JP3743383B2

JP3743383B2 - レーザ加工装置、レーザ加工方法、およびレーザ加工された被加工物を有する物品の製造方法

Info

Publication number: JP3743383B2
Application number: JP2002109297A
Authority: JP
Inventors: 卓哉澤井
Original assignee: 株式会社レーザックス
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: JP2003001474A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工装置、このレーザ加工装置を用いてレーザ加工を行うレーザ加工方法、およびこのレーザ加工方法によってレーザ加工された被加工物を有する物品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のレーザ加工装置として、特開平６−２６２３８４号公報に記載されたものがある。この従来のレーザ加工装置は、図９に示すように、円錐の外面と内面の形状で反射鏡を有するビーム変形ミラー１０１と、中心に穴の開いた平面反射ミラー１０２と、集光機能を得ることができる放物線等の曲線を環状に有する集光ミラー１０３とを備え、ビーム変形ミラー１０１とビームガイドミラー１０２によってレーザビーム１０４をリング状レーザビーム１０５にビーム整形し、そのレーザビーム１０５を集光ミラー１０３によって反射集光して、被加工物１０６のレーザ加工を行うようにしたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したレーザ加工装置によれば、リング状レーザビーム１０５を集光する集光ミラー１０３の中心に柱状の被加工物１０６を配置することによって、柱状の被加工物１０６の外周を全周に亘り一工程で表面改質等を容易に実現することができる。
【０００４】
しかしながら、上記したレーザ加工装置では、集光ミラー１０３によって集光反射されたレーザビームの集光点位置が一定であるため、被加工物１０６に照射するレーザビームの照射光帯幅を変えることはできない。
【０００５】
また、上記した公報には、集光ミラーの中央開口部の集光径変換ミラーを挿入することによって、円筒状の被加工物の内面をレーザ加工する場合の照射光帯幅を変えることができる技術も記載されている。しかしながら、この場合には、集光径変換ミラーを挿入したり除去したりする作業が必要であり、また照射光帯域幅も２段階にしか変えることができない。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みたもので、被加工物に照射するレーザビームの照射光帯幅を容易に、また連続的に変えることが可能なレーザ加工装置、およびこのレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法、レーザ加工された被加工物を有する物品の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載のレーザ加工装置は、レーザビームを反射してプレート状のレーザビームを生成する第１のミラーと、前記プレート状のレーザビームを反射集光する集光ミラーとを有し、レーザビームを、集光環を形成するレーザビームあるいは集光点が円周上に多点的に存在するレーザビームに整形するレーザビーム整形手段と、
このレーザビーム整形手段にて整形されたレーザビームを反射して被加工物に照射する第２のミラーと、
前記被加工物に照射するレーザビームの照射光帯幅を変化させるために、前記レーザビーム整形手段と前記第２のミラーの相対的な位置を調整する第１の位置調整機構と、
前記被加工物に対するレーザビームの照射角度を変えるために、前記集光ミラーに対する前記プレート状のレーザビームの入射位置を調整する第２の位置調整機構と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載のレーザ加工装置は、レーザビームを反射してプレート状のレーザビームを生成する第１のミラーと、前記プレート状のレーザビームを反射集光する集光ミラーとを有し、レーザビームを、集光環を形成するレーザビームあるいは集光点が円周上に多点的に存在するレーザビームに整形するレーザビーム整形手段と、
このレーザビーム整形手段にて整形されたレーザビームを反射して被加工物に照射する第２のミラーと、
前記被加工物に照射するレーザビームの照射光帯幅を変化させるために、前記レーザビーム整形手段と前記第２のミラーの相対的な位置を調整する位置調整機構と、
前記第２のミラーと前記被加工物との間に配置され、前記第２のミラーによって反射されたレーザビームを透過し、その透過したレーザビームによって前記被加工物をレーザ加工したときの飛散物が前記第２のミラーの反射面に付着するのを防止する保護ウインドーと、を備え、
前記保護ウインドーに前記第１のミラーを保持するための保持部材が取り付けられ、前記第１のミラーが前記保持部材に挿入固定され、前記保持部材に対する前記第１のミラーの挿入位置を調整することにより、前記集光ミラーに対する前記プレート状のレーザビームの入射位置を調整して、前記被加工物に対するレーザビームの照射角度を変えるようになっていることを特徴とする。
【０００９】
上記したレーザビーム整形手段は、プレート状のレーザビームを反射集光する集光ミラーを有する。プレート状のレーザビームは、ある平面と完全に平行なレーザビームのみならず、多少集光あるいは発散したレーザビームであってもよい。
【００１０】
また、レーザビーム整形手段は、レーザビームを反射してプレート状のレーザビームを生成する第１のミラーを有する。この第１のミラーとしては、後述する実施形態に示すように、円錐外面を反射面とした円錐外面ミラーあるいは多角形錐面を反射面とした多角錐外面ミラーとすることができる。
【００１１】
また、請求項１、２に記載の発明によれば、集光ミラーに対するプレート状のレーザビームの入射位置を調整することによって、被加工物に対するレーザビームの照射角度を変えることができるようにしているので、例えば、外周径が異なる加工物を溶接する場合に、その加工品質を向上させることができる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明では、第２のミラーと被加工物との間に保護ウインドーを配置しているので、被加工物をレーザ加工したときの飛散物が第２のミラーの反射面に付着するのを防止することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のレーザ加工装置を用いて被加工物をレーザ加工するレーザ加工方法であって、
レーザビーム整形手段にて整形されたレーザビームに対する第２のミラーの反射位置を調整するステップと、
集光ミラーに対するプレート状のレーザビームの入射位置を調整するステップと、
レーザビーム整形手段にて整形されたレーザビームを第２のミラーにより反射して被加工物に照射するステップと、を有することを特徴としている。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明は、レーザ加工された被加工物を有する物品の製造方法であって、
請求項１または２に記載のレーザ加工装置を用いて被加工物をレーザ加工するレーザ加工工程を有し、
このレーザ加工工程において、
レーザビーム整形手段にて整形されたレーザビームに対する第２のミラーの反射位置を調整するステップと、
集光ミラーに対するプレート状のレーザビームの入射位置を調整するステップと、
レーザビーム整形手段にて整形されたレーザビームを第２のミラーにより反射して被加工物に照射するステップと、を有することを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す。レーザ加工装置は、円錐外面ミラー１と、ミラー保持ウィンドー２と、環状放物面ミラー３と、円錐内面ミラー４と、筒状ウィンドー５とを備えている。
【００１６】
円錐外面ミラー１は、円錐の外面状に反射面を有し、その円錐軸と平行に円錐頂点に入射されたレーザビーム２１を、円錐軸と垂直な平面と平行に全方位に亘りプレート状に反射する。ミラー保持ウィンドー２は、円錐外面ミラー１を保持するもので、レーザビームを透過させる部材で構成されている。環状放物面ミラー３は、曲線（例えば放物線）を環状に有する環状放物面を有し、その環状放物面で、入射したプレート状のレーザビームを反射集光する。この反射集光によって、レーザビームの進行方向に直交する断面における光強度分布がリング状で、集光環を形成するリング状集光ビーム２２が出射される。これら円錐外面ミラー１、ミラー保持ウィンドー２および環状放物面ミラー３は、レーザビームを、集光環を形成するレーザビームに整形するレーザビーム整形手段を構成している。
【００１７】
円錐内面ミラー４は、円錐の内面状に反射面を有し、リング状集光ビーム２２を反射して被加工物１１に照射する。筒状ウィンドー５は、円錐内面ミラー４と被加工物との間に配置され、レーザビームを透過させる部材で構成されており、被加工物をレーザ加工したときの飛散物が円錐内面ミラー４の反射面に付着するのを防止する。但し、レーザ加工時の飛散物が問題にならない場合は、筒状ウィンドー５はなくてもよい。
【００１８】
なお、円錐内面ミラー４は、図示しない位置調整機構によって、図の矢印Ａの方向に移動できるように構成されている。
【００１９】
次に、図１に示すレーザ加工装置を用いて、被加工物を表面改質加工する方法、溶接加工する方法について説明する。
（表面改質加工方法）
レーザ発振器から出射されたレーザビーム２１を円錐外面ミラー１の円錐頂点に入射する。入射されたレーザビーム２１は、円錐外面ミラー１によって円錐軸と垂直な平面と平行に全方位に亘りプレート状に反射される。そのプレート状に反射されたレーザビームは、環状放物面ミラー３によって反射集光され、リング状集光ビーム２２となる。
【００２０】
このリング状集光ビーム２２は、ミラー保持ウィンドー２をリング状に損失なく透過した後、円錐内面ミラー４によって、リング状集光ビーム２２のリング内側に全て折り返され、筒状ウィンドー５を透過して、被加工物１１の加工部分１１ａに照射される。そして、被加工物１１にリング状集光ビーム２２を照射しつつ、被加工物１１を矢印Ａと同方向に移動させることによって、被加工物１１の表面改質加工を行うことができる。
【００２１】
なお、上記した表面改質加工を行う前に、円錐内面ミラー４を移動し、被加工物１１の加工条件に最適な照射光帯幅を得るように調整しておく。すなわち、リング状集光ビーム２２に対する円錐内面ミラー４の反射位置を調整し、被加工物１１の加工条件に最適な照射光帯幅を得るようにする。例えば、図１の場合、被加工物１１に照射されている照射光帯幅が最も狭い状態ならば、矢印Ａの方向に円錐内面ミラー４を移動させることにより、徐々に光帯幅照を広げることができ、逆に狭くするならば、円錐内面ミラー４を照射光帯幅が狭くなる方向に移動させるようにする。照射光帯幅の調整は、円錐内面ミラー４の移動によって連続的に行うことができ、照射光帯幅を任意の大きさにすることができる。
（溶接加工方法）
図２、図３に、柱状の被加工物１２と被加工物１３を溶接加工する場合の構成を示す。この溶接加工においては、筒状ウィンドー５の上部にワークホルダ６を備え付け、ワークホルダ６に一方の被加工物１２を保持させる。ワークホルダ６は、筒状ウィンドー５の上部に取り付けられる本体部６ａと、被加工物１２を保持する保持部６ｂとからなる。保持部６ｂは、ネジによって本体部６ａに挿入固定されている。また、他方の被加工物１３は、図示しない保持装置で保持される。
【００２２】
被加工物１２と被加工物１３の双方の外周径がおよそ等しく、柱状被加工物の中心軸方向に対して垂直にレーザビームを照射することが可能である場合には、図２に示すように、ワークホルダ６に被加工物１２を保持させ、被加工物１３を被加工物１２に接触させた状態で、被加工物１２と被加工物１３の境界近傍の加工部分１４にリング状集光ビーム２２を照射する。このことによって、溶接加工を実現することができる。
【００２３】
また、被加工物１２と被加工物１３の外周径が異なり、柱状被加工物の中心軸方向に対して、垂直よりも傾けてレーザビームを照射した方が加工品質の向上が見込まれる場合には、図３に示すように、環状放物面ミラー３とミラー保持ウィンドー２をレーザビーム２１の伝搬方向と平行、すなわち図中の矢印Ｂの方向に図示しない位置調整機構によって相対的に位置調整する。このことにより、ミラー保持ウィンドー２によって保持された円錐外面ミラー１と環状放物面ミラー３の相対的な位置が変わり、円錐外面ミラー１から環状放物面ミラー３に入射するレーザビームの入射位置が変わる。すなわち、図３に示すように円錐外面ミラー１を環状放物面ミラー３から離れる方向に位置調整すると、円錐外面ミラー１からのレーザビームが、環状放物面ミラー３の外周部側に入射されるようになるため、被加工物１２と被加工物１３の境界である加工部分１４に対し斜め上方からレーザビームが照射される。
【００２４】
このように円錐外面ミラー１と環状放物面ミラー３の相対的な位置を調整することにより、任意の角度で被加工物１２と被加工物１３との境界線全周に亘り、レーザビームを照射することができる。
【００２５】
なお、被加工物１２と被加工物１３が金属の場合、ワークホルダ６を金属で構成すると、溶接に寄与する熱がワークホルダ６を介して逃げてしまうため、ワークホルダ６としては、熱が逃げにくい材料、例えばセラミックによって構成するのが好ましい。
【００２６】
なお、この溶接加工においても、溶接加工を行う前に、円錐内面ミラー４を移動し、加工条件に最適な照射光帯幅を得るように調整しておく。
（その他の実施形態）
図１に示すレーザ加工装置では、環状放物面ミラー３とミラー保持ウィンドー２を分離して配置するものを示したが、図４に示すように、円錐外面ミラー１を保持したミラー保持ウィンドー２を環状放物面ミラー３に固定して単体のユニットとしてもよい。このようにすれば、そのユニットを移動するだけで加工部分１１ａでのレーザビームの照射光帯幅を調整することができる。この場合、表面品質加工に限らず、溶接加工においても、被加工物に対するレーザビームの照射角度調整が不必要な場合は、ミラー保持ウィンドー２を環状放物面ミラー３に固定して単体のユニットとしてもよい。
【００２７】
また、図１に示すレーザ加工装置では、ミラー保持ウィンドー２を用いて円錐外面ミラー１を保持するものを示したが、ミラー保持ウィンドー２を用いずに構成することもできる。
【００２８】
例えば、図５に示すように、表面品質加工を行う場合、筒状ウィンドー５の上部にミラーホルダ７を取り付け、このミラーホルダ７によって円錐外面ミラー１を保持する。この場合、円錐外面ミラー１は、ネジによってミラーホルダ７の中央開口部に挿入固定される。
【００２９】
また、溶接加工を行う場合には、図６に示すように、ワークホルダ６の保持部６ｂの中央に開口部を形成し、この開口部に円錐外面ミラー１をネジによって挿入固定する。この場合、保持部６ａに対する円錐外面ミラー１の挿入位置を調整することによって、被加工物に対するレーザビームの照射角度を調整することができる。例えば、図に示すように、被加工物１３より被加工物１２の外周径が大きい場合、円錐外面ミラー１を環状放物面ミラー３に近づける方向に位置調整すると、円錐外面ミラー１からのレーザビームが、環状放物面ミラー３の内周部側に入射されるようになるため、被加工物１２と被加工物１３の境界に対し斜め下方からレーザビームが照射されることになる。
【００３０】
また、図１に示すレーザ加工装置では、環状放物面ミラー３を用いて集光させるものを示したが、このミラー３を、円錐の内面状に反射面を有する円錐内面ミラーとして構成することもできる。例えば、図７に示すように、円錐内面ミラー３で反射したレーザビームを、断面が半ドーナッツ型形状をしたレンズ８により、透過集光させて、リング状集光ビーム２２を生成する。また、図８に示すように、ミラー１を環状放物面ミラーとし、この環状放物面ミラー１で反射集光したレーザビームを円錐外面ミラー３で反射し、リング状集光ビーム２２を生成する。
【００３１】
また、図１に示すレーザ加工装置では、円錐外面を反射面とした円錐外面ミラー１を用いることによって、環状放物面ミラー３から出射されるレーザビームが集光環を形成するものを示したが、円周上に多点的に集光点が存在するレーザビームによってレーザ加工を行う場合には、円錐外面ミラー１に代えて、多角形錐面（例えば、三角錐）を反射面とした多角錐外面ミラーを用いるようにすればよい。
【００３２】
この場合、多角錐外面ミラーがミラー保持ウィンドー２で保持されていれば、ミラー保持ウィンドー２をレーザビーム２１の伝搬方向を回転軸として回転させることにより、集光点を被加工物で円周移動させることができる。また、ミラー保持ウィンドー２を高速で回転させれば、上記した実施形態と同様、リング状集光ビームを得ることができる。このようにミラー保持ウィンドー２を高速回転させてリング状集光ビームを得る場合には、多角錐外面ミラーでなくても、１つの反射面を有するミラーであってもよい。
【００３３】
また、上記した実施形態では、環状放物面ミラー３から出射されたレーザビームに対する円錐内面ミラーの反射位置を調整するための手段として円錐内面ミラー４を移動させる位置調整機構を示したが、その位置調整機構は環状放物面ミラー３の方を移動させるものであってもよい。要は、そのような位置調整手段によって円錐内面ミラー４と環状放物面ミラー３の相対的な位置が調整できるようになっていればよい。
【００３４】
また、ミラー４としては、円錐内面を反射面とするものに限らず、曲線を環状に有する内面を反射面とするものであってもよい。
【００３５】
また、被加工物に照射するレーザビームは、集光しているものの他、発散しているものを用いることもできる。
【００３６】
また、レーザ加工は、被加工物の外面にレーザビームを照射して行うものに限らず、特開平６−２６２３８４号公報に記載されているように、被加工物の内面にレーザビームを照射して行うこともできる。このためには、ミラー４により、リング状集光ビーム２２をリング外側に反射するように構成すればよい。
【００３７】
なお、上記した実施形態で示したレーザ加工方法は、レーザ加工された被加工物を有する物品の製造方法におけるレーザ加工工程として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図２】被加工物１２と被加工物１３の外周径がおよそ等しい場合の溶接加工を行う際のレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図３】被加工物１２と被加工物１３の外周径が異なる場合の溶接加工を行う際のレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図４】ミラー保持ウィンドー２を環状放物面ミラー３に固定した実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図５】ミラー保持ウィンドー２を用いずに構成した実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図６】ミラー保持ウィンドー２を用いずに構成した他の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図７】ミラー３を円錐内面ミラーとして構成した実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図８】ミラー３を円錐内面ミラーとして構成した他の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図９】従来のレーザ加工装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…円錐外面ミラー（第１のミラー）、２…ミラー保持ウィンドー、
３…環状放物面ミラー（集光ミラー）、
４…円錐内面ミラー（第２のミラー）、５…筒状ウィンドー、
６…ワークホルダ、７…ミラーホルダ、
１１、１２、１３…被加工物、２１…レーザビーム、
２２…リング状集光ビーム。

Claims

レーザビームを反射してプレート状のレーザビームを生成する第１のミラーと、前記プレート状のレーザビームを反射集光する集光ミラーとを有し、レーザビームを、集光環を形成するレーザビームあるいは集光点が円周上に多点的に存在するレーザビームに整形するレーザビーム整形手段と、
このレーザビーム整形手段にて整形されたレーザビームを反射して被加工物に照射する第２のミラーと、
前記被加工物に照射するレーザビームの照射光帯幅を変化させるために、前記レーザビーム整形手段と前記第２のミラーの相対的な位置を調整する第１の位置調整機構と、
前記被加工物に対するレーザビームの照射角度を変えるために、前記集光ミラーに対する前記プレート状のレーザビームの入射位置を調整する第２の位置調整機構と、を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
レーザビームを反射してプレート状のレーザビームを生成する第１のミラーと、前記プレート状のレーザビームを反射集光する集光ミラーとを有し、レーザビームを、集光環を形成するレーザビームあるいは集光点が円周上に多点的に存在するレーザビームに整形するレーザビーム整形手段と、
このレーザビーム整形手段にて整形されたレーザビームを反射して被加工物に照射する第２のミラーと、
前記被加工物に照射するレーザビームの照射光帯幅を変化させるために、前記レーザビーム整形手段と前記第２のミラーの相対的な位置を調整する位置調整機構と、
前記第２のミラーと前記被加工物との間に配置され、前記第２のミラーによって反射されたレーザビームを透過し、その透過したレーザビームによって前記被加工物をレーザ加工したときの飛散物が前記第２のミラーの反射面に付着するのを防止する保護ウインドーと、を備え、
前記保護ウインドーに前記第１のミラーを保持するための保持部材が取り付けられ、前記第１のミラーが前記保持部材に挿入固定され、前記保持部材に対する前記第１のミラーの挿入位置を調整することにより、前記集光ミラーに対する前記プレート状のレーザビームの入射位置を調整して、前記被加工物に対するレーザビームの照射角度を変えるようになっていることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１または２に記載のレーザ加工装置を用いて被加工物をレーザ加工するレーザ加工方法であって、
前記レーザビーム整形手段にて整形されたレーザビームに対する前記第２のミラーの反射位置を調整するステップと、
前記集光ミラーに対する前記プレート状のレーザビームの入射位置を調整するステップと、
前記レーザビーム整形手段にて整形されたレーザビームを前記第２のミラーにより反射して前記被加工物に照射するステップと、を有することを特徴とするレーザ加工方法。
レーザ加工された被加工物を有する物品の製造方法であって、
請求項１または２に記載のレーザ加工装置を用いて前記被加工物をレーザ加工するレーザ加工工程を有し、
このレーザ加工工程において、
前記レーザビーム整形手段にて整形されたレーザビームに対する前記第２のミラーの反射位置を調整するステップと、
前記集光ミラーに対する前記プレート状のレーザビームの入射位置を調整するステップと、
前記レーザビーム整形手段にて整形されたレーザビームを前記第２のミラーにより反射して前記被加工物に照射するステップと、を有することを特徴とする、レーザ加工された被加工物を有する物品の製造方法。