JP7398649B2

JP7398649B2 - レーザ加工装置およびレーザ加工方法

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Publication number: JP7398649B2
Application number: JP2019236219A
Authority: JP
Inventors: 重之森; 正裕森; 隆幸吉田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2023-12-15
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: JP2021104518A

Description

本開示は、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

レーザダイオード（以下、ＬＤという）光を直接加工に用いるダイレクトダイオードレーザ（以下、ＤＤＬという）が知られている。このＤＤＬでは、従来の加工用レーザ（例えば、ＣＯ_２レーザ、固体レーザなど）と比較して、電気光変換効率が非常に高く、ランニングコストの大幅な削減を見込むことができる。そのため、ＤＤＬは、レーザ加工装置の高消費電力問題を解決する次世代レーザとして注目されている。

しかしながら、ＬＤ光は集光性が悪いため、細径の光ファイバを用いて高出力で伝送することが難しい。そのため、ＬＤ光を用いて、高いエネルギ密度を必要とする加工（例えば、金属切断など）を行うことは、困難であった。

これに対し、例えば特許文献１には、波長の異なる固体レーザ光と重畳用ＬＤ光とを重畳させることにより、高いエネルギ密度を得ることができるレーザ加工装置が開示されている。

特許文献１のレーザ加工装置では、固体レーザ光と重畳用ＬＤ光とは、ダイクロイックミラーにより重畳された後、伝送用光ファイバに伝送され、出射集光光学系へ向かう。このとき、加工対象および加工内容によっては、それぞれのレーザ光を異なるスポット径で集光させることにより、加工品質を向上させることが可能である。

一般的に、金属は、光の波長が短いほど吸収率が高いため、短波長側の光を小さく集光させることにより、局所的に高エネルギを吸収させることができ、深い溶込みを得ることができる。また、金属は、その温度が上がるほど吸収率が上昇するので、長波長側の光を大きく集光させることにより、短波長光の集光箇所を起点に広く浅く溶融させることができ、スパッタ発生を抑制することが可能となる。

国際公開第２００３／０３４５５４号

しかしながら、特許文献１のレーザ加工装置では、加工対象に照射される固体レーザ光および重畳用ＬＤ光は、ほぼ同一の集光スポットサイズにしかならないという課題がある。よって、互いに波長が異なる複数のＬＤ光を、異なる集光スポットサイズで集光させることができる技術が望まれている。

本開示の一態様の目的は、互いに波長が異なる複数のＬＤ光を、異なる集光スポットサイズで集光させることができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することである。

本開示の一態様に係るレーザ加工装置は、第１波長を有する第１レーザ光を出射する第１光源と、前記第１波長と異なる第２波長を有する第２レーザ光を出射する第２光源と、前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とを重畳する波長合成部と、重畳された前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を集光する集光光学系と、前記集光光学系から出射された前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を伝送するダブルコアファイバと、を有し、前記第１光源において前記第１レーザ光が出射される第１出射面の面積は、前記第２光源において前記第２レーザ光が出射される第２出射面の面積と異なり、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光のうち、前記ダブルコアファイバの始端部における集光スポットの面積が第１の面積を有するレーザ光は、前記ダブルコアファイバの中心部に設けられた第１コアに導光され、前記集光スポットの面積が前記第１の面積よりも大きい第２の面積を有するレーザ光は、前記第１コアおよび前記第１コアの周辺に設けられた第２コアに導光される。

本開示の一態様に係るレーザ加工方法は、第１光源から第１波長を有する第１レーザ光を出射し、かつ、第２光源から前記第１波長と異なる第２波長を有する第２レーザ光を出射する工程と、前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とを重畳する工程と、重畳された前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を集光する工程と、集光された前記第１レーザ光および前記第２レーザ光をダブルコアファイバにより伝送する工程と、を有し、前記第１光源において前記第１レーザ光が出射される第１出射面の面積は、前記第２光源において前記第２レーザ光が出射される第２出射面の面積と異なり、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光のうち、前記ダブルコアファイバの始端部における集光スポットの面積が第１の面積を有するレーザ光は、前記ダブルコアファイバの中心部に設けられた第１コアに導光され、前記集光スポットの面積が前記第１の面積よりも大きい第２の面積を有するレーザ光は、前記第１コアおよび前記第１コアの周辺に設けられた第２コアに導光される。

本開示によれば、互いに波長が異なる複数のＬＤ光を、異なる集光スポットサイズで集光させることができる。

本開示の実施の形態１に係るレーザ加工装置の概略図本開示の実施の形態２に係るレーザ加工装置の概略図本開示の実施の形態２に係るレーザ加工装置におけるダブルコアファイバの始終端部周辺の概略図

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。

（実施の形態１）
本開示の実施の形態１に係るレーザ加工装置１００について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態のレーザ加工装置１００の概略図である。

図１に示すレーザ加工装置１００は、レーザ光の照射により被加工物３５を加工する装置である。図１に示すように、レーザ加工装置１００は、第１ＬＤ光源２４、第２ＬＤ光源２５、第１コリメート光学系２８、第２コリメート光学系２９、波長合成部３２、および集光光学系３４を備える。なお、第１コリメート光学系２８および第２コリメート光学系２９は、必須の構成要素ではない。

第１ＬＤ光源２４（第１光源の一例）は、波長λ１（第１波長の一例）のレーザ光２６を出射する。第１レーザ光２６は、第１ＬＤ光源２４から拡散されて出射される。

第２ＬＤ光源２５（第２光源の一例）は、波長λ１とは異なる波長λ２（第２波長の一例）のレーザ光２７を出射する。第２レーザ光２７は、第２ＬＤ光源２５から拡散されて出射される。

第１ＬＤ光源２４および第２ＬＤ光源２５としては、例えば、単一の照射面を備えたＣＡＮタイプＬＤ、ＣＡＮタイプＬＤを複数並べたもの、複数の照射面を備えたマルチダイパッケージタイプＬＤ、マルチダイパッケージＬＤを複数並べたもの、複数の照射面をアレイ状に並べたバータイプＬＤ、または、バータイプＬＤを複数並べたもの等を用いることができる。

第１ＬＤ光源２４において第１レーザ光２６が出射される第１出射面の面積Ｓ１（図示略）は、第２ＬＤ光源２５において第２レーザ光２７が出射される第２出射面の面積Ｓ２（図示略）と異なる。そのため、後述するように、波長合成部３２によって重畳された第１レーザ光２６および第２レーザ光２７（重畳レーザ光３３）は、集光光学系３４によって異なる集光スポットサイズで集光される。

例えば、第１レーザ光２６および第２レーザ光２７のうち、短波長のレーザ光を小さく集光させ、長波長のレーザ光を大きく集光させることが可能である。この場合、短波長のレーザ光に対して高い吸収率を有する材料を加工する際に、吸収率の高い短波長のレーザ光を小さく集光させることができる。よって、局所的に高エネルギを被加工物に吸収させることができ、被加工物において深い溶込みを得ることができる。

また、長波長のレーザ光を大きく集光させることで、短波長のレーザ光の集光箇所を起点に広く浅く被加工物を溶融させることができ、加工時のスパッタ発生を抑制することが可能となる。

もちろん、被加工物の特性に応じて、長波長のレーザ光を小さく集光させ、短波長のレーザ光を長波長よりも大きく集光させてもよい。

すなわち、本実施の形態では、レーザ光の出射面の面積が互いに異なる複数のＬＤ光源を用いることにより、複数の波長のレーザ光を、異なる集光スポットサイズで集光させることができる。このため、被加工物の材料特性に応じて集光スポットサイズを調整することが可能になり、加工の精度を向上させることができる。その結果、信頼性の高い加工を行うことができる。

本実施の形態では、第１出射面の面積Ｓ１は、第２出射面の面積Ｓ２よりも小さい。

本実施の形態では、第１レーザ光２６の波長λ１と第２レーザ光２７の波長λ２は、λ１＜λ２の関係を満たす。すなわち、第１レーザ光２６の波長λ１は、第２レーザ光２７の波長λ２より小さい（短い）。よって、本実施の形態のレーザ加工装置１００は、短波長の第１レーザ光２６を小さく集光させ、長波長の第２レーザ光２７を第１レーザ光２６よりも大きく集光させることができる。したがって、本実施の形態のレーザ加工装置１００は、特に、長波長と比較して短波長のレーザ光に対して高い吸収率を有する材料の加工に有用である。

図１に示すように、レーザ加工装置１００は、第１コリメート光学系２８および第２コリメート光学系２９を有する。第１コリメート光学系２８は、第１レーザ光２６を平行光（例えば、図１に示す第１コリメート光３０）にする。第２コリメート光学系２９は、第２レーザ光２７を平行光（例えば、図１に示す第２コリメート光３１）にする。

第１コリメート光学系２８および第２コリメート光学系２９としては、例えば、コリメートレンズ、複数のコリメートレンズを並べたもの、ＬＤ光の速軸方向をコリメートするファストアクシスコリメータ（以下、ＦＡＣという）と遅軸方向をコリメートするスロウアクシスコリメータ（以下、ＳＡＣという）との組合せ、または、複数のＦＡＣとＳＡＣとを並べたもの等を用いることができる。

本実施の形態では、第１コリメート光学系２８は焦点距離ｆｉ１（図示略）を有し、第２コリメート光学系２９はおよび焦点距離ｆｉ２（図示略）を有する。

第１コリメート光３０は、第１コリメート光学系２８を通過後の第１レーザ光２６である。第２コリメート光３１は、第２コリメート光学系２９を通過後の第２レーザ光２７である。

第１コリメート光３１および第２コリメート光３２は、必ずしも厳密な平行光である必要はなく、速軸方向および遅軸方向それぞれにおいて、やや収束していてもよく、または、やや拡散していてもよい。

なお、上述したとおり、レーザ加工装置１００は、第１コリメート光学系２８および第２コリメート光学系２９を備えなくてもよい。

図１に示す波長合成部３２は、波長の異なる第１コリメート光３０と第２コリメート光３１とを空間的に重畳（合成と言い換えてもよい）させる。

波長合成部３２で行われる重畳方法としては、例えば、波長λ１、λ２のそれぞれに対応したダイクロイックミラーを用いて一方のレーザ光を反射させ、他方のレーザ光を透過させて重畳させる方法、または、波長λ１、λ２のそれぞれを異なる入射角でプリズムに入射させて、その反射光や透過光を重畳させる方法等を用いることができる。

図１に示す重畳レーザ光３３は、波長合成部３２によって第１コリメート光３０と第２コリメート光３１とが空間的に重畳された光である。

なお、第１ＬＤ光源２４および第２ＬＤ光源２５のそれぞれが複数のＬＤを含む場合、複数のＬＤからの光をそれぞれコリメートした後に、空間合成部（図示略）によって空間的に集積させてから、波長合成部３２において第１レーザ光２６と第２レーザ光２７とを重畳させてもよい。

図１に示した集光光学系３４は、重畳レーザ光３３を被加工物３５に向けて集光させる。これにより、第１レーザ光２６および第２レーザ光２７は、被加工物３５上に集光される。集光光学系３４は、焦点距離ｆｏ（図示略）を有する。

集光光学系３４としては、例えば、単一の集光レンズ、複数のレンズを組合せた組レンズ、または、曲面を持った集光ミラー等を用いることができる。

本実施の形態では、波長λ１成分の被加工物３５上での集光スポットの面積をＰ１とし、波長λ２成分の被加工物３５上での集光スポットの面積をＰ２とした場合、以下の式（１）、（２）を満たす。
Ｐ１＝Ｓ１×ｆｉ１÷ｆｏ・・・（１）
Ｐ２＝Ｓ２×ｆｉ２÷ｆｏ・・・（２）

ここで、第１コリメート光学系２８の焦点距離ｆｉ１および第２コリメート光学系２９の焦点距離ｆｉ２は、第１ＬＤ光源２４、第２ＬＤ光源２５、第１コリメート光学系２８、第２コリメート光学系２９それぞれの配置に関する物理的制約および光学的制約によって、ほぼ同一の数値とならざるを得ない。そのため、近似的に以下の式（３）が成立する。
Ｐ１：Ｐ２＝Ｓ１：Ｓ２・・・（３）

すなわち、重畳させた第１レーザ光２６および第２レーザ光２７の集光スポットの面積Ｐ１およびＰ２を異なるようにするためには、第１ＬＤ光源２４および第２ＬＤ光源２５の出射面の面積Ｓ１およびＳ２を異ならせればよい。

（実施の形態２）
本開示の実施の形態２に係るレーザ加工装置２００について、図２、図３を用いて説明する。図２は、本実施の形態のレーザ加工装置２００の概略図である。図３は、図２に示すダブルコアファイバ３６の始終端部周辺の概略図である。なお、図２、図３において、実施の形態１と同じ構成要素については同一符号を付しており、それらの説明については適宜省略する。

図２に示すように、レーザ加工装置２００は、図１に示した各種構成要素に加えて、重畳レーザ光３３を伝送するダブルコアファイバ３６をさらに有する。

図３に示すように、ダブルコアファイバ３６は、その厚み方向の中心から順に、第１コア４０、第２コア４１、クラッド４２が積層された光ファイバである。

図２に示すように、ダブルコアファイバ３６の始端部は、集光光学系３４によって集光された重畳レーザ光３３の集光位置に配置されている。重畳レーザ光３３は、ダブルコアファイバ３６の始端部から入射し、ダブルコアファイバ３６の内部を通って、ダブルコアファイバ３６の終端部から出射する。

ダブルコアファイバ３６において、重畳レーザ光３３に含まれる第１レーザ光２６および第２レーザ光２７のうち、一方は第１コア４０に導光され、他方は第１コア４０および第２コア４１に導光される。

図３に示す第１入射レーザ光３８は、集光光学系３４によって集光された重畳レーザ光３３のうちの波長λ１成分である。すなわち、第１入射レーザ光３８は、第１レーザ光２６に由来する成分である。

レーザ加工装置２００がコリメート光学系（例えば、図２に示す第１コリメート光学系２８および第２コリメート光学系２９）を有する場合、第１入射レーザ光３８は、第１コリメート光３０に由来する成分である。

図３に示すように、第１入射レーザ光３８は、ダブルコアファイバ３６の始端部から第１コア４０に入射した後、第１コア４０内を伝搬し、ダブルコアファイバ３６の終端部から第１出射レーザ光４３として出射する。

図３に示すように、第２入射レーザ光３９は、集光光学系３４によって集光された重畳レーザ光３３のうちの波長λ２成分である。すなわち、第２入射レーザ光３９は、第２レーザ光２７に由来する成分である。

レーザ加工装置２００がコリメート光学系（例えば、図２に示す第１コリメート光学系２８および第２コリメート光学系２９）を有する場合、第２入射レーザ光３９は、第２コリメート光３１に由来する成分である。

図３に示すように、第２入射レーザ光３９は、ダブルコアファイバ３６の始端部から第１コア４０および第２コア４１に入射し、第１コア４０および第２コア４１内を伝搬し、ダブルコアファイバ３６の終端部から第２出射レーザ光４４として出射する。

図２に示すように、レーザ加工装置２００は、結像光学系３７をさらに有してもよい。

結像光学系３７は、ダブルコアファイバ３６から出射された重畳レーザ光３３を被加工物３５に向けて結像倍率Ａで結像させる光学系である。

結像光学系３７としては、例えば、単一の集光レンズ、複数のレンズを組合せた組レンズ、または、曲面を持った集光ミラー等を用いることができる。

ここで、第１コア４０および第２コア４１それぞれの断面積をＳｃ１およびＳｃ２とする。また、ダブルコアファイバ３６の始端部における第１入射レーザ光３８および第２入射レーザ光３９それぞれの集光スポットの面積をＳｉ１およびＳｉ２とする。この場合、レーザ加工装置２００は、以下の式（４）、（５）を満たす。
Ｓｉ１≦Ｓｃ１・・・（４）
Ｓｉ２≦Ｓｃ１＋Ｓｃ２・・・（５）

式（４）を満たすことにより、第１入射レーザ光３８は、ダブルコアファイバ３６の第１コア４０内を伝搬し、ダブルコアファイバ３６の終端部から第１出射レーザ光４３として出射される。

式（５）を満たすことにより、第２入射レーザ光３９は、ダブルコアファイバ３６の第１コア４０内および第２コア４１内を伝搬し、ダブルコアファイバ３６の終端部から第２出射レーザ光４４として出射される。

また、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、Ｓｉ１およびＳｉ２は、以下の関係式（６）、（７）を満たす。
Ｓｉ１＝Ｓ１×ｆｉ１÷ｆｏ・・・（６）
Ｓｉ２＝Ｓ２×ｆｉ２÷ｆｏ・・・（７）

式（６）および式（７）で示す通り、式（４）および式（５）を満たすためには、第１ＬＤ光源２４および第２ＬＤ光源２５の出射面の面積Ｓ１およびＳ２の関係が非常に重要である。

式（６）および式（７）を満たすことにより、波長λ１成分の被加工物３５上における集光スポットの面積Ｐ１（以下、単に「面積Ｐ１」という）と、波長λ２成分の被加工物３５上における集光スポットの面積Ｐ２（以下、単に「面積Ｐ２」という）とが、以下の式（８）を満たす。
Ｐ１：Ｐ２＝Ｓｃ１：Ｓｃ１＋Ｓｃ２・・・（８）

実施の形態２では、重畳レーザ光３３がダブルコアファイバ３６に入ることにより、コアの面積比が集光スポットの面積比となる。なお、これに対し、実施の形態１では、式（３）に示したように、出射面の面積比が集光スポットの面積比となる。

すなわち、面積Ｐ１と面積Ｐ２との関係は、第１コア４０の断面積Ｓｃ１と第２コア４１の断面積Ｓｃ２との関係に影響を受ける。

よって、式（４）および式（５）を満たす範囲で第１コア４０および第２コア４１それぞれの断面積が異なるダブルコアファイバ３６を選択することにより、面積Ｐ１および面積Ｐ２を被加工物３５および加工内容に適した大きさに変更することができる。

また、重畳レーザ光３３を、ダブルコアファイバ３６内を伝送させることにより、レーザ加工装置２００としてフレキシブルなシステムアップが可能となるという利点もある。

以上説明したように、実施の形態１のレーザ加工装置１００および実施の形態２のレーザ加工装置２００は、波長λ１を有する第１レーザ光２６を出射する第１ＬＤ光源２４と、波長λ１と異なる波長λ２を有する第２レーザ光２７を出射する第２ＬＤ光源２５と、第１レーザ光２６と第２レーザ光２７とを重畳する波長合成部３２と、重畳された第１レーザ光２６および第２レーザ光２７を集光する集光光学系３４と、を有し、第１ＬＤ光源２４において第１レーザ光２６が出射される第１出射面の面積Ｓ１は、第２ＬＤ光源２５において第２レーザ光２７が出射される第２出射面の面積Ｓ２と異なることを特徴とする。この特徴により、互いに波長が異なる複数のＬＤ光を、異なる集光スポットサイズで集光させることができる。その結果、加工品質の向上に寄与することができる。

なお、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。

本開示のレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、ＤＤＬレーザ発振器を用いた加工において加工品質の向上に寄与する効果を有し、金属、樹脂、またはそれらを組み合わせた異種材料における、溶接、切断、穴あけ等の幅広い加工用途に適用できる。

２４第１ＬＤ光源
２５第２ＬＤ光源
２６第１レーザ光
２７第２レーザ光
２８第１コリメート光学系
２９第２コリメート光学系
３０第１コリメート光
３１第２コリメート光
３２波長合成部
３３重畳レーザ光
３４集光光学系
３５被加工物
３６ダブルコアファイバ
３７結合光学系
３８第１入射レーザ光
３９第２入射レーザ光
４０第１コア
４１第２コア
４２クラッド
４３第１出射レーザ光
４４第２出射レーザ光

Claims

第１波長を有する第１レーザ光を出射する第１光源と、
前記第１波長と異なる第２波長を有する第２レーザ光を出射する第２光源と、
前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とを重畳する波長合成部と、
重畳された前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系から出射された前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を伝送するダブルコアファイバと、を有し、
前記第１光源において前記第１レーザ光が出射される第１出射面の面積は、前記第２光源において前記第２レーザ光が出射される第２出射面の面積と異なり、
前記第１レーザ光および前記第２レーザ光のうち、
前記ダブルコアファイバの始端部における集光スポットの面積が第１の面積を有するレーザ光は、前記ダブルコアファイバの中心部に設けられた第１コアに導光され、
前記集光スポットの面積が前記第１の面積よりも大きい第２の面積を有するレーザ光は、前記第１コアおよび前記第１コアの周辺に設けられた第２コアに導光される、
レーザ加工装置。
前記第１出射面の面積は、前記第２出射面の面積よりも小さい、
請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記第１波長は、前記第２波長よりも小さい、
請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
第１光源から第１波長を有する第１レーザ光を出射し、かつ、第２光源から前記第１波長と異なる第２波長を有する第２レーザ光を出射する工程と、
前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とを重畳する工程と、
重畳された前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を集光する工程と、
集光された前記第１レーザ光および前記第２レーザ光をダブルコアファイバにより伝送する工程と、を有し、
前記第１光源において前記第１レーザ光が出射される第１出射面の面積は、前記第２光源において前記第２レーザ光が出射される第２出射面の面積と異なり、
前記第１レーザ光および前記第２レーザ光のうち、
前記ダブルコアファイバの始端部における集光スポットの面積が第１の面積を有するレーザ光は、前記ダブルコアファイバの中心部に設けられた第１コアに導光され、
前記集光スポットの面積が前記第１の面積よりも大きい第２の面積を有するレーザ光は、前記第１コアおよび前記第１コアの周辺に設けられた第２コアに導光される、
レーザ加工方法。
前記第１出射面の面積は、前記第２出射面の面積よりも小さい、
請求項４に記載のレーザ加工方法。
前記第１波長は、前記第２波長よりも小さい、
請求項４または５に記載のレーザ加工方法。