(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5965454
(24)【登録日】2016年7月8日
(45)【発行日】2016年8月3日
(54)【発明の名称】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
(51)【国際特許分類】
B23K 26/38 20140101AFI20160721BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20160721BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20160721BHJP
B23K 26/40 20140101ALI20160721BHJP
【FI】
B23K26/38 A
B23K26/064 A
B23K26/064 K
B23K26/00 N
B23K26/40
【請求項の数】15
【全頁数】12
(21)【出願番号】特願2014-209908(P2014-209908)
(22)【出願日】2014年10月14日
(65)【公開番号】特開2016-78048(P2016-78048A)
(43)【公開日】2016年5月16日
【審査請求日】2015年9月7日
(73)【特許権者】
【識別番号】390014672
【氏名又は名称】株式会社アマダホールディングス
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100100712
【弁理士】
【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦
(74)【代理人】
【識別番号】100101247
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 俊一
(74)【代理人】
【識別番号】100095500
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 正和
(74)【代理人】
【識別番号】100098327
【弁理士】
【氏名又は名称】高松 俊雄
(72)【発明者】
【氏名】臼田 かおり
【審査官】
豊島 唯
(56)【参考文献】
【文献】
特開2010−158686(JP,A)
【文献】
特開2000−061667(JP,A)
【文献】
特表2006−525874(JP,A)
【文献】
特表2009−541091(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B23K 26/00 − 26/70
(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(CO
2)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λ
1,λ
2,λ
3,・・・,λ
n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)3
1,3
2,3
3,・・・3
n(nは4以上の整数)と、LD3
1,3
2,3
3,・・・3
nにファイバ4
1,4
2,4
3,・・・4
nを介して接続され、多波長λ
1,λ
2,λ
3,・・・,λ
n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LD3
1,3
2,3
3,・・・3
nとしては、各種の半導体レーザが採用可能である。LD3
1,3
2,3
3,・・・3
n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。LD3
1,3
2,3
3,・・・3
nの波長λ
1,λ
2,λ
3,・・・,λ
n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λ
1,λ
2,λ
3,・・・,λ
n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LD3
1,3
2,3
3,・・・3
n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、LD3
1,3
2,3
3,・・・3
n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4
1,4
2,4
3,・・・4
n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4
1,4
2,4
3,・・・4
n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λ
1,λ
2,λ
3,・・・,λ
n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、LD3
1,3
2,3
3,・・・3
n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/e
2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/e
2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、LD3
1,3
2,3
3,・・・3
n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
3
1,3
2,3
3,・・・3
n…レーザダイオード(LD)
4
1,4
2,4
3,・・・4
n…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