專利名稱：激光加工裝置以及激光加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光加工裝置以及激光加工方法，其利用高功率的光纖激光振蕩器的激光，將金屬板切斷。
背景技術(shù)：
作為在工業(yè)用加工中使用的高功率的激光振蕩器，已知YAG激光器和二氧化碳激光器。由于聚光性的不同，YAG激光器用于刻標(biāo)器(marker)或焊接，二氧化碳激光器用于金屬的切斷加工中。例如，在專利文獻(xiàn)1中，提出了一種利用二氧化碳激光器的激光切斷方法。在專利文獻(xiàn)1的方法中，為了使切斷面的品質(zhì)不產(chǎn)生差異，而使光路長(zhǎng)度和入射光束直徑可以與加工對(duì)象(被加工物)的板厚相對(duì)應(yīng)地變化。另一方面，近年來(lái)，利用光纖激光器進(jìn)行激光加工的開(kāi)發(fā)逐漸盛行。光纖激光器具有下述等此前沒(méi)有的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即，采用不需要如現(xiàn)有的激光振蕩器那樣進(jìn)行光學(xué)校準(zhǔn)的整體式構(gòu)造，與用于進(jìn)行激勵(lì)的半導(dǎo)體激光器的輸入光量相對(duì)的變換效率高且節(jié)能，用于進(jìn)行振蕩的激光器的功率高。從高功率且節(jié)能的角度出發(fā)，作為現(xiàn)有的利用YAG介質(zhì)等的固體激光振蕩器的置換品，開(kāi)始向激光刻標(biāo)器或激光焊接機(jī)應(yīng)用。作為光纖激光器今后所影響的市場(chǎng)，在當(dāng)前最適合利用二氧化碳激光器的金屬板等的切斷中所使用的加工機(jī)的市場(chǎng)受到關(guān)注。其原因在于，可以在高功率的同時(shí)確保難以由現(xiàn)有的YAG激光器實(shí)現(xiàn)的二氧化碳激光器程度的聚光性。專利文獻(xiàn)1 日本特開(kāi)平04-253584號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
但是，光纖激光器存在下述問(wèn)題，即，用戶需求最多的厚度大于或等于6mm的低碳鋼或鐵的切斷品質(zhì)不如現(xiàn)有的激光加工機(jī)。本發(fā)明就是鑒于上述問(wèn)題而提出的，其目的在于，得到一種激光加工裝置以及激光加工方法，其可以利用光纖激光器，提高包含厚度大于或等于6mm的中厚板在內(nèi)的金屬的切斷品質(zhì)。為了解決上述的課題，實(shí)現(xiàn)目的，本發(fā)明的特征在于，具有聚光單元及加工單元， 其以下述方式將縮頂(top hat)形狀的激光聚光，并向加工對(duì)象照射，即，使與所述加工對(duì)象的加工閾值相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度的位置處所述縮頂形狀的激光的光束直徑，成為具有與所述縮頂形狀的激光大致相同的光束品質(zhì)的高斯模式的激光在所述位置處的光束直徑的大約3倍。發(fā)明的效果 根據(jù)本發(fā)明，具有下述效果，即，可以利用光纖激光器，使包含厚度大于或等于6mm 的中厚板在內(nèi)的金屬的切斷品質(zhì)提高。


圖1是表示現(xiàn)有的利用二氧化碳激光振蕩器的激光切斷加工裝置的概要的說(shuō)明圖。圖2是表示實(shí)施方式1的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。圖3是表示在條件(1)下在板厚6mm時(shí)切斷后的加工面的圖。圖4是表示在條件⑵下在板厚6mm時(shí)切斷后的加工面的圖。圖5是表示光束的形狀及其加工閾值之間的關(guān)系的圖。圖6是表示光束直徑和焦點(diǎn)位置之間的關(guān)系的圖。圖7是表示光束直徑和焦點(diǎn)位置之間的關(guān)系的圖。圖8是表示焦點(diǎn)深度和聚光束徑之間的關(guān)系的圖。圖9是表示將板厚16mm的低碳鋼切斷后的加工面的圖。圖10是表示實(shí)施方式2的激光加工裝置的加工頭的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。圖11是表示將聚光束徑設(shè)為大約0. 7mm,將6mm、12mm、16mm的各板厚的低碳鋼切斷時(shí)的加工條件的例子的圖表。符號(hào)的說(shuō)明1 二氧化碳激光振蕩器2反射鏡3加工頭4輔助氣體口5 激光6聚光透鏡7被加工物10激光加工裝置13、213 加工頭14輔助氣體口15 激光16聚光透鏡17(a)實(shí)施方式1中的高斯光束的聚光點(diǎn)處的光束形狀17(b)實(shí)施方式1中的縮頂光束的聚光點(diǎn)處的光束形狀18(a)實(shí)施方式1中的高斯光束的聚光后的光束形狀18(b)實(shí)施方式1中的縮頂光束的聚光后的光束形狀18(c)實(shí)施方式2中的縮頂光束的聚光后的光束形狀19光纖激光振蕩器20 光纖21準(zhǔn)直透鏡22被加工物23 噴嘴24孔徑部25光束校正透鏡
26 出口
具體實(shí)施例方式下面，基于附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明所涉及的激光加工裝置以及激光加工方法的實(shí)施方式。另外，本發(fā)明并不受本實(shí)施方式所限定。實(shí)施方式1首先，利用圖1，對(duì)現(xiàn)有的切斷加工中所使用的利用二氧化碳激光振蕩器的激光切斷加工裝置進(jìn)行說(shuō)明。圖1是表示現(xiàn)有的利用二氧化碳激光振蕩器1的激光切斷加工裝置的概要的說(shuō)明圖。通常在金屬的厚板切斷中使用的二氧化碳激光振蕩器1，功率為4 6kW，以低次的高斯模式進(jìn)行振蕩。該模式表示該光束(激光)的品質(zhì)，同時(shí)表示激光的光強(qiáng)度分布，在激光加工中，由于將與該光束的形狀相對(duì)應(yīng)的熱分布向加工對(duì)象施加，所以該模式成為重要的參數(shù)。如圖1所示，從二氧化碳激光振蕩器1射出的激光5，由反射鏡2反射并向加工頭 3引導(dǎo)。加工頭3具有聚光透鏡6，其用于將激光5聚光；輔助氣體口 4，其使氣體以與聚光透鏡6同軸的方式流動(dòng)。由此構(gòu)成為，激光5在被加工物7上聚光，同時(shí)使氣體與該激光同軸地流動(dòng)。在被加工物7上聚光的激光5保持了上述模式的形狀。例如，在將低次高斯模式的激光5聚光后的情況下，焦點(diǎn)處的光束的形狀如17(a)所示。聚光后變寬的光束的形狀也如18(a)所示成為相似形狀。這是當(dāng)前所使用的二氧化碳激光振蕩器1的激光5的特征。為了將如上所述的激光聚光并切斷被加工物7，而通過(guò)控制裝置(未圖示)設(shè)定所照射的激光5的聚光束徑、氣體的種類、氣體的壓力、以及加工速度等各種條件。下面，利用圖2，說(shuō)明利用高功率的光纖激光器而構(gòu)成的實(shí)施方式1所涉及的激光加工裝置。圖2是表示實(shí)施方式1的激光加工裝置10的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。如圖2所示，激光加工裝置10具有光纖激光振蕩器19、光纖20、以及加工頭13。光纖激光振蕩器19射出激光15。光纖20對(duì)從光纖激光振蕩器19振蕩出的激光 15進(jìn)行引導(dǎo)，并向加工頭13傳輸。光纖激光振蕩器19以及光纖20作為振蕩形成縮頂形狀的激光15的激光振蕩單元起作用。作為加工單元的加工頭13具有準(zhǔn)直透鏡21、聚光透鏡16、輔助氣體口 14、以及噴嘴23。準(zhǔn)直透鏡21將激光5變換為平行光束。聚光透鏡16將平行光束聚光，并向被加工物22照射。輔助氣體口 14使氣體以與聚光透鏡16同軸的方式流動(dòng)。噴嘴23將從輔助氣體口 14輸出的氣體向被加工物22噴射。準(zhǔn)直透鏡21以及聚光透鏡16作為將縮頂形狀的激光15聚光并向被加工物22照射的聚光單元起作用。下面，說(shuō)明本實(shí)施方式的激光加工裝置10的動(dòng)作順序。從光纖激光振蕩器19射出的激光15直接通過(guò)光纖20進(jìn)行引導(dǎo)，并向加工頭13傳輸。從光纖20輸出的激光15在加工頭13中暫時(shí)變寬，利用準(zhǔn)直透鏡21變換為平行光束，通過(guò)聚光透鏡16向被加工物22 照射。在加工時(shí)，從輔助氣體口 14將最佳種類以及最佳流量的氣體經(jīng)由噴嘴23向被加工物22噴射。
作為具體例子，說(shuō)明從光纖激光振蕩器19振蕩出大約5kW的激光15并對(duì)被加工物22進(jìn)行加工的方法及其結(jié)果。5kW的激光15通過(guò)纖芯直徑大概0. 4mm的光纖20向加工頭13傳輸，并向被加工物22照射。在此情況下，采取下述方式，即，使激光15在被加工物22上聚光，并以進(jìn)行傳輸?shù)墓饫w20的纖芯直徑為基準(zhǔn)，將相當(dāng)于該纖芯直徑的光斑直徑 (光束直徑)映射在被加工物22的位置上。例如，在上述的準(zhǔn)直透鏡21和聚光透鏡16的焦距相同的情況下，與光纖的纖芯直徑相當(dāng)?shù)墓馐睆郊?. 4mm被映射在聚光點(diǎn)處。通過(guò)改變?cè)摐?zhǔn)直透鏡21和聚光透鏡16的焦距比，從而可以變更聚光束徑。另外，與上述的模式相當(dāng)?shù)墓鈴?qiáng)度分布，反映光纖20的出口沈的纖芯內(nèi)的光束形狀，形成使光強(qiáng)度均勻化后的所謂縮頂形狀(17(b))。在本實(shí)施方式中，控制為以下述方式將激光15聚光，并向被加工物22上照射，即， 使與被加工物22的加工閾值相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度的位置處的激光15的聚光束徑(以下，稱為閾值相當(dāng)光束直徑)，成為同等光束品質(zhì)時(shí)的高斯模式的激光15的閾值相當(dāng)光束直徑的大約3倍。由此，在與板厚相當(dāng)?shù)慕裹c(diǎn)位置附近，可以減少光強(qiáng)度分布的與位置相伴的變化， 因此可以實(shí)現(xiàn)被加工物22的切斷面的品質(zhì)提高。下面，說(shuō)明通過(guò)如上所述對(duì)由光纖激光振蕩器19振蕩形成的激光15的聚光束徑 (閾值相當(dāng)光束直徑)進(jìn)行調(diào)整，從而可以提高切斷面品質(zhì)的原因。首先，作為被加工材料而使用低碳鋼，在下述(1)和(2)這兩個(gè)條件下，將較薄的 Imm板厚至較厚的16mm板厚的被加工物22切斷，并對(duì)其加工狀態(tài)的比較結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明，其中，條件(1)為，噴嘴直徑為Φ 1mm，輔助氣體為氧氣，聚光束徑為0.2mm，條件(2)為，噴嘴直徑為Φ 1mm，輔助氣體為氧氣，聚光束徑為0. 3mm。另外，在這里的聚光束徑與現(xiàn)有的光束品質(zhì)的定義相同，表示包含全部光量?jī)?nèi)的大約86%左右的光量的位置處的光束直徑。另外， 如圖2的說(shuō)明所示，通過(guò)變更準(zhǔn)直透鏡21和聚光透鏡16的焦距的組合，從而可以如上所述變更條件。例如，在小于或等于3mm的較薄的板厚中，加工速度存在差異，但被加工物22的加工品質(zhì)、即切斷加工后的表面狀態(tài)沒(méi)有產(chǎn)生差異。但是，在大于或等于6mm的較厚的板中， 被加工物22的加工品質(zhì)出現(xiàn)較大的差異。圖3是表示在條件(1)下在板厚6mm時(shí)切斷后的加工面的圖。另外，圖4是表示在條件(2)下在板厚6mm時(shí)切斷后的加工面的圖。如果為現(xiàn)有的激光器，則條件(1)及(2)是可以使切斷品質(zhì)不發(fā)生較大變化而進(jìn)行切斷的條件。但是，如圖3及圖4所示，在利用光纖激光器的情況下觀察到較大的差異。 如圖3所示，在聚光束徑0. 2mm下，板上部表面變得粗糙，從發(fā)生由燃燒反應(yīng)導(dǎo)致的熔融的板厚中央至下部表面產(chǎn)生較大的凹凸條紋。但是，如圖4所示，在聚光束徑0.3mm下，板上部表面沒(méi)有變粗糙，從中央至下部表面也保持非常良好的品質(zhì)。通常，在較薄的板中，僅通過(guò)向表面輸入熱量，熱量就傳遞至板的下表面。另外，輔助氣體也不產(chǎn)生影響，在切斷面內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)較大的差異。但是，較厚的被加工物22的切斷面則分為上部表面和下部表面，其中，上部表面為由激光本身形成的切斷面，下部表面為由激光的熱量和輔助氣體引起的燃燒反應(yīng)或該熔融金屬的去除性所形成的切斷面。特別地，認(rèn)為在下部表面處，如果作為輔助氣體的氧氣沒(méi)有到達(dá)而使?jié)舛认陆?，則導(dǎo)致粘渣等嚴(yán)重的品質(zhì)惡化。例如，在專利文獻(xiàn)1中也記載了同樣的內(nèi)容。但是，在上述條件⑴及⑵的試驗(yàn)中，由于即使改變輔助氣體的壓力也沒(méi)有得到較大的改善，以及如圖3及圖4所示加工后的板上部表面的狀態(tài)差異較大，所以推測(cè)為激光本身產(chǎn)生了某種影響。因此，下面，說(shuō)明針對(duì)激光的聚光特性的調(diào)查結(jié)果。如上所述，在利用光纖激光器而構(gòu)成聚光光學(xué)系統(tǒng)的情況下，使用將光纖20的出口沈的纖芯內(nèi)的光束形狀向焦點(diǎn)位置映射的像映射光學(xué)系統(tǒng)。因此，可以期待聚光點(diǎn)處的光束形狀成為與光纖20的出口沈的光束形狀相似的形狀，即圖2的17(b)所示的縮頂形狀。但是，如果對(duì)聚光后的實(shí)際光束形狀進(jìn)行調(diào)查，則如圖2的18(b)所示，可知光束形狀變形，向伴有衍射光的形狀變化。具有如縮頂光束這樣的光強(qiáng)度的光束，大多使用在刻標(biāo)或開(kāi)孔等電子領(lǐng)域中。其原因是，刻標(biāo)或開(kāi)孔是在所加工的對(duì)象表面的小于或等于Imm左右的表面層中進(jìn)行的加工，另外，由于縮頂光束與現(xiàn)有的激光相比光強(qiáng)度均勻，因此，易于將光束本身的光強(qiáng)度分布清楚地反映在加工材料表面上。即，具有如縮頂光束這樣的光強(qiáng)度的光束，沒(méi)有被用于在與焦點(diǎn)位置偏離幾mm的位置上進(jìn)行加工這樣的使用事例中。但是，在中厚板的激光切斷中，如果假設(shè)向被加工物22的板厚方向?qū)霟崃康耐瑫r(shí)進(jìn)行切斷，則應(yīng)對(duì)下述情況進(jìn)行研究，即，聚光點(diǎn)前后、例如直至在表面上生成切斷寬度為止的映射點(diǎn)前后的光束形狀，對(duì)加工產(chǎn)生影響。在現(xiàn)有的激光切斷中，有時(shí)在某些影響下從激光振蕩器發(fā)出的如噪聲這樣的微弱光在材料表面上聚光，影響加工的品質(zhì)。特別地，在高功率且高速地進(jìn)行切斷的情況或?qū)^厚的材料進(jìn)行加工的情況下，可以發(fā)現(xiàn)如上所述的影響。另外，特別地，在切斷低碳鋼或鐵的情況下，在將kW功率的高斯光束聚光的中心位置處，光強(qiáng)度大于或等于MW/cm2，因此往往認(rèn)為微弱的光不會(huì)產(chǎn)生影響。但是，在考慮加工面的品質(zhì)的情況下，必須研究作為加工閾值的幾十kW/cm2程度的光強(qiáng)度。在本實(shí)施方式中，充分地預(yù)想了在加工物內(nèi)表面產(chǎn)生與上述的加工閾值相當(dāng)?shù)墓鈴?qiáng)度，對(duì)加工形成的表面產(chǎn)生不良影響這一情況。因此，對(duì)焦點(diǎn)附近處的光束直徑的變化進(jìn)行了調(diào)查。例如，對(duì)利用5kW的光纖激光器，以聚光束徑成為0. 2mm的方式進(jìn)行聚光的情況進(jìn)行了計(jì)算。如果與現(xiàn)有的光束品質(zhì)的定義相同地，將包含全部光量?jī)?nèi)的大約86%左右的光量的位置處的光束直徑定義為聚光束徑，則在針對(duì)低次高斯光束和縮頂光束使用相同的聚光光學(xué)系統(tǒng)的情況下，當(dāng)然成為相同的聚光束徑。因此，在本實(shí)施方式中，關(guān)注加工閾值的光強(qiáng)度下的光束的動(dòng)作。在被加工物22 為低碳鋼或鐵的情況下，表示該加工所需的最低光強(qiáng)度的加工閾值為50kW/cm2左右。艮口， 低碳鋼或鐵在金屬材料中是具有較低的加工閾值的材料。圖5是表示低次的高斯光束(18(a))和縮頂光束(18(b))中的光束形狀及其加工閾值之間的關(guān)系的圖。如圖5所示，如果在縮頂光束中出現(xiàn)衍射光，則以超過(guò)加工閾值的最外周位置的直徑定義的光束直徑，與低次的高斯光束差異較大。圖6是表示將與加工閾值相當(dāng)?shù)墓鈴?qiáng)度的最外周位置的直徑定義為光束直徑(閾值相當(dāng)光束直徑)的情況下的光束直徑和焦點(diǎn)位置之間的關(guān)系的圖。圖6的實(shí)線601表示從現(xiàn)有的激光振蕩器得到的低次的高斯光束的情況下的關(guān)系。另外，圖6的虛線602表示如光纖激光器那樣的縮頂光束的情況下的關(guān)系。在現(xiàn)有的激光器中使用的高斯光束中，具有與聚光點(diǎn)保持同一形狀的傳輸特性，因此，與焦點(diǎn)位置的變化相伴的與加工閾值相當(dāng)?shù)墓鈴?qiáng)度的光束直徑(閾值相當(dāng)光束直徑)的變化較小。
另一方面，在如光纖激光器那樣的縮頂光束中出現(xiàn)如上所述的衍射光。因此，在最小光束直徑附近的焦點(diǎn)位置處得到矩形形狀的良好地受到了約束的光束。另一方面，在其前后的焦點(diǎn)位置處產(chǎn)生光強(qiáng)度較高的衍射光，因此，閾值相當(dāng)光束直徑示出伴隨著遠(yuǎn)離最小光束直徑附近的焦點(diǎn)位置而大幅度擴(kuò)大的傾向。下面，對(duì)以功率同為5kW且聚光束徑為0. 7mm左右的方式進(jìn)行聚光的情況進(jìn)行了計(jì)算。被加工物22與圖6相同地假設(shè)為低碳鋼，對(duì)于加工中所需的最低的作為加工閾值的光強(qiáng)度50kW/cm2，將這一光強(qiáng)度的最外周位置的直徑，定義為光束直徑(閾值相當(dāng)光束直徑)。圖7是表示該情況下的光束直徑和焦點(diǎn)位置之間的關(guān)系的圖。圖7的實(shí)線701表示低次的高斯光束的情況下的關(guān)系，虛線702表示縮頂光束的情況下的關(guān)系。如圖7所示，在低次的高斯模式下，與如圖6所示聚光為0. 2mm的情況相比，與焦點(diǎn)位置相伴的閾值相當(dāng)光束直徑的變化變小。另外，即使是縮頂光束，也不存在光強(qiáng)度較高的衍射光，成為與低次的高斯光束相同的變化狀態(tài)。下面，針對(duì)如上所述的變化和焦點(diǎn)深度之間的關(guān)系進(jìn)行研究。通常，焦點(diǎn)深度被定義為擴(kuò)寬至最小光束直徑的λ/ 倍的焦點(diǎn)的深度。例如如果利用圖6進(jìn)行說(shuō)明，則縮頂光束以及低次的高斯光束的最小光束直徑分別由最小光束直徑Tl和最小光束直徑Gl表示。 該最小光束直徑的倍的光束直徑成為各虛線的位置。并且，對(duì)于與各虛線和表示閾值相當(dāng)光束直徑的變化的曲線之間的交點(diǎn)相當(dāng)?shù)?個(gè)焦點(diǎn)位置，它們之間的距離相當(dāng)于焦點(diǎn)深度。如圖6的虛線箭頭所示，縮頂光束以及低次的高斯光束各自的焦點(diǎn)深度，成為焦點(diǎn)深度 Τ2和焦點(diǎn)深度G2。如果按照?qǐng)D7等的其他聚光束徑同樣地進(jìn)行解析，則得到各光束的聚光束徑(閾值相當(dāng)光束直徑)和焦點(diǎn)深度之間的關(guān)系。圖8是表示這樣得到的焦點(diǎn)深度和聚光束徑 (閾值相當(dāng)光束直徑)之間的關(guān)系的圖。在圖8中，實(shí)線801表示現(xiàn)有的低次的高斯光束下的關(guān)系，虛線802表示利用光纖激光器等振蕩形成的縮頂光束下的關(guān)系。根據(jù)圖8可知，為了在使縮頂光束與現(xiàn)有的低次的高斯模式具有相同光束品質(zhì)的同時(shí)，以相同程度確保通過(guò)加工閾值定義的焦點(diǎn)深度，與低次的高斯模式相比，必須增大至大約3倍的焦點(diǎn)光束直徑(閾值相當(dāng)光束直徑)。另外，根據(jù)圖8說(shuō)明上述的圖3及圖4所示的加工結(jié)果。即，在焦點(diǎn)光束直徑為 0. 2mm時(shí)(圖3)，如點(diǎn)811所示，僅為0. 5mm左右的焦點(diǎn)深度，因此，上部表面本身粗糙程度較大。如果將焦點(diǎn)光束直徑擴(kuò)大至0. 3mm(圖4)，則如點(diǎn)812所示焦點(diǎn)深度擴(kuò)寬至大約2mm。 由此，可以確保上部表面處的切斷面的加工品質(zhì)。S卩，可以得到良好的加工品質(zhì)。因此，可知為了利用如光纖激光器這樣的縮頂光束，以高加工品質(zhì)對(duì)6mm的板厚進(jìn)行切斷加工，而需要板厚的1/3左右的焦點(diǎn)深度。下面，說(shuō)明利用本實(shí)施方式的方法進(jìn)行低碳鋼16mm的切斷加工試驗(yàn)的結(jié)果。雖然推測(cè)為焦點(diǎn)深度越大越可以確保加工品質(zhì)，但如果過(guò)度地?cái)U(kuò)大，則導(dǎo)致聚光部的光強(qiáng)度的下降，進(jìn)而使加工速度下降。因此，基于圖8，將聚光束徑設(shè)定為約0. 7mm,以確保與板厚的大約1/3相當(dāng)?shù)拇笥诨虻扔?mm的焦點(diǎn)深度。對(duì)于聚光束徑，如上述所示，可以例如通過(guò)改變準(zhǔn)直透鏡21和聚光透鏡16的焦距比而設(shè)定。圖9是表示這樣將板厚16mm的低碳鋼切斷后的加工面的圖。如圖9所示，在加工速度1.4m/min下，板的上表面·中部表面·下表面均可以確保表面粗糙度(Ry)為20 μ m左右的良好品質(zhì)。其結(jié)果，可以說(shuō)與現(xiàn)有的二氧化碳激光器具有相同程度的速度，且具有同等以上的加工品質(zhì)。如上所述，即使是被認(rèn)為加工品質(zhì)遜色的光纖激光器，也可以通過(guò)考慮其光束的動(dòng)作而充分地確保加工品質(zhì)。對(duì)于現(xiàn)有的高斯光束，與板厚相當(dāng)?shù)慕裹c(diǎn)深度是根據(jù)通常的加工光學(xué)系統(tǒng)得到的條件。因此，認(rèn)為對(duì)于相同光束品質(zhì)的光纖激光，也可以得到相同程度的焦點(diǎn)深度。但是， 可知對(duì)于大于或等于6mm左右的板厚的金屬板，受焦點(diǎn)附近處的光束直徑的變化的影響較大，會(huì)導(dǎo)致加工品質(zhì)惡化。其結(jié)果，可知為了在6mm至16mm程度的中厚板中確保加工品質(zhì)同時(shí)進(jìn)行切斷加工，而必須聚光為0. 3mm至0. 7mm的焦點(diǎn)光束直徑(閾值相當(dāng)光束直徑)，以實(shí)現(xiàn)板厚的1/3 左右的焦點(diǎn)深度。即，可知必須形成與現(xiàn)有的高斯激光相比大于或等于3倍的聚光束徑(閾值相當(dāng)光束直徑)。該聚光條件與利用現(xiàn)有的高斯模式進(jìn)行激光加工的條件不同，是根據(jù)光纖激光的光束特性本身得到的、在激光加工中所需的聚光條件。另外，從加工速度的角度出發(fā)，也可以說(shuō)上述0. 7mm的聚光束徑，是利用光纖激光器對(duì)考慮了加工品質(zhì)的16mm厚度以內(nèi)的材料進(jìn)行切斷加工所需的最大的聚光束徑。圖11是表示將聚光束徑設(shè)為大約0. 7mm,將6mm、12mm、16mm的各板厚的低碳鋼切斷時(shí)的加工條件的例子的圖表。在這里，將激光功率、板厚、加工速度、氣體壓力、氣體種類、 噴嘴23的孔徑(噴嘴直徑)、噴嘴23和被加工物22之間的長(zhǎng)度(噴嘴高度)、加工時(shí)的焦點(diǎn)和被加工物22之間的長(zhǎng)度(焦點(diǎn)位置)作為加工條件，將該加工條件下的加工品質(zhì)以表面粗糙度來(lái)表示。由于根據(jù)加工時(shí)設(shè)置的加工條件的不同而加工結(jié)果差異較大，因此，在這里所示的各條件成為用于得到本實(shí)施方式的效果的重要條件?？梢允辜庸て焚|(zhì)(表面粗糙度)與現(xiàn)有的激光加工機(jī)相同，并確保相對(duì)于焦點(diǎn)位置的2mm左右的富裕度。其切斷加工速度大于或等于lm/min，證實(shí)了可以以與現(xiàn)有的激光加工同等、或者更快的速度進(jìn)行切斷。如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，在與板厚相當(dāng)?shù)慕裹c(diǎn)位置附近，可以使光強(qiáng)度分布的與位置相伴的變化減少，因此，實(shí)現(xiàn)被加工物22的切斷面品質(zhì)的提高。另外，由于使用從振蕩器得到的縮頂光束的激光，所以可以將金屬板特別是大于或等于6mm的中厚板的金屬， 在確保表面品質(zhì)的同時(shí)切斷為期望形狀。實(shí)施方式2圖10是表示實(shí)施方式2的激光加工裝置的加工頭213的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。作為加工單元的加工頭213采用對(duì)實(shí)施方式1的加工頭13進(jìn)行改造后的構(gòu)造。圖10表示從光纖20輸出的光通過(guò)加工頭213內(nèi)部的光束校正透鏡25而進(jìn)行一次聚光，并在其聚光點(diǎn)附近設(shè)置有孔徑部M的構(gòu)成例。如上所述，光強(qiáng)度比加工閾值高并擴(kuò)寬的衍射光，對(duì)加工品質(zhì)產(chǎn)生不良影響。因此，將從17(b)所示的縮頂光束向周邊擴(kuò)寬的光強(qiáng)度較高的部分，利用光束校正透鏡25進(jìn)行聚光并通過(guò)孔徑部M除去后，再次進(jìn)行聚光，向被加工物22照射而進(jìn)行加工。另外，圖 10的18(c)表示通過(guò)實(shí)施方式2的加工頭213將縮頂光束聚光后的光束形狀。例如，如果通過(guò)光束校正透鏡25聚光的光束的動(dòng)作為上述圖8中的縮頂光束所示的特性，則在從焦點(diǎn)位置偏離大于或等于2mm的位置上，設(shè)置Φ0. 5mm至Φ Imm程度的孔徑部Μ。由此，可以將成為衍射光的光強(qiáng)度部分除去或者使其降低。其結(jié)果，即使是縮頂光束，也與現(xiàn)有的高斯光束相同地，可以降低焦點(diǎn)附近位置處的光強(qiáng)度的變化。因此，即使在以成為與現(xiàn)有技術(shù)相同的聚光束徑的方式進(jìn)行聚光的情況下，也可以得到與現(xiàn)有技術(shù)同等的焦點(diǎn)深度，可以改善大于或等于6mm的中厚板的激光切斷面。另外，對(duì)于孔徑部M，作為將衍射光除去或者使其降低的方法，可以使用將衍射光吸收的方法、以及將衍射光反射的方法等當(dāng)前使用的所有方法。另外，即使構(gòu)成為替代孔徑部M而利用使衍射光以外的部分透過(guò)的光學(xué)元件，也可以得到同樣的效果。如上所述，實(shí)施方式1及2的激光加工裝置，是在使用了節(jié)能且高功率的光纖激光器進(jìn)行的激光加工中，有利于提高加工面品質(zhì)的手段。為了實(shí)現(xiàn)確保加工品質(zhì)的加工，必須具有下述聚光光學(xué)系統(tǒng)，其除了考慮到焦點(diǎn)位置處的與加工閾值相當(dāng)?shù)墓鈴?qiáng)度的降低之外，還考慮到在與所加工的板厚相對(duì)應(yīng)的焦點(diǎn)范圍內(nèi)，與所加工的材料的加工閾值相當(dāng)?shù)墓鈴?qiáng)度的降低。在上述各實(shí)施方式中，通過(guò)預(yù)想該光強(qiáng)度的變化，降低光強(qiáng)度的變化的影響，從而可以進(jìn)行與現(xiàn)有技術(shù)相當(dāng)或超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的切斷品質(zhì)的加工。對(duì)在實(shí)施方式1及2的激光加工中使用光纖激光器的例子進(jìn)行了說(shuō)明，但只要是伴隨有光纖傳輸且具有與可在切斷加工中使用的二氧化碳激光器同等的聚光性的高功率激光振蕩源，均可以同樣地使用。在實(shí)施方式1及2的激光加工中，即使使用例如伴隨有光纖傳輸?shù)母鞣N固體激光器或光纖耦合的半導(dǎo)體激光器等，也可以得到同樣的效果。另外，以上對(duì)將低碳鋼作為被加工物的例子進(jìn)行了說(shuō)明，但對(duì)于以鐵或不銹鋼為代表的其他金屬，也可以在大于或等于6mm的中厚板加工中應(yīng)用本發(fā)明。另外，上述各實(shí)施方式表示本發(fā)明內(nèi)容的一個(gè)例子，也可以與其他公知的技術(shù)組合，在不脫離本發(fā)明主旨的范圍內(nèi)，可以通過(guò)省略·變更而構(gòu)成。工業(yè)實(shí)用性如上所述，本發(fā)明所涉及的激光加工裝置以及激光加工方法，適合作為利用從高功率的光纖激光振蕩器得到的縮頂光束的激光，對(duì)金屬板特別是中厚板的金屬進(jìn)行切斷的激光加工裝置及方法。
權(quán)利要求
1.一種激光加工裝置，其特征在于，具有激光振蕩單元，其振蕩形成縮頂形狀的激光；以及聚光單元及加工單元，其以下述方式將所述縮頂形狀的激光聚光，并向加工對(duì)象照射， 即，使與所述加工對(duì)象的加工閾值相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度的位置處所述縮頂形狀的激光的光束直徑，成為具有與所述縮頂形狀的激光大致相同的光束品質(zhì)的高斯模式的激光在所述位置處的光束直徑的大約3倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光加工裝置，其特征在于，所述光束品質(zhì)為，照射了全部光量?jī)?nèi)的大約86%的光量的位置處的光束直徑相同。
3.一種激光加工裝置，其特征在于，具有激光振蕩單元，其振蕩形成縮頂形狀的激光；以及聚光單元及加工單元，其以焦點(diǎn)深度成為加工對(duì)象的厚度的大約1/3的方式，使所述激光聚光并向所述加工對(duì)象照射，其中，焦點(diǎn)深度表示相對(duì)于與所述加工對(duì)象的加工閾值相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度的位置處的所述激光的光束直徑的最小值，光束直徑成為該最小值的倍的焦點(diǎn)位置范圍。
4.一種激光加工裝置，其特征在于，具有 激光振蕩單元，其振蕩形成縮頂形狀的激光；去除單元，其將所述激光的衍射光中大于或等于與加工對(duì)象的加工閾值相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度的所述衍射光除去；以及聚光單元及加工單元，其對(duì)除去所述衍射光后的所述激光進(jìn)行聚光，并向所述加工對(duì)象照射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的激光加工裝置，其特征在于， 所述加工對(duì)象為低碳鋼或者鐵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的激光加工裝置，其特征在于，所述加工對(duì)象是與所述加工閾值相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度為大約50kW/cm2或者更大值的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的激光加工裝置，其特征在于，所述激光振蕩單元包含光纖激光器、光纖耦合半導(dǎo)體激光器、伴隨有光纖傳輸?shù)墓腆w激光器中的任一種。
8.一種激光加工方法，其特征在于，具有激光振蕩工序，在該工序中，振蕩形成縮頂形狀的激光；以及聚光工序，在該工序中，以下述方式將所述縮頂形狀的激光聚光，并向加工對(duì)象照射， 即，使與所述加工對(duì)象的加工閾值相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度的位置處所述縮頂形狀的激光的光束直徑，成為具有與所述縮頂形狀的激光大致相同的光束品質(zhì)的高斯模式的激光在所述位置處的光束直徑的大約3倍。
9.一種激光加工方法，其特征在于，具有激光振蕩工序，在該工序中，振蕩形成縮頂形狀的激光；以及聚光工序，在該工序中，其以焦點(diǎn)深度成為加工對(duì)象的厚度的大約1/3的方式，使所述激光聚光并向所述加工對(duì)象照射，其中，焦點(diǎn)深度表示相對(duì)于與所述加工對(duì)象的加工閾值相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度的位置處的所述激光的光束直徑的最小值，光束直徑成為該最小值的倍的焦點(diǎn)位置范圍。
10.一種激光加工方法，其特征在于，具有激光振蕩工序，在該工序中，振蕩形成縮頂形狀的激光；去除工序，在該工序中，將所述激光的衍射光中大于或等于與加工對(duì)象的加工閾值相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度的所述衍射光除去；以及聚光工序，在該工序中，對(duì)除去所述衍射光后的所述激光進(jìn)行聚光，并向所述加工對(duì)象照射。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的激光加工方法，其特征在于，將所述激光振蕩工序中的激光功率設(shè)為4 5kW，針對(duì)6mm至16mm厚度的所述加工對(duì)象，將所述聚光工序中的聚光束徑設(shè)定為大約0. 7mm。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光加工方法，其特征在于，將向所述加工對(duì)象噴射氣體的噴嘴的直徑形成為1.2 1.5mm，將氣體壓力設(shè)為 0. 05 0. 12MPa。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的激光加工裝置，其特征在于，所述加工對(duì)象是與所述加工閾值相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度為大約50kW/cm2或者更大值的材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求8至13中任一項(xiàng)所述的激光加工方法，其特征在于，在所述激光振蕩工序中，使用光纖激光器、光纖耦合半導(dǎo)體激光器、伴隨有光纖傳輸?shù)墓腆w激光器中的任一種。
全文摘要
具有光纖激光振蕩器(19)，其振蕩形成縮頂形狀的激光；聚光透鏡(16)及加工頭(13)，其以下述方式將縮頂形狀的激光(15)聚光，并向被加工物(22)照射，即，使與加工對(duì)象的加工閾值相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度的位置處的縮頂形狀的激光(15)的光束直徑，成為具有與縮頂形狀的激光(15)大致相同的光束品質(zhì)的高斯模式的激光的光束直徑的大約3倍，聚光透鏡(16)以焦點(diǎn)深度成為加工對(duì)象的厚度的大約1/3的方式使激光(15)聚光，其中，焦點(diǎn)深度表示相對(duì)于與加工對(duì)象的加工閾值相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度的位置處的激光(15)的光束直徑的最小值，光束直徑成為該最小值的倍的焦點(diǎn)位置范圍。
文檔編號(hào)B23K26/08GK102448660SQ20108002301
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月25日
發(fā)明者久場(chǎng)一樹(shù), 古田啟介, 村井融, 熊本健二, 竹中裕司, 荻田平, 西前順一 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社