JPH04253584A - レーザ加工装置 - Google Patents
レーザ加工装置Info
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- JPH04253584A JPH04253584A JP3098351A JP9835191A JPH04253584A JP H04253584 A JPH04253584 A JP H04253584A JP 3098351 A JP3098351 A JP 3098351A JP 9835191 A JP9835191 A JP 9835191A JP H04253584 A JPH04253584 A JP H04253584A
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- laser beam
- cut
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
- B23K26/0869—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
- B23K26/0869—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
- B23K26/0892—Controlling the laser beam travel length
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を利用して金
属板、プラスチック板等の所定肉厚の被加工材を所望形
状に切断するレーザ切断方法に係わり、特に、レーザ発
振器より加工ヘッド内に導かれたレーザビームを、該ヘ
ッド内の集光レンズ系により集束させながら被切断材上
に導き、所望形状の切断を行うレーザ切断方法及びレー
ザ加工装置に関する。
属板、プラスチック板等の所定肉厚の被加工材を所望形
状に切断するレーザ切断方法に係わり、特に、レーザ発
振器より加工ヘッド内に導かれたレーザビームを、該ヘ
ッド内の集光レンズ系により集束させながら被切断材上
に導き、所望形状の切断を行うレーザ切断方法及びレー
ザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、例えば第１図に示すようにレ
ーザ発振器より発振される炭酸ガスレーザその他のレー
ザビームを変向ミラーにより変向させながら加工ヘッド
に導き、該加工ヘッド内の集光レンズ系を利用して被切
断材表面に前記ビームを集束させるとともに、該ビーム
の周囲より空気若しくは酸素ガスを噴出させながら前記
被切断材を所望形状に切断するようにしたレーザ切断装
置は公知である。かかる装置においては、例えば特開昭
６３−１５４２８５号（特願昭６１−２９６６８４号）
に示す様に、レーザ発振器から加工ヘッドのレーザ光路
中に、例えばメニスカスレンズ等を配し、レーザ発振器
より発振されるレーザ光をコリメート（平行光線）化し
、常に一定光束のレーザ光が加工ヘッドに導かれるよう
に構成しているが、前記レーザ光を完全に平行化するの
は不可能であり、この為従来装置においてはレーザ発振
器より集光レンズ系に至るまでの光路長の一定化を図り
、被加工材表面に精度よくレーザ光が集束されるよう構
成している。
ーザ発振器より発振される炭酸ガスレーザその他のレー
ザビームを変向ミラーにより変向させながら加工ヘッド
に導き、該加工ヘッド内の集光レンズ系を利用して被切
断材表面に前記ビームを集束させるとともに、該ビーム
の周囲より空気若しくは酸素ガスを噴出させながら前記
被切断材を所望形状に切断するようにしたレーザ切断装
置は公知である。かかる装置においては、例えば特開昭
６３−１５４２８５号（特願昭６１−２９６６８４号）
に示す様に、レーザ発振器から加工ヘッドのレーザ光路
中に、例えばメニスカスレンズ等を配し、レーザ発振器
より発振されるレーザ光をコリメート（平行光線）化し
、常に一定光束のレーザ光が加工ヘッドに導かれるよう
に構成しているが、前記レーザ光を完全に平行化するの
は不可能であり、この為従来装置においてはレーザ発振
器より集光レンズ系に至るまでの光路長の一定化を図り
、被加工材表面に精度よくレーザ光が集束されるよう構
成している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】さて近年のレーザ切断
装置においては前記レーザ光の高出力化を図り、厚肉な
部材をも切断可能に構成しているが、単に高出化のみの
方法で構成すると前記レーザ光は被加工材表面上に精度
よく集束されるよう構成している為に、該加工材の表面
域と裏面域では集光ビームのパワー密度の差が大きく、
厚肉は被加工部材になるにつれて、良好な切断面を得る
事が困難となる。
装置においては前記レーザ光の高出力化を図り、厚肉な
部材をも切断可能に構成しているが、単に高出化のみの
方法で構成すると前記レーザ光は被加工材表面上に精度
よく集束されるよう構成している為に、該加工材の表面
域と裏面域では集光ビームのパワー密度の差が大きく、
厚肉は被加工部材になるにつれて、良好な切断面を得る
事が困難となる。
【０００４】例えば切断ガス（アシストガス）に酸素を
用いて、板厚の異なる軟鋼を切断する場合について検討
してみるに、厚板の切断では厚み方向に対するパワー密
度の差を小さくすることに加え、アシストガスによる溶
融金属の排除性を高めるために、切断溝巾を大きくする
ことが要求される。特にアシストガスに酸素を用いる軟
鋼切断では、溶融金属の排除性を高めるためにガス圧力
を上げると、切断面粗さが大きくなり、切断品質の低下
が顕著である。このため切断溝巾内を通過するアシスト
ガスの気流が切断下面部まで安定する条件として気流を
強めることなく切断溝巾を大きくする条件が重要となる
。一方、薄板切断では、上記の厚板切断で要される材料
の厚み方向に対するパワー密度の差および気流の影響が
切断品質に与える影響は比較的少なく、むしろ高速で切
断する条件が重要な要素となる。高速での切断は、焦光
点でのパワー密度を高めることにより可能となるが、レ
ーザビーム出力が一定の場合、パワー密度を高くするこ
とは焦光点での焦光ビーム径を小さくすることを意味し
、結果的には、切断溝巾を小さくして切断することにな
る。したがって、集光点でのビーム径を固定にした従来
の方法では、同一の焦光レンズを使用する限り、肉厚の
薄い材料から厚い材料まで、最適な品質と速度で切断す
ることが困難である。
用いて、板厚の異なる軟鋼を切断する場合について検討
してみるに、厚板の切断では厚み方向に対するパワー密
度の差を小さくすることに加え、アシストガスによる溶
融金属の排除性を高めるために、切断溝巾を大きくする
ことが要求される。特にアシストガスに酸素を用いる軟
鋼切断では、溶融金属の排除性を高めるためにガス圧力
を上げると、切断面粗さが大きくなり、切断品質の低下
が顕著である。このため切断溝巾内を通過するアシスト
ガスの気流が切断下面部まで安定する条件として気流を
強めることなく切断溝巾を大きくする条件が重要となる
。一方、薄板切断では、上記の厚板切断で要される材料
の厚み方向に対するパワー密度の差および気流の影響が
切断品質に与える影響は比較的少なく、むしろ高速で切
断する条件が重要な要素となる。高速での切断は、焦光
点でのパワー密度を高めることにより可能となるが、レ
ーザビーム出力が一定の場合、パワー密度を高くするこ
とは焦光点での焦光ビーム径を小さくすることを意味し
、結果的には、切断溝巾を小さくして切断することにな
る。したがって、集光点でのビーム径を固定にした従来
の方法では、同一の焦光レンズを使用する限り、肉厚の
薄い材料から厚い材料まで、最適な品質と速度で切断す
ることが困難である。
【０００５】本発明はかかる従来技術の欠点に鑑み、被
切断部材の肉厚に応じて常に良好な切断面を得る事を可
能にしたレーザ切断方法及びレーザ加工装置を提供する
事を目的とする。
切断部材の肉厚に応じて常に良好な切断面を得る事を可
能にしたレーザ切断方法及びレーザ加工装置を提供する
事を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、加工ヘッド内
の集束レンズのレンズ形状に起因する球面収差とビーム
波長に起因する回析収差を有効に利用して、被切断材の
肉厚が大、言換えれば厚板２０Ａを切断する場合には、
図１及び図３（Ａ）に示す如くヘッド内の集光レンズ系
に導かれる入射ビーム径Ｄを小（Ａ）にして薄板２０Ｂ
を加工する場合（図３（Ｂ）参照）に比較して焦点深度
を大にし、これにより集光ビーム径ｄ０１がｄ１１に比
較して大きくなり、集光点でのパワー密度は低下するが
、その分、切断上面から下面に向うパワー密度の変化（
ｄ０１−ｄ０２）を（ｄ１１−ｄ１２）に比較して小さ
くすることができる。また集光ビーム径が大きくなる分
、切断溝巾が大きくなり、切断溝を通過する切断ガス（
アシストガス）の作用による溶融金属の排除性が良くな
り、切断品質の向上を計ることができる。
の集束レンズのレンズ形状に起因する球面収差とビーム
波長に起因する回析収差を有効に利用して、被切断材の
肉厚が大、言換えれば厚板２０Ａを切断する場合には、
図１及び図３（Ａ）に示す如くヘッド内の集光レンズ系
に導かれる入射ビーム径Ｄを小（Ａ）にして薄板２０Ｂ
を加工する場合（図３（Ｂ）参照）に比較して焦点深度
を大にし、これにより集光ビーム径ｄ０１がｄ１１に比
較して大きくなり、集光点でのパワー密度は低下するが
、その分、切断上面から下面に向うパワー密度の変化（
ｄ０１−ｄ０２）を（ｄ１１−ｄ１２）に比較して小さ
くすることができる。また集光ビーム径が大きくなる分
、切断溝巾が大きくなり、切断溝を通過する切断ガス（
アシストガス）の作用による溶融金属の排除性が良くな
り、切断品質の向上を計ることができる。
【０００７】又薄板の場合は被切断材の表面域と裏面域
でのビームパワー密度の変化は図２Ｂに示す如く厚板の
ような重要性は無く、この為前記厚板の場合より入射ビ
ーム径Ｄを大（Ｂ）きくし、具体的には切断材表面に導
かれた集束ビーム径の複合収差（球面収差＋回析収差）
が相対的に小さくなるように入射ビーム径を変化させる
のがよく、これにより高いパワー密度で切断が可能とな
り、高速切断が可能となる。
でのビームパワー密度の変化は図２Ｂに示す如く厚板の
ような重要性は無く、この為前記厚板の場合より入射ビ
ーム径Ｄを大（Ｂ）きくし、具体的には切断材表面に導
かれた集束ビーム径の複合収差（球面収差＋回析収差）
が相対的に小さくなるように入射ビーム径を変化させる
のがよく、これにより高いパワー密度で切断が可能とな
り、高速切断が可能となる。
【０００８】この場合、焦点深度Ｆは下記式に示すよう
に、レンズ焦点距離ｆに比例して変化するものであるた
めに、焦点距離が固定の場合には、光路長に対して、ビ
ーム径が拡がり角を有することを利用して前記レーザ発
振器より加工ヘッドまでの光路長を可変、具体的には厚
板の場合は前記光路長を短く又薄板の場合には長くする
ように可変させてもよい。 Ｆ（焦点深度）＝ｆ（焦点距離）／Ｄ（入射ビーム径）
尚、本発明は被切断材の肉厚のみに限定される事なく材
質等を加味して設定する必要がある。
に、レンズ焦点距離ｆに比例して変化するものであるた
めに、焦点距離が固定の場合には、光路長に対して、ビ
ーム径が拡がり角を有することを利用して前記レーザ発
振器より加工ヘッドまでの光路長を可変、具体的には厚
板の場合は前記光路長を短く又薄板の場合には長くする
ように可変させてもよい。 Ｆ（焦点深度）＝ｆ（焦点距離）／Ｄ（入射ビーム径）
尚、本発明は被切断材の肉厚のみに限定される事なく材
質等を加味して設定する必要がある。
【０００９】
【発明の効果】上記記載より明らかな如く本発明は、前
記従来技術の様に前記光路長を常に一定化させる事なく
、言換えれば焦点深度や集束ビーム密度を一定にする事
なく、被切断材の肉厚に対応させて前記光路長や入射ビ
ーム径を可変する事により最も好ましい焦点深度や集束
ビーム密度に設定することを特徴とするものであ。
記従来技術の様に前記光路長を常に一定化させる事なく
、言換えれば焦点深度や集束ビーム密度を一定にする事
なく、被切断材の肉厚に対応させて前記光路長や入射ビ
ーム径を可変する事により最も好ましい焦点深度や集束
ビーム密度に設定することを特徴とするものであ。
【００１０】これにより薄板切断を行う場合には集束ビ
ーム密度を高めて高速切断を可能とするものであり、一
方厚板切断を行う場合には前記収差を有効に利用して焦
点深度を前記被切断材の肉厚に対応させて大にし、これ
により切断品質の向上を図る事が出来る。従って本発明
は総合的な品質を考慮して厚板切断の場合には切断面品
質を重視するも、薄板切断の場合は厚みに相応して、焦
点深度を浅くしても切断面品質が極度に低下しないため
に、加工性能（切断速度）を重視したものである。
ーム密度を高めて高速切断を可能とするものであり、一
方厚板切断を行う場合には前記収差を有効に利用して焦
点深度を前記被切断材の肉厚に対応させて大にし、これ
により切断品質の向上を図る事が出来る。従って本発明
は総合的な品質を考慮して厚板切断の場合には切断面品
質を重視するも、薄板切断の場合は厚みに相応して、焦
点深度を浅くしても切断面品質が極度に低下しないため
に、加工性能（切断速度）を重視したものである。
【００１１】
【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を例示
的に詳しく説明する。但し、この実施例に記載されてい
る構造部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは特
に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれの
みに限定する趣旨でなく単なる説明例に過ぎない。第１
図は本発明の実施例に係わるレーザ加工装置の平面構成
図で、平行に配列した一対のＹ軸レール１３，１４、該
Ｙ軸レール１３，１４間に移動可能に架設され、メイン
フレーム１１とガーダ１２から成る加工機本体１０、メ
インフレーム１１上に搭載されたレーザ発振器１８、Ｙ
軸方向に位置変位可能にメインフレーム１１上に搭載さ
れた光路長調整用反転ミラーブロック１５、該ブロック
１５よりの出射光を９０°変向させてＸ軸方向に導き可
能にメインフレーム１１上に搭載された変向ミラー１６
、前記ガーダ１２に取り付けたＸ軸レール１７に沿って
往復走行可能な加工ヘッド２２と光路長固定用の反転ミ
ラーブロック２５からなる。
的に詳しく説明する。但し、この実施例に記載されてい
る構造部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは特
に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれの
みに限定する趣旨でなく単なる説明例に過ぎない。第１
図は本発明の実施例に係わるレーザ加工装置の平面構成
図で、平行に配列した一対のＹ軸レール１３，１４、該
Ｙ軸レール１３，１４間に移動可能に架設され、メイン
フレーム１１とガーダ１２から成る加工機本体１０、メ
インフレーム１１上に搭載されたレーザ発振器１８、Ｙ
軸方向に位置変位可能にメインフレーム１１上に搭載さ
れた光路長調整用反転ミラーブロック１５、該ブロック
１５よりの出射光を９０°変向させてＸ軸方向に導き可
能にメインフレーム１１上に搭載された変向ミラー１６
、前記ガーダ１２に取り付けたＸ軸レール１７に沿って
往復走行可能な加工ヘッド２２と光路長固定用の反転ミ
ラーブロック２５からなる。
【００１２】そして前記第１の反転ミラーブロック１５
は、被切断材の板厚、材質、使用レンズの焦点距離等を
入力情報として不図示の演算回路により設定された最適
光路長に対応して、Ｙ軸方向に位置変位可能な不図示の
サーボモータ等が付設されている。一方第２のミラーブ
ロック２５は加工ヘッド２２と共に、Ｘ軸方向に移動可
能に構成されているが、該ミラーブロック２５は特に、
切断動作時における加工ヘッド２２の移動量に対し１／
２の移動量、言換えれば移動速度を１／２に設定し、こ
れにより加工ヘッド２２がＸ軸方向のいずれに移動した
場合についても発振器１８より加工ヘッド２２に至る光
路長が常に一定になるよう制御している。
は、被切断材の板厚、材質、使用レンズの焦点距離等を
入力情報として不図示の演算回路により設定された最適
光路長に対応して、Ｙ軸方向に位置変位可能な不図示の
サーボモータ等が付設されている。一方第２のミラーブ
ロック２５は加工ヘッド２２と共に、Ｘ軸方向に移動可
能に構成されているが、該ミラーブロック２５は特に、
切断動作時における加工ヘッド２２の移動量に対し１／
２の移動量、言換えれば移動速度を１／２に設定し、こ
れにより加工ヘッド２２がＸ軸方向のいずれに移動した
場合についても発振器１８より加工ヘッド２２に至る光
路長が常に一定になるよう制御している。
【００１３】加工ヘッド２２は公知の様に変向ミラーと
共に集束レンズ（不図示）が組込まれており、該ヘッド
２２内に導かれた入射ビームを集束して被切断材２０表
面に結像可能に構成している。
共に集束レンズ（不図示）が組込まれており、該ヘッド
２２内に導かれた入射ビームを集束して被切断材２０表
面に結像可能に構成している。
【００１４】次にかかる実施例の作用を簡単に説明する
。先ず段取動作時に被切断材の板厚に対応させて、被切
断材２０の板厚が大の場合には、第１図に示す如くヘッ
ド２２内の集光レンズ系に導かれる入射ビーム径Ｄが（
Ａ）に位置するように、第１のミラーブロック１５を僅
かに図上下方にずらした後、下記切断工程に移行する。
。先ず段取動作時に被切断材の板厚に対応させて、被切
断材２０の板厚が大の場合には、第１図に示す如くヘッ
ド２２内の集光レンズ系に導かれる入射ビーム径Ｄが（
Ａ）に位置するように、第１のミラーブロック１５を僅
かに図上下方にずらした後、下記切断工程に移行する。
【００１５】一方薄板を加工する場合は入射ビーム径Ｄ
が（Ｂ）の位置に位置するように、第１のミラーブロッ
ク１５を僅かに図上上方にずらした後、下記切断工程に
移行する。この場合前記ミラーブロックの移動は２段階
若しくは更に多くの複数段階的に設定してもよく、又無
段階制御を行ってもよい。
が（Ｂ）の位置に位置するように、第１のミラーブロッ
ク１５を僅かに図上上方にずらした後、下記切断工程に
移行する。この場合前記ミラーブロックの移動は２段階
若しくは更に多くの複数段階的に設定してもよく、又無
段階制御を行ってもよい。
【００１６】そしてこの状態で前記レーザ発振器２１よ
りレーザ光を発振する事により、切断動作中メインフレ
ーム１１上に搭載された発振器１８、第１のミラーブロ
ック１５、及び変向ミラー１６はいずれも位置決め固定
されており、この為変向ミラーに導かれるまでのビーム
長が変動する事はない。そしてこの状態で第２のミラー
ブロック２５を加工ヘッド２２の移動速度に対し１／２
の移動速度でＸ軸方向に追従移動させる事により発振器
１８より加工ヘッド２２に至る光路長が常に一定になり
、これにより同一被切断材２０の切断作業中は安定した
切断加工が可能となる。
りレーザ光を発振する事により、切断動作中メインフレ
ーム１１上に搭載された発振器１８、第１のミラーブロ
ック１５、及び変向ミラー１６はいずれも位置決め固定
されており、この為変向ミラーに導かれるまでのビーム
長が変動する事はない。そしてこの状態で第２のミラー
ブロック２５を加工ヘッド２２の移動速度に対し１／２
の移動速度でＸ軸方向に追従移動させる事により発振器
１８より加工ヘッド２２に至る光路長が常に一定になり
、これにより同一被切断材２０の切断作業中は安定した
切断加工が可能となる。
【００１７】尚、光路長変更手段は第１のミラーブロッ
ク１５を用いないで、ミラーブロック２５と加工ヘッド
２２の設定距離を変化させる方法でも可能である。
ク１５を用いないで、ミラーブロック２５と加工ヘッド
２２の設定距離を変化させる方法でも可能である。
【図１】本発明を説明するための、入射ビーム径と集束
ビーム径を夫々横軸と縦軸に取った収差グラフ図である
。
ビーム径を夫々横軸と縦軸に取った収差グラフ図である
。
【図２】本発明の実施例に係わるレーザ加工装置の構成
平面図である。
平面図である。
【図３】本発明の基本構成図で、被切断材の肉厚とビー
ム径との関係を示し、（Ａ）が厚板加工の場合、（Ｂ）
が薄板加工の場合を示す。
ム径との関係を示し、（Ａ）が厚板加工の場合、（Ｂ）
が薄板加工の場合を示す。
１５ 第１の反転ミラー体
１８ レーザ発振器
２５ 第２の反転ミラー体
２２ 加工ヘッド
Claims (4)
- 【請求項１】 レーザ発振器よリ加工ヘッド内に導か
れたレーザビームを、該ヘッド内の集光レンズ系により
集束させながら被切断材上に導き、所望形状の切断を行
うレーザ切断方法において、前記被切断材の少なくとも
肉厚に対応する変数を基に、ヘッド内の集光レンズ系に
導かれるレーザビームの拡がり角（発散角）を利用して
、その光路長を変化させることにより、入射ビーム径を
可変させる事を特徴とするレーザ切断方法 - 【請求項２】
前記肉厚とほぼ反比例的にレーザビームの拡がり角
（発散角）を利用して、その光路長を変化させることに
より、入射ビーム径を無段階若しくは段階的に可変させ
る事を特徴とする請求項１記載のレーザ切断方法 - 【請求項３】 レーザ発振器よリ加工ヘッド内に導か
れたレーザビームを、該ヘッド内の集光レンズ系により
集束させながら被切断材上に導き、所望形状の切断を行
う加工装置において、前記被切断材の少なくとも肉厚に
対応する変数を基に、前記レーザ発振器より加工ヘッド
までの光路長を可変させる事を特徴とするレーザ加工装
置 - 【請求項４】 前記肉厚とほぼ反比例的に光路長を
無段階若しくは段階的に可変させる事を特徴とする請求
項３記載のレーザ加工装置
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|---|---|---|---|
| JP03098351A JP3084780B2 (ja) | 1991-01-31 | 1991-01-31 | レーザ加工装置 |
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|---|---|---|---|
| JP03098351A JP3084780B2 (ja) | 1991-01-31 | 1991-01-31 | レーザ加工装置 |
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|---|---|---|---|
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