JP5816370B2 - ファイバレーザ加工機の出力制御方法及びファイバレーザ加工機 - Google Patents

Description

本発明は、ファイバレーザ加工機の出力制御方法及びファイバレーザ加工機に関する。

ファイバレーザ加工機は、レーザ光を生成する複数のファイバレーザモジュールを有するファイバレーザ発振器から生成されるレーザ光をレーザ加工ヘッドにより照射することでワークの切断等を行う装置である（例えば、特開２０１２−２７２４１号公報（特許文献１））。

特開２０１２−２７２４１号公報

従来のファイバレーザ加工機では、ファイバレーザ発振器の各ファイバレーザモジュールの劣化状態の差をなくすため、要求出力に対し、各ファイバレーザモジュールから発振するレーザ光の強度がほぼ一定となるように、即ち、各ファイバレーザモジュールから発振するレーザ光の出力がほぼ一定となるように制御していた。

例えば、５００Ｗのファイバレーザモジュールを４台搭載した２０００Ｗのファイバレーザ発振器であれば、１６００Ｗの要求出力に対し、各ファイバレーザモジュールの出力が４００Ｗとなるように発振させることで、１６００Ｗの出力を得ていた。

ところで、レーザ加工機で鋼板を切断する場合、レーザビームの照射で溶融した金属をアシストガス（一般的には、酸素ガスを使用。）の噴流で吹き飛ばす必要がある。アシストガスで溶融物を吹き飛ばすためには、板厚に応じて必要な切断溝幅（カーフ幅）が決まっており、図１０に示すように、板厚が厚くなるほど切断溝幅を広くする必要がある。必要な切断溝幅よりも狭い状態でアシストガスを吹き付けると、材料表面側（レーザビーム照射側）で溶融物が吹き上がってしまい、溶融物が裏側に流れることができず、良好な切断を行うことができない。特に厚板（例えば、板厚が９ｍｍ程度以上）を切断する場合には、切断溝幅を広くして、アシストガス圧力を低圧（アシストガス圧０．０５〜０．１ＭＰａ程度）に設定することが必要である。

ここで、切断溝幅を決めるスポット径ωは、下記（１）式で表される。
ω＝１．２７・（λ・ｆ／Ｄ）・Ｍ² （１）
ただし、λはレーザの波長、ｆは集光レンズの焦点距離、Ｄは集光レンズへの入射ビーム径、Ｍ²はエムスクエア値（以下、Ｍ²値）と呼ばれるビーム品質を表す値である。

（１）式から明らかなように、Ｍ²値は、スポット径ωを決める指標となっている。従来のファイバレーザ加工機においては、常時、４台のファイバレーザモジュールを発振させているため、発振されるレーザ光のＭ²値は常に同じであった。即ち、Ｍ²値は常に同じ値を示すため、切断溝幅を決めるスポット径ωを変えるためには集光レンズの焦点距離ｆを変えるべく集光レンズを交換する必要があった。

従って、従来のファイバレーザ加工機においては、板厚、材料等に応じて切断溝幅を変えるためには、集光レンズの交換が必要であり、作業性の低下の原因となっていた。

具体的には、例えば板厚１２ｍｍのワークを切断する場合にはｆ＝２００ｍｍの集光レンズを使用し、板厚３．２ｍｍのワークを切断する場合にはｆ＝１２５ｍｍの集光レンズを使用していた。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、作業性を向上させることができるファイバレーザ加工機の出力制御方法及びファイバレーザ加工機を提供することにある。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本発明者は、ファイバレーザ加工機の使用態様、ファイバレーザモジュールの劣化状態を精査したところ、２００００時間（年間２０００時間の稼動で約１０年の使用に相当）におけるファイバレーザモジュールの劣化状態は、従来考えられていたほど大きくなく、加工するワークにほとんど影響を与えないことを見出し本発明に至ったものである。

本発明は、以下の態様を提供するものである。
本発明のある局面に従うファイバレーザ加工機の出力制御方法は、各々がレーザ光を生成する複数のファイバレーザモジュールを有するファイバレーザ発振器と、ファイバレーザ発振器から生成されるレーザ光を出射するレーザ加工ヘッドと、ワークとレーザ加工ヘッドとの間に設けられ、レーザ加工ヘッドからのレーザ光に従うスポット径によりワークに対して照射する所定の焦点距離の集光レンズと、を備えるファイバレーザ加工機の出力制御方法である。ワークに応じたスポット径となるように複数のファイバレーザモジュールの発振個数を調整することによりレーザ加工ヘッドからのビーム品質を調整する。

上記に記載の態様によれば、ファイバレーザモジュールの数を制御することで発振されるレーザ光のＭ²値を変えることができ、それによりスポット径ωを調整することができるので、従来必要であった集光レンズの交換回数を減らす、又は交換をなくすことができ、作業性を向上させることができる。

好ましくは、所定の板厚を有するワークを切断する際に発振するファイバレーザモジュールの数に対し、所定の板厚より薄い板厚を有するワークを切断する際に発振するファイバレーザモジュールの数を少なくする。

上記に記載の態様によれば、板厚が薄い場合には最大切断速度が得られる切断溝幅は狭くなるので、発振するファイバレーザモジュールの数を減らすことでスポット径を小さくすることができ、高精度な加工を行うことができる。

好ましくは、所定の速度で切断する際に発振するファイバレーザモジュールの数に対し、所定の速度よりも早い速度で切断する際に発振するファイバレーザモジュールの数を少なくする。

上記に記載の態様によれば、切断速度を早くしたい場合には発振するファイバレーザモジュールの数を減らすことで同一出力であってもスポット径を小さくすることでパワー密度を上げることができ、切断速度の高速化を実現できるとともに高精度な加工を行うことができる。

好ましくは、合計のレーザ指令出力が所定の出力以下では、発振するファイバレーザモジュールの数を制限する。

上記に記載の態様によれば、合計のレーザ指令出力が所定の出力以下では、発振するファイバレーザモジュールの数を制限することで、各ファイバレーザモジュールの出力が小さいことにより出力が不安定となるのを回避することができ、安定した加工を実現できる。

好ましくは、複数のファイバレーザモジュールの出力をそれぞれ異ならせる。
上記に記載の態様によれば、ファイバレーザモジュールの出力設定の自由度が向上する。

本発明のある局面に従うファイバレーザ加工機は、各々がレーザ光を生成する複数のファイバレーザモジュールを有するファイバレーザ発振器と、ファイバレーザ発振器から生成されるレーザ光を出射するレーザ加工ヘッドと、ワークとレーザ加工ヘッドとの間に設けられ、レーザ加工ヘッドからのレーザ光に従うスポット径によりワークに対して照射する所定の焦点距離の集光レンズと、複数のファイバレーザモジュールの発振個数に応じてレーザ加工ヘッドからのビーム品質を調整することが可能な制御装置とを備える。制御装置は、ワークに応じたスポット径となるように複数のファイバレーザモジュールの発振個数を調整する。

上記に記載の態様によれば、ファイバレーザモジュールの数を制御することで発振されるレーザ光のＭ²値を変えることができ、それによりスポット径ωを調整することができるので、従来必要であった集光レンズの交換回数を減らす、又は交換をなくすことができ、作業性を向上させることができる。

好ましくは、制御装置は、所定の板厚を有するワークを切断する際に発振するファイバレーザモジュールの数に対し、所定の板厚より薄い板厚を有するワークを切断する際に発振するファイバレーザモジュールの数を少なくする。

上記に記載の態様によれば、板厚が薄い場合には最大切断速度が得られる切断溝幅は狭くなるので、発振するファイバレーザモジュールの数を減らすことでスポット径を小さくすることができ、高精度な加工を行うことができる。

好ましくは、制御装置は、所定の速度で切断する際に発振するファイバレーザモジュールの数に対し、所定の速度よりも早い速度で切断する際に発振するファイバレーザモジュールの数を少なくする。

上記に記載の態様によれば、切断速度を早くしたい場合には発振するファイバレーザモジュールの数を減らすことで同一出力であってもスポット径を小さくすることでパワー密度を上げることができ、切断速度の高速化を実現できるとともに高精度な加工を行うことができる。

好ましくは、制御装置は、合計のレーザ指令出力が所定の出力以下では、発振するファイバレーザモジュールの数を制限する。

上記に記載の態様によれば、合計のレーザ指令出力が所定の出力以下では、発振するファイバレーザモジュールの数を制限することで、各ファイバレーザモジュールの出力が小さいことにより出力が不安定となるのを回避することができ、安定した加工を実現できる。

好ましくは、制御装置は、複数のファイバレーザモジュールの出力をそれぞれ異ならせるように制御する。

上記に記載の態様によれば、ファイバレーザモジュールの出力設定の自由度が向上する。

ファイバレーザ加工機の作業性を向上させることが可能である。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工機の概略平面図である。 図１に示すレーザ加工機の概略側面図である。 図１に示すレーザ加工機の右側面側の斜視図である。 レーザ発振器の扉を開いてコンバイナテーブル及び融着テーブルを引き出した状態を示す斜視図である。 外部光学系を模式的に示した模式図である。 本実施形態に基づくファイバレーザ加工機１０の機能ブロックを説明する図である。 ファイバレーザモジュールの個数とレーザ光のＭ²値との関係を説明する図である。 本発明の制御装置２２におけるファイバレーザ発振器２１の制御処理について説明するフロー図である。 同じ出力でレーザモジュールを単独で発振した場合と、複数で発振した場合の集光レンズへの入射ビームの出力分布を示すグラフである。 切断可能な切断溝幅（カーフ幅）と板厚との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。
以下、本発明に係るファイバレーザ加工機の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、ファイバレーザ加工機１０（以下、レーザ加工機と呼ぶ。）は、加工機本体２０と、加工機本体２０に接続されるファイバレーザ発振器２１（以下、レーザ発振器と呼ぶ。）及び制御装置２２と、加工機本体２０に接続して配設されるパレットチェンジャ２３と、空気中の窒素ガスを分離するために使用されるブースターコンプレッサ２４やエアコンプレッサ２５、又は、酸素ガスボンベ２６などを備えるアシストガス供給部２７と、レーザ発振器２１及びレーザ加工ヘッド４０（以下、加工ヘッドと呼ぶ。）を冷却する冷却水を供給するチラーユニット２８、及び加工時に発生する塵埃などを排除する集塵機２９などを主に備える。

なお、本実施形態において、前方とは、加工機本体２０とパレットチェンジャ２３の並び方向（図１〜３のＸ方向）において加工機本体２０寄りの方向を表わし、後方とは、該並び方向において、パレットチェンジャ２３寄りの方向を表わす。また、左方及び右方は、該並び方向に直交する方向（図１、３のＹ方向）において、後方から前方を見たときの方向で表わされる。

加工機本体２０の一部をなし、加工機本体２０の外形を形成するキャビン３０内には、パレット３１を所定の方向であるキャビン３０の長手方向（Ｘ方向）に駆動するパレット駆動機構３２と、パレット３１に搭載されたワークＷを加工するためのレーザ光を照射する加工ヘッド４０と、加工ヘッド４０を駆動する加工ヘッド駆動機構４９と、が収容されている。なお、図１の実線及び図２の点線で示す加工ヘッド４０は、Ｘ方向で最も前方に位置した状態（パレット３１の加工時設置位置）を表わし、図１及び図２の一点鎖線で示す加工ヘッド４０は、Ｘ方向で最も後方に位置した状態を表わしている。

加工ヘッド４０は、加工機本体２０に設けられ、加工ヘッド駆動機構４９によって、Ｘ方向、キャビン３０の幅方向（Ｙ方向）及びキャビン３０の上下方向（Ｚ方向）に移動可能である。図５も参照して、加工ヘッド４０内には、プロセスファイバケーブル３の出射端から出射されたレーザ光を平行光線化するためのコリメータレンズ５１と、平行光線化されたレーザ光を集光するための集光レンズ５２と、が配置されている。

また、加工ヘッド４０の周囲には、チラーユニット２８から供給される冷却管及びアシストガス供給部２７から窒素ガス、或いは酸素ガスのアシストガスを供給するガス供給管や、加工ヘッド４０のレーザノズル近傍に向けて、窒素ガス、或いは酸素ガスのアシストガスを吹き付けるサイドノズルに接続されるガス供給管が設けられている。

加工ヘッド４０は、レーザ発振器２１を作動させると、レーザ光がプロセスファイバケーブル３を介してコリメータレンズ５１で平行光線化され、更に平行光線化されたレーザ光が集光レンズ５２に入射して集光し、レーザノズルからワークＷの加工部に照射されてワークＷを加工する。加工に際して、アシストガス供給部２７から供給されるアシストガスは、レーザノズルやサイドノズルからワークＷの加工部に向けて噴出して、加工時に生じた溶融した金属を吹き飛ばす。

図３に示すように、キャビン３０には、正面３０Ｆに開閉扉であるガルウィング３８が設けられ、正面３０Ｆに対して反対側となる背面３０Ｂには、横長スリット状に形成された搬入出口（不図示）が、パレットチェンジャ２３に対応して設けられている。パレットチェンジャ２３は、搬入出口が設けられたキャビン３０の背面３０Ｂに対向して配置され２台のパレット３１を上下に２段配置することができる。大ロット製品の加工時には、ワークＷを載置するパレット３１をパレットチェンジャ２３によって搬入出口を介して搬入出し、小ロット製品の加工時には、ガルウィング３８からワークＷを搬入出し、ロットの大きさに対応した搬入出作業を行うことができる。なお、符号７５はユーザーを加工条件等を入力する操作盤であり、符号７６はガルウィング３８の開閉を制御するフートスイッチ、符号７０は主としてパレットチェンジャ２３の操作を行う操作盤である。

キャビン３０の右側面３０Ｒには、レーザ発振器２１を収納する凹状の発振器収納部３０ａが略中央部に配置されている。この発振器収納部３０ａに配置されるレーザ発振器２１は、図４に示すように、箱型の筐体８０内に、レーザ光を生成する複数（本実施形態では、４つ）のファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４が縦に積み重ねて収容され、その上方に、各ファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４からの出力ケーブル８２が接続されるコンバイナ８３が収容されている。さらに、コンバイナ８３の上方には、コンバイナ８３とフィーディングファイバケーブル２で接続される融着ボックス８４が収容されている。融着ボックス８４内では、フィーディングファイバケーブル２が導入される側と反対側に、加工ヘッド４０に繋がるプロセスファイバケーブル３が導入され、フィーディングファイバケーブル２とプロセスファイバケーブル３が融着されている。コンバイナ８３及び融着ボックス８４は、それぞれ筐体８０から引き出し可能なコンバイナテーブル８５及び融着テーブル８６上に配置されている。このように、レーザ発振器２１では、複数のファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の出力ケーブル８２がコンバイナ８３で束ねられて、フィーディングファイバケーブル２とプロセスファイバケーブル３でレーザ光が加工ヘッド４０に導かれる。

レーザ発振器２１に隣接して配置される制御装置２２は、ファイバレーザ加工機１０全体を制御する。

＜機能ブロック図＞
図６は、本実施形態に基づくファイバレーザ加工機１０の機能ブロックを説明する図である。

図６に示されるように、ファイバレーザ加工機１０は、主に加工機本体２０と、ファイバレーザ発振器２１と、制御装置２２とを含む。

加工機本体２０は、加工ヘッド４０を含む。
ファイバレーザ発振器２１は、複数のファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４と、複数のファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４にそれぞれ対応して設けられる出力制御部ＬＭＣ１〜ＬＭＣ４と、コンバイナ８３と、融着ボックス８４とを含む。

出力制御部ＬＭＣ１〜ＬＭＣ４は、制御装置２２からの指示に従って対応するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の出力を制御する。

コンバイナ８３は、ファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４で出力された複数のレーザ光を合波しフィーディングファイバケーブル２に出力する。

融着ボックス８４では、フィーディングファイバケーブル２とプロセスファイバケーブル３とが融着されており、合波したレーザ光がプロセスファイバケーブル３を介して加工機本体２０の加工ヘッド４０に導かれる。

制御装置２２は、レーザ発振器制御部４６と、加工機制御部４５とを含む。

加工機制御部４５は、ユーザーからの操作盤７５に対する加工するワークの板厚、材質、速度等の加工条件の入力を受け付けると、当該入力に基づいて加工機本体２０を制御する。また、加工機制御部４５は、当該入力に基づいて、最適なレーザ指令出力等の指令値をレーザ発振器制御部４６に出力する。

レーザ発振器制御部４６は、加工機制御部４５からの指令値に基づいて各ファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の発振を制御することでレーザ発振器２１から生成されるレーザ光の出力を制御するものである。

ここで、本発明の制御装置２２は、従来の制御方法とは異なり、発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の数を制御することができる。また、ファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４間で出力差が生じるように制御することもできる。

図７は、ファイバレーザモジュールの個数とレーザ光のＭ²値との関係を説明する図である。

図７に示されるようにそれぞれのファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４のシングルモードのレーザ光のＭ²値は約１であり、４台のファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４のマルチモードのレーザ光のＭ²値は約５である。４台のファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４のうち２台又は３台を発振させた場合のマルチモードのレーザ光のＭ²値は約１〜約５の間の値となる。

例えば、５００ＷのファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４を４台搭載した２０００Ｗのレーザ発振器の場合を例に本発明の制御方法と従来の制御方法の違いについて説明する。

従来の制御方法であれば、合計のレーザ指令出力が１２０Ｗ，６００Ｗ，１２００Ｗ，１８００Ｗの場合、表１に示すように、全てのファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４で同じ出力となるように、それぞれを３０Ｗ，１５０Ｗ，３００Ｗ，４５０Ｗのレーザ指令出力としていた。言い換えると、全てのファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４を発振させたマルチモードでしか作動できず、レーザ光のＭ²値は約５で一定値であった。

これに対し、本発明の制御方法は、例えば、合計のレーザ指令出力が所定の出力以下では、発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の数を制限することができる。例えば、表２に示すように、合計のレーザ指令出力が５０Ｗ〜５００Ｗの場合、発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の数を１つ、例えばファイバレーザモジュールＬＭ１のみを発振させる。合計のレーザ指令出力が５００Ｗ〜１０００Ｗの場合、発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の数を２つ、例えばファイバレーザモジュールＬＭ１、ＬＭ２のみを発振させる。合計のレーザ指令出力が１０００Ｗ〜１５００Ｗの場合、発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の数を３つ、例えばファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ３のみを発振させる。合計のレーザ指令出力が１５００〜２０００Ｗの場合、発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の数を４つ、即ち、全部のファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４を発振させる。このように、本発明の制御方法では、シングルモードでの作動とマルチモードでの作動が可能であり、さらにマルチモードでの作動においても発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の数を制御することができる。

なお、表２中、Ｙは発振を意味し、Ｎは停止を意味している。
表３は、本発明の制御方法における、合計のレーザ指令出力が１２０Ｗ，６００Ｗ，１２００Ｗ，１８００Ｗの場合の出力設定の一例を示すものである。

なお、表３中、Ｎは停止を意味している。
表３に示すレーザ指令出力は一例であり、発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４を変えてもよく、発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４間で出力を同じにしてもよく、また表３とは異なる数値になるように出力を振り分けてもよい。このように、発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４間で出力を異ならせることができるので、出力設定の自由度が向上する。

本発明の制御方法では、発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の数を変えることで、Ｍ²値と呼ばれるビーム品質を変えることができ、それゆえスポット径ωを変えることができる。即ち、ファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４のうち一台のみを発振させることでレーザ光のＭ²値は約１となり、４台のファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４を発振させることでレーザ光のＭ²値は約５となり、４台のファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４のうち２台又は３台を発振させることで、レーザ光のＭ²値は約１〜約５の間の値となる。従来の制御方法では、Ｍ²値は常に一定値であるためスポット径ωを変えるためには集光レンズを換える必要があったが、本発明の制御方法では、Ｍ²値を変えることでスポット径ωを変えることができるので、スポット径ωを変えるために集光レンズを換える作業を省略することができる。また、合計のレーザ指令出力が所定の出力以下で、発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の数を制限することで、各ファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の出力が小さいことにより出力が不安定となるのを回避することができ、安定した加工を実現できる。

＜フロー図＞
上記処理を実現するフロー図について説明する。

図８は、本発明の制御装置２２におけるファイバレーザ発振器２１の制御処理について説明するフロー図である。当該処理は、主に加工機制御部４５において実行される。

図８を参照して、加工条件を取得する（ステップＳ１）。具体的には、加工機制御部４５は、操作盤７５に対する加工条件の入力を受け付けて当該加工条件情報を取得する。

次に、加工機制御部４５は、取得した加工条件情報に基づいてファイバレーザ発振器２１におけるレーザ指令出力Ｐを算出する（ステップＳ２）。

当該レーザ指令出力Ｐは、加工するワークの板厚、材質、速度等の加工条件等に従って所定の演算式に基づいて算出することが可能である。

そして、加工機制御部４５は、レーザ指令出力Ｐが５００以下であるか否かを判断する（ステップＳ３）。

ステップＳ３において、加工機制御部４５は、レーザ指令出力Ｐが５００以下であると判断した場合（ステップＳ３においてＹＥＳ）には、ファイバレーザモジュールＬＭ１に対してレーザ光を発振出力するように指令出力する（ステップＳ４）。

そして、加工機制御部４５は、ファイバレーザモジュールＬＭ１の出力指令値を算出して出力する（ステップＳ５）。

そして、処理を終了する（終了）。
ステップＳ３において、加工機制御部４５は、レーザ指令出力Ｐが５００以下でないと判断した場合（ステップＳ３においてＮＯ）には、レーザ指令出力Ｐが１０００以下であるか否かを判断する（ステップＳ６）。

ステップＳ６において、加工機制御部４５は、レーザ指令出力Ｐが１０００以下であると判断した場合（ステップＳ６においてＹＥＳ）には、ファイバレーザモジュールＬＭ１，ＬＭ２に対してレーザ光を発振出力するように指令出力する（ステップＳ７）。

そして、加工機制御部４５は、ファイバレーザモジュールＬＭ１，ＬＭ２の出力指令値を算出して出力する（ステップＳ８）。

そして、処理を終了する（終了）。
ステップＳ６において、加工機制御部４５は、レーザ指令出力Ｐが１０００以下でないと判断した場合（ステップＳ６においてＮＯ）には、レーザ指令出力Ｐが１５００以下であるか否かを判断する（ステップＳ９）。

ステップＳ９において、加工機制御部４５は、レーザ指令出力Ｐが１５００以下であると判断した場合（ステップＳ９においてＹＥＳ）には、ファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ３に対してレーザ光を発振出力するように指令出力する（ステップＳ１０）。

そして、加工機制御部４５は、ファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ３の出力指令値を算出して出力する（ステップＳ１１）。

そして、処理を終了する（終了）。
ステップＳ９において、加工機制御部４５は、レーザ指令出力Ｐが１５００以下でないと判断した場合（ステップＳ９においてＮＯ）には、レーザ指令出力Ｐが２０００以下であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２において、加工機制御部４５は、レーザ指令出力Ｐが２０００以下であると判断した場合（ステップＳ１２においてＹＥＳ）には、ファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４に対してレーザ光を発振出力するように指令出力する（ステップＳ１３）。

そして、加工機制御部４５は、ファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の出力指令値を算出して出力する（ステップＳ１４）。

そして、処理を終了する（終了）。
一方、ステップＳ１２において、加工機制御部４５は、レーザ指令出力Ｐが２０００以下でないと判断した場合（ステップＳ１２においてＮＯ）には、出力制限値を超えるため処理を終了する（終了）。

当該処理により、例えば、合計のレーザ指令出力が所定の出力以下では、発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の数を制限することが可能である。

図９は、同じ出力でレーザモジュールを単独で発振した場合と、複数で発振した場合の集光レンズへの入射ビームの出力分布を示すグラフである。

図９に示すように、レーザモジュールを単独で発振した場合にはビームはシングルモードになり、レーザモジュールを複数で発振した場合にはビームはマルチモードになることが分かる。

この性質を利用して、切断速度を早くしたい場合には発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の数を減らすことで同一出力であってもスポット径を小さくすることでパワー密度を上げることができ、切断速度の高速化を実現できるとともに高精度な加工を行うことができる。従って、加工するワークの加工形状、例えば鋭角部分、曲線部分、直線部分等に応じて最適なＭ²値を選択することで最適な加工を行うことができる。また、図７で説明したように加工するワークＷの板厚が薄い場合には最大切断速度が得られる切断溝幅は狭くなるので、発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の数を減らしてスポット径ωを小さくすることで、従来に比べて、高精度な加工が可能になる。

さらに、例えばケガキ加工（材料の表面に彫りこみをする）の場合、小出力で加工する必要がある。従来の制御方法のようにマルチモードで作動する場合、小出力で発振が安定せず高精度で加工することが難しいが、本発明の制御方法ではシングルモードで作動させることができるので小出力でも一つのレーザモジュールの出力はそれほど小さくないので、安定した加工を実現できる。

以下、本発明の効果について実施例と比較例を挙げて説明する。
本発明の２ｋＷのレーザ加工機（実施例）と従来の２ｋＷのレーザ加工機（比較例）で板厚１２ｍｍの軟鋼と、板厚１．６ｍｍの軟鋼をレーザ切断する場合におけるそれぞれの設定について以下に示す。

（実施例）
（ａ）軟鋼 板厚１２ｍｍ
レーザの波長：λ＝１．０６μｍ
ビーム品質：Ｍ²＝５
集光レンズの焦点距離：ｆ＝２００ｍｍ
入射ビーム径：Ｄ＝１５ｍｍ
スポット径：ω＝９０μｍ
出力：Ｐ＝２０００Ｗ
パワー密度：ＰＤ＝（２０００×４）／（９０×９０×π）＝０．３１４Ｗ／μm²
切断速度：Ｆ＝９００ｍｍ／ｍｉｎ
（ｂ）軟鋼 板厚１．６ｍｍ
レーザの波長：λ＝１．０６μｍ
ビーム品質：Ｍ²＝１．１
集光レンズの焦点距離：ｆ＝２００ｍｍ
入射ビーム径：Ｄ＝１５ｍｍ
スポット径：ω＝１９．７μｍ
出力：Ｐ＝５００Ｗ
パワー密度：ＰＤ＝（５００×４）／（１９．７×１９．７×π）＝１．６４Ｗ／μm²
切断速度：Ｆ＝８０００ｍｍ／ｍｉｎ

（比較例）
（ａ）軟鋼 板厚１２ｍｍ
レーザの波長：λ＝１．０６μｍ
ビーム品質：Ｍ²＝５
集光レンズの焦点距離：ｆ＝２００ｍｍ
入射ビーム径：Ｄ＝１５ｍｍ
スポット径：ω＝９０μｍ
出力：Ｐ＝２０００Ｗ
パワー密度：ＰＤ＝（２０００×４）／（９０×９０×π）＝０．３１４Ｗ／μm²
切断速度：Ｆ＝９００ｍｍ／ｍｉｎ
（ｂ）軟鋼 板厚１．６ｍｍ
レーザの波長：λ＝１．０６μｍ
ビーム品質：Ｍ²＝５
集光レンズの焦点距離：ｆ＝１２５ｍｍ
入射ビーム径：Ｄ＝１５ｍｍ
スポット径：ω＝５６μｍ
出力：Ｐ＝２０００Ｗ
パワー密度：ＰＤ＝（２０００×４）／（５６×５６×π）＝０．８１２Ｗ／μm²
切断速度：Ｆ＝４０００ｍｍ／ｍｉｎ

従来の２ｋＷのレーザ加工機を用いた比較例の設定では、集光レンズの焦点距離を変更して、薄板切断（１．６ｍｍ）と厚板切断（１２ｍｍ）を切り替えていた。これに対し、本発明の２ｋＷのレーザ加工機を用いた実施例の設定では、集光レンズの焦点距離を固定（ここでは、ｆ＝２００ｍｍ）し、厚板切断（１２ｍｍ）時には従来と同様に５００Ｗ×４＝２０００Ｗで切断を行うが、薄板切断（１．６ｍｍ）時には５００Ｗの単体モジュールで切断を行う。

これにより、薄板切断（１．６ｍｍ）時には、単体モジュールを使用するためビーム品質が良く、出力が５００Ｗと従来よりも低いにもかかわらず、パワー密度ＰＤが高くなり、結果として切断速度Ｆが速くなっている。従って、同じ板厚１．６ｍｍのワークを切断する場合、出力Ｐが２０００Ｗから５００Ｗと１／４の低出力となり、発振器の消費電力も１／４となる。また、切断速度Ｆも４０００ｍｍ／ｍｉｎから８０００ｍｍ／ｍｉｎと２倍の速度で切断することが可能であり、切削時間は従来の１／２となる。従って、発振器の低出力の結果と合わせるとランニングコストは、従来の１／８となる。

以上説明したように、本発明の制御方法によれば、発振するファイバレーザモジュールＬＭ１〜ＬＭ４の数を制御することにより、Ｍ²値と呼ばれるビーム品質を変えることができ、それゆえスポット径ωを変えることができる。それにより、従来必要であった集光レンズの交換回数を減らす、又は交換をなくすことができ、作業性を向上させることができる。また、発振器の低出力化、切断速度の高速化による切削時間の短縮、ランニングコストの低減が可能となる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

例えば、レーザ発振器２１に含まれるファイバレーザモジュールの数は、４つに限定されるものではなく、少なくとも２以上であればよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

２ フィーディングファイバケーブル、３ プロセスファイバケーブル、１０ ファイバレーザ加工機、２０ 加工機本体、２１ ファイバレーザ発振器、２２ 制御装置、２３ パレットチェンジャ、２４ ブースターコンプレッサ、２５ エアコンプレッサ、２６ 酸素ガスボンベ、２７ アシストガス供給部、２８ チラーユニット、２９ 集塵機、３０ キャビン、３０Ｂ 背面、３０Ｆ 正面、３０Ｒ 右側面、３０ａ 発振器収納部、３１ パレット、３２ パレット駆動機構、３８ ガルウィング、４０ レーザ加工ヘッド、４５ 加工機制御部、４６ レーザ発振器制御部、４９ 加工ヘッド駆動機構、５１ コリメータレンズ、５２ 集光レンズ、７０，７５ 操作盤、７６ フートスイッチ、８０ 筺体、８２ 出力ケーブル、８３ コンバイナ、８４ 融着ボックス、８５ コンバイナテーブル、８６ 融着テーブル。

Claims (10)

1. 各々がレーザ光を生成する複数のファイバレーザモジュールを有するファイバレーザ発振器と、前記ファイバレーザ発振器から生成されるレーザ光を出射するレーザ加工ヘッドと、ワークと前記レーザ加工ヘッドとの間に設けられ、前記レーザ加工ヘッドからのレーザ光に従うスポット径により前記ワークに対して照射する所定の焦点距離の集光レンズと、を備えたファイバレーザ加工機の出力制御方法であって、
   前記ワークに応じたスポット径となるように前記複数のファイバレーザモジュールの発振個数を調整することにより前記レーザ加工ヘッドからのビーム品質を調整する、ファイバレーザ加工機の出力制御方法。
2. 所定の板厚を有するワークを切断する際に発振する前記ファイバレーザモジュールの数に対し、前記所定の板厚より薄い板厚を有するワークを切断する際に発振する前記ファイバレーザモジュールの数を少なくする、請求項１に記載のファイバレーザ加工機の出力制御方法。
3. 所定の速度で切断する際に発振する前記ファイバレーザモジュールの数に対し、前記所定の速度よりも早い速度で切断する際に発振する前記ファイバレーザモジュールの数を少なくする、請求項１に記載のファイバレーザ加工機の出力制御方法。
4. 合計のレーザ指令出力が所定の出力以下では、発振する前記ファイバレーザモジュールの数を制限する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のファイバレーザ加工機の出力制御方法。
5. 前記複数のファイバレーザモジュールの出力をそれぞれ異ならせる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のファイバレーザ加工機の出力制御方法。
6. 各々がレーザ光を生成する複数のファイバレーザモジュールを有するファイバレーザ発振器と、
   前記ファイバレーザ発振器から生成されるレーザ光を出射するレーザ加工ヘッドと、
   ワークと前記レーザ加工ヘッドとの間に設けられ、前記レーザ加工ヘッドからのレーザ光に従うスポット径により前記ワークに対して照射する所定の焦点距離の集光レンズと、
   前記複数のファイバレーザモジュールの発振個数に応じて前記レーザ加工ヘッドからのビーム品質を調整することが可能な制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記ワークに応じたスポット径となるように前記複数のファイバレーザモジュールの発振個数を調整する、ファイバレーザ加工機。
7. 前記制御装置は、所定の板厚を有するワークを切断する際に発振する前記ファイバレーザモジュールの数に対し、前記所定の板厚より薄い板厚を有するワークを切断する際に発振する前記ファイバレーザモジュールの数を少なくする、請求項６に記載のファイバレーザ加工機。
8. 前記制御装置は、所定の速度で切断する際に発振する前記ファイバレーザモジュールの数に対し、前記所定の速度よりも早い速度で切断する際に発振する前記ファイバレーザモジュールの数を少なくする、請求項６に記載のファイバレーザ加工機。
9. 前記制御装置は、合計のレーザ指令出力が所定の出力以下では、発振する前記ファイバレーザモジュールの数を制限する、請求項６〜８のいずれか１項に記載のファイバレーザ加工機。
10. 前記制御装置は、前記複数のファイバレーザモジュールの出力をそれぞれ異ならせるように制御する、請求項６〜９のいずれか１項に記載のファイバレーザ加工機。
    

Images