JP4047621B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属、セラミックその他の材料についてレーザ光により表面処理、溶接、切断などの加工を行なうレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光を加工線に沿って走査し、表面処理などの加工が行なわれている。従来の走査装置は、図4に示すようにポリゴンミラー（またはガルバノミラー）３０とｆθレンズ３２とを組み合わせた装置であった。
【０００３】
従来の走査装置はポリゴンミラー３０の運動機構を必要とするため、本質的に走査速度、周波数に限界があった。走査幅Ｗ、ｆθレンズ３２の焦点距離ｆ、およびミラー振れ角θとの間にＷ＝ｆθの関係がある。したがって、走査速度を上げるためには、ミラー振れ角速度（つまり、ポリゴンミラー３０の回転速度、またはガルバノミラーの振動速度）を増速、またはｆθレンズ３２の焦点距離ｆを長くする必要がある。しかし、前者は機械運動を伴うため限界があり、後者は焦点距離を長くするとレーザ光を小さく絞れない。また、走査幅Ｗを広くすると焦点距離を長くする必要があるので、レーザ光を小さく絞れないという問題もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、高速で加工面を走査することができ、レーザ光を微小集光像に集光す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】
この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、該ファイバレーザ発振装置からのレーザ光をそれぞれ加工面に集光する集光光学系とを備えたレーザ加工装置であって、前記ファイバレーザ発振装置はそれぞれ独立してレーザ光のアナログ変調が可能であり、前記集光光学系は前記ファイバレーザ発振装置ごとに設けられており、該集光光学系による前記ファイバレーザから発振されたレーザ光の集光点が直線に沿って整列するように集光され、前記集光光学系により集光されたレーザ光の各集光像の形状が前記直線方向に長軸をもつ楕円であり、該楕円は長軸の長さが隣り合う集光点中心の間隔以上であって、前記集光光学系により集光された隣り合うレーザ光のアナログ変調時間波形の両端が変調時間軸上で重なり合い、且つ隣り合うレーザ光の強度分布の両端が、前記直線上で重なり合い、前記直線に沿って整列した順番にレーザ光パワーをアナログ変調することにより、各レーザ光パワーが重なり合って得られるレーザ光強度分布のピーク位置が、前記直線上を連続的に移動する。
【０００６】
上記レーザ加工装置において、ファイバレーザ出力は半導体レーザによりパルス変調される。出力は半導体レーザにより電気的に変調されるので、高速で変調することができる。出力変調はアナログ、デジタル（矩形波）のいずれであってもよい。
【０００７】
このレーザ加工装置では、ファイバレーザ発振装置ごとに独立してパルス変調可能であるので、ファイバレーザ発振装置ごとに時間変調によって隣り合う集光点のパルスレーザ光の出力間隔を調整することができる。出力間隔を短くすることによって、集光点は高速で移動する。さらに、運動機構によらず電気的に走査するので、従来装置に比べて走査速度を著しく高めることができる。また、ファイバレーザ光は集光性が高く、ｆθ集光レンズのような長焦点レンズを必要としないので、パルスレーザ光を微小な集光像に絞ることができる。
【０００８】
上記レーザ加工装置において、各集光像の形状が前記直線方向に長軸をもつ楕円であり、長軸の長さが隣り合う集光点中心の間隔以上であることにより、隣り合う集光像の両端部が重なり合うので、複数回の照射が必要な連続加工装置が得られる。
【０００９】
上記レーザ加工装置において、レーザ光出力の時間波形が矩形ではなく連続的に増加・減少するパルス波形であり、隣り合うレーザ光のパルス時間波形が部分的に重なり合うことにより、被照射部の熱履歴は連続的となるので、連続波レーザにより走査するレーザ加工装置と同様の装置を得ることができる。ここで、疑似ガウスパルスは、出力の時間変化がガウス分布（正規分布）状またはそれに類似したパルスをいう。さらに、パルス時間波形は三角波等の連続的に出力が変化する波形であってもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態を示しており、レーザ加工装置の模式的構成図である。
【００１１】
レーザ加工装置１０は、主として複数のファイバレーザ発振装置１２および各ファイバレーザ発振装置ごとに設けられた集光光学系２０からなっている。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装置１４を備えている。半導体レーザ発振装置１４は、例えばＧａ−Ａｓ系半導体レーザ発振装置を用いることができる。半導体レーザ発振装置１４から能動光ファイバ（レーザ発振用光ファイバ）１６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１６でレーザ光（波長：約１．０６μm）が発振する。能動光ファイバ１６の出力は例えば１kWであり、コア径は５０μmである。パルスは、半導体レーザ発振装置１４によって変調される。能動光ファイバ１６は間隔をおいて１列に整列し、光ファイバホルダ１８に保持されている。間隔ｄは例えば５００μm（０．５mm）である。集光光学系２０は能動光ファイバ１６の光軸延長線上にあって１列に並び、図１に示すようにパルスレーザ光１を加工面に１列に集光する。なお、能動光ファイバ１６の出力端に受動光ファイバ（パワー伝送用光ファイバ）を接続し、ファイバレーザ発振装置１２から集光光学系２０まで受動光ファイバでレーザ光を伝送するようにしてもよい。
【００１２】
図２は、図１のレーザ加工装置１０による微小円形の集光像２および矩形パルスの発振タイミングを示している。能動光ファイバ１６から出力されるパルスレーザ光１A〜１Eは、タイミングＡ〜Ｅで順次オン・オフされる。パルスレーザ光の照射により、タイミングＡ〜Ｅで順次加工が行なわれる。なお、加工条件によっては、レーザ光１A〜１Eを同時に照射してもよい。
【００１３】
このレーザ加工装置では、時間変調により集光点を高速に移動して加工面を高速で走査し、出力変調（矩形波デジタル変調）によりパルスレーザ出力をオン・オフして離散的に加工面を照射する。このレーザ加工装置は点列穴加工、表面処理などに利用される。
【００１４】
図３は、この発明の他の実施の形態を示している。レーザ発振装置は図1に示す装置と同じであるが、集光光学系が異なっている。集光光学系２２は円柱レンズ２４および円柱レンズ２６からなっている。円柱レンズ２４はパルスレーザ光を光ファイバ列方向に発散し、円柱レンズ２６は光ファイバ列方向に対し直角方向に集束する。各パルスレーザ光の加工面での集光像は、光ファイバ列方向に長軸をもつ楕円状になる。能動光ファイバ１６から出力されるレーザ光３Ａ〜３Gは、タイミングＡ〜Ｇで順次オン・オフされる。各集光像の楕円長軸の長さが集光点Ｐの間隔ｄ以上となるように、集光光学系２２が配列されている。したがって、図に示すように各パルスレーザ光の加工面での光強度分布Ｉは隣り合うパルスレーザ光３Ａ〜３Gは両端部で重なり合っており、パルスレーザ光全体の光強度分布ＩSは両端部を除いて光ファイバ列方向に沿って光強度が一定となっている。
【００１５】
このレーザ加工装置では、時間変調により集光点を高速に移動して加工面を高速で走査し、出力変調（デジタル変調）によりパルスレーザ出力をオン・オフして離散的に加工面を照射する。このレーザ加工装置は、連続加工で同一点に複数回の照射が必要な場合に適している。
【００１６】
図４は、この発明の更に他の実施の形態を示している。ファイバレーザ発振装置および集光光学系は、図３に示すものと同じである。各パルスレーザ光の加工面での集光像は、光ファイバ列方向に長軸をもつ楕円状になる。能動光ファイバ１６から出力されるレーザ光５Ａ〜５Gは、タイミングＡ〜Ｇで順次オン・オフされる。パルスは疑似ガウスパルスに出力変調（アナログ変調）されており、前段のパルス出力が０になる前に次段のパルス出力が０から増加するように時間変調されている。この結果、照射部が加工線に沿って連続的に移動するので、加工面を連続波レーザ光で走査したと同様の加工となる。なお、この実施の形態のように時間波形の変化がアナログの場合、上記疑似ガウスに限られるものではなく、例えば三角波であってもよい。
【００１７】
このレーザ加工装置では、表面処理で入熱履歴が材料表面の機械的性質に影響を与える場合、時間変調により所要の入熱履歴を得ることができる。このレーザ加工装置は、材料の表面処理などに用いられる。
【００１８】
【発明の効果】
このレーザ加工装置では、走査は運動機構によらず電気的の行なわれるので、従来装置に比べて走査速度を著しく高めることができる。ファイバレーザ光は集光性が高く、またｆθ集光レンズのような長焦点レンズを必要としないので、パルスレーザ光を微小な集光像に絞ることができる。
【００１９】
さらに、パルスの出力変調によって、波形、出力タイミングの異なる多様なパルスレーザ光を加工面に照射することができるので、レーザ加工の広い分野で応用することができる。
【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、レーザ加工装置の模式的構成図である。
【図２】上記レーザ加工装置において、パルスレーザ光の集光とパルスとの関係を示す図面である。
【図３】この発明の他の実施の形態を示すもので、パルスレーザ光の集光とパルスとの関係、およびパルスの光強度分布を示す図面である。
【図４】この発明の更に他の実施の形態を示すもので、パルスレーザ光の集光とパルスとの関係、およびパルスの光強度分布を示す図面である。
【図５】従来のレーザ光走査装置の説明図である。
【符号の説明】
１、３，５ パルスレーザ光 ２ 集光像
９ 加工物 １０ レーザ加工装置
１２ ファイバレーザ発振装置 １４ 励起装置
１６ 能動光ファイバ １８ 光ファイバホルダ
２０、２２ 集光光学系 ３０ ポリゴンミラー
３２ ｆθレンズ

Claims (1)

1. 複数のファイバレーザ発振装置と、該ファイバレーザ発振装置からのレーザ光をそれぞれ加工面に集光する集光光学系とを備えたレーザ加工装置であって、前記ファイバレーザ発振装置はそれぞれ独立してレーザ光のアナログ変調が可能であり、前記集光光学系は前記ファイバレーザ発振装置ごとに設けられており、該集光光学系による前記ファイバレーザから発振されたレーザ光の集光点が直線に沿って整列するように集光され、前記集光光学系により集光されたレーザ光の各集光像の形状が前記直線方向に長軸をもつ楕円であり、該楕円は長軸の長さが隣り合う集光点中心の間隔以上であって、前記集光光学系により集光された隣り合うレーザ光のアナログ変調時間波形の両端が変調時間軸上で重なり合い、且つ隣り合うレーザ光の強度分布の両端が、前記直線上で重なり合い、前記直線に沿って整列した順番にレーザ光パワーをアナログ変調することにより、各レーザ光パワーが重なり合って得られるレーザ光強度分布のピーク位置が、前記直線上を連続的に移動することを特徴とするレーザ加工装置。

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