JPH067972A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、レーザ加工の性能を維持するために
集光点のスポット径を測定して安定したレーザ加工を行
うレーザ加工装置を提供することにある。 【構成】本発明は、レーザ発振器から出射されるレーザ
光により被加工部品を加工するレーザ加工装置におい
て、伝送されたレーザ光を集光する集光レンズまたは放
物面鏡などの集光ヘッドと、当該レーザ加工装置の所定
位置に設けたレーザ光の集光スポット径を測定する集光
径測定装置とから構成されているので、測定した集光ス
ポット径が予め決められた範囲のスポット径に入ってい
るかどうかを判断し、有効範囲内の時は引き続いてレー
ザ加工を行い、有効範囲から外れたときは警報を出して
作業者に知らせる。これによって集光レンズの異常によ
る加工性能の低下を容易に確認することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ光を用いて金属材
料部品などを加工するレーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工は金属材料の切断や溶接工程
に幅広く用いられるようになってきている。金属材料の
レーザ溶接では、溶接品質の保証が難しく、従来は破壊
試験による溶接ビード確認試験や溶接部の断面マクロ組
織検査が主体であり、これらの方法ではオンラインでの
品質保証は困難である。

【０００３】レーザ溶接における品質保証上での一番の
問題は、長時間レーザ溶接を行った場合の溶込み特性の
低下である。レーザ溶接の溶込み特性に与える影響とし
ては、レーザ発振器から出るビームモードや発振器より
出て加工装置までの伝送系の異常及び集光レンズの異常
による加工点でのエネルギー密度の低下等が上げられる
が、これらの中で集光レンズの異常による溶接性能低下
が最も多い原因と考えられている。

【０００４】ところで、集光レンズの異常は、溶接にお
いてスパッタの付着や溶接のヒュームなどで汚れて吸収
が増大して加工特性の低下に繋がる。しかしながら、集
光レンズの吸収の増大の従来の判定方法としては、実際
の溶接品を模擬したテストピースにレーザ溶接を行いそ
の溶接結果を見て判定するか、または実際の溶接品に外
観不良が発生したときなどである。しかし、このような
方法ではテストピースを用意し、レーザ溶接を行い、そ
の結果を見て判定しているので、溶接性能の低下対策に
費用と時間がかかりすぎるし、実際に不良が発生すると
いう問題があった。

【０００５】また、レーザ加工においてレーザ光の焦点
位置は加工特性に大きく影響するので、集光レンズの焦
点距離の測定は集光レンズを交換する毎に行っている。
一般的な方法としてはアクリル板にレーザ光を照射して
そのときのアクリル板の蒸発の痕跡をみて焦点位置を決
定していた。しかし、この方法ではアクリル板を蒸発さ
せるので、周囲に有害なガスが拡散し作業場の環境を悪
化させるという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
問題を解消するためになされたもので、その目的はレー
ザ加工の性能を維持するために集光点のスポット径を測
定し、レーザ加工を安定して行うためのレーザ加工装置
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、レーザ発振器から出射されるレーザ光によ
り被加工部品を加工するレーザ加工装置において、前記
レーザ光を集光する集光手段と、前記集光手段により集
光されたレーザ光の集光スポット径を測定する集光径測
定手段と、前記集光径測定手段により測定される測定値
が有効範囲値内の場合にはレーザ加工を継続し、前記測
定値が有効範囲値外の場合にはレーザ加工を停止させる
制御手段とを備えたことを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】レーザ光の集光スポット径を測定するために集
光径測定装置をレーザ加工装置の所定位置に設け、集光
径を測定する。測定した集光スポット径が予め決められ
た範囲のスポット径に入っているかどうかを判断し、有
効範囲内の時は引き続いてレーザ加工を行い、有効範囲
から外れたときは警報を出して作業者に知らせる。これ
によって集光レンズの異常による加工性能の低下を容易
に確認することができる。

【０００９】集光レンズの焦点位置を正確に知るために
は、レーザ加工装置の所定位置に設けた集光径測定装置
にレーザ光を照射して集光スポット径を測定する。この
方法でレーザ装置の加工ヘッドをＺ軸方向へ移動させて
集光スポット径を測定し、この結果をグラフにまとめる
と最小位置が求まり、その位置を集光レンズの焦点位置
とする。これによって集光レンズの焦点位置を正確に知
ることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明の一実施例であるレーザ加工装置の
全体構成図である。同図に示すように、レーザ発振器１
より出たレーザ光２はビーム伝送系３を経てレーザ加工
装置４へ伝送され、集光レンズ５を取り付けた集光ヘッ
ド６により被加工物７へレーザ光２が照射されレーザ溶
接や切断加工が行なわれる。加工テーブル８の所定位置
に集光径測定装置９が設けてある。この加工テーブル８
はＣＮＣ装置１０で駆動されるようになっている。

【００１１】レーザ溶接の例では被加工物、例えば立体
形状の箱７を加工テーブル８上にセットし必要箇所のレ
ーザ溶接を行う。この場合被加工物の立体形状の箱７を
相当数、長期間行う場合、最初から最後まで溶込み深さ
が変わらないようにしなければならないが、レーザ光２
を集光する集光レンズ５は溶接の時のスパッタやヒュー
ムにより汚染され吸収が増加し溶込み特性が低下する場
合がしばしばある。

【００１２】集光レンズ５の集光径の測定は、図２に示
すようにレーザ光２が集光レンズ５により集光される。
このとき集光点付近を測定用ニードル１１が回転してい
る。このニードル１１に取り込まれないときは下にある
水冷式のレーザ光用ダンプコーン１２に吸収される。こ
のニードル１１は集光されたレーザ光２を導入するため
に図３に示すようにピンホール１３が明けられている。
ピンホール１３より導入されたレーザ光２はニードル１
１内のレーザミラー１４によりディテクター１５へ導か
れる。このディテクター１５へ照射されたレーザ光２は
制御装置により変換されて、図４に示すようなデータと
して表示される。このデータは集光ビームの直径φとレ
ーザビームのＸ軸断面およびＹ軸断面のプロファイルを
示している。

【００１３】集光レンズ５の汚れがレーザ溶接に影響す
る因子としては前にも述べたように溶接時のスパッタや
ヒュームが主原因である。これにより集光レンズ５は熱
誘起光学歪が生じる。これは図５（Ａ）に示すように新
品の集光レンズは４分間連続照射しても集光径の変化は
ないのに対して、溶接スパッタが付着した集光レンズ
は、レーザ光を吸収し６０〜１２０秒の間に集光ビーム
径が増加している。これは集光レンズに熱誘起歪が生じ
たもので、このような集光レンズ５を使用すると溶接の
溶込みは途中で変化して良好な溶接結果が得られない。

【００１４】また、溶接のスバッタなどでもっとダメー
ジを受けている集光レンズのレーザ光の集光径を測定し
た場合、新品レンズに比べ図５（Ｂ）に示すように測定
開始時からビーム径が増加している。このようにレーザ
光２の集光スポット径をある決まった時間毎に数分間照
射して集光径を測定し異常の有無を確認する。この作業
はＣＮＣ装置１０でプログラム上で自動的に行えるよう
にしていれば人間が介在する手間は省ける。異常が出た
場合は作業をストップして集光レンズの交換作業を人手
により行う。

【００１５】レーザ溶接では溶接材料により集光径の増
加による溶接性能の低下に与える影響が違っているが、
溶接材料として一般的な鋼材やステンレス鋼の場合、当
初のビーム径より２０％以上増加すると溶接性能が低下
して交換となるので警報を出すのは当初のビーム径より
２０％以上増加した場合警報を出すようにしている。

【００１６】アルミニュウム材のようにレーザ光の反射
が多くレーザ溶接が困難な材料の場合は、当初のビーム
径より１０％以上増加すると溶接性能が低下して交換と
なるので、警報を出すのは当初のビーム径より１０％以
上増加した場合警報を出すようにしている。

【００１７】このようにレーザ光の集光径を測定するこ
とにより集光径と加工特性を把握すれば集光レンズの寿
命を判定できるばかりでなく、レーザ溶接の不良品の発
生を防止できるなどの利点を有している。

【００１８】また、集光レンズの焦点位置の測定は、図
２に示すような方法で集光径を測定し、次ぎに集光ヘッ
ドを上下させそれぞれの点で集光径を測定する。その測
定結果の一例を図５（Ｃ）に示す。この図において、測
定グラフの最小値のところが焦点位置となる。このよう
に集光レンズの焦点位置は簡単に測定でき、かつ環境を
汚染することもない。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればレ
ーザ光の集光径を定期的に測定すれば、レーザ加工にお
ける加工不良を事前に防止することができ、また集光レ
ンズの焦点位置も容易に求めることができる、等のすぐ
れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるレーザ加工装置の全体
構成図。

【図２】図１の集光レンズの集光径の測定方法を示す
図。

【図３】図２のニードル内のレーザ光の径路を示す図。

【図４】本発明による集光ビームの表示を示す図。

【図５】使用済みレンズと新品レンズの測定結果を比較
した図。

【符号の説明】

１…レーザ発振器、２…レーザ光、３…ビーム伝送系、
４…レーザ加工装置、５…集光レンズ、６…集光ヘッ
ド、７…被加工物、８…加工テーブル、９…集光径測定
装置、１０…ＣＮＣ装置、１１…ニードル、１２…ダン
プコーン、１３…ピンホール、１４…レーザミラー、１
５…ディテクター。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器から出射されるレーザ光に
   より被加工部品を加工するレーザ加工装置において、前
   記レーザ光を集光する集光手段と、前記集光手段により
   集光されたレーザ光の集光スポット径を測定する集光径
   測定手段と、前記集光径測定手段により測定される測定
   値が有効範囲値内の場合にはレーザ加工を継続し、前記
   測定値が有効範囲値外の場合にはレーザ加工を停止させ
   る制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装
   置。