JPS6257787A

JPS6257787A - レ−ザ−加工装置

Info

Publication number: JPS6257787A
Application number: JP61155904A
Authority: JP
Inventors: ヘァツィガー　ゲァド; ベイヤー　エックハード; ローゼン　ペーター; ラインハート　ポップラヴェ
Original assignee: GEADO HEATSUIGAA
Current assignee: GEADO HEATSUIGAA
Priority date: 1985-07-05
Filing date: 1986-07-02
Publication date: 1987-03-13

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、レーザー光線によって被加工物を機械加工す
るレーザー加工装置に関する。

（従来の技術）この種の被加工物の機械加工の場合、光学系によるレー
ザー照射は、被加工物上に焦点を合わせられ、それの表
面で吸光される。生成熱は、種々の機械加工プロセスに
おけるプロセス熱として使用される。

加工が低強度範囲のレーザー照射で実施されるときは、
被加工物の自然吸光のみが利用される。

この場合に使用されるレーザーエネルギーのうちほんの
少伍しかプロセス熱に変換されず、大部分は熱の伝導及
び反射（金属の場合）または透過（非導体の場合）のた
め失われ、低効率しか得られない。

吸光を増加させる目的で、は械加工されるべき被加工物
上に吸光度の高い層を設けることは知られている。この
可能性は主に変態焼入れの場合に使用される。

またレーザー強度ＩＬが臨界制限値１ｃあるいはそれ以
上に増加すると、吸光度が「１」に向うことも知られて
いる。異常吸光とも呼ばれるこの吸光に依存する強度は
、被加工物の表面においてレーザーで誘導されるプラズ
マの発生と関係している。このプラズマは、入射レーザ
ーエネルギーを高効率の場合に熱エネルギーに変換する
エネルギー変換器のように作用する。除去機械加工の場
合、除去されるべき材料は、レーザー照射の強度を制御
することにより、粒子の運動エネルギーで十分に高速の
物質移動を起こせるようなプラズマ状態に変化され得る
。

第１図において、除去機械加工の効率ηは、波長λ＝１
０．６μｍの場合、即ち、錆止め鋼（曲線１）並びに銅
（曲線２）の場合、比レーザー強度ＩＬ／ＩＣの関数と
して示される。

臨界強度Ｉｃの範囲において、効率ηは値１に近づくよ
うになる。

レーザ強度がさらに増加した場合、入射レーザー照射の
方向に膨張するプラズマの加熱及びイオン化によって被
加工物の著しいシールディングが起きる。またプラズマ
のレンズ効果は、幾何形状の機械加工にとって、障害を
増すことになる。レーザー照射強度の上限値ＩＤを越え
た場合、プラズマはほとんど完全に被加工物を遮蔽し、
その結果レーザーで誘導される爆ごう波を生じ、この場
合、膨張プラズマの反動により、被加工物の表面が圧力
で起きる応力のためキャビテーション及び破壊をもたら
すことがある。

被加工物の表面にレーザー誘導プラズマを形成する必要
条件は、被加工物の物質集合体のガス状態が存在するこ
とである。この要件を満たすためには、レーザー光線は
先ず被加工物を蒸発温度またはそれ以上に加熱しなけれ
ばならない。これは、熱伝導で失われる以上に多いレー
ザーエネルギーを、被加工物に吸収させねばならないか
らである。

熱伝導及び吸収の変化に基づき、種々の材料についてレ
ーザー照射の典型的な蒸発臨界強度が得られる。

（発明が解決しようとする問題点）異常吸収の領域においてレーザー光線により被加工物を
機械加工する場合の困難性は、レーザーで誘導される爆
ごう波の形成が蒸発工程の開始直後に始まるという事実
である。これは特にＣＯ２レーザーによってアルミニウ
ムを機械加工する間にも起こり得る。

もう１つの困難性は、機械加工プロセスによるレーザー
がそれの系の特性で変化するという事実による結果であ
る。光学系の焦点面における被加工物の配置手段により
、レーザー照射の僅かがレーザー共振器内に反射される
。この共振器は、被加工物と共に、結合共振器系を形成
し、これの特性とモードは、元の共振器のものとは、明
らかに異なる。被加工物での作用、特にレーザー誘導プ
ラズマの特性及び融解金属の動力学はこの光学的なバッ
クカップリングによりレーザーの特徴に確率的に影響を
与えるため、爆ごう波状態を回避するために強度を制御
し、それによって第１図による効率線図に従うようにレ
ーザー強度を制御することはできない。また、経済的に
作動する反応阻止手段によりバックカップリングを抑制
することは、現在、高容量範囲ではできない。

本発明は、光学的バックカップリング及びプラズマ効果
による障害を最小限にして、被加工物におけるレーザー
照射の吸収を最大とするようにしたレーザー光線による
被加工物の機械加工を可能とすることを目的としている
。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段及び作用）本発明に依れ
ば、この目的は、特許請求範囲第１項の特徴部に示した
特徴によって達成される。

本発明の目的のさらに有利な展開は従属項第１乃至第１
４項の特徴に記述されている。

本発明の利益は、主に、レーザー光線により被加工物の
機械加工を行うための本発明による装置が、機械加工プ
ロセスのそれぞれの動力学にレーザー放出を採用するこ
とを可能とすることである。

本発明による装置によれば、その他の利益として、特に
最高の効率且つ被加工物の最小加熱をもって機械加工の
出来映え、再現性、速度及び幾何形状に関し最適なもの
となし得る。

（実施例）以下、実施例及び図面により、本発明を詳述する。

被加工物の表面におけるプラズマ形成のプロセス、特に
、電子密度、電子エネルギー、及び衝撃周波数のような
レーザー照射の吸収にとって重要なパラメータの経時展
開は、理想化条件の下で平衡式から定量的に計算できる
。このタイプの計算から得られるのと同じようなプロセ
ス線図を、Ｃ０２レーザー照射によるアルミニウムの機
械加工につき第２図に示す。得られた曲線Ａ、Ｂはレー
ザー誘発プラズマの形成に対する臨界強度Ｉｃを示し、
これの作成は、エネルギーのカップリングイン効率を「
１」の大きざにするために試みられる。この場合、曲線
Ａは吸収Ａｎａｔの自然度に基ずき、曲線Ｂは異常吸収
Ａ江１に基ずいている。

懇械加工プロセス中、曲線３で示されている通り、曲線
Ａから曲線Ｂへの遷移が起きる。曲線４は、シールディ
ングプラズマの形成に対する臨界強度■うを示し、この
シールディングプラズマはレーザー誘導爆ごう波をもた
らすと共に被加工物におけるレーザー照射の効果を大き
く妨げる。プラズマ特性の時間に関する限りの展開が判
っている場合、既述の理想化条件の下で各材料及び各機
械加工プロセスに対するプロセス線図を確立することが
可能であり、これより最適機械加工のためのレーザー強
度の時間関連制御を誘導できる。レーザー強度のこの経
時的（Ｃｈｒｏｎｏｌｏｇｉｃａｌ　）制御は、融解動
力学とプラズマ動力学の典型的な周波数で特徴づけられ
ている。普通の機械加工プロセスは、カップリングイン
及びシールディングプラズマプロセスの動力学的挙動を
考慮に入れておらず、従って、最高の機械加工結果に至
らない。本発明によるレーザー機械／１０工装置の特異
性は、機械加工プロセスのそれぞれの動力学にレーザー
放出を採用したことにある。第２図の曲線５は、以下に
詳細を示す通り、レーザー強度の経時的コースを示して
いる。

第１のステップは、吸収増加状態の発生であり、即ちこ
れは表面プラズマの吸収状態である。このために、レー
ザー強度ＩＬは、第２図における曲線Ａに達しなければ
ならない。

この場合、式ＩＣ−ｄｔ／δ〉εＶは、２シＣ＝シＬの
条件に従うレーザー周波数νしの大きざの衝撃周波数ν
Ｃをもった表面プラズマの生成における臨界エネルギー
に達する（δ＝温度前線の特性侵入度；εＶ＝材料の蒸
発に要するエネルギー密度）。

表面プラズマが既述の条件の下で存在するとすぐに、レ
ーザー密度は曲線４を越えないように急速に低下しなけ
ればならない。曲線４を越えると、レーザー誘導爆ごう
波による被加工物のシールディングを起こし、望ましく
ない影響を受けることになる。

爆ごう値下にある速度をもった過熱プラズマは、レーザ
ー照射に対しいかなる妨害光学的効果も、もはや現れな
くなる値に電子密度が減少するまで、膨張する。対応時
定数ｔ＝Ｌｐ／Ｖは、本質的には、プラズマの膨張速度
Ｖとそれの膨張長さＬｐユ５・ｒｐ（ｒＦ＝焦点半径）
によって決められる。

時間ｔの後、レーザー強度は再び増大しなければならな
いが、曲線４は越えてはならない。パルス持続時間は、
加熱プラズマ体積ｄＶが所望運動エネルギーＰ／２Ｖ２
ｄｖに伴い膨張するように選定しなければならない。以
後のコースにおいて、レーザー強度は制限値Ｉｃ≦ＩＬ
　＜ＩＣＩ内におり、パルス時定数はプラズマ動力学に
採用される。

機械加工プロセスと機械加工されるべき材料に従い、経
時的な挙動と閾値Ｉｃ、ＩＤの絶対値（曲線３．４）は
変わるであろう。その原因は、それぞれの機械加工プロ
セスごとに異なる移動及び散逸プロセスであること、及
びレーザー照射の熱伝導及び吸収に関して被加工物材料
の特性が変わることである。従って、各材料及び各機械
加工プロセスについて個々のプロセス線図が得られる。

第２図によるプロセス線図は、妨害のない、しかも高効
率の再製可能な機械加工のためには、プラズマの特性に
従いレーザー強度を正確に制御しなければならないこと
を示している。強度、パルス持続時間、及びパルス間隔
はプロセス線図から得ることができる。さらにプロセス
線図は、ここに示されていない以下のデータも含む。即
ち材料。

機械加工の種類、レーザー照射の波長（例えば、λ＝１
０．６μｍ）及び焦点半径（例えば、ｒＦ＝１００μｍ
）である。

個々の場合において、このように決定されるレーザー照
射の固定した制御により機械加工すれば、レーザーパラ
メータを被加工物の動力学に適合させることができ、そ
れによって機械加工の出来映えを改良することができる
。

しかしながら、一般的に、そのような固定したプロセス
要件に従っては、高品質の機械加工が可能でない。臨界
強度Ｉｃ、ＩＤに対する曲線３゜４は、プラズマ及び融
解動力学による確率的変化を受ける。例えば、第３図（
ａ）に示す実験装置で観測されるＣＯ２レーザー照射で
の鋼の溶接は、同図（ｂ）〜（ｄ）のストリーク写真を
模式化した形態で示される。模式図は機械加工プロセス
の確立性を示す。また、上述のように、レーザー強度は
光学的反応による確率的変化を受ける。

材料の不均一性及びその他の障害となる影響が常に存在
するため、第２図における曲線５のコースに対応する別
の基準なしでレーザー強度を制御することは、被加工物
の最適機械加工にとって十分でない。それに比べて本発
明によれば、レーザー放出は、被加工物のは械加工領域
におけるプロセスを連続的に記録すると共にこれを考慮
に入れつつ、レーザー照射の対応する変調によって、レ
ーザー強度ＩＬが範囲ＩＣ≦ＩＬ＜ＩＤに維持されるよ
うに、制御しなければならない。このように、レーザー
照射の最高吸収は、機械加工プロセスの最適再現性と同
様、光学的フィードバック及びプラズマによる妨害を最
小限に抑えて被加工物に実施できる。本発明によるプロ
セス実施のための装置を以下に詳述する。

本発明をざらに展開した場合、本発明による装置は、以
下の特徴を備えた装置を有する。

■強度、容量、パルス持続時間、パルス間隔に関してレ
ーザー照射を制御すると共に機械加工の所望幾何形状に
対応してレーザー光学系を制御するのに使用される中央
ユニットを設けること。

■レーザー照射の強度の実効値並びに該レーザー照射の
局部的且つ経時的分布を連続的に求めると共にこれらの
測定データを中央ユニットに送信するのに使用される測
定装置を設けること。

■被加工物の機械加工領域におけるプロセスを連続的に
記録すると共に記録データを中央ユニットに送信するに
使用される診断装置を設けること。

■送信データをそれぞれに関連する所望値と比較し、共
（辰器調整手段及びレーザーの供給装置の対応する調整
により推定偏差を除去するように、中央ユニットを構成
したこと。

本発明による装置の一実施例を第４図に示し、以下に詳
述する。

レーザー６の照射はレンズ系７によって被加工物８上に
焦点を合せられる。中央ユニット９は、共振器調整手段
１０およびレーザー６の供給装置１１を介し、強度、容
量、パルス持続時間、及びパルス間隔に関してレーザー
照射を制御する。ざらに、中央ユニット９は、調整装置
１２を介し、機械加工の所望幾何形状に対応してレンズ
系７を制御する。測定装置１３は、レーザー照射の強度
の実効値並びに経時的（ｃｈｒｏｎｏｌｏｇｉｃａｌ）
分布を連続的に求め、これらの測定データを中央ユニッ
ト９に送信する。診断装置１４は、被加工物８の機械加
工領域１５におけるプロセスを絶えず感知し、ざらに感
知データを中央ユニット９に送信する。

これらの測定データはそれぞれの機械加工状態を特徴づ
ける。レーザー強度が臨界強度１ｃまたはＩＤに近づく
と、これらの測定値は指定閾値を越えるかまたはこれ以
下に低下する。

中央ユニット９において、測定値は指定閾値と比較され
る。測定信号の閾値を越えるかまたはそれ以下に低下す
ると、レーザーパラメータは、測定値が再び指定閾値間
にあるように変更される。

従って、レーザー強度が臨界強度Ｉｃ、ＩＤ間の領域を
離れないことを保証される。

測定データの感知のために、多数の診断方法が使用でき
る。各方法につき、測定信号の上）ホした閾値を予め決
めておかねばならない。これは、例えば、規定された方
法で準備された機械加工条件に合わせることにより、あ
るいは機械加工結果の品質管理によって行う。特に、こ
の目的で以下の測定方法が使用できる。

ａ）被加工物から指定距離におけるプラズマ輝度の強度
を測定すること。

ｂ）プラズマ輝度を分光分解測定すること。

Ｃ）プラズマの色温度または総放射強度を測定すること
。

ｄ）プラズマでの光散乱を測定すること。

ｅ）プラズマの爆ごう速度を測定すること。

ｆ）プラズマの爆ごう頭の運動によって起こされる周波
数偏移を測定すること。

ｇ）プラズマ爆ごう波によって起こされる音響信号を測
定すること。

ｈ）被加工物の吸光状態を測定すること。恐らく被加工
物で反射される照射強度を測定することによる。

本発明の別の展開によれば、レーザー６として、変調特
性の良好な高周波で励起されるガスレーザー、好ましく
はＣＯ２レーザーが使用される。他のレーザータイプ（
固体レーザー）への変更は可能である。

レーザー光線によって被加工物を機械加工するための本
発明による装置は、例えば鋼及び銅の除去機械加工に使
用されるが、金属材料の溶接にも使用される。機械加工
には適宜材料が使用できる。

既述した機械加工の種類はただ実施例として述べられ、
随時他の種類の機械加工に拡張できる。

［発明の効果］７以上詳述したように本発明によれば、光学的バックカ
ップリング及びプラズマ効果による障害を最小限にして
、被加工物におけるレーザー照射の吸収を最大とするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、比レーザー強度ＩＬ／ＩＣの関数としたレー
ザー光線による除去機械加工の効率ηの特性図、第２図
は、レーザー光線による被加工物の機械加工に対するプ
ロセス線図、第３図（ａ）は、実験装置のブロック図、
第３図（ｂ）〜（ｄ）は機械加工中に確率的に影響され
るプロセスを考慮に入れたレーザー光線の臨界強度１ｃ
、ＩＤのストリーク写真の模式図、第４図は、本発明に
よる装置の一実施例を示すブロックでおる。６・・・レーザー、７・・・レンズ系、８・・・被加工
物、９・・・中央ユニット、１０・・・共］辰器調整手
段、１１・・・供給装置、１２・・・調整装置、１３・
・・測定装置、１４・・・診断装置。第１図時間（ｓｅｃ〕第２図Ｐ＝８ｋＷ　　し４−１０’Ｗｃｍ−２ｖ＊６０ｍｍ／
５（ｄ）第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）レーザー光線により制限値内に保持されるべきプ
ラズマを発生することによつて被加工物を機械加工する
レーザー加工装置であって、レーザー強度Ｉ＿Ｌは、指
示閾値を越えるかまたはそれ以下に降下したとき、レー
ザー強度Ｉ＿Ｌを制御しまたは調整するのに使用される
信号を発生することにより、範囲Ｉ＿Ｃ≦Ｉ＿Ｌ＜Ｉ＿
Ｄに保持され、かつ、前記レーザー強度Ｉ＿Ｌは、被加
工物の機械加工領域において確率的に影響されるプロセ
スをレーザー照射の対応変調によって連続的に感知する
と共にそれを考慮しながら、指示限界値Ｉ＿Ｃ及びＩ＿
Ｄによる帯域幅内で変動することを特徴とするレーザー
加工装置。
（２）レーザー強度が時定数パルス形状と時定数パルス
間隔で変調され、レーザー照射のピーク強度と変調の時
定数が被加工物の機械加工領域におけるプロセスに採用
できる特許請求の範囲第１項記載のレーザー加工装置。
（３）診断装置（１４）は、レーザー光線によって機械
加工された被加工物（８）の吸光状態の関数として閾値
を感知し、レーザー強度Ｉ＿Ｌを上側閾値Ｉ＿Ｄに近似
させるのに使用される特許請求の範囲第１項または第２
項記載のレーザー加工装置。
（４）材料の特性及び機械加工特性プロセスダイヤグラ
ムに従う強度、パルス持続時間及びパルス間隔に関した
レーザー照射の制御、並びに機械加工の所望幾何形状に
対応するレーザーレンズ系（７）の制御に使用される中
央ユニット（９）と、レーザー照射の強度の実効値並び
に該レーザー照射の局部的且つ経時的分布を連続的に求
めること、及びこれらの測定データを中央ユニット（９
）に送信するのに使用される測定装置（１３）と、被加
工物（８）の機械加工領域（１５）におけるプロセスの
連続的感知、及び感知データの中央ユニット（９）への
送信に使用される診断装置（１４）とを有し、前記中央
ユニット９は、前記各送信データをそれぞれに関連する
所望値と比較し、共振器調整手段（１０）及びレーザー
（６）の供給装置（１１）の対応する調整により推定偏
差を除去するように構成した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装置。
（５）中央ユニット（９）はレーザー照射強度Ｉ＿Ｌを
先ず、積Ｉ＿Ｃ・ｄｔ／δ（δ＝温度前線の特性浸透深
さ）が条件２Ｖ＿Ｃ＝ω＿Ｌに従う衝撃周波数をもつ表
面プラズマ生成の臨界エネルギーに達する値Ｉ＿Ｃに制
御し、それからそれを、各場合におけるプラズマの光学
効果がプラズマの膨張で減衰されるようにパルス間隔を
選定した臨界値Ｉ＿ＣとＩ＿Ｄとの間で脈動させるよう
に構成され、またパルス持続時間は、レーザー照射がプ
ラズマで全く吸光され得ないように変調される特許請求
の範囲第４項記載のレーザー加工装置。
（６）被加工物（８）の吸光状態を感知するために、被
加工物（８）で反射される照射強度を測定する装置を設
けた特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項記
載のレーザー加工装置。
（７）被加工物から指定距離におけるプラズマ輝度の強
度を測定して、レーザー強度Ｉ＿Ｌが臨界値Ｉ＿Ｄに近
づいていることを感知する特許請求の範囲第１乃至第３
項のいずれか１項記載のレーザー加工装置。
（８）プラズマ輝度を分光分解測定して、レーザー強度
Ｉ＿Ｌが臨界値Ｉ＿Ｄに近づいていることを感知する特
許請求の範囲第１乃至第３項のいずれか１項記載のレー
ザー加工装置。
（９）プラズマの色温度または総放射強度を測定して、
レーザー強度Ｉ＿Ｌが臨界値Ｉ＿Ｄに近づいていること
を感知する特許請求の範囲第１乃至第３項のいずれか１
項記載のレーザー加工装置。
（１０）プラズマでの光散乱を測定して、レーザー強度
Ｉ＿Ｌが臨界値Ｉ＿Ｄに近づいていることを感知する特
許請求の範囲第１乃至第３項のいずれか１項記載のレー
ザー加工装置。
（１１）プラズマの爆ごう速度を測定して、レーザー強
度Ｉ＿Ｌが臨界値Ｉ＿Ｄに近づいていることを感知する
特許請求の範囲第１乃至第３項のいずれか１項記載のレ
ーザー加工装置。
（１２）プラズマの爆ごう頭の運動によって起こされる
周波数偏移を測定して、レーザー強度Ｉ＿Ｌが臨界値Ｉ
＿Ｄに近づいていることを感知する特許請求の範囲第１
乃至第３項のいずれか１項記載のレーザー加工装置。
（１３）プラズマの爆ごう波によって起こされる音響信
号を測定して、レーザー強度Ｉ＿Ｌが臨界値Ｉ＿Ｄに近
づいていることを感知する特許請求の範囲第１乃至第３
項のいずれか１項記載のレーザー加工装置。
（１４）レーザー（６）として、ガスレーザーを用いた
特許請求の範囲第１項乃至第１３項のいずれか１項記載
のレーザー加工装置。
（１５）ガスレーザーとして、高周波で励起されるＣＯ
＿２レーザーを用いた特許請求の範囲第１４項記載のレ
ーザー加工装置。