WO2016199514A1 - レーザ加工機及びレーザ切断方法 - Google Patents

レーザ加工機及びレーザ切断方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2016199514A1
WO2016199514A1 PCT/JP2016/063041 JP2016063041W WO2016199514A1 WO 2016199514 A1 WO2016199514 A1 WO 2016199514A1 JP 2016063041 W JP2016063041 W JP 2016063041W WO 2016199514 A1 WO2016199514 A1 WO 2016199514A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser
condensing
oscillator
laser beam
lens
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/063041
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
宏 迫
宏明 石黒
明彦 杉山
祐也 溝口
Original Assignee
株式会社アマダホールディングス
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社アマダホールディングス filed Critical 株式会社アマダホールディングス
Priority to EP16807221.3A priority Critical patent/EP3308896B1/en
Priority to US15/578,893 priority patent/US10300558B2/en
Priority to CN201680033382.5A priority patent/CN107614184B/zh
Publication of WO2016199514A1 publication Critical patent/WO2016199514A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • 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
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • 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
    • B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • 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
    • B23K26/067—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • 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
    • B23K26/067—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing
    • B23K26/0676—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing into dependently operating sub-beams, e.g. an array of spots with fixed spatial relationship or for performing simultaneously identical operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/142—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor for the removal of by-products

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser processing machine and a laser cutting method.
  • laser oscillators such as CO 2 laser oscillators, YAG laser oscillators, disk laser oscillators, fiber laser oscillators, and direct diode laser oscillators (DDL oscillators) are used as laser oscillators that emit laser light that is processed by laser processing machines. is there.
  • DDL oscillators direct diode laser oscillators
  • the CO 2 laser oscillator is large in size and high in cost.
  • fiber laser oscillators and DDL oscillators can be downsized and have low running costs.
  • fiber laser oscillators and DDL oscillators have been widely used in laser processing machines. .
  • a metal plate especially stainless steel or aluminum
  • an assist gas such as nitrogen gas
  • the former has a smaller cut surface roughness than the latter, and the quality of the cut surface is superior.
  • the cut surface roughness is substantially constant regardless of the plate thickness, whereas in the latter, the cut surface roughness is deteriorated as the plate thickness is increased.
  • the fiber laser oscillator and the DDL oscillator are small and have a low running cost.
  • the quality of the cut surface is not good, the fiber laser oscillator and the DDL are used when a high quality cut surface is required. An oscillator cannot be used.
  • Fiber laser oscillators and DDL oscillators are suitable examples of laser oscillators that excite laser light having a wavelength band of 1 ⁇ m or shorter. The same applies when a disk laser oscillator is used in place of the fiber laser oscillator and the DDL oscillator.
  • Embodiments provide a laser processing machine and a laser cutting method using a laser oscillator that can excite laser light in a wavelength band of 1 ⁇ m or shorter than that of the prior art, which can improve the quality of a cut surface as compared with the prior art. With the goal.
  • a laser oscillator for exciting laser light having a wavelength band of 1 ⁇ m or shorter, and one process fiber for transmitting laser light emitted from the laser oscillator;
  • the workpiece is irradiated with the laser beam emitted from the process fiber, when the workpiece is melted within a unit area having a radius of 0.5 mm of the optical axis of the laser beam.
  • a condensing optical element that condenses the laser beam at a plurality of locations within the unit area within the unit time until the laser beam machine is provided.
  • the condensing optical element does not individually control the laser output at each condensing point.
  • the facet lens has a plurality of rectangular or more flat surfaces formed on a laser light incident surface.
  • the condensing optical element condenses the laser light emitted from the laser oscillator at a plurality of locations on the fiber core of the beam transmission fiber, so that the laser light is within the unit area.
  • the light may be condensed at a plurality of locations.
  • the condensing optical element may be a diffractive optical element or a condensing lens that is movable in a direction perpendicular to the optical axis of the laser light.
  • laser light is emitted by a laser oscillator that excites laser light having a wavelength band of 1 ⁇ m or shorter, and the laser light emitted from the laser oscillator is emitted into one process.
  • a laser oscillator that excites laser light having a wavelength band of 1 ⁇ m or shorter
  • the laser light emitted from the laser oscillator is emitted into one process.
  • the laser output at each condensing point is not individually controlled when condensing the laser light at a plurality of locations within the unit area.
  • an assist gas having an assist gas pressure of 2.0 MPa or more and 3.0 MPa or less it is preferable to supply an assist gas having an assist gas pressure of 2.0 MPa or more and 3.0 MPa or less to the workpiece when the workpiece is melted by laser light.
  • the beam parameter product is preferably 23 mm ⁇ mrad to 28 mm ⁇ mrad.
  • the quality of the cut surface can be improved as compared with the conventional one while using a laser oscillator that excites laser light having a wavelength band of 1 ⁇ m or shorter.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of the overall configuration of a laser beam machine according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration when the laser oscillator 11 in FIG. 1 is configured by a fiber laser oscillator 11F.
  • FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration when the laser oscillator 11 in FIG. 1 is configured by a direct diode laser oscillator 11D.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the incident angle of the laser beam incident on the cutting front of the plate material.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the incident angle with respect to the cutting front and the absorption rate of the laser beam when a CO 2 laser oscillator, a fiber laser oscillator 11F, and a DDL oscillator 11D are used as the laser oscillator 11.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing a state in which laser light is incident on the entire cutting front.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the plate thickness t and the absorption maximum condensing diameter damax when a CO 2 laser oscillator, a fiber laser oscillator 11F, and a DDL oscillator 11D are used as the laser oscillator 11.
  • FIG. 8 is a conceptual perspective view for explaining the cutting speed V for cutting the plate material.
  • FIG. 10 shows a case where a fiber laser oscillator 11F or a DDL oscillator 11D is used as the laser oscillator 11, and the absorptance Ab and the maximum absorptance condensing diameter are respectively incident angles 78, 80, 82.5, 83, 85.6, and 87 degrees. It is a figure which shows damax and cutting speed regulation parameter Ab / damax collectively.
  • a fiber laser oscillator 11F or a DDL oscillator 11D is used as the laser oscillator 11
  • the absorptance Ab and the maximum absorptance condensing diameter are respectively incident angles 78, 80, 82.5, 83, 85.6, and 87 degrees.
  • It is a figure which shows damax and cutting speed regulation parameter Ab / damax collectively.
  • FIG. 10 shows a case where a fiber laser oscillator 11F or a DDL oscillator 11D is used as the laser oscillator 11, and the absorptance Ab and the
  • FIG. 11 a fiber laser oscillator 11F or a DDL oscillator 11D is used as the laser oscillator 11, and a plurality of plate thicknesses t and maximum absorption ratios are collected at incident angles of 78, 80, 82.5, 83, 85.6, and 87 degrees, respectively.
  • FIG. 12 is a plan view showing a configuration example of a facet lens.
  • FIG. 13 is a characteristic diagram showing the relationship between the maximum absorption rate condensing diameter damax and the cutting speed defining parameter Ab / damax and the relationship between the maximum absorption rate condensing diameter damax and the cutting rate V.
  • the laser processing machine 100 includes a laser oscillator 11 that generates and emits a laser beam LB, a laser processing unit 15, and a process fiber 12 that transmits the laser beam LB to the laser processing unit 15.
  • the laser processing machine 100 cuts and processes the plate material W ⁇ b> 1 that is a workpiece by the laser beam LB emitted from the laser oscillator 11.
  • the laser oscillator 11 is a fiber laser oscillator or a direct diode laser oscillator (hereinafter referred to as a DDL oscillator).
  • the process fiber 12 is mounted along X-axis and Y-axis cable ducts (not shown) arranged in the laser processing unit 15.
  • the laser processing unit 15 includes a processing table 21 on which the plate material W1 is placed, a portal X-axis carriage 22 that is movable in the X-axis direction on the processing table 21, and a Y-axis that is perpendicular to the X-axis on the X-axis carriage 22 And a Y-axis carriage 23 that is movable in the direction. Further, the laser processing unit 15 has a collimator unit 29 fixed to the Y-axis carriage 23.
  • the collimator unit 29 collimates the laser light LB emitted from the output end of the process fiber 12 into a parallel light to make a substantially parallel light beam, and the laser light LB converted into a substantially parallel light beam on the X axis and the Y axis. And a bend mirror 25 that reflects downward in the vertical Z-axis direction.
  • the collimator unit 29 includes a condenser lens 27 that condenses the laser light LB reflected by the bend mirror 25 and a processing head 26.
  • the collimating lens 28, the bend mirror 25, the condenser lens 27, and the processing head 26 are fixed in the collimator unit 29 with the optical axis adjusted in advance.
  • the collimating lens 28 may be configured to move in the X-axis direction.
  • the collimator unit 29 is fixed to a Y-axis carriage 23 movable in the Y-axis direction, and the Y-axis carriage 23 is provided on an X-axis carriage 22 movable in the X-axis direction. Therefore, the laser processing unit 15 can move the position of irradiating the plate material W1 with the laser beam LB emitted from the processing head 26 in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the laser processing machine 100 can transmit the laser beam LB emitted from the laser oscillator 11 to the laser processing unit 15 through the process fiber 12 and irradiate the plate material W1 to cut the plate material W1. .
  • an assist gas for removing the melt is injected onto the plate material W1.
  • FIG. 1 the illustration of the configuration for injecting the assist gas is omitted.
  • the laser light emitted from the excitation combiner 111 is incident on the Yb-doped fiber 113 between the two fiber Bragg gratings (FBGs) 112 and 114.
  • the Yb-doped fiber 113 is a fiber in which a rare earth Yb (ytterbium) element is added to the core.
  • the laser light incident on the Yb-doped fiber 113 repeatedly reciprocates between the FBGs 112 and 114, and laser light having a wavelength ⁇ ′ (1 ⁇ m band) of approximately 1060 nm to 1080 nm, which is different from the wavelength ⁇ , is emitted from the FBG 114.
  • Laser light emitted from the FBG 114 is incident on the process fiber 12 via the feeding fiber 115 and the beam coupler 116.
  • the beam coupler 116 includes lenses 1161 and 1162.
  • the process fiber 12 is comprised with one optical fiber, and the laser beam transmitted with the process fiber 12 is not synthesize
  • FIG. 3 shows a schematic configuration when the laser oscillator 11 is constituted by a DDL oscillator 11D.
  • a plurality of laser diodes 117 emit laser beams having different wavelengths ⁇ 1 to ⁇ n.
  • the wavelengths ⁇ 1 to ⁇ n are, for example, 910 nm to 950 nm.
  • the collimating lens 1181 collimates laser light with wavelengths ⁇ 1 to ⁇ n.
  • the grating 1182 bends the direction of the collimated laser beam by 90 degrees and makes it incident on the condenser lens 1183.
  • the condensing lens 1183 collects the incident laser light and makes it incident on the process fiber 12.
  • the process fiber 12 is comprised with one optical fiber, and the laser beam transmitted with the process fiber 12 is not synthesize
  • FIG. 5 shows the relationship between the incident angle ⁇ and the absorption rate of the laser beam when a CO 2 laser oscillator, a fiber laser oscillator 11F, and a DDL oscillator 11D are used as the laser oscillator 11.
  • a characteristic diagram when the plate material W1 is an iron-based material is shown.
  • the absorption rate is maximized when the incident angle ⁇ is 87 degrees.
  • the fiber laser oscillator 11F or the DDL oscillator 11D is used, the absorption rate is maximized when the incident angle ⁇ is 77.5 degrees.
  • the thickness of the plate material W1 is t
  • the condensing diameter of the laser beam (laser beam) is d
  • the angle between the laser beam and the cutting front W1cf is ⁇
  • the laser beam with the condensing diameter d is Assume that the light enters the entire cutting front W1cf.
  • Equation (1) the relationship between the plate thickness t and the condensing diameter damax that maximizes the absorptance (hereinafter referred to as the maximum absorptance condensing diameter damax) is obtained using Equation (1) as shown in FIG. become. From FIG. 7, it can be seen that when the fiber laser oscillator 11F or the DDL oscillator 11D is used as the laser oscillator 11, the maximum absorptivity condensing diameter damax is about 4.2 times larger than when the CO 2 laser oscillator is used. .
  • the absorption rate of the laser beam to the plate W1 is Ab
  • the cutting width is b (mm)
  • the plate thickness is t (mm)
  • the cutting speed V (cm / s) when the plate material W1 is cut by the laser light is expressed by the equation (2).
  • V P ⁇ Ab / (E ⁇ b ⁇ t) (2)
  • the pressure of the assist gas (assist gas pressure) supplied to the plate material W1 is preferably high.
  • the assist gas pressure is preferably set to 2.0 MPa or more and 3.0 MPa or less.
  • the cutting speed V is proportional to the absorption rate Ab and inversely proportional to the cutting width b.
  • the cutting width b decreases as the condensing diameter d decreases.
  • the condensing diameter d is expressed by Equation (3).
  • d (1.27 ⁇ ⁇ ⁇ f ⁇ BPP) / D (3)
  • BPP is a product of the divergence angle of the laser beam and the beam waste (beam diameter), and is an index representing the quality of the laser beam.
  • a BPP value of 1 is good when a Gaussian beautiful beam profile is ideal.
  • the BPP is preferably 23 mm ⁇ mrad or more and 28 mm ⁇ mrad or less.
  • FIG. 10 shows a summary of the absorption maximum condensing diameter damax and Ab / damax. Since Ab / damax is a factor that determines the cutting speed V, it is referred to as a cutting speed defining parameter.
  • the absorption rate Ab becomes maximum when the incident angle ⁇ is 77.5 degrees, and the absorption rate Ab decreases as the incident angle ⁇ increases.
  • the value of the cutting speed regulation parameter Ab / damax decreases as the incident angle ⁇ decreases from 87 degrees to 78 degrees.
  • the cutting speed regulation parameter Ab / damax When the value of the cutting speed regulation parameter Ab / damax is small, the power density of the laser beam is small, and it takes a relatively long time to cut the plate material W1. Considering both the absorption rate Ab and the cutting speed regulation parameter Ab / damax, when the plate thickness t is 5 mm as shown in FIG. 10, the incident angle ⁇ is set to about 83 degrees. Is good.
  • the facet lens 27F has a plurality of hexagonal planes F0 formed on the surface of a convex lens (incident surface for laser light).
  • the facet lens 27F has a plurality of curves on one lens surface.
  • a standard condensing lens generally used as the condensing lens 27 is used in order to set the maximum absorptance condensing diameter damax to 0.38 mm or less.
  • the facet lens 27F starts to melt the workpiece within a unit area with a radius of 0.5 mm of the optical axis of the laser beam when the workpiece is irradiated with the laser beam emitted from the laser oscillator 11. It is an example of the condensing optical element which condenses a laser beam to the several location in a unit area within the unit time until it completes melting.
  • the condensing optical element has a unit area of the laser beam within a unit time from the start of melting the workpiece within a unit area having a radius of 0.4 mm of the optical axis of the laser beam to the end of melting.
  • the light is condensed at a plurality of locations.
  • the condensing optical element does not individually control the laser output at each condensing point. Therefore, there is no difference in light intensity at each condensing point.
  • the laser beam machine includes a condensing optical element, so that even a thick plate having a thickness of 3 mm or more can be cut with high quality.
  • a standard condensing lens having a focal length f of 190 mm can be used.
  • a facet lens 27F having a focal length f of 150 mm can be used.
  • a facet lens 27F having a focal length f of 190 mm can be used.
  • the facet lens 27F is not limited to the shape shown in FIG. 12, and may have a configuration having a plurality of rectangular planes on the surface of the convex lens.
  • the facet lens 27 ⁇ / b> F only needs to be formed with a plurality of rectangular or more flat surfaces on the laser light incident surface.
  • the condensing diameter d can be increased as compared with the case where the standard condensing lens is used.
  • the facet lens 27F is suitable for setting the maximum absorptance condensing diameter damax to an appropriate relatively large value.
  • FIG. 14 shows the relationship between the maximum absorptance condensing diameter damax and the cutting surface roughness Ra for each of the condensing conditions 1 to 3, and the relationship between the maximum absorptance condensing diameter damax and the cutting speed V.
  • FIG. 14 shows a case where a DDL oscillator 11D is used as the laser oscillator 11 and a stainless steel plate having a thickness of 5 mm is cut as the plate material W1.
  • the cut surface roughness Ra may be a cut surface arithmetic average roughness.
  • the condensing conditions 2 and 3 using the facet lens 27 ⁇ / b> F as the condensing lens 27 are rougher than the condensing condition 1 using the standard condensing lens as the condensing lens 27. Ra is greatly improved.
  • the cut surface roughness Ra is about 2 ⁇ m, which is 1/3 or less compared with the condensing condition 1.
  • FIG. 15 shows a plurality of plate thicknesses in each of a laser processing machine using a CO 2 laser oscillator and a standard condenser lens, and a laser processing machine using a fiber laser oscillator 11F and a standard condenser lens.
  • the cut surface roughness Ra when the stainless steel of t is cut is also shown.
  • the cut surface The quality of can be greatly improved than before.
  • a laser beam machine 11F or DDL oscillator 11D having a small size and low running cost can be used to configure a laser processing machine.
  • the condensing optical element is not limited to the facet lens 27F.
  • the beam transmission path (beam transmission fiber) between the laser oscillator 11 and the processing head 26 may be divided into two or more, and a beam coupler may be provided between the two fibers.
  • a focus lens in the beam coupler may be used as the above-described condensing optical element.
  • the condensing optical element condenses the laser light at a plurality of locations within the unit area by condensing the laser light emitted from the laser oscillator 11 at a plurality of locations of the fiber core of the beam transmission fiber.
  • the condensing optical element may be a diffractive optical element instead of the facet lens 27F, or may be a condensing lens movable in a direction perpendicular to the optical axis.
  • the condensing optical element is a diffractive optical element
  • a diffractive optical lens DOE (Diffractive Optical Elements) lens
  • DOE diffractive Optical Elements
  • FIG. 16 schematically shows the DOE lens 30.
  • the DOE lens 30 has a plurality of circumferential diffraction grooves 31.
  • the DOE lens 30 can be used as the condenser lens 27 or the collimating lens 28.
  • the bend mirror 25 can be changed to a grating mirror.
  • the lens 1162 in FIG. 2 can have the function. That is, by rotating the lens 1162 eccentrically in the direction perpendicular to the optical axis, or by moving the lens 1162 up and down or in the front-rear direction in the direction of FIG.
  • the function of the condensing optical element can be realized.
  • the laser beam is condensed at a plurality of locations within the unit area within a unit time from the start of melting the workpiece within the unit area with a radius of 0.5 mm of the optical axis of the laser beam to the end of melting.
  • the condensing optical element When the condensing optical element is used, the beam energy per unit time is irradiated almost uniformly per unit area. Thereby, even a thick plate having a thickness of 3 mm or more can be cut with high quality.
  • Laser light wavelength, power, energy density, workpiece thickness and cutting width, workpiece laser absorption, cutting speed, incident angle, melted workpiece, assist gas When the types and pressures are appropriately combined, higher-quality cutting can be achieved by their synergistic effect.
  • an iron-based material (stainless steel) is taken as an example of the plate material W1, but the quality of the cut surface is also the same according to the laser processing machine and the laser cutting method of the present embodiment even when aluminum or titanium is used. Can be greatly improved as compared with the prior art.
  • a disk laser oscillator may be used instead of the fiber laser oscillator and the DDL oscillator.
  • the present invention can be used when a workpiece is cut using laser light having a wavelength band of 1 ⁇ m or shorter.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

　レーザ加工機（１００）は、レーザ発振器（１１）を備える。レーザ発振器（１１）は、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のレーザ光を励起する。１本のプロセスファイバ（１２）は、レーザ発振器（１１）より射出されたレーザ光を伝送する。ファセットレンズよりなる集光レンズ（２７）は、集光光学要素の一例である。集光光学要素は、プロセスファイバ（１２）より射出されたレーザ光が被加工材である板材（Ｗ１）に照射されるときに、レーザ光の光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の板材（Ｗ１）を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザ光を単位面積内の複数の箇所に集光させる。

Description

レーザ加工機及びレーザ切断方法
　本開示は、レーザ加工機及びレーザ切断方法に関する。
　レーザ加工機が材料を切断加工するレーザ光を射出するレーザ発振器としては、ＣＯ２レーザ発振器、ＹＡＧレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）等の各種の発振器がある。
国際公開第２０１３／０５８０７２号
　ＣＯ２レーザ発振器は装置が大型化し、高コストである。これに対して、ファイバレーザ発振器やＤＤＬ発振器は装置を小型化することができ、低ランニングコストであることから、近年、レーザ加工機においてファイバレーザ発振器やＤＤＬ発振器が広く用いられるようになってきた。
　金属の板材（特にステンレスやアルミニウム）を窒素ガスなどのアシストガスで無酸化切断する場合に、ＣＯ２レーザ発振器を用いたレーザ加工機で切断加工した場合と、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いたレーザ加工機で切断加工した場合とで比較すると、後者よりも前者の方が切断面粗さが小さく、切断面の品質が優れる。しかも、前者では板厚に関係なく切断面粗さがほぼ一定であるのに対し、後者では板厚が厚くなるほど切断面粗さが悪化する。
　さらに、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いたレーザ加工機で例えば板厚３ｍｍ以上の厚板を切断加工すると、ドロスが発生して板材に付着し、切断面の品質が悪化する。
　このように、ファイバレーザ発振器やＤＤＬ発振器は小型で低ランニングコストであるが、切断面の品質が良好でないという短所を有するため、高品質な切断面が求められる場合には、ファイバレーザ発振器やＤＤＬ発振器を用いることができない。
　ファイバレーザ発振器やＤＤＬ発振器は、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のレーザ光を励起するレーザ発振器の好適な例である。ファイバレーザ発振器とＤＤＬ発振器の代わりにディスクレーザ発振器を用いた場合も同様である。
　そこで、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のレーザ光を励起するレーザ発振器を用いても、切断面の品質が良好なレーザ加工機の登場が切に望まれている。
　実施形態は、切断面の品質を従来よりも改善することができる、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のレーザ光を励起するレーザ発振器を用いたレーザ加工機及びレーザ切断方法を提供することを目的とする。
　実施形態の第１の態様によれば、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のレーザ光を励起するレーザ発振器と、前記レーザ発振器より射出されたレーザ光を伝送する１本のプロセスファイバと、前記プロセスファイバより射出されたレーザ光が被加工材に照射されるときに、レーザ光の光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の前記被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザ光を前記単位面積内の複数の箇所に集光させる集光光学要素とを備えることを特徴とするレーザ加工機が提供される。
　上記のレーザ加工機において、前記集光光学要素は、それぞれの集光点でのレーザ出力を個別に制御しないことが好ましい。
　上記のレーザ加工機において、前記レーザ発振器より射出されたレーザ光を平行光化するコリメートレンズをさらに備え、前記集光光学要素を、前記コリメートレンズによって平行光化されたレーザ光を前記被加工材に集光させるファセットレンズとした構成とすることができる。
　このとき、前記ファセットレンズは、レーザ光の入射面に、四角形以上の多角形の複数の平面が形成されていることが好ましい。
　上記のレーザ加工機において、前記集光光学要素は、前記レーザ発振器より射出されたレーザ光をビーム伝送用ファイバのファイバコアの複数の箇所に集光させることにより、レーザ光を前記単位面積内の複数の箇所に集光させてもよい。
　上記のレーザ加工機において、前記集光光学要素は、回折光学素子であってもよく、レーザ光の光軸に対して垂直方向に移動自在の集光レンズであってもよい。
　実施形態の第２の態様によれば、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のレーザ光を励起するレーザ発振器によってレーザ光を射出させ、前記レーザ発振器より射出されたレーザ光を１本のプロセスファイバで伝送し、前記プロセスファイバより射出されたレーザ光が被加工材に照射されるときに、レーザ光の光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の前記被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザ光を前記単位面積内の複数の箇所に集光させて、前記被加工材を切断することを特徴とするレーザ切断方法が提供される。
　上記のレーザ切断方法において、レーザ光を前記単位面積内の複数の箇所に集光させる際に、それぞれの集光点でのレーザ出力を個別に制御しないことが好ましい。
　上記のレーザ切断方法において、レーザ光によって前記被加工材を溶融させる際に、前記被加工材にアシストガス圧２．０ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下のアシストガスを供給することが好ましい。
　上記のレーザ切断方法において、ビームパラメータ積を２３ｍｍ・ｍｒａｄ以上２８ｍｍ・ｍｒａｄ以下とすることが好ましい。
　実施形態のレーザ加工機及びレーザ切断方法によれば、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のレーザ光を励起するレーザ発振器を用いながら、切断面の品質を従来よりも改善することができる。
図１は、一実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す斜視図である。 図２は、図１中のレーザ発振器１１をファイバレーザ発振器１１Ｆで構成した場合の概略的な構成を示す図である。 図３は、図１中のレーザ発振器１１をダイレクトダイオードレーザ発振器１１Ｄで構成した場合の概略的な構成を示す図である。 図４は、板材の切断フロントに入射されるレーザ光の入射角を説明するための断面図である。 図５は、レーザ発振器１１としてＣＯ２レーザ発振器とファイバレーザ発振器１１ＦとＤＤＬ発振器１１Ｄとを用いたときの、切断フロントに対する入射角とレーザ光の吸収率との関係を示す特性図である。 図６は、レーザ光が切断フロントの全体に入射している状態を示す概念図である。 図７は、レーザ発振器１１としてＣＯ２レーザ発振器とファイバレーザ発振器１１ＦとＤＤＬ発振器１１Ｄとを用いたときの、板厚ｔと吸収率最大集光直径damaxとの関係を示す特性図である。 図８は、板材を切断する切断速度Ｖを説明するための概念的な斜視図である。 図９は、集光直径ｄの計算方法を説明するための図である。 図１０は、レーザ発振器１１としてファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄを用い、入射角７８，８０，８２．５，８３，８５．６，８７度それぞれの、吸収率Ａｂ、吸収率最大集光直径damax、切断速度規定パラメータＡｂ／damaxをまとめて示す図である。 図１１は、レーザ発振器１１としてファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄを用い、入射角７８，８０，８２．５，８３，８５．６，８７度それぞれで、複数の板厚ｔと吸収率最大集光直径damaxとの関係を示す特性図である。 図１２は、ファセットレンズの一構成例を示す平面図である。 図１３は、吸収率最大集光直径damaxと切断速度規定パラメータＡｂ／damaxとの関係と、吸収率最大集光直径damaxと切断速度Ｖとの関係を示す特性図である。 図１４は、吸収率最大集光直径damaxと切断面粗さＲａとの関係と、吸収率最大集光直径damaxと切断速度Ｖとの関係を示す特性図である。 図１５は、一実施形態のレーザ加工機と比較例のレーザ加工機それぞれの、板厚ｔと切断面粗さＲａとの関係を示す特性図である。 図１６は、ＤＯＥレンズを概略的に示す平面図である。
　以下、一実施形態のレーザ加工機及びレーザ切断方法について、添付図面を参照して説明する。本実施形態においては、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のレーザ光を励起するレーザ発振器として、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いた場合を説明する。
　図１において、レーザ加工機１００は、レーザ光ＬＢを生成して射出するレーザ発振器１１と、レーザ加工ユニット１５と、レーザ光ＬＢをレーザ加工ユニット１５へと伝送するプロセスファイバ１２とを備える。レーザ加工機１００は、レーザ発振器１１より射出されたレーザ光ＬＢによって、被加工材である板材Ｗ１を切断加工する。
　レーザ発振器１１は、ファイバレーザ発振器またはダイレクトダイオードレーザ発振器（以下、ＤＤＬ発振器）である。プロセスファイバ１２は、レーザ加工ユニット１５に配置されたＸ軸及びＹ軸のケーブルダクト（図示せず）に沿って装着されている。
　レーザ加工ユニット１５は、板材Ｗ１を載せる加工テーブル２１と、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在である門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在であるＹ軸キャリッジ２３とを有する。また、レーザ加工ユニット１５は、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット２９を有する。
　コリメータユニット２９は、プロセスファイバ１２の出力端から射出されたレーザ光ＬＢを平行光化して略平行光束とするコリメートレンズ２８と、略平行光束に変換されたレーザ光ＬＢをＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー２５とを有する。また、コリメータユニット２９は、ベンドミラー２５で反射したレーザ光ＬＢを集光させる集光レンズ２７と、加工ヘッド２６とを有する。
　コリメートレンズ２８、ベンドミラー２５、集光レンズ２７、加工ヘッド２６は、予め光軸が調整された状態でコリメータユニット２９内に固定されている。焦点位置を補正するために、コリメートレンズ２８がＸ軸方向に移動するように構成されていてもよい。
　コリメータユニット２９は、Ｙ軸方向に移動自在のＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸方向に移動自在のＸ軸キャリッジ２２に設けられている。よって、レーザ加工ユニット１５は、加工ヘッド２６から射出されるレーザ光ＬＢを板材Ｗ１に照射する位置を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動させることができる。
　以上の構成によって、レーザ加工機１００は、レーザ発振器１１より射出されたレーザ光ＬＢをプロセスファイバ１２によってレーザ加工ユニット１５へと伝送させ、板材Ｗ１に照射して板材Ｗ１を切断加工することができる。
　なお、板材Ｗ１を切断加工するとき、板材Ｗ１には溶融物を除去するためのアシストガスが噴射される。図１では、アシストガスを噴射する構成については図示を省略している。
　図２は、レーザ発振器１１をファイバレーザ発振器１１Ｆで構成した場合の概略的な構成を示している。図２において、複数のレーザダイオード１１０はそれぞれ波長λのレーザ光を射出する。励起コンバイナ１１１は、複数のレーザダイオード１１０より射出されたレーザ光を空間ビーム結合させる。
　励起コンバイナ１１１より射出されたレーザ光は、２つのファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）１１２，１１４間のＹｂドープファイバ１１３に入射される。Ｙｂドープファイバ１１３とは、コアに希土類のＹｂ（イッテルビウム）元素が添加されたファイバである。
　Ｙｂドープファイバ１１３に入射されたレーザ光は、ＦＢＧ１１２，１１４間で往復を繰り返し、ＦＢＧ１１４からは、波長λとは異なる概ね１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍの波長λ’（１μｍ帯）のレーザ光が射出される。ＦＢＧ１１４から射出されたレーザ光は、フィーディングファイバ１１５及びビームカップラ１１６を介してプロセスファイバ１２に入射される。ビームカップラ１１６は、レンズ１１６１，１１６２を有する。
　なお、プロセスファイバ１２は１本の光ファイバで構成されており、板材Ｗ１に照射されるまで、プロセスファイバ１２で伝送されるレーザ光が他のレーザ光と合成されることはない。
　図３は、レーザ発振器１１をＤＤＬ発振器１１Ｄで構成した場合の概略的な構成を示している。図３において、複数のレーザダイオード１１７はそれぞれ互いに異なる波長λ１～λｎのレーザ光を射出する。波長λ１～λｎ（１μｍ帯より短い波長帯）は、例えば９１０ｎｍ～９５０ｎｍである。
　オプティカルボックス１１８は、複数のレーザダイオード１１７より射出された波長λ１～λｎのレーザ光を空間ビーム結合させる。オプティカルボックス１１８は、コリメートレンズ1181と、グレーティング1182と、集光レンズ1183とを有する。
　コリメートレンズ1181は、波長λ１～λｎのレーザ光を平行光化する。グレーティング1182は、平行光化されたレーザ光の方向を９０度曲げ、集光レンズ1183に入射させる。集光レンズ1183は、入射されたレーザ光を集光してプロセスファイバ１２に入射される。
　なお、プロセスファイバ１２は１本の光ファイバで構成されており、板材Ｗ１に照射されるまで、プロセスファイバ１２で伝送されるレーザ光が他のレーザ光と合成されることはない。
　次に、ファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄを用いても、板材Ｗ１の切断面の品質を良好にするためにはどのようにすればよいかを考察する。
　図４は、図の上方から照射されたレーザ光が板材Ｗ１の切断フロントW1cfに入射して反射する状態を概念的に示している。レーザ光の入射方向と、切断フロントW1cfに直交する破線で示す方向とのなす角度がレーザ光の入射角θである。切断フロントW1cfが理想的な平面であるとすれば、板材Ｗ１の底面と切断フロントW1cfとのなす角度も入射角となる。
　図５は、レーザ発振器１１としてＣＯ２レーザ発振器とファイバレーザ発振器１１ＦとＤＤＬ発振器１１Ｄとを用いたときの、入射角θとレーザ光の吸収率との関係を示している。ここでは、板材Ｗ１を鉄系材としたときの特性図を示している。
　図５に示すように、ＣＯ２レーザ発振器を用いた場合には、入射角θが８７度のときに吸収率が最大となる。ファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄを用いた場合には、入射角θが７７．５度のときに吸収率が最大となる。
　図６に示すように、板材Ｗ１の板厚をｔ、レーザ光（レーザビーム）の集光直径をｄ、レーザ光と切断フロントW1cfとのなす角度をφとし、集光直径ｄのレーザ光が切断フロントW1cfの全体に入射すると仮定する。このとき、式（１）が成立する。なお、φ＝９０－θである。
　ｄ＝ｔ・ｔａｎφ　　…（１）
　図５に基づき、式（１）を用いて、板厚ｔと、吸収率が最大となる集光直径damax（以下、吸収率最大集光直径damax）との関係を求めると、図７のようになる。図７より、レーザ発振器１１としてファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄを用いると、ＣＯ２レーザ発振器を用いた場合と比較して、吸収率最大集光直径damaxは４．２倍程度大きいことが分かる。
　ところが、吸収率最大集光直径damaxが大きすぎると、加工点において十分なパワー密度を確保することができず、切断速度が遅くなってしまう。
　図８を用いて、板材Ｗ１を切断する切断速度について説明する。図８において、集光レンズ２７に入射するレーザ光（レーザビーム）の入射ビーム直径はＤであり、集光レンズ２７によって集光されたレーザ光が板材Ｗ１に照射されている。
　レーザ出力をＰ（Ｗ）（Ｗ＝Ｊ／ｓ）、板材Ｗ１へのレーザ光の吸収率をＡｂ、切断幅をｂ（ｍｍ）、板厚をｔ（ｍｍ）、材料を溶融または蒸発させるエネルギをＥ（Ｊ／ｃｍ３）とする。レーザ光によって板材Ｗ１が切断されていくときの切断速度Ｖ（ｃｍ／ｓ）は、式（２）で表される。
　Ｖ＝Ｐ・Ａｂ／（Ｅ・ｂ・ｔ）　　…（２）
　但し、全てのエネルギが切断カーフの切断フロントW1cfに吸収され、材料の熱伝導によるロスがなく、切断カーフ内の溶融金属がアシストガスによって完全に排出されると仮定する。
　なお、ドロスが板材Ｗ１に付着せず、切断面の品質を良好にするには、板材Ｗ１に供給するアシストガスの圧力（アシストガス圧）は高い方がよい。アシストガス圧を例えば２．０ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下とするのがよい。
　式（２）より、切断速度Ｖは吸収率Ａｂに比例し、切断幅ｂに反比例することが分かる。切断幅ｂは、集光直径ｄが小さいほど小さくなる。
　図９を用いて、集光直径ｄがどのように求められるかについて説明する。レーザ光の波長をλ、集光レンズ２７の焦点距離をｆ、ビームパラメータ積をＢＰＰ（Beam Parameter Products）とすると、集光直径ｄは、式（３）で表される。
　ｄ＝（１．２７・π・ｆ・ＢＰＰ）／Ｄ　　…（３）
　なお、ＢＰＰはレーザビームの発散角とビームウェイスト（ビーム径）の積であって、レーザビームの品質を表す指標である。一般的にガウス形の美しいビームプロファイルを理想とする場合にＢＰＰ値は１がよいとされている。しかしながら、高エネルギ密度のレーザビームでの板金切断加工、特に、板厚３ｍｍ以上の厚板を切断加工する場合には、必ずしもＢＰＰ値を１に近づけることが高品位な加工（面粗度のよい加工）に繋がるとは言えないことが明らかとなった。
　板厚３ｍｍ以上の厚板を切断加工する場合には、ビーム径を大きくする方がよく、その場合のＢＰＰは２３ｍｍ・ｍｒａｄ以上、２８ｍｍ・ｍｒａｄ以下とすることが望ましい。
　レーザ発振器１１としてファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄを用い、板厚ｔが５ｍｍであるとき、入射角が７８，８０，８２．５，８３，８５．６，８７度それぞれで、吸収率Ａｂ、吸収率最大集光直径damax、Ａｂ／damaxをまとめると、図１０に示すようになる。Ａｂ／damaxは切断速度Ｖを決める要素となることから、切断速度規定パラメータと称することとする。
　図５に示すように、入射角θが７７．５度のときに吸収率Ａｂが最大となり、入射角θが増大するに従って吸収率Ａｂが低下する。ところが、図１０に示すように、切断速度規定パラメータＡｂ／damaxの値は、入射角θが８７度から７８度へと小さくなるに従って小さくなっていく。
　切断速度規定パラメータＡｂ／damaxの値が小さいとレーザ光のパワー密度が小さく、板材Ｗ１を切断するのに比較的長い時間を要することになる。吸収率Ａｂと切断速度規定パラメータＡｂ／damaxとの双方を考慮すると、図１０に太実線で囲んでいるように、板厚ｔが５ｍｍの場合には、入射角θを８３度程度とするのがよい。
　さらに、入射角が７８，８０，８２．５，８３，８５．６，８７度それぞれで、複数の板厚ｔと吸収率最大集光直径damaxとの関係を求めると、図１１に示すようになる。
　ここで、吸収率最大集光直径damaxを適宜の値とするのに好適な構成を説明する。本実施形態においては、集光レンズ２７として図１２に示すようなファセットレンズ２７Ｆを用いる。ファセットレンズ２７Ｆは、凸レンズの表面（レーザ光の入射面）に複数の六角形状の平面Ｆ０が形成されている。また、ファセットレンズ２７Ｆは、複数の曲線を１つのレンズ面上に有する。
　図１０において、吸収率最大集光直径damaxを０．３８ｍｍ以下とするためには、集光レンズ２７として一般的に用いられている標準集光レンズが用いられる。図１０において、吸収率最大集光直径damaxを０．６１ｍｍ以上とするには、集光レンズ２７としてファセットレンズ２７Ｆを用いるのが好適である。
　ファセットレンズ２７Ｆは、レーザ発振器１１より射出されたレーザ光が被加工材に照射されるときに、レーザ光の光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザ光を単位面積内の複数の箇所に集光させる集光光学要素の一例である。
　好ましくは、集光光学要素は、レーザ光の光軸の半径０．４ｍｍの単位面積内の被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザ光を単位面積内の複数の箇所に集光させる。このとき、集光光学要素は、それぞれの集光点でのレーザ出力を個別に制御しない。よって、それぞれの集光点での光強度に差はない。
　本実施形態のレーザ加工機は、集光光学要素を備えることによって、板厚３ｍｍ以上の厚板であっても高品位な切断が可能になる。
　例えば、集光条件１として、吸収率最大集光直径damaxを０．３８ｍｍとするには、焦点距離ｆが１９０ｍｍの標準集光レンズを用いることができる。集光条件２として、吸収率最大集光直径damaxを０．６１ｍｍとするには、焦点距離ｆが１５０ｍｍのファセットレンズ２７Ｆを用いることができる。集光条件３として、吸収率最大集光直径damaxを１．０６ｍｍとするには、焦点距離ｆが１９０ｍｍのファセットレンズ２７Ｆを用いることができる。
　ファセットレンズ２７Ｆは、図１２に示す形状に限定されることはなく、凸レンズの表面に複数の四角形状の平面を有する構成であってもよい。ファセットレンズ２７Ｆは、レーザ光の入射面に、四角形以上の多角形の複数の平面が形成されていればよい。
　ファセットレンズ２７Ｆの表面に形成されている複数の平面は、それぞれ平面的な異なる位置に焦点を結ぶように形成されている。よって、ファセットレンズ２７Ｆは、焦点をぼかすように作用する。
　よって、集光レンズ２７としてファセットレンズ２７Ｆを用いると、標準集光レンズを用いる場合と比較して集光直径ｄを広げることが可能となる。ファセットレンズ２７Ｆは、吸収率最大集光直径damaxを適宜の比較的大きい値に設定するのに好適である。
　図１３に、吸収率最大集光直径damaxと切断速度規定パラメータＡｂ／damaxとの関係と、集光条件１～３における吸収率最大集光直径damaxと切断速度Ｖとの関係を示す。切断速度Ｖは、集光条件１で１．２ｍ／分、集光条件２で０．６ｍ／分、集光条件３で０．４ｍ／分であった。図１３より分かるように、切断速度Ｖの傾きは切断速度規定パラメータＡｂ／damaxの傾きに近似する。
　図１４は、集光条件１～３それぞれの吸収率最大集光直径damaxと切断面粗さＲａとの関係と、吸収率最大集光直径damaxと切断速度Ｖとの関係を示す。図１４は、レーザ発振器１１としてＤＤＬ発振器１１Ｄを用い、板材Ｗ１として板厚５ｍｍのステンレスを切断した場合を示している。切断面粗さＲａは、切断面算術平均粗さであってもよい。
　図１４より分かるように、集光レンズ２７としてファセットレンズ２７Ｆを用いた集光条件２,３では、集光レンズ２７として標準集光レンズを用いた集光条件１と比較して、切断面粗さＲａが大幅に改善されている。特に、吸収率最大集光直径damaxが０．６１ｍｍである集光条件２では、切断面粗さＲａは２μｍ程度であり、集光条件１と比較して１／３以下である。
　図１５は、レーザ発振器１１としてＤＤＬ発振器１１Ｄを用い、集光レンズ２７としてファセットレンズ２７Ｆを用いた本実施形態のレーザ加工機において、集光直径ｄを０．６１ｍｍとして、板材Ｗ１として板厚５ｍｍの他に３ｍｍ及び４ｍｍのステンレスを切断した場合の切断面粗さＲａを示している。ここでも、切断面粗さＲａは、切断面算術平均粗さであってもよい。
　比較のため、図１５には、ＣＯ２レーザ発振器と標準集光レンズを用いたレーザ加工機と、ファイバレーザ発振器１１Ｆと標準集光レンズを用いたレーザ加工機とのそれぞれで、複数の板厚ｔのステンレスを切断した場合の切断面粗さＲａも併せて示している。
　ここでは図示していないが、ファイバレーザ発振器１１Ｆとファセットレンズ２７Ｆを用いた本実施形態のレーザ加工機で複数の板厚ｔのステンレスを切断した場合、ＤＤＬ発振器１１Ｄとファセットレンズ２７Ｆを用いた本実施形態のレーザ加工機と同様の特性を有する。
　逆に、ＤＤＬ発振器１１Ｄと標準集光レンズを用いたレーザ加工機で複数の板厚ｔのステンレスを切断した場合には、ファイバレーザ発振器１１Ｆと標準集光レンズを用いたレーザ加工機と同様の特性を有する。
　ファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄと、集光レンズ２７としてファセットレンズ２７Ｆを用いた本実施形態のレーザ加工機においては、ＣＯ２レーザ発振器を用いたレーザ加工機には若干及ばないものの、切断面の品質を従来よりも大幅に改善することができる。
　本実施形態によれば、高品質な切断面が求められる場合でも、小型で低ランニングコストのファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄを用いてレーザ加工機を構成することができる。
　集光光学要素は、ファセットレンズ２７Ｆに限定されない。レーザ発振器１１と加工ヘッド２６との間のビーム伝送路（ビーム伝送用ファイバ）を２つ以上に分け、その２つのファイバ間にビームカプラを設けてもよい。ビームカプラ内のフォーカスレンズを上述した集光光学要素として利用してもよい。
　この場合、集光光学要素は、レーザ発振器１１より射出されたレーザ光をビーム伝送用ファイバのファイバコアの複数の箇所に集光させることにより、レーザ光を単位面積内の複数の箇所に集光させる。
　集光光学要素は、ファセットレンズ２７Ｆの代わりに、回折光学素子であってもよいし、光軸に対して垂直方向に移動自在の集光レンズであってもよい。
　集光光学要素が回折光学素子である場合、例えば、回折型光学レンズ（ＤＯＥ（Diffractive Optical Elements）レンズ）を用いることができる。
　図１６は、ＤＯＥレンズ３０を概略的に示している。図１６に示すように、ＤＯＥレンズ３０は、複数の周状の回折溝３１を有する。ＤＯＥレンズ３０を、集光レンズ２７またはコリメートレンズ２８として利用することが可能である。図示していないが、ベンドミラー２５をグレーティングミラーに変更することも可能である。
　集光光学要素が光軸に対して垂直方向に移動自在の集光レンズである場合、例えば、図２のレンズ１１６２にその機能を持たせることができる。つまり、レンズ１１６２を光軸に対して垂直方向に偏芯させて回転させたり、図２の向きにおいて、レンズ１１６２を光軸に対して垂直方向の上下または前後方向に移動させたりすることによって、集光光学要素の機能を実現することができる。
　レーザ光の光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザ光を単位面積内の複数の箇所に集光させる集光光学要素を用いると、単位時間当たりのビームエネルギが単位面積当たりほぼ均一に照射される。これによって、板厚３ｍｍ以上の厚板であっても高品位な切断が可能になる。
　レーザ光の波長と出力とエネルギ密度と、被加工材の厚みと切断幅と、被加工材のレーザ光の吸収率と、切断速度と、入射角度と、溶融した被加工材と、アシストガスの種類と圧力とを適宜に組み合わせると、それらの相乗効果によってさらに高品位な切断が可能になる。
　以上の説明では、板材Ｗ１として鉄系材（ステンレス）を例としているが、アルミニウムやチタン等であっても同様に、本実施形態のレーザ加工機及びレーザ切断方法によれば、切断面の品質を従来よりも大幅に改善することができる。
　本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。ファイバレーザ発振器とＤＤＬ発振器の代わりにディスクレーザ発振器を用いてもよい。
　本発明は、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のレーザ光を用いて被加工材を切断する場合に利用できる。

Claims (11)

  1. 　波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のレーザ光を励起するレーザ発振器と、
    　前記レーザ発振器より射出されたレーザ光を伝送する１本のプロセスファイバと、
    　前記プロセスファイバより射出されたレーザ光が被加工材に照射されるときに、レーザ光の光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の前記被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザ光を前記単位面積内の複数の箇所に集光させる集光光学要素と、
    　を備えることを特徴とするレーザ加工機。
  2. 　前記集光光学要素は、それぞれの集光点でのレーザ出力を個別に制御しないことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
  3. 　前記レーザ発振器より射出されたレーザ光を平行光化するコリメートレンズをさらに備え、
    　前記集光光学要素は、前記コリメートレンズによって平行光化されたレーザ光を前記被加工材に集光させるファセットレンズであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工機。
  4. 　前記ファセットレンズは、レーザ光の入射面に、四角形以上の多角形の複数の平面が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工機。
  5. 　前記集光光学要素は、前記レーザ発振器より射出されたレーザ光をビーム伝送用ファイバのファイバコアの複数の箇所に集光させることにより、レーザ光を前記単位面積内の複数の箇所に集光させることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工機。
  6. 　前記集光光学要素は、回折光学素子であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工機。
  7. 　前記集光光学要素は、レーザ光の光軸に対して垂直方向に移動自在の集光レンズであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工機。
  8. 　波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のレーザ光を励起するレーザ発振器によってレーザ光を射出させ、
    　前記レーザ発振器より射出されたレーザ光を１本のプロセスファイバで伝送し、
    　前記プロセスファイバより射出されたレーザ光が被加工材に照射されるときに、レーザ光の光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の前記被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザ光を前記単位面積内の複数の箇所に集光させて、前記被加工材を切断する
    　ことを特徴とするレーザ切断方法。
  9. 　レーザ光を前記単位面積内の複数の箇所に集光させる際に、それぞれの集光点でのレーザ出力を個別に制御しないことを特徴とする請求項８に記載のレーザ切断方法。
  10. 　レーザ光によって前記被加工材を溶融させる際に、前記被加工材にアシストガス圧２．０ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下のアシストガスを供給することを特徴とする請求項８または９に記載のレーザ切断方法。
  11. 　ビームパラメータ積を２３ｍｍ・ｍｒａｄ以上２８ｍｍ・ｍｒａｄ以下とすることを特徴とする請求項８～１０のいずれか１項に記載のレーザ切断方法。
PCT/JP2016/063041 2015-06-10 2016-04-26 レーザ加工機及びレーザ切断方法 WO2016199514A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16807221.3A EP3308896B1 (en) 2015-06-10 2016-04-26 Laser machining apparatus
US15/578,893 US10300558B2 (en) 2015-06-10 2016-04-26 Laser processing machine and laser cutting method
CN201680033382.5A CN107614184B (zh) 2015-06-10 2016-04-26 激光切断方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015-117126 2015-06-10
JP2015117126A JP6025917B1 (ja) 2015-06-10 2015-06-10 レーザ切断方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016199514A1 true WO2016199514A1 (ja) 2016-12-15

Family

ID=57326595

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2016/063041 WO2016199514A1 (ja) 2015-06-10 2016-04-26 レーザ加工機及びレーザ切断方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10300558B2 (ja)
EP (1) EP3308896B1 (ja)
JP (1) JP6025917B1 (ja)
CN (1) CN107614184B (ja)
WO (1) WO2016199514A1 (ja)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6419901B1 (ja) * 2017-06-20 2018-11-07 株式会社アマダホールディングス レーザ加工機
EP3517241A1 (en) * 2018-01-29 2019-07-31 Bystronic Laser AG Optical device for shaping an electromagnetic wave beam and use thereof, beam treatment device and use thereof, and beam treatment method
JP7270169B2 (ja) * 2018-05-15 2023-05-10 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 レーザ装置及びそれを用いたレーザ加工装置
JP6638032B1 (ja) * 2018-07-31 2020-01-29 株式会社アマダホールディングス レーザ加工機及びレーザ加工方法
JP6643444B1 (ja) * 2018-10-22 2020-02-12 株式会社アマダホールディングス レーザ加工機、加工条件の設定方法、及びレーザ加工機の制御装置
JP6800271B2 (ja) * 2019-04-26 2020-12-16 株式会社アマダ レーザ加工機及び加工条件設定方法
US20210260702A1 (en) * 2020-02-20 2021-08-26 Laser Machining Inc. LMI AB Method of laser processing hydrogen fuel cell plates
JP7257372B2 (ja) * 2020-11-20 2023-04-13 株式会社アマダ レーザ加工機

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010105046A (ja) * 2008-10-29 2010-05-13 ３Ｄ−マイクロマック アーゲー レーザマーキング方法、レーザマーキング装置および光学素子
JP2010105037A (ja) * 2008-10-31 2010-05-13 Neturen Co Ltd 中空接合体及びその製造方法並びに接合装置
JP2012500350A (ja) * 2008-08-20 2012-01-05 フォロ エナジー インコーポレーティッド 高出力レーザーを使用してボーリング孔を前進させる方法及び設備
WO2013058072A1 (ja) * 2011-10-20 2013-04-25 新日鐵住金株式会社 レーザ加工装置及びレーザ加工方法
JP2013107124A (ja) * 2011-11-24 2013-06-06 Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd レーザ加工方法及びレーザ加工装置
JP2013191712A (ja) * 2012-03-13 2013-09-26 Towa Corp 積層基板の切断方法および電子部品の製造方法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4037901A1 (de) * 1990-11-28 1992-06-04 Lambda Physik Gmbh Verfahren zum steuern der gesamtenergiemenge einer vielzahl von laserpulsen
JP2658809B2 (ja) 1992-08-27 1997-09-30 三菱電機株式会社 レーザ加工装置
AU2002316500A1 (en) * 2001-07-02 2003-01-21 Palomar Medical Technologies, Inc. Laser device for medical/cosmetic procedures
JP4199820B2 (ja) * 2005-06-01 2008-12-24 フェトン株式会社 レーザー加工装置及びレーザー加工方法
FR2897007B1 (fr) * 2006-02-03 2008-04-11 Air Liquide Procede de coupage avec un laser a fibre avec controle des parametres du faisceau
DE102007037133A1 (de) * 2006-08-24 2008-03-13 Nanosystec Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer Mehrzahl von Material-Schwächungsbereichen oder Perforierungen
DE102008030868A1 (de) * 2008-06-30 2009-12-31 Krones Ag Vorrichtung zum Beschriften von Behältnissen
FR2935916B1 (fr) * 2008-09-12 2011-08-26 Air Liquide Procede et installation de coupage laser avec modification du facteur de qualite du faisceau laser
WO2010137475A1 (ja) * 2009-05-25 2010-12-02 三菱電機株式会社 レーザ加工装置およびレーザ加工方法
FR2949618B1 (fr) * 2009-09-01 2011-10-28 Air Liquide Tete de focalisation laser pour installation laser solide
JP4820910B2 (ja) * 2010-03-29 2011-11-24 日酸Ｔａｎａｋａ株式会社 レーザ切断方法、レーザ切断用ノズル及びレーザ切断装置
DE102010029791A1 (de) * 2010-06-08 2011-12-08 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks
EP2631030B1 (en) * 2010-10-19 2018-07-25 Nissan Motor Co., Ltd Laser cutting method
CN104136952B (zh) * 2011-12-09 2018-05-25 朗美通运营有限责任公司 用于改变激光束的光束参数积的光学器件和方法
CN102699526A (zh) * 2012-06-01 2012-10-03 苏州德龙激光有限公司 利用激光切割加工对象物的方法和装置
US9690107B2 (en) * 2013-03-15 2017-06-27 Trumpf Laser Gmbh Device for wavelength combining of laser beams
KR101680416B1 (ko) * 2013-11-01 2016-12-12 주식회사 엘지화학 레이저를 이용한 양극 커팅 장치

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012500350A (ja) * 2008-08-20 2012-01-05 フォロ エナジー インコーポレーティッド 高出力レーザーを使用してボーリング孔を前進させる方法及び設備
JP2010105046A (ja) * 2008-10-29 2010-05-13 ３Ｄ−マイクロマック アーゲー レーザマーキング方法、レーザマーキング装置および光学素子
JP2010105037A (ja) * 2008-10-31 2010-05-13 Neturen Co Ltd 中空接合体及びその製造方法並びに接合装置
WO2013058072A1 (ja) * 2011-10-20 2013-04-25 新日鐵住金株式会社 レーザ加工装置及びレーザ加工方法
JP2013107124A (ja) * 2011-11-24 2013-06-06 Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd レーザ加工方法及びレーザ加工装置
JP2013191712A (ja) * 2012-03-13 2013-09-26 Towa Corp 積層基板の切断方法および電子部品の製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3308896A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP3308896A4 (en) 2018-10-24
JP2017001059A (ja) 2017-01-05
US10300558B2 (en) 2019-05-28
US20180169792A1 (en) 2018-06-21
CN107614184B (zh) 2018-12-18
EP3308896A1 (en) 2018-04-18
EP3308896B1 (en) 2021-03-10
CN107614184A (zh) 2018-01-19
JP6025917B1 (ja) 2016-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2016199514A1 (ja) レーザ加工機及びレーザ切断方法
JP6204964B2 (ja) レーザ加工機
JP5919356B2 (ja) レーザ光による板金の加工方法及びこれを実行するレーザ加工装置
JP6114431B1 (ja) レーザ加工機
US10471537B2 (en) Direct diode laser processing apparatus and sheet metal processing method using the same
WO2016059936A1 (ja) 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
JP2017185543A (ja) レーザ加工機
JP6043773B2 (ja) ダイレクトダイオードレーザ光による板金の加工方法及びこれを実行するダイレクトダイオードレーザ加工装置
JP2016078047A (ja) 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加工方法
JP6197084B2 (ja) レーザ加工機
JP2016078051A (ja) 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
JP6035304B2 (ja) 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
JP2016073983A (ja) レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法
JP2016221579A (ja) 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
JP6937865B2 (ja) 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
JP6035303B2 (ja) 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金属板の加工方法
JP2016078043A (ja) レーザ加工機
JP2016153143A (ja) ダイレクトダイオードレーザ光による板金の加工方法及びこれを実行するダイレクトダイオードレーザ加工装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16807221

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15578893

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2016807221

Country of ref document: EP