JP7465753B2

JP7465753B2 - レーザ加工機及びレーザ加工方法

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Publication number: JP7465753B2
Application number: JP2020134769A
Authority: JP
Inventors: 哲也小林
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2024-04-11
Anticipated expiration: 2040-08-07
Also published as: JP2022030637A

Description

本発明は、レーザ発振器より射出されたレーザビームによって加工対象物を加工するレーザ加工機及びレーザ加工方法に関する。

近年、レーザ加工機のレーザ発振器は高出力化が進み、レーザ出力が１０ｋＷ以上のレーザ発振器が市場に投入されている。レーザ出力を高出力化すると、ファイバの非線形現象の１つである誘導ラマン散乱が発生しやすくなる。つまり、レーザ出力が１ｋＷ未満の低出力であれば、発生した誘導ラマン散乱光をフィルタなどで１％未満に減少させて発振器への影響を抑えることは既知の技術であるが、数ｋＷから１０ｋＷ以上のレーザ出力ともなれば、誘導ラマン散乱光を１％未満に減少させたところで絶対量が大きく、発振器への影響は更に検討されるべき課題となる。特許文献１には、レーザ発振器で発生した誘導ラマン散乱光の強度を低減後に、更に誘導ラマン散乱光の強度を検出し、検出した強度が設定値を超えた場合、レーザ出力を抑制することが記載されている。

特開２０１９－１９７０８１号公報

特許文献１においては、誘導ラマン散乱光の強度を検出した検出値のみに基づいてレーザ出力を制御している。レーザ発振器のレーザ出力を変化させると、発生する誘導ラマン散乱の光の強度も変化する。しかしながら、誘導ラマン散乱光が発生すればレーザ出力を抑制するだけでは、必要なレーザ出力を確保できず、より厚い板を切断することはできない、若しくは切断面の面精度を悪化する。また、誘導ラマン散乱光が発生すれば、出力できるレーザビームも低下するが、それが非線形現象であるため、レーザ出力をどの程度変化させれば改善するのか不明であり、解決には未知の部分が残っている。よって、誘導ラマン散乱光の強度を検出した検出値のみに基づいてレーザ出力を制御するだけでは、誘導ラマン散乱を適切に抑制することができない。誘導ラマン散乱を適切に抑制できなければ、加工品質が悪化することがある。

本発明は、誘導ラマン散乱を適切に抑制して加工品質を向上させることができるレーザ加工機及びレーザ加工方法を提供する。

本発明によれば、レーザビームを射出するレーザ発振器と、レーザ発振器より射出されたレーザビームを用いて板金を加工する加工ヘッドと、加工ヘッドを板金に対して相対的に移動させる駆動部と、レーザ発振器内または加工ヘッド内を進行するレーザビームのうち、誘導ラマン散乱に起因する不要光を含む第１の周波数帯域未満の第２の周波数帯域を有するレーザビームの第１の光量または第１及び第２の周波数帯域を有するレーザビームの全体光量を検出する第１の検出器と、レーザ発振器内または加工ヘッド内を進行するレーザビームのうち、第２の周波数帯域を有さず第１の周波数帯域を有するレーザビームの第２の光量を検出する第２の検出器と、第１の光量と第２の光量とを加算した全体光量または第１の検出器が検出した全体光量に対する第２の光量の割合が所定の閾値を超えるか、第１の光量に対する第２の光量の割合が所定の閾値を超えるときに、ステータス信号を出力する誘導ラマン散乱判定部と、誘導ラマン散乱判定部より出力されたステータス信号を受信したとき、レーザ発振器のレーザ出力を低下させるようレーザ発振器に出力指令値を供給し、板金に対して加工ヘッドを相対的に移動させる加工速度を低下させるよう駆動部を制御する制御装置とを備えるレーザ加工機が提供される。

本発明によれば、パルス波のレーザビームを射出するレーザ発振器と、レーザ発振器より射出されたレーザビームを用いて板金を加工する加工ヘッドと、加工ヘッドを板金に対して相対的に移動させる駆動部と、レーザ発振器内または加工ヘッド内を進行するレーザビームのうち、誘導ラマン散乱に起因する不要光を含む第１の周波数帯域未満の第２の周波数帯域を有するレーザビームの第１の光量または第１及び前記第２の周波数帯域を有するレーザビームの全体光量を検出する第１の検出器と、レーザ発振器内または加工ヘッド内を進行するレーザビームのうち、第２の周波数帯域を有さず第１の周波数帯域を有するレーザビームの第２の光量を検出する第２の検出器と、第１の光量と第２の光量とを加算した全体光量または第１の検出器が検出した全体光量に対する第２の光量の割合が所定の閾値を超えるか、第１の光量に対する第２の光量の割合が所定の閾値を超えるときに、ステータス信号を出力する誘導ラマン散乱判定部と、誘導ラマン散乱判定部より出力されたステータス信号を受信したとき、レーザ発振器が射出するレーザビームのパルス周波数を変更するようレーザ発振器を制御する制御装置とを備えるレーザ加工機が提供される。

本発明によれば、レーザビームを射出するレーザ発振器内のビームカプラまたは加工ヘッドが備えるベンドミラーを透過するレーザビームのうち、誘導ラマン散乱に起因する不要光を含む第１の周波数帯域未満の第２の周波数帯域の第１の光量または第１及び第２の周波数帯域を含むレーザビームの全体光量を第１の検出器によって検出し、ベンドミラーを透過するレーザビームのうち、第２の周波数帯域を含まず第１の周波数帯域を含むレーザビームの第２の光量を第２の検出器によって検出し、第１の光量と第２の光量とを加算した全体光量または第１の検出器が検出した全体光量に対する第２の光量の割合が所定の閾値を超えるか、第１の光量に対する第２の光量の割合が所定の閾値を超えるとき、ステータス信号を生成し、ステータス信号が生成されると、レーザ発振器のレーザ出力を低下させるようレーザ発振器に出力指令値を供給し、加工対象の板金に対して加工ヘッドを相対的に移動させる加工速度を低下させるレーザ加工方法が提供される。

本発明によれば、パルス波のレーザビームを射出するレーザ発振器内のビームカプラまたは加工ヘッドが備えるベンドミラーを透過するレーザビームのうち、誘導ラマン散乱に起因する不要光を含む第１の周波数帯域未満の第２の周波数帯域の第１の光量または第１及び第２の周波数帯域を含むレーザビームの全体光量を第１の検出器によって検出し、ベンドミラーを透過するレーザビームのうち、第２の周波数帯域を含まず第１の周波数帯域を含むレーザビームの第２の光量を第２の検出器によって検出し、第１の光量と第２の光量とを加算した全体光量または第１の検出器が検出した全体光量に対する第２の光量の割合が所定の閾値を超えるか、第１の光量に対する第２の光量の割合が所定の閾値を超えるとき、ステータス信号を生成し、ステータス信号が生成されると、レーザ発振器が射出するレーザビームのパルス周波数を変更するレーザ加工方法が提供される。

本発明のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、誘導ラマン散乱を適切に抑制して加工品質を向上させることができる。

第１実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。ステンレス鋼を切断加工するときに、誘導ラマン散乱に起因する不要光が発生しないときと発生するときの最大切断速度の違いを示す特性図である。アルミニウム板を切断加工するときに、誘導ラマン散乱に起因する不要光が発生しないときと発生するときの最大切断速度の違いを示す特性図である。レーザ加工機による連続波発振時とパルス波発振時とのレーザビームの波長と光強度との関係を示す特性図である。パルス波発振時のパルス周波数と誘導ラマン散乱に起因する不要光の発生量との関係を示す特性図である。パルス波発振時のパルス周波数とレーザ出力との関係を示す特性図である。第２実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。第３実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。第４実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。第５実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。第６実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。第７実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。第８実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。第９実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。第１０実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。第１１実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。第１２実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。第１３実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。第１４実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。第１５実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。第１６実施形態のレーザ加工機を示す構成図である。

以下、各実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法について、添付図面を参照して説明する。各実施形態のレーザ加工機において、同一部品には同一符号を付し、共通する部分の説明を省略することがある。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態のレーザ加工機１Ａを示す構成図である。レーザ加工機１Ａは、加工対象物としての板金を切断するレーザ切断機であってもよく、板金を溶接するレーザ溶接機であってもよい。加工対象物の加工とは切断に限定されず、溶接またはマーキング等の任意の加工でよい。第１実施形態及び後述する各実施形態において、レーザ加工機はレーザ切断機であり、加工対象物の加工とは切断であるとする。

図１に示すように、レーザ加工機１Ａは、レーザ発振器の一例であるファイバレーザ発振器１０と、加工部２０と、プロセスファイバ３０と、誘導ラマン散乱判定部４０と、ＮＣ装置５０とを備える。

ファイバレーザ発振器１０は、レーザビーム発振源１１と、レーザビーム発振源１１より射出されるレーザビームを伝播するフィーディングファイバ１２と、フィーディングファイバ１２とプロセスファイバ３０とを連結するビームカプラ１３とを備える。ファイバレーザ発振器１０の構成及び動作の詳細については後述する。

プロセスファイバ３０は、ビームカプラ１３より射出されるレーザビームを伝播し、加工部２０の加工ヘッド２２に入射させる。加工部２０は、加工ヘッド２２と、加工ヘッド２２を駆動する駆動部２１とを備える。

加工ヘッド２２は、コリメートレンズ２２１と集束レンズ２２３とを備える。コリメートレンズ２２１は、プロセスファイバ３０の射出端より射出された発散光のレーザビームを平行化して、コリメート光に変換する。集束レンズ２２３は、入射されたコリメート光のレーザビームを集束して収束光に変換し、板金Ｗに照射する。駆動部２１は加工ヘッド２２を板金Ｗに沿って移動させるが、加工ヘッド２２が固定されていて、板金Ｗを移動させてもよい。駆動部２１は、板金Ｗを切断するよう板金Ｗに対して相対的に加工ヘッド２２を移動させればよい。

誘導ラマン散乱判定部４０は、後述するようにレーザビーム発振源１１内で発生する誘導ラマン散乱の程度を判定する。ＮＣ装置５０は、ファイバレーザ発振器１０（レーザビーム発振源１１）及び駆動部２１を制御する。ＮＣ装置５０は、ファイバレーザ発振器１０及び駆動部２１を制御する制御装置の一例である。

ここで、ファイバレーザ発振器１０の構成及び動作を詳細に説明する。レーザビーム発振源１１は、例えば波長１０８０ｎｍのレーザビームを射出する。レーザビーム発振源１１は、波長１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍのレーザビームを射出すればよい。なお、以下の説明において、波長１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍのレーザビームを基本波とも称する。レーザビーム発振源１１の内部構成は公知であるので、内部構成の説明を省略する。ファイバレーザ発振器１０は、連続波（ＣＷ）を発振してもよいし、パルス波を発振してもよい。

ビームカプラ１３は、コリメートレンズ１３１と、ベンドミラー１３２と、集束レンズ１３３と、ダイクロイックミラー１３４と、第１のフォトダイオード１３６と、第２のフォトダイオード１３７とを備える。第１のフォトダイオード１３６は第１の検出器の一例であり、第２のフォトダイオード１３７は第２の検出器の一例である。

コリメートレンズ１３１は、フィーディングファイバ１２の射出端より射出された発散光のレーザビームを平行化して、コリメート光に変換する。コリメート光のレーザビームは、ベンドミラー１３２に入射されて反射される。ベンドミラー１３２は、レーザビームの反射面が、コリメート光の光軸に対して例えば４５度の角度で配置されている。ベンドミラー１３２で反射したレーザビームは、集束レンズ１３３に入射される。集束レンズ１３３は、入射したコリメート光を集束させて収束光に変換し、プロセスファイバ３０のコアに入射させる。

フィーディングファイバ１２より射出されてファイバレーザ発振器１０（ビームカプラ１３）内を進行するレーザビームは、レーザビーム発振源１１内で発生した誘導ラマン散乱に起因する不要光を含むことがある。不要光は、例えば、中心波長１１３０ｎｍを有する。以下、誘導ラマン散乱をＳＲＳと略記することがあり、誘導ラマン散乱に起因する不要光をＳＲＳ成分と称することとする。

ベンドミラー１３２は、入射するレーザビームの９９％を反射し、残余を透過させる特性を有する。ベンドミラー１３２を透過したレーザビームは、ダイクロイックミラー１３４に入射する。ダイクロイックミラー１３４は、ベンドミラー１３２を透過したレーザビームのうち、ＳＲＳ成分以外の波長１１００ｎｍ未満のレーザビームを透過させ、ＳＲＳ成分の波長を含む波長１１００ｎｍ以上のレーザビームを反射させる。ダイクロイックミラー１３４は、ＳＲＳ成分の反射面が、ベンドミラー１３２を透過したレーザビームの光軸に対して例えば１３５度の角度で配置されている。

ベンドミラー１３２を透過したレーザビームのうち、ＳＲＳ成分を含む波長１１００ｎｍ以上のレーザビームを、第１の周波数帯域を有するレーザビームと称することとする。ベンドミラー１３２を透過したレーザビームのうち、ＳＲＳ成分を含まない波長１１００ｎｍ未満のレーザビームを第２の周波数帯域を有するレーザビームと称することとする。

このように、ダイクロイックミラー１３４は、ベンドミラー１３２を透過するレーザビームを、ＳＲＳ成分を含まないレーザビームと、ＳＲＳ成分を含むレーザビームとに分離する。

第１のフォトダイオード１３６は、第２の周波数帯域を有するレーザビームの第１の光量を検出する。第２のフォトダイオード１３７は、第２の周波数帯域を有さず第１の周波数帯域を有するレーザビームの第２の光量を検出する。

誘導ラマン散乱判定部４０は、第１のフォトダイオード１３６が検出した第１の光量と、第２のフォトダイオード１３７が検出した第２の光量とを加算して、全体光量を算出する。全体光量は、第１及び第２の周波数帯域を有するレーザビームの光量であり、レーザビームの全周波数帯域の光量を示す。さらに、誘導ラマン散乱判定部４０は、第２の光量を全体光量で除算して、全体光量に対するＳＲＳ成分の光量の割合を算出する。全体光量に対するＳＲＳ成分の光量の割合を、以下、ＳＲＳ成分の発生量と称することとする。

誘導ラマン散乱判定部４０は、ＳＲＳ成分の発生量が予め定めた発生量を超えた場合、ステータス信号を生成してＮＣ装置５０に供給する。予め定めた発生量は、予め定めた閾値である。

誘導ラマン散乱判定部４０は、次のようにしてステータス信号を出力するか否かを決定してもよい。誘導ラマン散乱判定部４０は、第２の光量をＮ倍（例えば１００倍）して、Ｎ倍した第２の光量が第１の光量を超えた場合、ＮＣ装置５０にステータス信号を供給する。

このように、誘導ラマン散乱判定部４０は、全体光量とＳＲＳ成分の光量である第２の光量とを比較することによってステータス信号を出力するか否かを決定してもよいし、第１の光量と第２の光量とを比較することによってステータス信号を出力するか否かを決定してもよい。前者の場合、全体光量と第２の光量との比較とは、詳細には、全体光量に対する第２の光量の割合が所定の閾値を超えるか否かを判定することである。後者の場合、第１の光量と第２の光量とを比較を容易にするために、Ｎを自然数として、第２の光量をＮ倍した上で大小関係を判定しているので、第１の光量に対する第２の光量の割合が所定の閾値を超えるか否かを判定することと等価である。なお、前者の場合の閾値と後者の場合とは異なり、適宜の値に設定される。

ＮＣ装置５０は、誘導ラマン散乱判定部４０から供給されたステータス信号を受信すると、ファイバレーザ発振器１０から射出されるレーザビームのレーザ出力を下げるよう、ファイバレーザ発振器１０に供給する出力指令値を小さくする。なお、出力指令値とは、Ｗ（ワット）またはｋＷ（キロワット）で指令されるレーザ出力値である。これに加えて、ＮＣ装置５０は、板金Ｗの加工速度（切断速度）を遅くするよう駆動部２１を制御する。ＮＣ装置５０は、ＳＲＳ成分が発生しない程度に、ファイバレーザ発振器１０に対する出力指令値を小さくし、レーザ出力を下げても板金を切断することができるよう、加工速度を遅くする。この場合、ファイバレーザ発振器１０は、連続波を発振してもよいし、パルス波を発振してもよい。

ファイバレーザ発振器１０がパルス波を発振する場合には、ＮＣ装置５０は、出力指令値及び加工速度を調整する代わりにパルス周波数を変更してもよい。ＮＣ装置５０は、ＳＲＳ成分を低減させるようにパルス周波数を高くまたは低くする。この場合、パルス周波数を調整しても平均レーザ出力は変わらないため、ＮＣ装置５０は、板金Ｗの加工速度を変更するよう駆動部２１を制御する必要はない。

図２Ａは、レーザ加工機１Ａによって板厚３．０ｍｍのステンレス鋼を切断するときの出力指令値と最大切断速度との関係を示している。図２Ｂは、レーザ加工機１Ａによって板厚３．０ｍｍのアルミニウム板を切断するときの出力指令値と最大切断速度との関係を示している。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、破線は、ＳＲＳ成分が発生しない条件での出力指令値と最大切断速度との関係を示している。ここで、出力指令を百分率で表現した場合、例えば、プロセスファイバ３０の射出端で最大出力１０ｋＷを出力できるレーザビームであれば、１００％は１０ｋＷであり、７５％は７．５ｋＷであることを示す。また、最大切断速度の割合は、最大出力時の最大切断速度切断速度に対するそのそれぞれの出力指令で出力されるレーザビームの光強度（レーザ出力）での最大切断速度の割合である。以下、レーザビームの光強度をレーザ出力とも称することとする。

レーザ加工機１Ａによって指令される出力指令で出力されたプロセスファイバ３０の射出端でのレーザ出力が、期待されるレーザ出力よりも減少している場合に、その最大切断速度の割合も実際のレーザ出力に応じてｎ％減少する。つまり、図２Ａ及び図２Ｂは、プロセスファイバ３０の射出端で出力指令に期待される最大切断速度の割合（破線）と、その出力指令に対応して実際にプロセスファイバ３０の射出端で計測されたレーザ出力に応じた切断速度の割合がその最大切断速度の割合からｎ％減少したのかを示している。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、板厚３．０ｍｍのステンレス鋼及びアルミニウム板であれば、ＳＲＳ成分が発生していない条件下で出力指令１００％時、最大切断速度１００％で切断が可能であり、出力指令に比例してそれぞれの最大切断速度の割合が増加している。しかし、ＳＲＳ成分が発生する条件下では、出力指令１００％時、下向き矢印で示すように、３７％または３８％最大切断速度の割合が低下した。つまり、ＳＲＳ成分の発生状況によっては、最大切断速度の割合は３５％以上減少する。また、出力指令９７％でＳＲＳ成分が発生すると最大切断速度は１６％または２７％低下した。なお、板厚３．０ｍｍのステンレス鋼及びアルミニウム板は、ＳＲＳ成分が発生する条件下では、出力指令９５％を超えると、ＳＲＳ成分が発生することが分かった。

上記のように、出力指令１００％としたとしても（出力指令を９５％以上としたとしても）、ＳＲＳ成分が発生すると出力指令８０％の最大切断速度の割合よりも低い最大切断速度の割合となってしまう。

図３はＳＲＳ成分の光強度と基本波の光強度を比較して並べた簡略図であり、レーザ加工機１Ａは、レーザビーム発振源１１が連続波を発振するときとパルス波を発振するときとでＳＲＳ成分の発生量が異なる。パルス波発振時の方が連続波発振時より顕著にＳＲＳ成分が発生することがわかる。なお、ここでのＳＲＳ成分の光強度とは、ファイバレーザ発振器１０によるレーザビームの発振に影響を及ぼす、レーザ出力を低下させるＳＲＳ成分の光強度を指す。連続波発振時にもＳＲＳ成分が発生することはあるが、レーザ出力を低下させるＳＲＳ成分はほとんど発生しないため、連続波発振時のＳＲＳ成分は無視できる。

図４Ａ及び図４Ｂは、各パルス周波数におけるＳＲＳ成分の発生量と、レーザ出力の変化を示している。パルス波のデューティ比は５０％である。図４Ａに示すように、ＳＲＳ成分の発生量はパルス周波数によって変化する。図４Ｂに示すように、レーザ出力はパルス周波数によって変化する。なお、図４Ｂにおいて、レーザ出力とは、ＳＲＳ成分が発生していない条件下で出力指令１００％時のプロセスファイバ３０の射出端でのレーザ出力を１００％とし、ＳＲＳ成分が発生する条件下では、その出力指令１００％時のプロセスファイバ３０の射出端でのレーザ出力の割合を示している。また、図４Ａ及び図４Ｂにおいては、プロセスファイバ３０の射出端でのレーザ出力の他に、フィーディングファイバ１２の射出端でのレーザ出力の推移も示している。

図４Ａ及び図４Ｂより、パルス周波数が変化すればＳＲＳ成分の発生量が変化し、これにより、レーザ出力が変化することが分かる。具体的には、パルス周波数を０ｋＨｚより大きい設定で２ｋＨｚまでに、プロセスファイバ３０の射出端側でＳＲＳ成分が急激に発生し、その後パルス周波数を更に大きい値に設定すると徐々に減少していく実験結果となった。つまり、レーザ加工機１Ａは、出力指令値を変更することによってＳＲＳ成分の発生量を低下させることができるし、パルス周波数を調整することによってレーザ出力の低下を抑制しつつＳＲＳ成分の発生量を低下させることができる。なお、パルス周波数が０ｋＨｚとは連続波発振であり、上記のようにＳＲＳ成分によるレーザ出力低下はほとんど発生しない。

以上のように、第１実施形態のレーザ加工機１Ａは、ＳＲＳ成分の発生量が予め定めた発生量を超えた場合、第１の方法として、出力指令値を変更することによってレーザ出力を低下させ、低下させたレーザ出力に適した加工条件に調整する。ファイバレーザ発振器１０がパルス波を発振する場合には、第１実施形態のレーザ加工機１Ａは、第２の方法としてパルス周波数を変更する。例えば、連続波にする、または、更に周波数を高めることで、低下したレーザ出力を回復させるよう調整する。したがって、第１実施形態のレーザ加工機１Ａによれば、ＳＲＳ成分が発生したときに、加工品質をほとんど悪化させることがない。

ＳＲＳ成分が多く発生すると、ファイバレーザ発振器１０が故障するおそれがある。第１実施形態のレーザ加工機１Ａによれば、ファイバレーザ発振器１０が故障するおそれを低減させることもできる。

＜第２実施形態＞
図５に示す第２実施形態に係るレーザ加工機１Ｂについて説明する。図５に示すように、レーザ加工機１Ｂは、ビームカプラ１３内の第２の周波数帯域を有するレーザビームの第１の光量を受光する第１の検出器として、第１の撮像素子１３８を備える。第１の撮像素子１３８は例えばＣＣＤである。以下、第１の撮像素子１３８を第１のＣＣＤ１３８と称することとする。ビームカプラ１３内の他の構成は、レーザ加工機１Ａと同様である。レーザ加工機１Ｂの基本的な動作及び効果は、図１～図４で説明したレーザ加工機１Ａのそれと同様である。

すなわち、ビームカプラ１３内の第２の周波数帯域を有するレーザビームの第１の光量を受光する第１の検出器は、第１のフォトダイオード１３６である必要はなく、第１のＣＣＤ１３８であってもよい。第１のＣＣＤ１３８は、第２の周波数帯域を有するレーザビームの第１の光量を直接モニタすることができる。

＜第３実施形態＞
図６に示す第３実施形態に係るレーザ加工機１Ｃについて説明する。図６に示すように、レーザ加工機１Ｃは、ビームカプラ１３内の第２の周波数帯域を有さず第１の周波数帯域を有するレーザビームの第２の光量を受光する第２の検出器として、第２の撮像素子１３９を備える。第２の撮像素子１３９は例えばＣＣＤである。以下、第２の撮像素子１３９を第２のＣＣＤ１３９と称することとする。ビームカプラ１３内の他の構成は、レーザ加工機１Ａと同様である。レーザ加工機１Ｃの基本的な動作及び効果はレーザ加工機１Ａのそれと同様である。

すなわち、ビームカプラ１３内の第２の周波数帯域を有さず第１の周波数帯域を有するレーザビームの第２の光量を受光する第２の検出器は、第２のフォトダイオード１３７である必要はなく、第２のＣＣＤ１３９であってもよい。第２のＣＣＤ１３９は、第２の周波数帯域を有さず第１の周波数帯域を有するレーザビームのＳＲＳ成分の第２の光量を直接モニタすることができる。

＜第４実施形態＞
図７に示す第４実施形態に係るレーザ加工機１Ｄについて説明する。図７に示すように、レーザ加工機１Ｄは、ビームカプラ１３内の第２の周波数帯域を有するレーザビームの第１の光量を受光する第１の検出器として、第１のＣＣＤ１３８を備える。また、レーザ加工機１Ｄは、ビームカプラ１３内の第２の周波数帯域を有さず第１の周波数帯域を有するレーザビームの第２の光量を受光する第２の検出器として、第２のＣＣＤ１３９を備える。ビームカプラ１３内の他の構成は、レーザ加工機１Ａと同様である。レーザ加工機１Ｄの基本的な動作及び効果はレーザ加工機１Ａのそれと同様である。

＜第５実施形態＞
図８に示す第５実施形態に係るレーザ加工機１Ｅについて説明する。図８に示すように、レーザ加工機１Ｅにおいて、ビームカプラ１３内でベンドミラー１３２を透過したレーザビームは、ビームカプラ１３の内壁に設けた反射面１３Ｒで反射して第１のフォトダイオード１３６に入射する。第１のフォトダイオード１３６は、反射したレーザビームの第３の光量を受光する。つまり、第１のフォトダイオード１３６は、第１及び第２の周波数帯域を有するレーザビームの第３の光量を受光する。第５実施形態における第３の光量は、第１～第４実施形態における全体光量に相当する。

また、ビームカプラ１３内でベンドミラー１３２を透過したレーザビームは、ビームカプラ１３の内壁に設けた反射面１３Ｒで反射し、バンドパスフィルタ１３５を介して第２のフォトダイオード１３７に入射する。バンドパスフィルタ１３５は、入射した周波数帯域のうち波長１１００ｎｍ以上である第１の周波数帯域を透過させる。よって、第２のフォトダイオード１３７は、第２の周波数帯域を含まず第１の周波数帯域を含むレーザビームの第２の光量を受光する。

第５実施形態によれば、レーザビームの全波長帯域を波長１１００ｎｍ以上と１１００ｎｍ未満とに分ける必要がない。誘導ラマン散乱判定部４０は、第１～第４実施形態のようにＳＲＳ成分以外の第１の光量とＳＲＳ成分の第２の光量とを加算して全体光量を算出する必要もない。よって、誘導ラマン散乱判定部４０が全体光量を算出する工程を削減できる。

第５実施形態においては、誘導ラマン散乱判定部４０は、第２のフォトダイオード１３７が受光した第２の光量を第１のフォトダイオード１３６が受光した第３の光量で除算して、受光した全体の第３の光量に対するＳＲＳ成分の発生量の割合を算出する。レーザ加工機１Ｅの基本的な動作及び効果はレーザ加工機１Ａのそれと同様である。

＜第６実施形態＞
図９に示す第６実施形態に係るレーザ加工機１Ｆについて説明する。図９に示すように、レーザ加工機１Ｆは、ベンドミラー１３２を透過して内壁に設けた反射面１３Ｒで反射したレーザビームの第３の光量を受光する第１の検出器として、第１のＣＣＤ１３８を備える。第１のＣＣＤ１３８が受光する第３の光量は全体光量に相当する。ビームカプラ１３内の他の構成はレーザ加工機１Ｅと同様である。レーザ加工機１Ｆの基本的な動作及び効果は、図８で説明したレーザ加工機１Ｅのそれと同様である。

＜第７実施形態＞
図１０に示す第７実施形態に係るレーザ加工機１Ｇについて説明する。図１０に示すように、レーザ加工機１Ｇは、バンドパスフィルタ１３５によって第１の周波数帯域が透過したレーザビームの第２の光量を受光する第２の検出器として、第２のＣＣＤ１３９を備える。ビームカプラ１３内の他の構成はレーザ加工機１Ｅと同様である。レーザ加工機１Ｇの基本的な動作及び効果はレーザ加工機１Ｅのそれと同様である。

＜第８実施形態＞
図１１に示す第８実施形態に係るレーザ加工機１Ｈについて説明する。図１１に示すように、レーザ加工機１Ｈは、ベンドミラー１３２を透過して内壁に設けた反射面１３Ｒで反射したレーザビームの第３の光量を受光する第１の検出器として、第１のＣＣＤ１３８を備える。また、レーザ加工機１Ｈは、バンドパスフィルタ１３５によって第１の周波数帯域が透過したレーザビームの第２の光量を受光する第２の検出器として、第２のＣＣＤ１３９を備える。レーザ加工機１Ｈの基本的な動作及び効果はレーザ加工機１Ｅのそれと同様である。

＜第９実施形態＞
図１２に示す第９実施形態に係るレーザ加工機１Ｊについて説明する。図１２に示すように、第９実施形態においては、加工ヘッド２２は、コリメートレンズ２２１及び集束レンズ２２３の他に、ベンドミラー２２２、ダイクロイックミラー２２４、第１のフォトダイオード２２６、第２のフォトダイオード２２７をさらに備える。第９実施形態においては、ビームカプラ１３は、コリメートレンズ１３１、ベンドミラー１３２、及び集束レンズ１３３のみを備えればよい。第１のフォトダイオード２２６は第１の検出器の一例であり、第２のフォトダイオード２２７は第２の検出器の一例である。

プロセスファイバ３０により射出された発散光のレーザビームは、コリメートレンズ２２１で平行化されてコリメート光に変換され、ベンドミラー２２２に入射される。ベンドミラー２２２は、レーザビームの反射面が、コリメートレンズ２２１より射出されたレーザビームの光軸に対して例えば１３５度の角度で配置されている。ベンドミラー２２２で反射したレーザビームは集束レンズ２２３に入射される。集束レンズ２２３は、入射されたレーザビームを集束して板金Ｗに照射する。

プロセスファイバ３０により射出されて加工ヘッド２２内を進行するレーザビームは、ファイバレーザ発振器１０内で発生したＳＲＳ成分を含むことがある。ベンドミラー２２２は、入射する有効レーザビームの９９％を反射し、残余を透過させる特性を有している。ダイクロイックミラー２２４は、ＳＲＳ成分を含む第１の周波数帯域を有するレーザビームを反射させ、ＳＲＳ成分以外の第２の周波数帯域を有するレーザビームを透過させる。ダイクロイックミラー２２４は、レーザビームの反射面が、ベンドミラー２２２を透過したレーザビームの光軸に対して例えば４５度の角度で配置されている。

第１のフォトダイオード２２６は、ダイクロイックミラー２２４を透過した第２の周波数帯域を有するレーザビームの第１の光量を受光する。第２のフォトダイオード２２７は、ダイクロイックミラー２２４で反射した第１の周波数帯域を有するレーザビームの第２の光量を受光する。

図１２に示すレーザ加工機１Ｊの基本的な動作及び効果はレーザ加工機１Ａのそれと同様である。

ビームカプラ１３内のベンドミラー１３２のコーティングと加工ヘッド２２内のベンドミラー２２２のコーティングとの違いによって波長ごとの光の透過率が異なる。したがって、ビームカプラ１３内と加工ヘッド２２内とで観測される散乱光の強度に違いは生じるものの、ＳＲＳ成分の計測はビームカプラ１３内と加工ヘッド２２内とのいずれでも可能である。

＜第１０実施形態＞
図１３に示す第１０実施形態に係るレーザ加工機１Ｋについて説明する。図１３に示すように、レーザ加工機１Ｋは、加工ヘッド２２内のダイクロイックミラー２２４を透過した第２の周波数帯域を有するレーザビームの第１の光量を受光する第１の検出器として、第１の撮像素子２２８を備える。第１の撮像素子２２８は例えばＣＣＤである。以下、第１の撮像素子２２８を第１のＣＣＤと２２８称することとする。加工ヘッド２２内の他の構成はレーザ加工機１Ｊと同様である。レーザ加工機１Ｋの基本的な動作及び効果はレーザ加工機１Ｊのそれと同様である。

＜第１１実施形態＞
図１４に示す第１１実施形態に係るレーザ加工機１Ｌについて説明する。図１４に示すように、レーザ加工機１Ｌは、加工ヘッド２２内のダイクロイックミラー２２４で反射した第１の周波数帯域を有するレーザビームの第２の光量を受光する第２の検出器として、第２の撮像素子２２９を備える。第２の撮像素子２２９例えばＣＣＤである。以下、第２の撮像素子２２９を第２のＣＣＤ２２９と称することとする。加工ヘッド２２内の他の構成はレーザ加工機１Ｊと同様である。レーザ加工機１Ｌの基本的な動作及び効果はレーザ加工機１Ｊのそれと同様である。

＜第１２実施形態＞
図１５に示す第１２実施形態に係るレーザ加工機１Ｍについて説明する。図１５に示すように、レーザ加工機１Ｍは、加工ヘッド２２内のダイクロイックミラー２２４を透過した第２の周波数帯域を有するレーザビームの第１の光量を受光する第１の検出器として、第１のＣＣＤ２２８を備える。また、レーザ加工機１Ｍは、加工ヘッド２２内のダイクロイックミラー２２４で反射した第１の周波数帯域を有するレーザビームの第２の光量を受光する第２の検出器として、第２のＣＣＤ２２９を備える。加工ヘッド２２内の他の構成は、第９実施形態と同様である。レーザ加工機１Ｍの基本的な動作及び効果はレーザ加工機１Ｊのそれと同様である。

＜第１３実施形態＞
図１６に示す第１３実施形態に係るレーザ加工機１Ｎについて説明する。図１６に示すように、レーザ加工機１Ｎにおいて、加工ヘッド２２内でベンドミラー２２２を透過したレーザビームは、加工ヘッド２２の内壁に設けた反射面２２Ｒで反射して第１のフォトダイオード２２６に入射する。第１のフォトダイオード２２６は、反射したレーザビームの第３の光量を受光する。つまり、第１のフォトダイオード２２６は、第１及び第２の周波数帯域を有するレーザビームの第３の光量を受光する。第１のフォトダイオード２２６が受光する第３の光量は全体光量に相当する。

また、加工ヘッド２２内でベンドミラー２２２を透過したレーザビームは反射面２２Ｒで反射し、バンドパスフィルタ２２５を介して第２のフォトダイオード２２７に入射する。バンドパスフィルタ２２５は、入射した周波数帯域のうち波長１１００ｎｍ以上である第１の周波数帯域を透過させる。よって、第２のフォトダイオード２２７は、第２の周波数帯域を含まず第１の周波数帯域を含むレーザビームの第２の光量を受光する。

第１３実施形態によれば、第５実施形態と同様の効果を奏する。レーザ加工機１Ｎの基本的な動作及び効果はレーザ加工機１Ｊのそれと同様である。

＜第１４実施形態＞
図１７に示す第１４実施形態に係るレーザ加工機１Ｐについて説明する。図１７に示すように、レーザ加工機１Ｐは、加工ヘッド２２内のベンドミラー２２２を透過して内壁に設けた反射面２２Ｒで反射したレーザビームの第３の光量を受光する第１の検出器として、第１のＣＣＤ２２８を備える。第１のＣＣＤ２２８が受光する第３の光量は全体光量に相当する。加工ヘッド２２内の他の構成は第１３実施形態と同様である。レーザ加工機１Ｐの基本的な動作及び効果はレーザ加工機１Ｎと同様である。

＜第１５実施形態＞
図１８に示す第１５実施形態に係るレーザ加工機１Ｑについて説明する。図１８に示すように、レーザ加工機１Ｑは、バンドパスフィルタ２２５によって第１の周波数帯域が透過したレーザビームの第２の光量を受光する第２の検出器として、第２のＣＣＤ２２９を備える。加工ヘッド２２内の他の構成はレーザ加工機１Ｎと同様である。レーザ加工機１Ｑの基本的な動作及び効果はレーザ加工機１Ｎのそれと同様である。

＜第１６実施形態＞
図１９に示す第１６実施形態に係るレーザ加工機１Ｒについて説明する。図１９に示すように、レーザ加工機１Ｒは、加工ヘッド２２内のベンドミラー２２２を透過して内壁に設けた反射面２２Ｒで反射したレーザビームの第３の光量を受光する第１の検出器として、第１のＣＣＤ２２８を備える。また、レーザ加工機１Ｒは、バンドパスフィルタ２２５によって第１の周波数帯域が透過したレーザビームの第２の光量を受光する第２の検出器として、第２のＣＣＤ２２９を備える。レーザ加工機１Ｒの基本的な動作及び効果はレーザ加工機１Ｎのそれと同様である。

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。

１Ａ～１Ｈ，１Ｊ～１Ｎ，１Ｐ～１Ｒレーザ加工機
１０ファイバレーザ発振器
１１レーザビーム発振源
１２フィーディングファイバ
１３ビームカプラ
２０加工部
２１駆動部
２２加工ヘッド
３０プロセスファイバ
４０誘導ラマン散乱判定部
５０ＮＣ装置
１３２，２２２ベンドミラー
１３４，２２４ダイクロイックミラー
１３５バンドパスフィルタ
１３６，２２６第１のフォトダイオード（第１の検出器）
１３７，２２７第２のフォトダイオード（第２の検出器）
１３８，２２８第１の撮像素子（第１の検出器）
１３９，２２９第２の撮像素子（第２の検出器）

Claims

レーザビームを射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器より射出されたレーザビームを用いて板金を加工する加工ヘッドと、
前記加工ヘッドを前記板金に対して相対的に移動させる駆動部と、
前記レーザ発振器内または前記加工ヘッド内を進行するレーザビームのうち、誘導ラマン散乱に起因する不要光を含む第１の周波数帯域未満の第２の周波数帯域を有するレーザビームの第１の光量または前記第１及び前記第２の周波数帯域を有するレーザビームの全体光量を検出する第１の検出器と、
前記レーザ発振器内または前記加工ヘッド内を進行するレーザビームのうち、前記第２の周波数帯域を有さず前記第１の周波数帯域を有するレーザビームの第２の光量を検出する第２の検出器と、
前記第１の光量と前記第２の光量とを加算した全体光量または前記第１の検出器が検出した全体光量に対する前記第２の光量の割合が所定の閾値を超えるか、前記第１の光量に対する前記第２の光量の割合が所定の閾値を超えるときに、ステータス信号を出力する誘導ラマン散乱判定部と、
前記誘導ラマン散乱判定部より出力された前記ステータス信号を受信したとき、前記レーザ発振器のレーザ出力を低下させるよう前記レーザ発振器に出力指令値を供給し、前記板金に対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる加工速度を低下させるよう前記駆動部を制御する制御装置と、
を備えるレーザ加工機。
パルス波のレーザビームを射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器より射出されたレーザビームを用いて板金を加工する加工ヘッドと、
前記加工ヘッドを前記板金に対して相対的に移動させる駆動部と、
前記レーザ発振器内または前記加工ヘッド内を進行するレーザビームのうち、誘導ラマン散乱に起因する不要光を含む第１の周波数帯域未満の第２の周波数帯域を有するレーザビームの第１の光量または前記第１及び前記第２の周波数帯域を有するレーザビームの全体光量を検出する第１の検出器と、
前記レーザ発振器内または前記加工ヘッド内を進行するレーザビームのうち、前記第２の周波数帯域を有さず前記第１の周波数帯域を有するレーザビームの第２の光量を検出する第２の検出器と、
前記第１の光量と前記第２の光量とを加算した全体光量または前記第１の検出器が検出した全体光量に対する前記第２の光量の割合が所定の閾値を超えるか、前記第１の光量に対する前記第２の光量の割合が所定の閾値を超えるときに、ステータス信号を出力する誘導ラマン散乱判定部と、
前記誘導ラマン散乱判定部より出力された前記ステータス信号を受信したとき、前記レーザ発振器が射出するレーザビームのパルス周波数を変更するよう前記レーザ発振器を制御する制御装置と、
を備えるレーザ加工機。
前記レーザ発振器または前記加工ヘッドは、
レーザビームを反射させるベンドミラーと、
前記ベンドミラーを透過したレーザビームのうち、前記第２の周波数帯域を透過させるダイクロイックミラーと、
を有する
請求項１または２に記載のレーザ加工機。
前記レーザ発振器または前記加工ヘッドは、
レーザビームを反射させるベンドミラーと、
前記ベンドミラーを透過したレーザビームのうち、前記第１の周波数帯域を透過させるバンドパスフィルタと、
を有する
請求項１または２に記載のレーザ加工機。
前記第１の検出器は、第１のフォトダイオードまたは第１の撮像素子である請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
前記第２の検出器は、第２のフォトダイオードまたは第２の撮像素子である請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
レーザビームを射出するレーザ発振器内のビームカプラまたは加工ヘッドが備えるベンドミラーを透過するレーザビームのうち、誘導ラマン散乱に起因する不要光を含む第１の周波数帯域未満の第２の周波数帯域の第１の光量または前記第１及び前記第２の周波数帯域を含むレーザビームの全体光量を第１の検出器によって検出し、
前記ベンドミラーを透過するレーザビームのうち、前記第２の周波数帯域を含まず前記第１の周波数帯域を含むレーザビームの第２の光量を第２の検出器によって検出し、
前記第１の光量と前記第２の光量とを加算した全体光量または前記第１の検出器が検出した全体光量に対する前記第２の光量の割合が所定の閾値を超えるか、前記第１の光量に対する前記第２の光量の割合が所定の閾値を超えるとき、ステータス信号を生成し、
前記ステータス信号が生成されると、前記レーザ発振器のレーザ出力を低下させるよう前記レーザ発振器に出力指令値を供給し、加工対象の板金に対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる加工速度を低下させる
レーザ加工方法。
パルス波のレーザビームを射出するレーザ発振器内のビームカプラまたは加工ヘッドが備えるベンドミラーを透過するレーザビームのうち、誘導ラマン散乱に起因する不要光を含む第１の周波数帯域未満の第２の周波数帯域の第１の光量または前記第１及び前記第２の周波数帯域を含むレーザビームの全体光量を第１の検出器によって検出し、
前記ベンドミラーを透過するレーザビームのうち、前記第２の周波数帯域を含まず前記第１の周波数帯域を含むレーザビームの第２の光量を第２の検出器によって検出し、
前記第１の光量と前記第２の光量とを加算した全体光量または前記第１の検出器が検出した全体光量に対する前記第２の光量の割合が所定の閾値を超えるか、前記第１の光量に対する前記第２の光量の割合が所定の閾値を超えるとき、ステータス信号を生成し、
前記ステータス信号が生成されると、前記レーザ発振器が射出するレーザビームのパルス周波数を変更する
レーザ加工方法。