(57)【要約】  トップハット形状のレーザ光を発振するファイバレーザ発振器１９と、加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置でのトップハット形状のレーザ光１５のビーム径が、トップハット形状のレーザ光１５と略同一のビーム品質を有するガウスモードのレーザ光のビーム径の約３倍となるようにトップハット形状のレーザ光１５を集光し、被加工物２２に照射する集光レンズ１６および加工ヘッド１３と、を備え、集光レンズ１６は、加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置でのレーザ光１５のビーム径の最小値の√２倍のビーム径となる焦点位置の範囲を表す焦点深度が、加工対象の厚さの約１／３となるようにレーザ光１５を集光する。
2010137475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振手段と、
加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置での前記トップハット形状のレーザ光のビーム径が、前記トップハット形状のレーザ光と略同一のビーム品質を有するガウスモードのレーザ光の前記位置でのビーム径の約３倍となるように前記トップハット形状のレーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光手段および加工手段と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記ビーム品質は、全光量の内の約８６％の光量が照射される位置でのビーム径が同等であること、
を特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振手段と、
加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置での前記レーザ光のビーム径の最小値の√２倍のビーム径となる焦点位置の範囲を表す焦点深度が、前記加工対象の厚さの約１／３となるように前記レーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光手段および加工手段と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振手段と、
前記レーザ光の回折光のうち、加工対象の加工閾値に対応する光強度以上の前記回折光を除去する除去手段と、
前記回折光を除去した前記レーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光手段および加工手段と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
前記加工対象は、軟鋼または鉄であること、
を特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記加工対象は、前記加工閾値に対応する光強度が約５０ｋＷ／ｃｍ２あるいはそれ以上の材料であること、
を特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記レーザ発振手段は、ファイバレーザ、ファイバカップル半導体レーザ、ファイバ伝送を伴う固体レーザ、のいずれかを含むこと、
を特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振ステップと、
加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置での前記トップハット形状のレーザ光のビーム径が、前記トップハット形状のレーザ光と略同一のビーム品質を有するガウスモードのレーザ光の前記位置でのビーム径の約３倍となるように前記トップハット形状のレーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光ステップと、
を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項９】
トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振ステップと、
加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置での前記レーザ光のビーム径の最小値の√２倍のビーム径となる焦点位置の範囲を表す焦点深度が、前記加工対象の厚さの約１／３となるように前記レーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光ステップと、
を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１０】
トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振ステップと、
前記レーザ光の回折光のうち、加工対象の加工閾値に対応する光強度以上の前記回折光を除去する除去ステップと、
前記回折光を除去した前記レーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光ステップと、
を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１１】
前記レーザ発振ステップにおけるレーザ出力を４〜５ｋＷとし、６ｍｍから１６ｍｍの厚さの前記加工対象に対して、前記集光ステップによる集光ビーム径を約０．７ｍｍに設定すること、
を特徴とする請求項８〜１０のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。
【請求項１２】
前記加工対象へガスを噴射するノズルの径を１．２〜１．５ｍｍとし、ガス圧を０．０５〜０．１２ＭＰａとすること、
を特徴とする請求項１１に記載のレーザ加工方法。
【請求項１３】
前記加工対象は、前記加工閾値に対応する光強度が約５０ｋＷ／ｃｍ２あるいはそれ以上の材料であること、
を特徴とする請求項１１または１２に記載のレーザ加工装置。
【請求項１４】
前記レーザ発振ステップにおいて、ファイバレーザ、ファイバカップル半導体レーザ、ファイバ伝送を伴う固体レーザ、のいずれかを使用すること、
を特徴とする請求項８〜１３のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力のファイバレーザ発振器のレーザ光を用いて金属板を切断するレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用の加工に用いられる高出力のレーザ発振器としては、ＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザが知られている。集光性の違いから、ＹＡＧレーザはマーカや溶接用に用いられ、炭酸ガスレーザは金属の切断加工に用いられてきた。【０００３】
例えば、特許文献１では、炭酸ガスレーザを用いたレーザ切断方法が提案されている。特許文献１の方法では、切断面の品質に差がでないようにするため、加工対象（被加工物）の板厚に対応させて光路長や入射ビーム径を可変としている。【０００４】
一方、近年はファイバレーザによるレーザ加工の開発が盛んに行われるようになってきた。ファイバレーザは、従来のレーザ発振器のような光学アライメントを必要としないモノリシックな構造であること、励起する半導体レーザの入力光量に対する変換効率が高く省エネルギーで、発振するレーザの出力が高い、等といった今までにない数多くの特長を備えている。高出力で省エネである点から、従来のＹＡＧ媒質等を用いた固体レーザ発振器の置き換えとして、レーザマーカやレーザ溶接機としての適用が始まっている。【０００５】
ファイバレーザが今後波及していく市場として、現在炭酸ガスレーザが最も適用されている板金等の切断に用いる加工機の市場が注目されている。これは、従来のＹＡＧレーザで得ることが困難であった、炭酸ガスレーザ並の集光性を高出力で確保できるようになったためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０４−２５３５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ファイバレーザは、最もユーザ要求の多い、６ｍｍ厚以上の軟鋼や鉄の切断品質が、従来のレーザ加工機より劣るとされる問題があった。【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ファイバレーザを用いて６ｍｍ厚以上の中厚板を含む金属の切断品質を向上させることができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置でのトップハット形状のレーザ光のビーム径が、前記トップハット形状のレーザ光と略同一のビーム品質を有するガウスモードのレーザ光の前記位置でのビーム径の約３倍となるように前記トップハット形状のレーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光手段および加工手段、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ファイバレーザを用いて６ｍｍ厚以上の中厚板を含む金属の切断品質を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、従来の炭酸ガスレーザ発振器を用いたレーザ切断加工装置の概要を示す説明図である。
【図２】図２は、実施の形態１のレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。
【図３】図３は、条件（１）で板厚６ｍｍにおいて切断した加工面を表す図である。
【図４】図４は、条件（２）で板厚６ｍｍにおいて切断した加工面を表す図である。
【図５】図５は、ビームの形状とその加工閾値の関係を示す図である。
【図６】図６は、ビーム径と焦点位置との関係を示す図である。
【図７】図７は、ビーム径と焦点位置との関係を示す図である。
【図８】図８は、焦点深度と集光ビーム径との関係を示す図である。
【図９】図９は、板厚１６ｍｍの軟鋼を切断した加工面を表す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態２のレーザ加工装置の加工ヘッドの構成の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、集光ビーム径を約０．７ｍｍとして、６ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍの各板厚の軟鋼の切断する際の加工条件の例を示した図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明にかかるレーザ加工装置およびレーザ加工方法の実施の形態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。
【００１３】
実施の形態１．
最初に、従来の切断加工に使用される、炭酸ガスレーザ発振器を用いたレーザ切断加工装置について、図１で説明する。図１は、従来の炭酸ガスレーザ発振器１を用いたレーザ切断加工装置の概要を示す説明図である。
【００１４】
一般に金属の厚板切断に用いられる炭酸ガスレーザ発振器１は、出力が４〜６ｋＷで、低次のガウスモードで発振する。このモードは、そのビーム（レーザ光）の品質を表すと同時に、レーザ光の光強度の分布を表しており、レーザ加工では、そのビームの形状に従った熱分布を加工対象に与えることになるため、重要なパラメータとされている。
【００１５】
図１に示すように、炭酸ガスレーザ発振器１から出射したレーザ光５は、ミラー２により反射され加工ヘッド３へと導かれる。加工ヘッド３は、レーザ光５を集光するための集光レンズ６と、集光レンズ６と同軸上にガスを流すアシストガスポート４とを備えている。これにより、被加工物７にレーザ光５を集光すると同時に、同軸上にガスを流す構成となっている。被加工物７に集光されたレーザ光５は、上述したモードの形状を維持した形となっている。例えば、低次のガウスモードのレーザ光５を集光した場合、焦点でのビームの形状は、１７（ａ）のようになる。集光後の広がったビームの形状も１８（ａ）のように相似形となっている。これが、従来から用いられてきた炭酸ガスレーザ発振器１のレーザ光５の特徴である。
【００１６】
このようなレーザを集光して被加工物７を切断するために、照射するレーザ光５の集光ビーム径、ガスの種類、ガスの圧力、および加工速度等の各種条件が、制御装置（図示せず）によって設定される。
【００１７】
次に、高出力のファイバレーザを用いる、実施の形態１にかかるレーザ加工装置について図２を用いて説明する。図２は、実施の形態１のレーザ加工装置１０の構成の一例を示す図である。
【００１８】
図２に示すように、レーザ加工装置１０は、ファイバレーザ発振器１９と、ファイバ２０と、加工ヘッド１３と、を備えている。
【００１９】
ファイバレーザ発振器１９は、レーザ光１５を出射する。ファイバ２０は、ファイバレーザ発振器１９から発振されたレーザ光１５を導光して加工ヘッド１３へ伝送する。ファイバレーザ発振器１９およびファイバ２０が、トップハット形状のレーザ光１５を発振するレーザ発振手段として機能する。
【００２０】
加工手段である加工ヘッド１３は、コリメートレンズ２１と、集光レンズ１６と、アシストガスポート１４と、ノズル２３とを備えている。
【００２１】
コリメートレンズ２１は、レーザ光１５を平行光束に変換する。集光レンズ１６は、平行光束を集光して被加工物２２に照射する。アシストガスポート１４は、集光レンズ１６と同軸上にガスを流す。ノズル２３は、アシストガスポート１４から出力されたガスを被加工物２２に噴射する。コリメートレンズ２１および集光レンズ１６が、トップハット形状のレーザ光１５を集光して被加工物２２に照射する集光手段として機能する。
【００２２】
次に、本実施の形態のレーザ加工装置１０の動作手順について説明する。ファイバレーザ発振器１９から出射したレーザ光１５は、そのままファイバ２０によって導光され、加工ヘッド１３へと伝送される。ファイバ２０を出たレーザ光１５は、加工ヘッド１３の中で一旦広がり、コリメートレンズ２１で平行光束に変換され、集光レンズ１６で被加工物２２に照射される。加工時には、アシストガスポート１４から最適な種類および最適な流量のガスが、ノズル２３を介して被加工物２２に噴射される。
【００２３】
具体例として、ファイバレーザ発振器１９から、約５ｋＷのレーザ光１５を発振して被加工物２２を加工する方法とその結果について説明する。５ｋＷのレーザ光１５は、概ね０．４ｍｍのコア径のファイバ２０により加工ヘッド１３に伝送され、被加工物２２に照射される。この場合、伝送されてきたファイバ２０のコア径を基準に、このコア径に相当するスポット径（ビーム径）を被加工物２２の位置に転写するように被加工物２２にレーザ光１５を集光させる方式をとる。
【００２４】
例えば、上述したコリメートレンズ２１と集光レンズ１６の焦点距離が同じ場合は、ファイバのコア径相当のビーム径である０．４ｍｍが集光点に転写されることとなる。このコリメートレンズ２１と集光レンズ１６の焦点距離比を変えることで、集光ビーム径を変更することができる。また、上述したモードに相当する光の強度分布は、ファイバ２０の出口２６のコア内のビームの形状を反映し、光強度が均一化された所謂トップハット形状（１７（ｂ））となる。
【００２５】
本実施の形態では、被加工物２２の加工閾値に対応する光強度となる位置でのレーザ光１５の集光ビーム径（以下、閾値相当ビーム径という）が、ビーム品質が同等のガウスモードのレーザ光１５の閾値相当ビーム径の約３倍となるようにレーザ光１５を集光し、被加工物２２に照射するように制御する。これにより、板厚相当の焦点位置近傍で、光強度分布の位置に伴う変化が低減できるため、被加工物２２の切断面の品質の向上を図ることができる。
【００２６】
以下に、このようにファイバレーザ発振器１９により発振されるレーザ光１５の集光ビーム径（閾値相当ビーム径）を調整することにより、切断面の品質が向上できる理由について説明する。
【００２７】
最初に、被加工材料に軟鋼を用い、薄い１ｍｍの板厚から厚い１６ｍｍの板厚までの被加工物２２を、（１）ノズル径φ１ｍｍ、アシストガスは酸素、集光ビーム径が０．２ｍｍ、および、（２）ノズル径φ１ｍｍ、アシストガスは酸素、集光ビーム径が０．３ｍｍ、の２つの条件で切断し、その加工状態を比較した結果について説明する。なお、ここでの集光ビーム径は、従来のビーム品質の定義と同様に、全光量の内の約８６％程度の光量が含まれる位置でのビーム径を意味する。また、図２で説明した通り、コリメートレンズ２１と集光レンズ１６の焦点距離の組合せを変更することにより、上記のように条件を変更することができる。
【００２８】
例えば３ｍｍ以下の薄い板厚では、加工速度に差は生じるが、被加工物２２の加工品質、すなわち切断加工した面の状態に差は生じなかった。ところが、６ｍｍ以上の厚い板では、被加工物２２の加工品質に大きな差が現れた。図３は、条件（１）で板厚６ｍｍにおいて切断した加工面を表す図である。また、図４は、条件（２）で板厚６ｍｍにおいて切断した加工面を表す図である。
【００２９】
条件（１）および（２）は、従来のレーザであれば、切断品質に大きな変化も無く切断できる条件である。しかし、図３および図４に示すように、ファイバレーザを用いる場合は大きな違いが観察された。図３に示すように、集光ビーム径０．２ｍｍでは、板上部面に荒れが生じ、燃焼反応による溶融が進む板厚中央から下部面にかけては、大きな凹凸の筋が発生している。ところが、図４に示すように、集光ビーム径０．３ｍｍでは、板上部面に荒れは生じておらず、中央から下部面にかけても非常に良好な品質を保っている。
【００３０】
一般に、薄い板では、表面への入熱だけで板の下面まで熱は伝わる。また、アシストガスの影響もなく、切断面内に大きな差は現れない。しかし、厚い被加工物２２の切断面は、レーザ光そのものによる切断面である上部面と、レーザの熱とアシストガスによる燃焼反応やその溶融金属の排除性に起因した切断面である下部面とに分かれる。
【００３１】
特に下部面では、アシストガスである酸素が行渡ることなく濃度が低下すると、ドロス付着等の大きな品質悪化を招くと考えられている。例えば、特許文献１にも、同様の内容が記載されている。しかし、上記条件（１）および（２）による試験では、アシストガスの圧力を変えても大きな改善が得られないこと、および、図３および図４に示すように加工した板上部面の状態が大きく異なることから、レーザ光自身が何らかの影響を及ぼしていることが想定された。
【００３２】
そこで、次に、レーザ光の集光特性について調査した結果について説明する。上述したように、ファイバレーザを用いて集光光学系を構成する場合、ファイバ２０の出口２６のコア内のビームの形状を、焦点位置に転写する像転写光学系が用いられる。したがって、集光点でのビームの形状は、ファイバ２０の出口２６のビームの形状と相似な形状、すなわち、図２の１７（ｂ）に示すようなトップハット形状となることが期待される。ところが、集光後の実際のビーム形状を調べると、図２の１８（ｂ）に示すように、ビームの形状が崩れ、回折光を伴う形状へと変化していることがわかった。
【００３３】
トップハットビームのような光強度をもつビームは、マーキングや穴あけといった電子分野で要望されることが多い。マーキングや穴あけは、加工する対象表面の１ｍｍ以下程度の表面層に行う加工であり、また、トップハットビームは従来のレーザに比べて光強度が均一なため、ビームそのものの光強度分布を加工材表面にくっきり映しやすいためである。すなわち、トップハットビームのような光強度をもつビームは、焦点位置から数ｍｍ外れた位置で加工するような適用事例には用いられていない。しかし、中厚板のレーザ切断では、被加工物２２の板厚方向に対しても入熱しながら切断することを想定すれば、集光点前後、例えば表面に切断幅が作られるまでの転写点前後のビームの形状が、加工に影響を及ぼすことは、検討されるべきことであった。
【００３４】
従来のレーザ切断では、レーザ発振器から何らかの影響で発生するノイズのような僅かな光が、材料表面に集光し加工の品質に影響することがある。特に高出力で高速に切断する場合や、厚い材料を加工する場合にこのような影響が見受けられる。また、特に軟鋼や鉄の切断の場合、ｋＷ出力のガウスビームを集光した中心位置では、光強度がＭＷ／ｃｍ２以上になるため、少々の光は影響が無いと思われがちである。しかし、加工面の品質まで考える場合は、加工閾値とされる数十ｋＷ／ｃｍ２程度の光強度まで検討が必要となる。
【００３５】
本実施の形態では、加工物内面で、このような加工閾値相当の光強度が発生し、加工した面に悪影響を及ぼすことは十分想定される。そこで、焦点近傍でのビーム径の変化を調べた。
【００３６】
例えば、５ｋＷのファイバレーザを用いて、集光ビーム径が０．２ｍｍとなるように集光する場合を計算した。従来のビーム品質の定義と同様に、全光量の内の約８６％程度の光量が含まれる位置でのビーム径を集光ビーム径と定義すると、低次のガウスビームとトップハットビームとに対して同じ集光光学系を用いた場合は、同じ集光ビーム径となることは言うまでもない。
【００３７】
そこで、本実施の形態では、加工閾値の光強度におけるビームの振る舞いに注目した。被加工物２２が軟鋼や鉄の場合、その加工に最低必要となる光強度を表す加工閾値は、５０ｋＷ／ｃｍ２前後である。すなわち、軟鋼や鉄は金属材料の中では低い加工閾値を有する材料である。
【００３８】
図５は、低次のガウスビーム（１８（ａ））とトップハットビーム（１８（ｂ））とにおける、ビームの形状とその加工閾値の関係を示す図である。図５のように、トップハットビームに回折光が現れてくると、加工閾値を超える最外周位置の直径で定義したビーム径は、低次のガウスビームとは大きく変わってくる。
【００３９】
図６は、加工閾値相当の光強度の最外周位置の直径をビーム径（閾値相当ビーム径）と定義した場合の、ビーム径と焦点位置との関係を示す図である。図６の実線６０１が従来のレーザ発振器から得られる低次のガウスビームの場合の関係を表す。また、図６の破線６０２がファイバレーザのようなトップハットビームの場合の関係を表す。従来のレーザに用いられているガウスビームでは、集光点と同一の形状を保つ伝搬特性を有するため、焦点位置の変化に伴う加工閾値相当の光強度のビーム径（閾値相当ビーム径）の変化は小さい。
【００４０】
一方、ファイバレーザのようなトップハットビームでは、上述したような回折光が現れる。このため、最小ビーム径近傍の焦点位置では矩形形状の良く絞られたビームが得られる。一方、その前後の焦点位置では光強度の高い回折光が発生するため、閾値相当ビーム径は、最小ビーム径近傍の焦点位置から離れるに従い、大きく拡大する傾向を示す。
【００４１】
次に、出力は同じ５ｋＷで集光ビーム径が０．７ｍｍ程度となるように集光する場合を計算した。被加工物２２は図６と同様に軟鋼を想定し、加工するのに最低必要な加工閾値となる光強度５０ｋＷ／ｃｍ２の光強度の最外周位置の直径をビーム径（閾値相当ビーム径）と定義する。図７は、この場合の、ビーム径と焦点位置との関係を示す図である。図７の実線７０１が低次のガウスビームの場合の関係を表し、破線７０２がトップハットビームの場合の関係を表す。図７に示すように、低次のガウスモードでは、図６のように０．２ｍｍに集光する場合と比較して、焦点位置に伴う閾値相当ビーム径の変化が小さくなる。また、トップハットビームでも、光強度の高い回折光が無くなり、低次のガウスビームと同様の変化状態となる。
【００４２】
次に、このような変化と焦点深度との関係について検討する。一般に焦点深度は、最小ビーム径の√２倍まで広がる焦点の深さで定義される。例えば図６で説明すると、トップハットビームおよび低次のガウスビームの最小ビーム径は、それぞれ最小ビーム径Ｔ１と最小ビーム径Ｇ１で示されている。この最小ビーム径の√２倍のビーム径は、各点線の位置となる。そして、各点線と閾値相当ビーム径の変化を表す曲線との交点に相当する２つ焦点位置間の距離が焦点深度に相当する。図６の点線矢印で示されるように、トップハットビームおよび低次のガウスビームそれぞれの焦点深度は、焦点深度Ｔ２と焦点深度Ｇ２となる。
【００４３】
図７などの他の集光ビーム径で同様に解析すれば、各ビームの集光ビーム径（閾値相当ビーム径）と焦点深度との関係が得られる。図８は、このようにして得られた焦点深度と集光ビーム径（閾値相当ビーム径）との関係を示す図である。図８では、実線８０１が従来の低次のガウスビームでの関係を表し、破線８０２がファイバレーザ等により発振されるトップハットビームでの関係を表す。
【００４４】
図８より、従来の低次のガウスモードと同じビーム品質のトップハットビームでありながら、加工閾値で定義された焦点深度を同程度確保するには、低次のガウスモードに比べて、約３倍の焦点ビーム径（閾値相当ビーム径）まで大きくする必要があることがわかる。
【００４５】
上述した図３および図４に示す加工結果は、図８からも説明される。すなわち、焦点ビーム径が０．２ｍｍの時には（図３）、点８１１に示すように０．５ｍｍ程度の焦点深度しかないため、上部面自身に大きな荒れが生じる。焦点ビーム径を０．３ｍｍに広げると（図４）、点８１２に示すように焦点深度は約２ｍｍまで広がる。これにより、上部面における切断面の加工品質が確保できる。すなわち、良好な加工品質が得られる。このことから、ファイバレーザのようなトップハットビームを用いて６ｍｍの板厚の切断加工を加工品質良く行うには、板厚の１／３程度の焦点深度が必要なことがわかる。
【００４６】
次に、本実施の形態の方法により、軟鋼１６ｍｍの切断加工試験を行った結果について説明する。
【００４７】
焦点深度を広げるほど加工品質が確保されることは想定されるが、過度に拡大すると集光部の光強度の低下、ひいては加工速度の低下に繋がる。そこで、図８を元に、板厚の約１／３相当の５ｍｍ以上となる焦点深度を確保するよう、集光ビーム径を約０．７ｍｍに設定した。集光ビーム径は、上述のように例えばコリメートレンズ２１と集光レンズ１６の焦点距離比を変えることで設定できる。
【００４８】
図９は、このようにして板厚１６ｍｍの軟鋼を切断した加工面を表す図である。図９に示すように、加工速度１．４ｍ／ｍｉｎで、板の上面・中面・下面とも、面粗さ（Ｒｙ）では２０μｍ程度と良好な品質を確保できた。これは、従来の炭酸ガスレーザと同程度の速度で、しかも同等以上の加工品質と言える結果である。このように、加工品質が劣るとされていたファイバレーザでも、そのビームの振る舞いを考慮することで、加工品質を十分に確保することができる。
【００４９】
従来のガウスビームでは、板厚相当の焦点深度は通常の加工光学系で得られる条件である。このため、同じビーム品質であるファイバレーザでも同程度の焦点深度が得られると考えられていた。ところが、６ｍｍ程度以上の板厚の金属板に対しては、焦点近傍でのビーム径の変化の影響を大きく受けて、加工品質劣化に繋がっていることがわかった。
【００５０】
その結果、６ｍｍから１６ｍｍ程度の中厚板で加工品質を保ちながら切断加工するには、板厚の１／３程度の焦点深度となる、０．３ｍｍから０．７ｍｍの焦点ビーム径（閾値相当ビーム径）に集光する必要があることがわかった。すなわち、従来のガウスレーザよりも３倍以上大きな集光ビーム径（閾値相当ビーム径）とする必要があることがわかった。これは、従来のガウスモードによるレーザ加工条件とは異なり、ファイバレーザのビーム特性自身から得られる、レーザ加工に必要な集光条件である。
【００５１】
また、加工速度の観点からも、上記の０．７ｍｍの集光ビーム径は、ファイバレーザを用いて加工品質を加味した１６ｍｍ厚までの材料を切断加工するために必要な、最大の集光ビーム径と言うこともできる。
【００５２】
図１１は、集光ビーム径を約０．７ｍｍとして、６ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍの各板厚の軟鋼の切断する際の加工条件の例を示した図表である。ここでは、レーザ出力、板厚、加工速度、ガス圧、ガス種類、ノズル２３の孔径（ノズル径）、ノズル２３と被加工物２２の間の長さ（ノズル高さ）、加工時における焦点と被加工物２２の間の長さ（焦点位置）を加工条件とし、その加工条件での加工品質を面粗さとして示している。加工時にセットアップされる加工条件によって加工結果は大きく異なってくるため、ここで示す各条件は、本実施の形態の効果を得るための重要な条件となる。
【００５３】
加工品質（面粗さ）は従来のレーザ加工機と同等として、焦点位置に対する裕度を２ｍｍ程度確保することができた。その切断加工速度は１ｍ／ｍｉｎ以上と、従来のレーザ加工と同等、もしくはそれ以上の速度で切断可能であることが実証された。
【００５４】
このように、本実施の形態によれば、板厚相当の焦点位置近傍において、光強度分布の位置に伴う変化が低減できるため、被加工物２２の切断面の品質の向上が図れる。また、発振器から得られるトップハットビームのレーザ光を用いるため、金属板、特に６ｍｍ以上の中厚板の金属を所望形状に面品質を保ちながら切断することができる。
【００５５】
実施の形態２．
図１０は、実施の形態２のレーザ加工装置の加工ヘッド２１３の構成の一例を示す図である。加工手段である加工ヘッド２１３は、実施の形態１の加工ヘッド１３を改造した構造となっている。図１０は、ファイバ２０から出た光を加工ヘッド２１３の内部のビーム補正レンズ２５で一度集光し、その集光点近辺にアパーチャー２４を設けた構成例を示している。
【００５６】
上述したように、加工閾値より高い光強度となって広がる回折光は、加工品質に悪影響を及ぼす。そこで、１７（ｂ）のようなトップハットビームから周辺に広がる光強度の高い部分を、ビーム補正レンズ２５で集光しアパーチャー２４により取り除き、再度集光し被加工物２２に照射して加工する。なお、図１０の１８（ｃ）は、実施の形態２の加工ヘッド２１３によるトップハットビームの集光後のビーム形状を表している。
【００５７】
例えば、ビーム補正レンズ２５により集光されるビームの振る舞いが、上述した図８のトップハットビームのような特性であれば、焦点位置より２ｍｍ以上外れた位置に、φ０．５ｍｍからφ１ｍｍ程度のアパーチャー２４を設ける。これにより、回折光となる光強度部分を除く、または、低減させることができる。この結果、トップハットビームでありながら、従来のガウスビームと同様に、焦点近傍位置での光強度の変化を低減できる。このため、従来と同様の集光ビーム径となるように集光した場合であっても、従来と同等の焦点深度を得ることが可能となり、６ｍｍ以上の中厚板のレーザ切断面の改善を図ることができる。
【００５８】
なお、アパーチャー２４は、回折光を除去または低減する方法として、回折光を吸収する方法、および、回折光を反射する方法などの従来から用いられているあらゆる方法を適用できる。また、アパーチャー２４の変わりに、回折光以外の部分を透過させるような光学素子を用いるように構成しても同等の効果を得ることができる。
【００５９】
以上のように、実施の形態１および２のレーザ加工装置は、省エネルギーかつ高出力のファイバレーザを用いたレーザ加工で、加工面の品質向上に有用な手段である。加工品質を確保した加工を実現するには、焦点位置での加工閾値相当の光強度の低減に加えて、加工する板厚に見合う焦点範囲内で、加工する材料の加工閾値相当の光強度低減をも考慮した集光光学系を備える必要がある。上記各実施の形態では、この光強度の変化を想定し、光強度の変化の影響の低減を図ることで、従来並またはそれ以上の切断品質の加工が可能となった。
【００６０】
実施の形態１および２のレーザ加工ではファイバレーザを適用する例を説明したが、ファイバ伝送を伴い、かつ切断加工に使用可能な炭酸ガスレーザ並みの集光性を持つ高出力のレーザ発振源であれば同様に適用可能である。実施の形態１および２のレーザ加工は、例えば、ファイバ伝送を伴う各種固体レーザや、ファイバカップルの半導体レーザ等を適用しても、同様の効果を得ることができる。
【００６１】
なお、これまでは軟鋼を被加工物とする例を説明したが、鉄やステンレスを初めとする他の金属においても、６ｍｍ以上の中厚板加工への適用が可能である。
【００６２】
また、上記各実施の形態はその内容の一例を示すものであり、更なる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、省略・変更により構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
以上のように、本発明にかかるレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、高出力のファイバレーザ発振器から得られるトップハットビームのレーザ光を用いて、金属板、特に中厚板の金属を切断するレーザ加工装置および方法に適している。
【符号の説明】
【００６４】
１  炭酸ガスレーザ発振器
２  ミラー
３  加工ヘッド
４  アシストガスポート
５  レーザ光
６  集光レンズ
７  被加工物
１０  レーザ加工装置
１３、２１３  加工ヘッド
１４  アシストガスポート
１５  レーザ光
１６  集光レンズ
１７（ａ）  実施の形態１におけるガウスビームの集光点でのビーム形状
１７（ｂ）  実施の形態１におけるトップハットビームの集光点でのビーム形状
１８（ａ）  実施の形態１におけるガウスビームの集光後のビーム形状
１８（ｂ）  実施の形態１におけるトップハットビームの集光後のビーム形状
１８（ｃ）  実施の形態２におけるトップハットビームの集光後のビーム形状
１９  ファイバレーザ発振器
２０  ファイバ
２１  コリメートレンズ
２２  被加工物
２３  ノズル
２４  アパーチャー
２５  ビーム補正レンズ
２６  出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年8月9日(2010.8.9)
【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】
トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振手段と、
加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置での前記トップハット形状のレーザ光のビーム径が、前記トップハット形状のレーザ光と略同一のビーム品質を有するガウスモードのレーザ光の前記位置でのビーム径の約３倍となるように前記トップハット形状のレーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光手段および加工手段と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記ビーム品質は、全光量の内の約８６％の光量が照射される位置でのビーム径が同等であること、
を特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振手段と、
加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置での前記レーザ光のビーム径の最小値の√２倍のビーム径となる焦点位置の範囲を表す焦点深度が、前記加工対象の厚さの約１／３となるように前記レーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光手段および加工手段と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
前記加工対象は、軟鋼または鉄であること、
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記加工対象は、前記加工閾値に対応する光強度が約５０ｋＷ／ｃｍ２あるいはそれ以上の材料であること、
を特徴とする請求項１〜３および５のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記レーザ発振手段は、ファイバレーザ、ファイバカップル半導体レーザ、ファイバ伝送を伴う固体レーザ、のいずれかを含むこと、
を特徴とする請求項１〜３、５および６のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振ステップと、
加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置での前記トップハット形状のレーザ光のビーム径が、前記トップハット形状のレーザ光と略同一のビーム品質を有するガウスモードのレーザ光の前記位置でのビーム径の約３倍となるように前記トップハット形状のレーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光ステップと、
を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項９】
トップハット形状のレーザ光を発振するレーザ発振ステップと、
加工対象の加工閾値に対応する光強度となる位置での前記レーザ光のビーム径の最小値の√２倍のビーム径となる焦点位置の範囲を表す焦点深度が、前記加工対象の厚さの約１／３となるように前記レーザ光を集光し、前記加工対象に照射する集光ステップと、
を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１０】
（削除）
【請求項１１】
前記レーザ発振ステップにおけるレーザ出力を４〜５ｋＷとし、６ｍｍから１６ｍｍの厚さの前記加工対象に対して、前記集光ステップによる集光ビーム径を約０．７ｍｍに設定すること、
を特徴とする請求項８または９に記載のレーザ加工方法。
【請求項１２】
前記加工対象へガスを噴射するノズルの径を１．２〜１．５ｍｍとし、ガス圧を０．０５〜０．１２ＭＰａとすること、
を特徴とする請求項１１に記載のレーザ加工方法。
【請求項１３】
前記加工対象は、前記加工閾値に対応する光強度が約５０ｋＷ／ｃｍ２あるいはそれ以上の材料であること、
を特徴とする請求項１１または１２に記載のレーザ加工方法。
【請求項１４】
前記レーザ発振ステップにおいて、ファイバレーザ、ファイバカップル半導体レーザ、ファイバ伝送を伴う固体レーザ、のいずれかを使用すること、
を特徴とする請求項８、９および１１〜１３のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。
【国際調査報告】
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