(57)【要約】【課題】被加工材を良好な品質で高速に切断することができるダイレクトダイオードレーザ加工装置を提供する。【解決手段】多波長のレーザ光を発振するレーザ共振器と、前記レーザ共振器により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、前記伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して被加工材を加工するレーザ加工機とを備え、前記被加工材の厚さ及び吸収率に基づいて、前記多波長のレーザ光の波長を１０００ｎｍ未満、前記多波長のレーザ光のビームパラメータ積を４ｍｍ・ｍｒａｄ〜２５ｍｍ・ｍｒａｄ、且つ前記被加工材の切断速度を０．１ｍ／ｍｉｎ〜６０ｍ／ｍｉｎに制御する。【選択図】図１
2020116640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多波長のレーザ光を発振するレーザ共振器と、
前記レーザ共振器により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、
前記伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して被加工材を加工するレーザ加工機
とを備え、
前記被加工材の厚さ及び吸収率に基づいて、
前記多波長のレーザ光の波長を１０００ｎｍ未満、
前記多波長のレーザ光のビームパラメータ積を４ｍｍ・ｍｒａｄ〜２５ｍｍ・ｍｒａｄ、且つ
前記被加工材の切断速度を０．１ｍ／ｍｉｎ〜６０ｍ／ｍｉｎ
に制御することを特徴とするダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項２】
前記被加工材に吹き付けるアシストガスの圧力を０．０５ＭＰａ〜１．５ＭＰａに制御することを特徴とする請求項１に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項３】
前記多波長のレーザ光の集光直径を２４７μｍ〜３６４μｍに制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項４】
前記被加工材の単位切断長さ当たりのジュール熱を６．９Ｊ／ｍｍ〜１３７．１Ｊ／ｍｍに制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項５】
前記多波長のレーザ光の集光直径に対する、入射角７０°の吸収率の比を０．０００４２％／μｍ〜０．１１％／μｍに制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項６】
前記被加工材が厚さ１ｍｍ〜１６ｍｍの軟鋼であり、
前記被加工材に吹き付けるアシストガスの圧力を０．０５ＭＰａ〜１．５ＭＰａ、
前記被加工材の単位切断長さ当たりのジュール熱を１２．０Ｊ／ｍｍ〜１３７．１Ｊ／ｍｍ、且つ
前記被加工材の切断速度を１４．６ｍｍ／秒〜１６６．７ｍｍ／秒
に制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項７】
前記被加工材が厚さ１ｍｍ〜４ｍｍのアルミニウムであり、
前記被加工材に吹き付けるアシストガスの圧力を０．８ＭＰａ〜１．５ＭＰａ、
前記被加工材の単位切断長さ当たりのジュール熱が６．９Ｊ／ｍｍ〜４３．６Ｊ／ｍｍ、且つ
前記被加工材の切断速度を４５．８ｍｍ／秒〜２９１．７ｍｍ／秒
に制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項のダイレクトダイオードレーザ加工装置を用いて板金を切断加工することを特徴とする板金の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた板金の加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、板金加工用のレーザ加工装置として、炭酸ガス（ＣＯ２）レーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器、ファイバレーザ発振器をレーザ光源として用いたものが知られている。ファイバレーザ発振器は、ＹＡＧレーザ発振器よりも光品質に優れ、発振効率が極めて高い等の利点を有する。このため、ファイバレーザ発振器を用いたファイバレーザ加工装置は、産業用、特に板金加工用（切断又は溶接等）に利用されている。
【０００３】
更に近年では、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ：Direct Diode Laser）発振器をレーザ光源として用いるＤＤＬ加工装置が開発されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５７１５２７０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、ＤＤＬ加工装置を切断加工に適用し得ることを示唆しているにすぎず、ＤＤＬ加工装置による切断加工の品質及び速度を、従来から使用されているＣＯ２レーザ加工装置やファイバレーザ加工装置に対抗できる水準まで高めるための具体的な比較検討は成されていない。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、被加工材を良好な品質で高速に切断することができるダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた板金の加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、多波長のレーザ光を発振するレーザ共振器と、レーザ共振器により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して被加工材を加工するレーザ加工機とを備え、被加工材の厚さ及び吸収率に基づいて、多波長のレーザ光の波長を１０００ｎｍ未満、多波長のレーザ光のビームパラメータ積を４ｍｍ・ｍｒａｄ〜２５ｍｍ・ｍｒａｄ、且つ被加工材の切断速度を０．１ｍ／ｍｉｎ〜６０ｍ／ｍｉｎに制御するダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた板金の加工方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、被加工材を良好な品質で高速に切断することができるダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた板金の加工方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置の一例を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の実施形態に係るレーザ発振器の一例を示す側面図である。図２（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ発振器の一例を示す正面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るＤＤＬモジュールの一例を示す概略図である。
【図４】本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置における光学パラメータを説明するための概略図である。
【図５】本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置におけるレーザ光の入射角を説明するための概略図である。
【図６】本発明の実施形態に係る被加工部材の良好な切断品位の切断面を示す画像である。
【図７】本発明の第１の実施例に係る軟鋼の厚さに対するＤＤＬ加工装置の切断速度比、Ａ／ｄ比、ファイバレーザ加工装置の切断速度比を表すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施例に係るアルミニウムの厚さに対するＤＤＬ加工装置の切断速度比、Ａ／ｄ比、ファイバレーザ加工装置の切断速度比を表すグラフである。
【図９】図９（ａ）は、第３の実施例に係るレーザ光の入射角と鉄の吸収率との関係を示すグラフである。図９（ｂ）は、第３の実施例に係るレーザ光の入射角とアルミニウムの吸収率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
【００１１】
図１を参照して、本発明の実施形態に係るダイレクトダイオードレーザ（以下、「ＤＤＬ」という）加工装置の全体構成を説明する。本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置は、図１に示すように、多波長のレーザ光ＬＢを発振するレーザ発振器１１と、レーザ発振器１１により発振されたレーザ光ＬＢを伝送する伝送ファイバ（プロセスファイバ）１２と、伝送ファイバ１２により伝送されたレーザ光ＬＢを高エネルギー密度に集光させて被加工材（ワーク）Ｗに照射するレーザ加工機１３とを備える。
【００１２】
レーザ加工機１３は、伝送ファイバ１２から射出されたレーザ光ＬＢをコリメータレンズ１５で略平行光に変換するコリメータユニット１４と、略平行光に変換されたレーザ光ＬＢを、Ｘ軸及びＹ軸方向に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射するベンドミラー１６と、ベンドミラー１６により反射されたレーザ光ＬＢを集光レンズ１８で集光する加工ヘッド１７とを備える。コリメータレンズ１５及び集光レンズ１８としては、例えば石英製の平凸レンズ等の一般的なレンズが使用可能である。
【００１３】
なお、図１では図示を省略するが、コリメータユニット１４内には、コリメータレンズ１５を光軸に平行な方向（Ｘ軸方向）に駆動するレンズ駆動部が設置されている。また、ＤＤＬ加工装置は、レンズ駆動部を制御する制御部を更に備える。
【００１４】
レーザ加工機１３は更に、被加工材Ｗが載置される加工テーブル２１と、加工テーブル２１上においてＸ軸方向に移動する門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上においてＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に移動するＹ軸キャリッジ２３とを備える。コリメータユニット１４内のコリメータレンズ１５、ベンドミラー１６、及び加工ヘッド１７内の集光レンズ１８は、予め光軸の調整が成された状態でＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３と共にＹ軸方向に移動する。なおＹ軸キャリッジ２３に対して上下方向へ移動可能なＺ軸キャリッジを設け、当該Ｚ軸キャリッジに集光レンズ１８を設けることも出来る。
【００１５】
本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置は、集光レンズ１８により集光されて最も小さい集光直径（最小集光直径）のレーザ光ＬＢを被加工材Ｗに照射し、また同軸にアシストガスを噴射して溶融物を除去しながら、Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３を移動させる。これにより、ＤＤＬ加工装置は被加工材Ｗを切断加工することができる。被加工材Ｗとしては、ステンレス鋼、軟鋼、アルミニウム等の種々の材料が挙げられる。被加工材Ｗの板厚は、例えば０．１ｍｍ〜５０ｍｍ程度である。
【００１６】
次に、図２及び図３を参照して、レーザ発振器１１について説明する。レーザ発振器１１は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、筐体６０と、筐体６０内に収容され、伝送ファイバ１２に接続されているＤＤＬモジュール１０と、筐体６０内に収容され、ＤＤＬモジュール１０に電力を供給する電源部６１と、筐体６０内に収容され、ＤＤＬモジュール１０の出力等を制御する制御モジュール６２等が設けられている。また、筐体６０の外側には、筐体６０内の温度及び湿度を調整する空調機器６３が設置されている。
【００１７】
ＤＤＬモジュール１０は、図３に示すように、多波長（multiple-wavelength）λ１，λ２，λ３，・・・，λｎのレーザ光を重畳して出力する。ＤＤＬモジュール１０は、複数のレーザダイオード（以下、「ＬＤ」という）３１，３２，３３,・・・３ｎ（ｎは４以上の整数）と、ＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎにファイバ４１，４２，４３,・・・４ｎを介して接続され、多波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎのレーザ光に対してスペクトルビーム結合（spectral beam combining）を行うスペクトルビーム結合部５０と、スペクトルビーム結合部５０からのレーザ光を集光して伝送ファイバ１２へ入射させる集光レンズ５４とを備える。
【００１８】
複数のＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎとしては、各種の半導体レーザが採用可能である。ＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎの種類と数の組み合わせは特に限定されず、板金加工の目的に合わせて適宜選択可能である。ＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎの波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎは、例えば１０００ｎｍ未満で選択したり、８００ｎｍ〜９９０ｎｍの範囲で選択したり、９１０ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲で選択したりすることができる。
【００１９】
多波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎのレーザ光は、例えば、波長帯域毎に群（ブロック）管理されて制御される。そして、波長帯域毎に個別に出力を可変調節することができる。また、全波長帯域の出力を所望の吸収率となるよう調整することができる。
【００２０】
切断加工に際しては、ＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎを同時に動作させると共に、酸素、窒素等の適宜のアシストガスを焦点位置近傍へ吹き付ける。これにより、ＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎからの各波長のレーザ光が、相互に協働すると共に、酸素等のアシストガスとも協働してワークを高速で溶融する。また当該溶融ワーク材料がアシストガスにより吹き飛ばされてワークが高速で切断される。
【００２１】
スペクトルビーム結合部５０は、ファイバ４１，４２，４３,・・・４ｎの射出端側を束ねて固定しファイバアレイ４とする固定部５１と、ファイバ４１，４２，４３,・・・４ｎからのレーザ光を平行光にするコリメータレンズ５２と、多波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎのレーザ光を回折し光軸を一致させる回折格子（diffraction grating）５３と、ＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎ後端部に設けた反射面と共に共振器を構成する部分反射カプラ５５を備える。図３では一例として、部分反射カプラ５５がコリメータレンズ５２と集光レンズ５４との間に配置されているが、部分反射カプラ５５の配置位置はこれに限定されるものではない。具体的には、部分反射カプラ５５は光軸に対して４５度の角度で配置され、反射光の一部は、外部に設けたミラー（図示省略）とＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎとの間で、特定の波長を共振させることで波長を固定（ロック）し安定化させている。
【００２２】
次に、図４を参照して、伝送ファイバ１２から射出されたレーザ光の光学パラメータについて説明する。伝送ファイバ１２から広がり角θで射出されたレーザ光ＬＢは、コリメータレンズ１５によりビーム径Ｄの平行光に変換され、集光レンズ１８により集光され、焦点距離ｆにおいて最小集光直径ｄとなる。レーザ光の波長λ、焦点距離ｆ以後のレーザ光の広がり角αである場合、最小集光直径ｄ、レーリー長Ｚｒ、及びビームパラメータ積（ＢＰＰ）は、次の（１）式〜（３）式により表される。ただし、Ｗ０は最小集光半径であり、Ｍ２＝ＢＰＰ×π／λである。
【００２３】
ｄ＝２Ｗ０＝１．２７×ｆ×Ｍ２×λ／Ｄ    ・・・（１）
Ｚｒ＝πｄ２／４Ｍ２λ                    ・・・（２）
ＢＰＰ＝Ｗ０×α（ｍｍ・ｍｒａｄ）        ・・・（３）
【００２４】
また、被加工材Ｗの切断速度Ｖ［ｍｍ／ｓ］は、下記式（４）により表すことができる。
【００２５】
【数１】
2020116640.tif 000003
【００２６】
ここで、Ｐ：レーザパワー［Ｗ］、Ａ：吸収率、Ｅ：融解エネルギーあるいは蒸発エネルギー［Ｊ／ｍｍ３］、ｄ：ビーム直径［ｍｍ］、ｔ：板厚［ｍｍ］である。但し、すべてのエネルギーは吸収され、溶融材料はアシストガスによって完全に排出されると仮定する。
【００２７】
本発明の実施形態においては、被加工材Ｗの切断加工において良好な切断品位を実現するために、被加工材Ｗの厚さ及び吸収率に応じて、ＤＤＬ加工装置の加工条件を以下のように制御する。
【００２８】
多波長のレーザ光の波長は、例えば１０００ｎｍ未満であり、８００ｎｍ〜９００ｎｍ程度であってもよく、９１０ｎｍ〜９５０ｎｍ程度であってもよい。
【００２９】
多波長のレーザ光のＢＰＰは、例えば４ｍｍ・ｍｒａｄ〜２５ｍｍ・ｍｒａｄ程度であり、７ｍｍ・ｍｒａｄ〜２０ｍｍ・ｍｒａｄ程度であってもよい。またレーザパワーは、例えば１．２ｋＷ〜４．０ｋＷ程度であり、１．６ｋＷ〜２．０ｋＷ程度が好ましい。
【００３０】
集光直径（ビームウエスト）は、例えば１５０μｍ〜３７０μｍ程度であり、２４７μｍ〜３６４μｍ程度であってもよく、１５０μｍ〜３６４μｍ程度であってもよい。ビームウエストを形成する集光レンズ１８への入射直径は２０ｍｍで、例えば集光直径ｄは、３００μｍ〜３６４μｍ程度であり、焦点距離は例えば１５０ｍｍ〜１９０ｍｍ程度である。
【００３１】
被加工材Ｗの厚さは、例えば０．２ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。被加工材Ｗが銅板の場合には０．４ｍｍ〜６ｍｍ程度であり、軟鋼板の場合には厚さは１ｍｍ〜１２ｍｍ程度であり、アルミニウム板の場合には厚さは０．８ｍｍ〜４ｍｍ程度であり、ステンレス鋼板の場合には厚さは０．３ｍｍ〜１２ｍｍ程度である。
【００３２】
被加工材Ｗの切断速度は、例えば０．１ｍ／ｍｉｎ〜６０ｍ／ｍｉｎ程度であり、０．８ｍ／ｍｉｎ〜１８ｍ／ｍｉｎ程度であってもよく、１４．６ｍｍ／秒〜２９１．７ｍｍ／秒程度であってもよい。被加工材Ｗの単位切断長さ当たりのジュール熱は、例えば６．９Ｊ／ｍｍ〜１３７．１Ｊ／ｍｍ程度である。
【００３３】
＜第１の実施例＞
次に、第１の実施例として、本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置と、比較例としてのＣＯ２レーザ加工装置とＹｂファイバレーザ加工装置を用いて、１．０ｍｍ、１．６ｍｍ、２．３ｍｍ、３．２ｍｍ、４．５ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍの板厚の軟鋼の高速切断加工した実験結果を説明する。
【００３４】
高速切断加工を目的として、レーザの種類以外の条件を一致させるために、出力は２ｋＷとし、入射角７０°における吸収率に基づいて加工条件を制御する。入射角とは、図５に示すように、レーザ光ＬＢの中心線と、レーザ光が照射される被加工材Ｗの切断前面（切断フロント）Ｆからの垂線とのなす角βをいう。例えば、集光直径ｄ当たりの、入射角７０°における材料の吸収率は、０．０００４２％／μｍ〜０．１１％／μｍ程度である。
【００３５】
各種加工装置による熱加工の場合、材料を溶かしながら加工を行うため、特に材料の切断時にその溶けた物質が材料下部に溶融物（ドロス）となって付着する場合があるが、第１の実施例では、図６に示すように、ドロスが未発生であり、切断面が均一で融け落ちて凹んだり波打ったりしていない状態を良好な切断品位であると定め、各加工装置において、この良好な切断品位が得られる加工条件に制御する。
【００３６】
第１の実施例では、ＤＤＬ加工装置におけるレーザ光のＢＰＰは１０．３ｍｍ・ｍｒａｄとし、ＣＯ２レーザ加工装置におけるレーザ光のＢＰＰは８ｍｍ・ｍｒａｄとし、ファイバレーザ加工装置におけるレーザ光のＢＰＰは２．３ｍｍ・ｍｒａｄとした。
【００３７】
また、各加工装置において、アシストガスは酸素とし、ＤＤＬ加工装置においてはアシストガスのガス圧を０．０５ＭＰａ〜１．５ＭＰａで制御した。また、ＤＤＬ加工装置において、集光直径ｄは一定の３６４μｍで制御し、被加工材Ｗの単位切断長さ当たりのジュール熱を１２．０Ｊ／ｍｍ〜１３７．１Ｊ／ｍｍで制御し、切断速度は１４．６ｍｍ／秒〜１６６．７ｍｍ／秒で制御した。
【００３８】
ここで、レーザ板金加工の切断速度と、被加工材Ｗの吸収率と集光直径と、出力とに着目した。即ち、単位切断長さ当りのジュール熱Ｅｉｎ（Ｊ／ｍｍ）と、集光直径ｄにおける吸収率Ａの比（Ａ／ｄ）に着目した。また、各加工装置の対比のため、ＣＯ２レーザ加工装置の値を基準の１．０とした切断速度比と、集光直径ｄにおける吸収率Ａの比（Ａ／ｄ比）を計算した。
【００３９】
【表１】
2020116640.tif 000004
【００４０】
表１は、１．０ｍｍの軟鋼を切断した場合の実験結果を示す。表１から、ＤＤＬ加工装置の単位切断長さ当たりのジュール熱は最も小さく良好であることが分かる。また、ＤＤＬ加工装置の切断速度は最も速く、高速で加工できたことが分かる。また、ＤＤＬ加工装置のＡ／ｄは、ＣＯ２レーザ加工装置よりも大きく、効率が良いことが分かる。
【００４１】
【表２】
2020116640.tif 000005
【００４２】
表２に、１．６ｍｍの軟鋼を切断した場合の実験結果を示す。表２から、ＤＤＬ加工装置の単位切断長さ当たりのジュール熱は最も小さく良好であることが分かる。また、ＤＤＬ加工装置の切断速度は最も速く、高速で加工できたことが分かる。また、ＤＤＬ加工装置のＡ／ｄは、ＣＯ２レーザ加工装置よりも大きく、効率が良いことが分かる。
【００４３】
【表３】
2020116640.tif 000006
【００４４】
表３に、２．３ｍｍの軟鋼を切断した場合の実験結果を示す。表３から、ＤＤＬ加工装置の単位切断長さ当たりのジュール熱は最も小さく良好であることが分かる。また、ＤＤＬ加工装置の切断速度は最も速く、高速で加工できたことが分かる。また、ＤＤＬ加工装置のＡ／ｄは、ＣＯ２レーザ加工装置よりも大きく、効率が良いことが分かる。
【００４５】
【表４】
2020116640.tif 000007
【００４６】
表４は、３．２ｍｍの軟鋼を切断した場合の実験結果を示す。表４から、ＤＤＬ加工装置の単位切断長さ当たりのジュール熱は最も小さく良好であることが分かる。また、ＤＤＬ加工装置の切断速度は最も速く、高速で加工できたことが分かる。また、ＤＤＬ加工装置のＡ／ｄは、ＣＯ２レーザ加工装置よりも大きく、効率が良いことが分かる。
【００４７】
【表５】
2020116640.tif 000008
【００４８】
表５は、４．５ｍｍの軟鋼を切断した場合の実験結果を示す。表５から、ＤＤＬ加工装置の単位切断長さ当たりのジュール熱は最も小さく良好であることが分かる。また、ＤＤＬ加工装置の切断速度は最も速く、高速で加工できたことが分かる。また、ＤＤＬ加工装置のＡ／ｄは、ＣＯ２レーザ加工装置よりも大きく、効率が良いことが分かる。
【００４９】
【表６】
2020116640.tif 000009
【００５０】
表６は、６ｍｍの軟鋼を切断した場合の実験結果を示す。表６から、ＤＤＬ加工装置の単位切断長さ当たりのジュール熱は最も小さく良好であることが分かる。また、ＤＤＬ加工装置の切断速度は最も速く、高速で加工できたことが分かる。また、ＤＤＬ加工装置のＡ／ｄは、ＣＯ２レーザ加工装置よりも大きく、効率が良いことが分かる。
【００５１】
【表７】
2020116640.tif 000010
【００５２】
表７は、９ｍｍの軟鋼を切断した場合の実験結果を示す。表７から、ＤＤＬ加工装置の単位切断長さ当たりのジュール熱は最も小さく良好であることが分かる。また、ＤＤＬ加工装置の切断速度は最も速く、高速で加工できたことが分かる。また、ＤＤＬ加工装置のＡ／ｄは、ＣＯ２レーザ加工装置よりも大きく、効率が良いことが分かる。
【００５３】
【表８】
2020116640.tif 000011
【００５４】
表８は、１２ｍｍの軟鋼を切断した場合の実験結果を示す。表８から、ＤＤＬ加工装置の単位切断長さ当たりのジュール熱は最も小さく良好であることが分かる。また、ＤＤＬ加工装置の切断速度は最も速く、高速で加工できたことが分かる。また、ＤＤＬ加工装置のＡ／ｄは、ＣＯ２レーザ加工装置よりも大きく、効率が良いことが分かる。
【００５５】
【表９】
2020116640.tif 000012
【００５６】
表９は、１６ｍｍの軟鋼を切断した場合の実験結果を示す。表９から、ＤＤＬ加工装置の単位切断長さ当たりのジュール熱は最も小さく良好であることが分かる。また、ＤＤＬ加工装置の切断速度は最も速く、高速で加工できたことが分かる。また、ＤＤＬ加工装置のＡ／ｄは、ＣＯ２レーザ加工装置よりも大きく、効率が良いことが分かる。
【００５７】
表１〜表９に示した実験結果から、図７に示すグラフを作成した。図７に示すように、ＤＤＬ加工装置は表１〜表９に示した加工条件の下で、ＣＯ２レーザ加工装置より高速に切断可能で、ファイバレーザ加工装置と比較しても高速に切断可能であると評価できる。なお、ステンレス鋼（厚さ１ｍｍ）における結果は、切断速度比が１．９であり、大まかな傾向として、対ＣＯ２レーザ加工装置の結果が軟鋼の結果に一致している。
【００５８】
＜第２の実施例＞
次に、第２の実施例として、第１の実施例と同様に、本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置と、比較例としてのＣＯ２レーザ加工装置とＹｂファイバレーザ加工装置を用いて、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍの板厚のアルミニウムの高速切断加工について説明する。第２の実施例でも、各加工装置について、図６に示した良好な切断品位が得られる加工条件を選択した。
【００５９】
第２の実施例では、ＤＤＬ加工装置におけるレーザ光のＢＰＰは１０．３ｍｍ・ｍｒａｄとし、ＣＯ２レーザ加工装置におけるレーザ光のＢＰＰは８ｍｍ・ｍｒａｄとし、ファイバレーザ加工装置におけるレーザ光のＢＰＰは２．３ｍｍ・ｍｒａｄとした。
【００６０】
また、各加工装置において、アシストガスは窒素とし、ＤＤＬ加工装置においてはアシストガスのガス圧を０．８ＭＰａ〜１．５ＭＰａで制御した。また、ＤＤＬ加工装置において、集光直径ｄは一定の３６４μｍ又は３００μｍで制御し、被加工材Ｗの単位切断長さ当たりのジュール熱は６．９Ｊ／ｍｍ〜４３．６Ｊ／ｍｍで制御し、且つ被加工材Ｗの切断速度は４５．８ｍｍ／秒〜２９１．７ｍｍ／秒で制御した。
【００６１】
【表１０】
2020116640.tif 000013
【００６２】
表１０は、１ｍｍのアルミニウムを切断した場合の実験結果を示す。表１０から、ＤＤＬ加工装置の単位切断長さ当たりのジュール熱はＣＯ２レーザ加工装置よりも小さく良好であることが分かる。また、ＤＤＬ加工装置の切断速度はＣＯ２レーザ加工装置よりも速く、高速で加工できたことが分かる。また、ＤＤＬ加工装置のＡ／ｄは、最も大きく、効率が良いことが分かる。
【００６３】
【表１１】
2020116640.tif 000014
【００６４】
表１１は、２ｍｍのアルミニウムを切断した場合の実験結果を示す。表１１から、ＤＤＬ加工装置の単位切断長さ当たりのジュール熱は最も小さく良好であることが分かる。また、ＤＤＬ加工装置の切断速度は最も速く、高速で加工できたことが分かる。また、ＤＤＬ加工装置のＡ／ｄは、最も大きく、効率が良いことが分かる。
【００６５】
【表１２】
2020116640.tif 000015
【００６６】
表１２は、３ｍｍのアルミニウムを切断した場合の実験結果を示す。表１２から、ＤＤＬ加工装置の単位切断長さ当たりのジュール熱は最も小さく良好であることが分かる。また、ＤＤＬ加工装置の切断速度は最も速く、高速で加工できたことが分かる。また、ＤＤＬ加工装置のＡ／ｄは、最も大きく、効率が良いことが分かる。
【００６７】
【表１３】
2020116640.tif 000016
【００６８】
表１３は、４ｍｍのアルミニウムを切断した場合の実験結果を示す。表１３の実験では、ＤＤＬ加工装置の集光直径ｄを２４７μｍから３００μｍに変更したため、Ａ／ｄ及びＡ／ｄ比の値も変化している。表１３から、ＤＤＬ加工装置の単位切断長さ当たりのジュール熱はＣＯ２レーザ加工装置よりも小さく、ファイバレーザ加工装置と同等であり良好であることが分かる。また、ＤＤＬ加工装置の切断速度はＣＯ２レーザ加工装置よりも速く、ファイバレーザ加工装置と同等であり高速で加工できたことが分かる。また、ＤＤＬ加工装置のＡ／ｄは、ＣＯ２レーザ加工装置よりも大きく、ファイバレーザ加工装置と同等であり効率が良いことが分かる。
【００６９】
表１０〜表１３に示した実験結果から、図８のグラフを作成した。図８に示すように、ＤＤＬ加工装置は上記加工条件の下で、ＣＯ２レーザ加工装置より高速に切断可能であると評価できる。また、ファイバレーザ加工装置と比較しても、アルミニウムの厚さ２ｍｍ以上４ｍｍ未満においては、表１０〜表１３に示した加工条件の下で高速に切断可能であると評価できる。
【００７０】
＜第３の実施例＞
第３の実施例として、被加工材Ｗに対するレーザ光の入射角と材料の吸収率との関係について説明する。
【００７１】
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、鉄及びアルミニウムについての吸収特性の計算結果をそれぞれ示す。例えば、１０．６μｍは、ＣＯ２レーザ加工装置で使用される波長であり、１０８０ｎｍは、ファイバレーザ加工装置で使用される波長であり、９１０ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲は、ＤＤＬ加工装置で使用される波長である。
【００７２】
図９（ａ）及び図９（ｂ）において、第１及び第２の実施例で示したように、レーザ光の切断前面への入射角が７０度の吸収率に着目すると、鉄及びアルミニウムのいずれにおいても、９１０ｎｍ〜９５０ｎｍの波長範囲に対する吸収率が、１０．６μｍの波長に対する吸収率よりも高いことが分かる。即ち、一般的にＤＤＬ加工装置で使用される波長の範囲の吸収率は、ＣＯ２レーザ加工装置で使用される波長の範囲の吸収率よりも大幅に高いことが分かる。
【００７３】
したがって、ＤＤＬ加工装置で使用される波長の範囲の吸収率特性を有効利用するように、ＤＤＬ加工装置における多波長のレーザ光の波長として、１０００ｎｍ未満、好ましくは９１０ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲で選択しつつ、他の加工条件を制御することにより、ＣＯ２レーザ加工装置よりも高速で切断加工できる。
【００７４】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、被加工材Ｗの吸収率及び厚さに応じて、ＤＤＬ加工装置の切断速度等の加工条件を制御することにより、ＣＯ２レーザ加工装置よりも入射角を小さくでき、レーザ切断加工における熱切断の比切断材の溶融効果をＣＯ２レーザ加工装置よりも高めることができる。また、被加工材Ｗの材質と厚さによっては、被加工材Ｗの吸収率及び厚さと集光径との関係から、ファイバレーザ加工装置よりも効率良く高速に加工することができる。
【００７５】
（その他の実施形態）
本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００７６】
１０…ＤＤＬモジュール
１１…レーザ発振器
１２…伝送ファイバ（プロセスファイバ）
１３…レーザ加工機
１４…コリメータユニット
１５…コリメータレンズ
１６…ベンドミラー
１７…加工ヘッド
１８…集光レンズ
２１…加工テーブル
２２…Ｘ軸キャリッジ
２３…Ｙ軸キャリッジ
３１，３２，３３,・・・３ｎ…レーザダイオード（ＬＤ）
４１，４２，４３,・・・４ｎ…ファイバ
５０…スペクトルビーム結合部
５１…固定部
５２…コリメータレンズ（光学素子）
５３…回折格子（光学素子）
５４…集光レンズ（光学素子）
５５…部分反射カプラ
６０…筐体
６１…電源部
６２…制御モジュール
６３…空調機器
【図１】
2020116640.tif 000017
【図２】
2020116640.tif 000018
【図３】
2020116640.tif 000019
【図４】
2020116640.tif 000020
【図５】
2020116640.tif 000021
【図６】
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【図７】
2020116640.tif 000023
【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年5月13日(2020.5.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多波長のレーザ光を発振するレーザ共振器と、
前記レーザ共振器により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、
前記伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して被加工材を加工するレーザ加工機と、を備えたダイレクトダイオードレーザ加工装置であって、
Ｐはレーザパワー［Ｗ］であり、Ａは吸収率であり、Ｅは融解エネルギー又は蒸発エネルギー［Ｊ／ｍｍ３］であり、ｄはビーム直径［ｍｍ］であり、ｔは板厚［ｍｍ］であるとき、
前記被加工材の厚さ及び吸収率に基づいて、
前記多波長のレーザ光の波長を、１０００ｎｍ未満、
前記多波長のレーザ光のビームパラメータ積を、４ｍｍ・ｍｒａｄ〜２５ｍｍ・ｍｒａｄ、前記被加工材の切断速度Vを、V= P*A/E*d*t (mm/s)
とし、且つ
波長帯域毎に個別に出力を可変調節することができるダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項２】
多波長のレーザ光を発振するレーザ共振器と、
前記レーザ共振器により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、
前記伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して被加工材を加工するレーザ加工機と、を備えたダイレクトダイオードレーザ加工装置であって、
Ｐはレーザパワー［Ｗ］であり、Ａは吸収率であり、Ｅは融解エネルギー又は蒸発エネルギー［Ｊ／ｍｍ３］であり、ｄはビーム直径［ｍｍ］であり、ｔは板厚［ｍｍ］であるとき、
前記被加工材の厚さ及び吸収率に基づいて、
前記多波長のレーザ光の波長を、１０００ｎｍ未満、
前記多波長のレーザ光のビームパラメータ積を、４ｍｍ・ｍｒａｄ〜２５ｍｍ・ｍｒａｄ、前記被加工材の切断速度Vを、V= P*A/E*d*t (mm/s)
とし、且つ
全波長帯域の出力を所望の吸収率となるよう調整することができるダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項３】
前記被加工材に吹き付けるアシストガスの圧力を０．０５ＭＰａ〜１．５ＭＰａに制御することを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項４】
前記多波長のレーザ光の集光直径を２４７μｍ〜３６４μｍに制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項５】
前記被加工材の単位切断長さ当たりのジュール熱を６．９Ｊ／ｍｍ〜１３７．１Ｊ／ｍｍに制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項６】
入射角７０°における、前記多波長のレーザ光の集光直径と吸収率との比を０．０００４２％／μｍ〜０．１１％／μｍに制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項７】
前記被加工材が厚さ１ｍｍ〜１６ｍｍの軟鋼であり、
前記被加工材に吹き付けるアシストガスの圧力を０．０５ＭＰａ〜１．５ＭＰａ、前記被加工材の単位切断長さ当たりのジュール熱を１２．０Ｊ／ｍｍ〜１３７．１Ｊ／  ｍｍ、且つ
前記被加工材の切断速度を１４．６ｍｍ／秒〜１６６．７ｍｍ／秒に制御することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項８】
前記被加工材が厚さ１ｍｍ〜４ｍｍのアルミニウムであり、
前記被加工材に吹き付けるアシストガスの圧力を０．８ＭＰａ〜１．５ＭＰａ、
前記被加工材の単位切断長さ当たりのジュール熱が６．９Ｊ／ｍｍ〜４３．６Ｊ／ｍｍ、且つ
前記被加工材の切断速度を４５．８ｍｍ／秒〜２９１．７ｍｍ／秒
に制御することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置を用いて
板金を切断加工することを特徴とする板金の加工方法。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置を用い、波長帯域毎に個別に出力を調節して板金を切断加工する板金の加工方法。
【請求項１１】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置を用い、全波長帯域の出力を所望の吸収率となるよう調整して板金を切断加工する板金の加工方法。
【請求項１２】
請求項１０又は１１の板金の加工方法であって、板金の主成分は軟鋼又はアルミニウムである板金の加工方法。
【請求項１３】
多波長のレーザ光は、波長帯域毎に個別に出力を可変調節することを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ加工装置。