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WO2024062542A1 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

レーザ加工装置及びレーザ加工方法 Download PDF

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WO2024062542A1
WO2024062542A1 PCT/JP2022/035041 JP2022035041W WO2024062542A1 WO 2024062542 A1 WO2024062542 A1 WO 2024062542A1 JP 2022035041 W JP2022035041 W JP 2022035041W WO 2024062542 A1 WO2024062542 A1 WO 2024062542A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser
laser beam
workpiece
laser processing
processing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2022/035041
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
謙吾 清田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fanuc Corp
Original Assignee
Fanuc Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fanuc Corp filed Critical Fanuc Corp
Priority to PCT/JP2022/035041 priority Critical patent/WO2024062542A1/ja
Publication of WO2024062542A1 publication Critical patent/WO2024062542A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing device and a laser processing method, and particularly to a laser processing device and a laser processing method that perform processing while changing the beam profile of a laser beam irradiated onto a workpiece.
  • Laser processing equipment such as laser cutting machines and laser welding machines transmits a laser beam output from a laser oscillator, irradiates the workpiece, and performs specified processing by moving the laser beam and the workpiece relative to each other. Can be done.
  • the energy density (beam profile) per unit processing length on the processing path must be uniform (within a specified range). It is desirable that
  • the processing path for the workpiece consists of a simple straight line, it is possible to make the energy density per unit processing length uniform if processing is performed at a constant processing speed and constant laser output. can.
  • laser processing is performed in situations where the heat capacity of the workpiece is unbalanced, such as when the machining path includes corners or curved parts, or when machining is performed near the edge of the workpiece. In some cases, the balance of heat input to the workpiece may not be uniform, which may affect machining quality.
  • Patent Document 1 discloses a laser beam including a second beam portion having a second power density inside a first beam portion having a first power density.
  • a processing method is disclosed in which the power density of the laser beam is arbitrarily controlled by swinging the second beam part inside the first beam part when processing the workpiece by irradiating the laser beam with the laser beam. .
  • the spot of the laser beam can be adjusted according to the change in heat capacity, so it is said that the occurrence of defects can be suppressed.
  • the first beam portion and the second beam portion are placed on the same optical path from separate laser light sources.
  • the controller includes at least a wedge prism that rotates the focal point of the laser beam around a predetermined rotation axis, and the control device includes a rotation angle control unit that controls the rotation angle of the focal point, and a rotation angle control unit that controls the rotation angle of the focal point.
  • the apparatus further includes an output control section that controls the output of the laser beam according to the angle.
  • a laser processing method in which processing is performed while changing the beam profile of a laser beam irradiated onto a workpiece, the focal point of the laser beam on the workpiece is rotated around a predetermined rotation axis.
  • the method includes at least a beam moving step of relatively moving the workpiece and a predetermined rotational axis while the laser beam is moving, and in the beam moving step, the output of the laser beam is controlled in accordance with the rotational angle of the focal point.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a laser processing apparatus according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing an example of a specific configuration of the processing head shown in FIG. 1.
  • FIG. FIG. 2 is a block diagram showing an example of a specific configuration of the control device shown in FIG. 1 and the relationship between the control device and each component of the laser processing device.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a typical example of a processing path and a beam profile in the laser processing method according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a typical example of a processing path and a beam profile in the laser processing method according to the first embodiment.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows an example of the processing path and beam profile in the laser processing method by the 1st modification of 1st Embodiment. It is a schematic diagram which shows an example of the processing path and beam profile in the laser processing method by the 1st modification of 1st Embodiment. It is a schematic diagram which shows an example of the processing path and beam profile in the laser processing method by the 2nd modification of 1st Embodiment. It is a schematic diagram which shows an example of the processing path and beam profile in the laser processing method by the 2nd modification of 1st Embodiment. It is a schematic diagram which shows an example of the processing path and beam profile in the laser processing method by the 2nd modification of 1st Embodiment. FIG.
  • FIG. 7 is a partial cross-sectional view showing an example of a specific configuration of a processing head included in a laser processing apparatus according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a typical example of a processing path and a beam profile in the laser processing method according to the second embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of a specific configuration of a laser oscillator included in a laser processing apparatus according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a typical example of a processing path and a beam profile in a laser processing method according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a block diagram showing an example of a specific configuration of a laser oscillator included in a laser processing apparatus according to a first modification of the third embodiment.
  • FIG. 7 is a block diagram showing an example of a specific configuration of a laser oscillator included in a laser processing apparatus according to a second modification of the third embodiment.
  • 13 is a front view showing an example of the blocking plate shown in FIG. 12.
  • FIG. 7 is a block diagram showing an example of a specific configuration of a laser oscillator included in a laser processing apparatus according to a third modification of the third embodiment.
  • 15 is a front view showing an example of the blocking plate shown in FIG. 14.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a laser processing apparatus according to a first embodiment, which is a typical example of the present invention.
  • FIG. 2 is a partial sectional view showing an example of a specific configuration of the processing head shown in FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of a specific configuration of the control device shown in FIG. 1 and the relationship between the control device and each component of the laser processing device.
  • the laser processing apparatus 100 includes, for example, a laser oscillator 110 that emits a laser beam LB, a processing head 120 that guides the laser beam LB to irradiate the workpiece W, and a workpiece W.
  • the laser processing apparatus 100 includes a work holding mechanism 130 that moves the processing head 120 relative to the processing head 120, a head transport mechanism 140 that moves the processing head 120, and a control device 150 that controls the operation of each component of the laser processing apparatus 100.
  • the laser processing apparatus in this specification executes a predetermined process by irradiating a workpiece W with a laser beam, such as laser welding, laser cutting, laser drilling (trepanning), laser marking, laser dicing, or laser annealing. It can be applied to any processing equipment that In addition, in the following embodiment, the case of laser cutting among the above-mentioned laser processing will be explained as an example.
  • the laser oscillator 110 is a laser oscillation source having a wavelength with high absorption efficiency according to the material of the workpiece W to be processed.
  • Examples of such a laser oscillator 110 include a gas laser oscillator using a laser gas such as CO2 gas as a laser medium, a solid-state laser oscillator using a solid medium such as a YAG rod, a fiber laser oscillator, or a laser diode (LD).
  • the laser beam LB emitted from the laser oscillator 110 is transmitted to the processing head 120 via an arbitrary transmission path 112.
  • the laser beam LB is introduced from one end (upper end) side and is emitted toward the workpiece W from the nozzle 122 at the other end (lower end) side. At this time, the laser beam LB is condensed to a predetermined beam diameter at a condensing point FP on the workpiece W by a condensing lens CL disposed inside the processing head 120.
  • a supply pipe (not shown) for introducing an assist gas or a shielding gas may be connected to the nozzle 122 to inject these gases coaxially with the laser beam LB.
  • the processing head 120 is provided with a lens moving mechanism 124 that moves the condenser lens CL in a direction along the optical axis of the laser beam LB.
  • the focal length of the laser beam LB can be changed without changing the distance of the processing head 120 from the workpiece W.
  • the processing head 120 includes a wedge prism WP that shifts the optical axis of the laser beam LB in a predetermined direction between the nozzle 122 and the condenser lens CL, and a wedge prism WP that rotates the wedge prism WP around the optical axis of the laser beam LB.
  • a prism rotation mechanism 126 that rotates the prism rotation mechanism 126 and a motor 128 that applies rotational force to the prism rotation mechanism 126 are provided.
  • the wedge prism WP rotates, and the focal point FP of the laser beam LB on the work W rotates around a predetermined rotation axis (that is, the optical axis of the laser beam LB introduced into the processing head 120). do.
  • a molten pool MP is formed in the workpiece W by the laser beam LB absorbed by the rotating focal point FP.
  • the work holding mechanism 130 includes a chuck mechanism (not shown) for attaching the work W, and is configured to grip and fix the work W.
  • the work holding mechanism 130 may include not only a mechanism for moving the work W in the three axial directions of XYZ, but also a rotation mechanism.
  • the head transport mechanism 140 is configured as a linear drive body that moves relative to each other in three axes directions of XYZ orthogonal to each other, and the processing head 120 is attached to one end of the linear drive body.
  • the head transport mechanism 140 may be configured as a 6-axis or 7-axis type industrial robot including a robot arm with the processing head 120 attached to one end.
  • the control device 150 receives detection data from various sensors provided in the laser processing device 100, and also includes a main control section 151 that controls the operation of each section described below, and a database.
  • a program analysis unit 152 reads a machining program stored in a computer, etc., and analyzes the machining program, and an irradiation position command signal that instructs the irradiation position of the laser beam LB onto the work W based on the analysis result of the machining program.
  • the irradiation position control unit 153 outputs to the workpiece holding mechanism 130 and the head transport mechanism 140, and the rotational position of the focal point FP of the laser beam LB on the workpiece W (i.e., the wedge prism WP
  • a rotation angle control unit 154 outputs driving power to the motor 128 to the processing head 120 to set the rotation angle (rotation angle of An output control section 155 that outputs a command signal to the laser oscillator 110, a display section 156 that displays operation information of the laser processing apparatus 100 such as the above-mentioned detection data, and an interface 157 that allows an operator to input various information.
  • FIG. 3 shows an example in which the display unit 156 and the interface 157 are configured separately, a panel display unit capable of touch input may be used as the display unit 156 to integrate the two. It may be configured as follows.
  • the main control unit 151 sends control commands analyzed by a program analysis unit 152 (described later) to an irradiation position control unit 153, a rotation angle control unit 154, an output control unit 155, or a display unit 156 for each content, and It is connected to various sensors, etc. (not shown) of the processing device 100, and receives these detection signals.
  • the main control unit 151 receives position information of the work W and the processing head 120 from position sensors provided in the work holding mechanism 130 and the head transport mechanism 140, or receives position information of the work W and the processing head 120 from an output detector (not shown). It may be configured to receive output values of the beam LB and perform feedback control based on these detected data.
  • the program analysis unit 152 controls the machining path included in the machining program, the output of the laser beam LB, etc. by reading blocks of the machining program from an external storage device (not shown) such as a database and analyzing them. Distinguishes the command and temporarily stores and saves the loaded machining program block. Then, the program analysis section 152 sends a control command for the determined machining program to the main control section 151.
  • the irradiation position control unit 153 receives control commands including the optical axis and focal position of the laser beam LB and the movement position of the work W based on the processing program from the main control unit 151, and controls the work holding mechanism 130 and the head transport.
  • An irradiation position command signal is output to the mechanism 140 individually.
  • the irradiation position control unit 153 determines the irradiation coordinate value of the focal point FP when the laser beam LB is irradiated onto the work W based on the command position for the work holding mechanism 130 and the movement position for the head transport mechanism 140. It may be configured to have a function of calculating (x, y, z) and sending it back to the main control unit 151.
  • the rotation angle control unit 154 receives a control command including the rotation position or rotation speed of the focal point FP of the laser beam LB based on the processing program from the main control unit 151, and adjusts the rotation speed to the rotation angle control unit 154.
  • a corresponding drive power is output to the motor 128 of the processing head 120.
  • the wedge prism WP in order to obtain a uniform intensity distribution (beam profile) at the focal point FP of the laser beam LB, the wedge prism WP must be sufficiently fast relative to the processing speed (moving speed of the optical axis of the laser beam LB). need to rotate.
  • the rotation speed (rotation frequency) of the wedge prism WP is set to about several hundred Hz.
  • the output control unit 155 receives a control command including an output value of the laser beam LB corresponding to the irradiation coordinate values (x, y, z) on the machining path based on the machining program from the main control unit 151, An output command signal is output to the laser oscillator 110.
  • the output control unit 155 also receives a control signal including the rotational position or rotational speed of the focal point FP from the main control unit 151, and associates the rotational position or rotational speed with the machining path. It also has a function of controlling the output of the laser beam LB for each rotation angle of the focal point FP.
  • FIGS. 4A and 4B are schematic diagrams showing typical examples of the processing path and beam profile in the laser processing method according to the first embodiment.
  • FIG. 5A and FIG. 5B are schematic diagrams showing an example of a processing path and a beam profile in a laser processing method according to a first modification of the first embodiment.
  • FIGS. 6A to 6C are schematic diagrams showing examples of processing paths and beam profiles in the laser processing method according to the second modification of the first embodiment.
  • the laser beam LB irradiated onto the workpiece W moves in the processing direction TD while forming a molten pool MP.
  • a cut surface CS is formed on the processing path.
  • FIG. 4B which is an enlarged view of region A in FIG. 4A
  • the wedge prism WP of the processing head 120 rotates, so that the focal point FP of the laser beam LB is aligned in the rotational direction RD along the beam path BP. Rotate.
  • the assist gas is injected coaxially with the laser beam LB from the nozzle 122 of the processing head 120, thereby blowing off the material of the molten pool MP and forming the cut surface CS.
  • the first modification of the first embodiment shows a case where the machining path is set near the end surface of the workpiece W, as shown in FIG. 5A. That is, in the first modification, a case is illustrated in which the distance D1 to one end surface of the machining route is smaller than the distance D2 to the other end surface, and the heat capacity on the distance D1 side is small.
  • the output of the laser beam LB in the left beam path BP1 with respect to the processing progress direction TD is set to be lower than the output in the right beam path BP2.
  • Ru the output control unit 155 outputs an output command signal that reduces the output of the laser beam LB while the rotation angle of the focal point FP is in the region of the beam path BP1. This makes it possible to perform processing with a beam profile in which the intensity distribution is smaller on the side with smaller heat capacity.
  • the second modification of the first embodiment shows a case where the processing path has a bending region including the corner CP. That is, in the second modification, since the machining speed decreases near the corner CP when passing through the bending region, a case is exemplified in which excessive heat input at the corner CP is suppressed.
  • the output of the laser beam LB in the beam path BP1 on the right side in the diagram where the corner CP is located is The output is set to be lower than the output in the upper left beam path BP2. That is, the output control unit 155 outputs an output command signal that reduces the output of the laser beam LB while the rotation angle of the focal point FP is in the region of the beam path BP1.
  • the output of the laser beam LB in the beam path BP1 on the upper and lower sides in the figure where the corner CP is located changes to the upper side in the figure.
  • the output is set to be lower than the output in the beam path BP2. That is, the output control unit 155 outputs an output command signal that reduces the output of the laser beam LB while the rotation angle of the focal point FP is in the region of the beam path BP1.
  • machining is performed with a beam profile where the intensity distribution is smaller on the side with smaller heat capacity. By doing so, it is possible to prevent burn-through from occurring at the corner CP.
  • FIGS. 6A to 6C the case where the bending area is bent at a substantially right angle including the corner CP is illustrated, but when the bending area is bent at an arbitrary angle such as an acute angle or an obtuse angle, or a curved bending area is This may also include the case where it is formed on a processing path.
  • the laser processing apparatus and laser processing method rotate the focal point of the laser beam on the workpiece around a predetermined rotation axis, and rotate the focus point of the laser beam on the workpiece at a predetermined position.
  • the output of the laser beam is controlled according to the rotation angle of the focal point. Therefore, since there is no need for multiple laser oscillators or an additional optical system for separating or superimposing laser beams, the energy distribution (beam profile) of the laser beam can be controlled without increasing the size or complexity of the device configuration.
  • FIG. 7 is a partial sectional view showing an example of a specific configuration of a processing head included in a laser processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a typical example of a processing path and a beam profile in the laser processing method according to the second embodiment.
  • parts that can have the same or common configurations as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. The explanation of the repetition of is omitted.
  • the laser processing apparatus according to the second embodiment differs in configuration from the laser processing apparatus according to the first embodiment in that the processing head 220 additionally includes a mechanism for moving the wedge prism WP in a direction along the optical axis of the laser beam LB.
  • the laser processing apparatus 100 according to the second embodiment has the function of changing the position of the wedge prism WP in the direction along the optical axis of the laser beam LB within the processing head 220, thereby changing the rotation radius of the focal point FP on the workpiece W.
  • the processing head 220 includes a nozzle 222 that emits the laser beam LB introduced from one end (upper end) side, and a condenser that focuses the laser beam LB.
  • a lens moving mechanism 224 that moves the lens CL in a direction along the optical axis of the laser beam LB
  • a prism rotating mechanism 226 that rotates the wedge prism WP around the optical axis of the laser beam LB, and a rotational force is applied to the prism rotating mechanism 226.
  • a prism moving mechanism 229 that moves the prism rotation mechanism 226 in a direction along the optical axis of the laser beam LB.
  • the distance from the focal point FP to the rotation center RC (i.e., the rotation radius) can be changed arbitrarily. That is, when the wedge prism WP is located at a relative distance from the work W, the focal point FP rotates on the beam path BP with a rotation radius R1, as shown on the left side of the figure. On the other hand, when the wedge prism WP is located relatively close to the workpiece W, the focal point FP rotates on the beam path BP with a rotation radius R2, as shown on the right side of the figure.
  • the flow of assist gas can be improved by increasing the turning radius R1 of the focal point FP to artificially increase the size of the molten pool. You can increase the machining speed.
  • the turning radius R2 of the focal point FP when cutting a thin plate workpiece W, by reducing the turning radius R2 of the focal point FP to minimize the necessary heat input, it is possible to increase the processing speed and improve the yield. . Note that when cutting a thin plate whose diameter of the molten pool is approximately equal to the diameter of the focal point FP of the laser beam, the cutting may be performed without rotating the wedge prism WP.
  • the laser processing apparatus and laser processing method according to the second embodiment have the effects described in the first embodiment, as well as the effects of the wedge prism in the direction along the optical axis of the laser beam.
  • the position and changing the radius of rotation of the focal point on the workpiece it becomes possible to control the diameter of the molten pool according to the thickness of the workpiece and improve the processing speed.
  • FIG. 9 is a block diagram showing an example of a specific configuration of a laser oscillator included in a laser processing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a typical example of a processing path and a beam profile in a laser processing method according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a block diagram showing an example of a specific configuration of a laser oscillator included in a laser processing apparatus according to a first modified example of the third embodiment.
  • FIG. 12 is a block diagram showing an example of a specific configuration of a laser oscillator included in a laser processing apparatus according to a second modified example of the third embodiment.
  • FIG. 13 is a front view showing an example of a blocking plate shown in FIG. 12.
  • FIG. 14 is a block diagram showing an example of a specific configuration of a laser oscillator included in a laser processing apparatus according to a third modified example of the third embodiment.
  • FIG. 15 is a front view showing an example of a blocking plate shown in FIG. 14.
  • the third embodiment in the schematic diagrams shown in FIGS. 1 to 8, those that can adopt the same or common configuration as the first and second embodiments are given the same reference numerals and repeated explanations of these are omitted.
  • the laser processing apparatus is different in that the control device 150 controls the output of the laser oscillator 300 by pulse oscillation instead of continuous oscillation. and laser processing methods. That is, in the laser processing apparatus 100 according to the third embodiment, a mechanism for pulse-oscillating the laser beam LB is added to the laser oscillator 300, and the control device 150 controls the operation of the added mechanism. It is configured.
  • the laser oscillator 310 includes a laser oscillation source 312, a drive power source 314 that supplies drive power to the laser oscillation source 312, and It includes a switching mechanism 316 that outputs the continuously emitted laser beam LB in a pulsed manner.
  • a solid-state laser is used as the laser oscillation source 312.
  • the laser oscillation source 312 includes a laser medium 312a that stimulatedly emits laser, a pair of electrodes 312b that discharges excitation light into the laser medium 312a, and a pair of mirrors 312c and 312d that resonate and amplify the stimulatedly emitted laser. including.
  • a laser medium 312a shown in FIG. 9 a YAG rod or the like as a solid medium can be exemplified.
  • the drive power supply 314 supplies drive power corresponding to a predetermined output value of the laser beam LB to the pair of electrodes 312b based on an output command signal from the output control unit 155 of the control device 150.
  • the pair of electrodes 312b discharge excitation light to the laser medium 312a while the driving power is supplied.
  • the switching mechanism 316 controls the emission timing of the laser beam LB emitted from the laser oscillation source 312 based on the cycle of pulse oscillation on/off information included in the output command signal from the output control unit 155.
  • the focal point FP of the laser beam LB intermittently rotates in the rotational direction RD along the beam path BP. Then, the laser beam LB irradiated onto the workpiece W in a pulsed manner moves in the processing progress direction TD while forming a molten pool MP, thereby forming a cut surface CS on the processing path.
  • a first modification of the third embodiment is, for example, as shown in FIG. 11, in which a gas laser is used as the laser oscillation source 312, and a forward/backward mechanism that moves the blocking plate 318a in and out is used as the switching mechanism 316. .
  • a laser oscillator 310 uses a discharge tube filled with a laser gas such as CO 2 gas as a laser medium as a laser oscillation source 312, and a pair of discharge tubes.
  • a shielding plate (slit) 318a made of a material that blocks the amplified laser is attached to a base member 318b between the mirrors 312c and 312d, and a slider 318c for moving the base member 318b is provided. .
  • the emission timing of the laser beam LB is controlled by moving the blocking plate 318a in and out based on the period of the pulse oscillation on/off information.
  • the laser oscillator 310 has a shielding plate 318a as a disk, and includes a motor 318e that rotates the shielding plate 318a as an advancing/retracting mechanism, as shown in FIG. 12, for example.
  • the blocking plate 318a periodically opens the blocking portion 319a corresponding to the off period Toff and the notch portion 319b corresponding to the on period Ton with respect to the oscillation period T of the pulse oscillation. It is constructed as a disk containing.
  • the shielding plate 318a formed in this way to the shaft member 318d and rotating it by the motor 318e, the shielding part 319a and the notch part 319b repeatedly move forward and backward with respect to the laser oscillation source 312 at a predetermined period.
  • the rotational speed of the motor 318e that rotates the blocking plate 318a and the rotational speed of the motor 128 that rotates the wedge prism WP are synchronized.
  • the rotation angle of the focal point FP of the laser beam LB and the oscillation period T of pulse oscillation can be synchronized.
  • the laser oscillator 310 includes a combination of shaft members 318d1 and 318d2 and motors 318e1 and 318e2 that rotate shielding plates 318a1 and 318a2 having the same shape, as shown in FIG. 14, for example.
  • Two sets are provided, and these two sets are arranged in series between a pair of mirrors 312c and 312d, and are controlled to rotate in the same direction independently of each other.
  • the motors 318e1 and 318e2 to rotate while shifting the positions of the notches 319b to have a phase difference ⁇ , the on-off state in the oscillation period T of the pulse oscillation is controlled.
  • the timing (duty ratio) of the period Ton and the off period Toff can be adjusted arbitrarily.
  • the rotation control for the two motors 318e1 and 318e2 in the third modification can be adjusted independently during processing. For example, by making the rotational speed of the motor 318e1 and the motor 318e2 variable during laser processing, the on-period Ton can be shortened in a region where the output of the laser beam LB is desired to be low, and conversely, in a region where the output is desired to be high. Since the on-period Ton can be set to be longer in the beam spot, more detailed control of heat input is possible for each beam spot region.
  • the laser processing apparatus and laser processing method according to the third embodiment can achieve the effects described in the first and second embodiments by using a pulsed laser beam.
  • a pulsed laser beam In order to form a molten pool on the workpiece, it is possible to irradiate the workpiece with a laser beam that requires minimal heat input, and as a result, it is possible to suppress excessive heat input and improve processing accuracy.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, and can be modified as appropriate without departing from the spirit.
  • any component of the embodiments may be modified or any component of the embodiments may be omitted.
  • the specific examples shown in the first to third embodiments may be applied by combining their respective characteristics.
  • Laser processing device 110 Laser oscillator 112 Transmission path 120 Processing head 122 Nozzle 124 Lens moving mechanism 126 Prism rotation mechanism 128 Motor 130 Work holding mechanism 140 Head transport mechanism 150 Control device 151 Main control section 152 Program analysis section 153 Irradiation position control section 154 Rotation angle control section 155 Output control section 156 Display section 157 Interface 220 Processing head 222 Nozzle 224 Lens movement mechanism 226 Prism rotation mechanism 228 Motor 229 Prism movement mechanism 310 Laser oscillator 312 Laser oscillation source 312a Laser medium 312b Electrode 312c Mirror 312d mirror 314 Drive power source 316 Switching mechanism 318a Shutoff plate 318a1 Shutoff plate 318a2 Shutoff plate 318b Base member 318c Slider 318d Shaft member 318d1 Shaft member 318d2 Shaft member 318e Motor 318e1 Motor 318e2 Motor 319a Shutoff portion 319b Notch BP Beam path CL Condenser lens FP Condenser Point LB Laser beam MP Mol

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Abstract

本発明は、ワークに照射されるレーザビームのビームプロファイルを変化させつつ加工を行うレーザ加工装置であって、レーザビームを出射するレーザ発振器と、レーザビームをワークに照射させるよう導く加工ヘッドと、ワークを保持して加工ヘッドと相対移動させるワーク保持機構と、レーザ加工装置の各構成要素の動作を制御する制御装置と、を備え、上記加工ヘッドは、レーザビームの光路中に、ワーク上におけるレーザビームの集光点を所定の回動軸まわりに回動させるウェッジプリズムを少なくとも含み、上記制御装置は、上記集光点の回動角度を制御する回動角度制御部と、当該回動角度に応じてレーザビームの出力を制御する出力制御部と、をさらに含む。

Description

レーザ加工装置及びレーザ加工方法
　本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関し、特に、ワークに照射されるレーザビームのビームプロファイルを変化させつつ加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
　レーザ切断機やレーザ溶接機等のレーザ加工装置は、レーザ発振器から出力されたレーザビームを伝送してワークに照射し、当該レーザビームとワークとを相対移動させることにより、所定の加工を行うことができる。特に、レーザ切断加工において良好な切断断面を得る、あるいはレーザ溶接加工において安定した溶接ビードを得るためには、加工経路上での単位加工長あたりのエネルギ密度（ビームプロファイル）が均一（所定範囲）であることが望ましい。
　このようなレーザ加工において、ワークに対する加工経路が単なる直線で構成される場合に、一定の加工速度及び一定のレーザ出力の下で加工を行えば単位加工長あたりのエネルギ密度を均一とすることができる。しかしながら、加工経路に角部や曲線部等が含まれる場合や、ワーク端部の近傍での加工等、ワークの熱容量のバランスに偏りが存在する状態でレーザ加工を行う場合があり、このような場合には、ワークへの入熱バランスが均一とならずに加工品質に影響が出ることがあった。
　こうした問題を解決することを意図して、例えば特許文献１には、第１のパワー密度を有する第１のビーム部分の内部に、第２のパワー密度を有する第２のビーム部分を含むレーザビームをワークに照射して加工を行う際に、上記第２のビーム部分を第１のビーム部分の内部で揺動させることで、レーザビームのパワー密度を任意に制御する加工方法が開示されている。このような加工方法によれば、熱容量の変化に応じてレーザビームのスポットを調整できるため、欠陥の発生を抑制できるとされている。
特開２０１８－１８０７８０号公報
　上記のように、第１のビーム部分と第２のビーム部分とを重ね合わせてエネルギ密度の調整を行う場合、これらの第１ビーム部分及び第２ビーム部分を別々のレーザ光源から同一の光路に導くか、あるいは１つのレーザ光源から２つのビーム部分に分岐した後に再度同一の光路に導く必要がある。したがって、複数のレーザ光源やあるいは分光光学系を用いた上にビームを同軸に重畳させる光学系をも必要とするため、レーザ加工装置全体の構成が大型化あるいは複雑化してしまうという問題がある。
　このような経緯から、装置構成を大型化あるいは複雑化することなく、レーザビームのエネルギ分布（ビームプロファイル）を制御できる技術が求められている。
　本発明の一態様による、ワークに照射されるレーザビームのビームプロファイルを変化させつつ加工を行うレーザ加工装置は、レーザビームを出射するレーザ発振器と、レーザビームをワークに照射させるよう導く加工ヘッドと、ワークを保持して加工ヘッドと相対移動させるワーク保持機構と、レーザ加工装置の各構成要素の動作を制御する制御装置と、を備え、上記加工ヘッドは、レーザビームの光路中に、ワーク上におけるレーザビームの集光点を所定の回動軸まわりに回動させるウェッジプリズムを少なくとも含み、上記制御装置は、上記集光点の回動角度を制御する回動角度制御部と、当該回動角度に応じてレーザビームの出力を制御する出力制御部と、をさらに含む。
　また、本発明の一態様による、ワークに照射されるレーザビームのビームプロファイルを変化させつつ加工を行うレーザ加工方法は、ワーク上におけるレーザビームの集光点を所定の回動軸まわりに回動させつつ、ワークと所定の回動軸とを相対移動させるビーム移動ステップを少なくとも含み、当該ビーム移動ステップにおいて、上記集光点の回動角度に応じてレーザビームの出力を制御する。
第１の実施形態によるレーザ加工装置の構成を示す概略図である。 図１で示した加工ヘッドの具体的な構成の一例を示す部分断面図である。 図１で示した制御装置の具体的な構成の一例、及び当該制御装置とレーザ加工装置の各構成要素との関係を示すブロック図である。 第１の実施形態によるレーザ加工方法における加工経路及びビームプロファイルの代表的な一例を示す模式図である。 第１の実施形態によるレーザ加工方法における加工経路及びビームプロファイルの代表的な一例を示す模式図である。 第１の実施形態の第１変形例によるレーザ加工方法における加工経路及びビームプロファイルの一例を示す模式図である。 第１の実施形態の第１変形例によるレーザ加工方法における加工経路及びビームプロファイルの一例を示す模式図である。 第１の実施形態の第２変形例によるレーザ加工方法における加工経路及びビームプロファイルの一例を示す模式図である。 第１の実施形態の第２変形例によるレーザ加工方法における加工経路及びビームプロファイルの一例を示す模式図である。 第１の実施形態の第２変形例によるレーザ加工方法における加工経路及びビームプロファイルの一例を示す模式図である。 第２の実施形態によるレーザ加工装置に含まれる加工ヘッドの具体的な構成の一例を示す部分断面図である。 第２の実施形態によるレーザ加工方法における加工経路及びビームプロファイルの代表的な一例を示す模式図である。 第３の実施形態によるレーザ加工装置に含まれるレーザ発振器の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 第３の実施形態によるレーザ加工方法における加工経路及びビームプロファイルの代表的な一例を示す模式図である。 第３の実施形態の第１変形例によるレーザ加工装置に含まれるレーザ発振器の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 第３の実施形態の第２変形例によるレーザ加工装置に含まれるレーザ発振器の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 図１２に示した遮断板の一例を示す正面図である。 第３の実施形態の第３変形例によるレーザ加工装置に含まれるレーザ発振器の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 図１４に示した遮断板の一例を示す正面図である。
　以下、本発明の代表的な一例によるレーザ加工装置及びレーザ加工方法の実施形態を図面と共に説明する。
＜第１の実施形態＞
　図１は、本発明の代表的な一例である第１の実施形態によるレーザ加工装置の構成を示す概略図である。また、図２は、図１で示した加工ヘッドの具体的な構成の一例を示す部分断面図である。さらに、図３は、図１で示した制御装置の具体的な構成の一例、及び当該制御装置とレーザ加工装置の各構成要素との関係を示すブロック図である。
　図１に示すように、レーザ加工装置１００は、その一例として、レーザビームＬＢを出射するレーザ発振器１１０と、レーザビームＬＢをワークＷに照射させるように導く加工ヘッド１２０と、ワークＷを保持して加工ヘッド１２０に対して相対移動させるワーク保持機構１３０と、加工ヘッド１２０を移動させるヘッド搬送機構１４０と、レーザ加工装置１００の各構成要素の動作を制御する制御装置１５０と、を含む。
　本明細書におけるレーザ加工装置は、例えばレーザ溶接、レーザ切断、レーザ穴あけ（トレパニング）、レーザマーキング、レーザダイシングあるいはレーザアニール等のワークＷに対してレーザビームを照射することにより、所定の加工を実行する任意の加工装置として適用し得る。なお、以下の実施形態においては、上記のレーザ加工のうちレーザ切断の場合をその一例として説明する。
　レーザ発振器１１０は、加工されるワークＷの材質に応じて吸収効率が高い波長のレーザ発振源が適用される。このようなレーザ発振器１１０としては、その一例として、ＣＯ２ガス等のレーザガスをレーザ媒質とするガスレーザ発振器や、ＹＡＧロッド等の固体媒質による固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器あるいはレーザダイオード（ＬＤ）等が例示できる。また、レーザ発振器１１０から出射されたレーザビームＬＢは、任意の伝送路１１２を介して加工ヘッド１２０に伝送される。
　加工ヘッド１２０は、その一例として図２に示すように、一端（上端）側からレーザビームＬＢが導入され、他端（下端）側のノズル１２２からワークＷに向けて出射される。このとき、加工ヘッド１２０の内部に配置された集光レンズＣＬにより、レーザビームＬＢはワークＷ上の集光点ＦＰで所定のビーム径に集光される。なお、ノズル１２２にアシストガスあるいはシールドガスを導入する供給管（図示せず）を接続して、レーザビームＬＢと同軸にこれらのガスを噴射するように構成してもよい。
　また、加工ヘッド１２０には、レーザビームＬＢの光軸に沿う方向に集光レンズＣＬを移動させるレンズ移動機構１２４が設けられている。これにより、加工ヘッド１２０のワークＷからの距離を変更することなくレーザビームＬＢの焦点距離を変更することができる。
　さらに、加工ヘッド１２０には、ノズル１２２と集光レンズＣＬとの間に、レーザビームＬＢの光軸を所定方向にずらすウェッジプリズムＷＰと、当該ウェッジプリズムＷＰをレーザビームＬＢの光軸まわりに回転させるプリズム回転機構１２６と、プリズム回転機構１２６に回転力を付与するモータ１２８と、が設けられている。これにより、ウェッジプリズムＷＰが回転することで、ワークＷ上におけるレーザビームＬＢの集光点ＦＰが所定の回動軸（すなわち加工ヘッド１２０に導入されるレーザビームＬＢの光軸）まわりに回動する。そして、回動する集光点ＦＰで吸収されたレーザビームＬＢにより、ワークＷに溶融池ＭＰが形成される。
　ワーク保持機構１３０は、その一例として、ワークＷを取り付けるチャック機構（図示せず）を備え、ワークＷを把持固定するように構成されている。また、ワーク保持機構１３０は、例えばワークＷをＸＹＺの３軸方向に移動させる機構だけでなく、回転機構を備えてもよい。
　ヘッド搬送機構１４０は、その一例として、互いに直交するＸＹＺの３軸方向に相対移動するリニア駆動体として構成され、その一端に加工ヘッド１２０が取り付けられる。なお、ヘッド搬送機構１４０は、一端に加工ヘッド１２０を取り付けたロボットアームを備えた６軸又は７軸タイプの産業用ロボットとして構成されてもよい。
　制御装置１５０は、その一例として図３に示すように、レーザ加工装置１００に設けられた各種センサ等からの検出データを受信するとともに、後述する各部の動作を制御する主制御部１５１と、データベース等に格納された加工プログラムを読み込んで当該加工プログラムを解析するプログラム解析部１５２と、加工プログラムの解析結果に基づいて、レーザビームＬＢのワークＷへの照射位置を指令する照射位置指令信号を、ワーク保持機構１３０及びヘッド搬送機構１４０に出力する照射位置制御部１５３と、加工プログラムの解析結果に基づいて、ワークＷ上でのレーザビームＬＢの集光点ＦＰの回動位置（すなわちウェッジプリズムＷＰの回動角度）を設定するモータ１２８への駆動電力を加工ヘッド１２０に出力する回動角度制御部１５４と、加工プログラムの解析結果に基づいて、レーザビームＬＢの出射タイミングや出力値等の出力指令信号をレーザ発振器１１０に出力する出力制御部１５５と、上記した検出データ等のレーザ加工装置１００の動作情報を表示する表示部１５６と、作業者が各種情報を入力するためのインターフェース１５７と、を含む。なお、図３では、表示部１５６とインターフェース１５７とが別体に構成されている場合を例示しているが、表示部１５６としてタッチ入力が可能なパネル表示手段を採用して、両者を統合するように構成してもよい。
　主制御部１５１は、後述するプログラム解析部１５２で解析された制御指令を、その内容毎に照射位置制御部１５３、回動角度制御部１５４、出力制御部１５５あるいは表示部１５６に送るとともに、レーザ加工装置１００の各種センサ等（図示せず）と接続され、これらの検出信号を受信する。その一例として、主制御部１５１は、ワーク保持機構１３０やヘッド搬送機構１４０に設けられた位置センサからワークWや加工ヘッド１２０の位置情報を受信し、あるいは出力検出器（図示せず）からレーザビームＬＢの出力値を受信して、これらの検出データに基づいてフィードバック制御するように構成してもよい。
　プログラム解析部１５２は、その一例として、データベース等の外部記憶装置（図示せず）から加工プログラムのブロックを読み込んで解析することにより、加工プログラムに含まれる加工経路やレーザビームＬＢの出力等の制御指令を判別し、読み込んだ加工プログラムのブロックを一時的に記憶・保存する。そして、プログラム解析部１５２は、判別した加工プログラムの制御指令を主制御部１５１に送る。
　照射位置制御部１５３は、その一例として、主制御部１５１から加工プログラムに基づくレーザビームＬＢの光軸や焦点位置及びワークＷの移動位置を含む制御指令を受信し、ワーク保持機構１３０及びヘッド搬送機構１４０に対して個別に照射位置指令信号を出力する。また、照射位置制御部１５３は、ワーク保持機構１３０に対する指令位置とヘッド搬送機構１４０に対する移動位置とに基づいて、レーザビームＬＢがワークＷ上に照射された際の集光点ＦＰの照射座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を算出して主制御部１５１に返送する機能を有するように構成してもよい。
　回動角度制御部１５４は、その一例として、主制御部１５１から加工プログラムに基づくレーザビームＬＢの集光点ＦＰの回動位置あるいは回動速度を含む制御指令を受信し、当該回動速度に対応する駆動電力を加工ヘッド１２０のモータ１２８に出力する。このとき、レーザビームＬＢの集光点ＦＰにおいて均一な強度分布（ビームプロファイル）を得るためには、加工速度（レーザビームＬＢの光軸の移動速度）に対してウェッジプリズムＷＰが十分に高速で回転する必要がある。例えば、ウェッジプリズムＷＰの回転速度（回転周波数）は数百Ｈｚ程度となるように設定される。
　出力制御部１５５は、その一例として、主制御部１５１から加工プログラムに基づく加工経路上の照射座標値（ｘ，ｙ，ｚ）に対応するレーザビームＬＢの出力値を含む制御指令を受信し、レーザ発振器１１０に対して出力指令信号を出力する。また、出力制御部１５５は、主制御部１５１から集光点ＦＰの回動位置あるいは回動速度を含む制御信号を併せて受信し、当該回動位置あるいは回動速度と加工経路とを対応付けて集光点ＦＰの回動角度毎にレーザビームＬＢの出力を制御する機能をも有する。
　次に、図４Ａ～図６Ｃを用いて、第１の実施形態によるレーザ加工方法の具体的な動作事例を説明する。
　図４Ａ及び図４Ｂは、第１の実施形態によるレーザ加工方法における加工経路及びビームプロファイルの代表的な一例を示す模式図である。また、図５Ａ及び図５Ｂは、第１の実施形態の第１変形例によるレーザ加工方法における加工経路及びビームプロファイルの一例を示す模式図である。さらに、図６Ａ～図６Ｃは、第１の実施形態の第２変形例によるレーザ加工方法における加工経路及びビームプロファイルの一例を示す模式図である。
　図４Ａに示すように、第１の実施形態によるレーザ加工方法では、その一例として、ワークＷに照射されたレーザビームＬＢが溶融池ＭＰを形成しつつ加工の進行方向ＴＤに向けて移動することにより、加工経路上に切断面ＣＳが形成される。このとき、図４Ａの領域Ａを拡大した図４Ｂに示すように、加工ヘッド１２０のウェッジプリズムＷＰが回転することにより、レーザビームＬＢの集光点ＦＰがビーム経路ＢＰに沿って回転方向ＲＤで回動する。そして、上記のとおり、加工ヘッド１２０のノズル１２２からレーザビームＬＢと同軸にアシストガスが噴射されることにより、溶融池ＭＰの材料が吹き飛ばされて切断面ＣＳが形成される。
　また、第１の実施形態の第１変形例は、図５Ａに示すように、加工経路がワークＷの端面近傍に設定されている場合を示している。すなわち、第１変形例では、加工経路を境に一方の端面までの距離Ｄ１が他方の端面までの距離Ｄ２より小さく、距離Ｄ１側の熱容量が小さい場合を例示する。
　このような場合、例えば図５Ｂに示すように、加工の進行方向ＴＤに対して左側のビーム経路ＢＰ１におけるレーザビームＬＢの出力が、右側のビーム経路ＢＰ２における出力に比べて低くなるように設定される。すなわち、出力制御部１５５は、集光点ＦＰの回動角度がビーム経路ＢＰ１の領域にある間に、レーザビームＬＢの出力を低下する出力指令信号を出力する。これにより、熱容量の小さい側の方で強度分布が小さくなるビームプロファイルでの加工を行うことが可能となる。
　一方、第１の実施形態の第２変形例は、図６Ａに示すように、加工経路に角部ＣＰを含む屈曲領域を有する場合を示している。すなわち、第２変形例では、屈曲領域を通過する際に角部ＣＰ近傍で加工速度が低下するため、当該角部ＣＰでの入熱が過大となるのを抑制する場合を例示する。
　このような場合、例えば図６Ｂに示すように、加工の進行方向ＴＤが屈曲する直前の減速領域ＳＳにおいて、角部ＣＰが位置する図示上右側のビーム経路ＢＰ１におけるレーザビームＬＢの出力が、図示上左側のビーム経路ＢＰ２における出力に比べて低くなるように設定される。すなわち、出力制御部１５５は、集光点ＦＰの回動角度がビーム経路ＢＰ１の領域にある間に、レーザビームＬＢの出力を低下する出力指令信号を出力する。
　続いて、図６Ｃに示すように、加工の進行方向ＴＤが屈曲した直後の加速領域ＡＳにおいて、角部ＣＰが位置する図示上下側のビーム経路ＢＰ１におけるレーザビームＬＢの出力が、図示上上側のビーム経路ＢＰ２における出力に比べて低くなるように設定される。すなわち、出力制御部１５５は、集光点ＦＰの回動角度がビーム経路ＢＰ１の領域にある間に、レーザビームＬＢの出力を低下する出力指令信号を出力する。
　これらの制御動作により、屈曲領域のように、加工速度の低下に伴って入熱がこもるような加工経路の場合に、熱容量の小さい側の方で強度分布が小さくなるビームプロファイルでの加工を行うことで、角部ＣＰでの溶け落ちが生じるのを防止することができる。なお、図６Ａ～図６Ｃでは、屈曲領域として角部ＣＰを含むような略直角に屈曲する場合を例示したが、鋭角や鈍角等の任意の角度で屈曲する場合、あるいは曲線状の屈曲領域が加工経路上に形成される場合も含み得る。
　上記のような構成を備えることにより、第１の実施形態によるレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、ワーク上におけるレーザビームの集光点を所定の回動軸まわりに回動させつつ、ワークと所定の回動軸とを相対移動させる際に、上記集光点の回動角度に応じてレーザビームの出力を制御する。したがって、複数のレーザ発振器やレーザビームを分光あるいは重畳させる追加的な光学系が不要であるため、装置構成を大型化あるいは複雑化することなく、レーザビームのエネルギ分布（ビームプロファイル）を制御できる。
＜第２の実施形態＞
　図７は、本発明の第２の実施形態によるレーザ加工装置に含まれる加工ヘッドの具体的な構成の一例を示す部分断面図である。また、図８は、第２の実施形態によるレーザ加工方法における加工経路及びビームプロファイルの代表的な一例を示す模式図である。なお、第２の実施形態においては、図１～図６Ｃに示した概略図等において、第１の実施形態と同一あるいは共通の構成を採用し得るものについては、同一の符号を付してこれらの繰り返しの説明は省略する。
　図７に示すように、第２の実施形態によるレーザ加工装置は、加工ヘッド２２０として、ウェッジプリズムＷＰをレーザビームＬＢの光軸に沿う方向に移動させる機構を追加的に備える点で、第１の実施形態によるレーザ加工装置と構成が異なる。すなわち、第２の実施形態によるレーザ加工装置１００は、加工ヘッド２２０内でレーザビームＬＢの光軸に沿う方向におけるウェッジプリズムＷＰの位置を変更することにより、ワークＷ上での集光点ＦＰの回動半径を変更する機能を有する。
　すなわち、上記したとおり、加工ヘッド２２０には、その一例として図７に示すように、一端（上端）側から導入されたレーザビームＬＢを出射するノズル２２２と、レーザビームＬＢを集光する集光レンズＣＬをレーザビームＬＢの光軸に沿う方向に移動させるレンズ移動機構２２４と、ウェッジプリズムＷＰをレーザビームＬＢの光軸まわりに回転させるプリズム回転機構２２６と、プリズム回転機構２２６に回転力を付与するモータ２２８と、プリズム回転機構２２６をレーザビームＬＢの光軸に沿う方向に移動させるプリズム移動機構２２９と、が設けられている。
　これらの構成により、例えば図８に示すように、ウェッジプリズムＷＰがレーザビームＬＢの光軸に沿う方向に移動することにより、集光点ＦＰから回動中心ＲＣへの距離（すなわち回動半径）を任意に変更することができる。すなわち、ウェッジプリズムＷＰがワークＷから相対的に離れた位置にある場合、図示上左側に示すように、集光点ＦＰは回動半径Ｒ１のビーム経路ＢＰ上を回動する。一方、ウェッジプリズムＷＰがワークＷから相対的に近い位置にある場合、図示上右側に示すように、集光点ＦＰは回動半径Ｒ２のビーム経路ＢＰ上を回動する。
　これにより、例えば厚板のワークＷを切断加工する場合、集光点ＦＰの回動半径Ｒ１を大きくして疑似的に溶融池の大きさを大きくすることにより、アシストガスの流れを良くすることで加工速度を上げることができる。一方、薄板のワークＷを切断加工する場合には、集光点ＦＰの回動半径Ｒ２を小さくして必要最小限の入熱とすることにより、加工速度を高めるとともに歩留まりを向上させることもできる。なお、溶融池の直径がレーザビームの集光点ＦＰの直径とほぼ同等とし得る程度の薄板を切断加工する場合には、ウェッジプリズムＷＰを回転させずに加工を行うようにしてもよい。
　上記のような構成を備えることにより、第２の実施形態によるレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、第１の実施形態で説明した効果に加えて、レーザビームの光軸に沿う方向におけるウェッジプリズムの位置を変更して、ワーク上での集光点の回動半径を変更することにより、ワークの厚さに応じた溶融池の直径を制御して加工速度を向上することが可能となる。
＜第３の実施形態＞
　図９は、本発明の第３の実施形態によるレーザ加工装置に含まれるレーザ発振器の具体的な構成の一例を示すブロック図である。また、図１０は、第３の実施形態によるレーザ加工方法における加工経路及びビームプロファイルの代表的な一例を示す模式図である。また、図１１は、第３の実施形態の第１変形例によるレーザ加工装置に含まれるレーザ発振器の具体的な構成の一例を示すブロック図である。また、図１２は、第３の実施形態の第２変形例によるレーザ加工装置に含まれるレーザ発振器の具体的な構成の一例を示すブロック図である。また、図１３は、図１２に示した遮断板の一例を示す正面図である。また、図１４は、第３の実施形態の第３変形例によるレーザ加工装置に含まれるレーザ発振器の具体的な構成の一例を示すブロック図である。さらに、図１５は、図１４に示した遮断板の一例を示す正面図である。なお、第３の実施形態においては、図１～図８に示した概略図等において、第１及び第２の実施形態と同一あるいは共通の構成を採用し得るものについては、同一の符号を付してこれらの繰り返しの説明は省略する。
　第３の実施形態によるレーザ加工装置及びレーザ加工方法において、制御装置１５０がレーザ発振器３００の出射を連続発振ではなくパルス発振で出力制御する点で、第１及び第２の実施形態によるレーザ加工装置及びレーザ加工方法と異なる。すなわち、第３の実施形態によるレーザ加工装置１００では、レーザ発振器３００にレーザビームＬＢをパルス発振するための機構が追加されており、当該追加された機構の動作を制御装置１５０が制御するように構成されている。
　すなわち、第３の実施形態によるレーザ発振器３１０は、その一例として図９に示すように、レーザ発振源３１２と、当該レーザ発振源３１２に駆動電力を供給する駆動電源３１４と、レーザ発振源３１２から連続的に出射されるレーザビームＬＢをパルス状に出力するスイッチング機構３１６と、を含む。図９に示す例においては、レーザ発振源３１２として固体レーザを用いた場合を示している。
　レーザ発振源３１２は、レーザを誘導放出するレーザ媒質３１２ａと、レーザ媒質３１２ａに励起光を放電する一対の電極３１２ｂと、誘導放出されたレーザを共振させて増幅する一対のミラー３１２ｃ、３１２ｄと、を含む。図９に示すレーザ媒質３１２ａとしては、固体媒質としてのＹＡＧロッド等が例示できる。
　駆動電源３１４は、制御装置１５０の出力制御部１５５からの出力指令信号に基づいて、レーザビームＬＢの所定の出力値に対応する駆動電力を一対の電極３１２ｂに供給する。そして、一対の電極３１２ｂは、当該駆動電力が供給されている間にレーザ媒質３１２ａに対して励起光を放電する。
　スイッチング機構３１６は、例えばＱスイッチ方式を用いた機構が用いられる。当該スイッチング機構３１６は、出力制御部１５５からの出力指令信号に含まれるパルス発振のオンオフ情報の周期に基づいて、レーザ発振源３１２から放出されるレーザビームＬＢの出射タイミングを制御する。
　これらの構成を用いて、第３の実施形態によるレーザ加工方法においては、その一例として図１０に示すように、加工ヘッド１２０のウェッジプリズムＷＰが回転する際の回動角度に応じて所定の周期でレーザビームＬＢをパルス発振することにより、レーザビームＬＢの集光点ＦＰがビーム経路ＢＰに沿って回転方向ＲＤで間欠的に回動する。そして、パルス状にワークＷに照射されたレーザビームＬＢが、溶融池ＭＰを形成しつつ加工の進行方向ＴＤに向けて移動することにより、加工経路上に切断面ＣＳが形成される。
　また、第３の実施形態の第１変形例は、例えば図１１に示すように、レーザ発振源３１２としてガスレーザを用い、スイッチング機構３１６として遮断板３１８ａを出し入れする進退機構を用いる場合を示している。
　すなわち、図１１に示すように、第１変形例によるレーザ発振器３１０は、レーザ発振源３１２として内部にレーザ媒質としてのＣＯ２ガス等のレーザガスを充満させた放電管を用い、当該放電管の一対のミラー３１２ｃ、３１２ｄの間に、増幅されるレーザを遮断する材質で形成された遮断板（スリット）３１８ａをベース部材３１８ｂに取り付け、当該ベース部材３１８ｂを移動させるスライダ３１８ｃを設けた進退機構を含む。そして、遮断板３１８ａの出し入れをパルス発振のオンオフ情報の周期に基づいて実行することにより、レーザビームＬＢの出射タイミングを制御する。
　また、第３の実施形態の第２変形例によるレーザ発振器３１０は、例えば図１２に示すように、遮断板３１８ａを円板とし、進退機構として当該遮断板３１８ａを回転させるモータ３１８ｅを含む。このとき、遮断板３１８ａは、図１３に示すように、パルス発振の発振周期Ｔに対してオフ期間Ｔｏｆｆに相当する遮断部３１９ａと、オン期間Ｔｏｎに相当する切欠部３１９ｂと、を周期的に含む円板として構成される。
　そして、このように形成された遮断板３１８ａを軸部材３１８ｄに取り付けてモータ３１８ｅにより回転させることで、遮断部３１９ａと切欠部３１９ｂとが、レーザ発振源３１２に対して所定の周期で進退を繰り返す。このとき、遮断板３１８ａを回転させるモータ３１８ｅの回転速度とウェッジプリズムＷＰを回転させるモータ１２８の回転速度とを同期させる。これにより、レーザビームＬＢの集光点ＦＰの回動角度とパルス発振の発振周期Ｔとを同期させることができる。
　さらに、第３の実施形態の第３変形例によるレーザ発振器３１０は、例えば図１４に示すように、同一形状の遮断板３１８ａ１、３１８ａ２を回転させる軸部材３１８ｄ１、３１８ｄ２及びモータ３１８ｅ１．３１８ｅ２の組合せを２組備え、これら２組の構成が、一対のミラー３１２ｃ、３１２ｄの間に直列に配置されるとともに、互いに独立して同一方向に回転制御される。このとき、例えば図１５に示すように、切欠部３１９ｂの位置が位相差θとなるようにずらして互いのモータ３１８ｅ１、３１８ｅ２を回転するように制御することにより、パルス発振の発振周期Ｔにおけるオン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆのタイミング（デューティ比）を任意に調整することができる。
　また、第３変形例での２つのモータ３１８ｅ１、３１８ｅ２に対する回転制御は、加工中に独立して調整することも可能である。例えば、レーザ加工中にモータ３１８ｅ１の回転数とモータ３１８ｅ２の回転数とをそれぞれ可変とすることにより、レーザビームＬＢの出力を低くしたい領域においてオン期間Ｔｏｎを短くし、逆に出力を高くしたい領域においてオン期間Ｔｏｎを長くする設定できるため、ビームスポットの領域ごとにより詳細な入熱の制御が可能となる。
　上記のような構成を備えることにより、第３の実施形態によるレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、第１及び第２の実施形態で説明した効果に加えて、レーザビームをパルス発振とすることにより、ワークに対して溶融池を形成するために最小限の入熱となるレーザビームの照射が可能となり、結果として、過剰な入熱を抑制して加工精度を高めることができる。
　なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。本発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。例えば、第１の実施形態から第３の実施形態で示した具体例は、それぞれの特徴を組合せて適用してもよい。
　１００　レーザ加工装置
　１１０　レーザ発振器
　１１２　伝送路
　１２０　加工ヘッド
　１２２　ノズル
　１２４　レンズ移動機構
　１２６　プリズム回転機構
　１２８　モータ
　１３０　ワーク保持機構
　１４０　ヘッド搬送機構
　１５０　制御装置
　１５１　主制御部
　１５２　プログラム解析部
　１５３　照射位置制御部
　１５４　回動角度制御部
　１５５　出力制御部
　１５６　表示部
　１５７　インターフェース
　２２０　加工ヘッド
　２２２　ノズル
　２２４　レンズ移動機構
　２２６　プリズム回転機構
　２２８　モータ
　２２９　プリズム移動機構
　３１０　レーザ発振器
　３１２　レーザ発振源
　３１２ａ　レーザ媒質
　３１２ｂ　電極
　３１２ｃ　ミラー
　３１２ｄ　ミラー
　３１４　駆動電源
　３１６　スイッチング機構
　３１８ａ　遮断板
　３１８ａ１　遮断板
　３１８ａ２　遮断板
　３１８ｂ　ベース部材
　３１８ｃ　スライダ
　３１８ｄ　軸部材
　３１８ｄ１　軸部材
　３１８ｄ２　軸部材
　３１８ｅ　モータ
　３１８ｅ１　モータ
　３１８ｅ２　モータ
　３１９ａ　遮断部
　３１９ｂ　切欠部
　ＢＰ　ビーム経路
　ＣＬ　集光レンズ
　ＦＰ　集光点
　ＬＢ　レーザビーム
　ＭＰ　溶融池
　ＴＤ　（加工の）進行方法
　ＷＰ　ウェッジプリズム

Claims (10)

  1. 　ワークに照射されるレーザビームのビームプロファイルを変化させつつ加工を行うレーザ加工装置であって、
    　前記レーザビームを出射するレーザ発振器と、
    　前記レーザビームを前記ワークに照射させるよう導く加工ヘッドと、
    　前記ワークを保持して前記加工ヘッドと相対移動させるワーク保持機構と、
    　前記レーザ加工装置の各構成要素の動作を制御する制御装置と、
    を備え、
    　前記加工ヘッドは、前記レーザビームの光路中に、前記ワーク上における前記レーザビームの集光点を所定の回動軸まわりに回動させるウェッジプリズムを少なくとも含み、
    　前記制御装置は、前記集光点の回動角度を制御する回動角度制御部と、前記回動角度に応じて前記レーザビームの出力を制御する出力制御部と、をさらに含む
    レーザ加工装置。
  2. 　前記加工ヘッドは、前記ウェッジプリズムを前記所定の回動軸に沿って移動させるプリズム移動機構をさらに含む
    請求項１に記載のレーザ加工装置。
  3. 　前記制御装置は、前記レーザビームをパルス発振で出力制御する
    請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
  4. 　前記レーザ発振器は、前記レーザビームを増幅させる一対のミラーを含むガスレーザ発振器であって、少なくとも１枚の遮断板が、前記パルス発振の発振周期に同期して、前記一対のミラーの間に出し入れ自在に構成されている
    請求項３に記載のレーザ加工装置。
  5. 　前記遮断板は、前記発振周期に対応した切欠部を有する円板であって、前記遮断板は前記ウェッジプリズムと同期して回転するように制御される
    請求項４に記載のレーザ加工装置。
  6. 　前記遮断板は複数の円板で構成され、これら複数の円板は、前記一対のミラーに沿う方向に、互いに独立して回転するように配置されている
    請求項５に記載のレーザ加工装置。
  7. 　ワークに照射されるレーザビームのビームプロファイルを変化させつつ加工を行うレーザ加工方法であって、
    　前記ワーク上における前記レーザビームの集光点を所定の回動軸まわりに回動させつつ前記ワークと前記所定の回動軸とを相対移動させるビーム移動ステップを少なくとも含み、
    　前記ビーム移動ステップにおいて、前記集光点の回動角度に応じて前記レーザビームの出力を制御する
    レーザ加工方法。
  8. 　前記ビーム移動ステップにおいて、前記集光点の回動半径を変化させる動作を併せて含む
    請求項７に記載のレーザ加工方法。
  9. 　前記レーザビームは、パルス発振で出力制御される
    請求項７又は８に記載のレーザ加工方法。
  10. 　前記レーザビームは、加工中に前記パルス発振のデューティ比を調整する
    請求項９に記載のレーザ加工方法。
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