(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、レーザ光出力をオン・オフ制御する出力制御装置とを備え、複数のファイバレーザ発振装置に対応する複数の能動光ファイバ若しくは能動光ファイバに接続する複数の受動光ファイバの出力端が接続された複数の加工ノズルに対し一定速度で相対的に移動する電磁鋼板若しくは連続鋳造ロールの表面に穴あけまたは表面処理するレーザ表面加工装置であって、前記加工ノズルが２次元的に、かつ整列して配置されており、前記移動の方向に整列する、同一の加工部への照射回数と同数の加工ノズルからレーザ光を順次周期的に照射して電磁鋼板若しくは連続鋳造ロールの表面の移動方向に等間隔に加工を施し、同一の加工部に複数回レーザ光が照射されるように前記出力制御装置によりファイバレーザを励起する複数の半導体レーザの注入電流を制御して照射周期を制御し、かつ、後段の加工ノズルは前段の加工ノズルからのレーザ光で加工された深さだけ集光点の位置を下げて照射することを特徴とするレーザ表面加工装置。
【請求項２】
前記能動光ファイバ若しくは受動光ファイバのコア断面形状が長方形である請求項１記載のレーザ表面加工装置。
【請求項３】
コア断面形状が円形の能動光ファイバ若しくは受動光ファイバから出力されたレーザ光を楕円状に集光する集光光学系を備えた請求項１記載のレーザ表面加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ファイバレーザ光により穴あけまたは表面処理するレーザ表面加工装置に関する。
この発明のレーザ表面加工装置は、薄い金属板（箔）、セラミック板などの穴あけ、および電磁鋼板の磁区制御その他の表面処理に利用される。
【０００２】
【従来の技術】
金属、セラミックなどの穴あけまたは表面処理に、ＣＯ2レーザ、ＹＡＧレーザなどのレーザが広く利用されている。これらレーザは高出力が得られるので、一度で深い穴を加工することができる。
【０００３】
しかし、出力が高くなるほどプラズマが発生しやすくなる傾向がある。発生したプラズマはレーザ光を吸収するので、加工部に供給される熱エネルギーが減少し、加工能率が低下する。また、スパッタが多量に発生して加工ノズルが汚れるので、加工ノズルの清掃または取替えが必要となる。さらに、穴あけまたは表面処理で生じた穴の周辺が盛り上がり、あるいは返りが生じ、製品の機能が低下し、また美観を損ねるという加工品質の点でも問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、高い加工能率および加工品質で穴あけまたは表面処理することができるレーザ表面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、レーザ光出力をオン・オフ制御する出力制御装置とを備え、複数のファイバレーザ発振装置に対応する複数の能動光ファイバ若しくは能動光ファイバに接続する複数の受動光ファイバの出力端が接続された複数の加工ノズルに対し一定速度で相対的に移動する電磁鋼板若しくは連続鋳造ロールの表面に穴あけまたは表面処理するレーザ表面加工装置であって、前記加工ノズルが２次元的に、かつ整列して配置されており、前記移動の方向に整列する、同一の加工部への照射回数と同数の加工ノズルからレーザ光を順次周期的に照射して電磁鋼板若しくは連続鋳造ロールの表面の移動方向に等間隔に加工を施し、同一の加工部に複数回レーザ光が照射されるように前記出力制御装置によりファイバレーザを励起する複数の半導体レーザの注入電流を制御して照射周期を制御し、かつ、後段の加工ノズルは前段の加工ノズルからのレーザ光で加工された深さだけ集光点の位置を下げて照射する。
【０００６】
上記のように構成されたレーザ表面加工装置は、同一の加工部に複数回に分けてレーザ光を照射するので、１回の照射出力は低くてすむ。この結果、プラズマおよびスパッタの発生を抑えることができる。また、穴あけまたは表面処理で生じた穴の周辺に盛り上がりまたは返りが生じこともない。なお、照射回数は加工条件によって異なるが、２〜数回程度である。
【０００７】
上記レーザ表面加工装置においては、前段の光ファイバからのレーザ光で加工された深さだけ後段の光ファイバの出力端の位置を下げて後段の光ファイバを配置するようにしてもよい。これにより、高いエネルギ密度で加工途中の穴底部を照射することができ、加工効率を高めることができる。
【０００８】
また、上記レーザ表面加工装置において、コア断面形状が長方形の能動光ファイバ若しくは受動光ファイバを用いるか、コア断面形状が円形の能動光ファイバ若しくは受動光ファイバから出力されたレーザ光を楕円状に集光する集光光学系を用いるようにしてもよい。これにより、表面加工において光ファイバの数を、コア形状が円形の光ファイバを用いる場合に比べて大幅に減らすことができる。楕円状に集光する場合には、凸レンズと円柱レンズとを組み合わせた集光光学系を用いる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の１実施の形態を示しており、レーザ表面加工装置の模式的概略図である。
【００１０】
レーザ表面加工装置は、主として複数のファイバレーザ発振装置１０、出力制御装置１６および加工ノズル群２０からなっている。
【００１１】
ファイバレーザ発振装置１０は、図１では８個のファイバレーザ発振装置１０を例示しているが、加工条件によって数〜数万個が用いられる。ファイバレーザ発振装置１０は、励起装置として半導体レーザ発振器１４を備えている。半導体レーザ発振器１４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１４から能動光ファイバ（レーザ発振用光ファイバ）１２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１２でレーザ光（波長：約１．０６μm）が発振する。能動光ファイバ１２の出力は例えば５Wであり、コア径は５０μmである。出力端面に受動光ファイバ（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ノズル２５までレーザ光を伝送するようにしてもよい。
【００１２】
出力制御装置１６は制御コンピュータからなり、インターフェース（図示しない）を介して半導体レーザ発振器１４に接続されている。出力制御装置１６は、各ファイバレーザ発振装置１０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１０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。光ファイバ列２１、２２、２３は、加工条件によってあらかじめ照射周波数が設定されている。
【００１３】
加工ノズル群２０は、加工物１の移動方向（縦方向）に間隔ｄをおいて配置された加工ノズル列２１、２２、２３の３列から構成されている。加工ノズル列２１、２２、２３は、移動方向にに対し直角方向（横方向）に８個の加工ノズル２５が並んでいる。加工ノズル２１、２２、２３は、光ファイバ１２の先端部を光軸を揃えて保持している。図１では簡便のために、第１加工ノズル列２１だけに光ファイバ１２の接続を示している。光ファイバ１２の出力端は、加工部の位置に面して配置されている。加工部の縦方向の間隔はｄLである。
【００１４】
上記のように構成したレーザ表面加工装置において、加工物１を一定速度Ｖで送りながら、あらかじめ設定した周波数でレーザ光をオン・オフする。図２のタイムチャートに示すように、第１加工ノズル列２１、２２、２３はすべて同じ周波数Ｖ／ｄLでオン・オフされる。そして、第２加工ノズル列２２は第１加工ノズル列２１よりｄ／Ｖだけ遅れて、また第３加工ノズル列２３は２ｄ／Ｖだけ遅れてオン・オフされる。したがって、１つの加工部は３回照射されることになる。第２加工ノズル列２２では、第１加工ノズル列２１で加工された深さだけ、集光点の位置を下げて照射される。第３加工ノズル列２３も同様に集光点の位置が下げて照射される。各光ファイバ１２から出力されるパワーは、１回で照射する場合の約１／３以下の大きさである。
【００１５】
なお、光ファイバを１次元的に配置する場合は、加工物の移動方向に沿って所定の間隔をおいて１列に配置する。また、光ファイバの出力端を熱影響などで加工物面に近づけて配置できない場合には、出力端を加工物面から離し、出力端と加工物との間に集光レンズを配置する。
【００１６】
【実施例】
（実施例１）
電磁鋼板（板幅６０mm）に、板幅方向に深さ１５μm、直径０．１mmの穴を圧延方向にｄL＝３mmピッチで鋼板両面に加工することにより耐熱性を持った電磁鋼板の磁区制御に本発明を適用する。
【００１７】
実施形態は、コア直径は５０μmの光ファイバを加工ノズルあたり６００本、長手方向に間隔ｄ＝３mmで３列配置した。鋼板の移動速度Ｖは、１８０mpm（３m/s＝３，０００mm/s）とした。光ファイバの出力周波数は、上記速度Ｖおよび加工間隔ｄLから１kHzとした。上記加工条件で光ファイバ１本当りの必要エネルギーは約５mJとなる。これにより、光ファイバ１本当りのピーク出力は１０００Wで５μｓ照射するので、動作時の光ファイバ１本当りの平均出力は、５Wであった。
【００１８】
３回に分割してレーザ照射することにより、電磁鋼板表面に深さ１５μm、直径０．１mmの目的の寸法に、また１回で加工した場合に生じる返りや溶融突起のない品質の高い穴加工が実現できた。これにより、ブラッシング等の後処理を必要としない耐熱性を持った磁区制御電磁鋼板が得られた。
【００１９】
この実施例では、ファイバコア断面形状が円形のものを用いたが、長方形断面の光ファイバあるいは、円形断面から出力されたレーザ光を楕円状に集光して用いてもよい。これにより板幅方向のファイバ本数を大幅に減らすことができる。
【００２０】
（実施例２）
連続鋳造ロール（直径２m、幅１m）表面に、深さ８０μm、直径０．１８mmの穴を縦横ｄL＝０．２５mmピッチに加工することにより、連続鋳造される鋼板表面に割れやむらのない連続鋳造鋼板製造に本発明を適用する。
【００２１】
実施形態は、コア直径は１００μmの光ファイバを加工ノズル１列あたり１本、長手方向に間隔ｄ＝０．２５mmで３列配置した。ロールの回転速度Ｖは、１２ｒpm（線速＝１．２６m/s）で、加工ノズルは、ロールの胴長と並行に速度５０μｍ／ｓ（＝５０×１０-6m/s）で移動する。光ファイバの出力周波数は、上記速度Ｖおよび加工間隔ｄLから５０４０Hzとした。上記加工条件で光ファイバ１本当りの必要エネルギーは約２５mJとなる。これにより、光ファイバ１本当りのピーク出力は１０００Wで５μｓ照射するので、動作時の光ファイバ１本当りの平均出力は、１２６Wであった。ロール表面全体に０．２５mmピッチの加工を行うのに約２００００ｓ（＝５時間３３分２０秒）で完了する。
【００２２】
３回に分割してレーザ照射することにより、ロール表面に深さ８０μm、直径０．１８mmの目的の寸法にばらつきの少ない品質の高い穴加工ができ、また１回で加工した場合に生じる返りや溶融突起がない穴加工が実現できた。これにより、ブラッシング等の後処理を必要としないので、生産効率が向上するとともに品質の高い鋼板製造が可能となる。
【００２３】
（実施例３）
電磁鋼板（板幅６０mm）に、板幅方向に深さ０．０１mm、幅０．０５mmの溶融再凝固層を圧延方向にｄL＝３mmピッチで鋼板両面に加工することにより耐熱性を持った電磁鋼板の磁区制御に本発明を適用する。
【００２４】
実施形態は、コア直径は５０μm×２００μｍの光ファイバを加工ノズル１列あたり１５０本、長手方向に間隔ｄを１mmで３列配置した。鋼板の移動速度Ｖは、１８０mpm（３m/s＝３，０００mm/s）とした。光ファイバの出力周波数は、上記速度Ｖおよび加工間隔ｄLから１kHzとした。上記加工条件で光ファイバ１本当りの必要エネルギーは約５mJとなる。これにより、光ファイバ１本当りのピーク出力は１０００Wで５μｓ照射するので、動作時の光ファイバ１本当りの平均出力は、５Wであった。
【００２５】
３回に分割してレーザ照射することにより、電磁鋼板表面に深さ１０μm、幅０．０５mm、長さ０．２mmの目的の寸法に、また１回で加工した場合に生じる返りや溶融突起のない品質の高い溶融再凝固層加工が実現できた。これにより、ブラッシング等の後処理を必要としない耐熱性を持った磁区制御電磁鋼板が得られた。
【００２６】
この実施例では、ファイバコア断面形状が長方形断面の光ファイバを用いたが、円形断面から出力されたレーザ光を楕円状に集光して用いてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
この発明のレーザ表面加工装置では、同一の加工部に複数回に分けてレーザ光を照射するので、１回の照射出力は低くてすむ。この結果、プラズマおよびスパッタの発生を抑えることができる。また、穴あけまたは表面処理で生じた穴の周辺に盛り上がりまたは返りが生じることもない。この結果、高い加工能率および加工品質で表面加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のレーザ表面加工装置の模式的概略図である。
【図２】上記装置において、加工ノズル列のレーザ光照射のタイムチャートである。
【符号の説明】
１  加工物                １９  ファイバレーザ発振装置
１２  光ファイバ            １４  半導体レーザ発振器
１６  出力制御装置          ２０  加工ノズル群
２１、２２、２３  加工ノズル列
２５  加工ノズル
ｄL  加工間隔              ｄ  加工ノズル列間隔
【図１】
0003999999.tif 000002
【図２】
0003999999.tif 000003