JP2019193944A - レーザ加工装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構成で、加工効率を高めることができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】第１のレーザ光を出力する複数の第１のレーザ１ａ，１ｂと、複数の第１のレーザの外側に配置され、第２のレーザを出力する複数の第２のレーザ２ａ，２ｂと、第１のレーザ光と第２のレーザ光とを集光する集光レンズ３と、集光レンズ３から入射された第１のレーザ光と第２のレーザ光とをマルチモードで伝送するマルチモードファイバ４と、マルチモードファイバから出射された第２のレーザ光と第２のレーザ光よりも小さい出射角で出射された第１のレーザ光とをコリメートするコリメートレンズ５と、コリメートレンズでコリメートされた第１のレーザ光と第２のレーザ光とを集光して加工対象７に照射する集光レンズ６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のレーザダイオードとマルチモードファイバを備えたレーザ加工装置に関する。
特許文献１には、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）等の繊維強化複合材料のレーザ加工を行うレーザ加工装置が記載されている。このレーザ加工装置は、２種類の異なるレーザを回折光学素子等の加工光学系を用いて分岐し、これを高速回転しつつ、特殊金属ミラーを用いて別のレーザビームと光軸を一緒にして合成し、ワークに照射している。
これにより、樹脂コーティングの金属板や繊維強化樹脂等の複合材料の除去加工や溶接を可能にし、かつレーザ加工の能率を高めることができる。
また、単一のレーザを使用している場合でも、ヒータ等で入熱することで加工効率や加工品質を向上させる方法がある。特許文献２には、レーザトーチに、材料のレーザ照射部へ向けて予熱装置を付設して、予熱装置により予熱を行わせることにより、予熱のためのエネルギーロスをなくしている。
また、加工用レーザでは、加工装置の位置決めを行うために、加工用レーザとは別のレーザを同軸照射して利用することがある。
特開２０１５−４３４号公報 特開平６−２３５７４号公報
しかしながら、特許文献２では、予熱装置を設けるため、構成が複雑化するとともに、予熱装置が高価であった。特許文献１では、回折光学素子や特殊金属ミラーを用いるため、構成が複雑化していた。
本発明の課題は、簡単な構成で、加工効率を高めることができるレーザ加工装置を提供する。
本発明に係るレーザ加工装置の請求項１は、第１のレーザ光を出力する複数の第１のレーザと、前記複数の第１のレーザの外側に配置され、第２のレーザ光を出力する複数の第２のレーザと、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを集光する第１の集光レンズと、前記第１の集光レンズから入射された前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とをマルチモードで伝送するマルチモードファイバと、前記マルチモードファイバから出射された前記第２のレーザ光と前記第２のレーザ光よりも小さい出射角で出射された前記第１のレーザ光とをコリメートするコリメートレンズと、前記コリメートレンズでコリメートされた前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを集光して加工対象に照射する第２の集光レンズとを備えることを特徴とする。
請求項２では、前記複数の第１のレーザは、パルスで駆動され、前記複数の第２のレーザは、連続波で駆動されることを特徴とする。
請求項３は、前記第１のレーザ光の焦点深度の範囲で前記加工対象とレーザ照射端との相対位置を変化させることを特徴とする。
本発明によれば、複数のレーザ光を簡単な構成で加工対象に照射できるので、簡単かつ安価に加工効率を高めることができる。
本発明の実施例１のレーザ加工装置の構成図である。 実施例１のレーザ加工装置の加工対象への照射スポットのイメージ図である。 実施例１のレーザ加工装置の複数のレーザによる焦点深度を説明するための図である。
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１のレーザ加工装置の構成図である。レーザ加工装置は、第１のレーザ１ａ，１ｂと、第２のレーザ２ａ，２ｂと、集光レンズ３と、マルチモードファイバ４と、コリメートレンズ５と、集光レンズ６とを備えている。
第１のレーザ１ａ，１ｂと、第２のレーザ２ａ，２ｂと、集光レンズ３と、マルチモードファイバ４は、箱状の筐体１０内に設けられている。
第１のレーザ１ａ，１ｂは、第１のレーザ光を出力する加工用レーザであり、例えば、固体レーザ、ファイバレーザ等である。第１のレーザ１ａ，１ｂは、パルスによって駆動される。
第２のレーザ２ａ，２ｂは、第１のレーザ１ａ，１ｂの外側に配置され、第２のレーザを出力加工補助用レーザでありで、例えば、半導体レーザ、ファイバレーザ等である。第２のレーザ２ａ，２ｂは、連続波（ＣＷ）によって駆動される。
レーザ１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂは、各々が所定間隔に配置されている。図１では、レーザ１ａ，１ｂとレーザ２ａ，２ｂとの各々の数は、２個であるが、その個数は、２個に限定されることなく、その他の個数であってもよい。
集光レンズ３は、本発明の第１の集光レンズに対応し、第１のレーザ１ａ，１ｂと第２のレーザ２ａ，２ｂに対向して配置され、第１のレーザ１ａ，１ｂから出射された第１のレーザ光と第２のレーザ２ａ，２ｂから出射された第２のレーザ光とを集光する。
マルチモードファイバ４は、集光レンズ３から入射された第１のレーザ光と第２のレーザ光とをマルチモードで伝送する。第１のレーザ光の入射角は、第２のレーザ光の入射角よりも小さい。
コリメートレンズ５は、マルチモードファイバ４から出射された第２のレーザ光と第２のレーザ光よりも小さい出射角で出射された第１のレーザ光とをコリメートする。
集光レンズ６は、本発明の第２の集光レンズに対応し、コリメートレンズ５でコリメートされた第１のレーザ光と第２のレーザ光とを集光して加工対象７に照射する。
次にこのように構成された実施例１のレーザ加工装置の動作を説明する。ここでは、加工対象７として、難加工材料である銅材料の加工を例示する。
まず、第１のレーザ１ａ，１ｂは、パルスによって駆動されて、１０Ｗを超える高出力な第１のレーザ光ＢＭ１１ａ，１１ｂを発生し、第１のレーザ光ＢＭ１１ａ，１１ｂを集光レンズ３に出力する。
第１のレーザ１ａ，１ｂの外側に配置された第２のレーザ２ａ，２ｂは、ＣＷによって駆動され、銅材料に対して高い光吸収率を持ち且つ５００ｎｍ以下の波長を持つ入熱用の第２のレーザＢＭ１２ａ，１２ｂを発生し、第２のレーザＢＭ１２ａ，１２ｂを集光レンズ３に出力する。
第１のレーザ光ＢＭ１１ａ，１１ｂが集光レンズ３を透過する位置Ｒ１、即ちレンズ中心からの距離は、第２のレーザＢＭ１２ａ，１２ｂが集光レンズ３を透過する位置Ｒ２、即ちレンズ中心からの距離よりも内側にする。即ちＲ１＜Ｒ２である。
集光レンズ３は、第１のレーザ１ａ，１ｂから出射された第１のレーザ光ＢＭ１１ａ，１１ｂと第２のレーザ２ａ，２ｂから出射された第２のレーザ光ＢＭ１２ａ，１２ｂとを集光することにより、第１のレーザ光ＢＭ１３と第２のレーザ光ＢＭ１４とをマルチモードファイバ４に導光する。
マルチモードファイバ４は、集光レンズ３から入射された第１のレーザ光ＢＭ１３と第２のレーザ光ＢＭ１４とをマルチモードで伝送する。コリメートレンズ５は、マルチモードファイバ４から出射された第２のレーザ光ＢＭ１６と第２のレーザ光ＢＭ１６よりも小さい出射角で出射された第１のレーザ光ＢＭ１５とをコリメートする。
集光レンズ６は、コリメートレンズ５でコリメートされた第１のレーザ光ＢＭ１７と第２のレーザ光ＢＭ１８とを集光し、焦点位置からずらして第１のレーザ光ＢＭ１９と第２のレーザ光ＢＭ２０とを加工対象７に照射する。
マルチモードファイバ４では、マルチモードファイバ自体がもつＮＡに関わらず、入射角がほとんど保存されて出射されるため、入射角の大きな入力光は、出力された場合も出射角が大きく広がりやすい。このため、焦点位置からずらした点では、図２に示すように、第１のレーザ光ＢＭ１９と第２のレーザ光ＢＭ２０とに対応した、異なる径の照射スポットＳＰ１，ＳＰ２が得られる（ＳＰ１＜ＳＰ２）。
このとき、図３に示すように、第１のレーザ光ＢＭ１９の焦点深度ＤＴの範囲で加工対象７とレーザ照射端との相対位置を変化させている。ここで、焦点深度とは、レーザ光を集光した際にできるスポット径が光学的に同じ径であると見なされる範囲をいう。焦点深度は、±λ／（２ＮＡ２）で表される。λは、波長であり、ＮＡは開口数である。
第１のレーザ光ＢＭ１９の焦点深度ＤＴの範囲内で且つ焦点位置からずれた位置で加工対象７にレーザ光を照射することで、第１のレーザ１ａ，１ｂによる加工スポットより少し広い範囲を第２のレーザ２ａ，２ｂによって入熱することができる。
このように実施例１のレーザ加工装置によれば、第１のレーザ光ＢＭ１９と第２のレーザ光ＢＭ２０とを同じ照射スポットに照射することができるため、加工対象がＣＦＲＰのような複合材料である場合、第１のレーザ１ａ，１ｂをパルス駆動で使用し、第２のレーザ２ａ，２ｂをＣＷ駆動で使用することで、簡単な構成で、加工効率を高めることができる。
また、第２のレーザ光は、第１のレーザ光よりも広範囲に照射することができるため、例えば、加工補助の効果として入熱する場合、加工位置（第１のレーザ１ａ，１ｂの照射範囲）を含む広範囲を簡単に入熱することができる。また、補助の効果として加工位置の位置決めをする場合にも、第１のレーザ１ａ，１ｂの照射位置を的確に示すことができる。
なお、本発明は、実施例１のレーザ加工装置に限定されるものではない。実施例１のレーザ加工装置では、第１のレーザ１ａ，１ｂをパルス駆動させ、第２のレーザ２ａ，２ｂをＣＷ駆動させたが、例えば、第１のレーザ１ａ，１ｂの波長と第２のレーザ２ａ，２ｂの波長とを異なる波長としても良い。
本発明は、銅材料やＣＦＲＰ等の複合材料の加工に適用可能である。
１ａ，１ｂ 第１のレーザ
２ａ，２ｂ 第２のレーザ
３ 集光レンズ
４ マルチモードファイバ
５ コリメートレンズ
６ 集光レンズ
７ 加工対象
１０ 筐体
ＢＭ１１ａ，ＢＭ１１ｂ，ＢＭ１２ａ，ＢＭ１２ｂ，ＢＭ１３〜ＢＭ２０ レーザ光
ＳＰ１，ＳＰ２ 照射スポット

Claims (3)

  1. 第１のレーザ光を出力する複数の第１のレーザと、
    前記複数の第１のレーザの外側に配置され、第２のレーザ光を出力する複数の第２のレーザと、
    前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを集光する第１の集光レンズと、
    前記第１の集光レンズから入射された前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とをマルチモードで伝送するマルチモードファイバと、
    前記マルチモードファイバから出射された前記第２のレーザ光と前記第２のレーザ光よりも小さい出射角で出射された前記第１のレーザ光とをコリメートするコリメートレンズと、
    前記コリメートレンズでコリメートされた前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを集光して加工対象に照射する第２の集光レンズと、
    を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 前記複数の第１のレーザは、パルスで駆動され、前記複数の第２のレーザは、連続波で駆動されることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
  3. 前記第１のレーザ光の焦点深度の範囲で前記加工対象とレーザ照射端との相対位置を変化させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ加工装置。











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