WO2017168857A1 - レーザ加工機 - Google Patents

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WO2017168857A1
WO2017168857A1 PCT/JP2016/086974 JP2016086974W WO2017168857A1 WO 2017168857 A1 WO2017168857 A1 WO 2017168857A1 JP 2016086974 W JP2016086974 W JP 2016086974W WO 2017168857 A1 WO2017168857 A1 WO 2017168857A1
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WO
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lens
laser
variable device
diameter
laser light
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Application number
PCT/JP2016/086974
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English (en)
French (fr)
Inventor
伊藤　亮平
宏明 石黒
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株式会社アマダホールディングス
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Publication date
Application filed by 株式会社アマダホールディングス filed Critical 株式会社アマダホールディングス
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
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    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting

Definitions

  • This disclosure relates to a laser processing machine that cuts a metal plate with laser light.
  • Laser processing machines that cut a metal plate material with laser light emitted from a laser oscillator have become widespread.
  • Various laser oscillators are used in the laser processing machine.
  • a fiber laser oscillator is often used to cut a plate material having a relatively small thickness at high speed.
  • the fiber laser oscillator has an advantage that it is small and low-cost as compared with the CO 2 laser oscillator in addition to the advantage that it is suitable for high-speed cutting of a plate material.
  • a plate material having a plate thickness of 6 mm to 30 mm is referred to as a thick plate
  • a plate material having a plate thickness of, for example, 0.1 mm to 6 mm is referred to as a thin plate.
  • a plate material having a plate thickness of 2 mm to 12 mm may be referred to as a medium plate. It is difficult to cut a thick plate and a thin plate by changing only the processing conditions with the same laser processing machine.
  • the processing conditions here are, for example, the power of the laser beam, the duty of the pulse when the laser beam is pulse-oscillated, the focal position, the type of assist gas, or the gas pressure.
  • optical system elements such as lenses or components of the laser processing machine such as a processing nozzle must be replaced. Since the replacement of the component parts is complicated and causes an increase in cost, a laser beam machine capable of cutting both the thick plate and the thin plate without replacing the component parts is desired.
  • Embodiment aims at providing the laser processing machine which can cut
  • a beam parameter product variable device that varies the beam parameter product of the laser light emitted from the laser oscillator, and a beam that varies the beam diameter of the laser light emitted from the beam parameter product variable device.
  • the beam parameter product variable device sets the beam parameter product of the laser beam to a predetermined value, and the beam diameter variable device is movable in the optical axis direction and has a positive focus.
  • the beam diameter variable device is arranged at a position shifted by the same distance as the focal length of the second lens, and is configured to convert the convergent light into parallel light, and has a positive focal length
  • a laser processing machine further comprising a third lens that collects the emitted laser light and irradiates the plate material.
  • the first moving mechanism for moving the first lens, the second moving mechanism for moving the second lens, and the first moving mechanism are driven.
  • control unit controls the beam parameter product varying device so as to vary a beam parameter product of laser light.
  • the control unit increases the beam diameter of the laser light incident on the third lens so that the condensing diameter decreases as the plate thickness of the plate material decreases, and the condensing diameter increases as the plate thickness of the plate material increases.
  • the first and second driving units are controlled so as to reduce the beam diameter of the laser light incident on the third lens so as to increase. Even if the first and second driving units move the first and second lenses, the focal position of the laser light emitted from the third lens and condensed on the plate material is constant.
  • the third lens is configured to be movable in the optical axis direction and to change the focal position of the laser light.
  • a first movement mechanism for moving the first lens a second movement mechanism for moving the second lens, and a movement of the third lens.
  • a third driving mechanism a first driving section for driving the first moving mechanism, a second driving section for driving the second moving mechanism, and a second driving section for driving the third moving mechanism. 3, the first lens, the second lens, and the third lens so as to move according to the processing conditions of the plate material.
  • a control unit for controlling the third drive unit.
  • control unit controls the beam parameter product varying device so as to vary a beam parameter product of laser light.
  • the laser processing machine of the embodiment it is possible to cut and process a plate material having a thickness in a predetermined range without exchanging components.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of the overall configuration of a laser beam machine according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration when the laser oscillator 11 in FIG. 1 is configured by a fiber laser oscillator 11F.
  • FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration when the laser oscillator 11 in FIG. 1 is configured by a direct diode laser oscillator 11D.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of the beam parameter product variable device 31 in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a schematic configuration example in which the convex lens 28, the concave lens 30, and the condenser lens 27 in FIG. 1 are movable.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of the overall configuration of a laser beam machine according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration when the laser oscillator 11 in FIG. 1 is configured by a fiber laser oscillator 11F.
  • FIG. 3 is a diagram showing
  • FIG. 6 is a diagram for explaining how to move the convex lens 28, the concave lens 30, and the condenser lens 27.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the condensing diameter and the divergence angle of the laser light.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the beam parameter product variable device 31.
  • a laser beam machine 100 generates a laser beam and emits it, and a beam parameter product variable device 31 that varies a beam parameter product (BeamBeParameter Products) of the laser beam emitted from the laser oscillator 11. And a laser processing unit 15.
  • the beam parameter product is referred to as BPP
  • the beam parameter product variable device 31 is referred to as BPP product variable device 31.
  • the laser oscillator 11 and the BPP product variable device 31 are connected by a feeding fiber 121, and the feeding fiber 121 transmits the laser light emitted from the laser oscillator 11 to the BPP product variable device 31.
  • the BPP product variable device 31 and the laser processing unit 15 are connected by a process fiber 122, and the process fiber 122 transmits the laser light emitted from the BPP product variable device 31 to the laser processing unit 15.
  • the process fiber 122 is mounted along X-axis and Y-axis cable ducts (not shown) arranged in the laser processing unit 15.
  • the laser processing machine 100 cuts and processes the metal plate material W1 with the laser light emitted from the laser oscillator 11.
  • the laser oscillator 11 is preferably a laser oscillator that amplifies excitation light emitted from a laser diode and emits laser light having a predetermined wavelength, or a laser oscillator that directly uses laser light emitted from a laser diode.
  • the laser oscillator 11 is, for example, a solid laser oscillator, a fiber laser oscillator, a disk laser oscillator, or a direct diode laser oscillator (DDL oscillator).
  • the laser processing unit 15 includes a processing table 21 on which the plate material W1 is placed, a portal X-axis carriage 22 that is movable in the X-axis direction on the processing table 21, and a Y-axis that is perpendicular to the X-axis on the X-axis carriage 22 And a Y-axis carriage 23 that is movable in the direction. Further, the laser processing unit 15 has a collimator unit 29 fixed to the Y-axis carriage 23.
  • the collimator unit 29 has a convex lens 28 into which laser light emitted from the exit end of the process fiber 122 is incident, and a concave lens 30 into which laser light emitted from the convex lens 28 is incident.
  • the collimator unit 29 also reflects a laser beam emitted from the concave lens 30 toward the lower side in the Z-axis direction perpendicular to the X-axis and the Y-axis, and a collector that collects the laser beam reflected by the bend mirror 25.
  • An optical lens 27 and a processing head 26 are included.
  • the convex lens 28 is a lens having a positive focal length
  • the concave lens 30 is a lens having a negative focal length
  • the condenser lens 27 is a lens having a positive focal length.
  • the condenser lens 27 is a convex lens.
  • the convex lens 28 and the concave lens 30 have a function of a collimating lens that collimates individual beams of incident laser light.
  • the convex lens 28, the concave lens 30, and the condenser lens 27 are configured to be movable in the optical axis direction.
  • the convex lens 28 and the concave lens 30 constitute a beam diameter varying device 32 (see FIG. 5 or 6) that varies the beam diameter.
  • the convex lens 28 and the concave lens 30, the bend mirror 25, the condensing lens 27, and the processing head 26 are disposed in the collimator unit 29 with the optical axis adjusted in advance.
  • the collimator unit 29 is fixed to a Y-axis carriage 23 movable in the Y-axis direction, and the Y-axis carriage 23 is provided on an X-axis carriage 22 movable in the X-axis direction. Therefore, the laser processing unit 15 can move the position at which the plate material W1 is irradiated with the laser light emitted from the processing head 26 in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the laser processing machine 100 transmits the laser light emitted from the laser oscillator 11 to the laser processing unit 15 via the BPP product variable device 31 and is collected by the condensing lens 27.
  • the plate material W1 can be cut by irradiating the plate material W1.
  • the BPP product variable device 31 is provided outside the laser oscillator 11 in FIG. 1, the BPP product variable device 31 may be provided inside the housing of the laser oscillator 11.
  • an assist gas for removing the melt is injected onto the plate material W1.
  • FIG. 1 the illustration of the configuration for injecting the assist gas is omitted.
  • FIG. 2 shows a schematic configuration when the laser oscillator 11 is constituted by a fiber laser oscillator 11F.
  • each of the plurality of laser diodes 110 emits laser light having a wavelength ⁇ .
  • the excitation combiner 111 combines the laser beams emitted from the plurality of laser diodes 110 with a spatial beam.
  • the laser light emitted from the excitation combiner 111 is incident on the Yb-doped fiber 113 between the two fiber Bragg gratings (FBGs) 112 and 114.
  • the Yb-doped fiber 113 is a fiber in which a rare earth Yb (ytterbium) element is added to the core.
  • the laser light incident on the Yb-doped fiber 113 repeats reciprocation between the FBGs 112 and 114, and laser light having a wavelength ⁇ ′ (1 ⁇ m band) of approximately 1060 nm to 1080 nm, which is different from the wavelength ⁇ , is emitted from the FBG 114.
  • Laser light emitted from the FBG 114 is incident on the feeding fiber 121 via the feeding fiber 115 and the beam coupler 116.
  • the beam coupler 116 includes lenses 1161 and 1162.
  • FIG. 3 shows a schematic configuration when the laser oscillator 11 is constituted by a DDL oscillator 11D.
  • a plurality of laser diodes 117 emit laser beams having different wavelengths ⁇ 1 to ⁇ n.
  • the wavelengths ⁇ 1 to ⁇ n are, for example, 910 nm to 950 nm.
  • the optical box 118 spatially couples laser beams having wavelengths ⁇ 1 to ⁇ n emitted from a plurality of laser diodes 117.
  • the optical box 118 includes a collimating lens 1181, a grating 1182, and a condensing lens 1183.
  • the collimating lens 1181 collimates laser light with wavelengths ⁇ 1 to ⁇ n.
  • the grating 1182 bends the direction of the collimated laser beam by 90 degrees and makes it incident on the condenser lens 1183.
  • the condensing lens 1183 condenses the incident laser light and enters the feeding fiber 121.
  • the BPP product variable device 31 includes a condensing lens 311 disposed between the exit end of the feeding fiber 121 and the entrance end of the process fiber 122, and a moving mechanism 312 that moves the position of the end of the feeding fiber 121.
  • the process fiber 122 has a configuration in which the cladding 1222 covers the periphery of the core 1221.
  • the refractive index of the core 1221 is higher than the refractive index of the clad 1222.
  • the feeding fiber 121 has the same configuration.
  • the incident position of the laser light incident on the condensing lens 311 changes, and the condensing lens 311 becomes the core 1221 of the process fiber 122.
  • the incident angle of the laser beam incident on is changed.
  • the laser light proceeds as indicated by a solid line
  • the laser light proceeds as indicated by a one-dot chain line.
  • the BPP of the laser light emitted from the process fiber 122 changes.
  • the BPP product variable device 31 is not limited to the configuration shown in FIG. 4 and may be any configuration as long as it can change the BPP.
  • the position of the feeding fiber 121 may be fixed, and the incident angle of the laser light incident on the process fiber 122 may be changed by moving the lens.
  • a lens may be further provided at the incident end of the process fiber 122.
  • the convex lens 28 and the concave lens 30 constituting the beam diameter varying device 32 are respectively movable mechanisms 281 and 301 for making the convex lens 28 and the concave lens 30 movable in the optical axis direction (X-axis direction in FIG. 1). Is attached.
  • the condenser lens 27 is attached to a moving mechanism 271 for making the condenser lens 27 movable in the optical axis direction (Z-axis direction in FIG. 1).
  • the moving mechanisms 281, 301, and 271 use, for example, any one of a gear, a belt, a rack and pinion, a worm gear, a ball screw, or the like (or any combination thereof), the convex lens 28, the concave lens 30, and the condenser lens 27. Any mechanism can be used as long as it can move freely.
  • the convex lens 28, the concave lens 30, and the condenser lens 27 move in the optical axis direction as indicated by arrows by the driving units 282, 302, and 272 driving the moving mechanisms 281, 301, and 271 respectively.
  • the drive units 282, 302, and 272 are, for example, motors.
  • the control unit 50 controls the drive units 282, 302, and 272.
  • the control unit 50 can be configured by a microprocessor.
  • the controller 50 may be an NC device that controls the entire laser beam machine 100.
  • the operator can set various processing conditions such as the material type of the plate material W1, the plate thickness of the plate material W1, the focused diameter of the laser beam, and the focal position by operating the operation unit 51.
  • the material of the plate material W1 is, for example, iron, stainless steel, aluminum, copper, or brass.
  • the plate thickness of the plate material W1 is any plate thickness within a predetermined range, for example, with a predetermined range of 0.1 mm to 30 mm.
  • the control unit 50 controls driving of the moving mechanisms 281 and 301 by the driving units 282 and 302 so as to adjust the positions of the convex lens 28 and the concave lens 30 in accordance with the processing conditions of the plate material W1 input by the operation unit 51.
  • the control unit 50 controls the driving units 282 and 302 so as to adjust the positions of the convex lens 28 and the concave lens 30 according to the input condensing diameter. To do.
  • the control unit 50 determines the convex lens 28 and the concave lens 30 according to the light collection diameter corresponding to the input material type and plate thickness.
  • the drive units 282 and 302 can be controlled so as to adjust the position.
  • the control unit 50 may obtain a necessary condensing diameter by calculation based on processing conditions, or may read out condensing diameters corresponding to the respective processing conditions held in advance.
  • control unit 50 controls the driving of the moving mechanism 271 by the driving unit 272 so as to adjust the position of the condenser lens 27 according to the input focal position. .
  • laser light is emitted as divergent light from the exit end 122e of the process fiber 122, as indicated by a one-dot chain line.
  • the convex lens 28 is disposed such that the distance from the exit end 122e to the convex lens 28 is equal to or less than the focal length of the convex lens 28. Therefore, the convex lens 28 converts the diffused light of the laser light into convergent light.
  • the control unit 50 can move the convex lens 28 in the optical axis direction within a range where the distance from the exit end 122e to the convex lens 28 is equal to or less than the focal length of the convex lens 28.
  • the concave lens 30 converts convergent light into parallel light.
  • the parallel light means that the light beam of the laser light is parallel light.
  • the parallel light emitted from the concave lens 30 is reflected by the bend mirror 25, the optical path is bent, and enters the condenser lens 27.
  • the condensing lens 27 condenses parallel light so that the focal position is at or near the surface of the plate material W1, and irradiates the plate material W1 with laser light.
  • the control unit 50 may control the BPP product variable device 31 to change the BPP.
  • FIGS. 6A to 6C conceptually show a state in which the bend mirror 25 in FIG. 5 is omitted and the convex lens 28, the concave lens 30 and the condenser lens 27 are arranged so that the optical axis is in a straight line. ing.
  • the position where the concave lens 30 does not exist and the convergent light from the convex lens 28 is focused is a point Pf28.
  • the concave lens 30 converts convergent light into parallel light.
  • the beam diameter D of the parallel light emitted from the concave lens 30 changes according to the convergence angle of the convergent light emitted from the convex lens.
  • FIG. 7 conceptually shows an enlarged view of the vicinity of the beam waste of the laser beam condensed on the surface of the plate material W1 or in the vicinity thereof.
  • the left side of FIG. 7 is the upper side of the plate material W1
  • the right side is the lower side of the plate material W1.
  • the condensing diameter d is expressed by equation (1).
  • the Rayleigh length Zr is expressed by equation (2).
  • f is the focal length of the condenser lens 27.
  • BPP is represented by the product of the beam waste radius d / 2 and the half-width half width ⁇ of the beam divergence angle.
  • the converging diameter d and the Rayleigh length Zr are determined according to the beam diameter D from the equations (1) and (2), and when the beam diameter D changes, the condensing diameter d. And the Rayleigh length Zr changes.
  • the beam diameter D When the beam diameter D is increased, the condensing diameter d and the Rayleigh length Zr are decreased, the power density is increased, and a beam profile suitable for a thin plate is obtained.
  • the beam diameter D When the beam diameter D is reduced, the light condensing diameter d and the Rayleigh length Zr are increased, and the power density is reduced to provide a beam profile suitable for a thick plate.
  • the control unit 50 calculates the beam diameter D that is the target focused diameter d based on the formula (1), and the positions of the convex lens 28 and the concave lens 30 are the positions that realize the calculated beam diameter D.
  • the driving units 282 and 302 are controlled to move the convex lens 28 and the concave lens 30.
  • control unit 50 moves the convex lens 28 so that the convergence angle of the laser light emitted from the convex lens 28 becomes a convergence angle at which a target beam diameter D is obtained.
  • control unit 50 shifts the concave lens 30 from the point Pf28 to the convex lens 28 side by a distance L so as to convert the convergent light into parallel light corresponding to the position of the convex lens 28 in the optical axis direction. Move.
  • the control unit 50 calculates the positions of the convex lens 28 and the concave lens 30 for setting the target beam diameter D and the focused diameter d, and moves the convex lens 28 and the concave lens 30.
  • control unit 50 increases the beam diameter of the laser light incident on the condensing lens 27 so that the condensing diameter decreases as the plate thickness of the plate W1 decreases, and the plate thickness of the plate W1 increases.
  • the drive units 282 and 302 are controlled so as to reduce the beam diameter of the laser light incident on the condensing lens 27 so as to increase the condensing diameter. Even if the drive units 282 and 302 move the convex lens 28 and the concave lens 30, the focal position of the laser light emitted from the condenser lens 27 and condensed on the plate material W1 is constant and does not change.
  • the light intensity distribution within the beam diameter D is formed by reflection synthesis of laser light transmitted to the core and clad of the process fiber 122. Even if the beam diameter D changes as shown in FIGS. 6A and 6B, the light intensity distribution within the beam diameter D hardly changes, and even if it changes, it is very slight.
  • the focal position can be changed as shown in FIG.
  • the surface of the plate material W1 is not set as the focal position, but the position slightly shifted from the front surface or the back surface of the plate material W1 is used as a focal position for cutting.
  • the control unit 50 controls the driving unit 272 to move the condenser lens 27 so that the input focal position is obtained. Even if the condensing lens 27 is moved to change the focal position, the condensing diameter d does not change.
  • the operation of the BPP product variable device 31 will be described with reference to FIGS. 8 (a) to (d).
  • the light condensing diameter d and the Rayleigh length Zr vary depending on the BPP.
  • the beam diameter D1 shown in FIGS. 8A and 8B is assumed to be the maximum diameter allowed by the condenser lens 27. It is assumed that the control unit 50 controls the BPP product variable device 31 so that the BPP in FIG. 8A is smaller than the BPP in FIG.
  • the divergence angle of the beam increases. Therefore, in order to make the beam diameter D common to the beam diameter D1, it is necessary to make the positions of the convex lens 28 and the concave lens 30 different.
  • the reason why the positions of the convex lens 28 and the concave lens 30 are different between FIG. 8A and FIG. 8B is that the beam diameter D is shared by the beam diameter D1 while changing the BPP.
  • the BPP product variable device 31 makes the BPP in FIG. 8 (a) smaller than the BPP in FIG. 8 (b), so that the condensing diameter d in FIG. 8 (a) is greater than the condensing diameter d in FIG. 8 (b). Can also be reduced. If the light collection diameter d in FIG. 8 (a) is d1, and the light collection diameter d in FIG. 8 (b) is d2, then d1 ⁇ d2.
  • the beam diameter D2 shown in FIGS. 8C and 8D is assumed to be the minimum diameter allowable for the condenser lens 27.
  • the minimum diameter is determined by the influence of the thermal lens and the light resistance of the condenser lens 27 coating. Assume that the control unit 50 controls the BPP product variable device 31 so that the BPP in FIG. 8D is larger than the BPP in FIG.
  • the positions of the convex lens 28 and the concave lens 30 are different between FIG. 8C and FIG. 8D because the beam diameter D is shared by the beam diameter D2 while changing the BPP. .
  • the BPP product variable device 31 makes the BPP in FIG. 8 (d) larger than the BPP in FIG. 8 (c), so that the light collection diameter d in FIG. Can also be increased. If the light collection diameter d in FIG. 8C is d3 and the light collection diameter d in FIG. 8D is d4, d3 ⁇ d4.
  • the control unit 50 controls the BPP product variable device 31 so that the BPP becomes a predetermined value, and drives 282 and 302 so as to determine the positions of the convex lens 28 and the concave lens 30 so that the desired beam diameter D is obtained. Can be controlled.
  • the condensing diameter d can be varied only by the BPP product variable device 31, and only the beam diameter variable device 32 is provided.
  • the condensing diameter d can be made different. Further, the condensing diameter d can be made different in both the BPP product variable device 31 and the beam diameter variable device 32.
  • the beam diameter D changes in the range from the maximum beam diameter D1 to the minimum beam diameter D2.
  • the BPP product variable device 31 changes the value of BPP in the range from BPP1 to BPP2.
  • the BPP value is BPP1
  • the BPP value is BPP2.
  • the condensing diameter d can be changed in the range from d1 to d4 by changing the BPP.
  • the condensing diameter d can be changed by changing at least one of the BPP and the beam diameter D. If both the BPP and the beam diameter D are changed, the condensing diameter d can be changed over a wide range.
  • the condensing diameter d can be adjusted in a wide range by including the BPP product variable device 31 and the beam diameter variable device 32, the range of the plate thickness that can be appropriately cut and processed. Can be spread.
  • variable range of BPP by the BPP product variable device 31 is 1.5 to 5 mm ⁇ mrad (ie, 1 to 3.33 times), and the variable range of the beam diameter D by the beam diameter variable device 32 is 1 to 3 times. From the formula (1), the light collection diameter d can be varied from 1 to 10 times. If the variable range of the BPP is further increased, the condensing diameter d can be varied over a wider range.
  • any one of a Gaussian shape and a ring shape can be appropriately selected as the beam shape.
  • the beam waste is adjusted according to the plate thickness and material of the plate material W1, and the BPP is adjusted accordingly, so that the distribution of the power density of the laser light applied to the plate material W1 is appropriately adjusted.
  • the cut surface roughness of the plate material W1 is improved by appropriately controlling the beam waste and power density distribution and appropriately adjusting the melting time and cutting speed of the plate material W1. Can be.
  • the condensing diameter d and the focal position can be adjusted independently of each other.
  • the position of the condenser lens 27 may be fixed, and only the convex lens 28 and the concave lens 30 may be configured to be movable.
  • the controller 50 may continuously adjust the light collection diameter d according to the plate thickness of the plate material W1. For example, a thick plate with a thickness of 6 mm to 30 mm and a thin plate with a thickness of 0.1 mm to 6 mm may be used.
  • the light collection diameter d may be adjusted in two steps. Further, the concentrating diameter d may be adjusted in three stages by dividing the plate thickness of 12 mm to 30 mm, the medium thickness plate of 2 mm to 12 mm, and the plate material of 0.1 mm to 2 mm from the thin plate.
  • the control unit 50 may divide the plate thickness of the plate material W1 into four or more groups and adjust the light collection diameter d in four or more steps.
  • the plate material W1 having a predetermined range of plate thickness can be adjusted to the respective plate thickness without exchanging components such as lenses. It can be cut properly.
  • the first lens having a positive focal length
  • the second lens having a negative focal length
  • the positive focal length may be used. Therefore, it is possible to simplify the configuration as compared with the configuration described in Patent Document 1, and to realize a laser processing machine capable of cutting a plate material having a predetermined range of thickness at low cost without exchanging components. it can.
  • the laser processing machine 100 of the present embodiment it is possible to realize an appropriate cutting process in accordance with the plate thickness by configuring only the first and second lenses to be movable.
  • the present invention can be used when cutting a plurality of plate materials with a laser beam.

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Abstract

レーザ加工機は、レーザ光のビームパラメータ積を可変させるビームパラメータ積可変装置（３１）と、ビームパラメータ積可変装置（３１）より射出されたレーザ光のビーム径を可変させるビーム径可変装置（３２）とを備える。ビームパラメータ積可変装置（３１）はビームパラメータ積を所定の値に設定している。ビーム径可変装置（３２）は、光軸方向に移動自在とされ、正の焦点距離を有して、レーザ光の射出端より射出されたレーザ光の拡散光を収束光に変換する第１のレンズ（２８）と、光軸方向に移動自在とされ、負の焦点距離を有して、収束光が入射される第２のレンズ（３０）とを有する。第３のレンズ（２７）は、正の焦点距離を有し、ビーム径可変装置（３２）より射出されたレーザ光を集光して板材に照射させる。

Description

レーザ加工機
　本開示は、レーザ光によって金属の板材を切断加工するレーザ加工機に関する。
　レーザ発振器より射出されたレーザ光によって金属の板材を切断加工するレーザ加工機が普及している。レーザ加工機には、種々のレーザ発振器が用いられる。比較的板厚の薄い板材を高速に切断加工するためには、例えばファイバレーザ発振器がよく用いられる。ファイバレーザ発振器は、板材の高速切断加工に適しているという利点に加え、ＣＯ２レーザ発振器と比較して小型及び低コストであるという利点を有する。
独国特許出願公開第10 2011 117 607 A1号明細書 特表２０１５－５００５７１号公報
　比較的板厚の薄い板材のうち、板厚が例えば６ｍｍ～３０ｍｍの板材を厚板、板厚が例えば０．１ｍｍ～６ｍｍの板材を薄板と称することとする。なお、当業界では板厚が例えば２ｍｍ～１２ｍｍの板材を中厚板と称す場合もある。同じレーザ加工機で加工条件のみを変更することによって厚板と薄板とを切断加工することは困難である。ここでの加工条件とは、例えば、レーザ光のパワー、レーザ光をパルス発振させるときのパルスのデューティ、焦点位置、アシストガスの種類またはガス圧である。
　そこで、従来のレーザ加工機においては、厚板と薄板との双方を切断加工するために、レンズ等の光学系要素または加工ノズルのようなレーザ加工機の構成部品を交換しなければならない。構成部品の交換は煩雑であり、コストの上昇を招くことから、構成部品を交換することなく、厚板と薄板との双方を切断加工することができるレーザ加工機が望まれる。
　実施形態は、構成部品を交換することなく、所定の範囲の板厚の板材を切断加工することができるレーザ加工機を提供することを目的とする。
　実施形態の一態様によれば、レーザ発振器より射出されたレーザ光のビームパラメータ積を可変させるビームパラメータ積可変装置と、前記ビームパラメータ積可変装置より射出されたレーザ光のビーム径を可変させるビーム径可変装置とを備え、前記ビームパラメータ積可変装置は、レーザ光のビームパラメータ積を所定の値に設定しており、前記ビーム径可変装置は、光軸方向に移動自在とされ、正の焦点距離を有して、レーザ光の射出端より射出されたレーザ光の拡散光を収束光に変換する第１のレンズと、光軸方向に移動自在とされ、負の焦点距離を有して、前記収束光が入射される第２のレンズとを有し、前記第２のレンズは、前記第１のレンズの光軸方向の位置に対応して、前記収束光が集光する位置から前記第１のレンズ側に、前記第２のレンズの焦点距離と同じ距離だけずらした位置に配置されて、前記収束光を平行光に変換するように構成されており、正の焦点距離を有し、前記ビーム径可変装置より射出されたレーザ光を集光して板材に照射させる第３のレンズをさらに備えることを特徴とするレーザ加工機が提供される。
　上記のレーザ加工機において、前記第１のレンズを移動させるための第１の移動機構と、前記第２のレンズを移動させるための第２の移動機構と、前記第１の移動機構を駆動する第１の駆動部と、前記第２の移動機構を駆動する第２の駆動部と、前記第１及び第２のレンズを前記板材の加工条件に応じて移動させるよう、前記第１及び第２の駆動部を制御する制御部とをさらに備えることが好ましい。
　上記のレーザ加工機において、前記制御部は、レーザ光のビームパラメータ積を可変させるよう前記ビームパラメータ積可変装置を制御することが好ましい。
　前記制御部は、前記板材の板厚が薄いほど集光径を小さくするよう、前記第３のレンズに入射されるレーザ光のビーム径を大きくし、前記板材の板厚が厚いほど集光径を大きくするよう、前記第３のレンズに入射されるレーザ光のビーム径を小さくするよう前記第１及び第２の駆動部を制御する。前記第１及び第２の駆動部が前記第１及び第２のレンズを移動させても、前記第３のレンズより射出されて前記板材に集光するレーザ光の焦点位置は一定である。
　上記のレーザ加工機において、前記第３のレンズは光軸方向に移動自在とされ、レーザ光の焦点位置を変化させるように構成されていることが好ましい。
　上記のレーザ加工機において、前記第１のレンズを移動させるための第１の移動機構と、前記第２のレンズを移動させるための第２の移動機構と、前記第３のレンズを移動させるための第３の移動機構と、前記第１の移動機構を駆動する第１の駆動部と、前記第２の移動機構を駆動する第２の駆動部と、前記第３の移動機構を駆動する第３の駆動部と、前記第１のレンズ、前記第２のレンズ、及び、前記第３のレンズを前記板材の加工条件に応じて移動させるよう、前記第１の駆動部、前記第２の駆動部、及び、前記第３の駆動部を制御する制御部とをさらに備えることが好ましい。
　上記のレーザ加工機において、前記制御部は、レーザ光のビームパラメータ積を可変させるよう前記ビームパラメータ積可変装置を制御することが好ましい。
　実施形態のレーザ加工機によれば、構成部品を交換することなく、所定の範囲の板厚の板材を切断加工することができる。
図１は、一実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す斜視図である。 図２は、図１中のレーザ発振器１１をファイバレーザ発振器１１Ｆで構成した場合の概略的な構成を示す図である。 図３は、図１中のレーザ発振器１１をダイレクトダイオードレーザ発振器１１Ｄで構成した場合の概略的な構成を示す図である。 図４は、図１中のビームパラメータ積可変装置３１の構成例を示す図である。 図５は、図１中の凸レンズ２８と凹レンズ３０と集光レンズ２７を移動自在にする概略的な構成例を示す図である。 図６は、凸レンズ２８と凹レンズ３０と集光レンズ２７の移動のさせ方を説明するための図である。 図７は、レーザ光の集光径及び発散角を説明するための図である。 図８は、ビームパラメータ積可変装置３１の作用を説明するための図である。
　以下、一実施形態のレーザ加工機について、添付図面を参照して説明する。図１において、レーザ加工機１００は、レーザ光を生成して射出するレーザ発振器１１と、レーザ発振器１１より射出されたレーザ光のビームパラメータ積（Beam Parameter Products）を可変させるビームパラメータ積可変装置３１と、レーザ加工ユニット１５とを備える。以下、ビームパラメータ積をＢＰＰ、ビームパラメータ積可変装置３１をＢＰＰ積可変装置３１と称することとする。
　レーザ発振器１１とＢＰＰ積可変装置３１とはフィーディングファイバ１２１で接続されており、フィーディングファイバ１２１はレーザ発振器１１より射出されたレーザ光をＢＰＰ積可変装置３１へと伝送する。
　ＢＰＰ積可変装置３１とレーザ加工ユニット１５とはプロセスファイバ１２２で接続されており、プロセスファイバ１２２はＢＰＰ積可変装置３１より射出されたレーザ光をレーザ加工ユニット１５へと伝送する。プロセスファイバ１２２は、レーザ加工ユニット１５に配置されたＸ軸及びＹ軸のケーブルダクト（図示せず）に沿って装着されている。
　レーザ加工機１００は、レーザ発振器１１より射出されたレーザ光によって、金属の板材Ｗ１を切断加工する。
　レーザ発振器１１としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザ光を射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザ光を直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器１１は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）である。
　レーザ加工ユニット１５は、板材Ｗ１を載せる加工テーブル２１と、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在である門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在であるＹ軸キャリッジ２３とを有する。また、レーザ加工ユニット１５は、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット２９を有する。
　コリメータユニット２９は、プロセスファイバ１２２の射出端より射出したレーザ光が入射される凸レンズ２８と、凸レンズ２８より射出したレーザ光が入射される凹レンズ３０とを有する。また、コリメータユニット２９は、凹レンズ３０より射出したレーザ光をＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー２５と、ベンドミラー２５で反射したレーザ光を集光させる集光レンズ２７と、加工ヘッド２６とを有する。
　凸レンズ２８は正の焦点距離を有するレンズ、凹レンズ３０は負の焦点距離を有するレンズ、集光レンズ２７は正の焦点距離を有するレンズである。集光レンズ２７は凸レンズである。凸レンズ２８と凹レンズ３０とは、入射されたレーザ光の個々のビームを平行光化するコリメートレンズの機能を有する。
　後述するように、凸レンズ２８と凹レンズ３０と集光レンズ２７とは光軸方向に移動自在に構成されている。凸レンズ２８及び凹レンズ３０は、ビーム径を可変させるビーム径可変装置３２（図５または図６参照）を構成する。
　凸レンズ２８及び凹レンズ３０、ベンドミラー２５、集光レンズ２７、加工ヘッド２６は、予め光軸が調整された状態でコリメータユニット２９内に配置されている。
　コリメータユニット２９は、Ｙ軸方向に移動自在のＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸方向に移動自在のＸ軸キャリッジ２２に設けられている。よって、レーザ加工ユニット１５は、加工ヘッド２６から射出されるレーザ光を板材Ｗ１に照射する位置を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動させることができる。
　以上の構成によって、レーザ加工機１００は、レーザ発振器１１より射出されたレーザ光を、ＢＰＰ積可変装置３１を介してレーザ加工ユニット１５へと伝送させ、集光レンズ２７によって集光されたレーザ光を板材Ｗ１に照射して板材Ｗ１を切断加工することができる。図１においては、ＢＰＰ積可変装置３１をレーザ発振器１１の外部に設けているが、ＢＰＰ積可変装置３１をレーザ発振器１１の筐体の内部に設けてもよい。
　なお、板材Ｗ１を切断加工するとき、板材Ｗ１には溶融物を除去するためのアシストガスが噴射される。図１では、アシストガスを噴射する構成については図示を省略している。
　図２は、レーザ発振器１１をファイバレーザ発振器１１Ｆで構成した場合の概略的な構成を示している。図２において、複数のレーザダイオード１１０はそれぞれ波長λのレーザ光を射出する。励起コンバイナ１１１は、複数のレーザダイオード１１０より射出されたレーザ光を空間ビーム結合させる。
　励起コンバイナ１１１より射出されたレーザ光は、２つのファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）１１２及び１１４間のＹｂドープファイバ１１３に入射される。Ｙｂドープファイバ１１３とは、コアに希土類のＹｂ（イッテルビウム）元素が添加されたファイバである。
　Ｙｂドープファイバ１１３に入射されたレーザ光は、ＦＢＧ１１２及び１１４間で往復を繰り返し、ＦＢＧ１１４からは、波長λとは異なる概ね１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍの波長λ’（１μｍ帯）のレーザ光が射出される。ＦＢＧ１１４から射出されたレーザ光は、フィーディングファイバ１１５及びビームカップラ１１６を介してフィーディングファイバ１２１に入射される。ビームカップラ１１６は、レンズ１１６１及び１１６２を有する。
　図３は、レーザ発振器１１をＤＤＬ発振器１１Ｄで構成した場合の概略的な構成を示している。図３において、複数のレーザダイオード１１７はそれぞれ互いに異なる波長λ１～λｎのレーザ光を射出する。波長λ１～λｎ（１μｍ帯より短い波長帯）は、例えば９１０ｎｍ～９５０ｎｍである。
　オプティカルボックス１１８は、複数のレーザダイオード１１７より射出された波長λ１～λｎのレーザ光を空間ビーム結合させる。オプティカルボックス１１８は、コリメートレンズ1181と、グレーティング1182と、集光レンズ1183とを有する。
　コリメートレンズ1181は、波長λ１～λｎのレーザ光を平行光化する。グレーティング1182は、平行光化されたレーザ光の方向を９０度曲げ、集光レンズ1183に入射させる。集光レンズ1183は、入射されたレーザ光を集光してフィーディングファイバ１２１に入射される。
　図４を用いて、ＢＰＰ積可変装置３１の構成例を説明する。ＢＰＰ積可変装置３１は、フィーディングファイバ１２１の射出端とプロセスファイバ１２２の入射端との間に配置された集光レンズ３１１と、フィーディングファイバ１２１の端部の位置を移動させる移動機構３１２とを有する。
　図４に示すように、プロセスファイバ１２２は、コア１２２１の周囲をクラッド１２２２が覆う構成である。コア１２２１の屈折率はクラッド１２２２の屈折率よりも高い。フィーディングファイバ１２１も同様の構成である。
　移動機構３１２によって集光レンズ３１１に対するフィーディングファイバ１２１の端部の位置を変化させると、集光レンズ３１１に入射するレーザ光の入射位置が変化し、集光レンズ３１１がプロセスファイバ１２２のコア１２２１に入射するレーザ光の入射角度を変化させる。
　フィーディングファイバ１２１が実線で示す位置にあるときレーザ光は実線で示すように進行し、フィーディングファイバ１２１が一点鎖線で示す位置にあるときレーザ光は一点鎖線で示すように進行する。その結果、プロセスファイバ１２２より射出されるレーザ光のＢＰＰは変化する。
　ＢＰＰ積可変装置３１は図４に示す構成に限定されることはなく、ＢＰＰを変化させることができる構成であれば任意の構成でよい。フィーディングファイバ１２１の位置を固定させて、レンズを移動させることによってプロセスファイバ１２２に入射するレーザ光の入射角度を変化させる構成であってもよい。プロセスファイバ１２２の入射端にさらにレンズを備えていてもよい。
　図５を用いて、凸レンズ２８と凹レンズ３０と集光レンズ２７を移動自在する概略的な構成例を説明する。図５において、ビーム径可変装置３２を構成する凸レンズ２８及び凹レンズ３０は、それぞれ、凸レンズ２８及び凹レンズ３０を光軸方向（図１のＸ軸方向）に移動自在とするための移動機構２８１及び３０１に取り付けられている。集光レンズ２７は、集光レンズ２７を光軸方向（図１のＺ軸方向）に移動自在とするための移動機構２７１に取り付けられている。
　移動機構２８１，３０１及び２７１は、例えば、ギア、ベルト、ラック・ピニオン、ウォームギア、ボールねじ等のいずれか（またはこれらの任意の組み合わせ）を用いて、凸レンズ２８と凹レンズ３０と集光レンズ２７とのそれぞれを移動自在にする機構であればよい。
　凸レンズ２８と凹レンズ３０と集光レンズ２７は、それぞれ、駆動部２８２，３０２及び２７２が移動機構２８１，３０１及び２７１を駆動することによって、矢印で示すように光軸方向に移動する。駆動部２８２，３０２及び２７２は、例えばモータである。
　制御部５０は、駆動部２８２，３０２及び２７２を制御する。制御部５０は、マイクロプロセッサで構成することができる。制御部５０は、レーザ加工機１００の全体を制御するＮＣ装置であってもよい。
　オペレータは、操作部５１を操作して、板材Ｗ１の材料の種別、板材Ｗ１の板厚、レーザ光の集光径、焦点位置等の各種の加工条件を設定することができる。板材Ｗ１の材料は、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、銅、真鍮である。板材Ｗ１の板厚は、例えば、０．１ｍｍ～３０ｍｍを所定の範囲として、所定の範囲内のいずれかの板厚である。
　制御部５０は、操作部５１によって入力された板材Ｗ１の加工条件に応じて凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置を調整するよう、駆動部２８２及び３０２による移動機構２８１及び３０１の駆動を制御する。
　操作部５１によってレーザ光の集光径が入力された場合には、制御部５０は、入力された集光径に応じて凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置を調整するよう駆動部２８２及び３０２を制御する。
　レーザ光の集光径が入力されなくても、板材Ｗ１の材料の種別及び板厚が入力されれば、最適な集光径はほぼ決まる。操作部５１によって板材Ｗ１の材料の種別及び板厚が入力された場合には、制御部５０は、入力された材料の種別及び板厚に対応する集光径に応じて、凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置を調整するよう駆動部２８２及び３０２を制御することができる。
　制御部５０は、加工条件に基づいて必要な集光径を計算によって求めてもよいし、予め保持されたそれぞれの加工条件に対応する集光径を読み出してもよい。
　操作部５１によって焦点位置が入力された場合には、制御部５０は、入力された焦点位置に応じて集光レンズ２７の位置を調整するよう、駆動部２７２による移動機構２７１の駆動を制御する。
　図５において、プロセスファイバ１２２の射出端１２２ｅから、一点鎖線で示すようにレーザ光が発散光として射出する。
　凸レンズ２８は、射出端１２２ｅから凸レンズ２８までの距離が凸レンズ２８の焦点距離以下となるように配置されている。よって、凸レンズ２８は、レーザ光の拡散光を収束光に変換する。制御部５０は、凸レンズ２８を、射出端１２２ｅから凸レンズ２８までの距離が凸レンズ２８の焦点距離以下となる範囲で光軸方向に移動させることができる。
　凹レンズ３０が後述する最適な位置に配置されていると、凹レンズ３０は収束光を平行光に変換する。ここでの平行光とは、レーザ光の光束が平行光であるということである。凹レンズ３０から射出した平行光はベンドミラー２５で反射して光路が曲げられ、集光レンズ２７に入射する。集光レンズ２７は、焦点位置が板材Ｗ１の表面またはその近傍となるよう平行光を集光して、レーザ光を板材Ｗ１に照射させる。
　制御部５０は、ＢＰＰを変化させるよう、ＢＰＰ積可変装置３１を制御することがある。
　図６（ａ）～（ｃ）を用いて、ビーム径可変装置３２による作用を説明する。図６（ａ）～（ｃ）は、図５におけるベンドミラー２５を省略して、光軸が一直線となるように凸レンズ２８と凹レンズ３０と集光レンズ２７とを配置した状態を概念的に示している。
　図６（ａ）～（ｃ）において、仮に凹レンズ３０が存在せず、凸レンズ２８からの収束光が集光する位置を点Pf28とする。凹レンズ３０を、点Pf28より凸レンズ２８側に、凹レンズ３０の焦点距離と同じ距離Ｌだけずらした位置に配置すると、凹レンズ３０は収束光を平行光に変換する。
　図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、凹レンズ３０から射出する平行光のビーム径Ｄは、凸レンズ２８から射出する収束光の収束角に応じて変化する。
　図７は、板材Ｗ１の表面またはその近傍に集光するレーザ光のビームウェイスト周辺を拡大して概念的に示している。図７の左側が板材Ｗ１の上方側、右側が板材Ｗ１の下方側である。
　集光径ｄは式（１）で表される。レイリー長Ｚｒは式（２）で表される。式（１）及び（２）において、ｆは集光レンズ２７の焦点距離である。なお、ＢＰＰは、ビームウェイストの半径ｄ／２とビームの発散角の半値半幅θとの積で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ＢＰＰは、凸レンズ２８及び凹レンズ３０、または、集光レンズ２７を移動させても変化しない。ＢＰＰ積可変装置３１によってＢＰＰを変化させないとすると、式（１）及び（２）より、集光径ｄ及びレイリー長Ｚｒはビーム径Ｄに応じて決まり、ビーム径Ｄが変化すると集光径ｄ及びレイリー長Ｚｒは変化する。
　ビーム径Ｄが大きくなると集光径ｄ及びレイリー長Ｚｒが小さくなり、パワー密度が高くなって薄板に適したビームプロファイルとなる。ビーム径Ｄが小さくなると集光径ｄ及びレイリー長Ｚｒが大きくなり、パワー密度が低くなって厚板に適したビームプロファイルとなる。
　制御部５０は、式（１）に基づいて、目標とする集光径ｄとなるビーム径Ｄを算出し、凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置が算出したビーム径Ｄを実現する位置となるよう、駆動部２８２及び３０２を制御して、凸レンズ２８及び凹レンズ３０を移動させる。
　詳細には、制御部５０は、凸レンズ２８から射出されるレーザ光の収束角が目標とするビーム径Ｄが得られる収束角となるように凸レンズ２８を移動させる。これに加えて、制御部５０は、凸レンズ２８の光軸方向の位置に対応して、収束光を平行光に変換するよう、凹レンズ３０を点Pf28より凸レンズ２８側に距離Ｌだけずらした位置に移動させる。
　制御部５０は、目標とするビーム径Ｄ及び集光径ｄとするための凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置を算出して、凸レンズ２８及び凹レンズ３０を移動させる。
　図６（ａ）及び（ｂ）より分かるように、集光レンズ２７は平行光を集光するため、凹レンズ３０の位置が変化してもレーザ光の焦点位置は変化しない。
　以上のように、制御部５０は、板材Ｗ１の板厚が薄いほど集光径を小さくするよう、集光レンズ２７入射されるレーザ光のビーム径を大きくし、板材Ｗ１の板厚が厚いほど集光径を大きくするよう、集光レンズ２７入射されるレーザ光のビーム径を小さくするよう駆動部２８２及び３０２を制御する。駆動部２８２及び３０２が凸レンズ２８及び凹レンズ３０を移動させても、集光レンズ２７より射出されて板材Ｗ１に集光するレーザ光の焦点位置は一定であり変化しない。
　なお、ビーム径Ｄ内の光強度分布は、プロセスファイバ１２２のコアとクラッドに伝達されるレーザ光の反射合成によって形成される。図６（ａ）及び（ｂ）のようにビーム径Ｄが変化しても、ビーム径Ｄ内の光強度分布はほとんど変化せず、変化したとしても極めてわずかである。
　制御部５０が集光レンズ２７を移動させると、図６（ｃ）に示すように、焦点位置を変化させることができる。板材Ｗ１の表面を焦点位置とするのではなく、板材Ｗ１の表面または裏面からわずかにずらした位置を焦点位置として切断加工する場合がある。
　操作部５１によって焦点位置が入力された場合には、制御部５０は、入力された焦点位置となるよう、駆動部２７２を制御して、集光レンズ２７を移動させる。集光レンズ２７を移動させて焦点位置を変更しても、集光径ｄは変化しない。
　次に、図８（ａ）～（ｄ）を用いて、ＢＰＰ積可変装置３１の作用を説明する。式（１）及び（２）より、集光径ｄ及びレイリー長ＺｒはＢＰＰによって変化する。図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すビーム径Ｄ１は、集光レンズ２７で許容可能な最大径であるとする。制御部５０が図８（ａ）におけるＢＰＰを図８（ｂ）におけるＢＰＰよりも小さくなるようにＢＰＰ積可変装置３１を制御したとする。
　ＢＰＰ積可変装置３１によってＢＰＰを変化させると、ビームの発散角が大きくなるため、ビーム径Ｄをビーム径Ｄ１で共通とするためには、凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置を異ならせる必要がある。図８（ａ）と図８（ｂ）とで凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置が異なっているのは、ＢＰＰを変化させながら、ビーム径Ｄをビーム径Ｄ１で共通としているためである。
　ＢＰＰ積可変装置３１によって図８（ａ）におけるＢＰＰを図８（ｂ）におけるＢＰＰよりも小さくすることにより、図８（ａ）における集光径ｄを図８（ｂ）における集光径ｄよりも小さくすることができる。図８（ａ）における集光径ｄをｄ１、図８（ｂ）における集光径ｄをｄ２とすると、ｄ１＜ｄ２となる。
　図８（ｃ）及び図８（ｄ）に示すビーム径Ｄ２は、集光レンズ２７で許容可能な最小径であるとする。最小径は、熱レンズの影響や集光レンズ２７のコーティングの耐光強度で決まる。制御部５０が図８（ｄ）におけるＢＰＰを図８（ｃ）におけるＢＰＰよりも大きくなるようにＢＰＰ積可変装置３１を制御したとする。
　同様に、図８（ｃ）と図８（ｄ）とで凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置が異なっているのは、ＢＰＰを変化させながら、ビーム径Ｄをビーム径Ｄ２で共通としているためである。
　ＢＰＰ積可変装置３１によって図８（ｄ）におけるＢＰＰを図８（ｃ）におけるＢＰＰよりも大きくすることにより、図８（ｄ）における集光径ｄを図８（ｃ）における集光径ｄよりも大きくすることができる。図８（ｃ）における集光径ｄをｄ３、図８（ｄ）における集光径ｄをｄ４とすると、ｄ３＜ｄ４となる。
　制御部５０は、ＢＰＰが所定の値となるようにＢＰＰ積可変装置３１を制御し、かつ、所望のビーム径Ｄとなるように凸レンズ２８及び凹レンズ３０の位置を決定するよう駆動部２８２及び３０２を制御すればよい。
　本実施形態のレーザ加工機１００においては、ＢＰＰ積可変装置３１及びビーム径可変装置３２を備えるから、ＢＰＰ積可変装置３１のみで集光径ｄを異ならせることができ、ビーム径可変装置３２のみで集光径ｄを異ならせることができる。また、ＢＰＰ積可変装置３１とビーム径可変装置３２との双方で集光径ｄを異ならせることもできる。
　図８（ａ）～（ｄ）に示すように、ビーム径Ｄが最大値のビーム径Ｄ１から最小値のビーム径Ｄ２までの範囲で変化するとする。ＢＰＰ積可変装置３１によってＢＰＰの値がＢＰＰ１からＢＰＰ２までの範囲で変化するとする。図８（ａ）及び図８（ｃ）ではＢＰＰの値はＢＰＰ１、図８（ｂ）及び図８（ｄ）ではＢＰＰの値はＢＰＰ２である。
　この場合、ＢＰＰの値がＢＰＰ１で固定であれば、集光径ｄはｄ１からｄ３までの範囲で変化し、ＢＰＰの値がＢＰＰ２で固定であれば、集光径ｄはｄ２からｄ４までの範囲で変化する。本実施形態のレーザ加工機１００においては、ＢＰＰを可変させることによって、集光径ｄをｄ１からｄ４までの範囲で変化させることができる。
　ＢＰＰとビーム径Ｄとの少なくとも一方を変化させることによって、集光径ｄを変化させることができる。ＢＰＰとビーム径Ｄとの双方を変化させれば、集光径ｄを広範囲に変化させることができる。
　本実施形態のレーザ加工機１００によれば、ＢＰＰ積可変装置３１とビーム径可変装置３２とを備えて集光径ｄを広範囲に調整できるから、適切に切断加工することができる板厚の範囲を広げることができる。
　ＢＰＰ積可変装置３１によるＢＰＰの可変範囲を１．５～５ｍｍ・ｍｒａｄ（即ち、１～３．３３倍）とし、ビーム径可変装置３２によるビーム径Ｄの可変範囲を１～３倍とすると、式（１）より集光径ｄを１～１０倍に可変させることができる。ＢＰＰの可変範囲をさらに大きくすれば、集光径ｄをさらに広範囲に可変させることができる。
　本実施形態のレーザ加工機１００によれば、ビーム形状としてガウシアン形状とリング形状とのうちのいずれかを適宜に選択することができる。
　本実施形態のレーザ加工機１００によれば、板材Ｗ１の板厚及び材質に応じてビームウェイストを調整し、もってＢＰＰを調整して、板材Ｗ１に照射されるレーザ光のパワー密度の分布を適切に制御することができる。本実施形態のレーザ加工機１００によれば、ビームウェイスト及びパワー密度の分布を適切に制御して板材Ｗ１の融解時間及び切断速度を適切に調整することによって、板材Ｗ１の切断面粗さを良好にすることができる。
　本実施形態のレーザ加工機１００によれば、集光径ｄと焦点位置とを互いに独立して調整することができる。焦点位置を変更させる必要がない場合には、集光レンズ２７の位置を固定として、凸レンズ２８及び凹レンズ３０のみを移動自在に構成してもよい。
　制御部５０は、板材Ｗ１の板厚に応じて連続的に集光径ｄを調整してもよいし、例えば、板厚を６ｍｍ～３０ｍｍの厚板と、０．１ｍｍ～６ｍｍの板材を薄板とに分けて、集光径ｄを２段階で調整してもよい。さらに、板厚を１２ｍｍ～３０ｍｍの厚板と、２ｍｍ～１２ｍｍの中厚板と、０．１ｍｍ～２ｍｍの板材を薄板と分けて、集光径ｄを３段階で調整してもよい。制御部５０は、板材Ｗ１の板厚を４つ以上のグループに分けて、集光径ｄを４段階以上で調整してもよい。
　本実施形態のレーザ加工機１００は、集光径ｄを調整することができるため、レンズ等の構成部品を交換することなく、所定の範囲の板厚の板材Ｗ１をそれぞれの板厚に合わせて適切に切断加工することができる。
　本実施形態のレーザ加工機１００によれば、正の焦点距離を有する第１のレンズ（凸レンズ２８）と、負の焦点距離を有する第２のレンズ（凹レンズ３０）と、正の焦点距離を有する第３のレンズ（集光レンズ２７）との３枚のレンズを用いればよい。よって、特許文献１に記載の構成よりも構成を簡略化でき、構成部品を交換することなく所定の範囲の板厚の板材を切断加工することができるレーザ加工機を低コストで実現することができる。
　本実施形態のレーザ加工機１００によれば、少なくとも第１及び第２のレンズのみを移動自在に構成することによって、板厚に合わせた適切な切断加工を実現することができる。
　本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
　本発明は、レーザ光によって複数の板厚の板材を切断加工する際に利用できる。

Claims (7)

  1. 　レーザ発振器より射出されたレーザ光のビームパラメータ積を可変させるビームパラメータ積可変装置と、
    　前記ビームパラメータ積可変装置より射出されたレーザ光のビーム径を可変させるビーム径可変装置と、
    　を備え、
    　前記ビームパラメータ積可変装置は、レーザ光のビームパラメータ積を所定の値に設定しており、
    　前記ビーム径可変装置は、
    　光軸方向に移動自在とされ、正の焦点距離を有して、レーザ光の射出端より射出されたレーザ光の拡散光を収束光に変換する第１のレンズと、
    　光軸方向に移動自在とされ、負の焦点距離を有して、前記収束光が入射される第２のレンズと、
    　を有し、
    　前記第２のレンズは、前記第１のレンズの光軸方向の位置に対応して、前記収束光が集光する位置から前記第１のレンズ側に、前記第２のレンズの焦点距離と同じ距離だけずらした位置に配置されて、前記収束光を平行光に変換するように構成されており、
    　正の焦点距離を有し、前記ビーム径可変装置より射出されたレーザ光を集光して板材に照射させる第３のレンズをさらに備える
    　ことを特徴とするレーザ加工機。
  2. 　前記第１のレンズを移動させるための第１の移動機構と、
    　前記第２のレンズを移動させるための第２の移動機構と、
    　前記第１の移動機構を駆動する第１の駆動部と、
    　前記第２の移動機構を駆動する第２の駆動部と、
    　前記第１及び第２のレンズを前記板材の加工条件に応じて移動させるよう、前記第１及び第２の駆動部を制御する制御部と、
    　をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
  3. 　前記制御部は、レーザ光のビームパラメータ積を可変させるよう前記ビームパラメータ積可変装置を制御することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工機。
  4. 　前記制御部は、前記板材の板厚が薄いほど集光径を小さくするよう、前記第３のレンズに入射されるレーザ光のビーム径を大きくし、前記板材の板厚が厚いほど集光径を大きくするよう、前記第３のレンズに入射されるレーザ光のビーム径を小さくするよう前記第１及び第２の駆動部を制御し、
    　前記第１及び第２の駆動部が前記第１及び第２のレンズを移動させても、前記第３のレンズより射出されて前記板材に集光するレーザ光の焦点位置は一定である
    　ことを特徴とする請求項２または３に記載のレーザ加工機。
  5. 　前記第３のレンズは光軸方向に移動自在とされ、レーザ光の焦点位置を変化させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
  6. 　前記第１のレンズを移動させるための第１の移動機構と、
    　前記第２のレンズを移動させるための第２の移動機構と、
    　前記第３のレンズを移動させるための第３の移動機構と、
    　前記第１の移動機構を駆動する第１の駆動部と、
    　前記第２の移動機構を駆動する第２の駆動部と、
    　前記第３の移動機構を駆動する第３の駆動部と、
    　前記第１のレンズ、前記第２のレンズ、及び、前記第３のレンズを前記板材の加工条件に応じて移動させるよう、前記第１の駆動部、前記第２の駆動部、及び、前記第３の駆動部を制御する制御部と、
    　をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工機。
  7. 　前記制御部は、レーザ光のビームパラメータ積を可変させるよう前記ビームパラメータ積可変装置を制御することを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工機。
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