WO2022249883A1 - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

レーザ加工装置およびレーザ加工方法 Download PDF

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WO2022249883A1
WO2022249883A1 PCT/JP2022/019878 JP2022019878W WO2022249883A1 WO 2022249883 A1 WO2022249883 A1 WO 2022249883A1 JP 2022019878 W JP2022019878 W JP 2022019878W WO 2022249883 A1 WO2022249883 A1 WO 2022249883A1
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laser
fiber
light
workpiece
fiber cable
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PCT/JP2022/019878
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English (en)
French (fr)
Inventor
清一 林
孝介 柏木
Original Assignee
コマツ産機株式会社
古河電気工業株式会社
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser processing apparatus and a laser processing method.
  • Patent Document 1 discloses that the feeding fiber cable and the process fiber cable have the same core diameter of 50 ⁇ m.
  • oxygen gas is used as an assist gas for cutting thick mild steel plates, and the heat of oxidation reaction is used for cutting.
  • oxygen gas is used as the assist gas, it is rate-determined by the oxidation reaction rate, making it difficult to speed up processing such as cutting. Therefore, it is conceivable to use an inert gas (nitrogen gas, argon gas, etc.) as an assist gas for a thin plate that does not want to form an oxide film on the cut surface.
  • an inert gas nitrogen gas, argon gas, etc.
  • Patent Document 1 there was a problem that it was difficult to increase the processing speed even if the core diameter was reduced as in Patent Document 1.
  • An object of the present disclosure is to provide a laser processing apparatus and a laser processing method that facilitate processing at a high processing speed.
  • a laser processing apparatus is a laser processing apparatus for processing a workpiece made of a metal material, and includes a plurality of fiber laser engines, a feeding fiber cable, a processing head, and a process fiber cable.
  • a feeding fiber cable collectively extracts laser light generated by each of the plurality of fiber laser engines.
  • the processing head converges and emits a laser beam onto a workpiece.
  • a process fiber cable transmits the laser light extracted by the feeding fiber cable to the processing head.
  • the feeding fiber cable and the process fiber cable have the same core diameter of 50 ⁇ m.
  • Each of the plurality of fiber laser engines has a filter that reduces the value of Raman scattered light in the laser light.
  • the laser processing method of the present disclosure is a laser processing method for processing a workpiece made of a metal material using the above laser processing apparatus.
  • the wavelength of the laser light is in the 1 ⁇ m band
  • the assist gas is an inert gas
  • the spot diameter at the processing point of the workpiece is 60 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less.
  • FIG. 2 It is a perspective view showing composition of a laser processing device in one embodiment. It is a figure which shows the structure (single focus lens) of the laser beam injection mechanism in the laser processing apparatus of FIG. 2 is a diagram showing a connection structure between a feeding fiber cable and a process fiber cable in the laser processing apparatus of FIG. 1; FIG. 2 is a diagram showing a configuration (beam diameter control) of a laser beam injection mechanism in the laser processing apparatus of FIG. 1; FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the fiber laser engine in FIG. 2 or FIG. 4; FIG. FIG.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a fiber Bragg grating used for filtering Raman scattered light; 7 is a diagram for explaining that a specific wavelength component is reflected by the fiber Bragg grating of FIG. 6;
  • FIG. It is a flow figure showing a laser processing method in one embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the laser output at each focal position and the cutting speed of the workpiece when the value of Raman scattered light at the machining point is ⁇ 25 dB.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the laser output at each focal position and the cutting speed of the workpiece when the value of Raman scattered light at the machining point is ⁇ 30 dB.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the laser output at each focal position and the cutting speed of the workpiece when the value of Raman scattered light at the machining point is ⁇ 30 dB.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a method of measuring the value of Raman scattered light at a processing point;
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the value of Raman scattered light at a processing point and the height of burrs formed on a workpiece;
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the focal position of laser light and the height of burrs formed on a workpiece; It is a figure for demonstrating the relationship between the thickness of a to-be-processed material, and the focus position of a laser beam.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a laser processing apparatus according to one embodiment.
  • a laser processing apparatus 30 of the present embodiment processes a workpiece (work) made of, for example, a metal material.
  • the laser processing device 30 has a cabin 31 and a pallet changer 37 .
  • the cabin 31 has a gull wing door 32, an openable ceiling door 33, a first operating panel 34, a second operating panel 35, and a plurality of monitoring windows 36.
  • the gull wing door 32 is provided on the front 31F of the cabin 31.
  • a loading/unloading port (not shown) formed in a horizontally elongated slit shape is provided corresponding to the pallet changer 37 on the rear surface of the cabin 31 opposite to the front surface 30F.
  • the openable ceiling door 33 is arranged on the ceiling of the cabin 31.
  • the first operation panel 34 is arranged on the front surface 31 ⁇ /b>F of the cabin 31 and on the side of the gullwing door 32 .
  • the second operation panel 35 is arranged on the side surface 31S of the cabin 31 toward the rear side.
  • a plurality of monitoring windows 36 are arranged on the side surface 31 ⁇ /b>S of the cabin 31 .
  • the inside of the cabin 31 can be visually recognized from the outside through each of the plurality of monitoring windows 36 .
  • the laser processing device 30 includes a fiber laser oscillator 15 (FIG. 2), a processing head 20 (FIG. 2), an assist gas supply unit (not shown), a chiller unit (not shown), and a dust collector (not shown). ) and further.
  • the fiber laser oscillator 15 oscillates laser light.
  • the processing head 20 converges the laser beam oscillated by the fiber laser oscillator 15 and emits it to the workpiece. Thereby, the processing head 20 processes the workpiece.
  • the assist gas supply unit blows assist gas onto the workpiece.
  • the assist gas removes the material by being sprayed onto the molten pool of the material to be processed which is generated by being irradiated with the laser beam.
  • Inert gas nitrogen gas, argon gas, etc.
  • oxygen gas, etc. are used as assist gas.
  • the assist gas supply unit has a booster compressor and the like.
  • the chiller unit supplies cooling water to each of the fiber laser oscillator 15 and the processing head 20. This cools the fiber laser oscillator 15 and the processing head 20 .
  • the dust collector removes dust generated during processing from the processing section.
  • FIGS. 2 and 4 are diagram showing the configuration of the laser beam injection mechanism in the laser processing apparatus of FIG. 3 is a diagram showing a connection structure between a feeding fiber cable and a process fiber cable in the laser processing apparatus of FIG. 1.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the laser beam injection mechanism in the laser processing apparatus of FIG. 3 .
  • the laser processing apparatus 30 of this embodiment includes a fiber laser oscillator 15, a process fiber cable 16, a processing head 20, a controller 40, a lens drive source 41, and an operation unit 42. have.
  • the fiber laser oscillator 15 has a plurality of fiber laser engines 10, a plurality of delivery optical fibers 17, a beam combiner module 11, a feeding fiber cable 12, and a fusion box 13.
  • the fiber laser oscillator 15 has six fiber laser engines 10, for example.
  • Each of the six fiber laser engines 10 has a laser light output of, for example, 1.5 kW. In this case, the fiber laser oscillator 15 has a maximum output of 9 kW, for example.
  • Each of the multiple delivery optical fibers 17 is connected to each of the multiple fiber laser engines 10 .
  • a plurality of delivery optical fibers 17 are connected to one feeding fiber cable 12 by the beam combiner module 11 . Accordingly, the laser beams output from each of the plurality of fiber laser engines 10 are multiplexed by the beam combiner module 11 and then transmitted through the feeding fiber cable 12 .
  • the feeding fiber cable 12 is joined with the process fiber cable 16 in the fusion box 13 .
  • the feeding fiber cable 12 has a core 12a and a clad layer 12b covering the outer circumference of the core 12a. It has a process fiber cable 16, a core 16a, and a clad layer 16b covering the outer periphery of the core 16a.
  • the feeding fiber cable 12 and the process fiber cable 16 have the same core diameter.
  • Each of the diameter D1 of the core 12a of the feeding fiber cable 12 and the diameter D2 of the core 16a of the process fiber cable 16 is 50 ⁇ m, for example.
  • the feeding fiber cable 12 and the process fiber cable 16 having the same core diameters D1 and D2 are joined by fusion, for example.
  • Feeding fiber cable 12 and process fiber cable 16 are preferably connected concentrically to each other.
  • the feeding fiber cable 12 and the process fiber cable 16 may have the same core diameter at the fused portion 13a. is preferred. As a result, it is possible to suppress the decrease in brightness due to the difference in core diameters D1 and D2 without applying special processing to the feeding fiber cable 12 and the process fiber cable 16, and to improve the beam quality.
  • each of the fiber cables 12 and 16 has a uniform core diameter.
  • the feeding fiber cable 12 (or process fiber cable 16) has a core diameter D1 (or D2) of 50 ⁇ 5 ⁇ m over its entire length
  • the feeding fiber cable 12 (or process fiber cable 16) is It is assumed to have a uniform core diameter. Therefore, in the present specification, each of the core diameters D1 and D2 being 50 ⁇ m means that each of the core diameters D1 and D2 is 50 ⁇ 5 ⁇ m over the entire length.
  • the fusion process is performed by arranging the end faces of the feeding fiber cable 12 and the process fiber cable 16 so as to face each other, and heating the two end faces while they are in contact with each other.
  • this fusion process can be performed using an optical fiber fusion splicer, it is preferable to use a core direct viewing type optical fiber fusion splicer that has excellent alignment performance.
  • By performing fusion processing using an optical fiber fusion splicer it is possible to use a process fiber cable 16 with a smaller core diameter than conventional ones. Also, by connecting the fiber cables 12 and 16 with small core diameters D1 and D2, the divergence angle of the laser light can be reduced and the cutting speed (processing speed) can be increased.
  • the diameters D3 and D4 of each of the clad layers 12b and 16b are not particularly limited.
  • the diameter D3 of the clad layer 12b and the diameter D4 of the clad layer 16b may be the same or different.
  • the process fiber cable 16 has a length of, for example, 20m.
  • a process fiber cable 16 is connected to a processing head 20 .
  • the processing head 20 has a connector unit 20A, a collimator unit 20B, a lens unit 20C, and a nozzle unit 20D.
  • the connector unit 20A is a part that connects the process fiber cable 16 to the processing head 20. Laser light is emitted into the processing head 20 from the process fiber cable 16 connected to the connector unit 20A.
  • the collimator unit 20B is a part that converts the laser light emitted from the process fiber cable 16 into the processing head 20 into parallel rays.
  • the collimator unit 20B has a collimator lens 23 that converts laser light into parallel rays.
  • the lens unit 20C is a part that condenses the collimated laser light.
  • the lens unit 20C has a condenser lens 26 for condensing the collimated laser beam.
  • the condenser lens 26 can be moved in the optical axis direction of the laser beam by a lens drive source 41 .
  • the lens driving source 41 is, for example, a servomotor.
  • the lens driving source 41 is, for example, a servomotor.
  • the nozzle unit 20D is a part that emits the focused laser beam toward the workpiece.
  • a laser emission port of the nozzle unit 20D is arranged so as to interpose a gap of a predetermined distance from the workpiece.
  • the nozzle unit 20D has a gas outlet (not shown) for blowing the assist gas toward the workpiece.
  • the processing head 20 also has protective glasses 22 , 24 , 25 and 27 .
  • a protective glass 22 is arranged near the outlet of the connector unit 20A.
  • the protective glass 24 is arranged on the lens unit 20C side of the collimator lens 23 in the collimator unit 20B.
  • the protection lenses 25 and 27 are arranged so as to sandwich the condenser lens 26 in the optical axis direction of the laser light within the lens unit 20C.
  • the controller 40 limits the oscillation output of each of the plurality of fiber laser engines 10 so that the value of Raman scattered light at the processing point of the workpiece is -30 dB or less.
  • the length of the process fiber cable 16 may be input to the controller 40 by an operator through the operating section 42, for example.
  • the operation unit 42 may be either the first operation panel 34 or the second operation panel 35, for example.
  • the value of Raman scattered light at the processing point of the workpiece increases in proportion to the length of the process fiber cable 16 and the oscillation output. Therefore, the oscillation output of each of the plurality of fiber laser engines 10 is restricted so that the value of Raman scattered light is ⁇ 30 dB or less.
  • the input value of the controller 40 is limited by the operator through the operation unit 42 .
  • the operation unit 42 may be either the first operation panel 34 or the second operation panel 35, for example.
  • the output of the fiber laser oscillator 15 is limited to 8 kW in order to keep the value of Raman scattering light at the processing point below -30 dB using the process fiber cable 16 having a length of 20 m.
  • the controller 40 also selects the fiber laser engine 10 that oscillates the laser light and the fiber laser engine 10 that does not oscillate from among the plurality of fiber laser engines 10 based on the type of processing.
  • the type of processing may be input to the controller 40 by the operator from the operation unit 42, for example.
  • the controller 40 controls all fiber laser engines 10 to oscillate. Also, when the type of processing is, for example, scribing processing on the workpiece or marking processing on the surface of the workpiece, the controller 40 oscillates only some of the fiber laser engines 10 and does not oscillate the remaining fiber laser engines. to limit the oscillation output.
  • the controller 40 also drives and controls the lens driving source 41 based on, for example, the thickness of the workpiece.
  • the position of the condenser lens 26 in the optical axis direction of the laser light is controlled so that the focal position of the laser light becomes the optimum position with respect to the workpiece.
  • the thickness of the material to be processed may be input to the controller 40 by the operator through the operation unit 42, for example.
  • the focal position of the laser beam is set, for example, at any position from the surface of the workpiece to the center of the thickness of the workpiece.
  • the focal position of the laser beam can be adjusted according to the material of the workpiece, the type of assist gas, or the thickness of the workpiece.
  • the processing head 20 may be configured so as to be able to control the beam diameter of the laser light.
  • the processing head 20 has a beam diameter control unit 20E.
  • the beam diameter control unit 20E has two lenses 28,29.
  • the beam diameter of the laser light can be adjusted by moving the lens 29 relative to the lens 28 in the optical axis direction of the laser light.
  • the lens 29 can be moved by the lens drive source 43 in the optical axis direction of the laser beam.
  • the lens drive source 43 is, for example, a servomotor.
  • the lens driving source 41 is driven based on a command from the controller 40 to move the lens 29 in the optical axis direction of the laser beam.
  • the spot diameter (condensed diameter) condensed by the condensing lens 26 is adjusted as a result.
  • the spot diameter at the processing point of the workpiece is adjusted to, for example, 60 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less.
  • the processing head 20 without the beam diameter control unit 20E (FIG. 4) is used.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the fiber laser engine in FIG. 2 or FIG.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a fiber Bragg grating used for filtering Raman scattered light.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining that a specific wavelength component is reflected by the fiber Bragg grating of FIG.
  • the fiber laser engine 10 includes a plurality of semiconductor excitation light sources 1a and 1b, optical multiplexers 2a and 2b, an optical fiber Bragg grating (FBG HR 100%) 3, and an optical fiber Bragg grating (FBG OC 10%) 4 , an amplification optical fiber 5 , a Raman light reduction filter 6 , a plurality of optical fibers 7 a and 7 b, and an output optical fiber 8 .
  • Each of the plurality of semiconductor pumping light sources 1 a outputs pumping light to be supplied to the amplification optical fiber 5 .
  • the pumping light has a wavelength capable of optically pumping the amplification optical fiber 5, for example, a wavelength of 915 nm.
  • Each of the plurality of optical fibers 7a propagates pumping light output from each of the plurality of semiconductor pumping light sources 1a, and outputs the pumping light to the optical multiplexer 2a.
  • the optical multiplexer 2a is composed of, for example, a TFB (Tapered Fiber Bundle).
  • the optical multiplexer 2 a multiplexes the pumping light input from the plurality of optical fibers 7 a to the optical fiber of the signal light port, and outputs it to the amplification optical fiber 5 .
  • Each of the plurality of semiconductor pumping light sources 1b which are pumping light sources, outputs pumping light to be supplied to the amplification optical fiber 5.
  • the pumping light has a wavelength capable of optically pumping the amplification optical fiber 5, for example, a wavelength of 915 nm.
  • Each of the plurality of optical fibers 7b propagates the pumping light output from each of the plurality of semiconductor pumping light sources 1b, and outputs the pumping light to the optical multiplexer 2b.
  • the optical multiplexer 2b is composed of, for example, a TFB.
  • the optical multiplexer 2 b multiplexes the pumping light input from the plurality of optical fibers 7 b to the optical fiber of the signal light port and outputs it to the amplification optical fiber 5 .
  • the amplification optical fiber 5 is a double-clad optical fiber having a core portion, an inner clad layer, and an outer clad layer.
  • the core portion is, for example, YDF (Ytterbium Doped Fiber) in which ytterbium (Yb) ions, which are amplification substances, are added to silica-based glass.
  • the inner cladding layer covers the outer circumference of the core and is made of, for example, silica-based glass.
  • the outer clad layer covers the outer circumference of the inner clad layer and is made of resin, for example.
  • the core portion of the amplification optical fiber 5 has, for example, NA (Numerical Aperture) of 0.08, and is designed to propagate light (for example, wavelength 1070 nm) emitted by optical excitation of Yb ions in a single mode. It is configured.
  • NA Numerical Aperture
  • the absorption coefficient of the core portion of the amplification optical fiber 5 is, for example, 200 dB/m at a wavelength of 915 nm.
  • the power conversion efficiency from pumping light input to the core portion to laser light is, for example, 70%.
  • the FBG 3 which is the rear end side reflection means, is connected between the optical fiber of the signal light port of the optical multiplexer 2a and the amplification optical fiber 5.
  • FBG 3 has a center wavelength of 1070 nm, for example.
  • the FBG 3 has a reflectance of about 100% in the center wavelength (1070 nm) and its surrounding wavelength band with a width of about 2 nm. Most of the light with a wavelength of 915 nm is transmitted through the FBG3.
  • the FBG 4 which is the output-side reflecting means, is connected between the optical fiber of the signal light port of the optical multiplexer 2b and the amplification optical fiber 5.
  • FBG4 has substantially the same central wavelength (for example, 1070 nm) as FBG3.
  • the FBG 4 has a reflectance of about 10% or more and 30% or less at the center wavelength (1070 nm), and the full width at half maximum of the reflection wavelength band is about 1 nm. Most of the light with a wavelength of 915 nm is transmitted through the FBG4.
  • the FBGs 3 and 4 are arranged at both ends of the amplification optical fiber 5, respectively, and form optical fiber resonators for light with a wavelength of 1070 nm, for example.
  • Yb ions in the core are photoexcited by the excitation light, and light in a band including a wavelength of 1070 nm is emitted.
  • Light with a wavelength of 1070 nm is oscillated as laser light by the optical amplification action of the amplification optical fiber 5 and the action of the optical resonator constituted by the FBGs 3 and 4 .
  • the output optical fiber 8 is arranged on the side opposite to the FBG 4 with respect to the optical multiplexer 2b, and is connected to the optical fiber of the signal light port of the optical multiplexer 2b.
  • the oscillated laser light is output from the output optical fiber 8 .
  • the output optical fiber 8 is connected, for example, to a delivery optical fiber 17 (FIG. 2). Laser light is propagated by delivery optical fiber 17 for a given application.
  • the laser light oscillated from the optical fiber resonator composed of FBGs 3 and 4 contains Raman scattered light. Therefore, in this embodiment, the Raman light reduction filter 6 reduces the Raman scattered light.
  • the value of Raman scattered light in the laser light output from the fiber laser engine 10 is limited to -40 dB or less, for example.
  • the value of Raman scattered light at the processing point of the material to be processed is limited to -30 dB or less, for example.
  • the Raman light reduction filter 6 is arranged between the optical multiplexer 2b and the output optical fiber 8, for example.
  • the laser light generates Raman scattered light within the optical fiber through which the laser light propagates among the optical fibers that constitute the optical fiber laser.
  • the optical fiber through which the laser light propagates mainly includes the amplification optical fiber 5, the FBG 4, the optical fiber constituting the signal light port of the optical multiplexer 2b, the output optical fiber 8, and the optical fiber connecting these.
  • the Raman light reduction filter 6 has a function of selectively reducing the power of the generated Raman scattered light.
  • the wavelength of the laser light is, for example, 1070 nm, so the wavelength of the Raman scattered light is about 1120 nm.
  • the Raman light reduction filter 6 has a transmittance of, for example, -30 dB or less near 1120 nm. Therefore, when the Raman scattered light is input to the Raman light reduction filter 6, the power of the Raman scattered light is selectively and greatly reduced.
  • the Raman light reduction filter 6 is composed of, for example, a slant-type fiber Bragg grating (FBG).
  • FBG fiber Bragg grating
  • a refractive index modulation (diffraction grating 6d) is formed in the core 6a of the optical fiber.
  • the outer circumference of the core 6a is covered with a clad layer 6b, and the outer circumference of the clad layer 6b is covered with a buffer layer 6c.
  • n is the effective refractive index of the core 6a
  • L is the interval of the grating (diffraction grating 6d) called the grating period
  • incident light having a wavelength band as shown in FIG. 7A is transmitted through the core 6a of the optical fiber shown in FIG.
  • a specific wavelength ( ⁇ B ) component proportional to the spacing L of the grating 6d is reflected.
  • Components other than the specific wavelength ( ⁇ B ) pass through the diffraction grating 6d. Therefore, the light transmitted through the diffraction grating 6d has a wavelength band from which only the component of the specific wavelength ( ⁇ B ) is removed, as shown in FIG. 7(C).
  • the specific wavelength ( ⁇ B ) is called the Bragg wavelength.
  • the grating direction (the direction perpendicular to the surface where the refractive index rises) is tilted (slanted) from the optical fiber axis by the diffraction grating 6d formed in the core 6a of the optical fiber. there). Therefore, the light of the component of the specific wavelength ( ⁇ B ) can be leaked to the outside of the core 6a.
  • the Raman scattered light can be reduced to the core. It can be leaked to the outside of 6a. This can reduce the power of Raman scattered light within the optical fiber.
  • excitation light is output from each of the plurality of semiconductor excitation light sources 1a and 1b.
  • Pumping light output from each of the plurality of semiconductor pumping light sources 1a is multiplexed by the optical multiplexer 2a, passes through the FBG 3, and is output to the amplification optical fiber 5.
  • FIG. The pumping light output from each of the plurality of semiconductor pumping light sources 1b is multiplexed by the optical multiplexer 2b, transmitted through the FBG 4, and output to the amplification optical fiber 5.
  • the Yb ions in the core are photoexcited by the pumping light, and light in a band including, for example, a wavelength of 1070 nm is emitted.
  • Light with a wavelength of 1070 nm is oscillated as laser light by the optical amplification action of the amplification optical fiber 5 and the action of the optical resonator constituted by the FBGs 3 and 4 .
  • the wavelength of the oscillated laser light is in the 1 ⁇ m band (1 ⁇ m or more and less than 2 ⁇ m), for example 1070 nm.
  • the oscillated laser light contains Raman scattered light. Therefore, in this embodiment, the Raman light reduction filter 6 reduces the Raman scattered light contained in the laser light. Specifically, the Raman scattered light is leaked to the outside of the core 6a by tilting the grating direction from the optical fiber axis by the diffraction grating 6d shown in FIGS.
  • the laser light with the Raman scattered light reduced by the Raman light reduction filter 6 is output from each of the plurality of fiber laser engines 10 (step S1: FIG. 8).
  • laser beams output from each of the plurality of fiber laser engines 10 are collectively taken out to a feeding fiber cable 12 having a core diameter of 50 ⁇ m (step S2: FIG. 8).
  • the laser light extracted by the feeding fiber cable 12 is transmitted to the processing head 20 through the process fiber cable 16 having a core diameter of 50 ⁇ m (step S3: FIG. 8).
  • the laser beam is condensed and emitted onto the workpiece by the machining head 20 (step S4: FIG. 8).
  • the workpiece is processed by the laser processing device.
  • an inert gas for example, nitrogen gas, argon gas
  • the spot diameter of the laser beam at the processing point of the workpiece is, for example, 60 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less.
  • the focal position of the laser beam is preferably set to any position from the surface of the material to be processed to the center of the thickness of the material to be processed.
  • laser light with a wavelength in the 1 ⁇ m band (for example, 1070 nm) is guided to the processing head 20 through the process fiber cable 16 with a core diameter of 50 ⁇ m, and the Raman scattered light value at the processing point is ⁇ 30 dB or less.
  • a work material is processed with a laser beam of .
  • the Raman light reduction filter 6 sets the value of Raman scattered light output from the fiber laser engine 10 to -40 dB or less.
  • the oscillation output in each of the plurality of fiber laser engines 10 is limited based on the length of the process fiber cable 16 that transmits laser light output from the fiber laser engine 10 .
  • the total maximum output of the plurality of fiber laser engines 10 is 9 kW. Oscillator output is adjusted.
  • the oscillation output of each of the plurality of fiber laser engines 10 is adjusted so that the total maximum output of the plurality of fiber laser engines is 8 kW. Limited.
  • the laser beam is focused so as to have a spot diameter of 60 ⁇ m to 800 ⁇ m, and the energy density is increased to heat the material to be processed above the melting point of the metal.
  • cutting is performed while material is removed by blowing an assist gas onto the molten pool in such a processed state.
  • oxygen gas is used as an assist gas, and the cutting process is performed using the heat of oxidation reaction.
  • Nitrogen gas is used as the assist gas when cutting a relatively thin plate and avoiding the formation of an oxide film on the cut surface.
  • the absorption rate of the laser beam in the workpiece is higher than that of a carbon dioxide laser having a wavelength of 10.6 ⁇ m. Therefore, when oxygen gas is used as the assist gas to reduce the spot diameter, self-burning easily occurs, making stable cutting difficult.
  • the optical magnification is expressed by fL/fC, where fC is the focal length of the collimator in the processing head 20 and fL is the focal length of the condensing lens, as shown in FIG. Therefore, in order to reduce the spot diameter of the laser beam, it is necessary to reduce the core diameter and optical magnification of the process fiber cable.
  • the present inventor diligently studied the reason why the cutting speed of the workpiece could not be increased. As a result, the inventors have found that increasing the output of the fiber laser oscillator increases the value of Raman scattered light contained in the laser light, and thus the cutting speed of the workpiece cannot be increased.
  • each of the plurality of fiber laser engines 10 is provided with a Raman light reduction filter 6 based on the above findings.
  • the Raman light reduction filter 6 reduces Raman scattered light in the laser light. Therefore, by increasing the output of the fiber laser oscillator using the process fiber cable 16 with a small core diameter of 50 ⁇ m, it is possible to increase the processing speed of the workpiece.
  • Raman is a phenomenon in which when light is incident on a substance, light with a wavelength different from the wavelength of the incident light is included in the scattered light.
  • Raman scattered light is amplified as it goes from the semiconductor excitation light source 1a to the nozzle unit 20D in the conventional laser processing apparatus. Further, when the reflected light of the laser beam reflected by the workpiece enters the process fiber cable 16 through the processing head 20, the Raman scattered light is further amplified when the reflected light returns to the semiconductor excitation light source 1a.
  • the Raman scattered light returned by reflection interferes with the laser light of the wavelength (for example, 1080 nm) necessary for cutting the workpiece, causing laser output fluctuations.
  • a laser beam having a wavelength necessary for cutting the workpiece is returned into the cavity by the FBG 3 .
  • the Raman scattered light has a wavelength that passes through the FBG 3, it reaches the semiconductor excitation light source 1a and damages the semiconductor excitation light source 1a.
  • the Raman light reduction filter 6 can reduce the value of Raman scattered light. Therefore, even if the Raman scattered light included in the reflected light reflected by the workpiece is incident on the process fiber cable 16, the Raman scattered light incident on the process fiber cable 16 can be reduced. Therefore, it is possible to suppress the output fluctuation of the laser due to the interference of the Raman scattered light with the laser light of the wavelength necessary for cutting the workpiece, and also to suppress the damage of the semiconductor excitation light source 1a due to the Raman scattered light.
  • the Raman light reduction filter 6 shown in FIG. 5 has a configuration that allows Raman scattered light to leak out of the core of the fiber cable. This makes it possible to reduce Raman scattered light in the laser light.
  • the process fiber cable 16 is lengthened, the Raman scattered light in the laser beam increases, the processing speed of the workpiece decreases, and the semiconductor excitation light sources 1a and 1b may be damaged.
  • a controller 40 is provided for limiting the oscillation output of each of the plurality of fiber laser engines 10 based on the length of the process fiber cable 16 .
  • the value of the Raman scattered light at the processing point can be controlled to -30 dB or less, thereby preventing the semiconductor excitation light sources 1a and 1b from being damaged by the Raman scattered light. can be done.
  • a controller 40 is provided for limiting the oscillation output of each of the plurality of fiber laser engines 10 . This makes it possible to control the value of the Raman scattered light at the processing point to -30 dB or less according to the length of the process fiber cable 16, thereby preventing the semiconductor excitation light sources 1a and 1b from being damaged by the Raman scattered light. can be done.
  • a fiber laser engine with an output of 1500 W has an output adjustable range of 150 W to 1500 W. For this reason, for example, in an oscillator having a rated output of 6000W, which is obtained by combining four fiber laser engines each having an output of 1500W, the output adjustment range is 600W to 6000W.
  • the controller 40 selects the fiber laser engine 10 that oscillates the laser light and the fiber laser engine 10 that does not oscillate from the plurality of fiber laser engines 10. Accordingly, by limiting the number of oscillating fiber laser engines 10 during scribing processing or marking processing, it is possible to limit the oscillation output of a plurality of fiber laser engines 10 .
  • the wavelength of the laser light is in the 1 ⁇ m band
  • the assist gas is an inert gas
  • the spot diameter at the processing point of the workpiece is 60 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less.
  • the position of the focal point of the laser beam is set to any position from the surface MS of the workpiece W to the center of the thickness T of the workpiece W.
  • the processing speed of the workpiece W can be kept high, and the height of burrs generated on the back side of the cut surface of the workpiece W can be reduced.
  • the value of Raman scattered light at the processing point of the workpiece is -30 dB or less.
  • the optical magnification (fL/fC) is 1.5 times, and if the Raman scattered light value is ⁇ 30 dB, the optical magnification (fL/fC) was multiplied by 1.25.
  • SPCC thickness 1.6 mm
  • JIS Japanese Industrial Standards
  • G 3141 SPCC (thickness 1.6 mm) specified in JIS (Japanese Industrial Standards) G 3141 was used as the material to be processed, regardless of whether the Raman scattered light value at the processing point was -25 dB or -30 dB.
  • the wavelength of the pumping light output from the semiconductor pumping light source was set to 915 nm, and the wavelength of the laser light to be oscillated was set to 1070 nm.
  • the core diameter of each of the feeding fiber cable and the process fiber cable was set to 50 ⁇ m. Nitrogen was used as an assist gas.
  • the focal position of the laser beam was changed in the range of -1.2 or more and +0.4 or less from the surface of the workpiece.
  • a minus "-" sign before the numerical value representing the focal position indicates that the focal position is inside the workpiece (in-focus case).
  • the plus "+” sign before the numerical value representing the focal position indicates the case where the focal position is outside the workpiece (in the case of defocus).
  • each of the plurality of fiber laser engines 10 has a Raman light reduction filter 6 that suppresses the generation of Raman scattered light.
  • the core diameter of the process fiber cable 16 is reduced to 50 ⁇ m, the value of Raman scattered light at the processing point can be reduced to ⁇ 30 dB or less. Therefore, it becomes possible to machine the workpiece at a machining speed that could not be achieved conventionally.
  • the value of Raman scattered light at the processing point is detected by the optical spectrum analyzer 104, as shown in FIG.
  • the optical spectrum analyzer 104 receives the diffused light of the laser beam emitted from the laser output connector 101 to the power meter (power damper) 102 through the pickup fiber 103 .
  • the optical spectrum analyzer 104 detects the value of Raman scattered light at the processing point by analyzing the input diffused light.
  • burr height When cutting a thin plate using nitrogen gas as an assist gas, burrs may occur on the back side of the cut surface of the workpiece.
  • the present inventor investigated the relationship between the value of Raman scattered light at the processing point and the height of burrs formed on the back side of the cut surface due to cutting. The results are shown in FIG.
  • SPHC thickness 6 mm specified in JIS G 3131 was used as the work material.
  • the wavelength of the pumping light output from the semiconductor pumping light source was set to 915 nm, and the wavelength of the laser light to be oscillated was set to 1070 nm.
  • the core diameter of each of the feeding fiber cable and the process fiber cable was set to 50 ⁇ m.
  • the cutting speed of the material to be processed was set to 3.5 m/min.
  • the laser output was set to 5 kW, 5.6 kW, 6 kW, and 8 kW.
  • the Raman scattering light value at the processing point was -20.5 dB, and the burr height was 120 ⁇ m.
  • the Raman scattered light value at the processing point was -35.5 dB, and the burr height was 60 ⁇ m.
  • the Raman scattering light value at the processing point was -41.3 dB, and the burr height was 60 ⁇ m.
  • the Raman scattered light value at the processing point was -40.5 dB, and the burr height was 70 ⁇ m.
  • the inventor also investigated the relationship between the focal position of the laser beam on the workpiece and the height of the burr. The results are shown in FIG.
  • the gap G between the tip of the nozzle 20Da of the machining head 20 and the surface MS of the workpiece was set to 0.5 mm.
  • SS thickness 9 mm specified in JIS G 3101 was used as the workpiece W.
  • the wavelength of the pumping light output from the semiconductor pumping light source was set to 915 nm, and the wavelength of the laser light to be oscillated was set to 1070 nm.
  • the core diameter of each of the feeding fiber cable and the process fiber cable was set to 50 ⁇ m.
  • the value of Raman scattered light at the processing point was set to -30 dB or less. Nitrogen was used as an assist gas.
  • the focal position of the laser beam was set in-focus with respect to the workpiece W, and the thickness T of the workpiece W was varied from -2.5T/9 to -6T/9.
  • the height of the burrs generated on the back side of the cut surface was minimized when the focal position was -4.5T/9. Also, if the focal position was -4.5T/9 or more and -3.5T/9 or less, the height of the burr could be kept low compared to other focal positions.
  • the focal position of the laser beam is shifted from the surface MS of the workpiece W to the workpiece W. It was found to be preferably set anywhere up to the middle of the W thickness (-4.5T/9). Moreover, it was found that the focal position should preferably be set to any position between -4.5T/9 and -3.5T/9 in consideration of reducing the height of the burr.

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Abstract

フィーディングファイバケーブル（１２）は、複数のファイバレーザエンジン（１０）の各々で生成されたレーザ光をまとめて取り出す。加工ヘッド（２０）は、被加工材にレーザ光を集光して射出する。プロセスファイバケーブル（１６）は、フィーディングファイバケーブル（１２）で取り出されたレーザ光を加工ヘッド（２０）へ伝送する。フィーディングファイバケーブル（１２）とプロセスファイバケーブル（１６）とのコア径が等しく５０μｍである。複数のファイバレーザエンジン（１０）の各々は、レーザ光中におけるラマン散乱光の値を低減するフィルタ（６）を有する。

Description

レーザ加工装置およびレーザ加工方法
　本開示は、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
　従来から、レーザ光を照射することにより被加工材の切断などの加工を行なうファイバレーザ加工機が知られている。このようなファイバレーザ加工機は、たとえば特許第６２５１６８４号公報（特許文献１参照）に開示されている。特許文献１には、フィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとのコア径が等しく５０μｍであることが開示されている。
特許第６２５１６８４号公報
　たとえば軟鋼厚板の切断には、アシストガスとして酸素ガスが用いられ、酸化反応熱を利用することで切断加工が行なわれている。一方、アシストガスとして酸素ガスが用いられると、酸化反応速度に律速されて、切断などの加工速度の高速化が難しくなる。そこで切断面における酸化皮膜の生成を嫌う薄板では、不活性ガス（窒素ガス、アルゴンガスなど）をアシストガスとして用いることが考えられる。この場合、加工速度を向上させるためには、レーザ光のスポット径を小さくして、パワー密度を高める方法がある。スポット径を小さくするためには、プロセスファイバのコア径を小さくして、集光レンズでレーザ光を絞る必要がある。
　しかしながら特許文献１のようにコア径を小さくしても加工速度を高めることが難しいという問題があった。
　本開示の目的は、高い加工速度で加工することが容易なレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することである。
　本発明者は、鋭意検討した結果、ファイバ内に発生するラマン散乱光の値が高くなると加工速度が遅くなるという知見を見出して本開示をなすに至った。
　本開示のレーザ加工装置は、金属材料よりなる被加工材を加工するレーザ加工装置であって、複数のファイバレーザエンジンと、フィーディングファイバケーブルと、加工ヘッドと、プロセスファイバケーブルとを備える。フィーディングファイバケーブルは、複数のファイバレーザエンジンの各々で生成されたレーザ光をまとめて取り出す。加工ヘッドは、被加工材にレーザ光を集光して射出する。プロセスファイバケーブルは、フィーディングファイバケーブルで取り出されたレーザ光を加工ヘッドへ伝送する。フィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとのコア径が等しく５０μｍである。複数のファイバレーザエンジンの各々は、レーザ光中におけるラマン散乱光の値を低減するフィルタを有する。
　本開示のレーザ加工方法は、上記レーザ加工装置を用いて、金属材料よりなる被加工材を加工するレーザ加工方法である。本開示のレーザ加工方法では、レーザ光の波長が１μｍ帯であり、アシストガスが不活性ガスであり、被加工材の加工点でのスポット径が６０μｍ以上１５０μｍ以下である。
　本開示によれば、高い加工速度で加工することが容易なレーザ加工装置およびレーザ加工方法を実現することができる。
一実施形態におけるレーザ加工装置の構成を示す斜視図である。 図１のレーザ加工装置におけるレーザ光射出機構の構成（単焦点レンズ）を示す図である。 図１のレーザ加工装置におけるフィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとの接続構造を示す図である。 図１のレーザ加工装置におけるレーザ光射出機構の構成（ビーム径コントロール）を示す図である。 図２または図４におけるファイバレーザエンジンの構成を示す図である。 ラマン散乱光のフィルタに用いられるファイバブラッググレーティングを説明するための図である。 図６のファイバブラッググレーティングにより特定の波長成分が反射されることを説明するための図である。 一実施形態におけるレーザ加工方法を示すフロー図である。 加工点におけるラマン散乱光の値が－２５ｄＢである場合の各焦点位置におけるレーザ出力と被加工材の切断速度との関係を示す図である。 加工点におけるラマン散乱光の値が－３０ｄＢである場合の各焦点位置におけるレーザ出力と被加工材の切断速度との関係を示す図である。 加工点におけるラマン散乱光の値を測定する方法を説明するための図である。 加工点におけるラマン散乱光の値と被加工材に生じるバリの高さとの関係を示す図である。 レーザ光の焦点位置と被加工材に生じるバリの高さとの関係を示す図である。 被加工材の厚みとレーザ光の焦点位置との関係を説明するための図である。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、明細書および図面において、同一の構成要素または対応する構成要素には、同一の符号を付し、重複する説明を繰り返さない。また、図面では、説明の便宜上、構成を省略または簡略化している場合もある。
　＜レーザ加工装置の構成＞
　本実施形態におけるレーザ加工装置の構成について図１を用いて説明する。
　図１は、一実施形態におけるレーザ加工装置の構成を示す斜視図である。図１に示されるように、本実施形態のレーザ加工装置３０は、たとえば金属材料よりなる被加工材（ワーク）を加工するものである。レーザ加工装置３０は、キャビン３１と、パレットチェンジャ３７とを有している。
　キャビン３１は、ガルウィングドア３２と、開閉式天井扉３３と、第１操作盤３４と、第２操作盤３５と、複数の監視窓３６とを有している。
　ガルウィングドア３２は、キャビン３１の正面３１Ｆに設けられている。キャビン３１の正面３０Ｆに対して反対側となる背面には、横長スリット状に形成された搬入出口（図示せず）が、パレットチェンジャ３７に対応して設けられている。これにより、大ロット製品の加工時には、被加工物を載置するパレットが搬入出口を介して搬入出される。小ロット製品の加工時には、ガルウィングドア３２から被加工物が搬入出される。このようにロットの大きさに対応した搬入出作業が可能である。
　開閉式天井扉３３は、キャビン３１の天井に配置されている。第１操作盤３４は、キャビン３１の正面３１Ｆであってガルウィングドア３２の側方に配置されている。第２操作盤３５は、キャビン３１の側面３１Ｓにおいて背面寄りに配置されている。複数の監視窓３６は、キャビン３１の側面３１Ｓに配置されている。複数の監視窓３６の各々を通じてキャビン３１の外部から内部を視認することができる。
　レーザ加工装置３０は、ファイバレーザ発振器１５（図２）と、加工ヘッド２０（図２）と、アシストガス供給部（図示せず）と、チラーユニット（図示せず）と、集塵機（図示せず）とをさらに有している。
　ファイバレーザ発振器１５は、レーザ光を発振する。加工ヘッド２０は、ファイバレーザ発振器１５により発振されたレーザ光を集光して被加工材に射出する。これにより加工ヘッド２０は、被加工材を加工する。
　アシストガス供給部は、被加工材にアシストガスを吹き付ける。アシストガスは、レーザ光を照射されることにより生じた被加工材の溶融池に吹き付けられることにより材料を除去する。アシストガスとしては不活性ガス（窒素ガス、アルゴンガスなど）、酸素ガスなどが用いられる。アシストガス供給部は、ブースタコンプレッサなどを有している。
　チラーユニットは、ファイバレーザ発振器１５および加工ヘッド２０の各々に冷却水を供給する。これによりファイバレーザ発振器１５および加工ヘッド２０が冷却される。集塵機は、加工時に発生する粉塵などを加工部から排除する。
　＜レーザ加工装置のレーザ光射出機構＞
　次に、図１に示される本実施形態のレーザ加工装置におけるレーザ光射出機構の構成について図２～図４を用いて説明する。
　図２および図４のそれぞれは、図１のレーザ加工装置におけるレーザ光射出機構の構成を示す図である。図３は、図１のレーザ加工装置におけるフィーディングファイバケーブルとプロセスファイバケーブルとの接続構造を示す図である。
　図２に示されるように、本実施形態のレーザ加工装置３０は、ファイバレーザ発振器１５と、プロセスファイバケーブル１６と、加工ヘッド２０と、コントローラ４０と、レンズ駆動源４１と、操作部４２とを有している。
　ファイバレーザ発振器１５は、複数のファイバレーザエンジン１０と、複数のデリバリ光ファイバ１７と、ビームコンバイナーモジュール１１と、フィーディングファイバケーブル１２と、融着ボックス１３とを有している。
　複数のファイバレーザエンジン１０の各々は、レーザ光を出力する。ファイバレーザ発振器１５は、たとえば６個のファイバレーザエンジン１０を有している。６個のファイバレーザエンジン１０の各々は、たとえば１．５ｋＷのレーザ光の出力を有している。この場合、ファイバレーザ発振器１５は、最大出力として、たとえば９ｋＷの能力を有することになる。
　複数のデリバリ光ファイバ１７の各々は、複数のファイバレーザエンジン１０の各々に接続されている。複数のデリバリ光ファイバ１７はビームコンバイナーモジュール１１により１つのフィーディングファイバケーブル１２に接続されている。これにより複数のファイバレーザエンジン１０の各々から出力されたレーザ光は、ビームコンバイナーモジュール１１で合波された後にフィーディングファイバケーブル１２内を伝送される。
　フィーディングファイバケーブル１２は、融着ボックス１３においてプロセスファイバケーブル１６と接合されている。
　図３に示されるように、フィーディングファイバケーブル１２は、コア１２ａと、コア１２ａの外周を被覆するクラッド層１２ｂとを有している。プロセスファイバケーブル１６、コア１６ａと、コア１６ａの外周を被覆するクラッド層１６ｂとを有している。
　フィーディングファイバケーブル１２とプロセスファイバケーブル１６とは同一のコア径を有している。フィーディングファイバケーブル１２のコア１２ａの直径Ｄ１およびプロセスファイバケーブル１６のコア１６ａの直径Ｄ２の各々は、たとえば５０μｍである。
　コア径Ｄ１、Ｄ２が等しいフィーディングファイバケーブル１２とプロセスファイバケーブル１６とは、たとえば融着により接合されている。フィーディングファイバケーブル１２とプロセスファイバケーブル１６とは、互いに同心となるように接続されることが好ましい。
　フィーディングファイバケーブル１２とプロセスファイバケーブル１６とは融着部１３ａにおいて同一のコア径を有していればよいが、それぞれ光ファイバの延伸方向に沿って一様のコア径Ｄ１、Ｄ２を有することが好ましい。これにより、フィーディングファイバケーブル１２とプロセスファイバケーブル１６とに特別な加工を施すことなく、コア径Ｄ１、Ｄ２の違いによる輝度の低下を抑制することができ、ビーム品質を向上させることができる。
　なお本明細書においては、ファイバケーブル１２、１６の各々のコア径Ｄ１、Ｄ２の分布が±１０％以下の範囲にあれば、当該ファイバケーブル１２、１６の各々は一様のコア径を有しているものとする。たとえば、フィーディングファイバケーブル１２（またはプロセスファイバケーブル１６）が、その全長にわたって５０±５μｍのコア径Ｄ１（またはＤ２）を有している場合、フィーディングファイバケーブル１２（またはプロセスファイバケーブル１６）は一様のコア径を有しているものとする。このため本明細書においてコア径Ｄ１、Ｄ２の各々が５０μｍであるとは、コア径Ｄ１、Ｄ２の各々が全長にわたって５０±５μｍであることを意味する。
　融着処理は、フィーディングファイバケーブル１２とプロセスファイバケーブル１６との端面を対向させて配置し、両端面を互いに突き当てた状態で加熱することで行われる。この融着処理は、光ファイバ融着接続機を用いて行うことができるが、調心性能に優れたコア直視型光ファイバ融着接続機を用いて行うことが好ましい。光ファイバ融着接続機を用いて融着処理を行うことで、従来よりもコア径の小さいプロセスファイバケーブル１６を用いることが可能となる。またコア径Ｄ１、Ｄ２の小さいファイバケーブル１２、１６同士を接続することにより、レーザ光の広がり角を小さくすることができ、切断速度（加工速度）を高めることができる。
　クラッド層１２ｂ、１６ｂの各々の直径Ｄ３、Ｄ４の各々は特に限定されない。クラッド層１２ｂの径Ｄ３とクラッド層１６ｂの径Ｄ４とは、同一であってもよく、また異なっていてもよい。
　図２に示されるように、プロセスファイバケーブル１６はたとえば２０ｍの長さを有している。プロセスファイバケーブル１６は、加工ヘッド２０に接続されている。加工ヘッド２０は、コネクタユニット２０Ａと、コリメータユニット２０Ｂと、レンズユニット２０Ｃと、ノズルユニット２０Ｄとを有している。
　コネクタユニット２０Ａは、加工ヘッド２０にプロセスファイバケーブル１６を接続する部分である。コネクタユニット２０Ａに接続されたプロセスファイバケーブル１６から加工ヘッド２０内にレー光が出射される。
　コリメータユニット２０Ｂは、プロセスファイバケーブル１６から加工ヘッド２０内に出射されたレーザ光を平行光線とする部分である。コリメータユニット２０Ｂは、レーザ光を平行光線とするコリメータレンズ２３を有している。
　レンズユニット２０Ｃは、平行光線化したレーザ光を集光する部分である。レンズユニット２０Ｃは、平行光線化したレーザ光を集光する集光レンズ２６を有している。集光レンズ２６は、レンズ駆動源４１によりレーザ光の光軸方向に移動可能である。
　レンズ駆動源４１は、たとえばサーボモータである。集光レンズ２６がレーザ光の光軸方向に移動することによって、レーザ光の焦点位置を光軸方向に移動させることができる。これにより被加工材に対するレーザ光の焦点位置を変更することができる。
　ノズルユニット２０Ｄは、集光されたレーザ光を被加工材に向けて射出する部分である。ノズルユニット２０Ｄのレーザ射出口は、被加工材と所定距離のギャップを介在するように配置される。ノズルユニット２０Ｄは、アシストガスを被加工材に向けて吹き付けるためのガス吹出口（図示せず）を有している。
　また加工ヘッド２０は、保護ガラス２２、２４、２５、２７を有している。保護ガラス２２は、コネクタユニット２０Ａの出口付近に配置されている。保護ガラス２４は、コリメータユニット２０Ｂ内でコリメータレンズ２３のレンズユニット２０Ｃ側に配置されている。保護レンズ２５、２７は、レンズユニット２０Ｃ内で集光レンズ２６をレーザ光の光軸方向に挟み込むように配置されている。
　コントローラ４０は、プロセスファイバケーブル１６の長さに基づいて、被加工材の加工点でのラマン散乱光の値が－３０ｄＢ以下となるように複数のファイバレーザエンジン１０の各々における発振出力を制限する。プロセスファイバケーブル１６の長さは、たとえば操作部４２から操作者によってコントローラ４０に入力されてもよい。操作部４２は、たとえば第１操作盤３４および第２操作盤３５のいずれかであってもよい。
　被加工材の加工点でのラマン散乱光の値はプロセスファイバケーブル１６の長さ、発振出力に比例して増加する。このため、ラマン散乱光の値が－３０ｄＢ以下となるように複数のファイバレーザエンジン１０の各々における発振出力が制限される。たとえば操作部４２から操作者によってコントローラ４０の入力値に制限が設けられる。操作部４２は、たとえば第１操作盤３４および第２操作盤３５のいずれかであってもよい。
　たとえば２０ｍの長さを有するプロセスファイバケーブル１６を用いて加工点でのラマン散乱光の値を－３０ｄＢ以下とするために、ファイバレーザ発振器１５の出力はたとえば８ｋＷに制限される。
　またコントローラ４０は、加工の種類に基づいて、複数のファイバレーザエンジン１０の中からレーザ光を発振させるファイバレーザエンジン１０と発振させないファイバレーザエンジン１０とを選択する。加工の種類は、たとえば操作部４２から操作者によってコントローラ４０へ入力されてもよい。
　たとえば加工の種類が被加工材の切断などである場合には、コントローラ４０は全てのファイバレーザエンジン１０が発振するように制御する。また加工の種類がたとえば被加工材へのケガキ加工、または被加工材表面へのマーキング加工の時には、コントローラ４０は一部のファイバレーザエンジン１０のみを発振させ、残りのファイバレーザエンジンを発振させないことで、発振出力を制限する。
　またコントローラ４０は、たとえば被加工材の厚みに基づいて、レンズ駆動源４１を駆動制御する。これによりレーザ光の焦点位置が被加工材に対して最適な位置となるように、レーザ光の光軸方向における集光レンズ２６の位置が制御される。被加工材の厚みは、たとえば操作部４２から操作者によってコントローラ４０へ入力されてもよい。レーザ光の焦点位置は、たとえば被加工材の表面から被加工材の厚みの中央までのいずれかの位置に設定される。
　上記により被加工材の材質、アシストガスの種類または被加工材の厚みに応じて、レーザ光の焦点位置を調整することができる。
　なお上記においては単焦点レンズを用いた加工ヘッド２０について説明したが、加工ヘッド２０はレーザ光のビーム径を制御できるよう構成されていてもよい。この場合、図４に示されるように加工ヘッド２０は、ビーム径制御ユニット２０Ｅを有している。ビーム径制御ユニット２０Ｅは、２つのレンズ２８、２９を有している。たとえばレンズ２９をレンズ２８に対して相対的にレーザ光の光軸方向に移動させることにより、レーザ光のビーム径を調整することができる。
　図４の構成においては、たとえばレンズ２９がレンズ駆動源４３によりレーザ光の光軸方向に移動可能である。レンズ駆動源４３は、たとえばサーボモータである。レンズ駆動源４１は、コントローラ４０から指令に基づいて駆動して、レンズ２９をレーザ光の光軸方向に移動させる。
　ビーム径が調整されることにより、結果として集光レンズ２６により集光されたスポット径（集光径）が調整される。被加工材の加工点でのスポット径は、たとえば６０μｍ以上１５０μｍ以下に調整される。
　アシストガスとして酸素ガスを用いる場合および不活性ガスと酸素ガスとを切り替えて用いる場合には、レーザ光のビーム径を調整できることが好ましい。一方、アシストガスを不活性ガス（たとえば窒素ガス）に限定する場合には、レーザ光のビーム径を調整する必要は無い。このため、この場合には図２に示されるように、ビーム径制御ユニット２０Ｅ（図４）を有しない加工ヘッド２０が用いられる。
　＜ファイバレーザエンジンの構成＞
　次に、本実施形態のファイバレーザエンジンの構成について図５～図７を用いて説明する。
　図５は、図２または図４におけるファイバレーザエンジンの構成を示す図である。図６は、ラマン散乱光のフィルタに用いられるファイバブラッググレーティングを説明するための図である。図７は、図６のファイバブラッググレーティングにより特定の波長成分が反射されることを説明するための図である。
　図５に示されるように、ファイバレーザエンジン１０は、複数の半導体励起光源１ａ、１ｂと、光合波器２ａ、２ｂと、光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ　ＨＲ１００％）３と、光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ　ＯＣ１０％）４と、増幅用光ファイバ５と、ラマン光低減フィルタ６と、複数の光ファイバ７ａ、７ｂと、出力光ファイバ８とを有している。
　複数の半導体励起光源１ａの各々は、増幅用光ファイバ５に供給する励起光を出力する。励起光は、増幅用光ファイバ５を光励起できる波長、たとえば９１５ｎｍの波長を有している。複数の光ファイバ７ａの各々は、複数の半導体励起光源１ａの各々から出力された励起光を伝搬し、光合波器２ａに出力する。
　光合波器２ａは、たとえばＴＦＢ（Tapered　Fiber　Bundle）で構成されている。光合波器２ａは、複数の光ファイバ７ａから入力された励起光を、信号光ポートの光ファイバに合波し、増幅用光ファイバ５へ出力する。
　励起光源である複数の半導体励起光源１ｂの各々は、増幅用光ファイバ５に供給する励起光を出力する。励起光は、増幅用光ファイバ５を光励起できる波長、たとえば９１５ｎｍの波長を有している。複数の光ファイバ７ｂの各々は、複数の半導体励起光源１ｂの各々から出力された励起光を伝搬し、光合波器２ｂに出力する。
　光合波器２ｂは、光合波器２ａと同様に、たとえばＴＦＢで構成されている。光合波器２ｂは、複数の光ファイバ７ｂから入力された励起光を、信号光ポートの光ファイバに合波し、増幅用光ファイバ５へ出力する。
　増幅用光ファイバ５は、コア部と、内側クラッド層と、外側クラッド層とを有するダブルクラッド型の光ファイバである。コア部は、たとえば石英系ガラスに増幅物質であるイッテルビウム（Ｙｂ）イオンが添加されたＹＤＦ（Ytterbium　Doped　Fiber）である。内側クラッド層は、コア部の外周を被覆しており、たとえば石英系ガラスからなっている。外側クラッド層は、内側クラッド層の外周を被覆しており、たとえば樹脂などからなっている。
　なお増幅用光ファイバ５のコア部は、たとえば０．０８のＮＡ（Numerical　Aperture：開口数）を有し、Ｙｂイオンの光励起により発せられた光（たとえば波長１０７０ｎｍ）をシングルモードで伝搬するように構成されている。増幅用光ファイバ５のコア部の吸収係数は、たとえば波長９１５ｎｍにおいて２００ｄＢ／ｍである。また、コア部に入力された励起光からレーザ光へのパワー変換効率はたとえば７０％である。
　後端側反射手段であるＦＢＧ３は、光合波器２ａの信号光ポートの光ファイバと増幅用光ファイバ５との間に接続されている。ＦＢＧ３は、たとえば１０７０ｎｍの中心波長を有している。ＦＢＧ３では、中心波長（１０７０ｎｍ）およびその周辺の約２ｎｍの幅の波長帯域における反射率が約１００％である。波長９１５ｎｍの光のほとんどはＦＢＧ３を透過する。
　出力側反射手段であるＦＢＧ４は、光合波器２ｂの信号光ポートの光ファイバと増幅用光ファイバ５との間に接続されている。ＦＢＧ４は、ＦＢＧ３と略同じ中心波長（たとえば１０７０ｎｍ）を有している。ＦＢＧ４では、中心波長（１０７０ｎｍ）における反射率が１０％以上３０％以下程度であり、反射波長帯域の半値全幅が約１ｎｍである。波長９１５ｎｍの光のほとんどはＦＢＧ４を透過する。
　ＦＢＧ３、４は、増幅用光ファイバ５の両端のそれぞれに配置され、たとえば波長１０７０ｎｍの光に対して光ファイバ共振器を構成する。
　増幅用光ファイバ５では、励起光によってコア部のＹｂイオンが光励起され、波長１０７０ｎｍを含む帯域の光が発せられる。波長１０７０ｎｍの光は、増幅用光ファイバ５の光増幅作用とＦＢＧ３、４によって構成される光共振器の作用とによってレーザ光として発振する。
　出力光ファイバ８は、光合波器２ｂに対してＦＢＧ４とは反対側に配置され、光合波器２ｂの信号光ポートの光ファイバに接続されている。発振したレーザ光は出力光ファイバ８から出力される。出力光ファイバ８は、たとえばデリバリ光ファイバ１７（図２）に接続されている。レーザ光はデリバリ光ファイバ１７によって所定の用途のために伝搬される。
　ＦＢＧ３、４により構成される光ファイバ共振器から発振されたレーザ光にはラマン散乱光が含まれる。このため本実施形態においては、ラマン光低減フィルタ６によりラマン散乱光が低減される。これによりファイバレーザエンジン１０から出力されるレーザ光中のラマン散乱光の値が、たとえば－４０ｄＢ以下に制限される。また被加工材の加工点におけるラマン散乱光の値は、たとえば－３０ｄＢ以下に制限される。
　ラマン光低減フィルタ６は、たとえば光合波器２ｂと出力光ファイバ８との間に配置されている。ここで、レーザ光によって、光ファイバレーザを構成する光ファイバのうち、レーザ光が伝搬する光ファイバ内でラマン散乱光が発生する。レーザ光が伝搬する光ファイバとは、主に増幅用光ファイバ５、ＦＢＧ４、光合波器２ｂの信号光ポートを構成する光ファイバ、出力光ファイバ８およびこれらを接続する光ファイバである。ラマン光低減フィルタ６は、発生したラマン散乱光のパワーを選択的に低下させる機能を有する。
　本実施形態では、レーザ光の波長はたとえば１０７０ｎｍであるので、ラマン散乱光の波長は１１２０ｎｍ程度である。ラマン光低減フィルタ６の透過率は、１１２０ｎｍ付近でたとえば－３０ｄＢ以下である。したがってラマン散乱光がラマン光低減フィルタ６に入力されると、ラマン散乱光のパワーは選択的かつ大幅に低下する。
　ラマン光低減フィルタ６は、たとえばスラント型のファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）によって構成されている。スラント型ＦＢＧは、ラマン散乱光を選択的に反射などしてＦＢＧのコアの外部に漏洩させることによって、ラマン散乱光のパワーを低下させる。
　図６（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、ＦＢＧにおいては、光ファイバのコア６ａに屈折率変調（回折格子６ｄ）が形成されている。なおコア６ａの外周はクラッド層６ｂにより被覆されており、クラッド層６ｂの外周はバッファ層６ｃにより被覆されている。
　ＦＢＧにおいては、コア６ａにおける有効屈折率をｎとし、グレーティング周期と呼ばれるグレーティング（回折格子６ｄ）の間隔をＬとすると、回折格子６ｄの周期に合致した波長（λB＝２ｎＬ）の光信号のみが反射され、他の波長の光信号は通過する。
　これにより図７（Ａ）に示されるような波長帯域を有する入射光が、図７（Ｂ）に示される光ファイバのコア６ａ内を伝送し、ＦＢＧの回折格子６ｄを通過する際に、回折格子６ｄの間隔Ｌに比例する特定波長（λB）の成分が反射する。また特定波長（λB）以外の成分は回折格子６ｄを通過する。このため回折格子６ｄの透過光は、図７（Ｃ）に示されるように特定波長（λB）の成分のみが除かれた波長帯域を有する。なお特定波長（λB）は、ブラッグ波長と呼ばれる。
　ここでスラント型ＦＢＧにおいては、光ファイバのコア６ａに形成された回折格子６ｄによりグレーティング方向（屈折率上昇が起きている面に垂直な方向）が光ファイバ軸から傾けられている（スラントされている）。このため特定波長（λB）の成分の光をコア６ａの外部に漏洩させることができる。
　以上より、ラマン光低減フィルタ６をスラント型のＦＢＧで構成し、回折格子６ｄの間隔Ｌを調整して特定波長（λB）をラマン散乱光の波長に合致させることにより、ラマン散乱光をコア６ａの外部に漏洩させることができる。これにより光ファイバ内のラマン散乱光のパワーを低下させることができる。
　＜レーザ加工方法＞
　次に、本実施形態のレーザ加工方法について図２、図５～図８を用いて説明する。
　図５に示されるように、本実施形態のレーザ加工方法では、複数の半導体励起光源１ａ、１ｂの各々から励起光が出力される。複数の半導体励起光源１ａの各々から出力された励起光は、光合波器２ａで合波された後、ＦＢＧ３を透過して、増幅用光ファイバ５へ出力される。複数の半導体励起光源１ｂの各々から出力された励起光は、光合波器２ｂで合波された後、ＦＢＧ４を透過して、増幅用光ファイバ５へ出力される。
　増幅用光ファイバ５では、励起光によってコア部のＹｂイオンが光励起され、たとえば波長１０７０ｎｍを含む帯域の光が発せられる。波長１０７０ｎｍの光は、増幅用光ファイバ５の光増幅作用とＦＢＧ３、４によって構成される光共振器の作用とによってレーザ光として発振する。
　発振されたレーザ光の波長は、１μｍ帯（１μｍ以上２μｍ未満）の波長であり、たとえば１０７０ｎｍである。
　発振されたレーザ光にはラマン散乱光が含まれる。このため本実施形態においては、ラマン光低減フィルタ６により、レーザ光に含まれるラマン散乱光が低減される。具体的には、図６および図７に示される回折格子６ｄによりグレーティング方向が光ファイバ軸から傾けられることにより、ラマン散乱光がコア６ａの外部に漏洩される。
　このようにラマン光低減フィルタ６によりラマン散乱光が低減されたレーザ光が複数のファイバレーザエンジン１０の各々から出力される（ステップＳ１：図８）。
　図２に示されるように、複数のファイバレーザエンジン１０の各々から出力されたレーザ光が、５０μｍのコア径を有するフィーディングファイバケーブル１２にまとめて取り出される（ステップＳ２：図８）。
　フィーディングファイバケーブル１２に取り出されたレーザ光は、５０μｍのコア径を有するプロセスファイバケーブル１６を通じて加工ヘッド２０へ伝送される（ステップＳ３：図８）。加工ヘッド２０によりレーザ光が被加工材に集光されて射出される（ステップＳ４：図８）。これにより被加工材がレーザ加工装置により加工される。
　レーザ光が被加工材に照射される際には、アシストガスとして不活性ガス（たとえば窒素ガス、アルゴンガス）が被加工材に吹き付けられる。被加工材の加工点におけるレーザ光のスポット径は、たとえば６０μｍ以上１５０μｍ以下である。またレーザ光の焦点位置は、被加工材の表面から被加工材の厚みの中央までのいずれかの位置に設定されることが好ましい。
　以上のように本実施形態では、１μｍ帯（たとえば１０７０ｎｍ）の波長のレーザ光がコア径５０μｍのプロセスファイバケーブル１６により加工ヘッド２０まで導かれ、加工点におけるラマン散乱光の値が－３０ｄＢ以下となるレーザ光で被加工材が加工される。
　また加工点におけるラマン散乱光の値を－３０ｄＢ以下にするために、ラマン光低減フィルタ６によりファイバレーザエンジン１０から出力されるラマン散乱光の値が－４０ｄＢ以下とされる。加えて、ファイバレーザエンジン１０から出力されたレーザ光を伝送するプロセスファイバケーブル１６の長さに基づいて、複数のファイバレーザエンジン１０の各々における発振出力を制限する。
　具体的には５０μｍのコア径を有するプロセスファイバケーブル１６の長さが１０ｍの場合には、複数のファイバレーザエンジンの合計の最大出力が９ｋＷとなるように、複数のファイバレーザエンジン１０の各々における発振出力が調整される。また５０μｍのコア径を有するプロセスファイバケーブル１６の長さが２０ｍの場合には、複数のファイバレーザエンジンの合計の最大出力が８ｋＷとなるように、複数のファイバレーザエンジン１０の各々における発振出力が制限される。
　＜効果＞
　次に、本実施形態の効果について説明する。
　レーザ光により金属材料が切断される場合、６０μｍ～８００μｍのスポット径となるようにレーザ光が集光されて、エネルギー密度が高くされることにより被加工材が金属融点以上に加熱されている。また、そのように加工された状態で、溶融池にアシストガスが吹き付けられることにより材料が除去されつつ切断加工が行なわれている。
　軟鋼厚板を切断する場合には、アシストガスに酸素ガスが用いられることにより、酸化反応熱を利用した切断加工が行なわれている。また比較的薄い板を切断する場合であって切断面への酸化皮膜の発生を嫌う場合には、アシストガスに窒素ガスが用いられている。
　１μｍ帯（１μｍ以上２μｍ未満）の波長を有するレーザ光で軟鋼厚板を切断する場合、当該レーザ光の被加工材に対する吸収率は、１０．６μｍの波長を有する炭酸ガスレーザと比較して高い。このため、アシストガスに酸素ガスを使用してスポット径を小さくすると容易にセルフバーニングが発生するため、安定切断が困難であった。
　そこで厚板の切断時におけるレーザ光のスポット径を大きくしてカーフ幅（切断溝幅）を広くすることにより溶融池の湯流れを良くして、厚板の切断が行われている。
　一方、薄板を切断する場合に、アシストガスとして酸素が用いられると、酸化反応速度に律速されて薄板の切断速度が遅くなる。そこで薄板を切断する場合には、アシストガスとして窒素などの不活性ガスを用いることが考えられる。アシストガスとして窒素ガスを用いて薄板を切断する場合、切断速度を上げるためにはレーザ光のスポット径をなるべく小さくしてエネルギー密度を上げる必要がある。
　レーザ光のスポット径は、プロセスファイバケーブル１６のコア径に加工ヘッド２０の光学倍率を乗じること（スポット径＝コア径×光学倍率）により得られる。光学倍率は、図２に示されるように加工ヘッド２０におけるコリメータの焦点距離をｆＣとし、集光レンズの焦点距離をｆＬとしたとき、ｆＬ／ｆＣで表される。このためレーザ光のスポット径を小さくするためには、プロセスファイバケーブルのコア径と光学倍率とを小さくする必要がある。
　しかしながら高出力のファイバレーザ発振器を用いてプロセスファイバケーブルのコア径を現状入手可能な最小のコア径である５０μｍと小さくしても、これまでは、被加工材の切断速度を上げることができなかった。
　そこで本発明者は、被加工材の切断速度を上げることができない理由について鋭意検討した。その結果、本発明者は、ファイバレーザ発振器の出力を上げると、レーザ光に含まれるラマン散乱光の値が大きくなることによって、被加工材の切断速度を大きくできないことを見出した。
　本実施形態によれば上記知見に基づいて、図５に示されるように、複数のファイバレーザエンジン１０の各々に、ラマン光低減フィルタ６が設けられている。ラマン光低減フィルタ６は、レーザ光中のラマン散乱光を低減する。このため、５０μｍとコア径の小さいプロセスファイバケーブル１６を用いてファイバレーザ発振器の出力を上げることにより、被加工材の加工速度を大きくすることが可能となる。
　ラマンとは、物質に光が入射された時、入射された光の波長と異なる波長の光が、散乱された光の中に含まれる現象をいう。ラマン散乱光は、従来のレーザ加工装置においては、半導体励起光源１ａからノズルユニット２０Ｄに向かうに従って増幅する。また被加工材で反射されたレーザ光の反射光が加工ヘッド２０を通じてプロセスファイバケーブル１６に入射されると、反射光が半導体励起光源１ａへ戻る際にラマン散乱光はさらに増幅する。
　反射によって戻るラマン散乱光は、被加工材の切断に必要な波長（たとえば１０８０ｎｍ）のレーザ光に干渉し、レーザの出力変動を生じさせる。また被加工材の切断に必要な波長のレーザ光はＦＢＧ３によって共振器内に戻される。しかしラマン散乱光はＦＢＧ３を透過する波長を有するため、半導体励起光源１ａに達して半導体励起光源１ａを損傷させる。
　本実施形態においては、ラマン光低減フィルタ６によりラマン散乱光の値を低減できる。このため被加工材にて反射した反射光に含まれるラマン散乱光がプロセスファイバケーブル１６に入射されても、プロセスファイバケーブル１６に入射されるラマン散乱光を少なくできる。このため、ラマン散乱光が被加工材の切断に必要な波長のレーザ光に干渉することによるレーザの出力変動を抑制でき、かつラマン散乱光による半導体励起光源１ａの損傷を抑制することもできる。
　また本実施形態によれば図５に示されるラマン光低減フィルタ６は、ラマン散乱光をファイバケーブルのコア外へ漏洩する構成を有している。これによりレーザ光中のラマン散乱光を低減することが可能となる。
　またプロセスファイバケーブル１６が長くなるとレーザ光中のラマン散乱光が増大して、被加工材の加工速度が低下し、半導体励起光源１ａ、１ｂが損傷するおそれがある。
　これについて本実施形態によれば図２に示されるように、プロセスファイバケーブル１６の長さに基づいて、複数のファイバレーザエンジン１０の各々における発振出力を制限するコントローラ４０が設けられている。これによりプロセスファイバケーブル１６の長さに関わらず、加工点でのラマン散乱光の値を－３０ｄＢ以下に制御することが可能となり、ラマン散乱光による半導体励起光源１ａ、１ｂの損傷を防止することができる。
　これについて本実施形態によれば図２に示されるように、複数のファイバレーザエンジン１０の各々における発振出力を制限するコントローラ４０が設けられている。これによりプロセスファイバケーブル１６の長さに応じて、加工点でのラマン散乱光の値を－３０ｄＢ以下に制御することが可能となり、ラマン散乱光による半導体励起光源１ａ、１ｂの損傷を防止することができる。
　またファイバレーザエンジンの最小出力は定格出力の１０％程度であるため、出力１５００Ｗのファイバレーザエンジンでは１５０Ｗ～１５００Ｗが出力調整可能な範囲である。このため、たとえば出力１５００Ｗのファイバレーザエンジンを４個組み合わせた、定格出力が６０００Ｗの発振器では、出力調整範囲は６００Ｗ～６０００Ｗとなる。
　一方、被加工材へのケガキ加工、または被加工材表面へのマーキング加工の時には出力を３００Ｗ程度まで絞る必要がある。しかし高出力発振器では出力調整範囲外となるため、ケガキ加工またはマーキング加工などが実施できない問題があった。
　これについて本実施形態によれば図２に示されるように、コントローラ４０は、複数のファイバレーザエンジン１０から、レーザ光を発振させるファイバレーザエンジン１０と、発振させないファイバレーザエンジン１０とを選択する。これによりケガキ加工またはマーキング加工時には、発振するファイバレーザエンジン１０の個数を制限することにより、複数のファイバレーザエンジン１０における発振出力を制限することができる。
　また本実施形態によれば、レーザ光の波長が１μｍ帯であり、アシストガスが不活性ガスであり、被加工材の加工点でのスポット径が６０μｍ以上１５０μｍ以下である。
　また本実施形態によれば図１４に示されるように、レーザ光の焦点の位置は被加工材Ｗの表面ＭＳから被加工材Ｗの厚みＴの中央までのいずれかの位置に設定される。これにより被加工材の加工速度を高く保つとともに、被加工材Ｗの切断面裏側に生じるバリの高さを低くすることができる。
　また本実施形態によれば、被加工材の加工点におけるラマン散乱光の値は－３０ｄＢ以下である。これによりコア径の小さい（５０μｍの）プロセスファイバケーブル１６を用いてファイバレーザ発振器１５の出力を上げることで、被加工材の加工速度を大きくすることが可能となる。
　以下、本発明者が行なった検討内容を実施例として以下に説明する。
　［切断速度］
　本発明者は、被加工材の切断速度を上げることができない理由について様々な検討を行なった。その検討の中で、本発明者は、加工点におけるラマン散乱光の値を様々に変えて、各ラマン散乱光の値でのレーザ出力と被加工材の切断速度との関係について調べた。その結果の一部として、加工点におけるラマン散乱光の値が－２５ｄＢおよび－３０ｄＢである場合の結果を図９および図１０に示す。
　この検討においては、ラマン散乱光の値が－２５ｄＢである場合、光学倍率（ｆＬ／ｆＣ）を１．５倍とし、ラマン散乱光の値が－３０ｄＢである場合、光学倍率（ｆＬ／ｆＣ）を１．２５倍とした。
　また加工点におけるラマン散乱光の値が－２５ｄＢおよび－３０ｄＢのいずれの場合も、被加工材としてＪＩＳ（Japanese　Industrial　Standards）　Ｇ　３１４１に規定されたＳＰＣＣ（厚み１．６ｍｍ）を用いた。半導体励起光源から出力される励起光の波長を９１５ｎｍとし、発振されるレーザ光の波長を１０７０ｎｍとした。フィーディングファイバケーブルおよびプロセスファイバケーブルの各々のコア径を５０μｍとした。アシストガスとして窒素を用いた。
　またレーザ光の焦点位置を被加工材の表面から－１．２以上＋０．４以下の範囲で変化させた。焦点位置を表す数値の前に付されたマイナス「－」の記号は、焦点位置が被加工材の内部にある場合（インフォーカスの場合）を示す。一方、焦点位置を表す数値の前に付されたプラス「＋」の記号は、焦点位置が被加工材の外部にある場合（デフォーカスの場合）を示す。
　図９に示されるように、加工点におけるラマン散乱光の値が－２５ｄＢである場合、レーザ出力を大きくしていくと、－０．８および－０．４の焦点位置において、切断速度が所定のレーザ出力値から低下した。一方、図１０に示されるように、加工点におけるラマン散乱光の値が－３０ｄＢである場合、レーザ出力を大きくしても、設定したレーザ出力の範囲内では切断速度は低下しなかった。
　これらの検討から、プロセスファイバケーブルが５０μｍの場合、加工点におけるラマン散乱光の値を－３０ｄＢ以下と小さくすることで、レーザ出力を２４００Ｗ以上に大きくしていくとレーザ光の出力の増加に比例して被加工材の切断速度も増加するという知見が得られた。このような知見は、従来にない知見であり、本発明者により初めて得られた知見である。
　この知見に基づいて、本開示では、複数のファイバレーザエンジン１０の各々がラマン散乱光の発生を抑制するラマン光低減フィルタ６を有している。これによりプロセスファイバケーブル１６のコア径を５０μｍと小さくしながら、加工点におけるラマン散乱光の値を－３０ｄＢ以下にすることができる。このため従来実現できなかった加工速度で被加工材を加工することが可能となる。
　なお加工点におけるラマン散乱光の値は、図１１に示されるように、光スペクトラムアナライザ１０４により検出される。光スペクトラムアナライザ１０４は、レーザ出力コネクタ１０１からパワーメータ（パワーダンパー）１０２へ射出されたレーザ光の拡散光をピックアップファイバ１０３を通じて入力される。光スペクトラムアナライザ１０４は、入力された拡散光を分析することにより加工点におけるラマン散乱光の値を検出する。
　［バリの高さ］
　アシストガスに窒素ガスを用いて薄板を切断する場合、バリが被加工材の切断面裏側に発生することがあった。本発明者は、加工点におけるラマン散乱光の値と切断により切断面裏側に生じたバリの高さとの関係について調べた。その結果を図１２に示す。
　この検討においては、被加工材としてＪＩＳ　Ｇ　３１３１に規定されたＳＰＨＣ（厚み６ｍｍ）を用いた。半導体励起光源から出力される励起光の波長を９１５ｎｍとし、発振されるレーザ光の波長を１０７０ｎｍとした。フィーディングファイバケーブルおよびプロセスファイバケーブルの各々のコア径を５０μｍとした。被加工材の切断速度を３．５ｍ／分とした。またレーザ出力を５ｋＷ、５．６ｋＷ、６ｋＷ、８ｋＷとした。
　図１２に示されるように、レーザ出力を５．６ｋＷとした場合、加工点におけるラマン散乱光の値は－２０．５ｄＢとなり、バリ高さは１２０μｍとなった。レーザ出力を５ｋＷとした場合、加工点におけるラマン散乱光の値は－３５．５ｄＢとなり、バリ高さは６０μｍとなった。レーザ出力を６ｋＷとした場合、加工点におけるラマン散乱光の値は－４１．３ｄＢとなり、バリ高さは６０μｍとなった。レーザ出力を８ｋＷとした場合、加工点におけるラマン散乱光の値は－４０．５ｄＢとなり、バリ高さは７０μｍとなった。
　この検討から、加工点におけるラマン散乱光の値を－３０ｄＢ以下にすれば、被加工材に生じるバリの高さを８０μｍ以下に抑えられることが分かった。
　また本発明者は、被加工材に対するレーザ光の焦点位置とバリの高さとの関係についても調べた。その結果を図１３に示す。
　この検討においては、図１４に示されるように、加工ヘッド２０のノズル２０Ｄａ先端と被加工材の表面ＭＳとのギャップＧを０．５ｍｍとした。また被加工材ＷとしてＪＩＳ　Ｇ　３１０１に規定されたＳＳ（厚み９ｍｍ）を用いた。半導体励起光源から出力される励起光の波長を９１５ｎｍとし、発振されるレーザ光の波長を１０７０ｎｍとした。フィーディングファイバケーブルおよびプロセスファイバケーブルの各々のコア径を５０μｍとした。加工点におけるラマン散乱光の値を－３０ｄＢ以下とした。アシストガスとして窒素を用いた。レーザ光の焦点位置を被加工材Ｗに対してインフォーカスとして、被加工材Ｗの厚みＴに対して－２．５Ｔ／９から－６Ｔ／９まで変化させた。
　図１３に示されるように、焦点位置が－４．５Ｔ／９となった時に切断面裏側に生じたバリの高さが最小となった。また焦点位置が－４．５Ｔ／９以上－３．５Ｔ／９以下であれば、それ以外の焦点位置と比較してバリの高さを低く抑えることができた。
　また薄板を高速で切断するためには、レーザ光のスポット径を最小とすることが好ましい。このため薄板を高速で切断するためには、レーザ光の焦点位置が被加工材Ｗの表面ＭＳに設定されることが好ましい。
　これらの検討から、アシストガスとして窒素ガスを用いて被加工材を切断する場合、切断速度とバリの高さを考慮すると、レーザ光の焦点位置は、被加工材Ｗの表面ＭＳから被加工材Ｗの厚みの中央（－４．５Ｔ／９）までのいずれかの位置に設定されることが好ましいことが分かった。またバリの高さを低くすることを考慮した場合には、焦点位置が－４．５Ｔ／９以上－３．５Ｔ／９以下のいずれかの位置に設定されることが好ましいことが分かった。
　今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１ａ，１ｂ　半導体励起光源、２ａ，２ｂ　光合波器、５　増幅用光ファイバ、６　ラマン光低減フィルタ、６ａ，１２ａ，１６ａ　コア、６ｂ，１２ｂ，１６ｂ　クラッド層、６ｃ　バッファ層、６ｄ　回折格子、７ａ，７ｂ　光ファイバ、８　出力光ファイバ、１０　ファイバレーザエンジン、１１　ビームコンバイナーモジュール、１２　フィーディングファイバケーブル、１３　融着ボックス、１３ａ　融着部、１５　ファイバレーザ発振器、１６　プロセスファイバケーブル、１７　デリバリ光ファイバ、２０　加工ヘッド、２０Ａ　コネクタユニット、２０Ｂ　コリメータユニット、２０Ｃ　レンズユニット、２０Ｄ　ノズルユニット、２０Ｄａ　ノズル、２０Ｅ　ビーム径制御ユニット、２２，２４，２５ａ，２５ｂ，２７　保護ガラス、２３　コリメータレンズ、２５　保護レンズ、２６　集光レンズ、２８，２９　レンズ、３０　レーザ加工装置、３０Ｆ，３１Ｆ　正面、３１　キャビン、３１Ｓ　側面、３２　ガルウィングドア、３３　開閉式天井扉、３４　第１操作盤、３５　第２操作盤、３６　監視窓、３７　パレットチェンジャ、４０　コントローラ、４１，４３　レンズ駆動源、４２　操作部、１０１　レーザ出力コネクタ、１０３　ピックアップファイバ、１０４　光スペクトラムアナライザ、Ｍ，Ｗ　被加工材、ＭＳ　表面。

Claims (9)

  1. 　金属材料よりなる被加工材を加工するレーザ加工装置であって、
    　複数のファイバレーザエンジンと、
    　前記複数のファイバレーザエンジンの各々で生成されたレーザ光をまとめて取り出すフィーディングファイバケーブルと、
    　前記被加工材にレーザ光を集光して射出する加工ヘッドと、
    　前記フィーディングファイバケーブルで取り出されたレーザ光を前記加工ヘッドへ伝送するプロセスファイバケーブルと、を備え、
    　前記フィーディングファイバケーブルと前記プロセスファイバケーブルとのコア径が等しく５０μｍであり、
    　前記複数のファイバレーザエンジンの各々は、レーザ光中におけるラマン散乱光の値を低減するフィルタを有する、レーザ加工装置。
  2. 　前記フィルタは、ラマン散乱光をファイバケーブルのコア外へ漏洩する構成を有する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
  3. 　前記プロセスファイバケーブルの長さに基づいて、前記被加工材の加工点でのラマン散乱光の値が－３０ｄＢ以下となるように前記複数のファイバレーザエンジンの各々における発振出力を制限するコントローラをさらに備えた、請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
  4. 　前記複数のファイバレーザエンジンからレーザ光を発振させるファイバレーザエンジンと発振させないファイバレーザエンジンとを選択するコントローラをさらに備えた、請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
  5. 　レーザ加工装置を用いて、金属材料よりなる被加工材を加工するレーザ加工方法であって、
    　前記レーザ加工装置は、
    　　複数のファイバレーザエンジンと、
    　　前記複数のファイバレーザエンジンの各々で生成されたレーザ光をまとめて取り出すフィーディングファイバケーブルと、
    　　前記被加工材にレーザ光を集光して射出する加工ヘッドと、
    　　前記フィーディングファイバケーブルで取り出されたレーザ光を前記加工ヘッドへ伝送するプロセスファイバケーブルと、を備え、
    　前記フィーディングファイバケーブルと前記プロセスファイバケーブルとのコア径が等しく５０μｍであり、
    　前記複数のファイバレーザエンジンの各々は、レーザ光中におけるラマン散乱光の値を低減するフィルタを有し、
    　レーザ光の波長が１μｍ帯であり、アシストガスが不活性ガスであり、前記被加工材の加工点でのスポット径が６０μｍ以上１５０μｍ以下である、レーザ加工方法。
  6. 　前記レーザ光の焦点の位置は前記被加工材の表面から前記被加工材の厚みの中央までの間の位置に設定される、請求項５に記載のレーザ加工方法。
  7. 　前記被加工材の加工点におけるラマン散乱光の値は－３０ｄＢ以下である、請求項５または請求項６に記載のレーザ加工方法。
  8. 　前記プロセスファイバケーブルの長さに基づいて、前記被加工材の加工点でのラマン散乱光の値が－３０ｄＢ以下となるように前記複数のファイバレーザエンジンの各々における発振出力を制限する、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
  9. 　前記複数のファイバレーザエンジンからレーザ光を発振させるファイバレーザエンジンと発振させないファイバレーザエンジンとを選択する、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
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