JP5737900B2

JP5737900B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法

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Publication number: JP5737900B2
Application number: JP2010232675A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　眞生; 眞生渡辺
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2030-10-15
Also published as: JP2012086229A

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関するものである。

近年、例えば、特許文献１に記載されているような、金属板のワークを切断する加工ヘッドに、レーザ発振器から光ファイバーを介してレーザビームが送られ、該レーザビームによってワークを切断するレーザ切断装置の開発が進んでいる。この光ファイバーを用いたレーザ（以下、「ファイバーレーザ」という。）は、固体レーザ（例えば、ＹＡＧ系レーザ）が光ファイバーを用いて伝送されるものである。
そして、ファイバーレーザは、気体レーザ（例えば、ＣＯ_２レーザ）に比較してレーザの生成に要する電気エネルギーが少なく、ロッドタイプの固体レーザに比較してレーザビームの品質（レーザビームの集光性と直進性）が高く、高出力化が可能であるため、普及が進んでいる。

ここで、レーザ加工装置は、被加工物である金属の切断において、レーザビームのパワーだけでなく、レーザビームを被加工物に照射すると共に吹きつける酸素ガス（アシストガス）によって金属が酸化する酸化熱も利用して被加工物を高温にすることにより、切断を行う場合がある。被加工物が高温となることで、被加工物を構成する金属及び酸化熱を得る過程で生成される酸化金属は、溶融して溶融金属となる。そして、溶融金属が上記アシストガスの圧力によって被加工物から吹き流されて除去されることによって、被加工物は切断される。
ところで、溶融金属は、温度が高いほど粘性が下がり流動性が高くなるため、レーザ加工装置は、被加工物の切断温度を高くすることで溶融金属の粘性を下げ、アシストガスによる溶融金属の排除性を向上させる必要がある。

このため、レーザビームによる切断では、被加工物内部の温度、すなわち切断温度を高温にしなければならない。例えば、切断対象となる被加工物がＦｅ（鉄）の場合、切断温度は、１２００℃〜１７００℃前後としなければならない。

特開２００８−２９６２６６号公報

しかし、ファイバーレーザ等に用いられるＹＡＧ系レーザでは、従来から用いられているＣＯ_２レーザに比較して切断時の温度が上昇しにくいことが指摘されている。

この理由は、以下のように考えられている。
ＹＡＧ系レーザとＣＯ_２レーザとでは、ＹＡＧ系レーザの波長が１．０６〜１．０８μｍ、ＣＯ_２レーザの波長が１０．６μｍというように波長の大きさが異なることによって、材料に対するレーザの吸収率（以下、「材料吸収率」という。）及びプラズマに対するレーザの吸収率（以下、「プラズマ吸収率」という。）が異なる。例えば、従来から知られている図７の実験例に示すように、鉄に対する材料吸収率は、ＣＯ_２レーザでは０．０８であり、ＣＯ_２レーザよりも波長の短いＹＡＧ系レーザでは０．３９である。

このように、ＹＡＧ系レーザでは、ＣＯ_２レーザに比較して材料吸収率が高いため、ＣＯ_２レーザに比較して被加工物の溶融にレーザビームのパワーがより消費され、そのためレーザビームのパワーが被加工物の温度上昇に寄与しづらい。さらに、被加工物を切断する際には、被加工物である金属の一部が蒸発し、プラズマ化する。そして、切断される被加工物内部での温度上昇には、プラズマ温度が寄与するが、ＹＡＧ系レーザのプラズマ吸収率は、ＣＯ_２レーザに比較して１００分の１程度である。そのため、ＹＡＧ系レーザは、切断する被加工物内部でのプラズマ温度を上昇させにくい。

また、ファイバーレーザを用いた場合は、レーザ発振器の個体差、ファイバーの経年的な劣化、ファイバーに対する力学的なストレス（応力）の蓄積及び偏在等によってクラッドとコアとの界面にストレスが生じ、屈折率が変化することによって、レーザビームの品質及び出力の低下が生じ、レーザ加工装置の切断性能が低下することがある。

この結果、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザビームを用いたレーザ加工装置は、厚みを有する被加工物を切断する場合、被加工物内部の温度を切断に必要な温度まで上昇させることができず、被加工物を切断することができない場合があるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、厚みを有する被加工物を、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザを用いて切断することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るレーザ加工装置は、被加工物を切断するためのＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザビームを出射する一つの出射手段と、前記レーザビームを集束させるためのレンズが設けられた集束手段と、を備え、前記集束手段は、前記レーザビームのエネルギー分布が前記被加工物の位置において該被加工物の切断の進行方向に対して偏重するように、前記レンズの中心軸線からずれた位置に前記レーザビームが入射される。

本発明によれば、一つの出射手段によって、被加工物を切断するためのＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザビームが出射され、レーザビームを集束させるためのレンズが設けられた集束手段によって、前記出射手段から出射されたレーザビームが、レーザビームのエネルギー分布が被加工物の位置において該被加工物の切断の進行方向に対して偏重するように集束される。

ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザ（例えば、ＹＡＧ系レーザ）は、材料吸収率が高く、プラズマ吸収率が低い、そのため、被加工物をレーザビームで切断する場合に、被加工物の内部を、アシストガスで吹き飛ばせるほど低い粘性を溶融金属が有するほどの高温にすることができなかった。

そこで、本発明は、レーザビームのエネルギー分布が被加工物の位置において該被加工物の切断の進行方向に対して偏重するようにレーザビームを集束させる。これによって、レーザビームのパワーが溶融金属の温度上昇により消費されるようにレーザビームを集束させることが可能となり、溶融金属の温度を高温にできる。この結果、溶融金属をアシストガスで吹き飛ばせるほど溶融金属の粘性を下げることが可能となるので、本発明は、厚みを有する被加工物を、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザを用いて切断することができる。
また、本発明によれば、レーザビームを集束させるためのレンズが設けられている集束手段に対して、レンズの中心軸線からずれた位置にレーザビームを入射させるので、簡易な構成で、被加工物の位置において該被加工物の切断の進行方向に対して偏重するようにレーザビームを集束させることができる。

また、本発明のレーザ加工装置は、焦点位置における前記レーザビームのエネルギー分布の最大値を通る中心軸線を分割線として、前記被加工物の切断方向の前後方向で分割した第１領域と第２領域との割り合いである前記偏重の度合いが、前記被加工物における前記レーザビームの吸収率に応じて調整されてもよい。
本発明によれば、被加工物における該レーザビームの吸収率に応じて、レーザビームの偏重の度合いが調整されるので、厚みを有する被加工物を、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザを用いてより確実に切断することができる。

また、本発明のレーザ加工装置は、前記出射手段が、前記集束手段の中心軸線から所定長さずれた位置に配置され、前記被加工物の切断の進行方向と前記偏重の方向とが一致するように、前記被加工物の切断方向に応じて回転されてもよい。
本発明によれば、出射手段が、被加工物の切断の進行方向とレーザビームの偏重の方向とが一致するように、被加工物の切断方向に応じて回転されるので、簡易な構成で、レーザビームの長軸方向と該被加工物の切断の進行方向とを一致させることができる。

また、本発明のレーザ加工装置は、前記レーザビームを、ファイバーレーザとしてもよい。
本発明によれば、ファイバーレーザは高品質で高出力のレーザビームであるため、厚みを有する被加工物を、より確実に切断することができる。

また、本発明のレーザ加工装置は、前記レーザビームを、ディスクレーザとしてもよい。
本発明によれば、ディスクレーザは高品質で高出力のレーザビームであるため、厚みを有する被加工物を、より確実に切断することができる。

一方、上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るレーザ加工方法は、被加工物を切断するためのＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザビームを一つの出射手段から出射する第１工程と、前記レーザビームを集束させるためのレンズが設けられた集束手段によって、前記レーザビームを集束させる第２工程と、を含み、前記集束手段は、前記レーザビームのエネルギー分布が前記被加工物の位置において該被加工物の切断の進行方向に対して偏重するように、前記レンズの中心軸線からずれた位置に前記レーザビームが入射される。

本発明によれば、レーザビームのエネルギー分布が被加工物の位置において該被加工物の切断の進行方向に対して偏重するようにレーザビームを集束されるので、レーザビームのパワーが溶融金属の温度上昇により消費されるようにレーザビームを集束させることが可能となり、溶融金属の温度を高温にできる。この結果、溶融金属をアシストガスで吹き飛ばせるほど溶融金属の粘性を下げることが可能となるので、本発明は、厚みを有する被加工物を、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザを用いて切断することができる。

本発明によれば、厚みを有する被加工物を、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザを用いて切断することができる、という優れた効果を有する。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の光学系の構成を示す模式図である。従来のレーザ加工装置の光学系の構成を示す模式図である。本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の焦点位置におけるレーザビームのエネルギー分布を示す模式図である。本発明の実施形態に係るレーザ加工装置による切断方向とレーザビームの向きとの関係を示す模式図である。本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の全体構成図である。本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の筐筒の縦断面図である。レーザビームの波長に応じた材料吸収率の変化を示すグラフである。

以下に、本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に、本実施形態に係るレーザ加工装置１０の光学系の構成を示す。
レーザ加工装置１０は、レーザ発振器２０、光ファイバー２２、レーザ出射部２４、及び光学系２６を備えている。なお、本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、光ファイバー２２を媒質に用いたファイバーレーザを用いる。
また、本実施形態では、レーザ加工装置１０を、テーブル２８に載置されている被加工物３０に連続的にレーザビームを照射することで被加工物３０を切断するレーザ切断装置として用いる場合について説明する。

なお、被加工物３０は、金属であり、本実施形態では被加工物３０を一例として鉄（Ｆｅ）とする。また、被加工物３０の厚みは、例えば１０〜数十ｍｍ（例えば５０ｍｍ）である。また、本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、被加工物３０を切断する際に、アシストガスである酸素ガスを切断部分に吹きかけながら切断する。

レーザ発振器２０は、レーザ（本実施形態では、ＹＡＧ系レーザ）を生成し、生成されたレーザは、光ファイバー２２で伝送され、光ファイバー２２の末端に設けられているレーザ出射部２４から光学系２６へ出射される。

光学系２６は、上流側からコリメート光学系４０及び集光光学系４２を有しており、コリメート光学系４０及び集光光学系４２は、中心軸線４４が同軸となるように配置されている。

コリメート光学系４０は、コリメートレンズを備えており、光ファイバー２２から出射される所定の拡がり（開口数ＮＡ＝ｓｉｎθ）を有するレーザビームを平行光にする。

集光光学系４２は、コリメート光学系４０によって平行光とされたレーザビームを、テーブル２８に載置された被加工物３０を切断するために適した径となるように集束させる。

なお、コリメート光学系４０及び集光光学系４２は、例えば、石英ガラスで形成されている。また、コリメート光学系４０及び集光光学系４２は、各々一つのレンズで構成されてもよいし、複数のレンズで構成されてもよい。

さらに、本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、レーザ出射部２４が光学系２６（コリメート光学系４０及び集光光学系４２）の中心軸線４４から長さＬずれた位置に配置される。
これにより、レーザビームは、光学系２６の中心軸線４４から長さＬずれた位置（以下、「入射位置」という。）から光学系２６へ入射される。そして、レーザビームは、入射位置とは逆の位置であり、光学系の中心軸線４４から長さｄずれた位置（以下、「焦点位置」という。）に焦点を結ぶこととなる。なお、焦点位置は、被加工物３０の位置とされる。

ここで、ＹＡＧ系レーザを用いた従来のレーザ加工装置１０’を図２に示す。図２に示される従来のレーザ加工装置１０’は、レーザ出射部２４が光学系２６の中心軸線４４上に配置され、焦点位置におけるレーザビームの断面形状が円形である。そして、焦点位置におけるレーザビームのエネルギー分布は、中心が一番高く、中心から外側へ同心円状に徐々に低くなっている。
しかし、被加工物３０の厚みが厚い（例えば１０〜数十ｍｍ（例えば５０ｍｍ））場合、図２に示すような従来のレーザ加工装置１０’は、被加工物３０を切断できない場合があった。

この理由は、ＹＡＧ系レーザは、ＣＯ_２レーザに比較して材料吸収率が高く、プラズマ吸収率が低いためと考えられる。
より具体的に説明すると、ＹＡＧ系レーザは、ＣＯ_２レーザに比較して材料吸収率が高いため、被加工物３０の溶融にレーザビームのパワーがより消費され、レーザビームのパワーが被加工物３０の温度上昇に寄与しづらい。さらに、被加工物３０が切断される際には、被加工物３０である金属の一部が蒸発し、プラズマ化する。そして、切断される被加工物３０内部での温度上昇には、プラズマ温度が寄与するが、ＹＡＧ系レーザのプラズマ吸収率は、ＣＯ_２レーザに比較して低く、ＹＡＧ系レーザは、切断する被加工物３０内部でのプラズマ温度を上昇させにくいためであると考えられる。

この結果、被加工物３０を構成する金属及び酸化金属が溶融し溶融金属となり、被加工物３０内部で溶融池が発生しても、レーザビームは、溶融池の温度を十分に上昇させることができないため、溶融金属の粘性が下がらず、アシストガスは、溶融金属を被加工物３０内部から流し出すことができない。このため、従来のレーザ加工装置では、内部に溶融池が発生する厚みを有する被加工物３０を切断することができない場合があった。

一方、本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、光学系２６の中心軸線４４から長さＬだけずれた位置にレーザビームを入射させることで、図３に示すように、レーザビームのエネルギー分布が焦点位置、すなわち、被加工物３０の位置で被加工物３０の切断の進行方向に対して偏重するようにレーザビームを集束させる。

また、レーザビームは、被加工物３０におけるレーザビームの吸収率に応じて偏重の度合いが調整される。
なお、ここでいう、偏重の度合いとは、一例として、図３に示される領域Ｓ１と領域Ｓ２との割り合いをいう。領域Ｓ１及び領域Ｓ２は、焦点位置におけるレーザビームのエネルギー分布の最大値を通る中心軸線４６を分割線として、被加工物３０の切断方向の前後方向で分割した領域であり、領域Ｓ１が切断方向の後ろ方向であり、領域Ｓ２が切断方向の前方向である。

このように、領域Ｓ１と領域Ｓ２との大きさが異なるように焦点位置におけるレーザビームのエネルギー分布を偏重させることで、レーザビームのパワーを、被加工物３０を構成する金属の溶融と、溶融金属の温度上昇とに分けて消費させることができる。

例えば、本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、領域Ｓ１と領域Ｓ２との割り合いを、領域Ｓ１：領域Ｓ２＝０．３９：０．０８とする。この割り合いは、ＣＯ_２レーザ及びＹＡＧ系レーザの鉄に対する材料吸収率に基づくものである。
ＹＡＧ系レーザは、材料吸収率が高いため、金属の溶融には大きなパワーを必要としない一方、プラズマ吸収率が低いため、溶融金属の温度上昇のためにより大きなパワーを必要とする。すなわち、被加工物３０の切断方向前方の領域である領域Ｓ２の割り合いに応じたパワーで、まず金属の溶融を行い、領域Ｓ２よりも広い領域であり、被加工物３０の切断方向後方の領域である領域Ｓ１の割り合いに応じたパワーで、溶融金属の温度上昇を行う。

この結果、溶融金属の粘性が下がり、アシストガスは、その圧力で溶融金属を被加工物３０外に吹き流すことができるので、レーザ加工装置１０は、厚みのある被加工物３０を切断することが可能となる。

また、偏重の度合いの調整方法としては、中心軸線４４に対するレーザ出射部２４の位置、すなわち長さＬを調整することで、中心軸線４４に対する焦点位置のずれである長さｄを変えると共に、焦点位置におけるレーザビームのエネルギー分布の偏重の度合いを調整する。なお、レーザ出射部２４の光学系２６からの高さ方向の位置の調整をさらに組み合わせることで、焦点位置におけるレーザビームのエネルギー分布の偏重の度合いを調整してもよい。
さらに、領域Ｓ１，Ｓ２の割り合いは、レーザ加工装置１０で用いるレーザビームの種類、及び被加工物３０の組成等に応じて調整され、より適した偏重の度合いで被加工物３０の切断が行われる。

なお、本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、図４に示すように、厚みのある被加工物３０を切断するために、レーザビームの長軸方向と被加工物３０の切断の進行方向とが一致するようにレーザビームを集束させる。

図５は、レーザ加工装置１０の全体構成図であり、該図５及び図６を参照して、レーザビームの長軸方向と被加工物３０の切断の進行方向とが一致させる方法について説明する。
レーザ加工装置１０が備える光学系２６は、上部にレーザ出射部２４が配置されている筐筒５０に収められている。

筐筒５０は、３軸方向（ｘｙｚ軸）に移動できる３軸アーム５２によって支持され、３軸アーム５２が駆動することによって、被加工物３０の切断の進行方向が変化する。なお、３軸アーム５２の移動は、制御盤５４によって制御される。

また、本実施形態に係る筐筒５０は、図６の筐筒５０の縦断面図に示すように、上下で分割されており、上部筐筒５０Ａには、レーザ出射部２４が配置され、下部筐筒５０Ｂには、光学系２６が配置されている。

下部筐筒５０Ｂは、３軸アーム５２に支持され、上部筐筒５０Ａは、下部筐筒５０Ｂに対して同軸上で回転可能なように嵌め合わされている。

さらに、下部筐筒５０Ｂの側面には、モータ５６が設けられている。
モータ５６の回転軸５６Ａには、方向補正ギア５８Ａが、上部筐筒５０Ａの側面に設けられているギア５８Ｂに噛み合うように設けられている。

そして、モータ５６の回転軸５６Ａの回転角度は、３軸アーム５２の移動による被加工物３０の切断の進行方向の変化に同期して制御盤５４によって制御される。
制御盤５４は、方向補正ギア５８Ａに噛み合わされているギア５８Ｂを介して上部筐筒５０Ａ、すなわちレーザ出射部２４を回転させることによって、被加工物３０の切断の進行方向とレーザビームの偏重の方向とが一致するように、モータ５６の回転軸５６Ａの回転角度を制御する。

以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、レーザ出射部２４によって、被加工物３０を切断するためのレーザビーム（ＣＯ_２レーザよりも波長が短いＹＡＧ系レーザ）が出射され、光学系２６によって、レーザ出射部２４から出射されたレーザビームのエネルギー分布が、被加工物３０の位置において該被加工物の切断の進行方向に対して偏重するように該レーザビームが集束されるので、レーザビームのパワーが溶融金属の温度上昇により消費できるようにレーザビームを集束させることが可能となり、溶融金属の温度を高温にできる。

以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、上記実施形態では、レーザ加工装置１０を、被加工物３０を切断するレーザ切断装置として用いる場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、レーザ加工装置１０を複数の被加工物を溶接するレーザ溶接装置として用いる形態としてもよい。

また、上記実施形態では、アシストガスとして酸素ガスを用いる場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、アシストガスとして窒素ガスやアルゴンガス等、他のガスを用いる形態としてもよい。

また、上記実施形態では、レーザ加工装置１０にＹＡＧ系レーザを用いた場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、ＣＯ_２レーザよりも波長の短いレーザであれば他のレーザを用いる形態としてもよい。

また、上記実施形態では、レーザ加工装置にファイバーレーザを用いた場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、ディスクレーザ（波長１．０５〜１．０９μｍ）を用いる形態としてもよい。

また、上記実施形態では、３軸アーム５２に支持された筐筒５０を移動させることによって、被加工物３０の切断の進行方向を変化させる場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、筐筒５０を移動可能とせずに、被加工物３０を載置したテーブル２８を３軸方向に移動可能とし、テーブル２８を移動させることによって、被加工物３０の切断の進行方向を変化させる形態としてもよい。なお、この形態の場合、モータ５６の回転軸５６Ａの回転角度は、テーブル２８の移動による被加工物３０の切断の進行方向の変化に同期して制御盤５４によって制御される。

また、上記実施形態では、３軸アーム５２に筐筒５０が支持される場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、縦（ｘ）及び横（ｙ）に移動する２軸アームに支持される形態としてもよい。

１０レーザ加工装置
２４レーザ出射部
２６光学系
３０被加工物
４０コリメート光学系
４４集光光学系
５６モータ

Claims

被加工物を切断するためのＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザビームを出射する一つの出射手段と、
前記レーザビームを集束させるためのレンズが設けられた集束手段と、
を備え、
前記集束手段は、前記レーザビームのエネルギー分布が前記被加工物の位置において該被加工物の切断の進行方向に対して偏重するように、前記レンズの中心軸線からずれた位置に前記レーザビームが入射され、
前記出射手段は、前記集束手段の中心軸線から所定長さずれた位置に配置され、前記被加工物の切断の進行方向と前記偏重の方向とが一致するように、前記被加工物の切断方向に応じて回転されるレーザ加工装置。
焦点位置における前記レーザビームのエネルギー分布の最大値を通る中心軸線を分割線として、前記被加工物の切断方向の前後方向で分割した第１領域と第２領域との割り合いである前記偏重の度合いが、前記被加工物における前記レーザビームの吸収率に応じて調整される請求項１記載のレーザ加工装置。
前記レーザビームは、ファイバーレーザである請求項１又は請求項２記載のレーザ加工装置。
前記レーザビームは、ディスクレーザである請求項１又は請求項２記載のレーザ加工装置。
被加工物を切断するためのＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザビームを一つの出射手段から出射する第１工程と、
前記レーザビームを集束させるためのレンズが設けられた集束手段によって、前記レーザビームを集束させる第２工程と、
を含み、
前記集束手段は、前記レーザビームのエネルギー分布が前記被加工物の位置において該被加工物の切断の進行方向に対して偏重するように、前記レンズの中心軸線からずれた位置に前記レーザビームが入射され、
前記出射手段は、前記集束手段の中心軸線から所定長さずれた位置に配置され、前記被加工物の切断の進行方向と前記偏重の方向とが一致するように、前記被加工物の切断方向に応じて回転されるレーザ加工方法。