专利名称：激光加工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光加工装置，特别地，涉及一种把激光光束导向加工点、采用聚光透镜加热工件上的狭窄区域从而熔融切割该部分的激光加工装置。
背景技术：
一般地，激光加工装置由激光起振器、传送并聚光的光传送系统、驱动工件的驱动装置、配件类及控制这些的控制装置构成。就原来的激光加工而言，如何把激光光束集中在小的区域从而把高密度能量照射在工件上成为课题。因此，开发了采用M2＝1.0的高斯光束的二氧化碳激光起振器，为了把激光光束会聚在1点极力把光学系统的像差变小。关于可以使用光纤的YAG激光器也开发出高辉度的激光器，用更小的纤径也可以照射很大能量的激光。
一般地，在切割加工不同厚度的工件的场合，如图9a～9c所示，对于厚度薄的工件50(图9a)使用焦距短的聚光透镜52，对于厚度厚的工件50′或50″使用焦距长的聚光透镜54或56(图9b或9c)。通常，在使用焦距短的透镜的场合或光束直径大的场合，工件上的聚光点的光斑尺寸变小，相反使用焦距长的透镜的场合或光束直径小的场合，工件上的聚光点的光斑尺寸变大。
根据近年的技术开发，就通过激光的切割加工而言，明确了工件上的激光聚光点的大小(光斑尺寸)或形状是重要的因素，为了通过钻研光斑尺寸或形状进行优良的激光加工的提案已有几个。例如特开2000-218386号公报上记载的激光射出装置是通过把激光在中途分割再次在聚光点聚光，改善辅助气体的压力分布的装置。还有在特开2003-200282号公报中，公开了把激光会聚在工件上的2个焦点上的双光斑激光装置。特许第2664625号公报，公开了为了使可以切割的工件的厚度变厚而在光轴上具有多个焦点的激光切割装置。特开平5-305472号公报公开了通过把工件上的激光照射区域做成环状进行环状的槽加工的激光加工装置。而且，在特开2004-291031号公报中公开了采用多个光纤、使多个激光照射部位在工件上配列成环状地照射多个激光光束的激光切割装置。
如上所述，聚光点的光斑尺寸就激光切割而言是很重要的，但实际上更进一步地，如果几何光学的焦点不位于工件表面上或其附近就不能进行优良的加工。例如，在复合板上形成激光切割槽、在该槽中嵌入金属刀刃制作镂空纸板的冲裁模具、的所谓模具板加工中，要求能确实地保持金属刀刃的槽形状。切割槽的宽度通过使聚光点的位置相对工件表面上下(即沿激光光轴方向)移动可以很容易地设定，但采用最小光斑尺寸相当小的光学系统的场合，为了得到规定的切割宽度必须把聚光点大大地远离工件。于是关于工件的厚度方向，比起工件表面工件内部激光的能量密度变高，切割槽的宽度在深度方向上不一样，结果刀刃的保持力降低。同样关于金属切割而言，在一般的激光切割中，聚光点的调整范围是从工件表面至工件厚度的范围内，在超越该范围内的优良加工难于实现。
因此，为了进行优良的激光加工，必须对应工件的厚度恰当地选择入射聚光透镜的光束直径及聚光透镜的焦距，向工件上几何光学焦点附近照射激光，因此透镜与工件的距离有必要对应透镜焦距的变更而变化。可是，由于激光起振器或激光加工机等各种技术上或经济上的制约，透镜焦距或透镜与工件距离的变更大多被制约。例如，图10a所示的激光加工装置是具有分别可以装卸焦距不同的3个聚光透镜即焦距5英寸(13cm)的透镜52、焦距7.5英寸(19cm)的透镜54及焦距10英寸(25cm)的透镜56的加工头主体58和通过附属装置60安装在加工头58主体上的加工喷嘴62，并且无论使用哪个聚光透镜都能把加工喷嘴62的光轴上的位置固定而能够使用的装置。可是在这种构成中，有加工头58主体复杂且重量化的倾向，而且，也有根据应该加工的工件的厚度及材质，最好为例如这些中间、即6.25英寸(16cm)或8.75英寸(22cm)焦距的透镜的场合，但无法使用这样的透镜。
另外，如图10b所示的其它的激光加工装置具有可以择一地装卸多种聚光透镜的加工头58′。这种场合，虽然加工头比图10a的装置小型，但是在把聚光透镜交换为不同焦距的透镜之际，与此对应地附属装置也有必要交换为长度不同的附属装置60a～60c的任意一个。这种场合因为加工点的坐标变化，所以在3维加工机中需要变更程序，而且在加工点位于被称为零点偏置型的Z轴上的一点类型的3维加工机中，后者的构成有不能使用的情形。即使是一般的激光加工机，因为使用焦距长的透镜的场合透镜和工件的距离也必然变长，装置大型化，所以不理想。
上述的专利文献虽然都对光斑大小的形状想尽各种办法，但并没有解决有关焦距不同的聚光透镜的使用的上述问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种解决上述问题、能取得与变更焦距同样效果的激光加工装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种激光加工装置，具有激光起振器和用于会聚通过该激光起振器生成的激光光束、照射被加工物进行加工的聚光构件，上述聚光构件具有在几何光学的焦点上述激光光束在上述被加工物上形成的照射区域的轮廓为1个点状轮廓以外的形状的光学的构造。
上述照射区域轮廓的适宜的形状是关于光轴旋转对称的圆形或环状。
上述聚光构件关于光轴旋转对称，上述聚光构件的至少一部分的几何光学的焦点不位于上述光轴上地构成。
在某优选的实施方式中，上述聚光构件单面具备以光轴为中心的圆形平面部和邻接上述平面部的外周的同时几何光学的焦点位于以上述光轴为中心、以上述平面部的直径为直径的圆周上而构成的环状的曲面部的聚光透镜。
在其它的实施方式中，上述聚光构件单面具备几何光学的焦点位于以光轴为中心的圆周上而构成的曲面部的聚光透镜。
在其它的实施方式中，上述聚光构件在一面上具备几何光学的焦点位于光轴上的曲面部，且在另一面上具备以上述光轴为中心的圆锥部的聚光透镜。
在其它的实施方式中，上述聚光构件具有单面具备几何光学的焦点位于光轴上的曲面部的聚光透镜和与上述聚光透镜为不同构件、单面具备以上述光轴为中心的圆锥部的圆锥形棱镜。
在其它的实施例中，上述聚光构件具有单面具备几何光学的焦点位于光轴上的曲面部的聚光透镜和与上述聚光透镜为不同构件、单面具备以上述光轴为中心的纺锤面的纺锤形棱镜。
在其它的实施方式中，上述聚光构件具有在一面上具备几何光学的焦点位于光轴上的曲面部且在另一面上具备以上述光轴为中心的圆锥部的聚光透镜和单面具备与上述圆锥部互补形状的圆锥凹部的凹型的圆锥形棱镜。
上述聚光构件与上述圆锥形棱镜、纺锤形棱镜或凹型的圆锥形棱镜之间的距离最好可以变更。
在其它的实施方式中，上述聚光构件是在一面上具备几何光学的焦点位于光轴上的曲面部、在另一面具备平面部并且具备在该平面部上形成的衍射表面构造的聚光透镜。
本发明涉及的激光加工装置最好是可以交换上述聚光构件和1点聚光透镜地构成。
另外本发明在适用于加工头的朝向为可变的3维加工激光装置、或加工头的移动加速度为1G或以上的高速激光加工装置上是有利的。
本发明的上述或其它的目的、特征及长处通过把以下的最好实施例参照图1a～图1c各自是表示本发明涉及的激光加工装置的聚光透镜附近的概略图、表示工件厚度比图1a厚的场合的概略图及表示激光光束由光纤导引的场合的概略图。
图2是表示本发明涉及的聚光透镜的第1实施方式的图。
图3是表示本发明涉及的聚光透镜的第2实施方式的图。
图4是表示本发明涉及的聚光透镜的第3实施方式的图。
图5是表示本发明涉及的聚光透镜的第4实施方式的图。
图6是表示本发明涉及的聚光透镜的第5实施方式的图。
图7是表示本发明涉及的聚光透镜的第6实施方式的图。
图8a是模式地表示本发明涉及的激光加工装置的切割实验条件的图。
图8b～图8d是为了比较模式地表示原来的激光加工装置的切割试验条件的图。
图9a～图9c各自是表示工件的厚度薄的场合的原来的激光加工的概略图、表示工件的厚度比图9a厚的场合的概略图及表示工件的厚度比图9b厚的场合的概略图。
图10a～图10b各自是表示原来的激光加工装置的加工头的概略构成的图及表示原来的激光加工装置的加工头的其它的概略构成的图。
具体实施例方式
以下，参照附图详细说明本发明。还有图1a～图8a全都是把本发明涉及的激光加工装置中的、从侧方(即垂直于光轴方向)观察聚光透镜及被加工物即工件的附近的概略图。
如图1a所示，本发明涉及的激光加工装置具有概略图示的激光起振器10、用于会聚通过激光起振器10生成的激光光束照射被加工物即工件12进行加工的聚光构件(这里是聚光透镜)20。如以后的详细叙述，聚光透镜20在切割加工厚度特别厚的工件的场合，能使聚光点(用聚光透镜会聚的激光在工件上形成的照射区域)的大小即光斑大小为适合其厚度的工件加工的大小。还有工件的厚度方向为大概沿照射在工件上的激光光束的光轴的方向。
如图1a所示，从激光起振器10射出的如果需要采用未图示的反射镜导引的激光光束入射聚光透镜20向被加工物即工件12上的聚光点14聚光。来自激光起振器的激光光束作为平行光即使向远方照射也不容易扩散，通过被聚光具有能量密度可以上升到物理的极限的性质。工件12的加工中，向工件12的加工部位附近喷射辅助气体，使熔融物飞散或者氧化燃烧以后飞散。激光加工通过使聚光点14相对工件12扫描进行。
就本发明而言，聚光点14的形状即使在聚光点14的位置与几何光学的焦点一致的场合，也不是图9a～图9c所示的点形状(严格地，即使是原来的1点聚光透镜的场合，由于衍射效果在几何光学的焦点也不能成为点，但在本申请说明书中把1点聚光透镜的几何光学的焦点的工件上的聚光点形状称为点)，成为关于光轴22旋转对称、在对应工件厚度的适当的面积部位上激光分布的形状(即光斑尺寸比点形状大的形状)。另外如图1b所示，在工件12的厚度变厚的场合，使用把聚光点14的光斑尺寸变大的聚光透镜20′。如图1a及1b的构成具有与分别如图9b及9c所示采用焦距长的聚光透镜、实际上扩大了透镜和工件的距离从而把聚光点的光斑尺寸变大的构成同样的效果。可是就本发明而言，实际上因为几乎或者完全不需要使透镜20和工件12的距离变化，所以没有必要使用如图10a及图10b所示的大型加工头或附属装置等的构造体，能构成简易且小型的激光加工装置。
如图1c所示，另外向聚光透镜的激光光束的入射也可以采用光纤30进行。这种场合与图1a及图1b同样的想法也能适用。即通过使从光纤30的P点发出的激光光束达到工件12上的P′点、P以外的Q点发出的激光光束达到工件12上的Q′点地构成的聚光透镜20″，能把聚光点的光斑尺寸适当地变大。
把可以实现图1a～图1c所示的构成的聚光透镜20、20′或20″的具体的形状如图2～图7所示。首先图2所示的第1实施方式的聚光构件即聚光透镜20a在上面(在实施例中是激光入射侧)具有曲面部22a及平面部24a。平面部24a是以光轴26a为中心的圆形，曲面部22a同样是以光轴26a为中心、具备邻接在平面部24a外周的内周的环状。曲面部22a的几何光学的焦点不位于光轴26a上，位于以光轴26a为中心、以平面部24a的直径为直径的圆周上。聚光透镜的下面(在本实施例中是激光射出侧)28a也可以是平面。
如图2所示，入射这种激光透镜20a的激光光束中的入射在平面部24a中的部分，因为不聚光，所以原样作为平行光照射在工件12上的聚光点14上，在激光加工中起到辅助的作用。另一方面，入射曲面部22a的激光光束部分会聚并照射在聚光点14的外周附近。从而，聚光点14成为与平面部24a大致相等或稍大的圆形，其外周部比内侧激光能量密度高。为了实现优良的激光加工，在聚光点的外周部最好能量密度高，本发明就是满足该要求的装置。另外也能把平面部24a形成平面以外的形状，适当地变更聚光点14内侧的能量密度分布。
接下来，第2实施方式的聚光构件即聚光透镜20b如图3所示。聚光透镜20b上面具有曲面部22b，没有平面部。在入射到曲面部22b上的激光会聚在工件上时使其不位于光轴26b上(即为使几何光学的焦点不位于光轴22b上)地形成曲面部22b。详细地，图3所示的侧视图中的曲面部22b的形状不是单纯的1条弧线，是具有把以关于光轴26b对称的2个焦点各自作为中心的2条弧线、在光轴26b上相互连接的形状。通过这种聚光透镜20b，工件12上的聚光点14的形状成为环状或外周部能量密度高的圆形，能得到与焦距延长同等的效果。
图4所示的第3实施方式的聚光构件即聚光透镜20c在一面具有几何光学的焦点位于光轴26c上的曲面部22c，在另一面具有圆锥部24c。入射在曲面部22c上的激光光束，因为通过圆锥部24c在从光轴26c放射状分离的方向上若干折射，所以工件上的聚光点成为环状或外周部的能量密度高的圆形，也能把该光斑的大小对应工件的厚度地变大。还有聚光透镜20c的两面即曲面部22c和圆锥部24c的平行度有必要比较严格地制作，但是上述的聚光透镜20b没必要把透镜两面的平行度做得太严格。
图5所示的第4实施方式的聚光构件20d由单面具备几何光学的焦点位于光轴26d上的曲面部22d的聚光透镜23d和与聚光透镜23d为不同的构件、前端面向曲面22d的中心配置的圆锥形棱镜24d构成。激光光束首先入射圆锥形棱镜24d，在从光轴26d放射状分离的方向上若干折射，其后入射聚光透镜23d。入射聚光透镜23d时的激光光束因为不是平行光，所以工件12上的聚光点14成为环状或外周部的能量密度高的圆形。这种构成的优点是通过变更圆锥形棱镜24d与聚光透镜23d之间的在光轴26d方向的距离，能不改变工件12的位置地很容易地变更聚光点14的光斑尺寸。例如，如果把圆锥形棱镜24d与聚光透镜23d的距离变短，就能把光斑尺寸变小进行开口加工。而且，通过使此时的焦点位置由工件12的表面向工件12内部若干变位，可以实现更短时间的开口加工。另一方面，如果把圆锥形棱镜24d与聚光透镜23d之间的距离变长，聚光点14成为环状，故可以实现切割宽度大的稳定的切割加工。能把聚光点的光斑尺寸的大小任意且连续地改变大大地有助于激光加工条件的最适化。
另外有关聚光构件20d，如果把圆锥形棱镜24d做成把圆锥面25d变更为纺锤形状面25d′(图5用虚线表示)的纺锤形棱镜24d′，聚光点的光斑尺寸直径将变得能更容易地控制。由于纺锤面25d′在光轴26d附近大体垂直于光轴26d，随着远离光轴26d倾斜变大，所以即使把棱镜24d和聚光透镜23d的距离变大，相对于光轴26d附近的激光不太背离光轴而沿光轴26d大致平行地前进，透镜外周附近的激光也比圆锥面25d的场合大幅地背离光轴而形成大的聚光点。
与图5的聚光构件20d同样的效果，通过图6所示的第5实施方式的聚光构件20e也可以实现。聚光构件20e由具备与第3实施方式的聚光透镜20c相同的、几何光学的焦点位于光轴26e上的一面的曲面部22e及另一面的圆锥部24e的聚光透镜25e和对向圆锥部24e地具备与圆锥部24e互补形状的圆锥凹部27e的凹型圆锥棱镜28e构成。另外即使通过把曲面部22e做成与图5的纺锤面25d′相同的纺锤面且把圆锥部24e做成平面，也能得到同样的效果。
图7所示的第6实施方式的聚光构件即聚光透镜20f具有几何光学的焦点位于光轴26f上的一面的曲面部22f和另一面上形成的平面部24f。在平面部24f上进一步通过印刷、雕刻等方法形成用于在工件12上形成不是点形状的形状的聚光点14的衍射表面构造28f。通过衍射表面构造28f在工件12上能形成圆、环、椭圆或者多角形等的任意形状及期望的能量密度分布的聚光点14。
就本发明涉及的激光加工装置而言，相对于采用如果是原来不同焦距的聚光透镜时实际的透镜与工件的距离也不得不变更，能得到与透镜和工件的距离实质上不变更而变更焦距同等的效果。从而，对应工件的厚度变更等的、如上述的聚光透镜20a～20e的本发明涉及的聚光透镜相互的分开使用，或者本发明涉及的聚光透镜与原来的几何光学地聚光在1点上的聚光透镜的分开使用，采用公知的安装及拆卸部件可以只交换聚光透镜，不需要用于再调整透镜和工件的距离的机构和时间及劳力。这就可以提供廉价且适用范围广的激光加工装置。
把原来及本发明涉及的激光加工装置的工件的切割实验的结果如表1所示。另外把表1的实验条件a～d各自模式地表示的图如图8a～图8d所示。本发明涉及的实验结果只是表1中的条件a，其它即条件b～d全都是用原来的激光加工装置的结果。激光加工关于全部条件使用平均输出功率为3kw的二氧化碳激光器，对于厚度25mm的软钢板以0.7m/分的扫描速度进行。对于使用的聚光透镜的焦距，只有条件b是8.75英寸(22cm)，其它是5英寸(13cm)。另外射入聚光透镜时的光束直径只有条件d是20mm，其它是30mm。表示表中的焦点位置的数值是把能得到最小光斑尺寸的几何光学的焦点位于工件表面的场合作为零、把几何光学的焦点离开工件表面的方向作为正(+)并用mm单位表示。
表1
○切割优良 △可以切割(品质不良) ×不能切割从表1的条件b～d间的比较可知，对于厚度25mm的工件，用原来的加工装置能优良加工的范围最广的是条件b即焦距为8.75英寸(22cm)的情形。条件c因为焦距短，所以光斑尺寸变小，优良的切割只能在极其狭窄的范围进行。条件d因为把光束直径变小而光斑尺寸变大，所以优良的切割范围虽然比条件c已经变宽，但也不能说充分。本发明即条件a的场合，焦距尽管为5英寸(13cm)，但因为也能实现与条件b同等以上的光斑尺寸直径，所以能在与条件b同等以上的宽范围进行优良的切割。还有最适合的聚光点位置因工件的材质及切割条件等而不同，在从工件表面向正负任一方向都不超越工件厚度的范围内。换言之，本发明的场合，工件表面位于雷利(レ一リ一)长(几何光学的聚光点附近的衍射效果持续的光轴方向长度)的范围内。特开平5-305472号公报中记载的激光加工装置，在成环状照射激光的点上与本申请类似，但因为工件上的加工形状也成为环状，所以认为不是在雷利范围内加工，这点与本发明不同。
在至此说明的实施方式中，除不因聚光点的扫描方向对加工品质产生差异的优点之外，也有不通过入射聚光透镜的激光光束直径就能把聚光点的形状任意形成这一重要的优点，这是与原来提倡的二重焦点透镜很大的不同点。
本发明涉及的激光加工装置对加工头的朝向为可变的3维激光加工装置、或加工头的移动加速度为1G或以上的高速激光加工装置的场合特别有益。3维加工装置的场合能不变更机械坐标的聚光点位置把可以切割的工件厚度的范围划时代地增大，在高速加工装置的场合因为能减少加工头的重量或旋转转距从而能提高高速时的性能及精度。
还有上述的说明是以透射光学部件为前提，即使其一部分为反射光学部件也能得到同样的效果是可以理解的。
根据本发明，即使工件和聚光透镜的距离短的场合，也能得到与采用长焦距的聚光透镜的场合同样的加工效果，没有必要如原来一样分开使用焦点不同的聚光透镜、每次对应焦距调整聚光透镜与工件的距离。
为了说明参照选定的特定实施方式说明了本发明，但是对于本领域的技术人员只要不超出本发明的基本概念及保护范围可以做很多的变更是很明确的。
权利要求
1.一种激光加工装置，具有激光起振器(10)和用于会聚通过该激光起振器(10)生成的激光光束照射被加工物(12)进行加工的聚光构件(20)，其特征在于，上述聚光构件(20)具有在几何光学的焦点(14)上述激光光束在上述被加工物(12)上形成的照射区域的轮廓为1个点状轮廓以外的形状的光学构造。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，上述照射区域的轮廓的形状是关于光轴旋转对称的圆形或环状。
3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，上述聚光构件(20)关于光轴(22)旋转对称并且上述聚光构件(20)的至少一部分的几何光学的焦点不位于上述光轴(22)上地构成。
4.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，上述聚光构件(20)在单面具备以光轴(26a)为中心的圆形平面部(24a)和邻接上述平面部(24a)的外周的同时几何光学的焦点(14)位于以上述光轴(26a)为中心、以上述平面部(24a)的直径为直径的圆周上而构成的环状的曲面部(22a)的聚光透镜(20a)。
5.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，上述聚光构件(20)是单面具备几何光学的焦点(14)位于以光轴(26b)为中心的圆周上而构成的曲面部(22b)的聚光透镜(20b)。
6.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，上述聚光构件(20)在一面上具备几何光学的焦点(14)位于光轴(26c)上的曲面部(22c)且在另一面上具备以上述光轴(26c)为中心的圆锥部(24c)的聚光透镜(20c)。
7.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，上述聚光构件(20)具有单面具备几何光学的焦点(14)位于光轴(26d)上的曲面部(22d)的聚光透镜(23d)和与上述聚光透镜(23d)为不同构件、单面具备以上述光轴(26d)为中心的圆锥部(25d)的圆锥形棱镜(24d)。
8.根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，上述聚光透镜(23d)和上述圆锥形棱镜(24d)之间的距离可以变更。
9.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，上述聚光构件(20)具有单面具备几何光学的焦点(14)位于光轴(26d)上的曲面部(22d)的聚光透镜(23d)和与上述聚光透镜(23d)为不同构件、单面具备以上述光轴(26d)为中心的纺锤面(25d′)的纺锤形棱镜(24d′)。
10.根据权利要求9所述的激光加工装置，其特征在于，上述聚光透镜(23d)和上述纺锤形棱镜(24d′)之间的距离可以变更。
11.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，上述聚光构件(20)具有在一面上具备几何光学的焦点(14)位于光轴(26e)上的曲面部(22e)且在另一面上具备以上述光轴(26e)为中心的圆锥部(24e)的聚光透镜(25e)和单面具备与上述圆锥部(24e)互补形状的圆锥凹部(27e)的凹型的圆锥形棱镜(28e)。
12.根据权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于，上述聚光透镜(25e)与上述凹型的圆锥形棱镜(28e)之间的距离可以变更。
13.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，上述聚光构件(20)是在一面上具备几何光学的焦点(14)位于光轴(26f)上的曲面部(22f)、在另一面上具备平面部(24f)并且具备在该平面部(24f)上形成的衍射表面构造(28f)的聚光透镜(20f)。
14.一种激光加工装置，其特征在于，可以交换权利要求1～13中任意一项所述的聚光构件和1点聚光透镜地构成。
15.根据权利要求1～13中任意一项所述的激光加工装置，其特征在于，是加工头的朝向为可变的3维激光加工装置，或是加工头的移动加速度为1G或以上的高速激光加工装置。
全文摘要
本发明提供一种与变更焦距能取得同样的效果的激光加工装置。入射聚光透镜的激光光束中的入射平面部的部分因为没被聚光，所以原样作为平行光照射在工件上的聚光点上，在激光加工中起到辅助的作用。另一方面，入射聚光透镜的曲面部的激光光束部分会聚照射在聚光点的外周附近。
文档编号B23K26/04GK1781645SQ20051012562
公开日2006年6月7日 申请日期2005年11月30日 优先权日2004年12月1日
发明者江川明, 森敦 申请人:发那科株式会社