JP6956328B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

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Description

本発明は、加工速度を向上させるための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。
従来より、代表的な被加工材である金属におけるレーザ光の吸収率は、固体状態では低く、溶融状態では高くなることが知られている(例えば、特許文献1参照)。つまり、レーザ加工の開始時には、被加工材が固体であるのでレーザ光の吸収率は低いが、被加工材の溶融が始まると、レーザ光の吸収率が高くなる。
また、レーザ加工においては、その加工に適するレーザ光の集光径が知られている(例えば、特許文献2参照)。
そして、溶融に適した集光径のレーザ光と、レーザ加工に適した集光径のレーザ光とを使い分けるために、複数のレーザ発振器から出射された複数のレーザ光を、時間差を設けて照射することで、レーザ光を重畳してレーザ加工を行うレーザ加工装置が知られている(例えば、特許文献3,4参照)。
具体的に、特許文献4に記載のレーザ加工装置では、第1のレーザ発振器からレーザ光を出射し、集光レンズにより集光して加工点に照射することで、レーザ加工を開始する。その後、第2のレーザ発振器からレーザ光を出射し、ファイバを伝搬させ、加工ヘッドにより集光して加工点に照射することで、2つのレーザ光を重畳してレーザ加工を行うようにしている。
特開2001−252776号公報(図13) 特開平7−256477号公報(図2〜図4) 特開2015−217422号公報(図5) 米国特許第5272309号明細書(図8)
しかしながら、従来のレーザ加工装置では、2台のレーザ発振器を用いてレーザ加工を行っているため、2台のレーザ発振器を制御してそのレーザ光の出射タイミングを勘案する必要があり、制御が複雑となってしまう。
また、2台のレーザ発振器を使用する場合における2台目のレーザ発振器の立ち上がり、つまり、レーザ光の停止時間又は低出力時間が必要となり、加工速度が遅くなるという問題があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、被加工材の溶融に適する溶融用集光径を持ったレーザ光の照射と、レーザ加工に適する加工用集光径を持ったレーザ光の照射とを両立させるとともに、レーザ加工速度を向上できるレーザ加工装置を提供することにある。
本発明の一態様に係るレーザ加工装置は、1つのレーザ光の光路を、第1のファイバを有する第1の光路と、前記第1のファイバよりもコア径の大きな第2のファイバを有する第2の光路とに選択的に切り替えるレーザ光切り替え部と、前記第1の光路を通過したレーザ光及び前記第2の光路を通過したレーザ光を、被加工材における同一の加工点に照射するレーザ照射部と、所定の条件を満たした場合に、前記第1の光路から前記第2の光路へとレーザ光の光路を切り替えるように前記レーザ光切り替え部の切り替え動作を制御する制御部とを備えている。
このような構成によれば、1つのレーザ光の光路を切り替えるだけで、レーザ加工を早く開始するために被加工材の溶融に適する溶融用集光径を持ったレーザ光の照射と、レーザ加工に適する加工用集光径を持ったレーザ光の照射とを両立させることができる。
つまり、レーザ加工の開始時には、小径で出力密度の高いレーザ光で被加工材の溶融を行い、その後、レーザ加工に適する集光径を持ったレーザ光で被加工材の加工を継続して行うことができる。
また、従来のような2台のレーザ発振器を使用する場合における2台目のレーザ発振器の立ち上がり、つまり、レーザ光の停止時間又は低出力時間が不要であるため、レーザ加工速度を向上させることができる。
本発明の一態様によれば、1つのレーザ光の光路を切り替えるだけで、レーザ加工開始時には小径で出力密度の高いレーザ光で加工し、その後、継続して、レーザ加工に適する集光径を持つレーザ光でレーザ加工できる。これにより、レーザ加工速度を向上させることができる。
本実施形態1に係るレーザ加工装置の主要構成を示す要素配置図である。 レーザ光の光路を切り替えたときの図1相当図である。 本実施形態2に係るレーザ加工装置の主要構成を示す要素配置図である。 レーザ光の光路を切り替えたときの図3相当図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
《実施形態1》
図1及び図2に示すように、レーザ加工装置1は、レーザ光源としてのレーザ発振器100と、レーザ光110の光路を第1の光路と第2の光路とに選択的に切り替えるレーザ光切り替え機70(レーザ光切り替え部)と、被加工材900にレーザ光を照射する加工ヘッド80(レーザ照射部)と、第1の光路及び第2の光路を構成する第1のファイバ11及び第2のファイバ21とを備えている。
レーザ発振器100は、例えば、中心波長976nmで4kWの近赤外波長の高出力レーザ光を出射する。レーザ発振器100には、レーザ加工装置1の動作に関する各種制御を行う制御部101が設けられている。
レーザ光切り替え機70は、レーザ発振器100から出射されたレーザ光を屈折させることで光路を変更して伝送させるベンドモジュール72と、レーザ光を第1のファイバ11に導く第1のファイバ結合モジュール13と、レーザ光を第2のファイバ21に導く第2のファイバ結合モジュール23と、レーザ光を吸収するビームダンパ10とを備えている。
ベンドモジュール72は、2つのベンドミラー16,26を備えている。ベンドミラー16,26は、例えば、30mm×30mm×厚さ3mmである平行平板の角形石英で構成されており、反射面に高反射コートが施されている。
ベンドミラー16は、ベンドミラーホルダ17に固定されている。ベンドミラーホルダ17は、シャフト18を介してモータ19に接続されている。モータ19は、制御部101からの指令に応じて回転するものであり、モータ19の回転に伴ってベンドミラー16が可動する。
これにより、ベンドミラー16を下方に下げてレーザ光110の光路を水平面内直角に屈折させる屈折位置と、ベンドミラー16を上方に上げてレーザ光110を直進させる直進位置との間で、ベンドミラー16を可動させることができる。
同様に、ベンドミラー26は、ベンドミラーホルダ27に固定されている。ベンドミラーホルダ27は、シャフト28を介してモータ29に接続されている。モータ29は、制御部101からの指令に応じて回転するものであり、モータ29の回転に伴ってベンドミラー26が可動する。
これにより、ベンドミラー26を下方に下げてレーザ光110の光路を水平面内直角に屈折させる屈折位置と、ベンドミラー26を上方に上げてレーザ光110を直進させる直進位置との間で、ベンドミラー26を可動させることができる。
第1及び第2のファイバ結合モジュール13,23は、ベンドミラー16,26によって水平面内直角に屈折されてベンドモジュール72から出射するレーザ光112(図1参照),212(図2参照)の出射位置に対応して配置されている。
第1のファイバ結合モジュール13は、レーザ光112を集光する集光レンズ12と、第1のファイバ11の入射端側を保持するレセプタクル14とを備えている。
集光レンズ12は、例えば、硝材が合成石英、直径30mm、焦点距離50mmのレンズで構成されている。集光レンズ12で集光されたレーザ光114は、第1のファイバ11に入射する。
第1のファイバ11は、例えば、コア直径50μm、クラッド直径400μmの石英系シングルコアファイバで構成されている。第1のファイバ11は、ベンドミラー16によって屈折されたレーザ光112が通過する第1の光路を構成している。
同様に、第2のファイバ結合モジュール23は、レーザ光212を集光するための集光レンズ22と、第2のファイバ21の入射端側を保持するレセプタクル24とを備えている。
集光レンズ22は、硝材が合成石英、直径30mm、焦点距離60mmのレンズで構成されている。集光レンズ22で集光されたレーザ光214は、第2のファイバ21に入射する。
第2のファイバ21は、コア直径100μm、インナークラッド直径200μm、アウタークラッド直径400μmの石英系ダブルクラッドファイバで構成されている。第2のファイバ21は、第1のファイバ11よりも大きなコア径を有する。第2のファイバ21は、ベンドミラー26によって屈折されたレーザ光212が通過する第2の光路を構成している。
ビームダンパ10は、レーザ光110が出射される出射口に相対向して配設されており、循環する冷却水が内部に満たされている。
加工ヘッド80は、被加工材900のレーザ加工(本実施形態ではレーザ切断)に用いられるものである。被加工材900は、例えば、厚さ1.6mmの軟鋼板(SS400)である。
加工ヘッド80は、ヘッド本体81と、第1のファイバ11の出射端が接続されてその出射光をヘッド本体81に導く第1のファイバ結合モジュール33と、第2のファイバ21の出射端が接続されてその出射光をヘッド本体81に導く第2のファイバ結合モジュール43とを備えている。
第1のファイバ結合モジュール33は、レーザ光116をコリメートするためのコリメートレンズ32と、第1のファイバ11の出射端側を保持するレセプタクル34とを備えている。コリメートレンズ32は、例えば、硝材が合成石英、直径30mm、焦点距離50mmのレンズで構成されている。
同様に、第2のファイバ結合モジュール43は、レーザ光216をコリメートするためのコリメートレンズ42と、第2のファイバ21の出射端側を保持するレセプタクル44を備えている。コリメートレンズ42は、例えば、硝材が合成石英、直径30mm、焦点距離50mmのレンズで構成されている。
ヘッド本体81は、その内部に導かれるレーザ光の光路を屈折させて変更する反射ミラー50と、反射ミラー50で屈折されたレーザ光を集光して切断に供するための集光レンズ62とを備えている。
集光レンズ62は、例えば、硝材が合成石英、直径50mm、焦点距離100mmのレンズで構成されている。反射ミラー50は、例えば、硝材が合成石英、長軸70mm×短軸50mm×厚さ5mm、反射面に高反射コートが施されたミラーで構成されている。
反射ミラー50は、反射ミラーホルダ52により保持されている。反射ミラーホルダ52は、シャフト54を介してモータ56に接続されている。モータ56は、ヘッド本体81の外部に設けられ、制御部101からの指令に応じて回転するものであり、モータ56の回転に伴って反射ミラー50が可動する。
これにより、第1のファイバ11を有する第1の光路を通過したレーザ光118と、第2のファイバ21を有する第2の光路を通過したレーザ光218とを、被加工材900の同一の加工点に照射できるようになっている。
〈レーザ加工装置の動作〉
以下、レーザ加工装置1の動作について説明する。図1に示すように、ベンドミラー16は、モータ19を回転させることで下方に下げられる。レーザ発振器100から出射されたレーザ光110は、ベンドミラー16によって光路が屈折され、レーザ光112として第1のファイバ結合モジュール13に入射する。
第1のファイバ結合モジュール13に入射したレーザ光112は、集光レンズ12により所定の位置に集光されて、第1のファイバ11の入射端からコアに入射して第1のファイバ11内を伝播され、第1のファイバ11の出射端から出射する。
第1のファイバ11の出射端から出射したレーザ光116は、コリメートレンズ32により、略平行なレーザ光118に変換されてヘッド本体81の内部に入射する。
反射ミラー50は、モータ56の回転に伴って、反射面がコリメートレンズ32に対向するように回転した後で停止される。レーザ光118は、反射ミラー50によって光路が屈折され、レーザ光120となる。
レーザ光120は、集光レンズ62により収束するレーザ光122に変換されて被加工材900に照射される。レーザ光122の焦点でレーザ切断が行われる。このとき、焦点におけるレーザ光122の集光径は100μmである。
レーザ光122を照射し始めると、レーザ光122の照射点、つまり、加工点において、被加工材900が溶融し始める。つまり、レーザ光122の集光径100μmが溶融用集光径である。
ここで、被加工材900が溶融し始めるのに要する時間は、予め計測しておくことが可能である。そして、本実施形態では、第1のファイバ11を有する第1の光路を通過したレーザ光122の照射時間が所定時間を経過した場合に、第2のファイバ21を有する第2の光路へとレーザ光110の光路を切り替えるように、制御部101がレーザ光切り替え機70の切り替え動作を制御している。
具体的に、レーザ発振器100からレーザ光110を出射したままの状態で、下方に下げられていたベンドミラー16を、モータ19を回転させることで上方に上げる一方、モータ29を回転させることでベンドミラー26を下方に下げる。この後の動作を、図2を用いて説明する。
図2に示すように、レーザ発振器100から出射されたレーザ光110は、ベンドミラー26によって光路が屈折され、レーザ光212として第2のファイバ結合モジュール23に入射する。
第2のファイバ結合モジュール23に入射したレーザ光212は、集光レンズ22により所定の位置に集光されて、第2のファイバ21の入射端からコアに入射して第2のファイバ21内を伝播され、第2のファイバ21の出射端から出射する。
第2のファイバ21の出射端から出射したレーザ光216は、コリメートレンズ42により、略平行なレーザ光218に変換されてヘッド本体81の内部に入射する。
反射ミラー50は、モータ56の回転に伴って、反射面がコリメートレンズ42に対向するように回転した後で停止される。レーザ光218は、反射ミラー50によって光路が屈折され、レーザ光220となる。
レーザ光220は、集光レンズ62により収束するレーザ光222に変換されて被加工材900に照射される。レーザ光222の焦点でレーザ切断が行われる。このとき、焦点におけるレーザ光222の集光径は200μmである。
レーザ光222は、レーザ光122によって被加工材900が溶融された同一の加工点に照射される。レーザ光222は、1つのレーザ光110の光路を切り替えて第2の光路を通過させることでレーザ光122よりも低い出力密度を有することになる。そして、レーザ光222は、レーザ光122によって溶融し始めた被加工材900のレーザ加工に続けて、レーザ光122の代わりに照射されることで、被加工材900のレーザ切断を続行する。つまり、レーザ光222の集光径200μmが加工用集光径である。
なお、本実施形態では、被加工材900の表面におけるレーザ光の加工用集光径を、レーザ切断に適する0.2mmとしたが、これに加えて、裏面におけるレーザ光の集光径をレーザ切断に適する3mm以下になるように、加工ヘッド80を構成しても良い。
また、本実施形態では、第1のファイバ11を有する第1の光路を通過するレーザ光122の照射時間が所定時間を経過した場合に、被加工材900が溶融したと推定して、レーザ光切り替え機70の切り替え動作を行うようにしたが、この形態に限定するものではない。制御部101は、所定の条件を満たした場合に、レーザ光切り替え機70の切り替え動作を行うこととしてもよい。所定の条件は、被加工材900の溶融を推定する又は示す条件であることとしてもよい。例えば、図示しない溶融モニタによって被加工材900の溶融状態を監視しておき、その信号に基づいて、レーザ光切り替え機70の切り替え動作を行うようにしても良い。
また、第2のファイバ21のコアにレーザ光を入射する構成としたが、インナークラッドに入射して、その出射光の横モードをドーナッツ状にしてレーザ加工に用いても良い。
以上のように、本実施形態に係るレーザ加工装置1によれば、1つのレーザ光110、つまり、1台のレーザ発振器100で、被加工材900の溶融に適する集光径のレーザ光122の照射と、レーザ加工に適する集光径のレーザ光222の照射とを両立させることができる。
また、レーザ加工開始は、小さな集光径を用いるため、その出力密度が大きくなり、被加工材900の溶融が短時間で開始され、その後、引き続いて、加工に適した集光径で加工を行うため、レーザ加工速度が向上して、加工時間を短縮することができる。
また、レーザ光切り替え機70を用いているので、2台のレーザ発振器100を制御してそのレーザ光の出射タイミングを勘案する必要がない。さらに、2台のレーザ発振器100を使用する場合に必要な、2台目のレーザ発振器100の立ち上がり、つまり、レーザ光の停止時間又は低出力時間が不要になる。
《実施形態2》
以下、前記実施形態1と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。
図3及び図4に示すように、加工ヘッド380は、被加工材901,902のレーザ加工(本実施形態ではレーザ溶接)に用いられるものである。被加工材901,902は、例えば、両方とも、厚さ0.8mmのステンレス板(SUS)である。
加工ヘッド380は、ヘッド本体381と、第1のファイバ11の出射端が接続されてその出射光をヘッド本体381に導く第1のファイバ結合モジュール33と、第2のファイバ21の出射端が接続されてその出射光をヘッド本体381に導く第2のファイバ結合モジュール43とを備えている。
ヘッド本体381は、その内部に導かれるレーザ光の光路を屈折させて変更する反射ミラー350と、反射ミラー350で屈折されたレーザ光を集光して溶接に供するための集光レンズ362とを備えている。
集光レンズ362は、例えば、硝材が合成石英、直径50mm、焦点距離200mmのレンズで構成されている。反射ミラー350は、例えば、硝材が合成石英、長軸70mm×短軸50mm×厚さ5mm、反射面に高反射コートが施されたミラーで構成されている。
反射ミラー350は、中空で筒状の反射ミラーホルダ352により保持されている。反射ミラーホルダ352は、図示しないプーリーを介してモータ356に結合されている。
モータ356は、ヘッド本体381の外部に設けられ、制御部101からの指令に応じて回転するものであり、モータ356の回転に伴って反射ミラー350が可動する。
これにより、第1のファイバ11を有する第1の光路を通過したレーザ光322と、第2のファイバ21を有する第2の光路を通過したレーザ光422とを、被加工材901,902の同一の加工点に照射できるようになっている。
また、ヘッド本体381の上部には、レーザ加工時に発生する反射光を測定して反射光の変化を検出するためのフォトダイオード450(検出部)が設けられている。
〈レーザ加工装置の動作〉
以下、レーザ加工装置1の動作について説明する。図3に示すように、レーザ発振器100から出射するレーザ光110は、ベンドミラー16によって光路が屈折されて第1のファイバ11を通過した後、レーザ光118としてヘッド本体381に入射する。
反射ミラー350は、モータ356の回転に伴って、反射面がコリメートレンズ32に対向するように回転した後で停止される。レーザ光118は、反射ミラー350によって光路が屈折され、レーザ光320となる。
レーザ光320は、集光レンズ362により収束するレーザ光322に変換されて被加工材901と被加工材902の突合せ部分に照射される。レーザ光322の焦点でレーザ溶接が行われる。このとき、焦点におけるレーザ光322の集光径は200μmである。
レーザ光322を照射し始めると、レーザ光322の照射点、つまり、加工点において、被加工材901と被加工材902の突合せ部分の溶融が始まり、レーザ溶接が開始する。つまり、レーザ光322の集光径200μmが溶融用集光径である。
ここで、被加工材901,902のレーザ加工時に発生する反射光は、フォトダイオード450により観測される。そして、レーザ加工開始後にフォトダイオード450への反射光の入力が低下すると、制御部101は、被加工材901,902が溶融したと判断し、レーザ発振器100からのレーザ光110の出射を停止させるための信号を出力する。
次に、前記実施形態1において説明したのと同様に、第1のファイバ11を有する第1の光路から第2のファイバ21を有する第2の光路へとレーザ光110の光路を切り替えるように、レーザ光切り替え機70の切り替え動作が行われる。
つまり、レーザ発振器100からレーザ光110を再出射させ、第1のファイバ11を通過するレーザ光116から、第2のファイバ21を通過するレーザ光216に切り替える。
なお、このレーザ光110の停止から再出射までの時間は、レーザ光322により溶融した溶融箇所が、放熱して硬化を開始するまでの間よりも短い時間である。
図4に示すように、レーザ発振器100から出射されたレーザ光110は、ベンドミラー26によって光路が屈折されて第2のファイバ21を通過した後、レーザ光218としてヘッド本体381に入射する。
反射ミラー350は、モータ356の回転に伴って、反射面がコリメートレンズ42に対向するように回転した後で停止される。レーザ光218は、反射ミラー350によって光路が屈折され、レーザ光420となる。
レーザ光420は、集光レンズ362により収束するレーザ光422に変換されて被加工材901と被加工材902の突合せ部分に照射される。レーザ光422の焦点でレーザ溶接が行われる。このとき、焦点におけるレーザ光422の集光径は400μmである。
レーザ光422は、レーザ光322によって被加工材901,902が溶融された同じ加工点に照射される。そして、レーザ光422は、レーザ光322によって溶融し始めた被加工材901,902のレーザ加工に続けて、レーザ光322の代わりに照射されることで、被加工材901,902のレーザ溶接を続行する。つまり、レーザ光422の集光径400μmが加工用集光径である。
なお、本実施形態では、加工点における集光径に言及して、その集光径の大小を基準としたが、集光径は、光強度分布、つまり、横モードに基づいて定まるため、レーザ光322とレーザ光422の横モードの違いを基準としても良い。換言すると、レーザ光322は、レーザ光422に比較して、より低次のモードであると言える。
また、被加工材901,902が溶融したかを検出するために、フォトダイオード450の代わりに、CCD等のカメラを設けるようにしても良い。
以上のように、本実施形態2に係るレーザ加工装置1によれば、1つのレーザ光、つまり、1台のレーザ発振器100で、被加工材901,902の溶融に適する集光径のレーザ光の照射と、レーザ加工に適する集光径のレーザ光の照射とを両立させることができる。
また、中空で筒状の反射ミラーホルダ352における回転中心の上方に、反射光の変化を検出するためのフォトダイオード450を配設したから、フォトダイオード450を被加工材901,902の加工点と相対向させて、リアルタイムで溶融、溶接、切断等の加工状態を把握することができる。
以上説明したように、本発明のレーザ加工装置は、加工速度を向上することができ、レーザ加工等に有用である。
1 レーザ加工装置
11 第1のファイバ
21 第2のファイバ
70 レーザ光切り替え機
80 加工ヘッド(レーザ照射部)
100 レーザ発振器
101 制御部
110 レーザ光
112 レーザ光
114 レーザ光
116 レーザ光
118 レーザ光
120 レーザ光
122 レーザ光
212 レーザ光
214 レーザ光
216 レーザ光
218 レーザ光
220 レーザ光
222 レーザ光
320 レーザ光
322 レーザ光
380 加工ヘッド(レーザ照射部)
420 レーザ光
422 レーザ光
450 フォトダイオード(検出部)

Claims (6)

  1. 1つのレーザ光の光路を、第1のファイバを有する第1の光路と、前記第1のファイバよりもコア径の大きな第2のファイバを有する第2の光路とに選択的に切り替えるレーザ光切り替え部と、
    前記第1の光路を通過したレーザ光及び前記第2の光路を通過したレーザ光を、被加工材における同一の加工点に照射するレーザ照射部と、
    所定の条件を満たした場合に、前記第1の光路から前記第2の光路へとレーザ光の光路を切り替えるように前記レーザ光切り替え部の切り替え動作を制御する制御部とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 請求項1において、
    前記制御部は、前記第1の光路を通過したレーザ光の照射時間が所定時間を経過した場合に、前記レーザ光切り替え部の切り替え動作を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
  3. 請求項1において、
    前記被加工材に照射されたレーザ光の反射光の変化を検出する検出部を備え、
    前記制御部は、前記検出部において反射光の変化が検出された場合に、前記レーザ光切り替え部の切り替え動作を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
  4. 1つのレーザ光の光路を切り替えて第1の光路を通過させた第1のレーザ光を、所定の条件を満たすまでの間、被加工材の加工点に対して照射する第1の照射工程と、
    前記所定の条件を満たした場合に、前記1つのレーザ光の光路を切り替えて第2の光路を通過させることで前記第1のレーザ光よりも出力密度が低くなった第2のレーザ光を、前記被加工材における同一の加工点に照射する第2の照射工程とを備えたことを特徴とするレーザ加工方法。
  5. 請求項4において、
    前記第2の照射工程では、前記第1の光路を通過した前記第1のレーザ光の照射時間が所定時間を経過した場合に、前記第2のレーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工方法。
  6. 請求項4において、
    前記第2の照射工程では、前記被加工材に照射された前記第1のレーザ光の反射光の変化が検出された場合に、前記第2のレーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工方法。
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