JP2004114090A

JP2004114090A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置

Info

Publication number: JP2004114090A
Application number: JP2002280748A
Authority: JP
Inventors: Shuho Tsubota; 坪田　秀峰; Takashi Akaha; 赤羽　崇
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】レーザダイオードからのレーザ光のエネルギー密度を容易に高めるとともに方向依存性を抑える。
【解決手段】ヘッド１４のノズル１６から照射するレーザダイオードからのレーザ光の一部を偏向するプリズム２１を設ける。プリズム２１によって偏向させたレーザ光を偏向照射部として被加工物Ｗへ直接照射する直接照射部に重畳させ、出力が比較的低いレーザダイオードのレーザ光のエネルギー密度を高めて加工性能を向上させるとともに照射形状を正方形状に近づけて加工時における方向依存性を抑える。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工物にレーザを照射して加工を行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、被加工物にレーザを照射して、溶接加工、切断加工、表面加工を行うレーザ加工が行われている。
レーザ加工を行うレーザ加工装置としては、レーザ発振器にて発振したレーザ光を、被加工物を固定するテーブルの上方に設置されたヘッドに導き、光学系によって絞り込んでトーチから被加工物へ向かって照射し、被加工物とヘッドとを相対移動させて被加工物への加工を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、照射するレーザ光をプリズムによって二つに分岐し、二つのレーザスポット光でレーザ加工を行うものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２１５８７４号公報（第４−５頁、図１）
【特許文献２】
特開２００１−４７２７２号公報（第７頁、図１４）
【０００４】
ところで、このレーザ加工に用いられるレーザ光としては、ＣＯ_２レーザやＹＡＧレーザが一般的であるが、近年では、これらＣＯ_２レーザやＹＡＧレーザに代えて高効率な発振が可能なレーザダイオード（ＬＤ）のレーザ光を用いたＤＤＬ（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｄｉｏｄｅ　Ｌａｓｅｒ）加工の実用化がされつつある。
このＤＤＬ加工は、ＣＯ_２レーザやＹＡＧレーザと比較して、レーザ発振器のコンパクト化が可能であり、また、発振波長は、ＣＯ_２レーザでは約１０６００ｎｍ、ＹＡＧレーザでは約１０６４ｎｍであるのに対して８００〜９００ｎｍ域であるため各種材料への吸収率も高く加工性が良いうえに、レーザ光の発振効率は、ＣＯ_２レーザでは約６％、ＹＡＧレーザでは約２％であるのに対して約３０％と極めて良好であるという優れたメリットを有している。
【０００５】
ここで、図１２に示すように、ＤＤＬ加工を行うレーザ加工装置は、レーザダイオードを発振源としたレーザ発振器からのレーザ光をヘッド１に導き、ヘッド１に設けた光学系２にて絞り込んで、図１３に示すように、ノズル３から被加工物Ｗの開先に照射し、溶接加工等の加工を行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このレーザ加工装置のレーザ発振器には、発振源として複数のレーザダイオード単体が配列されたレーザダイオードバーを積層させたレーザダイオードアレイが用いられている。このレーザダイオードアレイから発振されたレーザ光は、その照射形状Ｓが長方形状となってしまう。このため、集光性能を高めることが難しく、出力自体は向上しているものの、ＣＯ_２レーザやＹＡＧレーザと比較してエネルギー密度が低いという問題があった。さらには、照射形状Ｓが長方形状であると、加工方向によって単位長さあたりの入熱量が変わってしまうという、方向依存性があるという問題があった。
【０００７】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、極めて容易にエネルギー密度を高めることができ、しかも、方向依存性が抑えられて良好な加工を行うことが可能なレーザダイオードを用いたレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ加工方法は、レーザダイオードからのレーザ光を被加工物に照射して加工を施すに際し、被加工物へレーザ光を直接照射する直接照射部に対し、レーザ光の一部を偏向させて照射する偏向照射部を重畳させることを特徴としている。
【０００９】
このように、本発明によれば、レーザ光の一部を偏向させ、偏向照射部として被加工物へ直接照射する直接照射部に重畳させるので、レーザ光の発振効率が極めて良好であるがエネルギー密度が比較的低いレーザダイオードからのレーザ光のエネルギー密度を高めることができる。また、重畳させることにより照射形状を正方形状に近づけることができる。
【００１０】
さらには、本発明では、被加工物に溶接加工を行うべく被加工物の開先に沿ってレーザ光の直接照射部を移動させるとともに、直接照射部に重畳させた偏向照射部を加工方向に直交する方向へ往復移動させても良く、また、レーザ光の直接照射部を移動させるとともに、直接照射部に重畳させた偏向照射部を加工方向に沿う方向へ往復移動させても良い。
そして、このようにすると、広い開先に対しても確実に溶接することができ、さらには、溶接部分の組織制御や気泡の除去を行うことができる。
【００１１】
また、本発明のレーザ加工装置は、レーザダイオードを発振源とするレーザ発振器と、レーザ発振器のレーザダイオードからのレーザ光を被加工物へ照射するヘッドと、ヘッドから照射されるレーザ光を被加工物へ直接照射される直接照射部に対して重畳するよう、ヘッドから照射するレーザ光を偏向させる光学部材と、を有することを特徴としている。
【００１２】
そして、このレーザ加工装置の場合も、レーザ光の一部を偏向させ、偏向照射部として被加工物へ直接照射する直接照射部に重畳させることができるので、レーザ光の発振効率が極めて良好であるがエネルギー密度が比較的低いレーザダイオードからのレーザ光のエネルギー密度を大幅に高めることができる。また、重畳させることにより照射形状を正方形状に近づけることができる。
【００１３】
また、被加工物とヘッドとを相対移動させる移動機構を有し、移動機構による被加工物に対するヘッドの移動方向に直交する方向もしくは移動方向に沿う方向の一方または双方に光学部材を揺動させる駆動機構を設けても良く、このようにすると、被加工物に溶接加工を行うべく被加工物の開先に沿ってレーザ光の直接照射部を移動させる際に、直接照射部に重畳させた偏向照射部を加工方向に直交する方向へ往復移動させて広い開先を確実に溶接したり、あるいは直接照射部に重畳させた偏向照射部を加工方向に沿う方向へ往復移動させて溶接部分の組織制御や気泡の除去を行うことができる。
【００１４】
また、光学部材をヘッドから照射されるレーザ光の光軸方向に沿って移動可能としても良く、これにより、加工条件に応じて偏向照射部の照射面積を増減させてエネルギー密度を調整することができる。
さらに、レーザ光の透過面が湾曲したプリズムを用いたり光学部材として凸レンズを用いることにより、偏向させるレーザ光を絞り込んでエネルギー密度を高めることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１〜第４実施形態にかかるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を、図面を参照して説明する。なお、各実施の形態において、共通する構成については同符号を付し、その説明を省略する。
（第１実施形態）
図１に示すものは、本実施形態のレーザ加工方法によりレーザ加工を行うためのレーザ加工装置である。
図に示すように、レーザ加工装置１１Ａは、レーザダイオード（ＬＤ）を発振源としたレーザ発振器１２と、このレーザ発振器１２からのレーザ光を光ファイバ１３によって導いて集光するヘッド１４とを有している。なお、光ファイバ１３を用いず、レーザ発振器１２からのレーザ光をヘッド１４で直接集光する構成とすることも可能である。
【００１６】
ヘッド１４は、レーザ発振器１２からのレーザ光の偏向や絞り込みを行う光学系１５を有し、この光学系１５にて絞り込まれたレーザ光をノズル１６から照射し、図示しないテーブルに設置されてヘッド１４に対して相対移動される被加工物Ｗに照射し、被加工物Ｗに溶接などの加工を施す。
【００１７】
ヘッド１４は、ノズル１６からのレーザ光の一部の偏向を行うプリズム（光学部材）２１を有している。
このプリズム２１には、ノズル１６から出るレーザ光の一部が照射される。照射されたレーザ光は、プリズム２１によって偏向され、ノズル１６から出てプリズム２１を通らない残りのレーザ光の照射位置に重畳するよう照射される。
図２に示すように、レーザ加工装置１１Ａの制御部２２には、レーザ発振器１２及びヘッド１４とテーブルとを相対移動させる移動機構２３が接続されており、制御部２２は、レーザ発振器１２及び移動機構２３を加工条件に応じて制御する。
【００１８】
上記のようなレーザ加工装置１１Ａによれば、被加工物Ｗの開先に照射するレーザ光は、図３（ａ）に示すように、プリズム２１が存在しなければ、従来通り略長方形の照射形状となるのに対し、プリズム２１を挿入することで、符号Ｓ２で示した照射部が、図３（ｂ）に示すように、プリズム２１を通らない照射部Ｓ１側に偏向し、重畳する。これにより、ノズル１６からのレーザ光がプリズム２１を通らずに直接照射された照射部Ｓ１（以下、この部分を直接照射部Ｓ１と称する）に、ノズル１６からのレーザ光がプリズム２１によって偏向された照射部Ｓ２（以下、この部分を偏向照射部Ｓ２と称する）が重畳した略正方形状とされ、エネルギー密度が大幅に高められる。
【００１９】
（比較例）
照射形状が長方形状の従来装置と、上記実施形態のレーザ加工装置１１Ａとの溶接速度の比較を行った。
板厚３ｍｍのＳＳ４００の鋼板を４ＫＷの出力にて貫通突き合わせ溶接する際の溶接速度は、従来装置では、０．１ｍ／ｍｉｎ程度であったものが、本実施形態のレーザ加工装置１１Ａでは、０．７ｍ／ｍｉｍ程度まで高速化された。
【００２０】
このように、ヘッド１４からのレーザ光の一部を偏向させ、偏向照射部Ｓ２として被加工物Ｗへ直接照射する直接照射部Ｓ１に重畳させるので、エネルギー密度を高めることができる。したがって、レーザ発振器１２をコンパクト化でき、各種材料への吸収率も高く加工性が良く、さらには、レーザ光の発振効率が極めて良好であるがエネルギー密度が比較的低いレーザダイオードからのレーザ光のエネルギー密度を大幅に高めて優れた加工性能を確保することができる。
また、重畳させることにより照射形状を正方形状に近づけることができ、加工時における方向依存性を抑えることができ、加工の容易化を図ることができる。
【００２１】
（第２実施形態）
図４に示すように、このレーザ加工装置１１Ｂは、プリズム２１に駆動機構２４を備えており、この駆動機構２４は、プリズム２１を、加工方向に平行な回動軸周りに揺動させる。
【００２２】
図５に示すように、駆動機構２４は、レーザ加工装置１１Ｂの制御部２２に接続され、制御部２２は、レーザ発振器１２及び移動機構２３とともに駆動機構２４を制御する。
そして、このレーザ加工装置１１Ｂによれば、被加工物Ｗの開先を溶接する際に、プリズム２１を揺動させることにより、プリズム２１によって偏向される偏向照射部Ｓ２を開先に沿う加工方向に直交する方向へ往復移動させることができる。
【００２３】
これにより、例えば、直接照射部Ｓ１よりも開先が広いために、直接照射部Ｓ１が開先内を通過してしまう場合でも、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、加工方向に直交する方向に往復移動する偏向照射部Ｓ２によって開先を十分に溶融させ、確実に溶接を行うことができる。このような構成によって、開先ギャップに対する許容量を高めることができるのである。
なお、プリズム２１の揺動による偏向照射部Ｓ２の移動は、ギャップの大きさや溶接する被加工物Ｗの板厚、材質等に応じて、制御部２２が駆動機構２４の駆動を制御することにより適切な周期及び移動距離にて行われる。
【００２４】
（第３実施形態）
図７に示すように、このレーザ加工装置１１Ｃでは、駆動機構２５により、プリズム２１が、加工方向に対して直交する回動軸を中心として揺動される構造とされている。
そして、このレーザ加工装置１１Ｃの場合は、被加工物Ｗの開先を溶接する際に、プリズム２１を揺動させることにより、プリズム２１によって偏向される偏向照射部Ｓ２を加工方向に沿って移動させることができる。
【００２５】
そして、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、偏向照射部Ｓ２を加工方向に沿う方向に往復移動させながら溶接することにより、溶接直後の溶融金属の冷却速度を調整して組織制御を行うことができ、また、溶接直後の金属中の気泡を、攪拌を促進させることにより除去することができ、溶接箇所の質を高めることができる。
なお、プリズム２１の揺動による偏向照射部Ｓ２の移動は、溶接速度や溶接する被加工物Ｗの板厚、材質等に応じて、制御部２２が駆動機構２５の駆動を制御することにより適切な周期及び移動距離にて行われる。
【００２６】
（第４実施形態）
図９に示すように、このレーザ加工装置１１Ｄでは、プリズム２１に代えて凸レンズ（光学部材）３１が光軸に対して傾けて設けられており、この凸レンズ３１によってレーザ光の一部が偏向され、図１０に示すように、この偏向された偏向照射部Ｓ２が直接照射部Ｓ１に重畳されている。
そして、このレーザ加工装置１１Ｄでは、直接照射部Ｓ１へ重畳させる偏向照射部Ｓ２のエネルギー密度が凸レンズ３１によってさらに高められるので、さらなる高エネルギー密度のレーザ光による溶接が可能とされる。
【００２７】
また、このレーザ加工装置１１Ｄの凸レンズ３１を、レーザ光の照射方向に沿って移動可能とすることにより、偏向照射部Ｓ２の照射面積を可変可能とすることができる。
つまり、凸レンズ３１を移動させ、図１１（ａ）に示すように、偏向照射部Ｓ２の照射面積を小さくすれば、より高いエネルギー密度による加工が可能となり、図１１（ｂ）に示すように、偏向照射部Ｓ２の照射面積を大きくすれば、広範囲の加工が可能となる。
【００２８】
さて、上記の各実施形態で示したような構成を適用することにより、以下のような効果を奏することが可能となる。
・レーザ光のエネルギー密度を高めることができ、従来は利用が困難であった状況においてもＤＤＬを利用することが可能となる。
・開先ギャップの許容量を増大させることができる。
・気泡等の欠陥を防止し、加工品質を向上させることができる。
【００２９】
なお、レーザ加工装置１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃのプリズム２１をレーザ光の光軸方向に沿って移動させて、偏向照射部Ｓ２の照射面積を可変させるようにしても良い。
また、プリズム２１のレーザ光の透過面を湾曲面として曲率を持たせ、凸レンズ３１と同様な集光効果を持たせることも可能である。
なお、上記の例では、一つのプリズム２１あるいは凸レンズ３１を設けたが、これらプリズム２１あるいは凸レンズ３１の数は一つに限らず、必要に応じて複数のプリズム２１あるいは凸レンズ３１を設けても良いことは勿論である。
また、上記実施形態では、レーザ加工装置１１Ａ〜１１Ｄを、溶接加工を行うことを例にとって説明したが、例えば、ロウ付け時には、レーザ光の一部を偏光させることで、ビームの一部を材料加熱に、残りをワイヤ溶融に利用することが可能となる。また、これらレーザ加工装置１１Ａ〜１１Ｄは、溶接加工に限らず、切断加工、表面加工、肉盛りなどの各種の加工を行うことができる。例えば、切断加工時には、切断対象に応じて投入エネルギー密度分布の制御が可能である。また、肉盛り時には溶融部の過熱分布を制御し、肉盛り端部の加熱不足を防止することも可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、レーザ光の一部を偏向させ、偏向照射部として被加工物へ直接照射する直接照射部に重畳させる構成とした。これにより、レーザ光の発振効率が極めて良好であるが出力が比較的低いレーザダイオードからのレーザ光のエネルギー密度を大幅に高めることができ、優れた加工性能を確保することができる。その結果、レーザ発振器をコンパクト化でき、各種材料への吸収率も高く加工性を良好なものとすることができる。
また、重畳させることにより照射形状を正方形状に近づけることができ、加工時における方向依存性を抑えることができ、加工の容易化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のレーザ加工装置の構成を説明するレーザ加工装置の概略構成図である。
【図２】レーザ加工装置の制御系を示す制御ブロック図である。
【図３】レーザ加工装置により溶接される被加工物の平面図である。
【図４】本発明の第２実施形態のレーザ加工装置の構成を説明するレーザ加工装置の概略構成図である。
【図５】レーザ加工装置の制御系を示す制御ブロック図である。
【図６】レーザ加工装置により溶接される被加工物の平面図である。
【図７】本発明の第３実施形態のレーザ加工装置の構成を説明するレーザ加工装置の概略構成図である。
【図８】レーザ加工装置により溶接される被加工物の平面図である。
【図９】本発明の第４実施形態のレーザ加工装置の構成を説明するレーザ加工装置の概略構成図である。
【図１０】レーザ加工装置により溶接される被加工物の平面図である。
【図１１】レーザ加工装置により溶接される被加工物の平面図である。
【図１２】従来のレーザ加工装置の構成を説明するレーザ加工装置の概略構成図である。
【図１３】レーザ加工装置により溶接される被加工物の平面図である。
【符号の説明】
１１Ａ〜１１Ｄ…レーザ加工装置、１２…レーザ発振器、１４…ヘッド、２１…プリズム（光学部材）、２４…駆動機構、３１…凸レンズ（光学部材）、Ｓ１…直接照射部、Ｓ２…偏向照射部、Ｗ…被加工物

Claims

レーザダイオードからのレーザ光を被加工物に照射して加工を施すレーザ加工方法であって、
前記被加工物へ前記レーザ光を直接照射する直接照射部に対し、前記レーザ光の一部を偏向させて照射する偏向照射部を重畳させることを特徴とするレーザ加工方法。
前記被加工物に溶接加工を行うべく前記被加工物の開先に沿って前記レーザ光の直接照射部を移動させるとともに、前記直接照射部に重畳させた前記偏向照射部を加工方向に直交する方向へ往復移動させることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
前記被加工物に溶接加工を行うべく前記被加工物の開先に沿って前記レーザ光の直接照射部を移動させるとともに、前記直接照射部に重畳させた前記偏向照射部を加工方向に沿う方向へ往復移動させることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
レーザダイオードを発振源とするレーザ発振器と、
前記レーザ発振器のレーザダイオードからのレーザ光を被加工物へ照射するヘッドと、
前記ヘッドから照射されるレーザ光を前記被加工物へ直接照射される直接照射部に対して重畳するよう、前記ヘッドから照射するレーザ光を偏向させる光学部材と、
を有することを特徴とするレーザ加工装置。
前記被加工物と前記ヘッドとを相対移動させる移動機構を有し、該移動機構による前記被加工物に対する前記ヘッドの移動方向に直交する方向もしくは移動方向に沿う方向の一方または双方に、前記光学部材を揺動させる駆動機構を設けたことを特徴とする請求項４記載のレーザ加工装置。
前記光学部材を前記ヘッドから照射されるレーザ光の光軸方向に沿って移動可能としたことを特徴とする請求項４または請求項５記載のレーザ加工装置。
前記光学部材としてプリズムを用いたことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
前記プリズムにおける前記レーザ光の透過面が湾曲していることを特徴とする請求項７記載のレーザ加工装置。
前記光学部材として凸レンズを用いたことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項記載のレーザ加工装置。