WO2016059915A1 - ダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた板金の加工方法 - Google Patents

ダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた板金の加工方法 Download PDF

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WO2016059915A1
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laser light
processing apparatus
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かおり 臼田
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株式会社アマダホールディングス
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    • 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
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0613—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams having a common axis
    • B23K26/0617—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams having a common axis and with spots spaced along the common axis
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    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting

Definitions

  • the present invention relates to a direct diode laser processing apparatus and a sheet metal processing method using the same.
  • a laser processing apparatus for processing a sheet metal an apparatus using a carbon dioxide gas (CO 2 ) laser oscillator, a YAG laser oscillator, or a fiber laser oscillator as a laser light source is known.
  • CO 2 carbon dioxide gas
  • the fiber laser oscillator has advantages such as better light quality and extremely high oscillation efficiency than the YAG laser oscillator. For this reason, a fiber laser processing apparatus using a fiber laser oscillator is used for industrial purposes, particularly for sheet metal processing (cutting or welding).
  • DDL processing apparatus using a direct diode laser (DDL: Direct Diode Laser) oscillator as a laser light source
  • the DDL processing apparatus superimposes multiple-wavelength laser light using a plurality of laser diodes (LD) and transmits the laser light to the processing head using a transmission fiber. Then, the laser light emitted from the end face of the transmission fiber is condensed and irradiated on the workpiece by a collimator lens and a condenser lens.
  • LD laser diodes
  • Patent Document 1 in order to cut a thick plate, laser light of a single wavelength is condensed by a multifocal lens, It is known to form a plurality of focal points in the thickness direction of the workpiece.
  • Patent Document 1 does not perform processing using multi-wavelength laser light unlike a DDL processing apparatus, and at least one of a plurality of focal points in the thickness direction of the workpiece is the thickness of the workpiece.
  • the light intensity distribution in the thickness direction of the workpiece is not specifically studied.
  • Patent Document 1 the absorption rate at each beam waist is substantially uniform. For this reason, there is a problem that even if the effective Rayleigh length can be extended, it is not possible to cope with the change in absorption rate depending on the wavelength when processing using a multi-wavelength laser beam by the DDL processing apparatus. .
  • the present invention has been made in view of the above problems, and according to the present invention, when processing using multi-wavelength laser light, the light intensity in the thickness direction of the workpiece is cut by a thick plate.
  • a direct diode laser processing apparatus capable of providing a distribution suitable for the above and a sheet metal processing method using the same can be provided.
  • a laser oscillator that oscillates multi-wavelength laser light
  • a transmission fiber that transmits multi-wavelength laser light oscillated by the laser oscillator, and a multi-wavelength laser light transmitted by the transmission fiber
  • a laser processing machine for processing the workpiece by concentrating the light, and based on the wavelength dependence of the chromatic aberration of the multi-wavelength laser light and the emissivity of the workpiece, the light intensity in the thickness direction of the workpiece
  • a direct diode laser processing apparatus configured to have a plurality of peaks in a distribution and a sheet metal processing method using the same are provided.
  • FIG. 2A is a front view showing an example of a laser oscillator according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a side view showing an example of a laser oscillator according to the embodiment of the present invention.
  • It is the schematic which shows an example of the DDL module which concerns on embodiment of this invention.
  • It is the schematic which shows an example of the processing optical system which concerns on embodiment of this invention. It is a graph showing each wavelength beam radius with respect to the optical axis near a condensing point, and the synthetic beam radius of 4 wavelengths. It is a graph showing the peak intensity with respect to the optical axis near a condensing point. It is a graph showing the synthetic beam radius of 4 wavelengths which multiplied the absorption factor of iron and copper. It is a graph showing the peak intensity with respect to the optical axis which multiplied the absorption factor of iron and copper.
  • a DDL processing apparatus includes a laser oscillator 11 that oscillates multi-wavelength laser light LB, and a transmission fiber (process) that transmits the laser light LB oscillated by the laser oscillator 11.
  • Fiber) 12 and a laser beam machine 13 for condensing the laser beam LB transmitted by the transmission fiber 12 to a high energy density and irradiating the workpiece (workpiece) W.
  • the laser processing machine 13 includes a collimator unit 14 that converts the laser light LB emitted from the transmission fiber 12 into substantially parallel light by the collimator lens 15, and the laser light LB converted to substantially parallel light in the X-axis and Y-axis directions.
  • a bending mirror 16 that reflects downward in the Z-axis direction perpendicular to the laser beam, and a processing head 17 that condenses the laser beam LB reflected by the bending mirror 16 with a condenser lens 18.
  • a general lens such as a quartz plano-convex lens can be used.
  • a lens driving unit that drives the collimator lens 15 in a direction parallel to the optical axis (X-axis direction) is installed in the collimator unit 14.
  • the DDL processing apparatus further includes a control unit that controls the lens driving unit.
  • the laser processing machine 13 further includes a processing table 21 on which the workpiece W is placed, a portal X-axis carriage 22 that moves in the X-axis direction on the processing table 21, and an X-axis direction on the X-axis carriage 22. And a Y-axis carriage 23 that moves in the Y-axis direction perpendicular to the axis.
  • the X-axis carriage 22 has a pair of legs and is configured in a ⁇ shape (bridge shape) so as to straddle the non-processed material W.
  • the collimator lens 15 in the collimator unit 14, the bend mirror 16, and the condensing lens 18 in the processing head 17 are fixed to the Y-axis carriage 23 in a state where the optical axis has been adjusted in advance. Move in the axial direction. It is also possible to provide a Z-axis carriage that can move in the vertical direction with respect to the Y-axis carriage 23 and to provide the condenser lens 18 on the Z-axis carriage.
  • the DDL processing apparatus irradiates the workpiece W with the laser beam LB having the smallest condensing diameter (minimum condensing diameter) condensed by the condensing lens 18 and coaxially assist gas.
  • the X-axis carriage 22 and the Y-axis carriage 23 are moved while the melt is removed by spraying. Thereby, the DDL processing apparatus can cut the workpiece W.
  • the workpiece W include various materials such as stainless steel, mild steel, and aluminum.
  • the thickness of the workpiece W is, for example, about 0.1 mm to 100 mm. In the embodiment of the present invention, the thickness of the workpiece W is preferably 15 mm or more, may be 2 mm or more, and may be 30 mm. The thickness is preferably 100 mm or less.
  • the laser oscillator 11 will be described with reference to FIGS. 2A and 2B, the laser oscillator 11 includes a housing 60, the DDL module 10 housed in the housing 60 and connected to the transmission fiber 12, and the housing 60.
  • a power supply unit 61 that is housed in the DDL module 10 and supplies power to the DDL module 10
  • a control module 62 that is housed in the housing 60 and controls the output of the DDL module 10, and the like are provided.
  • An air conditioner 63 that adjusts the temperature and humidity in the housing 60 is installed outside the housing 60.
  • the DDL module 10 includes a DDL unit 10 a and a condensing lens 54 arranged at the subsequent stage of the DDL unit 10 a.
  • the DDL unit 10a includes a plurality of laser diodes (hereinafter referred to as “LD”) that output laser beams of multiple wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 ,..., ⁇ n (hereinafter referred to as ⁇ i ⁇ ). ) 3 1 , 3 2 , 3 3 ,... 3 n (n is an integer greater than or equal to 4), and LD 3 1 , 3 2 , 3 3 ,... 3 n are connected to fibers 4 1 , 4 2 , 4 3 , ... 4 n and a spectral beam combining unit 50 that performs spectral beam combining on the laser light of multiple wavelengths ⁇ i ⁇ .
  • LD laser diodes
  • the plurality of LD3 1 , 3 2 , 3 3 ,... 3 n (hereinafter referred to as a plurality of LD3), various semiconductor lasers can be employed.
  • the combination of the type and number of the plurality of LDs 3 is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the purpose of sheet metal processing.
  • the wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 ,..., ⁇ n of the plurality of LDs 3 can be selected, for example, to be less than 1000 nm, selected from the range of 800 nm to 990 nm, or selected from the range of 910 nm to 950 nm. it can.
  • the laser light of multiple wavelengths ⁇ i ⁇ is controlled by group (block) management for each wavelength or wavelength band, and the output can be variably adjusted for each wavelength or wavelength band.
  • the output of the entire wavelength band can be adjusted so that the absorptance is constant.
  • the LDs 3 1 , 3 2 , 3 3 ,... 3 n are simultaneously operated, and an appropriate assist gas such as oxygen or nitrogen is blown near the focal position.
  • an appropriate assist gas such as oxygen or nitrogen
  • the laser beams of the respective wavelengths from the LD 3 1 , 3 2 , 3 3 ,... 3 n cooperate with each other and also with the assist gas such as oxygen to melt the workpiece at a high speed. Further, the molten work material is blown off by the assist gas, and the work is cut at a high speed.
  • the spectral beam combining unit 50 includes a fixing unit 51 that bundles and fixes the emission ends of the fibers 4 1 , 4 2 , 4 3 ,... 4 n to form a fiber array 4, and fibers 4 1 , 4 2 , 4 3. ,... 4 n Collimator lens 52 that collimates laser light from n, diffraction grating 53 that diffracts multi-wavelength ⁇ i ⁇ laser light and matches the optical axis, and a plurality of LDs 3
  • a partial reflection coupler 55 constituting a resonator is provided with a reflection surface provided at the end.
  • the arrangement position of the partial reflection coupler 55 is merely an example, and is not particularly limited thereto.
  • the DDL module 10 further includes DDL units 10b and 10c having a wavelength band different from that of the DDL unit 10a, and dichroic filters 56 and 57 disposed between the DDL unit 10a and the condenser lens 54.
  • the DDL units 10b and 10c have the same configuration as the DDL unit 10a except that the wavelength bands are different.
  • the wavelength band of the DDL unit 10a can be 900 nm or more and less than 1000 nm
  • the wavelength band of the DDL unit 10b can be 800 nm or more and less than 900 nm
  • the wavelength band of the DDL unit 10c can be 400 nm or more and less than 500 nm.
  • the output can be variably adjusted in units of DDL units 10a, 10b, and 10c (that is, in units of wavelength bands).
  • the dichroic filters 56 and 57 further spectrally combine the laser light combined with the spectral beam by the DDL unit 10a and the laser light combined with the spectral beam by the DDL units 10b and 10c, respectively.
  • the condensing lens 54 condenses the laser light from the dichroic filter 57 and makes it incident on the transmission fiber 12.
  • the DDL units 10b and 10c and the dichroic filters 56 and 57 may not be provided.
  • 3 shows three DDL units 10a, 10b, and 10c. However, two DDL units and one dichroic filter may not be provided, and four or more DDL units and three or more corresponding dichroic filters may be provided. You may have. Further, the wavelength bands and wavelength ranges of the DDL units 10a, 10b, and 10c are not particularly limited.
  • the beam waist (beam ⁇ west ⁇ diameter) for each wavelength of multi-wavelength laser light is, for example, about 100 ⁇ m to 400 ⁇ m, and these multiple diameters are used. Make multi-focus.
  • the beam waist is formed by an optical element having an incident diameter of the condenser lens 18 of about 2 mm to 20 mm and a focal length of 50 mm to 300 mm.
  • the axis perpendicular to the cut surface of the workpiece W is assumed to be an incident angle of 0 °, and when the incident angle is 0 to 40 °, the wavelength on the short wavelength side
  • the output of the band can be made higher than the wavelength band on the long wavelength side.
  • the cutting speed of the workpiece W can be selected, for example, in the range of 60 m / min to 250 m / min.
  • the emissivity of the workpiece W also varies depending on the wavelength.
  • the emissivity is a ratio in which the energy of light emitted from an object by thermal radiation is compared with a complete radiator (black body), and varies depending on the wavelength.
  • the emissivity and the absorptivity are equal according to Kirchhoff's law.
  • the shorter the wavelength the higher the emissivity, in other words, the shorter wavelength laser light has a higher energy absorption rate into the workpiece W.
  • the emissivity depends on the wavelength, varies depending on the material of the workpiece W, and also varies depending on the surface roughness and the state of the oxide film.
  • the wavelength dependence of the chromatic aberration and the emissivity of the workpiece W is effectively used so that the light intensity distribution forms a plurality of peaks in the thickness direction of the workpiece W.
  • the output of multi-wavelength laser light is controlled.
  • the shortest wavelength side peak among the plurality of peaks is located in the vicinity of the surface of the workpiece W.
  • two or more of the plurality of peaks are located within or near the range of the thickness of the workpiece W (the front surface or the back surface of the workpiece W).
  • the peak on the short wavelength side is preferably near the surface of the workpiece W
  • the peak on the long wavelength side is preferably near the back surface of the workpiece W.
  • the peak intensity on the short wavelength side is preferably larger than the peak intensity on the long wavelength side (the back surface side of the workpiece W).
  • the light intensity distribution including the positions and intensities of a plurality of peaks can be controlled by adjusting the output of multi-wavelength laser light in the laser oscillator 11.
  • laser beams having at least two wavelengths are output one by one from different blocks.
  • two peaks can be formed by outputting a combination of at least one laser beam having a wavelength band of 400 to 500 nm and a laser beam having a wavelength band of 800 to 1000 nm.
  • one peak can be formed and the peak intensity can be increased.
  • it is possible to increase the intensity of one peak by combining and outputting laser beams having three different wavelengths from the wavelength band of 800 to 1000 nm.
  • the thickness of the workpiece W such as a sheet metal is assumed to be 15 to 20 mm.
  • the laser oscillator 11 oscillates laser light having four wavelengths of 400 nm, 808 nm, 915 nm, and 980 nm to perform beam spectrum combination.
  • the laser beam after the beam spectrum combination is propagated through the transmission fiber 12.
  • the beam parameter product (BPP) of the LD was 8 mm ⁇ mrad for each wavelength.
  • the distance d0 between the exit end of the transmission fiber 12 and the collimator lens 15 was 97.8 mm
  • the distance d1 between the collimator lens 15 and the condenser lens 18 was 244.6 mm
  • the distances d2 between the condenser lens 18 and the beam waist (processing point) were set to 146.8 mm, 160.5 mm, 161.9 mm, and 162.6 mm at 400 nm, 808 nm, 915 nm, and 980 nm, respectively. Since the condensing point varies depending on chromatic aberration, the condensing point on the shortest wavelength (400 nm) side is matched with the surface of the workpiece W.
  • FIG. 5 shows the beam radius of each wavelength and the combined beam radius of 4 wavelengths with respect to the optical axis near the focal point.
  • the combined beam radius when there is no chromatic aberration in chromatic aberration correction or the like overlaps the beam radius of a single wavelength of 400 nm.
  • the beam radius is generally the distance from the optical axis of 1 / e 2 of the peak of the Gaussian intensity distribution, but the combined beam radius combines the intensity distribution with the output of each wavelength beam being the same, and 1 / e of the peak. 2 from the optical axis.
  • the 400 nm beam is condensed on the surface of the workpiece W.
  • FIG. 6 shows the relationship of peak intensity to the optical axis.
  • the peak intensity I the peak intensity at the condensing point of the combined beam when there is no aberration as a comparative example was set to 1.
  • a sufficient peak intensity can be obtained even near the surface of the workpiece W when a thick plate of 15 to 20 mm is cut, and the light intensity can be increased even when approaching the back side of the workpiece W. Can be maintained, and the occurrence of dross can be prevented.
  • the reflectance tends to be low (in other words, the absorptance is high).
  • iron has a reflectance of about 60% at a wavelength of about 1000 nm of laser light at room temperature, whereas the reflectance is reduced to about 40% at a wavelength of about 400 nm.
  • gold and copper have a remarkable tendency for the reflectance to decrease.
  • copper has a reflectivity of about 90% at a laser beam wavelength of about 1000 nm at room temperature, the reflectivity suddenly decreases from around the wavelength of 600 nm, and the reflectivity drops to about 30% at a wavelength of about 400 nm. To do.
  • the Fe absorptance was 53% at a wavelength of 400 nm, 45% at a wavelength of 808 nm, 42.5% at a wavelength of 915 nm, and 40% at a wavelength of 980 nm.
  • the Cu absorptance was 70% at a wavelength of 400 nm and 10% at a wavelength of 808 to 980 nm.
  • a light intensity distribution suitable for cutting a copper plate of about 15 mm to 20 mm as the workpiece W is formed. be able to.
  • the peak intensity on the surface side (short wavelength side) of the workpiece W is increased on the back side (long wavelength side). ) Peak intensity.
  • the longest wavelength from the uppermost end of the laser beam Rayleigh region of the focal length on the shortest wavelength side of the multi-wavelength laser beam that is, the region covered by the Rayleigh length above and below the beam waist in the laser beam. It is desirable that the distance to the lowest end of the Rayleigh region of the laser beam with the focal length on the side is substantially equal to the thickness of the workpiece.
  • the embodiment of the present invention when processing is performed using multi-wavelength laser light, based on the wavelength dependence of the chromatic aberration of the multi-wavelength laser light and the emissivity of the workpiece.
  • the output of the multi-wavelength laser light so as to have a plurality of peaks in the thickness direction of the work material, it is possible to obtain a light intensity distribution suitable for the work material W, particularly for cutting a thick plate It can be suitable for.
  • the present invention is not particularly limited thereto.
  • the number of peaks in the light intensity distribution may be three or more, and is determined as appropriate according to the type of workpiece W, the output of laser light, and the like.
  • the sheet metal processing by the DDL processing apparatus can be applied to various sheet metal processing such as laser forming processing, annealing, annealing, and ablation in addition to cutting processing.
  • a direct diode laser processing apparatus capable of making the light intensity in the thickness direction of a workpiece suitable for cutting a thick plate and A sheet metal processing method using the same can be provided.

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Abstract

　多波長のレーザ光を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して被加工材を加工するレーザ加工機とを備え、多波長のレーザ光の色収差及び前記被加工材の放射率の波長依存性に基づいて、被加工材の厚さ方向における光強度分布が複数のピークを有する。

Description

ダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた板金の加工方法
　本発明は、ダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた板金の加工方法
に関する。
　従来、板金加工用のレーザ加工装置として、炭酸ガス（ＣＯ２）レーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器、ファイバレーザ発振器をレーザ光源として用いたものが知られている。ファイバレーザ発振器は、ＹＡＧレーザ発振器よりも光品質に優れ、発振効率が極めて高い等の利点を有する。このため、ファイバレーザ発振器を用いたファイバレーザ加工装置は、産業用、特に板金加工用（切断又は溶接等）に利用されている。
　更に近年では、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ：Direct Diode Laser）発振器をレーザ光源として用いるＤＤＬ加工装置が開発されている。ＤＤＬ加工装置は、複数のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）を用いて多波長（multiple-wavelength）のレーザ光を重畳し、伝送ファイバを用いて加工ヘッドまで伝送する。そして、伝送ファイバの端面から射出されたレーザ光は、コリメータレンズ及び集光レンズ等により被加工材上に集光されて照射される。
　ところで、ファイバレーザ加工装置に関して、国際公開公報ＷＯ２０１０／０３４６０３号（特許文献１）に例示されるように、厚板を切断するために、単波長のレーザ光を多焦点レンズにより集光し、被加工材の厚さ方向において複数の焦点を形成することが知られている。
　しかしながら、特許文献１は、ＤＤＬ加工装置のように多波長のレーザ光を用いて加工を行うものではないうえ、被加工材の厚さ方向の複数の焦点の少なくとも一つを被加工材の厚さ範囲内に位置させるに留まり、被加工材の厚さ方向においてどのような光強度分布とするかは具体的に検討されていない。
　また、特許文献１では、各ビームウエストでの吸収率は略一様である。このため、実効的なレイリー長を伸ばすことはできても、ＤＤＬ加工装置により多波長のレーザ光を用いて加工する際の、波長に依存した吸収率の変化には対応できないという課題があった。
　本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、本発明によれば、多波長のレーザ光を用いて加工を行う際に、被加工材の厚さ方向における光強度を厚板の切断に適した分布とすることができるダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた板金の加工方法を提供することができる。
　本発明の一態様によれば、多波長のレーザ光を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して被加工材を加工するレーザ加工機とを備え、多波長のレーザ光の色収差及び被加工材の放射率の波長依存性に基づいて、被加工材の厚さ方向における光強度分布が複数のピークを有するように構成されるダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた板金の加工方法が提供される。
本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置の一例を示す斜視図である。 図２（ａ）は、本発明の実施形態に係るレーザ発振器の一例を示す正面図である。図２（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ発振器の一例を示す側面図である。 本発明の実施形態に係るＤＤＬモジュールの一例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る加工光学系の一例を示す概略図である。 集光点付近の光軸に対する各波長ビーム半径及び４波長の合成ビーム半径を表すグラフである。 集光点付近の光軸に対するピーク強度を表すグラフである。 鉄と銅の吸収率を乗じた４波長の合成ビーム半径を表すグラフである。 鉄と銅の吸収率を乗じた光軸に対するピーク強度を表すグラフである。
　図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
　図１を参照して、本発明の実施形態に係るダイレクトダイオードレーザ（以下、「ＤＤＬ」という）加工装置の全体構成を説明する。本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置は、図１に示すように、多波長のレーザ光ＬＢを発振するレーザ発振器１１と、レーザ発振器１１により発振されたレーザ光ＬＢを伝送する伝送ファイバ（プロセスファイバ）１２と、伝送ファイバ１２により伝送されたレーザ光ＬＢを高エネルギー密度に集光させて被加工材（ワーク）Ｗに照射するレーザ加工機１３とを備える。
　レーザ加工機１３は、伝送ファイバ１２から射出されたレーザ光ＬＢをコリメータレンズ１５で略平行光に変換するコリメータユニット１４と、略平行光に変換されたレーザ光ＬＢを、Ｘ軸及びＹ軸方向に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射するベンドミラー１６と、ベンドミラー１６により反射されたレーザ光ＬＢを集光レンズ１８で集光する加工ヘッド１７とを備える。コリメータレンズ１５及び集光レンズ１８としては、例えば石英製の平凸レンズ等の一般的なレンズが使用可能である。
　なお、図１では図示を省略するが、コリメータユニット１４内には、コリメータレンズ１５を光軸に平行な方向（Ｘ軸方向）に駆動するレンズ駆動部が設置されている。また、ＤＤＬ加工装置は、レンズ駆動部を制御する制御部を更に備える。
　レーザ加工機１３は更に、被加工材Ｗが載置される加工テーブル２１と、加工テーブル２１上においてＸ軸方向に移動する門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上においてＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に移動するＹ軸キャリッジ２３とを備える。ここで、Ｘ軸キャリッジ２２は一対の脚部を有し非加工材Ｗをまたぐようにπ形状（ブリッジ形）に構成される。コリメータユニット１４内のコリメータレンズ１５、ベンドミラー１６、及び加工ヘッド１７内の集光レンズ１８は、予め光軸の調整が成された状態でＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３と共にＹ軸方向に移動する。なおＹ軸キャリッジ２３に対して上下方向へ移動可能なＺ軸キャリッジを設け、当該Ｚ軸キャリッジに集光レンズ１８を設けることも出来る。
　本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置は、集光レンズ１８により集光されて最も小さい集光直径（最小集光直径）のレーザ光ＬＢを被加工材Ｗに照射し、また同軸にアシストガスを噴射して溶融物を除去しながら、Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３を移動させる。これにより、ＤＤＬ加工装置は被加工材Ｗを切断加工することができる。被加工材Ｗとしては、ステンレス鋼、軟鋼、アルミニウム等の種々の材料が挙げられる。被加工材Ｗの厚さは、例えば０．１ｍｍ～１００ｍｍ程度である。本発明の実施形態においては、被加工材Ｗの厚さは、１５ｍｍ以上であるのが好ましく、２ｍｍ以上でも良く、また３０ｍｍでも良い。また当該厚さは、１００ｍｍ以下であるのが好ましい。
　図２及び図３を参照して、レーザ発振器１１について説明する。レーザ発振器１１は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、筐体６０と、筐体６０内に収容され、伝送ファイバ１２に接続されているＤＤＬモジュール１０と、筐体６０内に収容され、ＤＤＬモジュール１０に電力を供給する電源部６１と、筐体６０内に収容され、ＤＤＬモジュール１０の出力等を制御する制御モジュール６２等が設けられる。また、筐体６０の外側には、筐体６０内の温度及び湿度を調整する空調機器６３が設置される。
　ＤＤＬモジュール１０は、図３に示すように、ＤＤＬユニット１０ａと、ＤＤＬユニット１０ａの後段に配置された集光レンズ５４を備える。ＤＤＬユニット１０ａは、多波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎ（以下｛λｉ｝と表記する。）のレーザ光を出力する複数のレーザダイオード（以下、「ＬＤ」という）３１，３２，３３,・・・３ｎ（ｎは４以上の整数）と、ＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎにファイバ４１，４２，４３,・・・４ｎを介して接続され、多波長｛λｉ｝のレーザ光に対してスペクトルビーム結合（spectral beam combining）を行うスペクトルビーム結合部５０とを備える。
　複数のＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎ（以下複数のＬＤ３という。）としては、各種の半導体レーザが採用可能である。複数のＬＤ３の種類と数の組み合わせは特に限定されず、板金加工の目的に合わせて適宜選択可能である。複数のＬＤ３の波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎは、例えば１０００ｎｍ未満で選択したり、８００ｎｍ～９９０ｎｍの範囲で選択したり、９１０ｎｍ～９５０ｎｍの範囲で選択することができる。
　多波長｛λｉ｝のレーザ光は、例えば、波長毎又は波長帯域毎に群（ブロック）管理されて制御され、波長毎又は波長帯域毎に個別に出力を可変調節することができる。また、全波長帯域の出力を吸収率が一定となるよう調整することができる。
　切断加工に際しては、各ＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎを同時に動作させると共に、酸素、窒素等の適宜のアシストガスを焦点位置近傍へ吹き付ける。これにより、ＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎからの各波長のレーザ光が、相互に協働すると共に、酸素等のアシストガスとも協働してワークを高速で溶融する。また当該溶融ワーク材料がアシストガスにより吹き飛ばされてワークが高速で切断される。
　スペクトルビーム結合部５０は、ファイバ４１，４２，４３,・・・４ｎの射出端側を束ねて固定しファイバアレイ４とする固定部５１と、ファイバ４１，４２，４３,・・・４ｎからのレーザ光を平行光にするコリメータレンズ５２と、多波長｛λｉ｝のレーザ光を回折し光軸を一致させる回折格子（diffraction grating）５３と、複数のＬＤ３後端部に設けた反射面と共に共振器を構成する部分反射カプラ５５を備える。なお、部分反射カプラ５５の配置位置は一例であり、これに特に限定されるものではない。
　ＤＤＬモジュール１０は更に、図３に示すように、ＤＤＬユニット１０ａとは波長帯域が異なるＤＤＬユニット１０ｂ，１０ｃと、ＤＤＬユニット１０ａと集光レンズ５４との間に配置されたダイクロイックフィルタ５６，５７とを有する。ＤＤＬユニット１０ｂ，１０ｃは、波長帯域が異なる以外はＤＤＬユニット１０ａと同様の構成を有する。例えば、ＤＤＬユニット１０ａの波長帯域が９００ｎｍ以上、１０００ｎｍ未満であり、ＤＤＬユニット１０ｂの波長帯域が８００ｎｍ以上、９００ｎｍ未満であり、ＤＤＬユニット１０ｃの波長帯域が４００ｎｍ以上、５００ｎｍ未満とすることができる。また、ＤＤＬユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの単位（即ち、波長帯域単位）で出力を可変調節することができる。
　ダイクロイックフィルタ５６，５７は、ＤＤＬユニット１０ａでスペクトルビーム結合したレーザ光と、ＤＤＬユニット１０ｂ，１０ｃでそれぞれスペクトルビーム結合したレーザ光とを更にスペクトルビーム結合する。集光レンズ５４は、ダイクロイックフィルタ５７からのレーザ光を集光して伝送ファイバ１２へ入射させる。なお、波長範囲が比較的狭い場合には、ＤＤＬユニット１０ｂ，１０ｃ及びダイクロイックフィルタ５６，５７を備えなくてもよい。また、図３では３つのＤＤＬユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃを示したが、２つのＤＤＬユニット及び１つのダイクロイックフィルタを備えなくてもよく、４つ以上のＤＤＬユニット及び３つ以上の対応するダイクロイックフィルタを有してもよい。また、ＤＤＬユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃのそれぞれの波長帯域及び波長範囲は特に限定されない。
　このようなＤＤＬ加工装置による切断加工等の加工においては、多波長のレーザ光の波長毎のビームウエスト（beam west diameter）は、例えば１００μｍ～４００μｍ程度であって、これら複数の径で以って多焦点をなす。ビームウエストは、集光レンズ１８の入射径が２ｍｍ～２０ｍｍ程度であって、焦点距離が５０ｍｍ～３００ｍｍである光学要素により形成される。レーザ発振器１１の波長毎又は波長帯域毎の制御の出力可変調節において、被加工材Ｗの切断面に垂直な軸を入射角０°として、入射角が０～４０°においては短波長側の波長帯域の出力を、長波長側の波長帯域より高めることができる。被加工材Ｗの切断速度は、例えば６０ｍ／ｍｉｎ～２５０ｍ／ｍｉｎの範囲で選択できる。
　本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置においては、多波長のレーザ光を集光して加工を行うため、波長に依存して色収差が発生し、被加工材Ｗの厚さ方向に複数の焦点が形成される。一方、被加工材Ｗの放射率も波長に依存して変化する。ここで、放射率は、物体が熱放射で放出する光のエネルギーを完全放射体（黒体）と比較した比率であり波長により異なる。また、キルヒホッフの法則により放射率と吸収率は等しい。一般的には、波長が短くなるほど放射率が高く、換言すれば、短波長のレーザ光の方が被加工材Ｗへのエネルギー吸収率が高い。なお、放射率は波長に依存する他、被加工材Ｗの物質によっても異なり、更にはその表面粗さや酸化皮膜の状態によっても変化する。
　そこで、本発明の実施形態では、この色収差及び被加工材Ｗの放射率の波長依存性を有効に利用して、被加工材Ｗの厚さ方向において光強度分布が複数のピークを形成するように多波長のレーザ光の出力を制御する。その際、複数のピークのうちの最も短波長側のピークが、被加工材Ｗの表面近傍に位置するのが好ましい。これにより、被加工材Ｗの表面近傍の光強度を高めることができ、切断加工等の加工の高速化を図ることができる。
　複数のピークのうちの２つ以上のピークは、被加工材Ｗの厚さ（被加工材Ｗの表面乃至裏面）の範囲内又はその近傍に位置するのが好ましい。例えば、２つのピークを有しており、短波長側のピークが被加工材Ｗの表面近傍にあり、長波長側のピークが被加工材Ｗの裏面近傍にあることが好ましい。これにより、被加工材Ｗの表面近傍を抜けてからも、裏面近傍まで光強度を維持することができ、ドロスの発生を防止することができる。
　複数のピークのうちの短波長側（被加工材Ｗの表面側）のピークの強度は、長波長側（被加工材Ｗの裏面側）のピークの強度よりも大きいことが好ましい。これにより、被加工材Ｗの表面側において最も光強度を高めることができるので、切断加工等に適した光強度を維持することができる。
　複数のピークの位置及び強度を含む光強度分布は、レーザ発振器１１において多波長のレーザ光の出力を調整することにより制御することができる。例えば、レーザ発振器１１がＤＤＬユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃ毎のように波長帯域毎に群（ブロック）管理している場合には、異なるブロックから１つずつ、少なくとも２つの波長のレーザ光を出力する。例えば、４００～５００ｎｍの波長帯域の波長のレーザ光と、８００～１０００ｎｍの波長帯域の波長のレーザ光とを、少なくとも１つずつ組み合わせて出力することにより、２つのピークを形成することができる。
　また、同一ブロック内で比較的近い２つ以上の波長のレーザ光を出力することにより、１つのピークを形成し、且つそのピーク強度を高めることができる。例えば、８００～１０００ｎｍの波長帯域から３つの異なる波長のレーザ光を組み合わせて出力することにより、１つのピークの強度を高めて形成することができる。
　＜実施例＞
　次に、本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置を用いた切断加工の実施例を説明する。この実施例では、板金の如き被加工材Ｗの板厚として１５～２０ｍｍを想定している。レーザ発振器１１において、４００ｎｍ、８０８ｎｍ、９１５ｎｍ、９８０ｎｍの４つの波長のレーザ光を発振し、ビームスペクトル結合を行う。ビームスペクトル結合後のレーザ光を伝送ファイバ１２にて伝搬する。伝送ファイバ１２から射出されたレーザ光を、コリメータレンズ１５として一般的な合成石英製の平凸レンズ（ｆ＝１００ｍｍ、設計波長５４６．１ｎｍ）を用いてコリメートし、集光レンズ１８として合成石英製の平凸レンズ（ｆ＝１５０ｍｍ、設計波長５４６．１ｎｍ）を用いて集光する。なお、ＬＤのビームパラメータ積（ＢＰＰ）は各波長とも８ｍｍ・ｍｒａｄとした。
　図４に示すように、伝送ファイバ１２の射出端とコリメータレンズ１５との距離ｄ０を９７．８ｍｍ、コリメータレンズ１５と集光レンズ１８との距離ｄ１を２４４．６ｍｍとした。集光レンズ１８とビームウエスト（加工点）との距離ｄ２は、４００ｎｍ、８０８ｎｍ、９１５ｎｍ、９８０ｎｍでそれぞれ、１４６．８ｍｍ、１６０．５ｍｍ、１６１．９ｍｍ、１６２．６ｍｍとした。色収差により集光点が異なるため、最も短波長（４００ｎｍ）側の集光点を、被加工材Ｗの表面に一致させる。
　図５に、集光点付近の光軸に対する各波長のビーム半径及び４波長の合成ビーム半径を示す。光軸Ｚ＝０ｍｍ（ｆ＝１５０ｍｍ、集光レンズ１８主点からの距離１４６．８ｍｍ）が被加工材Ｗの表面であり、光軸の正の方向が被加工材Ｗの厚さ方向である。なお、比較例としての、色収差補正などで色収差がないときの合成ビーム半径は、単波長の４００ｎｍのビーム半径と重なる。ビーム半径は、一般的にガウシアン強度分布のピークの１／ｅ２の光軸からの距離であるが、合成ビーム半径は各波長ビームの出力を同じとして強度分布を合成し、ピークの１／ｅ２の光軸からの距離とする。
　図５から理解されるように、この実施例では、４００ｎｍのビームは、被加工材Ｗの表面で集光する。一方、８０８ｎｍ、８１５ｎｍ、８９０ｎｍのビームはＺ＝１４ｍｍ～１６ｍｍに集光する。従って、被加工材Ｗの板厚が１５ｍｍ程度の場合は、８０８ｎｍ、８１５ｎｍ、８９０ｎｍのビームは何れも被加工材Ｗの裏面近傍で集光し、板厚が１５ｍｍ以上の場合は、被加工材Ｗの裏面に近い内部で集光する。
　図６に、光軸に対するピーク強度の関係を表わす。ピーク強度Ｉは比較例としての収差がないときの合成ビームの集光点でのピーク強度を１とした。図６に示すように、収差がないときの合成ビームでは、Ｚ＝０ｍｍに高いピークがあるが、厚さ方向へ急激に強度が小さくなっていることが分かる。従って、比較例のように、収差がないときの合成ビームで厚板切断を行うと、被加工材Ｗ表面では十分なピーク強度を得られるが、過剰な光強度となりやすく、被加工材Ｗが厚くなるほど被加工材Ｗの裏面に近づいたときのピーク強度が低くなり、ドロスが発生しやすくなる。
　一方、図６に示すように、本発明の実施例である収差がある合成ビームでは、Ｚ＝０ｍｍとＺ＝１５ｍｍに２つのピークを有する。Ｚ＝０ｍｍのピークは、波長４００ｎｍのレーザ光が寄与して形成されており、Ｚ＝１５ｍｍのピークは、３つの波長８０８ｎｍ、９１５ｎｍ、９８０ｎｍのレーザ光が寄与して形成されている。このような合成ビームを用いれば、１５～２０ｍｍの厚板を切断するときに、被加工材Ｗ表面近傍でも十分なピーク強度を得られ、被加工材Ｗの裏面側に近づいても光強度を維持することができ、ドロスの発生を防止することができる。
　なお、図５及び図６においては、全ての光が光軸Ｚまで届くとしているが、実際は、Ｚ＞０のポイントでは切断被加工材Ｗのカーフ幅を超える光、つまりビームの裾側は被加工材Ｗの表面で蹴られ、ピーク強度の高い中心部分だけがＺ＞０のポイントまで届く。カーフで蹴られる光は、切断周辺の被加工材Ｗの温度を上げることによって、切断を促している。
　レーザ光の波長と反射率の関係について説明する。多くの金属材料において、レーザ光の波長が短くなると反射率が低くなる（換言すれば、吸収率が高くなる）傾向がみられる。例えば、鉄は、常温においてレーザ光の波長１０００ｎｍ程度では反射率は６０％程度であるのに対して、波長４００ｎｍ程度では反射率は４０％程度まで低下する。特に金や銅は、反射率が低下する傾向が顕著である。例えば銅は、常温においてレーザ光の波長１０００ｎｍ程度では反射率は９０％程度であるのに対して、波長６００ｎｍ付近から急激に反射率が低くなり、波長４００ｎｍ程度では反射率は３０％程度まで低下する。
　上記図５及び図６において、鉄と銅の吸収率（＝１００％－反射率％）を乗じたものを図７及び図８にそれぞれ示す。Ｆｅ吸収率は、波長４００ｎｍで５３％、波長８０８ｎｍで４５％、波長９１５ｎｍで４２．５％、波長９８０ｎｍで４０％とした。Ｃｕ吸収率は、波長４００ｎｍで７０％、波長８０８～９８０ｎｍで１０％とした。特に銅の場合、波長４００ｎｍにて他の波長に対して７倍の吸収率であるため、被加工材の裏面側（Ｚ＝１５ｍｍ）のピークよりも、被加工材の表面側（Ｚ＝０）のピークが高く、好ましい光強度分布となる。
　したがって、図５及び図６に示す合成ビームとなるように多波長のレーザ光の出力を制御することにより、被加工材Ｗとして１５ｍｍ～２０ｍｍ程度の銅板の切断に適した光強度分布を形成することができる。一方、被加工材Ｗが鉄の場合には、被加工材の裏面側（Ｚ＝１５ｍｍ）のピークよりも、被加工材の表面側（Ｚ＝０）のピークが低くなっているが、長波長（８０８～９８０ｎｍ）側の出力に対して短波長（４００ｎｍ）側の出力を相対的に高めることにより、被加工材Ｗの表面側（短波長側）のピーク強度を裏面側（長波長側）のピーク強度よりも大きくすることができる。
　なお上記において、多波長のレーザ光の最も短波長側の焦点距離のレーザ光のレイリー領域、すなわち当該レーザ光において、ビームウエストの上下のレイリー長でカバーされる領域の最上端から、最も長波長側の焦点距離のレーザ光のレイリー領域の最下端までの距離が、ワークの板厚とほぼ等しいのが望ましい。
　以上説明したように、本発明の実施形態によれば、多波長のレーザ光を用いて加工を行う際に、多波長のレーザ光の色収差及び被加工材の放射率の波長依存性に基づいて、被加工材の厚さ方向に複数のピークを有するように多波長のレーザ光の出力を制御することにより、被加工材Ｗに適した光強度分布とすることができ、特に厚板の切断に適したものとすることができる。
　また、複数のＬＤ３を同時に動作させると共に、酸素、窒素等の適宜のアシストガスを焦点位置近傍へ吹き付けることにより、高速切断が可能となる。
　（その他の実施形態）
　本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
　本発明の実施形態では、光強度分布が２つのピークを有する場合を主に説明したが、特にこれに限定されない。光強度分布のピーク数は３つ以上であってもよく、被加工材Ｗの種類やレーザ光の出力等に応じて適宜決定される。
　本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置による板金加工としては、切断加工の他にも、レーザフォーミング加工、焼鈍、アニーリング及びアブレーション等の種々の板金加工に適用可能である。
　このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
　本発明によれば、多波長のレーザ光を用いて加工を行う際に、被加工材の厚さ方向における光強度を厚板の切断に適した分布とすることができるダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた板金の加工方法を提供することができる。
　（米国指定）
　本国際特許出願は米国指定に関し、２０１４年１０月１４日に出願された日本国特許出願第２０１４－２０９９０８号について米国特許法第１１９条（ａ）に基づく優先権の利益を援用し、当該開示内容を引用する。
 

Claims (13)

  1. 　多波長のレーザ光を発振するレーザ発振器と、
    　前記レーザ発振器により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、
    　前記伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して被加工材を加工するレーザ加工機とを備え、
    　前記多波長のレーザ光の色収差及び前記被加工材の放射率の波長依存性に基づいて、前記被加工材の厚さ方向における光強度分布が複数のピークを有することを特徴とするダイレクトダイオードレーザ加工装置。
  2. 　前記被加工材の厚さの範囲内に２つのピークを有することを特徴とする請求項１に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
  3. 　前記被加工材の表面側のピークが前記被加工材の表面近傍に位置し、前記被加工材の裏面側のピークが前記被加工材の裏面近傍に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
  4. 　前記被加工材の表面側のピークが前記被加工材の裏面側のピークよりも大きいことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
  5. 　前記多波長のレーザ光は、４００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲の波長を有することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
  6. 　前記多波長のレーザ光は、４００～５００ｎｍの範囲の少なくとも１つの波長のレーザ光と、８００～１０００ｎｍの範囲の少なくとも１つの波長のレーザ光とを組み合わせることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
  7. 　前記被加工材の板厚が１５ｍｍ～２０ｍｍであることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
  8. 　前記レーザ発振器が、前記多波長のレーザ光を波長毎又は波長帯域毎に出力を制御することを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
  9. 　前記被加工材の長波長側の反射率が、短波長側の反射率よりも高いほど、前記多波長のレーザ光の低波長側の出力を高めることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
  10. 　前記多波長のレーザ光の最も短波長側の焦点距離のレーザ光のレイリー領域の最上端から、最も長波長側の焦点距離のレーザ光のレイリー領域の最下端までの距離は、前記被加工材の板厚と略等しいことを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
  11. 　請求項１～１０のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置を用いて、板厚１５ｍｍ～２０ｍｍの板金の加工方法であって、
    　前記板金の厚さ方向に異なる焦点位置を有する多波長のレーザ光を、前記板金の所定加工位置に同時に照射するステップと、
    　アシストガスを当該加工位置へ吹き付けるステップ
    　と、を含むことを特徴とする板金の加工方法。
  12. 　多波長のレーザ光を発振するレーザ発振器と、前記レーザ発振器により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、前記伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して被加工材を加工するレーザ加工機とを備えたダイレクトダイオードレーザ加工装置を用いた板金の加工方法であって、
    　前記多波長のレーザ光のうち、短波長のレーザ光を前記板金の表面に集光し、長波長のレーザ光を、前記板金内部に集光することを特徴とする板金の加工方法。
  13. 　前記長波長のレーザ光は、前記板金の裏面近傍に集光されることを特徴とする請求項１２に記載の板金の加工方法。
     
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