JP4116800B2

JP4116800B2 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP4116800B2
Application number: JP2002065817A
Authority: JP
Inventors: 辰彦坂井; 敦史杉橋; 直也浜田; 基城戸; 浩文今井; 秀行濱村; 博之山本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2022-03-11
Also published as: JP2003260583A

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物を溶接、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レーザが広く用いられている。これらの加工では１本のレーザビームで、溶接、切断などの加工を行なっている。このために、溶接加工では溶接速度が遅く、切断加工では装置構成が複雑であるため集光レンズなどの調整に長時間を要し、上記いずれのレーザ加工の場合でも作業能率の向上の余地があった。また、従来のレーザ加工装置では、複雑な形状の製品を加工する場合、自動倣い装置あるいは精密なダイス、ポンチなどの工具を要し、設備費あるいは製品価格が、特に多品種少量生産の場合に高くなっていた。
【０００３】
鋼管などの円筒状加工物をレーザ光で切断、溶接するなどのレーザ加工装置が広く用いられている。従来、これらレーザ加工装置では、単一のレーザ光を集光光学系により加工物表面に点状に集光し、集光光学系を含む加工ヘッドを固定したまま加工物をこれの中心軸回りに回転させる方法が一般的であった。加工物が大きいなどの理由から加工物を回転できない場合には、加工ヘッドを加工物の回りを回転させていた。
【０００４】
上記いずれの装置でも、集光点を加工物の円周上を１回転させる必要があるために、加工時間の短縮が困難であるという問題がある。また、実際の連続加工プロセスでは、（１）加工物をレーザ光の焦点位置に設置、（２）集光点の円周上移動、という一連の機械動作が必要であるため、加工プロセスが複雑化する問題がある。また、レーザ光と加工物との位置合せ精度を維持する必要があることから、特に自動加工システムでは極力このような機械的動作は少ないことが望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、加工を高速化して作業能率の向上を図るとともに複雑な形状の製品も低価格で加工できるレーザ加工装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１発明のレーザ加工装置は、円筒状物体をその外周に沿って加工するレーザ加工装置であって、中心軸が前記円筒状物体の中心軸と同軸である一つのレンズの形状がリング状の集光レンズを備え、複数のレーザ発振装置からの受動光伝送ファイバが前記レンズの形状がリング状の集光レンズに一定間隔で接続されていることを特徴としている。
【０００７】
第１発明のレーザ加工装置では、金属管などをほとんど瞬時に突合せ溶接または切断が可能である。加工物または加工装置を加工物の中心軸回りに回転する必要がないので、特に大形の加工物の加工に適している。また、加工時のレーザ光と加工物との相対移動がないので、加工プロセスの自動化が容易となる。さらに、レーザ発振装置からの出力は受動光伝送ファイバで伝送されるので、ファイバレーザ発振装置を高温、多湿など作業環境の悪い現場から離して設置する場合、能動光ファイバより廉価な受動光ファイバを使用することにより設備費を低減することができる。
【００１０】
第２発明のレーザ加工装置は、円筒状物体をその外周に沿って加工するレーザ加工装置であって、レーザ発振装置と集光光学系とからなる複数の加工ユニットが前記円筒状物体の周りに円周方向に沿って一定間隔で配置されており、前記集光光学系の光軸が前記円筒状物体の中心軸線に対し直角であり、集光ビーム形状が前記円周の接線方向に長軸を持つ楕円ビームであり、各集光ビームの長軸方向両端部での強度が中央部より高いことを特徴としている。
【００１１】
前述のように、レーザ光の両端部では実効パワーが減少する。上記第２発明のレーザ加工装置では、加工面の接線方向の光強度分布が、中央部より両端部の光強度が高くなるようにしているので、加工物表面での光強度分布をほぼ一様にすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、第１発明の１実施の形態を示している。図１は鋼管溶接装置の主要部の正面断面図であり、図２は図１のＡ―Ａ断面を拡大して模式的に示す断面図である。
【００１３】
鋼管溶接装置１０は、複数台（簡単のために３台しか図示していない）のレーザ発振装置１２および集光レンズ１８を備えている。ここでは、レーザ発振装置１２をファイバレーザ発振装置として説明する。ファイバレーザ発振装置１２は、励起装置１４として半導体レーザ発振装置を備えている。半導体レーザ発振装置として、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から能動光ファイバ（レーザ発振用光ファイバ）１３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１３でレーザ光（波長：約１．０６μｍ）が発振する。能動光ファイバ１３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１３の端部がレーザ光出力端となっており、この出力端に受動光ファイバ（パワー伝送用光ファイバ）１６が融着により接続されている。
【００１４】
集光レンズ１８は断面が円形のリング状をしており、鋼管１と同軸心に配置されている。集光レンズ１８の外側面に受動光ファイバ１６の先端面が融着により接続されている。図面では受動光ファイバ１６は円周に沿って疎らに描かれているが、実際は多数の受動光ファイバ１６が隣り合うものどうし密着するように配置されている。集光レンズ１８は断面が円形のリング状をしているので、鋼管１の突合せ部に形成されるレーザ光７の断面形状は、円周方向に沿った細長の楕円形状となる。
【００１５】
上記のように構成された鋼管溶接装置１０では、レーザ光の集光点が突き合わせた鋼管１の突合せ部にくるように装置位置を調整する。そして、すべての受動光ファイバ１６にレーザ光を供給し、突き合わせた鋼管１を溶接する。この鋼管溶接装置１０では多数本のレーザ光で溶接するので、極めて短い時間で溶接が完了する。また、溶接トーチまたは鋼管を回転しなくてすむ。
【００１６】
上記鋼管切断装置で、レーザ出力、加工レーザ光本数などを切断条件に応じて変更することにより、鋼管の切断にも利用することができる。
【００１７】
図３は、この発明に関連する第１参考例であり、形抜きおよび穴あけの同時加工により、板材から所要の形状の板材を得るレーザ加工装置の例を示している。レーザ発振装置２２は、ファイバレーザ発振装置である。多数の受動光ファイバを束ねた光ファイバケーブル２４が、レーザ発振装置２２からファイバホルダ２６まで延びている。ファイバホルダ本体２７に、加工線に沿う多数の位置決め孔（図示しない）が設けられている。位置決め孔に導かれた光ファイバの先端は、孔出口まで達している。集光光学系（図示しない）は、各光ファイバの先端に取り付けられた後述の微小球状レンズからなっている。集光光学系からのレーザ光７は、形抜き加工線４ａおよび穴あけ加工線４ｂ上に集光される。図３ではレーザ光は加工線に沿って疎らに照射されているが、実際には密に照射されている。加工線４ａ、４ｂに各光ファイバからレーザ光を一斉に照射して板材を溶断する。板材２から孔のあいた形抜き材３が得られる。このレーザ加工装置２０によれば任意の形状の製品をダイス、ポンチなどの工具を用いることなく製造することができ、多品種少量生産に適している。板材は金属に限られることはなく、例えばセラミックであってもよい。
【００１８】
図４はこの発明に関連する第２参考例を示しており、鋼板切断装置の模式的斜視図である。
【００１９】
鋼板切断装置３０は、５台の切断機３１ａ〜３１ｅ群からなっている。各切断機はファイバレーザ発振装置３２、受動光ファイバ３６、ファイバホルダ３７、および集光レンズ３９を備えている。ファイバレーザ発振装置３２は、能動光ファイバ３３および励起装置３４を備えている。
【００２０】
能動光ファイバ３３の先端部に、受動光ファイバ３６の後端部が融接により接続されている。接続部は、保持板３５で保持されている。保持板３５の下方に、ファイバホルダ３７が配置されている。ファイバホルダ３７は角ブロックからなり、長手方向に所定の間隔をおいて１列に並ぶ位置決め孔３８が、ファイバホルダ３７の本体を垂直方向に貫通している。保持板３５から延びる受動光ファイバ３６は先端が位置決め孔３８の下端まで挿入され、受動光ファイバ３６の先端部は正確に位置決めされる。各位置決め孔３８の直下に、集光レンズ３９がそれぞれ配置されている。
【００２１】
上記のように構成された鋼板切断装置３０では、鋼板２をこれの長手方向に２分割する。位置決め孔３８列の中心線の鋼板面への投影線に切断線５が一致するように、鋼板２を通板する。第１切断機３１ａは第１切断深さまでの金属を溶融除去し、ついで第２切断機３１ｂで第２切断深さまで達し、同様に第４切断機３１ｄまで切断深さを順次深めて行く。最後に第５切断機３１ｅで鋼板２を完全に切断４し、２分割する。５基の切断機３１ａ〜３１ｅで切断するので、切断時間を１基で切断する場合に比べて大幅に短縮できる。各切断段階で、切断レーザ光の焦点位置を下げて行く。なお、レーザ出力を各切断機ごとに調整してもよい。また、隣り合う切断機間の距離を切断機間ごとに変えてもよい。
【００２２】
上記鋼板切断装置３０で、レーザ出力、加工レーザ光本数などを溶接条件に応じて変更することにより、鋼板の溶接にも利用することができる。
【００２３】
図５は、この発明に関連する集光光学系の参考例を示している。前記第１発明の実施の形態および第２参考例では、集光光学系が断面が円形のリング状レンズあるいは通常の凸レンズであったが、この参考例では、微小の球状レンズ４２となっている。図５で、光ファイバ４１は、能動光ファイバおよび受動光ファイバのいずれであってもよい。光ファイバ４１の先端に球状レンズ４２を接着剤で取り付けている。球状レンズの直径は前述のように、０．２〜１ｍｍであるので、光ファイバ４１を密に配列することができる。
【００２４】
図６は、上記球状レンズ付き光ファイバ４０により鋼板２を焼入れ処理する例を示している。球状レンズ付き光ファイバ４０を、鋼板幅方向に一列に全幅にわたって鋼板直上に配列し、鋼板表面にレーザ光６を照射する。図７および図８は、鋼板幅方向の出力密度（ａ）と温度分布（ｂ）を模式的に示したグラフである。図７は鋼板幅方向にほぼ一定出力の場合であり、鋼板２の両エッジ部では放熱量が大きいために温度低下が生じている。一方、図８の場合、温度低下を補うように両エッジ部に配置された光ファイバ出力を高めているので、ほぼ一定の温度分布となっている。
【００２５】
図９および１０は、第２発明の実施の形態を示しており、加工物は円柱状（例えば、鋼管）である。図９はレーザ加工装置全体を模式的に示す正面図であり、図１０は上記レーザ加工装置を構成する加工ユニットの斜視図である。
【００２６】
加工ユニット５１は、レーザ発振装置５２と集光光学系５５とからなっている。この実施の形態では、レーザ発振装置５１はアレイ半導体レーザである。１アレイ当りの出力は、例えば３０〜５０Ｗ程度である。半導体レーザの速軸方向は集光性が高く、つまり小さく絞ることができ、遅軸方向は集光性が低い。したがって、半導体レーザ素子の遅軸が加工物１の外周円（加工線）Ｗの接線Ｔの方向に、速軸が母線Ｇの方向に一致するように、アレイ半導体レーザ５２を配置する。
【００２７】
集光光学系５５は、第１円柱レンズ５６および第２円柱レンズ５７の２個の円柱レンズの組合せからなっている。第１円柱レンズ５６は集光光学系５５の光軸５８と加工面との交点Оを通り、かつ加工物外周円Ｗに接する接線Ｔの方向に集光する。第２円柱レンズは加工物１の母線Ｇの方向に集光する。この結果、加工物面に照射されたレーザ光７は、加工物面の円周方向に延びる細長の線状または楕円状になる。
【００２８】
レーザ加工装置５０は、上記のように構成された８台の加工ユニット５１ａ〜５１ｈが加工物１の回りに円周方向に等間隔に配置されている。円周方向に隣り合う加工ユニット５１ａ〜５１ｈからのレーザ光７は、両端部が加工物面で重畳している。レーザ光７の両端部は、加工物１への入射角が０度より大きくなるため、実効パワーが減少する。上記のように重畳することにより、実効パワーの減少を補い、光強度分布を一様にして均一な加工を行なうことができる。レーザ光７の重畳幅は、レーザ光の出力、強度分布、加工物の寸法などにより決める。各加工ユニット５１ａ〜５１ｈの出力は、同じとなるように調整される。
【００２９】
上記のように構成されたレーザ加工装置５０では、加工物１を中心軸線が水平となるようにして保持し、各加工ユニット５１ａ〜５１ｈから同時にレーザ光７を出力する。したがって、加工物１をこれの中心軸回りに回転する、あるいは加工ヘッドを加工物周りに回転して加工する必要はないので、従来装置に比べて極めて短い時間で切断または溶接などの加工を終えることができる。
【００３０】
図１１は、加工ユニットの他の態様を示している。図１１（ａ）はレーザ光の強度分布、図１１（ｂ）は加工ユニットおよび加工物の正面図、図１１（ｃ）は加工ユニットおよび加工物の平面図である。
【００３１】
加工ユニット６１は、レーザ発振装置６２がＣＯ_２レーザ発振装置であり、集光光学系５５は図１０に示すものと同じである。上述のように、レーザ光の両端部では実効パワーが減少する。このために、この加工ユニット６１では、図１１（ａ）に示すように両端部で高い光強度分布８を示すレーザ発振装置６２を採用している。このような光強度分布８は、例えばモードパターンがＴＥＭ０１のレーザ発振装置により得ることができる。図１１（ａ）において、光強度分布８ａは加工物１の中心軸線方向の光強度分布を示している。
【００３２】
集光光学系５５で集光した光強度分布９および９ａを、図１１（ａ）に示している。光強度分布９は集光光学系５５の光軸６４と加工物面との交点を含む接線方向の分布を示し、光強度分布９ａは円柱状加工物１の中心軸方向の分布を示している。光強度分布をこのようにすることにより、加工物表面での光強度分布をほぼ一様にすることができ、均一な加工を行なうことができる。
【００３３】
【発明の効果】
この発明のレーザ加工装置では、加工物を高速で加工することができ、また加工時のレーザ光と加工物との相対移動がないので、加工プロセスの自動化が容易である。さらに、加工物の円周方向に沿う細長のレーザ光像となるように集光されるので、レーザ光の本数を減らすことができ、レーザ加工装置の構成が簡単となるなどの効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１発明の実施の形態を示すもので、鋼管溶接装置の主要部の正面断面図である。
【図２】図１のＡ―Ａ断面を拡大して模式的に示す断面図である。
【図３】この発明に関連する第１参考例を示すもので、レーザ加工装置により板材から形抜き加工および穴あけ加工する例の模式的斜視図である。
【図４】この発明に関連する第２参考例を示すもので、鋼板切断装置の模式的斜視図である。
【図５】この発明に関連する集光光学系の参考例を示すもので、先端部に球状レンズが取り付けられた光ファイバの正面図である。
【図６】図５に示す集光光学系を備えたレーザ加工装置により鋼板を焼入れしている状態を示す斜視図である。
【図７】上記鋼板の焼入れにおいて、鋼板幅方向の出力密度をほぼ一定にした場合の出力密度分布（ａ）と温度分布（ｂ）とを模式的に示したグラフである
【図８】上記鋼板の焼入れにおいて、両エッジ部に配置された光ファイバの出力密度を高めた場合の出力密度分布（ａ）と温度分布（ｂ）とを模式的に示したグラフである。
【図９】第２発明の実施の形態を示しており、レーザ加工装置の正面図である。
【図１０】図９のレーザ加工装置を構成する加工ユニットを模式的に示す斜視図である。
【図１１】図９に示すレーザ発振装置の他の態様を示しており、図１１（ａ）はレーザ光の強度分布、図１１（ｂ）は加工ユニットおよび加工物の正面図、図１１（ｃ）は加工ユニットおよび加工物の平面図である。
【符号の説明】
１加工物（鋼管）２加工物（鋼板）
３加工線７レーザ光
１０レーザ加工装置１２ファイバレーザ発振装置
１３能動光ファイバ１４励起装置
１６受動光ファイバ１８リング状集光レンズ
２０レーザ加工装置２６ファイバホルダ
３０レーザ加工装置２２ファイバレーザ発振装置
２６ファイバホルダ３１切断機
３２ファイバレーザ発振装置３３能動光ファイバ
３４励起装置３６受動光ファイバ
３７ファイバホルダ３９集光レンズ
４０球状レンズ付き光ファイバ４１光ファイバ
４２球状レンズ５０レーザ加工装置
５１加工ユニット５２アレイ半導体レーザ
５５集光光学系５６第１円柱レンズ
５７第２円柱レンズ６１加工ユニット
６２ＣＯ_２レーザ発振装置

Claims

円筒状物体をその外周に沿って加工するレーザ加工装置であって、中心軸が前記円筒状物体の中心軸と同軸である一つのレンズの形状がリング状の集光レンズを備え、複数のレーザ発振装置からの受動光伝送ファイバが前記レンズの形状がリング状の集光レンズに一定間隔で接続されていることを特徴とするレーザ加工装置。
円筒状物体をその外周に沿って加工するレーザ加工装置であって、レーザ発振装置と集光光学系とからなる複数の加工ユニットが前記円筒状物体の周りに円周方向に沿って一定間隔で配置されており、前記集光光学系の光軸が前記円筒状物体の中心軸線に対し直角であり、集光ビーム形状が前記円周の接線方向に長軸を持つ楕円ビームであり、各集光ビームの長軸方向両端部での強度が中央部より高いことを特徴とするレーザ加工装置。