JP5595573B1

JP5595573B1 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法

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Publication number: JP5595573B1
Application number: JP2013204903A
Authority: JP
Inventors: 真之呉屋; 研二牟田; 俊哉渡辺; 眞生渡辺; 竜一成田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: JP2015066590A

Abstract

【課題】加工対象物をより高い精度で加工することが可能であるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供すること。
【解決手段】加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、レーザを出力する固体レーザ発振器と、固体レーザ発振器から出力されたレーザを集光し、加工対象物に照射させる光学系と、を有し、固体レーザ発振器は、レーザの進行方向の中心を通る断面におけるビームプロファイルが、中心の外側に中心よりも出力が高い複数のピークが形成される形状のレーザを出力し、光学系は、焦点位置が加工対象物の加工位置に対してずれたレーザを加工対象物に照射する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

加工対象物を加工する方法及び装置として、レーザを用いるレーザ加工装置及びレーザ加工方法がある。例えば、本出願人が出願した特許文献１には、レーザビームを照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置が記載されている。特許文献１に記載の装置は、レーザビームを集光させるための球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方によって、被加工物の位置においてレーザビームの強度分布が中心領域よりも周辺領域の方が高いカルデラ状になり、かつ焦点位置が被加工物の位置からずれたレーザビームを被加工物に照射するレーザ加工ヘッドを有する。

国際公開第２０１１／０６２３９１号

特許文献１に記載のレーザ加工装置は、被加工物の位置においてレーザビームの強度分布が中心領域よりも周辺領域の方が高く、立ち上がりが急峻なカルデラ状とすることで、加工品質精度を高くすることができる。ここで、光学系により、立ち上がりが急峻なカルデラ状を実現するレーザ加工装置は、加工品質改善に重要なビーム強度分布の立ち上がり（急峻度合い）に改善の余地がある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、加工対象物をより高品質に加工することのできるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、レーザを出力する固体レーザ発振器と、前記固体レーザ発振器から出力されたレーザを集光し、前記加工対象物に照射させる光学系と、を有し、前記固体レーザ発振器は、前記レーザの進行方向の中心を通る断面におけるビームプロファイルが、前記中心の外側に前記中心よりも出力が高い複数のピークが形成される形状のレーザを出力し、前記光学系は、焦点位置が前記加工対象物の加工位置に対してずれた前記レーザを前記加工対象物に照射する。

ここで、前記固体レーザ発振器は、出力されるレーザの前記ビームプロファイルの２つの前記ピークの間隔が、前記ビームプロファイルの幅の１％以上あれば良く、ピークの間隔は、ビームプロファイルの幅に近づくことが好ましい。この際に、１つピークのビームプロファイルに対して、２つピークのプロファイル幅が２倍以下であることが好ましい。

また、前記固体レーザ発振器は、出力されるレーザの前記ビームプロファイルが、２つのピークを有することが好ましい。

また、前記固体レーザ発振器は、半導体レーザであることが好ましい。

また、前記光学系は、前記レーザを集光する球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方を有することが好ましい。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザを加工対象物に照射して、加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、前記レーザの進行方向の中心を通る断面におけるビームプロファイルが、前記中心の外側に前記中心よりも出力が高い複数のピークが形成される形状のレーザを出力する工程と、前記レーザを、前記加工対象物の加工位置に対して焦点位置をずらして照射する工程と、を含む。

本発明によれば、加工対象物に照射されるレーザを、レーザが照射される領域の端部側の出力がより強い分布とすることができる。これにより、加工対象物の加工領域の端部により強いレーザを照射することができ、高い精度で加工を行うことができる。

図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す模式図である。図２は、レーザ加工ヘッドの概略構成を示す模式図である。図３は、レーザ加工ヘッドの動作を説明するための説明図である。図４は、レーザ発振器から照射されるレーザのビームプロファイルの一例を模式的に示す模式図である。図５は、加工対象物に照射されるレーザのビームプロファイルの一例を模式的に示す模式図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換または変更を行うことができる。

図１に示すように、レーザ加工装置１０は、加工対象物１００に対して、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、肉盛加工、表面処理加工等の各種加工をする装置である。なお、加工の種類は特に限定されないが、本実施形態のレーザ加工装置１０は、切断、穴あけ、溶接、肉盛のレーザ加工、表面処理等、レーザを照射して行う各種加工を行うことができる。レーザ加工装置１０は、特に穴あけ、切断等の切削加工を行うことに適している。

レーザ加工装置１０は、フレーム１２と、移動ユニット１４と、ステージユニット１６と、レーザ加工ヘッド６０を含むレーザ加工ユニット２２と、制御部２４と、を有する。レーザ加工装置１０は、ステージユニット１６に保持される加工対象物１００にレーザ加工ユニット２２によりレーザを照射し、加工対象物１００をレーザ加工する。ここで、本実施形態では、水平面をＸ軸方向とＸ軸に直交するＹ軸方向を含むＸＹ平面とし、水平面に直交する方向をＺ軸方向とする。また、Ｙ軸周りに回転する方向をθＹ方向とする。

加工対象物１００は、板状の部材である。加工対象物１００は、鉄系、非鉄金属を含む金属、合金、セラミック、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic）、その他複合材等、種々の材料で形成された部材を用いることができる。また、加工対象物１００は、本実施形態のような板状に限定されず、各種形状とすることができる。

フレーム１２は、レーザ加工装置１０の筐体であり、地面、土台等の設置面に固定されている。フレーム１２は、門１２ａと門１２ａの空間に挿入された土台１２ｂとを有する。フレーム１２は、移動ユニット１４の固定部が固定されている。レーザ加工装置１０は、フレーム１２の門１２ａと土台１２ｂとに移動ユニット１４が固定され、移動ユニット１４により加工対象物１００と、レーザ加工ユニット２２とを相対的に移動させる、いわゆる門型の加工装置である。

移動ユニット１４は、加工対象物１００とレーザ加工ヘッド６０とを相対移動させる。移動ユニット１４は、Ｙ軸移動機構３０と、Ｘ軸移動機構３４と、Ｚ軸移動機構３８と、θＹ回転機構３９と、を有する。Ｙ軸移動機構３０は、フレーム１２の土台１２ｂ上に配置され、Ｙ軸方向に延在するレール３０ａと、レール３０ａに沿って移動するＹ軸移動部材３０ｂと、を有する。Ｙ軸移動機構３０は、Ｙ軸移動部材３０ｂにステージユニット１６が固定されている。Ｙ軸移動機構３０は、レール３０ａに沿って、Ｙ軸移動部材３０ｂを移動させることで、ステージユニット１６をＹ軸方向に移動させる。Ｙ軸移動機構３０は、Ｙ軸移動部材３０ｂをＹ軸方向に移動させる機構として、種々の機構を用いることができる。例えば、Ｙ軸移動部材３０ｂにボールねじを挿入し、ボールねじをモータ等で回転させる機構や、リニアモータ機構、ベルト機構等を用いることができる。Ｘ軸移動機構３４と、Ｚ軸移動機構３８も同様に種々の機構を用いることができる。

Ｘ軸移動機構３４は、フレーム１２の門１２ａ上に配置され、Ｘ軸方向に延在するレール３３と、レール３３に沿って移動するＸ軸移動部材３４ａと、を有する。Ｘ軸移動機構３４は、Ｘ軸移動部材３４ａにＺ軸移動機構３８が固定されている。Ｘ軸移動機構３４は、レール３３に沿って、Ｘ軸移動部材３４ａを移動させることで、Ｚ軸移動機構３８をＸ軸方向に移動させる。Ｚ軸移動機構３８は、Ｘ軸移動部材３４ａに固定され、Ｚ軸方向に延在するレール３８ａと、レール３８ａに沿って移動するＺ軸移動部材３８ｂと、を有する。Ｚ軸移動機構３８は、Ｚ軸移動部材３８ｂにθＹ回転機構３９が固定されている。Ｚ軸移動機構３８は、レール３８ａに沿って、θＹ回転機構３９を移動させることで、θＹ回転機構３９をＺ軸方向に移動させる。θＹ回転機構３９は、Ｚ軸移動部材３８ｂに固定され、レーザ加工ヘッド６０が固定されている。θＹ回転機構３９は、Ｚ軸移動部材３８ｂに対して、レーザ加工ヘッド６０をθＹ方向に回転させることで、レーザ加工ヘッド６０をθＹ方向に回転させる。

移動ユニット１４は、Ｙ軸移動機構３０とＸ軸移動機構３４とＺ軸移動機構３８とを用いて、加工対象物１００とレーザ加工ヘッド６０とをＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれに相対移動させる。また、移動ユニット１４は、θＹ回転機構３９を用いて、加工対象物１００に対してレーザ加工ヘッド６０を回転させる。これにより、レーザ加工ヘッド６０から加工対象物１００に対して照射されるレーザの向きを調整することができる。移動ユニット１４は、レーザ加工ヘッド６０をＸ軸周りに回転させる機構を備えていてもよい。また、レーザが照射される向きを調整する機構は、レーザ加工ヘッド６０に設けてもよい。

ステージユニット１６は、Ｙ軸移動機構３０のＹ軸移動部材３０ｂ上に配置されている。ステージユニット１６は、加工対象物１００を支持するステージである。本実施形態のステージユニット１６は、Ｙ軸移動部材３０ｂと一体化させた部材、つまり、Ｙ軸移動部材３０ｂをステージユニット１６のステージとしたが、Ｙ軸移動部材３０ｂ上に別の支持部材をステージとして設けてもよい。ステージユニット１６は、Ｙ軸移動機構３０が加工対象物１００を移動させるステージ移動機構４２となる。ステージユニット１６は、加工対象物１００をＹ軸移動部材３０ｂの所定の位置に固定する固定機構を備えている。また、ステージユニット１６は、ステージ移動機構４２として、さらにＹ軸移動部材３０ｂに対して加工対象物１００の向きを、つまり姿勢を調整する調整機構を備えていてもよい。具体的には、ステージ移動機構４２として、加工対象物１００を回転させる機構を備えていてもよい。

レーザ加工ユニット２２は、図２に示すように、レーザ加工ヘッド６０と、固体レーザ発振器（レーザ発振器）６２と、を有する。

レーザ加工ヘッド６０は、図２に示すように、固体レーザ発振器６２から出力されたレーザが入射され、入射されたレーザのうち一方を加工対象物１００に照射することで、加工対象物１００をレーザ加工する。レーザ加工ヘッド６０は、光ファイバ６４と、レーザ出力部６６と、光学系６８と、を有する。

光ファイバ６４は、レーザ発振器６２から出力されたレーザＬを案内する。レーザ出力部６６は、光ファイバ６４で案内されたレーザを出力する。なお、本実施形態では、固体レーザ発振器６２から照射（出力）されたレーザを光ファイバ６４で案内したが、これに限定されず、ミラー等の反射部材で、レーザを案内してもよい。

光学系６８は、レーザ出力部６６から出力されたレーザＬを集光し、加工対象物１００に照射する。光学系６８は、レンズユニット７０を有する。本実施形態のレンズユニット７０は、球面レンズによって構成されている。レンズユニット７０は、レーザを進行方向上流側に位置する凸レンズである集光レンズ７２、及び集光レンズ７２よりもレーザの進行方向下流側に位置する凹レンズ７４が含まれる。集光レンズ７２及び凹レンズ７４は、中心軸線が、レーザＬの中心線ＣＬと同軸となる位置に配置されている。

集光レンズ７２は、レーザ出力部６６から出力されるレーザを集光する。ここで、レーザ出力部６６から出力されるレーザＬは、所定の広がり角（開口数ＮＡ）で広がる。ここで、集光レンズ７２は、一枚のレンズとしてもよいし、複数のレンズを組み合わせてもよい。また、本実施形態の光学系６８は、集光レンズ７２で集光したが、集光レンズ７２に換えて、コリメートレンズを用い、レーザ出力部６６から出力されるレーザをコリメートし、平行光としてもよい。

凹レンズ７４は、レーザＬの進行方向上流側の面が曲率を有する面であり、レーザの進行方向下流側の面が曲率を有さない面、つまり平坦な面となる。凹レンズ７４は、レーザＬの入射位置、つまりレーザＬの中心線ＣＬからの位置によって、集光位置（焦点位置）が異なる。凹レンズ７４は、図３に示すように、凹レンズ７４の外側、つまりレーザＬの中心線ＣＬから離れた位置に入射したレーザを集光する位置が、凹レンズ７４の内側、つまりレーザＬの中心線ＣＬに近い位置に入射したレーザを集光する位置よりも、下流側、つまり、凹レンズ７４から遠い位置となる。このように、凹レンズ７４は、レーザを集光拡散させつつ、加工対象物１００に照射させる。

光学系６８は、凹レンズ７４を通過したレーザＬを、全体の焦点を結んだ下流で発散する。ここで、球面レンズである凹レンズ７４は、その球面収差により、焦点位置より下流側（加工対象物１００側）において、それまで中心領域にあったレーザを周辺領域へ倒置させると共に、それまで周辺領域にあったレーザＬを中心領域に倒置させ、かつ、レーザＬを円形に収束させる。レーザ加工装置１０は、凹レンズ７４を光学系６８の最終段とし、光学系６８の最終段と加工対象物１００との間でレーザＬの倒置を行う。

レーザ発振器６２は、レーザＬの進行方向の中心を通る断面におけるビームプロファイルが、中心の外側に中心よりも強度（出力）が高い複数のピークが形成される形状のレーザＬを出力する。ここで、図４は、レーザ発振器６２から出力されるレーザＬの出力強度の分布を、レーザＬの中心を通る断面で切断して示している。レーザ発振器６２は、出力されるレーザＬのビームプロファイルが、図４に示すように、レーザＬの中心である中心線ＣＬから離れた位置に強度が最も高いピークの位置が形成され、当該ピーク位置から中心線ＣＬに向かって強度が低くなる、カルデラ状となる。なお、レーザＬのビームプロファイルの切断面は、中心線ＣＬを含む任意の位置とすることができる。また、レーザＬのビームプロファイルは、本実施形態のように、中心線を対称軸として、実質的に対称な形状とすることが好ましいが、非対称でもよい。レーザ発振器６２は、半導体レーザ等である。半導体レーザは、複数の波長の半導体レーザを結合させて高出力のレーザを出力することができる。また、半導体レーザは、複数の波長のレーザの結合時の調整により図４に示すようなビームプロファイルのレーザを出力させることができる。レーザ発振器６２は、各波長のレーザビームを結合時に、合成されるビームプロファイルが２つ山となるように、各波長のレーザビームのピーク位置を調整できる機構を有することが好ましい。これにより、図４に示すように、強度のピークが中心線から離れた位置に形成されるビームプロファイルのレーザＬを好適に出力することができる。また、異なる波長を有することで、焦点深度が深くなるように設計する事ができ、８ｍｍ以上の厚板切断に好適である。

レーザ加工ユニット２２は、レーザ発振器６２から出力されるレーザをレーザ加工ヘッド６０から加工対象物１００に照射することで、加工対象物１００に穴あけ、切断、溶接、肉盛、表面処理等の加工を行う。

制御部２４は、移動ユニット１４、ステージユニット１６、レーザ加工ユニット２２と、の各部の動作を制御する。制御部２４は、移動ユニット１４とステージユニット１６のステージ移動機構４２の動作を制御し、加工対象物１００とレーザ加工ヘッド６０とを相対移動させる。また、制御部２４はレーザ加工ユニット２２との駆動を制御し、レーザ加工を制御する。

レーザ加工装置１０は、以上のような構成であり、レーザ発振器６２から図４に示すビームプロファイルのレーザを出力し、レーザ加工ヘッド６０の光学系６８で図３に示すように焦点位置をずらして加工対象物１００にレーザＬを照射する。これにより、レーザ加工装置１０は、図５に示すビームプロファイルのレーザを加工対象物１００に照射することができる。図５に示すビームプロファイルは、中心線ＣＬを通る断面のビームプロファイルである。図５に示すように、加工対象物１００には、中心線ＣＬよりもビームが照射される範囲の端部近傍の位置である位置Ｐ１、Ｐ２の方が強度が高く、立ち上がりが急峻なレーザが照射される。具体的には、レーザ加工装置１０は、位置Ｐ１、Ｐ２の方において、レーザの強度の変動である急峻度（α１、α２）を、レーザ発振器のピークが１つの場合に比較して、１０％以上高くすることができる。レーザ加工装置１０は、照射される範囲の端部近傍の方が中心よりも強度が高く、立ち上がりが急峻なプロファイルを有するレーザを照射できることで、加工の品質を向上させることができる。

レーザ加工装置１０は、固体レーザ発振器６２とレーザ加工ヘッド６０を用いることで、例えば、合金を含む金属の切断加工では板厚の厚い（例えば８ｍｍ以上）金属を切断する場合も、高い加工品質で加工を行うことができる。

ここで、レーザ発振器６２は、中心線を通る断面のビームプロファイルにおいて、ピークとピークの距離（２つのピークの間隔）ｄをビームプロファイルの幅（１／ｅ^２）のすくなくとも１％以上とすることが好ましく、ピークの間隔は、ビームプロファイルの幅に近づくことが好ましい。但し、１つピークのビームプロファイルに対して、２つピークのプロファイル幅が同等であることが重要である。

ここで、レーザ発振器６２は、中心線を通る断面のビームプロファイルにおいて、ピークの出力Ｅ１に対する中心線の出力の落ち込み量（２つの出力の差分）Ｅａを、出力Ｅ１の１％以上９０％以下とすることが好ましく、さらに５%以上５０%とすることがより好ましい。落ち込み量Ｅａを上記範囲とすることで、加工対象物１００に照射されるレーザのビームプロファイルを、端部側の出力がより高くなる形状とすることができ、かつ立ち上がりを急峻とすることができる。これにより、加工品質をより高くすることができる。

レーザ発振器６２は、中心線を通る断面のビームプロファイルにおいて、ピークが２つとなるレーザＬを出力する場合としたが、これに限定されない。レーザ発振器６２は、中心線ＣＬを通る断面のビームプロファイルにおいて、ピークが中心線からずれ、かつ、ピークが複数あればよく、ピークが３つ以上あってもよい。

また、上記実施形態では、球面レンズを組み合わせた光学系を用いて、焦点位置６８が加工対象物１００の加工位置に対してずれたレーザＬを照射させたが、光学系はこれに限定されない。光学系は、球面レンズと非球面レンズ（十分な収差補正を行っておらず、球面収差を発生可能なレンズ）の両方を含んでいてもよいし、非球面レンズのみを有していてもよい。光学系は、焦点位置を加工対象物の加工位置に対してずらし、レーザＬを中心よりも周囲の方が強度が高いカルデラ状、かつ、立ち上がりが急峻にすることができればよい。

レーザ加工ヘッド６０は、冷却機構を有することが好ましい。冷却機構は、例えば、上記複数のレンズを冷却するための冷却ジャケット等である。また、レーザ加工ヘッド６０は、レーザを照射する位置近傍にノズルを設け、ノズルにアシストガス供給源からアシストガスを供給させ、このアシストガスを加工対象物１００に向けて噴射するようにしてもよい。本実施形態において、アシストガスは、例えば、空気、窒素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、キセノンガス、ヘリウムガス、または、これらの混合ガスを用いることができる。アシストガスとして、酸化反応熱を加工処理に利用できる酸素ガスを用いた場合、金属等の加工対象物１００に対する加工速度をより向上させることができる。また、アシストガスとして、熱影響層としての酸化被膜の生成を抑える窒素ガスやアルゴンガス等を用いた場合、金属等の加工対象物１００に対する加工品質及び精度をより向上させることができる。アシストガスのガス種、混合比及びノズルからの噴出量（圧力）などは、加工対象物１００の種類や加工モード等の加工条件に応じて変えることができる。

また、レーザ加工ユニット２２は、レーザを照射する位置の画像を撮影する撮影手段、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ等を有するカメラを備えていてもよい。これにより、取得した画像に基づいてレーザの照射位置等を調整することができる。

また、上記実施形態において、移動ユニット１４により加工対象物１００をＹ軸方向に移動させ、かつレーザ加工ヘッド６０をＸ軸方向、Ｚ軸方向に移動させたがこれに限定されない。レーザ加工装置１０は、加工対象物１００をＸ軸Ｙ軸Ｚ軸の３方向に移動させても、レーザ加工ヘッド６０をＸ軸Ｙ軸Ｚ軸の３方向に移動させてもよい。また、レーザ加工装置１０は、ステージユニット１６にステージ移動機構を設け、ステージ移動機構により加工対象物１００の姿勢（向き、回転方向の位置）を調整してもよい。

１０レーザ加工装置
１２フレーム
１４移動ユニット
１６ステージユニット
２２レーザ加工ユニット
２４制御部
３０Ｙ軸移動機構
３４Ｘ軸移動機構
３８Ｚ軸移動機構
３９ θＹ回転機構
６０レーザ加工ヘッド
６２固体レーザ発振器
１００加工対象物

Claims

加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
レーザを出力する固体レーザ発振器と、
前記固体レーザ発振器から出力されたレーザを集光し、前記加工対象物に照射させる光学系と、を有し、
前記固体レーザ発振器は、前記レーザの進行方向の中心を通る断面におけるビームプロファイルが、前記中心の外側に前記中心よりも出力が高い複数のピークが形成される形状のレーザを出力し、
前記光学系は、焦点位置が前記加工対象物の加工位置に対してずれた前記レーザを前記加工対象物に照射するレーザ加工装置。
前記固体レーザ発振器は、出力されるレーザの前記ビームプロファイルの２つの前記ピークの間隔が、前記ビームプロファイルの幅の１％以上となる請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記固体レーザ発振器は、出力されるレーザの前記ビームプロファイルが、２つのピークを有する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
前記固体レーザ発振器は、半導体レーザである請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
前記光学系は、前記レーザを集光する球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方を有する請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
レーザを加工対象物に照射して、加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、
前記レーザの進行方向の中心を通る断面におけるビームプロファイルが、前記中心の外側に前記中心よりも出力が高い複数のピークが形成される形状のレーザを固体レーザ発振器から出力する工程と、
前記固体レーザ発振器から出力されたビームプロファイルが、前記中心の外側に前記中心よりも出力が高い複数のピークが形成される形状のレーザを、前記加工対象物の加工位置に対して焦点位置をずらして照射する工程と、を含むレーザ加工方法。