KR20150086374A

KR20150086374A - 가공장치 및 가공방법

Info

Publication number: KR20150086374A
Application number: KR1020157016906A
Authority: KR
Inventors: 요시히토 후지타; 츠구마루 야마시타; 사네유키 고야; 마코토 야마사키; 류 스즈키; 고헤이 가나오카; 다카시 이시데; 도시야 와타나베
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2015-07-27
Also published as: EP2923791A1; TW201433397A; US20150352666A1; JP2014161902A; EP2923791B1; KR101718265B1; CN104870137A; WO2014132503A1; CN104870137B; US9757816B2; EP2923791A4; TWI547335B; JP5364856B1

Abstract

간단한 구성으로, 보다 높은 정밀도의 가공을 행하는 것이 가능한 가공장치 및 가공방법을 제공한다. 가공장치는, 조사헤드(16)와 제어장치를 가지고, 조사헤드(16)는 콜리메이트 광학계와 레이저 선회부(35)와 집광광학계(37)로 분할 가능하다. 레이저 선회부(35)는 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)과 제1 회전기구(53)와 제2 회전기구(54)를 가진다. 제어장치는, 적어도 피가공부재의 열영향층과 레이저의 선회수의 관계에 근거하여 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)의 회전수와 위상각의 차를 제어한다.

Description

가공장치 및 가공방법{MACHINING DEVICE AND MACHINING METHOD}

본 발명은, 가공 대상의 부재에 레이저를 조사하여 가공을 행하는 가공장치 및 가공방법에 관한 것이다.

피가공부재에 대하여 절단이나 천공 등의 가공을 행하는 가공장치로서, 레이저를 이용하는 가공장치가 있다(예를 들면, 특허문헌 1 및 특허문헌 2 참조). 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 가공장치는, 피가공부재에 레이저를 조사함으로써, 피가공부재에 대하여 절단이나 천공을 행한다. 또, 특허문헌 1에는, 피가공부재에 적어도 2종류의 파장의 레이저광을 조사하여 구멍 가공을 행하는 레이저 가공방법으로서, 구멍의 직경보다 작은 스폿 직경인 제1 레이저광을 구멍의 내주를 따라 조사하여 가공하는 단계와, 구멍의 직경보다 작은 스폿 직경이면서, 또한 제1 레이저광보다 파장이 긴 제2 레이저광을 구멍의 내주보다 내측에 조사하는 단계를 가지고, 이후의 단계에 의하여, 이전의 단계에서 가공되지 않고 남은 부분을 가공하는 레이저 가공방법이 기재되어 있다. 또, 특허문헌 1에는, 갈바노 미러를 조합하여, 제1 레이저광의 조사 위치를 어긋나게 하는 장치가 기재되어 있다. 특허문헌 2에는, 렌즈를 유지하는 구조체에 코일을 마련하고, 베이스에 영구자석을 마련한 구성으로 하여, 코일을 구동함으로써 렌즈를 회전 운동시켜, 집광점을 선회시키는 것이 기재되어 있다.

또, 본 출원인이 선출원한 특허문헌 3에는, CO2 레이저 발진기 및 엑시머 레이저 발진기를 구비하고, 2개의 레이저로서 CO2 레이저빔과 엑시머 레이저빔을 사용하여, CO2 레이저빔을 조사함으로써 플라스틱 부재 혹은 FRP 부재의 절단 또는 천공을 행한 후, 계속해서 엑시머 레이저빔을 그 절단면 및 근방에 조사하여 당해 절단면에 생긴 탄화층 혹은 열영향층을 제거하는 가공장치가 기재되어 있다. 특허문헌 3에 기재된 가공장치는, 엑시머 레이저빔을 그 횡단면이 링형상인 레이저빔으로 하고, 그 레이저빔의 중공부에 CO2 레이저빔을 삽통하여, 양 레이저빔의 광축을 동일하게 한 후, 양 레이저빔을 동일한 전송 경로로 전송하여, 플라스틱 부재 혹은 FRP 부재의 절단 또는 천공가공부의 근방까지 유도하여, 그 근방에서 다시 양 레이저빔을 분리하는 것이 기재되어 있다.

일본 공개특허공보 2011-110598호 일본 특허공보 제2828871호 일본 특허공보 제2831215호

특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 가공장치와 같이, 레이저의 조사 위치를 선회시킴으로써, 피가공부재를 적절히 가공할 수 있다. 또, 특허문헌 3에 기재된 가공장치와 같이, 2개의 레이저를 이용함으로써 피가공부재를 적절히 가공할 수 있다. 그러나, 특허문헌 1로부터 특허문헌 3에 기재된 가공장치는, 가공 정밀도를 높게 하기 위해서는 장치 구성을 복잡하게 할 필요가 있다는 과제가 있었다.

본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 간단한 구성으로, 보다 높은 정밀도의 가공을 행하는 것이 가능한 가공장치 및 가공방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 서술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 가공장치는, 피가공부재에 레이저를 조사하여 가공처리를 행하는 가공장치로서, 상기 레이저를 콜리메이트하는 콜리메이트 광학계와, 상기 레이저를 상기 피가공부재에 대하여 선회시키는 레이저 선회부와, 상기 레이저 선회부에서 선회된 상기 레이저를 집광시키는 집광광학계를 가지는, 상기 피가공부재에 상기 레이저를 조사하는 조사헤드와, 상기 조사헤드의 동작을 제어하는 제어장치를 가지고, 상기 조사헤드는, 상기 콜리메이트 광학계와 상기 레이저 선회부와 상기 집광광학계로 분할 가능하며, 상기 레이저 선회부는, 상기 레이저를 굴절시키는 제1 프리즘과, 상기 제1 프리즘과 대면하는 위치에 배치되고 당해 제1 프리즘으로부터 출력된 상기 레이저를 굴절시키는 제2 프리즘과, 상기 제1 프리즘을 회전시키는 제1 회전기구와, 상기 제2 프리즘을 회전시키는 제2 회전기구를 가지며, 상기 제어장치는, 적어도 상기 피가공부재의 열영향층의 허용 두께와, 상기 피가공부재에 조사시키는 상기 레이저의 선회수의 관계에 근거하여, 상기 제1 회전기구 및 상기 제2 회전기구를 제어하고, 상기 제1 프리즘 및 상기 제2 프리즘의 회전수와 위상각의 차를 조정하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 가공장치에 있어서, 상기 조사헤드는, 상기 콜리메이트 광학계와 상기 레이저 선회부와 상기 집광광학계가 일체로 접속되는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공장치에 있어서, 상기 조사헤드는, 상기 레이저 선회부의 상기 레이저의 광로와 상기 집광광학계의 상기 레이저의 광로를 오프셋시키는 반사광학계와, 상기 반사광학계로부터 출력되는 상기 레이저의 광로의 각도를 상기 피가공부재에 대한 할출(割出)각도로 조정하는 할출기구를 가지는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공장치에 있어서, 상기 할출기구는, 상기 반사광학계와 접속된 할출축과, 상기 할출축이 회전 가능하게 내삽되어 당해 할출축을 회전 구동하는 중공모터를 가지는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공장치에 있어서, 상기 조사헤드는, 상기 레이저의 초점과 상기 피가공부재의 갭을 검출하는 갭 검출수단을 가지는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공장치에 있어서, 상기 갭 검출수단은, 상기 피가공부재의 가공부위를 촬상하는 촬상수단을 가지는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공장치에 있어서, 상기 조사헤드는, 상기 레이저 선회부를 냉각하는 냉각기구를 가지는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공장치에 있어서, 상기 제1 프리즘 및 상기 제2 프리즘은, 외형이 다각 형상인 것이 바람직하다.

또, 상기 가공장치에 있어서, 상기 제1 프리즘은, 입사면이 상기 레이저의 광축에 대하여 기울어지고, 상기 제2 프리즘은, 출사면이 상기 레이저의 광축에 대하여 기울어져 있는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공장치에 있어서, 상기 조사헤드는, 내부에 어시스트 가스 공급배관을 가지는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공장치에 있어서, 상기 조사헤드는, 상기 피가공부재에 조사하는 상기 레이저의 에너지 분포에서의 저변을 컷하는 저변절삭 광학계를 가지는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공장치에 있어서, 상기 가공처리는, 절단가공, 천공가공, 용접가공, 클래드가공, 표면 개질가공, 표면 마무리가공, 레이저 적층 조형 중 적어도 1개를 포함하는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공장치에 있어서, 상기 열영향층은, 재용융층, 산화층, 크랙, 드로스(dross) 중 적어도 1개를 포함하는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공장치에 있어서, 상기 피가공부재는, 인코넬(Inconel)(등록상표), 하스텔로이(Hastelloy)(등록상표), 스테인리스, 세라믹, 강, 탄소강, 내열강, 세라믹스, 실리콘, 타이타늄, 텅스텐, 수지, 플라스틱, 섬유강화 플라스틱, 복합재, Ni기 내열합금 중 어느 한 재료로 작성되어 있는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공장치에 있어서, 상기 제어장치는, 적어도 상기 피가공부재의 상기 열영향층의 허용 두께와, 상기 피가공부재에 조사시키는 상기 레이저의 선회수와, 상기 레이저의 선회직경의 관계에 근거하여, 상기 제1 회전기구 및 상기 제2 회전기구를 제어하고, 상기 제1 프리즘 및 상기 제2 프리즘의 회전수와 위상각의 차를 조정하는 것이 바람직하다.

상기 서술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 가공방법은, 상기 가공장치를 이용하여, 피가공부재에 레이저를 조사하여 가공처리를 행하는 가공방법으로서, 상기 레이저를 출력하는 출력 단계와, 적어도 상기 피가공부재의 열영향층의 허용 두께와, 상기 피가공부재에 조사되는 상기 레이저의 선회수의 관계에 근거하여, 상기 제1 프리즘 및 상기 제2 프리즘의 회전수와 위상각의 차를 결정하는 결정 단계와, 상기 제1 회전기구 및 상기 제2 회전기구를 결정한 회전수와 위상각의 차로 회전시키는 회전 단계와, 상기 피가공부재에 대하여 상기 레이저를 선회시키면서 조사하는 조사 단계를 가지는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 가공방법에 있어서, 상기 피가공부재에 대하여 선회하는 상기 레이저의 파워를 주회(周回)마다 변조하는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공방법에 있어서, 상기 피가공부재에 대하여 다단계로 가공하는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공방법에 있어서, 상기 피가공부재에 비진원(非眞圓)의 구멍을 뚫는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공방법에 있어서, 구멍의 진원도를 검출하여, 검출한 진원도에 근거하여 조사하는 상기 레이저를 진원으로 하는 상기 제1 프리즘과 상기 제2 프리즘과의 위상각의 차를 산출하고, 산출한 위상각의 차로 상기 제1 프리즘과 상기 제2 프리즘을 제어하여, 상기 피가공부재에 뚫는 구멍의 진원도를 보정하는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공방법에 있어서, 상기 레이저의 초점과 상기 피가공부재의 갭을 검출하고, 검출한 갭에 근거하여 테이퍼 구멍 또는 스트레이트 구멍을 뚫는 상기 초점과 상기 피가공부재의 상대 위치를 산출하여, 상기 초점과 상기 피가공부재를 산출한 상대 위치로 하고, 상기 레이저를 조사하여 상기 피가공부재에 테이퍼 구멍 또는 스트레이트 구멍을 뚫는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공방법에 있어서, 재질이 상이한 경계 부분에서 상기 레이저를 상기 피가공부재에 비진원으로 조사하여, 상기 피가공부재에 비스듬한 구멍을 뚫는 것이 바람직하다.

또, 상기 가공방법에 있어서, 상기 결정 단계는, 적어도 상기 피가공부재의 상기 열영향층의 허용 두께와, 상기 피가공부재에 조사되는 상기 레이저의 선회수와, 상기 레이저의 선회직경의 관계에 근거하여, 상기 제1 프리즘 및 상기 제2 프리즘의 회전수와 위상각의 차를 결정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 가공장치 및 가공방법에 의하면, 조사헤드를 콜리메이트 광학계와 레이저 선회부와 집광광학계로 분할 가능하므로, 조사헤드를 소형화할 수 있어, 가공장치를 보다 소형화할 수 있는 효과를 나타낸다. 또, 제1 프리즘과 제2 프리즘의 위상각의 차를 변경하는 것만으로 피가공부재에 조사되는 레이저의 선회직경이 가변이 되므로, 간단한 구성으로 할 수 있는 효과를 나타낸다. 또, 제1 프리즘과 제2 프리즘의 위상각의 차를 제어하여 피가공부재에 조사되는 레이저의 선회직경을 가변으로 함으로써, 가공조건에 따라 적합한 선회직경으로 가공처리를 행할 수 있게 된다. 이로써, 요구되는 가공품질을 충족시킬 수 있어, 보다 높은 정밀도의 가공을 고속으로 행하는 것이 가능하다고 하는 효과를 나타낸다.

도 1은 제1 실시형태에 관한 가공장치의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 2는 제1 실시형태에 관한 조사헤드의 개략 구성을 나타내는 설명도이다.
도 3은 제1 실시형태에 관한 조사헤드의 레이저 선회부로부터 노즐까지를 확대하여 나타내는 확대 모식도이다.
도 4는 냉각재킷의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 5는 피가공부재에 조사되는 레이저의 조사 위치의 설명도이다.
도 6은 천공가공된 피가공부재의 단면의 설명도이다.
도 7은 가공장치의 제어 동작의 일례를 나타내는 플로차트이다.
도 8은 가공장치가 조사하는 레이저의 조사 동작의 설명도이다.
도 9는 가공장치가 조사하는 레이저의 궤적의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 10은 가공장치가 조사하는 레이저의 궤적의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 11은 가공장치가 조사하는 레이저의 궤적의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 12는 복수 회로 나누어 천공가공할 때의 레이저의 궤적의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 13은 피가공부재에 조사하는 레이저의 궤적을 진원 보정할 때의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 14는 피가공부재에 조사하는 레이저의 궤적을 진원 보정하면서 선회직경 보정할 때의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 15는 천공가공에서의 테이퍼 보정의 동작의 설명도이다.
도 16은 비스듬하게 천공가공된 박판 형상의 피가공부재의 단면의 설명도이다.
도 17은 비스듬하게 천공가공할 때의 동작의 설명도이다.
도 18은 연속해서 구멍을 뚫을 때의 동작의 설명도이다.
도 19는 프리즘의 위상각을 제로로 설정했을 때의 동작의 설명도이다.
도 20은 레이저의 에너지 분포의 저변절삭의 설명도이다.
도 21은 가공장치에 의한 절단가공 동작의 설명도이다.
도 22는 절단가공된 피가공부재의 열영향층의 설명도이다.
도 23은 가공장치에 의한 용접가공 동작의 설명도이다.
도 24는 용접가공된 피가공부재의 열영향층의 설명도이다.
도 25는 가공장치에 의한 클래드가공 동작의 설명도이다.
도 26은 클래드가공된 피가공부재의 열영향층의 설명도이다.
도 27은 가공장치에 의한 표면 개질가공 동작의 설명도이다.
도 28은 표면 개질가공된 피가공부재의 열영향층의 설명도이다.
도 29는 제2 실시형태에 관한 조사헤드의 개략 구성을 나타내는 설명도이다.
도 30은 가공장치에 의한 피가공부재의 가공예를 나타내는 도이다.
도 31은 도 30에 나타내는 피가공부재를 반대측에서 본 도이다.

본 발명을 실시하기 위한 형태(실시형태)에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 이하의 실시형태에 기재한 내용에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또, 이하에 기재한 구성요소에는, 당업자가 용이하게 상정할 수 있는 것, 실질적으로 동일한 것이 포함된다. 또한, 이하에 기재한 구성은 적절히 조합하는 것이 가능하다. 또, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성의 다양한 생략, 치환 또는 변경을 행할 수 있다.

［제1 실시형태］

도 1은, 제1 실시형태에 관한 가공장치의 구성예를 나타내는 모식도이다.

가공장치(10)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 레이저 발진기(12)와, 안내광학계(14)와, 조사헤드(16)와, 가공 스테이지(20)와, X축 이동기구(22)와, C축 회전기구(24)와, Y축 이동기구(26)와, Z축 이동기구(28)와, 제어장치(30)를 포함한다. 가공장치(10)는, 가공 스테이지(20)를 둘러싸는 도어형 브릿지(32)를 가진다. 가공장치(10)는, 가공 스테이지(20) 상에 유지되는 피가공부재(W)에 레이저를 조사하여, 피가공부재(W)를 가공한다. 여기에서, 본 실시형태에서는, 가공 스테이지(20)의 수평면을 XY평면으로 하고, 가공 스테이지(20)의 수평면에 직교하는 방향을 Z축 방향으로 하고 있다. 또, 본 실시형태에서는, Z축 둘레의 회전 방향을 C축 방향으로 하고 있다.

여기에서, 피가공부재(W)는, 예를 들면, 판 형상의 부재이다. 피가공부재(W)로서는, 다양한 재료, 예를 들면, 인코넬(등록상표), 하스텔로이(등록상표), 스테인리스, 세라믹, 강, 탄소강, 내열강, 세라믹스, 실리콘, 타이타늄, 텅스텐, 수지, 플라스틱, Ni기 내열합금 등으로 만들어진 부재를 이용할 수 있다. 또, 피가공부재(W)로서, 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics), 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP: Glass Fiber Reinforced Plastics), 유리 장섬유 강화 플라스틱(GMT: Glass-mat Reinforced Thermoplastics) 등의 섬유강화 플라스틱, 강판 이외의 철합금, 알루미늄 합금 등의 각종 금속, 다양한 복합재 등으로 만들어진 부재도 이용할 수 있다. 또, 본 실시형태에 있어서, 가공처리는, 절단가공, 천공가공, 용접가공, 클래드가공, 표면 개질가공, 표면 마무리가공, 레이저 적층 조형 중 어느 것이며, 이들 가공을 조합할 수도 있다.

레이저 발진기(12)는, 레이저를 출력하는 장치이며, 가공장치(10)의 도어형 브릿지(32)에 병설된다. 레이저 발진기(12)는, 예를 들면, 광섬유를 매질로 하여 레이저를 출력하는 파이버 레이저 출력장치, 또는, 단펄스의 레이저를 출력하는 단펄스 레이저 출력장치 등이 이용된다. 파이버 레이저 출력장치로서는, 예를 들면, 패브리 페로형 파이버 레이저 출력장치나 링형 파이버 레이저 출력장치를 이용할 수 있으며, 이들 출력장치가 여기됨으로써 레이저가 발진된다. 파이버 레이저 출력장치의 파이버는, 예를 들면, 에르븀(Er), 네오디뮴(Nd), 이테르븀(Yb) 등의 희토류 원소가 첨가된 실리카 유리를 이용할 수 있다. 단펄스 레이저 출력장치로서는, 레이저의 발진원으로서 예를 들면, 타이타늄 사파이어 레이저를 이용할 수 있어, 펄스폭이 100피코초 이하인 펄스를 발진할 수 있다. 또, YAG 레이저나 YVO4 레이저 등의 나노초 오더 펄스 발진을 하는 레이저도 사용 가능하다.

안내광학계(14)는, 레이저 발진기(12)로부터 출력된 레이저를 조사헤드(16)에 안내하는 광학계이다. 안내광학계(14)는, 본 실시형태에서는, 예를 들면, 광섬유이다. 안내광학계(14)는, 일방의 단부가 레이저 발진기(12)의 레이저 출사구와 접속되며, 타방의 단부가 조사헤드(16)의 레이저 입사단과 접속된다. 안내광학계(14)는, 레이저 발진기(12)의 레이저 출사구로부터 조사헤드(16)의 입사단에 레이저를 도광한다.

조사헤드(16)는, 안내광학계(14)로 안내된 레이저를 선회시키면서 피가공부재(W)에 조사한다. 또, 조사헤드(16)는, 레이저를 프리즘으로 굴절시킴으로써, 굴절 전의 레이저의 광로와 피가공부재(W)에 조사되는 레이저의 광로를 오프셋한다. 또한, 조사헤드(16)는, 레이저를 집광시켜, 피가공부재(W)에 조사한다. 또, 조사헤드(16)는, 조사헤드 커버(16a)에 의하여 덮인다. 조사헤드(16)의 구조에 대해서는, 후술한다.

가공 스테이지(20)는, 표면에 재치된 피가공부재(W)를 유지하는 기구이다. 가공 스테이지(20)는, 피가공부재(W)를 유지하는 표면이 기준면(예를 들면, 가공장치(10)의 설치면)에 대하여 수평면(XY평면)이다.

X축 이동기구(22)는, 가공 스테이지(20)를 지지하는 X축 스테이지로서, 가공 스테이지(20)를 X축 방향으로 이동시킴으로써, X축 방향의 소정의 위치로 피가공부재(W)를 이동시킨다.

C축 회전기구(24)는, X축 이동기구(22)와 가공 스테이지(20)의 사이에 배치된다. 즉, C축 회전기구(24)는, X축 이동기구(22)에 지지되어 있으며, 가공 스테이지(20)를 지지한다. C축 회전기구(24)는, 가공 스테이지(20)를 C축 방향으로 회전 구동함으로써, C축 방향의 소정의 위치로 피가공부재(W)를 회전시킨다.

Y축 이동기구(26)는, Z축 이동기구(28)를 지지하면서, 조사헤드(16)를 Y축 방향으로 이동시킨다. 이로써, Y축 이동기구(26)는, Y축 방향의 소정의 위치로 조사헤드(16)를 이동시킨다.

Z축 이동기구(28)는, 조사헤드(16)를 지지하면서, 조사헤드(16)를 Z축 방향의 소정 위치로 이동시킨다.

가공장치(10)는, X축 이동기구(22)와, C축 회전기구(24)와, Y축 이동기구(26)와, Z축 이동기구(28)를 이용하여, X축 방향, Y축 방향, Z축 방향, C축 방향의 4축 방향으로 가공 스테이지(20)와 조사헤드(16)를 상대적으로 이동시킴으로써, 피가공부재(W)와 레이저의 상대 위치 관계를 4축 방향으로 이동시킨다.

제어장치(30)는, 레이저 발진기(12)와 조사헤드(16)와 X축 이동기구(22)와 C축 회전기구(24)와 Y축 이동기구(26)와 Z축 이동기구(28)에 각각 접속되어, 각 부의 동작을 제어한다. 제어장치(30)는, 예를 들면, 레이저 발진기(12)로부터 출력되는 레이저의 각종 조건을 조정하거나, X축 이동기구(22)와 C축 회전기구(24)와 Y축 이동기구(26)와 Z축 이동기구(28)에 의하여 조사헤드(16) 및 가공 스테이지(20)를 이동시켜 피가공부재(W)에 대한 조사헤드(16)의 위치를 조정하거나, 피가공부재(W)의 조건(재질, 두께 등)이나 가공처리의 조건으로부터 열영향층의 허용 두께를 검출하여 설정하거나, 조사헤드(16)로부터 피가공부재(W)에 조사되는 레이저의 후술하는 선회수나 선회직경(R)을 제어하거나 한다.

다음으로, 도 2부터 도 5를 이용하여, 조사헤드(16)에 대하여 설명한다. 도 2는, 제1 실시형태에 관한 조사헤드의 개략 구성을 나타내는 설명도이다. 도 3은, 제1 실시형태에 관한 조사헤드의 레이저 선회부로부터 노즐까지를 확대하여 나타내는 확대 모식도이다. 도 4는, 냉각재킷의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 5는, 피가공부재에 조사되는 레이저의 조사 위치의 설명도이다.

조사헤드(16)는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 콜리메이트 광학계(34)와, 레이저 선회부(35)와, 반사광학계(36)와, 집광광학계(37)와, 노즐(38)과, 할출기구(39)와, 촬상수단(40)과, 갭 검출수단(41)과, 지지부재(42)를 포함한다. 조사헤드(16)는, 안내광학계(14)로부터 출력되는 레이저(L)의 광로에 있어서, 상류측으로부터 하류측을 향하여, 콜리메이트 광학계(34), 레이저 선회부(35), 반사광학계(36), 집광광학계(37), 노즐(38)의 순서로 배치된다. 조사헤드(16)는, 콜리메이트 광학계(34)와 레이저 선회부(35)와 반사광학계(36)와 집광광학계(37)로 각각 분할 가능하다. 조사헤드(16)는, 안내광학계(14)로부터 출력된 레이저(L)를 노즐(38)에 대면하는 피가공부재(W)를 향하여 조사한다.

콜리메이트 광학계(34)는, 안내광학계(14)의 레이저(L)가 출사되는 단부면에 대향하여 배치된다. 즉 콜리메이트 광학계(34)는, 안내광학계(14)와 레이저 선회부(35)의 사이에 배치된다. 콜리메이트 광학계(34)는, 콜리메이터 렌즈 등을 구비하고 있으며, 안내광학계(14)로부터 출력된 레이저(L)를 콜리메이트광으로 하여, 레이저 선회부(35)를 향하여 출사한다.

레이저 선회부(35)는, 도 2 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 광로의 중심(P) 둘레로 레이저(L)를 회전시켜, 피가공부재(W)에 조사 레이저, 즉 레이저(L)의 조사 위치(IP)를 선회시킨다. 레이저 선회부(35)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 제1 프리즘(51)과, 제2 프리즘(52)과, 제1 회전기구(53)와, 제2 회전기구(54)와, 냉각기구(55)를 가진다.

제1 프리즘(51)은, 레이저(L)를 굴절시켜, 광축(OA)에 대하여 기울인다. 제2 프리즘(52)은, 제1 프리즘(51)에서 굴절된 레이저(L)를 재차 굴절시켜, 집광하는 위치를 제어한다. 이로써, 레이저 선회부(35)를 통과한 레이저(L)는, 통과 전의 레이저(L)의 광로에 대하여 어긋난 광로로 출력된다.

제1 프리즘(51)은, 도 2 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 레이저(L)가 입사되는 입사면(51a)과, 레이저(L)가 출사되는 출사면(51b)을 가진다. 또, 제1 프리즘(51)은, 예를 들면, 그 외형이 팔각형 형상이다. 제1 프리즘(51)은, 프리즘 홀더(56)에 고정된다. 프리즘 홀더(56)는, 예를 들면, 제1 프리즘(51)의 외형에 대응하는 팔각형 형상의 유지 구멍을 가지고, 이 유지 구멍으로 제1 프리즘(51)을 유지한다.

입사면(51a)은, 광축(OA)에 대하여 약간 기울어진 평탄면이다. 입사면(51a)은, 광축(OA)에 대한 기울기가 1° 미만이다. 즉, 입사면(51a)은, 안내광학계(14)로부터 출력된 레이저(L)가 입사할 때, 입사면(51a)에서 반사하는 레이저(L)를 광축(OA)으로부터 어긋나게 할 수 있다. 이로써, 제1 프리즘(51)은, 입사면(51a)으로부터 안내광학계(14)를 향하여 반사하는 레이저(L)의 반사량을 억제하여, 레이저 발진기(12)의 출사구를 향하여 반사하는 레이저의 양을 억제할 수 있다.

출사면(51b)은, 출사하는 레이저(L)를 굴절시키는 기울어진 평탄면이다. 이로써, 제1 프리즘(51)은, 안내광학계(14)로부터 출력된 레이저(L)를 굴절시켜, 광축(OA)에 대하여 기울어지게 한다.

제2 프리즘(52)은, 레이저(L)가 입사되는 입사면(52a)과, 레이저(L)가 출사되는 출사면(52b)을 가진다. 또, 제2 프리즘(52)은, 예를 들면, 그 외형이 팔각형 형상이다. 제2 프리즘(52)은, 프리즘 홀더(57)에 고정된다. 프리즘 홀더(57)는, 예를 들면, 제2 프리즘(52)의 외형에 대응하는 팔각형 형상의 유지 구멍을 가지고, 이 유지 구멍으로 제2 프리즘(52)을 유지한다.

입사면(52a)은, 제1 프리즘(51)으로부터 출력된 레이저(L)를 굴절시키는 기울어진 평탄면이다. 이로써, 제2 프리즘(52)은, 제1 프리즘(51)에서 굴절된 레이저(L)를 재차 굴절시켜, 집광하는 위치를 제어한다. 즉, 제2 프리즘(52)은, 레이저 선회부(35)를 통과하기 전의 레이저(L)의 광로에 대하여, 레이저 선회부(35)를 통과한 레이저(L)의 광로를 어긋나게 하여 출력한다.

출사면(52b)은, 입사면(52a)에서 굴절한 레이저(L)의 광축에 대하여 약간 기울어진 평탄면이다. 출사면(52b)은, 입사면(52a)에서 굴절한 레이저(L)의 광축에 대한 기울기가 1° 미만이다. 즉, 출사면(52b)은, 제1 프리즘(51)으로부터 출력된 레이저(L)가 출사할 때, 출사면(52b)에서 반사하는 레이저(L)를, 입사면(52a)에서 굴절한 레이저(L)의 광축으로부터 어긋나게 할 수 있다. 이로써, 제2 프리즘(52)은, 출사면(52b)으로부터 안내광학계(14)를 향하여 반사하는 레이저(L)의 반사량을 억제하고, 레이저 발진기(12)의 출사구를 향하여 반사하는 레이저(L)의 양을 억제할 수 있다.

제1 회전기구(53)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 제1 프리즘(51)을 유지하는 제1 스핀들(58)과, 제1 스핀들(58)이 내부에 삽입되어 당해 제1 스핀들(58)을 회전시키는 제1 중공모터(59)를 가진다. 제2 회전기구(54)는, 제2 프리즘(52)을 유지하는 제2 스핀들(60)과, 제2 스핀들(60)이 내부에 삽입되어 당해 제2 스핀들(60)을 회전시키는 제2 중공모터(61)를 가진다. 제1 회전기구(53)와 제2 회전기구(54)는, 서로 동기 회전 및 상대 회전 가능하다.

제1 스핀들(58)과 제2 스핀들(60)이란, 레이저(L)의 광로의 부분이 중공인 통 형상 부재이다. 제1 스핀들(58)에는, 레이저(L)의 진행 방향의 앞측에 프리즘 홀더(56)가 고정된다. 제2 스핀들(60)에는, 레이저(L)의 진행 방향의 뒤측에 프리즘 홀더(57)가 고정된다. 제1 스핀들(58)과 제2 스핀들(60)은, 베어링(62) 및 베어링(63)을 통하여 지지된다. 베어링(62) 및 베어링(63)은, 예를 들면, 구름 볼 베어링 등의 구름 베어링이다.

제1 중공모터(59)는, 제1 스핀들(58)의 외주면에 고정된 중공로터(64)와, 중공로터(64)에 대향 배치된 스테이터(65)를 가진다. 제1 중공모터(59)는, 제1 스핀들(58)과 함께 제1 프리즘(51)을 회전시킨다. 제2 중공모터(61)는, 제2 스핀들(60)의 외주면에 고정된 중공로터(66)와, 중공로터(66)에 대향 배치된 스테이터(67)를 가진다. 제2 중공모터(61)는, 제2 스핀들(60)과 함께 제2 프리즘(52)을 회전시킨다. 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)은, 서로 동기 회전 및 상대 회전 가능하다.

또, 제1 회전기구(53) 및 제2 회전기구(54)는, 각각, 회전부(제1 스핀들(58) 및 중공로터(64), 제2 스핀들(60) 및 중공로터(66))와 고정부(스테이터(65), 스테이터(67))의 상대적인 위치, 회전수를 검출하는 인코더(68)를 구비한다. 인코더(68)는, 상기 회전부측에 고정되는 식별자(69)와, 상기 고정부측에 고정되어, 식별자(69)를 검출하는 검출부(70)를 가진다. 인코더(68)는, 검출부(70)에서 식별자(69)를 검출함으로써, 상기 회전부의 상대적인 위치를 검출할 수 있다. 인코더(68)는, 검출한 상기 회전부의 회전수 및 회전 위치(위상각)의 정보를 제어장치(30)에 출력한다. 또, 인코더(68)로서는, 예를 들면, 회전 위치(위상각)를 수천분의 1도(0.001도 이하)의 분해능으로 검출하는 검출기기를 이용하는 것이 바람직하다.

또, 제1 회전기구(53)와 제2 회전기구(54)는, 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차를 변경할 수 있다. 이로써, 도 5에 나타내는 바와 같이, 레이저 조사점을 회전축의 광로의 중심(P)으로부터 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차에 대응하는 거리만큼 떨어진 조사 위치(IP)까지 편심시킬 수 있다. 이 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차를 유지하면서, 제1 회전기구(53)와 제2 회전기구(54)를 동일 회전 주기로 동기 회전시키는 경우, 레이저 조사점은 선회직경(R)의 원궤도를 그린다. 또, 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)을 비동기 회전(상이한 회전 주기로 회전)시키는 경우에는, 레이저 조사점의 선회직경을 증감시키면서 레이저 조사점을 선회시킬 수 있어, 임의의 곡선 궤도를 그리는 것도 가능하다.

다만, 본 실시형태에 있어서, 제1 중공모터(59)와 제2 중공모터(61)의 위상각의 차란, 제1 중공모터(59)와 제2 중공모터(61)의 회전 위치(위상각)의 상대적인 어긋남의 각도를 말한다. 또, 제1 중공모터(59)와 제2 중공모터(61)의 위상각의 차의 오차란, 제1 중공모터(59)와 제2 중공모터(61)의 위상의 어긋남의 각도의 오차를 말한다.

또, 선회직경(R)이란, 도 2 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 광로의 중심(P)으로부터 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 조사 위치(IP)까지의 거리를 말하고, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)가 중심(P) 둘레로 선회하는 반경을 말한다. 선회직경(R)은, 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차를 변경함으로써 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 선회직경(R)이 변경되므로, 가변이다. 선회수란, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 조사 위치(IP)가 중심(P) 둘레로 선회하는 단위시간당 횟수를 말한다.

냉각기구(55)는, 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 냉각재킷(55a)을 가진다. 냉각재킷(55a)은, 프리즘 홀더(56) 및 프리즘 홀더(57)의 주위를 냉각매체 유로가 둘러싸고 있다. 냉각재킷(55a)은, 냉각매체 공급원(78)의 냉각매체 공급배관(78a)과 접속되는 접속부(55b)로부터 냉각매체가 공급되고(화살표 a방향), 냉각매체 공급원(78)의 냉각매체 배출배관(78b)과 접속되는 접속부(55c)로부터 냉각매체가 배출된다(화살표 b방향). 또, 냉각재킷(55a)은, 온도센서를 가진다. 이로써, 냉각재킷(55a)은, 온도센서로부터 제어장치(30)로 출력되는 검출온도신호에 근거하여, 냉각매체 공급원(78)으로부터 공급되는 냉각매체의 온도나 유량이 조정되며, 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)이 소정의 온도로 유지된다.

반사광학계(36)는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 레이저 선회부(35)를 통과한 레이저(L)를 반사하는 제1 반사미러(71)와, 제1 반사미러(71)에서 반사한 레이저(L)를 다시 반사하는 제2 반사미러(72)와, 통부(73)와, 노즐 장착부(74)를 가진다. 반사광학계(36)는, 제1 반사미러(71)와 제2 반사미러(72)에 의하여, 레이저 선회부(35)로부터 출력된 레이저(L)를 집광광학계(37)를 향하여 반사한다. 즉, 반사광학계(36)는, 레이저 선회부(35)의 레이저(L)의 광로와, 집광광학계(37)의 레이저(L)의 광로를 오프셋한다. 제2 반사미러(72)는, 하프 미러이며, 피가공부재(W)의 가공부위를 촬상수단(40)으로 촬상 가능하게 한다. 통부(73)와 노즐 장착부(74)는, 이음매부(75)로 연결된다.

집광광학계(37)는, 복수의 렌즈를 가지고 있으며, 이 복수의 렌즈에 의하여, 제2 반사미러(72)에서 반사된 레이저(L)를 집광하여, 소정의 초점거리, 초점심도가 되는 레이저(L)를 형성한다. 집광광학계(37)는, 피가공부재(W)에 소정의 스폿 직경의 레이저(L)를 조사한다. 또, 집광광학계(37)는, 냉각기구(76)를 가진다. 냉각기구(76)는, 예를 들면, 상기 복수의 렌즈를 냉각하기 위한 냉각재킷 등이다.

노즐(38)은, 레이저(L)의 진행 방향의 앞측을 향함에 따라 점차 직경이 축소하는 중공의 원추 형상이다. 노즐(38)은, 집광광학계(37)를 통하여 노즐 장착부(74)에 장착된다. 노즐(38)은, 피가공부재(W)의 가공점에서 발생하는 스퍼터 등에 의하여 집광광학계(37)가 오손되는 것을 막기 위한 투광부재(77)를 가진다. 또, 노즐(38)은, 어시스트 가스 공급원(79)으로부터 어시스트 가스가 공급되고, 이 어시스트 가스를 피가공부재(W)를 향하여 분사 가능하다.

본 실시형태에 있어서, 어시스트 가스는, 예를 들면, 공기, 질소 가스, 산소 가스, 아르곤 가스, 크세논 가스, 헬륨 가스, 또는, 이들의 혼합 가스를 이용할 수 있다. 어시스트 가스로서, 산화 반응열을 가공처리에 이용할 수 있는 산소 가스를 이용한 경우, 금속 등의 피가공부재(W)에 대한 가공 속도를 보다 향상시킬 수 있다. 또, 어시스트 가스로서, 열영향층으로서의 산화 피막의 생성을 억제하는 질소 가스나 아르곤 가스 등을 이용한 경우, 금속 등의 피가공부재(W)에 대한 가공 정밀도를 보다 향상시킬 수 있다. 어시스트 가스의 가스종, 혼합비, 및, 노즐(38)로부터의 분출량(압력) 등은, 피가공부재(W)의 종류나 가공모드 등의 가공조건에 따라 변경할 수 있다.

할출기구(39)는, 할출축(81)과, 중공모터(82)와, 할출각도 검출수단(83)을 가진다. 할출축(81)은, 노즐 장착부(74)에 연결되어, 노즐 장착부(74)와 일체로 회전한다. 할출축(81)에는, 노즐 장착부(74) 내에 어시스트 가스를 공급하기 위한 어시스트 가스 공급배관(81a)(내부 배관)이 형성되어 있다. 할출축(81)은, 베어링(84)과 Y축 둘레로 회전 가능하게 지지된다. 베어링(84)은, 예를 들면, 정압 베어링(유체 베어링)이다. 중공모터(82)는, 할출축(81)의 외주면에 고정된 중공로터(85)와, 중공로터(85)에 대향하여 배치된 스테이터(86)를 가진다.

중공모터(82)는, 할출축(81)을 회전 중심으로 하여, 노즐 장착부(74)에 장착된 노즐(38)을 할출축(81) 둘레(화살표 d방향)로 좌우 회전 가능하게 구동한다. 즉, 중공모터(82)는, 노즐(38)을 Y축 둘레로 좌우 회전 가능하게 구동한다. 이로써, 할출기구(39)는, 할출축(81)을 회전 중심으로 하여 반사광학계(36)의 노즐 장착부(74)를 회전시키고, 이 회전에 따라, 할출축(81)의 동축 상에 배치된 제2 반사미러(72)를 회전시킬 수 있으므로, 할출각도를 변경해도 제2 반사미러(72)에서 반사한 레이저(L)를 노즐(38)로부터 조사할 수 있다. 또, 할출기구(39)는, 노즐 장착부(74) 및 노즐(38)을 일체로 좌우 회전시키므로, 좌우 회전부분의 대형화를 억제할 수 있다.

할출각도 검출수단(83)은, 회전부(할출축(81) 및 중공로터(85))와 고정부(스테이터(86))의 상대적인 위치(할출각도)를 검출하는 인코더를 구비한다. 인코더는, 검출한 상기 회전부의 할출각도의 정보를 제어장치(30)에 출력한다. 이와 같이, 할출기구(39)를 이용하는 경우, 가공장치(10)는, X축 이동기구(22), C축 회전기구(24), Y축 이동기구(26), Z축 이동기구(28), 할출기구(39)를 이용하여, X축 방향, Y축 방향, Z축 방향, C축 방향, 좌우 회전 방향으로 이루어지는 5축 방향으로 가공 스테이지(20)와 조사헤드(16)를 상대적으로 이동시킴으로써, 피가공부재(W)와 조사하는 레이저(L)의 상대 위치 관계를 5축 방향으로 이동시킬 수 있다.

촬상수단(40)은, 예를 들면, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서 등을 가지는 카메라이다. 촬상수단(40)은, 레이저(L)의 조사 위치(IP)나 선회직경(R) 등을 촬상하고, 이 촬상한 화상으로부터 화상 데이터를 생성하여, 제어장치(30)에 화상 데이터를 출력한다. 촬상수단(40)은, 노즐 장착부(74)를 사이에 두고 노즐(38)과 대향하는 위치에서, 노즐 장착부(74)에 장착된다. 촬상수단(40)은, 광로의 중심(P)과 동축 상에 배치된다.

갭 검출수단(41)은, 레이저광을 이용한 갭 측정장치이다. 갭 검출수단(41)은, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 초점과, 피가공부재(W)의 갭을 검출한다. 갭 검출수단(41)은, 검출한 갭을 제어장치(30)에 출력한다. 갭 검출수단(41)은, 촬상수단(40)에 연결되어 있으며, 광로의 중심(P)과 동축 상에 배치된다.

지지부재(42)는, Y축 이동기구(26)에 지지된다. 지지부재(42)는, 레이저 선회부(35)와 할출기구(39)를 지지한다. 또, 지지부재(42)에는, 노즐 장착부(74) 내에 어시스트 가스를 공급하기 위한 어시스트 가스 공급배관(42a)(내부 배관)이 형성되어 있다. 이로써, 어시스트 가스는, 어시스트 가스 공급원(79)으로부터 가스배관(79a)을 통하여 지지부재(42)의 어시스트 가스 공급배관(42a)으로 보내지고, 어시스트 가스 공급배관(42a)을 지나 할출기구(39)의 중공모터(82)의 내부 공간으로 보내지며, 이 내부 공간으로부터 할출축(81)의 어시스트 가스 공급배관(81a)으로 보내지고, 어시스트 가스 공급배관(81a)으로부터 노즐 장착부(74) 내로 보내지며, 노즐 장착부(74) 내로부터 집광광학계(37)를 지나 노즐(38)로 보내져, 노즐(38)로부터 피가공부재(W)를 향하여 분사한다.

다음으로, 도 5부터 도 7을 이용하여, 가공장치(10)에 의한 가공처리에 대하여 설명한다. 도 5는, 피가공부재에 조사되는 레이저의 조사 위치의 설명도이다. 도 6은, 천공가공된 피가공부재의 단면의 설명도이다. 도 7은, 가공장치의 제어 동작의 일례를 나타내는 플로차트이다.

먼저, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 가공모드를 결정한다(스텝 ST1). 예를 들면, 가공장치(10)는, 오퍼레이터 등의 작업원에 의하여 입력된, 절단가공, 천공가공, 용접가공, 클래드가공, 표면 개질가공, 표면 마무리가공, 레이저 적층 조형 중, 어느 것을 실행하는지를 나타내는 조작을 확인하고, 확인한 조작에 근거하여, 가공모드를 결정한다.

다음으로, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 피가공부재(W)의 재질이나 두께를 결정한다(스텝 ST2). 예를 들면, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 작업원에 의하여 입력된, 피가공부재(W)의 재질이나 두께를 입력하는 조작을 확인하고, 확인한 조작에 근거하여, 피가공부재(W)의 재질이나 두께를 결정한다.

다음으로, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 가공조건을 결정한다(스텝 ST3). 예를 들면, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 작업원에 의하여 입력된, 스텝 ST1에서 결정한 가공모드에 있어서 피가공부재(W)에 실시하는 가공처리의 위치나 형상, 깊이 등의 가공조건을 입력하는 조작을 확인하고, 확인한 조작에 근거하여, 피가공부재(W)에 실시하는 가공처리의 위치나 형상, 깊이 등의 가공조건을 결정한다.

다음으로, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 열영향층(Wa)(도 6 참조)의 허용 두께를 결정한다(스텝 ST4). 예를 들면, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 스텝 ST1에서 결정한 가공모드, 스텝 ST2에서 결정한 피가공부재(W)의 재질이나 두께, 스텝 ST3에서 결정한 가공조건을 각각 취득하고, 가공모드와 피가공부재(W)의 재질이나 두께와 가공조건과 열영향층(Wa)의 허용 두께의 상관관계를 정한 제어맵(가공조건 제어맵)을 참조하여, 열영향층(Wa)의 허용 두께를 결정한다.

다음으로, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 레이저(L)의 허용 선회수, 허용 선회직경을 결정한다(스텝 ST5). 예를 들면, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 스텝 ST4에서 결정한 열영향층(Wa)의 허용 두께에 근거하여, 열영향층(Wa)의 두께(TH)(도 6 참조)와 레이저(L)의 선회수와 선회직경(R)의 상관관계를 정한 제어맵(선회 조건 제어맵)을 참조하여, 열영향층(Wa)의 두께(TH)가 허용 두께를 넘지 않는 레이저(L)의 허용 선회수 범위 및 허용 선회직경 범위를 결정한다. 다만, 스텝 ST5에 있어서는, 스텝 ST1에서 결정한 가공모드가 천공가공인 경우, 선회직경(R)은 필수가 아니기 때문에, 선회수만을 결정해도 된다.

다음으로, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)의 회전수, 위상각의 차를 결정한다(스텝 ST6). 예를 들면, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 스텝 ST5에서 결정한 레이저(L)의 허용 선회수 범위에 포함되는 선회수를 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)의 회전수로서 결정한다. 또한, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 레이저(L)의 선회직경(R)과 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)의 위상각의 차의 상관관계를 정한 제어맵(위상각 제어맵)을 참조하여, 스텝 ST5에서 결정한 레이저(L)의 허용 선회직경 범위에 포함되는 위상각의 차를 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차로서 결정한다.

다음으로, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 레이저 출력을 결정한다(스텝 ST7). 예를 들면, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 스텝 ST4에서 결정한 열영향층(Wa)의 허용 두께를 취득하여, 열영향층(Wa)의 두께(TH)와 레이저(L)의 출력의 상관관계를 정한 제어맵(레이저 출력 제어맵)을 참조하여, 레이저(L)의 피크 출력 및 펄스폭을 선택하고, 레이저 출력을 결정한다.

다음으로, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 어시스트 가스 분사 조건을 결정한다(스텝 ST8). 예를 들면, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 스텝 ST4에서 결정한 열영향층(Wa)의 허용 두께를 취득하고, 열영향층(Wa)의 허용 두께와 어시스트 가스의 가스종류, 압력, 혼합비 등의 상관관계를 정한 제어맵(가스 조건 제어맵)을 참조하여, 이 가스 조건 제어맵으로부터 어시스트 가스의 가스종류, 압력, 혼합비 등을 선택하고, 어시스트 가스의 분사 조건을 결정한다.

다음으로, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 피가공부재(W)에 대하여 가공을 실행한다(스텝 ST9). 예를 들면, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 스텝 ST8에서 결정한 어시스트 가스 분사 조건에 근거하여 어시스트 가스 공급원(79)으로부터 어시스트 가스를 공급하여 노즐(38)로부터 분사하고, 스텝 ST7에서 결정한 레이저 출력에 근거하여 레이저 발진기(12)를 발진시켜 레이저(L)를 출사시킴과 동시에, 스텝 ST6에서 결정한 회전수와 위상각의 차에 근거하여 제1 중공모터(59) 및 제2 중공모터(61)의 회전을 조정하고, 피가공부재(W)에 대하여 레이저(L)를 조사하여, 가공을 실행한다. 상기 서술한 스텝 ST1부터 스텝 ST9에 의하여, 가공장치(10)(제어장치(30))는, 피가공부재(W)에 가공처리를 실시한다.

여기에서, 스텝 ST1에서 결정한 가공모드가 천공가공인 경우, 스텝 ST9에 있어서, 레이저 발진기(12)로부터 출사된 레이저(L)는, 안내광학계(14)를 통하여 조사헤드(16)의 입사단에 입사하며, 도 2, 도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 스텝 ST6에서 결정한 회전수와 위상각의 차로 화살표 c방향으로 회전하는 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)에 의하여 굴절하여, 굴절 전의 레이저(L)의 광축(OA)과 동축이 되는 광로의 중심(P)으로부터 편심한 위치에 조사된다. 이 상태로 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)을 동일한 회전 주기로 회전시키면, 레이저 조사점이 굴절 전의 레이저(L)의 광축(OA)과 동축이 되는 회전축의 광로의 중심(P) 둘레로 선회하고, 중심(P)을 선회 중심으로 하는 가상원(IC) 상을 레이저(L)의 조사 위치(IP)가 이동하여, 피가공부재(W)에 구멍(Wb)이 뚫린다. 다만, 스텝 ST1에서 결정한 가공모드가 천공가공인 경우, 구멍직경은 설정치에 의하여 대략 정해진다. 이에 대하여 용접가공, 클래드가공 등은, 열영향층(Wa)이나 표면, 이면의 비산물량의 제어를 선회수에 더하여, 선회직경(R)도 이용하는 것이 가능하다.

다음으로, 도 8로부터 도 20을 이용하여, 가공장치(10)에 의한 레이저(L)의 조사 동작에 대하여 설명한다. 도 8은, 가공장치가 조사하는 레이저의 조사 동작의 설명도이다. 도 9는, 가공장치가 조사하는 레이저의 궤적의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 10은, 가공장치가 조사하는 레이저의 궤적의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 11은, 가공장치가 조사하는 레이저의 궤적의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 12는, 복수 회로 나누어 천공가공할 때의 레이저의 궤적의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 13은, 피가공부재에 조사하는 레이저의 궤적을 진원 보정할 때의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 14는, 피가공부재에 조사하는 레이저의 궤적을 진원 보정하면서 선회직경 보정할 때의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 15는, 천공가공에서의 테이퍼 보정의 동작의 설명도이다. 도 16은, 비스듬하게 천공가공된 박판 형상의 피가공부재의 단면의 설명도이다. 도 17은, 비스듬하게 천공가공할 때의 동작의 설명도이다. 도 18은, 연속해서 구멍을 뚫을 때의 동작의 설명도이다. 도 19는, 프리즘의 위상각을 제로로 설정했을 때의 동작의 설명도이다. 도 20은, 레이저의 에너지 분포의 저변절삭의 설명도이다.

일정 주기로 ON/OFF시켜 피가공부재(W)에 레이저(L)를 조사하는 경우, 도 8에 나타내는 바와 같이, 가공장치(10)는, 레이저(L)의 ON/OFF의 주기를, 조사 위치(IP)의 선회 주기의 비정수배로 하는 것이 바람직하다. 즉, 가공장치(10)는, 레이저(L)의 ON/OFF의 주기와, 조사 위치(IP)의 선회 주기를 어긋나게 함으로써, 1주회째는 레이저(L)를 조사 위치(IPa)에 조사하고, 2주회째는 레이저(L)를 조사 위치(IPb)에 조사할 수 있다. 즉, 가공장치(10)는, 3주회째 이후에도 동일하게 레이저(L)의 ON/OFF를 반복함으로써, 조사 위치를 순차적으로 어긋나게 할 수 있다. 이로써, 가공장치(10)는, 레이저(L)의 조사 위치가 각 주회에서 어긋나, 피가공부재(W)의 가공 대상의 영역에 효율적으로 레이저(L)를 조사할 수 있다.

또, 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차를 연속적으로 변화시키면서 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)을 회전시키는 경우, 도 9에 나타내는 바와 같이, 가공장치(10)는, 중심(P)으로부터 서서히 멀어지는 소용돌이 형상의 궤적(TR)으로 레이저(L)를 피가공부재(W)에 조사할 수 있다. 이로써, 가공장치(10)는, 소용돌이 형상으로 레이저(L)를 조사함으로써, 레이저(L)가 들어가기 어려운 두께를 가지는 피가공부재(W)에 대해서도 고정밀도로 가공할 수 있다.

마찬가지로, 도 10 및 도 11에 나타내는 바와 같이, 가공장치(10)는, 타원 형상이나 하트 형상의 궤적(TR)으로 피가공부재(W)에 레이저(L)를 조사할 수도 있다. 즉, 가공장치(10)는, 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)을 회전시키면서 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차를 연속적으로 변경함으로써, 레이저(L)의 선회직경(R)을 변경하여, 다양한 궤적(TR)으로 레이저(L)를 피가공부재(W)에 조사할 수 있다. 즉, 가공장치(10)는, 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 회전 및 위상각의 차를 제어함으로써, 다양한 형상의 궤적(TR)으로 레이저(L)를 피가공부재(W)에 조사할 수 있다.

또, 피가공부재(W)에 대하여 실시하는 가공처리에 적합한 레이저(L)의 선회직경(R)을 광학상의 이론치로부터 산출한 후, 열영향층(Wa)를 고려하여 그 선회직경(R)을 보정하는 경우, 도 12에 나타내는 바와 같이, 가공장치(10)는, 1주회째는 천공가공하는 목표 구멍의 구멍직경보다 작은 원형 형상의 궤적(TRa)으로 레이저(L)를 피가공부재(W)에 조사하고, 2주회째는 천공가공할 목표 구멍의 구멍직경과 동일한 크기의 원형 형상의 궤적(TRb)으로 레이저(L)를 피가공부재(W)에 조사한다. 이 경우, 1주회째의 레이저(L)의 선회직경(Ra)은 목표 구멍보다 작은 선회직경으로 하고, 2주회째의 레이저(L)의 선회직경(Rb)은 목표 구멍을 뚫기 위한 선회직경을 광학상의 이론치로부터 산출한 후에 목표 구멍에 있어서 열영향층(Wa)의 두께(TH)가 허용 두께의 범위 내가 되도록 보정한 선회직경으로 하는 것이 바람직하다. 이로써, 레이저(L)가 피가공부재(W)에 최초로 조사되는 1주회째에서는 열의 확산이 커지지만, 가공장치(10)는, 1주회째에서는 목표 구멍보다 작은 구멍을 뚫음으로써 열의 확산을 억제하고, 2주회째에서 목표 구멍을 뚫을 수 있다. 즉, 가공장치(10)는, 1주회째에서 초벌가공하고, 2주회째에서 마무리가공할 수 있으므로, 고정밀도로 가공할 수 있다.

또, 레이저(L)의 궤적(TR)을 진원에 근사시키는 경우(진원도를 보정하는 경우), 도 13에 나타내는 바와 같이, 가공장치(10)는, 피가공부재(W)에 파일럿 구멍(Wb1)을 뚫은 후, 촬상수단(40)으로 파일럿 구멍(Wb1)을 촬상한 화상 데이터로부터 당해 파일럿 구멍(Wb1)의 진원도를 검출하고, 검출한 진원도에 근거하여, 레이저(L)의 조사 위치(IP)의 궤적(TR)이 진원이 되는 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차의 변화 패턴(선회하는 레이저(L)의 1주기에서의 위상각의 차의 연속적 변동)을 산출하고, 산출한 위상각의 차의 변화 패턴으로 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)을 회전 제어함으로써, 레이저(L)를 진원 형상으로 선회시키면서 피가공부재(W)에 조사한다. 이로써, 가공장치(10)는, 본 구멍(Wb2)을 진원 형상으로 뚫을 수 있다.

또, 레이저(L)의 궤적(TR)을 진원 보정함과 동시에 구멍직경을 보정(구멍직경 보정)하는 경우, 도 14에 나타내는 바와 같이, 가공장치(10)는, 촬상수단(40)으로 촬상한 파일럿 구멍(Wb1)의 화상 데이터로부터 당해 파일럿 구멍(Wb1)의 진원도와 크기(구멍직경)를 검출하고, 검출한 진원도와 구멍직경에 근거하여, 레이저(L)의 조사 위치(IP)의 궤적(TR)이 소정의 구멍직경의 진원이 되는 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차의 변화 패턴(선회하는 레이저(L)의 1주기에서의 위상각의 차의 연속적 변동)을 산출하고, 산출한 위상각의 차의 변화 패턴으로 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)을 회전 제어함으로써, 레이저(L)를 소정의 크기의 진원 형상으로 선회시키면서 피가공부재(W)에 조사한다. 이로써, 가공장치(10)는, 본 구멍(Wb2)을 소정의 크기로 진원 형상으로 뚫을 수 있다.

또, 레이저(L)의 조사 방향의 앞측을 향하여 구멍직경이 점차 커지는 테이퍼 구멍(Wd)을 뚫는 경우, 도 15에 나타내는 바와 같이, 가공장치(10)는, 레이저(L)의 초점과 피가공부재(W)의 갭을 갭 검출수단(41)에 의하여 검출하고, 검출한 갭에 근거하여, Z축 이동기구(28)에 의하여 Z축 방향의 상대 위치를 조정하여 레이저(L)의 조사 위치(IP)와 당해 레이저(L)의 초점으로 한 후, 피가공부재(W)의 판 두께(WT)보다 초점심도(LD)가 깊은 레이저(L)를 이용하여, 조사 위치(IP)를 선회의 중심(P) 둘레로 선회직경(R)으로 화살표 c방향으로 선회시키면서 피가공부재(W)에 조사할 수 있다. 이로써, 가공장치(10)는, 피가공부재(W)의 표측(즉 레이저(L)의 조사측)의 구멍직경(Fa)보다, 이측의 구멍직경(Fb)이 큰 테이퍼 구멍(Wd)을 뚫을 수 있다.

또, 레이저(L)의 조사 방향의 앞측을 향하여 구멍직경이 점차 작아지는 테이퍼 구멍(Wd)을 뚫는 경우, 가공장치(10)는, 검출한 갭에 근거하여, Z축 이동기구(28)에 의하여 Z축 방향의 상대 위치를 조정하여 레이저(L)의 초점을 피가공부재(W)의 이측으로 한 후, 조사 위치(IP)를 선회의 중심(P) 둘레로 선회직경(R)으로 화살표 c방향으로 선회시키면서 피가공부재(W)에 조사할 수 있다. 이로써, 가공장치(10)는, 피가공부재(W)의 이측의 구멍직경(Fb)보다, 표측의 구멍직경(Fa)이 큰 테이퍼 구멍(Wd)을 뚫을 수 있다. 즉, 가공장치(10)는, 갭 검출수단(41)에 의하여 검출한 갭에 근거하여, Z축 이동기구(28)에 의하여 피가공부재(W)의 Z축 방향의 상대 위치를 제어함으로써, 원하는 형상의 테이퍼 구멍(Wd)을 뚫을 수 있다.

또, 테이퍼 구멍(Wd)의 테이퍼 형상을 보정(테이퍼 보정)하는 경우, 가공장치(10)는, 검출한 갭에 근거하여, Z축 이동기구(28)에 의하여 피가공부재(W)의 Z축 방향의 상대 위치를 제어함으로써, 피가공부재(W)의 표측의 구멍직경(Fa)과 이측의 구멍직경(Fb)이 동일한 크기가 되는 구멍(Wb)(도 6 참조)을 뚫을 수 있다. 즉, 가공장치(10)는, 갭 검출수단(41)에 의하여 검출한 갭에 근거하여, 테이퍼 구멍(Wd)을 스트레이트 구멍으로 보정할 수도 있다.

또, 복수의 상이한 재료의 층을 가지는 피가공부재(W)에 비스듬한 구멍(We)을 뚫는 경우, 예를 들면, 세라믹층(W1)과 금속층(W2)을 가지는 박판 형상의 피가공부재(W)에 대하여 경사각(α)이 20°에서 40° 비스듬한 구멍(We)을 뚫는 경우, 도 16 및 도 17에 나타내는 바와 같이, 가공장치(10)는, 할출기구(39)에 의하여 노즐(38)의 할출각도를 20°에서 40°로 하고, 세라믹층(W1)에서는, 조사하는 레이저(L)의 선회수를 상대적으로 늦게 하고 조사 위치(IP)에서의 단위시간당 에너지를 높게 하여 천공가공한다. 또, 가공장치(10)는, 금속층(W2)에서는, 조사하는 레이저(L)의 선회수를 상대적으로 빠르게 하고 조사 위치(IP)에서의 단위시간당 에너지를 낮게 하여 천공가공한다. 이로써, 가공장치(10)는, 열영향층(Wa)의 두께(TH)를 억제하면서 열전도성이 비교적 낮은 세라믹층(W1)에 구멍을 뚫을 수 있어, 열영향층(Wa)의 두께(TH)를 억제하면서 열전도성이 비교적 높은 금속층(W2)에 구멍을 뚫을 수 있다. 또한, 가공장치(10)는, 세라믹층(W1) 및 금속층(W2)의 각각의 천공에 걸리는 소요 시간을 단축할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 세라믹층(W1)과 금속층(W2)의 경계 부근에서는, 금속층(W2)측에 조사하는 레이저(L)의 궤적(TR)이, 세라믹층(W1)측에 조사하는 레이저(L)의 궤적(TR)보다 상대적으로 작아지는 비진원 형상으로 한다. 이로써, 가공장치(10)는, 금속층(W2)의 열영향층(Wa)의 두께(TH)를 억제할 수 있어, 세라믹층(W1)보다 천공가공 속도가 상대적으로 빠른 금속층(W2)의 천공의 진행 속도를 억제할 수 있다. 즉, 가공장치(10)는, 세라믹층(W1)과 금속층(W2)을 동일하게 천공할 수 있다. 즉, 가공장치(10)는, 세라믹층(W1) 및 금속층(W2)의 각각에 적합한 가공조건으로 가공하는 다단계 가공을 행할 수 있어, 세라믹층(W1) 및 금속층(W2)을 일직선 형상으로 관통하는 가공품질이 높은 스트레이트 구멍을 뚫을 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 상기 다단계 가공에 있어서, 각 단계에 적합한 가스종의 어시스트 가스를 이용함으로써, 보다 적합한 가공조건으로 피가공부재(W)에 가공처리할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 박판 형상의 피가공부재(W)에 대하여 비스듬하게 구멍을 뚫을 때, 상기 테이퍼 보정을 행함으로써, 용이하게 스트레이트 구멍을 뚫을 수 있다.

또, 피가공부재(W) 상에 간격을 두고 복수의 구멍(Wc)을 뚫는 경우, 도 18에 나타내는 바와 같이, 가공장치(10)는, 이송기구(X축 이동기구(22), Y축 이동기구(26), Z축 이동기구(28))에 의하여 천공 위치로 피가공부재(W)를 이동시켜, 이 천공 위치에서 상기 이송기구를 정지함과 동시에 레이저(L)를 피가공부재(W)에 조사하여 구멍(Wc1)을 형성하고, 다시 상기 이송기구에 의하여 다음 천공 위치로 피가공부재(W)를 이동시켜, 다음 천공 위치에서 상기 이송기구를 정지함과 동시에 레이저(L)를 피가공부재(W)에 조사하여 구멍(Wc2)을 형성하며, 다시 상기 이송기구에 의하여 다음 천공 위치로 피가공부재(W)를 이동시켜, 다음 천공 위치에서 상기 이송기구를 정지함과 동시에 레이저(L)를 피가공부재(W)에 조사하여 구멍(Wc3)을 형성하고, 이후에도 이와 같이 반복하여 구멍을 연속적으로 뚫는다. 즉, 가공장치(10)는, 조사헤드(16)로부터의 레이저(L)의 조사만으로 천공가공할 수 있으므로, 천공 시에 상기 이송기구의 기계동작을 정지할 수 있다. 즉, 가공장치(10)는, 상기 이송기구의 기계동작의 정지시간을 레이저(L)의 조사 시간으로 함으로써, 상기 이송기구의 기계동작의 정지시간을 단시간으로 할 수 있으므로, 상기 이송기구의 대기시간(정지시간)을 짧게 할 수 있다. 이로써, 가공장치(10)는, 가공동작을 고속화할 수 있으므로, 가공 시간을 단축할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 간격을 두고 복수의 구멍(Wc)을 피가공부재(W)에 뚫는 경우, 피가공부재(W)가 이동하는 방향(XY평면 중 임의의 방향)측의 선회직경(R)을 상대적으로 짧게 한 타원 형상으로 레이저(L)를 선회시키면서 조사함으로써, 상기 이송기구를 정지시키지 않고, 피가공부재(W)를 연속해서 이동시키면서 대략 진원(진원을 포함함)의 구멍(Wc)을 연속적으로 뚫을 수도 있다.

또, 가공장치(10)는, 도 19에 나타내는 바와 같이, 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차를 0°로 함으로써, 중심(P)과 조사 위치(IP)의 오프셋양을 제로로 할 수 있다. 또, 가공장치(10)는, 중심(P)과 조사 위치(IP)의 오프셋양이 제로인 상태에서, 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 회전수를 동기시켜 회전할 수 있다. 이로써, 레이저 발진기(12)나 안내광학계(14), 콜리메이트 광학계(34) 등의 광학상의 아주 적은 어긋남에 의하여, 조사 위치(IP)에 있어서, 레이저(L)의 에너지 분포에 편향이 발생하여, 상대적으로 낮은 강도의 레이저(La)와 상대적으로 높은 강도의 레이저(Lb)가 중심(P)으로부터 어긋나게 조사되는 경우가 있더라도, 상대적으로 낮은 강도 레이저(La)와 상대적으로 높은 강도의 레이저(Lb)를 중심(P) 둘레에 화살표 c방향으로 선회시킬 수 있다. 즉, 가공장치(10)는, 조사 위치(IP)에서의 레이저(L)의 스폿 내의 에너지 밀도를 평균화할 수 있으므로, 레이저(L)의 스폿(조사 위치(IP))의 외주부에서의 에너지 편차를 균일화할 수 있어, 에너지 편차를 균일화한 레이저(L)를 피가공부재(W)에 조사할 수 있다. 즉, 가공장치(10)는, 절단가공 시 등에, 절단면에 영향을 주는 레이저(L)의 스폿의 외주부의 에너지 편차가 발생하지 않기 때문에, 절단 방향(가공경로)을 변경해도 가공품질(절단면 품질)을 유지할 수 있다. 마찬가지로, 가공장치(10)는, 예를 들면, 용접가공 시, 용접 방향(가공경로)을 변경해도 가공품질(용접품질)을 유지할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 도 20에 나타내는 바와 같이, 피가공부재(W)에 조사하는 레이저(L)의 에너지 분포(즉, 레이저(L)의 조사 방향의 단면의 에너지 분포)의 저변(Lc)을 자르는 저변절삭 광학계를 조사헤드(16)에 마련함으로써, 피가공부재(W)에 조사하는 레이저(L)의 스폿의 외주부의 에너지를 상대적으로 높일 수 있다. 이로써, 가공장치(10)는, 구멍(Wb)(구멍(Wc), 테이퍼 구멍(Wd), 비스듬한 구멍(We))의 가장자리 단부나, 절단면의 가장자리 단부 등을 샤프하게 할 수 있어, 가공품질을 향상시킬 수 있다. 저변절삭 광학계로서는, 예를 들면, 애퍼추어에 의하여 레이저 선회부(35)의 레이저(L)의 광로의 일부를 차폐하는 것, 혹은, 조사헤드(16)의 케이스로 레이저(L)의 광로의 일부를 차폐하는 것을 이용할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 촬상수단(40)에 의하여 피가공부재(W) 상의 가공부위를 관찰하면서, 조사하는 레이저(L)의 초점과 피가공부재(W)의 갭을 갭 검출수단(41)으로 검출하여 가공처리를 행할 수 있으므로, 가공조정 작업 등을 용이하게 행할 수 있게 된다.

또, 가공장치(10)는, 제1 회전기구(53)가 제1 중공모터(59)로 구동되고, 제2 회전기구(54)가 제2 중공모터(61)로 구동되며, 할출기구(39)가 중공모터(82)로 구동되는 점에서, 제1 회전기구(53), 제2 회전기구(54), 할출기구(39)의 각각에는 백래시가 없기 때문에, 제1 회전기구(53) 및 제2 회전기구(54)에 의한 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차를 고정밀도로 제어할 수 있어, 할출기구(39)에 의한 노즐(38)의 할출각도를 고정밀도로 제어할 수 있다. 이로써, 가공장치(10)는, 피가공부재(W)에 조사하는 레이저(L)의 선회직경(R)을 고정밀도로 제어할 수 있으며, 피가공부재(W)에 조사하는 레이저(L)의 할출각도를 고정밀도로 제어할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 어시스트 가스 공급배관(42a) 및 어시스트 가스 공급배관(81a)이 조사헤드(16)의 내부에 마련된 내부 배관이므로, 피가공부재(W)의 가공부위로부터 비산하는 스퍼터의 부착을 방지하여, 어시스트 가스 공급배관(42a) 및 어시스트 가스 공급배관(81a)의 파손을 방지할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 피가공부재(W)에 대하여 선회하는 레이저(L)의 파워를 주회마다 변조하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 가공장치(10)는, 열영향층(Wa)의 확산을 억제하기 위하여, 피가공부재(W)의 가공부위에 대한 레이저(L)의 파워(출력)를 주회마다 변조한다. 가공장치(10)는, 레이저(L)의 출력의 변조로서, 예를 들면, 펄스 변조, 리니어 변조, 고주파 중첩 변조 등을 이용함으로써, 피가공부재(W)에 실시하는 가공처리에 적합한 레이저(L)를 출력한다. 이로써, 가공장치(10)는, 피가공부재(W)에 대한 가공품질을 안정화할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 제1 중공모터(59)와 제2 중공모터(61)의 위상각의 차의 오차를 0.1° 이내로 하는 것이 바람직하다. 즉, 가공장치(10)는, 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차의 오차를 0.1° 이내로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 제어장치(30)는, 인코더(68)로부터 출력된 제1 스핀들(58) 및 제2 스핀들(60)의 회전수와 회전 위치(위상각)에 근거하여, 상기 서술한 스텝 ST6에서 결정한 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차의 오차를 0.1° 이내로 한다. 이로써, 가공장치(10)는, 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)의 광학 특성에 따라 다르지만, 선회직경(R)의 어긋남을 수십μm 이내로 할 수 있어, 피가공부재(W)에 대하여 고정밀도로 레이저(L)를 조사하여 가공할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 레이저(L)의 출력 주파수 1kHz 미만에서는, 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)을 20rpm 이상으로 회전시키는 것이 바람직하고, 레이저(L)의 출력 주파수 1kHz 이상에서는, 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)을 200rpm 이상으로 회전시키는 것이 바람직하다. 즉, 가공장치(10)는, 피가공부재(W)에 조사하는 레이저(L)의 선회수를, 레이저(L)의 출력 주파수 1kHz 미만에서는 20rpm 이상으로 하는 것이 바람직하고, 레이저(L)의 출력 주파수 1kHz 이상에서는 200rpm 이상으로 하는 것이 바람직하다.

가공장치(10)는, 레이저(L)의 출력 주파수에 따라 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)의 회전수를 조절함으로써, 가공을 보다 고속으로 행할 수 있어, 가공 정밀도를 보다 더 향상시킬 수 있다. 즉, 가공장치(10)는, 레이저(L)의 출력 주파수가 상대적으로 높은 경우는, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 에너지가 상대적으로 높아지는 점에서, 레이저(L)를 상대적으로 고속 선회시키며, 레이저(L)의 출력 주파수가 상대적으로 낮은 경우는, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 에너지가 상대적으로 낮아지는 점에서, 레이저(L)를 상대적으로 저속 선회시킨다. 또, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)를 상대적으로 고속 선회시킴으로써, 일정 범위에 있어서 균일하게 레이저(L)를 조사할 수 있어, 레이저(L)의 출력이 일부에 집중하는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 가공장치(10)는, 열영향층(Wa)의 두께(TH)의 제어를 행하기 쉬워져, 가공 정밀도를 높게 할 수도 있다. 또, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)를 상대적으로 고속 선회시킴으로써, 레이저(L)를 상대적으로 고출력으로 해도 열영향(열데미지의 영향)을 억제하고, 열영향층(Wa)의 두께(TH)를 억제하여, 가공품질을 유지하면서 가공 속도를 고속화할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 피가공부재(W)로서 강판 등의 금속 재료를 이용함으로써, 적합하게 절단가공, 천공가공, 용접가공, 클래드가공, 표면 개질가공, 표면 마무리가공 혹은 레이저 적층 조형할 수 있으며, 또한, 절단면을 보다 적합한 형상으로 할 수 있다. 이로써, 가공장치(10)는, 가공 정밀도를 높게 할 수 있다. 또, 가공장치(10)는, 선회시키면서 레이저(L)를 조사함으로써, 레이저(L)의 출력이 일부에 집중하는 것을 억제할 수 있는 점에서, 고출력의 레이저(L)를 이용할 수 있게 되므로, 용접가공이나 클래드가공에 적합하게 사용할 수 있어, 내열성이 높은 재료에도 적합하게 사용할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 제1 회전기구(53)를 제1 중공모터(59)로 회전 구동하고, 제2 회전기구(54)를 제2 중공모터(61)로 회전 구동하는 점에서, 제1 중공모터(59) 및 제2 중공모터(61)의 직경 방향을 소형화할 수 있으므로, 조사헤드(16)를 소형화할 수 있다. 즉, 가공장치(10)의 대형화를 억제할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 제어장치(30)가 제1 회전기구(53) 및 제2 회전기구(54)의 회전수를 결정함으로써, 열영향층(Wa)의 두께(TH)를 허용 두께 이하로 하면서 피가공부재(W)를 가공할 수 있다.

다음으로, 도 21부터 도 28을 이용하여, 가공장치(10)에 의한 다른 가공예에 대하여 설명한다. 도 21은, 가공장치에 의한 절단가공 동작의 설명도이다. 도 22는, 절단가공된 피가공부재의 열영향층의 설명도이다. 도 23은, 가공장치에 의한 용접가공 동작의 설명도이다. 도 24는, 용접가공된 피가공부재의 열영향층의 설명도이다. 도 25는, 가공장치에 의한 클래드가공 동작의 설명도이다. 도 26은, 클래드가공된 피가공부재의 열영향층의 설명도이다. 도 27은, 가공장치에 의한 표면 개질가공 동작의 설명도이다. 도 28은, 표면 개질가공된 피가공부재의 열영향층의 설명도이다.

가공장치(10)는, 가공모드가 절단가공인 경우, 도 21 및 도 22에 나타내는 바와 같이, XY평면(수평면) 중 임의의 방향인 화살표 f방향으로 조사헤드(16)를 주사시킴으로써, 궤적(TR)과 같이 레이저(L)를 선회시키면서 화살표 f방향으로 조사하여, 열영향층(Wa)의 두께(TH)를 허용 두께 이하로 억제할 수 있다. 이로써, 가공장치(10)는, 레이저(L)를 조사폭(D)으로 피가공부재(W)에 조사하여, 조사폭(D)으로 피가공부재(W)를 절단할 수 있다. 또, 가공장치(10)는, 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)의 회전수를 제어함으로써, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 선회수를 제어하여, 열영향층(Wa)의 두께(TH)의 허용 두께를 제어할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 가공모드가 용접가공인 경우, 도 23 및 도 24에 나타내는 바와 같이, 화살표 f방향(XY평면 중 임의의 방향)으로 조사헤드(16)를 주사시키면서 레이저(L)의 조사 위치(IP)에 용접 와이어(91) 등을 공급함으로써, 궤적(TR)과 같이 레이저(L)를 선회시키면서 화살표 f방향으로 조사한다. 이로써, 가공장치(10)는, 예를 들면, I형 등의 홈 형상인 일방의 피가공부재(W3)와 타방의 피가공부재(W4)를 용접부(Wf)에서 용접할 수 있다. 또, 가공장치(10)는, 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)의 회전수를 제어함으로써, 일방의 피가공부재(W3)와 타방의 피가공부재(W4)의 홈에 조사되는 레이저(L)의 선회수를 제어하고, 열영향층(Wa)의 두께(TH)의 허용 두께를 제어할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 가공모드가 클래드가공인 경우, 도 25 및 도 26에 나타내는 바와 같이, 화살표 f방향(XY평면 중 임의의 방향)으로 조사헤드(16)를 주사시키면서 레이저(L)의 조사 위치(IP)에 충전재 와이어(92) 등을 공급함으로써, 궤적(TR)과 같이 레이저(L)를 선회시키면서 화살표 f방향으로 조사한다. 이로써, 가공장치(10)는, 피가공부재(W) 상에 충전부(Wg)를 형성할 수 있다. 또, 가공장치(10)는, 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)의 회전수를 제어함으로써, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 선회수를 제어하고, 열영향층(Wa)의 두께(TH)의 허용 두께를 제어할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 가공모드가 표면 개질가공인 경우, 도 27 및 도 28에 나타내는 바와 같이, 화살표 f방향(XY평면 중 임의의 방향)으로 조사헤드(16)를 주사시킴으로써, 궤적(TR)과 같이 레이저(L)를 선회시키면서 화살표 f방향으로 조사한다. 이로써, 가공장치(10)는, 레이저(L)를 조사폭(Da)으로 피가공부재(W)에 조사함으로써, 예를 들면, 피가공부재(W)의 표면을 평활화하거나, 피가공부재(W)의 표면의 재료 입자를 미세화하거나 하여, 피가공부재(W)의 표면을 개질한 표면 개질부(Wh)를 형성할 수 있다. 또, 가공장치(10)는, 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)의 회전수를 제어함으로써, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 선회수를 제어하고, 열영향층(Wa)의 두께(TH)의 허용 두께를 제어할 수 있다.

본 실시형태에 있어서, 피가공부재(W)의 열영향층(Wa)은, 피가공부재(W)에 조사된 레이저(L)에 의하여 형성되는 재용융층, 산화층, 크랙, 드로스를 적어도 1개포함한다. 재용융층은, 가공 시에, 레이저(L)의 조사에 의하여 피가공부재(W)의 고체가 액체화되고, 다시 고체화된 층이다. 재용융층은, 가공모드에 따라 다르지만, 천공가공, 절단가공인 경우, 레이저(L)의 조사 방향(진행 방향)의 앞에 형성되는 층이 아닌, 레이저(L)의 조사 방향(진행 방향)에 직교하는 방향으로 형성되는 층이며, 레이저(L)를 조사함으로써 형성된 구멍(Wb)의 내주면이나, 절단 된 피가공부재(W)의 절단면에 형성되는 것이다. 또, 재용융층은, 가공모드가 용접가공, 클래드가공, 표면 개질가공, 표면 마무리가공, 레이저 적층 조형인 경우, 레이저(L)의 조사 방향(진행 방향)의 앞과 조사 방향에 직교하는 방향에 형성되는 층이며, 레이저(L)를 조사함으로써 형성된 용접부(Wf)의 주위나 하측, 충전부(Wg)의 주위나 하측, 표면 개질부(Wh)의 주위나 하측에 형성되는 것이다.

산화층은, 피가공부재(W)가 금속 등인 경우, 어시스트 가스로서 산소를 사용했을 때에, 피가공부재(W)의 구멍(Wb)의 내주면이나 절단면에 형성되는 산화 피막이다. 크랙은, 레이저(L)의 조사에 의하여 피가공부재(W)가 급속 가열되어, 이 급속 가열 시에 피가공부재(W)의 구멍(Wb)의 내주면이나 절단면에 발생하는 미세한 균열(마이크로 크랙)이다. 드로스는, 피가공부재(W)의 천공 시나 절단 시 등에 액체화된 재료가 용융물이 되어, 피가공부재(W)의 구멍(Wb)의 내주면이나 절단면에 부착되어 고체화된 부착물이다. 피가공부재(W)의 열영향층(Wa)의 두께(TH)는, 재용융층의 두께, 산화 피막의 두께, 균열의 깊이, 부착물의 두께를 포함한다.

허용 두께는, 절단가공, 천공가공, 용접가공, 클래드가공, 표면 개질가공, 표면 마무리가공, 레이저 적층 조형 중 적어도 1개를 포함하는 가공처리를 피가공부재(W)에 실시했을 때에, 구멍(Wb)의 내주면, 절단 부분이나 용접부(Wf)의 열영향층(Wa)의 두께(TH), 충전부(Wg)나 표면 개질부(Wh)의 열영향층(Wa)의 두께(TH) 등이, 가공처리가 실시된 제품으로서의 피가공부재(W)에 있어서 허용할 수 있는 범위 내의 두께이다.

또, 허용 두께는, 가공모드에 따라 다르지만, 천공가공, 절단가공인 경우, 레이저(L)의 조사 방향(진행 방향)에 직교하는 방향의 길이이다. 또, 허용 두께는, 가공모드가 용접가공, 클래드가공, 표면 개질가공, 표면 마무리가공, 레이저 적층 조형인 경우, 레이저(L)의 조사 방향(진행 방향)의 길이, 및, 레이저(L)의 조사 방향에 직교하는 방향의 길이이다.

［제2 실시형태］

다음으로, 제2 실시형태에 관한 조사헤드(16)에 대하여 설명한다. 도 29는, 제2 실시형태에 관한 조사헤드의 개략 구성을 나타내는 설명도이다. 제2 실시형태에 관한 조사헤드(16)의 기본적 구성은, 제1 실시형태에 관한 가공장치(10)의 조사헤드(16)와 동일하므로, 동일 부분의 구성의 설명은 생략한다. 제2 실시형태에 관한 조사헤드(16)는, 콜리메이트 광학계(34), 레이저 선회부(35), 집광광학계(37)의 각각의 레이저(L)의 광로가 직선 형상(동축 상)으로 나열되어 일체적으로 연결된다.

조사헤드(16)는, 도 29에 나타내는 바와 같이, 콜리메이트 광학계(34)와, 레이저 선회부(35)와, 집광광학계(37)와, 노즐(38)을 가진다. 조사헤드(16)는, 안내광학계(14)로부터 출력되는 레이저(L)의 광로에 있어서, 상류측으로부터 하류측을 향하여, 콜리메이트 광학계(34), 레이저 선회부(35), 집광광학계(37), 노즐(38)의 순서로 배치된다. 조사헤드(16)는, 안내광학계(14)로부터 출력된 레이저(L)를 노즐(38)에 대면하는 위치에 배치된 피가공부재(W)를 향하여 조사한다.

레이저 선회부(35)는, 제1 회전기구(53)로 회전 구동되어, 제1 프리즘(51)을 지지하는 중공 통 형상의 제1 스핀들(58)과, 제2 회전기구(54)로 회전 구동되어, 제2 프리즘(52)을 지지하는 중공 통 형상의 제2 스핀들(60)을 가진다. 이로써, 조사헤드(16)는, 광로의 중심(P) 둘레에 레이저(L)를 회전시켜, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 조사 위치(IP)를 선회시킨다.

또, 조사헤드(16)는, 제1 회전기구(53) 및 제2 회전기구(54)의 회전수, 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차를 제어함으로써, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 선회직경(R), 선회수 및 궤적(TR) 등을 가공모드 등에 맞추어 변경할 수 있다.

또, 조사헤드(16)는, 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)을 냉각하기 위한 냉각기구(55), 집광광학계(37)를 냉각하기 위한 냉각기구(76), 촬상수단(40), 갭 검출수단(41) 등을 가지고, 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 회전수나 위상각의 차를 제어함으로써, 상기 제1 실시형태에 관한 조사헤드(16)와 동일한 가공을 행할 수 있다.

［실험예］

여기에서, 가공장치(10)를 이용하여 피가공부재(W)에 실시한 천공가공의 실험예에 대하여 설명한다. 도 30은, 가공장치에 의한 피가공부재의 가공예를 나타내는 도이다. 도 31은, 도 30에 나타내는 피가공부재를 반대측에서 본 도이다.

피가공부재(W)에 조사하는 레이저(L)는, 레이저 피크 파워를 100W~20kW, 주파수를 5Hz~10kHz, 펄스폭을 1μs~100ms, 조사 시간을 10ms~10S, 초점거리를 40~400mm, 선회수를 20~5000rpm으로 했다. 어시스트 가스는, 압력이 0.1~1MPa인 산소를 이용했지만, 공기나 질소여도 되고, 아르곤 가스(Ar)나 제논 가스(Xe) 등의 희가스여도 된다. 또, 피가공부재(W)는, 두께가 0.5~10mm인 인코넬(등록상표)을 이용했다.

가공장치(10)에 의하여 상기 조건으로 가공을 행한 결과를 도 30 및 도 31에 나타낸다. 여기에서, 도 30은, 피가공부재(W)의 표면(레이저의 입사측)을 나타내고, 도 31은, 피가공부재(W)의 이면을 나타낸다. 본 실험예에서는, 도 30 및 도 31에 나타내는 바와 같이, 피가공부재(W)에 구멍(Wb)을 형성했다. 가공장치(10)는, 상기 조건으로 가공을 행함으로써, 레이저의 조사 시간이 0.2S이더라도, 구멍(Wb)의 주위에 휨이나 요철이 적어, 높은 정밀도로 가공되어 있는 것을 알 수 있었다.

이상과 같이, 실시형태에 관한 가공장치(10)에 의하면, 조사헤드(16)를 콜리메이트 광학계(34)와 레이저 선회부(35)와 집광광학계(37)로 분할 가능하므로, 조사헤드(16)를 소형화할 수 있어, 가공장치(10)를 보다 소형화할 수 있는 효과를 나타낸다. 또, 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차를 변경하는 것만으로, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 선회직경(R)을 변경할 수 있으므로, 가공장치(10), 즉 레이저 가공장치를 간단하면서 소형으로 할 수 있는 효과를 나타낸다. 또, 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차를 제어하여, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 선회직경(R)을 변경함으로써, 가공모드나 가공조건에 따라 적합한 선회직경(R)으로 가공처리를 행할 수 있게 된다. 이로써, 요구되는 가공품질을 충족시킬 수 있어, 보다 높은 정밀도의 가공을 고속으로 행하는 것이 가능한 효과를 나타낸다.

다만, 상기 실시형태에 있어서, 가공장치(10)는, 파이버 레이저 출력장치나 단펄스 레이저 출력장치를 이용하고 있지만, 이들에 한정되지 않고, 피가공부재(W)에 대하여 가공처리를 실시할 수 있는 레이저(L)를 출력하는 레이저 출력장치이면 된다. 이로써, 가공장치(10)는, 다양한 레이저 출력장치를 이용할 수 있으며, 가공 용도에 따라 적합한 레이저 출력장치를 이용할 수 있다.

또, 파이버 레이저 출력장치는, 연속파 발진(Continuous Wave Operation) 혹은 펄스 발진(Pulsed Operation) 중 어느 방식을 이용하는 레이저 출력장치여도 된다. 파이버 레이저 출력장치는, 연속파 발진의 경우, 고출력을 얻기 쉬운 점에서, 절단가공이나 용접가공 등에 적합하게 사용할 수 있으며, 펄스 발진의 경우, 열적 영향을 억제하기 쉬운 점에서, 미세가공 등에 적합하게 사용할 수 있다.

또, 파이버 레이저 출력장치는, 피가공부재(W)에 조사하는 레이저(L)의 단면의 광강도 분포가, 가우시안모드(싱글모드) 혹은 멀티모드여도 된다. 파이버 레이저 출력장치는, 가우시안모드의 경우, 조사 위치(IP)의 스폿 직경을 좁히기 쉽고, 고출력을 얻기 쉬운 점에서, 용접가공, 절단가공 및 아주 미세한 천공가공 등에 적합하게 사용할 수 있으며, 멀티모드의 경우, 모재로의 열적 영향을 억제하기 쉬운 점에서, 표면 개질가공, 표면 마무리가공 및 브레이징 가공 등에 적합하게 사용할 수 있다.

또, 상기 실시형태에 있어서, 가공장치(10)는, 판 형상의 피가공부재(W)를 가공하고 있지만, 피가공부재(W)의 형상은 특별히 한정되지 않고, 다양한 형상으로 할 수 있다. 또, 가공장치(10)는, 절단가공, 천공가공, 용접가공, 클래드가공, 표면 개질가공, 표면 마무리가공, 레이저 적층 조형을 조합하여 피가공부재(W)에 대하여 가공처리를 실시해도 된다. 또, 가공장치(10)는, 레이저(L)의 조사 위치(IP)를 제어함으로써, 굴곡점을 가지는 궤적(TR)으로 조사하거나, 만곡 형상을 가지는 궤적(TR)으로 조사하거나 할 수도 있다. 이로써, 가공장치(10)는, 피가공부재(W)에 대하여, 레이저(L)를 선회하면서 조사하는 각종 가공처리를 실시할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 가공 정밀도를 높게 할 수 있기 때문에, 피가공부재(W)로서 강판 등의 금속 재료를 이용하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되지 않고, 피가공부재(W)로서, 인코넬(등록상표), 하스텔로이(등록상표), 스테인리스, 세라믹, 강, 탄소강, 세라믹스, 실리콘, 타이타늄, 텅스텐, 수지, 플라스틱, 섬유강화 플라스틱, 복합재, Ni기 내열합금 중 적어도 어느 재료로 만들어져 있으면 된다. 또, 가공장치(10)는, 열영향(열데미지의 영향)을 저감하거나 제거할 수 있기 때문에, 열영향을 저감하거나 제거하여 가공을 행할 필요가 있는 각종 재료, 복합재에 이용할 수 있다. 이로써, 가공장치(10)는, 다양한 재료에 대하여 가공처리를 실시할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 레이저(L)의 조사 위치(IP)와 피가공부재(W)의 상대 위치를 이동시키기 위하여, 피가공부재(W)를 이동시켜도 되고, 조사헤드(16)를 이동시켜도 되며, 피가공부재(W)와 조사헤드(16)를 이동시켜도 된다. 이로써, 가공장치(10)는, 피가공부재(W)에 대하여 보다 고속으로 가공처리를 실시할 수 있다.

또, 상기 실시형태에 있어서, 피가공부재(W) 상에서 레이저(L)를 선회시키면서 당해 레이저의 선회직경(R)을 변경하는 가공장치(10)에 대하여 설명했지만, 가공장치(10)는, 조사되는 레이저(L)의 선회직경(R)을 변경한 경우, 선회하는 레이저의 조사 위치(IP)의 이동 속도(예를 들면, 가상원(IC) 상의 선속도)가 일정해지도록, 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)의 회전수를 제어해도 된다. 이로써, 가공장치(10)는, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 조사 위치(IP)에서의 단위시간당 에너지를 일정하게 할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 피가공부재(W)에 뚫은 파일럿 구멍을 촬상수단(40)으로 촬상하고, 촬상한 파일럿 구멍의 화상 데이터로부터 구멍직경을 측정하여, 측정한 구멍직경과 조사한 레이저(L)의 조건(피크 출력이나 펄스폭, 선회수, 선회직경(R) 등)으로부터 열영향층(Wa)의 두께(TH)를 추정하여, 추정한 열영향층(Wa)의 두께(TH)로부터 그 열영향층(Wa)의 허용 두께의 범위가 되는 레이저(L)의 선회수와 선회직경(R)을 결정하고, 결정한 레이저(L)의 선회수와 선회직경(R)으로 제1 중공모터(59) 및 제2 중공모터(61)의 회전수와 위상각의 차를 제어장치(30)로 제어하여, 본 구멍을 뚫어도 된다. 이로써, 가공장치(10)는, 피가공부재(W)의 열영향층(Wa)의 두께(TH)가 허용 두께의 범위 내가 되도록, 보다 정확하게 제어할 수 있다.

또, 가공장치(10)는, 할출기구(39)에 의하여 노즐(38)의 할출각도를 조정하여, 피가공부재(W)의 표면에 직교하는 방향으로 레이저(L)를 조사함으로써, 테이퍼 구멍(Wd)을 스트레이트 구멍으로 보정할 수도 있다.

또, 가공장치(10)는, 콜리메이트 광학계(34)나 반사광학계(36) 등을 냉각재킷 등의 냉각기구에 의하여 냉각해도 된다. 이로써, 가공장치(10)는, 레이저(L)에 의한 렌즈나 미러 등의 온도 상승을 억제할 수 있으므로, 조사헤드(16)의 광학 특성을 안정화하여, 레이저(L)의 조사 위치(IP)를 고정밀도로 제어할 수 있다.

또, 상기 실시형태에 있어서, 가공장치(10)는, 갭 검출수단(41)이 집광광학계(37)의 집광렌즈에 대향하는 위치(바로 뒤)에 배치되어 있지만, 레이저(L)의 초점과 피가공부재(W)의 갭을 검출할 수 있는 위치이면 되기 때문에, 조사헤드(16)의 다른 위치에 배치해도 된다. 이로써, 가공장치(10)는, 장치의 형태에 따라 갭 검출수단(41)의 장착 위치를 변경할 수 있다.

또, 상기 실시형태에 있어서, 가공장치(10)는, 제1 프리즘(51)의 입사면(51a)의 기울기를 1° 미만으로 하고, 제2 프리즘(52)의 출사면(52b)의 기울기를 1° 미만으로 했지만, 제1 프리즘(51)의 입사면(51a)에서 반사한 레이저, 및, 제2 프리즘(52)의 출사면(52b)에서 반사한 레이저가 레이저 발진기(12)의 출사구에 도달하지 않는 기울기이면 된다. 이로써, 가공장치(10)는, 안내광학계(14)의 길이에 따라 입사면(51a) 및 출사면(52b)의 기울기를 변경할 수 있다. 또, 입사면(51a)이 상기 기울기가 되도록 프리즘 홀더(56)에 제1 프리즘(51)을 장착해도 되고, 출사면(52b)이 상기 기울기가 되도록 프리즘 홀더(57)에 제2 프리즘(52)을 장착해도 된다.

또, 제1 프리즘(51)은, 프리즘 홀더(56)와의 위치가 어긋나지 않는 형상이면 되기 때문에, 팔각형 형상에 한정되지 않고, 육각 형상으로부터 11각형 형상이어도 되고, 그 외의 다각 형상이어도 된다. 제2 프리즘(52)도 마찬가지로, 그 외형이 프리즘 홀더(57)와의 위치 어긋남을 발생시키지 않는 다각 형상이면 된다. 이로써, 가공장치(10)는, 제1 프리즘(51)과 프리즘 홀더(56)의 위치 어긋남을 억제하고, 제2 프리즘(52)과 프리즘 홀더(57)의 위치 어긋남을 억제할 수 있으므로, 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차를 고정밀도로 제어할 수 있다.

또, 세라믹층(W1)과 금속층(W2)을 가지는 피가공부재(W)에 대하여 2단계로 조건을 변경하여 가공하는 방법을 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 3층 이상이면 3단계로 조건을 변경하여 가공할 수 있으며, 다층이면 다단계로 조건을 변경하여 가공(다단계 가공)할 수 있다. 또, 세라믹층(W1) 및 금속층(W2) 외에, 다양한 재료를 이용할 수 있다. 이로써, 가공장치(10)는, 피가공부재(W)에 다단계로 가공처리를 실시할 수 있어, 피가공부재(W)의 재질에 적합한 가공조건으로 가공을 행할 수 있다.

또, 저변절삭 광학계는, 애퍼추어나 조사헤드(16)의 케이스로 레이저(L)의 에너지 분포의 저변(Lc)을 컷하고 있으므로, 냉각재킷 등의 냉각기구에 의하여 애퍼추어나 조사헤드(16)의 케이스를 냉각하는 것이 바람직하다. 가공장치(10)는, 레이저(L)가 가지는 에너지 중 수 퍼센트인 저변(Lc)의 부분을 컷하므로, 냉각재킷 등의 냉각기구로 충분히 애퍼추어나 조사헤드(16)의 케이스를 냉각할 수 있다. 이로써, 가공장치(10)는, 간단한 구성으로, 피가공부재(W)에 조사하는 레이저(L)의 품질을 높일 수 있다.

또, 제1 중공모터(59) 및 제2 중공모터(61) 중 적어도 일방은, 초음파 모터여도 된다. 이로써, 가공장치(10)는, 제1 중공모터(59) 및 제2 중공모터(61)의 위상각(회전 위치)의 위치 결정 정밀도를 용이하게 향상시킬 수 있다.

또, 피가공부재(W)에 조사되는 레이저(L)의 선회수를 올리거나 레이저(L)의 펄스폭을 짧게 해도 된다. 이로써, 가공장치(10)는, 열영향층(Wa)의 두께(TH)를 보다 얇게 할 수 있다.

또, 피가공부재(W) 상의 레이저(L)의 조사 위치(IP)로부터의 비산물의 양과 레이저(L)의 선회수의 상관관계를 정한 제어맵(비산물 제어맵)을 참조하여, 제1 프리즘(51) 및 제2 프리즘(52)의 회전수, 제1 프리즘(51)과 제2 프리즘(52)의 위상각의 차를 결정하여, 결정한 회전수와 위상각의 차로 제1 중공모터(59) 및 제2 중공모터(61)를 회전시켜도 된다. 이로써, 가공장치(10)는, 열영향층(Wa)의 두께(TH)와, 비산물의 양을 억제할 수 있다.

또, 상기 실시형태에 있어서, 안내광학계(14)는, 광섬유이지만, 이에 한정되지 않고, 미러나 렌즈를 조합하여, 레이저(L)를 반사나 집광하여 조사헤드(16)에 안내해도 된다. 이로써, 조사헤드(16)는, 다양한 형태의 가공장치로 이용할 수 있다.

또, 상기 실시형태에 있어서, X축 이동기구(22)에 의하여 상대 이동하는 가공 스테이지(20)에 대하여 설명하고 있지만, 가공 스테이지(20)는, XY스테이지 또는 XYZ 스테이지 등이어도 된다. 또, 조사헤드(16)를 XYZ의 3방향으로 상대 이동시켜도 되고, 조사헤드(16)를 암으로 지지하여, XYZ의 3축방향에 더하여, C축 방향으로 이동시켜도 된다. 이로써, 조사헤드(16)는, 다양한 형태의 가공장치에 이용할 수 있다.

10 가공장치
12 레이저 발진기
14 안내광학계
16 조사헤드
16a 조사헤드 커버
20 가공 스테이지
22 X축 이동기구
24 C축 회전기구
26 Y축 이동기구
28 Z축 이동기구
30 제어장치
32 도어형 브릿지
35 레이저 선회부
36 반사광학계
37 집광광학계
38 노즐
39 할출기구
40 촬상수단
41 갭 검출수단
42 지지부재
42a 어시스트 가스 공급배관
51 제1 프리즘
52 제2 프리즘
53 제1 회전기구
54 제2 회전기구
55, 76 냉각기구
56, 57 프리즘 홀더
58 제1 스핀들
59 제1 중공모터
60 제2 스핀들
61 제2 중공모터
62, 63 베어링
64, 66 중공로터
65, 67 스테이터
68 인코더
69 식별자
70 검출부
71 제1 반사미러
72 제2 반사미러
73 통부
74 노즐 장착부
75 이음매부
77 투광부재
78 냉각매체 공급원
78a, 78b 냉각매체 배관
79 어시스트 가스 공급원
79a 가스배관
81 할출축
81a 어시스트 가스 공급배관
82 중공모터
83 할출각도 검출수단
84 베어링
85 중공로터
86 스테이터
91 용접 와이어
92 충전재 와이어
a, b, c, d, f 화살표
IC 가상원
D, Da 조사폭
IP, IPa, IPb 조사 위치
L 레이저
Lc 저변
OA 광축
P 중심
R, Ra, Rb 선회직경
TH 두께
TR, TRa, TRb 궤적
W 피가공부재
W1 세라믹층
W2 금속층
W3 일방의 피가공부재
W4 타방의 피가공부재
Wa 열영향층
Wb, Wc 구멍
Wb1 파일럿 구멍
Wb2 본 구멍
Wd 테이퍼 구멍
We 비스듬한 구멍
Wf 용접부
Wg 충전부
Wh 표면 개질부

Claims

피가공부재에 레이저를 조사하여 가공처리를 행하는 가공장치로서,
상기 레이저를 콜리메이트하는 콜리메이트 광학계와, 상기 레이저를 상기 피가공부재에 대하여 선회시키는 레이저 선회부와, 상기 레이저 선회부에서 선회된 상기 레이저를 집광시키는 집광광학계를 가지는, 상기 피가공부재에 상기 레이저를 조사하는 조사헤드와,
상기 조사헤드의 동작을 제어하는 제어장치를 가지고,
상기 조사헤드는, 상기 콜리메이트 광학계와 상기 레이저 선회부와 상기 집광광학계로 분할 가능하며,
상기 레이저 선회부는, 상기 레이저를 굴절시키는 제1 프리즘과, 상기 제1 프리즘과 대면하는 위치에 배치되어 당해 제1 프리즘으로부터 출력된 상기 레이저를 굴절시키는 제2 프리즘과, 상기 제1 프리즘을 회전시키는 제1 회전기구와, 상기 제2 프리즘을 회전시키는 제2 회전기구를 가지고,
상기 제어장치는, 적어도 상기 피가공부재의 열영향층의 허용 두께와, 상기 피가공부재에 조사시키는 상기 레이저의 선회수의 관계에 근거하여, 상기 제1 회전기구 및 상기 제2 회전기구를 제어하고, 상기 제1 프리즘 및 상기 제2 프리즘의 회전수와 위상각의 차를 조정하는 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 1에 있어서,
상기 조사헤드는, 상기 콜리메이트 광학계와 상기 레이저 선회부와 상기 집광광학계가 일체로 접속되는 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 1에 있어서,
상기 조사헤드는, 상기 레이저 선회부의 상기 레이저의 광로와 상기 집광광학계의 상기 레이저의 광로를 오프셋시키는 반사광학계와, 상기 반사광학계로부터 출력되는 상기 레이저의 광로의 각도를 상기 피가공부재에 대한 할출각도로 조정하는 할출기구를 가지는 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 3에 있어서,
상기 할출기구는, 상기 반사광학계와 접속된 할출축과, 상기 할출축이 회전 가능하게 내삽되어 당해 할출축을 회전 구동하는 중공모터를 가지는 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조사헤드는, 상기 레이저의 초점과 상기 피가공부재의 갭을 검출하는 갭 검출수단을 가지는 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 5에 있어서,
상기 갭 검출수단은, 상기 피가공부재의 가공부위를 촬상하는 촬상수단을 가지는 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조사헤드는, 상기 레이저 선회부를 냉각하는 냉각기구를 가지는 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 프리즘 및 상기 제2 프리즘은, 외형이 다각 형상인 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 프리즘은, 입사면이 상기 레이저의 광축에 대하여 기울어지고,
상기 제2 프리즘은, 출사면이 상기 레이저의 광축에 대하여 기울어져 있는 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조사헤드는, 내부에 어시스트 가스 공급배관을 가지는 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조사헤드는, 상기 피가공부재에 조사하는 레이저의 에너지 분포에서의 저변을 컷하는 저변절삭 광학계를 가지는 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가공처리는, 절단가공, 천공가공, 용접가공, 클래드가공, 표면 개질가공, 표면 마무리가공, 레이저 적층 조형 중 적어도 1개를 포함하는 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열영향층은, 재용융층, 산화층, 크랙, 드로스 중 적어도 1개를 포함하는 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피가공부재는, 인코넬(등록상표), 하스텔로이(등록상표), 스테인리스, 세라믹, 강, 탄소강, 내열강, 세라믹스, 실리콘, 타이타늄, 텅스텐, 수지, 플라스틱, 섬유강화 플라스틱, 복합재, Ni기 내열합금 중 어느 한 재료로 만들어져 있는 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어장치는, 적어도 상기 피가공부재의 상기 열영향층의 허용 두께와, 상기 피가공부재에 조사시키는 상기 레이저의 선회수와, 상기 레이저의 선회직경의 관계에 근거하여, 상기 제1 회전기구 및 상기 제2 회전기구를 제어하고, 상기 제1 프리즘 및 상기 제2 프리즘의 회전수와 위상각의 차를 조정하는 것을 특징으로 하는
가공장치.
청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 기재된 가공장치를 이용하여, 피가공부재에 레이저를 조사하여 가공처리를 행하는 가공방법으로서,
상기 레이저를 출력하는 출력 단계와,
적어도 상기 피가공부재의 열영향층의 허용 두께와, 상기 피가공부재에 조사되는 상기 레이저의 선회수의 관계에 근거하여, 상기 제1 프리즘 및 상기 제2 프리즘의 회전수와 위상각의 차를 결정하는 결정 단계와,
상기 제1 회전기구 및 상기 제2 회전기구를 결정된 회전수와 위상각의 차로 회전시키는 회전 단계와,
상기 피가공부재에 대하여 상기 레이저를 선회시키면서 조사하는 조사 단계를 가지는 것을 특징으로 하는
가공방법.
청구항 16에 있어서,
상기 피가공부재에 대하여 선회하는 상기 레이저의 파워를 주회마다 변조하는 것을 특징으로 하는
가공방법.
청구항 16 또는 청구항 17에 있어서,
상기 피가공부재에 대하여 다단계로 가공하는 것을 특징으로 하는
가공방법.
청구항 16 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피가공부재에 비진원의 구멍을 뚫는 것을 특징으로 하는
가공방법.
청구항 16 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
구멍의 진원도를 검출하고, 검출한 진원도에 근거하여 조사하는 상기 레이저를 진원으로 하는 상기 제1 프리즘과 상기 제2 프리즘의 위상각의 차를 산출하며, 산출한 위상각의 차로 상기 제1 프리즘과 상기 제2 프리즘을 제어하여, 상기 피가공부재에 뚫는 구멍의 진원도를 보정하는 것을 특징으로 하는
가공방법.
청구항 16 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저의 초점과 상기 피가공부재의 갭을 검출하고, 검출한 갭에 근거하여 테이퍼 구멍 또는 스트레이트 구멍을 뚫는 상기 초점과 상기 피가공부재의 상대 위치를 산출하며, 상기 초점과 상기 피가공부재를 산출한 상대 위치로 하여, 상기 레이저를 조사해서 상기 피가공부재에 테이퍼 구멍 또는 스트레이트 구멍을 뚫는 것을 특징으로 하는
가공방법.
청구항 16 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서,
재질이 다른 경계 부분에서 상기 레이저를 상기 피가공부재에 비진원으로 조사하여, 상기 피가공부재에 비스듬한 구멍을 뚫는 것을 특징으로 하는
가공방법.
청구항 16 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결정 단계는, 적어도 상기 피가공부재의 상기 열영향층의 허용 두께와, 상기 피가공부재에 조사되는 상기 레이저의 선회수와, 상기 레이저의 선회직경의 관계에 근거하여, 상기 제1 프리즘 및 상기 제2 프리즘의 회전수와 위상각의 차를 결정하는 것을 특징으로 하는
가공방법.