JP5393150B2 - レーザビームのフォーカス位置の決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つの異なっているフォーカス位置が調整設定される、レーザ装置、殊にレーザカッティング装置のレーザビームの、ワーク（被加工物）加工プロセスに適しているフォーカスもしくは焦点位置を決定するための（焦点出し）方法に関する。

レーザカッティングであれ、レーザ溶接であれ、被加工物を十分正確に加工することができるように、レーザビームが最大のパワー密度を有する個所でレーザビームが被加工物に接触されるようにする必要がある。つまり問題はレーザビームの最も狭くなったところを見つけることである。このために例えば、リファレンス被加工物においてレーザビームで、それぞれのスリットに対して種々異なっているフォーカス位置を使用して、種々異なっているスリットを切断することが公知である。引き続いてリファレンス被加工物が取り除かれかつスリット幅が手動で測定される。最も狭いスリット幅を実現したフォーカス位置は被加工物加工に対して最も適しているフォーカス位置である。この方法は比較的煩雑でありかつ自動化することができない。

ＤＥ１９８５４６９４Ａ１には、被加工物に配向された、レーザビームに対するフォーカシング装置を有する加工ヘッドから出射するレーザビームのフォーカス位置の調整設定が記載されている。まず、被加工物の表面にレーザビームを用いて複数の相互に分離されているトラックが加工ヘッドと被加工物との間のそれぞれ種々異なっている距離においてかつその他の点では同じ条件でバーニング処理される。その際それぞれのトラックに対して生じるプラズマの強度が別個に測定される。それからその中から最大のプラズマの強度が測定された、加工ヘッドおよび被加工物間距離が探し出される。続いてこの距離を用いてレーザ加工装置が較正される。この方法も自動化するのが非常に難しい。

本発明の課題は、フォーカス位置を決定することができる方法を提供することであり、方法は自動化できるようにしたい。

この課題は本発明によれば、驚くべき形式および手法において、冒頭に述べた形式の方法においてレーザビームの種々異なっているフォーカス位置に対して、レーザビームの少なくとも縁領域が被加工物に接触するかどうかかつどのような状況下で接触するかが測定されることによって解決される。つまり、−調整設定可能なフォーカス位置に依存して−いつレーザビームの縁領域が材料に接触するかが識別される。種々異なっているフォーカス位置においてこのことは、レーザビームのビーム軸線の、被加工物のエッジからの種々異なっている距離においてもしくは被加工物の既に生成された貫通孔の大きさに依存して行われる。本発明の方法は自動化可能であるので、フォーカス位置は自動的に求めることができる。それ故にリファレンス被加工物を手動で測定することは省かれる。

この方法の特別有利な変形形態において、少なくともレーザビームの縁領域が被加工物に接触する状況を表す量を検出するように設定することができる。この状況を表す量として例えば、ビーム軸線の、被加工物、殊に被加工物のエッジに対する距離または検出されたビーム、例えばプロセス光が考慮される。

被加工物から放射されるビームを検知することによって、レーザビームの縁領域が被加工物に接触するかどうかを測定するようにすれば特別有利である。殊に、光をマイクロメートルの波長領域における最大の感度によって検出することができる。これにより測定を特別正確に行うことができる。しかしプラズマがレーザ加工の際に生成されるとき、プラズマの明かりの検出はそれほど正確ではないことが考えられる。被加工物の既に比較的多くの材料が溶融されかつ消費されたときプラズマの明かりは比較的に遅く発生することにより測定の正確さが落ちる。更に、反射されたプロセス光を検出しないことが考えられる。いずれの手法においても、レーザビームの縁領域が被加工物に接触するとき、できるだけ早期に識別されることに特別な価値が置かれるようにすべきである。

本発明の方法の有利な変形形態において、特定された状況から出発して、適したフォーカス位置または、ここでもレーザビームの縁領域が被加工物に接触するかどうかおよびどのような状況下で接触するかを検出する別のフォーカス位置が決定される。特定された状況から、レーザビームの縁領域が被加工物に接触しないことが生じるとき、このことは、適したフォーカス位置が見つかったことを示唆している。というのは、例えばビーム軸線の、被加工物に対する最小距離が見つかったかまたは被加工物の高さにおけるレーザビームが被加工物にその前に生成された貫通孔より狭いからである。反対に、適当なフォーカス位置が見つからなかったとき、その前に特定された状況から、適当なフォーカス位置に近付くために、次の試行に対してフォーカス位置をどの方向に移動調整しなければならないかを別のフォーカス位置に対して求めることができる。

方法の有利な変形形態において、被加工物はレーザビームにより、殊に種々異なっているフォーカス位置において接触走査され、この際、レーザビームの縁領域が被加工物に対する加工プロセス、殊に切断プロセスを開始するまで、被加工物およびレーザビームは相互に近付けられる。その際被加工物はレーザビームにより１つまたは複数の側面から接触走査されるようにすることができる。代わりに、被加工物において被加工物に実現されているウィンドウの側面をビームで接触走査することも考えられる。この形式および手法において、所定のフォーカス位置においてビーム直径を求めることができる。この方法は、最小のビーム直径が見つけられるまで繰り返すことができる。この場合これに属するフォーカス位置がワーク加工に対するレーザビームの適したフォーカス位置である。

その際レーザビームが被加工物に接触したことが識別されるや否や、レーザビームを遮断すると特別有利である。この措置により被加工物はできるだけ僅かしか損傷されない。これにより更に、フォーカス位置決定の正確さを高めることができる。

本発明の特別有利な実施形態においてまず、第１のフォーカス位置において被加工物に貫通孔が生成されかつ引き続いて少なくとも１つの別のフォーカス位置により貫通孔の生成が繰り返される。貫通孔として例えば被加工物中の穴またはスリットを生成することができる。スリットの生成は、レーザ装置が所定の時間作動しておりかつこれにより加熱されているという利点を有している。これによりフォーカス位置は加熱されたレーザ装置において求めることができ、このことは被加工物加工の間の条件に相応している。例えば、まず穴もしくはスリットを任意のフォーカス位置で薄い薄板に生成し（リファレンス）かつその後同じ位置でフォーカス位置を変えてこの過程が繰り返されるように設定することができる。この場合プロセス光が生じると、ビーム直径は第１の穴またはスリットに比べて大きい。この場合プロセス光が生じないと、ビーム直径は第１の穴またはスリットに比べて小さい。プロセス光は例えば光電式ユニットによって測定することができる。殊にプロセス光はセンサ、カメラ、穴つきミラーまたは類似のものによって測定することができる。

方法の別のステップにおいて貫通孔の生成の過程は最初に調整設定されたフォーカス位置によって繰り返すことができ（リファレンス）かつ引き続く穿孔もしくは切断の際にフォーカス位置を最初の試行の場合と反対の、リファレンス穿孔もしくはリファレンス切断に対するフォーカス差によって選択することができる。２つの試行結果から、フォーカス探索に対する方向を決定することができる。このことは、リファレンス穿孔もしくはリファレンススリットがフォーカス位置ｘによって実施されるとき、第２の穿孔もしくはスリットは第１の試行においてはフォーカス位置ｘ＋ｙによってかつ第２の試行においてはｘ−ｙによって行うとよいことを意味している。ｘが所望の、適当なフォーカス位置に正確に相応していない限り、その都度第２の穿孔もしくはスリットにおける２つの試行の１つにしかプロセス光が生じない。この情報に基づいて、薄板表面にフォーカシングされたビームが大きくなるもしくは小さくなる方向が分かり、かつ反復法により適当なフォーカス位置に近付いていくことができる。既に上に説明した、殊にプロセス光に対する光電式の測定ユニットを用いて、この過程が自動化されるようにすることができる。

フォーカス位置決定の別の可能性は、フォーカス位置を連続的にまたは準連続的に調整させていく点にある。例えば、ビーム軸線が被加工物エッジから固定の距離を有していることが考えられる。引き続いてフォーカス位置が連続的に調整される、すなわち２つの極値の間で連続的にまたは準連続的に変化され、かつビーム軸線が十分に被加工物のエッジに接近すると、いくつかのフォーカス位置に対してプロセス光が生じ、一方別のフォーカス位置に対してはプロセス光は発生されない。プロセス光が生じるとこのことは、レーザビームが被加工物の高さにおいて比較的大きな直径を有していることを意味している。それ故にこのフォーカス位置はレーザ加工プロセスに対しては適していない。プロセス光が生じないフォーカス位置が探索される。それ故にレーザビームの縁領域が被加工物に接触する状況を記述する量として、フォーカス位置が用いられる。

本発明の方法の上に述べた変形形態は、レーザビームが被加工物に沿って移動されないとき、比較的不正確である。それ故に正確さを高めるために、レーザビームおよび被加工物をフォーカス位置の連続調整の期間に相対的に移動されるようにすると有利である。その際に、レーザビームおよび被加工物のどの相対ポジションでレーザビームおよび被加工物が接触する、殊にプロセス光が生じるかが検出される。殊にレーザビームを被加工物の側面に沿って動かすことができる。フォーカス位置の連続的な連続調整によって、レーザ加工プロセスに適しているフォーカス位置を特別高速に見つけ出すことができる。レーザビームが被加工物に沿って移動されるとき、暖められたレーザ装置においてフォーカス位置を求めることができる。

適当なフォーカス位置を見つけるための別の可能性によれば、被加工物に切り込みを生成し、その際に切り込み個所生成の期間にフォーカス位置が連続調整され、かつ引き続いて同じ個所でこの過程が繰り返されるようにし、その際に第２の切り込みの期間に、フォーカス位置はオフセットを以て連続調整される。

レーザビームの縁領域が被加工物の上表面または下表面にどんな状況で接触する、殊にどんなフォーカス位置で接触するのかを検出すると、特別有利である。これら２つのフォーカス位置が決定されているとき、２つのフォーカス位置から平均化されたフォーカス位置を求めることができる。この位置は、被加工物、殊に薄板の真ん中に位置している。これによりレーザビームが薄板の真ん中にフォーカシングされるようにすることができる。

本発明の別の特徴および利点は以下に説明する、本発明の重要な詳細を示している図面の各図に基づいた本発明の実施例に説明、並びに特許請求の範囲から明らかである。個々の特徴はそれぞれ個別にそれだけでまたは本発明の変形形態における任意に組み合わされた複数の特徴においても実現されることができる。

各図には本発明の、以下の実施例の説明で詳細に説明する本発明の実施例が示されている。

その際：
図１はレーザ装置の一部を略示し、
図２ａはレーザビームの理想的なフォーカス位置における被加工物およびレーザビームの断面を示し、
図２ｂは本発明の方法を説明するための概略を示し、
図３は被加工物の接触走査の説明のための概略を示し、
図４はレーザビームの連続調整を説明するための概略を示し、
図５は被加工物の接触走査の選択的な実施例を説明するための概略を示し、
図６ａ〜６ｃはレーザカッティングに適しているフォーカス位置を見つけ出す手法を説明するための概略を示している。

図１によればレーザ装置１、殊にレーザカッティング装置において、レーザビーム２はスクレーパーミラーとして実現されているミラー３によって転向ミラー４に転向される。転向ミラーは加工ヘッド５内に配置されている。レーザビーム２はレンズとして実現されているフォーカシング装置６を用いてフォーカシングされかつ被加工物７上に向けられる。レーザビーム２が被加工物７に衝突するとき、ライン８によって示されているような放射が生じる。これはミラー４，３を介して戻し反射されかつミラー３を通って測定装置８に転向される。測定装置８はホトダイオードおよび相応の電子回路から成っている。測定装置８の情報は評価および制御装置９に転送される。評価および制御装置９において、レーザビーム２、殊にレーザビーム２の縁領域が被加工物に接触する状況が決定される。殊に、対応しているフォーカス位置、すなわちポジショニング装置６の位置および／または高さ調整設定、すなわち加工ヘッド５の、被加工物７に対する距離が検出される。

図２ａにおいて被加工物７は横断面にて示されている。被加工物はレーザビーム２によって生成された貫通孔１０を有している。図２にはレーザ加工プロセスにとって所望のフォーカス位置が図示されている。このことは、絞られて図示されているレーザビーム２の最も狭い個所が被加工物の高さ、殊にその真ん中に正確にあることを意味している。このことは、レーザビームが被加工物７、殊に薄い薄板の真ん中に正確にあるとき、レーザビームは最***もしくは最狭の断面を有するスリットを生成することを意味している。

図２ｂには、レーザビーム２による第１の試行もしくはリファレンス穿孔において孔１０が生成されたことが示されている。引き続いてフォーカス位置が移動調整されかつ同一の個所に貫通孔を生成することが試行されると、レーザビーム２’により被加工物７とのリアクションが引き起こされる。というのは、レーザビーム２の縁領域１１が被加工物７に衝突しかつ貫通孔１０を拡大するからである。このことは、最適なフォーカス位置を見つけるために、フォーカス位置をどの方向に移動調整しなければならないかについての情報を与える。

図３には、フォーカス位置を決定することができる代替例が図示されている。平面図において、レーザビーム２により矢印１２，１３，１４により示されている種々の方向から接触走査される被加工物７が示されている。このことは、レーザビーム２が被加工物７の側面１５，１６，１７，１８のところまで来て、ついにはレーザビーム２の縁領域が被加工物７に接触することを意味している。この手法により、調整設定されたフォーカス位置においてレーザビーム直径を求めることができる。このことから、レーザビーム２の直径ができるだけ小さな幅の横断面を生成するために申し分なく小さいかどうかについての情報が得られる。その際フォーカス位置は、最小のビーム直径が見つけられるまでの間変えていくことができる。被加工物７の側面もしくはエッジ１５乃至１８は正確に定義されたエッジを実現するために、例えば打ち抜きもしくは刻印により生成される。

図４において、レーザビーム２が矢印方向２０において被加工物７に沿ってどのように移動されるのかが明らかになる。矢印方向２０に移動している間、レーザビーム２のフォーカス位置が連続的に調整され、すなわち変化される。これにより、レーザビーム２の縁領域が被加工物７の側面１７にもはやぎりぎり接触しないフォーカス位置（ジャストフォーカス）を見つけ出すことができる。この手法において、フォーカシングされたレーザビームがどの程度のビーム直径を有しているか分かっていると有利である。その場合レーザビーム２は矢印方向２０に移動している間、そのビーム軸線２１がフォーカシングされたレーザビーム２の、側面１７からのビーム直径のほぼ１／２の距離に配置されているように配置することができる。プロセス光もしくはビームが生成されないフォーカス位置が探索されるフォーカス位置である。

図５には、被加工物２５の接触走査によりどのようにフォーカス位置を見つけ出すことができるかの選択的な可能性が図示されている。被加工物２５のウィンドウ２６においてレーザビーム２が矢印方向２７，２８，２９，３０においてウィンドウ２６の側面３１，３２，３３，３４まで近付けられる。この措置により、規定のフォーカス位置においてレーザビーム２の拡がりを４つの象限において求めることができる。この手法により、レーザビーム２のコアビーム直径を求めることができる。被加工物２５の厚さは、プロセス精度に対する要求に従って決定される。できるだけ薄い被加工物を使用することが望ましい。というのはこれによりフォーカス位置を比較的に正確に決定することができるからである。有利には薄板厚は１ｍｍ以下であるようにしたい。しかし薄板厚はあまりに薄く選択されてはならない。というのは、被加工物があまりに薄いと被加工物がふらつくおそれがあり、測定精度に不都合に影響するからである。

図６ａに示されていることから、被加工物７の厚みおよびレーザビーム２の形状に基づいて、レーザビーム２の最高のパワー密度を有する個所を正確に見つけることが難しいことが明らかである。図６ａに示されていることによれば、レーザビーム２もしくはレーザビーム２の縁領域は被加工物７の上表面４０に接触する。図６ｂに示されていることによれば、レーザビーム２の縁領域は被加工物７の下表面41に接触する。レーザビーム２がちょうど、上表面４０または下表面４１にちょうど接触するフォーカス位置は本発明に方法により比較的正確に決定される。しかし、これら２つのフォーカス位置の間にあるフォーカス位置が探索される。このことは図６ｃに示されている。図６ａのフォーカス位置は点線４３によって図示されておりかつ図６ｂに示されているフォーカス位置は点線４４によって図示されている。これらのフォーカス位置の真ん中に正確に、探索されるフォーカス位置があり、このことは点線４５によって図示されている。このフォーカス位置は真ん中をとるによって決定することができる。

レーザ装置の一部の略図 レーザビームの理想的なフォーカス位置における被加工物およびレーザビームの断面略図 本発明の方法を説明するための概略図 被加工物の接触走査の説明のための概略図 レーザビームの連続同調を説明するための概略図 被加工物の接触走査の択一的な実施例を説明するための概略図 レーザ切断に適しているフォーカス位置を見つけ出す手法を説明するための概略図 レーザ切断に適しているフォーカス位置を見つけ出す手法を説明するための概略図 レーザ切断に適しているフォーカス位置を見つけ出す手法を説明するための概略図

Claims (6)

1. レーザ装置（１）のレーザビーム（２，２’）の、ワーク加工プロセスに適した、光軸方向におけるフォーカス位置を決定するための方法において、
   被加工物（７，２５）としての薄板の周縁を、任意の一つのフォーカス位置に調整設定したレーザビーム（２，２’）によって走査し、その際、レーザビーム（２，２’）の縁領域（１１）による前記薄板に対する接触が発生するまで、前記薄板およびレーザビーム（２，２’）を前記光軸方向に直交する方向に相互に接近させて、前記薄板の高さにおけるレーザビーム（２，２’）の直径を求める走査ステップと、
   フォーカス位置を変化させて前記走査ステップを繰り返すことにより、最小の半径のときのレーザビーム（２，２’）のフォーカス位置を、ワーク加工プロセスに適したフォーカス位置として決定する決定ステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記走査ステップにおいて、レーザビーム（２，２’）により前記薄板の１つまたは複数の側面を走査する
   請求項１記載の方法。
3. 前記走査ステップにおいて、前記薄板に形成されているウィンドウの側面をレーザビーム（２，２’）により走査する
   請求項１又は２記載の方法。
4. レーザビーム（２，２’）の縁領域（１１）が前記薄板に接触する状況を示すプロセス光を検出する
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. レーザビーム（２，２’）が前記薄板に接触したことが識別されたとき、レーザビーム（２，２’）を遮断する
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. レーザビーム（２，２’）および前記薄板を、レーザビーム（２，２’）のフォーカス位置を変化させる際に、前記光軸方向に直交する方向であって前記薄板の側面に沿った方向、及び、前記光軸方向に相対的に移動させる
   請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。

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