激光加工机以及激光切断方法与流程

本发明涉及激光加工机以及激光切断方法。

背景技术：

作为射出供激光加工机切断加工材料的激光的激光振荡器，存在co2激光振荡器、yag激光振荡器、盘形激光振荡器、光纤激光振荡器、直接二极管激光振荡器(ddl振荡器)等各种振荡器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2013/058072号

技术实现要素：

co2激光振荡器的装置大型化且高成本。与此相对，光纤激光振荡器、ddl振荡器能够使装置小型化且低运行成本，因此近年来，在激光加工机中广泛使用光纤激光振荡器、ddl振荡器。

在利用氮气等辅助气体无氧化切断金属的板材(特别是不锈钢、铝)的情况下，若在利用使用了co2激光振荡器的激光加工机进行切断加工的情况与利用使用了光纤激光振荡器或者ddl振荡器的激光加工机进行切断加工的情况下进行比较，则与后者相比前者的切断面粗糙度较小，切断面的品质优越。并且，前者的切断面粗糙度与板厚无关几乎恒定，与此相对，后者的切断面粗糙度在板厚越厚时越恶化。

另外，若利用使用了光纤激光振荡器或者ddl振荡器的激光加工机切断加工例如板厚3mm以上的厚板，则产生渣滓并附着于板材，从而切断面的品质恶化。

如上所述，光纤激光振荡器、ddl振荡器虽为小型且低运行成本，但具有切断面的品质不良的缺点，因此在要求高品质的切断面的情况下，无法使用光纤激光振荡器、ddl振荡器。

光纤激光振荡器、ddl振荡器是激发波长为1μm或者比其短的波段的激光的激光振荡器的优选的例子。代替光纤激光振荡器与ddl振荡器，使用了盘形激光振荡器的情况也相同。

因此，即便使用激发波长为1μm或者比其短的波段的激光的激光振荡器，也迫切希望切断面的品质良好的激光加工机的出现。

实施方式的目的在于提供一种使用了能够与以往相比改善切断面的品质的激发波长为1μm或者比其短的波段的激光的激光振荡器的激光加工机以及激光切断方法。

根据实施方式的第一方式，提供一种激光加工机，其特征在于，具备：激发波长为1μm波段或者比其短的波段的激光的激光振荡器；传递从上述激光振荡器射出的激光的一条处理光纤(processfibers)；以及聚光光学元件，当从上述处理光纤射出的激光照射至被加工材料时，在从使激光的光轴的半径0.5mm的单位面积内的上述被加工材料开始熔融的时刻至熔融结束的时刻的单位时间内，使激光聚集于上述单位面积内的多个位置。

在上述的激光加工机中，优选上述聚光光学元件不单独地控制各个聚光点处的激光输出。

在上述的激光加工机中，能够构成为进一步具备使从上述激光振荡器射出的激光平行光化的准直透镜，上述聚光光学元件为使通过上述准直透镜平行光化的激光聚集于上述被加工材料的多面透镜。

此时，上述多面透镜优选在激光的入射面形成有四边形以上的多边形的多个平面。

在上述的激光加工机中，上述聚光光学元件也可以使从上述激光振荡器射出的激光聚集于光束传递用光纤的光纤芯部的多个位置，从而使激光聚集于上述单位面积内的多个位置。

在上述的激光加工机中，上述聚光光学元件可以为衍射光学元件，也可以为能够相对于激光的光轴在垂直方向上移动自如的聚光透镜。

根据实施方式的第二方式，提供一种激光切断方法，其特征在于，利用激发波长为1μm波段或者比其短的波段的激光的激光振荡器射出激光，利用一条处理光纤传递从上述激光振荡器射出的激光，当从上述处理光纤射出的激光照射至被加工材料时，在从使激光的光轴的半径0.5mm的单位面积内的上述被加工材料开始熔融的时刻至熔融结束的时刻的单位时间内，使激光聚集于上述单位面积内的多个位置，从而切断上述被加工材料。

在上述的激光切断方法中，优选在使激光聚集于上述单位面积内的多个位置时，不单独地控制各个聚光点处的激光输出。

在上述的激光切断方法中，优选在通过激光使上述被加工材料熔融时，向上述被加工材料供给辅助气体压力2.0mpa以上且3.0mpa以下的辅助气体。

在上述的激光切断方法中，优选将光束参数积设为23mm·mrad以上且28mm·mrad以下。

根据实施方式的激光加工机以及激光切断方法，能够使用激发波长为1μm或者比其短的波段的激光的激光振荡器，并且与以往相比改善切断面的品质。

附图说明

图1是表示一个实施方式的激光加工机的整体构成例的立体图。

图2是表示使图1中的激光振荡器11由光纤激光振荡器11f构成的情况下的示意的构成的图。

图3是表示使图1中的激光振荡器11由直接二极管激光振荡器11d构成的情况下的示意的构成的图。

图4是用于对入射至板材的切断正面的激光的入射角进行说明的剖视图。

图5是表示将co2激光振荡器、光纤激光振荡器11f以及ddl振荡器11d用作激光振荡器11时的相对于切断正面的入射角与激光的吸收率的关系的特性图。

图6是表示激光向切断正面的整体入射的状态的概念图。

图7是表示将co2激光振荡器、光纤激光振荡器11f以及ddl振荡器11d用作激光振荡器11时的板厚t与吸收率最大聚光直径damax的关系的特性图。

图8是用于对切断板材的切断速度v进行说明的概念立体图。

图9是用于对聚光直径d的计算方法进行说明的图。

图10是将光纤激光振荡器11f或者ddl振荡器11d用作激光振荡器11，并集中表示入射角78、80、82.5、83、85.6、87度的每一个的吸收率ab、吸收率最大聚光直径damax、切断速度规定参数ab/damax的图。

图11是将光纤激光振荡器11f或者ddl振荡器11d用作激光振荡器11，并在入射角78、80、82.5、83、85.6、87度的每一个中表示多个板厚t与吸收率最大聚光直径damax的关系的特性图。

图12是表示多面透镜的一个构成例的俯视图。

图13是表示吸收率最大聚光直径damax与切断速度规定参数ab/damax的关系、和吸收率最大聚光直径damax与切断速度v的关系的特性图。

图14是表示吸收率最大聚光直径damax与切断面粗糙度ra的关系、和吸收率最大聚光直径damax与切断速度v的关系的特性图。

图15是表示一个实施方式的激光加工机与比较例的激光加工机的每一个的板厚t与切断面粗糙度ra的关系的特性图。

图16是示意性地表示doe透镜的俯视图。

具体实施方式

以下，参照附图对一个实施方式的激光加工机以及激光切断方法进行说明。在本实施方式中，对将光纤激光振荡器或者ddl振荡器用作激发波长为1μm或者比其短的波段的激光的激光振荡器的情况进行说明。

在图1中，激光加工机100具备：生成并射出激光lb的激光振荡器11；激光加工单元15；以及将激光lb向激光加工单元15传递的处理光纤12。激光加工机100利用从激光振荡器11射出的激光lb来切断加工作为被加工材料的板材w1。

激光振荡器11为光纤激光振荡器或者直接二极管激光振荡器(以下，为ddl振荡器)。处理光纤12沿着配置于激光加工单元15的x轴以及y轴的电缆导筒(未图示)安装。

激光加工单元15具有：载置板材w1的加工工作台21；能够在加工工作台21上沿x轴方向移动自如的门式的x轴滑架22；以及能够在x轴滑架22上沿与x轴垂直的y轴方向移动的y轴滑架23。另外，激光加工单元15具有固定于y轴滑架23的准直单元29。

准直单元29具有：将从处理光纤12的输出端射出的激光lb平行光化并形成大致平行光束的准直透镜28；以及使转换成大致平行光束的激光lb朝向与x轴以及y轴垂直的z轴方向下方反射的弯曲反射镜25。另外，准直单元29具有使由弯曲反射镜25反射的激光lb聚光的聚光透镜27以及加工头26。

准直透镜28、弯曲反射镜25、聚光透镜27、加工头26在预先调整了光轴的状态下固定于准直单元29内。为了修正焦点位置，也可以将准直透镜28构成为沿x轴方向移动。

准直单元29固定于能够沿y轴方向移动自如的y轴滑架23，y轴滑架23设置于能够沿x轴方向移动自如的x轴滑架22。因此，激光加工单元15能够使将从加工头26射出的激光lb照射至板材w1的位置沿x轴方向以及y轴方向移动。

通过以上的构成，激光加工机100能够通过处理光纤12而使从激光振荡器11射出的激光lb向激光加工单元15传递，从而照射至板材w1而对板材w1进行切断加工。

此外，在切断加工板材w1时，向板材w1喷射用于除去熔融物的辅助气体。在图1中，喷射辅助气体的构成省略图示。

图2是示出了使激光振荡器11由光纤激光振荡器11f构成的情况下的示意构成。在图2中，多个激光二极管110分别射出波长λ的激光。激发组合器111使从多个激光二极管110射出的激光进行空间光束耦合。

从激发组合器111射出的激光入射至两个光纤布拉格光栅(fbg)112、114之间的yb掺杂光纤113。yb掺杂光纤113是在芯部添加有稀土族的yb(镱)元素的光纤。

入射至yb掺杂光纤113的激光在fbg112、114之间反复往复，从fbg114射出与波长λ不同的大体1060nm～1080nm的波长λ’(1μm波段)的激光。从fbg114射出的激光经由传输光纤(feedingfibers)115以及光束耦合器116入射至处理光纤12。光束耦合器116具有透镜1161、1162。

此外，处理光纤12由一条光纤构成，在照射至板材w1前，不存在由处理光纤12传递的激光与其他的激光合成的情况。

图3示出了使激光振荡器11由ddl振荡器11d构成的情况下的示意的构成。在图3中，多个激光二极管117分别射出相互不同的波长λ1～λn的激光。波长λ1～λn(比1μm短的波段)例如为910nm～950nm。

光学检测箱118使从多个激光二极管117射出的波长λ1～λn的激光进行空间光束耦合。光学检测箱118具有准直透镜1181、光栅1182以及聚光透镜1183。

准直透镜1181使波长λ1～λn的激光平行光化。光栅1182使平行光化的激光的方向弯曲90度，入射至聚光透镜1183。聚光透镜1183使入射的激光聚光并入射至处理光纤12。

此外，处理光纤12由一条光纤构成，在照射至板材w1前，不存在由处理光纤12传递的激光与其他的激光合成的情况。

接下来，即便使用光纤激光振荡器11f或者ddl振荡器11d，也考察如何使板材w1的切断面的品质变得良好。

图4示意性地示出了从图的上方照射的激光向板材w1的切断正面w1cf入射并反射的状态。激光的入射方向与由正交于切断正面w1cf的虚线表示的方向所成的角度为激光的入射角θ。若切断正面w1cf为理想的平面，则板材w1的底面与切断正面w1cf所成的角度也成为入射角。

图5示出了作为激光振荡器11使用了co2激光振荡器、光纤激光振荡器11f以及ddl振荡器11d时的入射角θ与激光的吸收率的关系。此处，示出了使板材w1为铁系材料时的特性图。

如图5所示，在使用了co2激光振荡器的情况下，在入射角θ为87度时，吸收率成为最大。在使用了光纤激光振荡器11f或者ddl振荡器11d的情况下，在入射角θ为77.5度时，吸收率成为最大。

如图6所示，将板材w1的板厚设为t，将激光(激光束)的聚光直径设为d，将激光与切断正面w1cf所成的角度设为φ，从而假定为聚光直径d的激光向切断正面w1cf的整体入射。此时，式(1)成立。此外，φ＝90－θ。

d＝t·tanφ…(1)

若基于图5，使用式(1)，求得板厚t与吸收率成为最大的聚光直径damax(以下，为吸收率最大聚光直径damax)的关系，则成为图7。根据图7，明确若将光纤激光振荡器11f或者ddl振荡器11d用作激光振荡器11，则与使用了co2激光振荡器的情况相比，吸收率最大聚光直径damax为4.2倍左右较大。

然而，若吸收率最大聚光直径damax过大，则无法在加工点确保充分的功率密度，而导致切断速度变慢。

使用图8，对切断板材w1的切断速度进行说明。在图8中，入射至聚光透镜27的激光(激光束)的入射光束直径为d，被聚光透镜27聚光的激光照射至板材w1。

将激光输出设为p(w)(w＝j/s)，将板材w1对激光的吸收率设为ab，将切断宽度设为b(mm)，将板厚设为t(mm)，将使材料熔融或者蒸发的能量设为e(j/cm³)。利用激光来切断板材w1时的切断速度v(cm/s)由式(2)表示。

v＝p·ab/(e·b·t)…(2)

其中，全部的能量被切断槽的切断正面w1cf吸收，而不存在材料的热传导带来的损耗，从而假定为切断槽内的熔融金属被辅助气体完全排出。

此外，为了使渣滓不附着于板材w1，使切断面的品质变得良好，优选供给至板材w1的辅助气体的压力(辅助气体压力)较高。也可以将辅助气体压力例如形成2.0mpa以上且3.0mpa以下。

根据式(2)，明确切断速度v与吸收率ab成正比例，且与切断宽度b成反比例。聚光直径d越小，切断宽度b就越小。

使用图9，对如何求得聚光直径d进行说明。若将激光的波长设为λ，将聚光透镜27的焦距设为f，将光束参数积设为bpp(beamparameterproducts)，则聚光直径d由式(3)表示。

d＝(1.27·π·f·bpp)/d…(3)

此外，bpp为激光束的扩散角与光束束腰(beamwaist)(光束直径)的积，且是表示激光束的品质的指标。通常，在以高斯形式优美的光束轮廓为理想的情况下，bpp值也可以为1。然而，明确了在进行利用高能量密度的激光束的金属板切断加工、尤其对板厚3mm以上的厚板进行切断加工的情况下，未必是使bpp值接近1与高品位的加工(面粗度良好的加工)相关联。

在切断加工板厚3mm以上的厚板的情况下，优选增大光束直径，该情况下的bpp优选形成23mm·mrad以上且28mm·mrad以下。

在将光纤激光振荡器11f或者ddl振荡器11d用作激光振荡器11且板厚t为5mm时，若在入射角为78、80、82.5、83、85.6、87度的每一个中，汇集吸收率ab、吸收率最大聚光直径damax、ab/damax，则成为图10所示。ab/damax成为决定切断速度v的要素，因此称为切断速度规定参数。

如图5所示，在入射角θ为77.5度时，吸收率ab成为最大，吸收率ab伴随着入射角θ增大而降低。然而，如图10所示，切断速度规定参数ab/damax的值伴随着入射角θ从87度向78度变小而变小。

若切断速度规定参数ab/damax的值较小，则激光的功率密度较小，从而切断板材w1需要比较长的时间。若考虑吸收率ab与切断速度规定参数ab/damax双方，则如图10中由粗实线包围的那样，在板厚t为5mm的情况下，优选将入射角θ形成83度左右。

另外，若在入射角为78、80、82.5、83、85.6、87度的每一个中，求得多个板厚t与吸收率最大聚光直径damax的关系，则成为图11所示。

此处，对将吸收率最大聚光直径damax形成适当的值所优选的构成进行说明。在本实施方式中，将图12所示的多面透镜27f用作聚光透镜27。多面透镜27f在凸透镜的表面(激光的入射面)形成有多个六边形形状的平面f0。另外，多面透镜27f在一个透镜面上具有多个曲线。

在图10中，为了将吸收率最大聚光直径damax形成0.38mm以下，使用通常用作聚光透镜27的标准聚光透镜。在图10中，为了将吸收率最大聚光直径damax形成0.61mm以上，优选将多面透镜27f用作聚光透镜27。

多面透镜27f为如下聚光光学元件的一个例子：在将从激光振荡器11射出的激光照射至被加工材料时，在从使激光的光轴的半径0.5mm的单位面积内的被加工材料开始熔融的时刻至熔融结束的时刻的单位时间内，使激光聚集于单位面积内的多个位置。

优选，在从使激光的光轴的半径0.4mm的单位面积内的被加工材料开始熔融的时刻至熔融结束的时刻的单位时间内，聚光光学元件使激光聚集于单位面积内的多个位置。此时，聚光光学元件不单独地控制各个聚光点处的激光输出。因此，在各个聚光点处的光强度不产生差异。

本实施方式的激光加工机具备聚光光学元件，由此即便为板厚3mm以上的厚板，也能够进行高品位的切断。

例如，作为聚光条件1，为了使吸收率最大聚光直径damax为0.38mm，能够使用焦距f为190mm的标准聚光透镜。作为聚光条件2，为了将吸收率最大聚光直径damax形成0.61mm，能够使用焦距f为150mm的多面透镜27f。作为聚光条件3，为了使吸收率最大聚光直径damax为1.06mm，能够使用焦距f为190mm的多面透镜27f。

多面透镜27f不限定于图12所示的形状，也可以为在凸透镜的表面具有多个四边形形状的平面的构成。多面透镜27f只要在激光的入射面形成有四边形以上的多边形的多个平面即可。

形成于多面透镜27f的表面的多个平面分别形成为在平面的不同的位置聚焦。因此，多面透镜27f以使焦点涣散的方式发挥作用。

因此，若将多面透镜27f用作聚光透镜27，则与使用标准聚光透镜的情况相比，能够扩大聚光直径d。多面透镜27f优选将吸收率最大聚光直径damax设定为适当的比较大的值。

图13表示吸收率最大聚光直径damax与切断速度规定参数ab/damax的关系、和聚光条件1～3中的吸收率最大聚光直径damax与切断速度v的关系。切断速度v在聚光条件1中为1.2m/分，在聚光条件2中为0.6m/分，在聚光条件3中为0.4m/分。如根据图13明确的那样，切断速度v的斜度近似切断速度规定参数ab/damax的斜度。

图14表示聚光条件1～3的每一个的吸收率最大聚光直径damax与切断面粗糙度ra的关系、和吸收率最大聚光直径damax与切断速度v的关系。图14示出了将ddl振荡器11d用作激光振荡器11，切断作为板材w1的板厚5mm的不锈钢的情况。切断面粗糙度ra也可以为切断面算术平均粗糙度。

如根据图14明确的那样，在将多面透镜27f用作聚光透镜27的聚光条件2、3中，与将标准聚光透镜用作聚光透镜27的聚光条件1相比，切断面粗糙度ra得到大幅度地改善。特别地，在吸收率最大聚光直径damax为0.61mm的聚光条件2中，切断面粗糙度ra为2μm左右，与聚光条件1相比为1/3以下。

图15示出了在将ddl振荡器11d用作激光振荡器11且将多面透镜27f用作聚光透镜27的本实施方式的激光加工机中，将聚光直径d设为0.61mm，切断除了作为板材w1的板厚5mm的不锈钢之外还切断3mm以及4mm的不锈钢的情况下的切断面粗糙度ra。此处，切断面粗糙度ra也可以为切断面算术平均粗糙度。

作为比较，图15也一并示出了在使用了co2激光振荡器与标准聚光透镜的激光加工机、和使用了光纤激光振荡器11f与标准聚光透镜的激光加工机的每一个中，切断多个板厚t的不锈钢的情况下的切断面粗糙度ra。

此处虽未图示，但在利用使用了光纤激光振荡器11f与多面透镜27f的本实施方式的激光加工机来切断多个板厚t的不锈钢的情况下，具有与使用了ddl振荡器11d与多面透镜27f的本实施方式的激光加工机相同的特性。

相反，在利用使用了ddl振荡器11d与标准聚光透镜的激光加工机来切断多个板厚t的不锈钢的情况下，具有与使用了光纤激光振荡器11f和标准聚光透镜的激光加工机相同的特性。

在使用了光纤激光振荡器11f或者ddl振荡器11d、以及作为聚光透镜27的多面透镜27f的本实施方式的激光加工机中，虽始终达不到使用了co2激光振荡器的激光加工机，但与以往相比能够大幅度地改善切断面的品质。

根据本实施方式，即便在要求高品质的切断面的情况下，也能够使用小型且低运行成本的光纤激光振荡器11f或者ddl振荡器11d构成激光加工机。

聚光光学元件不限定于多面透镜27f。也可以将激光振荡器11与加工头26之间的光束传递路(光束传递用光纤)分成两个以上，在该两个光纤之间设置光束耦合器。也可以将光束耦合器内的聚焦透镜用作上述的聚光光学元件。

在该情况下，聚光光学元件使从激光振荡器11射出的激光聚集于光束传递用光纤的光纤芯部的多个位置，从而使激光聚集于单位面积内的多个位置。

聚光光学元件代替多面透镜27f，可以为衍射光学元件，也可以为能够相对于光轴沿垂直方向移动自如的聚光透镜。

在聚光光学元件为衍射光学元件的情况下，例如，能够使用衍射型光学透镜(doe(diffractiveopticalelements)透镜)。

图16示意性地示出了doe透镜30。如图16所示，doe透镜30具有多个圆周状的衍射槽31。能够将doe透镜30用作聚光透镜27或者准直透镜28。虽未图示，但也能够将弯曲反射镜25变更成光栅反射镜。

在聚光光学元件为能够相对于光轴沿垂直方向移动自如的聚光透镜的情况下，例如，能够使图2的透镜1162具有其功能。换句话说，使透镜1162相对于光轴沿垂直方向偏芯地旋转，或者，在图2的方向中使透镜1162相对于光轴沿垂直方向的上下或者前后方向移动，由此能够实现聚光光学元件的功能。

在从使激光的光轴的半径0.5mm的单位面积内的被加工材料开始熔融的时刻至熔融结束的时刻的单位时间内，若使用使激光聚集于单位面积内的多个位置的聚光光学元件，则能够将单位时间的光束能量在单位面积内大致均匀地照射。由此，即便是板厚3mm以上的厚板，也能够进行高品位的切断。

若适当地结合激光的波长、输出、能量密度、被加工材料的厚度与切断宽度、被加工材料的激光的吸收率、切断速度、入射角度、熔融的被加工材料、辅助气体的种类与压力，则通过这些的协同效应能够进一步进行高品位的切断。

在以上的说明中，作为板材w1以铁系材料(不锈钢)为例，但即便为铝、钛等也相同，根据本实施方式的激光加工机以及激光切断方法，能够与以往相比大幅度地改善切断面的品质。

本发明不限定于以上说明的本实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更。代替光纤激光振荡器与ddl振荡器，也可以使用盘形激光振荡器。

工业上的利用可能性

本发明能够利用于使用波长为1μm或者比其短的波段的激光切断被加工材料的情况。