JPH03221289A - レーザー加工方法及びレーザー加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はレーザー発振器から出射されたレーザー光の対
物レンズに入射する径を略一定にしたレーザー加工方法
と、前記加工方法を実施するためのレーザー加工装置に
関するものである。

〈従来の技術〉 従来より、レーザー発振器から出射されたレーザー光を
被加工材に照射して、この被加工材に幻し切断、溶接或
いは彫刻等の加工を施すことが行われている。このよう
な加工を実施するために、通常第５図または第６図に示
すように構成した加工装置が用いられている。

第５図に示す加工装置は、平行に敷設されたレール５１
に沿って移動可能に構成した走行フレーム５２が設けら
れており、この走行フレーム５２上にレール５１と直角
方向に移動可能に構成した横行サドル５３が設けられて
いる。そして横行サドル５３上にレーザー発振器５４及
びレーザートーチ５５が設けられると共にレーザー発振
１５４とレーザートーチ５５とは通路５６によって接続
されている。また被加工材５７はレール５１と平行に且
つレール５１の間に置かれている。

上記の如く横取した加工装置にあっては、レーザー発振
器５４及びレーザートーチ５５が横行サドル５３上に搭
載されているため、通路５６の長さは常に一定である。

また被加工材５７に対する加工は、走行フレーム５２及
び横行サドル５３を所定の方向に移動させつつ、被加工
材５７にレーザートーチ５５からレーザー光を照射する
ことで実施している。

上記横取の加工装置は、出力が小さく軽量なレーザー発
振Ｈ５４を用いた場合に適用される。

第６図に示す加工装置は、平行に敷設されたレール６１
に沿って移動可能な台車６２が設けられており、この台
車６２上にレール６１と直角方向に移動可能な移動ヘー
ス６３が設けられている。そして被加工材６４は移動ム
ース６３上に載置されている。レール６１の近傍には、
固定コラム６５ａ及びカンヂレハ−６５ｂからなるフレ
ーム６５が設けられており、このフレーム６５にレーザ
ー発振ｈ６６及びレーサートーチ６７が設けられると共
にレーザー発振器６６とレーザートーチ６７とを通路６
８によって接続している。

上記の如く横取した加工装置にあっては、レーザー発振
器６６及びレーザートーチ６７がフレーム６５に設けら
れているため、通路６８の長さは常に一定である。また
被加工材６４に対する加工は、台車６２及び移動ヘース
６３を所定の方向に移動させつつ、被加工材６４にレー
サートーチ６７からレーザー光を照射することで実施し
ている。

上記横取の加工装置は、第５図の加工装置と比較してよ
り出力が大きく、且つ重量の大きいレーザー発振器を用
いた場合に適用される。

上記の如く構成した加工装置を用いて例えば被加工材に
対する切断加工を実施する場合、被加工材の厚さは約９
＋＋ｕｓ程度である。然し、最近に至り、厚さ数千ｍの
被加工材に対し切断或いは溶接等の加工を行うことが可
能な出力数キロワットのレーザー発振器が開発されてい
る。

前記の如く出力の大きなレーザー発振器を用いた場合、
レーザー発振器の寸法が大きく、且つ重量も大きい。こ
のため、第５図に示すような加工装置では走行フレーム
５２の構造が複雑となる。また被加工材の長さ１幅等の
寸法も厚さに応じて大きなものが要求される。このため
、第６図に示すような加工装置では、被加工材６４の羊
多動スペースが大きくなる。

上記問題を解決するため、出力の大きなレーザー発振器
を用いる加工装置は、第５図に示すような走行フレーム
と横行サドルとを有し、横行サドル上にレーザートーチ
を搭載すると共にレーザー発振器をフロア上に固定して
設置し、レーザートーチとレーザー発振器とを伸縮可能
な通路によって接続して構成されている。

レーザー発振器から出射されたレーザー光は平行光線で
は無く、僅かな拡がり角度を有している。

このため、レーザートーチにはレーザー発振器から出射
されたレーザー光を集光して被加工材に照射するための
対物レンズが設けられている。

上記の如く構成した加工装置にあっては、被加工材に対
する加工の進行に伴いレーザー発振器に対するレーザー
トーチの位置が変化する。このため、対物レンズに入射
するレーザー光の径は、レーザー発振器と対物レンズと
の距離に応じて変化する。

〈発明が解決しようとする課題〉 上記横行サドルにレーザートーチを搭載すると共にレー
ザー発振器をフロア上に固定して構成した加工装置に於
いて、対物レンズは入射したレーザー光を僅かに吸収し
て熱に変化させる。このため、レーザートーチに冷却媒
体を供袷して対物レンズを強制的に冷却し得るように横
取している。

然し、対物レンズに入射するレーザー光の径がレーザー
発振器と対物レンズとの距離に応じて変化することから
、この変化に応じて対物レンズに於ける発熱領域が変化
し、対物レンズが局部的に膨張してレーザー光の集光性
を損なう虞がある。そして対物レンズによるレーザー光
の集光性が損なわれた場合には、レーザー光のエネルギ
ーが一点に集中せず、従って、被加工材に対する良好な
加工状層を維持することが困難となる。

本発明の目的は、レーザー発振器に対する対物レンズの
位置変化に係わらず対物レンズに入射するレーザー光の
径を略一定にしたレーザー加工方法とレーザー加工装置
とを提供するものである。

＜ｉ！題を解決するための手段〉 上記課題を解決するために本発明に係るレーザー加工方
法は、レーザー発振器から出射されたレーザー光を対物
レンズによって集光し、前記対物レンズを移動させつつ
集光したレーザー光を被加工材に照射して被加工材に対
する加工を実施するに際し、レーザー発振器から出射さ
れたレーザー光が前記対物レンズに入射する際の入射径
を略−定にしたことを特徴とするものである。

またレーザー加工装置は、所定位置に固定して配置され
たレーザー発振器と、前記レーザー発振器に対し移動可
能に構成され且つレーザー発振器から出射されたレーザ
ー光を集光すると共に被加工材に照射するための対物レ
ンズと、前記レーザ発振器と対物レンズとの間に設けら
れ対物レンズに入射するレーザー光の径を略一定に維持
するための維持手段と、前記対物レンズと前記レーザー
発振器との距離に応じて前記維持手段を制ｊ！Ｉするた
めの制御手段とを有して構成されるものである。

〈作用〉 上記レーザー加工方法によれば、被加工材に対し所定の
加工を実施するに際し、対物レンズのレーザー発振器に
対する位置に係わらずレーザー発振器から出射されたレ
ーザー光の対物レンズに入射する際の入射径を略一定に
維持したので、対物レンズに於けるレーザー光の吸収に
伴う発熱領域を常に一定の状態に維持することが出来る
。従って、対物レンズの熱膨張による変形形状は略一定
の状態となり、レーザー光の集光点を対物レンズの変形
形状に応した略−点に形成することが出来る。このため
、被加工材に対する加工を安定した状態で実施すること
が出来る。

尚、対物レンズに入射する際のレーザー光は所望の径に
設定することが出来るが、対物レンズの有効径と略一致
する寸法に設定することが好ましい。このように、常に
対物レンズの有効と一致させてレーザー光を入射させる
ことで、対物レンズの変形を極力防止することが可能と
なる。

また上記レーザー加工装置によれば、レーザー発振器と
対物レンズとの間に対物レンズに入射するレーザー光の
径を略一定に維持する維持手段を設けると共に、対物レ
ンズとレーザー発振器との距離に応じて維持手段を制御
する制御手段を設けたので、対物レンズとレーザー発振
器との距離を検出し、これによって得た距離データに応
じて維持手段を制御することで、対物レンズに入射する
レーザー光の入射径を略一定に維持することが出来る。

従って、対物レンズに於けるレーザー光の吸収ムこ伴う
発熱領域を常に一定の状態に維持することが出来、これ
により、対物レンズの熱膨張による変形形状を略一定の
形状として、レーザー光の集光点を対物レンズの変形形
状に応した略−点に形成することが出来る。

また所定位置に固定して配置されたレーザー発振器に対
し対物レンズを移動可能に構成したので、この対物レン
ズを移動しつつ該レンズを介してレーザー光を被加工材
に照射することで、所定の作業を実施することが出来る
。

〈実施例〉 以下、上記手段を適用したレーザー加工装置の一実施例
を図により説明し、あわせてレーザー加工方法を説明す
る。

第１図は本発明に係るレーザー加工装置の全体説明図、
第２図はトーチの断面説明図、第３図は光学系の説明図
、第４図は制御系のプロ・７り説明図である。

先ずレーザー加工装置の全体構成について説明する。

第１図に示すレーザー加工装置は、鯛仮、ステンレス鋼
板、プラスチックボード、合板等の被加工材を所定の形
状に切断するためのレーザー切断装置（以下単に「切断
装置」という）Ａとして構成されている。特に本実施例
では、被切断材Ｂとして鋼板を用い、この被切断材Ｂか
ら予め設定された形状を切断する数値制御方式の切断装
＋ｉｆＡとして構成されている。

図に於いて、Ｘ方向に沿って平行に敷設されたレールｌ
上に走行フレーム２が配置されている。

この走行フレーム２はＸモーター２ａによって駆動され
、Ｘ方向に走行可能に構成されている。

前記走行フレーム２上には、Ｘ方向に沿って横行フレー
ム３が設けられている。この横行フレーム３にはＸ方向
に平行な横行レール３ａが固着されている。

前記横行レール３ａには、Ｘモーター４ａによって駆動
され、Ｘ方向に沿って移動可能な横行キャリッジ４が設
けられている。

横行キャリッジ４には、２モーター５ａによって駆動さ
れ、２方向即ち上下方向に移動可能な昇降ブラケット５
が設けられている。

前記昇降ブラケット５に第２図に示すように構成された
トーチ６が取り付けられており、このトーチ６に取り付
けた対物レンズ６ａによってレーザー発振器７から出射
されたレーザー光を集光すると共に被切断材Ｂに照射し
ている。

トーチ６は、下端に対物レンズ６ａを取り付けた筒体６
ｂ、筒体６ｂの下方に位置を調整可能に取り付けたノズ
ル６ｃによって構成されている。

筒体６ｂの上端にはレーザー光通路８を構成する蛇腹８
ｃの端部が固着されている。また筒体６ｂには、対物レ
ンズ６ａの取付位置に対応じて冷却媒体を通すための１
６ｄが形成されており、この溝６ｄに水等の冷却媒体を
供給することで対物レンズ６ａを冷却し得るように構成
されている。

前記対物レンズ６ａ、ノズル６ｃは、被切断材Ｂの材質
及び厚さに応じて交換し得るように構成されている。

レーザー発振器７はフロア上の所定位置に固定して設け
られており、このレーザー発振器７とトーチとの間はレ
ーザー光通路８によって接続されている。前記レーザー
光通路８は、Ｘ方向に平行に設けられた蛇１ｔ１８ａ、
ｙ方向に平行に設けられた蛇腹８ｂ、Ｘ方向に平行に設
けられた蛇腹８ｃ走行フレーム２に固着されたミラ−ユ
ニット８ｄ横行キャリッジ４に固着されたえラーユニノ
ト８ｅによって構成されている。

またレーザー発振器７と蛇腹８ａとの間には維持手段と
なる光学系９が配置されている。

制御装置ｌＯはＸモーター２ａ、Ｘモーター４ａ２モー
ター５ａ等のモーターを制御してトーチ６の位置を制御
すると共に、対物レンズ６ａとレーザー発振器７との距
離に応じて維持手段を構成する光学系９を制御し、更に
レーザー発振器７によるレーザー光の出射時期等を制御
するものである。

上記の如く構成した切断装置Ａによって被切断材Ｂを切
断する際の動作を簡単に説明する。

制御装置１０に予め被切断材Ｂに対する切断情報を人力
し、切断作業を開始すると、前記情報に従ってＸモータ
ー２ａ、Ｘモーター４ａに制御パルスが与えられ、トー
チ６が所定の速度で所定の方向に移動する。そしてトー
チ６の移動と同期してレーザー発振器７を駆動してレー
ザー光を出射させると、レーザー発振器７から出射され
たレーザー光は光学系９．蛇腹８ａを通ってＸ方向に沿
って進行し、ミラーユニット８ｄによってＸ方向に屈折
され、蛇腹８ｂを通って横行キャリッジ４に固着したミ
ラーユニット８ｅに至り、ミラーユニソ）８ｅに於いて
２方向に屈折され、蛇ｔＩＩ８ｃを通ってトーチ６に至
る。そしてトーチ６から被切断材Ｂに照射され、この被
切断材Ｂを所定の形状で切断する。

次に維持手段となる光学系９の構成について第３図によ
り説明する。

光学系９は、レーザー発振器７と対物レンズ６ａとの距
離に係わらず、レーザー発振器７から出射されたレーザ
ー光の対物レンズ６ａに入射する際の入射径を常に略一
定の値に維持するものである。

レーザー発振器７から出射されるレーザー光は平行光線
では無く、レーザー発振器７から出射されるレーザー光
の径及び波長に応した拡がり角度を有しＣいる。即ち、
レーザー光の拡がり角度θ（ラジアン）は波長をλとし
、レーザー光の径をＤとすると、 θ−λ／Ｄ　　（ラジアン）となる。

レーザー発振器７に炭酸ガスレーザーを用いた場合、波
長λは１０．６ｐ＋１１である。またレーザー発振器７
から出射されるレーザー光の径をφ２とすると、 θ−５．０３Ｘ１０−３（ラジアン）となる。

従って、レーザー発振器７からｌｏｍの距離にある対物
レンズ６ａに対するレーザー光の入射径は５．０３ｃａ
＋となり、５０ｍの距離にある対物レンズ６ａに対する
レーザー光の入射径は２５．１５ｃｍとなる。

このようにレーザー光の対物レンズ６ａに対する入射径
はレーザー発振器７と対物レンズ６ａとの距離に応じて
変化する。然し、対物レンズ６ａは一定のレンズ径を有
するものである。従って、レーザー光の入射径が対物レ
ンズ６ａの径よりも大きくなった場合には、切断に際し
てレーザー光のエネルギーを有効に利用し得ないことと
なり、ＩＩ、つレーザー光のエネルギー密度が低くなる
ことから、レーザー光の吸収に伴う対物レンズ６ａの発
熱も小さくなる。またレーザー光の入射径が対物レンズ
６ａの径よりも極端に小さくなった場合には、レーザー
光のエネルギーを全て有効に利用することが可能となる
が、エネルギー密度が高くなることから、レーザー光の
吸収に伴う対物レンズ６ａの発熱が高くなると共に局部
的な膨張の発生により対物レンズ６ａが変形してレーザ
ー光の集光性を阻害する。

本発明は上記問題を解決するために威されたものである
。

本実施例に於いて、光学系９は２枚のレンズ９ａ、９ｂ
を組み合わせて構成している。そしてレーザー発振器７
と対物レンズ６ａとの距離に応じてレンズ９ａ、９ｂの
間隔を変化させることで、レーザー発振器７から出射さ
れたレーザー光を絞り、対物レンズ６ａに入射するレー
ザー光の入射径を略一定の値に維持し得るように構成し
ている。

前記レンズ９ａはレンズホルダー９ａ＋に取り付けられ
ており、このレンズホルダー９ａ＋が光学系９のフレー
ム９Ｃに固定されている。またレンズ９ｂはレンズホル
ダー９ｂ＋に取り付けられている。

レンズホルダー９ｂ＋にはネジブロック９ｂｚが固着さ
れており、このネジブロック９ｂｚを貫通してネジ棒９
ｄが設けられている。ネジ棒９ｄは制御装置１０からの
制御パルスによって駆動されるモータ９ｅと接続されて
いる。

従って、制御装置ＩＯに於いて切断作業の進行に応した
レーザー発振！ｉｉ７と対物レンズ６ａとの距離を検出
し、この検出結果に応じてモーター９ｅを駆動すること
によってレンズ９ａ、９ｂの間隔を設定することで、対
物レンズ６ａに入射するレザー光の径を略一定の値に維
持することが可能となる。

次に切断装置Ａの制御系を第４図により説明する。

図に於いて、１０ａは制御装置ＩＯを構成する制御部で
あり、人力された被切断材Ｂに対する切断形状を読み出
し、各モーター２ａ、４ａ、５ａ、　　レザー発振器７
に対する駆動信号を発生させると共に・　トーチ６のｘ
、ｙ方向への移動量を検出し、この検出結果に応じてモ
ーター９ｅに対する駆動信号を発生させるＣＰＵ１０ａ
＋、人力装置１１によって人力された被切断材Ｂに関す
る板厚、切断速度。

切断形状等の情報を一時記憶するＲ　Ａ　Ｍ　１０ａｚ
、切断装置Ａの動作プログラム、レーザー発振器７と対
物レンズ６ａとの距離に応したレンズ９ａ、９ｂの間隔
を設定したチャート、或いは前記距離に応じてレンズ９
ａ、９ｂの間隔を設定するための演算プログラム等を格
納したＲＯＭ１０ａ３、Ｘモーター２ａ、Ｘモーター４
ａに対する駆動パルスを駆動方向に応じて加減算するカ
ウンター１０ａ４とによって構成されている。

人力装置１１は被切断材Ｂの材質、板厚、切断形状等の
情報を人力するための装置であり、この人力装置１１か
ら入力された情報はインターフェース１２を介して制御
部１０ａに伝達される。デイスプレィ１３は入力装置１
１によって入力される情報や切断装置Ａの稼働状況等を
表示するものである。

ドライバ１４は各モーターを駆動するためのものであり
、ドライバ１５はレーザー発振器７及び図示しないアシ
ストガス供給装置を駆動するものであ次に上記の如＜　
ｔｌ威した切断装置への動作について説明する。

先ず走行フレーム２及び横行キャリツノ４を所定の方向
に移動して夫々装置原点に位置させる。

これにより、トーチ６は装置原点と一致した位置に移動
する。このようにトーチ６、即ち、対物レンズ６ａが装
置原点と一致したとき、レンズ９ｂも予め設定された原
点と一致した位置にある。そしてこのとき、レーザー発
振器７からレーザー光を出射することによって、光学系
９を通過したレーザー光が対物レンズ６ａに対し予め設
定した入射径を持って入射しているか否かを確認すると
共に、入射径が変化している場合にはレンズ９ｂの位置
を変化させて調整することが可能である。

次に入力装置１１によって被切断材Ｂの材質、板厚、切
断速度等の切断情報及び被切断材Ｂに対する切断形状を
入力する。

上記切断情報の入力が終了すると、Ｘモーター２ａ、Ｘ
モーター４ａを駆動してトーチ６を移動させ、被切断材
Ｂに対する切断開始位置に一致させる。

トーチ６の移動に際し、各モーター２ａ　　４ａに伝達
される制御パルスはカウンター１０ａ　ｓによって加減
算され、対物レンズ６ａとレーザー発振器７との距離情
報として利用される。即ち、カウンター１０ａ、に於い
て加減算した制御パルスの数が対物レンズ６ａとレーザ
ー発振器７との距離の変化データとして利用され、この
データに基づいてＲｏＭｔｏａ３に格納された対物レン
ズ６ａとレーザ発振器７との距離に応したレンズ９ａ、
９ｂの間隔設定チャートからレンズ９ｂの位置情報を読
み出し、この情報に応じてモーター９ｅを駆動する。

トーチ６が所定の切断開始位置に至ると、２モーター５
ａが駆動され、トーチ６が被切断材Ｂに対し所定の高さ
に設定される。

次いでＲＯＭｌ０ａ３に格納された所定の切断プログラ
ムに従ってレーザー発振器７が駆動されレーザー光が出
射される。同時にアシストガス供給装置からトーチ６の
ノズル６ｃにアシストガスが供給される。更に、ＲＡＭ
１０ａｘに記憶した切断形状の情報が読み出され、この
情報に応じてＸモーター２ａ、Ｘモーター４ａが駆動さ
れる。そしてこの一連の動作によって被切断材Ｂは所定
の形状に切断される。

上記切断動作に際し、Ｘモーター２ａ、Ｘモーター４ａ
に伝達される制御パルスはカウンター１０ａ４に於いて
加減算され、前述の如く対物レンズ６ａとレーザー発振
器７との距離情報として利用される。このとき、レーザ
ー発振器７から出射されたレーザー光は光学系９によっ
て絞られ、対物レンズ６ａに対し常に略一定の入射径を
持って入射する。

上記動作によって予め人力された被切断材Ｂに対する切
断作業が終了すると、レーザー発振器７を停止すると共
にアシストガス供給装置を停止して作業を終了させる。

このとき、レンズ９ｂの位置は切断作業の終了位置に於
ける対物レンズ６ａとレーザー発振器７との距離に応し
た位置にある。

従って、新たに切断作業を開始する場合には、この位置
から開始することも可能である。

〈発明の効果〉 以上詳細に説明したように、本発明に係るレーザー加工
方性によれば、対物レンズとレーザー発振器との距離に
係わらず対物レンズに入射するレーザー光の入射径を略
一定に維持することで、レーザー光の吸収による対物レ
ンズの発熱を略一定とすると共に発熱領域を略一定に維
持することが出来る。このため、対物レンズの熱による
変形を常に略一定の状態とすることが出来、対物レンズ
の局部的な変形による集光点の歪みがない。

また本発明に係るレーザー加工装置によれば、制御手段
によってレーザー発振器に対する対物レンズの距離を検
出し、この検出結果に応じて維持手段を制御することで
、加工の進行に伴う対物レンズとレーザー発振器との距
離の変化に係わらず対物レンズに入射するレーザー光の
入射径を略−定の値に維持するすることが出来る等の特
徴を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るレーザー加工装置の全体説明図、
第２図はレーザートーチの断面説明図、第３図は光学系
の説明図、第４図は制御系のブロック説明図、第５図及
び第６図は従来技術の説明図である。 Ａは切断装置、Ｂは被切断材、ｌはレール、２は走行フ
レーム、２ａはＸモーター、４は横行キャリッジ、４ａ
はｙモーター、５は昇降ブラケット、５ａは２モーター
、６はトーチ、６ａは対物レンズ、７はレーザー発振器
、８はレーザー光通路、９は光学系、９ａ、９ｂはレン
ズ、９ｄはネジ棒、９ｅはモーター、ＩＯは制御装置、
１０ａは制御部、１１は入力装置、１２はインターフェ
ース、１３はデイスプレィ、１４１５はドライバである
。 出　願　人　　小池酸素工業株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザー発振器から出射されたレーザー光を対物
   レンズによって集光し、前記対物レンズを移動させつつ
   集光したレーザー光を被加工材に照射して被加工材に対
   する加工を実施するに際し、レーザー発振器から出射さ
   れたレーザー光が前記対物レンズに入射する際の入射径
   を略一定にしたことを特徴としたレーザー加工方法。
2. （２）所定位置に固定して配置されたレーザー発振器と
   、前記レーザー発振器に対し移動可能に構成され且つレ
   ーザー発振器から出射されたレーザー光を集光すると共
   に被加工材に照射するための対物レンズと、前記レーザ
   ー発振器と対物レンズとの間に設けられ対物レンズに入
   射するレーザー光の径を略一定に維持するための維持手
   段と、前記対物レンズと前記レーザー発振器との距離に
   応じて前記維持手段を制御するための制御手段とを有す
   ることを特徴としたレーザー加工装置。