激光加工装置和激光加工方法与流程

本发明涉及一种一边抑制反射光一边进行激光加工的激光加工装置和激光加工方法。

背景技术：

在激光加工中，根据要切割的材料或厚度等来选择加工条件后进行激光加工。在激光加工时产生了大的反射光的情况下，停止激光加工并产生警告。作为避免这样的反射光的技术，例如以下的专利文献是公知的。

在日本特开2014-117730号公报中记载有如下发明：在激光加工前，作为预加工，一边变更焦点位置一边以穿孔条件来照射激光，存储反射光低的位置，并且在该位置进行穿孔加工(钻孔加工)。

在日本专利第4174267号公报中记载有如下发明：在钻孔加工或切割加工之前，以脉冲的方式照射激光，在反射光的测定值超过了规定值的情况下，缩短激光的脉冲宽度。

在国际公开第2013/014994号中记载有如下发明：对工件进行激光照射，根据其反射光来判定所设定的加工条件是否与工件一致。

技术实现要素：

当利用激光进行钻孔、切割、标记、焊接等激光加工时，有时由于

(1)对不知道加工条件的材料进行加工的情况、

(2)错误地输入了要选择的加工条件的情况、

(3)即使是相同的材料但由于表面的状态、倾斜等而反射率大为不同的情况

等而导致发生加工问题、或产生大的反射光。当非常大的反射光向激光振荡器返回时，会瞬间破坏激光振荡器。另外，当大的反射光反复返回到振荡器时会成为故障的原因。因此，存在由于产生反射光而导致激光加工停止、难以进行稳定的生产运转这样的问题。

因此，寻求一种抑制来自工件的反射光来不对激光振荡器造成损伤地进行稳定的激光加工的技术。

本发明的第1方式提供一种激光加工方法，是激光加工装置中执行的激光加工方法，该激光加工装置从加工头向工件照射激光并一边抑制所照射的激光的反射光一边进行激光加工，该激光加工方法包括以下步骤：在对工件进行激光加工之前，以从比激光加工的加工条件中包含的激光功率低的激光功率起阶段性地提高激光功率的方式从激光振荡器照射激光并利用反射光传感器测定来自工件的反射光；基于反射光的测定值和规定值来决定用于抑制反射光的输出条件；以及以所决定的输出条件向工件照射激光固定时间，来在进行激光加工之前抑制反射光。

本发明的第2方式提供一种激光加工方法，在第1方式中，以从低的激光功率起阶段性地提高激光功率的方式从激光振荡器射出激光并利用反射光传感器测定反射光的步骤包括射出具有激光输出的关闭(off)时间的脉冲激光。

本发明的第3方式提供一种激光加工方法，在第1方式或第2方式中，还包括以下步骤：在抑制反射光的步骤之后，以激光加工的加工条件进行输出指示并测定反射光，在反射光的测定值超过了规定值的情况下，再次返回到以从低的激光功率起阶段性地提高激光功率的方式从激光振荡器射出激光并利用反射光传感器测定反射光的步骤。

本发明的第4方式提供一种激光加工方法，在第1方式或第2方式中，还包括以下步骤：在抑制反射光的步骤之后，以激光加工的加工条件进行输出指示并测定反射光；以及在反射光的测定值超过了规定值的情况下，使激光的焦点位置移动，再次返回到以从低的激光功率起阶段性地提高激光功率的方式从激光振荡器射出激光并利用反射光传感器测定反射光的步骤。

本发明的第5方式提供一种激光加工方法，在第2方式中，以从低的激光功率起阶段性地提高激光功率的方式从激光振荡器射出激光并利用反射光传感器测定反射光的步骤中的激光的脉冲宽度比检测反射光的测定值是否超过了规定值的检测周期长。

本发明的第6方式提供一种激光加工方法，在第1方式～第5方式中的任一方式中，利用配置于加工头的反射光测定部来测定反射光。

本发明的第7方式提供一种激光加工方法，在第1方式～第5方式中的任一方式中，激光振荡器是光纤激光振荡器，反射光传感器设置于光纤激光振荡器，反射光传感器测定向光纤的芯部返回的反射光。

本发明的第8方式提供一种激光加工方法，在第1方式～第5方式中的任一方式中，激光振荡器是光纤激光振荡器，反射光传感器设置于光纤激光振荡器，反射光传感器测定向光纤的包层部返回的反射光。

本发明的第9方式提供一种激光加工方法，在第1方式～第5方式中的任一方式中，激光振荡器是光纤激光振荡器，反射光传感器设置于光纤激光振荡器，反射光传感器测定向光纤的芯部和包层部返回的反射光。

本发明的第10方式提供一种激光加工装置，向工件照射激光并一边抑制所照射的激光的反射光一边进行激光加工，该激光加工装置具有：固体激光振荡器；激光用电源，其使得能够进行脉冲激光振荡；输出控制部，其对激光用电源进行输出指示；反射光测定部，其测定来自工件的反射光；存储部，其存储反射光的一个以上的规定值；控制部，其进行如下指示：以从比激光加工的加工条件中包含的激光功率低的激光功率起阶段性地提高激光功率的方式射出脉冲激光；比较部，其将反射光的测定值与规定值进行比较；运算部，其基于反射光的测定值与规定值的比较结果来运算用于抑制反射光的输出条件。

本发明的第11方式提供一种激光加工装置，在第10方式中，还具有：机构部，其具有能够使激光的焦点位置变更的驱动轴；以及机构控制部，其对机构部进行控制，其中，在以用于抑制反射光的输出条件射出激光之后，在反射光的测定值超过了规定值的情况下，机构控制部对机构部进行控制以变更激光的焦点位置。

本发明的第12方式提供一种激光加工装置，在第11方式中，激光用电源以200μ秒以下的速度启动，输出控制部进行200μ秒以下的脉冲指示来作为激光的输出指示。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式中的激光加工装置的概要图。

图2是第一实施方式中的激光加工装置的框图。

图3是表示第一实施方式中的激光加工方法的流程图。

图4是表示第一实施方式中的所指示的激光功率与反射光的测定值之间的对应关系的曲线图。

图5是第一实施方式中的在抑制反射光步骤中发生变化的工件的截面图。

图6是本发明的第二实施方式中的激光加工装置的框图。

图7是表示第二实施方式中的激光加工方法的流程图。

图8是本发明的第三实施方式中的激光加工装置的框图。

图9是表示第三实施方式中的激光加工方法的流程图。

具体实施方式

下面，参照附图来详细地说明本发明的实施方式。在各附图中，对同样的结构要素标注了同样的标记。此外，下面所记载的内容并不限定权利要求书中记载的发明的技术范围及用语的意义。

(第一实施方式)

参照图1和图2来说明本发明的第一实施方式中的激光加工装置的结构。图1是表示第一实施方式中的激光加工装置的概要图，图2是第一实施方式中的激光加工装置的框图。激光加工装置10对工件11进行钻孔、切割、标记、焊接等加工。激光加工装置10具有：加工头12，其对工件11射出激光l；台13，其用于配置工件11；机构控制部14，其对加工头12和台13的驱动轴等机构部的驱动进行控制；激光振荡器16，其经由光纤15而与加工头12连接；以及数值控制装置17，其对机构控制部14和激光振荡器16进行控制。

加工头12相对于被配置在台13上的工件11沿x、y、z轴方向移动。另外，加工头12使聚光透镜20沿b轴方向移动以移动激光l的焦点位置。如图2所示，加工头12具有用于沿z轴方向移动的驱动轴19以及用于使聚光透镜20沿b轴方向移动的驱动轴21。虽未进行图示，但是台13具有用于沿x、y轴方向移动的驱动轴。

机构控制部14具有：使驱动轴19、21旋转的伺服电动机22、23；进行伺服电动机22、23的旋转控制的伺服放大器24、25；以及进行伺服电动机22、23的位置控制的位置控制部26、27。

激光振荡器16经由具有100μm的径的光纤15而与加工头12连接。激光振荡器16是最大输出为4kw的光纤激光振荡器，具有光纤激光谐振器30。利用激光用电源31使得光纤激光谐振器30能够进行脉冲振荡。输出控制部32根据包括激光功率、频率、占空比等的加工条件对激光用电源31进行输出指示。激光用电源31基于输出控制部32的200μ秒以下的脉冲指示来以200μ秒以下的速度启动。由此，激光输出的响应性良好，因此易于使激光的输出指示与反射光的测定值相对应。

虽然未图示，光纤激光谐振器30由多个激光谐振器构成，输出侧的多个光纤由合束器(beamcombiner)结合，由此生成大功率的激光l。激光l被弯光镜(bendermirror)18反射而向工件11照射。在将多个光纤结合的合束器上连接有对来自工件11的反射光r进行测定的反射光传感器33。

反射光传感器33包括热电传感器、光电传感器等，测定返回到光纤15的芯部和包层部中的至少一方的反射光r。通过测定返回到芯部和包层部的2种反射光，能够设定用于更高精度地抑制反射光的输出条件。反射光传感器33的测定值28被放大部34放大并经过数字转换后被存储到存储部29。并且，在光纤激光谐振器30上连接有对从激光谐振器的后镜以0.5％的透过率输出的监视用激光m进行测定的功率传感器35。功率传感器35包括热电传感器、光电传感器等，功率传感器35的输出被放大部36放大并经过数字转换后被输出到图1所示的数值控制装置17。

数值控制装置17具有cpu等控制部37和ram或rom等存储部38。控制部37读取存储于存储部38的加工程序39并执行该加工程序39，基于各种指示来控制整个激光加工装置10。加工程序39将基于工件11的材料、厚度等的包括激光功率、频率、占空比等的加工条件40输入并存储到存储部38。存储部38存储来自工件11的反射光的规定值41。

接着，参照图3～图5来说明第一实施方式的激光加工装置中执行的激光加工方法。图3是表示第一实施方式中的激光加工方法的流程图，图4是表示第一实施方式中的激光功率与反射光的测定值之间的关系的曲线图，图5是第一实施方式中的在抑制反射光步骤中发生变化的工件的截面图。

如图3所示，在步骤s100中，开始探头加工。在此，如图4所示，在对工件进行激光加工之前，以从比激光加工的加工条件低的功率起阶段性地提高激光功率的方式射出激光。在反射光的测定值超过了规定值的情况下，在步骤s101中，决定用于抑制反射光的输出条件。在此，将反射光的测定值不超过规定值(例如1260w)的最大功率、即在超过规定值的激光功率之前一个激光功率决定为输出条件。

接着，在步骤s102中，开始探头加工。即，在步骤s103中，以所决定的输出条件射出激光500m秒。在此期间，如图5所示，逐渐对工件11的加工点p造成损伤。由此，返回到光纤的反射光逐渐降低。在步骤s104中，当反射光的测定值下降为50％以下、或者经过了500毫秒时，在步骤s105中，以所输入的加工条件(例如激光功率：2kw、频率：500hz、占空比：30％)来开始激光加工。

在此期间，在反射光的测定值超过了规定值(例如1260w)的情况下(步骤s106)，返回到步骤s100，再次以从比激光加工的加工条件低的激光功率起阶段性地提高激光功率的方式射出激光。由此，即使在第一次步骤中没能抑制反射光的情况下，也能够抑制反射光。在反射光的测定值不超过规定值的情况下，激光加工完成。

在步骤s100～步骤s101的探头加工中，也可以是以连续照射的方式阶段性地提高激光功率，但是优选的是如图4所示的那样射出具有激光输出的关闭时间的脉冲激光。由于脉冲激光包含激光输出的关闭时间，因此能够容易地使所指示的激光功率与反射光的测定值相对应。另外，脉冲激光的脉冲宽度设为比检测反射光r的测定值是否超过了规定值的检测周期长。由此，能够可靠地检测超过规定值的反射光。

在抑制了反射光之后进行激光加工，因此即使在所输入的加工条件对于工件的材质、状态、倾斜、激光的焦点位置等不是最优的情况下，也能够不对激光振荡器造成损伤地执行稳定的激光加工。

(第二实施方式)

接着，参照图6来说明本发明的第二实施方式中的激光加工装置的结构。图6是第二实施方式中的激光加工装置的框图。激光加工装置50具有最大输出为4kw的光纤激光振荡器53。虽未进行图示，但是光纤激光振荡器53具备由具有100μm的径的光纤和具有200μm的径的光纤构成的光纤激光谐振器51，两光纤由光纤耦合器连接，从而射出具有300μm的聚焦光束径的激光。由于在光纤激光振荡器53中未设置反射光传感器、或者为了在更接近加工点的部位检测反射光，在第二实施方式中，利用配置于加工头12的反射光测定部52来获取反射光r的测定值28。

反射光测定部52包括对工件11照射监视用参照光并接收来自工件11的监视用反射光r的光反射器等。由反射光测定部52测定出的测定值28被放大部34放大并经过数字转换后被存储到存储部29。其它结构与第一实施方式相同。

接着，参照图7来说明在第二实施方式的激光加工装置中执行的激光加工方法。图7是表示第二实施方式中的激光加工方法的流程图。在图7中，步骤s200～步骤204与第一实施方式的步骤s100～步骤s104相同，因此省略说明。

在步骤s205中，以所决定的输出条件加上+1000w而得到的激光功率(在该功率超过激光振荡器的最大值的情况下，以激光振荡器的最大值)射出激光。此时，在步骤s206中，存储紧接开始之后的反射光的测定值(m1)。该m1如后面叙述的那样用作反射光的其它规定值。另外，在此期间，在反射光的测定值超过了规定值(例如1260w)的情况下(步骤s207)，返回到步骤s200，再次以从比激光加工的加工条件低的功率起阶段性地使功率上升的方式射出激光。通过重复进行这些过程，能够在反射光少的状态下执行激光加工。

在反射光的测定值从m1下降了30％以上的情况下(步骤s208)，在步骤s209中，以所决定的输出条件加上+2000w而得到的激光功率(在该功率超过激光振荡器的最大值的情况下，以激光振荡器的最大值)射出激光。此时，在步骤s210中，存储紧接开始之后的反射光的测定值(m2)。该m2如后面叙述的那样用作反射光的其它规定值。另外，在此期间，在反射光的测定值超过了规定值(例如1260w)的情况下(步骤s207)，返回到步骤s200，再次以从比激光加工的加工条件低的功率起阶段性地使功率上升的方式射出激光。通过重复进行这些过程，能够在反射光少的状态下执行激光加工。在反射光的测定值从m2下降了80％以上的情况下(步骤s211)，激光加工完成。

(第三实施方式)

接着，参照图8来说明本发明的第三实施方式中的激光加工装置的结构。图8是第三实施方式中的激光加工装置的框图。激光加工装置60具有最大输出为6kw的光纤激光振荡器65。虽未进行图示，但是光纤激光振荡器65具备由具有100μm的径的光纤和具有1000μm的径的光纤构成的光纤激光谐振器61，两光纤由光纤耦合器连接，射出具有1000μm这样大的聚焦光束径的激光。具有1000μm的光束径的激光难以返回到具有100μm的径的光纤，因此在第三实施方式中，也利用配置于加工头12的反射光测定部52来测定反射光r。

由反射光测定部52测定出的反射光r的测定值被输入到比较部62。比较部62包括将反射光r的测定值输入到非反相输入并将反射光的规定值输入到反相输入的比较器等模拟电路。在反射光r的测定值不超过规定值的情况下，将负电压输入到运算部63，在反射光r的测定值超过了规定值的情况下，将正电压输入到运算部63。运算部63包括fpga、dsp等集成电路，在被输入了正电压的情况下，运算用于抑制反射光的输出条件。运算部63将所决定的输出条件输出到输出控制部64。输出控制部64根据所决定的输出条件来对激光用电源31进行输出指示。其它结构与第二实施方式相同，因此省略说明。

利用专用的电气电路、集成电路等硬件来执行反射光的测定值与规定值的比较处理、以及用于抑制反射光的输出条件的运算处理，由此能够容易地得到与激光的脉冲宽度对应的反射光的检测周期，因此能够可靠地检测超过规定值的反射光。

在其它实施方式中，也可以使用在反射光的测定值超过了规定值的情况下使开关工作的热控开关(thermalswitch)等，来替代比较部62和运算部63。当热控开关接通输出控制部64的开关时，输出控制部64使激光以不超过规定值的最大功率射出。

接着，参照图9来说明在第三实施方式的激光加工装置中执行的激光加工方法。图9是表示第三实施方式中的激光加工方法的流程图。在图9中，步骤s300～步骤311与第二实施方式的步骤s200～步骤s211相同，因此省略说明。

在第三实施方式中，聚焦光束径有1000μm这样大，因此当对作为高反射材料的铝等的工件11进行钻孔加工等时，激光的能量密度低。因此，无法使工件11熔融，而持续返回大的反射光，钻孔加工没有进展。因此，在步骤s305中，在反射光的测定值超过了规定值(例如1260w)的情况下(步骤s307)，在步骤s312中，对加工头12内的b轴进行驱动，来使激光的焦点位置向上方移动2mm。通过使激光的焦点位置移动，在工件表面反射的激光难以返回到激光振荡器。因此，在步骤s300和s302中能够向工件照射更大的激光功率，即使在第一次步骤中没能抑制反射光的情况下，也能够抑制反射光。因而，对难以吸收激光的高反射材料也能够执行激光加工。

在其它实施方式中，也可以是，在步骤s305和步骤s309中，在反射光的测定值超过了其它规定值(例如更高的1300w)的情况下，不返回到步骤s300，而是停止激光加工，并且利用监视器或声音来通知已停止加工。根据该过程，即使在不知道工件的材质、厚度等的情况下，也在步骤s300中决定用于抑制反射光的最优的输出条件，在步骤s303中对工件形成小的穴以降低反射光，并且在步骤s305和步骤s309中以大的激光功率射出激光，因此能够以最短时间完成激光加工。

在此，说明本发明的作用效果。根据本发明，即使在所设定的加工条件对于工件的材质、状态、倾斜、激光的焦点位置等不是最优的情况下，也能够抑制反射光，从而能够不对激光振荡器造成损伤地进行稳定的激光加工，生产率提高。

此外，也可以将前述的实施方式中的程序记录在计算机可读取的非易失性的记录介质、例如cd-rom来进行提供。

在本说明书中说明了各种实施方式，但是希望能够认识到，本发明并不限定于前述的各种实施方式，能够在权利要求书所记载的范围内进行各种变更。