沿って矢印Ｃ方向に移動され、
開始点Ａから終了点Ｂまでの溶接を行う。この結果、変
動の少ない所要値以上の裏ビード幅Ｗｄの溶接が行わ
れ、加工の安定化が実現する。

【００２５】仮に、加工開始時点から10ＫＷ出力で溶接
が行われたとすると、図４(ａ)のように初期設定された
ビーム径Ｄは、(ｂ)に示す出力窓２の熱レンズ作用によ
り、レーザビームＬの拡散に伴ってＤ′(＞Ｄ)のように
拡大する。このように集光ミラー4Aの手前でレーザビー
ムＬが焦点を結ぶと、加工性能は著しく低下する。即
ち、ビーム径特性ＤｂのレーザビームＬで溶接が行われ
ると、裏ビード幅Ｗは図３のＷｂのように変動し、溶接
能力はビーム径Ｄの増大に伴って減少し、裏ビード幅が
１ｍｍ以下の溶接不良が発生してしまう。又、出力窓２
が新品状態であったとしても、発振開始時点の急激な熱
変化によるビーム径変動Ｄａにより裏ビード幅Ｗａが安
定しないことは明らかである。

【００２６】この発明によれば、溶接開始直前の５ＫＷ
発振出力により熱変動が抑制されるうえ、溶接中での10
ＫＷ発振出力により、裏ビード幅Ｗｄが１ｍｍ以上確保
でき且つ溶接時間Ｔｄが延長されることもない。従っ
て、従来では使用不可能な程度に経時劣化した出力窓２
を用いて、溶接不良を発生することなく安定な裏ビード
を得ることができ、結果的に出力窓２の寿命を延長でき
ることになる。

【００２７】実施例２．尚、上記実施例では、５ＫＷ出
力の予備発振を20秒間継続した後で10ＫＷ出力の加工発
振を実行したので、溶接時間Ｔｄの終了時刻(約80秒程
度)が従来の溶接時間Ｔａの終了時刻(約60秒程度)より
遅くなったが、溶接開始前の工程（例えばワーク5a及び
5bの突き合わせ工程）と同時に予備発振シーケンスを実
行すれば、溶接時間Ｔｄの終了時刻が遅くなることはな
い。

【００２８】実施例３．又、予備発振出力を５ＫＷ、予
備発振時間Ｔｄ′を20秒としたが、出力窓２の汚れ状態
によるビーム径Ｄの変化程度に応じて適宜設定され得
る。

【００２９】実施例４．又、レーザ加工が溶接である場
合を例にとって説明したが、その他の熱処理や切断等の
加工においても同様に適用でき同等の効果を奏すること
は言うまでもない。

【００３０】実施例５．又、出力窓２の直後の光路中に
ビームシャッタ６を挿入したが、光路系の設計上、出力
窓２から集光ミラー4Aまでの間に他の透明な光学部品
（例えば、ビーム径補正用レンズ）を使用する場合に
は、出力窓２を含む光学部品と集光ミラー4Aとの間にビ
ームシャッタ６を挿入すればよい。この場合、レーザビ
ームＬが通過する全ての光学部品の熱変化を緩和するこ
とができ、同様に加工を安定化することができる。

【００３１】実施例６．更に、ワーク５上にスポットを
形成するための集光手段として集光ミラー4Aを用いた
が、図５と同様に反射ミラー３と機能が分離された集光
レンズ４を用いてもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、出力窓
を含む光学部品と集光手段との間に挿入されたビームシ
ャッタと、ビームシャッタを開閉駆動してレーザビーム
を選択的に遮断又は通過させる開閉手段と、レーザビー
ムの出力を加工発振出力とこの加工発振出力より低い予
備発振出力とに切換える出力切換手段と、開閉手段及び
出力切換手段を制御する制御手段とを設け、制御手段
が、ワークの加工直前にはビームシャッタによりレーザ
ビームを遮断すると共にレーザビームの出力を予備発振
出力に設定し、ワークの加工時にはビームシャッタを開
放してレーザビームを通過させると共にレーザビームの
出力を加工発振出力に設定するようにしたので、加工開
始前に低出力の予備発振により出力窓を含む光学部品を
暖めておき、加工開始時における光学部品の急激な熱変
化によるビーム径変動を緩和させることができ、光学部
品の熱影響による加工の不安定化を防止して高出力のレ
ーザ加工を常に安定に行うことのできるレーザ加工装置
が得られる効果がある。

【００３３】又、この発明によれば、ワークを加工する
直前には、加工発振出力より低い予備発振出力のレーザ
ビームで出力窓を含む光学部品を暖めると共に集光手段
に対するレーザビームの入射を禁止し、ワークを加工す
るときには、レーザビームを加工発振出力に設定すると
共に集光手段に対する入射を可能にし、加工開始前に低
出力の予備発振により出力窓を含む光学部品を暖めてお
き、加工開始時における光学部品の急激な熱変化による
ビーム径変動を緩和させるようにしたので、光学部品の
熱影響による加工の不安定性を防止し、高出力のレーザ
加工を常に安定に行うことのできるレーザ加工方法が得
られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるレーザ加工装置の一実施例を示
す斜視図である。

【図２】この発明によるレーザ加工装置の一実施例を示
す機能ブロック図である。

【図３】この発明のレーザ加工方法による発振時間とビ
ーム径及び裏ビード幅との関係を示す特性図である。

【図４】一般的なレーザ加工装置の熱レンズ作用を示す
説明図である。

【図５】従来のレーザ加工装置の光路を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ 出力窓 4A 集光ミラー ５ ワーク ６ ビームシャッタ 11 開閉手段 12 出力切換手段 13 制御手段 Ｄ ビーム径 Ｌ レーザビーム Ｔｄ′ 予備発振時間 Ｔｄ 溶接時間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 沖島 清裕 北九州市戸畑区飛幡町１番１号 新日本 製鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者 北川 勉 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電 機株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 前畑 純一 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電 機株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 平２−75487（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−55686（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームを出射するための出力窓を
   有するレーザ発振器と、前記レーザビームをスポットに
   収束してワークに照射するための集光手段とを備えたレ
   ーザ加工装置において、 前記出力窓を含む光学部品と前記集光手段との間に挿入
   されたビームシャッタと、 前記ビームシャッタを開閉駆動して前記レーザビームを
   選択的に遮断又は通過させる開閉手段と、 前記レーザビームの出力を加工発振出力とこの加工発振
   出力より低い予備発振出力とに切換える出力切換手段
   と、 前記開閉手段及び前記出力切換手段を制御する制御手段
   とを設け、 前記制御手段は、前記ワークの加工直前には前記ビーム
   シャッタにより前記レーザビームを遮断すると共に前記
   レーザビームの出力を予備発振出力に設定し、前記ワー
   クの加工時には前記ビームシャッタを開放して前記レー
   ザビームを通過させると共に前記レーザビームの出力を
   加工発振出力に設定することを特徴とするレーザ加工装
   置。
2. 【請求項２】 レーザ発振器の出力窓から加工発振出力
   のレーザビームを出射し、集光手段により前記レーザビ
   ームをスポットに収束してワークに照射するレーザ加工
   装置を用いたレーザ加工方法において、 前記ワークを加工する直前には、前記加工発振出力より
   低い予備発振出力のレーザビームで前記出力窓を含む光
   学部品を暖めると共に、前記集光手段に対する前記レー
   ザビームの入射を禁止し、 前記ワークを加工するときには、前記レーザビームを前
   記加工発振出力に設定すると共に、前記集光手段に対す
   る入射を可能にしたことを特徴とするレーザ加工方法。