(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のファイバレーザ発振装置と、前記ファイバレーザ発振装置の発振をオン・オフ制御するレーザ発振制御装置と、各ファイバレーザ発振装置から出射されたレーザ光を加工部に集光する１つの集光光学系とを備えたレーザ加工装置であって、前記集光光学系から集光位置までの光軸方向の集光点距離が互いに異なる位置に複数のレーザ光が集光され、集光点距離が短い順に順次オン・オフされることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
複数のファイバレーザ発振装置と、前記ファイバレーザ発振装置の発振をオン・オフ制御するレーザ発振制御装置と、各ファイバレーザ発振装置から出射されたレーザ光を加工部に集光する１つの集光光学系とを備えたレーザ加工装置であって、前記複数のファイバレーザ発振装置は、第１ファイバレーザ発振装置群と第２ファイバレーザ発振装置群とからなり、前記第１ファイバレーザ発振装置群と第２のファイバレーザ発振装置群とは前記集光光学系から集光位置までの光軸方向の集光点距離が互いに異なる位置にレーザ光が集光され、第１ファイバレーザ発振装置群と第２ファイバレーザ発振装置群とからのパルスレーザ光が交互にオン・オフされることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属、セラミックなどの加工材を溶接、切断、あるいは表面処理するレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、金属、セラミックなどの加工分野で溶接、切断、穴あけ、表面処理その他の加工にレーザが広く用いられている。これらの加工では１本のレーザビームで、溶接、切断などの加工を行なっている。このために、加工速度が遅く、加工に長時間を要し作業能率の向上の余地があった。そこで、加工能率を上げるために多くの提案がなされている。例えば、特開平９−１５０２８８号公報で開示された「ツインビーム加工方法」は、レーザビームを集光レンズ系に分割用レンズを挿入し、レーザビームを２つに分けることにより深い溶込みと溶接ワイヤの溶融とを同時に行なう。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記ツインビーム加工方法では集光点が２点であるが、２点とも集光光学系から光軸方向に等距離の位置に集光されている。また、２本のレーザビームは１本のレーザビームを分割したものであるから、各レーザビームは独立して制御できない。したがって、加工部に異なった集光位置に異なったパワー密度でレーザ光を照射することができない。この結果、加工条件に応じた集光位置およびパワー密度でレーザ光を照射することができないので、加工品質や加工能率の向上に限界があった。
【０００４】
この発明は、加工条件に応じた適切なレーザ光の照射により加工品質および加工能率を更に向上することができるレーザ加工装置を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明のレーザ表面加工装置は、複数のファイバレーザ発振装置と、前記ファイバレーザ発振装置の発振をオン・オフ制御するレーザ発振制御装置と、各ファイバレーザ発振装置から出射されたレーザ光を加工部に集光する１つの集光光学系とを備えたレーザ加工装置であって、前記集光光学系から集光位置までの光軸方向の集光点距離が互いに異なる位置に複数のレーザ光が集光され、集光点距離が短い順に順次オン・オフされる。これにより、加工の進行に応じて段階的に加工材表面から順次深い位置に集光することができる。
【０００６】
この発明のレーザ加工装置では、複数のファイバレーザ発振装置のそれぞれの光ファイバからレーザ光が加工材に照射される。励起装置（例えば半導体レーザ発振器）を制御することにより、ファイバレーザ発振装置の出力をオン・オフ制御する。また、複数のレーザ光の集光点距離が互いに異なっている。したがって、加工深さ方向に広い範囲にわたり均一な、あるいは深さごとに所要のパワー密度で集光することができる。この結果、様々な加工条件に対応して適切にレーザ光エネルギーを加工部に供給することができる。
【０００７】
この発明のレーザ表面加工装置は、複数のファイバレーザ発振装置と、前記ファイバレーザ発振装置の発振をオン・オフ制御するレーザ発振制御装置と、各ファイバレーザ発振装置から出射されたレーザ光を加工部に集光する１つの集光光学系とを備えたレーザ加工装置であって、前記複数のファイバレーザ発振装置は、第１ファイバレーザ発振装置群と第２ファイバレーザ発振装置群とからなり、前記第１ファイバレーザ発振装置群と第２のファイバレーザ発振装置群とは前記集光光学系から集光位置までの光軸方向の集光点距離が互いに異なる位置にレーザ光が集光され、第１ファイバレーザ発振装置群と第２ファイバレーザ発振装置群とからのパルスレーザ光が交互にオン・オフされる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の１実施の形態を示すもので、レーザ加工装置全体の模式的概略図である。レーザ加工装置１０は、主として複数台（簡単のために３台しか図示していない）のファイバレーザ発振装置１２、レーザ発振制御装置１８および加工ヘッド２０からなっている。
【０００９】
ファイバレーザ発振装置１２は、励起装置として半導体レーザ発振器１７を備えている。半導体レーザ発振器１７として、例えばＧａ−Ａｓ系半導体レーザ発振器を用いることができる。半導体レーザ発振器１７から能動光ファイバ（レーザ発振用光ファイバ）１４に励起レーザ光（波長：約０．８μm）を照射すると、能動光ファイバ１４でレーザ光（波長：約１．０６μm）が発振する。能動光ファイバ１４の出力は例えば１kWであり、コア径は５０μm、クラッド断面は３００×６００μmの長方形である。能動光ファイバ１４の端部がレーザ光出力端となっている。なお、この出力端に受動光ファイバ（パワー伝送用光ファイバ）を融着により接続し、受動光ファイバで加工ヘッド２０までレーザ光を伝送するようにしてもよい。この場合には、受動光ファイバの先端がレーザ光出力端になる。
【００１０】
レーザ発振制御装置１８は、制御コンピュータおよび半導体レーザ発振器１７の駆動用電源部からなっている。レーザ発振制御装置１８は、各ファイバレーザ発振装置１４ごとに半導体レーザ発振器の注入電流を制御する。注入電流がしきい値を超えるとファイバレーザ発振装置は発振し、以下となると発振停止し、レーザ光出力はオン・オフ制御される。加工条件によって、あらかじめ光ファイバ１４ごとにオン・オフのタイミングおよび周期を設定する。
【００１１】
加工ヘッド２０は、ファイバ保持部２２と集光光学系２５とを備えている。ファイバ保持部２２は、複数本の光ファイバ１４の先端部を、光軸を揃えてあらかじめ設定された位置に保持する。保持された光ファイバ１４は、集光光学系２５の光軸に直角な断面でみると正方形などの多角形またはリングを形成するように配置される。正方形配置の場合、ｎ×ｎマトリックス状（ｎは光ファイバの本数であり、２以上）に配置される。また、各光ファイバごとに、あるいは光ファイバ群ごとに、出力端１５が集光光学系２５に対し光軸方向に位置がずれている。したがって、図２に示すように出力端１５は、三次元的な配置となっている。光ファイバまたは光ファイバ群の出力端は、３段以上にずれていてもよい。
【００１２】
集光光学系２５は、図３に示すように焦点距離ｆ1の第１集光レンズ２６および焦点距離ｆ2の第２集光レンズ２７とからなっている。第１集光レンズ２６の中心と第２集光レンズ２７の中心との距離はＬである。
【００１３】
図３（ａ）に示すように、第１光ファイバ出力端１５nは、第１集光レンズ２６の中心に対しｆ1＋Δの距離にある。第１光ファイバ出力端１５nから出射されたレーザ光Ｒnは第１集光レンズ２６でわずかに収束され、第１集光レンズ２６と第２集光レンズ２７との間で概平行光となる。概平行光は、第２集光レンズ２７で集光点距離ｆ2′の位置に集光される。また、図３（ｂ）に示すように第２光ファイバ出力端１５fは第１集光レンズ２６の中心に対し焦点距離ｆ1の距離にあり、第２光ファイバ出力端１５fから出射されたレーザ光Ｒfは第１集光レンズ２６で平行光となる。平行光は、第２集光レンズ２７でこれの焦点距離ｆ2の位置に集光される。
【００１４】
上記レーザ光Ｒnの集光点距離ｆ2′は、次の式で求めることができる。
ｆ2′＝(ｆ1２＋Δ・ｆ1−Δ・Ｌ) ｆ2／｛ｆ1２＋Δ・（ｆ1＋ｆ2）−Δ・Ｌ｝
したがって、第１光ファイバ出力端１５nから出射されたレーザ光Ｒnは、図３（ｃ)に示すように第２光ファイバ出力端１５fから出射されたレーザ光Ｒfよりも第２集光レンズ２７寄りに集光される。なお、出力端１５は必ずしも焦点距離の位置に配置しなくてもよい。
【００１５】
上記のように構成されたレーザ加工装置により、加工材１を矢印方向に送りながら溶接、切断、表面処理などの加工を行なう。
【００１６】
ここで、上記レーザ加工装置による溶接試験について説明する。溶接材は厚み２５mmの軟鋼材である。
【００１７】
集光光学系２５の構成は、次のとおりである。第１集光レンズ２６および第２集光レンズ２７の焦点距離ｆ1、ｆ2はそれぞれ１００mmであり、両レンズ中心間の距離Ｌも１００mmである。そして、第１光ファイバ出力端１５nは第１集光レンズ２６の中心から１０５mmの位置にあり、第２光ファイバ出力端１５fは１００mmの位置にある。この場合、第1光ファイバ１４nからのレーザ光Ｒnは第２集光レンズ２７の中心から９５mmの位置に集光され、第２光ファイバ１４fからのレーザ光Ｒfは１００mmの位置に集光される。つまり、第1光ファイバ１４nからのレーザ光Ｒnは、第２光ファイバ１４fからのレーザ光Ｒfの集光位置から第２集光レンズ寄りに５mmずれた位置に集光される。
【００１８】
この溶接試験で用いた光ファイバの配置は、図４に示すとおりである。すなわち、図４（ａ）および（ｂ）のいずれにおいても、９本の光ファイバ１４f、１４nが３×３マトリックス状に配列されている。そして、図４（ａ）の配置では、図３に示す第１光ファイバ１４fと第２光ファイバ１４nとが、横列および縦列で交互に配置されている。図４（ｂ）の配置では、正方形の一辺に沿って第１光ファイバ１４nが並び、他はすべて第２ファイバ１４fとなっている。
【００１９】
レーザ出力は８kWであり、パルスレーザ光の周波数は５kHzである。また、レーザ光照射条件は次のとおりである。
(1) 図４（ａ）配置の第１光ファイバ１４nおよび第２光ファイバ１４fから連続レーザ光を出力する
(2) 図４（ａ）配置の第１光ファイバ１４nからパルスレーザ光を出力し、第２光ファイバ１４fから連続レーザ光出力する
(3) 図４（ｂ）配置の第１光ファイバ１４nからパルスレーザ光を出力し、第１光ファイバ１４nに続いて第２光ファイバ１４fから連続レーザ光を出力する（図６参照）
(4) ３×３マトリックス配置で、ずれなしの光ファイバすべてから連続レーザ光を出力する
【００２０】
図５に溶接結果を示す。図５により、本発明装置は従来装置に比べて深い溶込み深さを得ることができること、またレーザ光照射条件によって溶込み深さが変化することが明らかになった。
【００２１】
条件(1)で条件(4)より深い溶込みが得られたのは、ファイバレーザによる集光位置がずれているために、実効的な焦点深度が長くなり、レーザ光による加工可能範囲が増加したことによる。
【００２２】
条件(2)で条件(1)より深い溶込みが得られたのは、パルスレーザ光はパワー密度が高くキーホールが形成されやすいこと、および形成されたキーホールの内部に第２光ファイバ１４fからの連続レーザ光が集光し、連続レーザ光の吸収効率が増加したことによる。
【００２３】
条件(3)は、図６に示すように図４（ｂ）の光ファイバ配置で、第１光ファイバ１４nは加工方向について第２光ファイバ１４fより前側（進み側）に配置されている。第１光ファイバ１４nからパルスレーザ光Ｒnを出力し、第２光ファイバ１４fから連続レーザ光Ｒfを出力する。パルスレーザ光Ｒnは前側に集中して配置されているので、溶接材表面付近に高いパワー密度で集光され、深いキーホール６が形成される。連続レーザ光は溶接材表面より溶接材５内に入り込んだ位置、つまりキーホール６の内部に集光される。この結果、レーザ光吸収率が高くなり、加工効率が向上するとともに、深い溶込み深さを得ることができる。
【００２４】
さらに、レーザ光照射条件(5)として、図４（ａ）に示す光ファイバ配置で、光ファイバ１４n、１４f群を周波数１kHzで交互に発振させ（光ファイバのオン時間は５００μsec）、板厚１０mmの突合せ溶接を実施した。比較のために条件(4)で、同じく板厚１０mmの軟鋼の突合せ溶接を実施した。溶接長さ１００m当りの溶接ビード中の気孔欠陥数を評価したところ、条件(5)では溶接長さ１００m当り気孔欠陥数が１個であったのに対し、条件(4)では１３個の気孔欠陥が観察された。
【００２５】
単位長さ当りの気孔欠陥が減少した理由は、下記のとおりである。溶接時のキーホール開口部を観察したところ、条件(4)ではキーホールの閉塞が周期的に発生しているのに対し、集光点位置を振動させた条件(5)ではキーホールの開口が安定しており、閉塞が起きていなかった。このため、従来はキーホールの閉塞により内部に捕捉され、気孔欠陥となるアシストガスが、条件(5)の溶接では再び鋼板外部に排出される時間が得られ、気孔欠陥が減少すると考えられる。
【００２６】
レーザ加工装置が例えば穴あけ装置の場合、前記複数のファイバレーザ発振装置は、集光点距離が互いに異なる複数のファイバレーザ発振装置を含み、レーザ発振が加工条件に応じて集光点距離が短い順に順次オン・オフされるようにする。光ファイバ群内では、集光点距離は同じである。加工の進行に応じて段階的に集光位置を深くすることにより、深い穴をあけることができる。
【００２７】
【発明の効果】
この発明のレーザ加工装置では、加工深さ方向に広い範囲にわたり均一な、あるいは加工深さごとに所要のパワー密度で集光することができるので、様々な加工条件に対応して適切にレーザ光エネルギーを加工部に供給することができる。この結果、加工品質および加工能率を更に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の１実施の形態を示すもので、レーザ加工装置全体の模式的概略図である。
【図２】  上記装置の加工ヘッドにおける、光ファイバの先端部の保持状態を示す図面である。
【図３】  上記装置の集光光学系に関し、光ファイバ出力端の位置および集光位置の関係を説明する図面である。
【図４】  加工ヘッドでの光ファイバの配置例を示す図面である。
【図５】  レーザ光照射条件が変化した場合の、溶接速度と溶込み深さとの関係を示すグラフである。
【図６】  この発明のレーザ加工装置が溶接装置である例を示すもので、加工ヘッドの模式図である。
【符号の説明】
１  加工材                          ５  溶接材
６  キーホール                    １０  レーザ加工装置
１２  ファイバレーザ発振装置        １４  能動光ファイバ
１５  光ファイバの出力端            １８  レーザ発振制御装置
１９  光ファイバケーブル            ２０  加工ヘッド
２２  光ファイバ保持部              ２５  集光光学系
２６  第１集光レンズ                ２７  第２集光レンズ
３０、３２  光ファイバ群
Ｒ  レーザ光
【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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