JP4116800B2 - レーザ加工装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属、セラミックなどの加工物を溶接、切断、あるいは表面処理するレーザ加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、金属、セラミックなどの加工分野で溶接、切断、穴あけ、表面処理その他の加工にレーザが広く用いられている。これらの加工では1本のレーザビームで、溶接、切断などの加工を行なっている。このために、溶接加工では溶接速度が遅く、切断加工では装置構成が複雑であるため集光レンズなどの調整に長時間を要し、上記いずれのレーザ加工の場合でも作業能率の向上の余地があった。また、従来のレーザ加工装置では、複雑な形状の製品を加工する場合、自動倣い装置あるいは精密なダイス、ポンチなどの工具を要し、設備費あるいは製品価格が、特に多品種少量生産の場合に高くなっていた。
【0003】
鋼管などの円筒状加工物をレーザ光で切断、溶接するなどのレーザ加工装置が広く用いられている。従来、これらレーザ加工装置では、単一のレーザ光を集光光学系により加工物表面に点状に集光し、集光光学系を含む加工ヘッドを固定したまま加工物をこれの中心軸回りに回転させる方法が一般的であった。加工物が大きいなどの理由から加工物を回転できない場合には、加工ヘッドを加工物の回りを回転させていた。
【0004】
上記いずれの装置でも、集光点を加工物の円周上を1回転させる必要があるために、加工時間の短縮が困難であるという問題がある。また、実際の連続加工プロセスでは、(1)加工物をレーザ光の焦点位置に設置、(2)集光点の円周上移動、という一連の機械動作が必要であるため、加工プロセスが複雑化する問題がある。また、レーザ光と加工物との位置合せ精度を維持する必要があることから、特に自動加工システムでは極力このような機械的動作は少ないことが望ましい。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、加工を高速化して作業能率の向上を図るとともに複雑な形状の製品も低価格で加工できるレーザ加工装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
第1発明のレーザ加工装置は、円筒状物体をその外周に沿って加工するレーザ加工装置であって、中心軸が前記円筒状物体の中心軸と同軸である一つのレンズの形状がリング状の集光レンズを備え、複数のレーザ発振装置からの受動光伝送ファイバが前記レンズの形状がリング状の集光レンズに一定間隔で接続されていることを特徴としている。
【0007】
第1発明のレーザ加工装置では、金属管などをほとんど瞬時に突合せ溶接または切断が可能である。加工物または加工装置を加工物の中心軸回りに回転する必要がないので、特に大形の加工物の加工に適している。また、加工時のレーザ光と加工物との相対移動がないので、加工プロセスの自動化が容易となる。さらに、レーザ発振装置からの出力は受動光伝送ファイバで伝送されるので、ファイバレーザ発振装置を高温、多湿など作業環境の悪い現場から離して設置する場合、能動光ファイバより廉価な受動光ファイバを使用することにより設備費を低減することができる。
【0010】
第2発明のレーザ加工装置は、円筒状物体をその外周に沿って加工するレーザ加工装置であって、レーザ発振装置と集光光学系とからなる複数の加工ユニットが前記円筒状物体の周りに円周方向に沿って一定間隔で配置されており、前記集光光学系の光軸が前記円筒状物体の中心軸線に対し直角であり、集光ビーム形状が前記円周の接線方向に長軸を持つ楕円ビームであり、各集光ビームの長軸方向両端部での強度が中央部より高いことを特徴としている。
【0011】
前述のように、レーザ光の両端部では実効パワーが減少する。上記第2発明のレーザ加工装置では、加工面の接線方向の光強度分布が、中央部より両端部の光強度が高くなるようにしているので、加工物表面での光強度分布をほぼ一様にすることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1および図2は、第1発明の1実施の形態を示している。図1は鋼管溶接装置の主要部の正面断面図であり、図2は図1のA―A断面を拡大して模式的に示す断面図である。
【0013】
鋼管溶接装置10は、複数台(簡単のために3台しか図示していない)のレーザ発振装置12および集光レンズ18を備えている。ここでは、レーザ発振装置12をファイバレーザ発振装置として説明する。ファイバレーザ発振装置12は、励起装置14として半導体レーザ発振装置を備えている。半導体レーザ発振装置として、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から能動光ファイバ(レーザ発振用光ファイバ)13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13でレーザ光(波長:約1.06μm)が発振する。能動光ファイバ13の出力は例えば1kWであり、コア径は50μm、クラッド断面は300×600μmの長方形である。能動光ファイバ13の端部がレーザ光出力端となっており、この出力端に受動光ファイバ(パワー伝送用光ファイバ)16が融着により接続されている。
【0014】
集光レンズ18は断面が円形のリング状をしており、鋼管1と同軸心に配置されている。集光レンズ18の外側面に受動光ファイバ16の先端面が融着により接続されている。図面では受動光ファイバ16は円周に沿って疎らに描かれているが、実際は多数の受動光ファイバ16が隣り合うものどうし密着するように配置されている。集光レンズ18は断面が円形のリング状をしているので、鋼管1の突合せ部に形成されるレーザ光7の断面形状は、円周方向に沿った細長の楕円形状となる。
【0015】
上記のように構成された鋼管溶接装置10では、レーザ光の集光点が突き合わせた鋼管1の突合せ部にくるように装置位置を調整する。そして、すべての受動光ファイバ16にレーザ光を供給し、突き合わせた鋼管1を溶接する。この鋼管溶接装置10では多数本のレーザ光で溶接するので、極めて短い時間で溶接が完了する。また、溶接トーチまたは鋼管を回転しなくてすむ。
【0016】
上記鋼管切断装置で、レーザ出力、加工レーザ光本数などを切断条件に応じて変更することにより、鋼管の切断にも利用することができる。
【0017】
図3は、この発明に関連する第1参考例であり、形抜きおよび穴あけの同時加工により、板材から所要の形状の板材を得るレーザ加工装置の例を示している。レーザ発振装置22は、ファイバレーザ発振装置である。多数の受動光ファイバを束ねた光ファイバケーブル24が、レーザ発振装置22からファイバホルダ26まで延びている。ファイバホルダ本体27に、加工線に沿う多数の位置決め孔(図示しない)が設けられている。位置決め孔に導かれた光ファイバの先端は、孔出口まで達している。集光光学系(図示しない)は、各光ファイバの先端に取り付けられた後述の微小球状レンズからなっている。集光光学系からのレーザ光7は、形抜き加工線4aおよび穴あけ加工線4b上に集光される。図3ではレーザ光は加工線に沿って疎らに照射されているが、実際には密に照射されている。加工線4a、4bに各光ファイバからレーザ光を一斉に照射して板材を溶断する。板材2から孔のあいた形抜き材3が得られる。このレーザ加工装置20によれば任意の形状の製品をダイス、ポンチなどの工具を用いることなく製造することができ、多品種少量生産に適している。板材は金属に限られることはなく、例えばセラミックであってもよい。
【0018】
図4はこの発明に関連する第2参考例を示しており、鋼板切断装置の模式的斜視図である。
【0019】
鋼板切断装置30は、5台の切断機31a〜31e群からなっている。各切断機はファイバレーザ発振装置32、受動光ファイバ36、ファイバホルダ37、および集光レンズ39を備えている。ファイバレーザ発振装置32は、能動光ファイバ33および励起装置34を備えている。
【0020】
能動光ファイバ33の先端部に、受動光ファイバ36の後端部が融接により接続されている。接続部は、保持板35で保持されている。保持板35の下方に、ファイバホルダ37が配置されている。ファイバホルダ37は角ブロックからなり、長手方向に所定の間隔をおいて1列に並ぶ位置決め孔38が、ファイバホルダ37の本体を垂直方向に貫通している。保持板35から延びる受動光ファイバ36は先端が位置決め孔38の下端まで挿入され、受動光ファイバ36の先端部は正確に位置決めされる。各位置決め孔38の直下に、集光レンズ39がそれぞれ配置されている。
【0021】
上記のように構成された鋼板切断装置30では、鋼板2をこれの長手方向に2分割する。位置決め孔38列の中心線の鋼板面への投影線に切断線5が一致するように、鋼板2を通板する。第1切断機31aは第1切断深さまでの金属を溶融除去し、ついで第2切断機31bで第2切断深さまで達し、同様に第4切断機31dまで切断深さを順次深めて行く。最後に第5切断機31eで鋼板2を完全に切断4し、2分割する。5基の切断機31a〜31eで切断するので、切断時間を1基で切断する場合に比べて大幅に短縮できる。各切断段階で、切断レーザ光の焦点位置を下げて行く。なお、レーザ出力を各切断機ごとに調整してもよい。また、隣り合う切断機間の距離を切断機間ごとに変えてもよい。
【0022】
上記鋼板切断装置30で、レーザ出力、加工レーザ光本数などを溶接条件に応じて変更することにより、鋼板の溶接にも利用することができる。
【0023】
図5は、この発明に関連する集光光学系の参考例を示している。前記第1発明の実施の形態および第2参考例では、集光光学系が断面が円形のリング状レンズあるいは通常の凸レンズであったが、この参考例では、微小の球状レンズ42となっている。図5で、光ファイバ41は、能動光ファイバおよび受動光ファイバのいずれであってもよい。光ファイバ41の先端に球状レンズ42を接着剤で取り付けている。球状レンズの直径は前述のように、0.2〜1mmであるので、光ファイバ41を密に配列することができる。
【0024】
図6は、上記球状レンズ付き光ファイバ40により鋼板2を焼入れ処理する例を示している。球状レンズ付き光ファイバ40を、鋼板幅方向に一列に全幅にわたって鋼板直上に配列し、鋼板表面にレーザ光6を照射する。図7および図8は、鋼板幅方向の出力密度(a)と温度分布(b)を模式的に示したグラフである。図7は鋼板幅方向にほぼ一定出力の場合であり、鋼板2の両エッジ部では放熱量が大きいために温度低下が生じている。一方、図8の場合、温度低下を補うように両エッジ部に配置された光ファイバ出力を高めているので、ほぼ一定の温度分布となっている。
【0025】
図9および10は、第2発明の実施の形態を示しており、加工物は円柱状(例えば、鋼管)である。図9はレーザ加工装置全体を模式的に示す正面図であり、図10は上記レーザ加工装置を構成する加工ユニットの斜視図である。
【0026】
加工ユニット51は、レーザ発振装置52と集光光学系55とからなっている。この実施の形態では、レーザ発振装置51はアレイ半導体レーザである。1アレイ当りの出力は、例えば30〜50W程度である。半導体レーザの速軸方向は集光性が高く、つまり小さく絞ることができ、遅軸方向は集光性が低い。したがって、半導体レーザ素子の遅軸が加工物1の外周円(加工線)Wの接線Tの方向に、速軸が母線Gの方向に一致するように、アレイ半導体レーザ52を配置する。
【0027】
集光光学系55は、第1円柱レンズ56および第2円柱レンズ57の2個の円柱レンズの組合せからなっている。第1円柱レンズ56は集光光学系55の光軸58と加工面との交点Оを通り、かつ加工物外周円Wに接する接線Tの方向に集光する。第2円柱レンズは加工物1の母線Gの方向に集光する。この結果、加工物面に照射されたレーザ光7は、加工物面の円周方向に延びる細長の線状または楕円状になる。
【0028】
レーザ加工装置50は、上記のように構成された8台の加工ユニット51a〜51hが加工物1の回りに円周方向に等間隔に配置されている。円周方向に隣り合う加工ユニット51a〜51hからのレーザ光7は、両端部が加工物面で重畳している。レーザ光7の両端部は、加工物1への入射角が0度より大きくなるため、実効パワーが減少する。上記のように重畳することにより、実効パワーの減少を補い、光強度分布を一様にして均一な加工を行なうことができる。レーザ光7の重畳幅は、レーザ光の出力、強度分布、加工物の寸法などにより決める。各加工ユニット51a〜51hの出力は、同じとなるように調整される。
【0029】
上記のように構成されたレーザ加工装置50では、加工物1を中心軸線が水平となるようにして保持し、各加工ユニット51a〜51hから同時にレーザ光7を出力する。したがって、加工物1をこれの中心軸回りに回転する、あるいは加工ヘッドを加工物周りに回転して加工する必要はないので、従来装置に比べて極めて短い時間で切断または溶接などの加工を終えることができる。
【0030】
図11は、加工ユニットの他の態様を示している。図11(a)はレーザ光の強度分布、図11(b)は加工ユニットおよび加工物の正面図、図11(c)は加工ユニットおよび加工物の平面図である。
【0031】
加工ユニット61は、レーザ発振装置62がCO2レーザ発振装置であり、集光光学系55は図10に示すものと同じである。上述のように、レーザ光の両端部では実効パワーが減少する。このために、この加工ユニット61では、図11(a)に示すように両端部で高い光強度分布8を示すレーザ発振装置62を採用している。このような光強度分布8は、例えばモードパターンがTEM01のレーザ発振装置により得ることができる。図11(a)において、光強度分布8aは加工物1の中心軸線方向の光強度分布を示している。
【0032】
集光光学系55で集光した光強度分布9および9aを、図11(a)に示している。光強度分布9は集光光学系55の光軸64と加工物面との交点を含む接線方向の分布を示し、光強度分布9aは円柱状加工物1の中心軸方向の分布を示している。光強度分布をこのようにすることにより、加工物表面での光強度分布をほぼ一様にすることができ、均一な加工を行なうことができる。
【0033】
【発明の効果】
この発明のレーザ加工装置では、加工物を高速で加工することができ、また加工時のレーザ光と加工物との相対移動がないので、加工プロセスの自動化が容易である。さらに、加工物の円周方向に沿う細長のレーザ光像となるように集光されるので、レーザ光の本数を減らすことができ、レーザ加工装置の構成が簡単となるなどの効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1発明の実施の形態を示すもので、鋼管溶接装置の主要部の正面断面図である。
【図2】 図1のA―A断面を拡大して模式的に示す断面図である。
【図3】 この発明に関連する第1参考例を示すもので、レーザ加工装置により板材から形抜き加工および穴あけ加工する例の模式的斜視図である。
【図4】 この発明に関連する第2参考例を示すもので、鋼板切断装置の模式的斜視図である。
【図5】 この発明に関連する集光光学系の参考例を示すもので、先端部に球状レンズが取り付けられた光ファイバの正面図である。
【図6】 図5に示す集光光学系を備えたレーザ加工装置により鋼板を焼入れしている状態を示す斜視図である。
【図7】 上記鋼板の焼入れにおいて、鋼板幅方向の出力密度をほぼ一定にした場合の出力密度分布(a)と温度分布(b)とを模式的に示したグラフである
【図8】 上記鋼板の焼入れにおいて、両エッジ部に配置された光ファイバの出力密度を高めた場合の出力密度分布(a)と温度分布(b)とを模式的に示したグラフである。
【図9】 第2発明の実施の形態を示しており、レーザ加工装置の正面図である。
【図10】 図9のレーザ加工装置を構成する加工ユニットを模式的に示す斜視図である。
【図11】 図9に示すレーザ発振装置の他の態様を示しており、図11(a)はレーザ光の強度分布、図11(b)は加工ユニットおよび加工物の正面図、図11(c)は加工ユニットおよび加工物の平面図である。
【符号の説明】
1 加工物(鋼管) 2 加工物(鋼板)
3 加工線 7 レーザ光
10 レーザ加工装置 12 ファイバレーザ発振装置
13 能動光ファイバ 14 励起装置
16 受動光ファイバ 18 リング状集光レンズ
20 レーザ加工装置 26 ファイバホルダ
30 レーザ加工装置 22 ファイバレーザ発振装置
26 ファイバホルダ 31 切断機
32 ファイバレーザ発振装置 33 能動光ファイバ
34 励起装置 36 受動光ファイバ
37 ファイバホルダ 39 集光レンズ
40 球状レンズ付き光ファイバ 41 光ファイバ
42 球状レンズ 50 レーザ加工装置
51 加工ユニット 52 アレイ半導体レーザ
55 集光光学系 56 第1円柱レンズ
57 第2円柱レンズ 61 加工ユニット
62 CO2レーザ発振装置
Claims (2)
- 円筒状物体をその外周に沿って加工するレーザ加工装置であって、中心軸が前記円筒状物体の中心軸と同軸である一つのレンズの形状がリング状の集光レンズを備え、複数のレーザ発振装置からの受動光伝送ファイバが前記レンズの形状がリング状の集光レンズに一定間隔で接続されていることを特徴とするレーザ加工装置。
- 円筒状物体をその外周に沿って加工するレーザ加工装置であって、レーザ発振装置と集光光学系とからなる複数の加工ユニットが前記円筒状物体の周りに円周方向に沿って一定間隔で配置されており、前記集光光学系の光軸が前記円筒状物体の中心軸線に対し直角であり、集光ビーム形状が前記円周の接線方向に長軸を持つ楕円ビームであり、各集光ビームの長軸方向両端部での強度が中央部より高いことを特徴とするレーザ加工装置。
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