JP4020099B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光によって金属材料や樹脂材料等の溶接、溶着、切断、除去等の加工を行うレーザ加工方法に関する。
レーザ光による溶接は、非接触で生産性の高い接合方法として、広く金属材料を中心に実施されてきた。一般的にレーザ溶接の速度は１ｍ／minから１０ｍ／minとアーク溶接と比較して、高速であり且つ狭い溶接幅で接合されることから、高生産性及び高精度が要求される燃料噴射インジェクタ、或いはＡＢＳアクチュエータ等で幅広く利用されている。その加工方法としては、高精度の回転治具でワークを保持し、レーザ光照射側を固定した状態で、ワークを回転する方法が従来は多く採用されていた。なお、生産性の点から、ワーク側を固定して、レーザ光側を円状に動かす方法や、ワークを多数台配置させ、ＮＣ等で移動させながら加工する方法も古くから利用されている。
一方、樹脂材料のレーザ光による溶着技術を用いた接合製品が近年増加している。樹脂材料のレーザ溶着とは、レーザ光に対して吸収性のある樹脂材とレーザ光に対して透過性のある樹脂材とを重ね合わせて、透過性樹脂材越しにレーザ光を照射し、吸収性樹脂材を発熱することで両者を溶融、溶着する方法である。この樹脂材のレーザ溶着方法を用いることにより、従来の溶着方法である振動・超音波、熱板、接着剤等の接合方法と比較して、（１）バリ発生が小さく小型継ぎ手が可能、（２）内蔵物へのダメージがない、（３）ロボットによる３次元溶着が可能である等のメリットがある。
このレーザ溶着では、平面同志を密着させて、被溶着側であるワークを固定した治具をＮＣで駆動させることで、溶着を行うことが一般的である。例えば、特許文献１では、予め設定された加工速度に対応したレーザ出力を加工速度に正確に適応させる加工方法が開示されているが、これは金属を平面的に切断するための２次元形状の加工方法を示しているにすぎない。
一方で、３次元形状の溶着のニーズも多く、ロボットを用いた複雑形状の溶着技術を早急に確立する必要がある。従来技術として、特許文献２では、ロボットを使用し、溶接位置の高さや接合面の角度の変化にかかわらず良好に溶接することができるＹＡＧレーザ溶接方法が開示されている。即ち、溶接ヘッドが下向きとなる水平な溶接部位に対する溶接条件を基準とし、立向下進（溶接ヘッドが傾斜面に対して鉛直より上向きとなり、傾斜面に対して下る状態）では、レーザ出力の増大又は及び溶接速度の減少によって溶接入熱が所定量大きい溶接条件とし、立向上進（溶接ヘッドが傾斜面に対して鉛直より上向きとなり、傾斜面に対して上る状態）では、レーザ出力の減少又は及び溶接速度の増大によって溶接入熱が所定量小さい溶接条件とするように、レーザのトーチ角度によりレーザ出力、溶接速度を変えることが示されている。これは、レーザ溶接加工では、焦点距離、角度が加工性に非常に影響を及ぼすと考えられるため、このような着想に至ったものと推測するが、樹脂材のレーザ溶着ではトーチの角度は重要な要因ではなく、４５度以上傾斜させても溶着品質上問題はないものである。
特開平５−３０５４６４号公報 特開２００３−２００２８０号公報
むしろ、３次元の複雑な形状のレーザ溶着においては、適用するロボットによっては軌跡精度、軌跡速度が不十分な場合も多く、例えばエアバッグセンサの３次元の溶着については、軌跡速度の著しく減少するコーナー部において、レーザ光によって過加熱になり、ボイド等の不具合が発生していた。そのため、どのようなロボットでも、フレキシブル且つ安価に溶着する方法が望まれていた。
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、３次元形状の溶着においても、溶着不具合を発生することもなく、良好な溶着を行うことができるレーザ加工方法を提供することである。
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載のレーザ加工方法を提供する。
請求項１に記載のレーザ加工方法は、ロボットの動きに沿ってレーザ光を照射し、３次元形状のワークの加工を施すレーザ加工方法であって、樹脂製品であるワークの加工個所でのロボットの軌跡速度を事前に、或いはリアルタイムに計測し、この軌跡速度に合わせてレーザ光の出力を制御すると共に、樹脂製品のレーザ光に対する透過率の変化をレーザ光の出力にフィードバック制御することで、ワークを溶着加工するようにしたものであり、これにより、例えば軌跡速度の著しく減少するコーナー部等において、レーザ光が過加熱になり、ボイド等の加工不具合の発生を防止することができる。また、速度と透過率とから最適なレーザ出力を得ることができる。
以下、図に従って本発明の実施の形態のレーザ加工方法について説明する。図１は、この実施形態のレーザ加工方法を実施するレーザ加工装置の概略の全体構成を示す図である。レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌを出射するレーザ発振装置２と、レーザ光を走査するロボット３と、被加工物であるワーク１０を載置するテーブル（図示せず）と、レーザ光の出力を制御する制御装置４と、ロボット３の軌跡速度を検出する速度センサ５等より構成されている。
レーザ発振装置２から出射されたレーザ光Ｌは、ファイバ２１によって移送され、出射光学系である光学ヘッド２２より集光されてワーク１０に向けて照射される。光学ヘッド２２内には、反射鏡、集光レンズ等が配置されていて、光学ヘッド２２はロボット３のアーム３１に保持されている。したがって、ロボット３のアーム３１の動きによってレーザ光Ｌは走査される。
ワーク１０の加工個所は、３次元の複雑な形状をしており、好ましくは、ワーク１０は樹脂材料から形成されていて、加工は溶着加工である。ワーク１０はテーブル上に治具によって固定して置かれている。
ワーク１０の近傍には、ロボット３の動き（軌道速度）であるレーザ光Ｌの走査速度を検出する速度センサ５、例えばワーク１０が３次元形状をしているなら複数の速度センサ５が立体的に配置されている。この速度センサ５によって計測されたデータは制御装置４に送られ、ここでレーザ光Ｌが最適なエネルギになるように演算され、その結果を制御信号線４１を用いてレーザ発振装置２に入力する。これによって、ロボット３の軌道速度毎に最適化されたレーザ光Ｌをワーク１０に照射することができる。
ここでのロボット３の速度計測は、非接触の位置検出センサ、画像処理センサ、ロボットの内蔵エンコーダ等による方法、或いはレーザ光Ｌを等間隔でバルス状にワーク１０に照射させ、マークされたピッチからロボットの速度を割り出す方法等の何れでもよいが、ワークの部位毎の速度データを算出するためには空間分解能が高いほどよい。このロボット３の軌跡速度は、事前に計測しておき、制御装置４に記憶させておいてもよいが、リアルタイムに計測して、それに合わせて出力を制御するようにしてもよい。
図２は、（ａ）この実施形態の場合と（ｂ）従来技術とのレーザ加工方法におけるレーザ出力制御の違いをグラフで表示したものである。この場合、縦軸は外部出力Ｗを表わし、横軸は時間msを表わしている。従来技術においては、レーザ光の外部出力は２５Ｗと一定で行われているのに対し、この実施形態では、外部出力は、約２７．５Ｗ〜約１２Ｗの間で小まめに変えられている。これは、ワーク１０の加工個所のロボット３の速度が低下する部位で、レーザ出力をおとし、速度が上昇する部位でレーザ出力を上げていることを示している。したがって、この実施形態では、例えばワークのコーナー部のようなロボットの軌跡速度が著しく低下する部位においても、レーザ光による過加熱が防止でき、接合不良を避けることができる。
図３は、この実施形態のレーザ加工方法を実施する別のレーザ加工装置の概略の全体構成を示す図である。即ち、図１では、ワーク１０の加工形状が３次元形状をしていて、ワーク１０側が固定されていて、レーザ光照射側が走査される装置で説明しているが、この実施形態のレーザ加工方法は、ワーク１０の加工形状が２次元形状をしていて、レーザ光照射側が固定されていて、ワーク１０側が走査される装置にも適用可能なものである。図３において、出射光学系である光学ヘッド２２は、加工室７内に固定されて配置されており、レーザ発振装置２から出射され、光ファイバ２１によって移送されたレーザ光Ｌをワーク１０に対して照射する。２次元形状の加工が行われるワーク１０は、治具６１等によってＸＹテーブル６に固定される。
ワーク１０の移送速度は、非接触の位置検出センサ、ＸＹテーブルの内蔵エンコーダ等の速度センサ５によって計測されて制御装置４に送られ、ここで計測されたデータをレーザ光Ｌが最適なエネルギになるように演算され、その結果を制御信号線４１によりレーザ発振装置２に入力する。これにより、速度毎に最適化されたレーザ光を照射することが可能となる。
この実施形態において加熱源として用いるレーザ光Ｌとして、例えば、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ガラス−ネオジウムレーザ、ルビーレーザ、ヘリウム−ネオンレーザ、クリプトンレーザ、アルゴンレーザ、水素レーザ、窒素レーザ等を用いることができる。
この実施形態のレーザ加工方法は、レーザ光Ｌを用いた全ての加工（金属溶接、樹脂溶着、切断、除去等）に利用可能であるが、好適には樹脂溶着に使用される。
ワーク１０として、樹脂材料から形成される製品を用いて樹脂溶着を行う場合にあっては材料成分にばらつきや、成形ショットのばらつきにより、ワークのレーザ光の透過率にばらつきがある場合には、上記した速度によるレーザ光の出力制御に加え、予めワークの透過率分布のデータを制御装置４に保存し、速度と透過率の両者からワークの接合界面にとって真に必要なレーザ出力を求めるようにしても、溶着部の品質向上に有効である。この場合、透過率分布計測結果についてはロット毎或いはワーク毎に制御装置に転送されることが好ましく、インラインでそれが可能なら、ロバスト性の高いレーザ溶着システムを構築することができる。
さらに、この実施形態では、ＮＣ制御・ロボット等を用いるすべての駆動装置において、レーザ光のみならず、アーク、電子ビームといったエネルギ加工すべてにおいても適用可能である。アーク溶接については、速度が低下すると溶接部が過入熱となり、プラズマが多く存在することが考えられるため、それらの大きさを計測することで速度を推定し、最適なアーク溶接条件を設定することで対応する。
以上に述べたように、この実施形態では、多関節ロボットを用いてレーザ照射装置の指向方向、位置を移動させることにより、加工対象物上に照射されたレーザ照射点を加工対象物上で移動させるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法あるいはレーザ加工物品の製造方法を開示した。好適な実施形態では、加工対象物は樹脂製構造体とすることができる。加工対象物としての樹脂製構造体は、複数の部品をレーザによって部分的に溶融させ接合してなる樹脂製接合構造体とすることができる。樹脂製接合構造体としては、例えば樹脂製筐体が好適である。樹脂製筐体を、たとえば本体容器部と蓋部といった複数の部品から構成し、これら部品を部分的に溶融させて接合する樹脂製筐体の製造方法に適用することができる。かかる樹脂製接合構造体へレーザを照射する場合、その照射軌跡である照射経路が曲がったり、その照射経路が多面体の複数の面にわたって延びる結果、照射軌跡におけるレーザ照射点の移動速度が変化しやすい。このレーザ照射点の移動速度はレーザ照射点あるいは多関節ロボットの動作を検出して計測する手段、あるいはレーザ照射点を移動させる多関節ロボットのロボットコントローラにおけるその動作を制御する信号から検出する手段を設けて得ることができる。以上に説明した実施形態では、レーザ照射点の移動速度に応じて、レーザ光のエネルギを比例的に調節する調節手段を設けている。この調節手段は、レーザ照射点の移動速度が相対的に速くなるとレーザ光のエネルギを相対的に低下させ、レーザ照射点の移動速度が相対的に遅くなるとレーザ光のエネルギを相対的に高める。このような比例的な特性により、照射軌跡における樹脂の溶融量、溶融深さ、溶融痕の大きさといった樹脂溶融接合特性を照射軌跡の長さ方向に渡ってほぼ一定にすることが可能となる。
本発明の実施の形態のレーザ加工方法を実施するレーザ加工装置の概略の全体構成を示す図である。 （ａ）実施形態と（ｂ）従来技術とのレーザ加工方法におけるレーザ出力制御を示しているグラフである。 本発明の実施の形態のレーザ加工方法を実施する別のレーザ加工装置の概略の全体構成を示す図である。
符号の説明
１…レーザ加工装置
２…レーザ発振装置
２２…光学ヘッド
３…ロボット
４…制御装置
５…速度センサ
６…ＸＹテーブル

Claims (1)

  1. ロボットの動きに沿ってレーザ光を照射し、３次元形状のワークの加工を施すレーザ加工方法において、
    前記ワークが樹脂製品であり、前記ワークの加工個所での前記ロボットの軌跡速度を事前に、或いはリアルタイムに計測し、前記軌跡速度に合わせてレーザ光の出力を制御すると共に、前記樹脂製品のレーザ光に対する透過率の変化をレーザ光の出力にフィードバック制御することにより、前記ワークを溶着加工することを特徴とするレーザ加工方法。
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