JP7023184B2 - レーザ加工ヘッド及びレーザ切断加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば板状のワークのレーザ切断を行うレーザ加工ヘッド及びレーザ切断加工方法に関する。さらに詳細には、コリメーションレンズとして二重焦点のコリメーションレンズを使用したレーザ加工ヘッド及び二重焦点のコリメーションレンズを透過した外層光の焦点位置と内層光の焦点位置との光軸方向の位置的関係を、ワークの板厚に対応して調節して切断加工を行うレーザ切断加工方法に関する。

板状のワークのレーザ切断加工を行う場合、薄板の場合には集光レンズとして短焦点レンズを備えたレーザ加工ヘッドが使用される。そして、厚板のレーザ切断加工を行う場合には、長焦点レンズを備えたレーザ加工ヘッドが使用される。すなわち、ワークの板厚が変わると、適正の集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと交換することが行われている。したがって、種々の厚さのワークのレーザ切断を連続的に行う場合、能率向上を図る上において問題がある。

そこで、１つのレーザ加工ヘッドにおいて、厚さ３ｍｍ以下の薄板、厚さ３ｍｍ～１２ｍｍ程度の中厚板及び厚さ１２ｍｍ～２０ｍｍ程度の厚板に対応して、レーザ光の集光径を適正に調節することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５６２３４５５号公報

前記特許文献１に記載の構成は、特許文献１の図１，２に概略的に示されているように、レーザ光を出射する光ファイバの出射端に対向してレーザ光の広がり角を調整するための第１のレンズが備えられている。そして、この第１のレンズに対向してコリメータレンズ（本実施形態のコリメーションレンズと同様）が備えられている。さらに、コリメータレンズによって、平行光線化されたレーザ光を集光する集光レンズが備えられている。

上記構成において、集光レンズを定位置に保持した状態において、第１のレンズ及びコリメータレンズを光軸方向に位置調節することによって、集光レンズによって集光されるレーザ光の集光径を調節している。したがって、レーザ光の集光径を、ワークの板厚に応じて調節できるものである。また、前記構成においては、第１のレンズ及びコリメータレンズを定位置に保持して集光レンズを光軸方向に位置調節することにより、集光径を一定に保持して集光位置を調節する構成である。

したがって、特許文献１に記載の構成によれば、レーザ加工ヘッドを交換することなく、レーザ光の集光径及び集光位置を調節できることになる。

しかし、特許文献１に記載の構成においては、第１のレンズ、コリメータレンズ及び集光レンズが必要であり、レンズの数が多くなるという問題がある。また、第１のレンズ、コリメータレンズ及び集光レンズの各レンズを、光軸方向に個別に移動調節自在な構成としなければならず、構成が複雑になる、という問題がある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、コリメーションレンズとして、二重焦点のコリメーションレンズを使用して、レンズの数を少なくし構成の簡素化を図ったものである。

したがって、本発明は、プロセスファイバーの出射端から出射されたレーザ光を平行光線化するコリメーションレンズと、コリメーションレンズを透過したレーザ光を集光してワークへ照射する集光レンズとを備えたレーザ加工ヘッドであって、
前記コリメーションレンズは、外周縁に備えたリング状の外側コリメーションレンズの内側に、内側コリメーションレンズを一体に備えた構成であり、外側コリメーションレンズの焦点距離は、内側コリメーションレンズの焦点距離よりも大である。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、内側コリメーションレンズの直径は、内側コリメーションレンズの焦点位置とプロセスファイバーの出射端とを一致した位置に位置決めしたときに、出射端から出射されて広がるレーザ光を入射する直径にほぼ同じになるように形成してある。

また、前記レーザ加工ヘッドを使用してのレーザ切断加工方法であって、外側コリメーションレンズを透過したレーザ光の焦点位置を、内側コリメーションレンズを透過して一旦集光された後に広がる広がり角内に保持してワークのレーザ切断加工を行う。

また、前記レーザ切断加工方法において、集光レンズによって集光された焦点位置でのモード解析図をビームフォーカスモニタの表示画面に表示し、表示されたモード解析図の面積の９８％を占める位置を基底位置とし、この基底位置からモード解析図の頂部までの中間位置を５０％としたとき、基底位置におけるモード解析図の直径をＤ１とし、中間位置の直径をＤ２としたとき、（Ｄ１－Ｄ２）／Ｄ２の値が１．００以下である。

本発明によれば、コリメーションレンズとして二重焦点のコリメーションレンズを使用するものである。したがって、集光レンズによって集光径及び集光位置を、コリメーションレンズを光軸方向に位置調節することによって、ワークの板厚に対応して調節することができる。よって、レンズの数を少なくでき、構成の簡素化を図ることができるものである。

本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの構成を概念的、概略的に示した構成説明図である。 集光レンズに対してコリメーションレンズを光軸方向に移動した場合に、ワーク表面に集光される作用説明図である。 レーザ光の集光位置におけるレーザ光の傾斜（テーパ）を示すモード傾斜比率とレーザ切断加工面との関係を示す説明図である。 モード傾斜比率の説明図である。 モード傾斜比率と集光レンズに対する入射ビーム径との関係を示す説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドについて説明するに、理解を容易にするために、レーザ加工ヘッドに備えた光学系について説明する。

図１を参照するに、本実施形態に係るレーザ加工ヘッド１は、プロセスファイバー３の出射端３Ｅから出射されたレーザ光ＬＢを平行光線化するコリメーションレンズ５を備えている。さらに、レーザ加工ヘッド１には、前記コリメーションレンズ５を透過したレーザ光ＬＢを集光してワークＷへ照射する集光レンズ７を備えている。この集光レンズ７は、プラノコンベックスレンズ（平凸レンズ）から構成してある。そして、集光レンズ７は、レーザ加工ヘッド内で相対的に昇降可能で、常態では所定の位置に固定して備えられている。

前記コリメーションレンズ５は、二重焦点のコリメーションレンズである。より詳細には、コリメーションレンズ５は、外縁側に備えたリング状の外側コリメーションレンズ５Ａの内側に、内側コリメーションレンズ５Ｂを一体に備えた構成である。さらに詳細には例えば、直径ｄより内側の入射面の曲率半径が直径ｄのより外側の入射面の曲率半径より小さくなっている。但し何れの入射面も凸レンズの作用をもつものであり、球面の中心は入射面より図において下方に位置する。

そして、コリメーションレンズ５は、基準位置９Ａから集光レンズ７に近接する方向（プロセスファイバー３の出射端３Ｅから離反する方向）の厚板対応領域の一つである位置９Ｂ側へ移動可能に備えられている。また、コリメーションレンズ５は、前記基準位置９Ａからプロセスファイバー３の出射端３Ｅに近接する方向（集光レンズ７から離反する方向）の薄板対応領域の一つである位置９Ｃ側へ移動可能に備えられている。

前記コリメーションレンズ５において、外側コリメーションレンズ５Ａの焦点距離は、内側コリメーションレンズ５Ｂの焦点距離よりも大きくしてある。換言すれば、外側コリメーションレンズ５Ａは、長焦点レンズに構成してある。そして、内側コリメーションレンズ５Ｂは短焦点レンズに構成してある。

コリメーションレンズ５において、内側コリメーションレンズ５Ｂの直径ｄは、コリメーションレンズ５を、基準位置９Ａ（内側コリメーションレンズ５Ｂの焦点位置がプロセスファイバー３の出射端３Ｅとほぼ一致する位置）に位置決めしたときに、プロセスファイバー３の出射端３Ｅから出射されて広がるレーザ光ＬＢの径と等しくなるように構成してある。したがって、コリメーションレンズ５を、基準位置９Ａに位置決めすると、コリメーションレンズ５を透過したレーザ光ＬＢは、内側コリメーションレンズ５Ｂの径ｄに等しい径の平行光線となるものである。そして、図２（ｂ）に示すように、レーザ光ＬＢはワーク載置面Ｆ上に載置した所定厚さの中板厚のワークＷＢの上面に集光されるものである。

なお、レーザ加工ヘッド１内で集光レンズ７を、光軸方向に位置調節することにより、集光位置ＰＡは、ワークＷＢの上面、上面から離れた位置及びワークＷＢの内部の位置の所望位置に調節することができる。ところで、前記集光位置ＰＡでのエネルギー分布を、フォーカスモニタによって観察すると、図２（ｂ－１）に示すとおりであった。

既に理解されるように、コリメーションレンズ５を、前記基準位置９Ａから厚板対応領域の一つである位置９Ｂの位置、すなわち、プロセスファイバー３の出射端３Ｅから基準位置９Ａよりも離れる方向の位置に移動すると、図２（ａ）に示すように、プロセスファイバー３から出射されたレーザ光ＬＢはより大きな直径となってコリメーションレンズ５に入射される。したがって、レーザ光ＬＢは、コリメーションレンズ５における外側コリメーションレンズ５Ａ及び内側コリメーションレンズ５Ｂに入射される。よって、コリメーションレンズ５を透過したレーザ光ＬＢは、図２（ａ）に示すように、外層光１１Ａと内層光１１Ｂに区分けして集光レンズ７に入射されることになる。

ここで、コリメーションレンズ５における外側コリメーションレンズ５Ａは長焦点レンズに構成してあり、内側コリメーションレンズ５Ｂは短焦点レンズに構成してあるから、内層光１１Ｂは、図２（ａ）に示すように、厚板のワークＷＡの表面の外側の集光位置ＰＢに集光される。そして、集光位置ＰＢを通過すると、内層光１１Ｂは所定の広がり角でもって広がり（発散する）板金上で比較的大きな（図２（ｂ）における板金上のスポット径より大きい）スポット径を有することになる。

そして、外側コリメーションレンズ５Ａを透過した外層光１１Ａは、前記集光位置ＰＢから広がる内層光１１Ｂの広がり角内において集光することになる。この外層光１１Ａの集光位置ＰＣは、ワークＷＡの内部に位置する。すなわち、内層光１１Ｂの集光位置ＰＢと外層光１１Ａの集光位置ＰＣは、光軸方向に位置ずれした形態にある。そして、外層光１１Ａは、ワークＷＡの内部においては内層光１１Ｂの発散角内に位置し、（概念上）ワークＷＡの切断面に直接接触するものではない。

したがって、コリメーションレンズ５を透過して、集光レンズ７によって集光されたレーザ光ＬＢの集光部分（焦点位置）の集光径は大きなものであり、かつ集光部分の光軸方向の寸法（焦点深度）は大きなものである。よって、アシストガスによるドロスの排出性が向上するものであり、厚板の切断に適したモードとなるものである。なお、ワークＷＡの表面に対する集光位置ＰＢ，ＰＣの位置は、レーザ加工ヘッド１を光軸方向に位置調節することにより、所望の位置関係に調節することができる。

すなわち、図２（ａ）に示すように、コリメーションレンズ５を厚板対応領域の位置９Ｂに位置決めすると、ワークＷＡを切断加工する部分のレーザ光ＬＢのエネルギー分布は、厚板切断に適したモードとなるものである。なお、集光位置ＰＢと集光位置ＰＣとの間におけるワーク表面のエネルギー分布をフォーカスモニタによって観察すると、図２（ａ－１）に示すとおりであった。したがって、切断幅を広くしてワークＷＡの切断を行うことができる。

次に、コリメーションレンズ５を、前記基準位置９Ａからプロセスファイバー３の出射端３Ｅ側の薄板対応領域の位置９Ｃへ位置決めすると、レーザ光ＬＢは、内側コリメーションレンズ５Ｂの軸心側を透過する。この際、透過したレーザ光ＬＢは、平行光線化されることなく、所定の広がり角を保持して透過する。

したがって、集光レンズ７に入射されるレーザ光ＬＢの径は、コリメーションレンズ５を基準位置９Ａ、厚板対応領域の位置９Ｂに位置決めしたときよりも大径となる。よって、集光レンズ７の焦点位置（集光位置）ＰＤの集光径をより小さくすることができる。すなわち、コリメーションレンズ５を、薄板対応領域の位置９Ｃに位置決めすることによって、集光径をより小さくして薄板のワークＷＣの切断に適した形態となるものである。なお、焦点位置ＰＤは、レーザ加工ヘッド１の位置を調節することにより、ワークＷＣの上面に対して所望の位置とすることができる。そして、焦点位置ＰＤにおけるエネルギー分布は、フォーカスモニタによって観察すると、図２（ｃ－１）に示すとおりであった。

以上のごとき説明から理解されるように、本実施形態においては、プロセスファイバー３の出射端３Ｅから出射されたレーザ光ＬＢを平行光線化するためのコリメーションレンズ５は、リング状の長焦点レンズに構成した外側コリメーションレンズ５Ａの内側に短焦点レンズに構成したコリメーションレンズ５Ｂを一体に備えた、二重焦点のコリメーションレンズ５に構成してある。そして、レーザ加工ヘッド１の定位置に備えた集光レンズ７に対してコリメーションレンズ５を光軸方向に位置調節可能に備えている。

すなわち、本実施形態においては、コリメーションレンズ５と、集光レンズ７を備えた簡単な構成でもって、コリメーションレンズ５を光軸方向に位置調節することにより、厚板のワークＷＡ、中厚のワークＷＢ及び薄板のワークＷＣに対応して集光径及び焦点深度を適正値に調節することができる。

ところで、前記構成において、厚板のワークＷＡのレーザ切断加工を行う場合、外層光１１Ａは内層光１１Ｂの発散角内に位置する。したがって、ワークＷＡのレーザ切断加工を行う場合、内層光１１Ｂの発散角の影響を受けることで厚板の加工に適した状態になる。そこで、コリメーションレンズ５の位置を９Ｂの位置から９Ａの位置まで変化させて同じ材料（ＳＳ４００板厚２２ｍｍ）に対して、レーザ切断加工を行った。コリメーションレンズ５を位置９Ａ，９Ｃに位置決めした場合には、板厚２２ｍｍのワークの切断は不可能であった。

ここで、ワークの切断可能性と面精度を確認するために、コリメーションレンズ５を位置９Ｂから位置９Ａ側へ僅かに移動して切断加工を行った。

図３の写真は切断面精度の違いが現れやすい板厚２２ｍｍの切断面の上側約５ｍｍの写真である。一番上がコリメーションレンズ５の位置が９Ｂの位置の状態で、真ん中がコリメーションレンズ５の位置が９Ｂの位置から少し９Ａの位置に近づいた状態で、一番下がコリメーションレンズ５が９Ｂの位置からさらに９Ａに近づいた位置の状態の写真である。

また、図３右部の写真はそれぞれ一番上と一番下の板厚２２ｍｍの断面全体に渡る写真であるがいずれも切断可能であることが確認できた。左部の写真で明らかなように厚板の加工ではコリメーションレンズ５が９Ｂの位置の状態である一番上の写真が切断面精度は良好で、コリメーションレンズ５が９Ｂの位置から遠ざかり９Ａの位置に近づく状態になるに従い、切断面上側が粗くなる傾向であることが分かった。よって加工する厚板材料の板厚、材質に対してコリメーションレンズ５を９Ａから９Ｂに位置を適宜変更することで、面粗度が良好なコリメーションレンズ５の位置を決定することができることになる。

そこで、ビームフォーカスモニタを用いて切断位置（集光位置ＰＣ）でのモード解析を行った。そして、図４に示すように、ビームフォーカスモニタの表示画面１３において、モード解析図１５の面積の９８％を含む位置を基底位置１７とし、この基底位置１７における直径ｄ（９８％）をＤ１とした。そして、モード解析図１５の頂部１９と基底位置１７との中間位置２１における直径ｄ（５０％）をＤ２とした。ここで、（Ｄ１－Ｄ２）／Ｄ２の値を、モード傾斜比率と定義した。したがって、図４に示したモード解析において、モード傾斜比率は、（０．７２８－０．５０３）／０．５０３≒０．４５となる。

ここで、コリメーションレンズ５の位置（９Ｃ、９Ａ、９Ｂ）をそれぞれ移動させたときにおけるモード傾斜比率および特許文献１（特許第５６２３４５５号公報）の図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）に示すように薄板、中厚板、厚板用に変化させた時のモード傾斜比率の関係を、図５に示している。

このとき、厚さ３ｍｍ以下の薄板に対してコリメーションレンズ５を９Ｃ位置から９Ａ位置寄の位置に、厚さ３ｍｍ～１２ｍｍ程度の中厚板に対してコリメーションレンズ５を９Ａ位置から僅かに９Ｃ位置寄りの位置から、９Ａ位置から僅かに９Ｂ位置寄りの位置に、及び厚さ１２ｍｍ～２０ｍｍ程度の厚板に対応して、コリメーションレンズ５を僅かに９Ａ位置寄りの位置から９Ｂ位置に移動させ、薄板から厚板まで切断できることを確認した。よってレンズ等の交換をすることなく薄板は従来通りの加工特性を維持しつつ厚板まで切断できる。

また、各切断板厚の面粗さを確認したが、特に厚板ではモード傾斜比率が小さくなるほど切断の面粗さは小さくなり、モード傾斜比率が大きくなるほど切断の面粗さは大きくなる傾向にあることが分かった。よって本件発明の構成においては厚板においては従来技術より面粗度が良好な加工を実現できる。なお厚板の切断においてはモード傾斜比率は１．０以下でより小さい方が切断面粗度においては望ましい。参考までに、従来構成のコリメーションレンズを９Ｂ位置に相当する位置に位置決めした場合には、図５の９Ｂ位置の上側に示すように、モード傾斜比率は１．０より大きなものである。

また薄板においては、モード傾斜比率の影響より、集光径の大きさの影響が大なので、集光径が小さければ高速で面粗度の良質な加工ができ、従来と同様の加工を実現できる。

すなわち、モード傾斜比率が大きくなることは、レーザ光がワークの切断に寄与している部分におけるレーザビームの外周面のテーパー角度が大きいことに相当するものである。したがって、ワークのレーザ切断面は、ワーク表面に対して傾斜面となり易いものである。よって、モード傾斜比率を小さく保持して、二重焦点のコリメーションレンズを光軸方向に位置調節することで、ワークの板厚に対応した加工が容易に実現できる。

以上のごとき説明から理解されるように、本実施形態によれば、レーザ加工ヘッド１に備えたコリメーションレンズ５を、二重焦点のコリメーションレンズの構成としたから、ワークが薄板、中厚板、厚板の場合であっても、容易に対応可能であり、前述したごとき問題を解消し得るものである。

また、本実施形態によれば、コリメーションレンズ５が二重焦点のコリメーションレンズであることにより、モード傾斜比率をより小さくすることができ厚板ワークの切断面粗度のよい切断がより容易になるものである。

なお、本発明は、前述したごとき実施形態のみに限るものではなく、適宜の変更を行うことにより、その他の形態でもって実施可能である。すなわち、モード傾斜比率を演算する際、ビームフォーカスモニタの表示画面に表示されたモード解析図の９８％を占める位置を基底位置とした。しかし、基底位置は、９８％を占める位置に限ることなく、他の位置にすることも可能である。また、モード解析図の基底位置と頂部との中間位置を選択してモード傾斜比率を求めた。しかし、中間位置に限ることなく、基底位置寄りの位置又は頂部寄りの位置を選択することも可能である。

１ レーザ加工ヘッド
３ プロセスファイバー
５ コリメーションレンズ
５Ａ 外側コリメーションレンズ
５Ｂ 内側コリメーションレンズ
７ 集光レンズ
９Ａ 基準位置
９Ｂ 厚板対応位置
９Ｃ 薄板対応位置
１１Ａ 外層光
１１Ｂ 内層光
１３ 表示画面
１５ モード解析図
１７ 基底位置
１９ 頂部
２１ 中間位置

Claims (4)

1. プロセスファイバーの出射端から出射されたレーザ光を平行光線化するコリメーションレンズと、コリメーションレンズを透過したレーザ光を集光してワークへ照射する集光レンズとを備えたレーザ加工ヘッドであって、
   前記コリメーションレンズは、外周縁に備えたリング状の外側コリメーションレンズの内側に、内側コリメーションレンズを一体に備えた構成であり、外側コリメーションレンズの焦点距離は、内側コリメーションレンズの焦点距離よりも大であることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、内側コリメーションレンズの直径は、内側コリメーションレンズの焦点位置とプロセスファイバーの出射端とを一致した位置に位置決めしたときに、出射端から出射されて広がるレーザ光を入射する直径に形成してあることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
3. 請求項１又は２に記載のレーザ加工ヘッドを使用してのレーザ切断加工方法であって、外側コリメーションレンズを透過したレーザ光の焦点位置を、内側コリメーションレンズを透過して一旦集光された後に広がる広がり角内に保持してワークのレーザ切断加工を行うことを特徴とするレーザ切断加工方法。
4. 請求項３に記載のレーザ切断加工方法において、集光レンズによって集光された焦点位置でのモード解析図をビームフォーカスモニタの表示画面に表示し、表示されたモード解析図の面積の９８％を占める位置を基底位置とし、この基底位置からモード解析図の頂部までの中間位置を５０％としたとき、基底位置におけるモード解析図の直径をＤ１とし、中間位置の直径をＤ２としたとき、（Ｄ１－Ｄ２）／Ｄ２の値が１．００以下であることを特徴とするレーザ切断加工方法。

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