JP5943812B2 - レーザ切断装置及びレーザ切断方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ切断装置及びレーザ切断方法に関するものである。

レーザ切断装置は、レーザ発振器から光ファイバーを介して切断ヘッドにレーザ光を送り、切断ヘッドのレンズがレーザ光を集光してレーザ光のエネルギー密度を高めることによって、被加工物を切断する。ここで、被加工物は、金属又は合金等である。レーザ発振器には、例えば光ファイバー自身を媒質として利用するファイバーレーザ発振器がある。
特許文献１では、レーザ切断方法および装置の発明であって、共振器ミラーの機械的な相対変位の調整（アライメント調整）を廃し、シャープな立ち上がりのレーザ強度分布を実現する技術が開示されている。

特開２００３−１５４４７７号公報

レーザ切断装置によって、例えば約10mm〜50mmの厚板を切断した場合、薄板の切断の場合と異なり、図１０の（４）に示すように、切断面が粗く形成されることがある。または、粗く形成された切断面が薄板に比べて顕著化する。特に、図８に示すように、切断ヘッドは軸線周りに回転させず一定に保ったまま、被加工物の切断方向（図中の（１）方向乃至（４）方向）を変化させた場合に、細かい切断面と粗い切断面が得られることがあり、切断方向によって得られる切断面の品質が異なるという問題がある。図８では、一つの板状部材を切断し、内側部材６１と外側部材６２に分割する例を示している。図１０の（１）乃至（４）の切断面は、図８の内側部材６１の切断面を示しており、それぞれ図８中の（１）方向乃至（４）方向に対応している。

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、切断方向に関わらず、得られる切断面の粗さを均質化することが可能なレーザ切断装置及びレーザ切断方法を提供することを目的とする。

切断ヘッドは軸線周りに回転させず一定に保ったまま、被加工物の切断方向を変化させた場合に、切断方向によって得られる切断面の品質が異なる原因を追求したところ、本願の発明者は、以下のような知見が得られた。すなわち、レーザ発振器から発振されたレーザ光の加工点におけるエネルギー強度分布を測定したところ、図９に示すように、加工点における強度のピークが一方に偏っていることが分かった。そして、強度のピークは、レーザ発振器から発振されるレーザ光の個体差、切断ヘッドの製作・組立誤差によるものであるとの知見が得られた。

本発明に係るレーザ切断装置は、レーザ光を照射して被加工物を切断するレーザ切断装置であって、前記レーザ光を伝達する光ファイバーが固定されたレーザ入射部と、前記レーザ入射部で固定された前記光ファイバーから照射された前記レーザ光が通過するレンズとを備え、前記レーザ入射部は、前記レンズに対して前記光ファイバーを移動又は傾斜させる移動部と、移動又は傾斜した前記光ファイバーを前記レンズに対して固定する固定部とを有し、前記レンズから照射され、加工点において測定された前記レーザ光のエネルギー強度分布に基づいて、前記移動部が前記レンズに対して前記光ファイバーを移動又は傾斜させることによって、前記加工点を含む前記レーザ光の入射軸に対して垂直な面において、前記レーザ光のエネルギー強度が高い領域と低い領域とが偏在せず、前記エネルギー強度のピーク部分が、前記垂直な面において等しくなりリング状に形成されるように、前記光ファイバーと前記レンズの位置関係が調整されている。

この構成によれば、光ファイバーからレンズへレーザ光が照射され、レーザ光がレンズを通過する。レンズを通過したレーザ光は集光して、エネルギー密度を利用して被加工物を切断する。レーザ入射部とレンズの位置関係又は互いになす角度が調整されることによって、被加工物を切断する位置でのレーザ光のエネルギー強度分布が変更される。そして、固定部によって光ファイバーの位置や角度がレンズに対して固定されることによって、変更されたエネルギー強度分布を維持したまま、被加工物を切断できる。
レーザ光の被加工物への入射軸に対して垂直方向を含む面をＸ−Ｙ面としたとき、Ｘ−Ｙ面内でのエネルギー強度分布がほぼ均等になるように調整することによって、発振器から発振されるレーザ光の個体差や切断ヘッドの製作・組立誤差が解消される。その結果、レーザ光の強度が低い部分が被加工物と接触しなくなるため、切断面が酸化等によって粗く形成されることを防止できる。

上記発明において、前記レンズから照射された前記レーザ光のエネルギー強度分布を前記加工点において測定する強度分布測定部を更に備え、前記移動部は、測定された前記エネルギー強度分布に基づいて、前記加工点を含む前記レーザ光の入射軸に対して垂直な面において、前記レーザ光のエネルギー強度が高い領域と低い領域とが偏在せず、前記エネルギー強度のピーク部分が、前記垂直な面において等しくなりリング状に形成されるように、前記光ファイバーを移動又は傾斜させてもよい。

この構成によれば、レーザ光のエネルギー強度分布を測定しながら、レーザ入射部とレンズの位置関係又は互いになす角度が調整されることから、より適切な位置又は角度で光ファイバーをレンズに対して固定できる。

また、本発明に係るレーザ切断方法は、レーザ光を伝達する光ファイバーが固定されたレーザ入射部と、前記レーザ入射部で固定された前記光ファイバーから照射された前記レーザ光が通過するレンズとを備えるレーザ切断装置を用いて、前記レーザ光を照射して被加工物を切断するレーザ切断方法であって、前記レンズから照射され、加工点において測定された前記レーザ光のエネルギー強度分布に基づいて、前記加工点を含む前記レーザ光の入射軸に対して垂直な面において、前記レーザ光のエネルギー強度が高い領域と低い領域とが偏在せず、前記エネルギー強度のピーク部分が、前記垂直な面において等しくなりリング状に形成されるように、前記レンズに対して前記レーザ入射部で固定された前記光ファイバーを移動又は傾斜させるステップと、移動又は傾斜した前記光ファイバーを前記レンズに対して固定するステップとを含む。

本発明によれば、レーザ入射部とレンズの位置関係又は互いになす角度が調整されることによって、被加工物を切断する位置でのレーザ光のエネルギー強度分布を変更できることから、切断方向に関わらず、得られる切断面の粗さを均質化することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ切断装置を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ切断装置の切断ヘッドを示す縦断面図である。 レーザ光のエネルギー強度分布を示す図である。 レーザ光のエネルギー強度分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ切断装置及びビームモード計測器を示す概略構成図である。 レーザ光のエネルギー強度分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ切断装置によって切断された被加工物の切断面を示す写真である。 被加工物及び被加工物における切断方向を示す平面図である。 図８に対してレーザ光のエネルギー強度分布を合わせて示した図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ切断装置によって切断された被加工物の切断面を示す写真である。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
まず、本発明の一実施形態に係るレーザ切断装置１について説明する。レーザ切断装置１は、図１に示すように、レーザ発振器２と、光ファイバー３と、切断ヘッド４と、加工ステージ５などを備える。

レーザ切断装置１は、レーザ発振器２から光ファイバー３を介して切断ヘッド４にレーザ光を送り、切断ヘッド４のレンズがレーザ光を集光して、レーザ光のエネルギー密度を高めることによって、被加工物２０を切断する。ここで、被加工物２０は、金属又は合金等である。本実施形態のレーザ切断装置１は、厚さ約10mm〜50mmの板状部材の切断に適している。

レーザ発振器２は、例えば光ファイバー自身を媒質として利用するファイバーレーザ発振器である。ファイバーレーザ発振器の場合、1070nm〜1080nmの波長のレーザ光が得られる。レーザ発振器２で生成されたレーザ光は、光ファイバー３に伝達される。なお、本発明はファイバーレーザに限定されず、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ等にも適用可能である。

光ファイバー３は、一端がレーザ発振器２と接続され、他端が切断ヘッド４と接続される。光ファイバー３は、レーザ発振器２から切断ヘッド４へレーザ光を伝達する。

切断ヘッド４は、図２に示すように、移動部６及び支持部８を有するレーザ入射部と、光学系７などを備える。レーザ入射部の移動部６は、光ファイバー３の端部と接続され、光ファイバー３によって伝達されたレーザ光を光学系７へ照射する。光学系７は、集光レンズなど１又は複数のレンズから構成され、光ファイバー３から照射されたレーザ光を集光する。これにより、被加工物２０を切断できる高いエネルギー密度を得ることができる。

加工ステージ５は、図１に示すように、レーザ光の入射軸に対して垂直な平面（Ｘ−Ｙ面）の面内を移動する。加工ステージ５には、被加工物２０が載置される。これにより、被加工物２０は、切断ヘッド４に対してＸ−Ｙ面内で移動可能である。なお、本実施形態では、切断ヘッド４が固定されている場合について説明するが、本発明はこの例に限定されない。例えば、被加工物２０が１箇所に固定しており、切断ヘッド４が移動して被加工物２０を切断する場合についても本発明を適用できる。

以上、本実施形態のレーザ切断装置１によれば、レーザ発振器２がレーザ光を生成し、生成されたレーザ光が光ファイバー３を通過して、切断ヘッド４から被加工物２０に向けてレーザ光が照射される。被加工物２０の切断時、被加工物２０が載置された加工ステージ５がＸ−Ｙ面内で移動することによって、被加工物２０が直線状又は曲線状に切断される。

次に、図２を参照して、本実施形態に係るレーザ切断装置１の切断ヘッド４に設けられたレーザ入射部について説明する。
光学系７を収容する支持部８の光ファイバー３側には、移動部６が設置される。移動部６は、光ファイバー３を保持する。移動部６は、レーザ光の入射軸に対して垂直な平面（Ｘ−Ｙ面）の面内を移動可能である。これにより、移動部６は、支持部８に固定された光学系７に対してＸ−Ｙ面内で移動する。その結果、移動部６に保持された光ファイバー３と支持部８に固定された光学系７の位置関係が調整されることによって、被加工物２０を切断する位置（加工点）でのレーザ光のエネルギー強度分布を変更することができる。

具体的には、レーザ光のエネルギー強度分布が加工点のＸ−Ｙ面内でほぼ均等になるように、移動部６の位置をＸ−Ｙ面内で変更する。例えば、図３及び図４に示すように、エネルギー強度が高い領域とエネルギー強度が低い領域とが偏在している場合、エネルギー強度が低い領域の方へ移動部６を移動することによって、エネルギー強度分布が均等化する。なお、光学系７のレンズの種類や配置によっては、反対に、エネルギー強度が高い領域の方へ移動部６を移動することによって、エネルギー強度分布が均等化する場合もあり得る。

支持部８は、図２に示すように、円筒形状部分の内部で光学系７を保持する。支持部８の上面と移動部６の下面は、Ｘ−Ｙ面内において互いに平行に設けられる。
移動部６と支持部８は、相対位置が調整された後、すなわち、相対位置の変更が完了した後、例えば固定ネジ（図示せず。）を締め付けることによって互いに固定される。なお、固定ネジは、移動調整された光ファイバー３を光学系７に対して固定する固定部の一例である。これにより、移動部６と支持部８の相対位置が固定された状態で、光ファイバー３からレーザ光が加工点に向けて照射される。

移動部６の支持部８に対する位置の変更は、加工点におけるレーザ光のエネルギー強度分布を測定しながら行われる。なお、移動部６又は支持部８には、移動部６を支持部８に対してＸ−Ｙ面内で相対移動させる機構を有する移動調整部（図示せず。）が設けられる。

次に、加工点におけるレーザ光のエネルギー強度分布について説明する。
加工点におけるレーザ光のエネルギー強度分布は、図５に示すように、ビームモード計測器（ビームプロファイラ）２１によって測定される。ビームモード計測器２１は、移動部６の位置調整時において、レーザ光の光軸上に設置される。
エネルギー強度分布は、加工点又は加工点近傍におけるレーザ光のエネルギー強度の分布を表す。図６に示すように、強度のピーク部分がＸ−Ｙ面内において、ほぼ等しくなるように、すなわちリング状に調整されることが好ましい。例えば、移動部６に固定された光ファイバー３の軸線と光学系７の軸線を揃えて配置すると、強度分布は偏向し、図３及び図４に示すように、ピーク部分が１部分にのみ形成されるおそれがある。この場合、図８に示すように、被加工物を４方向に切断すると、面が極端に粗くなる切断面が発生する。これは、エネルギー強度が弱いレーザ光で切断を行うと、切断部分における酸化バランスが崩れるためであると考えられる。

そこで、移動部６を支持部８に対して相対移動することによって、移動部６に固定された光ファイバー３と支持部８に固定された光学系７の位置関係を変更することによって、加工点におけるＸ−Ｙ面内でエネルギー強度分布がほぼ等しくなるように調整する。図６に示すように、強度のピーク部分がＸ−Ｙ面内において、ほぼ等しくなり、リング状に形成されると、リング状のピーク部分よりも内部は、安定したエネルギー強度分布となる。このように調整された切断ヘッド４を用いて、被加工物２０を切断すると、図７に示すように、いずれの切断方向で切断しても切断面が細かくなる。図７の切断面は、図８に示すように、切断ヘッド４は軸線周りに回転させず一定に保ったまま、被加工物２０の切断方向（図中の（１）方向乃至（４）方向）を変化させた場合に得られる結果である。これは、被加工物２０と接触するレーザ光の面がいずれもエネルギー強度が強いため、酸化バランスが崩れにくいためと考えられる。

移動部６と支持部８の位置関係の調整は、製造時、すなわち出荷前に一度行えばよい。図３と図４は、レーザ発振器２、光ファイバー３や切断ヘッド４を変更した場合にエネルギー強度分布が偏向することを示している。従って、エネルギー強度分布の偏りは、レーザ発振器２から発振されるレーザ光の個体差、光ファイバー３の接続部分、切断ヘッド４の製作・組立誤差によるものであると考えられる。すなわち、レーザ発振器２の置き換えや、光ファイバー３の接続変更を行わない限り、通常、エネルギー強度分布は変わらないため、移動部６と支持部８の位置関係の調整は、製造時、すなわち出荷前に一度行えばよい。
なお、レーザ発振器２の設置替えをするようなレーザ切断装置１では、段換えのたびに、移動部６及びビームモード計測器２１を用いて、移動部６と支持部８の位置関係を調整してもよい。

また、上記実施形態では、移動部６と支持部８のＸ−Ｙ面内における相対位置関係を調整することによって、レーザ光のエネルギー強度分布を変更する場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、光学系７の軸線に対して光ファイバー３から照射されるレーザ光の光軸方向を傾けることによって、レーザ光のエネルギー強度分布を変更させてもよい。この場合、移動部６又は支持部８には、移動部６を支持部８に対してＸ−Ｙ面内で相対移動させる機構ではなく、移動部６を支持部８に対して傾斜させる機構を有する移動調整部が設けられる。

１ レーザ切断装置
２ レーザ発振器
３ 光ファイバー
４ 切断ヘッド
５ 加工ステージ
６ 移動部
７ 光学系（レンズ）
８ 支持部
２０ 被加工物
２１ ビームモード計測器（強度分布測定部）

Claims (3)

1. レーザ光を照射して被加工物を切断するレーザ切断装置であって、
   前記レーザ光を伝達する光ファイバーが固定されたレーザ入射部と、
   前記レーザ入射部で固定された前記光ファイバーから照射された前記レーザ光が通過するレンズと、
   を備え、
   前記レーザ入射部は、前記レンズに対して前記光ファイバーを移動又は傾斜させる移動部と、移動又は傾斜した前記光ファイバーを前記レンズに対して固定する固定部と、を有し、
   前記レンズから照射され、加工点において測定された前記レーザ光のエネルギー強度分布に基づいて、前記移動部が前記レンズに対して前記光ファイバーを移動又は傾斜させることによって、前記加工点を含む前記レーザ光の入射軸に対して垂直な面において、前記レーザ光のエネルギー強度が高い領域と低い領域とが偏在せず、前記エネルギー強度のピーク部分が、前記垂直な面において等しくなりリング状に形成されるように、前記光ファイバーと前記レンズの位置関係が調整されているレーザ切断装置。
2. 前記レンズから照射された前記レーザ光のエネルギー強度分布を前記加工点において測定する強度分布測定部を更に備え、
   前記移動部は、測定された前記エネルギー強度分布に基づいて、前記加工点を含む前記レーザ光の入射軸に対して垂直な面において、前記レーザ光のエネルギー強度が高い領域と低い領域とが偏在せず、前記エネルギー強度のピーク部分が、前記垂直な面において等しくなりリング状に形成されるように、前記光ファイバーを移動又は傾斜させる請求項１に記載のレーザ切断装置。
3. レーザ光を伝達する光ファイバーが固定されたレーザ入射部と、前記レーザ入射部で固定された前記光ファイバーから照射された前記レーザ光が通過するレンズとを備えるレーザ切断装置を用いて、前記レーザ光を照射して被加工物を切断するレーザ切断方法であって、
   前記レンズから照射され、加工点において測定された前記レーザ光のエネルギー強度分布に基づいて、前記加工点を含む前記レーザ光の入射軸に対して垂直な面において、前記レーザ光のエネルギー強度が高い領域と低い領域とが偏在せず、前記エネルギー強度のピーク部分が、前記垂直な面において等しくなりリング状に形成されるように、前記レンズに対して前記レーザ入射部で固定された前記光ファイバーを移動又は傾斜させるステップと、
   移動又は傾斜した前記光ファイバーを前記レンズに対して固定するステップと、
   を含むレーザ切断方法。