JP6764976B1 - レーザ加工機およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工条件に応じてレーザビームのビームプロファイルを変化させて加工対象の板金に合焦させることができるレーザ加工機を提供する。【解決手段】レーザ加工機は、ファイバレーザ発振器から射出するレーザビームのビームプロファイルを変更可能な光学デバイスであるカプラ２０と、内周側に第１焦点距離を有する第１レンズ領域が設けられ、外周側に前記第１焦点距離と異なる第２焦点距離を有する第２レンズ領域が設けられ、カプラ２０から射出されたレーザビームを合焦させる集束レンズ３２と、集束レンズ３２を光軸方向に移動させるための移動機構４３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザビームによって板金を溶接加工するレーザ加工機およびレーザ加工方法に関する。

レーザ発振器より射出されたレーザビームによって板金を溶接するレーザ加工機が普及している。レーザ発振器としては、ファイバレーザ発振器がよく用いられる。

レーザ加工機は、板金に照射されるレーザビームのビームプロファイルを板金の溶接条件、例えば溶接対象の板金の隙間の大きさに応じて適切に設定する必要がある。特許文献１には、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金を加工することができるレーザ加工機が記載されている。このレーザ加工機は、プロセスファイバに入射されるレーザビームの入射角度を変化させることによってビームプロファイルを変化させる。

特表２０１５−５００５７１号公報 米国特許第９４８２８２１（Ｂ２）号明細書 特許第５８３２４１２号公報 国際公開第２０１８/２１７２８４号

板金の溶接処理において、対象の板金間に隙間（ギャップ）がある際には、隙間の両脇の板金を溶かすために比較的ビーム径が大きくエネルギー強度が高いリング型のレーザビームを照射することがある（以後ギャップ溶接という）。しかし、上述した特許文献１に記載のレーザ加工機で照射されるレーザビームはビーム径が比較的小さく、加工対象の隙間の両脇にレーザビームが照射されない場合がある。また、ビーム径を大きくするために板金の位置をレーザ加工機から遠ざけるように、合焦位置（フォーカス位置）を板上面からずらす所謂デフォーカスさせることがあるが、当該加工対象箇所におけるレーザビームの強度が低くなり良好なギャップ溶接が実施できない場合がある。

本発明は、加工条件に応じてレーザビームのビームプロファイルを変化させて加工対象の板金に合焦させることができるレーザ加工機およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、ファイバレーザ発振器から射出するレーザビームのビームプロファイルを変更可能な光学デバイスと、内周側に第１焦点距離を有する第１レンズ領域が設けられ、外周側に前記第１焦点距離よりも長い第２焦点距離を有する第２レンズ領域が設けられた、前記光学デバイスから射出されたレーザビームを合焦させる集束レンズと、前記集束レンズを光軸方向に移動させる移動機構とを備えるレーザ加工機を提供する。

また、本発明は、上記のレーザ加工機の光学デバイスにより、前記集束レンズの第１レンズ領域および第２レンズ領域にレーザビームが入射されると、前記集束レンズと加工対象物との距離が前記第１焦点距離と前記第２焦点距離との間になるように前記集束レンズを前記移動機構により光軸方向に移動させるレーザ加工方法を提供する。

また、本発明は、上記のレーザ加工機の光学デバイスにより、前記光学デバイスにより、リング型のレーザビームが前記集束レンズの第２レンズ領域に入射されると、前記集束レンズと加工対象物との距離が、前記第２焦点距離になるように前記集束レンズを前記移動機構により光軸方向に移動させるレーザ加工方法を提供する。

本発明のレーザ加工機およびレーザ加工方法によれば、加工条件に応じてレーザビームのビームプロファイルを変化させて加工対象の板金に合焦させることにより、様々な加工条件に対応した溶接ができる。

第１実施形態のレーザ加工機の構成を示す全体図である。 第１実施形態のレーザ加工機で用いる集束レンズの構成を示す概略図である。 第１〜第４実施形態のレーザ加工機で照射されるレーザビームの位置ごとのエネルギー強度を示す図である。 第２実施形態のレーザ加工機の構成を示す全体図である。 第２実施形態のレーザ加工機で用いるプロセスファイバの構成と、光学デバイスから当該プロセスファイバに射出するレーザビームを示す図である。 第３実施形態のレーザ加工機の構成を示す全体図である。 第４実施形態のレーザ加工機の構成を示す全体図である。

以下、第１〜第４実施形態のレーザ加工機について、添付図面を参照して説明する。第１〜第４実施形態のレーザ加工機において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その説明を省略することがある。

＜第１実施形態＞
以下、第１実施形態のレーザ加工機について、添付図面を参照して説明する。図１において、レーザ加工機１００Ａは、レーザビームを生成して射出するファイバレーザ発振器１０と、ファイバレーザ発振器１０から射出されたレーザビームのビームプロファイルを変更する光学デバイスであるカプラ２０と、カプラ２０でビームプロファイルが変更されたレーザビームを加工対象の板金Ｗに合焦させる加工ヘッド３０とを備える。ファイバレーザ発振器１０から射出されたレーザビームはフィーディングファイバ１１でカプラ２０に伝送され、カプラ２０でビームプロファイルが変更されたレーザビームはプロセスファイバ１２で加工ヘッド３０に伝送される。

ファイバレーザ発振器１０は、例えば、レーザ出力２ｋＷで、波長１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍのレーザビームを射出する。

カプラ２０は、フィーディングファイバ１１のレーザビームの射出端に設けられたエンドキャップ１１ｅから光軸方向に所定距離の位置に設置され、第１コリメータレンズ２１１と、第１集束レンズ２１２と、可動レンズ２１３と、ファイバ入射用レンズ２１４とを有する。可動レンズ２１３は、いわゆる両凸レンズであり、第１コリメータレンズ２１１と第１集束レンズ２１２との間で、光軸に垂直なＤ1−Ｄ2方向に複数段階に移動可能な状態で配置される。ファイバ入射用レンズ２１４は、プロセスファイバ１２に接続されて第１集束レンズ２１２から光軸方向に所定距離の位置に設置される。

第１コリメータレンズ２１１は、エンドキャップ１１ｅから射出された発散光のレーザビームを入射してコリメート光（平行光）に変換する。可動レンズ２１３は、その位置に応じて、第１コリメータレンズ２１１でコリメート光に変換されたレーザビームの拡がり角を変更させる。第１集束レンズ２１２は、可動レンズ２１３で拡がり角が変更されたレーザビームをファイバ入射用レンズ２１４に集束させる。ファイバ入射用レンズ２１４は、第１集束レンズ２１２で集束されたレーザビームを、拡がり角に応じた角度でプロセスファイバ１２に入射する。この構成により、カプラ２０からプロセスファイバ１２には、拡がり角に応じたビームプロファイルを有するレーザビームが入射される。

なお、ビームプロファイルの変更について詳しく説明する。

ビームプロファイルの変更は、光学デバイスによりＢＰＰ（ビームパラメータ積）を変化させることで、為すことができる。ＢＰＰはＩＳＯ１１１４５に規定されている通り、集束レンズへの入射ビーム径と集光径と発散角（拡がり角度）との関係を表し、更にレイリー長との関係も表している。また、本発明では板金Ｗに照射されるときの照射径を単にビーム径と称し、集束レンズへの入射ビーム径および集光径と区別する。

ビームプロファイル変更光学デバイスを動作させずにＢＰＰを変化させない場合は、集光径及びレイリー長は入射ビーム径に応じて決まり、前記光学デバイスを動作させてＢＰＰを変化させると、集光径及びレイリー長が変化し、更に集束レンズと板金Ｗとの距離に応じてビーム径が変化する。つまり、ビームパラメータ積を変化させると、拡がり角度とビーム径を変化させることができる。

ビームプロファイル変更光学デバイスを動作させて、集束レンズへの入射ビーム径が大きくなると集光径及びレイリー長が小さくなり、ビームプロファイルはガウシアン型となり中央部のパワー密度が高くなる。入射ビーム径が小さくなると集光径及びレイリー長が大きくなり、ビームプロファイルはリング型となり中央部よりも周囲のパワー密度が高くなる。

プロセスファイバ１２は、ファイバ入射用レンズ２１４から入射されたレーザビームを伝播させ、射出端に設けられたエンドキャップ１２ｅから射出する。

加工ヘッド３０は、第２コリメータレンズ３１および第２集束レンズ３２を備える。第２コリメータレンズ３１は、エンドキャップ１２ｅから光軸方向に所定距離の位置に設置され、エンドキャップ１２ｅから射出されたレーザビームを入射し、コリメート光に変換する。

第２集束レンズ３２は、光軸方向に可動な状態で設置され、第２コリメータレンズ３１でコリメート光に変換されたレーザビームを集束して加工対象の板金Ｗに照射する。第２集束レンズ３２の詳細な構成について、図２を参照して説明する。図２は、第２集束レンズ３２と、第２集束レンズ３２による合焦位置とを示す図である。第２集束レンズ３２は、内周側に正の第１焦点距離FL1（例えば、FL1＝３００ｍｍ）を有する第１レンズ領域３２１と、その外周側に第１焦点距離FLよりも長い正の第２焦点距離FL2（例えば、FL2＝３４０ｍｍ）を有する第２レンズ領域３２２とが設けられ、入射されたコリメート光を合焦させる。第１レンズ領域３２１は球面レンズで構成され、第２レンズ領域３２２は非球面レンズで構成される。図２では説明を簡略化するため、第２レンズ領域３２２のうち、第１レンズ領域３２１上部の領域の合焦位置のみを示している。

即ち、第２集束レンズ３２には、焦点距離がFL1の第１レンズ領域３２１とFL2の第２レンズ領域３２２とが存在し、且つ、第１レンズ領域３２１の合焦位置はレーザ光軸上にあるのに対して、第２レンズ領域３２２の合焦位置はレーザ光軸上に無い。つまり第２レンズ領域３２２で集束されるレーザ光は、第１レンズ領域３２１で集束されるレーザ光の合焦位置と異なる、光軸からずれた位置に、リング型のプロファイルで合焦される。

図１に戻り、レーザ加工機１００Ａは、カプラ２０内の可動レンズ２１３をＤ1方向またはＤ2方向に移動させるための第１移動機構４１と、第１移動機構４１を駆動する第１駆動部４２とを備える。またレーザ加工機１００Ａは、第２集束レンズ３２を光軸方向に移動させるための第２移動機構４３と、第２移動機構４３を駆動する第２駆動部４４とを備える。さらにレーザ加工機１００Ａは、オペレータが加工条件を設定する操作を行うための操作部５０と、第１駆動部４２による第１移動機構４１の動作および第２駆動部４４による第２移動機構４３の動作を制御するＮＣ装置６０Ａとを備える。ＮＣ装置６０Ａは、制御装置の一例である。

ＮＣ装置６０Ａは、操作部５０における設定内容に基づいてカプラ２０から射出されるレーザビームのビームプロファイルを変更させるように第１駆動部４２を制御するとともに、変更後のレーザビームの合焦位置を加工対象の板金Ｗに合わせるように第２駆動部４４を制御する。

つまり、ＮＣ装置６０Ａは、第１レンズ領域３２１により入射光がガウシアン型に集束される第１合焦位置と、第２レンズ領域３２２により入射光がリング型に集束される第２合焦位置（第１レンズ領域３２１の合焦位置と異なる位置）との関係を用いて、第１駆動部４２と第２駆動部４４とを制御することによって、ガウシアン型から、第１合焦位置と第２合焦位置との間にできるリング型とガウシアン型の複合型や、リング型など自在にビームプロファイルを変更できるものである。

上述したように構成されたレーザ加工機１００Ａを用いて、厚板の溶接のために高速で深溶け込み処理を行う際には、オペレータが操作部５０で、照射するレーザビームのビームプロファイルを、図３（ａ）に示すような、ビーム径が小さく周辺部から中央部に向かって強度が急峻に高くなるガウシアン型にすることを指示する操作を行う。当該操作の情報は、ＮＣ装置６０Ａに送信される。

ＮＣ装置６０Ａは、操作部５０から、照射するレーザビームのビームプロファイルをガウシアン型にする指示を受信すると、第１移動機構４１によりカプラ２０内の可動レンズ２１３がＤ1方向（例えばD１方向端部）に移動するように、第１駆動部４２を制御する。可動レンズ２１３がＤ1方向に移動されると、入射されるレーザビームが可動レンズ２１３を通らず、入射ビーム径の小さいガウシアン型のレーザビームがプロセスファイバ１２を介して加工ヘッド３０の第２コリメータレンズ３１に入射される。レーザビームは入射ビーム径が小さく、例えば図２のd₀以下であるため、第２集束レンズ３２の第１レンズ領域３２１に入射される。

ここで、第１レンズ領域３２１は第１焦点距離FL1を有するため、ＮＣ装置６０Ａは、第２集束レンズ３２と板金Ｗ上面との距離が第１焦点距離FL1離れた配置になるように、第２駆動部４４を制御する。このように制御することで、板金Ｗにビーム径が小さいガウシアン型のレーザビームが合焦される。このとき、板金Ｗには、ファイバレーザ発振器１０から射出されたレーザビームの少なくとも８６％のエネルギー量のビームが照射され、高速での深溶け込み処理を好適に実行させることができる。

また、レーザ加工機１００Ａを用いて、表面処理鋼板やアルミニウムの溶接を行う際には、オペレータが操作部５０で、照射するレーザビームのビームプロファイルを、図３（ｂ）に示すような、ビーム径が大きく周辺に近い部分の強度が低く中央部のみが高いリング型とガウシアン型の複合型の内ガウシアン型の特徴を持った二段階強度型にすることを指示する操作を行う。当該操作の情報は、ＮＣ装置６０Ａに送信される。

ＮＣ装置６０Ａは、操作部５０から、照射するレーザビームのビームプロファイルを二段階強度型にする指示を受信すると、第１移動機構４１によりカプラ２０内の可動レンズ２１３が、ガウンシア型にする場合よりもＤ2方向寄りに移動されるように、第１駆動部４２を制御する。可動レンズ２１３がＤ2方向に移動されると、入射されるレーザビームの一部が可動レンズ２１３を通り、Ｄ1方向寄りにある場合よりも拡がり角が大きくなり、入射ビーム径が大きいレーザビームがプロセスファイバ１２を介して加工ヘッド３０の第２コリメータレンズ３１に入射される。入射されたレーザビームは、第２集束レンズ３２の第１レンズ領域３２１および第２レンズ領域３２２に入射される。

ここで、ＮＣ装置６０Ａは、第２集束レンズ３２と板金Ｗ上面との距離が、第１焦点距離FL1と第２焦点距離FL2との間であって、第１焦点距離FL1の合焦位置に近い位置に板金Ｗ上面を配置するように、第２駆動部４４を制御する。このように制御することで、第１レンズ領域３２１に入射されたレーザビーム部分が、中央部の強度が高い状態で板金Ｗに照射され、その周辺に、第２レンズ領域３２２に入射されたレーザビーム部分が、強度が低い状態で照射される。このようにして、板金Ｗに二段階強度型のレーザビームが照射され、表面処理鋼板やアルミニウムの溶接処理を好適に実行させることができる。なお、板金Ｗ上面と第２集束レンズ３２との配置において、第１焦点距離FL1の合焦位置に近い位置に板金Ｗ上面を配置するとガウシアン型の特徴が強く、逆に第２焦点距離FL2の合焦位置に近い位置に板上Ｗ上面を配置するとリング型の特徴を持った複合プロファイルが形成されて二段階強度分布ができる。更に、板材のレーザ反射率や板厚、材質などの環境に則して、複合プロファイル（ガウシアン型のビーム強弱）を自由に選択できる。

また、レーザ加工機１００Ａを用いて、ギャップ溶接を行う際には、オペレータが操作部５０で、照射するレーザビームのビームプロファイルを、図３（ｃ）に示すような、処理対象の隙間の間隔に応じた径（例えば2mm〜4mm程度）を有する鋭いリング型にすることを指示する操作を行う。当該操作の情報は、ＮＣ装置６０Ａに送信される。なお、図２で示したd_off＝1mmと、第２集束レンズ３２と板金Ｗ上面との距離の制御によって、処理対象の隙間の間隔に応じた径を適正範囲で可変させることができる。

ＮＣ装置６０Ａは、操作部５０から、照射するレーザビームのビームプロファイルを所定の径を有するリング型にする指示を受信すると、第１移動機構４１によりカプラ２０内の可動レンズ２１３が、二段階強度型にする場合よりもさらにＤ2方向寄り（例えば、Ｄ２方向端部）に移動されるように、第１駆動部４２を制御する。可動レンズ２１３がＤ2方向に移動されると、入射ビーム径が大きいリング型のレーザビームがカプラ２０を介して加工ヘッド３０の第２コリメータレンズ３１に入射される。リング型のレーザビームは入射ビーム径が大きく、例えば図２のd_EN程度であるため、第２集束レンズ３２の第２レンズ領域３２２に入射される。

ここで、第２レンズ領域３２２は第２焦点距離FL2を有するため、第２集束レンズ３２と板金Ｗ上面との距離が第１焦点距離FL1離れた状態のままでは焦点が合わず、図３（ｄ）に示すような、リング径が小さくピーク部分がなだらかなリング型のレーザビームが板金Ｗに照射されることになる。そこで、ＮＣ装置６０Ａは、第２集束レンズ３２と板金Ｗ上面との距離が第２焦点距離FL2離れた配置になるように第２駆動部４４を制御し、第２集束レンズ３２の非球面レンズにより、リング型ビームプロファイルのピーク部分に光強度を集中させる。このように制御することで、板金Ｗに所望のビーム径を有する急峻なリング型（例えば、図２のd_off＝1mmを半径とするリング型）のレーザビームが照射され、ギャップ溶接を好適に実行させることができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態のレーザ加工機１００Ｂは、図１内のカプラ２０を図４のビーム調整器７０に置き換え、プロセスファイバ１２を二重構造のコアを有するプロセスファイバ１２Ｂに置き換えたものである。ビーム調整器７０およびプロセスファイバ１２Ｂは、例えば、特許文献２に記載された技術が利用される。

本実施形態においてプロセスファイバ１２Ｂは、図５に示すように、中心部に設けられたインナーコア１２１と、インナーコア１２１よりも外周側に設けられたリング型のアウターコア１２２との二重構造のコアを有する。また、ビーム調整器７０は、ファイバレーザ発振器１０から射出されたレーザビームを、インナーコア１２１およびアウターコア１２２の少なくとも一方に、入射させる。

このように構成されるレーザ加工機１００Ｂを用いて、操作部５０から、照射するレーザビームのビームプロファイルをガウシアン型にする指示を受信すると、ＮＣ装置６０Ｂは、ビーム調整器７０からプロセスファイバ１２Ｂのインナーコア１２１にレーザビームが入射されるように制御する。インナーコア１２１に入射されたレーザビームは加工ヘッド３０の第２コリメータレンズ３１に入射され、第２集束レンズ３２の第１レンズ領域３２１に入射される。

そして、第１実施形態と同様に、ＮＣ装置６０Ｂは、第２集束レンズ３２と板金Ｗ上面との距離が第１焦点距離FL1離れた配置になるように第２駆動部４４を制御することで、板金Ｗにビーム径が小さいガウシアン型のレーザビームが合焦される。

また、本実施形態によるレーザ加工機１００Ｂを用いて、操作部５０から、照射するレーザビームのビームプロファイルを二段階強度型にする指示を受信すると、ＮＣ装置６０Ｂは、ビーム調整器７０からプロセスファイバ１２Ｂのインナーコア１２１およびアウターコア１２２にレーザビームが入射されるように制御する。インナーコア１２１に入射されたレーザビームは加工ヘッド３０の第２コリメータレンズ３１から第２集束レンズ３２の第１レンズ領域３２１に入射される。また、アウターコア１２２に入射されたレーザビームは、第２コリメータレンズ３１から第２集束レンズ３２の第２レンズ領域３２２に入射される。

そして、第１実施形態と同様に、ＮＣ装置６０Ｂが、第２集束レンズ３２と板金Ｗ上面との距離が、第１焦点距離FL1と第２焦点距離FL2との間であって、第１焦点距離FL1の合焦位置に近い位置に板金Ｗ上面を配置するように制御することで、板金Ｗに二段階強度型のレーザビームが合焦される。

また、本実施形態によるレーザ加工機１００Ｂを用いて、操作部５０から、照射するレーザビームのビームプロファイルをリング型にする指示を受信すると、ＮＣ装置６０Ｂは、ビーム調整器７０からプロセスファイバ１２Ｂのアウターコア１２２にレーザビームが入射されるように制御する。アウターコア１２２に入射されたレーザビームは、第２コリメータレンズ３１から第２集束レンズ３２の第２レンズ領域３２２に入射される。

そして、第１実施形態と同様に、ＮＣ装置６０Ｂが、第２集束レンズ３２と板金Ｗ上面との距離が第２焦点距離FL2離れた配置になるように第２駆動部４４を制御することで、板金Ｗに鋭いリング型のレーザビームが合焦される。

＜第３実施形態＞
第３実施形態のレーザ加工機１００Ｃは、図６に示すように、ファイバレーザ発振器１０と、ファイバレーザ発振器１０から射出されたレーザビームを板金Ｗに合焦させる加工ヘッド３０Ｃとを備える。ファイバレーザ発振器１０から射出されたレーザビームはプロセスファイバ１２で加工ヘッド３０Ｃに伝送される。

加工ヘッド３０Ｃは、第２コリメータレンズ３１と、第２集束レンズ３２と、アキシコンレンズ３３とを有する。アキシコンレンズ３３は、例えば特許文献３に記載された技術を用いて設置される円錐形状の光学部品であり、第２コリメータレンズ３１と第２集束レンズ３２との間の光軸上の位置と、当該光軸上の位置から外れる位置とを移動可能な状態で配置される。アキシコンレンズ３３は、第２コリメータレンズ３１と第２集束レンズ３２との間に位置するときに、円錐面が入射側の第２コリメータレンズ３１側を向き、平面が出射側の第２集束レンズ３２側を向くように配置される。また、レーザ加工機１００Ｃは、アキシコンレンズ３３を所定位置に移動させるための第３移動機構４５と、第３移動機構４５を駆動する第３駆動部４６とを備える。

このように構成されたレーザ加工機１００Ｃを用いて、操作部５０から、照射するレーザビームのビームプロファイルをガウシアン型にする指示を受信すると、ＮＣ装置６０Ｃは、第３移動機構４５によりアキシコンレンズ３３が、第２コリメータレンズ３１と第２集束レンズ３２との間の光軸上から外れる位置に移動されるように、第３駆動部４６を制御する。アキシコンレンズ３３が当該位置に移動されると、ファイバレーザ発振器１０から射出されたレーザビームは、入射ビーム径が小さいまま加工ヘッド３０Ｃの第２コリメータレンズ３１に入射され、第２集束レンズ３２の第１レンズ領域３２１に入射される。

そして、第１実施形態と同様に、ＮＣ装置６０Ｃが、第２集束レンズ３２と板金Ｗ上面との距離が第１焦点距離FL1離れた配置になるように制御することで、板金Ｗにビーム径が小さいガウシアン型のレーザビームが合焦される。

また、本実施形態によるレーザ加工機１００Ｃを用いて、操作部５０から、照射するレーザビームのビームプロファイルをリング型にする指示を受信すると、ＮＣ装置６０Ｃは、アキシコンレンズ３３を第２コリメータレンズ３１と第２集束レンズ３２との間の光軸上に配置させる。当該位置にアキシコンレンズ３３が配置されると、ファイバレーザ発振器１０から射出されたレーザビームは、拡がり角度が変更されて入射ビーム径が大きくなり、加工ヘッド３０Ｃの第２コリメータレンズ３１に入射されて第２集束レンズ３２の第２レンズ領域３２２に入射される。

そして、第１実施形態と同様に、ＮＣ装置６０Ｃが、第２集束レンズ３２と板金Ｗ上面との距離が第２焦点距離FL2離れた配置になるように制御することで、板金Ｗに鋭いリング型のレーザビームが合焦される。

＜第４実施形態＞
第４実施形態のレーザ加工機１００Ｄは、図７に示すように、ファイバレーザ発振器１０と、ファイバレーザ発振器１０から射出されたレーザビームを板金Ｗに合焦させる加工ヘッド３０とを備える。ファイバレーザ発振器１０から射出されたレーザビームは、例えば特許文献４に記載されたように、所定の角度に湾曲させることが可能なプロセスファイバ１２Ｄで加工ヘッド３０に伝送される。また、レーザ加工機１００Ｄは、プロセスファイバ１２Ｄを所定の角度で湾曲させるための湾曲機構４７と、湾曲機構４７を駆動する第４駆動部４８とを備える。

このように構成されるレーザ加工機１００Ｄを用いて、操作部５０から、照射するレーザビームのビームプロファイルをガウシアン型にする指示を受信すると、ＮＣ装置６０Ｄは、湾曲機構４７によりプロセスファイバ１２Ｄが直線状態になるように、第４駆動部４８を制御する。プロセスファイバ１２Ｄが直線状態になると、ファイバレーザ発振器１０から射出されたレーザビームは、入射ビーム径が小さいまま加工ヘッド３０の第２コリメータレンズ３１に入射され、第２集束レンズ３２の第１レンズ領域３２１に入射される。

そして、第１実施形態と同様に、ＮＣ装置６０Ｄが、第２集束レンズ３２と板金Ｗ上面との距離が第１焦点距離FL1離れた配置になるように制御することで、板金Ｗにビーム径が小さいガウシアン型のレーザビームが合焦される。

また、本実施形態によるレーザ加工機１００Ｄを用いて、操作部５０から、照射するレーザビームのビームプロファイルを二段階強度型にする指示を受信すると、ＮＣ装置６０Ｄは、湾曲機構４７によりプロセスファイバ１２Ｄが所定角度湾曲されるように、第４駆動部４８を制御する。プロセスファイバ１２Ｄが所定角度湾曲されると、ファイバレーザ発振器１０から射出されたレーザビームは、直線状態の場合よりも入射ビーム径が大きくなって加工ヘッド３０の第２コリメータレンズ３１に入射され、第２集束レンズ３２の第１レンズ領域３２１および第２レンズ領域３２２に入射される。

そして、第１実施形態と同様に、ＮＣ装置６０Ｄが、第２集束レンズ３２と板金Ｗ上面との距離が第１焦点距離FL1と第２焦点距離FL2との間であって、第１焦点距離FL1の合焦位置に近い位置に板金Ｗ上面を配置させるように制御することで、板金Ｗに二段階強度型のレーザビームが合焦される。

また、本実施形態によるレーザ加工機１００Ｄを用いて、操作部５０から、照射するレーザビームのビームプロファイルをリング型にする指示を受信した場合も、ＮＣ装置６０Ｄは、湾曲機構４７によりプロセスファイバ１２Ｄが所定角度湾曲されるように、第４駆動部４８を制御する。そして、ファイバレーザ発振器１０から射出されたレーザビームは、加工ヘッド３０の第２コリメータレンズ３１に入射され、第２集束レンズ３２の第２レンズ領域３２２に入射される。

そして、第１実施形態と同様に、ＮＣ装置６０Ｄが、第２集束レンズ３２を板金Ｗから第２焦点距離FL2だけ離れた位置に配置させるように制御することで、板金Ｗに鋭いリング型のレーザビームが合焦される。

第１〜第４実施形態によれば、加工条件に応じてレーザビームのビームプロファイルを変化させて板金Ｗ上に合焦させることができる。これにより、ギャップ溶接を行う場合に、処理対象の隙間の間隔に応じた大きさビーム径で鋭いリング型のレーザビームを板金Ｗに照射することができ、好適な処理を行うことができる。

また、上述した第１〜第４実施形態において、レーザ加工機１００Ａ〜１００Ｄに板金Ｗの加工対象部分を撮影するカメラ装置を設置し、ＮＣ装置６０Ａ〜６０Ｄが、ギャップ溶接を行う前に当該カメラ装置で撮影された撮像情報を解析して処理対象の隙間の間隔を計測し、計測値に応じたビーム径のリング型のレーザビームを照射するようにしてもよい。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１０ ファイバレーザ発振器
１１ フィーディングファイバ
１１ｅ エンドキャップ
１２、１２Ｂ、１２Ｄ プロセスファイバ
１２ｅ エンドキャップ
２０ カプラ（光学デバイス）
３０、３０Ｃ、 加工ヘッド
３１ 第２コリメータレンズ
３２ 第２集束レンズ
３３ アキシコンレンズ
４１ 第１移動機構
４２ 第１駆動部
４３ 第２移動機構
４４ 第２駆動部
４５ 第３移動機構
４６ 第３駆動部
４７ 湾曲機構
４８ 第４駆動部
５０ 操作部
６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ ＮＣ装置
７０ ビーム調整器
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ レーザ加工機
１２１ インナーコア
１２２ アウターコア
２１１ 第１コリメータレンズ
２１２ 第１集束レンズ
２１３ 可動レンズ
２１４ ファイバ入射用レンズ
３２１ 第１レンズ領域
３２２ 第２レンズ領域
Ｗ 板金

Claims (8)

1. ファイバレーザ発振器から射出するレーザビームのビームプロファイルを変更可能な光学デバイスと、
   内周側に第１焦点距離を有する第１レンズ領域が設けられ、外周側に前記第１焦点距離よりも長い第２焦点距離を有する第２レンズ領域が設けられ、前記光学デバイスから射出されたレーザビームを合焦させる集束レンズと、
   前記集束レンズを光軸方向に移動させる移動機構と
   を備えることを特徴とするレーザ加工機。
2. 前記集束レンズの第１レンズ領域の合焦位置は前記レーザビームの光軸上にあり、前記第２レンズ領域の合焦位置は前記光軸からずれた位置にある
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記光学デバイスは、ファイバレーザ発振器から射出するレーザビームのビームパラメータ積を変化させ、拡がり角度とビーム径を変更させる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工機。
4. 前記光学デバイスと前記集束レンズとの間は、内周側に設けられたインナーコアおよび外周側に設けられたアウターコアを有するプロセスファイバで接続され、
   前記光学デバイスは、前記インナーコアと前記アウターコアとの少なくともいずれかにレーザビームを入射することで、射出するレーザビームのビームプロファイルを変更する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工機。
5. 前記光学デバイスは、ファイバレーザ発振器から射出するレーザビームの拡がり角度を変更させるアキシコンレンズの有無により、ビームプロファイルを変更する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工機。
6. 前記光学デバイスは、前記光学デバイスと前記集束レンズとの間を接続するプロセスファイバを所定角度湾曲させることで、射出するレーザビームのビームプロファイルを変更する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工機。
7. 請求項１に記載のレーザ加工機によって行うレーザ加工方法であって、
   前記光学デバイスにより、前記集束レンズの第１レンズ領域および第２レンズ領域にレーザビームが入射されると、前記集束レンズと加工対象物との距離が、前記第１焦点距離と前記第２焦点距離との間になるように前記集束レンズを前記移動機構により光軸方向に移動させる、
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
8. 請求項１に記載のレーザ加工機によって行うレーザ加工方法であって、
   前記光学デバイスにより、リング型のレーザビームが前記集束レンズの第２レンズ領域に入射されると、前記集束レンズと加工対象物との距離が、前記第２焦点距離になるように前記集束レンズを前記移動機構により光軸方向に移動させる、
   ことを特徴とするレーザ加工方法。

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