JPH07124774A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザビームを集光して切断加工を行うレー
ザ加工装置において、高速でありながら良好な加工を行
うことができるようにする。 【構成】 導光路９１の上部には集光レンズ９３が取り
付けられている。この集光レンズ９３は、レーザビーム
７がワーク１７表面の直径０．５ｍｍ程度の範囲で集光
するように曲率に形成されている。また、集光レンズ９
３の中心付近には、直径約１．５ｍｍの平坦部９３ａが
形成されている。ガス導入口９４からは、酸素等のアシ
ストガス３１が導入され、加工実行時にノズル９２を介
してワーク１７に噴射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザビームを集光して
切断加工を行うレーザ加工装置に関し、特に金属板等の
切断加工を行うレーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属板等のレーザ切断加工につい
ては、集光点でのエネルギー密度を可能な限り大きくす
るのが良いとされている。特に高速にレーザ切断加工を
行うには、レーザ発振装置からのレーザビームを加工ヘ
ッド内の集光レンズで短い焦点距離で集光することによ
り、密度が高くスポット径の小さいレーザビームを照射
するようにしている。

【０００３】このような金属板等のレーザ切断加工で
は、レーザビームの照射により高温となったワークに酸
素等のアシストガスを適宜供給して熱化学反応を起こ
し、これにより金属を融解蒸発させ、さらに、溶融した
金属をアシストガスの勢いによって吹き飛ばすようにし
ている。すなわち、レーザビームが火種となって金属の
酸化反応を起こし、この熱によって金属を融解し酸素と
攪拌する。融解した金属は、酸素が多量に溶けているた
め粘性が低く、アシストガスの圧力によって容易に除去
される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようなレーザ切断
加工では、作業が良好に行われているときには、レーザ
ビームは切断される金属板の厚さ全域に到達し、必要十
分な熱量を供給している。しかし、高速で切断加工を行
う場合には、上記のような熱化学反応が起こるよりも速
くレーザビームが移動してしまい、種火を失った溶解金
属は反応を中止してその場で固化してしまう。このた
め、レーザビームによる切断加工には、その加工速度に
限界があった。

【０００５】一方、レーザビームの高速移動に合わせて
ビームのエネルギー密度を増加させる方法がある。しか
し、この方法はレーザビームによるワークの貫通には効
果があるが、切断速度の増加に伴いワークへのドロスの
付着も多くなり、切断部分の品質を低下させるという問
題点があった。

【０００６】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、高速でありながら良好な切断加工を行うこと
のできるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、レーザビームを集光して切断加工を行う
レーザ加工装置において、前記レーザビームを出力する
レーザ発振装置と、前記レーザビームを、中心付近は十
分強い出力値でかつ前記中心付近から所定範囲に亘って
は前記中心付近よりも弱い出力値のエネルギー密度を持
つビームに変換してワークに照射するように構成された
加工ヘッドと、を有することを特徴とするレーザ加工装
置が提供される。

【０００８】

【作用】レーザ発振装置から出力されたレーザビーム
は、加工ヘッドが、中心付近は十分強い出力値でかつ中
心付近から所定範囲に亘っては中心付近よりも弱い出力
値のエネルギー密度を持つビームに変換してワークに照
射する。

【０００９】このようなレーザ加工装置により切断加工
を行うと、中心付近の強い出力値のレーザビームの照射
された部分は十分に溶融し、さらにこの中心付近が通過
した後も弱い出力値のレーザビームがある程度照射され
るので、ワークの高温状態を維持することができる。こ
れにより、加工ヘッドが高速に移動しても、ワークの切
断部分にドロスが付着するのが防止され、品質のよい切
断加工が行われる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図２は本発明のレーザ加工装置の全体構成図で
ある。このレーザ加工装置は、主に、プロセッサ１およ
び放電管４等からなるレーザ発振装置部と、ワーク１７
のレーザビームを照射する加工ヘッド９から構成されて
いる。プロセッサ（ＣＰＵ）１は、図示されていないＲ
ＯＭに格納された制御プログラムに基づいてメモリ１０
に格納された加工プログラムを読み出し、レーザ加工装
置全体の動作を制御する。出力制御回路２は内部にＤ／
Ａ（Digital/Analog）コンバータを内蔵しており、プロ
セッサ１から出力された出力指令値を電流指令値に変換
して出力する。励起用電源３は商用電源を整流した後、
スイッチング動作を行なって高周波電圧を発生し、電流
指令値に応じた高周波電流を放電管４に供給する。

【００１１】放電管４の内部にはレーザガス１９が循環
しており、レーザ用電源３から高周波電圧が印加される
と放電を生じてレーザガス１９が励起される。リア鏡５
は反射率９９．５〔％〕のゲルマニウム（Ｇｅ）製の
鏡、出力鏡６は反射率６５〔％〕のジンクセレン（Ｚｎ
Ｓｅ）製の鏡であって、安定型共振器を構成し、励起さ
れたレーザガス分子から放出される１０．６〔μｍ〕の
光を増幅して一部を出力鏡６からレーザビーム７として
外部に出力する。

【００１２】出力されたレーザビーム７は、後述するシ
ャッタ２３ａが開いている時には、ベンダミラー８で方
向を変え、加工ヘッド９によって後述するエネルギー分
布を有するビームに変換されてワーク１７の表面に照射
される。

【００１３】メモリ１０は加工プログラム、各種のパラ
メータ等を格納する不揮発性メモリであり、図示されて
いないバッテリによってバックアップされたＣＭＯＳが
使用される。なお、この他にシステムプログラムを格納
するＲＯＭ、一時的にデータを格納するＲＡＭがある
が、本図ではこれらを省略してある。

【００１４】位置制御回路１１はプロセッサ１からの指
令によってサーボアンプ１２を介してサーボモータ１３
を回転制御し、ボールスクリュー１４及びナット１５に
よってテーブル１６の移動を制御し、ワーク１７の位置
を制御する。図では１軸のみを表示してあるが、実際に
は複数の制御軸がある。表示装置１８にはＣＲＴ或いは
液晶表示装置等が使用される。

【００１５】送風機２０にはルーツブロワが使用され、
レーザガス１９を冷却器２１ａ及び２１ｂを通して循環
する。冷却器２１ａはレーザ発振を行なって高温となっ
たレーザガス１９を冷却するための冷却器であり、冷却
器２１ｂは送風器２０による圧縮熱を除去するための冷
却器である。

【００１６】シャッタ制御回路２２はプロセッサ１の指
令に基づいてシャッタ２３ａを開閉する。シャッタ２３
ａは表面に金メッキが施された銅板またはアルミ板で構
成されており、閉時には出力鏡６から出力されたレーザ
ビーム７を反射してビームアブソーバ２３ｂに吸収させ
る。シャッタ２３ａを開くとレーザビーム７がワーク１
７に照射される。

【００１７】パワーセンサ２４は熱電あるいは光電変換
素子等で構成され、リア鏡５から一部透過して出力され
たレーザビームを入力してレーザビーム７の出力パワー
を測定する。Ａ／Ｄ変換器２５はパワーセンサ２４の出
力をディジタル値に変換してプロセッサ１に入力する。

【００１８】また、このような構成のレーザ加工装置に
は、図示されていないが、ワーク１７の溶融の補助や溶
融したワークの除去等を行うためのアシストガスを供給
する手段が加工ヘッド９に設けられている。

【００１９】図１は加工ヘッド９の構成を示す断面図で
ある。加工ヘッド９は、主に導光路９１、ノズル９２、
集光レンズ９３、およびガス導入口９４から構成されて
いる。導光路９１の上部には集光レンズ９３が取り付け
られている。この集光レンズ９３は、レーザビーム７が
ワーク１７表面の直径０．５ｍｍ程度の範囲で集光する
ように曲率に形成されている。また、集光レンズ９３の
中心付近には、直径約１．５ｍｍの平坦部９３ａが形成
されている。ガス導入口９４からは、酸素等のアシスト
ガス３１が導入され、加工実行時にノズル９２を介して
厚さ約１．６ｍｍのワーク１７に噴射される。

【００２０】次に、このような構成を有する加工ヘッド
９の特性について説明する。図３は加工ヘッド９の特性
を示す図であり、（Ａ）は加工ヘッド９によりワークに
レーザビーム７を照射した場合のエネルギー密度の特性
を示す概念図、（Ｂ）はそのときのワーク１７の酸化反
応量の特性を示す図である。また、図４は中心Ｐ_O から
の距離に対するレーザビーム出力の具体的な特性を示す
図である。加工ヘッド９からのレーザビーム７をワーク
１７に照射すると、そのエネルギー密度の特性Ｓ１は、
図３（Ａ）に示すように、ビーム中心Ｐ_O 付近（直径約
０．５ｍｍの範囲）が最も高く、さらにビーム中心Ｐ_O
から所定の範囲（直径約１．５ｍｍの範囲）に亘ってほ
ぼ一定値のエネルギー密度を持ち、それ以外はほぼ０と
なっている。

【００２１】これは、加工ヘッド９に入射したレーザビ
ーム７の大部分は、集光レンズ９３でビーム中心Ｐ_O 付
近に集光される一方、集光レンズ９３の平坦部９３ａを
通過したビームは、集光されずに直接ワーク１７表面に
到達するからである。また、レーザビーム７の照射され
ない部分は当然そのエネルギー密度は０になる。

【００２２】このような特性のレーザビームを出力する
加工ヘッド９を、ワーク１７に対して例えば図面左方向
に移動させて加工を行ったとすると、ワーク１７上の各
部分では、特性Ｓ１の前側の小出力領域Ｓ１ａが先に通
過する。このときは、レーザビーム７の強度は弱く、ア
シストガス３１による酸化反応補助があっても、ワーク
１７の熱化学反応は開始されない。特に、小出力領域Ｓ
１ａの通過時は、ワーク１７はまだ熱化学反応を起こし
ていないためその表面には光沢がある。このため、大部
分のレーザビーム７は反射し、ほとんどワーク１７には
熱は吸収されない。

【００２３】次いで、レーザビーム７の中心Ｐ_O 部分が
通過すると、ワーク１７の表面温度は急上昇し、急速に
溶融する。これにより、レーザビーム７の強度に応じた
鋭い穴がワーク１７に形成され、この穴にレーザビーム
７が吸収されることにより、さらに吸収率が高まり反応
が加速される。また、アシストガス３１との熱化学反応
により、中心Ｐ_O の周囲の部分も溶融する。こうして溶
融したドロスは、アシストガス３１の圧力によって下方
へ吹き飛ばされる。

【００２４】中心Ｐ_O 部分が通過した後は、後側の小出
力領域Ｓ１ｂが通過する。このときのワーク１７への熱
供給量は、中心Ｐ_O 部分の通過時よりも極端に低下す
る。しかし、ワーク１７上はすでに高温となっているの
で、微小であってもレーザ熱が供給されることにより、
熱化学反応が継続される。

【００２５】このように、加工ヘッド９による加工で
は、図３（Ａ）で示すように、中心Ｐ _O から出力が０に
なるまでの範囲Ｄ１の部分で十分な熱化学反応が継続さ
れることになる。各位置におけるワーク１７の酸化反応
量は同図（Ｂ）の特性Ｓ２に示す通りである。ここで、
レーザビーム７の出力のエネルギー密度を図４で示した
特性、すなわち、中心Ｐ_O での最大出力を５．０ｋｗ／
ｍｍ² 、小出力領域Ｓ１ａ、およびＳ１ｂでの出力を１
００ｗ／ｍｍ² とすると、特性Ｓ２全体の酸化反応量
は、３ｋｗ程度となることが分かっている。

【００２６】このように、本実施例では、加工ヘッド９
の集光レンズ９３の中心部分に平坦部９３ａを形成する
ことにより、レーザビーム７のエネルギー密度分布を、
中心部分が大出力、その周辺の所定範囲が小出力となる
ようにすることができる。これにより、中心部の大出力
のレーザビームによって穴の開けられた部分は、中心部
が通過した後も小出力のレーザビームがある程度の時間
照射されるので、各部分において常に必要十分な熱化学
反応を起こすことが可能となる。したがって、高速作業
でも高品質のレーザ加工を行うことができる。

【００２７】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
図５は本発明の第２の実施例の構成を示す概略図であ
る。導光路やノズル等の構成は省略してある。本実施例
では、２つの集光レンズ４１および４２を設ける。集光
レンズ４１は通常の集光レンズであり、レーザビーム４
３を集光してワーク４６表面の一部に照射する。一方、
集光レンズ４２は、図示されていないＹＡＧレーザ発振
装置から光ファイバ４４を介して加工ヘッド内に導入さ
れたレーザビーム４５を、集光レンズ４１よりもやや長
い焦点距離で集光させる。これにより、レーザビーム４
５は、ワーク４６表面において、レーザビーム４３の周
囲に所定の範囲に亘って分布する。したがって、前述の
実施例と同様のエネルギー密度のレーザビームをワーク
４６に照射することが可能になり、同様の効果が得られ
る。

【００２８】なお、レーザビーム４５は、設計上加工ヘ
ッド内に導入が可能であれば、放電管４からのガスレー
ザを分岐して用いるようにしてもよい。次に本発明の第
３の実施例を説明する。

【００２９】図６は本発明の第３の実施例の構成を示す
概略図である。ここでも導光路やノズル等の構成は省略
してある。本実施例では、ワーク５４表面の直径約０．
５ｍｍの範囲に焦点を合わせた集光レンズ５１の下方に
屈折部材５２が設けられている。屈折部材５２は、内側
面５２ａにテーパが形成されており、レーザビーム５３
の外側の一部を反射して内側に屈折させるようになって
いる。

【００３０】したがって、レーザビーム５３の外側付近
のレーザビーム５３ａは、屈折部材５２の内側面５２ａ
で反射し、集光レンズ５１の焦点と少しずれた方向に屈
折される。一方、屈折部材５２の内側面５２ａに接触し
ない大部分のレーザビーム５３ｂは、ワーク５４表面の
一部に集光して照射される。

【００３１】図７はこの第３の実施例によるレーザビー
ムのエネルギー密度の分布の特性を示す図である。ここ
で、横軸はビーム中心からの距離（ｍｍ）、縦軸はエネ
ルギー密度（ｋｗ／ｍｍ² ）である。本実施例の構成で
は、中心部分のエネルギー密度が約５ｋｗ／ｍｍ² とな
るように出力を制御した場合、中心からの距離が０．５
ｍｍ付近でほぼ０になり、０．５ｍｍから１．０ｍｍの
間で再び小出力のエネルギー密度を得ることができる。

【００３２】これにより、上述した２つの実施例と同様
の効果を得ることができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、レーザ
発振装置から出力されたレーザビームを、加工ヘッドに
おいて、中心付近は十分強い出力値でかつ中心付近から
所定範囲に亘っては中心付近よりも弱い出力値のエネル
ギー密度を持つビームに変換してワークに照射するよう
にしたので、中心付近の強い出力値のレーザビームが照
射されることによりそのワーク部分は十分に溶融し、さ
らにこの中心付近が通過した後もワークには弱い出力値
のレーザビームがある程度照射されるので、ワークの高
温状態を維持することができる。これにより、加工ヘッ
ドが高速に移動しても、ワークの切断部分にドロスが付
着するのが防止され、品質のよい切断加工を行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】加工ヘッドの構成を示す断面図である。

【図２】本発明のレーザ加工装置の全体構成図である。

【図３】加工ヘッドの特性を示す図であり、（Ａ）は加
工ヘッドによりワークにレーザビームを照射した場合の
エネルギー密度の特性を示す概念図、（Ｂ）はそのとき
のワークの酸化反応量の特性を示す図である。

【図４】中心からの距離に対するレーザビーム出力の具
体的な特性を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施例の構成を示す概略図であ
る。

【図６】本発明の第３の実施例の構成を示す概略図であ
る。

【図７】第３の実施例によるレーザビームのエネルギー
密度の分布の特性を示す図である。

【符号の説明】

１ プロセッサ（ＣＰＵ） ４ 放電管 ７ レーザビーム ９ 加工ヘッド １７ ワーク ３１ アシストガス ９１ 導光路 ９２ ノズル ９３ 集光レンズ ９３ａ 平坦部 ９４ ガス導入口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２３Ｋ 26/14 Ａ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームを集光して切断加工を行う
   レーザ加工装置において、 前記レーザビームを出力するレーザ発振装置と、 前記レーザビームを、中心付近は十分強い出力値でかつ
   前記中心付近から所定範囲に亘っては前記中心付近より
   も弱い出力値のエネルギー密度を持つビームに変換して
   ワークに照射するように構成された加工ヘッドと、 を有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 前記加工ヘッドは、中心部分が前記所定
   範囲に亘って平坦に形成された集光レンズを有すること
   を特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 前記レーザ発振装置は、メインのレーザ
   ビームを出力するメインビーム出力手段と、サブのレー
   ザビームを出力するサブビーム出力手段とを有し、前記
   加工ヘッドは、前記メインビーム出力手段からのレーザ
   ビームを集光してワークに照射するメイン集光レンズ
   と、前記サブビーム出力手段からのレーザビームを前記
   メイン集光レンズで集光したレーザビームの周りに前記
   所定範囲に亘って分布するように集光してワークに照射
   するサブ集光レンズとを有することを特徴とする請求項
   １記載にレーザ加工装置。
4. 【請求項４】 前記サブビーム出力手段は、ＹＡＧレー
   ザビームを出力するＹＡＧレーザ発振手段と、前記発振
   したＹＡＧレーザを前記加工ヘッドまで導入する光ファ
   イバとを有することを特徴とする請求項３記載のレーザ
   加工装置。
5. 【請求項５】 前記加工ヘッドは、前記レーザ発振装置
   からのレーザビームを集光してワークに照射する集光レ
   ンズと、前記集光レンズを通過したレーザビームの一部
   を屈折させレーザビームの中心部から前記所定範囲の部
   分で前記ワークに照射させる屈折部材とを有することを
   特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。