JPS62289390A

JPS62289390A - レ−ザ−加工機

Info

Publication number: JPS62289390A
Application number: JP61132651A
Authority: JP
Inventors: Etsuo Noda; 悦夫野田; Setsuo Suzuki; 鈴木　節雄; Osamu Morimiya; 森宮　脩
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-06-10
Filing date: 1986-06-10
Publication date: 1987-12-16

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】３、発明の詳細な説明〔発明の目的〕（産業上の利用分野）この発明は、レーザービームを被加工物して照射して、
切診、浴接等の加工を行なうレーザー加工機に関する。

（従来の技Ｗ）従来加工用レーザーとしては、ＣＯ，レーザー（波長１
０．６μｍ）やＹＡＧレーザ−（波長１．０６μｍ）Ｑ
連続出力、パルス出力のものが便われていた。第６図は
従来の加工器の光学系０９Ａ略図であり、リングモード
（２）ＣＯ，レーザーを用いた場合を示す。特に、厚い
金属板（１ｍｍ厚以上）の切断。

溶接には、大出力ＣＯ，レーザーが使用されていた。

この理由はＣＯ，レーザーが最も容易に大出力が得られ
、かつ、発振効率が高いためである。しかし鋼やアルミ
などの反射率の高い金属の加工には、ＣＯ，レーザーは
適しているとは言い難−０すなわち、レーザーエネルギ
ーの大部分（９８〜９９％）が金属表面で反射されるた
め加工ができなくなる。

この傾向は一般にレーザー光の波長が長い程強くなり、
Ｃ０８レーザー光の１０．６μｍでは最も顕著になる。

第１表に代表的な波長に対する金属の反射率を示す。通
常、レーザー光の波長は、ＣＯ。

レーザーではｌｏ、ｓμｍで、ＹＡＧレーザーで１．０
６ｐｒｎ、ＸｅＣＩｘキシ？Ｌ／−ザーで０．３０８μ
ｍ％ＫｒＦエキシマレーザ−で０．２４８μｍである。

第　　１　　表一方、金属表面が溶けたり、プラズマ化した後は、第４
表面でのレーザー光の吸収率は大巾に増大する。このた
め、レーザーパルスの豆ち上がり部分のピークパワーを
特に高くした、エンハンストパルス出力のレーザーを用
い、加工性能を向上させる方法が行なわれている。第７
図に、連続出力、パルス出力、二ンハンストパルス出力
ｃｏ、レーザーの出力波形を示す。

このエンハンストパルスはＳＵＳや鉄に対しては非常に
有効であることが確かめられている。しかしながら、銅
やアルミに対してはエンハンストパルスも必ずしも有効
とはなっていない。

また、銅やアルミに対しても吸収率の高い短波長（可視
または紫外）レーザーは、現状では出力が小さく、発振
効率−６５低いため、加工用には適していない。特に厚
１＾板の加工は不可能である。

（発明が解決しようとする問題点）この発明は、前述した従来の装置の欠点を改良したもの
で、従来、レーザーでは加工が困難であった銅やアルミ
の厚板の加工を容易にし、かつ、鉄やＳＵＳの加工性能
を向上させることができるより小型のレーザー加工機を
提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

（間４点を解決しようとする手段）本発明は異なる波長の２レーザービームを同一の場所に
照射して加工を行なうレーザー加工機である。特に発振
効率が高く大出力の長波長レーザーを主ビームとして用
い、吸収率の高い短波長レーザーをプリパルス的に用い
これらのビームを同一場所に照射するために、２つのビ
ームの光軸を同一にするための光学手段を有するレーザ
ー刀ロ工機である。大出力の長伎長レーザーとして、Ｃ
Ｏ宜レーザー、ＣＯレーザーあるいはＹＡＧレーザー等
を用い、短波長レーザーとして、エキシマレーザ−、ル
ビーやアレキサンドライトなどの固体レーザー、金属蒸
気レーザーなどの高くり返しパルスレーザ−を用いる。

（作用）本発明の２レーザービームを用いたレーザー加工機は、
短波長レーザーをパルス的に金属表面に照射して金属表
面を溶かすことにより、長波長レーザーに対する吸収率
を増大させ、大出力長波長レーザーで加工を行なうこと
により加工性能の向上を目的としている。特に、従来、
加工が困難でありた銅、アルミ等の反射率の高い金属の
厚板の加工も容易に行なうことが可能になる。

（実施例）以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

第１図は、本発明の２ビ一ム型レーザー加工機の光学系
の概略囚を示している。断面ドーナッツ状のビームパタ
ーンを有するＣＯ！レーザービーム１（リングモード）
を不安定共振器型ＣＯ，レーザー装置から出力し、中心
に楕円形の穴の開いた全反射ミラーで直角に折り返し、
レンズ５で被加工物６の表面上に集光照射する。同時に
、高くり返しエキシマレーザ−２８全反射ミラー４で直
角に折シ返しミラー３の中心を通すことにより、２っｔ
Ｄレ−ｆ−ビームの光軸を一致させ、レンズ５で被加工
物上に集光照射する。レンズ５には例えばＮ　ａ　Ｃｊ
　ｙ　ｋ　Ｃ４などを用いる。なお、７はガス噴出ノズ
ルである。この時の、　ＣＯ，レーザーの出力とエキシ
マレーザ−の出力パルスの時系列を第５図に示す。第５
図（ａ）は連続出力ＣＯ，レーザーと高くり返しエキシ
マレーザ−を組み合わせた場合であｐ、第５図【切、（
Ｃ）はパルス出力ＣＯ２レーザーと高くり返しエキシマ
レーザ−を組み合わせた場合のパルス時系列を表わして
いる。

以下、２ビ一ム型レーザー加工機の動作を簡単に述べる
。ｃｏ、、ｃｏなどの長波長レーザーは容易に大出力が
得られ、かつ発振効率も高い（ＹＡＧレーザーは、大出
力は得られるが効率が低い）が金属表面での反射率が大
きい欠点を持っている。

一方、エキシマ、金属蒸気、固体（ルビー、アレキサン
ドライト等）などの短波長のレーザーは大出力が得られ
に＜＜１発振効率も低いという欠点を待っているが、金
属表面での吸収率が比較的大きい。例えばアルミニウム
を例にとった場＠１０μｍと０．３μｍでは吸収率は約
５倍になり、銅では５０倍以上になる。短波長レーザー
をパルス（数十ｎ　ｓｅｃ〜１μｓｅｃ　）発振させ、
金具表面に集光照射すると、高照射密度が表面上で得ら
れ、表面が蒸発またはプラズマ化する。そして、金属表
面が溶けた後はレーザーの吸収率が非常に高くなる。

よって金具を奥深くまで溶かすためには、大出力が得ら
れ１発振効率の高い長波長レーザーを便用した方が有利
となる。すなわち、短波長パルスレーザ−で吸収のとり
かかりを作シ、長波長レーザーで主な加工を行なうこと
を目的としたレーザー加工機である。短波長レーザーの
パルスのくシ返し周波数は、−周期の間の被加工物の移
動距離がレーザーの集光径より小さくなるように選択さ
れなければならない。例えば、エキシマレーザ−の集光
径をφ１ｍｍ、被加工物の移動速夏を４　ｍ　／ｍｉｎ
とすると、くり返し周波数は１００Ｈｚ以上となる。

ＣＯ！レーザーをパルス化した場合、＠５図（ｂ）に示
すように、それぞれのレーザーパルスを同時に宜ち上が
らせればよい。もし、エキシマレーザ−の照射密度が十
分高＜　（１０”　Ｗ／ｃが以上）％金属表面がプラズ
マ化すると、エキシマレーザ−照射時間はプラズマ密度
が高すぎる（　ｎ　ｅ〜１０”　ｃｍ−りため、ＣＯ冨
レーザービームを反射してしまう。エキシマレーザ−の
照射終了後、プラズマは膨張のため、急速に密度が減少
する。そして、数十〜数百ｎ　ｓｅｃ後に、ＣＯ，レー
ザー光を最もよく吸収する密Ｋ　（ｎ　６−１０”　ｃ
ｍ−りになる。こＯ時ＣＯ，Ｌ／−ザーを照射すれば、
ＣＯ２レーザーは効率よく吸収される。第５図＋Ｃ）は
、このように、　ＣＯ，レーザーが最も効率よく吸収さ
れるように、τｄを選んだ場合のパルス時系列を表わし
ている。もしτｄに比べＣＯ，レーザーのパルス巾が＋
５＋長い時（４常ＣＯ，レーザーのパルス巾はｔ　ｍ　
ｓｅｃ　ｍｉでこの条件を満たしている）Ｋは、第７図
１ｂ）のように照射してもほとんど問題はない。すなわ
ち、プラズマ密度が減少するまでに反射されるＣＯｔレ
ーザーのエネルギーは全体の微少量にしかすぎないから
である。

第２図は、金属表面上での集光を改善するため、ＣＯ！
レーサー集光用レンズ５とエキシマレーザ−集光用レン
ズ８を独立させたものでちる。こうすることによりレン
ズに対するさまざまな制限が回避でき、材質、コーティ
ング、レンズの曲率などをそれぞれのビームに適するよ
う次週択が可能となる。

第３図は、レンズの代わりに集光用ミラーを用いた場合
の例であり、エキシマレーザ−は球面または非球面ミラ
ー４１Ｃよって光路を曲げられ金属表面上に集光される
。ＣＯｌレーザーは中心に穴のあいた球面または非球面
ミラー３により光路を曲げられ集光される。

第４図は、ｃｏ、レーザーのビームパターンがリング状
でない場合（シングルモード、マルチモード）の光学系
を表わしている。ミラー９はＣＯ，レーザーの元を反射
し、エキシマレーザ−の光を透過するように作られてお
り、ミラー９によ）２つのレーザービームは同一の光軸
に重ね合わせられ、レンズ５によって金属表面上に集光
されるようになっている。ミラー９、レンズ５は例えば
ＮａＣｊ。

ＫＣｔｔなどにコーティングを行なって作ることができ
る。

以上、本発明を用いることにより、従来レーザーでは加
工が困難であった鋼やアルミの厚板の加工を容易にし、
かつ、鉄やＳＯ８の加工性能も向上させることができる
。更に、長波長レーザーの吸収効率が増大するため、レ
ーザー全体が小さくて済むようになる。

本発明の実施例では、短波長レーザーとしてエキシマレ
ーザ−を、長波長レーザーとしてＣＯ，レーザーを用い
て説明したが、短波長レーザーとしてはその他ルビー、
アレキサ／ドライドなどの固体レーザーや、鋼、カドミ
ウムなどの金属蒸気レーザーなどを愛用してもよ込。そ
の他紫外から可視（近赤外を含む）ｉでのどのようなレ
ーザーを便用してもよい。また、連続出力のレーザーを
用いてもよ一０長波長レーザーとしては、　ＣＯ，レー
ザー以外にＣＯレーザー、ＹＡＧレーザ−９化学レーザ
ーなどを使用してもよい。また、連続量カバ／Ｌ／　大
出力、エンパノストパルス出力のどれを用いてもよい。

２レーザービームの光軸を一致させ集光するための光学
系は、実施例以外にも、いろいろな方法が考えられる。

例えば、！１図のミラー３．４のどちらかに曲率を与え
ることにより、レンズ５の波長による屈折率の差を補正
する方法も考えられる。また、嘉２図のレンズ５及びレ
ンズ８は図じ位置に置く必要もなく、離して置いてもよ
い、またレンズ５は穴なしのものを用い、補正用レンズ
を更に使用してもよい。その他、レンズとミラーの組み
合わせはいろいろ考えられ、発明の効果を脱しない範囲
でどのような組み合わせを用いてもよい。

また、２レーザービームを同−光戦にしないで。

別の方向から、それぞれ金属表面上に集光照射してもよ
い。

また、第５図＋ｂ）に於いて高くり返しレーザーをＣＯ
，レーザーのパルスより少し遅らせてもよめ。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来、レーザーでは加工が困難であっ
た銅、アルミ等の反射率の高い金１の加工も容易に行な
うことができ、かつ、ＳＯ８や鉄の加工性能も大巾に向
上すると開時に低価格のレーザー加工装置を実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す構成図、第２図。第３図および第４図は本発明の他の実施例を示す構成図
、第５図は本発明の実施例に於ける出力パルスの時系列
を示す図、第６図は従来のレーザー加工機光学系概略図
％第７図は従来の加工機の出力パルスの時系列を示す図
である。ｌ・・・ＣＯ，レーｆ−光、２・・・エキシマレーザ−
元、３・・・ＣＯ！レーザー光折り返しミラー、４・・
・エキシマレーザ−光折り返しミラー、５・・・集光レ
ンズ、６・・・被加工物（例えば金属板）％７・・・ガ
ス噴出ノズル、８・・・エキシマレーザ−集光用レンズ
、９・・・８ｐＪ電体蒸着ミラー。代理人　弁理士　　　則　近　憲　佑同　　　　　竹　花　喜久男第　　６　図第　　７　医

Claims

【特許請求の範囲】

（１）レーザービームを被加工物に照射して、切断溶接
等の加工を行なうレーザー加工機に於いて、異なる波長
の２レーザービームを使用し、これらのビームを同一の
場所に照射して加工を行なうことを特徴とするレーザー
加工機。
（２）使用するレーザービームが赤外または遠赤外領域
のレーザービームと紫外または可視領域（近赤外を含む
。）のレーザービームであることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載のレーザー加工機。
（３）２つのレーザービームの光軸を同一にするための
光学系手段を有する特許請求の範囲第２項記載のレーザ
ー加工機。
（４）赤外または遠赤外レーザーの平均出力が紫外また
は可視レーザーの平均出力より大きいことを特徴とする
特許請求の範囲第２項記載のレーザー加工機。
（５）紫外または可視レーザーを高くり返しパルスレー
ザーとしたことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載
のレーザー加工機。
（６）紫外または可視レーザーを高くり返しエキシマレ
ーザーとしたことを特徴とする特許請求の範囲第５項記
載のレーザー加工機。
（７）赤外または遠赤外のレーザーを連続出力または高
くり返しパルス出力のＣＯ＿２レーザーまたはＣＯレー
ザーとしたことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
のレーザー加工機。
（８）２つのレーザーとして、ともに高くり返しパルス
レーザーを用いた場合、前記短波長レーザーのパルス巾
が、前記長波長レーザーのパルス巾より短かいことを特
徴とする特許請求の範囲第４項記載のレーザー加工機。