JPWO2002066197A1 - レーザ加工装置およびその加工方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ加工装置およびその加工方法に関するものである。
背景技術
被加工物の加工対象部位に対してレーザビームを照射することにより、切断、穿孔、溶接、クラッディング肉盛、焼入れのような熱処理などの加工が行われるようになってきている。これらの各種レーザ加工には、一般にYAGレーザや炭酸ガスレーザなどが従来から使用されている。
YAGレーザや炭酸ガスレーザでは、レーザ加工の内容に応じたエネルギ密度・出力を得るために、集光レンズや集光反射鏡を使用して出射されたレーザビームを所定のスポット径に絞って加工対象部位に照射していた。そして、特に、溶接、クラッディング肉盛、焼入れなど、被加工物Wの所定の範囲の加工対象部位Waを気相まで変化させないで加工する場合に、絞られたレーザビームLを被加工物Wの所定の範囲の加工対象部位Waに照射すると共に、加工対象部位Waの溶け落ちあるいは溶けこみ中央部の膨らみを防ぐなどの目的から、図21に示すように集光レンズ3を振動させたり、図22に示すようにスキャニングミラー4を反復回動させたりすることにより、レーザビームLを振動させてスキャニングあるいはオシレーション(以下、オシレーションと総称する)を行っていた。
図25は、母材に対して粉末金属などの肉盛材料を溶着させるクラッディング肉盛を従来技術により行う場合を示したもので、肉盛材料に対して均等な出力でレーザビームが照射されている。また、図26は、従来の技術により鋼板からなる母材にアルミメッキが施されたアルミメッキ鋼板を、互いのアルミメッキ層を合わせた状態で重ね溶接した場合を示したものである。さらに、図27は、従来の技術により鋼板からなる母材に亜鉛メッキが施された亜鉛メッキ鋼板を、互いの亜鉛メッキ層を合わせた状態で重ね溶接する場合を示したものである。
また、近年では、特許番号第2683158号公報に開示されているように、半導体レーザー・システムを使用して各種加工が行われるようになってきている。特許番号第2683158号公報に開示されたレーザー・システムは、半導体レーザー・システムであって、レーザーオッシレーターを搭載する複数の半導体レーザー・ユニットを有し、前記半導体レーザー・ユニットはそれから出るレーザー放射光線を発生し、前記半導体レーザー・ユニットは複数群の半導体レーザー・ユニットを有し、各群における前記半導体レーザーユニットは同じ波長のレーザー放射光線を発生するために同じ横方向基本モードおよび同じ縦方向モードにおいて動作し、各半導体レーザー・ユニットに関連する光電導単一モードを有し、それぞれの半導体レーザーから出るレーザー光線を1つのそれぞれ単一モード光電導ファイバーに結合する結合素子を有し、前記光電導ファイバーは端面を有するファイバー束を形成し、該端面は同じ波長のレーザー放射線を発するファイバー端面の全てを放射群に形成するために前記ファイバー束を形成する前記ファイバー端面を含み、異なる波長のレーザー放射線を発生する放射グループはつぎに前記端面に配列され、それぞれの半導体レーザー・ユニットによって発生され前記ファイバー束の前面端面から出るコヒーレントレーザー放射は前記全レーザー放射を形成し、前記全レーザー放射はすべての半導体レーザー・ユニットのレーザー動作中に放射される対象物のある対象面を照射し、コントロールは各々個々の半導体レーザー・ユニットを定められた状態で制御するために設けられていて、各々表面要素に対して個々に定義できる光強度を持つ照射によりターゲット面の異なる表面要素に対する照射を指定できることを特徴とする。
そして、当該公報には、例えば、合金加工中に予備加熱または後処理のために作動する2つの特殊な形状の照射される表面部や、長さ方向の軸に向けて運動方向と平行に延長している卵形表面部が開示されている。
すなわち、当該公報のレーザー・システムは、ターゲット面の異なる表面要素に相応してレーザ放射線の照射を指定するために、各半導体レーザー・ユニットをON・OFF制御するものである。
しかしながら、上記従来の技術のうち、YAGレーザや炭酸ガスレーザを使用してレーザビームLを所定の範囲でオシレーションさせつつ所定の加工を行う場合にあっては、集光レンズ3を振動させたり(図21)スキャニングミラー4を反復回動させたりする(図22)ための制御に精度を要し、また、集光レンズ3を振動させるための機構あるいはスキャニングミラー4を反復回動させるための機構(図示は省略する)をレーザ加工装置に設ける必要があるために装置全体が複雑で大型化すると共にこれらの機構を維持するためのメンテナンスを必要とし、さらには、集光レンズに与える振動やスキャニングミラー4の反復回動によってレーザ加工装置の耐久性を向上させることが困難であった。
また、図25に示したようにクラッディング肉盛を行う場合に、母材溶融部の中央では熱が冷え難くいために溶融部が大きくなり易く、端部では熱が放散されるために冷え易い。そのため、上述したように肉盛材料に対して均等な出力でレーザビームを照射すると、温度差が発生することとなる。そして、溶融部が大きくなる中央においては、母材が希釈されて肉盛材料の組成が変化する。特に母材が銅で、肉盛材料がアルミであるような場合に、母材が希釈されて肉盛材料の組成が変化すると、硬度が上昇し温度差に伴って割れが生じるという問題があった。このように均等な出力でレーザビームを照射することにより部分によって加工対象部位に温度差が生じることに起因する問題は、クラッド肉盛に限らず、焼き入れなどの熱処理や、他の加工にも発生する。
さらに、図26に示したようにアルミメッキ鋼板を重ね溶接する場合には、互いに当接されたアルミメッキ層が溶融して溶接部にアルミと鉄の金属間化合物が生成される。かかる金属間化合物は固いために、溶接部が脆くなるという問題があった。
さらにまた、図27に示したように亜鉛メッキ鋼板を重ね溶接する場合には、亜鉛メッキ層の融点が低いために蒸発して気泡となる。かかる気泡は、溶接池の加工方向(図27の矢印を参照)の後方で噴出し、溶接ビードにブローホールが発生するという問題があった。
一方、特許番号第2683158号公報に開示されたレーザー・システムにあっては、単に各半導体レーザー・ユニットをON・OFF制御することによりターゲット面の異なる表面要素に相応したレーザ放射線を照射するに過ぎず、上記YAGレーザや炭酸ガスレーザを使用する場合と同様のオシレーションさせることなく被加工物Wの加工対象部位Waを液相まで変化させて加工を行った場合には、その加工対象部位Waが攪拌されることなく溶融されてから再凝固するために、図23および図24に示すように、加工方向後方に部分的な凝固遅れGが生じることにより、ビードYに引け巣のような割れCやブローホールなどが生じることがある。そのため、当該公報に開示されたレーザー・システムも、上記YAGレーザや炭酸ガスレーザを使用する場合と同様に、半導体レーザー・ユニットにレーザーオッシレーターを搭載する必要があり、制御に精度を要し、システムが複雑で大型化すると共にメンテナンスを必要とし、耐久性を向上させることが困難であった。
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で所定の範囲の加工対象部位に対して所定のエネルギ密度、出力、時間で容易に精度よくレーザビームを照射して適切にレーザ加工を行うことができ、しかも、小型化が可能でメンテナンスが容易であり耐久性を向上させることができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、容易な制御によって所定の範囲の加工対象部位に対して所定のエネルギ密度、出力、時間でレーザビームを照射して適切なレーザ加工を行うことができる方法を提供することを目的とする。
発明の開示
請求項1のレーザ加工装置に係る発明は、上記目的を達成するため、複数の半導体レーザ素子からなり複数のブロックに分割された半導体スタックと、各ブロックのレーザビームの照射出力を時間的に変化可能に制御する制御手段と、を備えたことを特徴とするものである。
請求項2のレーザ加工装置に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明において、半導体スタックを、レーザビームを常時照射するブロックと、レーザビームの照射出力を時間的に変化させるブロックとに分けたことを特徴とするものである。
請求項3のレーザ加工装置に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項2に記載の発明において、レーザビームを常時照射するブロックの周囲に、レーザビームの照射出力を時間的に変化させるブロックを配置したことを特徴するものである。
請求項4のレーザ加工装置に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項2に記載の発明において、加工方向の前方と後方に、レーザビームを常時照射するブロックを配置したことを特徴するものである。
また、請求項5のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、複数の半導体レーザ素子からなる半導体スタックを複数のブロックに分割して、各ブロックから照射するレーザビームの照射出力を時間的に変化させることを特徴とするものである。
請求項6のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項5に記載の発明において、各ブロックから照射するレーザビームの照射出力を隣接するブロック間で順次変化させることを特徴とするものである。
請求項7のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項6に記載の発明において、加工方向側縁にレーザビームを照射するブロックの照射出力を高く設定することを特徴とするものである。
請求項8のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項6に記載の発明において、加工方向側縁にレーザビームを照射するブロックの照射時間を長く設定することを特徴とするものである。
請求項9のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項5に記載の発明において、レーザビームを常時照射するブロックを加工方向の前方と後方に配置して、加工方向後方に配置されたブロックの照射出力を低く設定することを特徴とするものである。
請求項10のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項5〜9のいずれかに記載の発明において、レーザ加工が、母材に対して肉盛材料を肉盛する肉盛加工であることを特徴とするものである。
請求項11のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項5〜9のいずれかに記載の発明において、レーザ加工が、母材にメッキが施された板材を互いに溶接する溶接加工であることを特徴とするものである。
請求項12のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項11に記載の発明において、板材がアルミメッキ鋼板であることを特徴とするものである。
請求項13のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項11に記載の発明において、板材が亜鉛メッキ鋼板であることを特徴とするものである。
請求項1の発明では、制御手段が、所定の範囲の加工対象部位に対して半導体スタックの各半導体レーザ素子から照射されるレーザビームの出力を、分割されたブロックごとに、所定の順序でON・OFF制御または強弱変化制御、照射時間の長短制御、あるいはこれらの組み合わせ制御によって変化させることにより、被加工物の加工対象部位が設定された範囲内で精度よく適切に加工される。加工対象部位を液相まで変化させる場合には、レーザビームの照射を時間的に変化させることにより、加工対象部位に攪拌作用が生じるために、部分的な凝固遅れが抑止されて均一に再凝固し、ブローホールや割れの発生が抑止される。また、レーザビームの照射出力を隣接するブロック間で順次変化させた場合には、加工対象部位に対してレーザビームがオシレーションするように照射される。
請求項2の発明では、請求項1に記載の発明において、レーザビームを常時照射するブロックが一定出力または所定の出力に強弱制御によって変化され、また、レーザビームの照射出力を時間的に変化させるブロックがON・OFF制御または強弱変化制御、照射時間の長短制御、あるいはこれらの組み合わせ制御によって変化される。
請求項3の発明では、請求項2に記載の発明において、レーザビームを常時照射するブロックを中心として、その周囲に配置されたブロックの照射出力が時間的に変化される。
請求項4の発明では、請求項2に記載の発明において、加工方向の前方と後方の、レーザビームを常時照射するブロックの間を含む周囲に、レーザビームの照射出力を時間的に変化させるブロックが配置される。
また、請求項5の発明では、レーザビームを、半導体スタックの分割したブロックごとに、所定の順序で時間的にON・OFF制御または強弱変化制御、照射時間の長短制御、あるいはこれらの組み合わせ制御してその出力を変化させて照射すると、加工対象部位が所定の範囲内で適切に加工される。加工対象部位を液相まで変化させた場合には、レーザビームの照射出力を時間的に変化させることにより、加工対象部位に攪拌作用が生じるために、部分的な凝固遅れが抑止されて均一に再凝固し、ブローホールや割れの発生を抑止する。
請求項6の発明では、請求項5の発明において、各ブロックから照射するレーザビームの照射出力を隣接するブロック間で順次変化させることにより、加工対象の所定の範囲に対してレーザビームをオシレーションさせるように照射する。
請求項7の発明では、請求項6に記載の発明において、加工方向側縁にレーザビームを照射するブロックの照射出力を高く設定することにより、加工部分が幅方向に均等に加工される。
請求項8の発明では、請求項6に記載の発明において、加工方向側縁にレーザビームを照射するブロックの照射時間を長く設定することにより、加工部分が幅方向に均等に加工される。
請求項9の発明では、請求項5に記載の発明において、レーザビームを常時照射するブロックを加工方向の前方と後方に配置して、加工方向後方に配置されたブロックから低い出力でレーザビームを照射することにより、溶融池の後方に攪拌作用が確実に生じ、部分的な凝固遅れが抑止されて均一に再凝固し、ブローホールや割れの発生を抑止する。
請求項10の発明では、請求項5〜9のいずれかに記載の発明において、レーザビームを適切に照射して撹拌作用を及ぼすことにより、割れが発生することなく、母材に対して肉盛材料を肉盛する肉盛加工が適切に行われる。
請求項11の発明では、請求項5〜9のいずれかに記載の発明において、レーザビームを適切に照射して撹拌作用を及ぼすことにより、金属間化合物やブローホールが発生することなく、母材にメッキが施された板材を互いに溶接する溶接加工が適切に行われる。
請求項12の発明では、請求項11に記載の発明において、レーザビームを適切に照射して撹拌作用を及ぼすことにより、金属間化合物を発生させることなく、アルミメッキ鋼板である板材を互いに溶接する溶接加工が適切に行われる。
請求項13の発明では、請求項11に記載の発明において、レーザビームを適切に照射して撹拌作用を及ぼすことにより、ブローホールを発生させることなく、亜鉛メッキ鋼板である板材を互いに溶接する溶接加工が適切に行われる。
発明を実施するための最良の形態
最初に、本発明のレーザ加工装置の実施の一形態を、主に図1に基づいて詳細に説明する。なお、図において同一符号は同一部分または相当する部分とする。
本発明のレーザ加工装置は、概略、複数の半導体レーザ素子(図示は省略する)からなる半導体スタック(半導体レーザモジュールともいう)1と、各半導体レーザ素子から出射されるレーザビームの出射を制御する制御手段(図示は省略するが、その機能については後に詳述する)とを備えており、半導体スタック1は、被加工物Wの加工対象部位Waに応じて複数のブロックB11,B12,B13,B14に分割され、制御手段は、各ブロックB11,B12,B13,B14のレーザビームの照射を時間的に変化可能に制御するものである。
各半導体レーザ素子は、電力が投入されることによってその一端面からレーザビームを所定のエネルギ密度で出射するもので、投入される電力の大きさおよびその投入時間を変更することによって出射するレーザビームの出力および照射時間を任意に変更することができる。半導体スタック1は、半導体レーザ素子のレーザビームを出射する端面が一列に並ぶように配列されて半導体バー(図示は省略する)を構成し、この半導体バーを複数積層することにより構成されている。半導体スタック1は、複数の半導体レーザ素子をマトリックス状に配列することにより任意の形状に構成することができる。図1の実施の形態の場合では、本発明の理解を容易にするため、半導体スタック1のレーザビームを出射する端面1aが略矩形となるように積層されており、かかる端面1aが略均等な大きさ(面積)を有する矩形の4つのブロックB11,B12,B13,B14に分割された状態が示されている。しかしながら、本発明は図に示した実施の形態に限定されることなく、被加工物Wの加工対象部位Waの形状に応じて半導体スタック1のレーザビームを出射する端面1aおよびその分割するブロックB11,B12,B13,B14の形状、さらには分割するブロックの数などを任意に決定することができる。
半導体スタック1のレーザビームを出射する端面1aと被加工物Wの加工対象部位Waとの間には、必要に応じて、出射されたレーザビームを加工対象部位Waに対して所定の焦点で照射するための集光レンズ3(図5を参照)が設けられる。
この実施の形態の場合、分割された各ブロックB11,B12,B13,B14には、電力を投入するための電源P1,P2,P3,P4がそれぞれ対応して接続されている。図示しない制御手段は、各電源P1,P2,P3,P4から各ブロックB11,B12,B13,B14に投入する電力を時間の経過に伴って変化させるよう制御する。その結果、半導体スタック1から照射されるレーザビームの出力が隣接するブロックB11−B12−B13−B14−B11…の順に時間的に変化される。そのため、本発明のレーザ加工装置では、従来の技術のように集光レンズ(図21)を振動させるための機構やスキャニングミラー4(図22)を反復回動させるための機構を用いることなく、被加工物Wの加工対象部位Waに対して適切なエネルギ密度のレーザビームを容易にオシレーションさせるように回転させて(この実施の形態の場合)照射することができるため、所定のレーザ加工を安定して行うことができ、また、レーザ加工装置の構成を簡単なものとして小型化を図ると共にその耐久性を向上させることができる。
このように構成されたレーザ加工装置は、溶接やクラッディングのように被加工物Wの加工対象部位Waを液相まで変化させる加工、焼入れや焼鈍などの熱処理、あるいはマーキングのように被加工物Wの加工対象部位Waを液相まで変化させない加工、または気相まで変化させて蒸発させる加工など、加工内容に応じて各ブロックに投入する電力を調整することにより、レーザビームをその加工に必要な出力で照射することができる。また、積層成形する半導体スタック1および分割するブロックB11,B12,B13,B14の大きさによって、レーザビームを照射し得る範囲を決定することができる。
次に、本発明のレーザ加工方法を、上述したように構成されたレーザ加工装置を用いて溶接を行う場合により、図1から図6に基づいて詳細に説明する。
本発明のレーザ加工方法は、概略、複数の半導体レーザ素子からなる半導体スタック1を複数のブロックB11,B12,B13,B14に分割して、各ブロックB11,B12,B13,B14から照射するレーザビームLの照射出力を時間的に変化させるよう制御するものであり、さらに、レーザビームLの照射出力を隣接するブロックB11,B12,B13,B14間で順次変化させるよう制御するものである。
最初に、被加工物Wの加工対象部位Waに対して半導体スタック1のレーザビームを出射する端面1aが対向するように配置され、加工対象部位Waと半導体スタック1の端面1aとの間には、必要に応じて、集光レンズ3が所定の集光径でレーザビームLを照射し得るように調整・配置されている。なお、図1に示された実施の形態の半導体スタック1は、上述したように、ブロックB11−B12,B12−B13,B13−B14,B14−B11が隣接するように分割されている。
この状態で、制御手段によって電源P1,P2,P3,P4から各ブロックB11,B12,B13,B14ごとに所定の大きさの電力が所定のタイミングで投入されると共に、加工対象部位Waと半導体スタック1とが溶接方向に沿って相対的に移動される。このとき、制御手段は、隣接するブロックB11,B12,B13,B14間で投入する電力を時間の経過に伴って順に変化させるよう制御する。その制御の実施の形態を以下に説明する。
図1に示した実施の形態では、単一のブロックB11−B12−B13−B14−B11…からレーザビームLを時間の経過に伴って順に照射させるように、電源P1,P2,P3,P4からブロックB11,B12,B13,B14のうちの1つに順に電力を投入(ON)し、他のブロックに対しては、電力の投入を停止(OFF)するよう制御する。
図2に示した実施の形態では、隣接する複数のブロックB11・B12,B12・B13,B13・B14,B14・B11…から重複してレーザビームを時間の経過に伴って順に照射させるように、電源P1,P2,P3,P4からそれぞれ隣接するブロックB11,B12,B13,B14へ重畳して順に電力を投入(ON)し、これら以外のブロックに対しては、電力の投入を停止(OFF)するよう制御する。図1および図2に示したように制御する場合をON・OFF制御と称する。
図3に示した実施の形態では、電源P1,P2,P3,P4により投入する電力をOFFにすることなく、各ブロックB11,B12,B13,B14に一定の電力を投入し、投入する電力をブロックB11−B12−B13−B14−B11…の順に増加させるよう制御する。したがって、この実施の形態では、各ブロックB11,B12,B13,B14から常に一定以上の出力のレーザビームLが照射されており、時間の経過に伴ってブロックB11,B12,B13,B14のうちの1つから照射されるレーザビームの出力が増加する。図3に示したように制御する場合を強弱制御と称する。
図1〜図3に示した実施の形態では、矩形の波形で投入電力の制御(すなわち、照射出力の制御)を行っていたのに対し、図4に示した実施の形態では、各電源P1,P2,P3,P4から対応するブロックB11,B12,B13,B14に投入する電力を、サインカーブあるいは自由波形を描くように、時間の経過に伴って順に漸増・漸減させるよう制御する。なお、この実施の形態で示したグラフの波形が最低(谷)のときは、必要に応じて、図1や図に示したON・OFF制御の場合と同様に投入電力をOFFにするよう制御することができ、また、図3に示した強弱制御の場合と同様に投入電力をOFFにすることなく所定以上の電力を投入した状態に維持するよう制御することもできる。
なお、本発明は、各ブロックB11,B12,B13,B14から照射するレーザビームの照射出力を時間的に変化させるように制御するものであれば、必要に応じて、電源P1,P2,P3,P4からブロックB11,B12,B13,B14に投入する電力の大きさおよび/または時間の長さを図1〜図4に示した実施の形態とは異る制御も含まれる。
これらのように、電源P1,P2,P3,P4から各ブロックB11,B12,B13,B14への電力投入を時間的に変化させるよう制御することにより、図5に示すように、被加工物Wの加工対象部位Waには、全てのブロックB11,B12,B13,B14によってレーザビームLを照射し得る範囲の中で、オシレーションするように、時間経過に伴ってレーザビームを照射する位置(ON・OFF制御の場合)や、照射出力の大きい位置(強弱制御の場合)がこの実施の形態の場合回転するように移動して(図5の矢印S)、適切なエネルギ密度を有するレーザビームLが適切な出力で照射されることとなる。そのため、被加工物Wの加工対象部位Waを溶接するときには、レーザビームLの照射位置または大きい照射出力位置の移動にしたがって、液相に変化してから再凝固する位置が順に移動し(図5の矢印s)、液相に変化した材料が振動を与えられるように攪拌作用を受ける。そのため、従来の技術のような凝固遅れ(図23の符号G)の発生を抑止して引け巣のような割れ(図24の符号C)やブローホールなどがなくなるため、図6にも示すように、溶接欠陥がない良好なビードYを形成することができる。
次に、本発明の別の実施の形態を説明する。なお、上述した実施の形態と同様または相当する部分については、同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明することとする。
図7に示した実施の形態では、半導体スタック1が加工対象部位Waの幅に応じて形成されており、その幅方向にブロックB21〜B26が一列に配列されるように分割されている。そして、制御手段は、各ブロックB21〜B26に投入される電力を制御して、隣接するブロックB21−B22−B23−B24−B25−B26へと照射されるレーザビームLの出力をオシレーションさせるように順に時間的に変化させる。この状態で、半導体スタック1と被加工物Wの加工対象部位Waとを相対的に移動させて所定の加工を行う。
このときには、必要に応じて、図7の(a)(b)(c)にそれぞれ一点鎖線で示す矢印のように、配列されたブロックB21−B22−B23−B24−B25−B26−B21…の順に一方向に電力を投入するように制御することができ、また、二点鎖線で示す矢印のように、ブロックB21−B22−B23−B24−B25−B26−B25…の順に往復するように電力の投入を制御することができる。そして、各ブロックB21〜B26から出射するレーザビームLの出力の大きさ(強さ)は、必要に応じて、図7の(a)に示すように均等に設定することができ、また、図7の(b)に示すように、例えば中央のブロックB22〜B25から少なくとも一方端のブロックB21および/またはB26に向かって漸次大きく設定するなど、加工対象部位Waの幅方向の位置によって異ならせるよう設定することもできる。さらには、各ブロックB21〜B26からレーザビームLを出射する時間は、図7の(c)に示すように、例えば少なくとも一方端のブロックB21および/またはB26を長くまた中央のブロックB23,B24を短く設定するなど、加工対象部位Waの幅方向の位置によって異ならせるよう設定することもできる。
図8に示した実施の形態では、半導体スタック1が各種被加工物Wの想定し得る最大幅の加工対象部位Wa以上の幅を有するように形成されており、その幅方向に6つのブロックB21〜B28が一列に配列されるように均等な幅で分割されている。一方、図8に示された加工対象部位Waの幅は、半導体スタック1の幅よりも狭く、ブロックB21〜B28のうちの6つのブロックの幅と同じとなっている。そのため、両端のブロックB21,B28または端部のブロックB21,B22若しくはB27,B28には、対応する電源から電力を投入させることなく(OFF)、加工対象部位Waと対応する他のブロックによってレーザビームを、その出力が時間的に変化して照射するように制御し、さらには、必要に応じて、図7の(a)(b)(c)に示したようにブロックB21〜B28の幅方向の位置によってレーザビームLの照射出力の大きさおよび/または照射時間を変化させるなどの制御を併用することにより、例えば被加工物Wとして2つの板材を溶接する場合において両板材W,Wの間の隙間などによって異なる加工対象部位Waの幅に対応することができる。
図9に示した実施の形態では、加工対象部位Waには肉盛材料としてクラッド粉末材が比較的幅広の円環状に配置されており、半導体スタック1と加工対象部位Waとが相対的に周回移動するよう構成されている。半導体スタック1は、その幅方向すなわち円環状の加工対象部位Waの径方向に一列に配列されるように、複数のブロックB21〜B26に分割されている。半導体スタック1は、加工対象部位Waの周方向の長さに応じて、扇形や台形など、外周に位置するブロックほどレーザビームを出射する端面1aの奥行きDが大きくなるように形成することができる。また、各ブロックB21〜B26に投入する電力の大きさおよび/または時間は、加工対象部位Waの周方向の長さに応じて、外周に位置するブロックほどレーザビームの照射出力を大きくおよび/または照射時間を長くするように制御することができる。
このように構成することにより、半導体スタック1と加工対象部位Waとを相対的に周回移動させつつ、各ブロックB21〜B26から照射されるレーザビームの出力を時間の経過に伴って加工対象部位Waの幅(径)方向にオシレーションするように変化させると、円環状の加工対象部位上に配置されたクラッド粉末材は、その径方向の位置に関わらず、適切な出力のレーザビームLが照射されて振動するように攪拌作用を受け、適切に肉盛されたクラッド層が形成されることとなる。
図10に示した実施の形態では、半導体スタック1が被加工物Wの幅に応じて形成されており、その幅方向にブロックB31〜B44が一列に配列されるように分割されている。そして、制御手段は、各ブロックB31〜B44に投入される電力をON・OFF制御し、隣接する複数のブロックB34〜B42からレーザビームを照射させる場合には、それらのブロックB34〜B42から照射されるレーザビームLの出力をオシレーションさせるように順に時間的に変化させる。この状態で、半導体スタック1と被加工物Wの加工対象部位Waとを相対的に移動させて所定の加工を行う。
図10に示したように、この実施の形態では、被加工物Waの表面にレーザビームを照射することによって、レーザビームを照射しない部分の色と異なる色に変化させてマーキングするもので、各電源(図示は省略する)からブロックB31〜B44のうちの所定のブロックB34〜B42に投入される電力は、マーキングに適した大きさに設定されている。図10に示したように、被加工物Wの表面に加工対象部位Waとして略T形のマーキングを行う場合には、ブロックB31〜B33およびB43〜B44に電力を投入することはない。一方、ブロックB34〜B42は、半導体スタック1が被加工物Wとの相対的な移動によって加工対象部位T1に達すると、時間の経過に伴って隣接するブロックB34〜B42間でレーザビームの出力を変化させるように、順に電力が投入(ON)されるよう制御される。そして、さらに半導体スタック1が被加工物Wの相対的な移動によって加工対象部位T2に達すると、ブロックB34〜B37およびB39〜B42は、電力の投入が停止(OFF)され、ブロックB38のみに電力が投入され続ける。その後、半導体スタック1が被加工物Wとの相対的な移動によって加工対象部位T3に達すると、ブロックB38への電力の投入も停止される(OFF)。なお、ブロックB38は、図示は省略するが、さらに小さなブロックに分割して、このブロックB38内でレーザビームの照射出力を時間的に変化させるよう制御することができる。
図11〜図13は、図7に示した実施の形態と同様に、半導体スタック1を加工対象部位Waの幅に応じて形成し、その幅方向にブロックB21〜B30が一列に配列されるように分割して、クラッディング肉盛を行う場合の実施の形態を示したものである。図13の下方に示すように、被加工物Wとして母材の被加工対象部位Waには、粉末金属などからなるクラッド粉末材が肉盛材料として配置されている。図示しない制御手段は、各ブロックB21〜B30に投入される電力を制御して、図12に示すように、隣接するブロックB30−B29−B28−……−B23−B22−B21から照射されるレーザビームLを、その出力と照射時間の双方が変化するよう照射させる。そして、レーザビームLは、加工対象部位Waの中央部に向かって漸次出力が小さく且つ照射時間が短くなるように、言換えれば、両側縁部に向かって漸次出力が大きく且つ照射時間が長くなるように変化させて、オシレーションさせるように順に照射させる。上述したように、母材溶融部の中央では熱が冷え難くいために溶融部が大きくなり易く、端部では熱が放散されるために冷え易い。しかしながら、この実施の形態では、照射するレーザビームの出力は、図13の上方に示すように、加工対象部位Waの中央部が比較的弱く、両側縁部が比較的強くなるよう制御される。そのため、被加工対象部位Waの部分による温度差が抑止されると共に、母材溶融部が幅方向(図13の左右方向)に均等に適当な深さで形成される。したがって、肉盛材料に対して均等な出力でレーザビームを照射していた従来の技術(図25を参照)のように、母材が希釈されて肉盛り材料の組成が変化し硬度が上昇することによる割れが発生することがない(図13を図25と比較されたい)。このような制御は、クラッディング肉盛に限定されることなく、例えば焼入れのような熱処理にも適用することができる。また、ブロックB21〜B30から照射されるレーザビームLは、上述したようにレーザビームLの出力をON・OFF制御すると共に照射時間の長短制御することに限定されることなく、ON・OFF制御と照射時間の長短制御のいずれか、または、レーザビームLの強弱変化制御を組み合わせあるいは単独で行うこともできる。
図14〜図16は、半導体モジュール1を、加工対象部位Waに対してレーザビームLaを加工中に常時照射させるブロックBaと、レーザビームLbの照射出力を時間的に変化させるブロックBbとに分けて構成したもので、互いのアルミメッキ層が当接された状態でアルミメッキ鋼板を重ね溶接する場合の実施の形態を示したものである。
図14の半導体モジュール1は、その上方に示すように、常時照射させるブロックBaの周囲を包囲するように照射出力を時間的に変化させるブロックBbを複数配置し、かかるブロックBbから順にレーザビームLbを回転させるように照射することにより、図14に矢印Sで示すように、オシレーションさせるように制御される。ブロックBbからオシレーションされるように照射されるレーザビームLbは、単一で照射することに限らず、図14の下方に示したように、ブロックBbのうちの複数から同時にレーザビームLb,Lb…を照射するように制御してもよい。
図15の半導体モジュール1は、その上方に示すように、常時照射させるブロックBaの溶接方向(矢印M)の方向と平行な両側縁に沿って照射出力を時間的に変化させるブロックBbを複数配置し、かかるブロックBbから一方向に繰り返しまたは往復する方向に順にレーザビームLbを照射することにより、図15に矢印Sで示すように、オシレーションさせるように制御される。なお、図14および図15中の矢印Mは、溶接方向を示している。
図14あるいは図15に示したように構成することにより、加工対象部位Waに形成された溶融池Xでは、常時照射されるレーザビームLaの周囲または側縁で、オシレーションされるようにレーザビームLbが移動して照射されるため(図14および図15の下方に示した矢印s)、溶融金属が撹拌作用を受ける。そのため、図16に示すように、互いのアルミメッキ層が当接された状態でアルミメッキ鋼板を重ね溶接する場合であっても、従来の技術(図26を参照)のように互いに当接されたアルミメッキ層が溶融して偏析し溶接部にアルミと鉄の金属間化合物が生成されることがなく、したがって、この実施の形態では、適切に溶接部が形成されて脆くなることがない。なお、ブロックBbから照射されるレーザビームLbは、上述したようにレーザビームLの出力をON・OFF制御することに限定されることなく、ON・OFF制御と、照射時間の長短制御やレーザビームLbの強弱変化制御とを組み合わせあるいはいずれかを単独で行うこともできる。このような構成は、アルミメッキ鋼板を重ね溶接する場合に限定されることなく、他の溶接やクラッディング肉盛、例えば焼入れのような熱処理にも適用することができる。
図17〜図20は、半導体モジュール1を、加工対象部位Waに対してレーザビームLaを常時照射させるブロックBaと、レーザビームLbの照射出力を時間的に変化させるブロックBbとに分けて構成したもので、互いの亜鉛メッキ層が当接された状態で亜鉛メッキ鋼板を重ね溶接する場合の実施の形態を示したものである。図17〜図20中の矢印Mは、溶接方向を示している。この実施の形態における構成が図14〜図16に示した実施の形態と異なるのは、常時レーザビームLaを照射するブロックが溶接方向の前方Baと後方Ba’に配置されており、両ブロックBa,Ba’の間を含む周囲にオシレーションされるブロックBbが複数配置されている。そして、常時レーザビームLaを照射するブロックBa,Ba’のうちで、溶接方向の後方に配置されるブロックBa’から照射されるレーザビームLa’の出力を、前方に配置されたブロックBaから照射されるレーザビームLaの出力よりも低くなるように制御する。
図17の半導体モジュール1は、レーザビームLa,La’を常時照射させる前方と後方のブロックBa,Ba’の間に照射出力を時間的に変化させるブロックBbを複数配置し、かかるブロックBbから順にレーザビームLbを照射することにより、オシレーションさせるように制御される。
図18の半導体モジュール1は、レーザビームLa,La’を常時照射させる前方と後方のブロックBa,Ba’の間に配置されて照射出力を時間的に変化させる複数のブロックBbが、2列で、しかも、前方においては列が互いに離れて後方においては互いに近づくように溶接方向に対して傾斜するよう配置されている。
図19の半導体モジュール1は、レーザビームLa’を常時照射させる後方のブロックBa’の周囲を包囲するように照射出力を時間的に変化させるブロックBbが複数配置されている。
図17〜図19のいずれの実施の形態でも、亜鉛メッキ層の融点が低いために蒸発してできた気泡Vが発生する場合であっても、図20に示すように、かかる気泡Vのガス抜き用の穴Vaを形成するように後方に配置されたブロックBa’からレーザビームLa’が照射され、しかも、ブロックBbから照射されるレーザビームLbをオシレーションするように制御することにより、常時レーザビームLa、La’が照射される部分の間またはその周囲で溶融金属が撹拌されるような作用を受けるため、亜鉛メッキ鋼板を重ね溶接する場合であっても、従来の技術(図27を参照)のように、溶接池Xの溶接方向Mの後方で気泡Vが噴出して溶接部にブローホールHが発生することがない。なお、レーザビームLa’により形成された気泡Vのガス抜き用の穴Vaは、気泡V内に溶融池Xの溶融金属が気泡V内に充填されることにより、溶融池が凝固する前に消えて無くなる。
この実施の形態においても、ブロックBbから照射されるレーザビームLbは、上述したようにレーザビームLの出力をON・OFF制御することに限定されることなく、ON・OFF制御と、照射時間の長短制御やレーザビームLbの強弱変化制御とを組み合わせあるいはいずれかを単独で行うこともできる。このような構成は、亜鉛メッキ鋼板を重ね溶接する場合に限定されることなく、他の溶接やクラッディング肉盛、例えば焼入れのような熱処理にも適用することができる。
産業上の利用可能性
本発明によれば、簡単な構成で、所定の範囲の加工対象部位に対してオシレーションさせるように所定のエネルギ密度、出力、時間で容易にレーザビームを精度よく照射して適切にレーザ加工を行うことができ、しかも、メンテナンスが容易で小型化が可能であり耐久性を向上させることができるレーザ加工装置を提供することができる。
また、本発明によれば、簡単な制御により、所定の範囲の加工対象部位に対して所定のエネルギ密度、出力、時間でレーザビームを照射して適切なレーザ加工を行うことができる方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明のレーザ加工装置とその制御内容の実施の一形態を説明するための概念図である。
図2は、制御内容の別の実施の形態を示すグラフである。
図3は、制御内容の別の実施の形態を示すグラフである。
図4は、制御内容の別の実施の形態を示すグラフである。
図5は、本発明のレーザ加工装置によってレーザビームを回転させるようにオシレーションさせて溶接を行う場合の状態を説明するための概念図である。
図6は、図5に示された加工対象部位に形成された良好なビードの断面図である。
図7は、本発明のレーザ溶接装置の半導体スタックの別の実施の形態とその制御内容の変形例の実施の形態を説明するための概念図である。
図8は、本発明のレーザ溶接装置の半導体スタックの別の実施の形態と溶接する状態を説明するための斜視図である。
図9は、本発明のレーザ溶接装置の半導体スタックのさらに別の実施の形態とクラッディング肉盛を行う状態を説明するための斜視図である。
図10は、本発明のレーザ溶接装置の半導体スタックのさらに別の実施の形態とマーキングを行うための制御内容を説明するための概念図である。
図11は、本発明のレーザ加工方法によりクラッディング肉盛を行う場合の半導体スタックの時間的変化と加工方向(矢印)の実施の一形態を説明するための概念図である。
図12は、図11に示された半導体スタックの制御の実施の一形態を説明するための概念図である。
図13は、図12に示された制御により照射されるレーザビームの出力を示すグラフと、この制御によりクラッディング肉盛が適切に行われた状態を説明するための断面図である。
図14、本発明のレーザ加工装置の半導体スタックの配置の実施の形態とこれにより照射されるレーザビームを説明するための概念図である。
図15、本発明のレーザ加工装置の半導体スタックの配置の別の実施の形態とこれにより照射されるレーザビームを説明するための概念図である。
図16は、本発明の方法により重ね溶接されたアルミメッキ鋼板の溶接部を示す説明図である。
図17は、本発明のレーザ加工装置の半導体スタックの配置の別の実施の形態と、照射するレーザビームの変化を示す説明図である。
図18は、本発明のレーザ加工装置の半導体スタックの配置の別の実施の形態と、照射するレーザビームの変化を示す説明図である。
図19は、本発明のレーザ加工装置の半導体スタックの配置の別の実施の形態と、照射するレーザビームの変化を示す説明図である。
図20は、本発明により溶融池の加工方向後方が撹拌されて、そこに発生した気泡にガス抜き穴が形成され、溶接ビードにブローホールが発生するのが防止されている状態を示す説明図である。
図21は、集光レンズを振動させことによりレーザビームをオシレーションさせる従来の技術を示す説明図である。
図22は、スキャニングミラー4を反復回動させることによりレーザビームをオシレーションさせる従来の技術を示す説明図である。
図23は、レーザビームをオシレーションさせることなく被加工物の加工対象部位を液相まで変化させて加工を行った場合に、部分的に凝固遅れが生じることを示した説明図である。
図24は、図23に示された加工対象部位に割れが生じた状態で形成されたビードの断面図である。
図25は、従来のオシレーションさせることにより均一に照射されるレーザビームの出力と、これによりクラッディング肉盛を行ったう場合を説明するための図である。
図26は、従来のオシレーションさせることによりレーザビームを均一な出力で照射して、アルミメッキ鋼板を、互いのアルミメッキ層を合わせた状態で重ね溶接した場合を示す説明図である。
図27は、従来のオシレーションさせることによりレーザビームを均一な出力で照射して、亜鉛メッキ鋼板を、互いの亜鉛メッキ層を合わせた状態で重ね溶接した場合を示す説明図である。
Claims (13)
- 複数の半導体レーザ素子からなり複数のブロックに分割された半導体スタックと、
各ブロックのレーザビームの照射出力を時間的に変化可能に制御する制御手段と、を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。 - 半導体スタックを、レーザビームを常時照射するブロックと、レーザビームの照射出力を時間的に変化させるブロックとに分けたことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。
- レーザビームを常時照射するブロックの周囲に、レーザビームの照射出力を時間的に変化させるブロックを配置したことを特徴する請求項2に記載のレーザ加工装置。
- 加工方向の前方と後方に、レーザビームを常時照射するブロックを配置したことを特徴する請求項2に記載のレーザ加工装置。
- 複数の半導体レーザ素子からなる半導体スタックを複数のブロックに分割して、各ブロックから照射するレーザビームの照射出力を時間的に変化させることを特徴とするレーザ加工方法。
- 各ブロックから照射するレーザビームの照射出力を隣接するブロック間で順次変化させることを特徴とする請求項5に記載のレーザ加工方法。
- 加工方向側縁にレーザビームを照射するブロックの照射出力を高く設定することを特徴とする請求項6に記載のレーザ加工方法。
- 加工方向側縁にレーザビームを照射するブロックの照射時間を長く設定することを特徴とする請求項6に記載のレーザ加工方法。
- レーザビームを常時照射するブロックを加工方向の前方と後方に配置して、加工方向後方に配置されたブロックの照射出力を低く設定することを特徴とする請求項5に記載のレーザ加工方法。
- レーザ加工が、母材に対して肉盛材料を肉盛する肉盛加工であることを特徴とする請求項5〜9のいずれかに記載の方法。
- レーザ加工が、母材にメッキが施された板材を互いに溶接する溶接加工であることを特徴とする請求項5〜9のいずれかに記載の方法。
- 板材がアルミメッキ鋼板であることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 板材が亜鉛メッキ鋼板であることを特徴とする請求項11に記載の方法。
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