JP7382552B2 - レーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法 - Google Patents
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Description
[レーザ加工装置の構成]
図1は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成の模式図を示し、レーザ加工装置1000は、レーザ発振器10とビーム制御機構20とコントローラ80と光ファイバ90とレーザ光出射ヘッド100とマニピュレータ110とを備えている。また、図2は、光ファイバ90の断面構造と屈折率分布を示す。
図3は、ビーム制御機構をX方向から見た模式図を、図4Aは、ビーム制御機構の要部をY方向から見た模式図を、図4Bは、ビーム制御機構の要部をZ方向から見た模式図をそれぞれ示す。なお、本願明細書において、ビーム制御機構20の内部において、集光レンズ30に入射するまでのレーザ光LBの進行方向をZ方向と、モータ71の出力軸70aの延びる方向をX方向と、X方向及びZ方向をそれぞれ略直交する方向をY方向とそれぞれ呼ぶことがある。Z方向は、レーザ光LBの光軸の延びる方向と同方向である。X方向はZ方向と略直交している。また、モータ70の出力軸70aの軸線をX軸(第1軸)と呼ぶことがある。
次に、レーザ光LBのパワー分布の変更手順について説明する。
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工装置1000は、レーザ光LBを発生させるレーザ発振器10と、コア90aと、コア90aの外周側にコア90aと同軸に設けられた第1クラッド90bと、第1クラッド90bの外周側にコア90aと同軸に設けられた第2クラッド90cと、を少なくとも有し、入射端面90dおよび入射端面90dとは反対の出射端を有する光ファイバ90と、レーザ発振器10に設けられ、レーザ光LBを光ファイバ90の入射端面90dに導入するビーム制御機構20と、光ファイバ90の出射端に取付けられレーザ光LBをワーク200に向けて照射するレーザ光出射ヘッド100と、を少なくとも備えている。
図11は、本実施形態に係るワークの溶接シーケンスを、図12は、ワークの溶接箇所の断面模式図をそれぞれ示す。なお、図11,12において、実施形態1と同様の箇所は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
ワーク200におけるレーザ溶接対象部位の形状がレーザ溶接の進行方向に沿って変化している場合、溶接対象部位の形状に応じて、ワーク200に照射されるレーザ光LBのパワー分布を適切に切り替えることで、良好なレーザ溶接を行うことができる。図13を用いてさらに説明する。
変形例を含む実施形態1,2において、図2に示す構造のマルチクラッドファイバを例に取って説明したが、他の構造であってもよい。例えば、第2クラッド90cの外周側に1または複数のクラッドを設けてもよい。この場合、第2クラッド90cの外側に設けたクラッドは、その屈折率を順次に低めにすればよい。なお、レーザ光LBの入射できるクラッドは、最も外側のクラッドを除いたクラッドまでとしてよい。言うまでもなく、最も外側のクラッドの外にはファイバを機械的に保護する皮膜または樹脂系の保護層が設けられている。
20 ビーム制御機構
30 集光レンズ
40 光路変更保持機構
50 光学部材
60 ホルダ
70 モータ
70a 出力軸
80 コントローラ
90 光ファイバ
90a コア
90b 第1クラッド
90c 第2クラッド
90d 入射端面
100 レーザ光出射ヘッド
110 マニピュレータ
200 ワーク
210 溶融池
220 キーホール
221 開口
1000 レーザ加工装置
LB レーザ光
Claims (11)
- レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
コアと、前記コアの外周側に前記コアと同軸に設けられた第1クラッドと、前記第1クラッドの外周側に前記コアと同軸に設けられた第2クラッドと、を少なくとも有し、入射端面および前記入射端面とは反対の出射端を有する光ファイバと、
前記レーザ発振器に設けられ、前記レーザ光を前記光ファイバの入射端面に導入するとともに、前記光ファイバの出射端から出射される前記レーザ光のパワー分布を制御するビーム制御機構と、
前記光ファイバの出射端に取付けられ、前記レーザ光をワークに向けて照射するレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備え、
前記ビーム制御機構は、
前記レーザ光を受け取って所定の倍率で集光する集光レンズと、
前記集光レンズと前記光ファイバの入射端面との間の前記レーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の光路の変更と保持をする光路変更保持機構と、
前記光路変更保持機構の動作を制御するコントローラと、を少なくとも有し、
前記ビーム制御機構は、前記光ファイバの入射端面における前記レーザ光の入射位置を変化させることで、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とするレーザ加工装置。 - 請求項1に記載のレーザ加工装置において、
前記光路変更保持機構は、
前記レーザ光を透過させるとともに、前記レーザ光の光軸と交差する第1軸周りに傾動可能に設けられた平行平板状の光学部材と、
前記光学部材に連結されたアクチュエータと、を有し、
前記コントローラが前記アクチュエータを駆動して、前記光学部材を前記第1軸周りに傾動させることで、前記ビーム制御機構は前記光ファイバの入射端面における前記レーザ光の入射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工装置。 - 請求項2に記載のレーザ加工装置において、
前記ビーム制御機構は、前記コア及び前記第1クラッドの少なくとも一方に前記レーザ光を入射させることを特徴とするレーザ加工装置。 - 請求項1ないし3のいずれか1項に記載のレーザ加工装置において、
前記ビーム制御機構は、前記ワークの材質及び前記ワークにおけるレーザ加工対象部位の形状のうち少なくとも一方に応じて、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とするレーザ加工装置。 - 請求項4に記載のレーザ加工装置において、
前記ビーム制御機構は、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を前記ワークのレーザ加工中に切り替えるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。 - 請求項5に記載のレーザ加工装置において、
前記ビーム制御機構は、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を前記ワークのレーザ加工中に周期的、かつ連続的に切り替えるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。 - 請求項1ないし6のいずれか1項に記載のレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、
前記ワークに向けて第1のパワー分布を有する前記レーザ光を照射する第1照射ステップと、
引き続き、前記ワークに向けて前記第1のパワー分布とは異なる第2のパワー分布を有する前記レーザ光を照射する第2照射ステップと、を少なくとも備えたことを特徴とするレーザ加工方法。 - 請求項7に記載のレーザ加工方法において、
前記第1照射ステップでは、前記ワークの表面に溶融池及びキーホールを形成し、
前記第2照射ステップでは、前記キーホールの開口を拡げるとともに、所望の溶け込み深さとなるように前記溶融池を成長させることを特徴とするレーザ加工方法。 - 請求項7に記載のレーザ加工方法において、
前記第1照射ステップでは、第1の厚さを有する前記ワークの第1の部分に向けて前記レーザ光を照射し、前記第2照射ステップでは、前記第1の厚さとは異なる第2の厚さを有する前記ワークの第2の部分に向けて前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工方法。 - 請求項8または9に記載のレーザ加工方法において、
前記第2照射ステップでは、前記レーザ光のパワー分布を所定の周波数で周期的、かつ連続的に切り替えることを特徴とするレーザ加工方法。 - 請求項10に記載のレーザ加工方法において、
前記所定の周波数は、前記ワークに形成されたキーホールの固有振動周波数に略等しいことを特徴とするレーザ加工方法。
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