JP5354969B2

JP5354969B2 - ファイバレーザ加工方法及びファイバレーザ加工装置

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Publication number: JP5354969B2
Application number: JP2008157779A
Authority: JP
Inventors: 信幸山崎
Original assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Current assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2013-11-27
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Description

本発明は、ファイバレーザを用いて生成したパルス状のファイバレーザ光を被加工物に照射して溶接、切断または穴あけのレーザ加工を行うファイバレーザ加工方法およびファイバレーザ加工装置に関する。

最近、ファイバレーザを利用するレーザ加工法が注目されている。ファイバレーザは、光ファイバ内に設けられた非常に細長いコアを活性媒体とするため、ビーム径が細くてビーム広がり角の小さなレーザ光（ファイバレーザ光）を発振出力することができる。しかも、ファイバの中に入射した励起光がファイバの中で長い光路を伝搬する間に何度もコアを横切って励起エネルギーを使い果たすので、非常に高い発振効率でファイバレーザ光を生成することができる。さらに、ファイバレーザは、ファイバのコアが熱レンズ効果を起こさないため、ファイバレーザ光のビームモードが非常に安定している。

一般に、ファイバレーザ加工装置で用いるファイバレーザは、コアに希土類元素をドープした発振用の光ファイバを光学的に一対の光共振器ミラーの間に配置し、この光ファイバのコアを光学的に励起してコアの端面より軸方向に出る所定波長の発振光線を光共振器ミラーの間で何度も往復させて共振増幅し、コヒーレントなレーザ光を片側の光共振器ミラー（部分反射ミラーまたは出力ミラー）より外に取り出すようにしている。通常は、ファイバ端面と光共振器ミラーとの間に光学レンズを配置し、光共振器ミラーで反射してきた発振光線を該光学レンズで絞って（収束させて）発振用光ファイバのコア端面に戻すようにしている。また、発振用光ファイバのコアを光学的に励起するために、励起光源にレーザダイオード（ＬＤ）を使用し、ＬＤ光（励起光）を光共振器ミラーおよび光学レンズを介してコア端面に集光入射させるＬＤ端面励起方式が採られている。

ところで、パルス状のファイバレーザ光を用いるレーザ加工、特にシーム溶接、切断、穴あけ等のレーザ加工では、ファイバレーザ光の繰り返し周波数を高くするために、励起用ＬＤを駆動するＬＤ電源の性能向上によりＬＤ駆動電流の立ち上がり速度の向上が図られており、たとえば５ｋＨｚ程度の繰り返し発振も可能となっている。
特開２００７−１９０５６６号公報

しかしながら、パルス状のファイバレーザ光を用いるレーザ加工において、ＬＤ駆動電流の立ち上がり速度が高いＬＤ電源を使用すると、図５に示すように、設定通りの波形でパルス状のＬＤ駆動電流が得られるのにも拘わらず、ファイバレーザ光にはその立ち上がりで尖頭値の異常に高い細いパルス（高ピークパルス）ＨＰが発生することがある。このような高ピークパルスＨＰが発生すると、ファイバレーザの活性媒質である発振用光ファイバのコア（希土類元素ドープのコア）が損傷するおそれがあるだけでなく、そのようなファイバレーザ光を用いるアプリケーションの加工性・加工品質に悪い影響を及ぼすおそれもある。

上記のような高ピークパルスＨＰの発生を抑制するために、ファイバレーザ加工装置の電源を入れてからレーザ加工を開始するまでの待機中にもＬＤ電源に一定のベース電流を流しておいてファイバレーザを低パワーのレーザ発振状態に維持しておく技法が有効とされている。しかし、ファイバレーザを常時レーザ発振状態に置くことは、消費電力を多くし、ＬＤの寿命を縮めるという不利点がある。また、待機中はファイバレーザ光の光路を装置内のシャッタで遮断しているので、ファイバレーザ光が装置の外へ出る危険性はないが、ファイバレーザがレーザ発振状態に置かれていることをユーザが知らずに、あるいはうっかり忘れて装置を取り扱う場合の安全リスク上の問題もある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、溶接、切断または穴あけのレーザ加工を行わない待機中はレーザ発振を止めておきながらパルス状のファイバレーザ光を立ち上げる際には異常な高ピークパルスの発生を効果的に防止して、希土類元素ドープファイバの安全性や溶接、切断または穴あけのレーザ加工品質の安定性を図るファイバレーザ加工方法およびファイバレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のファイバレーザ加工方法は、レーザダイオードにパルス状のＬＤ駆動電流を供給してパルス状の励起光を生成し、所定の希土類元素をドープしたコアを有する発振用の光ファイバの前記コアを前記励起光で励起してパルス状のファイバレーザ光を生成し、前記ファイバレーザ光を被加工物の加工点に集光照射して溶接、切断または穴あけのレーザ加工を行うファイバレーザ加工方法であって、前記ファイバレーザ光の出力が、実質的に零の値からレーザ加工に影響しない５Ｗ以上の前置レベルまで立ち上がり、前記前置レベルまでへの立ち上がりを開始した時から０．５ｍｓ以上の時間を経過した後に前記前置レベルから前記レーザ加工用の所望レベルまで立ち上がるように、パワーフィードバック制御方式で前記ＬＤ駆動電流を制御し、前記ファイバレーザ光の出力が前記前置レベルへの立ち上がりを開始する直前に、所定時間にわたり、前記ＬＤ駆動電流の電流値が零アンペアに一致するように電流フィードバック制御方式で前記ＬＤ駆動電流を制御する。

本発明のファイバレーザ加工方法では、レーザパルス発振において、ファイバレーザ光の出力を初期値（実質的に零の値）から溶接、切断または穴あけのレーザ加工用の所望レベルまで一気に立ち上げるのではなく、パワーフィードバック制御方式で先ずレーザ加工に影響しない５Ｗ以上の前置レベルまで安定に立ち上げ、その前置レベル（低レベルの反転分布状態）を０．５ｍｓ以上維持してからレーザ加工用の所望レベルまで安定に立ち上げるので、加工用のレーザ出力が高くても立ち上げ時に異常な高ピークパルスを発生させずに済む。
さらに、本発明においては、ファイバレーザ光の出力が前置レベルへの立ち上がりを開始する直前に、所定時間にわたりＬＤ駆動電流の電流値を電流フィードバック制御方式で零アンペアの電流基準値に一致させておく。これにより、レーザ加工を行わない待機期間中にＬＤ駆動電流を流さないようにして消費電力を節減するとともに、レーザ発振を停レーザ出力測定部に誤差があっても、パワーフィードバック制御によるＬＤ駆動電流の立ち上げを速く安定に開始させることができる。

本発明のファイバレーザ溶接方法は、繰り返し周波数が１Ｈｚ〜５ｋＨｚのファイバレーザ光を用いるシーム溶接加工に特に好適に適用できる。

本発明のファイバレーザ加工装置は、ファイバレーザ光を被加工物の加工点に集光照射して溶接、切断または穴あけのレーザ加工を行うファイバレーザ加工装置であって、コアに所定の希土類元素を含む発振用の光ファイバを有し、前記発振用光ファイバのコアをパルス状の励起光により励起してパルス状のファイバレーザ光を発振出力するファイバレーザ発振器と、前記ファイバレーザ光を被加工物の加工点に集光照射するレーザ出射部と、前記励起光を生成するためのレーザダイオードと、前記レーザダイオードにパルス状のＬＤ駆動電流を供給するＬＤ電源部と、前記ファイバレーザ光の出力について所望の基準パルスを設定する基準パルス設定部と、前記ファイバレーザ光の出力に係るパワーフィードバック制御用の第１の基準信号として、レーザ加工に影響しない５Ｗ以上のピークレベルと０．５ｍｓ以上のパルス幅とを有する前置パルスと前記基準パルスとを時間軸上で連結して順次発生し、前記基準パルスの立ち上がりを前記前置パルスの後端のレベルから開始させる第１の基準信号発生部と、前記ファイバレーザ光の出力を測定するためのレーザ出力測定部と、前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値を前記第１の基準信号発生部より与えられる前記第１の基準信号と比較して、第１の比較誤差を出力する第１の比較部と、前記ＬＤ駆動電流に係る電流フィードバック制御用の第２の基準信号として、零アンペアに対応する一定値に固定されたレベルを有する信号を発生する第２の基準信号発生部と、前記ＬＤ駆動電流の電流値を測定するためのＬＤ駆動電流測定部と、前記ＬＤ駆動電流測定部より得られるＬＤ駆動電流測定値を前記第２の基準信号発生部より与えられる前記第２の基準信号と比較して、第２の比較誤差を出力する第２の比較部と、前記第１の基準信号発生部が前記前置パルスの立ち上げを開始する直前は、所定時間にわたって、前記第２の比較部より出力される前記第２の比較誤差を零にするように前記ＬＤ電源部を通じて前記ＬＤ駆動電流を制御し、前記第１の基準信号発生部が前記前置パルスの立ち上げを開始する時から、前記第１の比較部より出力される前記第１の比較誤差を零にするように前記ＬＤ電源部を通じて前記ＬＤ駆動電流を制御する制御部とを有する。

上記の装置構成によれば、各部の連携ないし協働により本発明のファイバレーザ加工方法を実施するので、本発明のファイバレーザ加工方法と同様の作用効果を奏することができる。

本発明の好適な一態様においては、ＬＤ電源部が、一定の直流電圧を出力する直流電源と、直流電源に対してレーザダイオードと直列に接続されるスイッチング素子とを有する。そして、制御部が、比較誤差に応じてスイッチング素子をパルス幅変調方式でスイッチング制御する。

本発明のファイバレーザ加工方法またはファイバレーザ加工装置によれば、上記のような構成および作用により、溶接、切断または穴あけのレーザ加工を行わない待機中は実質的なレーザ発振を止めておきながらパルス状のファイバレーザ光を立ち上げる際には異常な高ピークパルスの発生を効果的に防止して、希土類元素ドープファイバの安全性や溶接、切断または穴あけのレーザ加工品質の安定性を図ることができる。

以下、図１〜図４を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態におけるファイバレーザ加工装置の構成を示す。このファイバレーザ加工装置は、パルス状のファイバレーザ光を用いるレーザ加工たとえばシーム溶接に適用可能なレーザ加工機であり、主としてファイバレーザ発振器１０、励起用ＬＤ１２、ＬＤ電源部１４、ファイバ伝送系１６、レーザ出射部１８、制御部２０、タッチパネル２２等で構成されている。

ファイバレーザ発振器１０は、発振用の光ファイバ（以下「発振ファイバ」と称する。）２４と、この発振ファイバ２４を介して光学的に相対向する一対の光共振器ミラー２６，２８とを有している。

励起用のＬＤ１２は、ＬＤ電源部１４より供給されるパルス状のＬＤ駆動電流Ｉ_LDによって発光駆動され、ファイバレーザ発振器１０内のレーザ励起（ポンピング）に用いるパルス状のＬＤ光つまり励起光ＭＢを発振出力する。ＬＤ１２を構成するＬＤ素子の個数は任意であり、アレイ構造あるいはスタック構造をとることも可能である。ファイバレーザ発振器１０内の光学レンズ３０は、ＬＤ１２からの励起光ＭＢを発振ファイバ２４の一端面に集光入射させる。ＬＤ１２と光学レンズ３０との間に配置される光共振器ミラー２６は、ＬＤ１２側から入射した励起光ＭＢを透過させ、発振ファイバ２４側から入射した発振光線を共振器の光軸上で全反射するようにコーティングがなされている。

ＬＤ電源部１４よりＬＤ１２に供給されるＬＤ駆動電流Ｉ_LDを測定するために、電流センサ２５およびＬＤ電流測定回路２７が設けられている。電流センサ２５は、たとえばホール素子からなり、無接触でＬＤ駆動電流Ｉ_LDを検出する。ＬＤ電流測定回路２７は、電流センサ２５の出力信号を入力してＬＤ駆動電流Ｉ_LDの電流測定値（たとえば電流実効値）Ｍ_LDを演算する。ＬＤ電流測定回路２７で得られた電流測定値Ｍ_LDは、電流フィードバック制御用のフィードバック信号として制御部２０に与えられる。

発振ファイバ２４は、希土類元素をドープしたコアと、このコアを同軸に取り囲むクラッドとを有しており、コアを活性媒体とし、クラッドを励起光の伝搬光路としている。上記のようにして発振ファイバ２４の一端面に入射した励起光ＭＢは、クラッド外周境界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ２４の中を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることでコア中の発光元素を光励起する。こうして、コアの両端面から軸方向に所定波長の発振光線が放出され、この発振光線が光共振器ミラー２６，２８の間を何度も行き来して共振増幅され、部分反射ミラーからなる片側の光共振器ミラー２８より該所定波長を有するパルス状のファイバレーザ光ＦＢが取り出される。

なお、ファイバレーザ発振器１０内の光学レンズ３２は、発振ファイバ２４の端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートして光共振器ミラー２８へ通し、光共振器ミラー２８で反射して戻ってきた発振光線を発振ファイバ２４の端面に集光させる。また、発振ファイバ２４を通り抜けた励起用レーザ光ＭＢは、光学レンズ３２および光共振器ミラー２８を透過したのち折り返しミラー３４にて側方のレーザ吸収体３６に向けて折り返される。光共振器ミラー２８より出力されたファイバレーザ光ＦＢは、この折り返しミラー３４をまっすぐ透過し、次いでビームスプリッタ３８を通ってからファイバ伝送系１６のレーザ入射部４０に入る。

ビームスプリッタ３８は、入射したファイバレーザ光ＦＢの一部（たとえば１％）を所定方向つまりパワーモニタ用の受光素子たとえばフォトダイオード（ＰＤ）４２側へ反射する。フォトダイオード（ＰＤ）４２の正面に、ビームスプリッタ３８からの反射光またはモニタ光Ｒ_FBを集光させる集光レンズ４４が配置されてよい。

フォトダイオード（ＰＤ）４２は、ビームスプリッタ３８からのモニタ光Ｒ_FBを光電変換して、ファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力（レーザパワー）を表す電気信号（レーザ出力測定信号）を出力する。レーザ出力測定回路４６は、フォトダイオード４２の出力信号を基に、アナログ信号処理によってファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力測定値Ｍ_FBを求める。レーザ出力測定回路４６で得られたレーザ出力測定値Ｍ_FBは、パワーフィードバック制御用のフィードバック信号として制御部２０に与えられる。

ビームスプリッタ３８をまっすぐ透過してレーザ入射部４０に入ったファイバレーザ光ＦＢは、最初にベントミラー４８で所定方向に折り返され、次いで入射ユニット５０内で集光レンズ５２により集光されてファイバ伝送系１６の伝送用光ファイバ（以下「伝送ファイバ」と称する。）５４の一端面に入射する。伝送用光ファイバ５４は、たとえばＳＩ（ステップインデックス）形ファイバからなり、入射ユニット５０内で入射したファイバレーザ光ＦＢをレーザ出射部１８まで伝送する。

レーザ出射部１８は、たとえばガルバノ・スキャナおよびｆθレンズを備えており、制御部２０からの制御の下でガルバノ・スキャナの可動ミラーを所定角度に振り、ファイバレーザ光ＦＢを加工ステージ５６上の被加工物Ｗ表面の加工点に集光照射する。

このファイバレーザ加工装置において、シーム溶接を行う時は、ＬＤ電源１４より波形制御されたパルス状のＬＤ駆動電流Ｉ_LDがＬＤ１２に供給（注入）され、ＬＤ１２よりＬＤ駆動電流Ｉ_LDの波形に対応したパルス状のＬＤ出力波形を有する励起光ＭＢが生成される。この励起光ＭＢがファイバレーザ発振器１０内の発振ファイバ２４に端面励起方式で供給（注入）され、ファイバレーザ発振器１０よりＬＤ出力波形に対応したパルス状のレーザ出力波形を有するファイバレーザ光ＦＢが発振出力される。この波形制御されたファイバレーザ光ＦＢが、ファイバ伝送系１６およびレーザ出射部１８を介して被加工物Ｗの加工点に集光照射される。該加工点においては、ファイバレーザ光ＦＢのエネルギーにより被加工材質が溶融し、パルス照射終了後に凝固してナゲットが形成される。レーザ出射部１８が被加工物Ｗ上のビーム照射位置（加工点）を所定のシーム溶接ラインに沿って一定のピッチでスキャンしながら、上記の動作が予め設定された繰り返し周波数で繰り返される。

制御部２０は、後述するように、ＣＰＵ（マイクロコンピュータ）を含んでおり、プログラムメモリに格納している各種プログラム（ソフトウェア）にしたがって装置全体ないし各部の動作を制御する。特に、ファイバレーザ光ＦＢに係るレーザ出力の波形制御に関して、制御部２０は、タッチパネル２２の入力部２２ａおよび表示部２２ｂを介してユーザ（作業員、保守員等）の希望する基準パルスを設定入力する。

図２に、この実施形態におけるＬＤ電源部１４および制御部２０の構成を示す。図３に、この実施形態のファイバレーザ加工装置における主要なパルスの波形および相互間のタイミングを示す。

図２に示すように、ＬＤ電源部１４は、一定の直流電圧を出力する直流電源６０と、この直流電源６０に対してＬＤ１２と直列に接続されるスイッチング素子（たとえばパワーＦＥＴ）６２とを備えている。

制御部２０は、ＬＤ電源部１４のスイッチング素子６２をＰＷＭ（パルス幅変調）方式でスイッチング動作させるＰＷＭ制御回路６４と、パワーフィードバック制御系の基準パルス設定部６６、前置パルス設定部６８、基準信号発生回路７０および比較器７２と、電流フィードバック制御系の基準値発生回路７４および比較器７６と、フィードバック信号切替用の切替回路７８と、各部および全体の制御を行うＣＰＵ（マイクロコンピュータ）８０とを有している。

パワーフィードバック制御系において、基準パルス設定部６６は、ユーザがファイバレーザ光ＦＢの出力について基準パルスＳＡを設定するためにタッチパネル２２より入力した所望のパルス波形そのものあるいは波形パラメータのデータを取り込み、取り込んだパルス波形データあるいは波形パラメータデータを所定のフォーマットでメモリに格納する形態で基準パルスＳＡを設定登録する。たとえば、基準パルスＳＡが図３の（ａ）に示すような矩形波の場合は、基準パルスＳＡの波形パラメータデータとして、パルス幅Ｔ_A、ピークパワーＰ_A、周期Ｔ_Rの各値が設定される。

一般に、繰り返しパルス発振のファイバレーザ光を用いるレーザ加工では、パルス幅Ｔ_Aは１〜１００ｍｓの範囲内で設定され、ピークパワーＰ_Aは１０〜５００Ｗの範囲内で設定され、周期Ｔ_Rは０．２〜１sec（繰り返し周波数：１Ｈｚ〜５ｋＨｚ）の範囲内で設定される。

前置パルス設定部６８は、基準パルスＳＡに連結されるべき前置パルスＳＢについてパルス波形そのものあるいは波形パラメータのデータを保持する。たとえば、前置パルスＳＢが図３の（ｂ）に示すような矩形波の場合は、前置パルスＳＢの波形パラメータデータとして、パルス幅Ｔ_B、ピークパワーつまり前置レベルＰ_Bの各値が設定される。

通常、前置パルスＳＢは、高ピークパルスの発生を防止するための装置機能として制御プログラムの中で設定されてよい。もっとも、タッチパネル２２を通じて前置パルスＳＢの波形またはパラメータを随時設定または調整できるように構成することも可能である。

なお、基準パルス設定部６６および前置パルス設定部６８は、ＣＰＵ８０の中でその機能の一部として構成されてもよい。

本発明において、前置パルスＳＢの特性、特にパルス幅Ｔ_Bおよびピークパワー（前置レベル）Ｐ_Bは、ファイバレーザ光ＦＢの立ち上がり時に異常な高ピークパルスＨＰ（図５参照）が発生する否かを左右する重要なパラメータである。本発明者が、前置パルスＳＢのパルス幅Ｔ_Bおよび前置レベルＰ_Bをそれぞれ縦軸および横軸にとり、この実施形態のファイバレーザ加工装置において高ピークパルスＨＰが発生する臨界値をプロットしたところ、図４に示すようなグラフが得られた。すなわち、このグラフ上の各点は基準パルスＳＡに前置パルスＳＢを結合した場合に高ピークパルスＨＰが発生するか否かの臨界点であり、グラフの内側の領域（斜線領域）では高ピークパルスＨＰが発生し、外側の領域（斜線領域）では高ピークパルスＨＰが発生しなかった。なお、基準パルスＳＡのピークパワーＰ_Aは５００Ｗ、パルス幅Ｔ_Aは１ｍｓである。

図４のグラフから、前置パルスＳＢの前置レベルＰ_Bを５Ｗにする場合は、前置パルス幅Ｔ_Bを０．５ｍｓ以上の長さに選ぶと、高ピークパルスＨＰの発生を防止できることがわかる。また、前置レベルＰ_Bを１０Ｗにする場合は、前置パルス幅Ｔ_Bを０．２ｍｓ以上の長さに選ぶと、高ピークパルスＨＰの発生を防止できることがわかる。概して、前置レベルＰ_Bを高くし、前置パルス幅Ｔ_Bを長くするほど、前置パルスＳＢによって高ピークパルスＨＰの発生を防止する効果が出やすくなる。

しかし、前置レベルＰ_Bが高すぎると、基準パルスＳＡで規定する本来のレーザ加工に影響を及ぼす可能性が高くなる。もちろん、前置レベルＰ_Bが低すぎると、高ピークパルスＨＰの発生を防止する効果が出にくくなる。一方、前置パルス幅Ｔ_Bが長すぎると、前置パルスＳＢの見かけ上の立ち上がり時間が長くなり、パルス発振の繰り返し速度を低下させてしまう。前置パルス幅Ｔ_Bが短すぎると、やはり高ピークパルスＨＰの発生を防止する効果が出にくくなる。

したがって、前置パルスＳＢの前置レベルＰ_Bおよび前置パルス幅Ｔ_Bは適度な範囲内に設定される必要がある。図４のグラフを参照し、上記観点に鑑み、さらには実際のレーザ加工における要求仕様等を考慮すると、前置レベルＰ_Bは５〜１０Ｗの範囲内で設定されるのが好ましく、前置パルス幅Ｔ_Bは０．２〜０．８ｍｓの範囲内で設定されるのが好ましい。

図２において、基準信号発生回路７０は、このファイバレーザ加工装置が各パルスのファイバレーザ光ＦＢを生成する際に、パワーフィードバック制御用の基準信号（アナログ信号）ＳＣとして、前置パルス設定部６８からの前置パルスＳＢと基準パルス設定部６６からの基準パルスＳＡとをこの順に時間軸上で連結して出力する。すなわち、先に前置パルスＳＢをピークパワー（前置レベル）Ｐ_Bまで立ち上げ、前置パルスＳＢの後端に続けて前置レベル（Ｐ_B）から基準パルスＳＡの立ち上がりを開始させる。基準信号発生回路７０は、上記の機能を奏するために、前置パルスＳＢと基準パルスＳＡとを連結または合成するディジタル回路と、合成されたパルスをアナログ信号（基準信号ＳＣ）に変換するディジタル−アナログ変換器を有している。

基準信号発生回路７０より出力される基準信号ＳＣは、比較器７２の一方の入力端子（＋）に入力される。比較器７２の他方の入力端子（−）には、ファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力をリアルタイムで表すレーザ出力測定値Ｍ_FBがレーザ出力測定回路４６より入力される。比較器７２は、両入力信号ＳＣ，Ｍ_FBのレベルを比較して比較誤差を示す誤差信号ＥＲ_Pを出力する。この誤差信号ＥＲ_Pは、切替回路７８を通ってＰＷＭ制御回路６４に入力される。ＰＷＭ制御回路６４は、誤差信号ＥＲ_Pの値つまり比較誤差を零にするようにＰＷＭ方式でスイッチング素子６２をスイッチング制御する。

このように、この実施形態では、ファイバレーザ光ＦＢの出力が、実質的に零またはその近辺の値からレーザ加工に実質的に影響しない程度の前置レベルＰ_Bまで立ち上がり、該前置レベルＰ_Bまでへの立ち上がりを開始した時（図３の時点ｔ₁）から第１の時間（前置パルス幅Ｔ_B）を経過した後（図３の時点ｔ₂）に前置レベルＰ_Bからレーザ加工用の所望レベル（Ｐ_A）まで立ち上がるように、パワーフィードバック制御方式でＬＤ駆動電流Ｉ_LDを制御し（図３の（ｅ））、これによってファイバレーザ光ＦＢの立ち上がりに際して高ピークパルスＨＰの発生を効果的に防止することができる（図３の（ｆ））。このことにより、ファイバレーザ発振器１０内の発振用光ファイバ２４が高ピークパルスＨＰで損壊することはない。また、ファイバレーザ光ＦＢが高ピークパルスＨＰを含まない設定通りのパルス波形で被加工物Ｗに照射されるので、シーム溶接加工を良好に行うことができる。また、レーザ加工を行わない待機中はレーザ発振を停止または休止しておくので、消費電力や安全面でも優れている。

なお、図３の（ｅ），（ｆ）は、本発明の作用を説明するためのものにすぎず、ＬＤ駆動電流Ｉ_LDの電流値波形およびファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力波形の正確な表示を意図するものではない。

この実施形態では、上記のようなパワーフィードバック制御系に加えて、電流フィードバック制御系も備えている。ＬＤ電源部１４で流れるＬＤ駆動電流Ｉ_LDは電流センサ２５に検知され、ＬＤ電流測定回路２７がＬＤ駆動電流Ｉ_LDの電流測定値Ｍ_LDを求める。ＬＤ電流測定回路２７からの電流測定値Ｍ_LDは制御部２０（図２）内で比較器７６の一方の入力端子（−）に入力される。比較器７６の他方の入力端子（＋）には、電流基準値発生回路７４より所定の電流基準値ＳＩが入力される。この電流基準値ＳＩは、通常は零アンペアまたはその付近の値に設定されてよい。比較器７６は、両入力信号Ｍ_LD，ＳＩの値を比較して比較誤差を示す誤差信号ＥＲ_Iを出力する。

ＣＰＵ８０は、各パルスのファイバレーザ光ＦＢを生成する際に、前置パルスＳＢを立ち上げる直前の所定期間Ｔ_E（図３の時点ｔ₀〜ｔ₁）の間だけ切替回路７８を電流フィードバック制御系つまり比較器７６側に切り替える。したがって、この所定期間Ｔ_E中は、比較器７６からの誤差信号ＥＲ_Iが切替回路７８を介してＰＷＭ制御回路６４に入力される。ＰＷＭ制御回路６４は、誤差信号ＥＲ_Iの値つまり比較誤差を零にするようにＰＷＭ方式でスイッチング素子６２をスイッチング制御する。この場合、ＬＤ電源部１４内では電流基準値ＳＩの電流値でＬＤ駆動電流Ｉ_LDが流れる。電流基準値ＳＩを零アンペアに設定した場合は、見かけ上スイッチング素子６２がオフしている時と同様にＬＤ駆動電流Ｉ_LDは全く流れない。

このようにレーザパルス発振の直前に電流フィードバック制御をかけてＬＤ駆動電流Ｉ_LDを強制的に基準電流値ＳＩにリセットすることにより、パワーフィードバック制御をかけたときに基準信号ＳＣ（前置パルスＳＢ＋基準パルスＳＡ）に応じたＬＤ駆動電流Ｉ_LDの電流値ひいてはファイバレーザ光ＦＢの出力を確実に高速かつ安定に立ち上がらせることができる。このことにより、レーザ加工の品質安定性を一層向上させることができる。

すなわち、レーザパルス発振の開始前はＰＷＭ制御回路６４がスイッチング素子６２をオフさせているので、ＬＤ電源部１４内でＬＤ駆動電流Ｉ_LDは流れない。しかしながら、実際には、レーザ出力測定部（特にフォトダイオード４２）に誤差があると、ＬＤ電源部１４内で実際にはＬＤ駆動電流Ｉ_LDは流れていなくても、レーザ出力測定回路４６より出力されるレーザ出力測定値Ｍ_FBが零でない値を示すことがある。その場合は、レーザ出力測定値Ｍ_FBを零にする方向にパワーフィードバック制御系が働くが、レーザ出力測定値Ｍ_FBの値が変わらないため（つまり零にはならないため）パワーフィードバック制御系の制御値がたとえば無限大に張り付いた状態となってレーザパルス発振が開始されることになる。そうなると、前置パルスＳ_Bの前置レベルＰ_Bへの高速かつ安定な立ち上がりが難しくなり、ひいては基準パルスＰ_Aへの高速かつ安定な立ち上がりも難しくなる。

なお、電流フィードバック制御を用いずにレーザパルス発振の開始前にもパワーフィードバックループを動作させた場合は、つまりレーザ出力測定値Ｍ_FBを零にするようにＰＷＭ制御回路６４がスッチング素子６２をスイッチング動作させた場合は、上記のようにレーザ出力測定部に誤差があればファイバレーザ光ＦＢの出力は零にならず実質的に発振出力されてしまう。したがって、基準信号発生回路７０より基準信号ＳＣが発生されていない期間中に、パワーフィードバック制御をかけてＰＷＭ制御回路６４およびスッチング素子６２を動作させるのは望ましくない。

本発明において、電流フィードバック制御をかける所定時間Ｔ_E（ｔ₀〜ｔ₁）は、フィードバック制御の実効性・安定性の観点からすれば長いほどよいが、繰り返し周波数の高速化の観点および消費電力の観点からすれば短いほどよく、通常は０．２〜０．５ｍｓの範囲内で設定されるのが好ましい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

たとえば、基準パルスＳＡおよび前置パルスＳＢの波形は矩形形状に限るものではなく、たとえば台形形状など任意の形状を設定することができる。本発明のファイバレーザ加工方法および装置は、シーム溶接、切断、穴あけなど繰り返し発振のパルスレーザを用いるレーザ加工に特に適用可能であるが、単パルスのレーザを用いるレーザ加工たとえばスポット溶接などにも適用可能である。

本発明の一実施形態におけるファイバレーザ加工装置の主要な構成を示す図である。実施形態のファイバレーザ加工装置における制御部内の構成を示すブロック図である。実施形態のファイバレーザ加工装置における主要なパルスの波形および相互間のタイミングを示す波形図である。実施形態のファイバレーザ加工装置において高ピークパルスの発生を防止できる前置パルスの前置レベルおよび前置パルス幅の臨界点を示すグラフである。従来のファイバレーザ加工装置で見られる高ピークパルスの現象を示す波形図である。

符号の説明

１０ファイバレーザ発振器
１２励起用レーザダイオード（ＬＤ）
１４ＬＤ電源部
１６ファイバ伝送系
１８レーザ出射部
２０制御部
２２タッチパネル
２５電流センサ
２７ＬＤ電流測定回路
４２フォトダイオード
４６レーザ出力測定回路
６２スイッチング素子
６４ＰＷＭ制御回路
６６基準パルス設定部
６８前置パルス設定部
７０基準信号発生回路
７２比較器
７４電流基準値発生回路
７６比較器
７８切替回路
８０ＣＰＵ（マイクロコンピュータ）

Claims

レーザダイオードにパルス状のＬＤ駆動電流を供給してパルス状の励起光を生成し、所定の希土類元素をドープしたコアを有する発振用の光ファイバの前記コアを前記励起光で励起してパルス状のファイバレーザ光を生成し、前記ファイバレーザ光を被加工物の加工点に集光照射して溶接、切断または穴あけのレーザ加工を行うファイバレーザ加工方法であって、
前記ファイバレーザ光の出力が、実質的に零の値からレーザ加工に影響しない５Ｗ以上の前置レベルまで立ち上がり、前記前置レベルへの立ち上がりを開始した時から０．５ｍｓ以上の時間を経過した後に前記前置レベルから前記レーザ加工用の所望レベルまで立ち上がるように、パワーフィードバック制御方式で前記ＬＤ駆動電流を制御し、
前記ファイバレーザ光の出力が前記前置レベルへの立ち上がりを開始する直前に、所定時間にわたり、前記ＬＤ駆動電流の電流値が零アンペアに一致するように電流フィードバック制御方式で前記ＬＤ駆動電流を制御する、
ファイバレーザ加工方法。
前記ファイバレーザ光を１Ｈｚ〜５ｋＨｚの繰り返し周波数で生成して、前記被加工物にシーム溶接加工を施す請求項１に記載のファイバレーザ加工方法。
ファイバレーザ光を被加工物の加工点に集光照射して溶接、切断または穴あけのレーザ加工を行うファイバレーザ加工装置であって、
コアに所定の希土類元素を含む発振用の光ファイバを有し、前記発振用光ファイバのコアをパルス状の励起光により励起してパルス状のファイバレーザ光を発振出力するファイバレーザ発振器と、
前記ファイバレーザ光を被加工物の加工点に集光照射するレーザ出射部と、
前記励起光を生成するためのレーザダイオードと、
前記レーザダイオードにパルス状のＬＤ駆動電流を供給するＬＤ電源部と、
前記ファイバレーザ光の出力について所望の基準パルスを設定する基準パルス設定部と、
前記ファイバレーザ光の出力に係るパワーフィードバック制御用の第１の基準信号として、レーザ加工に影響しない５Ｗ以上のピークレベルと０．５ｍｓ以上のパルス幅とを有する前置パルスと前記基準パルスとを時間軸上で連結して順次発生し、前記基準パルスの立ち上がりを前記前置パルスの後端のレベルから開始させる第１の基準信号発生部と、
前記ファイバレーザ光の出力を測定するためのレーザ出力測定部と、
前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値を前記第１の基準信号発生部より与えられる前記第１の基準信号と比較して、第１の比較誤差を出力する第１の比較部と、
前記ＬＤ駆動電流に係る電流フィードバック制御用の第２の基準信号として、零アンペアに対応する一定値に固定されたレベルを有する信号を発生する第２の基準信号発生部と、
前記ＬＤ駆動電流の電流値を測定するためのＬＤ駆動電流測定部と、
前記ＬＤ駆動電流測定部より得られるＬＤ駆動電流測定値を前記第２の基準信号発生部より与えられる前記第２の基準信号と比較して、第２の比較誤差を出力する第２の比較部と、
前記第１の基準信号発生部が前記前置パルスの立ち上げを開始する直前は、所定時間にわたって、前記第２の比較部より出力される前記第２の比較誤差を零にするように前記ＬＤ電源部を通じて前記ＬＤ駆動電流を制御し、前記第１の基準信号発生部が前記前置パルスの立ち上げを開始する時から、前記第１の比較部より出力される前記第１の比較誤差を零にするように前記ＬＤ電源部を通じて前記ＬＤ駆動電流を制御する制御部と
を有するファイバレーザ加工装置。
前記ＬＤ電源部が、一定の直流電圧を出力する直流電源と、前記直流電源に対して前記レーザダイオードと直列に接続されるスイッチング素子とを有し、
前記制御部が、前記比較誤差に応じて前記スイッチング素子をパルス幅変調方式でスイッチング制御する、
請求項３に記載のファイバレーザ加工装置。