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 - Google Patents
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Description
【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 (4)
- 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。
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