JP2003285186A

JP2003285186A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2003285186A
Application number: JP2002084912A
Authority: JP
Inventors: Tatsuhiko Sakai; 辰彦坂井; Motoi Kido; 基城戸; Hirofumi Imai; 浩文今井; Atsushi Sugibashi; 敦史杉橋; Hideyuki Hamamura; 秀行濱村; Naoya Hamada; 直也浜田; Hiroyuki Yamamoto; 博之山本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2003-10-07

Abstract

(57)【要約】【課題】加工条件に応じてパルス発振周波数を調整
し、かつ集光径を小さくして加工性能の向上を図ること
ができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】複数のファイバレーザを束ねた発振装置
１１と、レーザ光１を加工面に集光する集光光学系１８
とを備えたレーザ加工装置１０であって、前記複数のフ
ァイバレーザ発振装置１１のうち２本以上のファイバレ
ーザ発振装置１１が異なったパルス発振周波数でパルス
発振し、パルス発振周波数が独立して調整可能である。
ファイバレーザ発振装置１１の励起装置１３により、加
工条件に応じてパルス発振周波数を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、金属、セラミッ
クその他の材料についてレーザにより溶接、切断、穴あ
け、表面処理などの加工を行なうレーザ加工装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】レーザ溶接では、溶接線方向に沿って加
工プラズマ（表面）、キーホール（板厚内部）、モルテ
ンプールが発生する。これら溶融各部では溶融金属が振
動し、ブローホールなどの欠陥発生の原因の一つとなっ
ている。各溶融部の溶融金属はそれぞれ固有の振動周期
を有し、この固有振動周期に合わせてレーザ出力をパル
ス変調すると、溶接部の欠陥抑制効果があることが知ら
れている。また、レーザ反射率が高い難加工材料等で
は、加工初期に高強度のパルスレーザ光を照射して瞬時
に溶融させ、加工開始ポイントを作る。これにより、レ
ーザ光の吸収率が上昇するので、その後は比較的パワー
の低い連続波で加工を行うことで安定して効率的な加工
が可能となる。このような高度な加工を行なうために
は、連続波、周波数の異なるパルスレーザ光を微小点に
集光することが必要である。そこで、例えばＣＯ₂レー
ザ光のようにファイバ伝送ができないレーザ光を使用す
る場合は、複数のレーザビームを微小点に集束させるた
めに複雑かつ精密な光軸調整が必要とされ、実用上は殆
ど不可能であり、また集束できるビーム数もせいぜい２
〜３本程度が限界であった。

【０００３】また、ファイバ伝送可能なＹＡＧレーザの
場合、複数のレーザ光を光ファイバにより伝送し、レー
ザ出力を重ね合わせる場合、伝送用光ファイバのコア径
が大きい（３００μm）ため、集光ビーム径は３００μm
以下とはならない。また、複数の集光点を３００μm以
下に近接させて集光することは困難であり、複数のレー
ザ光を集合したレーザ光束の等価集光ビーム径は大きく
なる。この結果、加工物の品質、加工精度、加工速度な
どの加工性能が低下するという問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、加工条件
に応じてパルス発振周波数を調整し、かつ集光径を小さ
くして加工性能の向上を図ることができるレーザ加工装
置を提供することを課題としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明のレーザ加工装
置は、複数のファイバレーザを束ねた発振装置と、レー
ザ光を加工面に集光する集光光学系とを備えたレーザ加
工装置であって、前記複数のファイバレーザ発振装置の
うち２本以上のファイバレーザ発振装置が異なったパル
ス発振周波数でパルス発振し、パルス発振周波数が独立
して調整可能である。

【０００６】ファイバレーザ発振装置の台数は、加工の
種類、条件によって決まるが、例えば３〜２０台であ
る。複数のファイバレーザ発振装置のうち、パルス発振
周波数が他のファイバレーザ発振装置のものと同じであ
ってもよい。また、パルス発振周波数を、他のファイバ
レーザ発振装置の変更タイミングと異なったタイミング
で変更するようにしてもよい。パルス発振周波数の調整
は、ファイバレーザ発振装置の励起源である半導体レー
ザによって行なう。

【０００７】このレーザ加工装置は、複数のファイバレ
ーザ発振装置でパルス発振周波数が独立して調整できる
ので、加工エネルギーを加工条件に応じた大きさ、空間
分布およびタイミングで加工部に供給するとことができ
る。また、レーザ発振装置としてファイバレーザ発振装
置を用いることにより、広い周波数域でのパルス発振周
波数調整および集光点の小径化が可能である。また、集
光点の小径化により、照射部を狭い分割区域ごとに光強
度の異なるレーザ光を照射して、所要の空間光強度分布
を得ることができる。

【０００８】上記レーザ加工装置において、前記複数の
ファイバレーザ発振装置が連続発振ファイバレーザ発振
装置を含むようにしてもよい。連続発振レーザ光とパル
ス発振レーザ光とを重ね合わせることで、広い出力範囲
でレーザ光を加工部に供給することができる。

【０００９】また、上記レーザ加工装置において、前記
複数のファイバレーザ発振装置の集光点を２次元に配列
してもよい。複数の集光点は、正多角形、長方形などを
形成するように配列される。これにより、加工条件に応
じた空間分布で加工エネルギーを加工部に供給すること
ができる。

【００１０】さらに、上記レーザ加工装置において、前
記複数のファイバレーザ発振装置の集光点を直線に沿っ
て配列してもよい。直線状の集光点列が溶接、切断など
の直線の加工線に一致するように、または集光点列が加
工線を直角に横切るように集光光学系が配置される。こ
れにより、加工条件に応じた加工エネルギーを直線に沿
って延びる加工部に供給することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態を示
しており、レーザ加工装置の模式的構成図である。レー
ザ加工装置１０は、主として複数のファイバレーザ発振
装置１１および集光光学系１８からなっている。ファイ
バレーザ発振装置１１は１６台であるが、簡単のため５
台しか示していない。ファイバレーザ発振装置１１は、
励起装置として半導体レーザ発振装置１３を備えてい
る。半導体レーザ発振装置１３は、例えばＧａ−Ａｓ系
半導体レーザ発振装置を用いることができる。半導体レ
ーザ発振装置１３から能動光ファイバ（レーザ発振用光
ファイバ）１２に励起レーザ光（波長：約０．８μm）
を照射すると、能動光ファイバ１２でレーザ光（波長：
約１．０６μm）が発振する。能動光ファイバ１２の出
力は例えば１kWであり、コア径は５０μmである。パル
ス発振周波数は、励起装置１３によって調整される。調
整可能な周波数範囲は、例えば０〜１００kHzである。

【００１２】能動光ファイバ１２は先端部で正方形に束
ねられ、光ファイバホルダ１６で保持される。光ファイ
バホルダ１６の下方に集光光学系１８が配置されてい
る。加工面に形成された集光部３は、図２に示すように
４×４列の格子状に配列された集光点３ａ、３ｂからな
っている。各集光点３ａ、３ｂの直径は５０μmであ
り、集光点間のピッチは１００μmである。４００×４
００μmの狭い領域に１６kWのパワーを集中できるの
で、高いエネルギー密度が得られ、加工精度および加工
速度が向上する。

【００１３】以上のように構成されたレーザ加工装置１
０は、集光光学系１８が加工物７の表面の直上に、かつ
集光部３が加工部に一致するように配置される。周辺部
の集光点３ａのパワーは、中央部の集光点３ｂのパワー
より高く調整されている。ここの例では、集光点３aの
パルス発振周波数は１kHzであり、集光点３bのパルス発
振周波数は１００Hzである。また、周辺部の集光点３ａ
のパワーは加工開始時のみ高くして周辺部を瞬時に溶融
し、レーザ光１の吸収率を高めるようにしてもよい。

【００１４】なお、能動光ファイバの出力端に受動光フ
ァイバ（パワー伝送用光ファイバ）を接続し、ファイバ
レーザ発振装置から集光光学系まで受動光ファイバでレ
ーザ光を伝送するようにしてもよい。また、上記のよう
に集光点を２次元配置したレーザ加工装置は、穴あけ加
工、スポット溶接、表面処理などに利用することができ
る。

【００１５】図３および図４はこの発明の他の実施の形
態を示している。図３はレーザ加工装置（鋼板突合せ溶
接装置）の模式的構成図であり、図４は集光部の模式図
である。

【００１６】レーザ加工装置２０は、図１の装置１０と
同様に構成されている。ファイバレーザ発振装置１１
は、図１に示す装置と同じである。能動光ファイバ１２
は、１列に間隔をおいて光ファイバホルダ２２に保持さ
れている。集光光学系２４は図４に示すようにレーザ光
１を加工面に１列に集光する。集光点５ａ、５ｂ、５ｃ
は、図２と同様に直径が５０μm、ピッチが１００μmで
ある。

【００１７】以上のように構成されたレーザ加工装置２
０において、加工物９を矢印方向aに送りながら溶接を
行なう。集光光学系２４は加工面の直上に、かつ集光点
列が溶接線８に一致するように配置される。各集光点５
ａ、５ｂ、５ｃのパルス発振周波数は、溶接部Wのプラ
ズマ部Ｐ、キーホールＫ、モルテンプールＭの溶融金属
の流動振動を抑えるように調整されている。すなわち、
プラズマ部集光点５aのパルス発振周波数は５０００H
z、キーホール集光点５bのパルス発振周波数は１００Hz
であり、モルテンプール集光点５cのパルス発振周波数
は２０Hzである。上記のようなパルス発振周波数の調整
により、溶融形状が安定し、また溶融金属にアシストガ
スなどのガスを巻き込むことがないので、気泡などを含
まない健全な溶接部が得られる。

【００１８】なお、本実施の形態におけるプラズマ部
Ｐ、キーホール部Ｋ、モルテンプール部Ｍへのパルスレ
ーザ周波数とその組合せは一例であり、その他の条件で
も同様の効果が得られる。

【００１９】集光点列が溶接線を直角に横切るように上
記突合せ溶接装置を配置した場合、集光点列に沿ってパ
ルス発振周波数を順次変えて行くことによりウイービン
グ溶接を行なうことができる。

【００２０】

【発明の効果】この発明のレーザ加工装置は、各ファイ
バレーザ発振装置のパルス発振周波数が独立して調整で
きるので、加工エネルギーを加工条件に応じた大きさ、
空間分布およびタイミングで加工部に供給するとことが
できる。また、レーザ発振装置としてファイバレーザ発
振装置を用いることにより、広い周波数域でのパルス発
振周波数調整および集光点の小径化が可能である。この
結果、加工物の品質、加工精度、加工速度などの加工性
能の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態を示しており、レーザ加
工装置の模式的構成図である。

【図２】図１のレーザ加工装置による集光部の模式図で
ある。

【図３】この発明の他の実施の形態を示しており、レー
ザ加工装置の模式的構成図である。

【図４】図３のレーザ加工装置による集光部の模式図で
ある。

【符号の説明】１レーザ光３集光部３a、３b 集光点５集光部５a、５b、５c 集光点 7 加工物８溶接線９加工物１０レーザ加工装置１１ファイバレ
ーザ発振装置１２能動光ファイバ１３励起装置１６光ファイバホルダ１８集光光学系２０レーザ加工装置２２光ファイバ
ホルダ２４集光光学系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者今井浩文千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者杉橋敦史千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者濱村秀行千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者浜田直也千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者山本博之千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内Ｆターム(参考） 4E068 CA01 CA04 CA05 CD02 CE08 5F072 AB07 AK06 KK30 PP07 SS06 YY06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のファイバレーザを束ねた発振装置
と、レーザ光を加工面に集光する集光光学系とを備えた
レーザ加工装置であって、前記複数のファイバレーザ発
振装置のうち２本以上のファイバレーザ発振装置が異な
ったパルス発振周波数でパルス発振し、パルス発振周波
数が独立して調整可能であることを特徴とするレーザ加
工装置。
【請求項２】前記複数のファイバレーザ発振装置が連
続発振ファイバレーザ発振装置を含む請求項１記載のレ
ーザ加工装置。
【請求項３】前記複数のファイバレーザ発振装置の集
光点が２次元に配列された請求項１または請求項２記載
のレーザ加工装置。
【請求項４】前記複数のファイバレーザ発振装置の集
光点が直線に沿って配列された請求項１または請求項２
記載のレーザ加工装置。