JPH03180286A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は固体レーザ装置の出射レーザビームを集光した
照射スポットで対象を掃引して加工するレーザ加工方法
に関する。

〔従来の技術〕

周知のようにＹＡＧ等の光学結晶をレーザ媒質に用いる
固体レーザ装置はガスレーザに比べて構造が簡単で取り
扱いが便利な利点があり、しかも最近では励起ランプや
水冷構造の進歩により小形の装置で種々な加工に適する
数百Ｗ程度の大出力パルス発振が可能である。

従来から、かかる加工用の固体レーザ装置ではレーザ媒
質として光学結晶の円形断面のロッドを用い、キセノン
ランプやクリプトンランプの励起光源とともに内面を鏡
面仕上げした密閉容器内に収納して、強力な水冷下でパ
ルス発振またはＱスイッチを用いて準連続発振させる。

レーザ加工に際しては、この大出力固体レーザ装置から
のレーザビームをレンズ等の手段で集光してふつうは１
０宜〜１０’　Ｗ／ｃ−の範囲の高電力密度の照射スポ
ットを作り、溶接、熱処理、切断等の加工内容に応して
通常は１〜１００　ｍ／ｓｅｃ程度の掃引速度でこの照
射スポットで対象を掃引することにより加工を行なう。

また、加工用に適する大出力レーザとしていわゆるスラ
ブ形固体レーザ装置が知られている。これはレーザ媒質
に偏平な板状の光学結晶を用い、よく知られているよう
にレーザ媒質内でレーザ光をその１対の板面間で全反射
させながらジグザグ状に進行させる共振状態でレーザ発
振させるものであるが、これから取り出されるレーザビ
ームがレーザ媒質と同し偏平断面でそのままでは力Ｕ工
上あまり使い勝手がよくないので、ふつうシリンドリカ
ルレンズ等の手段でほぼ正方形断面にした後に集光して
加工用の照射スポットを作る。このように固体レーザ装
置と照射スポットの作り方は異なるが、加工方法は従来
からロッド形固体レーザ装置を用いる場合と同様である
。

（発明が解決しようとする課題） 上述のロッド形固体レーザ装置を用いる加工方法では、
レーザビームを集光した照射スポットが円形になるので
、従来から加工に若干の不均一性が発生しやすい問題が
ある。以下、これを第５図を参照して説明する。

第５図（ａｌは、例えば突き合わせ溶接加工のため固体
レーザ装置をパルス発振させ、レーザビームを集光した
円形の照射スボッｌ−５Ｐを溶接線に沿い図の方向ＳＤ
に掃引する状態を示す、この際の掃引速度はパルス発振
周波数に応じて、隣合う照射スポットＳＰが図のハツチ
ングのように重なり合うよう設定される０重なり合いが
過少であると溶接欠陥が発生するので、重なりの割合は
かなり多めに取られるが、それでも溶接線に細かな凹凸
等の不均一性が出やすく、この不均一性が認められなく
なるまで掃引速度を落とすと溶接速度が大幅に低下して
しまう。

第５図（ｂ）は焼き入れ等の熱処理のためにレーザ装置
を連続発振させ、円形の照射スポットＳＰで熱処理面上
を方向ＳＯに連続掃引する状態を示す、この場合、図の
右側に示すように照射強度Ｉが必ず照射スポットＳＰの
中心部で高く周縁部で低くなるので熱処理にむらができ
、スポット径を大きくすればむらは改善されるが最大照
射強度を熱処理に必要な限界以下には下げられない。

このため、実際の熱処理加工では図のように範囲を順次
ずらせながら熱処理面を照射スボ７）ＳＰで複数回掃引
するのがふつうであるが、この際にも照射強度Ｉの分布
を均一化するには、掃引範囲を図のハンチングのように
若干重ね合わせる必要がある。ところがこの重ね合わせ
の程度の制御が実際には厄介で、少な過ぎると例えば焼
き入れ硬度に面内むらができ、多過ぎると一旦焼き入れ
た個所がなまってしまう問題がある。

また加工内容が切断のとき、照射スポットＳＰを第５図
（ａ）の場合よりさらに小さくなるようレーザビームを
集光するが、照射スポットが円形なので切断線に細かな
凹凸が出やすいのは同じである。

さらに切断加工にはレーザビーム出力を極力上げるのが
望ましいが、固体レーザ装置を高出力運転するとレーザ
媒質のいわゆる熱レンズ効果によりレーザビームの広が
り角が大きくなって、小さな照射スポットに集光するの
が困難になるので、切断溝の幅が広がりやすく、かつド
ロスの発生が増えて切断面が見苦しくなる問題がある。

スラブ形固体レーザ装置を用いる加工方法では上述の熱
レンズ効果を減少させてレーザビームの広がり角を狭く
できる利点があるが、レーザビームの断面が非常に偏平
なので、多くの加工用には前述のようにシリンドリカル
レンズ等の手段で断面形状を一旦修正した上で集光して
照射スポットを作る必要があるので、照射スポットに集
光する光学手段が複雑になってその調整が容易でない。

また、光学結晶に斜端面を設ける加工が厄介で、かつそ
こがとくに傷つきやすいので、固体レーザ装置が高価に
つきやすく、かつ加工現場での取り扱いがむつかしい問
題がある。さらに、光学結晶のｍ面に設ける熱絶縁の焼
損問題など、本格的な実用化には解決すべき点がまだか
なり残っているのが現状である。

本発明はかかる従来方法の問題点を軽減して、加工の均
一度を改善できるレーザ加工方法を提供することを主目
的とする。さらに、本発明方法の従たる目的は同じ固体
レーザ装置を用いて種々な加工ができるようにすること
にある。

（ｉ！！題を解決するための手段〕 本発明方法によればこの目的は、レーザ媒質に方形断面
をもつ光学結晶を用いて固体レーザ装置をレーザ媒質内
の軸方向共振状態で発振させ、この固体レーザ装置の出
射レーザビームを集光した照射スポットの掃引方向に対
してレーザビームの断面を所定方向に向け、固体レーザ
装置の発振状態に応じた掃引速度で照射スポットにより
加工対象を掃引することによって遠戚される。

また、同じ固体レーザ装置を用いて種々な加工ができる
ようにする上では、照射スポットへの集光前のレーザビ
ームを所定の形状と面積の断面に絞るアパーチャ手段を
設けるのが有利である。このアパーチャ手段は固体レー
ザ装置の共振系内に組み込むのが望ましく、さらにはそ
のアパーチャの大きさや形状を加工内容に応じて選択で
きるよう取り替え可能に設け、かつ照射スポットの掃引
方向に対するレーザビームの断面の方向を加工条件に応
じて調整できるよう取付角度を調整可能に設けるのが非
常に有利である。

本発明方法用の固体レーザ装置のレーザ媒質に用いる光
学結晶の方形断面は、多くの加工内容に対してその縦横
の比が４までの矩形とするのが有利である。加工が溶接
や切断で照射スポットの照射強度を高める必要がある場
合、このレーザ媒質従ってレーザビームの断面の矩形の
長辺を掃引方向とする断面方向で照射スポットに集光す
るのが加工速度を高める上で有利である。また、加工が
熱処理で照射スポットの照射強度が低くてもよい場合、
レーザビームの矩形断面の短辺を照射スポットの掃引方
向にして集光するのが広い面積内に熱処理を施す上で有
利である。

この固体レーザ装置の発振状態はもちろん加工内容に応
じて選択される１例えば加工内容が溶接や切断の場合、
固体レーザ装置をパルス発振させて、照射スポットによ
りパルス的に順次照射される掃引方向に隣合う２個の範
囲が互いにほぼ接触するか部分的に重なり合うように、
このパルス発振の周波数に応じた照射スポットの掃引速
度でかかる加工を施す。

また、加工内容が熱処理の場合は、固体レーザ装置に通
例のようにＱスイッチ等を組み込んで準連続的に発振さ
せ、レーザビームを集光した比較的大きな照射スポット
でビーム出力に応じた掃引速度で対象を掃引して加熱す
ることにより熱処理加工を施す。

〔作用〕

本発明方法は、従来の加工の不均一性の問題が円形の照
射スポットを用いる点に起因することに着目して、固体
レーザ装置のレーザ媒質に方形断面をもつ光学結晶を用
いてレーザビームを方形断面で取り出し、これを集光し
た方形の照射スポットで対象を掃引、加熱することによ
り、対象内の掃引方向や掃引と直角方向の温度分布を従
来よりも均一化して、加工の均一性を向上させるもので
ある。さらに、本発明ではこの方形断面のレーザ媒質を
用いる固体レーザ装置を通常の軸方向共振状態で発振さ
せて、前述のスラブ形のもつ種々な欠点を除き、固体レ
ーザ装置の実用性を高めがっ加工現場での使い勝手を良
好にする。

本発明方法に用いるレーザ媒質ないしはレーザビームの
断面は矩形とするのが種々の加工内容に対して有利で、
照射スポットに集光すべきこの矩形断面の方向を適宜選
定することにより、例えば照射スポットの矩形の長辺を
掃引方向と合わせた設定状態で均一な溶接を高速で行な
い、あるいはこの長辺を掃引方向と直角方向にした設定
状態で従来よりも大面積内に均一な熱処理を施すことが
可能になる。

レーザビームを照射スポットに集光する前に所定の形状
と面積の断面に絞るアパーチャ手段を用いる本発明の有
利な態様では、照射スポットを加工内容に最も都合のよ
い形状にできることはもちろんであるが、このほか切断
加工等の際にレーザビームの面積を絞ることにより従来
より小さな照射スポットに集光できる。これはレーザ媒
質の断面内の熱レンズ効果従って広がり角が小さい中央
部分のみからレーザビームを取り出せるためで、これを
集光した照射強度が非常に高いスポットで良好な切断加
工を行なうことができる。

〔実施例〕

以下、第１図から第４図までを参照しながら本発明方法
の若干Φ実躯例を説明する。第１図は本発明の第１実施
例を示す斜視図で、この例では刻象１に溶接や熱処理加
工が行なわれる。

固体レーザ装置１０用のレーザ媒質１１は、例えは通常
のＮｄイオンをレーザ活性物質とするＹＡＧ等の光学結
晶から方形断面の柱状体に切り出したもので、断面は数
〜数十閣角、長さは百〜数百鵬とされ、その断面の縦横
の寸法比が１〜４望ましくは２〜３に選ばれ、両端面が
軸方向に対して直角に研磨される。このレーザ媒質１１
とキセノン等のフラッシュランプである励起光源１２は
密閉容器ｌコ内に収納されて純水等の通流により冷却さ
れる。

通例のようにこれらは第２図（ａ）および（９）の断面
に示すように内面が鏡面仕上げされた密閉容器１３の楕
円状半部１３ａと１３ｂの焦点に、あるいは同図（Ｃ。

のように単一楕円状の容器ＩＯの焦点にそれぞれ置かれ
、いずれの場合にも励起光源１２からの励起究がレーザ
媒質１１に集められる。

レーザ媒１１１の両端面は密閉容器１３の端面から外方
に向けて露出され、それらに対向して全反射ミラー１４
と部分反射ミラー１５がそれぞれ配置されてレーザ共振
系をｔ＃Ｉ威する９本発明方法で用いる固体レーザ装２
１０は、励起光Ｌｌ、がスラブ形の場合と異なり常にレ
ーザ媒質１１の軸方向に進行する軸方向共振状態でレー
ザ発振され、レーザ媒質１０と同じ方形断面をもつレー
ザビームＬＢが通例のように部分反射ミラー１５側から
レーザ共振系外に取り出される。このレーザビームＬＢ
はペンドミラー２１によって所望の方向ふつうは垂直方
向に向けられた後、レンズ２０によってその焦点付近に
位置する対象１上の照射スポラ）ＳＰに集光される。

この照射スポットＳＰは集光レンズ２ｏの対象１との距
離を微調整することにより加工内容に応じた大きさに設
定される。また、ふつうはこの照射スポラ）ＳＰに対し
て対象１の方を移動させることにより、対象ｌ上を照射
スポットＳＰで図の掃引方向ＳＤに掃引して所定の加工
を行なう、第３図はこの加工の様子を示すものである。

第３図（ａ）は溶接加工の場合を示し、この際には固体
レーザ装置１０を励起光源１２のパルス状点灯により１
秒あたり数十〜２００パルスの繰り返えし周波数でパル
ス発振させた状態で、方形断面のレーザビームＬＢを１
０’　Ｗ／ｃｊ程度の照射強度に集光して１ｘ２〜４請
程度の小さな矩形の照射スポラ１−３Ｐとし、かつ図示
のように矩形の長辺が掃引方向ＳＤに向くように集光す
る。

この照射スボ・ントＳＰの掃引速度はもちろん固体レー
ザ装置ＩＯのパルス発振の周波数に応して設定されるが
、照射スポット内の照射強度がふつう楕円状分布で矩形
の長辺の両端部で低くなるの！、本発明方法においても
掃引方向に順次隣合う照射スポットが若干型なり合うよ
うにこの掃引速度を設定する。しかし本発明の場合、照
射スポラ）ＳＰが方形なのでこの重なり合いの程度は従
来よりも少なくてよく、スポット面積のふつうは１０％
以下であってよい。かかる掃引速度は照射スポットＳＰ
の長辺の長さによっても異なっ”Ｃ来るが、ふつうは数
十ｍｍ／ｓｅｃの範囲に設定される。

第３図（ａ）を従来の第５図（ａ）と比べればわかるよ
うに、本発明方法では方形の照射スポットを用いるので
加熱のむらが少なく、ビードに凹凸がない良好な溶接が
できる。また、照射スポットの矩形の長辺を掃引方向に
向けることにより、溶接ビードを細め、かつ従来と同じ
レーザ出力で溶接速度を少なくとも２倍に上げることが
できる。

第３図（ｂｌは焼き入れ等の熱処理加工の場合を示す、
この場合には、固体レーザ装置ｌｏを通例の。

スイッチを利用して数に＆以上の高周波発振ないし準連
続発振状態にし、レーザビームを１０”　’ｔ４／ｃ４
程度の照射強度の数〜十数論角の照射スポラ）ＳＰに集
光してふつう　ＬｏｏｍＩｌ／ｓｅｅ以上の高速で掃引
する。この熱処理の場合、本発明による方形の照射スポ
ットを利用して従来より均一な熱処理を施すことができ
、かつ照射スポットを矩形にして長辺を１１引方向と直
角に向けることにより１回の掃引で広い面積に熱処理を
施せる。また、図のような複数回掃引の場合にも、従来
の第５図い）のように掃引範囲を重ね合わせる必要がな
くなる。

第３図（Ｃ）では、同図（ａ）と同様に固体レーザ装置
をパルス発振させるが、方形の照射スボツ）ＳＰの掃引
速度を隣接スポットが重なり合わず互いにほぼ接するよ
うに設定する。この態様は同図（ａ）より低い照射強度
の比較的大なスポットを高速掃引して加工速度を上げた
い場合に適する。

第４図に本発明の第２実施例を示す。この実施例では照
射スポットＳＰに集光すべきレーザビームＬＢを所定の
形状と面積の断面に絞るアパーチャ手段１６が用いられ
る。同図（ａ）のアパーチャ手段１６は例えば数皿程度
の厚みの金属板に円形、方形、楕円形等の適宜な形状の
開口ないしアパーチャ１６ａを設けたものである。かか
るアパーチャ手段１６は固体レーザ装置ｌＯから出力さ
れるレーザビームＬＢ内に挿入してもよいが、図のよう
に固体レーザ装置１０のレーザ共振系内に挿入するのが
望ましい。

容易にわかるように、アパーチャ手段１６を通過するレ
ーザ光のみがレーザ共振に寄与するので、そのアパーチ
ャ１６ａと同じ断面のレーザビームＬＢが固体レーザ装
置１０から出力される。

このアパーチャ手段１６は、種々な加工内容に適する形
状と面積のアパーチャ１６ａを選択できるよう取り換え
可能とし、かつアパーチャ１６ａの形状が矩形や楕円形
の場合に照射スポットに集光するレーザビームＬＢの断
面の方向を選択できるよう、図で矢印Ｒで示すようにそ
の角度を調整可能にして置くのが望ましい、なお、これ
により断面が制約されたレーザビームＬＢをペンドミラ
ー２１やレンズ２０により対象１上の照射スポットＳＰ
に集光する要領は第１実施例と同しである。

この第２実施例は、アパーチャ１６ａの形状の選択と角
度の調整とにより、レーザ媒質１１の断面に制約されず
に加工内容に最適な形状と方向をもつ照射スポットＳＰ
を容易に作れる利点を有するが、この実施例のもう一つ
の重要な利点は切断加工等に際して照射スポットＳＰを
従来より格段に小さく絞れる点にある。これはアパーチ
ャ１６ａの大きさをレーザ媒質１１の断面よりも若干小
さくすることにより、レーザビームＬＢの広がり角を従
来よりも小さくできるからである。

第４図（ｂ）と（Ｃ）はこの説明用である。同図し）の
ようにレーザ媒１ｒ１１の断面の寸法がＸとｙの方向に
それぞれ２１ｘと２１ｙであるとすると、レーザ媒質ｌ
ｌ内のいわゆる熱レンズ効果によってレーザビームＬＢ
の広がり角θは同図（Ｃ）のようになる０図示のように
広がり角θはレーザ媒質１１の中心で最小でこの中心か
ら離れるに従って大きくなるが、この例ではｌｘの方が
ｚｙよりも大きく、Ｘ方向の広がり角θＸの方がＸ方向
の広がり角θｙよりもかなり大きくなる。

かかる広がり角はレンズ２０等の光学系によってもちろ
ん補正されず、それにより集光される照射スポットＳＰ
の径はレーザビームＬＢの断面内の最大広がり角に応じ
て大きくなる。この実施例におけるアパーチャ１６ａに
よりレーザビームを絞ると、最大広がり角はもちろん小
さくなるが、いま簡単化のためアパーチャを円形とする
とθＸ＝θｙ＝θとなり、照射スポットＳＰの径ｄはレ
ンズ２０の焦点距離をｒとして次式で表せる。

ｄ−ｆ・θ 従って、この実施例のアパーチャ１６ａにより広がり角
θを小さくして照射スポットの径ｄを絞ることができる
。しかし、アパーチャ１６ａの大きさをあまり小さくす
ると、レーザビームＬＢの出力が低下して来るし、広が
り角θも第４図（Ｃ）かられかるようにあまり減少しな
くなるから、その大きさ例えば図の径２「にはレーザ媒
質１１の断面の狭い方の寸法２１ｙよりも小な範囲で切
断等の加工内容やその対象の材料に対して最適な値があ
り、実際には実験によってこのアパーチャ１６ａの最適
な大きさが決められる。このアパーチャの大きさが最適
化された条件では、アパーチャなしの場合と比べて照射
スポットの大きさは半分以下になり、照射強度も数倍に
向上される。

この第２実施例において、アパーチャ１６ａの大きさを
最適化してよく絞られた照射スポットＳＰで対象１を掃
引して切断加工を行なうことにより、従来より切断線が
細くて切断面に凹凸のない高品質の切断加工ができ、か
つ従来切断不能であった材料の切断も可能になる。

〔発明の効果〕

以上述べたとおり本発明方法では、レーザ媒質に方形断
面をもつ光学結晶を用いて固体レーザ装置をレーザ媒質
内の軸方向共振状態で発振させ、この固体レーザ装置か
ら出射されるレーザビームの断面を照射スポットの掃引
方向に対して所定方向に向けた状態で照射スポットに集
光し、この出身・１スポツトで対象を固体レーザ装置の
発振状態に応じた掃引速度で掃引して所定の力Ｕ工を施
すことにより、次の効果を得ることができる。

ｆａ）方形断面のレーザビームを集光した方形の照射ス
ポットで対象を掃引することにより、対象内のスポット
の掃引方向とそれに直角方向の温度分布が均一化され、
従来よりも格段に均一で高品質な溶接や熱処理等の加工
を施すことができる。

なお、従来は掃引方向の加工の均一化のためパルス発振
時の出射スポット相互間の重ね合わせを大きく設定する
必要があったが、本発明方法ではかかる重ね合わせは必
要がないか僅少で済ませることができる。

（ｂ）従来は加工を掃引と直角方向に均一化するため出
射スポットを振動ミラーにより高速で振動させる場合が
多かったが、本発明方法ではかかる振動ミラーは一切不
要になり、従って出射スボ・ント用の光学系を簡単化す
ることができる。

（Ｃ）レーザビームの断面を矩形としこれを集光した照
射スポットの長辺を掃引方向に向けて溶接や切断加工を
従来より高速で行ない、あるいは長辺を掃引とは直角な
方向に向けて従来より大面積内に均一な熱処理を施すこ
とができる。

（中本発明方法で用いる固体レーザ装置は方形断面のレ
ーザ媒質を用いるが、スラブ形と異なり軸方向共振状態
で発振させるので、従来の口・ノド形と同様に構成簡単
で安価で実用性が高く、かつ加工現場での取り扱いが容
易である。

このほか、アパーチャ手段を固体レーザ装置内に組み込
んで、照射スポットに集光すべきレーザビームを所望の
形状と面積の断面に絞る本発明方法のの有利な実施態様
によれば、さらに次の効果を上げることができる。

（ｅ）アパーチャの形状や面積を適宜選択し、あるいは
その角度を調整することにより、レーザ媒質の断面に制
約されず照射スポットに各種加工に最適な形状と方向を
もたせて、例えば溶接等の加工速度を向上させ、焼き入
れ等の熱処理を広い面積に施すことができる。

（ｆ）固体レーザ装置をレーザ媒質の断面の中央部分で
発振さセて広がり角の小さなレーザビームを取り出すこ
とにより、非常に小径で照射強度が高い照射スポットに
集光することができ、この照射スポ７）の掃引によって
切断線が細く切断面に凹凸のない高品質の切断を可能に
し、かつ従来は切断不能であった材料にも切断加工の適
用範囲を広げることができる。

なお、本発明方法は従来のロッド形と同様に構成が簡単
で実用的な構成の固体レーザ装置と照射スポットへの集
光用光学系を用いて容易に実施することができ、上述の
各種加工内容に対するその固有の利点を通してレーザ加
工技術の今後の一層の発展と賛及に貢献し得るものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図までが本発明に関し、第１図は本発明
によるレーザ加工方法の第１実施例を示す加工用装置の
斜視図、第２図は固体レーザ装置の構成上の若干の態様
を示す簡略断面図、第３図は第１実施例の若干の適用例
を示す照射スポットとその掃引要領図、第４図は本発明
方法の第２実施例を示す加工用装置の斜視図とレーザビ
ームの広がり角を説明するための線図である。第５図は
従来方法における照射スポットとその掃引要領図である
０図において、 １：加工対象、１０：固体レーザ装置、Ｉｌｊレーザ媒
質、１４１アパ一チヤ手段、１６ａニアパーチヤ、ＬＢ
Ｘレーザビーム、ＳＤ：照射スポットの掃引方向、ＳＰ
：照射スポット、θ：レーザビームの広がり角、ｌ２ ／／ 第２屈 平３図 第４屈 第５月

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）固体レーザ装置の出射レーザビームを集光した照射
   スポットで対象を掃引して加工する方法であって、レー
   ザ媒質に方形断面をもつ光学結晶を用いて固体レーザ装
   置をレーザ媒質内の軸方向共振状態で発振させ、照射ス
   ポットの掃引方向に対して照射スポットに集光するレー
   ザビームの断面を所定方向に向け、固体レーザ装置の発
   振状態に応じた掃引速度で対象に所定の加工を施すこと
   を特徴とするレーザ加工方法。 ２）請求項１において、照射スポットに集光すべきレー
   ザビームを所定の形状と面積の断面に絞るアパーチャ手
   段を用いるレーザ加工方法。