专利名称：激光装置以及具备该激光装置的激光加工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在对金属材料等进行加工时使用的激光装置以及具备该激光装置的激光加工装置。
背景技术：
近年来，在高功率激光加工领域中，通过使用了掺稀土类元素光纤的激光装置进行加工备受关注。从激光装置输出的激光的波长是I μ m带，与以往一直使用的CO2激光不同，能够进行光纤传输。另外，能够比CO2激光更微小地聚光，因此适于切断、焊接等的高速加工、精细加工。关于该激光装置，已经有大量的公知技术(例如参照专利文献I)。
图13中示意性地示出现有的激光加工装置100的一例。该激光加工装置100大致由激光装置101、光纤122以及照射光学系统(准直透镜105和聚光透镜106)构成。由激光装置101产生并通过光纤122导光及传输而从出射端103出来的激光104通过准直透镜105和聚光透镜106到达被加工材料107的照射点α。
图14中示出上述激光装置101的现有例。该激光装置101大致由如下部分构成:在芯体的母材中添加有稀土类元素的作为双包层光纤的有源光纤(active fiber) 120 ；形成在该有源光纤120的两端附近并作为激光谐振器的镜而发挥功能的光纤布拉格光栅(fiber bragg grating)(以下简记为 FBG) 121 ;多路稱合器(multicoupler) 123 ;多个半导体激光光源126 ;以及经由连接点129连接至有源光纤120的光纤122。
双包层光纤是在芯体的周围具有双重的包层的光纤。以往，该双包层光纤在芯体的母材中添加稀土类元素等而作为激光介质。内侧的包层具有将芯体内的光封入的作用和将激发芯体内的激光介质的激发光封入的作用这两种作用。外侧的包层具有将激发光封入的作用。
从多个半导体激光光源126出射的激发光经由光纤125和多路耦合器123入射到有源光纤120的内侧包层。在有源光纤120的芯体中产生的激光在两个FBG121之间往复的期间被放大，其一部分从一个FBG121 (纸面右侧的FBG121)取出。该激光入射到比连接点129靠下游的光纤122，从输出端103出射到外部空间。此外，作为比连接点129靠下游的光纤122，使用包层为单层的通常的传输用的光纤。如上，将有源光纤用作激光介质的结构的激光装置被称为光纤激光器。
作为光纤122内的光纤截面上的激光的功率密度的空间分布形状，有可能有接近高斯形状的单模式和接近顶帽(top hat)形状的多模式。
在厚度Imm以上的钢的切断这样的微加工中使用2kW以上的输出的激光。在该输出区域中，在单模式下，由于光纤芯体内的受激布里渊散射、拉曼散射所引起的非线性效应，传输时的光损失变大。因此，导致能够传输光纤的距离限于几m左右。因此,在激光加工装置中通常使用能够获得大的光纤传输距离的多模式的光纤激光器。
照射点α处的激光的功率密度的空间分布具有通过由准直透镜105和聚光透镜106形成的照射光学系统将光纤122的出口(激光装置101的出射端103)的功率密度的空间分布成像所得的形状。在光纤122中的功率密度的空间分布为多模式的光纤激光器的情况下，照射点α处的功率密度的空间分布如图15所示那样成为与光纤122内的分布相同的大致均匀的顶帽形状。此外，在图15中，X表示照射点α处的激光距中心O的距离，I表示激光的功率密度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平5-275792号公报
非专利文献
非专利文献1:P.Hilton, Proceedings of LAMP2009_the5th InternationalCongress on Laser Advanced Materials Processing, 2009 年发明内容
发明要解决的问题
然而，在使用现有的具有多模光纤的激光装置进行金属加工时，与利用CO2激光进行的加工相比，由于在切断、开槽加工中切断面的粗糙度劣化、或者在焊接、堆焊加工中被加工材料的飞散物量变多等原因，有时无法以期待的质量进行加工(例如参照非专利文献I)。该问题特别是在被加工材料厚的情况、切断速度为低速的情况下变得显著。
本发明是鉴于上述情况而完成的，目的在于提供一种激光装置和具备该激光装置的激光加 工装置，在使用通过光纤传输的高输出的激光对金属等进行加工的激光加工中，能够实现加工面的粗糙度的改善、而且能够实现被加工材料的飞散物量的降低。
用于解决问题的方案
本发明人们专心研究的结果，发现通过在与激光的传播方向正交的截面上的功率密度的空间分布上附加边缘，能够实现加工面的质量的改善以及从被加工材料飞散的飞散物的量的降低，开发出了适于实现这一点的激光装置和激光加工装置。
(a)本发明的一个方式所涉及的激光装置具有:第一激光振荡器，出射第一激光；作为双包层光纤的无源光纤，通过芯体来传输上述第一激光；以及第二激光振荡器，出射被入射到该无源光纤的内侧包层的第二激光。
(b)在上述(a)所述的激光装置中，也可以采用如下结构:上述第一激光振荡器具有:激光谐振器，具有在芯体中添加有稀土类元素的作为双包层光纤的有源光纤；以及激发用光源，出射被入射到上述有源光纤的内侧包层的激发光，在上述有源光纤的下游侧连接有上述无源光纤。
(c)在上述(a)所述的激光装置中，入射到上述无源光纤的芯体的上述第一激光的入射角也可以小于入射到上述无源光纤的上述内侧包层的上述第二激光的入射角QLD0
(d)在上述(a)所述的激光装置中，上述第一激光的波长λ I和上述第二激光的波长λ 2也可以满足0.6彡λ 2/ λ I彡0.97。
(e)本发明的一个方式所涉及的激光加工装置将激光聚光后照射到被加工材料，具备:上述(a) (d)中的任一项所述的激光装置；以及照射光学系统，具有准直透镜和聚光透镜。
(f)在上述(e)所述的激光加工装置中，上述第二激光的功率密度Ib也可以小于上述第一激光的功率密度Ia。
(g)在上述(f)所述的激光加工装置的情况下，上述第二激光的上述功率密度Ib也可以满足下式(1)，
Ib.(D2-Dl)/2>0.2.(1/A).κ.{ p Cp (Tm-T0) + P Lj...(I)
其中，
Dl:上述第一激光的聚光点直径
D2:上述第二激光的聚光点直径
A:对于上述被加工材料的上述第二激光的吸收率
κ:上述被加工材料的热扩散系数
P:上述被加工材料的密度
Cp:上述被加工材料的比热
Tm:上述被加工材料的熔点
T0:上述被加工材料的初始温度(常温)
Ln1:上述被加工材料的熔解潜热。
发明效果
在上述(a)所述的激光装置中，第一激光从无源光纤的芯体出射，第二激光从无源光纤的内侧包层出射。在一边移动激光一边进行加工时，在第二激光照射到加工部位之后，第二激光与第一激光的重叠成分照射到该加工部位。
S卩，在被加工部件通过第二激光被预热之后，利用具有进行加工所需的充分的能量的激光进行被加工材料的加工。此时，在被预热的部位中产生激光的能量吸收，但是在上述(a)所述的激光装置中，第二激光的功率密度小于第一激光与第二激光的重叠成分的功率密度。因此，该能量吸收不会过度产生。其结果，即使在加工速度为低速的情况、被加工材料的厚度厚的情况下，也能够改善加工面的质量，而且能够实现飞散物量的降低。
另外，在上述(e)所述的激光加工装置中，具有适于对被加工材料进行预热的能量的第二激光、以及具有对被加工材料进行加工所需的足够的能量的第二激光与第一激光的重叠成分以同轴出射。这些激光从不同的光源出射，因此能够将这些激光的能量容易且相互独立地设定为适于各加工的值。其结果，即使在加工速度为低速的情况、被加工材料的厚度厚的情况下，加工面的粗糙度也变小，并且能够实现飞散量的降低，因此能够实现加工部位的质量的提闻。
图1是示意性地示出本发明的一个实施方式所涉及的激光加工装置的图。
图2是示意性地示出该实施方式所涉及的激光装置的图。
图3是示意性地示出在该实施方式的激光装置中使用的双包层光纤(有源光纤)的截面的图。
图4是示意性地示出向双包层光纤(无源光纤)的芯体和内侧包层分别入射激光和半导体激光的情形的截面图。
图5是表示该实施方式的激光装置的照射点α处的激光的功率密度的空间分布的图。
图6是示意性地示出激光切断的情形的截面图。
图7是表示在激光切断时产生的凸部与激光的功率密度的关系的图。
图8是示意性地示出本发明的激光加工装置的变形例的图。
图9是示意性地示出本发明的激光加工装置的其它变形例的图。
图10是表示实施例1中的半导体激光的输出与切断面粗糙度的关系的图。
图11是表示实施例2和比较例中的切断板厚与切断面粗糙度的关系的图。
图12是表示实施例3和比较例中的焊接速度与质量减少的关系的图。
图13是示意性地示出现有的激光加工装置的图。
图14是示意性地示出在现有的激光加工装置中使用的激光装置的图。
图15是表示在使用现有的激光加工装置的情况下照射点α处的激光的功率密度的空间分布的图。
具体实施方式
图1是示意性地示出本发明的一个实施方式所涉及的激光加工装置10的图。本实施方式的激光加工装置10大致由激光装置1、照射光学系统7以及框体8构成。照射光学系统7例如由准直透镜5和聚光透镜6构成。准直透镜5和聚光透镜6在框体8内被设置成能够相互独立地上下移动。激光装置I的输出端3 (无源光纤22的输出端3)连接至框体8。从该无源光纤22的输出端3出射的激光4 (4a、4b)通过准直透镜5成为平行光，通过聚光透镜6被聚光成适当的尺寸而被照射到被加工材料9。
本实施方式的激光加工装置10例如在进行金属等的切断、开槽、焊接、堆焊等时使用。在进行金属的切断、开槽时，一边从形成在框体8上的气体导入口 8a例如导入氧气、氮气作为辅助气体，一边进行切断、开槽。导入到框体8内的辅助气体从框体8的前端的开口 Sb喷出，将熔融金属从切割预留部(切>9 )去除。在进行金属的焊接、堆焊时，一边将氮气、氩气等惰性气体从气体导入口 8a导入框体8内并从框体8的前端的开口 8b喷出该惰性气体，一边进行焊接、堆焊。此外，也可以将开口设为同轴多重构造，设置多个对应的气体导入口。
图2是示意性地示出上述激光装置I的图。本实施方式的激光装置IA(I)用作上述激光加工装置10的激光振荡器。
该激光装置IA大致由如下部分构成:第一激光振荡器；将从该第一激光振荡器出射的第一激光通过芯体传输的作为双包层光纤的无源光纤22 ;以及出射被入射到该无源光纤22的内侧包层的激光的第二激光振荡器。第一激光振荡器大致由如下部分构成:进行激光器动作并作为双包层光纤的有源光纤20 ;形成在有源光纤20的两端附近的光纤布拉格光栅(FBG) 21 (21a、21b);配置在各FBG21的内侧的第一多路耦合器23 (23a、23b);多个激发用光源26(26a、26b);以及将第一多路耦合器23 (23a、23b)与激发用光源26 (26a、26b)以光学方式进行连接的第一光纤25 (25a、25b)。传输第一激光的无源光纤22经由连接点29与有源光纤20连接。第二激光振荡器由多个半导体激光光源28构成。在无源光纤22上配置有第二多路稱合器24,第二多路稱合器24与各半导体激光光源28通过多条第二光纤27以光学方式相连接。此外，形成有FBG21(21a、21b)的有源光纤20作为激光谐振器发挥功能。即，FBG21a是全反射镜、FBG21b是部分反射镜。另外，在连接点29处，有源光纤20与无源光纤22的芯体彼此通过熔接等相连接。
图3是示意性地示出在本实施方式的激光装置IA中使用的有源光纤20的截面的图。该有源光纤20由芯体20a、设置在芯体20a的周围的内侧包层20b以及设置在该内侧包层20b的周围的外侧包层20c构成。
芯体20a例如作为基材由石英形成，镱(Yb)、铒(Er)等稀土类元素添加在石英中。另外，也可以添加错(Ge)、憐(P)等提闻折射率的惨杂剂。该芯体20a成为激光介质。在有源光纤20的两端附近的芯体20a上形成有FBG21 (21a、21b)。
内侧包层20b其折射率低于芯体20a的折射率，例如由添加了氟(F)、硼⑶的石英形成。在芯体20a中添加有Ge、P的情况下，也可以仅由石英形成。从激发用光源26 (26a、26b)出射的激发光分别经由第一光纤25 (25a、25b)和第一多路f禹合器23 (23a、23b)入射到该内侧包层20b，对芯体20a的稀土类元素进行光激发。在被光激发的芯体20a中，产生激光振荡，其输出的第一激光(光纤激光)经过部分反射镜FBG21b被导入下游的无源光纤22的芯体。关于内侧包层20b的截面形状，只要能够进行激光振荡，就可以是如图3所示那样圆形状，也可以是多边形状、D字状。
外侧包层20c其折射率低于内侧包层20b，作为对芯体20a和内侧包层20b进行导光的激发光的包层起作用。该外侧包层20c例如由树脂形成。或者，也可以由添加了 F、B等的石英构成。
再次参照图2。作为激发用光源26(26a、26b)，适合使用半导体激光器。其数量、功率并不特别限定，根据所需的光纤激光的输出适当地进行设定。从各激发用光源26(26a、26b)出射的激发光的波长与添加在芯体20a中的稀土类元素的吸收波长对应。将由半导体激光器构成的激发用光源26也称为第一半导体激光光源26。
作为第一光纤25 (25a、25b),只要能够对激发光进行导光，就不特别限定，能够使用通常的包层为单层的单包层光纤。
无源光纤22与有源光纤20同样地是由芯体22a、设置在该芯体22a的周围的内侧包层22b以及设置在该内侧包层22b的周围的外侧包层22c构成的双包层构造。然而，在无源光纤22的芯体22a中不添加稀土类元素、以及不形成FBG，在这些方面不同于有源光纤20。另外，内侧包层22b的截面形状优选的是圆形状。
从有源光纤20的芯体端面出射的光纤激光被导入该无源光纤22的芯体22a。
从半导体激光光源(还称为第二半导体激光光源)28出射的半导体激光(第二激光)经由第二光纤27和第二多路耦合器24入射到无源光纤22的内侧包层22b。
S卩，两条激光(光纤激光4a和半导体激光4b)耦合到无源光纤22而同轴化。因此，与使用镜等来使两条激光4(4a、4b)同轴化的情况相比简便，且相对于周围的环境变化(温度变化等)、振动等能够稳定地进行这些激光4(4a、4b)的同轴化。而且，从该无源光纤22、即从激光装置IA的出射端3出射被同轴化的光纤激光4a和半导体激光4b。它们经由由准直透镜5、聚光透镜6等构成的照射光学系统7照射到照射点α。
优选的是，无源光纤22的芯体直径与有源光纤20的直径相同或其以上。无源光纤22的内侧包层22b和外侧包层22c的折射率既可以与有源光纤20的折射率相同，也可以不同。根据入射到无源光纤22的内侧包层22b的半导体激光的波长，能够适当地设定这些内侧包层22b和外侧包层22c的折射率。
第二半导体激光光源28的数量、输出没有特别限定，根据所需的半导体激光4b的输出适当地进行设定。从第二半导体激光光源28出射的半导体激光的波长既可以与激发用光源(第一半导体激光光源)26 (26a、26b)相同，也可以不同。
作为第二光纤27，只要能够对半导体激光进行导光，就没有特别限定，能够使用通常的包层为单层的单包层光纤。
图4是示意性地示出入射到无源光纤22的光纤激光4a和半导体激光4b的情形的图，是以包含光纤的轴的面切断的无源光纤22的截面图。在本实施方式中，关于入射到芯体22a的光纤激光4a的入射角Θ FL与入射到内侧包层22b的半导体激光4b的入射角Θ LD,优选的是Θ %〈 θ ω。通过设为Θ %〈 θ ω，在通过同一光学系统进行了聚光的情况下，在聚光点处半导体激光4b自动地配置在光纤激光4a的外侧。
为了满足Θ FL< Θ LD,只要将无源光纤22的芯体22a和内侧包层22b的折射率调整为适当的值即可。即，通过将芯体22a与内侧包层22b的相对折射率差Λ设为Λ>0，能够得到Θ FL< Θ LDO在此，在将芯体22a的折射率设为nl、将内侧包层22b的折射率设为n2时，以Δ = (nl-n2)/nl定义相对折射率差Λ。
图5是表示照射点α处的(通过本实施方式的激光装置IA能够得到的)激光4(4a、4b)的功率密度的空间分布的图，X表示照射点α处的激光4距中心O的距离，I表示激光4的功率密度的大小。
如上所述，照射点α被照射从激光谐振器(有源光纤20)出射的光纤激光4a和从半导体激光光源28出射的半导体激光4b。因此，如图5所示，在这些激光4的功率密度的空间分布中也有由光纤激光4a产生的第一区域41 (聚光点直径Dl)和由半导体激光4b产生的第二区域42 (聚光点直径D2)。关于两条激光4(4a、4b)各自，照射点α处的功率密度的空间分布为几乎均匀的顶帽形状。
在本实施方式中，优选的是，光纤激光4a的功率密度Ia和半导体激光4b的功率密度Ib为Ia>ib，更优选的是I/lO≥Ibo
在此，关于照射点α处的光纤激光4a的功率密度Ia，由于该激光的空间分布均匀、即是顶帽形状，因此能够通过将光纤激光4a的输出Pa(W)除以点面积Sa(mm2)来获得功率密度Ia。即，光纤激光4a的功率密度Ia通过以下的式(2)求出。
权利要求
1.一种激光装置，其特征在于，具有: 第一激光振荡器，出射第一激光； 作为双包层光纤的无源光纤，通过芯体来传输上述第一激光；以及 第二激光振荡器，出射被入射到该无源光纤的内侧包层的第二激光。
2.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于， 上述第一激光振荡器具有: 激光谐振器，具有在芯体中添加有稀土类元素的作为双包层光纤的有源光纤；以及 激发用光源，出射被入射到上述有源光纤的内侧包层的激发光， 在上述有源光纤的下游侧连接有上述无源光纤。
3.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于， 入射到上述无源光纤的芯体的上述第一激光的入射角Θ %，小于入射到上述无源光纤的上述内侧包层的上述第二激光的入射角θω。
4.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于， 上述第一激光的波长λ I和上述第二激光的波长λ 2满足0.6 < λ 2/ λ I < 0.97。
5.一种激光加工装置，将激光聚光后照射到被加工材料，其特征在于，具备: 根据权利要求1 4中的任一项所述的激光装置；以及 照射光学系统，具有准直透镜和聚光透镜。
6.根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于， 上述第二激光的功率密度Ib小于上述第一激光的功率密度Ia。
7.根据权利要求6所述的激光加工装置，其特征在于，上述第二激光的上述功率密度Ib满足下式(1)，Ib.(D2-Dl)/2>0.2.(1/A).κ.{p Cp (Tm-T0) + P Lj...(I) 其中， Dl:上述第一激光的聚光点直径 D2:上述第二激光的聚光点直径 A:对于上述被加工材料的上述第二激光的吸收率 κ:上述被加工材料的热扩散 系数 P:上述被加工材料的密度 Cp:上述被加工材料的比热 Tm:上述被加工材料的熔点 T0:上述被加工材料的初始温度(常温) Lm:上述被加工材料的熔解潜热。
全文摘要
本发明的激光装置具有第一激光振荡器，出射第一激光；作为双包层光纤的无源光纤，通过芯体来传输上述第一激光；以及第二激光振荡器，出射被入射到该无源光纤的内侧包层的第二激光。另外，本发明的激光加工装置具备上述激光装置、以及具有准直透镜和聚光透镜的照射光学系统。
文档编号B23K26/08GK103155308SQ20108006964
公开日2013年6月12日 申请日期2010年10月18日 优先权日2010年10月18日
发明者今井浩文, 平野弘二 申请人:新日铁住金株式会社