WO2019078092A1 - レーザ加工装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a laser processing apparatus that performs laser processing such as cutting, welding, and heat treatment using a laser beam.
- the workpiece in the portion irradiated with the laser beam is instantaneously melted and evaporated to form a keyhole surrounded by the molten metal.
- Convection of the molten metal occurs inside the keyhole, and when the velocity of the molten metal flow toward the opening of the keyhole increases, part of the molten metal may scatter from the opening of the keyhole.
- the spattered molten metal is called spatter, and when spatter occurs, it adheres to the periphery of the processing portion to degrade the processing quality of the processing object.
- spattering occurs more easily than the laser processing apparatus using a CO 2 laser, and the processing quality of the object to be processed is easily deteriorated.
- Patent Document 1 discloses a laser processing apparatus provided with optical means for forming a main beam and a sub-beam larger in diameter and lower in energy than the main beam in order to suppress deterioration of the processing quality of the object to be processed. It is done.
- the optical means comprises a collimating lens, a collecting lens and a perforated concave lens.
- This invention is made in view of the above, Comprising: It aims at providing the laser processing apparatus which can implement
- a laser processing apparatus is a laser processing apparatus for condensing a laser beam on a processing object and performing laser processing, which collects the laser beam.
- An optical system is provided, and the focusing optical system has an aberration. It is characterized in that the lateral aberration at the focusing point for the light beam corresponding to D 86.5 , which is the laser beam diameter containing 86.5% of the laser power, in the laser beam before focusing is 0.2 mm or more I assume.
- FIG. 1 The figure which shows schematic structure of the laser processing apparatus concerning Embodiment 1 of this invention. Enlarged view of the beam shape of the focused beam shown in FIG. 1
- FIG. 1 The figure which shows the state of the processing object at the time of performing laser processing using the laser processing apparatus shown in FIG.
- FIG. 2 A ray diagram of a laser beam emitted by the laser processing apparatus shown in FIG.
- FIG. The figure which shows intensity distribution of the laser beam corresponding to each of the optical axis position 12 shown in FIG.
- FIG. 6 The figure which shows intensity distribution of the laser beam corresponding to each of the optical axis position -4 to the optical axis position +2 shown in FIG. A diagram showing the state during and after welding at each of the optical axis position -12 to the optical axis position -6 shown in FIG. A diagram showing the state during and after welding at each of the optical axis position -4 to the optical axis position +2 shown in FIG. A ray diagram of a laser beam emitted by the laser processing apparatus according to the third comparative example of the present invention The figure which shows intensity distribution of the laser beam corresponding to each of the optical axis position -8 to the optical axis position -2 shown in FIG.
- the figure which shows intensity distribution of the laser beam corresponding to each of the optical axis position 0-the optical axis position +6 shown in FIG. A diagram showing the state during and after welding at each of the optical axis position -8 to the optical axis position -2 shown in FIG.
- FIG. 18 is a graph showing the transition of the amount of spatter generated with respect to the change of the transverse aberration of the entire optical system shown in FIG. 17 and FIG. Transition of the peripheral molten pool width when changing the transverse aberration under the conditions shown in Fig. 17
- required by the condensing lens of FIG. 1 Diagram showing transition of exit surface curvature to change of entrance surface curvature
- FIG. 24 A ray diagram and a schematic configuration diagram of the processing optical system under the conditions shown in FIG.
- FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of a laser processing apparatus 100 according to a first embodiment of the present invention.
- the laser processing apparatus 100 includes a laser oscillator 1, an optical fiber 2, and a focusing optical system 3.
- the laser oscillator 1 is a near infrared laser light source that emits a laser beam in a near infrared wavelength range, such as a fiber laser, a disk YAG laser, or a direct diode laser.
- the optical fiber 2 transmits the laser beam emitted by the laser oscillator 1.
- An outgoing beam 10, which is a laser beam emitted from the optical fiber 2 is incident on a focusing optical system 3.
- the focusing optical system 3 includes a collimating lens 31 and a focusing lens 32.
- the collimating lens 31 collimates the outgoing beam 10 into collimated light 11.
- the collimated collimated light 11 is incident on the condenser lens 32.
- the condensing lens 32 irradiates the processing object 4 with the condensed beam 12 obtained by condensing the collimated light 11.
- the processing target 4 is a processing material made of iron.
- the focused beam 12 is irradiated onto the object 4 to be processed, the object 4 to be processed is melted and evaporated to form a keyhole 50 surrounded by the molten metal 41.
- the laser processing is performed by changing the irradiation position of the focused beam 12 to the processing target 4.
- At least one of the collimating lens 31 and the focusing lens 32 has an aberration, and the focusing optical system 3 has an aberration as a whole.
- the diameter of the laser beam contains 86.5% of the laser power, as compared with the condensing point of the condensed beam 120 in the near-axis region where the fiber output angle is 10 ° or less.
- a focused beam 121 at a beam position corresponding to D 86.5 is focused on the front side in the beam traveling direction, and is not focused at the focused position in the near-axis region but blurred.
- the beam shape 10a of the outgoing beam 10 is a flat top with uniform laser power with a specific width centered on the optical axis, where the horizontal axis is an axial position perpendicular to the optical axis and the vertical axis is the light intensity. It is a shape.
- the horizontal axis is the position on the axis perpendicular to the optical axis
- the vertical axis is the light intensity.
- the beam shape 11 a of the collimated light 11 at the optical axis position of the collimating lens 31 is a Gaussian distribution having a peak on the optical axis.
- the beam shape 12 a of the condensed beam 12 emitted from the condensing lens 32 has a peak on the optical axis, and the light intensity is tailed off as it goes away from the optical axis.
- a beam shape in which the central part is mountain-shaped and the foot is widely drawn to the peripheral part is referred to as a witch hat shape.
- FIG. 2 is an enlarged view of the beam shape 12 a of the focused beam 12 shown in FIG.
- the beam shape 12 a of the focused beam 12 has a witch hat shape near the focusing point of the focusing optical system 3 due to the aberration of the focusing optical system 3.
- the condensed beam 12 is composed of a substantially circular main beam 125 centered on the optical axis and an annular peripheral beam 126 surrounding the main beam 125.
- the light intensity of the main beam 125 is, for example, 1 MW / cm 2 or more.
- the peripheral beam 126 has a light intensity lower than that of the main beam 125, and is herein defined as a portion having a light intensity of 5 kW / cm 2 or more and 200 kW / cm 2 or less.
- the peripheral beam 126 is a portion corresponding to the cap of a hat in the shape of a witch hat, and forms a tail that continues from the main beam 125.
- the peripheral beam 126 has a donut shape surrounding the main beam 125 in a cross section perpendicular to the optical axis.
- the width of the peripheral beam 126 is preferably 0.22 mm or more.
- FIG. 3 is a view showing the state of the processing target 4 when laser processing is performed using the laser processing apparatus 100 shown in FIG.
- FIG. 3 shows an example of laser welding, and the laser processing apparatus 100 scans the focused beam 12 toward the left of the figure.
- the beam shape 12 a of the focused beam 12 is a witch hat shape, and the main beam 125 at the central portion melts the metal of the processing object 4 to form a key hole 50.
- the peripheral beam 126 evaporates the surface of the molten metal 41 to generate the metal vapor 61.
- the evaporation reaction force 7 of the metal vapor 61 is a force directed from the surface of the molten metal 41 to the inside of the object 4 at the opening 51 of the keyhole 50.
- the evaporation reaction force 7 changes the direction of the molten metal flow 411 which ascends the keyhole inner wall 502 from the direction perpendicular to the surface 40 of the object 4 to the direction parallel to the surface 40 behind the laser beam scanning direction. .
- the opening 51 of the keyhole 50 spreads in a trumpet shape, the molten metal flow 411 flows toward the inside of the object 4 to be processed, and the generation of spatter is suppressed. Since sputtering tends to occur behind the scanning direction of the laser beam, it is important to form the peripheral beam 126 behind the scanning direction of the laser beam.
- FIG. 4 is a view showing the state of the processing target 4 when performing laser processing using the laser processing apparatus according to Comparative Example 1 of the present invention.
- the beam shape 91a of the condensed beam 91 has no peripheral beam around the main beam, and the light intensity is rapidly reduced to a light intensity of 5 kW / cm 2 or less without tailing. .
- the keyhole inner wall 502 has a shape in which a state close to perpendicular to the surface of the processing target 4 continues from the inside of the keyhole 50 to the surface of the processing target 4.
- the molten metal flow 411 is unlikely to flow toward the inside of the object 4 and the velocity of the molten metal flow 411 in which the molten metal flow 411 is directed to the opening of the keyhole 50 is increased, and a part of the molten metal 41 is scattered.
- spatter 413 is generated.
- FIG. 5 is a view showing the state of the processing target 4 when performing laser processing using the laser processing apparatus according to Comparative Example 2 of the present invention.
- a laser processing apparatus using a CO 2 laser instead of the near infrared laser light source is used.
- a CO 2 laser is a mid-infrared laser having a wavelength of about 9 ⁇ m to 10 ⁇ m.
- the CO 2 laser has a high absorptivity with respect to plasma generated by the interaction of the metal vapor 60 and the metal vapor 61 with the laser light, and when the condensed beam 92 is irradiated, the CO 2 laser A high temperature plasma 8 is generated at the opening 51.
- the metal in the vicinity of the opening 51 is heated and evaporated by the high temperature plasma 8, and the opening 51 is gently and widely opened by the evaporation reaction force 7. Therefore, in the case of using a CO 2 laser, the molten metal flow 411 tends to flow toward the inside of the processing object 4 without adjusting the aberration of the condensing optical system, and the generation of the spatter 413 is small. , Can maintain stable processing quality. Accordingly, in the laser processing apparatus using a near-infrared laser light source, by using a focusing optical system 3 to form a focused beam 12 of the beam shape 12a shown in FIG.
- the key plasma in CO 2 laser processing hole opening It is possible to perform heating and enlargement of the keyhole opening equivalent to heating and enlargement of the part, and it is possible to suppress the problem that spatter 413 is apt to occur when a near infrared laser light source is used.
- the laser processing apparatus 100 suppresses the spatter 413 by conducting experiments of experimental examples 1 to 9 by changing the conditions such as the optical elements used by the laser processing apparatus 100 according to the first embodiment and the operating conditions.
- the conditions for maintaining good processing quality without any problem in practical use were examined.
- FIG. 6 is a ray diagram of a laser beam emitted from the laser processing apparatus 100 shown in FIG.
- the ray diagram shows the position of the optical axis and the names of representative optical axis positions.
- the ray diagram of FIG. 6 shows the rays generated at equally spaced angles from the center of the optical fiber 2.
- the thick solid line is a light beam corresponding to a beam diameter D 86.5 , which is the diameter of the laser beam containing 86.5% of the laser power inside, and the broken line is 1.5 times the beam diameter D 86.5
- the beam diameter D corresponds to the beam diameter D 98.9 , which is the diameter of the laser beam containing 98.9% of the laser power.
- the diameter of the laser beam containing 86.5% of the laser power is hereinafter referred to as a beam diameter D 86.5 .
- the position of the optical axis is negative with the paraxial focal position as the origin, when processing at the upper part of the laser beam, and positive when processing with the lower part of the laser beam. It follows the convention of the laser processing industry, which is positive when the focal point is at the top of the material surface.
- FIG. 7 is a view showing the intensity distribution of laser light corresponding to each of the optical axis position -12 to the optical axis position -6 shown in FIG.
- FIG. 8 is a view showing the intensity distribution of laser light corresponding to each of the optical axis position -4 to the optical axis position +2 shown in FIG.
- the intensity distribution of the laser beam corresponding to each optical axis position is shown by three types of scales. These intensity distributions are the result of simulating the far field of the outgoing beam 10 as a Gaussian distribution.
- intensity distribution of a laser beam is shown by three types of scales with a maximum value of 25 MW / cm 2 , 1 MW / cm 2 and 100 kW / cm 2 at the maximum value of the vertical axis. From the figure with the maximum value of the vertical axis of 25 MW / cm 2 , the overall shape including the central peak can be grasped.
- the weak peripheral beam 126 can be grasped from the figures of which the vertical axis maximum values are 1 MW / cm 2 and 100 kW / cm 2 .
- FIG. 9 is a view showing a state during and after welding at each of the optical axis position -12 to the optical axis position -6 shown in FIG.
- FIG. 10 is a view showing a state during and after welding at each of the optical axis position -4 to the optical axis position +2 shown in FIG.
- the image during the welding process is an image captured while performing the welding process, and shows the state of the keyhole 50 and the peripheral molten pool 52.
- the quality of suppression of sputtering is indicated by the symbols of ⁇ , ⁇ , and ⁇ in the order of the suppression effect of the suppression effect of the generation of sputtering.
- the weld bead outline indicates the processing quality, and the quality of the surface bead after welding is indicated by the symbol of ⁇ when the condition of the surface bead is good and by the symbol of x when it is bad.
- the shape of the molten pool including the keyhole 50 and the peripheral molten pool 52 shown in the image during welding shows a high correlation with the quality of the suppression of sputtering.
- a peripheral molten pool 52 shallower than the key hole exists around the keyhole 50, and in the range of the optical axis position, the spatter 413 is well suppressed.
- the peripheral molten pool 52 is not formed around the keyhole 50, and the keyhole 50 does not open like a trumpet, so spatter 413 is generated.
- peripheral molten pool 52 formed is small, it is effective in suppressing the spatter 413.
- the peripheral molten pool 52 at this optical axis position ⁇ 8 mm is formed by the peripheral beam 126 of light intensity which is only 0.3 mm wide and gradually decreases from 50 kW / cm 2 to 0 kW / cm 2 with reference to FIG. It can be seen that even the peripheral beam 126 under such conditions has the effect of suppressing the spatter 413.
- the light intensity at which the keyhole starts to occur is 110 kW / cm 2 or more and 180 kW / cm 2 or less, and the portion where the light intensity is included in this range is the keyhole 50 and the boundary of the keyhole 50 is the inner diameter of the peripheral beam 126 Do.
- the light intensity at the melting limit is 7 kW / cm 2 or more and 20 kW / cm 2 or less, and this melting limit position is taken as the outer diameter of the peripheral beam 126.
- the width of the peripheral beam 126 which is the difference between the inner diameter and the outer diameter of the peripheral beam 126, is 0.3 mm at the optical axis position -8 mm, 0.5 mm at the optical axis position -6 mm, It can be seen that the axial position is 0.6 mm at ⁇ 4 mm, 0.7 mm at the optical axis position ⁇ 2 mm, 0.8 mm at the optical axis position 0 mm, and 1.0 mm at the optical axis position +2 mm.
- the shape of the peripheral molten pool 52 in the image during welding shown in FIGS. 9 and 10 corresponds to the shape of the peripheral beam 126 shown in FIGS. 7 and 8. From these figures, as a result of analyzing the correlation of the intensity distribution of the laser light in the image during welding processing in detail, these consistency became clear. The intensity distribution of the laser light and the melting phenomenon of the metal are very well matched.
- FIG. 11 is a ray diagram of a laser beam emitted from a laser processing apparatus according to Comparative Example 3 of the present invention.
- the laser processing apparatus according to Comparative Example 3 uses a near-infrared laser light source and a general focusing optical system with low aberration.
- FIG. 12 is a diagram showing the intensity distribution of laser light corresponding to each of the optical axis position -8 to the optical axis position -2 shown in FIG.
- FIG. 13 is a diagram showing the intensity distribution of laser light corresponding to each of the optical axis position 0 to the optical axis position +6 shown in FIG. In FIG. 12 and FIG.
- FIG. 14 is a view showing a state during and after welding at each of the optical axis position -8 to the optical axis position -2 shown in FIG.
- FIG. 15 is a view showing a state during and after welding at each of the optical axis position 0 to the optical axis position +6 shown in FIG.
- the items in the respective columns shown in FIGS. 11 to 15 are the same as the respective columns shown in FIGS.
- the light beam is symmetrical in the front and back direction about the paraxial focal point which is the focusing point.
- the intensity distribution outside the Rayleigh length is approximately Gaussian shaped.
- the beam diameter increases linearly, and the light intensity decreases in inverse proportion to the square of the defocus distance. Since it becomes image transfer of light intensity distribution in the outgoing end of optical fiber 2 near the condensing point in Rayleigh length, it becomes flat top like and becomes flat top shape near the paraxial focal point which is a condensing point.
- Embodiment 1 of the present invention since the condensing optical system 3 has an aberration, as shown in FIGS.
- the shape of the intensity distribution itself of the ⁇ circle around (1) ⁇ exhibits a complex propagation characteristic that changes significantly.
- the intensity distribution of the laser light becomes asymmetrical before and after the position of the least circle of confusion corresponding to the condensing position, and at the light axis position -4 to the light axis position +2 on the front side of the least circle of confusion It has a witch hat shape in which the tail of a trumpet-shaped peripheral beam 126 having a light intensity of 200 kW / cm 2 or less is pulled around.
- the occurrence of spatter 413 is favorably suppressed and the state of the surface bead is also excellent at the optical axis position -4 to the optical axis position +2 where the beam shape approaches the witch hat shape. It can be seen that good processing quality is maintained.
- the optical axis position-4 mm that the welding performance is excellent comprehensively, and realize high power and high speed welding of 10 kW, 5 m / min and well suppress the generation of spatter 413
- the bead surface is also smooth after welding, and the penetration depth has also reached a high level of 10.4 mm.
- the amount of sputtering per 10 cm is suppressed to 25 ⁇ 10 or less at a practically acceptable level over the entire area on the front side of the beam of the optical axis position -8 mm to the optical axis position +2 mm.
- the size of the generated spatter 413 is also as small as 0.5 mm or less, and adhesion of the processing target 4 to the surface 40 can also be suppressed.
- the diameter of the keyhole 50 is 0.8 mm, while the width of the peripheral molten pool 52 is 0.6 mm.
- the intensity of the peripheral beam 126 gradually decreases from 110 kW / cm 2 to 7 kW / cm 2 , and the light intensity at the central part of the peripheral beam width is 20 kW / cm 2 .
- the intensity of the laser beam required to form the trumpet-shaped opening without forming the deep key hole 50 is about 20 kW / cm 2 or more and 100 kW / cm 2 or less.
- the laser processing apparatus 100 can suppress generation of the spatter 413 in a wide optical axis position range, ensure a region with high processing quality, and the beam intensity at the central portion peaks in the region with high processing quality. Because of the presence of regions, it is possible to achieve deep penetration.
- the laser processing apparatus 100 has both high processing quality and high processing performance.
- FIG. 16 is a diagram showing the conditions of the laser oscillator 1 and the optical system of the laser processing apparatus 100 in Experimental Example 1 of the present invention.
- the fiber core diameter ⁇ c of the optical fiber 2 is 200 ⁇ m
- the beam parameter product BBP is 8 mm mrad or less
- the total apex divergence angle ⁇ F 160 mrad or less.
- the collimator lens 31 is a low aberration combined lens.
- the collimator lens 31 is a lens without aberration.
- a lens having no aberration can be defined as a lens having a lateral aberration of 0.05 mm or less based on the beam diameter D 86.5 at the focusing point.
- a lens having a large aberration means a case where the aberration based on the beam diameter D 86.5 is 0.1 mm or more.
- the laser processing apparatus 100 has an aberration equal to or greater than 10 times that of a general processing optical system.
- the lateral aberrations ⁇ Y are both 0.05 mm or less.
- the material of the object 4 to be processed is a mild steel plate, and the processing speed is 5 m / min. 20 L / min of argon gas is sprayed as a shielding gas to the welded portion.
- the laser processing apparatus using a near infrared laser light source such as a fiber laser and a disk YAG laser, high power, high speed, and deep welding processing of penetration depth are sputtered in the laser processing apparatus.
- a near infrared laser light source such as a fiber laser and a disk YAG laser
- high power, high speed, and deep welding processing of penetration depth are sputtered in the laser processing apparatus.
- the laser processing apparatus 100 improves the quality of fiber transmission laser welding, and can realize stable processing quality.
- the material of the workpiece 4 is not limited to iron.
- the workpiece 4 may be made of a metal material such as aluminum, copper, nickel, stainless steel or the like.
- the aberration may be generated by the laser oscillator 1 or the optical fiber 2 which generates a laser beam. That is, the aberration may be generated by at least one of the elements disposed on the optical path from the generation of the laser light to the irradiation of the processing target 4.
- FIG. 17 is a diagram showing experimental conditions according to Experimental Example 2 of the present invention.
- this experimental example 2 six conditions (a) to (a) in which the amount of aberration of the condensing lens 32 of the laser processing apparatus 100 shown in FIG. 1 is changed in order to specify the condition of the aberration effective for suppressing the sputtering 413 Laser processing was performed under condition (f), and the processing quality under each condition was observed.
- the focal length f c of the collimating lens 31 is 200 mm
- the lateral aberration ⁇ Y c (D 86.5 ) 0.05 mm or less based on the beam diameter D 86.5.
- the processing speed is 5 m / min, and the material of the object 4 to be processed is mild steel.
- FIG. 18 is a diagram showing the results of laser processing under the conditions shown in FIG. FIG. 18 shows a ray diagram when performing laser processing under each condition, an image obtained by photographing a molten pool during laser processing, and information indicating the state of welding processing.
- Position suitable for performing welding was a circle of least confusion position Z D86.5 respect to the beam diameter D 86.5.
- the image obtained by photographing the molten pool during laser processing is an image at the minimum circle of confusion ZD 86.5 .
- the molten pool outer diameter OD, the molten pool inner diameter ID, and the peripheral molten pool width Wm indicated in the welding state are values read from the molten pool image.
- the spatter generation amount NS indicates the number of spatter generated per 10 cm of welding length.
- FIG. 19 is a graph showing the transition of the spatter generation amount with respect to the change of the transverse aberration of the entire optical system shown in FIG. 17 and FIG. From Figure 19, when the aberration amount of occurrence of spatter becomes 40 ⁇ 10 cells / 10 cm below an effective aberration sputtering suppression, it can be said that the range lateral aberration [Delta] Y A is not less than 0.2mm in the focal point. More preferably, the lateral aberration ⁇ Y A (D 86.5 ) at the focal point is 0.53 mm or more.
- Figure 20 is a diagram showing a graph of the change in surrounding molten pool width Wm when changing the lateral aberration ⁇ Y A (D 86.5) under the conditions shown in FIG. 17.
- Near the molten pool 52 is to be formed by a peripheral beam 126 generated by the lateral aberration that has a size and a strong correlation in the lateral aberration ⁇ Y A (D 86.5) seen.
- Near the molten pool width Wm is proportional to the lateral aberration ⁇ Y A (D 86.5), which is 1.2 times the lateral aberration ⁇ Y A (D 86.5).
- FIG. 21 is a graph showing the transition of the spatter generation amount when the peripheral molten pool width Wm shown in FIG. 18 changes.
- an aberration which causes the generation of spatter to be 40 ⁇ 10 pieces / 10 cm or less is defined as a state in which the spatter 413 is suppressed, it can be said that the peripheral molten pool width Wm necessary for suppressing the spatter is 0.22 mm or more. More preferably, the peripheral molten pool width Wm is 0.69 mm or more.
- FIG. 22 is a view showing the incidence curvature dependency of the lateral aberration of a single lens studied in Experimental Example 3 for specifying the characteristics required for the condensing lens 32 of FIG.
- the relationship between the focal length f of the single lens and the entrance radius of curvature r 1 and the exit radius of curvature r 2 is expressed by the following formula (1). If the focal length f and the incident curvature radius r 1 are determined by using the equation (1), the exit curvature radius r 2 is determined, and the lens shape is determined. If the thickness t c of the lens central portion is 15 mm or less, the dependency on the thickness t c of the lens central portion in the mutual relationship of the focal length f, the incident curvature radius r 1 and the outgoing curvature radius r 2 is small.
- FIG. 23 is a diagram showing the transition of the exit surface curvature K2 with respect to the change of the entrance surface curvature K1.
- the exit surface curvature K2 is a value calculated using the above equation (1).
- the exit surface curvature K2 is a linear function of the entrance surface curvature K1, and it can be seen that the influence of the thickness t c at the lens center is small.
- the incident surface curvature K1 is 5 m -1 or less or 13 m -1 or more.
- the exit surface curvature K2 at which the entrance surface curvature K1 is 5 m -1 or less or 13 m -1 or more is -6 m -1 or less or 2 m -1 or more.
- the incident radius of curvature r 1 56.3 mm on the incident side of the lens
- the output radius of curvature r 2 139.9 mm on the condensing side.
- FIG. 24 is a diagram showing the shape and light rays of the condenser lens 32 according to Experimental Example 3 of the present invention.
- the condensing lens 32 used in the present experimental example 3 has a meniscus shape as shown in FIG.
- a plano-convex lens near the position of the minimum aberration, a biconvex lens, etc. are often used as the lens shape. If even greater light collection performance is required, close to no aberration lenses may be used.
- a meniscus lens is used to generate an aberration of 0.5 mm or more.
- FIG. 25 is a diagram showing a partially enlarged view of FIG. 24 and a lateral aberration corresponding to the enlarged view.
- the lateral aberration ⁇ Y h ⁇ 16 is 0.53 mm based on the incident height h.
- the incident height h is defined as a negative value.
- the incident height dependency of the transverse aberration of a single lens is a cubic function in a region where the incident height h is smaller than the incident radius of curvature r 1 and the outgoing radius of curvature r 2 of the lens surface.
- transverse aberration ⁇ Y h-16 0, which can be sputtered suppression effect to generate a high peripheral beam 126. It achieves 53 mm.
- FIG. 26 is a diagram showing the conditions of the processing optical system according to Experimental Example 4 of the present invention.
- FIG. 27 is a ray diagram and a schematic configuration diagram of the processing optical system under the conditions shown in FIG.
- the lateral aberration ⁇ Y c (D 86.5 ) of the collimator lens 31 is so small that it can be neglected, and the width of the focusing lens 32 is based on the beam diameter D 86.5.
- the aberration ⁇ Y f (D 86.5 ) 0.53 mm.
- the lateral aberration ⁇ Y A (D 86.5 ) 0.53 mm of the entire optical system based on the beam diameter D 86.5 .
- the condition (g) is that the focal length f c of the collimating lens 31 is 200 mm, and the focal length f f of the condensing lens 32 is 204 mm.
- the condition (h) is that the focal length f c of the collimating lens 31 is 400 mm, and the focal length f f of the condensing lens 32 is 408 mm.
- the optical system has a similar shape, and the amount of lateral aberration corresponding to the focusing angle is equal. In this case, the ray diagrams in the vicinity of the focal position coincide with each other, and the light collection state becomes equal.
- FIG. 28 is a diagram showing an example of product specifications of near-infrared laser light sources used in Experimental Examples 1 to 4.
- the product specifications of fiber laser and YAG laser used as near infrared laser light source are almost the same standard as de facto standard, and the emission half angle ⁇ H from the optical fiber 2 is the laser output and the optical fiber 2 Regardless of the fiber diameter, it is 80 mrad or less, and the measured value is from 75 mrad to 80 mrad.
- FIG. 29 is a diagram showing the conditions of the laser processing apparatus 100 in Experimental Example 5 of the present invention.
- the conditions (i), (j) and (k) are the same except for the fiber core diameter ⁇ c .
- the fiber core diameter ⁇ c of the condition (k) is 300 ⁇ m
- the beam parameter product BPP is 12 mm mmrad or less.
- the total apex divergence angle ⁇ F 160 mrad or less
- the focal length f c of the collimating lens 31 is 200 mm
- the lateral of the collimating lens 31 The aberration ⁇ Y c (D 86.5 ) is negligibly small.
- the focal length f f of the focusing lens 32 is 200 mm
- the lateral aberration ⁇ Y f (D 86.5 ) of the focusing lens 32 is It is 0.56.
- the lateral aberration ⁇ Y A (D 86.5 ) 0.56 of the entire optical system.
- FIG. 30 shows an optical path diagram and an intensity distribution of laser light emitted from the laser processing apparatus 100 under each of the conditions shown in FIG.
- the lateral aberration based on the diameter of the laser beam is 0.2 mm or more, 0.4 mm or more in diameter, and more preferably 0.5 mm or more.
- the diameter is 1.0 mm or more.
- the change in light intensity at the central portion is large.
- the fiber core diameter ⁇ c is reduced from 300 ⁇ m to 100 ⁇ m to 1/3, the light intensity at the center increases from 11.8 MW / cm 2 to 39.8 MW / cm 2 .
- the spot system at the focusing point is also 1/3, so the light intensity at the central portion is 9 times.
- the light intensity at the central portion has stopped increasing by about 3.4 times due to the influence of the aberration.
- the intensity of peripheral beam 126 having a light intensity of 200 kW / cm 2 or less and a width of 0.3 mm or more is important, but referring to FIG. 30, even if the fiber core diameter ⁇ c is changed. The influence on the intensity distribution of the peripheral beam 126 is small. Even if the fiber core diameter ⁇ c is changed from 0.1 mm to 0.3 mm, the intensity of the peripheral beam 126 hardly changes, and the optical axis position dependency does not change either.
- FIG. 31 is a diagram showing the conditions of the laser processing apparatus 100 in Experimental Example 6 of the present invention.
- Conditions (1), (m) and (n) shown in FIG. 31 are the same as the condition (j) shown in FIG. 29 except for the focal length f f of the condenser lens 32.
- the focal length f f 100 mm of the condensing lens 32 in the condition (l)
- the focal length f f 200 mm of the condensing lens 32 in the condition (m)
- the focal length of the condensing lens 32 in the condition (n) f f 300 mm.
- FIG. 32 is a diagram showing an optical path diagram and an intensity distribution of laser light emitted from the laser processing apparatus 100 under each of the conditions shown in FIG. Referring to FIG. 32, even when the focal distance f f is changed to change the condensing angle, the condensing state at the paraxial focal position, the D 86.5 minimum circle of confusion position, and the D 98.9 minimum circle of confusion position and The change in light intensity distribution is small.
- the basic spot diameter ⁇ s determined by the optical magnification ⁇ (f f / f c ) changes according to the following equation (2).
- the change in light intensity distribution is small.
- ⁇ F BPP / ⁇ s (2)
- ⁇ F the fiber core diameter
- the scale in the direction of the optical axis such as the distance between the focal point and each minimum circle of confusion, changes in proportion to the focal distance as the focal distance changes, ie, the concentration angle changes.
- the intensity distribution of the peripheral beam 126 at each position is comparable, and similar sputter suppression effects can be obtained.
- the processing position likelihood or the like corresponding to the focal depth in the optical axis direction changes with the change of the focal length.
- Example 5 and Example 6 in the optical system with large aberration, even if the fiber diameter of the optical fiber 2 is changed or the focal length is changed, the light ray position corresponding to the beam diameter D 86.5 is used as a reference. It is found that the light intensity distribution is similar if the aberrations are the same. Therefore, aberrations relative to the beam diameter D 86.5, that is, by defining the aberration relative to the light beam position corresponding to the beam diameter D 86.5, it is possible to obtain the same light intensity distribution, It is understood that it is possible to obtain the same sputtering suppression effect.
- the optical axis position dependency of the light intensity distribution is scaled according to the focal length.
- FIG. 33 is a diagram showing conditions of aberration of each lens in Experimental Example 7 of the present invention.
- the overall aberration of the focusing optical system 3 is the sum of the aberrations of the respective lenses. It is the same. Since the light intensity distribution at the focusing point is determined according to the overall aberration of the focusing optical system 3, the light intensity distribution at the focusing point is different under the three conditions (A), (B) and (C). It was found that the sputtering suppression effect was also equivalent.
- the aberration of the focusing optical system 3 is generally defined with respect to the focusing point in the traveling direction of the laser beam, but the aberration of the focusing optical system 3 is generally defined with respect to the collimating lens 31 for collimating the divergent light from the optical fiber 2.
- an aberration is defined by virtual focusing by causing a collimated beam to be reversely incident from the collimating part opposite to the traveling direction and focusing the light toward the output end of the optical fiber 2.
- FIG. 34 is a diagram showing experimental results of Experimental Example 8 of the present invention.
- the molten pool outer diameter OD of the peripheral molten pool 52 gradually decreases as the processing speed increases, and is 2.5 mm at 1 m / min, 2.2 mm at 5 m / min, and 10 m / min. It is 1.9 mm in min.
- the molten pool inner diameter ID of the peripheral molten pool 52 that is, the diameter ⁇ KH of the key hole 50 is substantially constant in the range of 0.75 ⁇ 0.15 mm.
- the peripheral molten pool width Wm decreases from 0.75 mm to 0.45 mm with an increase in processing speed, but maintains a width of 0.22 mm or more that is effective for suppressing spatter, and the spatter generation amount NS is And is suppressed to the level of 0-25 pieces / 10 cm over the entire speed range. Therefore, it is understood that the laser processing apparatus 100 has the effect of suppressing the spatter 413 regardless of the processing speed.
- Example 9 In Experimental Example 9 of the present invention, the state of the molten pool and the suppression state of the spatter 413 were examined in the case where the output of the laser was changed from 1 kW to 10 kW every 1 kW.
- FIG. 35 is a diagram showing experimental results of Experimental Example 9 of the present invention.
- the spatter generation amount NS is at a level of 0 to 10/10 cm across the entire output range of 1 kW to 10 kW. It is suppressed. Therefore, it is understood that the laser processing apparatus 100 exerts the effect of suppressing the spatter 413 regardless of the output of the laser.
- the beam shape at the focusing point becomes a witch hat shape, and the width of the peripheral beam 126 having a light intensity of 5 kW / cm 2 or more and 200 kW / cm 2 or less becomes 0.22 mm or more.
- an evaporation reaction force is generated, and the flow of the molten metal flow 411 can be changed from the direction perpendicular to the surface of the object 4 to a horizontal direction, thereby suppressing the generation of the spatter 413 can do.
- the beam diameter D 86.5 corresponds to a divergence angle of ⁇ 80 mrad from the optical fiber 2 when the light emitted from the optical fiber 2 is condensed by the condensing optical system 3. For this reason, the above-mentioned conditions can also be said that the lateral aberration of the focal point is 0.2 mm or more with respect to the divergence angle ⁇ 80 mrad from the optical fiber 2.
- the collimator lens 31 may have an aberration
- the condensing lens 32 may have an aberration
- both the collimating lens 31 and the focusing lens 32 may have aberrations.
- the sum of the aberration of the collimating lens 31 and the aberration of the focusing lens 32 may satisfy the above condition.
- the virtual core spot diameter without aberration can be 0.625 times to 1.375 times the diameter of the output fiber, and deep penetration performance can be exhibited.
- FIG. 36 is a diagram showing the configuration of a laser processing apparatus 200 according to the second embodiment of the present invention.
- the laser processing apparatus 200 of the second embodiment has an imaging apparatus 500 for monitoring the processing target 4 during laser processing.
- the laser processing apparatus 200 has a collimating lens 31 having an aberration, and a condensing lens 32 which is a low aberration lens.
- a bend mirror 9 is disposed on the light path between the collimating lens 31 and the focusing lens 32.
- the bend mirror 9 reflects the light from the collimator lens 31 to the condenser lens 32.
- the imaging device 500 which is an imaging unit is a coaxial camera, and can detect light going straight through the condenser lens 32 and the bend mirror 9.
- the condenser lens 32 Since the condenser lens 32 has no aberration, distortion of the monitor image of the imaging device 500 can be suppressed. Therefore, it is possible to monitor the portion on which the laser processing of the processing target 4 is being performed coaxially and with a clear image free from blurring and distortion while suppressing the spatter 413 and suppressing the deterioration of the processing quality.
- the configuration shown in the above embodiment shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with another known technique, and one of the configurations is possible within the scope of the present invention. Parts can be omitted or changed.
- the present invention is not limited to this example.
- the technology described in the present embodiment is also effective when applied to a laser processing apparatus using, for example, a visible light laser or a mid-infrared laser.
- the laser processing apparatus 100 and the laser processing apparatus 200 having the optical fiber 2 and the condensing optical system 3 for condensing the laser beam emitted from the optical fiber 2 have been described. Is not limited to such an example. It is also possible to apply the technique of the present invention to a laser processing apparatus that does not include the optical fiber 2.
- the light emitted from the laser oscillator 1 may be incident as it is on the condensing optical system 3, or the present invention may be provided on the optical path until the light emitted from the laser oscillator 1 is incident on the condensing optical system 3. Any optical element may be disposed without departing from the scope of the present invention.
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Abstract
本発明にかかるレーザ加工装置(100)は、レーザビームを加工対象物に集光してレーザ加工を行うレーザ加工装置(100)であり、レーザビームを集光する集光光学系(3)を備え、集光光学系(3)は収差を有し、集光前のレーザビームにおける、レーザパワーの86.5%を含有するレーザビーム直径であるD86.5に対応した光線に対する集光点での横収差は、0.2mm以上であることを特徴とする。
Description
本発明は、レーザビームを用いて、切断、溶接、熱処理などのレーザ加工を行うレーザ加工装置に関する。
従来、レーザビームを用いて金属の切断、溶接、熱処理などのレーザ加工を行うレーザ加工装置では、高集束および高出力のレーザビームを発生させる必要があるため、波長が9~10μm程度の中赤外レーザであるCO2レーザが主に使用されていた。近年、ファイバレーザ、ディスクYAG(Yttrium Aluminum Garnet)レーザ、ダイレクトダイオードレーザなど近赤外の波長域のレーザビームを出力する近赤外レーザの高集束化および高出力化が進んできている。近赤外レーザの高集束化および高出力化が進むにつれて、近赤外レーザを光源として使用するレーザ加工装置が開発されている。
レーザ加工装置から加工対象物にレーザビームを照射すると、レーザビームを照射した部分の加工対象物が瞬間的に溶融および蒸発して、周囲を溶融金属で取り囲まれたキーホールが形成される。キーホール内部では、溶融金属の対流が発生しており、キーホールの開口部に向かう溶融金属流の速度が大きくなると、キーホールの開口部から溶融金属の一部が飛散する場合がある。飛散した溶融金属はスパッタと呼ばれ、スパッタが発生すると、加工部分の周辺に付着して加工対象物の加工品質を低下させる。近赤外レーザを使用したレーザ加工装置では、CO2レーザを使用したレーザ加工装置よりもスパッタが発生し易く、加工対象物の加工品質が低下しやすいという問題があった。
特許文献1には、加工対象物の加工品質の低下を抑制するために、主ビームと、主ビームよりも大径かつ低エネルギーの副ビームとを形成する光学手段を備えたレーザ加工装置が開示されている。この光学手段は、コリメートレンズと、集光レンズと、穴あき凹レンズとを有する。
しかしながら、上記特許文献1には、加工対象物に照射されるレーザビームの集光状態を特定することができる記載がなく、集光状態によってはキーホールの形状を安定させることができず、加工対象物の加工品質が低下してしまう場合があるという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した加工品質を実現することができるレーザ加工装置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、本発明のレーザ加工装置は、レーザビームを加工対象物に集光してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、レーザビームを集光する集光光学系を備え、集光光学系は収差を有する。集光前のレーザビームにおける、レーザパワーの86.5%を含有するレーザビーム直径であるD86.5に対応した光線に対する集光点での横収差は、0.2mm以上であることを特徴とする。
本発明によれば、レーザ加工において安定した加工品質を実現することができるという効果を奏する。
以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかるレーザ加工装置100の概略構成を示す図である。レーザ加工装置100は、レーザ発振器1と、光ファイバ2と、集光光学系3とを有する。
図1は、本発明の実施の形態1にかかるレーザ加工装置100の概略構成を示す図である。レーザ加工装置100は、レーザ発振器1と、光ファイバ2と、集光光学系3とを有する。
レーザ発振器1は、ファイバレーザ、ディスクYAGレーザ、ダイレクトダイオードレーザなど近赤外の波長域のレーザ光を出射する近赤外レーザ光源である。光ファイバ2は、レーザ発振器1が出射したレーザ光を伝送する。光ファイバ2から出射されたレーザビームである出射ビーム10は、集光光学系3に入射する。集光光学系3は、コリメートレンズ31と、集光レンズ32とを含む。コリメートレンズ31は、出射ビーム10を平行化してコリメート光11にする。平行化されたコリメート光11は、集光レンズ32に入射する。集光レンズ32は、コリメート光11を集光した集光ビーム12を加工対象物4に照射する。加工対象物4は、鉄製の加工材である。加工対象物4上に集光ビーム12が照射されると、加工対象物4が溶融および蒸発して、周囲を溶融金属41で取り囲まれたキーホール50が形成される。加工対象物4への集光ビーム12の照射位置を変化させることで、レーザ加工が行われる。コリメートレンズ31および集光レンズ32の少なくとも一方は収差を有しており、集光光学系3は、全体として収差を有する。この、集光光学系3の収差によって、ファイバ出射角が全角10°以下の近軸領域の集光ビーム120の集光点に比べ、レーザパワーの86.5%を含有するレーザビーム直径であるD86.5に対応した光線位置の集光ビーム121はビーム進行方向手前に集光し、近軸領域の集光位置では集光せずにぼける。
出射ビーム10のビーム形状10aは、横軸を光軸に垂直な軸上の位置、縦軸を光強度とした場合、光軸を中心とする特定の幅の、レーザパワーが一様なフラットトップ形状である。以下、ビーム形状について述べる場合、横軸を光軸に垂直な軸上の位置、縦軸を光強度とする。コリメートレンズ31の光軸位置におけるコリメート光11のビーム形状11aは、光軸上をピークとするガウス分布形状である。集光レンズ32から出射された集光ビーム12のビーム形状12aは、光軸上にピークを有し、光軸から離れるにつれて光強度はテールを引いて低くなっている。本明細書中では、中央部が山型であって周辺部に広く裾野を引いたビーム形状をウィッチハット(Witch hat:魔女の帽子)形状と称する。
図2は、図1に示す集光ビーム12のビーム形状12aの拡大図である。集光ビーム12のビーム形状12aは、集光光学系3の有する収差に起因して、集光光学系3の集光点付近において、ウィッチハット形状となる。光軸に垂直な面をみると、集光位置において集光ビーム12は、光軸を中心とする略円形の主ビーム125と、主ビーム125を取り囲む環状の周辺ビーム126とから構成されている。主ビーム125の光強度は、例えば1MW/cm2以上である。周辺ビーム126は主ビーム125よりも光強度が低く、ここでは光強度が5kW/cm2以上200kW/cm2以下の部分と定義する。周辺ビーム126はウィッチハット形状の帽子の鍔に相当する部分であり、主ビーム125から連なる裾野を形成している。周辺ビーム126は、光軸に垂直な断面において、主ビーム125を取り囲むドーナツ形をしている。周辺ビーム126の幅は、0.22mm以上であることが望ましい。
図3は、図1に示すレーザ加工装置100を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物4の状態を示す図である。図3は、レーザ溶接の例を示しており、レーザ加工装置100は、図の左に向かって集光ビーム12を走査している。
集光ビーム12のビーム形状12aは、ウィッチハット形状であり、中心部の主ビーム125は、加工対象物4の金属を溶融させてキーホール50を形成させる。周辺ビーム126は、溶融金属41の表面を蒸発させて、金属蒸気61を発生させる。金属蒸気61の蒸発反力7は、キーホール50の開口部51において、溶融金属41の表面から加工対象物4の内部に向かう力となる。蒸発反力7は、レーザ光の走査方向の後方において、キーホール内壁502を上昇する溶融金属流411の向きを加工対象物4の表面40に垂直な方向から表面40に平行な方向へと変える。これにより、キーホール50の開口部51がラッパ状に広がり、溶融金属流411は、加工対象物4の内部に向かう流れとなり、スパッタの発生は抑制される。スパッタは、レーザ光の走査方向の後方で発生しやすいため、レーザ光の走査方向の後方で周辺ビーム126を形成することが重要である。
図4は、本発明の比較例1にかかるレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物4の状態を示す図である。近赤外レーザ光源を使用したレーザ加工装置において、集光光学系の収差が小さい、または収差がない場合、集光点の近傍における集光ビーム91のビーム形状91aは、光ファイバ2の出射端におけるビーム形状を、コリメートレンズ31の焦点距離fcと集光レンズ32の焦点距離ffの比率で定まる光学倍率α=ff/fcで断面方向に拡大した、フラットトップ形状に近い形状となる。
図4の例では、集光ビーム91のビーム形状91aは主ビームの周辺に周辺ビームが存在せず、光強度はテールを引くことなく急速に5kW/cm2以下の光強度まで低下している。このため、キーホール内壁502は、加工対象物4の表面に対して垂直に近い状態がキーホール50の内部から加工対象物4の表面まで続く形状となる。溶融金属流411は、加工対象物4の内部に向かう流れとなりにくく、溶融金属流411がキーホール50の開口部に向かう溶融金属流411の速度が速くなり、溶融金属41の一部が飛散してスパッタ413が発生する。
図5は、本発明の比較例2にかかるレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物4の状態を示す図である。比較例2では、近赤外レーザ光源の代わりに、CO2レーザを使用したレーザ加工装置が用いられる。CO2レーザは、波長が9μmから10μm近傍の中赤外レーザである。このためCO2レーザは、金属蒸気60および金属蒸気61と、レーザ光との相互作用で発生するプラズマに対して吸収率が高く、集光ビーム92を照射すると、キーホール50およびキーホール50の開口部51に高温のプラズマ8が生成される。CO2レーザを使用したレーザ加工では、高温のプラズマ8によって、開口部51付近の金属が加熱されて蒸発し、その蒸発反力7によって、開口部51は緩やかに広く開口される。このため、CO2レーザを使用する場合には、集光光学系の収差を調整しなくても、溶融金属流411は加工対象物4の内部に向かう流れになりやすく、スパッタ413の発生が少なく、安定した加工品質を保つことができる。したがって、近赤外レーザ光源を使用したレーザ加工装置において、図2に示すビーム形状12aの集光ビーム12を形成する集光光学系3を用いることで、CO2レーザ加工におけるプラズマによるキーホール開口部の加熱および拡大と等価な、キーホール開口部の加熱および拡大を実施することができ、近赤外レーザ光源を使用した場合にスパッタ413が生じやすいという問題を抑制することが可能である。
以下、本実施の形態1にかかるレーザ加工装置100が使用する光学素子、動作条件などの条件を変化させて実験例1~実験例9の実験を行い、レーザ加工装置100がスパッタ413を抑制して実用上問題のない良好な加工品質を維持するための条件を検討した。
(実験例1)
図6は、図1に示すレーザ加工装置100が出射するレーザビームの光線図である。光線図には、光軸位置と、代表的な光軸位置の名称とが示されている。図6の光線図は、光ファイバ2の中心から等間隔の角度で発生された光線を示している。太い実線は、内部にレーザパワーの86.5%が含有されるレーザビームの直径であるビーム径D86.5に相当する光線であって、破線はビーム径D86.5の1.5倍のビーム径であって、内部にレーザパワーの98.9%が含有されるレーザビームの直径であるビーム径D98.9に相当する。以下、レーザパワーの86.5%が含有されるレーザビームの直径をビーム径D86.5と称する。
図6は、図1に示すレーザ加工装置100が出射するレーザビームの光線図である。光線図には、光軸位置と、代表的な光軸位置の名称とが示されている。図6の光線図は、光ファイバ2の中心から等間隔の角度で発生された光線を示している。太い実線は、内部にレーザパワーの86.5%が含有されるレーザビームの直径であるビーム径D86.5に相当する光線であって、破線はビーム径D86.5の1.5倍のビーム径であって、内部にレーザパワーの98.9%が含有されるレーザビームの直径であるビーム径D98.9に相当する。以下、レーザパワーの86.5%が含有されるレーザビームの直径をビーム径D86.5と称する。
光軸位置は、近軸焦点位置を原点として、レーザビームの上部で加工する場合を負、レーザビームの下部で加工する場合を正としている。焦点位置が材料表面の上部に存在する場合を正とするレーザ加工業界の慣例に従っている。
図7は、図6に示す光軸位置-12~光軸位置-6のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図である。図8は、図6に示す光軸位置-4~光軸位置+2のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図である。
図7および図8には、各光軸位置に対応するレーザ光の強度分布が、3種類のスケールで示されている。これらの強度分布は、出射ビーム10の遠視野をガウス分布としてシミュレーションした結果である。図7および図8には、レーザ光の強度分布を、縦軸最大値が25MW/cm2、1MW/cm2および100kW/cm2の3種類のスケールで示している。縦軸最大値が25MW/cm2の図からは、中央のピークを含む全体形状を把握することができる。縦軸最大値が1MW/cm2および100kW/cm2の図からは、微弱な周辺ビーム126を把握することができる。
図9は、図6に示す光軸位置-12~光軸位置-6のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図である。図10は、図6に示す光軸位置-4~光軸位置+2のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図である。
図9および図10には、光軸位置-12~光軸位置+2のそれぞれに対応して、溶接加工中画像、溶接加工後画像、スパッタ抑制の良否、溶接長10cmあたりのスパッタ発生数、溶接ビード概観の良否、および溶接の溶込深さを示している。
溶接加工中画像は、溶接加工を実施している間に撮像した画像であり、キーホール50および周辺溶融池52の状態を示している。溶接加工中画像は、LD照明とラインフィルタとを使用することで、プルーム発光によるハレーションの発生を回避している。スパッタ抑制の良否は、スパッタ発生の抑制効果をその抑制効果が高い順に◎、○、×の記号で示している。溶接ビード概観は、加工品質を示しており、溶接加工後の表面ビードの良否を、表面ビードの状態が良い場合を○、悪い場合を×の記号で示している。
溶接加工中画像に示されるキーホール50と周辺溶融池52とを含む溶融池の形状は、スパッタ抑制の良否と高い相関を示している。光軸位置-8mm~光軸位置+2mmでは、キーホール50の周辺にキーホールよりも浅い周辺溶融池52が存在しており、この光軸位置の範囲では、スパッタ413が良好に抑制されていることが分かる。また光軸位置-12mm~光軸位置-10mmでは、キーホール50の周辺に周辺溶融池52が形成されておらず、キーホール50がラッパ状に開口しないため、スパッタ413が発生している。光軸位置-8mmの溶接加工中画像を参照すると、形成された周辺溶融池52はわずかであるが、スパッタ413の抑制に効果的であることが分かる。この光軸位置-8mmにおける周辺溶融池52は、図7を参照すると、わずか0.3mm幅であり、50kW/cm2から0kW/cm2に漸減する光強度の周辺ビーム126によって形成される。このような条件の周辺ビーム126であっても、スパッタ413抑制の効果を有することが分かる。
続いて、レーザ光の強度分布と溶融池形状の関係について説明する。キーホールが発生し始める光強度は、110kW/cm2以上180kW/cm2以下であり、光強度がこの範囲に含まれる部分をキーホール50として、キーホール50の境界を周辺ビーム126の内径とする。また、溶融限界の光強度は7kW/cm2以上20kW/cm2以下であり、この溶融限界位置を周辺ビーム126の外径とする。図7および図8を参照すると、周辺ビーム126の内径と外径との差である周辺ビーム126の幅は、光軸位置-8mmで0.3mm、光軸位置-6mmで0.5mm、光軸位置-4mmで0.6mm、光軸位置-2mmで0.7mm、光軸位置0mmで0.8mm、光軸位置+2mmで1.0mmであることが分かる。
また、図9および図10に示される溶接加工中の画像における周辺溶融池52の形状は、図7および図8に示す周辺ビーム126の形状と対応している。これらの図から、溶接加工中の画像におけるレーザ光の強度分布の相関を詳細に解析した結果、これらの整合性が明らかとなった。レーザ光の強度分布と、金属の溶融現象は極めてよく整合している。
図11は、本発明の比較例3にかかるレーザ加工装置が出射するレーザビームの光線図である。比較例3にかかるレーザ加工装置は、近赤外レーザ光源と、低収差の一般的な集光光学系とを用いている。図12は、図11に示す光軸位置-8~光軸位置-2のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図である。図13は、図11に示す光軸位置0~光軸位置+6のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図である。図12および図13には、レーザ光の強度分布が、縦軸最大値が50MW/cm2、1MW/cm2および100kW/cm2の3種類のスケールで示されている。図14は、図11に示す光軸位置-8~光軸位置-2のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図である。図15は、図11に示す光軸位置0~光軸位置+6のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図である。図11~図15に示す各列の項目は、図6~図10に示す各列と同様である。
図11を参照すると、本発明の比較例3にかかるレーザ加工装置では、光線は、集光点である近軸焦点を中心に前後で対称となる。図12および図13を参照すると、レーリー長よりも外側の強度分布は概ねガウス形状である。集光点から離れるにしたがって、ビーム径は線形に拡大し、光強度はデフォーカス距離の2乗に反比例して低減している。レーリー長内の集光点近傍では、光ファイバ2の出射端における光強度分布の像転写となるため、フラットトップ様となり、集光点である近軸焦点付近ではフラットトップ形状となる。
図11~図13に示す比較例3に対して、本発明の実施の形態1では、集光光学系3が収差を有するため、図6~図8に示すように、光軸位置によってレーザ光の強度分布の形状自体が大きく変化する複雑な伝搬特性を示す。レーザ光の強度分布は、集光位置に相当する最小錯乱円の位置の前後で非対称になり、最小錯乱円よりも前側の光軸位置-4~光軸位置+2では、山形の主ビーム125の周辺に、光強度が200kW/cm2以下のラッパ状の周辺ビーム126のテールを引いたウィッチハット形状となる。図9および図10を参照すると、ビーム形状がウィッチハット形状に近づいている光軸位置-4~光軸位置+2では、スパッタ413の発生が良好に抑制され、表面ビードの状態も良好となっており、良好な加工品質を保っていることが分かる。
また総合的に溶接性能が優れているのは、光軸位置-4mmであって、10kW、5m/minの高出力および高速溶接を実現し、且つ、スパッタ413の発生を良好に抑制することができており、溶接後のビード表面も滑らかで、溶け込み深さも10.4mmと高いレベルを達成している。さらに光軸位置-8mm~光軸位置+2mmのビームの前側全域に渡って、10cmあたりのスパッタ量は、25±10個以下と実用上問題のないレベルに抑制されている。発生するスパッタ413のサイズも0.5mm以下と小さく、加工対象物4の表面40への付着も抑制することができている。
光軸位置-4mmにおいて、キーホール50の直径は0.8mmであるのに対して、周辺溶融池52の幅は0.6mmである。スパッタ413を抑制するためには、キーホール50の直径と同程度、または0.6mm程度の幅の周辺溶融池52を形成することが効果的である。また、光軸位置-4mmにおいて、周辺ビーム126の強度は、110kW/cm2から7kW/cm2まで漸減しており、周辺ビーム幅の中央部での光強度は20kW/cm2となっている。スパッタ抑制効果を得るためには、主ビーム125から連続しており、下に凸のラッパ状のレーザ光の強度分布を有することが望ましい。深いキーホール50を形成せずにラッパ状の開口を形成するために必要なレーザ光の強度は20kW/cm2以上100kW/cm2以下程度である。
レーザ加工装置100は、広い光軸位置範囲において、スパッタ413の発生を抑制し、加工品質の高い領域を確保することができ、加工品質の高い領域の中に中央部のビーム強度がピークとなる領域が存在するため、深い溶け込みを実現することが可能である。レーザ加工装置100は、高い加工品質と高い加工性能を両立している。
図16は、本発明の実験例1におけるレーザ加工装置100のレーザ発振器1および光学系の条件を示す図である。レーザ発振器1は、ディスクYAGレーザであって、波長λ=1.03μmのレーザビームを出力10kWで出力する。光学系の条件としては、光ファイバ2のファイバコア直径φc=200μmであり、ビームパラメータプロダクツBBPは、8mm mrad以下であり、全頂発散角θF=160mrad以下である。
続いて光学系の条件を説明する。コリメートレンズ31は焦点距離fc=200mmである。コリメートレンズ31は、低収差組レンズである。コリメートレンズ31は、収差のないレンズである。例えば収差のないレンズとは、集光点において、ビーム径D86.5を基準とした横収差が0.05mm以下のレンズと定義することができる。ビーム径D86.5を基準とした横収差は、言い換えると、光軸に垂直な面において、ビーム径D86.5に対応する光線を基準としたずれ、ビーム径D86.5に対応する光線の内部の円形領域を理想的な集光状態とした場合にこの円形領域からのずれなどと言うこともできる。なお、収差が大きいレンズとは、ビーム径D86.5を基準とした収差が0.1mm以上である場合を言う。ここでは、ビーム径D86.5に相当する入射高さh=fctan(-θF/2)=-16mmを基準としたコリメートレンズ31の横収差ΔYc(D86.5)は0.05mm以下である。ビーム径D86.5の領域の外郭線は、入射高さh=-16mmに相当するため、入射高さh=-16mmを基準とした横収差は、ビーム径D86.5を基準とした横収差と同義である。
集光レンズ32は焦点距離ff=204mmである。集光レンズ32は、大きな収差を有する組レンズであって、光ファイバ2からの発散角±80mradに相当する入射高さh=-16mmを基準とした横収差ΔYf(D86.5)=0.53である。なお、ここではコリメートレンズ31の収差は集光レンズ32の収差と比較して無視できる程度に小さいため、光学系全体の横収差ΔYAは、集光レンズ32の横収差ΔYfと等価と考えることができ、ΔYA=0.53mmとなる。レーザ加工装置100は、一般的な加工光学系と比較して10倍以上の収差を有する。図11に示した本発明の比較例3にかかるレーザ加工装置では、コリメートレンズ31および集光レンズ32共に焦点距離f=200mmの低収差組レンズであって、入射高さh=-16mmを基準とした横収差ΔYは、共に0.05mm以下である。
溶接加工の加工条件としては、加工対象物4の材料は、軟鋼板であって、加工速度は5m/minである。溶接部には、シールドガスとしてアルゴンガスを20L/min吹き付けている。
以上説明したように、実験例1では、ファイバレーザ、ディスクYAGレーザなどの近赤外レーザ光源を使用したレーザ加工装置において、10kWレベルの高出力、高速且つ溶け込み深さの深い溶接加工を、スパッタ413を抑制しつつ実現するための具体的な条件を明らかにした。レーザ加工装置100は、ファイバ伝送型レーザ溶接の品質を改善するものであり、安定した加工品質を実現することが可能である。
なお、上記実験例1では、加工対象物4を軟鋼つまり鉄製としたが、加工対象物4の材料は鉄に限定されない。加工対象物4は、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレスなどの金属材料製であってもよい。
また上記実験例1では、光ファイバ2から出射されたレーザビームを用いてレーザ加工を行っているが、本実施の形態において説明した収差の条件、主ビーム125と周辺ビーム126との条件を満たすことで、光ファイバ2を通過しないレーザビームを使用するレーザ加工装置にも本発明の技術を適用することができる。
また上記実験例1では、コリメートレンズ31、集光レンズ32といった光学系のレンズが収差を有していたが、レーザ光を発生するレーザ発振器1または光ファイバ2によって収差を発生させてもよい。つまり、レーザ光が発生してから加工対象物4に照射されるまでの光路上に配置された素子の少なくともいずれかによって収差が発生すればよい。
(実験例2)
図17は、本発明の実験例2にかかる実験条件を示す図である。本実験例2では、スパッタ413の抑制に効果的な収差の条件を特定するために、図1に示すレーザ加工装置100の集光レンズ32の収差量を変化させた6つの条件(a)~条件(f)でレーザ加工を行い、各条件における加工品質を観察した。
図17は、本発明の実験例2にかかる実験条件を示す図である。本実験例2では、スパッタ413の抑制に効果的な収差の条件を特定するために、図1に示すレーザ加工装置100の集光レンズ32の収差量を変化させた6つの条件(a)~条件(f)でレーザ加工を行い、各条件における加工品質を観察した。
条件(a)~条件(f)において、コリメートレンズ31の焦点距離fc=200mm、ビーム径D86.5を基準とした横収差ΔYc(D86.5)=0.05mm以下で共通である。また、レーザ条件は、ファイバコア直径φc=200μm、ビームパラメータプロダクツBPP=8mmmrad以下、全頂発散角θF=160mrad以下であって、各条件に共通である。さらに加工速度は5m/minであって、加工対象物4の材料は軟鋼である。
条件(a)の集光レンズ32は、焦点距離ff=409mm、ビーム径D86.5を基準とした横収差ΔYf(D86.5)=0.13mmである。条件(b)の集光レンズ32は、焦点距離ff=307mm、ビーム径D86.5を基準とした横収差ΔYf(D86.5)=0.23mmである。条件(c)の集光レンズ32は、焦点距離ff=256mm、ビーム径D86.5を基準とした横収差ΔYf(D86.5)=0.34mmである。
条件(d)の集光レンズ32は、焦点距離fc=204mm、ビーム径D86.5を基準とした横収差ΔYc(D86.5)=0.53mmである。条件(e)の集光レンズ32は、焦点距離fc=174mm、ビーム径D86.5を基準とした横収差ΔYc(D86.5)=0.75mmである。条件(f)の集光レンズ32は、焦点距離fc=153mm、ビーム径D86.5を基準とした横収差ΔYc(D86.5)=0.98mmである。本実験例2では、コリメートレンズ31の収差が無視できる程度に小さいため、条件(a)~条件(f)のそれぞれにおいて、ビーム径D86.5を基準とした光学系全体の横収差ΔYA(D86.5)は、集光レンズ32の横収差ΔYc(D86.5)と等しいと考えることができる。
なお、光ファイバ2から出射されるレーザビームは、ビーム径D86.5に相当する半頂発散角が80mradでコリメートレンズ31の焦点距離fcが200mmである。このため、ビーム径D86.5に相当するコリメートビーム半径Wc(D86.5)=fctanθH=16mmとなる。したがって、集光レンズ32の横収差ΔYc(D86.5)は、ビーム径D86.5に相当する位置を入射高さh=-16mmを基準とした横収差としている。また、集光レンズ32の収差を0.13mmから0.98mmと大きく変化させるため、焦点距離の異なるレンズを使用している。
図18は、図17に示す条件でレーザ加工を行った結果を示す図である。図18には、各条件でレーザ加工を行うときの光線図と、レーザ加工中の溶融池を撮影した画像と、溶接加工の状況を示す情報とが示されている。溶接加工を行うために適した位置は、ビーム径D86.5に対する最小錯乱円位置ZD86.5とした。レーザ加工中の溶融池を撮影した画像は、最小錯乱円位置ZD86.5における画像である。
溶接状況に示された、溶融池外径OD、溶融池内径IDおよび周辺溶融池幅Wmは、溶融池画像から読み取った値である。スパッタ発生量NSは、溶接長さ10cmあたりのスパッタ発生個数を示している。
図17および図18を参照すると、光学系全体の収差が増大するにつれて、集光位置近傍の光線群が拡大して、レーザ加工位置である最小錯乱円位置ZD86.5における周辺溶融池幅Wmが拡大していることが分かる。
図19は、図17および図18に示した光学系全体の横収差の変化に対するスパッタ発生量の推移をグラフ化した図である。図19から、スパッタ発生量が40±10個/10cm以下となる収差をスパッタ抑制に効果的な収差とすると、集光点における横収差ΔYAが0.2mm以上の範囲ということができる。集光点における横収差ΔYA(D86.5)が0.53mm以上であることがさらに望ましい。
図20は、図17に示した条件で横収差ΔYA(D86.5)を変化させたときの周辺溶融池幅Wmの推移をグラフ化した図である。周辺溶融池52は、横収差によって発生する周辺ビーム126によって形成されるため、横収差ΔYA(D86.5)の大きさと強い相関を有していることが分かる。周辺溶融池幅Wmは、横収差ΔYA(D86.5)に比例しており、横収差ΔYA(D86.5)の1.2倍となっている。
図21は、図18に示した周辺溶融池幅Wmが変化したときのスパッタ発生量の推移をグラフ化した図である。スパッタ発生量が40±10個/10cm以下となる収差をスパッタ413が抑制された状態と定義すると、スパッタ抑制のために必要な周辺溶融池幅Wmは、0.22mm以上ということがいえる。周辺溶融池幅Wmが0.69mm以上であることがさらに望ましい。
(実験例3)
上記の実験例2では集光レンズ32に組レンズを使用していたが、本実験例3では、集光レンズ32に単レンズを使用する。
上記の実験例2では集光レンズ32に組レンズを使用していたが、本実験例3では、集光レンズ32に単レンズを使用する。
図22は、図1の集光レンズ32に求められる特性を特定するための実験例3で検討する単レンズの横収差の入射曲率依存性を示す図である。図22は、焦点距離f=204mmの単レンズの、入射面曲率の変化に対する横収差ΔYの推移を示している。レンズの硝材は合成石英であって、屈折率n=1.45であり、レンズ中心部の厚みtc=6.5mmである。光線追跡によって算出した横収差は、入射面曲率K1=1/r1に対して下に凸の2次関数になる。
単レンズの焦点距離fと入射曲率半径r1および出射曲率半径r2との関係は、以下の数式(1)で表される。数式(1)を用いることで、焦点距離fおよび入射曲率半径r1を定めれば、出射曲率半径r2は定まり、レンズ形状が定まる。なお、レンズ中心部の厚みtcが15mm以下であれば、焦点距離f、入射曲率半径r1および出射曲率半径r2の各々の相互関係におけるレンズ中心部の厚みtcに対する依存性は小さい。
図23は、入射面曲率K1の変化に対する出射面曲率K2の推移を示す図である。出射面曲率K2は、上記の数式(1)を使用して算出した値である。出射面曲率K2は、入射面曲率K1の一次関数となり、レンズ中心部の厚みtcの影響は小さいことが分かる。
実験例2において特定したように、スパッタ抑制効果のある収差の条件を0.2mm以上とすると、入射面曲率K1は、5m-1以下または13m-1以上となる。図23を参照すると、入射面曲率K1が5m-1以下または13m-1以上となる出射面曲率K2は、-6m-1以下または2m-1以上となる。
ここでビーム径D86.5に相当する入射高さh=-16mmを基準とした横収差ΔYh-16=0.53mmとする。この場合、レンズの入射側の入射曲率半径r1=56.3mmとなり、集光側の出射曲率半径r2=139.9mmとなる。レンズ中心部の厚みtcは、3mm以上となるように、tc=6.5mmとしている。
図24は、本発明の実験例3にかかる集光レンズ32の形状および光線を示す図である。本実験例3で使用される集光レンズ32は、図24に示すようにメニスカス形状である。一般的な光学系において、高い集光性能を得るために、レンズ形状は、最小収差位置近傍の凸平レンズ、両凸レンズなどが使用されることが多い。さらに大きな集光性能を必要とする場合には、無収差に近い組レンズが使用されることもある。本実験例3では、0.5mm以上の収差を発生させるために、メニスカス形状のレンズが使用される。
図25は、図24の一部拡大図と、拡大図に対応した横収差とを示す図である。集光レンズ32への入射ビーム半径W86.5=D86.5/2=16mmである。入射ビーム半径W86.5に対応する入射高さh=-W86.5=-16mmであり、この入射高さhを基準とした横収差ΔYh-16=0.53mmとなる。収差の量を正の値とするために、入射高さhは負の値で定義している。単レンズの横収差の入射高さ依存性は、入射高さhがレンズ表面の入射曲率半径r1、出射曲率半径r2よりも小さい領域では3次関数となる。
なお本実験例3では、光ファイバ2からの出射角が80mradであって、コリメートレンズ31の焦点距離fc=200mmであり、入射高さh=-16mmを基準とした収差は、ビーム径D86.5を基準とした収差に相当する。
上記のように、集光レンズ32をメニスカス形状とすることで、シンプルな構造の単レンズでありながら、スパッタ抑制効果が高い周辺ビーム126を発生させることができる横収差ΔYh-16=0.53mmを実現している。
(実験例4)
本実験例4では、光ファイバ2、コリメートレンズ31および集光レンズ32を含む加工光学系の条件を2種類比較して検討する。図26は、本発明の実験例4にかかる加工光学系の条件を示す図である。図27は、図26に示す条件の加工光学系の光線図および概略構成図である。
本実験例4では、光ファイバ2、コリメートレンズ31および集光レンズ32を含む加工光学系の条件を2種類比較して検討する。図26は、本発明の実験例4にかかる加工光学系の条件を示す図である。図27は、図26に示す条件の加工光学系の光線図および概略構成図である。
図26に示す条件(g)および条件(h)は共に、光ファイバ2のファイバコア直径φc=200μmであり、ビームパラメータプロダクツBPP=8mmmrad以下であり、全頂発散角θF=160mrad以下である。また条件(g)および条件(h)は共に、コリメートレンズ31の横収差ΔYc(D86.5)が無視できる程度に小さく、ビーム径D86.5を基準とした集光レンズ32の横収差ΔYf(D86.5)=0.53mmである。さらにビーム径D86.5を基準とした光学系全体の横収差ΔYA(D86.5)=0.53mmである。
条件(g)は、コリメートレンズ31の焦点距離fc=200mmであり、集光レンズ32の焦点距離ff=204mmである。条件(h)は、コリメートレンズ31の焦点距離fc=400mmであり、集光レンズ32の焦点距離ff=408mmである。条件(g)と条件(h)とでは、光学系が相似形であり、集光角と対応した横収差量が同等である。この場合、焦点位置近傍における光線図は一致し、集光状態は同等となる。
図28は、実験例1から4で使用する近赤外レーザ光源の製品仕様の一例を示す図である。近赤外レーザ光源として使用されるファイバレーザおよびYAGレーザの製品仕様は、デファクトスタンダードでほぼ共通の規格が使用されており、光ファイバ2からの出射半角θHは、レーザ出力および光ファイバ2のファイバ径によらず、80mrad以下となっており、実測値は75mradから80mradである。
統一された光ファイバ2からの出射半角θH=80mrad以下は、近軸条件である5°=87.2mrad以下を満たしており、汎用光学系でも十分な集光性能を保つことができる。
(実験例5)
本発明の実験例5では、ファイバコア直径φcに対する集光強度分布の依存性を検討する。図29は、本発明の実験例5におけるレーザ加工装置100の条件を示す図である。条件(i)、条件(j)および条件(k)は、ファイバコア直径φc以外の条件が共通である。
本発明の実験例5では、ファイバコア直径φcに対する集光強度分布の依存性を検討する。図29は、本発明の実験例5におけるレーザ加工装置100の条件を示す図である。条件(i)、条件(j)および条件(k)は、ファイバコア直径φc以外の条件が共通である。
具体的には、条件(i)のファイバコア直径φc=100μm、ビームパラメータプロダクツBPP=4mmmrad以下であり、条件(j)のファイバコア直径φc=200μm、ビームパラメータプロダクツBPP=8mmmrad以下であり、条件(k)のファイバコア直径φc=300μm、ビームパラメータプロダクツBPP=12mmmrad以下である。また条件(i)、条件(j)および条件(k)に共通して、全頂発散角θF=160mrad以下であり、コリメートレンズ31の焦点距離fc=200mmであり、コリメートレンズ31の横収差ΔYc(D86.5)は無視できる程度に小さい。さらに条件(i)、条件(j)および条件(k)に共通して、集光レンズ32の焦点距離ff=200mmであり、集光レンズ32の横収差ΔYf(D86.5)=0.56である。光学系全体の横収差ΔYA(D86.5)=0.56である。
図30は、図29に示す各条件のレーザ加工装置100が出射するレーザ光の光路図および強度分布を示す図である。横収差が0.05mm以下の一般的な低収差光学系では、加工を行う最小錯乱位置ではファイバ端の倍率転写となるため、集光径は、ファイバコア直径φcに比例して変化する。
しかしながら、本実験例5のレーザ加工装置100では、レーザビームの径を基準とした横収差が0.2mm以上であって直径では0.4mm以上であり、より望ましくは0.5mm以上であって直径では1.0mm以上である。これらの値は、ファイバコア直径φc=0.1mmから0.3mmに対して1倍から20倍以上と、収差としては大きい。このため、集光点近傍の光強度分布は、光学系の収差による影響が支配的であって、ファイバコア直径φcの影響は小さくなる。
図30を参照すると、ファイバコア直径φcを変化させたときに、中心部の光強度の変化が大きい。ファイバコア直径φcを300μmから100μmへ1/3に縮小すると、中心部の光強度は11.8MW/cm2から39.8MW/cm2へと高くなる。収差のない一般的な光学系では、ファイバコア直径φcが1/3に縮小すると、集光点のスポット系も1/3になるため、中心部の光強度は9倍となる。これに対して本実験例5では、収差の影響により中心部の光強度は3.4倍程度の増大に止まっている。
スパッタ413を抑制するためには、光強度200kW/cm2以下、幅0.3mm以上の周辺ビーム126の強度が重要となるが、図30を参照すると、ファイバコア直径φcを変化させても、周辺ビーム126の強度分布への影響は小さい。ファイバコア直径φcを0.1mmから0.3mmまで変化させても、周辺ビーム126の強度はほとんど変化せず、光軸位置依存性も変化しない。
(実験例6)
本実験例6では、集光レンズ32の焦点距離ffの変化に対する光強度分布の依存性を検討する。図31は、本発明の実験例6におけるレーザ加工装置100の条件を示す図である。
本実験例6では、集光レンズ32の焦点距離ffの変化に対する光強度分布の依存性を検討する。図31は、本発明の実験例6におけるレーザ加工装置100の条件を示す図である。
図31に示す条件(l)、条件(m)および条件(n)は、集光レンズ32の焦点距離ff以外は図29に示す条件(j)と同じである。条件(l)における集光レンズ32の焦点距離ff=100mmであり、条件(m)における集光レンズ32の焦点距離ff=200mmであり、条件(n)における集光レンズ32の焦点距離ff=300mmである。
図32は、図31に示す各条件のレーザ加工装置100が出射するレーザ光の光路図および強度分布を示す図である。図32を参照すると、焦点距離ffを変化させて集光角を変化させても、近軸焦点位置、D86.5最小錯乱円位置およびD98.9最小錯乱円位置における集光状態および光強度分布の変化は小さい。
焦点距離ffを変化させて集光角を変化させると、光学倍率α=(ff/fc)で定まる基本スポット径φsは、下記の数式(2)に従って変化するが、周辺ビーム126の光強度分布の変化は小さい。
φs=(ff/fc)・φF=BPP/θs ・・・(2)
ここでφFはファイバコア直径である。
ここでφFはファイバコア直径である。
なお、図32の光線図を比較すると、焦点距離の変化つまり集光角の変化に伴って、焦点とそれぞれの最小錯乱円との間隔など光軸方向のスケールは焦点距離に比例して変化していることが分かる。しかしながら図32の光強度分布の図を参照すると、それぞれの位置での周辺ビーム126の強度分布は同程度であり、同様のスパッタ抑制効果を得ることができることが分かる。光軸方向の焦点深度に相当する加工位置尤度などは、焦点距離の変化に伴って変化する。
上記の実験例5および実験例6から、収差の大きい光学系では、光ファイバ2のファイバ径を変えても、焦点距離を変えても、ビーム径D86.5に相当する光線位置を基準とした収差が同一であるならば、光強度分布は同様となることが分かった。このため、ビーム径D86.5を基準とした収差、つまり、ビーム径D86.5に相当する光線位置を基準とした収差を規定することで、同様の光強度分布を得ることができ、同様のスパッタ抑制効果を得ることが可能であることが分かる。光強度分布の光軸位置依存性は焦点距離に応じて拡大縮小する。
(実験例7)
本実験例7では、集光光学系3内において収差を生じさせる素子を変化させた場合の影響について検討する。図33は、本発明の実験例7における各レンズが有する収差の条件を示す図である。
本実験例7では、集光光学系3内において収差を生じさせる素子を変化させた場合の影響について検討する。図33は、本発明の実験例7における各レンズが有する収差の条件を示す図である。
図33の条件(A)では、コリメートレンズ31が横収差ΔYc(D86.5)=0mmの低収差組レンズであり、集光レンズ32が横収差ΔYf(D86.5)=0.53mmの収差を有するレンズである。条件(B)では、コリメートレンズ31が横収差ΔYc(D86.5)=0.53mmの収差を有するレンズであり、集光レンズ32が横収差ΔYf(D86.5)=0mmの低収差レンズである。さらに条件(C)では、コリメートレンズ31が横収差ΔYc(D86.5)=0.265mmの収差を有するレンズであり、集光レンズ32が横収差ΔYf(D86.5)=0.265mmの収差を有するレンズである。
図33に示す3つの条件(A)、条件(B)および条件(C)でシミュレーションを行うと、集光光学系3の全体の収差は、各レンズの収差の合計となるため、各条件で同一である。集光点における光強度分布は、集光光学系3の全体の収差に応じて決まるため、3つの条件(A)、条件(B)および条件(C)で集光点における光強度分布は差がなく、スパッタ抑制効果も同等であることが分かった。
なお、集光光学系3の収差は一般的にレーザビームの進行方向の集光点に対して定義されるものであるが、光ファイバ2からの発散光を平行化するコリメートレンズ31に対しては、進行方向とは逆向きのコリメート部から平行ビームを逆入射させて、光ファイバ2の出射端に向けて集光させる仮想集光によって収差を定義する。
(実験例8)
本発明の実験例8では、光学条件は同一で、加工速度を1m/minから10m/minまで1m/min毎に変化させた場合の、溶融池の状態とスパッタ413の抑制状態とを検討した。図34は、本発明の実験例8の実験結果を示す図である。
本発明の実験例8では、光学条件は同一で、加工速度を1m/minから10m/minまで1m/min毎に変化させた場合の、溶融池の状態とスパッタ413の抑制状態とを検討した。図34は、本発明の実験例8の実験結果を示す図である。
図34を参照すると、周辺溶融池52の溶融池外径ODは、加工速度の増大に伴って徐々に減少しており、1m/minで2.5mm、5m/minで2.2mm、10m/minで1.9mmとなっている。これに対して、周辺溶融池52の溶融池内径ID、つまりキーホール50の直径φKH=0.75±0.15mmの範囲でほぼ一定となっている。
周辺溶融池幅Wmは、加工速度の増大に伴って0.75mmから0.45mmへと減少しているが、スパッタ抑制に有効な0.22mm以上の幅を保っており、スパッタ発生量NSは、全速度範囲に渡って0~25個/10cmのレベルに抑制されている。したがって、レーザ加工装置100は、加工速度によらずスパッタ413を抑制する効果を奏することが分かる。
(実験例9)
本発明の実験例9では、レーザの出力を1kWから10kWまで1kW毎に変化させた場合の、溶融池の状態とスパッタ413の抑制状態とを検討した。図35は、本発明の実験例9の実験結果を示す図である。
本発明の実験例9では、レーザの出力を1kWから10kWまで1kW毎に変化させた場合の、溶融池の状態とスパッタ413の抑制状態とを検討した。図35は、本発明の実験例9の実験結果を示す図である。
図35を参照すると、出力の低下に伴って、周辺溶融池52およびキーホール50は縮小するが、スパッタ発生量NSは、全出力範囲1kWから10kWに渡って0~10個/10cmのレベルに抑制されている。したがって、レーザ加工装置100は、レーザの出力によらずスパッタ413を抑制する効果を奏することが分かる。
以上の実験例1~9の実験結果から、近赤外レーザを使用したレーザ加工において、スパッタ413を抑制して高い加工品質を実現するための条件が明らかとなった。レーザ光が発生してから加工位置に至るまでの間に収差を有する光学系を有し、集光点における横収差を、ビーム径D86.5に対して0.2mm以上とすることで高い加工品質を実現することができる。ビーム径D86.5に対して0.2mm以上とは、レーザパワーの86.5%が含有される、集光前のビーム径に相当する光線を基準とした場合の横収差が0.2mm以上であることを示す。スパッタ413は、レーザ光の走査方向の後方で発生しやすいため、上記横収差のうち、少なくともレーザ光の走査方向の後方に対する横収差が上記の条件を満たすことが望ましい。このような収差を発生させることで、集光点におけるビーム形状がウィッチハット形状となり、光強度が5kW/cm2以上200kW/cm2以下の周辺ビーム126の幅が0.22mm以上となる。このような周辺ビーム126を形成すると、蒸発反力を発生して溶融金属流411の流れを加工対象物4の表面に垂直な向きから水平な向きに代えることができ、スパッタ413の発生を抑制することができる。
ビーム径D86.5は、光ファイバ2が出射した光を集光光学系3で集光する場合、光ファイバ2からの発散角±80mradに相当する。このため、上記の条件は、集光点の横収差が光ファイバ2からの発散角±80mradに対して0.2mm以上ということもできる。
さらに、集光光学系3の収差は、コリメートレンズ31が収差を有していてもよいし、集光レンズ32が収差を有してもよい。或いはコリメートレンズ31および集光レンズ32の両方が収差を有してもよい。コリメートレンズ31および集光レンズ32の両方が収差を有する場合、コリメートレンズ31の収差と集光レンズ32の収差の合計が上記の条件を満たせばよい。
さらに上記の条件に加えて、ビーム径D86.5に対応する半頂集光角を50mrad以上110mrad以下とすることで、一般的な光ファイバ2の出射半頂角80mradから出射したレーザビームに対して、収差がない場合の仮想的なコアスポット径は出射ファイバ径の0.625倍から1.375倍とすることができ、深い溶け込み性能を示すことができる。
実施の形態2.
図36は、本発明の実施の形態2にかかるレーザ加工装置200の構成を示す図である。本実施の形態2のレーザ加工装置200は、レーザ加工中の加工対象物4をモニタするための撮像装置500を有する。
図36は、本発明の実施の形態2にかかるレーザ加工装置200の構成を示す図である。本実施の形態2のレーザ加工装置200は、レーザ加工中の加工対象物4をモニタするための撮像装置500を有する。
レーザ加工装置200は、収差を有するコリメートレンズ31と、低収差レンズである集光レンズ32とを有する。コリメートレンズ31と集光レンズ32との間の光路上には、ベンドミラー9が配置されている。ベンドミラー9は、コリメートレンズ31からの光を集光レンズ32に反射する。撮像部である撮像装置500は、同軸カメラであり、集光レンズ32およびベンドミラー9を介して直進する光を検出することができる。
集光レンズ32が収差を有しないため、撮像装置500のモニタ画像の歪みを抑制することができる。したがって、スパッタ413を抑制して加工品質の低下を抑制しつつ、加工対象物4のレーザ加工を行っている部分を同軸で、ぼけや歪みのない鮮明な画像でモニタすることが可能になる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
例えば上記では、近赤外レーザを使用したレーザ加工装置100について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本実施の形態で説明した技術は、例えば可視光レーザ、中赤外レーザを使用したレーザ加工装置に適用しても有効である。
また上記の実施の形態では、光ファイバ2と、光ファイバ2から出射されたレーザビームを集光する集光光学系3とを有するレーザ加工装置100およびレーザ加工装置200について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。光ファイバ2を備えないレーザ加工装置に対して本発明の技術を適用することも可能である。レーザ発振器1から出射された光は、そのまま集光光学系3に入射してもよいし、レーザ発振器1から出射された光が集光光学系3に入射するまでの光路上には、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、どのような光学素子が配置されていてもよい。
1 レーザ発振器、2 光ファイバ、3 集光光学系、4 加工対象物、7 蒸発反力、9 ベンドミラー、10 出射ビーム、10a,11a,12a,91a ビーム形状、11 コリメート光、12,91,92 集光ビーム、31 コリメートレンズ、32 集光レンズ、40 表面、41 溶融金属、50 キーホール、51 開口部、60,61 金属蒸気、100,200 レーザ加工装置、125 主ビーム、126 周辺ビーム、411 溶融金属流、500 撮像装置、502 キーホール内壁。
Claims (8)
- レーザビームを加工対象物に集光してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
前記レーザビームを集光する集光光学系を備え、
前記集光光学系は収差を有し、
集光前のレーザビームにおける、レーザパワーの86.5%を含有するレーザビーム直径であるD86.5に対応した光線に対する集光点での横収差は、0.2mm以上であることを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記レーザビームを伝送する光ファイバ、
を備え、
前記集光光学系は、前記光ファイバから出射された前記レーザビームを集光することを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工装置。 - 前記集光光学系は、
横収差が0.05mm以下のレンズであって前記光ファイバから出射されたレーザビームを平行化するコリメートレンズと、
平行化されたレーザビームを集光する集光レンズと、
を含むことを特徴とする請求項2に記載のレーザ加工装置。 - 前記集光光学系は、
前記光ファイバから出射されたレーザビームを平行化するコリメートレンズと、
横収差が0.05mm以下のレンズであって平行化されたレーザビームを集光する集光レンズと、
を備え、
前記コリメートレンズは収差を有することを特徴とする請求項2に記載のレーザ加工装置。 - 前記集光光学系は、
前記コリメートレンズと前記集光レンズとの間の光路上に配置され、前記レーザビームを反射するベンドミラー、
を備え、
前記レーザ加工装置は、
前記ベンドミラーと前記集光レンズとを介して、加工対象物を撮像する撮像部と、
を備えることを特徴とする請求項4に記載のレーザ加工装置。 - 前記D86.5に対応した光線に対応する半頂集光角が50mrad以上110mrad以下であることを特徴とする請求項2に記載のレーザ加工装置。
- レーザビームを加工対象物に集光して前記加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
前記レーザ加工装置が出射するレーザビームは、加工位置において、主ビームと、前記主ビームよりも低強度であって前記主ビームから連なる周辺ビームとから構成されるウィッチハット形状の強度分布を有し、
光強度が5kW/cm2以上200kW/cm2以下である前記周辺ビームは、光軸と垂直な面において0.22m以上の幅を有することを特徴とするレーザ加工装置。 - レーザビームを加工対象物に集光して前記加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
前記レーザ加工装置が出射するレーザビームは、加工位置において、主ビームと、前記主ビームよりも低強度であって前記主ビームから連なる周辺ビームとから構成されるウィッチハット形状の強度分布を有し、
前記周辺ビームは、前記加工対象物に、前記主ビームが形成するキーホールよりも浅く、前記キーホールを取り囲む0.22mm以上の幅を有する周辺溶融池を形成することを特徴とするレーザ加工装置。
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