(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペクトルビーム結合された多波長のレーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記レーザ発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、
前記多波長のレーザ光の色収差及び前記被加工材の放射率の波長依存性に基づいて、前記被加工材の厚さ方向における光強度分布が複数のピークを有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】
前記被加工材の厚さの範囲内に２つのピークを有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】
前記被加工材の表面側のピークが前記被加工材の表面近傍に位置し、前記被加工材の裏面側のピークが前記被加工材の裏面近傍に位置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】
前記被加工材の表面側のピークが前記被加工材の裏面側のピークよりも大きい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は、４００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の波長を有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】
前記多波長のレーザ光は、４００〜５００ｎｍの範囲の少なくとも１つの波長のレーザ光と、８００〜１０００ｎｍの範囲の少なくとも１つの波長のレーザ光とを組み合わせ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】
前記被加工材の板厚が１５ｍｍ〜２０ｍｍであ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】
前記レーザ発振器が、前記多波長のレーザ光を波長毎又は波長帯域毎に出力を制御することを特徴とする請求項１〜７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】
前記被加工材の長波長側の反射率が、短波長側の反射率よりも高いほど、前記多波長のレーザ光の低波長側の出力を高め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１０】
前記多波長のレーザ光の最も短波長側の焦点距離のレーザ光のレイリー領域（当該レーザ光において、ビームウエストの上下のレイリー長でカバーされる領域）の最上端から、最も長波長側の焦点距離のレーザ光のレイリー領域の最下端までの距離は、前記被加工材の板厚と略等しいことを特徴とする請求項１〜８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。
【請求項１１】
請求項１〜１０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、板厚１５ｍｍ〜２０ｍｍの板金の加工方法であって、
前記板金の厚さ方向に異なる焦点位置を有する多波長のレーザ光を、前記板金の所定加工位置に同時に照射するステップと、
アシストガスを当該加工位置へ吹き付けるステップ
と、を含むことを特徴とする板金の加工方法。
【請求項１２】
スペクトルビーム結合された多波長のレーザ光を発振するレーザ発振器と、前記レーザ発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を用いた１５mm以上の厚さの板金の加工方法であって、
加工中のドロスの発生を抑制するために、前記多波長のレーザ光のうち、短波長のレーザ光を前記板金の表面に集光し、長波長のレーザ光を、前記板金内部に集光することを特徴とする板金の加工方法。
【請求項１３】
前記長波長のレーザ光は、前記板金の裏面近傍に集光されることを特徴とする請求項１２に記載の板金の加工方法。
【請求項１４】
スペクトルビーム結合された多波長のレーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記レーザ発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を用いて被加工材をレーザ加工する方法であって、
前記多波長のレーザ光の色収差及び前記被加工材の放射率の波長依存性に基づいて、前記被加工材の厚さ方向における光強度分布が複数のピークを有するように多波長のレーザ光の相対的強度を調整するレーザ加工方法。
【請求項１５】
板金の厚さは、２０mm以下である請求項１２に記載の板金の加工方法。
【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。ＤＤＬ加工装置は、複数のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）を用いて多波長（multiple-wavelength）のレーザ光を重畳し、伝送ファイバを用いて加工ヘッドまで伝送する。そして、伝送ファイバの端面から射出されたレーザ光は、コリメータレンズ及び集光レンズ等により被加工材上に集光されて照射される。
【０００４】
ところで、ファイバレーザ加工装置に関して、厚板を切断するために、単波長のレーザ光を多焦点レンズにより集光し、被加工材の厚さ方向において複数の焦点を形成することが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１２−５０３５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１は、ＤＤＬ加工装置のように多波長のレーザ光を用いて加工を行うものではないうえ、被加工材の厚さ方向の複数の焦点の少なくとも一つを被加工材の厚さ範囲内に位置させるに留まり、被加工材の厚さ方向においてどのような光強度分布とするかは具体的に検討されていない。
【０００７】
また、特許文献１では、各ビームウエストでの吸収率は略一様である。このため、実効的なレイリー長を伸ばすことはできても、ＤＤＬ加工装置により多波長のレーザ光を用いて加工する際の、波長に依存した吸収率の変化には対応できないという課題があった。
【０００８】
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、多波長のレーザ光を用いて加工を行う際に、被加工材の厚さ方向における光強度を厚板の切断に適した分布と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】
【０００９】
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発振器と、レーザ発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、多波長のレーザ光の色収差及び被加工材の放射率の波長依存性に基づいて、被加工材の厚さ方向における光強度分布が複数のピークを有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】
【００１０】
本発明によれば、多波長のレーザ光を用いて加工を行う際に、被加工材の厚さ方向における光強度を厚板の切断に適した分布と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】
【００１１】
【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正面図である。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側面図である。
【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加工光学系の一例を示す概略図である。
【図５】集光点付近の光軸に対する各波長ビーム半径及び４波長の合成ビーム半径を表すグラフである。
【図６】集光点付近の光軸に対するピーク強度を表すグラフである。
【図７】鉄と銅の吸収率を乗じた４波長の合成ビーム半径を表すグラフである。
【図８】鉄と銅の吸収率を乗じた光軸に対するピーク強度を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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の厚さは、例えば０．１ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。本発明の実施形態においては、被加工材Ｗの厚さは、１５ｍｍ以上であるのが好ましく、２ｍｍ以上でも良く、また３０ｍｍでも良い。また当該厚さは、１００ｍｍ以下であるのが好ましい。
【００１８】
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。
【００１９】
ＤＤＬモジュール１０は、図３に示すように、ＤＤＬユニット１０ａと、ＤＤＬユニット１０ａの後段に配置された集光レンズ５４を備える。ＤＤＬユニット１０ａは、多波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎのレーザ光を出力する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とを備える。
【００２０】
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。
【００２１】
多波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎのレーザ光は、例えば、波長毎又は波長帯域毎に群（ブロック）管理されて制御され、波長毎又は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吸収率が一定となるよう調整することができる。
【００２２】
切断加工に際しては、各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。
【００２３】
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。なお、部分反射カプラ５５の配置位置は一例であり、これに特に限定されるものではない。
【００２４】
ＤＤＬモジュール１０は更に、図３に示すように、ＤＤＬユニット１０ａとは波長帯域が異なるＤＤＬユニット１０ｂ，１０ｃと、ＤＤＬユニット１０ａと集光レンズ５４との間に配置されたダイクロイックフィルタ５６，５７とを有する。ＤＤＬユニット１０ｂ，１０ｃは、波長帯域が異なる以外はＤＤＬユニット１０ａと同様の構成を有する。例えば、ＤＤＬユニット１０ａの波長帯域が９００ｎｍ以上、１０００ｎｍ未満であり、ＤＤＬユニット１０ｂの波長帯域が８００ｎｍ以上、９００ｎｍ未満であり、ＤＤＬユニット１０ｃの波長帯域が４００ｎｍ以上、５００ｎｍ未満とすることができる。また、ＤＤＬユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの単位（即ち、波長帯域単位）で出力を可変調節することができる。
【００２５】
ダイクロイックフィルタ５６，５７は、ＤＤＬユニット１０ａでスペクトルビーム結合したレーザ光と、ＤＤＬユニット１０ｂ，１０ｃでそれぞれスペクトルビーム結合したレーザ光とを更にスペクトルビーム結合する。集光レンズ５４は、ダイクロイックフィルタ５７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。なお、波長範囲が比較的狭い場合には、ＤＤＬユニット１０ｂ，１０ｃ及びダイクロイックフィルタ５６，５７を有していなくてもよい。また、図３では３つのＤＤＬユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃを示したが、２つのＤＤＬユニット及び１つのダイクロイックフィルタを有していてもよく、４つ以上のＤＤＬユニット及び３つ以上の対応するダイクロイックフィルタを有していてもよい。また、ＤＤＬユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃのそれぞれの波長帯域及び波長範囲は特に限定されない。
【００２６】
このようなＤＤＬ加工装置による切断加工等の加工においては、多波長のレーザ光の波長毎のビームウエストは、例えば１００μｍ〜４００μｍ程度であって、これら複数の径で以って多焦点をなす。ビームウエストは、集光レンズ１８の入射径が２ｍｍ〜２０ｍｍ程度であって、焦点距離が５０ｍｍ〜３００ｍｍである光学要素により形成される。レーザ発振器１１の波長毎又は波長帯域毎の制御の出力可変調節において、被加工材Ｗの切断面に垂直な軸を入射角０°として、入射角が０〜４０°においては短波長側の波長帯域の出力を、長波長側の波長帯域より高めることができる。被加工材Ｗの切断速度は、例えば６０ｍ／ｍｉｎ〜２５０ｍ／ｍｉｎの範囲で選択できる。
【００２７】
本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置においては、多波長のレーザ光を集光して加工を行うため、波長に依存して色収差が発生し、被加工材Ｗの厚さ方向に複数の焦点が形成される。一方、被加工材Ｗの放射率も波長に依存して変化する。ここで、放射率は、物体が熱放射で放出する光のエネルギーを完全放射体と比較した比率であり、波長により異なる。また、キルヒホッフの法則により放射率と吸収率は等しい。一般的には、波長が短くなるほど放射率が高く、換言すれば、短波長のレーザ光の方が被加工材Ｗへのエネルギー吸収率が高い。なお、放射率は波長に依存する他、被加工材Ｗの物質によっても異なり、更にはその表面粗さや酸化皮膜の状態によっても変化する。
【００２８】
そこで、本発明の実施形態では、この色収差及び被加工材Ｗの放射率の波長依存性を有効に利用して、被加工材Ｗの厚さ方向において光強度分布が複数のピークを形成するように多波長のレーザ光の出力を制御する。その際、複数のピークのうちの最も短波長側のピークが、被加工材Ｗの表面近傍に位置するのが好ましい。これにより、被加工材Ｗの表面近傍の光強度を高めることができ、切断加工等の加工の高速化を図ることができる。
【００２９】
更に、複数のピークのうちの２つ以上のピークは、被加工材Ｗの厚さ（被加工材Ｗの表面乃至裏面）の範囲内又はその近傍に位置するのが好ましい。例えば、２つのピークを有しており、短波長側のピークが被加工材Ｗの表面近傍にあり、長波長側のピークが被加工材Ｗの裏面近傍にあることが好ましい。これにより、被加工材Ｗの表面近傍を抜けてからも、裏面近傍まで光強度を維持することができ、ドロスの発生を防止することができる。
【００３０】
更に、複数のピークのうちの短波長側（被加工材Ｗの表面側）のピークの強度は、長波長側（被加工材Ｗの裏面側）のピークの強度よりも大きいことが好ましい。これにより、被加工材Ｗの表面側において最も光強度を高めることができるので、切断加工等に適した光強度を維持することができる。
【００３１】
複数のピークの位置及び強度を含む光強度分布は、レーザ発振器１１において多波長のレーザ光の出力を調整することにより制御することができる。例えば、レーザ発振器１１がＤＤＬユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃ毎のように波長帯域毎に群（ブロック）管理している場合には、異なるブロックから１つずつ、少なくとも２つの波長のレーザ光を出力する。例えば、４００〜５００ｎｍの波長帯域の波長のレーザ光と、８００〜１０００ｎｍの波長帯域の波長のレーザ光とを、少なくとも１つずつ組み合わせて出力することにより、２つのピークを形成することができる。
【００３２】
また、同一ブロック内で比較的近い２つ以上の波長のレーザ光を出力することにより、１つのピークを形成し、且つそのピーク強度を高めることができる。例えば、８００〜１０００ｎｍの波長帯域から３つの異なる波長のレーザ光を組み合わせて出力することにより、１つのピークを強度を高めて形成することができる。
【００３３】
＜実施例＞
次に、本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置を用いた切断加工の実施例を説明する。この実施例では、板金の如き被加工材Ｗの板厚として１５〜２０ｍｍを想定している。レーザ発振器１１において、４００ｎｍ、８０８ｎｍ、９１５ｎｍ、９８０ｎｍの４つの波長のレーザ光を発振し、ビームスペクトル結合を行う。ビームスペクトル結合後のレーザ光を伝送ファイバ１２にて伝搬する。伝送ファイバ１２から射出されたレーザ光を、コリメータレンズ１５として一般的な合成石英製の平凸レンズ（ｆ＝１００ｍｍ、設計波長５４６．１ｎｍ）を用いてコリメートし、集光レンズ１８として合成石英製の平凸レンズ（ｆ＝１５０ｍｍ、設計波長５４６．１ｎｍ）を用いて集光する。なお、ＬＤのビームパラメータ積（ＢＰＰ）は各波長とも８ｍｍ・ｍｒａｄとした。
【００３４】
図４に示すように、伝送ファイバ１２の射出端とコリメータレンズ１５との距離ｄ０を９７．８ｍｍ、コリメータレンズ１５と集光レンズ１８との距離ｄ１を２４４．６ｍｍとした。集光レンズ１８とビームウエスト（加工点）との距離ｄ２は、４００ｎｍ、８０８ｎｍ、９１５ｎｍ、９８０ｎｍでそれぞれ、１４６．８ｍｍ、１６０．５ｍｍ、１６１．９ｍｍ、１６２．６ｍｍとした。色収差により集光点が異なるため、最も短波長（４００ｎｍ）側の集光点を、被加工材Ｗの表面に一致させる。
【００３５】
図５に、集光点付近の光軸に対する各波長のビーム半径及び４波長の合成ビーム半径を示す。光軸Ｚ＝０ｍｍ（ｆ＝１５０ｍｍ、集光レンズ１８主点からの距離１４６．８ｍｍ）が被加工材Ｗの表面であり、光軸の正の方向が被加工材Ｗの厚さ方向である。なお、比較例としての、色収差補正などで色収差がないときの合成ビーム半径は、単波長の４００ｎｍのビーム半径と重なる。ビーム半径は、一般的にガウシアン強度分布のピークの１／ｅ２の光軸からの距離であるが、合成ビーム半径は各波長ビームの出力を同じとして強度分布を合成し、ピークの１／ｅ２の光軸からの距離とする。
【００３６】
図５から理解されるように、この実施例では、４００nmのビームは、被加工材Ｗの表面で集光する。一方、８０８ｎｍ、８１５ｎｍ、８９０ｎｍのビームはＺ＝１４ｍｍ〜１６ｍｍに集光する。従って、被加工材Ｗの板厚が１５ｍｍ程度の場合は、８０８ｎｍ、８１５ｎｍ、８９０ｎｍのビームは何れも被加工材Ｗの裏面近傍で集光し、板厚が１５ｍｍ以上の場合は、被加工材Ｗの裏面に近い内部で集光する。
【００３７】
図６に、光軸に対するピーク強度の関係を表わす。ピーク強度Ｉは比較例としての収差がないときの合成ビームの集光点でのピーク強度を１とした。図６に示すように、収差がないときの合成ビームでは、Ｚ＝０ｍｍに高いピークがあるが、厚さ方向へ急激に強度が小さくなっていることが分かる。従って、比較例のように、収差がないときの合成ビームで厚板切断を行うと、被加工材Ｗ表面では十分なピーク強度を得られるが、過剰な光強度となりやすく、被加工材Ｗが厚くなるほど被加工材Ｗの裏面に近づいたときのピーク強度が低くなり、ドロスが発生しやすくなる。
【００３８】
一方、図６に示すように、本発明の実施例である収差がある合成ビームでは、Ｚ＝０ｍｍとＺ＝１５ｍｍに２つのピークを有する。Ｚ＝０ｍｍのピークは、波長４００ｎｍのレーザ光が寄与して形成されており、Ｚ＝１５ｍｍのピークは、３つの波長８０８ｎｍ、９１５ｎｍ、９８０ｎｍのレーザ光が寄与して形成されている。このような合成ビームを用いれば、１５〜２０ｍｍの厚板を切断するときに、被加工材Ｗ表面近傍でも十分なピーク強度を得られ、被加工材Ｗの裏面側に近づいても光強度を維持することができ、ドロスの発生を防止することができる。
【００３９】
なお、図５及び図６においては、全ての光が光軸Ｚまで届くとしているが、実際は、Ｚ＞０のポイントでは切断被加工材Ｗのカーフ幅を超える光、つまりビームの裾側は被加工材Ｗの表面で蹴られ、ピーク強度の高い中心部分だけがＺ＞０のポイントまで届く。カーフで蹴られる光は、切断周辺の被加工材Ｗの温度を上げることによって、切断を促している。
【００４０】
次に、レーザ光の波長と反射率の関係について説明する。多くの金属材料において、レーザ光の波長が短くなると反射率が低くなる（換言すれば、吸収率が高くなる）傾向がみられる。例えば、鉄は、常温においてレーザ光の波長１０００ｎｍ程度では反射率は６０％程度であるのに対して、波長４００ｎｍ程度では反射率は４０％程度まで低下する。特に金や銅は、反射率が低下する傾向が顕著である。例えば銅は、常温においてレーザ光の波長１０００ｎｍ程度では反射率は９０％程度であるのに対して、波長６００ｎｍ付近から急激に反射率が低くなり、波長４００ｎｍ程度では反射率は３０％程度まで低下する。
【００４１】
上記図５及び図６において、鉄と銅の吸収率（＝１００％−反射率％）を乗じたものを図７及び図８にそれぞれ示す。Ｆｅ吸収率は、波長４００ｎｍで５３％、波長８０８ｎｍで４５％、波長９１５ｎｍで４２．５％、波長９８０ｎｍで４０％とした。Ｃｕ吸収率は、波長４００ｎｍで７０％、波長８０８〜９８０ｎｍで１０％とした。特に銅の場合、波長４００ｎｍにて他の波長に対して７倍の吸収率であるため、被加工材の裏面側（Ｚ＝１５ｍｍ）のピークよりも、被加工材の表面側（Ｚ＝０）のピークが高く、好ましい光強度分布となる。
【００４２】
したがって、図５及び図６に示す合成ビームとなるように多波長のレーザ光の出力を制御することにより、被加工材Ｗとして１５ｍｍ〜２０ｍｍ程度の銅板の切断に適した光強度分布を形成することができる。一方、被加工材Ｗが鉄の場合には、被加工材の裏面側（Ｚ＝１５ｍｍ）のピークよりも、被加工材の表面側（Ｚ＝０）のピークが低くなっているが、長波長（８０８〜９８０ｎｍ）側の出力に対して短波長（４００ｎｍ）側の出力を相対的に高めることにより、被加工材Ｗの表面側（短波長側）のピーク強度を裏面側（長波長側）のピーク強度よりも大きくすることができる。
【００４３】
なお上記において多波長のレーザ光の最も短波長側の焦点距離のレーザ光のレイリー領域（当該レーザ光において、ビームウエストの上下のレイリー長でカバーされる領域）の最上端から、最も長波長側の焦点距離のレーザ光のレイリー領域の最下端までの距離が、ワークの板厚とほぼ等しいのが望ましい。
【００４４】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、多波長のレーザ光を用いて加工を行う際に、多波長のレーザ光の色収差及び被加工材の放射率の波長依存性に基づいて、被加工材の厚さ方向に複数のピークを有するように多波長のレーザ光の出力を制御することにより、被加工材Ｗに適した光強度分布とすることができ、特に厚板の切断に適したものとすることができる。
【００４５】
また、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とにより、高速切断が可能となる。
【００４６】
（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。
【００４７】
本発明の実施形態では、光強度分布が２つのピークを有する場合を主に説明したが、特にこれに限定されない。光強度分布のピーク数は３つ以上であってもよく、被加工材Ｗの種類やレーザ光の出力等に応じて適宜決定される。
【００４８】
本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置による板金加工としては、切断加工の他にも、レーザフォーミング加工、焼鈍、アニーリング及びアブレーション等の種々の板金加工に適用可能である。
【００４９】
このように、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】
【００５０】
１０…ＤＤＬモジュール
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…ＤＤＬユニット
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
５６，５７…ダイクロイックフィルタ
６０…筐体
６１…電源部
６２…制御モジュール
６３…空調機器
【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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