JPH10314973A

JPH10314973A - 複合レーザビームによるレーザ加工装置および加工法

Info

Publication number: JPH10314973A
Application number: JP9176500A
Authority: JP
Inventors: Kozo Yasuda; 耕三安田; Takashi Sakurai; 隆桜井; Akira Hayakawa; 明良早川
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 1998-12-02

Abstract

(57)【要約】【課題】大容量出力を有し高速でありながら品質の優
れた加工を可能とし、かつ光ファイバーケーブルを用い
て加工姿勢が自由に選択できる大容量出力レーザ加工装
置を提供する。【解決手段】光ファイバーを透過するパルス出力レー
ザと光ファイバーを透過する連続出力レーザを共に１本
の光ファイバーケーブルまたはそれぞれに対応する複数
の光ファイバーケーブルに導入し、出口に設けた集光レ
ンズで同じ加工点に集光してレーザ加工を行うことによ
り、大出力が可能な連続出力レーザで主要な加工を行
い、出力制御の容易なパルス出力レーザにより加工状況
の微妙な調整を行うようにして、大出力の連続出力レー
ザでは対処できない精密で良質なレーザ加工ができるよ
うにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光の照射に
より切断や溶接をするレーザ加工装置とレーザ加工法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザはエネルギ密度の極めて高い強力
な集中光源であり、これを利用したレーザ加工が行われ
る。特に炭酸ガス（ＣＯ₂）レーザやＹＡＧレーザを利
用する溶接、切断、穴開け、表面処理等のレーザ加工が
身近に見られるようになってきた。レーザ加工法は、種
々の利点を有するが、エネルギ状態を変えることにより
同一装置で切断・溶接など多目的に利用できること、コ
ンピュータとの結合性に優れロボットなどの組み合わせ
によりＦＭＳの有力な手段となりうることなど、注目す
べき特性を有する。

【０００３】一般的にＣＯ₂レーザ加工機は、レーザ発
振器、レーザ光伝送管、集光レンズ等から構成される加
工ヘッド、加工テーブル移動機構およびＮＣ制御装置等
から構成される。ＣＯ₂レーザ加工機は、大出力のもの
が得られるが、レーザ光源から加工ヘッドまでレーザ光
を導く光学系はミラー系を用いるため、レーザ光伝送管
や集光レンズなど光学素子の位置や姿勢の制約が大き
く、加工ヘッドをレーザ光源に対して固定して加工テー
ブル上のワークをＮＣ制御で移動しながら加工する２次
元加工方式を取るのが普通である。このため、３次元構
造物、狭隘箇所などへの適用が難しく適用範囲が限られ
ていた。ＣＯ₂レーザを用いた３次元加工を可能にする
多軸型レーザ加工機などの工夫もあるが、機構が極めて
複雑になるという問題がある。

【０００４】これに対してＹＡＧレーザは、レーザ光波
長が１．０６μｍで石英を透過する領域にあるので、レ
ーザ光の伝送系に光ファイバを用いて加工ヘッドの位置
や姿勢の制約を解消することができる。工業用ロボット
のアームに加工ヘッドを取り付けて、手先位置制御する
ことにより３次元構造物や狭隘箇所などにレーザ加工を
行うことができる。しかし、ＹＡＧレーザの連続出力は
現状で最大４ｋＷと限度があるため、電子部品半導体工
業におけるトリミングなどの微細加工や、５〜６ｍｍ程
度までの切断加工、数ｍｍ程度の溶接など、適用範囲が
限られていた。

【０００５】一方、ヨウ素レーザは波長が１．３１５μ
ｍの近赤外線レーザで石英を透過するため光ファイバー
を利用することができ、しかも大きな出力が比較的容易
に得られる。ＣＯ₂レーザと比較すると、加工ヘッドを
軽くでき加工精度の向上が期待できる。また加工位置の
自由度が増し３次元加工が容易になる。さらに波長が短
いため金属への熱吸収がよくなるので、より小さい出力
で同等の効果が得られる。またＹＡＧレーザと比較する
と、出力の制約に伴う適用範囲の限界がより広くなる。
しかし、ヨウ素レーザは化学レーザで、応答速度の速い
出力調整が困難であるため、レーザ加工品質を管理する
ための工夫が必要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の解決
しようとする課題は、大容量出力を有し高速でありなが
ら品質の優れた加工を可能とするレーザ加工装置を提供
することであり、また光ファイバーケーブルでレーザ光
を加工位置に導くもので加工姿勢が自由に選択できるレ
ーザ加工装置を提供することである。さらに、当該レー
ザ加工装置を用いて品質の優れたレーザ加工を行う方法
を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のレーザ加工装置は、光ファイバーを透過す
るパルス出力レーザと光ファイバーを透過する連続出力
レーザを共に１本の光ファイバーケーブルまたはそれぞ
れに対応する複数の光ファイバーケーブルに導入し、出
口に設けた集光レンズで同じ加工点に集光してレーザ加
工を行うことを特徴とする。大出力が可能な連続出力レ
ーザと出力制御の容易なパルス出力レーザの２種類のレ
ーザ光により同じ加工点で複合的にレーザ加工を行うこ
とにより、大出力の連続出力レーザにより主要な加工を
行うと共にパルス出力レーザにより加工状況の微妙な調
整を行うようにできるから、大出力の連続出力レーザで
は対処できない精密で良質なレーザ加工ができるように
なる。また、２つのレーザが光ファイバによって加工点
に伝送されるので、加工ヘッドが軽量に仕上がるばかり
でなく自由な姿勢をとることができるので、３次元構造
物や狭隘箇所を対象とするレーザ加工が容易に行えるよ
うになる。また、特に、ロボット等を用いたＦＭＳの構
築に有用である。

【０００８】特に、連続出力レーザを大出力の連続出力
ヨウ素レーザとし、パルス出力レーザを低出力のパルス
出力ＹＡＧレーザとし、石英光ファイバーを用いるよう
にすると、大型の材料についてヨウ素レーザの大出力を
利用した高速なレーザ加工処理をするとともに、ヨウ素
レーザと被加工物の作用関係が変動するため加工状態が
変化するところを逐次把握してＹＡＧレーザの出力を調
整することにより、加工部分の状態を精密に管理するこ
とが可能となる。例えば、ＹＡＧレーザは現状で連続出
力が最大４ｋＷ、将来的にも６ｋＷ程度とされ、負荷の
小さい加工対象に限り使用されている。しかし、パルス
発振をさせる場合のピーク出力は容易に数百ｋＷに達
し、繰り返し数の小さい強いピーク出力を利用して、穴
開けや切断時のピアシングなどを行うことができる。ま
た、ヨウ素レーザは数十ｋＷの連続出力が得られ、さら
に大出力化することも可能である。しかし、ピーク出力
の高いパルスの発生は難しく、また出力の微妙な制御が
困難である。本発明のレーザ装置は、両者を併用するこ
とにより２つの種類のレーザの短所を隠し長所を生かす
ことができる。

【０００９】さらに、レーザ発振器をレーザ加工ヘッド
から遠隔の位置に据え付けるＦＭＳの場合にも、ミラー
光学系でレーザ光を発振器から加工ヘッド近傍まで空間
伝送してから短い光ファイバーケーブルに入射する方法
あるいは、レーザ発振器近傍で光ファイバーケーブルに
入射して、延々加工ヘッドまで光ファイバー中を伝送す
る方法のいずれかを用いることにより、容易にレーザ光
伝送が可能となる。また、通常のレーザ分配方法を用い
ることにより多数の加工ヘッドにレーザエネルギーを分
配することが可能であり、大規模なＦＭＳも容易に構築
可能である。なお、空間伝送系にテレスコープを用いた
場合は、レーザ光の拡散を抑制してレーザエネルギを効
率よく伝送することができる。

【００１０】なお、パルス出力レーザと連続出力レーザ
が垂直に交差する位置にビームスプリッタをレーザの光
軸に対して４５度傾斜して設けて、２種類のレーザを併
合して、１本の光ファイバーケーブルに入射するように
配置することができる。このようなビームスプリッタを
配置することにより、単純な光学系で２種類のレーザ光
を１本の光ファイバーケーブルに導入して、任意の位置
にあって任意の姿勢を持っている加工ヘッドにレーザ光
を伝送することが可能となる。また、１本の光ファイバ
ーを中心にして周囲に複数の光ファイバーが等間隔に配
置される光ファイバーケーブルを用いて、中心の光ファ
イバーに連続出力レーザを通し、周囲の光ファイバーに
パルス出力レーザを通すようにすることもできる。この
ようにすると、主加工を行う連続出力レーザと補正的な
作用をするパルス出力レーザの位置関係が加工ヘッドの
進行方向に拘わらず実質的に変化しないから、特別な光
学系を用いなくても、常に等質的に主加工に対する前処
理的な作用や後処理的な作用を行わせるようにすること
ができる。

【００１１】また、上記課題を解決するため、本発明の
レーザ切断加工法は、上記レーザ加工装置を用いて、初
めにパルス出力レーザによりピアシングを行い、次いで
連続出力レーザにより切断を行うことを特徴とする。こ
の方法によれば、加工位置がより正確に決められる低出
力パルスレーザを用いてピアシングを行ってから大出力
の連続出力レーザにより高速で切断処理を行うので、切
断寸法が正確で切断面状態が比較的均質になる。この高
速切断処理ではパルス出力レーザの供給をせず、連続出
力レーザだけを用いてもよい。さらに、本発明のレーザ
切断加工法は、上記レーザ加工装置を用いて、連続出力
レーザにより切断すると共に高いピーク値を有するパル
ス出力レーザを照射して切断裏面のドロスを除去するこ
とを特徴とするものであってよい。例えば厚さ２５ｍｍ
以上の厚板鋼板などを大出力連続レーザにより切断する
ような場合に、切断裏面にドロスが発生するが、上記方
法により大出力連続レーザに付加して高いピ−ク値を持
つパルスレーザを同時に照射してドロスを切り落とし、
美しい切断面を得ることが可能となる。

【００１２】また、本発明のレーザ溶接加工法は、上記
レーザ加工装置を用いて、連続出力レーザにより溶接を
行いつつ表面の加工状況をモニタリングしてパルス出力
レーザの出力を調整し、一定の加工現象を維持するよう
にすることを特徴とする。連続出力レーザでは出力水準
を変化させることが容易でないから、溶接状態が変化す
るのに応じて連続出力レーザの出力を調整することによ
り所望の加工状態を維持するようにすることは困難であ
る。しかし、上記本発明のレーザ加工装置では、連続出
力レーザと共にパルス出力レーザを照射することができ
るので、このレーザ加工装置を用いて、加工状態をモニ
タリングしながら重畳して印加されているパルス出力レ
ーザの出力を調整することにより、容易に総体のレーザ
光エネルギーを制御して所望の加工状態を維持するよう
にすることが可能となる。

【００１３】加工状態を知るためには、例えばレーザ照
射部分におけるプラズマ発光量をモニタリングして、照
射レーザの実効的な吸収を監視してもよい。また、撮像
装置により加工部分を映像化して、自動的にあるいは操
作員の目視により状態監視してもよい。特に、厚板を低
速でレーザ溶接する時などには、大出力連続出力レーザ
により溶接部に形成されるキーホールの表面開口部を維
持するように、同時に照射されるパルス出力レーザの出
力を調整するようにしてもよい。このようにしてキーホ
ール部分の形成を一定に維持することにより、均質な溶
接結果を得ることができる。さらに、溶接部裏面に透過
してくるレーザパワーを検出し、これが一定の値を維持
するようにパルス出力レーザの出力を調整するようにし
てもよい。

【００１４】なお、大出力の炭酸ガスレーザと小出力の
エキシマレーザの２種類のレーザを用い、両者を役割に
応じて使い分ける方法として、ケブラー繊維強化プラス
ティックのトリミングを炭酸ガスレーザで行い、切断面
に生ずる炭化層をエキシマレーザで剥ぎ取る方法が知ら
れている。図８から図１０は、第３８回レーザ熱加工研
究会予稿集（１９９６．７）１９〜５頁に開示された、
２種類のレーザを利用するシステムの例を示す図面であ
る。このシステムは、図８にあるようにエキシマレーザ
を特殊な光学系で環状化し、ＣＯ₂レーザの軸と同心に
配した孔あきミラーを使って、図９に示すようにＣＯ₂
レーザを芯にして周囲に環状にしたエキシマレーザを配
したレーザビーム構造として、ミラー伝送系で切断機ま
で伝送する。レーザビームは切断機で再び孔あきミラー
によりＣＯ₂レーザとエキシマレーザに分離し、厚さ１
〜２ｍｍのケブラー繊維強化プラスティック板に照射し
てトリミングを行う。

【００１５】この方法では、図１０に示すように、先行
する１６０ＷのＣＯ₂レーザによりプラスティック板を
高速切断し、次いでＣＯ₂レーザに僅かの距離を置いて
追従する２０Ｗのエキシマレーザにより、切断面に生起
する厚さ数μｍから数十μｍの炭化膜を剥ぎ取る。加工
ヘッド部分では、エキシマレーザは、ＣＯ₂レーザから
孔あきミラーで分離し、ＣＯ₂レーザとは異なる光学系
によりＣＯ₂レーザに対し約２０度傾けて、ＣＯ₂レーザ
で切断している位置から多少離れた位置を照射するよう
に構成されている。このようにして、切断面に炭化層を
残さない高品質なトリミング加工が可能となる。この方
法は精密なミラー光学系を使用するため、加工ヘッドの
位置と姿勢に制約があり、加工テーブル上のワークを２
次元的に加工することしかできなかった。本発明のレー
ザ加工装置および方法は、パルス出力レーザを連続出力
レーザと同じ位置に同時もしくは時間的にずらして照射
することによりレーザエネルギーを調整するものであ
り、さらに光ファイバーケーブルにより加工ヘッドの姿
勢を自由にして、広く３次元加工までも可能にする点に
おいて開示された発明と異なる。

【００１６】また、レーザ加工機において光ファイバを
使用する例として、中部レーザ応用技術研究会第２７回
研究会資料「４ｋＷＹＡＧレーザ装置の特徴と加工特
性」（金沢祐孝）に、強力なレーザ光を分配して光ファ
イバーで加工ロボットまで導いてレーザ加工する図１１
に示すような自動加工システムが開示されている。これ
によるとレーザ発振機で発生したＹＡＧレーザを時間分
割あるいは空間分割してファイバー伝送し、末端の加工
ヘッドを多関節ロボットが操作してレーザ加工をする。
複数の加工ステーションで用いることによりレーザの利
用効率を高めて全体的なコストを低減することができ
る。

【００１７】さらに、複数のレーザ光を光ファイバーに
より伝送してレーザ加工に使用する例として、同じ研究
会の資料「ＹＡＧレーザに関する最近の動向」（中村雄
二郎）には、複数のＹＡＧレーザ発振器をファイバーに
より結合する図１２に示すような方法が開示されてい
る。これによれば、レーザ発振器から出射されたレーザ
は反射鏡を組み合わせたレーザ光集中光学系でそれぞれ
の集束レンズを介して１個のサファイヤコーンに入射し
１本化して光ファイバーにより伝送され出口の集光レン
ズで加工部分に照射される。この方法により、１個のレ
ーザ発振器では不足するレーザ出力を補うことができ
る。

【００１８】しかし、ＹＡＧレーザはファイバー伝送系
を利用できるが、ビーム品質が劣化するため出力をあげ
ても加工能力の向上に繋がらないという問題があって、
従来、マーキング、トリミング、スポット溶接、穴開け
などの精密加工分野に限られていた。ＹＡＧレーザはビ
ームの品質と出力の向上が図られているが、高品質な高
出力ＹＡＧレーザはまだまだ実用的と言い難い。本発明
のレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、ＹＡＧレー
ザ等を制御性の良好なパルス出力レーザとして補助的に
利用し、大出力連続レーザの性能をできるだけ生かそう
とするものである点で、上記開示されたＹＡＧレーザ加
工装置と異なっている。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るレーザ加工装
置および加工方法を、図面を用い実施例に基づいて詳細
に説明する。

【００２０】

【実施例１】図１は本発明のレーザ加工装置の第１の実
施例におけるレーザ光導入部分を示すブロック図であ
る。第１実施例は１本の石英光ファイバーケーブルに２
つの異なるレーザを導入するところに特徴を有するレー
ザ加工装置である。波長１．０６μｍのパルス出力型Ｙ
ＡＧレーザと波長１．３１５μｍの連続出力型大出力ヨ
ウ素レーザをビームスプリッタで同一光軸に合わせて集
光レンズで収束して１本の光ファイバーケーブルに導入
する。ビームスプリッタは、波長１．３１５μｍの光を
反射し波長１．０６μｍの光を透過する多層膜を表面に
形成したものを使用する。

【００２１】図１中、参照番号１は大出力連続レーザの
発振器、３は低出力パルスレーザの発振器、５は光ファ
イバーケーブルの入射端子、７は図外の加工ヘッドの繋
がっている光ファイバーケーブル、２１はビームスプリ
ッタ、１７は集光レンズである。連続出力レーザ発振器
１から放出された連続レーザは、ビームスプリッタ１９
で計測に使うための光線を一部取り出す他は大部分を透
過して、ビームスプリッタ２１に入射する。ビームスプ
リッタ２１は連続レーザの光軸に対して４５度の角度で
交わっていて、表面で連続レーザを９０度偏向して集光
レンズ１７に投射する。また、パルス出力レーザ発振器
３から放出されるパルスレーザは、前記ビームスプリッ
タ２１の連続レーザが当たる位置の背面から入射してそ
のまま透過し、連続レーザと同軸になって集光レンズ１
７に投射する。集光レンズ１７は、連続レーザとパルス
レーザを収束して光ファイバーケーブル入射端子５のコ
アに導入する。こうして、連続レーザとパルスレーザは
１本の光ファイバーケーブル７に導入され、光ファイバ
ーケーブル７の他端に設けられた図外の加工ヘッドまで
伝送される。

【００２２】さきに、ビームスプリッタ１９で偏向した
一部の連続レーザ光は、ビームスプリッタ２３でさらに
一部を偏向し一部を直進さる。その偏向した部分をレン
ズ２５で収束してレーザパワー検出器２７に投射する。
レーザパワー検出器２７による測定結果はインジケータ
２９に表示すると共に、ターミナル５１を介してパソコ
ン９にオンラインで取り込まれる。レーザパワー検出器
２７で測定されるレーザパワー値は、ビームスプリッタ
１９、２３における分割率を考慮に入れることにより、
連続レーザ発振器１から放出される連続レーザのエネル
ギーを指示するものとなる。ビームスプリッタ２３で偏
向した連続レーザ光はビームスプリッタ３１で同様に一
部が偏向し残りが直進する。ビームスプリッタ３１で偏
向した連続レーザ光は減光（ＮＤ）フィルター３３を透
過して減光し、レンズ３５によりレーザ位置検出器３７
の測定面上に投影される。レーザ位置検出器３７は投影
されたレーザ光の重心位置を２次元的に測定してプリア
ンプ３９に伝達し、プリアンプ３９がデジタル信号に変
換しターミナル５１を介してパソコン９に送り込む。

【００２３】一方、ビームスプリッタ３１で直進した連
続レーザ光は反射鏡４１で偏向し、ＮＤフィルター４３
を透過して減光し、レンズ４５によりレーザ位置検出器
４７の測定面上に投影され、投影されたレーザ光の重心
位置はプリアンプ４９とターミナル５１を介してパソコ
ン９に送り込まれる。このように、光軸上の離れた２カ
所で連続レーザの重心位置を測定して、２点間を走行す
る間における両者のずれを計ることにより、連続レーザ
光の光軸の傾きを知ることができる。パソコン９はこれ
らのモニター結果から入射端子５の入射面におけるレー
ザ光の入射位置ずれを予測し、コントローラ１１に駆動
命令を発し、コントローラ１１はその信号を解析してＸ
ＹＺ軸自動ステージ１３の各軸方向の駆動機１５を制御
して、集光レンズ１７の位置を適正化する。ＸＹＺ軸自
動ステージ１３は集光レンズ１７を光軸に垂直な平面上
で位置調整して入射位置を調整するほか、光軸方向に移
動して光点の大きさを調整することができる。

【００２４】本実施例のレーザ加工装置は、さらに異な
る波長を有する第３のレーザを導入してもよい。ヨウ素
レーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等、レーザ加工
に用いるレーザは目に見えないものである場合がある。
このような不可視光レーザを用いる場合に、第３のレー
ザとしてヘリウムネオンレーザ等の可視光レーザを光路
中に導入すると、加工中の部材における照射点が目で見
て確認できるようになる。図２は本実施例に係る上記態
様のレーザ加工装置におけるレーザ光導入部分を示すブ
ロック図である。本態様のレーザ加工装置が図１のもの
と異なる点は、ビームスプリッタ１９の図中上方に可視
光レーザ発振器６１を設けた点だけであるので、これに
係る点を除いて説明を省略する。また、図中、図１と同
じ機能を表す要素には同じ参照番号を付して、説明の簡
約化を図った。

【００２５】例えばヘリウムネオンレーザなど可視光レ
ーザの発振器６１から放射された可視光レーザは、ビー
ムスプリッタ１９で９０度偏向し、高出力な連続レーザ
光と軸を同じくして、ビームスプリッタ２１で連続レー
ザと同じように偏向し、集光レンズ１７を介して入射端
５に入射する。可視光レーザは光ファイバーケーブル７
により図外の加工ヘッドまで伝送されて、加工用のレー
ザが加工している被加工材料における加工位置を照射す
るので、操作員は可視光レーザの指し示す位置を見なが
ら加工ヘッド位置の調整を行うことができる。このよう
な用途に用いるレーザは、ヘリウムネオンレーザに限ら
ず可視領域の光を発生するものであればよい。

【００２６】図３は、本実施例のレーザ加工装置に用い
られる焦点位置を遠隔自動で調整することができる加工
ヘッドの立面図で、側板を取り外した状態を示すもので
ある。また、図４は図３の加工ヘッドの先端部について
先端からみた側面図である。図において、参照番号１２
１は光ファイバーケーブル、１２３は反射鏡、１２５は
収束レンズ、１２７は反射鏡、１２９は保護ガラスを示
す。光ファイバーケーブル１２１先端のレーザ射出端か
ら放出される所定の放射角を有するレーザ光は、反射鏡
１２３で垂直に偏向してレンズ１２５で収束し、さらに
反射鏡１２７で垂直に偏向してノズル先端部の保護ガラ
スを通って加工点に焦点を結ぶ。加工ノズルの先端から
加工点までの距離を変える時は、光ファイバーケーブル
１２１先端のレーザ射出端を位置調節するか、集束レン
ズ１２５の光軸方向位置を調整する。

【００２７】レーザ射出端は、位置調節ロッド１３５に
より押し引きして位置調節を行うことができるが、該レ
ーザ射出端に固定されたリニアガイド１３１と光学ヘッ
ド側に固定されるリニアガイド１３３に案内され、微細
な調整が可能となる。また、収束レンズ１２５は、支持
ブロック１３９に支持された調節ロッド１３７により収
束レンズ１２５の軸方向と軸に垂直な方向の位置と軸の
周りの回転を調整することができる。このため、収束レ
ンズ１２５の中心軸をレーザ光の光軸に合わせることが
できると共に、収束レンズ１２５の軸方向の位置を調整
してレーザの焦点位置を制御することもできる。

【００２８】本発明のレーザ加工装置では、２つの異な
るレーザは１本の石英光ファイバーケーブルにより加工
光学ヘッドに伝送され、同じ結像光学系を通って加工ノ
ズルに導かれて被加工物に照射し加工が実現できる。２
つのレーザは、いずれも石英等の光ファイバー材料をよ
く透過する波長を有するものを選択し、一方を、例えば
ヨウ素レーザのような、微妙な出力調整は困難であって
も数十ｋＷ以上の連続出力が可能な連続出力レーザと
し、他方を、例えばＹＡＧレーザのような、連続しては
大出力がでないがパルス出力では数百ｋＷ程度のピーク
出力が可能で出力調整も容易なパルス出力レーザとす
る。

【００２９】上記実施例のレーザ加工装置により、レー
ザ切断を行う場合には、まずパルス出力レーザの高いピ
ーク出力を用いて穴開け（ピアシング）を行った後にパ
ルスレーザの出力を切り、続いて大出力の連続出力レー
ザを運転してピアシングを起点とした高速な連続切断を
実施するようにしてよい。このような手順によりレーザ
切断をすれば、１基のレーザ加工機を用い加工点を再設
定することなく光源切換だけでピアシング加工と切断加
工を継続して行うことができ、加工時間の無駄がないか
ら、効率的で経済的なレーザ加工が可能となる。また、
２５ｍｍ以上の厚板を低速でレーザ切断する場合に、連
続出力レーザとパルス出力レーザを重畳させておいて、
高いピーク値を有するパルスレーザを適当な間隔で発生
させることにより、切断裏面に生ずるドロスをパルスレ
ーザにより切り落とすようにすることができる。例えば
連続出力レーザにより毎分１ｍの速度でレーザ切断して
いるときに、２０Ｈｚでパルス出力レーザを発振させれ
ば約０．８ｍｍ毎に溶融体を吹き飛ばすことになるの
で、切断裏面にドロスが発生するのを防止することがで
きる。

【００３０】上記実施例のレーザ加工装置により、レー
ザ溶接を行う場合には、連続出力レーザ単独あるいは連
続出力レーザにパルス出力レーザを重畳したレーザ光に
より溶接を行いながら、加工部分の状況をモニタリング
し、一定の加工現象を維持するようにパルス出力レーザ
の出力を調整する方法を採用することができる。連続出
力レーザは一定の出力状態に維持して安定運転させなが
ら、加工条件の変動を出力調整が容易なパルスレーザで
簡単に補償することにより、所定の加工状態を維持する
ことができる。例えば、レーザ照射部分におけるパワー
密度が大きすぎると加工部の物質がプラズマ化しレーザ
エネルギーが加工面に到達しにくくなり安定した加工が
できなくなる。そこで、加工点におけるプラズマ発光量
をモニタリングして、照射レーザの実効的な吸収状態を
監視して、レーザ加工装置の運転にフィードバックする
ようにしてもよい。

【００３１】また、レーザ溶接時の熱バランスに乱れが
生じると、ビード形状が崩れ余分に盛り上がったいわゆ
るハンピングが生じる場合がある。撮像装置により加工
部分を映像化して、自動的にあるいは操作員の目視によ
りプラズマ発光量やビード形状など状態監視してレーザ
加工を制御することもできる。特に、大出力連続出力レ
ーザにより厚板を低速でレーザ溶接する時は、いわゆる
キーホール溶接と呼ばれる深溶け込み溶接となる。キー
ホール溶接では、形成されるキーホールの形状が一定で
ないと均一な溶接部を得ることができない。キーホール
の形状が変動するとその表面開口部の形状が変化する。
そこで、加工部の表面を観察して、キーホールの表面開
口部を一定に維持するように、パルス出力レーザの出力
を調整するようにしてもよい。このようにしてキーホー
ル部分の形成を一定に維持することにより、均質な溶接
結果を得ることができる。さらに、キーホールを通過し
て溶接部裏面に透過してくるレーザパワーを検出し、こ
れが一定の値を維持するようにパルス出力レーザの出力
を調整するようにしてもよい。こうすることにより、よ
り均質で欠陥の少ない溶接結果を得ることができ、裏波
溶接の場合には裏面に形成されるビードの状態のよい質
の高い溶接ができるようになる。

【００３２】なお、上記実施例では、光ファイバーケー
ブルの構造が特段の条件を有するものである必要がなか
ったが、図５に示すように主加工に用いられる連続出力
レーザの透過する光ファイバーを中心にして、その周囲
に副次的な機能を有するパルス出力レーザが透過する光
ファイバーを等間隔で配置したものを使用してもよい。
図５に示したような光ファイバーケーブルを用いると、
加工ヘッドの進行する方向の如何によらず連続出力レー
ザとパルス出力レーザの位置関係が変わらない。従っ
て、移動方向に従って加工ヘッドの向きを変化させる必
要が無く、操作が容易になる。

【００３３】

【実施例２】本発明第２の実施例に係るレーザ加工装置
は、２つの異なるレーザをそれぞれの石英光ファイバー
ケーブルに導入するところに特徴を有する。図6は第２
実施例のレーザ加工装置におけるレーザ光導入部分を示
すブロック図である。また図7はレーザ加工装置の全体
構成を示す図面である。なお、図6は大出力連続レーザ
発振器が隣接位置に設置されている状態を示し、図7は
大出力連続レーザ発振器が遠隔地点に設置されている状
態を示している。図6中、参照番号７１は大出力連続レ
ーザの発振器、７３は低出力パルスレーザの発振器、７
５は連続レーザ用の光ファイバーケーブルの入射端子、
７７はパルスレーザ用の光ファイバーケーブルの入射端
子、７９は図外の加工ヘッドに繋がる連続レーザ用光フ
ァイバーケーブル、８１は図外の加工ヘッドに繋がるパ
ルスレーザ用光ファイバーケーブル、８５、８７はそれ
ぞれ連続レーザ用とパルスレーザ用の集光レンズを示
す。また、図7中、参照番号１１１はハンドリング部、
１１３は連続レーザを照射するメインヘッド、１１５は
パルスレーザを照射するサブヘッドを示す。

【００３４】大出力連続レーザ発振器７１から放出され
たレーザビームは、シャッター９３とアッテネータ９５
を通って第１のビームスプリッタに入射する。第１ビー
ムスプリッターは入射する連続レーザの一部を計測部に
偏向して分岐し、残りを直進させる。直進した連続レー
ザはシャッター９４を通過して第２のビームスプリッタ
ーで垂直に偏向して集光レンズ８５で収束し、連続レー
ザ用入射端子７５に入射し連続レーザ用光ファイバーケ
ーブル７９で加工ヘッド部のメインヘッド１１３に伝送
される。また、パルス出力レーザ発振器７３から放出さ
れるパルスレーザはシャッター９６を通過して集光レン
ズ８７で収束し、パルスレーザ用入射端子７７に入射し
パルスレーザ用光ファイバーケーブル８１で加工ヘッド
部のサブヘッド１１５に伝送される。メインヘッド１１
３とサブヘッド１１５は同じ加工位置を両方のレーザが
照射するような位置関係をもってハンドリング部１１１
に固設されている。ハンドリング部１１１はロボットの
腕などに支持されて自在に動き、３次元的構造物や狭隘
場所でのレーザ加工が可能となる。なお、図７ではメイ
ンヘッド１１３から射出されるレーザとサブヘッド１１
５から射出されるレーザをビームスプリッターで同軸に
集束して同じ加工位置を照射するようにした状態を表し
ているが、別個に同じ加工位置を照射するようにしても
よい。

【００３５】ＦＭＳを構築するときには大容量の連続出
力レーザ発振器を据えて、レーザエネルギーを分配して
複数の加工位置に供給するようにすることができると便
利である。本発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器と
加工場所が近い場合は勿論、両者が互いに離れている場
合でも、容易に対処できる。図6に示すように、連続出
力レーザのレーザ発振器７１の近くに光ファイバーケー
ブルへのレーザ光導入部を設置して、遠隔の加工現場ま
では光ファイバーケーブルを用いてレーザエネルギーを
伝送するようにしてもよい。また、図7に示すように、
加工現場近くにレーザ光導入部を設置し、レーザ発振器
７１からはテレスコープ１１７や反射鏡１１８さらにビ
ームスプリッタなどの光学素子を用いた空間伝送系によ
り各現場近くに設置したレーザ光導入部までレーザエネ
ルギーを伝送し、比較的短い光ファイバーケーブルによ
り加工ヘッドまで接続するようにしてもよい。光ファイ
バー中での伝送ロスをできるだけ小さくし、かつ加工点
における自由度を確保する利点がある。上記のように、
テレスコープ１１７によりレーザ光線をより細く整形す
ることによってレーザ光の拡散を抑え、空間伝送系をよ
り簡単に構成することができる。なお、テレスコープの
代わりにコリメータによりレーザ光を平行光線にして遠
方まで伝送する方法も利用することができることは言う
までもない。レーザ発振器７１から伝送されてきた連続
出力レーザがレーザ光導入部に入射するのを制御するシ
ャッター９３は、回転板シャッターなど各種のものを利
用することができるが、図に示したような遮蔽板を光路
中に挿入して遮る方法は強いレーザ光を所定の方向に反
射して安全を確保するため有利である。入射するレーザ
エネルギーを制御するアテネータ９５は連続レーザ光の
波長に対して適当な吸収率を有する平行板を対向して配
置したもので、必要に応じて光路中に挿入したり光路か
ら退避できるようになっている。コントローラ９７がシ
ャッター９３、９４とアッテネータ９５の位置を操作す
る。

【００３６】レーザ導入装置部に入射して第１ビームス
プリッタで偏向した一部の連続レーザ光は、ビームスプ
リッタと反射鏡により分配されて、レーザパワー検出器
９９と、レーザ断面形状をモニターするレーザ形状測定
器１０１と、レーザ位置検出器１０３に入射する。レー
ザ形状測定器１０１はレンズと減光フィルターを透過し
て２次元位置検出素子等からなる測定面上に投影される
レーザ光の形状を測定するものである。レーザパワー検
出器９９とレーザ位置検出器１０３は第１実施例におい
て使用されるものと同じ機能を有する。なお、第１実施
例と同様にレーザ位置検出器を２個使用して光軸のずれ
を測定するようにしてもよい。これら測定器類の出力信
号はターミナルを介して制御装置８３に送り込まれて、
レーザ位置変位量を推定するために用いられ、その結果
に従ってＸＹＺ軸自動ステージ８９の駆動機を制御し
て、集光レンズ８５の位置を適正化する。また、ファイ
バー端監視カメラ１０５が第２ビームスプリッタの裏側
に設置されていて、光ファイバーケーブルの入射端７５
を撮像し、連続レーザが入射する様子を観測することが
できる。

【００３７】なお、連続レーザ用光ファイバーケーブル
７５とパルスレーザ用光ファイバーケーブル７７を途中
で合体し、図５に示すような連続出力レーザ用の光ファ
イバーの周囲にパルス出力レーザ用の光ファイバーを等
間隔で配置した光ファイバーケーブルにして、加工ヘッ
ドにレーザエネルギーを伝送してもよい。このような方
法によれば、１個の照射光学系により同じ加工点にレー
ザ光を集めることができるばかりか、加工ヘッドの進行
する方向の如何によらず連続出力レーザとパルス出力レ
ーザの位置関係が変わらないので、操作が容易になる。
第２実施例のレーザ加工装置も、実施例１で説明したと
同じ加工方法に用いることができることは言うまでもな
い。

【００３８】

【発明の効果】以上詳細に説明した通り、本発明のレー
ザ加工装置とレーザ加工方法は、大出力連続レーザのよ
り高速でレーザ加工をすることができる上、加工状態に
従って加工用レーザ出力の調整を容易に行うことができ
る。このため、ロボット等を用いた自動加工に用いるこ
とができるばかりか、１基の大出力レーザ発振器を用い
て各所にレーザエネルギーを分配して加工する無人化加
工工場の構築も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ加工装置の第１の実施例におけ
るレーザ光導入部分を示すブロック図である。

【図２】本実施例に係る別の態様のレーザ加工装置にお
けるレーザ光導入部分を示すブロック図である。

【図３】本実施例のレーザ加工装置に用いられる加工ヘ
ッドの立面図である。

【図４】図３の加工ヘッドの先端部の側面図である。

【図５】本発明に用いる光ファイバーケーブルの例を示
す断面図である。

【図６】第２実施例のレーザ加工装置におけるレーザ光
導入部分を示すブロック図である。

【図７】図7は本実施例のレーザ加工装置の全体構成を
示す図面である。

【図８】従来の２種類のレーザを利用するレーザ加工シ
ステムの例を示す図面である。

【図９】図８中のＡ−Ａ矢視位置におけるレーザビーム
の断面図である。

【図１０】図８のレーザ加工装置により繊維強化樹脂を
トリミングする状態を表す斜視図である。

【図１１】光ファイバーでレーザを分配して利用する従
来のレーザ加工システムの例を示す図面である。

【図１２】複数のレーザ光を光ファイバーにより伝送し
て利用する従来のレーザ加工システムの例を示す図面で
ある。

【符号の説明】

１大出力連続レーザ発振器３低出力パルスレーザ発振器５光ファイバーケーブル入射端子７光ファイバーケーブル９パソコン１１コントローラ１３ＸＹＺ軸自動ステージ１５駆動機１７集光レンズ１９、２１、２３、３１ビームスプリッタ２５レンズ２７レーザパワー検出器２９インジケータ３３、４３ＮＤフィルター３５、４５レンズ３７、４７レーザ位置検出器３９、４９プリアンプ４１反射鏡５１ターミナル６１可視光レーザ発振器７１大出力連続レーザ発振器７２コントローラ７３低出力パルスレーザ発振器７４コントローラ７５連続レーザ用入射端子７７パルスレーザ用入射端子７９連続レーザ用光ファイバーケーブル８１パルスレーザ用光ファイバーケーブル８５、８７集光レンズ９１駆動機９３、９４、９６シャッター９５アッテネータ９７コントローラ９９パワーメータ１０１レーザ形状測定器１０３レーザ位置検出器１０５、１０６ＣＣＤカメラ１１１ハンドリング部１１３メインヘッド１１５サブヘッド１１７テレスコープ１１８反射鏡１２１光ファイバーケーブル１２３、１２７反射鏡１２５収束レンズ１２９保護ガラス１３１、１３３リニアガイド１３５位置調節ロッド１３９支持ブロック１４１ブロック１４３、１４５調節ロッド１４７、１４９リニアガイド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＧ０２Ｂ 27/14 Ｇ０２Ｂ 27/14 Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバーを透過するパルス出力レー
ザと光ファイバーを透過する連続出力レーザを共に１本
の光ファイバーケーブルに導入し、出口に設けた集光レ
ンズで同じ加工点に集光してレーザ加工を行うレーザ加
工装置。
【請求項２】前記パルス出力レーザと連続出力レーザ
が垂直に交差するように配置され、該交差位置にビーム
スプリッタがレーザの光軸に対して４５度傾斜して設け
られていて、一方のレーザが該ビームスプリッタを透過
し他方のレーザが垂直に偏向して１本の光ファイバーケ
ーブルに入射するように配置したことを特徴とする請求
項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】前記光ファイバーケーブルが１本の光フ
ァイバーを中心にして周囲に複数の光ファイバーが等間
隔に配置されるものであって、中心の光ファイバーに前
記連続出力レーザを通し、周囲の光ファイバーに前記パ
ルス出力レーザを通すことを特徴とする請求項１記載の
レーザ加工装置。
【請求項４】光ファイバーを透過するパルス出力レー
ザと光ファイバーを透過する連続出力レーザをそれぞれ
の光ファイバーケーブルに導入し、各光ファイバーケー
ブルの出口に設けた集光レンズで各レーザを加工点に集
光してレーザ加工を行うレーザ加工装置。
【請求項５】光ファイバーを透過するパルス出力レー
ザと光ファイバーを透過する連続出力レーザをそれぞれ
の光ファイバーケーブルに導入し、各光ファイバーケー
ブルの出口から放出されるレーザ光が直交するように配
置し両レーザ光の交差位置にビームスプリッタを配置し
て、両レーザ光が同軸に集束し集光レンズにより加工点
に集光してレーザ加工を行うレーザ加工装置。
【請求項６】前記パルス出力レーザを発生するレーザ
発振器と前記光ファイバーとの間にテレスコープを備え
たミラー光学系からなる空間伝送手段を介在させること
を特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザ
加工装置。
【請求項７】前記光ファイバーが石英光ファイバーで
あって、前記連続出力レーザが出力の大きい連続出力ヨ
ウ素レーザであり、前記パルス出力レーザが出力の低い
パルス出力ＹＡＧレーザであることを特徴とする請求項
１から６のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項８】請求項１から７のいずれかに記載のレー
ザ加工装置を用いて、初めに前記パルス出力レーザによ
りピアシングを行い、次いで前記連続出力レーザにより
切断を行うことを特徴とするレーザ切断加工法。
【請求項９】請求項１から７のいずれかに記載のレー
ザ加工装置を用いて、前記連続出力レーザにより切断す
ると共に高いピーク値を有する前記パルス出力レーザを
照射して切断裏面のドロスを除去することを特徴とする
レーザ切断加工法。
【請求項１０】請求項１から７のいずれかに記載のレ
ーザ加工装置を用いて、前記連続出力レーザにより溶接
を行いつつ表面の加工状況をモニタリングして前記パル
ス出力レーザの出力を調整し、一定の加工現象を維持す
るようにすることを特徴とするレーザ溶接加工法。
【請求項１１】請求項１から７のいずれかに記載のレ
ーザ加工装置を用いて、前記連続出力レーザにより溶接
を行いつつ前記パルス出力レーザの出力を調整して、前
記連続出力レーザにより溶接部に形成されるキーホール
の表面開口部を維持するようにすることを特徴とするレ
ーザ溶接加工法。
【請求項１２】請求項１から７のいずれかに記載のレ
ーザ加工装置を用いて、前記連続出力レーザにより溶接
を行いつつ溶接部裏面に透過してくるレーザパワーを検
出し、これが一定の値を維持するように前記パルス出力
レーザの出力を調整することを特徴とするレーザ溶接加
工法。