JP2017001097A - レーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】切断面の品質を従来よりも改善することができる、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いたレーザ加工機を提供する。
【解決手段】レーザ加工機１００は、レーザ発振器１１を備える。レーザ発振器１１は、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のビームを励起する。１本のプロセスファイバ１２は、レーザ発振器１１より射出されたレーザを伝送する。ファセットレンズよりなる集光レンズ２７は、集光光学要素の一例である。集光光学要素は、プロセスファイバ１２より射出されたレーザが板材Ｗ１（被加工材）に照射されるときに、レーザの光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の板材Ｗ１を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザを単位面積内の複数の箇所に集光させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工機及びレーザ切断方法に関する。

レーザ加工機が材料を切断加工するレーザを射出するレーザ発振器としては、ＣＯ_２レーザ発振器、ＹＡＧレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）等の各種の発振器がある。

国際公開第２０１３／０５８０７２号

ＣＯ_２レーザ発振器は装置が大型化し、高コストである。これに対して、ファイバレーザ発振器やＤＤＬ発振器は装置を小型化することができ、低ランニングコストであることから、近年、レーザ加工機においてファイバレーザ発振器やＤＤＬ発振器が広く用いられるようになってきた。

金属の板材（特にステンレスやアルミニウム）を窒素ガスなどのアシストガスで無酸化切断する場合に、ＣＯ_２レーザ発振器を用いたレーザ加工機で切断加工した場合と、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いたレーザ加工機で切断加工した場合とで比較すると、後者よりも前者の方が切断面粗さが小さく、切断面の品質が優れる。しかも、前者では板厚に関係なく切断面粗さがほぼ一定であるのに対し、後者では板厚が厚くなるほど切断面粗さが悪化する。

さらに、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いたレーザ加工機で例えば板厚３ｍｍ以上の厚板を切断加工すると、ドロスが発生して板材に付着し、切断面の品質が悪化する。

このように、ファイバレーザ発振器やＤＤＬ発振器は小型で低ランニングコストであるが、切断面の品質が良好でないという短所を有するため、高品質な切断面が求められる場合には、ファイバレーザ発振器やＤＤＬ発振器を用いることができない。

ファイバレーザ発振器やＤＤＬ発振器は、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のビームを励起するレーザ発振器の好適な例である。ファイバレーザ発振器とＤＤＬ発振器の代わりにディスクレーザ発振器を用いた場合も同様である。

そこで、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のビームを励起するレーザ発振器を用いても、切断面の品質が良好なレーザ加工機の登場が切に望まれている。

本発明は、切断面の品質を従来よりも改善することができる、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のビームを励起するレーザ発振器を用いたレーザ加工機及びレーザ切断方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のビームを励起するレーザ発振器と、前記レーザ発振器より射出されたレーザを伝送する１本のプロセスファイバと、前記プロセスファイバより射出されたレーザが被加工材に照射されるときに、レーザの光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の前記被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザを前記単位面積内の複数の箇所に集光させる集光光学要素とを備えることを特徴とするレーザ加工機を提供する。

上記のレーザ加工機において、前記集光光学要素は、それぞれの集光点でのレーザ出力を個別に制御しないことが好ましい。

上記のレーザ加工機において、前記レーザ発振器より射出されたレーザを平行光化するコリメートレンズをさらに備え、前記集光光学要素を、前記コリメートレンズによって平行光化されたレーザを前記被加工材に集光させるファセットレンズとした構成とすることができる。

このとき、前記ファセットレンズは、レーザの入射面に、四角形以上の多角形の複数の平面が形成されていることが好ましい。

上記のレーザ加工機において、前記集光光学要素は、前記レーザ発振器より射出されたレーザをビーム伝送用ファイバのファイバコアの複数の箇所に集光させることにより、レーザを前記単位面積内の複数の箇所に集光させるであってもよい。

上記のレーザ加工機において、前記集光光学要素は、回折光学素子であってもよく、レーザの光軸に対して垂直方向に移動自在の集光レンズであってもよい。

また、本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のビームを励起するレーザ発振器によってレーザを射出させ、前記レーザ発振器より射出されたレーザを１本のプロセスファイバで伝送し、前記プロセスファイバより射出されたレーザが被加工材に照射されるときに、レーザの光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の前記被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザを前記単位面積内の複数の箇所に集光させて、前記被加工材を切断することを特徴とするレーザ切断方法を提供する。

上記のレーザ切断方法において、レーザを前記単位面積内の複数の箇所に集光させる際に、それぞれの集光点でのレーザ出力を個別に制御しないことが好ましい。

上記のレーザ切断方法において、レーザによって前記被加工材を溶融させる際に、前記被加工材にアシストガス圧２．０ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下のアシストガスを供給することが好ましい。

上記のレーザ切断方法において、ビームパラメータ積を２３ｍｍ・ｍｒａｄ以上２８ｍｍ・ｍｒａｄ以下とすることが好ましい。

本発明のレーザ加工機及びレーザ切断方法によれば、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のビームを励起するレーザ発振器を用いながら、切断面の品質を従来よりも改善することができる。

一実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す斜視図である。 図１中のレーザ発振器１１をファイバレーザ発振器１１Ｆで構成した場合の概略的な構成を示す図である。 図１中のレーザ発振器１１をダイレクトダイオードレーザ発振器１１Ｄで構成した場合の概略的な構成を示す図である。 板材の切断フロントに入射されるレーザの入射角を説明するための断面図である。 レーザ発振器１１としてＣＯ_２レーザ発振器とファイバレーザ発振器１１ＦとＤＤＬ発振器１１Ｄとを用いたときの、切断フロントに対する入射角とレーザの吸収率との関係を示す特性図である。 レーザが切断フロントの全体に入射している状態を示す概念図である。 レーザ発振器１１としてＣＯ_２レーザ発振器とファイバレーザ発振器１１ＦとＤＤＬ発振器１１Ｄとを用いたときの、板厚ｔと吸収率最大集光直径damaxとの関係を示す特性図である。 板材を切断する切断速度Ｖを説明するための概念的な斜視図である。 集光直径ｄの計算方法を説明するための図である。 レーザ発振器１１としてファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄを用い、入射角７８，８０，８２．５，８３，８５．６，８７度それぞれの、吸収率Ａｂ、吸収率最大集光直径damax、切断速度規定パラメータＡｂ／damaxをまとめて示す図である。 レーザ発振器１１としてファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄを用い、入射角７８，８０，８２．５，８３，８５．６，８７度それぞれで、複数の板厚ｔと吸収率最大集光直径damaxとの関係を示す特性図である。 ファセットレンズの一構成例を示す平面図である。 吸収率最大集光直径damaxと切断速度規定パラメータＡｂ／damaxとの関係と、吸収率最大集光直径damaxと切断速度Ｖとの関係を示す特性図である。 吸収率最大集光直径damaxと切断面粗さＲａとの関係と、吸収率最大集光直径damaxと切断速度Ｖとの関係を示す特性図である。 一実施形態のレーザ加工機と比較例のレーザ加工機それぞれの、板厚ｔと切断面粗さＲａとの関係を示す特性図である。 ＤＯＥレンズを概略的に示す平面図である。

以下、一実施形態のレーザ加工機及びレーザ切断方法について、添付図面を参照して説明する。本実施形態においては、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のビームを励起するレーザ発振器として、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いた場合を説明する。

図１において、レーザ加工機１００は、レーザＬＢを生成して射出するレーザ発振器１１と、レーザ加工ユニット１５と、レーザＬＢをレーザ加工ユニット１５へと伝送するプロセスファイバ１２とを備える。レーザ加工機１００は、レーザ発振器１１より射出されたレーザＬＢによって、を切断加工する。

レーザ発振器１１は、ファイバレーザ発振器またはダイレクトダイオードレーザ発振器（以下、ＤＤＬ発振器）である。プロセスファイバ１２は、レーザ加工ユニット１５に配置されたＸ軸及びＹ軸のケーブルダクト（図示せず）に沿って装着されている。

レーザ加工ユニット１５は、被加工材である板材Ｗ１を載せる加工テーブル２１と、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在である門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在であるＹ軸キャリッジ２３とを有する。また、レーザ加工ユニット１５は、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット２９を有する。

コリメータユニット２９は、プロセスファイバ１２の出力端から射出されたレーザＬＢを平行光化して略平行光束とするコリメートレンズ２８と、略平行光束に変換されたレーザＬＢをＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー２５とを有する。また、コリメータユニット２９は、ベンドミラー２５で反射したレーザＬＢを集光させる集光レンズ２７と、加工ヘッド２６とを有する。

コリメートレンズ２８、ベンドミラー２５、集光レンズ２７、加工ヘッド２６は、予め光軸が調整された状態でコリメータユニット２９内に固定されている。焦点位置を補正するために、コリメートレンズ２８がＸ軸方向に移動するように構成されていてもよい。

コリメータユニット２９は、Ｙ軸方向に移動自在のＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸方向に移動自在のＸ軸キャリッジ２２に設けられている。よって、レーザ加工ユニット１５は、加工ヘッド２６から射出されるレーザＬＢを板材Ｗ１に照射する位置を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動させることができる。

以上の構成によって、レーザ加工機１００は、レーザ発振器１１より射出されたレーザＬＢをプロセスファイバ１２によってレーザ加工ユニット１５へと伝送させ、板材Ｗ１に照射して板材Ｗ１を切断加工することができる。

なお、板材Ｗ１を切断加工するとき、板材Ｗ１には溶融物を除去するためのアシストガスが噴射される。図１では、アシストガスを噴射する構成については図示を省略している。

図２は、レーザ発振器１１をファイバレーザ発振器１１Ｆで構成した場合の概略的な構成を示している。図２において、複数のレーザダイオード１１０はそれぞれ波長λのレーザを射出する。励起コンバイナ１１１は、複数のレーザダイオード１１０より射出されたレーザを空間ビーム結合させる。

励起コンバイナ１１１より射出されたレーザは、２つのファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）１１２，１１４間のＹｂドープファイバ１１３に入射される。Ｙｂドープファイバ１１３とは、コアに希土類のＹｂ（イッテルビウム）元素が添加されたファイバである。

Ｙｂドープファイバ１１３に入射されたレーザは、ＦＢＧ１１２，１１４間で往復を繰り返し、ＦＢＧ１１４からは、波長λとは異なる概ね１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍの波長λ’（１μｍ帯）のレーザが射出される。ＦＢＧ１１４から射出されたレーザは、フィーディングファイバ１１５及びビームカップラ１１６を介してプロセスファイバ１２に入射される。ビームカップラ１１６は、レンズ１１６１，１１６２を有する。

なお、プロセスファイバ１２は１本の光ファイバで構成されており、板材Ｗ１に照射されるまで、プロセスファイバ１２で伝送されるレーザが他のレーザと合成されることはない。

図３は、レーザ発振器１１をＤＤＬ発振器１１Ｄで構成した場合の概略的な構成を示している。図３において、複数のレーザダイオード１１７はそれぞれ互いに異なる波長λ１〜λｎのレーザを射出する。波長λ１〜λｎ（１μｍ帯より短い波長帯）は、例えば９１０ｎｍ〜９５０ｎｍである。

オプティカルボックス１１８は、複数のレーザダイオード１１７より射出された波長λ１〜λｎのレーザを空間ビーム結合させる。オプティカルボックス１１８は、コリメートレンズ1181と、グレーティング1182と、集光レンズ1183とを有する。

コリメートレンズ1181は、波長λ１〜λｎのレーザを平行光化する。グレーティング1182は、平行光化されたレーザの方向を９０度曲げ、集光レンズ1183に入射させる。集光レンズ1183は、入射されたレーザを集光してプロセスファイバ１２に入射される。

なお、プロセスファイバ１２は１本の光ファイバで構成されており、板材Ｗ１に照射されるまで、プロセスファイバ１２で伝送されるレーザが他のレーザと合成されることはない。

次に、ファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄを用いても、板材Ｗ１の切断面の品質を良好にするためにはどのようにすればよいかを考察する。

図４は、図の上方から照射されたレーザが板材Ｗ１の切断フロントW1cfに入射して反射する状態を概念的に示している。レーザの入射方向と、切断フロントW1cfに直交する破線で示す方向とのなす角度がレーザの入射角θである。切断フロントW1cfが理想的な平面であるとすれば、板材Ｗ１の底面と切断フロントW1cfとのなす角度も入射角となる。

図５は、レーザ発振器１１としてＣＯ_２レーザ発振器とファイバレーザ発振器１１ＦとＤＤＬ発振器１１Ｄとを用いたときの、入射角θとレーザの吸収率との関係を示している。ここでは、板材Ｗ１を鉄系材としたときの特性図を示している。

図５に示すように、ＣＯ_２レーザ発振器を用いた場合には、入射角θが８７度のときに吸収率が最大となる。ファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄを用いた場合には、入射角θが７７．５度のときに吸収率が最大となる。

図６に示すように、板材Ｗ１の板厚をｔ、レーザの集光直径をｄ、レーザと切断フロントW1cfとのなす角度をφとし、ビーム直径ｄのレーザが切断フロントW1cfの全体に入射すると仮定する。このとき、式（１）が成立する。なお、φ＝９０−θである。
ｄ＝ｔ・ｔａｎφ …（１）

図５に基づき、式（１）を用いて、板厚ｔと、吸収率が最大となる集光直径damax（以下、吸収率最大集光直径damax）との関係を求めると、図７のようになる。図７より、レーザ発振器１１としてファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄを用いると、ＣＯ_２レーザ発振器を用いた場合と比較して、吸収率最大集光直径damaxは４．２倍程度大きいことが分かる。

ところが、吸収率最大集光直径damaxが大きすぎると、加工点において十分なパワー密度を確保することができず、切断速度が遅くなってしまう。

図８を用いて、板材Ｗ１を切断する切断速度について説明する。図８において、集光レンズ２７に入射するレーザの入射ビーム直径はＤであり、集光レンズ２７によって集光されたレーザが板材Ｗ１に照射されている。

レーザ出力をＰ（Ｗ）（Ｗ＝Ｊ／ｓ）、板材Ｗ１へのレーザの吸収率をＡｂ、切断幅をｂ（ｍｍ）、板厚をｔ（ｍｍ）、材料を溶融または蒸発させるエネルギをＥ（Ｊ／ｃｍ^３）とする。レーザによって板材Ｗ１が切断されていくときの切断速度Ｖ（ｃｍ／ｓ）は、式（２）で表される。
Ｖ＝Ｐ・Ａｂ／（Ｅ・ｂ・ｔ） …（２）

但し、全てのエネルギが切断カーフの切断フロントW1cfに吸収され、材料の熱伝導によるロスがなく、切断カーフ内の溶融金属がアシストガスによって完全に排出されると仮定する。

なお、ドロスが板材Ｗ１に付着せず、切断面の品質を良好にするには、板材Ｗ１に供給するアシストガスの圧力（アシストガス圧）は高い方がよい。アシストガス圧を例えば２．０ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下とするのがよい。

式（２）より、切断速度Ｖは吸収率Ａｂに比例し、切断幅ｂに反比例することが分かる。切断幅ｂは、集光直径ｄが小さいほど小さくなる。

図９を用いて、集光直径ｄがどのように求められるかについて説明する。レーザの波長をλ、集光レンズ２７の焦点距離をｆ、ビームパラメータ積をＢＰＰ（Beam Parameter Products）とすると、集光直径ｄは、式（３）で表される。
ｄ＝（１．２７・π・ｆ・ＢＰＰ）／Ｄ …（３）

なお、ＢＰＰはビームの発散角とビームウェスト（ビーム径）の積であって、ビームの品質を表す指標である。一般的にガウス形の美しいビームプロファイルを理想とする場合にＢＰＰ値は１がよいとされている。しかしながら、高エネルギ密度のビームでの板金切断加工、特に、板厚３ｍｍ以上の厚板を切断加工する場合には、必ずしもＢＰＰ値を１に近づけることが高品位な加工（面粗度のよい加工）に繋がるとは言えないことが明らかとなった。

板厚３ｍｍ以上の厚板を切断加工する場合には、ビーム径を大きくする方がよく、その場合のＢＰＰは２３ｍｍ・ｍｒａｄ以上、２８ｍｍ・ｍｒａｄ以下とすることが望ましい。

レーザ発振器１１としてファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄを用い、板厚ｔが５ｍｍであるとき、入射角が７８，８０，８２．５，８３，８５．６，８７度それぞれで、吸収率Ａｂ、吸収率最大集光直径damax、Ａｂ／damaxをまとめると、図１０に示すようになる。Ａｂ／damaxは切断速度Ｖを決める要素となることから、切断速度規定パラメータと称することとする。

図５に示すように、入射角θが７７．５度のときに吸収率Ａｂが最大となり、入射角θが増大するに従って吸収率Ａｂが低下する。ところが、図１０に示すように、切断速度規定パラメータＡｂ／damaxの値は、入射角θが８７度から７８度へと小さくなるに従って小さくなっていく。

切断速度規定パラメータＡｂ／damaxの値が小さいとレーザのパワー密度が小さく、板材Ｗ１を切断するのに比較的長い時間を要することになる。吸収率Ａｂと切断速度規定パラメータＡｂ／damaxとの双方を考慮すると、図１０に太実線で囲んでいるように、板厚ｔが５ｍｍの場合には、入射角θを８３度程度とするのがよい。

さらに、入射角が７８，８０，８２．５，８３，８５．６，８７度それぞれで、複数の板厚ｔと吸収率最大集光直径damaxとの関係を求めると、図１１に示すようになる。

ここで、吸収率最大集光直径damaxを適宜の値とするのに好適な構成を説明する。本実施形態においては、集光レンズ２７として図１２に示すようなファセットレンズ２７Ｆを用いる。ファセットレンズ２７Ｆは、凸レンズの表面（レーザに入射面）に複数の六角形状の平面Ｆ０が形成されている。また、ファセットレンズ２７Ｆは、複数の曲線を１つのレンズ面上に有する。

図１０において、吸収率最大集光直径damaxを０．３８ｍｍ以下とするためには、集光レンズ２７として一般的に用いられている標準集光レンズが用いられる。図１０において、吸収率最大集光直径damaxを０．６１ｍｍ以上とするには、集光レンズ２７としてファセットレンズ２７Ｆを用いるのが好適である。

ファセットレンズ２７Ｆは、レーザ発振器１１より射出されたレーザが被加工材に照射されるときに、レーザの光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザを単位面積内の複数の箇所に集光させる集光光学要素の一例である。

好ましくは、集光光学要素は、レーザの光軸の半径０．４ｍｍの単位面積内の被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザを単位面積内の複数の箇所に集光させる。このとき、集光光学要素は、それぞれの集光点でのレーザ出力を個別に制御しない。よって、それぞれの集光点での光強度に差はない。

本実施形態のレーザ加工機は、集光光学要素を備えることによって、板厚３ｍｍ以上の厚板であっても高品位な切断が可能になる。

例えば、集光条件１として、吸収率最大集光直径damaxを０．３８ｍｍとするには、焦点距離ｆが１９０ｍｍの標準集光レンズを用いることができる。集光条件２として、吸収率最大集光直径damaxを０．６１ｍｍとするには、焦点距離ｆが１５０ｍｍのファセットレンズ２７Ｆを用いることができる。集光条件３として、吸収率最大集光直径damaxを１．０６ｍｍとするには、焦点距離ｆが１９０ｍｍのファセットレンズ２７Ｆを用いることができる。

ファセットレンズ２７Ｆは、図１２に示す形状に限定されることはなく、凸レンズの表面に複数の四角形状の平面を有する構成であってもよい。ファセットレンズ２７Ｆは、レーザの入射面に、四角形以上の多角形の複数の平面が形成されていればよい。

ファセットレンズ２７Ｆの表面に形成されている複数の平面は、それぞれ平面的な異なる位置に焦点を結ぶように形成されている。よって、ファセットレンズ２７Ｆは、焦点をぼかすように作用する。

よって、集光レンズ２７としてファセットレンズ２７Ｆを用いると、標準集光レンズを用いる場合と比較して集光直径ｄを広げることが可能となる。ファセットレンズ２７Ｆは、吸収率最大集光直径damaxを適宜の比較的大きい値に設定するのに好適である。

図１３に、吸収率最大集光直径damaxと切断速度規定パラメータＡｂ／damaxとの関係と、集光条件１〜３における吸収率最大集光直径damaxと切断速度Ｖとの関係を示す。切断速度Ｖは、集光条件１で１．２ｍ／分、集光条件２で０．６ｍ／分、集光条件３で０．４ｍ／分であった。図１３より分かるように、切断速度Ｖの傾きは切断速度規定パラメータＡｂ／damaxの傾きに近似する。

図１４は、集光条件１〜３それぞれの吸収率最大集光直径damaxと切断面粗さＲａとの関係と、吸収率最大集光直径damaxと切断速度Ｖとの関係を示す。図１４は、レーザ発振器１１としてＤＤＬ発振器１１Ｄを用い、板材Ｗ１として板厚５ｍｍのステンレスを切断した場合を示している。切断面粗さＲａは、切断面算術平均粗さであってもよい。

図１４より分かるように、集光レンズ２７としてファセットレンズ２７Ｆを用いた集光条件２,３では、集光レンズ２７として標準集光レンズを用いた集光条件１と比較して、切断面粗さＲａが大幅に改善されている。特に、吸収率最大集光直径damaxが０．６１ｍｍである集光条件２では、切断面粗さＲａは２μｍ程度であり、集光条件１と比較して１／３以下である。

図１５は、レーザ発振器１１としてＤＤＬ発振器１１Ｄを用い、集光レンズ２７としてファセットレンズ２７Ｆを用いた本実施形態のレーザ加工機において、集光直径ｄを０．６１ｍｍとして、板材Ｗ１として板厚５ｍｍの他に３ｍｍ及び４ｍｍのステンレスを切断した場合の切断面粗さＲａを示している。ここでも、切断面粗さＲａは、切断面算術平均粗さであってもよい。

比較のため、図１５には、ＣＯ_２レーザ発振器と標準集光レンズを用いたレーザ加工機と、ファイバレーザ発振器１１Ｆと標準集光レンズを用いたレーザ加工機とのそれぞれで、複数の板厚ｔのステンレスを切断した場合の切断面粗さＲａも併せて示している。

ここでは図示していないが、ファイバレーザ発振器１１Ｆとファセットレンズ２７Ｆを用いた本実施形態のレーザ加工機で複数の板厚ｔのステンレスを切断した場合、ＤＤＬ発振器１１Ｄとファセットレンズ２７Ｆを用いた本実施形態のレーザ加工機と同様の特性を有する。

逆に、ＤＤＬ発振器１１Ｄと標準集光レンズを用いたレーザ加工機で複数の板厚ｔのステンレスを切断した場合には、ファイバレーザ発振器１１Ｆと標準集光レンズを用いたレーザ加工機と同様の特性を有する。

ファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄと、集光レンズ２７としてファセットレンズ２７Ｆを用いた本実施形態のレーザ加工機においては、ＣＯ_２レーザ発振器を用いたレーザ加工機には若干及ばないものの、切断面の品質を従来よりも大幅に改善することができる。

本実施形態によれば、高品質な切断面が求められる場合でも、小型で低ランニングコストのファイバレーザ発振器１１ＦまたはＤＤＬ発振器１１Ｄを用いてレーザ加工機を構成することができる。

集光光学要素は、ファセットレンズ２７Ｆに限定されない。レーザ発振器１１と加工ヘッド２６との間のビーム伝送路（ビーム伝送用ファイバ）を２つ以上に分け、その２つのファイバ間にビームカプラを設けてもよい。ビームカプラ内のフォーカスレンズを上述した集光光学要素として利用してもよい。

この場合、集光光学要素は、レーザ発振器１１より射出されたレーザをビーム伝送用ファイバのファイバコアの複数の箇所に集光させることにより、レーザを単位面積内の複数の箇所に集光させる。

集光光学要素は、ファセットレンズ２７Ｆの代わりに、回折光学素子であってもよいし、光軸に対して垂直方向に移動自在の集光レンズであってもよい。

集光光学要素が回折光学素子である場合、例えば、回折型光学レンズ（ＤＯＥ（Diffractive Optical Elements）レンズ）を用いることができる。

図１６は、ＤＯＥレンズ３０を概略的に示している。図１６に示すように、ＤＯＥレンズ３０は、複数の周状の回折溝３１を有する。ＤＯＥレンズ３０を、集光レンズ２７またはコリメートレンズ２８として利用することが可能である。図示していないが、ベンドミラー２５をグレーティングミラーに変更することも可能である。

集光光学要素が光軸に対して垂直方向に移動自在の集光レンズである場合、例えば、図２のレンズ１１６２にその機能を持たせることができる。つまり、レンズ１１６２を光軸に対して垂直方向に偏芯させて回転させたり、図２の向きにおいて、レンズ１１６２を光軸に対して垂直方向の上下または前後方向に移動させたりすることによって、集光光学要素の機能を実現することができる。

レーザの光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザを単位面積内の複数の箇所に集光させる集光光学要素を用いると、単位時間当たりのビームエネルギが単位面積当たりほぼ均一に照射される。これによって、板厚３ｍｍ以上の厚板であっても高品位な切断が可能になる。

レーザの波長と出力とエネルギ密度と、被加工材の厚みと切断幅と、被加工材のレーザの吸収率と、切断速度と、入射角度と、溶融した被加工材と、アシストガスの種類と圧力とを適宜に組み合わせると、それらの相乗効果によってさらに高品位な切断が可能になる。

以上の説明では、板材Ｗ１として鉄系材（ステンレス）を例としているが、アルミニウムやチタン等であっても同様に、本実施形態のレーザ加工機及びレーザ切断方法によれば、切断面の品質を従来よりも大幅に改善することができる。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。ファイバレーザ発振器とＤＤＬ発振器の代わりにディスクレーザ発振器を用いてもよい。

１１ レーザ発振器
１１Ｄ ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）
１１Ｆ ファイバレーザ発振器
１５ レーザ加工ユニット
２７ 集光レンズ
２７Ｆ ファセットレンズ
２８ コリメートレンズ
３０ 回折型光学レンズ（ＤＯＥレンズ，回折光学素子）
１００ レーザ加工機
Ｗ１ 板材（被加工材）

本発明は、レーザ加工機に関する。

本発明は、切断面の品質を従来よりも改善することができる、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のビームを励起するレーザ発振器を用いたレーザ加工機を提供することを目的とする。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のビームを励起するレーザ発振器と、前記レーザ発振器より射出されたレーザを伝送する１本のプロセスファイバと、前記プロセスファイバより射出されたレーザを平行光化するコリメートレンズと、前記コリメートレンズより射出されたレーザが被加工材に照射されるときに、レーザの光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の前記被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザを前記単位面積内の複数の箇所に集光させる集光光学要素とを備え、前記集光光学要素は、前記コリメートレンズによって平行光化されたレーザの入射面に、四角形以上の多角形の複数の平面が形成され、前記入射面に入射されたレーザを前記被加工材に集光させるファセットレンズであることを特徴とするレーザ加工機を提供する。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のビームを励起するレーザ発振器と、前記レーザ発振器より射出されたレーザを伝送する１本のプロセスファイバと、前記プロセスファイバより射出されたレーザが被加工材に照射されるときに、レーザの光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の前記被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザを前記単位面積内の複数の箇所に集光させる集光光学要素とを備え、前記集光光学要素は、前記レーザ発振器より射出されたレーザをビーム伝送用ファイバのファイバコアの複数の箇所に集光させることにより、レーザを前記単位面積内の複数の箇所に集光させることを特徴とするレーザ加工機を提供する。

上記のレーザ加工機において、前記集光光学要素は、それぞれの集光点でのレーザ出力を個別に制御しないことが好ましい。

本発明のレーザ加工機によれば、波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のビームを励起するレーザ発振器を用いながら、切断面の品質を従来よりも改善することができる。

Claims (11)

1. 波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のビームを励起するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器より射出されたレーザを伝送する１本のプロセスファイバと、
   前記プロセスファイバより射出されたレーザが被加工材に照射されるときに、レーザの光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の前記被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザを前記単位面積内の複数の箇所に集光させる集光光学要素と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工機。
2. 前記集光光学要素は、それぞれの集光点でのレーザ出力を個別に制御しないことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工機。
3. 前記レーザ発振器より射出されたレーザを平行光化するコリメートレンズをさらに備え、
   前記集光光学要素は、前記コリメートレンズによって平行光化されたレーザを前記被加工材に集光させるファセットレンズであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工機。
4. 前記ファセットレンズは、レーザの入射面に、四角形以上の多角形の複数の平面が形成されていることを特徴とする請求項３記載のレーザ加工機。
5. 前記集光光学要素は、前記レーザ発振器より射出されたレーザをビーム伝送用ファイバのファイバコアの複数の箇所に集光させることにより、レーザを前記単位面積内の複数の箇所に集光させることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工機。
6. 前記集光光学要素は、回折光学素子であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工機。
7. 前記集光光学要素は、レーザの光軸に対して垂直方向に移動自在の集光レンズであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工機。
8. 波長が１μｍ帯またはそれより短い波長帯のビームを励起するレーザ発振器によってレーザを射出させ、
   前記レーザ発振器より射出されたレーザを１本のプロセスファイバで伝送し、
   前記プロセスファイバより射出されたレーザが被加工材に照射されるときに、レーザの光軸の半径０．５ｍｍの単位面積内の前記被加工材を溶融し始めた時点から溶融し終える時点までの単位時間内に、レーザを前記単位面積内の複数の箇所に集光させて、前記被加工材を切断する
   ことを特徴とするレーザ切断方法。
9. レーザを前記単位面積内の複数の箇所に集光させる際に、それぞれの集光点でのレーザ出力を個別に制御しないことを特徴とする請求項８記載のレーザ切断方法。
10. レーザによって前記被加工材を溶融させる際に、前記被加工材にアシストガス圧２．０ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下のアシストガスを供給することを特徴とする請求項８または９に記載のレーザ切断方法。
11. ビームパラメータ積を２３ｍｍ・ｍｒａｄ以上２８ｍｍ・ｍｒａｄ以下とすることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のレーザ切断方法。