激光加工装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够扩大聚光直径的激光加工装置。
【背景技术】
[0002]使用激光来对工件进行加工的激光加工装置一般具备聚光光学部，该聚光光学部使从激光光源入射到加工头的激光会聚后从加工头射出。聚光光学部具有所需个数的光学透镜，对入射的激光赋予规定的会聚角度(在本申请中也称为聚光角)。被赋予了聚光角的激光在与聚光光学部的主点相距规定距离的位置处形成相当于成像点的聚光点。在本申请中将聚光点处的光束直径称为聚光直径。在进行激光加工时，使聚光点与工件上的加工部位一致，或者有意地使聚光点沿光轴方向偏离于加工部位，来实施加工。聚光角对激光在加工部位处的焦点深度产生影响，聚光直径对激光在加工部位处的能量密度产生影响。因而，能够根据焊接、切断、刻印(marking)等激光加工的种类、工件的材质、厚度等来决定聚光角和聚光直径各自的最佳尺寸。
[0003]用于激光加工的激光的质量依赖于激光的聚光性能(M2)，能够以聚光角与聚光直径之积来表示。聚光角与聚光直径之积是根据激光的种类(介质等)而决定的固定值，可以说该积越小则激光的质量越高。在激光加工装置中，在入射到加工头的激光具有最小光束直径和扩散角度(在本申请中也称为扩散角)的情况下，聚光光学部一般被设计成所射出的激光的聚光角与聚光直径之积等于入射的激光的扩散角与最小光束直径之积(也就是说聚光光学部不对激光的质量、聚光性能产生影响)。在此，聚光直径由入射激光的最小光束直径和聚光光学部的成像倍率来决定，聚光角由入射激光的扩散角和聚光光学部的成像倍率来决定。因而，例如在想要与加工种类、工件种类的变更对应地调整聚光直径的情况下，若改变聚光光学部的成像倍率，则随之聚光角也发生变化，难以仅调整聚光直径。
[0004]在激光加工装置中，已知一种具有能够调整通过聚光光学部对激光赋予的聚光角、聚光直径的结构的装置。例如日本特开2012-024782号公报(JP2012-024782A)公开如下一种激光加工装置:使从激光振荡器经传输光纤(feeding fiber)传输的激光通过从芯径不同的多个操作光纤(process fiber)中选择出的一个操作光纤或者不通过操作光纤地入射到激光加工单元(聚光光学部)。并记载了:在该激光加工装置中，能够根据需要来变更位于紧邻激光加工单元的前方的光纤的芯径(即入射到激光加工单元的激光的最小光束直径)，由此，能够根据工件的厚度等来调整由激光加工单元会聚的激光的聚光直径，而不改变激光加工单元的成像倍率。
[0005]日本特开2009-056481号公报(JP2009-056481A)公开如下结构:在通过光纤将从激光振荡器射出的激光传输到光学头(聚光光学部)来对工件进行照射的激光加工装置中，在紧邻光纤的入射侧的前方设置有将来自激光振荡器的激光的扩散角调整为光纤的容许数值孔径以下的调整单元。并记载了:在该激光加工装置中，在光纤的入射侧调整激光的扩散角(即入射到光纤的激光的会聚角度)，从而能够排除从光纤射出的激光的扩散角的偏差(即被光学头会聚的激光的聚光角、聚光直径的偏差)，由此能够得到固定的加工结果Ο
[0006]在激光加工装置中，已知如下一种装置:以与聚光角、聚光直径的调整不同的目的，该装置具备调整向聚光光学部入射的激光的光束直径、光束形状的单元。例如日本特开2008-168333号公报(JP2008-168333A)公开了如下一种激光式焊接装置:将从激光振荡器入射到加工头的圆形激光光束通过包括凹形锥透镜(cone lens)和凸形锥透镜的组合的光束变换部变换为环状激光光束，之后通过投射透镜进行聚光来环状地投射到工件的加工点。另外，日本特开2009-178725号公报(JP2009-178725A)公开了如下一种激光加工装置:通过包括一对轴棱锥透镜(axicon lens)的组合的激光成形单元使来自激光光源的激光形成为圆环状，通过会聚透镜使该圆环状的激光会聚于1点来进行加工，由此抑制会聚透镜的球面像差。
【发明内容】
[0007]在具备聚光光学部的激光加工装置中，期望的是，利用与改变聚光光学部的成像倍率的方法不同的方法，使得能够对工件照射具有与激光加工的种类、工件的材质、厚度等相应的最佳的聚光直径的激光。
[0008]本发明的一个方式是一种激光加工装置，该激光加工装置具备:加工头，其向工件照射激光；聚光光学部，其设置于加工头，使从激光光源入射到加工头的具有扩散角的激光会聚并作为具有聚光角的激光从加工头射出；以及设置于加工头的透过光学构件，其配置于从激光的行进方向看时的聚光光学部的上游侧来使激光在透过前后扩散角维持固定地透过，或者配置于从激光的行进方向看时的聚光光学部的下游侧来使激光在透过前后聚光角维持固定地透过，其中，透过光学构件具备使激光的聚光直径扩大的聚光直径扩大部分，聚光直径扩大部分使透过了聚光直径扩大部分的激光的聚光直径比不透过聚光直径扩大部分而被聚光光学部会聚时的激光的聚光直径大。
[0009]根据一个方式所涉及的激光加工装置，取代使聚光光学部的成像倍率增加的结构，而采用使激光透过透过光学构件所具有的聚光直径扩大部分的结构，由此能够扩大聚光直径而实质上不改变从聚光光学部的主点到聚光点的距离以及激光的聚光角。因而，不会对激光加工装置的整体尺寸产生影响，能够对工件照射具有与激光加工的种类、工件的材质、厚度等相应的最佳的聚光直径的激光。透过光学构件使激光在透过前后扩散角或聚光角维持固定地透过，因此能够抑制透过光学构件对聚光时的几何像差产生影响。而且，透过光学构件配置于从激光的行进方向看时的聚光光学部的上游侧或下游侧，因此能够防止几何像差因对一般是为了降低几何像差所设计的聚光光学部配置透过光学构件而恶化。
【附图说明】
[0010]本发明的目的、特征以及优点通过与附图相关联的以下实施方式的说明会变得更明确。在该附图中，
[0011]图1是概要性地表示包括激光加工装置的激光加工系统的结构的一例的立体图，
[0012]图2是概要性地表示一个实施方式的激光加工装置的结构的截面图，
[0013]图3A是一个实施方式的激光加工装置所具备的透过光学构件的立体图，
[0014]图3B是图3A的透过光学构件的截面图，
[0015]图4A是说明图3A的透过光学构件的激光透过作用的概念图，是表示使透过光学构件朝向一个方向的情况的图，
[0016]图4B是表示使图4A的透过光学构件朝向反方向的情况的图，
[0017]图5A是说明不具备透过光学构件的激光加工装置中的激光聚光作用的部件配置图，
[0018]图5B是表示图5A的激光加工装置中的一部分光线的路径的图，
[0019]图5C是提取图5B所示的光线路径的任意部分得到的图，
[0020]图?是表示聚光点处的光线路径的放大图，
[0021]图6A是说明具备图3A的透过光学构件的激光加工装置中的激光聚光作用的部件配置图，
[0022]图6B是表示图6A的激光加工装置中的一部分光线的路径的图，
[0023]图6C是提取图6B所示的光线路径的任意部分得到的图，
[0024]图6D是表示聚光点处的光线路径的放大图，
[0025]图7A是说明具备不同形状的透过光学构件的激光加工装置中的激光聚光作用的部件配置图，
[0026]图7B是表示图7A的激光加工装置中的一部分光线的路径的图，
[0027]图7C是提取图7B所示的光线路径的任意部分得到的图，
[0028]图7D是表示聚光点处的光线路径的放大图，
[0029]图8是概要性地表示变形例的激光加工装置的结构的截面图，
[0030]图9是概要性地表示其它变形例的激光加工装置的结构的截面图，
[0031]图10A是其它实施方式的激光加工装置所具备的透过光学构件的立体图，
[0032]图10B是图10A的透过光学构件的截面图，
[0033]图11A是说明图10A的透过光学构件的激光透过作用的概念图，是表示使透过光学构件朝向一个方向的情况的图，
[0034]图11B是表示使其它形状的透过光学构件朝向一个方向的情况的图，
[0035]图11C是表示使图11B的透过光学构件朝向反方向的情况的图，
[0036]图11D是表示使光线透过透过光学构件的中心部分的情况的图，
[0037]图12A是说明具备图10A的透过光学构件的激光加工装置中的激光聚光作用的图，是表示几个光线的代表性的路径的图，
[0038]图12B是图12A的激光加工装置中的一个光线路径的放大图，
[0039]图12C是图12A的激光加工装置中的另一个光线路径的放大图，
[0040]图13A是说明将图10A的透过光学构件配置在期望位置的激光加工装置中的激光聚光作用的部件配置图，
[0041]图13B是提取图13A的激光加工装置中的光线路径的任意部分来表示的图，
[0042]图13C是表示聚光点处的光线路径的放大图，
[0043]图14A是说明将图10A的透过光学构件配置在其它期望位置的激光加工装置中的激光聚光作用的部件配置图，
[0044]图14B是提取图14A的激光加工装置中的光线路径的任意部分来表示的图，
[0045]图14C是表示聚光点处的光线路径的图，
[0046]图15A是说明将图10A的透过光学构件配置在另一期望位置的激光加工装置中的激光聚光作用的部件配置图，
[0047]图15B是提取图15A的激光加工装置中的光线路径的任意部分来表示的图，
[0048]图15C是表示聚光点处的光线路径的图，
[0049]图16A是透过光学构件的变形例的立体图，
[0050]图16B是图16A的透过光学构件的截面图，
[0051]图17A是说明另一实施方式的激光加工装置的结构的图，是透过光学构件的截面图，
[0052]图17B是图17A的激光加工装置的部件配置图，
[0053]图17C是表示聚光点处的光线路径的图，
[0054]图18A是说明另一实施方式的激光加工装置的结构的图，是透过光学构件的截面图，
[0055]图18B是图18A的激光加工装置中的其它透过光学构件的截面图，
[0056]图18C是图18A的激光加工装置的部件配置图，
[0057]图19A是说明另一实施方式的激光加工装置的结构的部件配置图，
[0058]图19B是表示图19A的激光加工装置中的一部分光线的路径的图，
[0059]图19C是提取图19B所示的光线路径的任意部分得到的图，
[0060]图19D是表示聚光点处的光线路径的放大图，
[0061]图20A是说明图19A的激光加工装置的变形例的结构的部件配置图，
[0062]图20B是表示图20A的激光加工装置中的一部分光线的路径的图，
[0063]图20C是提取图20B所示的光线路径的任意部分得到的图，
[0064]图20D是表示聚光点处的光线路径的放大图，
[0065]图21是表示另一实施方式的激光加工装置的图，
[0066]图22A是说明另一实施方式的激光加工装置的结构的图，是透过光学构件的截面图，
[0067]图22B是图22A的激光加工装置的部件配置图，
[0068]图22C是表示聚光点处的光线路径的图，
[0069]图23A是表示另一实施方式的激光加工装置的图，以及
[0070]图23B是图23A的激光加工装置所具备的透过光学构件的截面图。
【具体实施方式】
[0071]下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
[0072]图1概要性地表示包括本发明的一个实施方式的激光加工装置10的激光加工系统12的结构的一例。激光加工系统12具备激光加工装置10、激光光源14以及控制装置16，该控制装置16对激光加工装置10和激光光源14的动作进行控制。激光加工装置10具备:加工头18 ;传输单元20，其将激光从激光光源14传输并供给到加工头18 ;以及驱动机构22，其使加工头18与工件W相对移动。
[0073]激光光源14例如具备光纤激光方式的振荡器(未图不)，由振荡器振荡出的激光经由传输单元20被导入到加工头18。传输单元20具备与激光光源14连接的第一光纤24、与加工头18连接的第二光纤26、以及将第一光纤24与第二光纤26彼此光耦合的光纤耦合器(fiber coupler) 28。例如，使用光纤耦合器28将附设于激光光源14的具有规定的芯径的第一光纤24与具有不同的期望芯径的第二光纤26光耦合，由此能够使以第二光纤26的芯径为最小光束直径的激光从第二光纤26的射出端射出到加工头18。此外，不限于图示结构，激光光源14能够具备C02激光器等各种振荡器，传输单元20能够具有使用导光管、反射镜等的各种结构。
[0074]加工头18具备使从传输单元20入射的激光会聚的聚光光学部(未图示)，加工头18从设置于头前端的加工喷嘴30对工件W的表面的狭小区域照射激光来实施激光加工。在激光加工中，对工件W的加工点及其周边吹送以氧气、氮气、空气、氩气等为成分的辅助气体(assist gas)。辅助气体是从外部的气体供给源(未图示)供给到加工头18的。还对加工头18供给用于将辅助气体吹送到工件W的压缩空气。
[0075]驱动机构22能够使加工头18与工件W在沿着工件表面的方向上相对移动。另外，驱动机构22能够使加工头18与工件W选择性地向相互靠近的方向或相互之间远离的方向移动。例如，在驱动机构22中，三个控制轴(X轴、Y轴、Z轴)按照正交三轴坐标系下的指令值分别进行动作，由此驱动机构22能够使加工头18与工件W三维地相对移动。在该情况下，驱动机构22能够针对各控制轴具备伺服电动机和动力传递机构。各个控制轴能够设定于加工头18和工件W中的任一方或双方。例如能够采用以下结构:利用X轴、Y轴以及Z轴驱动加工头18，使加工头18相对于固定有工件W的工件台(未图示)在水平方向和铅垂方向上移动；或者利用Z轴驱动加工头18，另一方面，沿X轴和Y轴驱动工件台。
[0076]控制装置16例如具有数值控制装置的结构。控制装置16能够对所提供的激光加工程序进行分析，并向包括激光加工装置10、激光光源14在内的控制对象输出操作指令，能够使驱动机构22移动加工头18、工件W，能够使激光光源14振荡、射出激光，能够使气体供给源对加工头18供给辅助气体。
[0077]图2概要性地表示本发明的一个实施方式的激光加工装置10的主要部分的结构。激光加工装置10具备:加工头18，其向工件W照射激光L ;以及聚光光学部32，其设置于加工头18，使从激光光源14(图1)入射到加工头18的具有扩散角α的激光L会聚并作为具有聚光角β的激光L从加工头18射出。加工头18具备中空筒状的壳体34，在壳体34的后端(图中上端)固定有光纤26的射出端26a。光纤26至少在射出端26a处与聚光光学部32的光轴32a同轴配置，将以射出端26a的芯径为最小光束直径的具有扩散角α的激光L从射出端26a朝向聚光光学部32射出到壳体34的内部。因而，穿过激光L的光束中心的轴线与光轴32a—致。此外，扩散角α是根据入射到光纤26的入射端(未图示)的激光的聚光角以及光纤26自身的特性而被实质性地确定的。
[0078]聚光光学部32具有所需个数的光学透镜36。例如将各种球面透镜组合多个来作为光学透镜36，由此能够尽可能地降低球面像差等几何像差。通过实施尽可能地降低几何像差等的对策，聚光光学部32被设计成入射到聚光光学部32的激光L的扩散角α与最小光束直径之积跟从聚光光学部32射出的激光L的聚光角β与聚光直径之积彼此相同(也就是说聚光光学部32不对激光L的质量、聚光性能产生影响)。
[0079]在此，说明聚光光学部32的聚光作用的一例。将光纤26的芯径(直径)设为50 μπι，将激光L的扩散角α设为半角为0.lrad。将聚光光学部32视作一块虚拟的透镜，将从光纤26的射出端26a的芯端面到聚光光学部(虚拟透镜)32的主点的距离设为100mm，将聚光光学部32的焦距设为50mm。设在光纤26的射出端26a与聚光光学部32之间不存在其它光学要素。在该条件下，从聚光光学部32的主点到激