JP4044777B2

JP4044777B2 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP4044777B2
Application number: JP2002084910A
Authority: JP
Inventors: 基城戸; 浩文今井; 直也浜田; 辰彦坂井; 敦史杉橋; 秀行濱村; 博之山本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: JP2003285182A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属、セラミックなどの加工材を溶接、切断、あるいは表面処理するレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、金属、セラミックなどの加工分野で溶接、切断、穴あけ、表面処理その他の加工にＣＯ₂レーザ、ＹＡＧレーザなどのレーザが広く用いられている。ＣＯ₂レーザは数十kW程度の出力が可能で、高速で溶接、切断が可能である。しかし、ＣＯ₂レーザでは光ファイバで伝送できないので、伝送光路にレンズや反射鏡などを配置せねばならず、またこれら光学部品の調整が必要であった。ＹＡＧレーザは光ファイバで伝送可能であるが、出力が１kW程度であり、集光可能な直径も数百μmであるため、高速で溶接、切断などが行なえないという問題がある。
【０００３】
近年、ファイバレーザが実用化されている。ファイバレーザは光ファイバでレーザ光を発振するので、そのままレーザ光を光ファイバで伝送することができる。したがって、レンズなどの光学部品および調整は不要であり、かつ集光径が数十μmであるという利点がある。しかし、ファイバ１本の出力が１kW程度であり、ＣＯ₂レーザに比べて出力が著しく低い。このために、加工能率の向上および加工可能な寸法範囲に限界があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、ファイバレーザを用いた加工装置であって、加工点でのレーザ光のパワー密度を高めて加工能率を更に向上し、加工可能な寸法範囲を広げることができるレーザ加工装置を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ加工装置は、複数のファイバレーザ発振装置と、各ファイバレーザ発振装置から出力されたレーザ光をそれぞれ伝送する光ファイバと、各光ファイバから出射されたレーザ光を加工部に集光する集光光学系とを備えたレーザ加工装置において、前記各光ファイバの先端部を平行に保持し、レーザ光の前記集光光学系への入射方向を光学素子により調整して、複数の光ファイバからのレーザ光を加工点に集光する集光点重畳手段を備えたレーザ加工装置であって、前記集光点重畳手段が、前記光ファイバの先端部を保持するファイバホルダと、ファイバホルダを加工面に平行に移動するホルダ送り装置と、光ファイバの出力端と前記集光光学系との間に挿入されたプリズムを備えている。
【０００７】
本発明のレーザ加工装置は、複数の光ファイバからのレーザ光を加工点に集光するので、加工点でのレーザ光のパワー密度を高めることができる。この結果、加工の高速化により加工能率が向上する。また、加工可能な寸法、例えば溶込み深さ、切断厚み、穴深さなどの範囲を広げることができる。なお、ファイバレーザ発振装置の数、つまり重畳される集光点の数は例えば２〜１０程度である。
【００１０】
さらに、集光点重畳手段は、集光光学系の光軸とファイバホルダとの間の距離、ファイバホルダの上記光軸に対する角度、あるいはプリズムの位置を調整し、各光ファイバからのレーザ光を加工点で重畳する。また、これらの調整により、集光光学系から加工点までの距離を変更する。集光点重畳手段をこのように構成することで、複数の光ファイバの集光点を正確に加工点で重畳することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の１実施の形態を示すもので、レーザ加工装置全体の模式的概略図である。レーザ加工装置１０は、主として複数台（ここの例では２台）のファイバレーザ発振装置１２および加工ヘッド１８からなっている。
【００１２】
ファイバレーザ発振装置１２は、励起装置として半導体レーザ発振器１３を備えている。半導体レーザ発振器１３として、例えばＧａ−Ａｓ系半導体レーザ発振器を用いることができる。半導体レーザ発振器１３から能動光ファイバ（レーザ発振用光ファイバ）１４に励起レーザ光（波長：約０．８μm）を照射すると、能動光ファイバ１４でレーザ光（波長：約１．０６μm）が発振する。能動光ファイバ１４の出力は例えば１kWであり、コア径は５０μm、クラッド断面は３００×６００μmの長方形である。能動光ファイバ１４の先端部がレーザ光出力端となっている。なお、この出力端に受動光ファイバ（パワー伝送用光ファイバ）を融着により接続し、受動光ファイバで加工ヘッド１８までレーザ光を伝送するようにしてもよい。
【００１３】
加工ヘッド１８は、集光点重畳手段２０と集光光学系３０とを備えている。集光点重畳手段２０は、図２に示すように左右対となったファイバホルダ２１a、２１b、ホルダ送り装置２３a、２３bおよびホルダ回転装置２６a、２６bからなっている。
【００１４】
ファイバホルダ２１a、２１bは、ホルダ中心軸に光ファイバ１４a、１４bの光軸が一致するようにして光ファイバ１４a、１４bの先端部を保持している。
【００１５】
ホルダ送り装置２３a、２３bは、加工ヘッド１８内に固定されたベース２２上に取り付けられたスライダ２４を備えている。スライダ２４は、アクチュエータ２５で駆動されてベース長手方向に沿って移動する。アクチュエータ２５として、例えばリニアモータ、あるいはねじ送り機構とサーボモータとの組合せなどが用いられる。
【００１６】
ホルダ回転装置２６a、２６bは、スライダ２４の先端部に軸受台２７が設けられている。軸受台２７に回転軸２８が水平に支持されている。回転軸２８の先端部に、上記ファイバホルダ２１a、２１bが固定されている。回転軸２８はアクチュエータ２９、例えばサーボモータ、パルスモータなどで回転駆動される。左右のホルダ送り装置２３a、２３bおよびホルダ回転装置２６a、２６bはそれぞれ独立して駆動可能である。
【００１７】
上記のように構成されたレーザ加工装置において、ファイバホルダ２１a、２１bを回転して、光ファイバ１４a、１４bの出力端１５a、１５bから出力されたレーザ光Ｒa、Ｒbの集光光学系３０に対する入射角を設定する。左右のレーザ光Ｒa、Ｒbの入射角は、等しくしている。ついで、レーザ光Ｒa、Ｒbが加工点Ｐでそれぞれ重畳するように、スライダ２４を移動する。集光点でのレーザ光Ｒa、Ｒbのパワー密度は、各光ファイバ１４a、１４bからのレーザ光Ｒa、Ｒbが重畳されて２倍となる。重畳されたレーザ光は、加工材１の溶接、切断あるいは表面処理などに利用される。
【００１８】
なお、先に集光光学系３０の光軸Ａとスライダ２４との間の距離を設定し、ファイバホルダ２１a、２１bを回転して集光点を重畳するようにしてもよい。また、加工材１の位置、厚みなどが変更になった場合、集光光学系３０の光軸Ａとファイバホルダ２１a、２１bとの間の距離、あるいはファイバホルダ２１a、２１bの上記光軸Ａに対する角度を調整して、集光光学系３０から加工点Ｐまでの距離を変更する。
【００１９】
図３は、この発明の他の実施の形態を示している。図２に示す部材と同様の部材には同一の参照符号を付け、その詳細な説明は省略する。
【００２０】
集光点重畳手段４０は、左右対となったファイバホルダ２１a、２１b、ホルダ送り装置２３a、２３bおよび屋根形のプリズム４２からなっている。プリズム４２は、稜線が集光光学系３０の光軸Ａと直交し、かつ左右対称となるように配置されている。プリズム４２に対する出力端１５a、１５bの左右方向の位置によってレーザ光Ｒa、Ｒbの集光点位置が変わるので、スライダ２４の位置を調整してレーザ光Ｒa、Ｒbを加工点Ｐで重畳することができる。
【００２１】
上記実施の形態では、いずれも光ファイバは左右に相対する２本であったが、３本以上であってもよい。３本以上の場合、光ファイバは本数に応じてリング状に、あるいは正多角形の頂点に配置する。
【００２２】
【発明の効果】
この発明のレーザ加工装置では、複数の光ファイバからのレーザ光を加工点に集光するので、加工点でのレーザ光のパワー密度を高めることができる。この結果、加工の高速化により加工能率が向上し、また加工可能な寸法範囲が広がる。この発明により、加工能率の向上および加工寸法範囲の拡大により、ファイバレーザ加工の、いっそう広い分野での利用が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の１実施の形態を示すもので、レーザ加工装置全体の模式的概略図である。
【図２】上記加工装置の集光点重畳手段の例を示す模式図である。
【図３】上記加工装置の集光点重畳手段の他の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１加工材１０レーザ加工装置
１２ファイバレーザ発振装置１３励起装置
１４光ファイバ１５光ファイバの出力端
１８加工ヘッド２０集光点重畳手段
２１ファイバホルダ２２ベース
２３ホルダ送り装置２４スライダ
２５アクチュエータ２６ホルダ回転装置
２９アクチュエータ３０集光光学系
４０集光点重畳手段４２プリズム
Ｒa、Ｒb レーザ光Ｐ加工点

Claims

複数のファイバレーザ発振装置と、各ファイバレーザ発振装置から出力されたレーザ光をそれぞれ伝送する光ファイバと、各光ファイバから出射されたレーザ光を加工部に集光する集光光学系とを備えたレーザ加工装置において、前記各光ファイバの先端部を平行に保持し、レーザ光の前記集光光学系への入射方向を光学素子により調整して、複数の光ファイバからのレーザ光を加工点に集光する集光点重畳手段を備えたレーザ加工装置であって、前記集光点重畳手段が、前記光ファイバの先端部を保持するファイバホルダと、ファイバホルダを加工面に平行に移動するホルダ送り装置と、光ファイバの出力端と前記集光光学系との間に挿入されたプリズムを備えていることを特徴とするレーザ加工装置。