CN110168820B - 激光装置 - Google Patents

Abstract

激光装置，具备：出射激光束的激光谐振器；将从激光谐振器出射的激光束聚光的聚光透镜(21)；和传输在聚光透镜(21)聚光的激光束的光纤(7)，且具备：配设于比聚光透镜(21)更靠激光束的入射侧且从光束的光路偏离的位置而检测来自聚光透镜(21)的返回光的光量的至少1个光传感器(5)；在至少1个光传感器(5)的任一者的检测值大于给定的最大阈值的情况下判定为是异常状态的控制部(异常判定部)。

Description

激光装置

技术领域

本发明涉及进行激光焊接、激光切断等激光加工的激光装置。

背景技术

过去以来，已知通过对被加工件照射激光束来进行激光焊接、激光切断等激光加工的激光装置(例如参考专利文献1)。

在专利文献1中公开了具备选择性地切换从1台激光振荡器出射的激光束以使其从2条光纤的任意一方出射的光束开关的激光装置。

光束开关具有用于切换激光束的反射镜、将激光束聚光的2个聚光透镜和2条光纤。2条光纤分别与不同的激光加工头连接，激光装置能在不同的场所、定时进行激光加工。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第7982935号说明书

发明内容

发明要解决的课题

然而，在现有的激光装置中，反射镜、聚光透镜等光学部件、光纤由于会因周围温度或湿气等的影响而随时间劣化，或因来自周围环境的附着物而表面被弄脏，因此有时在激光束的照射位置中出现微小的变化。

并且，在激光束向纤芯径小的光纤入射的结构的光纤光学***激光装置中，即使仅在照射位置产生极微小的偏离，激光束也不会入射到纤芯。在该情况下，由于激光束入射到纤芯的周边部，因此会给纤芯的周边部带来损伤。

在此，在激光焊接或激光切断中使用的激光束是数kW以至于数十kW的高输出的激光束。为此，在光学部件或光纤即使稍有损伤，也会受到激光束的照射而该损伤急剧扩大，有可能会使激光装置整体发生故障。

本发明鉴于该点而提出，其目的在于，防止因光学部件或光纤的损伤等而在激光装置整体中故障扩大。

用于解决课题的手段

本发明将激光装置作为对象，其具备：出射激光束的激光谐振部；将从激光谐振部出射的激光束聚光的聚光透镜；和传输在聚光透镜聚光的激光束的光纤，本发明采用了如下那样的解决手段。

即，本发明具备：配设于比聚光透镜更靠激光束的入射侧且从激光束的光路偏离的位置而检测来自聚光透镜的返回光的光量的至少1个光传感器；和在至少1个光传感器的任一个的检测值大于给定的最大阈值的情况下判定为是异常状态的异常判定部。

发明的效果

根据本发明，在出射激光束时的初始阶段，能基于任一个光传感器检测的返回光的光量来较早地检测光学部件或光纤的污垢或损伤等异常状态。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的激光装置的结构的示意图。

图2是表示实施方式1所涉及的光束切换部的结构的示意图。

图3是用于说明反射镜的启用(ON)状态的图。

图4是用于说明反射镜的禁用(OFF)状态的图。

图5是表示切换反射镜时的光束切换部的结构的示意图。

图6是表示光纤耦合部的结构的示意图。

图7是表示光传感器的配置的示意图。

图8是表示在聚光透镜或光纤端面发生损伤时的光的反射的示意图。

图9是表示控制部在判定中所用的各值的图。

图10是表示实施方式2所涉及的激光装置的光束切换部的结构的意图。

图11是表示反射镜脱落时的激光束的照射位置的示意图。

图12是表示控制部在判定中所用的各值的图。

具体实施方式

以下基于附图来说明本发明的实施方式。另外，以下说明了优选的实施方式，但该实施方式本质上只是例示，并不意图对本发明、其应用物或其用途进行限制。

《实施方式1》

如图1所示那样，激光装置100具备激光谐振器1、光束开关30和2个光纤7、8。

激光谐振器1将通过激光谐振得到的激光束准直来使其作为激光束OP1向外部出射。作为激光谐振器1，例如可以使用直接二极管(direct diode)激光器、光纤激光器、盘式激光器或YAG激光器的任一者。

光束开关30将从激光谐振器1出射的激光束OP1选择性地进行切换，使其从光纤7、8的任意一方出射。光束开关30具有光束切换部2、2个光纤耦合部3、4和2个光传感器5、6。

光束切换部2将从激光谐振器1出射的激光束OP1作为输入，选择性地切换是将其作为激光束OP2向光纤耦合部3出射，还是作为激光束OP3向光纤耦合部4出射。

光纤耦合部3将激光束OP2作为输入，对光纤7输出激光束OP4。光纤耦合部4将激光束OP3作为输入，对光纤8输出激光束OP5。

在光束切换部2连接使电动机13、17(参考图2)旋转驱动的驱动部9。在激光谐振器1连接电源部10。电源部10对激光谐振器1提供激光振荡用的电力。

光传感器5检测在光纤耦合部3被反射而回到比光纤耦合部3更靠入射侧的返回光的光量。光传感器6检测在光纤耦合部4被反射而回到比光纤耦合部4更靠入射侧的返回光的光量。将表示在光传感器5、6检测到的检测值的输出信号输入到控制部11。另外，关于光传感器5、6的配设位置将后述。

控制部11基于光传感器5、6的输出信号来控制驱动部9以及电源部10的动作。

另外，在本实施方式中，将在光束切换部2选择性输出的激光束的数量设为2个(激光束OP2、OP3)。但这是一例，光束切换部2也可以是选择性输出2个以上的激光束的结构。

另外，光束开关30可以是具备未图示的筐体的结构。可以将光束切换部2、光纤耦合部3、4以及光传感器5、6安装在筐体内部。

<关于光束切换部>

如图2所示那样，光束切换部2通过使激光束OP1折向来变更光路。光束切换部2具有2个反射镜12、16、使反射镜12、16旋转的2个电动机13、17和吸收激光束OP1的能量的衰减器20。

反射镜12被反射镜架15保持。反射镜架15经由电动机轴14与电动机13连接。对于电动机13，由对应于来自控制部11的指令而动作的驱动部9控制旋转动作。反射镜12伴随电动机13的旋转而可动。

同样地，反射镜16被反射镜架19保持。反射镜架19经由电动机轴18与电动机17连接。对于电动机17，由对应于来自控制部11的指令而动作的驱动部9控制旋转动作。反射镜16伴随电动机17的旋转而可动。

图3是用于说明反射镜12、16的启用状态的图，从图2中的以X或Y所示的方向来看反射镜12、16。图4是用于说明反射镜12、16的禁用状态的图，从图2中的以X或Y所示的方向来看反射镜12、16。

如图3以及图4所示那样，反射镜12、16的反射面为矩形的平板状。在反射镜12、16，靠近沿着反射面的长边的方向的一方的端部连接反射镜架15、19。反射镜12、16以及反射镜架15、19伴随电动机13、17的旋转而以电动机轴14、18为旋转轴旋转。

如图3所示那样，将放低与连接反射镜架15、19的端部的相反侧的端部(另一方的端部)的状态设为反射镜12、16的“启用状态”。在图3所示的示例中，将另一方的端部放低到反射面的长边与水平方向成为平行的位置。

如图4所示那样，将抬高另一方的端部的状态设为反射镜12、16的“禁用状态”。在图4所示的示例中，将另一方的端部抬高到反射面的长边与铅垂方向成为平行的位置。

光束切换部2如图2以及图3所示那样，将反射镜12设为启用状态、即放低反射镜12的状态。由此，激光束OP1照到反射镜12的C点，激光束OP1的光轴AB折向到水平面内直角的光轴CD。如此地，光束切换部2输出激光束OP2。这时，将反射镜16如图4所示那样设为禁用状态、即抬高反射镜16的状态(参考图4)。

在实际的激光加工中，控制部11通过预先使反射镜12为启用状态后使电源部10成为启用状态，来输出激光束OP1进行激光加工。然后，在激光加工结束时，控制部11在通过使电源部10成为禁用状态来停止激光输出后，使反射镜12成为禁用状态。

另一方面，如图5以及图4所示那样，光束切换部2若使反射镜12成为禁用状态、即抬高反射镜12的状态，则激光束OP1横穿过反射镜12而直线前进。这时，如图3所示那样，使反射镜16成为启用状态、即放低反射镜16的状态。于是，激光束OP1照到反射镜16的E点，激光束OP1的光轴AB折向到水平面内直角的光轴EF。如此地，光束切换部2输出激光束OP3。

衰减器20设置在与激光束OP1的入射对置的位置，以使得激光束OP1的光轴与衰减器20的中心位置一致。

衰减器20在因激光加工中发生某些异常(例如反射镜12、16的旋转不良或脱落等)而激光束OP1直线前进的情况下吸收激光束OP1的能量。另外，在激光装置100正常的状态下，激光束OP1并不直接照射到衰减器20。

<关于光纤耦合部>

如图6所示那样，光纤耦合部3具有聚光透镜21和保持聚光透镜21以及光纤7的光学***保持体22。另外，关于光纤耦合部4，由于是与光纤耦合部3同样的结构，因此省略说明。

聚光透镜21将入射到光纤耦合部3的激光束OP2聚光并作为激光束OP4入射到光纤7。

光学***保持体22形成为筒状，在其筒内嵌入保持聚光透镜21。在光学***保持体22中的比聚光透镜21更靠出射侧保持光纤7的端部。光纤7被保持在光纤7的光轴与OP4的光轴一致的位置，以使在聚光透镜21聚光的激光束OP4的全部都进入光纤7的纤芯。

另外，虽省略图示，但可以在光学***保持体22设置能使光纤7的端部沿着激光束OP2的光轴方向移动的调整机构。另外，还可以在光学***保持体22设置能使光纤7的端部在与激光束OP2的光轴方向正交的方向移动的调整机构。

另外，在本实施方式中，将由1个筒状体构成光学***保持体22，但这是一例。例如，也可以由分开的构件来构成保持聚光透镜21的部分和保持光纤7的端部的部分。也可以在将聚光透镜21和光纤7安装在各个构件后将两构件组合。

另外，在本实施方式中，说明了将聚光透镜21设为1片透镜的情况，但也可以使用组合透镜。由此可以减少像差，使激光束OP4更加效率良好地入射到光纤7。

<关于光传感器的配置>

光传感器5配设在从对光纤耦合部3入射的激光束OP2的光路偏离的位置且比聚光透镜21更靠激光束OP2的入射侧。

具体地，如图7所示那样，光传感器5在对光纤耦合部3入射的激光束OP2的入射方向的斜后方向上，以与聚光透镜21的中心部对置的姿态配设接受返回光的受光面5a。另外，受光面5a以与光传感器5的中心轴OX1正交的姿态配设。

所谓“使受光面5a与聚光透镜21的中心部对置”，如图7所示那样，是指配置成光传感器5的中心轴OX1和聚光透镜21的中心轴在聚光透镜21的中心位置R交叉。

光传感器5的中心轴OX1由于受光灵敏度最高，因此，通过如此配置光传感器5，能使进入光传感器5的返回光的光量最高。由此，后述的控制部11的异常判定处理的精度得到提升。

另外，光传感器6的配置由于与对光纤耦合部3的光传感器5的配置同样，因此省略说明。

在此，在激光输出中、即激光束OP2入射到光纤耦合部3时，从聚光透镜21的表面反射激光束的一部分。该反射的光作为返回光被光传感器5检测到。

另外，在激光束OP2被聚光透镜21聚光而作为激光束OP4入射到光纤7时，也从光纤7的端面反射激光束的一部分。该反射的光通过聚光透镜21而朝向光传感器5，作为返回光被光传感器5检测到。

如此地，在照射激光束OP2时，来自聚光透镜21、光纤7的端面的返回光被光传感器5检测到。

<光传感器的动作原理>

以下参考图8以及图9来说明光传感器5的动作原理。另外，光传感器6的动作原理由于与光传感器5同样，因此省略说明。

在实际的激光加工中，在光传感器5检测到的返回光的光量根据激光输出(激光束OP2的强度)而不同，但在恒定的激光输出中，只要聚光透镜21和光纤7的端面是正常状态，就示出比较小的值。

这是因为，由于来自聚光透镜21、光纤7的端面的反射会损失，因此为了抑制该损失，通常在它们的表面实施涂层，以使在使用的激光波长下反射变得最小。

另一方面，若在激光照射中，在聚光透镜21、光纤7的端面附着污垢，涂层或光学部件自身发生损伤，则对入射的激光束OP2的反射急剧增加。其结果，回到光传感器5光量急剧增加。

如图8所示那样，在位于聚光透镜21的表面的P点产生污垢或损伤的情况下，在P点，对激光束OP2的反射变强，反射而回到光传感器5的光Rf1的光量急剧增加。

同样地，在位于光纤7的端面的Q点产生污垢或损伤的情况下，在Q点，对激光束OP4的反射变强，在反射后通过聚光透镜21而回到光传感器5的光Rf2的光量急剧增加。

利用该现象，控制部11在激光束OP4的输出中以表示光传感器5的检测值的输出信号为输入来进行以下的判定。控制部11预先存储图9所示的最大阈值S-ref1和与激光输出的值相应的返回光的正常值S-nor。然后，控制部11取得光传感器5的检测值和激光输出的值，若光传感器5的检测值小于最大阈值S-ref1，是与激光输出的值相应的正常值S-nor，就判定为光纤耦合部3是正常状态。即，判定为未在聚光透镜21、光纤7的端面产生污垢或损伤。

另外，这时，通过调整电源部10的输出，使得光传感器5的检测值符合与激光输出的值相应的正常值S-nor，来使激光输出的值收敛到目标值。即，通过进行控制，使得光传感器5的检测值成为恒定值，能得到稳定的激光输出值。

另一方面，若光传感器5的检测值大于最大阈值S-ref1，是图9所示的S-des，则控制部11判定为光纤耦合部3是异常状态。即，判定为在聚光透镜21、光纤7的端面产生了污垢或损伤。另外，由于根据损伤的程度而返回光的强度不同，因此S-des以具有宽度的阴影区域表示。

如此地，控制部11构成用于判定光纤耦合部3的异常状态的异常判定部。

另外，本实施方式的控制部11判断光传感器5的检测值是否是与激光输出的值相应的正常值S-nor，但这不是必须的结构。控制部11只要是至少判断光传感器5的检测值是否小于给定的最大阈值S-ref1的结构即足够。在该情况下，控制部11不需要存储S-nor。

<激光装置的动作和其效果>

以下说明激光装置100的动作和其效果。

在激光加工的开始时，如图1所示那样，控制部11经过驱动部9来控制光束开关30，对在激光谐振器1产生的激光束OP1进行切换，使其从光纤7、8的任意一方出射。由此通过激光束OP4或激光束OP5进行激光加工。

在此，在激光束OP4的输出中，在光传感器5的检测值变得大于最大阈值S-ref1(图9参考)的情况下，在控制部11中判定为是异常状态。即，判定为在光纤耦合部3的聚光透镜21或光纤7的端面产生了污垢或损伤。

同样地，在激光束OP5输出中，在光传感器6的检测值变得大于最大阈值S-ref1的情况下，在控制部11中判定为是异常状态。即，判定为在光纤耦合部4的聚光透镜21或光纤8的端面产生了污垢或损伤。

然后，若在控制部11判定为是异常状态，控制部11就通过控制电源部10来立即停止向激光谐振器1的电力提供。由此能防止激光装置100的故障扩大。

《实施方式2》

图10是表示本实施方式2所涉及的激光装置的光束切换部的结构的示意图。以下对与实施方式1相同部分标注相同附图标记，仅说明相异点。

在图10所示的示例中，反射镜12是启用状态，即，是放低反射镜12的状态。然后，光束切换部2通过将激光束OP1照到反射镜12的C点，来使激光束OP1的光轴AB折向到水平面内直角的光轴CD，作为激光束OP2输出。这时，反射镜16是禁用状态，即，成为抬高反射镜16的状态。

在此，在由于年代劣化或安装不良等的理由而反射镜12从反射镜架15脱落的情况下，成为图11所示的状态。

在该情况下，激光束OP1未通过反射镜12而折向，直线前进。这时，由于反射镜16成为禁用状态，因此激光束OP1横穿反射镜16而直线前进，直接照射到衰减器20。其结果，虽省略图示，但由于从光纤耦合部3的聚光透镜21向光传感器5返回的返回光几乎消失，因此光传感器5的输出急剧减少。

利用该现象，控制部11在激光束OP1的输出中将表示光传感器5的检测值的输出信号作为输入来进行以下的判定。实施方式2的控制部11预先存储图12所示的最小阈值S-ref2。然后，若光传感器5的检测值是小于最小阈值S-ref2的S-no-MRR，则控制部11判定为是异常状态，即反射镜12脱落或破损等。同样地，能基于光传感器6的检测值来对反射镜16的脱落等也进行判定。

然后，若在控制部11判定为是异常状态，则控制部11通过控制电源部10来立即阻断向激光谐振器1的电力提供，从而停止激光振荡。由此能防止激光装置100的故障扩大。

另外，也可以将上述的实施方式1以及实施方式2组合。即，可以是控制部11将光传感器5、6的检测值与给定的最大阈值S-ref1以及给定的最小阈值S-ref2两方进行比较的结构。然后在光传感器5、6的检测值为最大阈值S-ref1以上或最小阈值S-ref2以下的情况下，控制部11判定为是异常状态。如此地，通过控制部11对最大阈值以及最小阈值两方进行判断，能较早探测聚光透镜21、光纤7、8的污垢或破损，并能较早地探测反射镜12、16的脱落或破损。

另外，在上述的实施方式1以及2中，激光装置100具备2个光纤耦合部3、4以及2个光纤7、8。并且是光束切换部2是切换从哪个光纤输出激光束的结构。但在本发明中，激光装置100切换激光束的输出的结构不是必须。激光装置100具备：出射激光束的激光谐振器1；将从激光谐振器1出射的激光束聚光的聚光透镜21；和传输在聚光透镜21聚光的激光束的光纤7，且具备：配设于比聚光透镜21更靠激光束的入射侧且从激光束的光路偏离的位置而检测来自聚光透镜的返回光的光量的光传感器5；和在光传感器5的检测值比给定的最大阈值大的情况下判定为是异常状态的控制部11。

另外，在上述的实施方式1以及2中说明了对1个激光束而光传感器是1个的示例，但光传感器也可以是多个。多个光传感器例如可以在向聚光透镜的入射光路的周围等间隔配置。在该情况下，通过使用多个光传感器的检测值的平均值，能更加精度良好地检测返回光的光量，能应对各部件的配置上的位置偏离等。

本发明特征在于，具备：配设于比聚光透镜更靠激光束的入射侧且从激光束的光路偏离的位置而检测来自聚光透镜的返回光的光量的至少1个光传感器；和在至少1个光传感器的任一个的检测值大于给定的最大阈值的情况下判定为是异常状态的异常判定部。

若设为这样的结构，就能防止因光学部件的损伤等而激光装置的故障扩大。

具体地，通过在比聚光透镜更靠激光束的入射侧且从激光束的光路偏离的位置配设至少1个光传感器，来在各个光传感器中检测来自聚光透镜的返回光的光量。

此时，若任一个光传感器的检测值小于预先设定的给定的最大阈值，则判断为是正常状态，即，未在光学部件即聚光透镜、光纤的端面产生污垢或损伤，继续进行激光振荡即可。

另一方面，在任一个光传感器的检测值变得大于最大阈值的情况下，判断为是异常状态，即，在聚光透镜、光纤的端面产生污垢或损伤而对激光束的反射变强，反射的光通过聚光透镜而回到光传感器的光的光量增加。

然后，在判定为异常状态的情况下，例如若立即阻断向激光振荡部的电力提供来将激光振荡停止，就能防止激光装置的故障扩大。

产业上的可利用性

如以上说明的那样，本发明能得到防止因光学部件、光纤的损伤等而在装置整体中故障扩大这样实用性高的效果，极其有用，产业上的利用可能性高。

附图标记的说明

1 激光谐振器(激光谐振部)

2 光束切换部

3 光纤耦合部

4 光纤耦合部

5 光传感器

5a 受光面

6 光传感器

7 光纤

8 光纤

9 驱动部

10 电源部

11 控制部(异常判定部)

12 反射镜

13 电动机

14 电动机轴

15 反射镜架

16 反射镜

17 电动机

18 电动机轴

19 反射镜架

20 衰减器

21 聚光透镜

22 光学***保持体

30 光束开关

100 激光装置。

Claims (6)

1.一种激光装置，具备：

出射激光束的激光谐振部；

将从所述激光谐振部出射的激光束聚光的聚光透镜；和

传输经所述聚光透镜聚光的激光束的光纤，

所述激光装置还具备：

配设于比所述聚光透镜更靠激光束的入射侧且从激光束的光路偏离的位置而检测来自所述聚光透镜和所述光纤的返回光的光量的至少1个光传感器；和

在所述至少1个光传感器的任一个的检测值大于给定的最大阈值的情况下判定为所述聚光透镜或所述光纤的任一个是异常状态的异常判定部，

所述返回光包括所述激光束在所述聚光透镜的表面反射而回到所述光传感器的光、以及所述激光束在所述光纤的端面反射后通过所述聚光透镜而回到所述光传感器的光。

2.根据权利要求1所述的激光装置，其中，

所述异常判定部在所述至少1个光传感器的任一个的检测值小于给定的最小阈值的情况下，判定为是异常状态。

3.根据权利要求1或2所述的激光装置，其中，

所述至少1个光传感器分别配设成接受返回光的受光面与所述聚光透镜的中心部对置。

4.根据权利要求3所述的激光装置，其中，

所述至少1个光传感器分别配设成与所述受光面垂直的中心轴和所述聚光透镜的中心轴在所述聚光透镜的中心位置交叉。

5.根据权利要求1或2所述的激光装置，其中，

所述至少1个光传感器是多个。

6.根据权利要求1或2所述的激光装置，其中，

所述激光装置还具备：

对所述激光谐振部提供激光振荡用的电力的电源部，

对所述电源部进行控制，以使所述至少1个光传感器各自的检测值单独成为恒定值。

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