申请/专利权人：松下知识产权经营株式会社

申请日：2017-11-16

公开（公告）日：2021-04-13

公开（公告）号：CN109982808B

主分类号：B23K26/067(20060101)

分类号：B23K26/067(20060101);B23K26/064(20060101);G02B6/42(20060101)

优先权：["20161122 JP 2016-226625"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.13#授权;2019.07.30#实质审查的生效;2019.07.05#公开

摘要：本发明提供一种激光加工装置以及激光加工方法。激光加工装置1具备：激光切换机70，将一个激光110的光路切换为具有第1光纤11的第1光路和具有芯径比第1光纤11大的第2光纤21的第2光路；以及加工头80，将通过了第1光路或者第2光路的激光照射到被加工件900的相同的加工点。激光切换机70在通过了第1光路的激光的照射时间经过了给定时间的情况下，从第1光路向第2光路切换激光的光路。

主权项：1.一种激光加工装置，具备：一台激光光源；激光切换部，将来自所述激光光源的一个激光的光路选择性地切换为具有第1光纤的第1光路和具有芯径比所述第1光纤大的第2光纤的第2光路；激光照射部，将通过了所述第1光路的激光以及通过了所述第2光路的激光照射到被加工件的相同的加工点；以及控制部，在满足给定条件的情况下，控制所述激光切换部的切换动作，使得从所述第1光路向所述第2光路切换激光的光路，由此从利用所述第1光路对所述被加工件进行加工切换为利用所述第2光路来继续对所述被加工件进行加工。

全文数据：激光加工装置以及激光加工方法技术领域本发明涉及用于提高加工速度的激光加工装置以及激光加工方法。背景技术以往，已知作为代表性的被加工件的金属中的激光的吸收率在固体状态下低，在熔融状态下高例如，参照专利文献1。即，在激光加工开始时，由于被加工件为固体，因此激光的吸收率低，但若被加工件开始熔融，则激光的吸收率变高。此外，在激光加工中，已知适合于该加工的激光的聚光直径例如，参照专利文献2。而且，为了分开使用适合于熔融的聚光直径的激光和适合于激光加工的聚光直径的激光，已知有通过设置时间差地照射从多个激光振荡器射出的多个激光而叠加激光来进行激光加工的激光加工装置例如，参照专利文献3、4。具体而言，在专利文献4所记载的激光加工装置中，从第1激光振荡器射出激光，通过聚光透镜进行聚光并照射到加工点，由此开始激光加工。然后，从第2激光振荡器射出激光，使其在光纤中传播，通过加工头进行聚光并照射到加工点，由此叠加两个激光来进行激光加工。在先技术文献专利文献专利文献1：日本特开2001-252776号公报图13专利文献2：日本特开平7-256477号公报图2～图4专利文献3：日本特开2015-217422号公报图5专利文献4：美国专利第5272309号说明书图8发明内容然而，在以往的激光加工装置中，由于使用两台激光振荡器进行激光加工，因此需要控制两台激光振荡器并考虑其激光的射出时刻，控制变得复杂。此外，使用两台激光振荡器的情况下需要第二台激光振荡器的启动时间、即激光的停止时间或者低输出时间，存在加工速度变慢的问题。本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种能够兼顾具有适合于被加工件的熔融的熔融用聚光直径的激光的照射和具有适合于激光加工的加工用聚光直径的激光的照射，并且能够提高激光加工速度的激光加工装置。本发明的一个方式所涉及的激光加工装置具备：激光切换部，将一个激光的光路选择性地切换为具有第1光纤的第1光路和具有芯径比所述第1光纤大的第2光纤的第2光路；激光照射部，将通过了所述第1光路的激光以及通过了所述第2光路的激光照射到被加工件的相同的加工点；以及控制部，在满足给定条件的情况下，控制所述激光切换部的切换动作，使得从所述第1光路向所述第2光路切换激光的光路。根据这样的结构，能够仅通过切换一个激光的光路来兼顾为了快速地开始激光加工而具有适合于被加工件的熔融的熔融用聚光直径的激光的照射、和具有适合于激光加工的加工用聚光直径的激光的照射。即，在激光加工开始时，能够以小径且输出密度高的激光进行被加工件的熔融，然后，利用具有适合于激光加工的聚光直径的激光继续进行被加工件的加工。此外，由于不需要以往那样的使用两台激光振荡器的情况下的第二台激光振荡器的启动时间、即激光的停止时间或者低输出时间，因此能够提高激光加工速度。根据本发明的一个方式，仅通过切换一个激光的光路，能够在激光加工开始时以小径且输出密度高的激光进行加工，然后，继续利用具有适合于激光加工的聚光直径的激光进行激光加工。由此，能够提高激光加工速度。附图说明图1是表示本实施方式1所涉及的激光加工装置的主要结构的要素配置图。图2是切换激光的光路时的相当于图1的图。图3是表示本实施方式2所涉及的激光加工装置的主要结构的要素配置图。图4是切换激光的光路时的相当于图3的图。具体实施方式以下，基于附图，说明本发明的实施方式。另外，以下的优选实施方式的说明本质上只不过是例示，并不意图对本发明、其应用物或者其用途进行限制。《实施方式1》如图1以及图2所示，激光加工装置1具备：激光振荡器100，作为激光源；激光切换机70激光切换部，将激光110的光路选择性地切换为第1光路和第2光路；加工头80激光照射部，将激光照射到被加工件900；和第1光纤11以及第2光纤21，构成第1光路以及第2光路。激光振荡器100例如射出中心波长976nm且4kW的近红外波长的高输出激光。在激光振荡器100中设置有进行与激光加工装置1的动作相关的各种控制的控制部101。激光切换机70具备：弯曲模块72，使从激光振荡器100射出的激光折射而变更光路来传送；第1光纤耦合模块13，将激光引导至第1光纤11；第2光纤耦合模块23，将激光引导至第2光纤21；以及光束阻尼器10，吸收激光。弯曲模块72具备两个弯曲镜16、26。弯曲镜16、26例如由30mm×30mm×厚度3mm的平行平板的方形石英构成，对反射面实施高反射涂层。弯曲镜16固定于弯曲镜保持架17。弯曲镜保持架17经由轴18与马达19连接。马达19根据来自控制部101的指令而旋转，弯曲镜16随着马达19的旋转而可动。由此，能够在使弯曲镜16向下方下降而使激光110的光路在水平面内呈直角地弯折的弯折位置、和使弯曲镜16向上方上升而使激光110直线前进的直进位置之间使弯曲镜16可动。同样地，弯曲镜26固定于弯曲镜保持架27。弯曲镜保持架27经由轴28与马达29连接。马达29根据来自控制部101的指令而旋转，弯曲镜26随着马达29的旋转而可动。由此，能够在使弯曲镜26向下方下降而使激光110的光路在水平面内呈直角地弯折的弯折位置、和使弯曲镜26向上方上升而使激光110直线前进的直进位置之间使弯曲镜26可动。第1以及第2光纤耦合模块13、23，与由弯曲镜16、26在水平面内折射成直角而从弯曲模块72射出的激光112参照图1、212参照图2的射出位置对应地被配置。第1光纤耦合模块13具备：聚光透镜12，对激光112进行聚光；以及插座14，保持第1光纤11的入射端侧。聚光透镜12例如由玻璃材料为合成石英、直径30mm、焦距50mm的透镜构成。由聚光透镜12聚光后的激光114入射到第1光纤11。第1光纤11例如由纤芯直径50μm、包层直径400μm的石英系单芯光纤构成。第1光纤11构成由弯曲镜16折射后的激光112通过的第1光路。同样地，第2光纤耦合模块23具备：聚光透镜22，用于对激光212进行聚光；以及插座24，保持第2光纤21的入射端侧。聚光透镜22由玻璃材料为合成石英、直径30mm、焦距60mm的透镜构成。由聚光透镜22聚光后的激光214入射到第2光纤21。第2光纤21由纤芯直径100μm、内包层直径200μm、外包层直径400μm的石英系双包层光纤构成。第2光纤21具有比第1光纤11大的芯径。第2光纤21构成由弯曲镜26折射后的激光212通过的第2光路。光束阻尼器10与射出激光110的射出口相对置地配置，在内部充满了循环的冷却水。加工头80用于被加工件900的激光加工在本实施方式中为激光切断。被加工件900例如是厚度1.6mm的软钢板SS400。加工头80具备：头主体81；第1光纤耦合模块33，连接第1光纤11的射出端而将其射出光引导至头主体81；以及第2光纤耦合模块43，连接第2光纤21的射出端而将其射出光引导至头主体81。第1光纤耦合模块33具备：准直透镜32，用于对激光116进行准直；以及插座34，保持第1光纤11的射出端侧。准直透镜32例如由玻璃材料为合成石英、直径30mm、焦距50mm的透镜构成。同样地，第2光纤耦合模块43具备：准直透镜42，用于对激光216进行准直；以及插座44，保持第2光纤21的射出端侧。准直透镜42例如由玻璃材料为合成石英、直径30mm、焦距50mm的透镜构成。头主体81具备：反射镜50，使被引导至头主体81的内部的激光的光路弯折而进行变更；以及聚光透镜62，用于对由反射镜50折射后的激光进行聚光而供切断使用。聚光透镜62例如由玻璃材料为合成石英、直径50mm、焦距100mm的透镜构成。反射镜50例如由玻璃材料为合成石英、长轴70mm×短轴50mm×厚度5mm、反射面上实施了高反射涂层的镜构成。反射镜50由反射镜保持架52保持。反射镜保持架52经由轴54与马达56连接。马达56设置在头主体81的外部，根据来自控制部101的指令而旋转，反射镜50随着马达56的旋转而可动。由此，能够将通过了具有第1光纤11的第1光路的激光118和通过了具有第2光纤21的第2光路的激光218照射到被加工件900的相同的加工点。以下，对激光加工装置1的动作进行说明。如图1所示，弯曲镜16通过使马达19旋转而向下方下降。从激光振荡器100射出的激光110的光路被弯曲镜16弯折，作为激光112入射到第1光纤耦合模块13。入射到第1光纤耦合模块13的激光112被聚光透镜12聚光到给定位置，从第1光纤11的入射端入射到纤芯而在第1光纤11内传播，从第1光纤11的射出端射出。从第1光纤11的射出端射出的激光116被准直透镜32变换为大致平行的激光118，入射到头主体81的内部。反射镜50随着马达56的旋转而旋转为反射面与准直透镜32对置之后停止。激光118的光路被反射镜50弯折，成为激光120。激光120被变换为通过聚光透镜62会聚的激光122后照射到被加工件900。在激光122的焦点处进行激光切断。此时，焦点处的激光122的聚光直径为100μm。当开始照射激光122时，在激光122的照射点即加工点，被加工件900开始熔融。即，激光122的聚光直径100μm是熔融用聚光直径。在此，能够预先计测被加工件900开始熔融所需的时间。而且，在本实施方式中，控制部101控制激光切换机70的切换动作，使得在通过了具有第1光纤11的第1光路的激光122的照射时间经过了给定时间的情况下，将激光110的光路切换为具有第2光纤21的第2光路。具体而言，在仍然从激光振荡器100射出激光110的状态下，通过使马达19旋转而使下降至下方的弯曲镜16向上方上升，另一方面通过使马达29旋转而使弯曲镜26向下方下降。使用图2说明之后的动作。如图2所示，从激光振荡器100射出的激光110的光路被弯曲镜26弯折，作为激光212入射到第2光纤耦合模块23。入射到第2光纤耦合模块23的激光212被聚光透镜22聚光到给定位置，从第2光纤21的入射端入射到纤芯而在第2光纤21内传播，从第2光纤21的射出端射出。从第2光纤21的射出端射出的激光216被准直透镜42变换为大致平行的激光218，入射到头主体81的内部。反射镜50随着马达56的旋转而旋转为反射面与准直透镜42对置之后停止。激光218的光路被反射镜50弯折，成为激光220。激光220被变换为通过聚光透镜62会聚的激光222后照射到被加工件900。在激光222的焦点处进行激光切断。此时，焦点处的激光222的聚光直径为200μm。激光222照射到通过激光122而被加工件900熔融后的相同的加工点。通过切换一个激光110的光路使其通过第2光路，从而激光222具有比激光122低的输出密度。然后，继通过激光122开始熔融的被加工件900的激光加工之后，代替激光122来照射激光222，由此继续进行被加工件900的激光切断。即，激光222的聚光直径200μm是加工用聚光直径。另外，在本实施方式中，将被加工件900的表面上的激光的加工用聚光直径设为适合于激光切断的0.2mm，但除此之外，也可以是以使背面的激光的聚光直径成为适合于激光切断的3mm以下的方式构成加工头80。此外，在本实施方式中，在通过具有第1光纤11的第1光路的激光122的照射时间经过了给定时间的情况下，推断为被加工件900熔融，进行激光切换机70的切换动作，但不限定于该方式。控制部101也可以在满足给定条件的情况下，进行激光切换机70的切换动作。给定条件可以是推断或者表示被加工件900的熔融的条件。例如，可以通过未图示的熔融监视器预先监视被加工件900的熔融状态，并基于其信号来进行激光切换机70的切换动作。此外，采用了使激光入射到第2光纤21的纤芯的结构，但也可以入射到内包层，将其射出光的横模设为环状来用于激光加工。如上所述，根据本实施方式所涉及的激光加工装置1，能够利用一个激光110即一台激光振荡器100，兼顾适合于被加工件900的熔融的聚光直径的激光122的照射和适合于激光加工的聚光直径的激光222的照射。此外，激光加工开始使用小的聚光直径，因此其输出密度变大，被加工件900的熔融在短时间内开始，然后，接下来以适合于加工的聚光直径进行加工，因此能够提高激光加工速度，从而能够缩短加工时间。此外，由于使用了激光切换机70，因此不需要控制两台激光振荡器100来考虑其激光的射出时刻。进而，不需要在使用两台激光振荡器100的情况下所需的第二台激光振荡器100的启动时间、即激光的停止时间或者低输出时间。《实施方式2》以下，对与前述实施方式1相同的部分标注相同的符号，仅对不同点进行说明。如图3以及图4所示，加工头380用于被加工件901、902的激光加工在本实施方式中为激光焊接。被加工件901、902例如双方都是厚度0.8mm的不锈钢板SUS。加工头380具备：头主体381；第1光纤耦合模块33，连接第1光纤11的射出端而将其射出光引导至头主体381；以及第2光纤耦合模块43，连接第2光纤21的射出端而将其射出光引导至头主体381。头主体381具备：反射镜350，使被引导至头主体381的内部的激光的光路弯折而进行变更；以及聚光透镜362，用于对由反射镜350折射后的激光进行聚光而供焊接使用。聚光透镜362例如由玻璃材料为合成石英、直径50mm、焦距200mm的透镜构成。反射镜350例如由玻璃材料为合成石英、长轴70mm×短轴50mm×厚度5mm，反射面上实施了高反射涂层的反射镜构成。反射镜350由中空且筒状的反射镜保持架352保持。反射镜保持架352经由未图示的带轮与马达356结合。马达356设置在头主体381的外部，根据来自控制部101的指令而旋转，反射镜350随着马达356的旋转而可动。由此，能够将通过了具有第1光纤11的第1光路的激光322和通过了具有第2光纤21的第2光路的激光422照射到被加工件901、902的相同的加工点。此外，在头主体381的上部设置有用于测定激光加工时产生的反射光并检测反射光的变化的光电二极管450检测部。以下，对激光加工装置1的动作进行说明。如图3所示，从激光振荡器100射出的激光110在光路被弯曲镜16弯折而通过第1光纤11后，作为激光118入射到头主体381。反射镜350随着马达356的旋转而旋转为反射面与准直透镜32对置之后停止。激光118的光路被反射镜350弯折，成为激光320。激光320被变换为通过聚光透镜362会聚的激光322后照射到被加工件901和被加工件902的对接部分。在激光322的焦点处进行激光焊接。此时，焦点处的激光322的聚光直径为200μm。当开始照射激光322时，在激光322的照射点即加工点，被加工件901和被加工件902的对接部分开始熔融，激光焊接开始。即，激光322的聚光直径200μm是熔融用聚光直径。在此，通过光电二极管450观测在被加工件901、902的激光加工时产生的反射光。然后，若在激光加工开始后向光电二极管450的反射光的输入降低，则控制部101判断为被加工件901、902熔融，输出用于使来自激光振荡器100的激光110的射出停止的信号。接下来，与在所述实施方式1中说明的内容同样地，进行激光切换机70的切换动作，使得从具有第1光纤11的第1光路向具有第2光纤21的第2光路切换激光110的光路。即，从激光振荡器100使激光110再次射出，从通过第1光纤11的激光116切换为通过第2光纤21的激光216。另外，从该激光110停止到再次射出为止的时间是比通过激光322熔融的熔融位置放热并开始固化为止的期间短的时间。如图4所示，从激光振荡器100射出的激光110在光路被弯曲镜26弯折而使其通过第2光纤21后，作为激光218入射到头主体381。反射镜350随着马达356的旋转而旋转为反射面与准直透镜42对置之后停止。激光218的光路被反射镜350弯折，成为激光420。激光420被变换为通过聚光透镜362会聚的激光422后照射到被加工件901和被加工件902的对接部分。在激光422的焦点处进行激光焊接。此时，焦点处的激光422的聚光直径为400μm。激光422照射到通过激光322而被加工件901、902熔融后的相同的加工点。然后，继通过激光322开始熔融的被加工件901、902的激光加工之后，代替激光322来照射激光422，由此继续进行被加工件901、902的激光焊接。即，激光422的聚光直径400μm是加工用聚光直径。另外，在本实施方式中，提及加工点处的聚光直径，以该聚光直径的大小为基准，但聚光直径由于基于光强度分布即横模而确定，因此也可以是以激光322与激光422的横模的差异为基准。换言之，与激光422相比，激光322可以说是更低阶模。此外，为了检测被加工件901、902是否已熔融，也可以代替光电二极管450而设置CCD等相机。如上所述，根据本实施方式2所涉及的激光加工装置1，能够利用一个激光即一台激光振荡器100，兼顾适合于被加工件901、902的熔融的聚光直径的激光的照射和适合于激光加工的聚光直径的激光的照射。此外，在中空且筒状的反射镜保持架352的旋转中心的上方配置了用于检测反射光的变化的光电二极管450，因此能够使光电二极管450与被加工件901、902的加工点相对置，从而能够实时地把握熔融、焊接、切断等的加工状态。产业上的可利用性如上所述，本发明的激光加工装置能够提高加工速度，在激光加工等中是有用的。符号说明1：激光加工装置，11：第1光纤，21：第2光纤，70：激光切换机，80：加工头激光照射部，100：激光振荡器，101：控制部，110：激光，112：激光，114：激光，116：激光，118：激光，120：激光，122：激光，212：激光，214：激光，216：激光，218：激光，220：激光，222：激光，320：激光，322：激光，380：加工头激光照射部，420：激光，422：激光，450：光电二极管检测部。

权利要求：1.一种激光加工装置，具备：激光切换部，将一个激光的光路选择性地切换为具有第1光纤的第1光路和具有芯径比所述第1光纤大的第2光纤的第2光路；激光照射部，将通过了所述第1光路的激光以及通过了所述第2光路的激光照射到被加工件的相同的加工点；以及控制部，在满足给定条件的情况下，控制所述激光切换部的切换动作，使得从所述第1光路向所述第2光路切换激光的光路。2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中，所述控制部在通过了所述第1光路的激光的照射时间经过了给定时间的情况下，控制所述激光切换部的切换动作。3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中，所述激光加工装置具备：检测部，检测照射到所述被加工件的激光的反射光的变化，所述控制部在所述检测部中检测出反射光的变化的情况下，控制所述激光切换部的切换动作。4.一种激光加工方法，包括：第1照射工序，在直至满足给定条件为止的期间，对被加工件的加工点照射第1激光，该第1激光是切换一个激光的光路而通过了第1光路的激光；以及第2照射工序，在满足所述给定条件的情况下，向所述被加工件的相同的加工点照射第2激光，该第2激光是切换所述一个激光的光路而通过第2光路从而使输出密度比所述第1激光低的激光。5.根据权利要求4所述的激光加工方法，其中，在所述第2照射工序中，在通过了所述第1光路的所述第1激光的照射时间经过了给定时间的情况下，照射所述第2激光。6.根据权利要求4所述的激光加工方法，其中，在所述第2照射工序中，在检测出照射到所述被加工件的所述第1激光的反射光的变化的情况下，照射所述第2激光。

百度查询： 松下知识产权经营株式会社 激光加工装置以及激光加工方法

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