WO2010137475A1 - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

レーザ加工装置およびレーザ加工方法 Download PDF

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健二 熊本
裕司 竹中
一樹 久場
融 村井
平 荻田
順一 西前
啓介 古田
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三菱電機株式会社
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    • H01S2301/20—Lasers with a special output beam profile or cross-section, e.g. non-Gaussian
    • H01S2301/206—Top hat profile

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method for cutting a metal plate using laser light of a high power fiber laser oscillator.
  • YAG lasers and carbon dioxide gas lasers are known as high-power laser oscillators used for industrial processing. Because of the difference in light collection, YAG lasers have been used for markers and welding, and carbon dioxide lasers have been used for cutting metals.
  • Patent Document 1 proposes a laser cutting method using a carbon dioxide gas laser.
  • the optical path length and the incident beam diameter are made variable according to the plate thickness of the processing target (workpiece) in order to make the quality of the cut surface not different.
  • the fiber laser has a monolithic structure that does not require optical alignment like conventional laser oscillators, high conversion efficiency with respect to the input light quantity of the exciting semiconductor laser, energy saving, high output of the oscillating laser, etc. It has many unique features. From the point of high output and energy saving, application as a laser marker or a laser welding machine has started as a replacement of a solid laser oscillator using a conventional YAG medium or the like.
  • the fiber laser has a problem that the cutting quality of mild steel or iron having a thickness of 6 mm or more, which is most requested by the user, is inferior to that of a conventional laser beam machine.
  • the present invention has been made in view of the above, and it is an object of the present invention to provide a laser processing apparatus and a laser processing method capable of improving the cutting quality of metal including a medium thick plate having a thickness of 6 mm or more using a fiber laser. To aim.
  • the laser beam diameter of the top hat shape at the position where the light intensity corresponds to the processing threshold of the processing target is the top hat shape laser Focusing means for focusing the top hat shaped laser beam so that the beam diameter of the Gaussian mode laser beam having substantially the same beam quality as that of the light is about 3 times the beam diameter and irradiating the processing object And processing means.
  • ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is effective in the ability to improve the cutting quality of metal containing a medium thick plate 6 mm or more in thickness using a fiber laser.
  • FIG. 1 is an explanatory view showing the outline of a laser cutting apparatus using a conventional carbon dioxide gas laser oscillator.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the laser processing apparatus of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a processed surface cut at a plate thickness of 6 mm under the condition (1).
  • FIG. 4 is a view showing a processed surface cut at a thickness of 6 mm under the condition (2).
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the shape of a beam and its processing threshold.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the beam diameter and the focal position.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the beam diameter and the focal position.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the focal depth and the focused beam diameter.
  • FIG. 1 is an explanatory view showing the outline of a laser cutting apparatus using a conventional carbon dioxide gas laser oscillator.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the laser processing apparatus of the
  • FIG. 9 is a view showing a machined surface obtained by cutting a mild steel having a thickness of 16 mm.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the configuration of a processing head of the laser processing apparatus of the second embodiment.
  • FIG. 11 is a chart showing an example of processing conditions at the time of cutting a mild steel of 6 mm, 12 mm and 16 mm in thickness with the diameter of the collected beam being about 0.7 mm.
  • FIG. 1 is an explanatory view showing an outline of a laser cutting apparatus using a conventional carbon dioxide gas laser oscillator 1.
  • the carbon dioxide gas laser oscillator 1 used for cutting a thick plate of metal oscillates in a low-order Gaussian mode with an output of 4 to 6 kW.
  • This mode represents the quality of the beam (laser light) and also represents the distribution of the light intensity of the laser light, and in laser processing, a heat distribution according to the shape of the beam is given to the processing object Because it is an important parameter.
  • the laser beam 5 emitted from the carbon dioxide gas laser oscillator 1 is reflected by the mirror 2 and guided to the processing head 3.
  • the processing head 3 includes a condenser lens 6 for condensing the laser beam 5 and an assist gas port 4 for flowing gas coaxially with the condenser lens 6.
  • the laser beam 5 is focused on the workpiece 7 and, at the same time, the gas is made to flow coaxially.
  • the laser beam 5 collected on the workpiece 7 maintains the shape of the mode described above.
  • the shape of the beam at the focal point is as shown by 17 (a).
  • the shape of the expanded beam after focusing is also similar as shown in 18 (a). This is the feature of the laser beam 5 of the carbon dioxide gas laser oscillator 1 conventionally used.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the laser processing apparatus 10 according to the first embodiment.
  • the laser processing apparatus 10 includes a fiber laser oscillator 19, a fiber 20, and a processing head 13.
  • the fiber laser oscillator 19 emits a laser beam 15.
  • the fiber 20 guides the laser light 15 oscillated from the fiber laser oscillator 19 and transmits it to the processing head 13.
  • the fiber laser oscillator 19 and the fiber 20 function as laser oscillation means for oscillating the top hat shaped laser beam 15.
  • the processing head 13 which is a processing means, includes a collimator lens 21, a condenser lens 16, an assist gas port 14, and a nozzle 23.
  • the collimator lens 21 converts the laser beam 15 into a parallel beam.
  • the condenser lens 16 condenses the parallel luminous flux and irradiates the workpiece 22 with the parallel luminous flux.
  • the assist gas port 14 causes the gas to flow coaxially with the condenser lens 16.
  • the nozzle 23 jets the gas output from the assist gas port 14 to the workpiece 22.
  • the collimating lens 21 and the condensing lens 16 function as condensing means for condensing the top hat-shaped laser beam 15 and irradiating the workpiece 22 with the laser light 15.
  • the laser light 15 emitted from the fiber laser oscillator 19 is guided as it is by the fiber 20 and transmitted to the processing head 13.
  • the laser beam 15 exiting from the fiber 20 is once spread in the processing head 13, converted into a parallel light beam by the collimator lens 21, and irradiated to the workpiece 22 by the condensing lens 16.
  • gas of an optimal type and an optimal flow rate is injected from the assist gas port 14 to the workpiece 22 through the nozzle 23.
  • a method of processing a workpiece 22 by oscillating about 5 kW of laser light 15 from a fiber laser oscillator 19 and the results thereof will be described.
  • the laser beam 15 of 5 kW is transmitted to the processing head 13 by the fiber 20 having a core diameter of about 0.4 mm and is irradiated to the workpiece 22.
  • the laser beam 15 is collected on the workpiece 22 so that the spot diameter (beam diameter) corresponding to the core diameter is transferred to the position of the workpiece 22 based on the core diameter of the fiber 20 transmitted. Take a method to make it light.
  • the focal lengths of the collimating lens 21 and the focusing lens 16 described above are the same, 0.4 mm, which is a beam diameter equivalent to the core diameter of the fiber, is transferred to the focusing point.
  • the light intensity distribution corresponding to the mode described above reflects the shape of the beam in the core of the outlet 26 of the fiber 20, and becomes a so-called top hat shape (17 (b)) in which the light intensity is uniformized.
  • the focused beam diameter of the laser beam 15 at a position where the light intensity corresponds to the processing threshold of the workpiece 22 has a Gaussian mode equivalent beam quality.
  • the laser beam 15 is focused so as to be about three times the beam diameter of the laser beam 15 and the beam diameter of the laser beam 15 is controlled so as to irradiate the workpiece 22.
  • the workpiece 22 from a thin 1 mm thickness to a thick 16 mm thickness (1) Nozzle diameter ⁇ 1 mm, assist gas oxygen, collected beam diameter 0.2 mm And (2)
  • the nozzle diameter is ⁇ 1 mm
  • the assist gas is oxygen
  • the beam diameter is 0.3 mm
  • the cutting condition is compared under the two conditions of cutting conditions, and the results of comparison will be described.
  • the focused beam diameter means the beam diameter at a position including about 86% of the total light amount, as in the conventional definition of beam quality.
  • the conditions can be changed as described above by changing the combination of the focal lengths of the collimating lens 21 and the condensing lens 16.
  • FIG. 3 is a diagram showing a processed surface cut at a plate thickness of 6 mm under the condition (1).
  • FIG. 4 is a figure showing the process surface cut
  • Conditions (1) and (2) are conditions that can be cut without a large change in cutting quality with a conventional laser.
  • a big difference was observed when using a fiber laser.
  • the condensed beam diameter is 0.2 mm
  • roughening occurs on the upper surface of the plate, and large uneven streaks are generated from the center to the lower surface of the plate thickness where melting proceeds by the combustion reaction.
  • the condensed beam diameter is 0.3 mm
  • no roughening occurs on the upper surface of the plate, and a very good quality is maintained from the center to the lower surface.
  • the cut surface of the thick workpiece 22 is the upper surface which is the cut surface by the laser beam itself, and the lower surface which is the cut surface due to the combustion reaction by the heat of the laser and the assist gas and the expulsion of the molten metal thereof.
  • Patent Document 1 also describes similar contents. However, in the tests under the above conditions (1) and (2), no significant improvement is obtained even if the pressure of the assist gas is changed, and the state of the plate upper surface processed as shown in FIGS. 3 and 4 is It was assumed that the laser beam itself had some influence because it was largely different.
  • Beams with light intensity are often required in the electronics field, such as marking and drilling. Marking and drilling are performed on a surface layer of about 1 mm or less of the surface to be processed, and since the top hat beam has a uniform light intensity as compared with a conventional laser, the light intensity distribution of the beam itself is processed. This is because it is easy to see clearly on the surface. That is, a beam having a light intensity such as a top hat beam is not used in applications where processing is performed several mm away from the focal position.
  • a slight amount of light such as noise generated by the laser oscillator under some influence may condense light on the material surface and affect the quality of processing. Such effects are observed particularly when cutting at high output and at high speed, or when processing thick materials. Further, particularly in the case of cutting of mild steel or iron, it is likely that a small amount of light has no effect because the light intensity is MW / cm 2 or more at the central position where the Gaussian beam of kW output is collected. However, when considering the quality of the processing surface, it is necessary to study the light intensity of about several tens of kW / cm 2 which is considered as the processing threshold.
  • the light was collected so that the diameter of the collected beam was 0.2 mm. Similar to the conventional definition of beam quality, if the beam diameter at a position including about 86% of the total light amount is defined as the focused beam diameter, for the low-order Gaussian beam and the top hat beam It is needless to say that the same focused beam diameter is obtained when the same focusing optical system is used.
  • the processing threshold that represents the light intensity required for the minimum processing is about 50 kW / cm 2 . That is, mild steel and iron are materials having a low processing threshold among metal materials.
  • FIG. 5 is a view showing the relationship between the beam shape and the processing threshold in the low-order Gaussian beam (18 (a)) and the top hat beam (18 (b)). As shown in FIG. 5, when diffracted light appears in the top hat beam, the beam diameter defined by the diameter of the outermost position exceeding the processing threshold largely changes from the low-order Gaussian beam.
  • FIG. 6 is a view showing the relationship between the beam diameter and the focal position when the diameter of the outermost position of the light intensity corresponding to the processing threshold is defined as the beam diameter (the beam diameter corresponding to the threshold).
  • the solid line 601 in FIG. 6 represents the relationship in the case of the low order Gaussian beam obtained from the conventional laser oscillator.
  • the broken line 602 in FIG. 6 represents the relationship in the case of a top hat beam such as a fiber laser.
  • the Gaussian beam used in the conventional laser has a propagation characteristic that maintains the same shape as the focusing point, so the beam diameter of the light intensity equivalent to the processing threshold (the beam diameter corresponding to the threshold) changes with the focal position change. Is small.
  • the diffracted light as described above appears. Therefore, a well-focused beam having a rectangular shape can be obtained at the focal position near the minimum beam diameter.
  • the threshold equivalent beam diameter tends to expand greatly as it gets away from the focal position near the minimum beam diameter.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the beam diameter and the focal position in this case.
  • the solid line 701 in FIG. 7 represents the relationship for the low order Gaussian beam, and the broken line 702 represents the relationship for the top hat beam. As shown in FIG.
  • the change in threshold equivalent beam diameter accompanying the focal position becomes smaller as compared with the case of focusing at 0.2 mm as shown in FIG. Further, even with the top hat beam, diffracted light with high light intensity disappears, and the same change state as the low-order Gaussian beam is obtained.
  • the depth of focus is defined as the depth of focus extending up to ⁇ 2 times the minimum beam diameter.
  • the minimum beam diameters of the top hat beam and the low order Gaussian beam are indicated by the minimum beam diameter T1 and the minimum beam diameter G1, respectively.
  • the beam diameter of ⁇ square root over (2) ⁇ times the minimum beam diameter is the position of each dotted line.
  • the distance between the two focal positions corresponding to the intersections of the dotted lines and the curve representing the change of the threshold equivalent beam diameter corresponds to the focal depth.
  • the focal depths of the top hat beam and the low-order Gaussian beam are the focal depth T2 and the focal depth G2.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the focal depth and the focused beam diameter (the beam diameter corresponding to the threshold) obtained in this manner.
  • a solid line 801 represents the relationship with a conventional low-order Gaussian beam
  • a broken line 802 represents a relationship with a top hat beam oscillated by a fiber laser or the like.
  • FIG. 3 and FIG. 4 The processing results shown in FIG. 3 and FIG. 4 described above are also described from FIG. That is, when the focal beam diameter is 0.2 mm (FIG. 3), since the focal depth is only about 0.5 mm as shown at point 811, the upper surface itself is roughened a lot. When the focal beam diameter is expanded to 0.3 mm (FIG. 4), the focal depth is expanded to about 2 mm as shown by point 812. Thereby, the processing quality of the cut surface in an upper surface is securable. That is, good processing quality can be obtained. From this, it can be understood that in order to perform cutting with a plate thickness of 6 mm with a processing quality with a top hat beam such as a fiber laser, a depth of focus of about 1/3 of the plate thickness is necessary.
  • the diameter of the focused beam is set to about 0.7 mm so as to secure a focal depth of 5 mm or more equivalent to about 1/3 of the plate thickness.
  • the focused beam diameter can be set, for example, by changing the focal length ratio of the collimating lens 21 and the focusing lens 16 as described above.
  • FIG. 9 is a view showing a machined surface obtained by cutting a mild steel plate having a thickness of 16 mm in this manner.
  • good surface quality (Ry) of about 20 ⁇ m was secured for the upper surface, middle surface and lower surface of the plate. This is the result that it can be said that the processing quality is equal to or higher than that of the conventional carbon dioxide gas laser.
  • the processing quality is equal to or higher than that of the conventional carbon dioxide gas laser.
  • the depth of focus equivalent to the plate thickness is a condition which can be obtained by a normal processing optical system. For this reason, it has been considered that the same degree of focal depth can be obtained even with a fiber laser having the same beam quality.
  • a metal plate having a thickness of about 6 mm or more is greatly affected by a change in beam diameter in the vicinity of the focal point, leading to deterioration in processing quality.
  • a focal beam diameter of 0.3 mm to 0.7 mm (equivalent to the threshold value) that provides a focal depth of about 1/3 of the plate thickness It was found that the beam diameter needs to be condensed. That is, it was found that it is necessary to make the focused beam diameter (the beam diameter corresponding to the threshold) three or more times larger than that of the conventional Gaussian laser. This is a focusing condition necessary for laser processing, which is obtained from the beam characteristic itself of the fiber laser, unlike the conventional laser processing condition by the Gaussian mode.
  • the above-mentioned 0.7 mm focused beam diameter is the largest focused beam necessary to cut and process materials of up to 16 mm thickness considering the processing quality using a fiber laser It can also be called diameter.
  • FIG. 11 is a chart showing an example of processing conditions at the time of cutting a mild steel of 6 mm, 12 mm and 16 mm in thickness with the diameter of the collected beam being about 0.7 mm.
  • laser output, plate thickness, processing speed, gas pressure, gas type, hole diameter of nozzle 23 (nozzle diameter), length between nozzle 23 and workpiece 22 (nozzle height), focal point at processing The length (focus position) between the workpieces 22 is used as a processing condition, and the processing quality under the processing condition is shown as surface roughness. Since the processing results greatly vary depending on the processing conditions set up at the time of processing, each of the conditions shown here is an important condition for obtaining the effects of the present embodiment.
  • the machining quality was equivalent to that of a conventional laser beam machine, and a margin of about 2 mm for the focal position could be secured. It was demonstrated that the cutting speed was 1 m / min or more, and could be cut at a speed equal to or higher than that of conventional laser processing.
  • the change with the position of the light intensity distribution can be reduced in the vicinity of the focal position equivalent to the plate thickness, so that the quality of the cut surface of the workpiece 22 can be improved.
  • a top hat beam laser beam obtained from an oscillator is used, it is possible to cut a metal plate, particularly a medium thick plate of 6 mm or more, into a desired shape while maintaining surface quality.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the configuration of the processing head 213 of the laser processing apparatus of the second embodiment.
  • the processing head 213 which is a processing means has a structure in which the processing head 13 of the first embodiment is modified.
  • FIG. 10 shows a configuration example in which light emitted from the fiber 20 is once condensed by the beam correction lens 25 inside the processing head 213, and the aperture 24 is provided in the vicinity of the condensing point.
  • FIG. 10 shows a beam shape after the top hat beam is collected by the processing head 213 according to the second embodiment.
  • an aperture of about ⁇ 0.5 mm to ⁇ 1 mm at a position deviated by 2 mm or more from the focal position. Provide 24.
  • it is a top hat beam it is possible to reduce the change in light intensity near the focal point as in the case of the conventional Gaussian beam. For this reason, even when light is condensed to have the same condensed beam diameter as in the conventional case, it is possible to obtain the same focal depth as in the conventional case, and improvement of the laser cutting surface of the medium thick plate of 6 mm or more Can be
  • any conventionally used method such as a method of absorbing the diffracted light and a method of reflecting the diffracted light can be applied as a method of removing or reducing the diffracted light.
  • the same effect can be obtained by using an optical element that transmits a portion other than diffracted light instead of the aperture 24.
  • the laser processing apparatus is a laser processing using an energy saving and high output fiber laser, and is a means useful for improving the quality of the processing surface.
  • reduction of light intensity equivalent to the processing threshold of the material to be processed within the focus range corresponding to the plate thickness to be processed It is necessary to provide a focusing optical system that also takes into account the In each of the above embodiments, assuming the change of the light intensity and reducing the influence of the change of the light intensity, it is possible to process the cutting quality equal to or more than the conventional one.
  • a fiber laser has been described in the laser processing of the first and second embodiments, it is possible to use a high-power laser oscillation source that has a fiber transmission and can be used for cutting and has a light collecting performance comparable to a carbon dioxide gas laser.
  • the laser processing according to the first and second embodiments can obtain the same effect even if, for example, various solid-state lasers with fiber transmission, semiconductor lasers with fiber couples, or the like are applied.
  • each of the above-described embodiments shows an example of the content thereof, and can be combined with further another known technique, and may be configured by omission or change without departing from the scope of the present invention. be able to.
  • the laser processing apparatus and the laser processing method according to the present invention use a laser beam of a top hat beam obtained from a high power fiber laser oscillator to cut a metal of a metal plate, particularly a medium thick plate. Suitable for processing equipment and methods.

Abstract

　トップハット形状のレーザ光を発振するファイバレーザ発振器１９と、加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置でのトップハット形状のレーザ光１５のビーム径が、トップハット形状のレーザ光１５と略同一のビーム品質を有するガウスモードのレーザ光のビーム径の約３倍となるようにトップハット形状のレーザ光１５を集光し、被加工物２２に照射する集光レンズ１６および加工ヘッド１３と、を備え、集光レンズ１６は、加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置でのレーザ光１５のビーム径の最小値の√２倍のビーム径となる焦点位置の範囲を表す焦点深度が、加工対象の厚さの約１／３となるようにレーザ光１５を集光する。

Description

レーザ加工装置およびレーザ加工方法
　本発明は、高出力のファイバレーザ発振器のレーザ光を用いて金属板を切断するレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
　産業用の加工に用いられる高出力のレーザ発振器としては、ＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザが知られている。集光性の違いから、ＹＡＧレーザはマーカや溶接用に用いられ、炭酸ガスレーザは金属の切断加工に用いられてきた。
　例えば、特許文献１では、炭酸ガスレーザを用いたレーザ切断方法が提案されている。特許文献１の方法では、切断面の品質に差がでないようにするため、加工対象（被加工物）の板厚に対応させて光路長や入射ビーム径を可変としている。
　一方、近年はファイバレーザによるレーザ加工の開発が盛んに行われるようになってきた。ファイバレーザは、従来のレーザ発振器のような光学アライメントを必要としないモノリシックな構造であること、励起する半導体レーザの入力光量に対する変換効率が高く省エネルギーで、発振するレーザの出力が高い、等といった今までにない数多くの特長を備えている。高出力で省エネである点から、従来のＹＡＧ媒質等を用いた固体レーザ発振器の置き換えとして、レーザマーカやレーザ溶接機としての適用が始まっている。
　ファイバレーザが今後波及していく市場として、現在炭酸ガスレーザが最も適用されている板金等の切断に用いる加工機の市場が注目されている。これは、従来のＹＡＧレーザで得ることが困難であった、炭酸ガスレーザ並の集光性を高出力で確保できるようになったためである。
特開平０４－２５３５８４号公報
　しかしながら、ファイバレーザは、最もユーザ要求の多い、６ｍｍ厚以上の軟鋼や鉄の切断品質が、従来のレーザ加工機より劣るとされる問題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ファイバレーザを用いて６ｍｍ厚以上の中厚板を含む金属の切断品質を向上させることができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置でのトップハット形状のレーザ光のビーム径が、前記トップハット形状のレーザ光と略同一のビーム品質を有するガウスモードのレーザ光の前記位置でのビーム径の約３倍となるように前記トップハット形状のレーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光手段および加工手段、を備えることを特徴とする。
　本発明によれば、ファイバレーザを用いて６ｍｍ厚以上の中厚板を含む金属の切断品質を向上させることができるという効果を奏する。
図１は、従来の炭酸ガスレーザ発振器を用いたレーザ切断加工装置の概要を示す説明図である。 図２は、実施の形態１のレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。 図３は、条件（１）で板厚６ｍｍにおいて切断した加工面を表す図である。 図４は、条件（２）で板厚６ｍｍにおいて切断した加工面を表す図である。 図５は、ビームの形状とその加工閾値の関係を示す図である。 図６は、ビーム径と焦点位置との関係を示す図である。 図７は、ビーム径と焦点位置との関係を示す図である。 図８は、焦点深度と集光ビーム径との関係を示す図である。 図９は、板厚１６ｍｍの軟鋼を切断した加工面を表す図である。 図１０は、実施の形態２のレーザ加工装置の加工ヘッドの構成の一例を示す図である。 図１１は、集光ビーム径を約０．７ｍｍとして、６ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍの各板厚の軟鋼の切断する際の加工条件の例を示した図表である。
　以下に、本発明にかかるレーザ加工装置およびレーザ加工方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　最初に、従来の切断加工に使用される、炭酸ガスレーザ発振器を用いたレーザ切断加工装置について、図１で説明する。図１は、従来の炭酸ガスレーザ発振器１を用いたレーザ切断加工装置の概要を示す説明図である。
　一般に金属の厚板切断に用いられる炭酸ガスレーザ発振器１は、出力が４～６ｋＷで、低次のガウスモードで発振する。このモードは、そのビーム（レーザ光）の品質を表すと同時に、レーザ光の光強度の分布を表しており、レーザ加工では、そのビームの形状に従った熱分布を加工対象に与えることになるため、重要なパラメータとされている。
　図１に示すように、炭酸ガスレーザ発振器１から出射したレーザ光５は、ミラー２により反射され加工ヘッド３へと導かれる。加工ヘッド３は、レーザ光５を集光するための集光レンズ６と、集光レンズ６と同軸上にガスを流すアシストガスポート４とを備えている。これにより、被加工物７にレーザ光５を集光すると同時に、同軸上にガスを流す構成となっている。被加工物７に集光されたレーザ光５は、上述したモードの形状を維持した形となっている。例えば、低次のガウスモードのレーザ光５を集光した場合、焦点でのビームの形状は、１７（ａ）のようになる。集光後の広がったビームの形状も１８（ａ）のように相似形となっている。これが、従来から用いられてきた炭酸ガスレーザ発振器１のレーザ光５の特徴である。
　このようなレーザを集光して被加工物７を切断するために、照射するレーザ光５の集光ビーム径、ガスの種類、ガスの圧力、および加工速度等の各種条件が、制御装置（図示せず）によって設定される。
　次に、高出力のファイバレーザを用いる、実施の形態１にかかるレーザ加工装置について図２を用いて説明する。図２は、実施の形態１のレーザ加工装置１０の構成の一例を示す図である。
　図２に示すように、レーザ加工装置１０は、ファイバレーザ発振器１９と、ファイバ２０と、加工ヘッド１３と、を備えている。
　ファイバレーザ発振器１９は、レーザ光１５を出射する。ファイバ２０は、ファイバレーザ発振器１９から発振されたレーザ光１５を導光して加工ヘッド１３へ伝送する。ファイバレーザ発振器１９およびファイバ２０が、トップハット形状のレーザ光１５を発振するレーザ発振手段として機能する。
　加工手段である加工ヘッド１３は、コリメートレンズ２１と、集光レンズ１６と、アシストガスポート１４と、ノズル２３とを備えている。
　コリメートレンズ２１は、レーザ光１５を平行光束に変換する。集光レンズ１６は、平行光束を集光して被加工物２２に照射する。アシストガスポート１４は、集光レンズ１６と同軸上にガスを流す。ノズル２３は、アシストガスポート１４から出力されたガスを被加工物２２に噴射する。コリメートレンズ２１および集光レンズ１６が、トップハット形状のレーザ光１５を集光して被加工物２２に照射する集光手段として機能する。
　次に、本実施の形態のレーザ加工装置１０の動作手順について説明する。ファイバレーザ発振器１９から出射したレーザ光１５は、そのままファイバ２０によって導光され、加工ヘッド１３へと伝送される。ファイバ２０を出たレーザ光１５は、加工ヘッド１３の中で一旦広がり、コリメートレンズ２１で平行光束に変換され、集光レンズ１６で被加工物２２に照射される。加工時には、アシストガスポート１４から最適な種類および最適な流量のガスが、ノズル２３を介して被加工物２２に噴射される。
　具体例として、ファイバレーザ発振器１９から、約５ｋＷのレーザ光１５を発振して被加工物２２を加工する方法とその結果について説明する。５ｋＷのレーザ光１５は、概ね０．４ｍｍのコア径のファイバ２０により加工ヘッド１３に伝送され、被加工物２２に照射される。この場合、伝送されてきたファイバ２０のコア径を基準に、このコア径に相当するスポット径（ビーム径）を被加工物２２の位置に転写するように被加工物２２にレーザ光１５を集光させる方式をとる。
　例えば、上述したコリメートレンズ２１と集光レンズ１６の焦点距離が同じ場合は、ファイバのコア径相当のビーム径である０．４ｍｍが集光点に転写されることとなる。このコリメートレンズ２１と集光レンズ１６の焦点距離比を変えることで、集光ビーム径を変更することができる。また、上述したモードに相当する光の強度分布は、ファイバ２０の出口２６のコア内のビームの形状を反映し、光強度が均一化された所謂トップハット形状（１７（ｂ））となる。
　本実施の形態では、被加工物２２の加工閾値に対応する光強度となる位置でのレーザ光１５の集光ビーム径（以下、閾値相当ビーム径という）が、ビーム品質が同等のガウスモードのレーザ光１５の閾値相当ビーム径の約３倍となるようにレーザ光１５を集光し、被加工物２２に照射するように制御する。これにより、板厚相当の焦点位置近傍で、光強度分布の位置に伴う変化が低減できるため、被加工物２２の切断面の品質の向上を図ることができる。
　以下に、このようにファイバレーザ発振器１９により発振されるレーザ光１５の集光ビーム径（閾値相当ビーム径）を調整することにより、切断面の品質が向上できる理由について説明する。
　最初に、被加工材料に軟鋼を用い、薄い１ｍｍの板厚から厚い１６ｍｍの板厚までの被加工物２２を、（１）ノズル径φ１ｍｍ、アシストガスは酸素、集光ビーム径が０．２ｍｍ、および、（２）ノズル径φ１ｍｍ、アシストガスは酸素、集光ビーム径が０．３ｍｍ、の２つの条件で切断し、その加工状態を比較した結果について説明する。なお、ここでの集光ビーム径は、従来のビーム品質の定義と同様に、全光量の内の約８６％程度の光量が含まれる位置でのビーム径を意味する。また、図２で説明した通り、コリメートレンズ２１と集光レンズ１６の焦点距離の組合せを変更することにより、上記のように条件を変更することができる。
　例えば３ｍｍ以下の薄い板厚では、加工速度に差は生じるが、被加工物２２の加工品質、すなわち切断加工した面の状態に差は生じなかった。ところが、６ｍｍ以上の厚い板では、被加工物２２の加工品質に大きな差が現れた。図３は、条件（１）で板厚６ｍｍにおいて切断した加工面を表す図である。また、図４は、条件（２）で板厚６ｍｍにおいて切断した加工面を表す図である。
　条件（１）および（２）は、従来のレーザであれば、切断品質に大きな変化も無く切断できる条件である。しかし、図３および図４に示すように、ファイバレーザを用いる場合は大きな違いが観察された。図３に示すように、集光ビーム径０．２ｍｍでは、板上部面に荒れが生じ、燃焼反応による溶融が進む板厚中央から下部面にかけては、大きな凹凸の筋が発生している。ところが、図４に示すように、集光ビーム径０．３ｍｍでは、板上部面に荒れは生じておらず、中央から下部面にかけても非常に良好な品質を保っている。
　一般に、薄い板では、表面への入熱だけで板の下面まで熱は伝わる。また、アシストガスの影響もなく、切断面内に大きな差は現れない。しかし、厚い被加工物２２の切断面は、レーザ光そのものによる切断面である上部面と、レーザの熱とアシストガスによる燃焼反応やその溶融金属の排除性に起因した切断面である下部面とに分かれる。
　特に下部面では、アシストガスである酸素が行渡ることなく濃度が低下すると、ドロス付着等の大きな品質悪化を招くと考えられている。例えば、特許文献１にも、同様の内容が記載されている。しかし、上記条件（１）および（２）による試験では、アシストガスの圧力を変えても大きな改善が得られないこと、および、図３および図４に示すように加工した板上部面の状態が大きく異なることから、レーザ光自身が何らかの影響を及ぼしていることが想定された。
　そこで、次に、レーザ光の集光特性について調査した結果について説明する。上述したように、ファイバレーザを用いて集光光学系を構成する場合、ファイバ２０の出口２６のコア内のビームの形状を、焦点位置に転写する像転写光学系が用いられる。したがって、集光点でのビームの形状は、ファイバ２０の出口２６のビームの形状と相似な形状、すなわち、図２の１７（ｂ）に示すようなトップハット形状となることが期待される。ところが、集光後の実際のビーム形状を調べると、図２の１８（ｂ）に示すように、ビームの形状が崩れ、回折光を伴う形状へと変化していることがわかった。
　トップハットビームのような光強度をもつビームは、マーキングや穴あけといった電子分野で要望されることが多い。マーキングや穴あけは、加工する対象表面の１ｍｍ以下程度の表面層に行う加工であり、また、トップハットビームは従来のレーザに比べて光強度が均一なため、ビームそのものの光強度分布を加工材表面にくっきり映しやすいためである。すなわち、トップハットビームのような光強度をもつビームは、焦点位置から数ｍｍ外れた位置で加工するような適用事例には用いられていない。しかし、中厚板のレーザ切断では、被加工物２２の板厚方向に対しても入熱しながら切断することを想定すれば、集光点前後、例えば表面に切断幅が作られるまでの転写点前後のビームの形状が、加工に影響を及ぼすことは、検討されるべきことであった。
　従来のレーザ切断では、レーザ発振器から何らかの影響で発生するノイズのような僅かな光が、材料表面に集光し加工の品質に影響することがある。特に高出力で高速に切断する場合や、厚い材料を加工する場合にこのような影響が見受けられる。また、特に軟鋼や鉄の切断の場合、ｋＷ出力のガウスビームを集光した中心位置では、光強度がＭＷ／ｃｍ２以上になるため、少々の光は影響が無いと思われがちである。しかし、加工面の品質まで考える場合は、加工閾値とされる数十ｋＷ／ｃｍ２程度の光強度まで検討が必要となる。
　本実施の形態では、加工物内面で、このような加工閾値相当の光強度が発生し、加工した面に悪影響を及ぼすことは十分想定される。そこで、焦点近傍でのビーム径の変化を調べた。
　例えば、５ｋＷのファイバレーザを用いて、集光ビーム径が０．２ｍｍとなるように集光する場合を計算した。従来のビーム品質の定義と同様に、全光量の内の約８６％程度の光量が含まれる位置でのビーム径を集光ビーム径と定義すると、低次のガウスビームとトップハットビームとに対して同じ集光光学系を用いた場合は、同じ集光ビーム径となることは言うまでもない。
　そこで、本実施の形態では、加工閾値の光強度におけるビームの振る舞いに注目した。被加工物２２が軟鋼や鉄の場合、その加工に最低必要となる光強度を表す加工閾値は、５０ｋＷ／ｃｍ２前後である。すなわち、軟鋼や鉄は金属材料の中では低い加工閾値を有する材料である。
　図５は、低次のガウスビーム（１８（ａ））とトップハットビーム（１８（ｂ））とにおける、ビームの形状とその加工閾値の関係を示す図である。図５のように、トップハットビームに回折光が現れてくると、加工閾値を超える最外周位置の直径で定義したビーム径は、低次のガウスビームとは大きく変わってくる。
　図６は、加工閾値相当の光強度の最外周位置の直径をビーム径（閾値相当ビーム径）と定義した場合の、ビーム径と焦点位置との関係を示す図である。図６の実線６０１が従来のレーザ発振器から得られる低次のガウスビームの場合の関係を表す。また、図６の破線６０２がファイバレーザのようなトップハットビームの場合の関係を表す。従来のレーザに用いられているガウスビームでは、集光点と同一の形状を保つ伝搬特性を有するため、焦点位置の変化に伴う加工閾値相当の光強度のビーム径（閾値相当ビーム径）の変化は小さい。
　一方、ファイバレーザのようなトップハットビームでは、上述したような回折光が現れる。このため、最小ビーム径近傍の焦点位置では矩形形状の良く絞られたビームが得られる。一方、その前後の焦点位置では光強度の高い回折光が発生するため、閾値相当ビーム径は、最小ビーム径近傍の焦点位置から離れるに従い、大きく拡大する傾向を示す。
　次に、出力は同じ５ｋＷで集光ビーム径が０．７ｍｍ程度となるように集光する場合を計算した。被加工物２２は図６と同様に軟鋼を想定し、加工するのに最低必要な加工閾値となる光強度５０ｋＷ／ｃｍ２の光強度の最外周位置の直径をビーム径（閾値相当ビーム径）と定義する。図７は、この場合の、ビーム径と焦点位置との関係を示す図である。図７の実線７０１が低次のガウスビームの場合の関係を表し、破線７０２がトップハットビームの場合の関係を表す。図７に示すように、低次のガウスモードでは、図６のように０．２ｍｍに集光する場合と比較して、焦点位置に伴う閾値相当ビーム径の変化が小さくなる。また、トップハットビームでも、光強度の高い回折光が無くなり、低次のガウスビームと同様の変化状態となる。
　次に、このような変化と焦点深度との関係について検討する。一般に焦点深度は、最小ビーム径の√２倍まで広がる焦点の深さで定義される。例えば図６で説明すると、トップハットビームおよび低次のガウスビームの最小ビーム径は、それぞれ最小ビーム径Ｔ１と最小ビーム径Ｇ１で示されている。この最小ビーム径の√２倍のビーム径は、各点線の位置となる。そして、各点線と閾値相当ビーム径の変化を表す曲線との交点に相当する２つ焦点位置間の距離が焦点深度に相当する。図６の点線矢印で示されるように、トップハットビームおよび低次のガウスビームそれぞれの焦点深度は、焦点深度Ｔ２と焦点深度Ｇ２となる。
　図７などの他の集光ビーム径で同様に解析すれば、各ビームの集光ビーム径（閾値相当ビーム径）と焦点深度との関係が得られる。図８は、このようにして得られた焦点深度と集光ビーム径（閾値相当ビーム径）との関係を示す図である。図８では、実線８０１が従来の低次のガウスビームでの関係を表し、破線８０２がファイバレーザ等により発振されるトップハットビームでの関係を表す。
　図８より、従来の低次のガウスモードと同じビーム品質のトップハットビームでありながら、加工閾値で定義された焦点深度を同程度確保するには、低次のガウスモードに比べて、約３倍の焦点ビーム径（閾値相当ビーム径）まで大きくする必要があることがわかる。
　上述した図３および図４に示す加工結果は、図８からも説明される。すなわち、焦点ビーム径が０．２ｍｍの時には（図３）、点８１１に示すように０．５ｍｍ程度の焦点深度しかないため、上部面自身に大きな荒れが生じる。焦点ビーム径を０．３ｍｍに広げると（図４）、点８１２に示すように焦点深度は約２ｍｍまで広がる。これにより、上部面における切断面の加工品質が確保できる。すなわち、良好な加工品質が得られる。このことから、ファイバレーザのようなトップハットビームを用いて６ｍｍの板厚の切断加工を加工品質良く行うには、板厚の１／３程度の焦点深度が必要なことがわかる。
　次に、本実施の形態の方法により、軟鋼１６ｍｍの切断加工試験を行った結果について説明する。
　焦点深度を広げるほど加工品質が確保されることは想定されるが、過度に拡大すると集光部の光強度の低下、ひいては加工速度の低下に繋がる。そこで、図８を元に、板厚の約１／３相当の５ｍｍ以上となる焦点深度を確保するよう、集光ビーム径を約０．７ｍｍに設定した。集光ビーム径は、上述のように例えばコリメートレンズ２１と集光レンズ１６の焦点距離比を変えることで設定できる。
　図９は、このようにして板厚１６ｍｍの軟鋼を切断した加工面を表す図である。図９に示すように、加工速度１．４ｍ／ｍｉｎで、板の上面・中面・下面とも、面粗さ（Ｒｙ）では２０μｍ程度と良好な品質を確保できた。これは、従来の炭酸ガスレーザと同程度の速度で、しかも同等以上の加工品質と言える結果である。このように、加工品質が劣るとされていたファイバレーザでも、そのビームの振る舞いを考慮することで、加工品質を十分に確保することができる。
　従来のガウスビームでは、板厚相当の焦点深度は通常の加工光学系で得られる条件である。このため、同じビーム品質であるファイバレーザでも同程度の焦点深度が得られると考えられていた。ところが、６ｍｍ程度以上の板厚の金属板に対しては、焦点近傍でのビーム径の変化の影響を大きく受けて、加工品質劣化に繋がっていることがわかった。
　その結果、６ｍｍから１６ｍｍ程度の中厚板で加工品質を保ちながら切断加工するには、板厚の１／３程度の焦点深度となる、０．３ｍｍから０．７ｍｍの焦点ビーム径（閾値相当ビーム径）に集光する必要があることがわかった。すなわち、従来のガウスレーザよりも３倍以上大きな集光ビーム径（閾値相当ビーム径）とする必要があることがわかった。これは、従来のガウスモードによるレーザ加工条件とは異なり、ファイバレーザのビーム特性自身から得られる、レーザ加工に必要な集光条件である。
　また、加工速度の観点からも、上記の０．７ｍｍの集光ビーム径は、ファイバレーザを用いて加工品質を加味した１６ｍｍ厚までの材料を切断加工するために必要な、最大の集光ビーム径と言うこともできる。
　図１１は、集光ビーム径を約０．７ｍｍとして、６ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍの各板厚の軟鋼の切断する際の加工条件の例を示した図表である。ここでは、レーザ出力、板厚、加工速度、ガス圧、ガス種類、ノズル２３の孔径（ノズル径）、ノズル２３と被加工物２２の間の長さ（ノズル高さ）、加工時における焦点と被加工物２２の間の長さ（焦点位置）を加工条件とし、その加工条件での加工品質を面粗さとして示している。加工時にセットアップされる加工条件によって加工結果は大きく異なってくるため、ここで示す各条件は、本実施の形態の効果を得るための重要な条件となる。
　加工品質（面粗さ）は従来のレーザ加工機と同等として、焦点位置に対する裕度を２ｍｍ程度確保することができた。その切断加工速度は１ｍ／ｍｉｎ以上と、従来のレーザ加工と同等、もしくはそれ以上の速度で切断可能であることが実証された。
　このように、本実施の形態によれば、板厚相当の焦点位置近傍において、光強度分布の位置に伴う変化が低減できるため、被加工物２２の切断面の品質の向上が図れる。また、発振器から得られるトップハットビームのレーザ光を用いるため、金属板、特に６ｍｍ以上の中厚板の金属を所望形状に面品質を保ちながら切断することができる。
実施の形態２．
　図１０は、実施の形態２のレーザ加工装置の加工ヘッド２１３の構成の一例を示す図である。加工手段である加工ヘッド２１３は、実施の形態１の加工ヘッド１３を改造した構造となっている。図１０は、ファイバ２０から出た光を加工ヘッド２１３の内部のビーム補正レンズ２５で一度集光し、その集光点近辺にアパーチャー２４を設けた構成例を示している。
　上述したように、加工閾値より高い光強度となって広がる回折光は、加工品質に悪影響を及ぼす。そこで、１７（ｂ）のようなトップハットビームから周辺に広がる光強度の高い部分を、ビーム補正レンズ２５で集光しアパーチャー２４により取り除き、再度集光し被加工物２２に照射して加工する。なお、図１０の１８（ｃ）は、実施の形態２の加工ヘッド２１３によるトップハットビームの集光後のビーム形状を表している。
　例えば、ビーム補正レンズ２５により集光されるビームの振る舞いが、上述した図８のトップハットビームのような特性であれば、焦点位置より２ｍｍ以上外れた位置に、φ０．５ｍｍからφ１ｍｍ程度のアパーチャー２４を設ける。これにより、回折光となる光強度部分を除く、または、低減させることができる。この結果、トップハットビームでありながら、従来のガウスビームと同様に、焦点近傍位置での光強度の変化を低減できる。このため、従来と同様の集光ビーム径となるように集光した場合であっても、従来と同等の焦点深度を得ることが可能となり、６ｍｍ以上の中厚板のレーザ切断面の改善を図ることができる。
　なお、アパーチャー２４は、回折光を除去または低減する方法として、回折光を吸収する方法、および、回折光を反射する方法などの従来から用いられているあらゆる方法を適用できる。また、アパーチャー２４の変わりに、回折光以外の部分を透過させるような光学素子を用いるように構成しても同等の効果を得ることができる。
　以上のように、実施の形態１および２のレーザ加工装置は、省エネルギーかつ高出力のファイバレーザを用いたレーザ加工で、加工面の品質向上に有用な手段である。加工品質を確保した加工を実現するには、焦点位置での加工閾値相当の光強度の低減に加えて、加工する板厚に見合う焦点範囲内で、加工する材料の加工閾値相当の光強度低減をも考慮した集光光学系を備える必要がある。上記各実施の形態では、この光強度の変化を想定し、光強度の変化の影響の低減を図ることで、従来並またはそれ以上の切断品質の加工が可能となった。
　実施の形態１および２のレーザ加工ではファイバレーザを適用する例を説明したが、ファイバ伝送を伴い、かつ切断加工に使用可能な炭酸ガスレーザ並みの集光性を持つ高出力のレーザ発振源であれば同様に適用可能である。実施の形態１および２のレーザ加工は、例えば、ファイバ伝送を伴う各種固体レーザや、ファイバカップルの半導体レーザ等を適用しても、同様の効果を得ることができる。
　なお、これまでは軟鋼を被加工物とする例を説明したが、鉄やステンレスを初めとする他の金属においても、６ｍｍ以上の中厚板加工への適用が可能である。
　また、上記各実施の形態はその内容の一例を示すものであり、更なる別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、省略・変更により構成することができる。
　以上のように、本発明にかかるレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、高出力のファイバレーザ発振器から得られるトップハットビームのレーザ光を用いて、金属板、特に中厚板の金属を切断するレーザ加工装置および方法に適している。
　１　炭酸ガスレーザ発振器
　２　ミラー
　３　加工ヘッド
　４　アシストガスポート
　５　レーザ光
　６　集光レンズ
　７　被加工物
　１０　レーザ加工装置
　１３、２１３　加工ヘッド
　１４　アシストガスポート
　１５　レーザ光
　１６　集光レンズ
　１７（ａ）　実施の形態１におけるガウスビームの集光点でのビーム形状
　１７（ｂ）　実施の形態１におけるトップハットビームの集光点でのビーム形状
　１８（ａ）　実施の形態１におけるガウスビームの集光後のビーム形状
　１８（ｂ）　実施の形態１におけるトップハットビームの集光後のビーム形状
　１８（ｃ）　実施の形態２におけるトップハットビームの集光後のビーム形状
　１９　ファイバレーザ発振器
　２０　ファイバ
　２１　コリメートレンズ
　２２　被加工物
　２３　ノズル
　２４　アパーチャー
　２５　ビーム補正レンズ
　２６　出口

Claims (14)

  1. 　トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振手段と、
    　加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置での前記トップハット形状のレーザ光のビーム径が、前記トップハット形状のレーザ光と略同一のビーム品質を有するガウスモードのレーザ光の前記位置でのビーム径の約３倍となるように前記トップハット形状のレーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光手段および加工手段と、
    　を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 　前記ビーム品質は、全光量の内の約８６％の光量が照射される位置でのビーム径が同等であること、
    　を特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
  3. 　トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振手段と、
    　加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置での前記レーザ光のビーム径の最小値の√２倍のビーム径となる焦点位置の範囲を表す焦点深度が、前記加工対象の厚さの約１／３となるように前記レーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光手段および加工手段と、
    　を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
  4. 　トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振手段と、
    　前記レーザ光の回折光のうち、加工対象の加工閾値に対応する光強度以上の前記回折光を除去する除去手段と、
    　前記回折光を除去した前記レーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光手段および加工手段と、
    　を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
  5. 　前記加工対象は、軟鋼または鉄であること、
    　を特徴とする請求項１～４のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
  6. 　前記加工対象は、前記加工閾値に対応する光強度が約５０ｋＷ／ｃｍ２あるいはそれ以上の材料であること、
    　を特徴とする請求項１～５のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
  7. 　前記レーザ発振手段は、ファイバレーザ、ファイバカップル半導体レーザ、ファイバ伝送を伴う固体レーザ、のいずれかを含むこと、
    　を特徴とする請求項１～６のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
  8. 　トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振ステップと、
    　加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置での前記トップハット形状のレーザ光のビーム径が、前記トップハット形状のレーザ光と略同一のビーム品質を有するガウスモードのレーザ光の前記位置でのビーム径の約３倍となるように前記トップハット形状のレーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光ステップと、
    　を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
  9. 　トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振ステップと、
    　加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置での前記レーザ光のビーム径の最小値の√２倍のビーム径となる焦点位置の範囲を表す焦点深度が、前記加工対象の厚さの約１／３となるように前記レーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光ステップと、
    　を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
  10. 　トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振ステップと、
    　前記レーザ光の回折光のうち、加工対象の加工閾値に対応する光強度以上の前記回折光を除去する除去ステップと、
    　前記回折光を除去した前記レーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光ステップと、
    　を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
  11. 　前記レーザ発振ステップにおけるレーザ出力を４～５ｋＷとし、６ｍｍから１６ｍｍの厚さの前記加工対象に対して、前記集光ステップによる集光ビーム径を約０．７ｍｍに設定すること、
    　を特徴とする請求項８～１０のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。
  12. 　前記加工対象へガスを噴射するノズルの径を１．２～１．５ｍｍとし、ガス圧を０．０５～０．１２ＭＰａとすること、
    　を特徴とする請求項１１に記載のレーザ加工方法。
  13. 　前記加工対象は、前記加工閾値に対応する光強度が約５０ｋＷ／ｃｍ２あるいはそれ以上の材料であること、
    　を特徴とする請求項１１または１２に記載のレーザ加工装置。
  14. 　前記レーザ発振ステップにおいて、ファイバレーザ、ファイバカップル半導体レーザ、ファイバ伝送を伴う固体レーザ、のいずれかを使用すること、
    　を特徴とする請求項８～１３のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。
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