JP6887502B2 - レーザ加工装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置および方法に関する。特には、本発明は、レーザ加工による材料の切断に関する。

レーザビームで金属を加工する場合、通常、レーザビームを集光レンズで１００〜５００μｍのスポットに集光してエネルギー密度を高め、ワークを瞬時に金属の融点まで加熱して溶融する。同時に、アシストガスを供給して溶融金属の腐食を防ぐこともできる。固体レーザまたはファイバレーザからの１マイクロメートル波長帯のレーザビームは、ＣＯ_２レーザからの１０マイクロメートル波長帯のレーザビームに比べて、非常に高い光エネルギー強度および吸光度を金属ワーク上に実現させる。しかしながら、ガウシアンビームの１マイクロメートル波長帯のレーザビームを酸素アシストガスと共に用いて軟鋼板ワークを切断すると、ワークの上面の溶融幅が不必要に広がり、カーフコントロールが損なわれる。さらに、自己燃焼が生じてレーザ切断の質を低下させる可能性がある。

環状または「ドーナツ」状の形状を有すると説明可能な強度プロファイルを提供するリング状のレーザビームの使用が、レーザ加工では知られている。所定の厚さの金属の切断は、従来のビームプロファイルの代わりにドーナツ状のビームを使用すると、はるかに低い出力で行うことができ、切断速度および品質において良い結果を生むと考えられてきた。

米国特許第８７８１２６９号（特許文献１）は、多層クラッドファイバにレーザビームを向けて出力レーザビームに種々のビームプロファイル特性を生成する、様々な配置を開示しており、この場合、入射レーザビームは、内側のファイバコアまたは外側のリングコアと選択的に結合される。

このような材料加工の用途では、レーザビームの輝度が最大となるようにする。輝度は、単位立体角および単位面積あたりの出力として定義される。輝度の重要性を示す例として、レーザビームの輝度を増加させて、これを加工速度または材料厚を増加させるために使用することができる、という例がある。高輝度レーザビームは、例えば、ファイバレーザおよび薄型ディスクレーザから得ることができる。ダイレクトダイオードレーザは常に輝度も向上しているが、材料加工用の市販のダイレクトダイオードレーザは、ファイバまたは薄型ディスクレーザの明るさにまだ到達していない。

米国特許第８７８１２６９号

従来技術にしたがって行われるレーザ加工には、いくつかの重要な欠点がある。特に厚い材料を切断する用途では、溶融金属を蒸発させ、そうでなければ溶融金属を除去して、溶融金属がレーザビームの後に再び溶接されないようにするために、レーザビームは高い強度と比較的広い焦点を有する必要がある。そのような強力な切断は、切断面を幾分不規則な形状にする。レーザ切断のための改良された方法および装置が必要とされている。

本発明は、独立請求項の特徴により定められる。いくつかの特定の実施形態は、従属請求項に定められている。

本発明の一態様によれば、レーザ加工装置は、
−各々が少なくとも１つの第１の光供給ファイバに第１のレーザビームを提供する、少なくとも１つの第１のレーザ装置と、
−各々が少なくとも１つの第２の光供給ファイバに第２のレーザビームを提供する、少なくとも１つの第２のレーザ装置と、
−第１および第２の光供給ファイバ、ならびにマルチコア光ファイバに接続された、ビーム結合手段であって、少なくとも１つの第１の光供給ファイバをマルチコア光ファイバの第１のコアと位置合わせし、かつ少なくとも１つの第２の光供給ファイバをマルチコア光ファイバの少なくとも１つの第２のコアと位置合わせすることによって、複合レーザビームを形成するようになっており、マルチコア光ファイバの第１のコアが円形の断面を有し、第２のコアが第１のコアと同心の円環形状を有する、ビーム結合手段と、
−第１および第２のコアと接続可能なレーザ加工ヘッドであって、第１および第２の出力レーザビームを含む複合レーザビームを切断するワークに向ける、レーザ加工ヘッドと、
−第１および第２のレーザ装置に機能的に接続され、第１および第２の出力レーザビームにおける出力密度を個別に制御する、制御ユニットであって、切断進行方向における変化点への接近に応じて、および、切断するワークの厚さに従って第１の出力レーザビームの出力密度と第２の出力レーザビームの出力密度との関係に変化をもたらすように、のうち少なくとも１つにおいて、第１および第２の出力レーザビームの少なくとも一方の出力密度を適合させるように構成された、制御ユニットと、を備える。

本発明の第２の態様によれば、レーザビームでワークを切断する方法は、
−少なくとも１つの第１のレーザ装置に接続された少なくとも１つの第１の光供給ファイバから、少なくとも１つの第１のレーザビームを供給するステップと、
−少なくとも１つの第２のレーザ装置に接続された少なくとも１つの第２の光供給ファイバから、少なくとも１つの第２のレーザビームを供給するステップと、
−少なくとも１つの第１の光供給ファイバをマルチコア光ファイバの第１のコアと位置合わせし、かつ少なくとも１つの第２の光供給ファイバをマルチコア光ファイバの第２のコアと位置合わせすることによって、マルチコア光ファイバ内の第１および第２のレーザビームを結合するステップであって、マルチコア光ファイバの第１のコアが円形の断面を有し、第２のコアが第１のコアと同心の円環形状を有するステップと、
−マルチコア光ファイバからの第１および第２の出力ビームを含む複合レーザビームを、切断するワークに向けるステップと、
−第１および第２の出力レーザビームの出力密度を、制御ユニットによって個別に制御するステップであって、切断進行方向における変化点（２２）への接近に応じて、および、切断するワークの厚さに従って第１の出力レーザビームの出力密度と第２の出力レーザビームの出力密度との関係に変化をもたらすように、のうち少なくとも１つにおいて、第１および第２のレーザビームの少なくとも一方の出力密度を適合させるステップと、を含む。

いくつかの実施形態によれば、ワークは、切断動作の進行方向における少なくとも１つの変化を含む、所定の加工プロファイルに従って加工され、第１および第２の出力レーザビームの少なくとも一方の出力密度は、加工プロファイルに対する現在の切断位置に基づいて適合される。

いくつかの実施形態によれば、出力密度は、変化点への接近時に徐々に低減する。

いくつかの実施形態によれば、環状のレーザビームをオフにするための所定の厚さ制限値を下回るワークの厚さに応じて、第２のレーザビームはオフにされる。

次に、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して以下に詳述する。

以下に、添付の図面を参照して本発明を詳述する。

１ａ〜１ｄは、センターレーザビームおよびリングレーザビームのプロファイル例の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、レーザビームプロファイルの出力制御用の制御ユニットを示す図である。 転換点を含むレーザ切断動作の一例を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による装置の一例である。 本発明のいくつかの実施形態による複合レーザビームの断面を示す図である。 いくつかの実施形態による結合手段の受光端の断面を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による結合手段の出力における屈折率プロファイルを示す図である。 本発明の一実施形態による光学部品の概略図である。

ここで、特定のレーザ切断の課題に対して切断品質の改善を可能にする方法、すなわち切断動作中における様々な材料厚や不一致を最適化する方法および装置を提供する。これは、レーザビームの各々に対して適応的な出力制御を行い、複数のレーザビームによる切断動作を調整し、特定の状況に対して最適なビームプロファイルの組み合わせを可能にすることによって達成される。これらの特徴は、実質的に円形の断面を有する第１のレーザ出力ビームと、該第１のレーザ出力ビームと同心の実質的に円環形状を有する第２のレーザ出力ビームと、が形成される方法および装置に適用することができる。レーザビームは、ダイオードレーザおよびファイバレーザなどの、別々のレーザ装置によって形成することができる。したがって、第１の出力レーザビームは、円形ビームまたはセンタービームと呼ばれ、第２の出力レーザビームは、環状ビームまたはリングビームと呼ばれる。第１の出力レーザビームおよび第２の出力レーザビームは、切断すべき重なり合う要素を有するワークに選択的に向けられる。

制御ユニットによって、センタービームおよび／またはリングビームの出力密度を、他方のビームの状態に関わらず個別に制御することが可能である、レーザ切断装置が提供される。具体的には、特定の出力密度の制御により、切断プロセスおよび／または切断する材料における不一致点に対して、最適なビームプロファイルの組み合わせがもたらされるように構成されている。センタービームおよび／またはリングビームの出力密度は、切断動作の進行方向における変化点への接近に応じて、および、切断するワークの厚さに従ってセンタービームの出力密度とリングビームの出力密度との関係に変化をもたらすように、のうち少なくとも１つにおいて、適合される。結果として得られる出力ビームの出力密度は、それぞれのレーザ出力レベル、レーザ装置内の変調パラメータ、レーザ装置からの光パルスのパルス幅および／もしくは周波数、ならびに／またはそれぞれのレーザ出力ビームによってワークに加えられる出力密度に影響を与える他のパラメータを適合させることによって適応させることができる。

図１ａ〜１ｄは、切断動作中に制御され得る、異なるビームプロファイルの組み合わせのいくつかの基本例を示している。出力Ｐは、図１ａではセンタービーム１に対してのみ適用され、図１ｂではリングビーム２に対してのみ適用されている。図１ｃは、センタービーム１においてより高い出力を有するデュアルビームプロファイルを示しているが、図１ｄでは、リングビーム２がより高い出力密度および出力レベルを有している。

図２は、レーザ装置のセンタービーム１およびリングビーム２を適応的に出力制御するための、いくつかの実施形態による制御ユニット１０を示している。制御ユニットは、少なくとも１つのレーザユニット１２に直接的または間接的に接続されている。制御ユニット１０は、出力制御のための適切なソフトウェアを備えた汎用コンピュータを含むことができ、あるいは、制御ユニットはマイクロコントローラを含むことができる。制御ユニットは、シングルコアプロセッサまたはマルチコアプロセッサとすることができる、少なくとも１つのプロセッサ１１を備える。シングルコアプロセッサは１つの処理コアを含み、マルチコアプロセッサは２つ以上の処理コアを含む。プロセッサは、少なくとも１つの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含み得る。プロセッサは、装置内で方法ステップを実行するための手段であり得る。プロセッサは、少なくとも部分的にコンピュータ命令によって、本明細書に示されるビームプロファイル出力制御機能を実行するように構成され得る。

制御ユニット装置は、メモリ１３を含み得る。メモリは、ランダムアクセスメモリおよび／または永久メモリを含み得る。メモリは、少なくとも１つのＲＡＭチップを含み得る。メモリは、例えば、固体メモリ、磁気メモリ、光学メモリおよび／またはホログラフィックメモリを含み得る。メモリは、少なくとも部分的にプロセッサにアクセス可能なものとすることができる。メモリは、プロセッサ１１が実行するように構成されたコンピュータ命令１４を含み得る。プロセッサに特定の動作を実行させるように構成されたコンピュータ命令がメモリに格納されており、メモリからのコンピュータ命令を使用して装置全体がプロセッサの指示の下で動作するように構成されている場合、プロセッサおよび／またはその少なくとも１つの処理コアは、特定の動作を実行するように構成されているとみなすことができる。メモリ１３は、少なくとも部分的にプロセッサに含まれていてもよい。メモリ１３は、少なくとも部分的に装置の外部にあるが制御ユニット装置にアクセス可能であってもよい。

図示の出力制御機能は、メモリ１３に格納された少なくとも１つのコンピュータプログラムであって、プロセッサ１１上で実行されると、レーザユニット１２へのそれぞれの出力制御信号によって該プロセッサにレーザビームの出力密度を適応的に制御させる命令１４を含む、コンピュータプログラムによって生じ得る。メモリ１３はまた、異なるセンタービームおよび／またはリングビームプロファイル、ならびに異なる切断プロファイル、またオペレータによって調整可能なプログラムを規定するパラメータセットなど、プロセッサによる出力制御に影響を及ぼす様々なパラメータ１５を記憶することができる。

制御ユニット装置は、ユーザインタフェース（ＵＩ）１６を含み得る。ユーザインタフェースは、例えば、ディスプレイ、キーボード、タッチスクリーンのうちの少なくとも１つを含むことができる。制御ユニットは、少なくとも部分的にユーザ入力に基づいて出力密度を制御するように、例えば、ワークに関するユーザ入力に基づいて出力密度の関係を適合させるように構成することができる。制御ユニット１０はまた、レーザ切断動作の進行を監視するセンサおよび／または加工中のワークの特性を検出するセンサなどの、１つまたは複数のセンサ１７に接続することもできる。制御ユニット１０は、少なくとも１つのセルラ規格または非セルラ規格に従って情報を送受信するように構成された送信機および受信機などの、他のユニットも備えることができる。

第１の態様によれば、第１の出力レーザビームまたはセンタービーム１の出力密度と、第２の出力レーザビームまたはリングビーム２の出力密度と、の関係は、切断するワークの厚さに応じて決まる。

いくつかの実施形態によれば、第１のワークが第２のワークよりも薄い場合、第２のワークよりも第１のワークにおいて、センタービーム１の出力密度がリングビーム２の出力密度に対してより高い割合で制御される。換言すれば、より薄い材料を切断するには、センタービーム１について比較的多くの出力が制御され、一方、より厚い材料に対しては、リングビーム２について比較的多くの出力が制御される。

本開示の特徴を適用し、様々な厚さのワークに対して適切な出力密度およびセンタービームとリングビームとの関係を適用することによって達成可能な様々な利点がある。１つの利点は、切断品質を向上させることができることである。形状およびビーム断面積の違いに起因して、マルチコア光ファイバの内側コアによって提供されるセンタービーム１は、リングビーム２よりも質が良好なビームを生成することができ、したがって薄い材料やワークを切断したり、厚い材料を切断する際に孔を開けたりするための、非常に良質の切断表面を提供するように制御することができる。より厚い材料の場合、リングビームによって生成されるビームの品質が幾分低いという欠点は、外側コアのリング状の強度分布による加工速度と切断面の清浄度との組み合わせによって打ち消される可能性がある。内側コアおよび外側コアの出力強度は、制御ユニット１０によって個別に調整することができ、また、ワークの現時点における厚さおよび可能な場合には切断動作に関連する一連の他のパラメータに従って、発生レーザ源の出力を調整することによって調整することができる。

したがって、リングビーム２の出力密度は、ワークの厚さの増加に応じて、センタービーム１の出力密度よりも増加するように制御され得る。リングビーム２の使用は、切断されるより厚い材料の端部領域において良好な吸収を可能にし、端部における良好な切断品質を促進する。

制御ユニット１０は、ワークの厚さに応じて、ならびに特定の出力密度およびセンタービームとリングビームとの関係によって、ワークを穿孔するように構成され得る。いくつかの実施形態において、センタービーム１およびリングビーム２はいずれも、穿孔するように制御される。穿孔後、制御ユニットは、切断動作のための適切な出力密度およびセンタービームとリングビームとの関係を制御することができる。

制御ユニット１０は、ワークの厚さが、リングレーザビームをオフにするための所定の厚さ制限値を下回っていることに応じて、リングビームをオフにするように構成されていてもよい。いくつかの実施形態において、制限値は、４〜８ミリメートルの範囲から選択され、一実施形態においては６ｍｍである。

切断する材料に応じて、異なる出力密度およびセンタービーム１とリングビーム２との関係を制御することができる。センタービーム１の出力密度とリングビーム２の出力密度との関係を制御する上述の実施形態では、良好な結果で試験された。例えば、銅については、ワークが１０ｍｍ以上であるときに、リングビームの出力密度とセンタービームの出力密度との関係を３：１に制御することによって、本開示の構成によって優れた切断品質が達成され得ることが確認された。

異なるワーク厚に対する出力密度およびセンタービーム１とリングビーム２との出力密度関係の制御に影響を与え得る他の切断パラメータもあるが、例えば、センタービームおよびリングビームの切断速度と直径である。そのような他のパラメータは、現在開示されている出力制御パラメータと一緒に、かつそれに関連して制御することができる。

図３は、切断動作の進行方向２３，２４，２６に変化点２２，２５を含む、切断動作を示す。ワーク２１は、一般にワークにおける加工／切断作用の進行方向の変化を参照しながら、切断動作の進行方向２３，２４，２６における変化を含む、所定の加工プロファイルに従って切断されている。

第２の態様によれば、制御ユニット１０は、加工方向２３，２４，２６の変化点（転換点とも呼ばれる）２２，２５への接近に応じて、センタービーム１および／またはリングビーム２の出力密度を適合させるように構成されている。ワークに対するレーザヘッドの動きが遅くなるのに関連して、センタービーム１および／またはリングビーム２における出力密度を低減させるように制御することができる。同様に、転換点２２，２５の後は、該転換点へ接近する前のようにレーザヘッド２０が切断の進行に戻ると出力密度が回復する。

制御ユニット１０は、変化点への接近に応じて、リングビーム１および／またはセンタービーム２の出力密度を所定の期間低減させることができる。他の実施形態では、出力制御は、加工プロファイルに関する現在の切断位置、すなわち加工プロファイルに関してどの位置でレーザヘッド２０がワークを切断しているかということに基づいて、かつ／あるいはワークに対するレーザヘッドの現在の速度に基づいて制御される。これにより、レーザヘッドが減速したり、一時的に停止したりする転向点でも、高品質の切断面を維持することができる。

いくつかの実施形態において、リングビーム２の出力密度を、転向点２２，２５への接近に応じて低減させることができる。いくつかの実施形態において、制御ユニット１０は、転向点でセンタービーム１をオフにし、当該変化点の後にセンタービーム１をオンにすることができる。

制御ユニット１０は、転向点２２，２５に近づくときに、出力密度を徐々に低減させることができる。同様に、出力密度を、転向点の後に徐々に回復させることができる。出力密度は、加工ヘッド２０の速度の増減とともに線形的に増減してもよい。

いくつかの実施形態において、制御ユニット１０は、出力密度制御に加えて、あるいは出力密度制御の代わりに、切断動作における不一致点の周囲で複合レーザビーム１，２に影響を与える他の制御動作ももたらすように構成される。一実施形態では、制御ユニット１０は、変化点２２に接近しているとき、および／または、ワーク幅の変化に応じて、センタービーム１および／またはリングビーム２の変調を制御するように構成される。例えば、制御ユニット１０は、変化点に近づくと変調をオンにすることができる。転向点の後で直接切断を継続する場合には、転向点の前の変調に関する状態またはパラメータを制御することができる。

加工方向の変更に関連するこの出力制御機能は、転換点の前に減速してから再び加速するレーザヘッドの、品質劣化への影響を補うことができる。

本開示の実施形態の少なくともいくつかは、穿孔および連続切断の用途に適用することができる。連続切断の場合、レーザ加工ヘッドの移動方向におけるリングビーム２の前縁が、第１の強度ピークをもたらし、リングビームの後縁が、第２の強度ピークをもたらす。したがって、要素は段階的に加熱されるので、後縁および前縁の強度レベルを単一のセンタービームまたはスポットビームと比較してより低くしながらも、十分な作用をもたらすことができる。前縁は、予熱することに加えて、汚染物質を除去することも可能にし得る。これにより、急激な温度変化を回避し、その後の焼き戻し、したがって急激な温度変化によってもたらされる脆弱な領域を回避すること、あるいは少なくとも減少させることができる。連続切断におけるリングビームの使用は、スパッタを回避するのにも有利である。

センタービーム１およびリングビーム２のハイブリッドは、元のレーザ装置からのレーザビームを組み合せてマルチコア光ファイバ内のファイバに供給することによって生成することができ、そこから、センタービーム１およびリングビーム２を有する複合レーザビームをワークに向けることができる。第１の光供給ファイバをマルチコア光ファイバの第１のコアと位置合わせし、第２の光供給ファイバをマルチコア光ファイバの第２のコアと位置合わせすることができる。マルチコア光ファイバの第１のコアは、円形の断面を有し、第２のコアは、第１のコアと同心の円環形状を有する。いくつかのさらなる例示的実施形態を以下に説明する。

いくつかの実施形態において、キーホールレーザ切断は、熱伝導切断と組み合わせて適用され、動的に適応可能なセンターおよびリングレーザビームプロファイルを提供する。熱伝導切断は、典型的には、材料厚が約２ｍｍまでの金属シートの切断に適用可能である。伝導切断が可能なダイオードレーザによって加工された金属シートは、比較的浅いが広い金属スポットに影響を与える。典型的には、この種のダイオードレーザは、２ｋＷの定格電力と、０．１ＭＷ／ｃｍ^２をはるかに下回る出力密度と、を有する。典型的なキーホールパターンは、ファイバレーザなどの高輝度レーザによってもたらされる。そのようなレーザでどの程度の厚さの金属シートを切断できるかについての実際的な制限はないが、それは、レーザビーム強度および加工速度、すなわちレーザビームが金属表面を横切って移動する速度に依存することは勿論である。ファイバレーザは、１〜１０ｋＷまたはそれを超える出力定格と、数ＭＷ／ｃｍ^２の出力強度を有し得る。キーホールの直径は、１ミリメートル未満の範囲とすることができ、例えば０．１ミリメートルであり、スポットの直径は、数ミリメートルの範囲とすることができ、例えば８ミリメートルである。純粋なキーホール切断と、円形および円環状のレーザビームによるハイブリッド切断の適用とを比較すると、ハイブリッド切断の貫通は、同じ加工速度を用いた純粋なキーホール切断のそれよりも少なくとも２０％深いことが分かった。

図４は、センタービームおよびリングビームの独立した出力制御を可能にし、上述の出力制御機能のうちの少なくともいくつかを適用することができる装置の一実施形態を示す。高輝度ファイバレーザ３０は、レーザビーム結合器３４への光ファイバ３２に接続されている。同様に、１つまたはいくつかの個体レーザまたはダイオードレーザ３１は、ビーム結合器３４への光ファイバ３３に接続されている。一般に、当該技術分野では、単一のレーザビーム結合器が知られている。この場合、結合器のタスクは、すべての入射レーザビームがデュアルコア光ファイバ３５に結合され得るように、それらの入射レーザビームを配置することである。したがって、２つのレーザビームが単一のデュアルコア光ファイバ３５内を伝播する結果、レーザのハイブリッド性が得られる。ファイバ３５の内側の２つのレーザビームは、通常は異なる輝度および強度プロファイルを有し、さらに異なる波長を有することさえある。さらに、２つのレーザビームの出力レベルは、ファイバレーザ３０および固体レーザもしくはダイオードレーザ３１からのパワーレベルを調整することにより、独立してかつ連続的に制御することができる。

十分な輝度のビームを達成するために、高輝度ファイバレーザ３０は、ダイオード励起の１つまたは複数のファイバレーザ発振器または主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）モジュールで構成され、各々は、例えば、ファイバ共振器に結合されたファイバ結合ダイオードレーザから構成されていてもよい。高輝度レーザのさらなる例としては、ファイバ結合薄型ディスクレーザまたはＮｄ−ＹＡＧレーザがあり、これらはダイオードレーザからの光で励起される。現代のレーザ技術は、多くの活性な固体の光増幅材料が絶縁体であるため、エネルギー伝達媒体として光に依存していることが多い。ダイオードレーザは、その高い効率と狭い光スペクトルのため、以前使用されていたフラッシュランプに取って代わった。

レーザ３１は、典型的には、ダイオードレーザによって励起される固体レーザ共振器、例えば薄型ディスクレーザ共振器（図示せず）も備えるファイバ結合レーザである。デュアルコア光ファイバ３５は、図６ａに示すように、その中心コアでファイバレーザ３０からのレーザビームを伝送し、中心コアから少し離れた、中心コアの周囲に円環状に配置された外側コアで、１つまたは複数の第２レーザ共振器３１によって生成されたレーザビームを伝送する。明らかに、本発明の実施形態では、第１レーザおよび第２レーザはいずれも、各々が独立して制御可能な出力レベルを有するファイバレーザであってもよい。いくつかのレーザは、構造上のファイバレーザであり、本質的に光を光ファイバに供給し、その他のレーザは、レーザビームが出力ファイバのコアと位置合わせされるように、ファイバと光学的にインタフェースする必要がある。このように、レーザ３０および３１は、いくつかの実施形態では、いずれもファイバレーザとすることができ、その他の実施形態では、ファイバおよび固体レーザもしくはダイオードレーザの組み合わせ、またはどちらもダイオードレーザとすることができる。レーザ装置の目的および個々のレーザモジュールの出力定格により、どの種類のレーザをビーム結合器３４に接続することが可能であるかが決定される。

デュアルコア光ファイバの反対側の端部には、レーザ加工ヘッド２０が接続されており、これは、結合または複合レーザビーム１，２をワーク２１へと導く。レーザ加工ヘッド２０は、一般にコリメートレンズおよび集束レンズ（図示せず）を備え、ファイバ３５の端部から現れる強度プロファイルの像を、レンズの焦点距離によって決められた所望の大きさでワーク２１に生成する。レーザヘッド２０のタスクは、切断ラインに加圧ガス噴射を提供することでもある。加圧ガスもまた、飛び散る溶融金属からレーザヘッド２０内の光学素子を保護し、溶融金属を切断ラインから取り除いてラインをきれいに保つのを助ける。一実施形態では、酸素アシストガスは、少なくとも切断進行転向点に関連して適用され、追加の出力を提供し、これらの点における切断縁部の品質をさらに改善することを可能にする。

本発明の一実施形態において、装置は、制御ユニット１０を備える。制御ユニットは、レーザユニット３０または３１のうちの１つに一体化することもできる。あるいは、利便性と信頼性のために、すべてのユニット３０，３１および１０を１つの筐体に配置し、その構造内で相互に一体化させていてもよい。示されているように、制御ユニット１０は、リングビーム２およびセンタービーム１のプロファイルの独立した出力制御を実行し、また、上記の特徴のうちの少なくともいくつかを適用することによって、オンザフライ（on-the-fly）で調整することのできる、動的に調整可能なリング−センタービームを可能にするために使用することができる。制御ユニットは、レーザユニット３０，３１の少なくとも１つの変調を制御するように構成してもよい。好ましくは、２つのレーザビームの変調は、別々に動的に制御することができる。したがって、同じ装置によって非常に多種の切断用途および目的が可能になる。ビームプロファイルは、異なる材料、被覆および／または厚さなどの挑戦的な切断の種類／用途の種々の要求に適合するように、動的に調整することができる。

制御ユニット１０は、レーザヘッド２０のユーザからのフィードバック３６、または例えば光強度センサからの自動フィードバックを受信するように構成することができる。そして、フィードバックまたは入力を使用して、レーザ３０および３１の出力を制御して所定の目標に追従させるか、あるいはワーク２１で見られる、結果として生じる切断に従ってレーザ出力を調整する。制御ユニット１０または他の制御ユニットは、ワークに対するレーザ加工ヘッド２０の動きなど、装置のその他の機能も制御することができる。

本発明によれば、ビーム結合器３４は、溶融シリカ成分で構成されており、光出力は、結合器全体の構造を通して溶融シリカ内に伝搬され、結合器は、入射側および出力側に光ファイバを有する。したがって、本発明では、ビーム結合器３４を全ガラスファイバ結合器と称することができる。

図５は、レーザ加工ヘッドからワーク２１へと向かう複合レーザビーム４０の構造を示している。円環状の外側のリングビーム４２は、レーザ装置３１によって提供されるレーザ出力光を伝送する。これに応じて、内側のセンタービーム４１は、ファイバレーザ装置３０によって提供されるレーザ出力光を伝送し、高まる輝度により、ワーク内にキーホールパターンを生じさせる。ビームの間には、円環状ゾーン４３があるが、これは空電（stray）を提供するだけであって、レーザ放射は全く提供しない。

図６ａは、１次クラッド５４を含む中心コア５１を有する、例示的なデュアルコア光ファイバ５０の断面を示している。外側コア５３は、内側クラッド５４と外側クラッド５５とによって空間的に形成されている。当業者には明らかであるように、クラッドはコアよりも屈折率の低い材料であると定義される。例えば、中心コア５１の直径は７０μｍとすることができ、外側コア５３の内径および外径はそれぞれ１００μｍおよび１８０μｍとすることができる。中心コア５１および周囲コア５３は、上述の形状以外のものであってもよい。中心コア５１は、例えば、正方形または長方形とすることができる。周囲コア５３は、長方形の境界を有していてもよく、あるいは線形または円形の複数のセグメントで構成されていてもよい。

破線は、ビーム結合器からの融着された供給ファイバ５６および５７（図７では、ファイバ７２および７１）の端部のコアが、デュアルコア光ファイバ５０の断面とどのように位置合わせされているのかを示している。

デュアルコア光ファイバ５０の中心コア５１でのレーザ放射は、中心の、狭い空間的強度プロファイルを有し、その一方で、外側コア５３の強度分布はドーナツ形である。この空間的強度パターンは、レーザヘッド２０内の処理光学系によってワーク上にさらに結像される。この構成のため、レーザビームのビーム品質は、中心コアと外側コアのいずれにおいても比較的高い。

ここで図６ｂを参照すると、光学デュアルコアファイバ５０の例示的な屈折率プロファイルが示されている。コア５１および５３は、屈折率ｎ_５１およびｎ_５３を有し、これらは包囲材料５４および５５の屈折率ｎ_５４およびｎ_５５よりもそれぞれ高い。このようにして、レーザビームは、円環状の強度プロファイルにおける劣化、ならびに各コアにおける光出力および強度の減衰が可能な限り少ない状態でワークへ導かれる（図５参照）。

溶融シリカの屈折率は、これに不純物をドープすることによって調整することができる。溶融シリカにゲルマニウムをドープすると屈折率は増加し、フッ素をドープすると屈折率は低減する。したがって、コア５１および５３は、例えば、ゲルマニウムがドープされているか、あるいはドープされていない溶融シリカで製造されていてもよく、また、それらの１次クラッド５４および５５は、フッ素がドープされた溶融シリカで製造されていてもよい。

図７は、ファイバ結合器３４の主要な光学部品７０を示している。これは、溶融シリカガラス管７７からなる本体部と、少なくとも２つのレーザ装置からの光供給ファイバ７１および７２（例えば、装置３０および３１からのファイバ３２および３３）によって伝送されたレーザビーム（図示せず）を受光する入力端７６と、を有する多孔毛細管である。これは、反対側に、同じ方向に相互に位置合わせされた少なくとも２つのレーザビームからなる、複合出力レーザビームを送る出力端７４も有する。

入力端７６に入る光供給ファイバ７１，７２は、本体部の毛細管の孔を通って出力端７４へと延び、ガラス管７７と融着されて、導光コア７１ａ，７２ａおよび包囲ガラス材料からなる構成部品を形成する。コアは、コアの周りの包囲ガラス材料よりも高い屈折率を有し、全内部反射により、構成部品全体を通るコア内への光パワーの伝搬を提供する。

ファイバ結合器の原理を説明するために、コアの寸法と構成部品７０の寸法は正確な縮尺ではなく、また、明確にするために２つのコアだけを破線で示している。

光学部品７０は、例えばドローイングによって製造することができる。この例では、中心に、ファイバ７２用の直径が約３００μｍであるより大きい孔を設け、この中心孔７２の周りに、ファイバ７１用のより小さな４つの孔を対称的に設けることができる。より小さい孔の直径は、例えば、約１５０μｍとすることができる。毛細管の外径は、１ｍｍとすることができる。管の材料は、例えば、溶融シリカとすることができる。バルクガラスの外側クラッド（図示せず）が少なくとも部分的にエッチング除去されていることが好ましいファイバは、中央の孔に挿入され、毛細管の先細りの胴部７３まで押し込まれる。ファイバが所定の位置にくると、毛細管７０は胴部７３で加熱されてファイバを管に融着し、第１の中央導光コア７２ａおよび第２の導光コア７１ａを形成する。これらはすべて光学部品７０を貫通して延びている。

ファイバ７１，７２は、代替として、純粋な溶融シリカの内側コアと、フッ素がドープされたシリカの外側クラッドと、を有していてもよい。このようにして、光学部品７０の溶融シリカガラス管７７は、純粋な溶融シリカから製造することができるが、これは、ファイバの導光コアが、屈折率が低い材料によって本質的に包囲されているからである。これは、たとえ毛細管の屈折率がファイバコアの屈折率と同じであっても、光がコア７１ａ，７２ａ内に留まることを意味する。この場合、バルクガラスの外側ファイバクラッドを、フッ素（Ｆ）ドープされたクラッドまでエッチング除去してもよいし、あるいは、フッ素（Ｆ）ドープされたクラッドが純水なまたはゲルマニウム（Ｇｅ）ドープされた内側ファイバコアの周りに残っている限り、さらにエッチング除去してもよい。

つぎに、（破線で示す）融着コア７１ａ，７２ａおよび管７０を切除または劈開し、端面７４を形成する。そして、図４に示すようなデュアルコアファイバ３５を端面７４で毛細管に溶接し、シーム７５を得ることができる。

好ましい実施形態では、第１の光供給ファイバ７２の中心が部品７０の中心と位置合わせされており、例えば４つの第２の光供給ファイバ７１の中心が、第１の中心導光コア７２ａから所定の距離Ｒで、出力端７４に出力ビームを提供するように配置されている。
第２の光供給ファイバの数は、限定しないが、４つの代わりに、例えば、８、１６、または３２であることを理解されたい。第２の導光コア７１ａは、互いの間に９０°の角度距離を有する出力ビームを提供するために、中心コア７２ａに対して対称的に配置されていることが好ましい。

本明細書に開示されるレーザ切断方法および装置は、多種多様な用途に適用することができる。厚さなどの様々な特性を有する材料のレーザ切断材料、および／または変化する多形切断動作のために、優れた切断面品質を達成する必要がある用途において、特別な利点が達成される。単一の切断装置をこれらの様々な特性／要件に使用することができ、それに応じて最適な切断ビームプロファイルに即座に適応することが可能になる。いくつかの実施形態として、本システムは、自動車産業における切断のニーズに対して特に有利であり得る。

開示される本発明の実施形態は、本明細書に開示される特定の構造、工程ステップまたは材料に限定されず、当業者によって認識されるその均等物に拡張されると理解されよう。また、本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を説明する目的にのみ使用され、限定することを意図するものではないと理解されたい。

本明細書を通して、「一実施形態（one embodiment）」または「実施形態（an embodiment）」は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体において様々な個所に記載される「一実施形態において」または「実施形態において」というフレーズは、必ずしもすべてが同じ実施形態のことを言及しているわけではない。

本発明の種々の実施形態および実施例は、その種々の構成部品の代替例とともに言及されてもよい。そのような実施形態、実施例、および代替例は、事実上互いに等価なものとして理解されてはならず、本発明の独立的かつ自律的な表現とみなされるべきであると理解されよう。

さらに、説明した特徴、構造、または特性は、任意の適切な方法によって１つまたは複数の実施形態に組み合わせることができる。本明細書では、長さ、幅、形状の例など、多数の特定の詳細を提供することにより、本発明における実施形態の完全な理解を提供した。しかしながら、当業者であれば、１つまたは複数の特定の詳細がなくても実施できること、あるいは他の方法、構成部品、材料などとともに実施できることが理解されよう。他の例では、実施形態の説明を不明瞭にするのを避けるため、周知の構造、材料、または動作の詳細は図示していない。

上述の実施例は、本発明の原理を１つまたは複数の特定の用途において説明したものであるが、当業者にとって、発明的の能力を行使することなく、また発明の原理および概念から逸脱することなく、実施の形態、使用方法および実施の詳細において多くの修正を行うことができることは明らかであろう。したがって、本発明は、以下に記載する請求項以外のもので限定されることは意図されていない。

Claims (25)

1. レーザ加工装置であって、
   −各々の第１のレーザ装置（３０）が第１のレーザビームを供給するための少なくとも１つの第１の光供給ファイバ（３２）を有する、少なくとも１つの前記第１のレーザ装置（３０）と、
   −各々の第２のレーザ装置（３１）が第２のレーザビームを供給するための少なくとも１つの第２の光供給ファイバ（３３）を有する、少なくとも１つの前記１つの第２のレーザ装置（３１）と、
   −前記第１および第２の光供給ファイバ、ならびにマルチコア光ファイバ（３５，５０）に接続された、ビーム結合手段（３４）であって、前記マルチコア光ファイバの中心に位置する円形の断面を有する第１のコア（５１）および前記第１のコアに同心の円環形状を有する第２のコア（５３）を有する前記マルチコア光ファイバにおいて、前記第１の光供給ファイバの中心が、前記第１のコアに位置合わせされ、かつ、前記第２の光供給ファイバの中心が環状の第２のコアの内径と外径との間に位置合わせされ、かつ、前記第１および第２の光供給ファイバの端の各々が、ガラス管内で溶着され、前記ガラス管が、前記マルチコア光ファイバに溶着されることによって、複合レーザビームを形成するようになっており、前記ビーム結合手段は、ガラスからなり、光パワーは、ビーム結合手段構造全体を通ってガラスの内部を伝搬する、前記ビーム結合手段と、
   −前記第１および第２のコアと接続可能なレーザ加工ヘッド（２０）であって、第１および第２の出力レーザビーム（１，２）を含む複合レーザビーム（４０）を、切断するワーク（２１）に向け、前記第２の出力レーザビームは、前記ワークにて前記第１のレーザ出力ビームに同心の円環形状を有する、レーザ加工ヘッド（２０）と、
   −前記第１および第２のレーザ装置（３０，３１）に機能的に接続され、前記第１および第２のレーザ装置の出力レベルを個別に制御して、前記レーザ加工ヘッドの前記ワークに対する速度に応じて前記第１および第２の出力レーザビームの両方における出力密度を、前記第１の出力レーザビームの前記出力密度が、前記第２の出力レーザビームの前記出力密度よりも高い又は低い状態のいずれかに制御する、制御ユニット（１０）と、を備える、レーザ加工装置。
2. 前記装置は、切断動作の進行方向における少なくとも１つの変化を含む、所定の加工プロファイルに従って前記ワークを加工するように構成されており、前記制御ユニットは、前記加工プロファイルに対する現在の切断位置に基づいて、前記第１および第２の出力レーザビーム（１，２）の少なくとも一方の前記出力密度を適合させるように構成されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記制御ユニットは、切断進行方向における変化点（２２）への接近に応じて、前記第１の出力レーザビーム（１）の前記出力密度を低減するように構成されている、請求項２に記載の装置。
4. 前記制御ユニットは、切断進行方向における変化点（２２）への接近時に、前記第１の出力レーザビームの前記出力密度を徐々に低減するように構成されている、請求項２に記載の装置。
5. 前記制御ユニットは、前記レーザ加工ヘッドの切断進行方向における変化点への接近に応じて前記第１の出力レーザビーム（１）をオフにし、前記変化点の後に前記第１の出力レーザビーム（１）をオンにするように構成されている、請求項２に記載の装置。
6. 前記制御ユニットは、切断進行方向における変化点（２２）への接近時に、および／または、前記ワークの厚さの変化に応じて、前記第１および第２の出力レーザビーム（１，２）の少なくとも一方の変調を変更するように構成されている、請求項２に記載の装置。
7. 前記制御ユニットは、前記第１の出力レーザビームおよび前記第２の出力レーザビームの両方によって、前記ワークを穿孔するように構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記制御ユニットは、環状のレーザビームをオフにするための所定の厚さ制限値を下回る前記ワークの厚さに応じて、前記第２の出力レーザビーム（２）をオフにするように構成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記制限値が４〜８ミリメートルの範囲である、請求項８に記載の装置。
10. 前記制御ユニットは、前記第２の出力レーザビームの出力密度が前記第１の出力レーザビームの出力密度の３倍になるように、前記第１および／または前記第２のレーザ装置（３０，３１）を制御するように構成されている、請求項１に記載の装置。
11. 前記制御ユニットは、前記第１のレーザ装置及び第２のレーザ装置の少なくとも一方の光パルスのパルス幅および／または周波数を変更して、前記第１および第２の出力レーザビームの少なくとも一方の前記出力密度を制御するように構成されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記制御ユニットは、前記ワーク（２１）に関するユーザ入力に少なくとも部分的に基づいて、前記第１の出力レーザビームおよび前記第２の出力レーザビームのいずれかまたは両方の前記出力密度の関係を制御するように構成されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記ワークの厚さを感知するためのセンサ（１７）が前記制御ユニットに接続されており、前記制御ユニットは、前記ワーク（２１）の厚さを示す受信したセンサ出力に基づいて、前記第１および第２の出力レーザビームの前記出力密度の関係を適合させるように構成されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記少なくとも１つの第１のレーザ装置（３０）がファイバレーザである、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
15. ワークをレーザビームで切断する方法であって、
    −少なくとも１つの第１のレーザ装置（３０）に接続された少なくとも１つの第１の光供給ファイバ（３２）から、少なくとも１つの第１のレーザビームを供給するステップと、
    −少なくとも１つの第２のレーザ装置（３１）に接続された少なくとも１つの第２の光供給ファイバ（３３）から、少なくとも１つの第２のレーザビームを供給するステップと、
    −マルチコア光ファイバ内の前記第１および第２のレーザビームをビーム結合手段によって結合するステップであって、前記マルチコア光ファイバは、前記マルチコア光ファイバの中心に位置する円形の断面を有する第１のコア（５１）および前記第１のコアに同心の円環形状を有する第２のコア（５３）を有し、前記第１の光供給ファイバの中心が、前記第１のコアに位置合わせされ、かつ、前記第２の光供給ファイバの中心が環状の第２のコアの内径と外径との間に位置合わせされ、かつ、前記第１および第２の光供給ファイバの端の各々が、ガラス管内で溶着され、前記ガラス管が、前記マルチコア光ファイバに溶着され、前記ビーム結合手段は、ガラスからなり、光パワーは、ビーム結合手段構造全体を通ってガラスの内部を伝搬する、ステップと、
    −前記マルチコア光ファイバ（１２，５０）からの第１および第２の出力レーザビーム（１，２）を含む複合レーザビームを、切断するワーク（２１）に向けるステップであって、前記第２の出力レーザビームは、前記ワークにて前記第１のレーザ出力ビームに同心の円環形状を有する、ステップと、
    −制御ユニット（１０）によって、前記第１および第２のレーザ装置の出力レベルを制御して、前記複合ビームが前記ワークに対して移動する速度に応じて前記第１および第２の出力レーザビームの両方における出力密度を、前記第１の出力レーザビームの前記出力密度が、前記第２の出力レーザビームの前記出力密度よりも高い又は低い状態のいずれかに制御する、ステップと、を含む、方法。
16. 前記ワーク（２１）を、切断動作の進行方向における少なくとも１つの変化を含む、所定の加工プロファイルに従って加工し、前記加工プロファイルに対する現在の切断位置に基づいて、前記第１および第２の出力レーザビーム（１，２）の少なくとも一方の前記出力密度を適合させる、請求項１５に記載の方法。
17. 切断進行方向における変化点（２２）への接近に応じて、前記第１の出力レーザビーム（１）の前記出力密度を低減する、請求項１６に記載の方法。
18. 切断進行方向における変化点（２２）への接近時に、前記第１の出力レーザビームの前記出力密度を徐々に低減する、請求項１６に記載の方法。
19. レーザ加工ヘッドの切断進行方向における変化点（２２）への接近に応じて前記第１の出力レーザビーム（１）をオフにし、前記変化点の後に前記第１の出力レーザビームをオンにする、請求項１６に記載の方法。
20. 切断進行方向における変化点への接近に応じて、および／または、前記ワークの厚さの変化に応じて、前記第１および第２の出力レーザビーム（１，２）の少なくとも一方の変調を変更する、請求項１６に記載の方法。
21. 前記第１の出力レーザビームおよび前記第２の出力レーザビーム（１，２）の両方によって前記ワークを穿孔する、請求項１５に記載の方法。
22. 環状レーザビームをオフにするための所定の厚さ制限値を下回る前記ワーク（２１）の厚さに応じて、前記第２のレーザビーム（２）をオフにする、請求項１５に記載の方法。
23. 前記制限値が４〜８ミリメートルの範囲である、請求項２２に記載の方法。
24. 前記第２の出力レーザビームの出力密度が前記第１の出力レーザビームの出力密度の３倍になるように、前記第１および第２のレーザ装置を制御する、請求項２２または２３に記載の方法。
25. 前記第１のレーザ装置および前記第２のレーザ装置の少なくとも一方の光パルスのパルス幅および／または周波数を変更して、前記第１および第２の出力レーザビームの少なくとも一方の前記出力密度を制御する、請求項１５〜２４のいずれか一項に記載の方法。

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