JP2000210785A - 複数ビ―ムレ―ザ加工装置 - Google Patents

複数ビ―ムレ―ザ加工装置

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Takashi Ishide
孝 石出
Risuke Nayama
理介 名山
Yasumi Nagura
保身 名倉
Yoshio Hashimoto
義男 橋本
Koji Okimura
浩司 沖村
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    • 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
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高機能化を図った複数ビームレーザ加工装置
の提供を目的とする。 【解決手段】 レーザ光Ｌを光学系を介してワークに照
射するレーザ加工装置において、上記レーザ光の光束の
一部分を光軸に沿って上記レーザ光の他の部分と異なる
焦点位置とする変焦点レンズ１２を上記光学系内にて上
記光軸に対し出し入れ調整可能に配置したものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工能力を
向上させた複数ビームレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、レーザによる切断や溶接を行な
うレーザ加工装置においては、加工対象となるワークの
厚さ等も多様化しており、板切断を行なうにしても薄板
のみならず１００ｍｍ〜２００ｍｍといった厚板の切断
も行なわれる。
【０００３】この場合、切断能力あるいは溶接能力を向
上させるため加工上での焦点深度が深い長焦点レンズが
用いられているのであるが、Helmholtz-Lagrangeの不変
量より、ビームウエストの大きさと集光エネルギとの積
が一定となることから、焦点距離が長くなると集光ビー
ム径は大きくなり、集光エネルギ密度が低下してしま
い、切断や溶接のためのワークの活性化が極めて遅れた
りあるいはできなかったりして、長焦点化にも限界があ
る。つまり、厚板加工の能力には限界を有している。
【０００４】かかる課題に着目して本発明者らは、２重
焦点化ということに着眼したのであるが、図５，図６に
示すように２重焦点化については類似の技術があり、例
えば図５においては、ファイバＦからのレーザ光０１の
光路内にクサビプリズム０２を入れて光束を同一平面内
にて２点に分離させて集光させ、管体０３の外側壁上端
と内側壁上端とを同時に溶融することで溶接時間が短時
間で済む等の効果をもたらしている。
【０００５】また、図６においては、レンズ０５の屈折
率を部分的に変え、中心に高屈折率の短焦点レンズ０５
Ｓとそのまわりに低屈折率の長焦点レンズ０５Ｌとを一
体化して備え、レーザビーム０１について２重焦点とし
た構造が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
先行技術においても、図５に示す管体０３の上面溶融に
用いられる同一平面内での異なる位置での集光や図６に
示す固定屈折率による光軸方向の２重焦点化はそれ自体
効果を有するとしても、本発明者らが目指すレーザ加工
装置の高機能化には未だ及ばない。また、この図５，図
６の構造によったとしても例えば前述した厚板切断や溶
接を都合良く行なうことができない。
【０００７】本発明は、上述の問題に鑑み、例えば厚板
の切断や溶接を行なうなど、高機能化を図った複数ビー
ムレーザ加工装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明は、次の発明特定事項を有する。第１の発明は、レ
ーザ光を光学系を介してワークに照射するレーザ加工装
置において、上記レーザ光の光束の一部分を光軸に沿っ
て上記レーザ光の他の部分と異なる焦点位置とする変焦
点レンズを上記光学系内にて上記光軸に対し出し入れ調
整可能に配置したことを特徴とする。
【０００９】第２の発明は、第１の発明において、上記
レーザ光の少なくとも長焦点位置側の光学系に上記レー
ザ光による加工方向に沿って細いレーザ光とするシリン
ドリカルレンズを配置したことを特徴とする。
【００１０】第３の発明は、第１の発明において、上記
レーザ光の光束の少なくとも一部分の光学系に焦点位置
を変える変倍レンズを光軸方向に沿って移動可能に配置
したことを特徴とする。
【００１１】第４の発明は、第１の発明において、上記
レーザ光の光束の一部分及び他の部分それぞれの集光エ
ネルギ密度に応じて変焦点レンズが光束を通す割合を変
えたことを特徴とする。
【００１２】第５の発明は、第４の発明において、レー
ザ光の光束を周方向に複数分割するように複数個の変焦
点レンズを備えたことを特徴とする。
【００１３】第６の発明は、第５の発明において、複数
個の変焦点レンズに応じて複数個の変倍レンズを備えた
ことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】ここで、図１〜図４を参照して本
発明の実施の形態の一例を説明する。図１は、光学系全
体の概要を示しており、構造上光学系としては光ファイ
バ１０、光ファイバ１０からの出射光を平行光とするコ
リメータレンズ１１、コリメータレンズ１１からの光束
の一部Ｓを光軸に沿って短焦点とするための変焦点レン
ズ（切り欠きレンズ）１２を有する。この場合、図１の
例では光束の半分Ｓを短焦点に、残りの半分Ｌを長焦点
としており、このため変焦点レンズ１２は半円形状の切
り欠きレンズにより構成される。
【００１５】光学系の光軸に沿って変焦点レンズ１２の
後段には、断面かまぼこ型のシリンダレンズ１３が配置
されている。このシリンダレンズ１３は、コリメータレ
ンズ１１を通った光束をこのレーザ光によるワークの加
工方向に沿って細長く変形させるもので、ワーク上の溶
接部位である溶融穴内に的確にレーザ光を到達させるた
めに光束の変形をするものである。このことは特に厚板
の切断等の加工にあって穴内にレーザ光を集光するため
には非常に有用な手段である。
【００１６】光学系にあってシリンダレンズ１３の後段
には、変倍レンズ１４が光軸に沿って移動可能に配置さ
れている。この変倍レンズ１４は、その光軸上での移動
によりレーザ光の焦点位置を変更させる機能を有し、例
えば図２（ａ）に示すように変倍レンズ１４を変焦点レ
ンズ１２側に近づけた場合には、レーザ光全体が短焦点
となり、図２（ｂ）に示すように結像レンズ１５側に近
づけた場合には、レーザ光全体が長焦点となる。なお、
変焦点レンズ１２を通った光束Ｓと通らない光束Ｌとは
それらの結像焦点が異なることになるが、この焦点間距
離も変倍レンズ１４の移動により拡大されたり、縮んだ
りすることになる。
【００１７】変倍レンズ１４を通った光束は結像レンズ
１５により結像され、光軸方向に二焦点のビームウエス
トが形成されることになる。
【００１８】さて、本発明の実施の形態の概要は上述の
とおりであるが、ワークの溶接や切断を行なうに当たっ
ては、更に考慮しなければならないことが多くある。す
なわち、例えば図３に示すようにレーザ照射装置２０よ
り射出されて結像されるレーザ光は、本例では短焦点と
長焦点との２種類あり、それぞれに独自の役目を持つも
のである。例えばＳＵＳ材を切断するに当たり図３
（ａ）の如く薄い板材２１ＴＮの下部に熱的性質の異な
る加工に必要なレーザエネルギーが少なくてすむ材料２
２を有する場合には、切断方向に沿い先行する短焦点レ
ーザ光Ｓのビーム強度を大きくし材料２２に到達する後
続の長焦点レーザ光Ｌのビーム強度を相対的に小さくす
ることで、材質や板厚に合った好適な切断が可能にな
る。
【００１９】また、図３（ｂ）の如く厚い板材２１ＴＫ
を切断する場合には先行する短焦点レーザ光Ｓのビーム
強度を小さくし後続の長焦点レーザ光Ｌのビーム強度を
相対的に大きくすることにより、厚板の好適な切断と残
滓物発生の抑制に効果的である。
【００２０】上述の図３の例は、一例を示したものであ
るが、ワークの厚さや熱的性質等の材質に合わせて短焦
点のレーザ光Ｓのビーム強度や長焦点のレーザ光Ｌのビ
ーム強度を調整することができる。この調整の仕方によ
りワークの厚さや材質に合ったビーム強度の組合せを行
なうことができ、切断又は溶接に最適な加工強度状態を
採ることができる。換言すれば２焦点ビームにて焦点位
置やビーム強度を種々変化できることによりいかような
ワーク材料にも対処することができる。
【００２１】上述の説明にあっては切欠きレンズである
変焦点レンズ１２を半円形状としたのであるが、光束の
円周方向に複数個例えば９０°ずつ４個とか１２０°ず
つ３個レンズ曲率を変えて配置することにより、４焦点
とから焦点のレンズを得ることもできる。あるいは、変
焦点レンズ１２を半円（１８０°）でなく３／４円（２
７０°）とし残りをレンズが無い状態とする等の変形例
も種々考えられる。
【００２２】また、シリンダレンズ１４はレーザ光をワ
ークの加工方向に沿って細長くするために備えたもので
あるが、短焦点の場合にはレーザ光を絞る必要も少ない
ので、光束の一部Ｓ側にはシリンダレンズを備えない方
が良い場合もある。
【００２３】更に、変倍レンズ１４を複数分割すること
により、レーザ光の焦点位置を複数点に変更することが
できる。したがって、この結果、変焦点レンズ１２や変
倍レンズ１４の形状や個数によりあるいは有無によって
レーザ光の焦点の個数や位置あるいは焦点の相互距離、
更にはビーム強度など種々変更することができる。
【００２４】図４は炭素鋼をワークとしてＹＡＧレーザ
による厚板分離切断例を示すものであり、横軸に切断速
度、縦軸に板厚を採った場合の特性であり、下段の場合
従来の１ビームによる切断、上段は本例での２ビームで
の切断特性を示すものである。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
の効果を有する。レーザ光を光学系を介してワークに照
射するレーザ加工装置において、上記レーザ光の光束の
一部分を光軸に沿って上記レーザ光の他の部分と異なる
焦点位置とする変焦点レンズを上記光学系内にて上記光
軸に対し出し入れ調整可能に配置したことにより、レー
ザ加工能力を向上させることができる。
【００２６】また、上記レーザ光の少なくとも長焦点位
置側の光学系に上記レーザ光による加工方向に沿って細
いレーザ光とするシリンドリカルレンズを配置したこと
により、ワークの加工に合わせて細長いビーム形状とし
たことにより、細かな加工に対処することができる。
【００２７】上記レーザ光の光束の少なくとも一部分の
光学系に焦点位置を変える変倍レンズを光軸方向に沿っ
て移動可能に配置したことにより、焦点位置を変更する
ことができる。
【００２８】上記レーザ光の光束の一部分及び他の部分
それぞれの集光エネルギ密度に応じて変焦点レンズが光
束を通す割合を変えたことにより、ワークの材質や厚さ
に応じた適切な加工をすることができる。
【００２９】変焦点レンズや変倍レンズをそれぞれ複数
分割して備えたことにより、種々な加工に対処すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例の構成図。
【図２】変倍レンズを移動させた場合の状態図。
【図３】材質や厚さに対応したレーザ光の状態を示す
図。
【図４】厚板分離切断例の特性線図。
【図５】２重焦点の場合の先行技術の一例の構成図。
【図６】２重焦点の従来例の構成図。
【符号の説明】
１２ 変焦点レンズ １３ シリンダレンズ １４ 変倍レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 名倉 保身 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 橋本 義男 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 沖村 浩司 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 Ｆターム(参考） 2H087 KA26 RA07 SA00 SA86 4E068 CA11 CD04 CD14 CE07 5F072 AB01 KK30 MM03 YY06

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ光を光学系を介してワークに照射
    するレーザ加工装置において、 上記レーザ光の光束の一部分を光軸に沿って上記レーザ
    光の他の部分と異なる焦点位置とする変焦点レンズを上
    記光学系内にて上記光軸に対し出し入れ調整可能に配置
    したことを特徴とする複数ビームレーザ加工装置。
  2. 【請求項２】 請求項１において、上記レーザ光の少な
    くとも長焦点位置側の光学系に上記レーザ光による加工
    方向に沿って細いレーザ光とするシリンドリカルレンズ
    を配置したことを特徴とする複数ビームレーザ加工装
    置。
  3. 【請求項３】 請求項１において、上記レーザ光の光束
    の少なくとも一部分の光学系に焦点位置を変える変倍レ
    ンズを光軸方向に沿って移動可能に配置したことを特徴
    とする複数ビームレーザ加工装置。
  4. 【請求項４】 請求項１において、上記レーザ光の光束
    の一部分及び他の部分それぞれの集光エネルギ密度に応
    じて変焦点レンズが光束を通す割合を変えたことを特徴
    とする複数ビームレーザ加工装置。
  5. 【請求項５】 請求項４において、レーザ光の光束を周
    方向に複数分割するように複数個の変焦点レンズを備え
    たことを特徴とする複数ビームレーザ加工装置。
  6. 【請求項６】 請求項５において、複数個の変焦点レン
    ズに応じて複数個の変倍レンズを備えたことを特徴とす
    る複数ビームレーザ加工装置。
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