WO2014132504A1 - 加工装置および加工方法 - Google Patents

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WO2014132504A1
WO2014132504A1 PCT/JP2013/081563 JP2013081563W WO2014132504A1 WO 2014132504 A1 WO2014132504 A1 WO 2014132504A1 JP 2013081563 W JP2013081563 W JP 2013081563W WO 2014132504 A1 WO2014132504 A1 WO 2014132504A1
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laser
prism
workpiece
processing
processing apparatus
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French (fr)
Inventor
呉屋　真之
雅人 木ノ内
団野　実
渡辺　俊哉
石出　孝
山下　貢丸
善仁 藤田
真 山▲崎▼
竜 鈴木
耕平 金岡
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三菱重工業株式会社
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0652—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising prisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
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    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting

Definitions

  • the present invention relates to a processing apparatus and a processing method for performing processing by irradiating a member to be processed with a laser.
  • Patent Document 1 discloses a laser processing method for performing hole processing by irradiating a workpiece with laser beams having at least two types of wavelengths, and a first laser beam having a spot diameter smaller than the diameter of the hole.
  • Patent Document 1 describes an apparatus for shifting the irradiation position of the first laser beam by combining galvanometer mirrors.
  • Patent Document 2 describes a structure in which a coil is provided on a structure that holds a lens, a permanent magnet is provided on a base, and the lens is rotated by driving the coil to rotate a condensing point. ing.
  • Patent Document 3 previously filed by the present applicant includes a CO 2 laser oscillator and an excimer laser oscillator, and uses a CO 2 laser beam and an excimer laser beam as two lasers, and irradiates the CO 2 laser beam.
  • the processing apparatus for subsequently removing the carbonized layer or the heat-affected layer generated on the cut surface by irradiating the excimer laser beam on and near the cut surface Are listed.
  • the processing apparatus described in Patent Document 3 uses an excimer laser beam as a laser beam having a ring-shaped cross section, and inserts a CO 2 laser beam into the hollow portion of the laser beam so that the optical axes of both laser beams are the same. Thereafter, it is described that both laser beams are transmitted through the same transmission path, guided to the vicinity of a cutting or drilling portion of the plastic member or FRP member, and the laser beams are separated again in the vicinity.
  • JP 2011-110598 A Japanese Patent No. 2828871 Japanese Patent No. 283215
  • the workpiece can be processed appropriately by turning the laser irradiation position. Moreover, like the processing apparatus described in Patent Document 3, the workpiece can be appropriately processed by using two lasers.
  • the processing apparatuses described in Patent Documents 1 to 3 have a problem that the apparatus configuration needs to be complicated in order to increase the processing accuracy.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a processing apparatus and a processing method capable of performing processing with higher accuracy with a simple configuration.
  • a processing apparatus of the present invention is a processing apparatus that performs processing by irradiating a workpiece with a laser, and the laser is applied to the workpiece.
  • the control device includes at least heat of the workpiece.
  • the first rotation mechanism and the second rotation mechanism are controlled based on the relationship between the allowable thickness of the sound layer and the number of rotations of the laser irradiated to the workpiece, and the first prism and the second It is characterized by adjusting the number of rotations of the prism and the difference in phase angle.
  • the first rotation mechanism includes a first spindle that holds the first prism and has a hollow optical path portion of the laser, and the first spindle is rotatably inserted.
  • a first hollow motor for rotating the spindle, wherein the second rotation mechanism holds the second prism and the optical path portion of the laser is hollow, and the second spindle rotates. It is preferable to have a second hollow motor that is freely inserted and rotationally drives the second spindle.
  • an error of a phase angle difference between the first hollow motor and the second hollow motor is within 0.1 °.
  • the processing includes at least one of cutting, drilling, welding, cladding, surface modification, surface finishing, and laser additive manufacturing.
  • control device controls the allowable thickness of the heat-affected layer by controlling the number of rotations of the first prism and the second prism.
  • the heat-affected layer preferably includes at least one of a remelted layer, an oxide layer, a crack, and dross.
  • the workpiece is made of Inconel (registered trademark), Hastelloy (registered trademark), stainless steel, ceramic, steel, carbon steel, heat resistant steel, ceramics, silicon, titanium, tungsten, resin, plastics, It is preferably made of any material of fiber reinforced plastic, composite material, and Ni-base heat-resistant alloy.
  • control device has a relationship between at least the allowable thickness of the heat-affected layer of the workpiece, the number of revolutions of the laser to be irradiated on the workpiece, and the revolution diameter of the laser. Based on this, it is preferable to control the first rotation mechanism and the second rotation mechanism to adjust the rotation speed and the phase angle difference between the first prism and the second prism.
  • the processing method of the present invention is a processing method for performing processing by irradiating a workpiece with a laser, the output step of outputting a laser, Based on the relationship between the allowable thickness of the heat-affected layer of the workpiece and the number of rotations of the laser applied to the workpiece, the difference between the rotation speed and the phase angle of the first prism and the second prism is calculated.
  • a determining step for determining, a rotating step for rotating the first rotating mechanism and the second rotating mechanism by the determined rotation speed and the difference in phase angle, and an irradiation step for irradiating the workpiece while rotating the laser beam It is characterized by having.
  • the processing preferably includes at least one of cutting, drilling, welding, cladding, surface modification, surface finishing, and laser additive manufacturing.
  • the heat-affected layer preferably includes at least one of a remelted layer, an oxide layer, a crack, and dross.
  • the determining step has a relationship between at least the allowable thickness of the heat-affected layer of the workpiece, the number of revolutions of the laser irradiated on the workpiece, and the radius of the laser. Based on this, it is preferable to determine the rotational speed and the phase angle difference between the first prism and the second prism.
  • the configuration is simple. There is an effect that can be done.
  • by controlling the difference in phase angle between the first prism and the second prism and making the turning diameter of the laser irradiated to the workpiece variable it is possible to perform processing with a turning diameter suitable for the processing conditions. It becomes like this. As a result, the required machining quality can be satisfied, and it is possible to perform machining with higher accuracy at high speed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a processing apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the irradiation head according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged schematic diagram showing an enlarged view from the laser turning portion to the nozzle of the irradiation head according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the irradiation position of the laser irradiated on the workpiece.
  • FIG. 5 is an explanatory view of a cross section of a workpiece to be drilled.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a control operation of the machining apparatus.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a processing apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the irradiation head according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged schematic diagram showing an enlarged view from the laser
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of a laser irradiation operation performed by the processing apparatus.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating an example of a locus of a laser irradiated by the processing apparatus.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an example of a locus of a laser irradiated by the processing apparatus.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of a locus of a laser irradiated by the processing apparatus.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an example of a laser trajectory when drilling in multiple times.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram of the cutting operation by the processing apparatus.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of a heat-affected layer of a workpiece to be cut.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram of a welding operation performed by the processing apparatus.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram of a heat-affected layer of a workpiece processed by welding.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram of the operation of the cladding process by the processing apparatus.
  • FIG. 17 is an explanatory diagram of the heat-affected layer of the workpiece processed by the cladding process.
  • FIG. 18 is an explanatory diagram of the operation of surface modification processing by the processing apparatus.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram of a heat-affected layer of a workpiece subjected to surface modification processing.
  • FIG. 20 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an irradiation head according to the second embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a processing apparatus according to the first embodiment.
  • the processing apparatus 10 includes a laser oscillator 12, a guide optical system 14, an irradiation head 16, a processing stage 20, an X-axis moving mechanism 22, a C-axis rotating mechanism 24, and a Y-axis moving.
  • a mechanism 26, a Z-axis moving mechanism 28, and a control device 30 are included.
  • the processing apparatus 10 includes a portal bridge 32 that surrounds the processing stage 20.
  • the processing apparatus 10 processes the workpiece W by irradiating the workpiece W held on the processing stage 20 with a laser.
  • the horizontal plane of the processing stage 20 is the XY plane
  • the direction orthogonal to the horizontal plane of the processing stage 20 is the Z-axis direction.
  • the rotation direction around the Z axis is the C axis direction.
  • the workpiece W is, for example, a plate-like member.
  • various materials such as Inconel (registered trademark), Hastelloy (registered trademark), stainless steel, ceramic, steel, carbon steel, heat resistant steel, ceramics, silicon, titanium, tungsten, resin, plastics, A member made of a Ni-base heat-resistant alloy or the like can be used.
  • carbon fiber reinforced plastic CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics
  • GFRP Glass Fiber Reinforced Plastics
  • GTT Glass-mat Reinforced Thermoplastics
  • the processing is any one of cutting, drilling, welding, cladding, surface modification, surface finishing, and laser additive manufacturing, and these processes can be combined. .
  • the laser oscillator 12 is a device that outputs a laser, and is attached to the portal bridge 32 of the processing device 10.
  • a fiber laser output device that outputs a laser using an optical fiber as a medium, or a short pulse laser output device that outputs a short pulse laser is used.
  • a fiber laser output device for example, a Fabry-Perot type fiber laser output device or a ring type fiber laser output device can be used, and the laser is oscillated when these output devices are excited.
  • silica glass to which a rare earth element such as erbium (Er), neodymium (Nd), ytterbium (Yb) is added can be used.
  • a titanium sapphire laser can be used as a laser oscillation source, and a pulse having a pulse width of 100 picoseconds or less can be oscillated.
  • a laser that oscillates in nanosecond order pulses such as a YAG laser or a YVO4 laser, can also be used.
  • the guide optical system 14 is an optical system that guides the laser output from the laser oscillator 12 to the irradiation head 16.
  • the guide optical system 14 is an optical fiber, for example.
  • the guide optical system 14 has one end connected to the laser emission port of the laser oscillator 12 and the other end connected to the laser incident end of the irradiation head 16.
  • the guide optical system 14 guides the laser from the laser emission port of the laser oscillator 12 to the incident end of the irradiation head 16.
  • the irradiation head 16 irradiates the workpiece W while turning the laser guided by the guide optical system 14. Further, the irradiation head 16 offsets the laser light path before refraction and the laser light path irradiated to the workpiece W by refracting the laser with a prism. Further, the irradiation head 16 focuses the laser and irradiates the workpiece W. The irradiation head 16 is covered with an irradiation head cover 16a. The structure of the irradiation head 16 will be described later.
  • the processing stage 20 is a mechanism that holds the workpiece W placed on the surface.
  • the surface holding the workpiece W is a horizontal plane (XY plane) with respect to a reference plane (for example, an installation surface of the processing apparatus 10).
  • the X-axis moving mechanism 22 is an X-axis stage that supports the processing stage 20, and moves the workpiece W to a predetermined position in the X-axis direction by moving the processing stage 20 in the X-axis direction.
  • the C-axis rotation mechanism 24 is disposed between the X-axis movement mechanism 22 and the processing stage 20. That is, the C-axis rotating mechanism 24 is supported by the X-axis moving mechanism 22 and supports the processing stage 20. The C-axis rotating mechanism 24 rotates the workpiece W to a predetermined position in the C-axis direction by rotationally driving the processing stage 20 in the C-axis direction.
  • the Y-axis moving mechanism 26 moves the irradiation head 16 in the Y-axis direction while supporting the Z-axis moving mechanism 28. Thereby, the Y-axis moving mechanism 26 moves the irradiation head 16 to a predetermined position in the Y-axis direction.
  • the Z-axis moving mechanism 28 moves the irradiation head 16 to a predetermined position in the Z-axis direction while supporting the irradiation head 16.
  • the processing apparatus 10 uses an X-axis movement mechanism 22, a C-axis rotation mechanism 24, a Y-axis movement mechanism 26, and a Z-axis movement mechanism 28, and uses an X-axis direction, a Y-axis direction, a Z-axis direction, By relatively moving the processing stage 20 and the irradiation head 16 in the four axial directions, the relative positional relationship between the workpiece W and the laser is moved in the four axial directions.
  • the control device 30 is connected to the laser oscillator 12, the irradiation head 16, the X-axis moving mechanism 22, the C-axis rotating mechanism 24, the Y-axis moving mechanism 26, and the Z-axis moving mechanism 28, and controls the operation of each part. For example, the control device 30 adjusts various conditions of the laser output from the laser oscillator 12 or uses an X-axis moving mechanism 22, a C-axis rotating mechanism 24, a Y-axis moving mechanism 26, and a Z-axis moving mechanism 28 to irradiate the irradiation head.
  • the 16 and the processing stage 20 are moved to adjust the position of the irradiation head 16 with respect to the workpiece W, and the allowable thickness of the heat-affected layer is detected from the conditions (material, thickness, etc.) of the workpiece W and the processing conditions. Or the number of turns and the turning radius R, which will be described later, of the laser irradiated to the workpiece W from the irradiation head 16 are controlled.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the irradiation head according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged schematic diagram showing an enlarged view from the laser turning portion to the nozzle of the irradiation head according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the irradiation position of the laser irradiated on the workpiece.
  • the irradiation head 16 includes a collimating optical system 34, a laser turning unit 35, a reflecting optical system 36, a condensing optical system 37, a nozzle 38, an indexing mechanism 39, and an imaging unit 40. And a gap detection means 41.
  • the irradiation head 16 includes a collimating optical system 34, a laser turning unit 35, a reflecting optical system 36, a condensing optical system 37, and a nozzle from the upstream side toward the downstream side in the optical path of the laser L output from the guide optical system 14. They are arranged in the order of 38.
  • the irradiation head 16 irradiates the laser beam L output from the guide optical system 14 toward the workpiece W facing the nozzle 38.
  • the collimating optical system 34 is disposed so as to face the end face from which the laser L of the guide optical system 14 is emitted. That is, the collimating optical system 34 is disposed between the guide optical system 14 and the laser turning unit 35.
  • the collimating optical system 34 includes a collimator lens or the like, and uses the laser L output from the guide optical system 14 as collimated light and emits the laser L toward the laser turning unit 35.
  • the laser turning unit 35 rotates the laser L around the center P of the optical path, and turns the irradiation laser on the workpiece W, that is, the irradiation position IP of the laser L.
  • the laser swivel unit 35 includes a first prism 51, a second prism 52, a first rotation mechanism 53, and a second rotation mechanism 54.
  • the first prism 51 refracts the laser L and tilts it with respect to the optical axis OA.
  • the second prism 52 controls the position where the laser L refracted by the first prism 51 is refracted again and condensed. As a result, the laser L that has passed through the laser swivel unit 35 is output in an optical path that is deviated from the optical path of the laser L before passing through.
  • the first rotation mechanism 53 includes a first spindle 55 that holds the first prism 51, and a first hollow motor 56 that is inserted into the first spindle 55 and rotates the first spindle 55.
  • the second rotation mechanism 54 includes a second spindle 57 that holds the second prism 52, and a second hollow motor 58 that is inserted into the second spindle 57 and rotates the second spindle 57.
  • the first spindle 55 and the second spindle 57 are cylindrical members having a hollow optical path of the laser L, and are supported via a bearing 59 and a bearing 60.
  • the bearing 59 and the bearing 60 are rolling bearings such as rolling ball bearings, for example.
  • the first rotation mechanism 53 and the second rotation mechanism 54 are capable of synchronous rotation and relative rotation.
  • the first hollow motor 56 has a hollow rotor 61 fixed to the outer peripheral surface of the first spindle 55, and a stator 62 disposed to face the hollow rotor 61.
  • the first hollow motor 56 rotates the first prism 51 together with the first spindle 55.
  • the second hollow motor 58 includes a hollow rotor 63 fixed to the outer peripheral surface of the second spindle 57 and a stator 64 disposed so as to face the hollow rotor 63.
  • the second hollow motor 58 rotates the second prism 52 together with the second spindle 57.
  • the first rotating mechanism 53 and the second rotating mechanism 54 are respectively composed of a rotating part (first spindle 55 and hollow rotor 61, second spindle 57 and hollow rotor 63) and a fixing part (stator 62, stator 64).
  • An encoder 65 for detecting the relative position and the rotational speed is provided.
  • the encoder 65 includes an identifier 66 that is fixed to the rotating unit side, and a detection unit 67 that is fixed to the fixed unit side and detects the identifier 66.
  • the encoder 65 can detect the relative position of the rotating unit by detecting the identifier 66 by the detecting unit 67.
  • the encoder 65 outputs the detected information on the rotational speed and rotational position (phase angle) of the rotating unit to the control device 30.
  • the encoder 65 for example, it is preferable to use a detection device that detects the rotational position (phase angle) with a resolution of several thousandths (0.001 degrees or less).
  • the first rotation mechanism 53 and the second rotation mechanism 54 can change the phase angle difference between the first prism 51 and the second prism 52.
  • the laser irradiation point is irradiated from the center P of the optical path of the rotation axis by a distance corresponding to the phase angle difference between the first prism 51 and the second prism 52 (turning radius R). Eccentricity can be achieved up to the position IP.
  • the laser irradiation point is the turning radius R. Draw a circular orbit.
  • the laser irradiation point can be rotated while increasing or decreasing the turning diameter of the laser irradiation point. It is also possible to draw a trajectory.
  • the difference in phase angle between the first hollow motor 56 and the second hollow motor 58 is the relative rotational position (phase angle) between the first hollow motor 56 and the second hollow motor 58. This is the angle of deviation.
  • the error in the phase angle difference between the first hollow motor 56 and the second hollow motor 58 refers to an error in the phase shift angle between the first hollow motor 56 and the second hollow motor 58.
  • the turning radius R means a distance from the center P of the optical path to the irradiation position IP of the laser L irradiated to the workpiece W. This is the radius at which the irradiated laser L turns around the center P.
  • the turning radius R is variable because the turning radius R of the laser L irradiated to the workpiece W is changed by changing the phase angle difference between the first prism 51 and the second prism 52.
  • the number of turns refers to the number of times per unit time that the irradiation position IP of the laser L irradiated to the workpiece W turns around the center P.
  • the reflection optical system 36 includes a first reflection mirror 71 that reflects the laser L that has passed through the laser turning section 35, and a first reflection mirror 71 that reflects the laser L reflected by the first reflection mirror 71 again. It has a two-reflection mirror 72, a cylinder part 73, and a nozzle mounting part 74.
  • the reflection optical system 36 reflects the laser L output from the laser turning unit 35 toward the condensing optical system 37 by the first reflection mirror 71 and the second reflection mirror 72.
  • the second reflection mirror 72 is a half mirror, and allows the imaging unit 40 to image the processed part of the workpiece W.
  • the cylinder part 73 and the nozzle mounting part 74 are connected by a joint part 75.
  • the condensing optical system 37 has a plurality of lenses, and the laser L reflected by the second reflecting mirror 72 is collected by the plurality of lenses, and the laser L having a predetermined focal length and focal depth is collected. Form.
  • the condensing optical system 37 irradiates the workpiece W with a laser L having a predetermined spot diameter.
  • the nozzle 38 has a hollow conical shape whose diameter gradually decreases toward the front side in the traveling direction of the laser L.
  • the nozzle 38 is mounted on the nozzle mounting portion 74 via the condensing optical system 37.
  • the nozzle 38 has a translucent member 77 for preventing the condensing optical system 37 from being contaminated by sputtering or the like generated at the processing point of the workpiece W.
  • the nozzle 38 is supplied with an assist gas from an assist gas supply source 78 and can inject the assist gas toward the workpiece W.
  • the indexing mechanism 39 has an indexing shaft 81, a hollow motor 82, and an indexing angle detecting means 83.
  • the index shaft 81 is connected to the nozzle mounting portion 74 and rotates integrally with the nozzle mounting portion 74.
  • the index shaft 81 is supported by a bearing 84 so as to be rotatable around the Y axis.
  • the bearing 84 is, for example, a static pressure bearing (fluid bearing).
  • the hollow motor 82 includes a hollow rotor 85 fixed to the outer peripheral surface of the indexing shaft 81 and a stator 86 disposed to face the hollow rotor 85.
  • the hollow motor 82 drives the nozzle 38 mounted on the nozzle mounting portion 74 around the indexing shaft 81 (in the direction of the arrow d) so as to swing around the indexing shaft 81 as a rotation center. That is, the hollow motor 82 drives the nozzle 38 so as to be able to swing around the Y axis.
  • the indexing mechanism 39 rotates the nozzle mounting portion 74 of the reflective optical system 36 around the indexing shaft 81 as the center of rotation, and the second reflection disposed coaxially with the indexing shaft 81 with this rotation. Since the mirror 72 can be rotated, the laser L reflected by the second reflecting mirror 72 can be emitted from the nozzle 38 even if the indexing angle is changed.
  • the index angle detection means 83 includes an encoder that detects a relative position (index angle) between the rotating portion (index shaft 81 and hollow rotor 85) and the fixed portion (stator 86). The encoder outputs information of the detected index angle of the rotating unit to the control device 30.
  • the imaging means 40 is, for example, a camera having a CCD (Charge Coupled Device) image sensor or the like.
  • the imaging unit 40 images the irradiation position IP of the laser L, the turning radius R, and the like, generates image data from the captured image, and outputs the image data to the control device 30.
  • the imaging means 40 is mounted on the nozzle mounting portion 74 at a position facing the nozzle 38 with the nozzle mounting portion 74 interposed therebetween.
  • the imaging means 40 is arranged coaxially with the center P of the optical path.
  • the gap detection means 41 is a gap measuring device using laser light.
  • the gap detector 41 detects a gap between the focal point of the laser L irradiated to the workpiece W and the workpiece W.
  • the gap detection unit 41 outputs the detected gap to the control device 30.
  • the gap detection means 41 is connected to the imaging means 40 and is arranged coaxially with the center P of the optical path.
  • FIG. 5 is an explanatory view of a cross section of a workpiece to be drilled.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a control operation of the machining apparatus.
  • the processing apparatus 10 determines a processing mode as shown in FIG. 6 (step ST1).
  • the processing device 10 performs any of cutting, drilling, welding, cladding, surface modification, surface finishing, and laser additive manufacturing, which are input by an operator or other operator.
  • An operation indicating whether to execute is confirmed, and a processing mode is determined based on the confirmed operation.
  • the processing apparatus 10 determines the material and thickness of the workpiece W (step ST2). For example, the processing device 10 (the control device 30) confirms an operation of inputting the material and thickness of the workpiece W input by the worker, and based on the confirmed operation, the material and thickness of the workpiece W To decide.
  • the processing device 10 determines the processing conditions (step ST3). For example, the processing device 10 (the control device 30) inputs the processing conditions such as the position, shape, and depth of processing performed on the workpiece W in the processing mode determined in step ST1 input by the worker. Then, based on the confirmed operation, processing conditions such as the position, shape, and depth of the processing performed on the workpiece W are determined.
  • the processing apparatus 10 determines the allowable thickness of the heat affected layer Wa (see FIG. 5) (step ST4).
  • the processing device 10 acquires the processing mode determined in step ST1, the material and thickness of the workpiece W determined in step ST2, and the processing conditions determined in step ST3, respectively.
  • the allowable thickness of the heat-affected layer Wa is determined with reference to a control map (processing condition control map) that defines the correlation between the material and thickness of the workpiece W, the processing conditions, and the allowable thickness of the heat-affected layer Wa.
  • the processing device 10 determines the allowable number of turns and the allowable turning diameter of the laser L (step ST5). For example, the processing apparatus 10 (the control apparatus 30), based on the allowable thickness of the heat affected layer Wa determined in step ST4, the thickness TH (see FIG. 5) of the heat affected layer Wa, the number of turns of the laser L, and the turn diameter R. Is determined with reference to a control map (swivel condition control map) that defines the correlation between the allowable number of revolutions of the laser L and the allowable diameter range of the laser L so that the thickness TH of the heat-affected layer Wa does not exceed the allowable thickness.
  • the turning radius R is not essential, so only the number of turns may be determined.
  • the processing device 10 determines the difference between the rotation speed and the phase angle of the first prism 51 and the second prism 52 (step ST6). For example, the processing device 10 (the control device 30) determines the number of turns included in the allowable number of turns of the laser L determined in step ST5 as the number of rotations of the first prism 51 and the second prism 52, and turns the laser L. Referring to a control map (phase angle control map) that defines the correlation between the diameter R and the difference in phase angle between the first prism 51 and the second prism 52, it is included in the allowable turning radius range of the laser L determined in step ST5. The phase angle difference to be determined is determined as the phase angle difference between the first prism 51 and the second prism 52.
  • a control map phase angle control map
  • the processing apparatus 10 determines the laser output (step ST7).
  • the processing device 10 acquires the allowable thickness of the heat affected layer Wa determined in step ST4, and determines a correlation between the thickness TH of the heat affected layer Wa and the output of the laser L ( With reference to the laser output control map), the peak output and pulse width of the laser L are selected, and the laser output is determined.
  • the processing device 10 performs processing on the workpiece W (step ST8).
  • the processing device 10 (the control device 30) oscillates the laser oscillator 12 based on the laser output determined in step ST7 and emits the laser L, and at the same time, determines the difference between the rotational speed and the phase angle determined in step ST6.
  • the rotation of the first hollow motor 56 and the second hollow motor 58 is adjusted, the workpiece L is irradiated with the laser L, and the machining is executed.
  • the processing apparatus 10 (control apparatus 30) performs the processing on the workpiece W by the above-described steps ST1 to ST8.
  • step ST8 when the machining mode determined in step ST1 is drilling, in step ST8, the laser L emitted from the laser oscillator 12 enters the incident end of the irradiation head 16 via the guide optical system 14, and FIG. 4 and FIG. 5, the first prism 51 and the second prism 52 that rotate in the direction of the arrow a are refracted by the difference between the rotational speed and the phase angle determined in step ST6, and the laser L before refraction is reflected. Irradiation is performed at a position eccentric from the center P of the optical path coaxial with the optical axis OA.
  • the laser irradiation point turns around the optical path center P of the rotation axis that is coaxial with the optical axis OA of the laser L before refraction. Then, the irradiation position IP of the laser L moves on the virtual circle IC having the center P as the center of rotation, and a hole Wb is made in the workpiece W.
  • the hole diameter is almost determined by the set value.
  • the turning radius R in addition to the number of turnings to control the amount of scattered matter on the heat-affected layer Wa and the front and back surfaces.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of a laser irradiation operation performed by the processing apparatus.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating an example of a locus of a laser irradiated by the processing apparatus.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an example of a locus of a laser irradiated by the processing apparatus.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of a locus of a laser irradiated by the processing apparatus.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an example of a laser trajectory when drilling in multiple times.
  • the processing apparatus 10 sets the ON / OFF cycle of the laser L to the non-rotation cycle of the irradiation position IP.
  • An integer multiple is preferable. That is, the processing apparatus 10 irradiates the irradiation position IPa with the laser L in the first round and the laser L in the second round by shifting the ON / OFF period of the laser L and the turning period of the irradiation position IP.
  • the position IPb can be irradiated. That is, the processing apparatus 10 can sequentially shift the irradiation position by repeating ON / OFF of the laser L in the third and subsequent rounds. Thereby, the processing apparatus 10 can irradiate the laser L efficiently to the region to be processed of the workpiece W by shifting the irradiation position of the laser L in each round.
  • the processing apparatus 10 can process with high precision also to the to-be-processed member W which has the thickness which becomes difficult for the laser L to enter by irradiating the laser L in a spiral shape.
  • the processing apparatus 10 can also irradiate the workpiece W with the laser L along an elliptical or heart-shaped trajectory TR. That is, the processing apparatus 10 continuously changes the phase angle difference between the first prism 51 and the second prism 52 while rotating the first prism 51 and the second prism 52, thereby changing the turning radius R of the laser L.
  • the workpiece W can be irradiated with the laser L along various trajectories TR.
  • the processing apparatus 10 can irradiate the workpiece W with the laser L along the trajectory TR having various shapes by controlling the rotation and the phase angle difference between the first prism 51 and the second prism 52. .
  • the processing apparatus 10 irradiates the workpiece W with the laser L with a circular trajectory TRa smaller than the hole diameter of the target hole to be drilled in the first round, and the target to drill in the second round.
  • the workpiece W is irradiated with the laser L along a circular trajectory TRb having the same size as the hole diameter.
  • the turning radius Ra of the laser L in the first round is set to be smaller than the target hole, and the turning radius Rb of the laser L in the second round is calculated from a theoretical optical value for turning the target hole.
  • the turning diameter is corrected so that the thickness TH of the heat-affected layer Wa is within the allowable thickness range in the target hole later.
  • the heat spread is increased in the first round when the laser beam L is first irradiated to the workpiece W, but the processing apparatus 10 suppresses the heat spread by making a hole smaller than the target hole in the first round.
  • the target hole can be drilled. That is, since the processing apparatus 10 can perform rough processing in the first round and finish processing in the second round, processing can be performed with high accuracy.
  • the machining apparatus 10 performs drilling by irradiating the workpiece W with the laser L with a turning radius R that is the same as the hole diameter of the target hole.
  • the machining time can be shortened compared to the case where the mechanism 22, the Y-axis moving mechanism 26, and the C-axis rotating mechanism 24 are driven to perform drilling.
  • the processing apparatus 10 sets the error of the phase angle difference between the first hollow motor 56 and the second hollow motor 58 to be within 0.1 °. That is, it is preferable that the processing apparatus 10 sets the error of the phase angle difference between the first prism 51 and the second prism 52 to be within 0.1 °.
  • the control device 30 includes the first prism 51 determined in step ST6 described above based on the rotation speed and rotation position (phase angle) of the first spindle 55 and the second spindle 57 output from the encoder 65. The error of the phase angle difference from the second prism 52 is set to within 0.1 °.
  • the processing apparatus 10 is based on the optical characteristic of the 1st prism 51 and the 2nd prism 52, the shift
  • the laser L can be irradiated for processing.
  • the processing apparatus 10 preferably rotates the first prism 51 and the second prism 52 at 20 rpm or more when the output frequency of the laser L is less than 1 kHz, and the first prism 51 when the output frequency of the laser L is 1 kHz or more. It is preferable to rotate the second prism 52 at 200 rpm or more. That is, the processing apparatus 10 preferably sets the number of revolutions of the laser L irradiated to the workpiece W to 20 rpm or more when the output frequency of the laser L is less than 1 kHz, and 200 rpm or more when the output frequency of the laser L is 1 kHz or more. It is preferable to do.
  • the processing apparatus 10 can perform the processing at a higher speed by adjusting the rotational speeds of the first prism 51 and the second prism 52 in accordance with the output frequency of the laser L, and further improve the processing accuracy. It can. That is, when the output frequency of the laser L is relatively high, the processing apparatus 10 relatively rotates the laser L at a high speed because the energy of the laser L applied to the workpiece W is relatively high. When the output frequency of the laser L is relatively low, the energy of the laser L applied to the workpiece W is relatively low, so that the laser L is rotated relatively slowly.
  • the processing apparatus 10 can easily control the thickness TH of the heat-affected layer Wa, and the processing accuracy can be increased. Further, by rotating the laser L irradiated to the workpiece W at a relatively high speed, even if the laser L is output at a relatively high power, the thermal influence (the influence of thermal damage) is suppressed, and the heat affected layer Wa The processing speed can be increased while suppressing the thickness TH and maintaining the processing quality.
  • the processing apparatus 10 uses a metal material such as a steel plate as the workpiece W, so that cutting, drilling, welding, cladding, surface modification, surface finishing, or laser lamination modeling is preferably performed. And the cut surface can be made into a more suitable shape. Thereby, the processing apparatus 10 can make processing precision high. Further, since the processing apparatus 10 can suppress the output of the laser L from being concentrated on a part by irradiating the laser L while turning, the high-power laser L can be used. Therefore, it can be suitably used for welding and cladding, and can also be suitably used for materials having high heat resistance.
  • the processing apparatus 10 rotates the first rotation mechanism 53 with the first hollow motor 56 and rotates the second rotation mechanism 54 with the second hollow motor 58, the first hollow motor 56 and the second hollow motor 56 are driven. Since the radial direction of the motor 58 can be reduced, the irradiation head 16 can be reduced in size. That is, the enlargement of the processing apparatus 10 can be suppressed.
  • control device 30 determines the number of rotations of the first rotation mechanism 53 and the second rotation mechanism 54, thereby processing the workpiece W while setting the thickness TH of the heat-affected layer Wa to an allowable thickness or less. can do.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram of the cutting operation by the processing apparatus.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of a heat-affected layer of a workpiece to be cut.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram of a welding operation performed by the processing apparatus.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram of a heat-affected layer of a workpiece processed by welding.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram of the operation of the cladding process by the processing apparatus.
  • FIG. 17 is an explanatory diagram of the heat-affected layer of the workpiece processed by the cladding process.
  • FIG. 18 is an explanatory diagram of the operation of surface modification processing by the processing apparatus.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram of a heat-affected layer of a workpiece subjected to surface modification processing.
  • the processing apparatus 10 scans the irradiation head 16 in the direction of arrow b, which is an arbitrary direction in the XY plane (horizontal plane), as shown in FIGS. 12 and 13. It is possible to irradiate in the direction of the arrow b while turning the laser L like TR, and to suppress the thickness TH of the heat affected layer Wa to an allowable thickness or less. Thereby, the processing apparatus 10 can irradiate the workpiece W with the irradiation width D with the laser L and cut the workpiece W with the irradiation width D.
  • the processing apparatus 10 controls the number of revolutions of the laser L applied to the workpiece W by controlling the number of rotations of the first prism 51 and the second prism 52, and the thickness TH of the heat affected layer Wa is controlled.
  • the allowable thickness can be controlled.
  • the processing apparatus 10 irradiates the laser L while scanning the irradiation head 16 in the arrow b direction (any direction in the XY plane) as shown in FIGS. 14 and 15.
  • the processing apparatus 10 can weld one to-be-processed member W1 which is groove shape, such as I shape, and the other to-be-processed member W2 by the welding part Wc, for example.
  • the processing apparatus 10 controls the rotational speed of the first prism 51 and the second prism 52, thereby turning the laser L irradiated to the groove between the one processed member W1 and the other processed member W2.
  • the allowable thickness of the thickness TH of the heat-affected layer Wa can be controlled by controlling the number.
  • the processing apparatus 10 scans the irradiation head 16 in the arrow b direction (any direction in the XY plane) as shown in FIGS. 16 and 17.
  • the processing apparatus 10 can form the build-up portion Wd on the workpiece W.
  • the processing apparatus 10 controls the number of revolutions of the laser L applied to the workpiece W by controlling the number of rotations of the first prism 51 and the second prism 52, and the thickness TH of the heat affected layer Wa is controlled. The allowable thickness can be controlled.
  • the processing apparatus 10 scans the irradiation head 16 in the arrow b direction (any direction in the XY plane) as shown in FIGS. 18 and 19, Irradiate in the direction of arrow b while turning the laser L as shown by the trajectory TR. Thereby, the processing apparatus 10 irradiates the workpiece W with the irradiation width Da, for example, to smooth the surface of the workpiece W or to refine the material particles on the surface of the workpiece W. In other words, the surface modified portion We can be formed by modifying the surface of the workpiece W.
  • the processing apparatus 10 controls the number of revolutions of the laser L applied to the workpiece W by controlling the number of rotations of the first prism 51 and the second prism 52, and the thickness TH of the heat affected layer Wa is controlled.
  • the allowable thickness can be controlled.
  • the heat-affected layer Wa of the workpiece W includes at least one of a remelted layer, an oxide layer, a crack, and dross formed by the laser L irradiated to the workpiece W.
  • the remelted layer is a layer in which the solid of the workpiece W is liquefied by the irradiation of the laser L during processing and is solidified again.
  • the remelted layer differs depending on the processing mode, in the case of drilling or cutting, the remelted layer is not a layer formed at the tip of the laser L irradiation direction (traveling direction), but is orthogonal to the laser L irradiation direction (traveling direction).
  • the remelted layer has a direction orthogonal to the irradiation direction (traveling direction) of the laser L when the processing mode is welding, cladding, surface modification, surface finishing, or laser additive manufacturing. Formed on the periphery of the welded portion Wc formed by irradiating the laser L, the periphery of the welded portion Wd, the periphery of the welded portion Wd, the region below and the surface modified portion We It is what is done.
  • the oxidized layer is an oxide film formed on the inner peripheral surface or cut surface of the hole Wb of the workpiece W when oxygen is used as the assist gas when the workpiece W is a metal or the like.
  • the crack is a fine crack (micro crack) generated on the inner peripheral surface or the cut surface of the hole Wb of the workpiece W during the rapid heating of the workpiece W by the laser L irradiation.
  • the dross is a deposit that is solidified by adhering to the inner peripheral surface or the cut surface of the hole Wb of the workpiece W as a molten material that has been liquefied when drilling or cutting the workpiece W. is there.
  • the thickness of the heat-affected layer Wa of the workpiece W includes the thickness of the remelted layer, the thickness of the oxide film, the depth of cracks, and the thickness of deposits.
  • the permissible thickness is determined when the workpiece W is subjected to processing including at least one of cutting processing, drilling processing, welding processing, cladding processing, surface modification processing, surface finishing processing, and laser additive manufacturing.
  • the thickness TH of the heat-affected layer Wa of the inner peripheral surface, the cut portion and the welded portion Wc, the thickness TH of the heat-affected layer Wa of the build-up portion Wd and the surface modified portion We, etc., as a processed product The thickness is within a range that is acceptable for the workpiece W.
  • the allowable thickness varies depending on the processing mode, but in the case of drilling or cutting, the allowable thickness is a length in a direction orthogonal to the irradiation direction (traveling direction) of the laser L.
  • the allowable thickness is the length in the irradiation direction (traveling direction) of the laser L and the irradiation of the laser L when the processing mode is welding, cladding, surface modification, surface finishing, or laser additive manufacturing. It is the length in the direction orthogonal to the direction.
  • FIG. 20 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an irradiation head according to the second embodiment. Since the basic configuration of the irradiation head 16 according to the second embodiment is the same as that of the irradiation head 16 of the processing apparatus 10 according to the first embodiment, description of the configuration of the same portion is omitted.
  • the optical paths of the lasers L of the collimating optical system 34, the laser swivel unit 35, and the condensing optical system 37 are integrally connected in a straight line (coaxial).
  • the irradiation head 16 includes a collimating optical system 34, a laser turning unit 35, a condensing optical system 37, and a nozzle 38.
  • the irradiation head 16 is arranged in the order of the collimating optical system 34, the laser turning portion 35, the condensing optical system 37, and the nozzle 38 from the upstream side to the downstream side in the optical path of the laser L output from the guide optical system 14. Is done.
  • the irradiation head 16 irradiates the workpiece L disposed at a position facing the nozzle 38 with the laser L output from the guide optical system 14.
  • the laser turning unit 35 is rotationally driven by the first rotating mechanism 53 and is driven by the hollow cylindrical first spindle 55 that supports the first prism 51 and the second rotating mechanism 54 to support the second prism 52. And a hollow cylindrical second spindle 57.
  • the irradiation head 16 rotates the laser L around the center P of the optical path to rotate the irradiation position IP of the laser L irradiated to the workpiece W.
  • the irradiation head 16 irradiates the workpiece W by controlling the number of rotations of the first rotation mechanism 53 and the second rotation mechanism 54 and the phase angle difference between the first prism 51 and the second prism 52.
  • the turning diameter R, the number of turns, the trajectory TR, etc. of the laser L can be changed in accordance with the machining mode.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating a processing example of a member to be processed by the processing apparatus.
  • 22 is a view of the workpiece shown in FIG. 21 as viewed from the opposite side.
  • the laser L irradiating the workpiece W has a laser peak power of 100 W to 20 kW, a frequency of 5 Hz to 10 kHz, a pulse width of 1 ⁇ s to 100 ms, an irradiation time of 10 ms to 10 S, a focal length of 40 to 400 mm, and a rotation number of 20 ⁇ 5000 rpm.
  • the assist gas is oxygen having a pressure of 0.1 to 1 MPa, but may be air or nitrogen, or may be a rare gas such as argon gas (Ar) or xenon gas (Xe).
  • Ar argon gas
  • Xe xenon gas
  • FIGS. 21 and 22 show the results of processing by the processing apparatus 10 under the above conditions.
  • FIG. 21 shows the front surface (laser incident side) of the workpiece W
  • FIG. 22 shows the back surface of the workpiece W.
  • a hole Wb was formed in the workpiece W. It was found that the processing apparatus 10 was processed with high accuracy by performing processing under the above conditions, even when the laser irradiation time was 0.2 S, with less distortion and unevenness around the hole Wb.
  • the turning diameter R of the laser L irradiated to the workpiece W can be simply changed by changing the phase angle difference between the first prism 51 and the second prism 52. Therefore, there is an effect that the processing apparatus 10, that is, the laser processing apparatus can be made simple and compact. Further, by controlling the difference in phase angle between the first prism 51 and the second prism 52 and changing the turning radius R of the laser L irradiated to the workpiece W, the turning radius suitable for the processing mode and processing conditions is changed. Processing can be performed with R. As a result, the required processing quality can be satisfied, and it is possible to perform processing with higher accuracy at high speed.
  • the first prism 51 and the second prism 52 are controlled separately, so that the turning radius R of the laser L irradiated to the workpiece W can be set to an arbitrary turning radius R. Can be set to That is, the processing apparatus 10 can irradiate the workpiece W with the laser L suitable for the type of processing (processing mode).
  • the control device 30 controls the rotation speeds of the first prism 51 and the second prism 52 so that the thickness TH of the heat affected layer Wa is controlled to be an allowable thickness. Therefore, the heat-affected layer Wa of the workpiece W can be controlled. Therefore, the processing apparatus 10 can perform processing on the workpiece W with high accuracy.
  • the processing device 10 uses a fiber laser output device or a short pulse laser output device.
  • the processing device 10 is not limited to this, and the laser L capable of processing the workpiece W is processed. Any laser output device may be used.
  • the processing apparatus 10 can utilize various laser output apparatuses, and can use a laser output apparatus suitable for the processing application.
  • the fiber laser output device may be a laser output device that uses either a continuous wave operation method or a pulsed operation method.
  • the fiber laser output device can easily be used for cutting and welding because it is easy to obtain a high output in the case of continuous wave oscillation. In the case of pulse oscillation, it is easy to suppress the thermal influence. It can be suitably used for processing and the like.
  • the light intensity distribution of the cross section of the laser L irradiated to the workpiece W may be Gaussian mode (single mode) or multimode.
  • the fiber laser output device can be suitably used for welding processing, cutting processing, and extremely fine drilling because it is easy to narrow down the spot diameter at the irradiation position IP and easily obtain a high output in the case of the Gaussian mode.
  • the multi-mode it is easy to suppress the thermal influence on the base material, so that it can be suitably used for surface modification processing, surface finishing processing, brazing processing, and the like.
  • the processing apparatus 10 processes the plate-shaped to-be-processed member W
  • the shape of the to-be-processed member W is not specifically limited, It can be set as various shapes.
  • the processing apparatus 10 may perform processing on the workpiece W by combining cutting processing, drilling processing, welding processing, cladding processing, surface modification processing, surface finishing processing, and laser additive manufacturing.
  • the processing apparatus 10 can irradiate with a trajectory TR having a bending point or irradiate with a trajectory TR having a curved shape by controlling the irradiation position IP of the laser L.
  • the processing apparatus 10 can perform various types of processing for irradiating the workpiece W while turning the laser L.
  • the processing apparatus 10 can increase the processing accuracy, it is preferable to use a metal material such as a steel plate as the workpiece W.
  • the processing device 10 is not limited to this, and Inconel (registered trademark) is used as the workpiece W. ), Hastelloy (registered trademark), stainless steel, ceramic, steel, carbon steel, ceramics, silicon, titanium, tungsten, resin, plastics, fiber reinforced plastic, composite material, Ni-base heat-resistant alloy It only has to be done.
  • the processing apparatus 10 can reduce or remove the thermal influence (the influence of thermal damage), it can be used for various materials and composites that need to be processed by reducing or removing the thermal influence. Thereby, the processing apparatus 10 can process a various material.
  • the processing apparatus 10 may move the workpiece W or the irradiation head 16 in order to move the relative position between the irradiation position IP of the laser L and the workpiece W.
  • the processing member W and the irradiation head 16 may be moved. Thereby, the processing apparatus 10 can process the workpiece W at a higher speed.
  • the processing apparatus 10 which changes the turning diameter R of the said laser while turning the laser L on the to-be-processed member W was demonstrated, the processing apparatus 10 is the turning diameter R of the laser L irradiated. If the rotation speed of the first prism 51 and the second prism 52 is controlled so that the moving speed of the irradiation position IP of the turning laser (for example, the linear speed on the virtual circle IC) is constant, Good. Thereby, the processing apparatus 10 can make the energy per unit time constant at the irradiation position IP of the laser L irradiated to the workpiece W.
  • the processing apparatus 10 images the pilot hole drilled in the workpiece W with the imaging means 40, measures the hole diameter from the image data of the captured pilot hole, and the conditions of the measured hole diameter and the irradiated laser L (
  • the thickness TH of the heat-affected layer Wa is estimated from the peak output, pulse width, swirling number, swirling diameter R, etc.), and the laser falls within the allowable thickness range of the heat-affected layer Wa from the estimated thickness TH of the heat-affected layer Wa.
  • the turning number of L and the turning diameter R are determined, and the controller 30 determines the rotational speed and phase angle difference between the first hollow motor 56 and the second hollow motor 58 based on the determined turning number of the laser L and the turning diameter R. It is also possible to control and to make a main hole. Thereby, the processing apparatus 10 can control more accurately so that the thickness TH of the heat-affected layer Wa of the workpiece W is within the allowable thickness range.
  • the machining apparatus 10 uses an X-axis moving mechanism 22, a C-axis rotating mechanism 24, a Y-axis moving mechanism 26, a Z-axis moving mechanism 28, and an indexing mechanism 39, so that the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.
  • the processing stage 20 and the irradiation head 16 By moving the processing stage 20 and the irradiation head 16 relative to each other in the five-axis direction including the direction, the C-axis direction, and the swinging direction, the relative positional relationship between the workpiece W and the laser L to be irradiated is determined in the five-axis direction. It may be moved to.
  • At least one of the first hollow motor 56 and the second hollow motor 58 may be an ultrasonic motor. Thereby, the processing apparatus 10 can easily improve the positioning accuracy of the phase angle (rotational position) of the first hollow motor 56 and the second hollow motor 58.
  • the number of rotations of the laser L irradiated to the workpiece W may be increased, or the pulse width of the laser L may be shortened. Thereby, the processing apparatus 10 can make the thickness TH of the heat affected layer Wa thinner.
  • a control map (a scattered matter control map) that defines the correlation between the amount of scattered matter from the irradiation position IP of the laser L on the workpiece W and the number of rotations of the laser L
  • the first prism 51 and The rotational speed of the second prism 52 and the phase angle difference between the first prism 51 and the second prism 52 are determined, and the first hollow motor 56 and the second hollow motor 58 are controlled by the determined rotational speed and the phase angle difference. It may be rotated.
  • the processing apparatus 10 can suppress the thickness TH of the heat-affected layer Wa and the amount of scattered matter.
  • the guide optical system 14 is an optical fiber.
  • the guide optical system 14 is not limited thereto, and may be guided to the irradiation head 16 by combining a mirror or a lens and reflecting or condensing the laser L. .
  • the irradiation head 16 can be utilized with various processing apparatuses.
  • the processing stage 20 that is relatively moved by the X-axis moving mechanism 22 has been described.
  • the processing stage 20 may be an XY stage or an XYZ stage.
  • the irradiation head 16 may be relatively moved in three directions of XYZ, or the irradiation head 16 may be supported by an arm and moved in the C direction in addition to the three axis directions of XYZ.
  • the processing apparatus 10 can utilize the existing processing apparatus, for example.

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Abstract

　簡単な構成で、より高い精度の加工を行うことが可能である加工装置および加工方法を提供する。加工装置は、照射ヘッド１６と制御装置とを有し、照射ヘッド１６はレーザ旋回部３５と集光光学系３７とを有し、レーザ旋回部３５は第１プリズム５１と第２プリズム５２と第１回転機構５３と第２回転機構５４とを有する。制御装置は、少なくとも被加工部材の熱影響層とレーザの旋回数との関係に基づいて第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数と位相角の差とを調整する。

Description

加工装置および加工方法
　本発明は、加工対象の部材にレーザを照射して加工を行う加工装置および加工方法に関する。
　被加工部材に対して切断や穴あけ等の加工を行う加工装置として、レーザを用いる加工装置がある（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。特許文献１および特許文献２に記載の加工装置は、被加工部材にレーザを照射することで、被加工部材に対して切断や穴あけを行う。また、特許文献１には、被加工部材に少なくとも２種類の波長のレーザ光を照射して穴加工を行うレーザ加工方法であって、穴の径よりも小さなスポット径の第１のレーザ光を穴の内周に沿って照射して加工するステップと、穴の径よりも小さなスポット径で、且つ第１のレーザ光よりも波長の長い第２のレーザ光を穴の内周よりも内側に照射するステップとを有し、後のステップによって、前のステップで加工されずに残った部分を加工するレーザ加工方法が記載されている。また、特許文献１には、ガルバノミラーを組み合わせて、第１のレーザ光の照射位置をずらす装置が記載されている。特許文献２には、レンズを保持する構造体にコイルを設け、ベースに永久磁石を設けた構成とし、コイルを駆動することでレンズを回転運動させて、集光点を旋回させることが記載されている。
　また、本出願人が先に出願した特許文献３には、ＣＯ２レーザ発振器およびエキシマレーザ発振器を備え、２つのレーザとしてＣＯ２レーザビームとエキシマレーザビームとを使用し、ＣＯ２レーザビームを照射することによりプラスチック部材あるいはＦＲＰ部材の切断または穴あけを行った後、引き続いてエキシマレーザビームをその切断面および近傍に照射して当該切断面に生起した炭化層あるいは熱影響層を除去する加工装置が記載されている。特許文献３に記載の加工装置は、エキシマレーザビームをその横断面がリング状のレーザビームとし、該レーザビームの中空部にＣＯ２レーザビームを挿通し、両レーザビームの光軸を同一にした後、両レーザビームを同一の伝送経路で伝送し、プラスチック部材あるいはＦＲＰ部材の切断または穴あけ加工部の近傍まで導き、該近傍にて再び両レーザビームを分離することが記載されている。
特開２０１１－１１０５９８号公報 特許第２８２８８７１号公報 特許第２８３１２１５号公報
　特許文献１および特許文献２に記載の加工装置のように、レーザの照射位置を旋回させることで、被加工部材を適切に加工することができる。また、特許文献３に記載の加工装置のように、２つのレーザを用いることで被加工部材を適切に加工することができる。しかしながら、特許文献１から特許文献３に記載の加工装置は、加工精度を高くするためには装置構成を複雑にする必要があるという課題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡単な構成で、より高い精度の加工を行うことが可能である加工装置および加工方法を提供す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、本発明の加工装置は、被加工部材にレーザを照射して加工処理を行う加工装置であって、前記レーザを前記被加工部材に対して旋回させるレーザ旋回部と、前記レーザ旋回部で旋回された前記レーザを集光させる集光光学系と、を有する、前記被加工部材に前記レーザを照射する照射ヘッドと、前記照射ヘッドの動作を制御する制御装置と、を有し、前記レーザ旋回部は、前記レーザを屈折させる第１プリズムと、前記第１プリズムと対面する位置に配置され当該第１プリズムから出力された前記レーザを屈折させる第２プリズムと、前記第１プリズムを回転させる第１回転機構と、前記第２プリズムを回転させる第２回転機構と、を有し、前記制御装置は、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、の関係に基づいて、前記第１回転機構および前記第２回転機構を制御し、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを調整することを特徴とする。
　また、上記加工装置において、前記第１回転機構は、前記第１プリズムを保持し且つ前記レーザの光路の部分が中空の第１スピンドルと、前記第１スピンドルが回転自在に内挿され当該第１スピンドルを回転駆動する第１中空モータと、を有し、前記第２回転機構は、前記第２プリズムを保持し且つ前記レーザの光路の部分が中空の第２スピンドルと、前記第２スピンドルが回転自在に内挿され当該第２スピンドルを回転駆動する第２中空モータと、を有していることが好ましい。
　また、上記加工装置において、前記第１中空モータと前記第２中空モータとの位相角の差の誤差が０．１°以内であることが好ましい。
　また、上記加工装置において、前記加工処理は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の少なくとも１つを含むことが好ましい。
　また、上記加工装置において、前記制御装置は、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数を制御することで前記熱影響層の許容厚みを制御することが好ましい。
　また、上記加工装置において、前記熱影響層は、再溶融層、酸化層、クラック、ドロスの少なくとも１つを含むことが好ましい。
　また、上記加工装置において、前記被加工部材は、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、耐熱鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、繊維強化プラスチック、複合材、Ｎｉ基耐熱合金のいずれかの材料で作成されていることが好ましい。
　また、上記加工装置において、前記制御装置は、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、前記レーザの旋回径と、の関係に基づいて、前記第１回転機構および前記第２回転機構を制御し、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを調整することが好ましい。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の加工方法は、被加工部材にレーザを照射して加工処理を行う加工方法であって、レーザを出力する出力ステップと、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射される前記レーザの旋回数と、の関係に基づいて、第１プリズムおよび第２プリズムの回転数と位相角の差とを決定する決定ステップと、第１回転機構および第２回転機構を決定した回転数と位相角の差とで回転させる回転ステップと、前記被加工部材に対して前記レーザを旋回させつつ照射する照射ステップと、を有することを特徴とする。
　また、上記加工方法において、前記加工処理は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の少なくとも１つを含むことが好ましい。
　また、上記加工方法において、前記熱影響層は、再溶融層、酸化層、クラック、ドロスの少なくとも１つを含むことが好ましい。
　また、上記加工方法において、前記決定ステップは、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、前記レーザの旋回径と、の関係に基づいて、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを決定することが好ましい。
　本発明の加工装置および加工方法によれば、第１プリズムと第２プリズムとの位相角の差を変えるだけで被加工部材に照射されるレーザの旋回径が可変となるので、簡単な構成にすることができるという効果を奏する。また、第１プリズムと第２プリズムとの位相角の差を制御し被加工部材に照射させるレーザの旋回径を可変とすることで、加工条件により適した旋回径で加工処理を行うことができるようになる。これにより、要求される加工品質を満たすことができ、より高い精度の加工を行うことが高速で可能であるという効果を奏する。
図１は、第１実施形態に係る加工装置の構成例を示す模式図である。 図２は、第１実施形態に係る照射ヘッドの概略構成を示す説明図である。 図３は、第１実施形態に係る照射ヘッドのレーザ旋回部からノズルまでを拡大して示す拡大模式図である。 図４は、被加工部材に照射されるレーザの照射位置の説明図である。 図５は、穴あけ加工された被加工部材の断面の説明図である。 図６は、加工装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。 図７は、加工装置が照射するレーザの照射動作の説明図である。 図８は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。 図９は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。 図１０は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。 図１１は、複数回に分けて穴あけ加工する際のレーザの軌跡の一例を示す模式図である。 図１２は、加工装置による切断加工の動作の説明図である。 図１３は、切断加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。 図１４は、加工装置による溶接加工の動作の説明図である。 図１５は、溶接加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。 図１６は、加工装置によるクラッディング加工の動作の説明図である。 図１７は、クラッディング加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。 図１８は、加工装置による表面改質加工の動作の説明図である。 図１９は、表面改質加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。 図２０は、第２実施形態に係る照射ヘッドの概略構成を示す説明図である。 図２１は、加工装置による被加工部材の加工例を示す図である。 図２２は、図２１に示す被加工部材を反対側から見た図である。
　本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換または変更を行うことができる。
　［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態に係る加工装置の構成例を示す模式図である。
　加工装置１０は、図１に示すように、レーザ発振器１２と、案内光学系１４と、照射ヘッド１６と、加工ステージ２０と、Ｘ軸移動機構２２と、Ｃ軸回転機構２４と、Ｙ軸移動機構２６と、Ｚ軸移動機構２８と、制御装置３０と、を含む。加工装置１０は、加工ステージ２０を囲む門型ブリッジ３２を有する。加工装置１０は、加工ステージ２０上に保持された被加工部材Ｗにレーザを照射し、被加工部材Ｗを加工する。ここで、本実施形態では、加工ステージ２０の水平面をＸＹ平面とし、加工ステージ２０の水平面に直交する方向をＺ軸方向としている。また、本実施形態では、Ｚ軸回りの回転方向をＣ軸方向としている。
　ここで、被加工部材Ｗは、例えば、板状の部材である。被加工部材Ｗとしては、種々の材料、例えば、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、耐熱鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、Ｎｉ基耐熱合金等で作成された部材を用いることができる。また、被加工部材Ｗとして、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon　Fiber　Reinforced　Plastics）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass　Fiber　Reinforced　Plastics）、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ：Glass-mat　Reinforced　Thermoplastics）等の繊維強化プラスチック、鋼板以外の鉄合金、アルミ合金等の各種金属、種々の複合材等で作成された部材も用いることができる。また、本実施形態において、加工処理は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形のいずれかであり、これらの加工を組み合わせることもできる。
　レーザ発振器１２は、レーザを出力する装置であり、加工装置１０の門型ブリッジ３２に併設される。レーザ発振器１２は、例えば、光ファイバを媒質としてレーザを出力するファイバレーザ出力装置、または、短パルスのレーザを出力する短パルスレーザ出力装置などが用いられる。ファイバレーザ出力装置としては、例えば、ファブリペロー型ファイバレーザ出力装置やリング型ファイバレーザ出力装置を用いることができ、これらの出力装置が励起されることによりレーザが発振される。ファイバレーザ出力装置のファイバは、例えば、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類元素が添加されたシリカガラスを用いることができる。短パルスレーザ出力装置としては、レーザの発振源として例えば、チタンサファイアレーザを用いることができ、パルス幅が１００ピコ秒以下のパルスを発振することができる。また、ＹＡＧレーザやＹＶＯ４レーザ等のナノ秒オーダーパルス発振をするレーザも使用可能である。
　案内光学系１４は、レーザ発振器１２から出力されたレーザを照射ヘッド１６へ案内する光学系である。案内光学系１４は、本実施形態では、例えば、光ファイバである。案内光学系１４は、一方の端部がレーザ発振器１２のレーザ出射口と接続され、他方の端部が照射ヘッド１６のレーザ入射端と接続される。案内光学系１４は、レーザ発振器１２のレーザ出射口から照射ヘッド１６の入射端へレーザを導光する。
　照射ヘッド１６は、案内光学系１４で案内されたレーザを旋回させつつ被加工部材Ｗに照射する。また、照射ヘッド１６は、レーザをプリズムで屈折させることで、屈折前のレーザの光路と被加工部材Ｗに照射されるレーザの光路とをオフセットする。さらに、照射ヘッド１６は、レーザを集光させて、被加工部材Ｗに照射する。また、照射ヘッド１６は、照射ヘッドカバー１６ａにより覆われる。照射ヘッド１６の構造については、後述する。
　加工ステージ２０は、表面に載置された被加工部材Ｗを保持する機構である。加工ステージ２０は、被加工部材Ｗを保持する表面が基準面（例えば、加工装置１０の設置面）に対して水平面（ＸＹ平面）である。
　Ｘ軸移動機構２２は、加工ステージ２０を支持するＸ軸ステージであって、加工ステージ２０をＸ軸方向に移動させることで、Ｘ軸方向の所定の位置に被加工部材Ｗを移動させる。
　Ｃ軸回転機構２４は、Ｘ軸移動機構２２と加工ステージ２０との間に配置される。つまり、Ｃ軸回転機構２４は、Ｘ軸移動機構２２に支持されており、加工ステージ２０を支持する。Ｃ軸回転機構２４は、加工ステージ２０をＣ軸方向に回転駆動することにより、Ｃ軸方向の所定の位置に被加工部材Ｗを回転させる。
　Ｙ軸移動機構２６は、Ｚ軸移動機構２８を支持しつつ、照射ヘッド１６をＹ軸方向に移動させる。これにより、Ｙ軸移動機構２６は、Ｙ軸方向の所定の位置に照射ヘッド１６を移動させる。
　Ｚ軸移動機構２８は、照射ヘッド１６を支持しつつ、照射ヘッド１６をＺ軸方向の所定位置に移動させる。
　加工装置１０は、Ｘ軸移動機構２２と、Ｃ軸回転機構２４と、Ｙ軸移動機構２６と、Ｚ軸移動機構２８と、を用いて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｃ軸方向の四軸方向に加工ステージ２０と照射ヘッド１６とを相対的に移動させることで、被加工部材Ｗとレーザとの相対位置関係を四軸方向に移動させる。
　制御装置３０は、レーザ発振器１２と照射ヘッド１６とＸ軸移動機構２２とＣ軸回転機構２４とＹ軸移動機構２６とＺ軸移動機構２８とにそれぞれ接続され、各部の動作を制御する。制御装置３０は、例えば、レーザ発振器１２から出力されるレーザの各種条件を調整したり、Ｘ軸移動機構２２とＣ軸回転機構２４とＹ軸移動機構２６とＺ軸移動機構２８とにより照射ヘッド１６および加工ステージ２０を移動させて被加工部材Ｗに対する照射ヘッド１６の位置を調整したり、被加工部材Ｗの条件（材質、厚み等）や加工処理の条件から熱影響層の許容厚みを検出して設定したり、照射ヘッド１６から被加工部材Ｗに照射されるレーザの後述する旋回数や旋回径Ｒを制御したりする。
　次に、図２から図４を用いて、照射ヘッド１６について説明する。図２は、第１実施形態に係る照射ヘッドの概略構成を示す説明図である。図３は、第１実施形態に係る照射ヘッドのレーザ旋回部からノズルまでを拡大して示す拡大模式図である。図４は、被加工部材に照射されるレーザの照射位置の説明図である。
　照射ヘッド１６は、図２に示すように、コリメート光学系３４と、レーザ旋回部３５と、反射光学系３６と、集光光学系３７と、ノズル３８と、割出機構３９と、撮像手段４０と、ギャップ検出手段４１と、を含む。照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されるレーザＬの光路において、上流側から下流側に向かって、コリメート光学系３４、レーザ旋回部３５、反射光学系３６、集光光学系３７、ノズル３８の順で配置される。照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されたレーザＬをノズル３８に対面する被加工部材Ｗに向けて照射する。
　コリメート光学系３４は、案内光学系１４のレーザＬが出射される端面に対向して配置される。つまりコリメート光学系３４は、案内光学系１４とレーザ旋回部３５との間に配置される。コリメート光学系３４は、コリメータレンズ等を備えており、案内光学系１４から出力されたレーザＬをコリメート光とし、レーザ旋回部３５に向けて出射する。
　レーザ旋回部３５は、図２および図４に示すように、光路の中心Ｐ周りにレーザＬを回転させて、被加工部材Ｗに照射レーザ、つまりレーザＬの照射位置ＩＰを旋回させる。レーザ旋回部３５は、図２および図３に示すように、第１プリズム５１と、第２プリズム５２と、第１回転機構５３と、第２回転機構５４と、を有する。
　第１プリズム５１は、レーザＬを屈折させて、光軸ＯＡに対して傾ける。第２プリズム５２は、第１プリズム５１で屈折されたレーザＬを再度屈折させて、集光する位置を制御する。これにより、レーザ旋回部３５を通過したレーザＬは、通過前のレーザＬの光路に対してずれた光路で出力される。
　第１回転機構５３は、第１プリズム５１を保持する第１スピンドル５５と、第１スピンドル５５が内部に挿入され当該第１スピンドル５５を回転させる第１中空モータ５６と、を有する。第２回転機構５４は、第２プリズム５２を保持する第２スピンドル５７と、第２スピンドル５７が内部に挿入され当該第２スピンドル５７を回転させる第２中空モータ５８と、を有する。第１スピンドル５５と第２スピンドル５７とは、レーザＬの光路の部分が中空の筒状部材であり、軸受５９および軸受６０を介して支持される。軸受５９および軸受６０は、例えば、転がり玉軸受等の転がり軸受である。第１回転機構５３および第２回転機構５４は、互いに同期回転および相対回転可能である。
　第１中空モータ５６は、第１スピンドル５５の外周面に固定された中空ロータ６１と、中空ロータ６１に対向配置されたステータ６２と、を有する。第１中空モータ５６は、第１スピンドル５５とともに第１プリズム５１を回転させる。第２中空モータ５８は、第２スピンドル５７の外周面に固定された中空ロータ６３と、中空ロータ６３に対向配置されたステータ６４と、を有する。第２中空モータ５８は、第２スピンドル５７とともに第２プリズム５２を回転させる。
　また、第１回転機構５３および第２回転機構５４は、それぞれ、回転部（第１スピンドル５５および中空ロータ６１、第２スピンドル５７および中空ロータ６３）と固定部（ステータ６２、ステータ６４）との相対的な位置、回転数を検出するエンコーダ６５を備える。エンコーダ６５は、上記回転部側に固定される識別子６６と、上記固定部側に固定され、識別子６６を検出する検出部６７と、を有する。エンコーダ６５は、検出部６７で識別子６６を検出することで、上記回転部の相対的な位置を検出することができる。エンコーダ６５は、検出した上記回転部の回転数および回転位置（位相角）の情報を制御装置３０に出力する。また、エンコーダ６５としては、例えば、回転位置（位相角）を数千分の一度（０．００１度以下）の分解能で検出する検出機器を用いることが好ましい。
　第１回転機構５３と第２回転機構５４とは、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を変えることができる。これにより、図４に示すように、レーザ照射点を回転軸の光路の中心Ｐから第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差に対応する距離（旋回径Ｒ）だけ離れた照射位置ＩＰまで偏心させることができる。この第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を維持しながら、第１回転機構５３と第２回転機構５４とを同回転周期で同期回転させる場合、レーザ照射点は旋回径Ｒの円軌道を描く。また、第１プリズム５１と第２プリズム５２とを非同期回転（異なる回転周期で回転）させる場合には、レーザ照射点の旋回径を増減させながらレーザ照射点を旋回させることができ、任意の曲線軌道を描くことも可能である。
　なお、本実施形態において、第１中空モータ５６と第２中空モータ５８との位相角の差とは、第１中空モータ５６と第２中空モータ５８との回転位置（位相角）の相対的なずれの角度のことをいう。また、第１中空モータ５６と第２中空モータ５８との位相角の差の誤差とは、第１中空モータ５６と第２中空モータ５８との位相のずれの角度の誤差のことをいう。
　また、旋回径Ｒとは、図２および図４に示すように、光路の中心Ｐから被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの照射位置ＩＰまでの距離のことをいい、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬが中心Ｐ周りに旋回する半径のことをいう。旋回径Ｒは、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を変えることにより被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回径Ｒが変わるので、可変である。旋回数とは、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの照射位置ＩＰが中心Ｐ周りに旋回する単位時間当たりの回数のことをいう。
　反射光学系３６は、図２および図３に示すように、レーザ旋回部３５を通過したレーザＬを反射する第１反射ミラー７１と、第１反射ミラー７１で反射したレーザＬを再び反射する第２反射ミラー７２と、筒部７３と、ノズル装着部７４と、を有する。反射光学系３６は、第１反射ミラー７１と第２反射ミラー７２とにより、レーザ旋回部３５から出力されたレーザＬを集光光学系３７に向けて反射する。第２反射ミラー７２は、ハーフミラーであり、被加工部材Ｗの加工部位を撮像手段４０で撮像可能とする。筒部７３とノズル装着部７４とは、継手部７５で連結される。
　集光光学系３７は、複数のレンズを有しており、この複数のレンズにより、第２反射ミラー７２で反射されたレーザＬを集光し、所定の焦点距離、焦点深度となるレーザＬを形成する。集光光学系３７は、被加工部材Ｗに所定のスポット径のレーザＬを照射する。
　ノズル３８は、レーザＬの進行方向の先側に向かうにつれて次第に径が縮小する中空の円錐形状である。ノズル３８は、集光光学系３７を介してノズル装着部７４に装着される。ノズル３８は、被加工部材Ｗの加工点で生じるスパッタ等により集光光学系３７が汚損するのを防ぐための透光部材７７を有する。また、ノズル３８は、アシストガス供給源７８からアシストガスが供給され、このアシストガスを被加工部材Ｗに向けて噴射可能である。
　割出機構３９は、割出軸８１と、中空モータ８２と、割出角度検出手段８３と、を有する。割出軸８１は、ノズル装着部７４に連結され、ノズル装着部７４と一体で回転する。割出軸８１は、軸受８４でＹ軸回りに回転可能に支持される。軸受８４は、例えば、静圧軸受（流体軸受）である。中空モータ８２は、割出軸８１の外周面に固定された中空ロータ８５と、中空ロータ８５に対向して配置されたステータ８６と、を有する。中空モータ８２は、割出軸８１を回転中心とし、ノズル装着部７４に装着されたノズル３８を割出軸８１回り（矢印ｄ方向）に首振り可能に駆動する。すなわち、中空モータ８２は、ノズル３８をＹ軸回りに首振り可能に駆動する。これにより、割出機構３９は、割出軸８１を回転中心として反射光学系３６のノズル装着部７４を回転させ、この回転に伴って、割出軸８１の同軸上に配置された第２反射ミラー７２を回転させることができるので、割出角度を変更しても第２反射ミラー７２で反射したレーザＬをノズル３８から照射することができる。また、割出機構３９は、ノズル装着部７４を介してノズル３８を首振りさせるので、大型化を抑制できる。また、割出角度検出手段８３は、回転部（割出軸８１および中空ロータ８５）と固定部（ステータ８６）との相対的な位置（割出角度）を検出するエンコーダを備える。エンコーダは、検出した上記回転部の割出角度の情報を制御装置３０に出力する。
　撮像手段４０は、例えば、ＣＣＤ（Charge　Coupled　Device）イメージセンサ等を有するカメラである。撮像手段４０は、レーザＬの照射位置ＩＰや旋回径Ｒなどを撮像し、この撮像した画像から画像データを生成し、制御装置３０に画像データを出力する。撮像手段４０は、ノズル装着部７４を挟んでノズル３８と対向する位置で、ノズル装着部７４に装着される。撮像手段４０は、光路の中心Ｐと同軸上に配置される。
　ギャップ検出手段４１は、レーザ光を用いたギャップ測定装置である。ギャップ検出手段４１は、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの焦点と、被加工部材Ｗとのギャップを検出する。ギャップ検出手段４１は、検出したギャップを制御装置３０に出力する。ギャップ検出手段４１は、撮像手段４０に連結されており、光路の中心Ｐと同軸上に配置される。
　次に、図４から図６を用いて、加工装置１０による加工処理について説明する。図５は、穴あけ加工された被加工部材の断面の説明図である。図６は、加工装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。
　まず、加工装置１０（制御装置３０）は、図６に示すように、加工モードを決定する（ステップＳＴ１）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、オペレータ等の作業員によって入力された、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形のいずれを実行するかを示す操作を確認し、確認した操作に基づいて、加工モードを決定する。
　次に、加工装置１０（制御装置３０）は、被加工部材Ｗの材質や厚みを決定する（ステップＳＴ２）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、作業員によって入力された、被加工部材Ｗの材質や厚みを入力する操作を確認し、確認した操作に基づいて、被加工部材Ｗの材質や厚みを決定する。
　次に、加工装置１０（制御装置３０）は、加工条件を決定する（ステップＳＴ３）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、作業員によって入力された、ステップＳＴ１で決定した加工モードにおいて被加工部材Ｗに施す加工処理の位置や形状、深さ等の加工条件を入力する操作を確認し、確認した操作に基づいて、被加工部材Ｗに施す加工処理の位置や形状、深さ等の加工条件を決定する。
　次に、加工装置１０（制御装置３０）は、熱影響層Ｗａ（図５参照）の許容厚みを決定する（ステップＳＴ４）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ１で決定した加工モード、ステップＳＴ２で決定した被加工部材Ｗの材質や厚み、ステップＳＴ３で決定した加工条件、をそれぞれ取得し、加工モードと被加工部材Ｗの材質や厚みと加工条件と熱影響層Ｗａの許容厚みとの相関関係を定めた制御マップ（加工条件制御マップ）を参照して、熱影響層Ｗａの許容厚みを決定する。
　次に、加工装置１０（制御装置３０）は、レーザＬの許容旋回数、許容旋回径を決定する（ステップＳＴ５）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ４で決定した熱影響層Ｗａの許容厚みに基づいて、熱影響層Ｗａの厚みＴＨ（図５参照）とレーザＬの旋回数と旋回径Ｒとの相関関係を定めた制御マップ（旋回条件制御マップ）を参照して、熱影響層Ｗａの厚みＴＨが許容厚みを超えないレーザＬの許容旋回数範囲および許容旋回径範囲を決定する。なお、ステップＳＴ５においては、ステップＳＴ１で決定した加工モードが穴あけ加工の場合、旋回径Ｒは必須ではないため、旋回数のみを決定してもよい。
　次に、加工装置１０（制御装置３０）は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数、位相角の差を決定する（ステップＳＴ６）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ５で決定したレーザＬの許容旋回数範囲に含まれる旋回数を第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数として決定し、レーザＬの旋回径Ｒと第１プリズム５１および第２プリズム５２の位相角の差との相関関係を定めた制御マップ（位相角制御マップ）を参照し、ステップＳＴ５で決定したレーザＬの許容旋回径範囲に含まれる位相角の差を第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差として決定する。
　次に、加工装置１０（制御装置３０）は、レーザ出力を決定する（ステップＳＴ７）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ４で決定した熱影響層Ｗａの許容厚みを取得し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨとレーザＬの出力との相関関係を定めた制御マップ（レーザ出力制御マップ）を参照し、レーザＬのピーク出力およびパルス幅を選択し、レーザ出力を決定する。
　次に、加工装置１０（制御装置３０）は、被加工部材Ｗに対して加工を実行する（ステップＳＴ８）。例えば、加工装置１０（制御装置３０）は、ステップＳＴ７で決定したレーザ出力に基づいてレーザ発振器１２を発振させてレーザＬを出射させると同時に、ステップＳＴ６で決定した回転数と位相角の差とに基づき第１中空モータ５６および第２中空モータ５８の回転を調整し、被加工部材Ｗに対してレーザＬを照射し、加工を実行する。上述したステップＳＴ１からステップＳＴ８により、加工装置１０（制御装置３０）は、被加工部材Ｗに加工処理を施す。
　ここで、ステップＳＴ１で決定した加工モードが穴あけ加工の場合、ステップＳＴ８において、レーザ発振器１２から出射されたレーザＬは、案内光学系１４を介して照射ヘッド１６の入射端に入射し、図２、図４および図５に示すように、ステップＳＴ６で決定した回転数と位相角の差とで矢印ａ方向に回転する第１プリズム５１および第２プリズム５２により屈折し、屈折前のレーザＬの光軸ＯＡと同軸となる光路の中心Ｐから偏心した位置に照射される。この状態で第１プリズム５１と第２プリズム５２とを同じ回転周期で回転させると、レーザ照射点が屈折前のレーザＬの光軸ＯＡと同軸となる回転軸の光路の中心Ｐ周りに旋回し、中心Ｐを旋回の中心とする仮想円ＩＣ上をレーザＬの照射位置ＩＰが移動し、被加工部材Ｗに穴Ｗｂがあけられる。なお、ステップＳＴ１で決定した加工モードが穴あけ加工の場合、穴径は設定値によりほぼ決まる。これに対して溶接加工、クラッディング加工などは、熱影響層Ｗａや表面、裏面の飛散物量の制御を旋回数に加えて、旋回径Ｒも用いることが可能である。
　次に、図７から図１１を用いて、加工装置１０によるレーザＬの照射動作について説明する。図７は、加工装置が照射するレーザの照射動作の説明図である。図８は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。図９は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。図１０は、加工装置が照射するレーザの軌跡の一例を示す模式図である。図１１は、複数回に分けて穴あけ加工する際のレーザの軌跡の一例を示す模式図である。
　一定周期でＯＮ／ＯＦＦさせて被加工部材ＷにレーザＬを照射する場合、図７に示すように、加工装置１０は、レーザＬのＯＮ／ＯＦＦの周期を、照射位置ＩＰの旋回周期の非整数倍とすることが好ましい。すなわち、加工装置１０は、レーザＬのＯＮ／ＯＦＦの周期と、照射位置ＩＰの旋回周期とをずらすことにより、一周目はレーザＬを照射位置ＩＰａに照射し、二周目はレーザＬを照射位置ＩＰｂに照射することができる。つまり、加工装置１０は、三周目以降も同様にレーザＬのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことで、照射位置を順次ずらすことができる。これにより、加工装置１０は、レーザＬの照射位置が各周回でずれ、被加工部材Ｗの加工対象の領域に効率よくレーザＬを照射することができる。
　また、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を連続的に変化させつつ第１プリズム５１および第２プリズム５２を回転させる場合、図８に示すように、加工装置１０は、中心Ｐから徐々に離れる渦巻状の軌跡ＴＲでレーザＬを被加工部材Ｗに照射することができる。これにより、加工装置１０は、渦巻状にレーザＬを照射することで、レーザＬが入りにくくなる厚みを有する被加工部材Ｗに対しても精度良く加工することができる。
　同様に、図９および図１０に示すように、加工装置１０は、楕円状やハート状の軌跡ＴＲで被加工部材ＷにレーザＬを照射することもできる。つまり、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２を回転させつつ第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を連続的に変えることで、レーザＬの旋回径Ｒを変え、種々の軌跡ＴＲでレーザＬを被加工部材Ｗに照射することができる。すなわち、加工装置１０は、第１プリズム５１と第２プリズム５２との回転および位相角の差を制御することで、種々の形状の軌跡ＴＲでレーザＬを被加工部材Ｗに照射することができる。
　また、被加工部材Ｗに対して施す加工処理に適したレーザＬの旋回径Ｒを光学上の理論値から算出した後、熱影響層Ｗａを考慮してその旋回径Ｒを補正する場合、図１１に示すように、加工装置１０は、一周目は穴あけ加工する目標穴の穴径よりも小さい円形状の軌跡ＴＲａでレーザＬを被加工部材Ｗに照射し、二周目は穴あけ加工する目標穴の穴径と同じ大きさの円形状の軌跡ＴＲｂでレーザＬを被加工部材Ｗに照射する。この場合、一周目のレーザＬの旋回径Ｒａは目標穴よりも小さい旋回径とし、二周目のレーザＬの旋回径Ｒｂは目標穴をあけるための旋回径を光学上の理論値から算出した後に目標穴において熱影響層Ｗａの厚みＴＨが許容厚みの範囲内となるように補正した旋回径とすることが好ましい。これにより、レーザＬが被加工部材Ｗに最初に照射される一周目では熱の拡がりが大きくなるが、加工装置１０は、一周目では目標穴よりも小さい穴をあけることで熱の拡がりを抑え、二周目で目標穴をあけることができる。つまり、加工装置１０は、一周目で粗加工し、二周目で仕上げ加工することができるので、高精度で加工することができる。
　また、加工装置１０は、加工モードが穴あけ加工である場合、目標穴の穴径と同じ大きさの旋回径ＲでレーザＬを被加工部材Ｗに照射することで穴あけ加工するので、Ｘ軸移動機構２２、Ｙ軸移動機構２６、Ｃ軸回転機構２４を駆動させて穴あけ加工する場合よりも加工時間を短縮することができる。
　また、加工装置１０は、第１中空モータ５６と第２中空モータ５８との位相角の差の誤差を０．１°以内とすることが好ましい。つまり、加工装置１０は、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差の誤差を０．１°以内とすることが好ましい。この場合、制御装置３０は、エンコーダ６５から出力された第１スピンドル５５および第２スピンドル５７の回転数と回転位置（位相角）とに基づいて、上述したステップＳＴ６で決定した第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差の誤差を０．１°以内とする。これにより、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の光学特性にもよるが、旋回径Ｒのずれを数十μｍ以内とすることができ、被加工部材Ｗに対して精度良くレーザＬを照射して加工することができる。
　また、加工装置１０は、レーザＬの出力周波数が１ｋＨｚ未満では、第１プリズム５１および第２プリズム５２を２０ｒｐｍ以上で回転させることが好ましく、レーザＬの出力周波数が１ｋＨｚ以上では、第１プリズム５１および第２プリズム５２を２００ｒｐｍ以上で回転させることが好ましい。つまり、加工装置１０は、被加工部材Ｗに照射するレーザＬの旋回数を、レーザＬの出力周波数が１ｋＨｚ未満では２０ｒｐｍ以上とすることが好ましく、レーザＬの出力周波数が１ｋＨｚ以上では２００ｒｐｍ以上とすることが好ましい。
　加工装置１０は、レーザＬの出力周波数に応じて第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を調節することで、加工をより高速に行うことができ、さらに加工精度をより向上することができる。すなわち、加工装置１０は、レーザＬの出力周波数が相対的に高い場合は、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬのエネルギが相対的に高くなることから、レーザＬを相対的に高速旋回させ、レーザＬの出力周波数が相対的に低い場合は、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬのエネルギが相対的に低くなることから、レーザＬを相対的に低速旋回させる。また、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬを相対的に高速旋回させることで、一定範囲において均一にレーザＬを照射することができ、レーザＬの出力が一部に集中することを抑制できる。これにより、加工装置１０は、熱影響層Ｗａの厚みＴＨの制御を行いやすくなり、加工精度を高くすることもできる。また、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬを相対的に高速旋回させることで、レーザＬを相対的に高出力にしても熱影響（熱ダメージの影響）を抑制し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨを抑え、加工品質を維持しつつ加工速度を高速化することができる。
　また、加工装置１０は、被加工部材Ｗとして鋼板などの金属材料を用いることで、好適に切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工あるいはレーザ積層造形することができ、且つ、切断面をより好適な形状とすることができる。これにより、加工装置１０は、加工精度を高くすることができる。また、加工装置１０は、旋回させながらレーザＬを照射することで、レーザＬの出力が一部に集中することを抑制することができることから、高出力のレーザＬを用いることができるようになるので、溶接加工やクラッディング加工に好適に使用することができ、耐熱性の高い材料にも好適に使用することができる。
　また、加工装置１０は、第１回転機構５３を第１中空モータ５６で回転駆動し、第２回転機構５４を第２中空モータ５８で回転駆動することから、第１中空モータ５６および第２中空モータ５８の径方向を小型化することができるので、照射ヘッド１６を小型化することができる。つまり、加工装置１０の大型化を抑制することができる。
　また、加工装置１０は、制御装置３０が第１回転機構５３および第２回転機構５４の回転数を決定することにより、熱影響層Ｗａの厚みＴＨを許容厚み以下としつつ被加工部材Ｗを加工することができる。
　次に、図１２から図１９を用いて、加工装置１０による他の加工例について説明する。図１２は、加工装置による切断加工の動作の説明図である。図１３は、切断加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。図１４は、加工装置による溶接加工の動作の説明図である。図１５は、溶接加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。図１６は、加工装置によるクラッディング加工の動作の説明図である。図１７は、クラッディング加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。図１８は、加工装置による表面改質加工の動作の説明図である。図１９は、表面改質加工された被加工部材の熱影響層の説明図である。
　加工装置１０は、加工モードが切断加工の場合、図１２および図１３に示すように、ＸＹ平面（水平面）のうちの任意の方向である矢印ｂ方向に照射ヘッド１６を走査させることにより、軌跡ＴＲのようにレーザＬを旋回させつつ矢印ｂ方向に照射し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨを許容厚み以下に抑えることができる。これにより、加工装置１０は、レーザＬを照射幅Ｄで被加工部材Ｗに照射し、照射幅Ｄで被加工部材Ｗを切断することができる。また、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御することにより、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回数を制御し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨの許容厚みを制御することができる。
　また、加工装置１０は、加工モードが溶接加工の場合、図１４および図１５に示すように、矢印ｂ方向（ＸＹ平面のうちの任意の方向）に照射ヘッド１６を走査させながらレーザＬの照射位置ＩＰに溶接ワイヤ９１等を供給することにより、軌跡ＴＲのようにレーザＬを旋回させつつ矢印ｂ方向に照射する。これにより、加工装置１０は、例えば、Ｉ形などの開先形状である一方の被加工部材Ｗ１と他方の被加工部材Ｗ２とを溶接部Ｗｃで溶接することができる。また、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御することにより、一方の被加工部材Ｗ１と他方の被加工部材Ｗ２との開先に照射されるレーザＬの旋回数を制御し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨの許容厚みを制御することができる。
　また、加工装置１０は、加工モードがクラッディング加工の場合、図１６および図１７に示すように、矢印ｂ方向（ＸＹ平面のうちの任意の方向）に照射ヘッド１６を走査させながらレーザＬの照射位置ＩＰに肉盛り材ワイヤ９２等を供給することにより、軌跡ＴＲのようにレーザＬを旋回させつつ矢印ｂ方向に照射する。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗ上に肉盛り部Ｗｄを形成することができる。また、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御することにより、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回数を制御し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨの許容厚みを制御することができる。
　また、加工装置１０は、加工モードが表面改質加工の場合、図１８および図１９に示すように、矢印ｂ方向（ＸＹ平面のうちの任意の方向）に照射ヘッド１６を走査させることにより、軌跡ＴＲのようにレーザＬを旋回させつつ矢印ｂ方向に照射する。これにより、加工装置１０は、レーザＬを照射幅Ｄａで被加工部材Ｗに照射することで、例えば、被加工部材Ｗの表面を平滑化したり、被加工部材Ｗの表面の材料粒子を微細化したりし、被加工部材Ｗの表面を改質した表面改質部Ｗｅを形成することができる。また、加工装置１０は、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御することにより、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回数を制御し、熱影響層Ｗａの厚みＴＨの許容厚みを制御することができる。
　本実施形態において、被加工部材Ｗの熱影響層Ｗａは、被加工部材Ｗに照射されたレーザＬにより形成される再溶融層、酸化層、クラック、ドロスを少なくとも１つ含む。再溶融層は、加工時に、レーザＬの照射により被加工部材Ｗの固体が液体化し、再び固体化した層である。再溶融層は、加工モードにより異なるが、穴あけ加工、切断加工の場合、レーザＬの照射方向（進行方向）の先に形成される層ではなく、レーザＬの照射方向（進行方向）に直交する方向に形成される層であり、レーザＬを照射することで形成された穴Ｗｂの内周面や、切断された被加工部材Ｗの切断面に形成されるものである。また、再溶融層は、加工モードが溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の場合、レーザＬの照射方向（進行方向）の先と照射方向に直交する方向とに形成される層であり、レーザＬを照射することで形成された溶接部Ｗｃの周囲や下側、肉盛り部Ｗｄの周囲や下側、表面改質部Ｗｅの周囲や下側に形成されるものである。
　酸化層は、被加工部材Ｗが金属等である場合、アシストガスとして酸素を使用した際に、被加工部材Ｗの穴Ｗｂの内周面や切断面に形成される酸化被膜である。クラックは、レーザＬの照射により被加工部材Ｗが急速加熱され、この急速加熱時に被加工部材Ｗの穴Ｗｂの内周面や切断面に生じる微細なひび割れ（マイクロクラック）である。ドロスは、被加工部材Ｗの穴あけ時や切断時などに液体化した材料が溶融物となって、被加工部材Ｗの穴Ｗｂの内周面や切断面に付着して固体化した付着物である。被加工部材Ｗの熱影響層Ｗａの厚みは、再溶融層の厚み、酸化被膜の厚み、ひび割れの深さ、付着物の厚みを含む。
　許容厚みは、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の少なくとも１つを含む加工処理を被加工部材Ｗに施した際に、穴Ｗｂの内周面、切断部分や溶接部Ｗｃの熱影響層Ｗａの厚みＴＨ、肉盛り部Ｗｄや表面改質部Ｗｅの熱影響層Ｗａの厚みＴＨなどが、加工処理を施された製品としての被加工部材Ｗにおいて許容できる範囲内の厚みである。
　また、許容厚みは、加工モードにより異なるが、穴あけ加工、切断加工の場合、レーザＬの照射方向（進行方向）に直交する方向の長さである。また、許容厚みは、加工モードが溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の場合、レーザＬの照射方向（進行方向）の長さ、および、レーザＬの照射方向に直交する方向の長さである。
　［第２実施形態］
　次に、第２実施形態に係る照射ヘッド１６について説明する。図２０は、第２実施形態に係る照射ヘッドの概略構成を示す説明図である。第２実施形態に係る照射ヘッド１６の基本的構成は、第１実施形態に係る加工装置１０の照射ヘッド１６と同様であるので、同一部分の構成の説明は省略する。第２実施形態に係る照射ヘッド１６は、コリメート光学系３４、レーザ旋回部３５、集光光学系３７のそれぞれのレーザＬの光路が直線状（同軸上）に並んで一体的に連結される。
　照射ヘッド１６は、図２０に示すように、コリメート光学系３４と、レーザ旋回部３５と、集光光学系３７と、ノズル３８と、を有する。照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されるレーザＬの光路において、上流側から下流側に向かって、コリメート光学系３４、レーザ旋回部３５、集光光学系３７、ノズル３８の順で配置される。照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されたレーザＬをノズル３８に対面する位置に配置された被加工部材Ｗに向けて照射する。
　レーザ旋回部３５は、第１回転機構５３で回転駆動され、第１プリズム５１を支持する中空筒状の第１スピンドル５５と、第２回転機構５４で回転駆動され、第２プリズム５２を支持する中空筒状の第２スピンドル５７と、を有する。これにより、照射ヘッド１６は、光路の中心Ｐ周りにレーザＬを回転させて、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの照射位置ＩＰを旋回させる。
　また、照射ヘッド１６は、第１回転機構５３および第２回転機構５４の回転数、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を制御することにより、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回径Ｒ、旋回数および軌跡ＴＲなどを加工モード等に合わせて変えることができる。
　［実験例］
　ここで、加工装置１０を用いて被加工部材Ｗに施した加工の実験例について説明する。図２１は、加工装置による被加工部材の加工例を示す図である。図２２は、図２１に示す被加工部材を反対側から見た図である。
　被加工部材Ｗに照射するレーザＬは、レーザピークパワーを１００Ｗ～２０ｋＷ、周波数を５Ｈｚ～１０ｋＨｚ、パルス幅を１μｓ～１００ｍｓ、照射時間を１０ｍｓ～１０Ｓ、焦点距離を４０～４００ｍｍ、旋回数を２０～５０００ｒｐｍとした。アシストガスは、圧力が０．１～１ＭＰａの酸素を用いたが、空気や窒素でもよいし、アルゴンガス（Ａｒ）やキセノンガス（Ｘｅ）等の希ガスでもよい。また、被加工部材Ｗは、厚さが０．５～１０ｍｍのインコネル（登録商標）を用いた。
　上記条件で加工装置１０により加工を行った結果を図２１および図２２に示す。ここで、図２１は、被加工部材Ｗの表面（レーザの入射側）を示し、図２２は、被加工部材Ｗの裏面を示す。本実験例では、図２１および図２２に示すように、被加工部材Ｗに穴Ｗｂを形成した。加工装置１０は、上記条件で加工を行うことで、レーザの照射時間が０．２Ｓであっても、穴Ｗｂの周囲にゆがみや凹凸が少なく、高い精度で加工できていることがわかった。
　以上のように、実施形態に係る加工装置１０によれば、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を変えるだけで、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回径Ｒを変えることができるので、加工装置１０、すなわちレーザ加工装置を簡単かつ小型な構成にすることができるという効果を奏する。また、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を制御し、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回径Ｒを変えることで、加工モードや加工条件により適した旋回径Ｒで加工処理を行うことができるようになる。これにより、要求される加工品質を満たすことができ、より高い精度の加工を高速で行うことが可能であるという効果を奏する。
　また、実施形態に係る加工装置１０によれば、第１プリズム５１と第２プリズム５２とを別々に制御するので、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回径Ｒを任意の旋回径Ｒに設定することができる。つまり、加工装置１０は、加工の種類（加工モード）に適したレーザＬを被加工部材Ｗに照射することができる。
　また、実施形態に係る加工装置１０によれば、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御装置３０で制御することにより、熱影響層Ｗａの厚みＴＨが許容厚みとなるように制御することができるので、被加工部材Ｗの熱影響層Ｗａを制御することができる。したがって、加工装置１０は、被加工部材Ｗに対して高精度で加工処理を施すことができる。
　なお、上記実施形態において、加工装置１０は、ファイバレーザ出力装置や短パルスレーザ出力装置を用いているが、これらに限定されず、被加工部材Ｗに対して加工処理を施すことができるレーザＬを出力するレーザ出力装置であればよい。これにより、加工装置１０は、種々のレーザ出力装置を利用することができ、加工用途に応じて適したレーザ出力装置を用いることができる。
　また、ファイバレーザ出力装置は、連続波発振（Continuous　Wave　Operation）あるいはパルス発振（Pulsed　Operation）のいずれかの方式を用いるレーザ出力装置であってもよい。ファイバレーザ出力装置は、連続波発振の場合、高出力を得やすいことから、切断加工や溶接加工などに好適に使用することができ、パルス発振の場合、熱的影響を抑えやすいことから、微細加工などに好適に使用することができる。
　また、ファイバレーザ出力装置は、被加工部材Ｗに照射するレーザＬの断面の光強度分布が、ガウシアンモード（シングルモード）あるいはマルチモードであってもよい。ファイバレーザ出力装置は、ガウシアンモードの場合、照射位置ＩＰのスポット径を絞り込みやすく、高出力を得やすいことから、溶接加工、切断加工および極微細な穴あけ加工などに好適に使用することができ、マルチモードの場合、母材への熱的影響を抑えやすいことから、表面改質加工、表面仕上げ加工およびブレージング加工などに好適に使用することができる。
　また、上記実施形態において、加工装置１０は、板状の被加工部材Ｗを加工しているが、被加工部材Ｗの形状は特に限定されず、種々の形状とすることができる。また、加工装置１０は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形を組み合わせて被加工部材Ｗに対して加工処理を施してもよい。また、加工装置１０は、レーザＬの照射位置ＩＰを制御することで、屈曲点を有する軌跡ＴＲで照射したり、湾曲形状を有する軌跡ＴＲで照射したりすることもできる。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗに対して、レーザＬを旋回しつつ照射する各種加工処理を施すことができる。
　また、加工装置１０は、加工精度を高くすることができるため、被加工部材Ｗとして鋼板などの金属材料を用いることが好ましいが、これに限定されず、被加工部材Ｗとして、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、繊維強化プラスチック、複合材、Ｎｉ基耐熱合金のうち少なくともいずれかの材料で作成されていればよい。また、加工装置１０は、熱影響（熱ダメージの影響）を低減や除去できるため、熱影響を低減や除去して加工を行う必要のある各種材料、複合材に用いることができる。これにより、加工装置１０は、種々の材料に対して加工処理を施すことができる。
　また、加工装置１０は、レーザＬの照射位置ＩＰと被加工部材Ｗとの相対位置を移動させるために、被加工部材Ｗを移動させてもよく、照射ヘッド１６を移動させてもよく、被加工部材Ｗと照射ヘッド１６とを移動させてもよい。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗに対してより高速で加工処理を施すことができる。
　また、上記実施形態において、被加工部材Ｗ上でレーザＬを旋回させつつ当該レーザの旋回径Ｒを変更する加工装置１０について説明したが、加工装置１０は、照射されるレーザＬの旋回径Ｒを変えた場合、旋回するレーザの照射位置ＩＰの移動速度（例えば、仮想円ＩＣ上の線速度）が一定となるように、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数を制御してもよい。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの照射位置ＩＰにおける単位時間当たりのエネルギを一定とすることができる。
　また、加工装置１０は、被加工部材Ｗにあけたパイロット穴を撮像手段４０で撮像し、撮像したパイロット穴の画像データから穴径を測定し、測定した穴径と照射したレーザＬの条件（ピーク出力やパルス幅、旋回数、旋回径Ｒなど）とから熱影響層Ｗａの厚みＴＨを推定し、推定した熱影響層Ｗａの厚みＴＨから該熱影響層Ｗａの許容厚みの範囲となるレーザＬの旋回数と旋回径Ｒとを決定し、決定したレーザＬの旋回数と旋回径Ｒとで第１中空モータ５６および第２中空モータ５８の回転数と位相角の差とを制御装置３０で制御し、本穴をあけてもよい。これにより、加工装置１０は、被加工部材Ｗの熱影響層Ｗａの厚みＴＨが許容厚みの範囲内となるように、より正確に制御することができる。
　また、加工装置１０は、Ｘ軸移動機構２２、Ｃ軸回転機構２４、Ｙ軸移動機構２６、Ｚ軸移動機構２８、割出機構３９、を用いて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｃ軸方向、首振り方向からなる５軸方向に加工ステージ２０と照射ヘッド１６とを相対的に移動させることで、被加工部材Ｗと照射するレーザＬとの相対位置関係を５軸方向に移動させてもよい。
　また、第１中空モータ５６および第２中空モータ５８のうち少なくとも一方は、超音波モータであってもよい。これにより、加工装置１０は、第１中空モータ５６および第２中空モータ５８の位相角（回転位置）の位置決め精度を容易に向上することができる。
　また、被加工部材Ｗに照射されるレーザＬの旋回数を上げたり、レーザＬのパルス幅を短くしたりしてもよい。これにより、加工装置１０は、熱影響層Ｗａの厚みＴＨをより薄くすることができる。
　また、被加工部材Ｗ上のレーザＬの照射位置ＩＰからの飛散物の量とレーザＬの旋回数との相関関係を定めた制御マップ（飛散物制御マップ）を参照し、第１プリズム５１および第２プリズム５２の回転数、第１プリズム５１と第２プリズム５２との位相角の差を決定し、決定した回転数と位相角の差とで第１中空モータ５６および第２中空モータ５８を回転させてもよい。これにより、加工装置１０は、熱影響層Ｗａの厚みＴＨと、飛散物の量とを抑えることができる。
　また、上記実施形態において、案内光学系１４は、光ファイバであるが、これに限定されず、ミラーやレンズを組み合わせ、レーザＬを反射や集光等して照射ヘッド１６に案内してもよい。これにより、照射ヘッド１６は、種々の加工装置で利用することができる。
　また、上記実施形態において、Ｘ軸移動機構２２により相対移動する加工ステージ２０について説明しているが、加工ステージ２０は、ＸＹステージまたはＸＹＺステージ等であってもよい。また、照射ヘッド１６をＸＹＺの三方向に相対移動させてもよく、照射ヘッド１６をアームで支持し、ＸＹＺの３軸方向に加え、Ｃ方向に移動させてもよい。これにより、加工装置１０は、例えば、既存の加工装置を利用することができる。
　１０　加工装置
　１２　レーザ発振器
　１４　案内光学系
　１６　照射ヘッド
　１６ａ　照射ヘッドカバー
　２０　加工ステージ
　２２　Ｘ軸移動機構
　２４　Ｃ軸回転機構
　２６　Ｙ軸移動機構
　２８　Ｚ軸移動機構
　３０　制御装置
　３２　門形ブリッジ
　３４　コリメート光学系
　３５　レーザ旋回部
　３６　反射光学系
　３７　集光光学系
　３８　ノズル
　３９　割出機構
　４０　撮像手段
　４１　ギャップ検出手段
　５１　第１プリズム
　５２　第２プリズム
　５３　第１回転機構
　５４　第２回転機構
　５５　第１スピンドル
　５６　第１中空モータ
　５７　第２スピンドル
　５８　第２中空モータ
　５９，６０　軸受
　６１，６３　中空ロータ
　６２，６４　ステータ
　６５　エンコーダ
　６６　識別子
　６７　検出部
　７１　第１反射ミラー
　７２　第２反射ミラー
　７３　筒部
　７４　ノズル装着部
　７５　継手部
　７７　透光部材
　７８　アシストガス供給源
　８１　割出軸
　８２　中空モータ
　８３　割出角度検出手段
　８４　軸受
　８５　中空ロータ
　８６　ステータ
　９１　溶接ワイヤ
　９２　肉盛り材ワイヤ
　ａ，ｂ，ｄ　矢印
　ＩＣ　仮想円
　　Ｄ，Ｄａ　照射幅
　ＩＰ，ＩＰａ，ＩＰｂ　照射位置
　　Ｌ　レーザ
　ＯＡ　光軸
　　Ｐ　中心
　　Ｒ，Ｒａ，Ｒｂ　旋回径
　ＴＨ　厚み
　ＴＲ，ＴＲａ，ＴＲｂ　軌跡
　　Ｗ　被加工部材
　Ｗ１　一方の被加工部材
　Ｗ２　他方の被加工部材
　Ｗａ　熱影響層
　Ｗｂ　穴
　Ｗｃ　溶接部
　Ｗｄ　肉盛り部
　Ｗｅ　表面改質部

Claims (12)

  1. 　被加工部材にレーザを照射して加工処理を行う加工装置であって、
    　前記レーザを前記被加工部材に対して旋回させるレーザ旋回部と、前記レーザ旋回部で旋回された前記レーザを集光させる集光光学系と、を有する、前記被加工部材に前記レーザを照射する照射ヘッドと、
    　前記照射ヘッドの動作を制御する制御装置と、を有し、
    　前記レーザ旋回部は、前記レーザを屈折させる第１プリズムと、前記第１プリズムと対面する位置に配置され当該第１プリズムから出力された前記レーザを屈折させる第２プリズムと、前記第１プリズムを回転させる第１回転機構と、前記第２プリズムを回転させる第２回転機構と、を有し、
    　前記制御装置は、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、の関係に基づいて、前記第１回転機構および前記第２回転機構を制御し、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを調整することを特徴とする加工装置。
  2. 　前記第１回転機構は、前記第１プリズムを保持し且つ前記レーザの光路の部分が中空の第１スピンドルと、前記第１スピンドルが回転自在に内挿され当該第１スピンドルを回転駆動する第１中空モータと、を有し、
    　前記第２回転機構は、前記第２プリズムを保持し且つ前記レーザの光路の部分が中空の第２スピンドルと、前記第２スピンドルが回転自在に内挿され当該第２スピンドルを回転駆動する第２中空モータと、を有していることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
  3. 　前記第１中空モータと前記第２中空モータとの位相角の差の誤差が０．１°以内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加工装置。
  4. 　前記加工処理は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の加工装置。
  5. 　前記制御装置は、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数を制御することで前記熱影響層の許容厚みを制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の加工装置。
  6. 　前記熱影響層は、再溶融層、酸化層、クラック、ドロスの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の加工装置。
  7. 　前記被加工部材は、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、耐熱鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、繊維強化プラスチック、複合材、Ｎｉ基耐熱合金のいずれかの材料で作成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の加工装置。
  8. 　前記制御装置は、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、前記レーザの旋回径と、の関係に基づいて、前記第１回転機構および前記第２回転機構を制御し、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを調整することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の加工装置。
  9. 　被加工部材にレーザを照射して加工処理を行う加工方法であって、
    　レーザを出力する出力ステップと、
    　少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射される前記レーザの旋回数と、の関係に基づいて、第１プリズムおよび第２プリズムの回転数と位相角の差とを決定する決定ステップと、
    　第１回転機構および第２回転機構を決定した回転数と位相角の差とで回転させる回転ステップと、
    　前記被加工部材に対して前記レーザを旋回させつつ照射する照射ステップと、を有することを特徴とする加工方法。
  10. 　前記加工処理は、切断加工、穴あけ加工、溶接加工、クラッディング加工、表面改質加工、表面仕上げ加工、レーザ積層造形の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９に記載の加工方法。
  11. 　前記熱影響層は、再溶融層、酸化層、クラック、ドロスの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の加工方法。
  12. 　前記決定ステップは、少なくとも前記被加工部材の熱影響層の許容厚みと、前記被加工部材に照射させる前記レーザの旋回数と、前記レーザの旋回径と、の関係に基づいて、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムの回転数と位相角の差とを決定することを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載の加工方法。
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