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JP2004337881A - Laser beam machining method and laser beam machining apparatus - Google Patents

Laser beam machining method and laser beam machining apparatus Download PDF

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JP2004337881A
JP2004337881A JP2003134761A JP2003134761A JP2004337881A JP 2004337881 A JP2004337881 A JP 2004337881A JP 2003134761 A JP2003134761 A JP 2003134761A JP 2003134761 A JP2003134761 A JP 2003134761A JP 2004337881 A JP2004337881 A JP 2004337881A
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continuous wave
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Koji Funemi
浩司 船見
Tsutomu Sakurai
井 努 櫻
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam machining apparatus with which the laser beam machining can be performed with high efficiency. <P>SOLUTION: This laser beam machining apparatus 100 is provided with: a pulsed laser beam oscillator 3 for oscillating the pulsed laser beam; a continuous oscillation laser beam oscillator 4 for oscillating the continuously oscillating laser beam having an oscillating wavelength different from that of the pulse laser beam; a dichroic mirror 1 for generating a mixed laser beam by optically mixing the pulsed laser beam and the continuously oscillating laser beam; and a condensing lens 2 for condensing the mixed laser beam for machining a workpiece to the workpiece. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、2種類以上のレーザビームを混合してレーザ溶接、レーザ切断およびレーザ穴あけ等を行うレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザは、発振形態によって大きく2種類に分類される。つまり、時間に対して連続的にレーザビームが出る連続発振(以下、「CW」と呼ぶ)レーザと、時間に対して断続的にレーザビームが出るパルスレーザとである。
【0003】
例えば、レーザ溶接において、CWレーザは連続的にレーザビームが出るため溶接表面のビードが滑らかになるが、ピークパワーが低いために溶込み深さは浅くなってしまう。一方、パルスレーザはピークパワーが高いために溶込み深さは深くなるが、断続的なレーザビームであるために溶接表面状態は滑らかにならない。そのため、CWレーザは薄板溶接に用いられ、パルスレーザはアルミニウム等の高反射率材料を溶接するために用いられている。
【0004】
このような2種類のレーザの特性を相互に補うために、CWレーザとパルスレーザとを重ね合わせたハイブリッドレーザ発振器が検討され始めてきている。例えば、特開平8−162702号公報(特許文献1)では、1本のYAGロッドに対して、その周りにパルス発振用の励起用ランプとCW発振用の励起ランプとを設けることにより、1台のレーザ発振器で2種類のレーザビームを照射することができるレーザ装置を提案している。
【0005】
また、特開平10−137965号公報(特許文献2)では、2種類以上のレーザ発振器からでたレーザビームをレーザビーム合成器によって1本の光ファイバの中に導光し、その光ファイバから出てきた複合レーザビームを出射光学レンズ系で集光して加工するYAGレーザ合成方法及びその装置を提案している。
【0006】
例えば、特開平8−162702号公報(特許文献1)に開示された構成の概要を図29に示す。YAGロッド91の周りには、パルスレーザ発振用の励起用ランプ92とCWレーザ発振用の励起ランプ93とが設置されており、そのそれぞれに対してパルスレーザ発振用のパルス電源94とCWレーザ発振用のCW電源95とが接続されている。
【0007】
そのため、1台のレーザ発振器によってパルスレーザとCWレーザとを同時に発振させることができる。このレーザ発振器から出たレーザビームは集光光学系96により光ファイバ97に導光される。光ファイバ97を通ってきたレーザビームは加工用集光光学系98によって集光される。このときの集光スポット99は、概略円形状になり、パルスレーザもCWレーザも同じスポット径となる。
【0008】
また、特開平10―137965号公報(特許文献2)に開示された構成の概要を図30に示す。パルスレーザ発振器80から出たパルスレーザビームは光ファイバ82を通って伝送される。また、CWレーザ発振器81から出たCWレーザビームは光ファイバ83を通って伝送される。2本の光ファイバ82および83をそれぞれ通ってきたレーザビームは、レーザビーム合成器84によって合成され、更に、光ファイバ85に入射される。この光ファイバ85を通ってきた混合レーザビームは加工用集光光学系86にて集光される。このとき集光スポット87は、概略円形状になり、パルスレーザもCWレーザも同じスポット径となる。
【0009】
両者の場合とも、複数のレーザビームが光ファイバにて光学的に混合されており、その光ファイバを出たレーザビームを集光光学系によって集光しているため、各々のレーザビームのスポット径はほぼ同等となり、また、そのビーム強度分布状態もほぼ同等となる。
【0010】
【特許文献1】
特開平8−162702号公報
【0011】
【特許文献2】
特開平10−137965号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
パルスレーザにはその特長を活かすために適したビームスポット径およびビーム強度分布状態がある。CWレーザにおいても同様である。従って、各々のレーザビームの特長を活かしたビームスポット径およびビーム強度分布状態にすることによって、より高効率なレーザ加工を行なうことができる。
【0013】
しかしながら、図29および図30を参照して前述したような従来のハイブリッドレーザでは、パルスレーザもCWレーザも同じスポット径となるので、パルスレーザとCWレーザとのそれぞれの特長を活かしたビームスポット径とすることができない。従って、高効率なレーザ加工を行なうことができないという問題がある。
【0014】
本発明の目的は、レーザ加工を高効率に行うことができるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ加工方法は、パルスビームレーザを発振させるとともに、前記パルスビームレーザの発振波長と異なる発振波長によって連続発振レーザを発振させる工程と、前記パルスビームレーザと前記連続発振レーザとを光学的に混合して混合レーザビームを生成する工程と、被加工物を加工するために前記混合レーザビームを前記被加工物に集光する工程とを包含することを特徴とする。
【0016】
本発明に係るレーザ加工装置は、パルスビームレーザを発振させるパルスビームレーザ発振器と、前記パルスビームレーザの発振波長と異なる発振波長によって連続発振レーザを発振させる連続発振レーザ発振器と、前記パルスビームレーザと前記連続発振レーザとを光学的に混合した混合レーザビームを生成するダイクロイックミラーと、被加工物を加工するために前記混合レーザビームを前記被加工物に集光する集光レンズとを具備することを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0018】
(実施の形態1)
図1は実施の形態1に係るレーザ加工装置100の外観を示す斜視図であり、図2はレーザ加工装置100の構成を示す模式図である。
【0019】
レーザ加工装置100は、2枚の板が突き合わされた被加工物31を載置するための冶具32を備えている。レーザ加工装置100には、矢印によって示される方向に沿って冶具32を移動させるための一軸ステージ33が設けられている。
【0020】
レーザ加工装置100は、発振波長1064ナノメータ(nm)のパルスビームレーザを発振するYAGパルスビームレーザ発振器3を備えている。パルスビームレーザ発振器3によって発振されたパルスビームレーザは、コア径が0.6ミリメートル(mm)のパルス用光ファイバ22を通って加工用集光光学系29に設けられたコリメート光学系24を透過してダイクロイックミラー1ヘ入射する。
【0021】
レーザ加工装置100は、発振波長808ナノメータ(nm)の連続発振レーザを発振する連続発振レーザ発振器4を備えている。連続発振レーザ発振器4は、高出力半導体レーザ発振器によって構成されている。高出力半導体レーザ発振器4において発振した連続発振レーザは、ダイクロイックミラー1ヘ入射する。
【0022】
ダイクロイックミラー1は、コリメート光学系24を透過したパルスビームレーザと高出力半導体レーザ発振器4において発振した連続発振レーザとを混合して集光レンズ2へ与える。集光レンズ2は、ダイクロイックミラー1によって混合されたパルスビームレーザと連続発振レーザとを被加工物31へ集光する。
【0023】
次に、各々のレーザビームに対して、集光レンズ2によって集光されたときの集光スポット径について述べる。実施の形態1では、コリメート光学系24の焦点距離が50ミリメートル(mm)であり、集光レンズ2の焦点距離も50ミリメートル(mm)であるため、その結像倍率は1:1となっている。
【0024】
パルス用光ファイバ22から出たパルスレーザビームは、そのコアの端面が、コリメート光学系24と集光レンズ2とによって結像される結像位置に集光される。そのため、パルスレーザビームの集光スポット10の形状はそのコア形状と同じく円形状となり、そのスポット径は約0.6ミリメートル(mm)となる。
【0025】
一方、半導体レーザビームの集光スポット径は、一般には円形状とはならず、ライン形状となる。その理由を次に示す。
【0026】
一般に加工用に用いられる高出力半導体レーザについて、図3〜図10を参考にしながら説明する。連続発振レーザ発振器4を構成する1次元配列の半導体レーザアレイバー51は、図3に示す様な形態をしており、主として、半導体レーザアレイチップ52とヒートシンク53とから構成されている。
【0027】
半導体レーザアレイチップ52には、半導体レーザエミッタ54が一定のピッチを空けて複数個、直線状に並べられている。例えば、その半導体レーザエミッタ54は、その厚さ(活性層方向)は約1マイクロメータ(μm)と狭く、逆に、その幅(活性層と平行方向)は約100マイクロメータ(μm)と広くなっている。更に、その半導体レーザエミッタ54は、約200マイクロメータ(μm)のピッチを空けて、その幅方向に約50個並んでいる。そのため、半導体レーザアレイチップ52の幅寸法は、約10ミリメートル(mm)となっている。半導体レーザエミッタ54からのレーザ出力が1ワット(W)の場合、半導体レーザエミッタ54が50個あれば、50Wのレーザ出力となる。
【0028】
半導体レーザエミッタ54から出るレーザビームの拡がり角は、その直角方向(厚さ方向)に対して約40度、平行方向(幅方向)に対して約10度となっている。また、レーザ発振出口のレーザビーム径は、半導体レーザエミッタ54の活性層サイズに相当するため、直角方向が1マイクロメータ(μm)、平行方向が100マイクロメータ(μm)となる。
【0029】
この半導体レーザエミッタ54を複数個組み合わせた半導体レーザアレイチップ52においては、複数個の半導体レーザエミッタ54がその幅方向に一直線上に並んでいるため、そのレーザビームの拡がり角は、個々のその半導体レーザエミッタ54の場合と同じとなり、直角方向に対して約40度、平行方向に対して約10度となる。但し、出口のレーザビーム径は、直角方向が1マイクロメータ(μm)であるが、平行方向は10ミリメートル(mm)となる。
【0030】
このような1次元配列の半導体レーザアレイスパー51を、レーザ加工にダイレクトに使っていくためには、その1次元配列の半導体レーザアレイバー51から出るレーザビームを微小スポットに絞る必要がある。そのためには、レーザビームの広がり角を改善することが必要である。一般に、半導体レーザエミッタ54に対して、その厚さ方向(活性層方向)の光軸をFASTAXIS、逆に、その幅方向(活性層と平行方向)の光軸をSLOWAXISと呼んでいる。そのFASTAXIS方向において、図4に示す様に、レーザビーム55の拡がり角が約35度とかなり大きい。そのために、図5に示す様に、1直線上の半導体レーザアレイチップ52の前方に、コリメートレンズ56を取付けて、FASTAXlSのレーザビームの拡がり角を、約35度から0.24度(4mrad)に改善している。
【0031】
一方、SLOWAXIS方向においては、基本的に、レーザビームの発光源が10ミリメートル(mm)幅のライン状になっているため、そのビーム拡がり角を容易に低減することはできず、上述したように、約10度(175mrad)のビーム拡がり角が生じている。つまり、コリメートレンズ56付の半導体レーザアレイバー51から出るレーザビームの拡がり角は、FASTAXlSで4mrad、SLOWAXlSで175mradとアンバランスになっている。
【0032】
半導体レーザビームのトータル出力を上げるため、現実的には、図6および図7に示す様に、1次元配列の半導体レーザアレイバー51はその厚み方向に積層しやすいような形状になっている。その1次元配列の半導体レーザアレイバー51を積層したものが、図8に示す半導体レーザアレイスタック57である。例えば、5個の1次元配列の半導体レーザアレイバー51を積層すれば、約250Wのレーザ出力が得られる(50W×5個)。その時の、半導体レーザアレイスタック57からのレーザビーム径(レーザ発光面)は、厚み方向で10ミリメートル(mm)(1次元配列の半導体レーザアレイバー51の厚み2mm×5個)、幅方向で10ミリメートル(mm)となる。また、レーザビームの拡がり角は、コリメートレンズ56付の半導体レーザアレイバー51の場合と同様に、FASTAXlSで4mrad、SLOWAXlSで175mradとなる。
【0033】
そのため図9および図10に示すように、通常の球面レンズ58によって集光すると、その集光レンズ58でのスポット径は、レーザビームの拡がり角の値に比例する。例えば、焦点距離50ミリメートル(mm)の集光レンズによって集光したときのスポット径は、FASTAXISで0.2ミリメートル(mm)(50ミリメートル(mm)×4mrad)、SLOWAXISで約8.8ミリメートル(mm)(50ミリメートル(mm)×175mrad)となる。
【0034】
つまり、半導体レーザビームの集光スポット径は、実施の形態1では焦点距離が50ミリメートル(mm)であるため、上述したように、0.2ミリメートル(mm)×8.8ミリメートル(mm)のライン形状(図2におけるスポット11)となる。このように高出力半導体レーザビームの特徴を活かすことにより、円形スポットではなく、ライン状のスポット形状を効率的に形成することができる。実施の形態1は、このような特徴を活かしたもとのなっている。
【0035】
実施の形態1におけるレーザ加工装置の集光スポット形状を拡大すると、図11に示す様なスポット形状となる。図11においては、円形状をしたパルスレーザビームのスポット形状10とライン形状をしたCWレーザのスポット形状11とが示されている。
【0036】
また、図11に示す断面AA方向のパワー密度、及び、断面BB方向のパワー密度は、それぞれ図12および図13において示した様な空間分布形状となる。この図12より、断面AA方向においては、パルススポット径φ0.6ミリメートル(mm)に対して、CWレーザ(半導体レーザ)のスポット径が8.8ミリメートル(mm)と長くなっている。そのために、断面AA方向においては、パルスレーザとCWレーザとの重畳している領域ではその重畳の効果が期待できると共に、パルスレーザが照射されていない領域にも、CWレーザが照射されるため、パルスレーザが照射される領域以外の周囲の領域においても、予熱・後熱・アニールといったCWレーザの効果を期待することができる。
【0037】
一方、図13より、断面BB方向においては、パルススポット径φ0.6ミリメートル(mm)に対して、半導体レーザ(CWレーザ)のスポット径が0.2ミリメートル(mm)と小さい。そのために、断面BB方向においては、パルスレーザの中央部分(0.2mmの範囲)とCWレーザとの重畳している領域ではその重畳の効果が期待できる。また、パルスレーザの中央部分(0.2mmの範囲)以外には、CWレーザが照射されていないため、その領域においては不要な熱影響を防止することができる。
【0038】
次に重畳加工の時間的な変化について述べる。図14は、一定の間隔・エネルギによってパルスレーザ発振している時の、パルスレーザビームのレーザ出力の時間的変化を示すグラフである。図15は、一定のパワーでCWレーザを発振しているときのCWレーザの出力の時間的変化を示すグラフである。この2種類のレーザビームを重畳させると、図16に示すように、一定のCWレーザ出力の上にパルスレーザが加わる。つまり、パルスレーザが照射されていない時でも、一定のCWレーザが出ている。
【0039】
次に、実施の形態1に係るレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法を説明する。レーザ加工事例の1つとして、突き合せシーム溶接について、図1を参照しながら述べる。加工用集光光学系29から出た複合レーザビーム30は、被加工物31の突き合わせ部34に照射される。そのときのスポット形状の方向は、図17で示されるように、CWレーザのスポット11の長径方向が突き合わせ部34に沿った方向になるように設定する。通常は、CWレーザのスポット11の長径方向のセンターにパルスレーザのスポット10を設定する。
【0040】
しかし、CWレーザの予熱の効果を顕著に出したい時には、図18に示すように、一軸ステージ33の移動方向(図1において、矢印方向)に対して、CWレーザのスポット11の長径方向のセンターよりも後方にパルスレーザのスポット10を設定する。
【0041】
一方、CWレーザの後熱の効果を顕著に出したい時には、一軸ステージ33の移動方向(図1において、矢印方向)に対して、CWレーザのスポット11の長径方向のセンターの前方にパルスレーザのスポット10を設定する。
【0042】
一軸ステージ33の移動方向(図1において、矢印方向)と被加工物31の突き合わせ部34の長手方向とは互いに平行に設定しているため、一軸ステージ33の移動と共に、複合レーザビーム30を照射すれば、突き合わせシーム溶接ができる。
【0043】
このときの突き合わせシーム溶接能力について述べる。今回は、溶接能力の1つとして、同じエネルギを投入した時に得られる溶込み深さによって評価する。その時の結果を図20に示す。パルスエネルギが2Jおよび4Jの時の溶込み深さを評価する。パルスレーザのみの場合(図中で、●印)と、パルスレーザにパルスレーザと同一のスポット形状を有するCWレーザ(50W)を重畳させた場合(図中で、○印)と、パルスレーザにライン状のスポット形状を有するCWレーザ(50W)を重畳させた場合(図中で、▲印)とで比較する。図20より明らかなように、パルスレーザにライン状のスポット形状を有するCWレーザを重畳させた場合が、最も、溶込みが深くなる。つまり、CWパルスレーザのライン状のスポット形状が突き合わせ溶接のラインと一致しているため、溶接において、レーザエネルギ効率が最も良くなり、その結果として溶込み深さが深くなる。
【0044】
このように、パルスレーザ発振器から出たパルスレーザビームを光ファイバに導光し、その光ファイバから出たパルスレーザビームをコリメート光学系で概略コリメートする。一方、パルスレーザ発振器の発振波長と異なる発振波長を有し連続発振を行なう半導体レーザ発振器から出た半導体レーザとコリメート光学系から出たパルスレーザビームとをダイクロイックミラーで光学的に混合させ、その混合されたレーザビームを集光光学系で集光してレーザ加工を行なう。その時、パルスレーザビームの集光点での集光スポット径を概略円形にし、一方、半導体レーザビームの集光点での集光スポット径を楕円、又は、長円、又は、ライン形状に形成し、その長径をパルスレーザビームの集光スポット径よりも大きくして、その長径方向に加工ステージ若しくは集光光学系を移動させることにより、高効率なレーザ加工を行うことができる。
【0045】
以上のように実施の形態1によれば、パルスビームレーザと連続発振レーザとを光学的に混合して混合レーザビームを生成する工程と、被加工物を加工するために混合レーザビームを被加工物に集光する工程とを備えている。このため、混合レーザビームに含まれるパルスビームレーザのスポットの形状と混合レーザビームに含まれる連続発振レーザのスポットの形状とをそれぞれのレーザの特徴を生かした形状にすることができる。その結果、レーザ加工の効率を高めることができる。
【0046】
(実施の形態2)
図21は、実施の形態2に係るレーザ加工装置100Aの構成を示す模式図である。図2を参照して前述した実施の形態1に係るレーザ加工装置100の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【0047】
YAGパルスビームレーザ発振器3から出たパルスレーザはパルス用光ファイバ6を通って伝送される。同様に、高出力半導体レーザを構成する連続発振レーザ発振器4から出た半導体レーザビームも高出力半導体レーザ用光ファイバ7を通って伝送される。
【0048】
ダイクロイックミラー1は、YAGパルスレーザビームの発振波長の1064ナノメータ(nm)に対して透過であり、逆に、高出力半導体レーザビームの発振波長の808ナノメータ(nm)に対して反射するという特性を有している。そのため、伝送されてきたパルスレーザビームはダイクロイックミラー1をそのまま透過する。一方、高出力半導体半導体レーザビームはダイクロイックミラー1によって反射される。つまり、ダイクロイックミラー1によってパルスレーザビームと半導体レーザビームとが混合され、コリメート光学系24により、概略コリメートされる。さらに、コリメートされた混合レーザビームは集光レンズ2によって集光される。
【0049】
次に、各々のレーザビームに対して、集光レンズ2によって集光されたときの集光スポット径について述べる。実施の形態2では、パルス用光ファイバ6としてコア径が0.6ミリメートル(mm)の光ファイバを用いており、コリメート光学系24の焦点距離が50ミリメートル(mm)であり、集光レンズ2の焦点距離も50ミリメートル(mm)であるため、その結像倍率は1:1となっている。
【0050】
そのため、その集光スポット形状はそのコア形状と同じく円形状(図21におけるスポット10)となり、そのスポット径は約0.6ミリメートル(mm)となる。逆に、高出力半導体レーザ用光ファイバ7のコア径は、0.3ミリメートル(mm)の光ファイバを用いているため、その集光スポット形状はそのコア形状と同じく円形状(図21におけるスポット11A)となり、そのスポット径は約0.3ミリメートル(mm)となる。
【0051】
そのスポット形状の拡大図を図22(a)に示す。また、図22(b)はそのスポットの断面AA(および断面BB)のパワー密度分布である。図22(a)および図22(b)からもわかるように、パルスビームによるスポット10の中央部の最も高い所に、CWレーザビームによるスポット11Aが入り込んでいる。
【0052】
図23において、パルスレーザ42を被加工物41に照射すると、そのスポット径における溶融部43のほぼ中央部にキーホール44が形成される。溶融部43の直径はパルスレーザ42のエネルギによっても異なるがスポット径よりも少し大きくなる。また、キーホール44は、溶融スポット径の約1/5〜1/2である。
【0053】
図24を参照すると、パルスレーザとCWレーザとの重畳加工においては、パルスレーザ42に対して形成されたキーホール44に対して、パルスレーザ42のスポット径よりも小さいスポット径を有するCWレーザ45が投入される。このため、そのキーホール44の中に、有効に、CWレーザのエネルギが使われる。従って、溶け込み深さがより深くなる。
【0054】
一方、シーム溶接のように加工用集光光学系(若しくは加工ステージ)を移動させながら溶接を行う場合には、図25に示す様に、被加工物41の温度分布のために、パルススポットの中でもキーホール44は加工用集光光学系の走行方向に移動する。その時には、パルスレーザのスポット10(図22(a))のセンターに対して、CWレーザのスポット11Aの位置を加工用集光光学系の移動方向に向かってずらせるのが効果的である。
【0055】
逆に、高出力半導体レーザ用光ファイバ7のコア径を、パルス用光ファイバ6のコア径よりも大きくすることで、パルスレーザによって生じた部材への歪および熱応力に対して、その周囲のCWレーザにより、予熱・後熱・アニールといった金属学的な熱処理を行うことができる。
【0056】
その時におけるスポット形状の拡大図を図27(a)に示す。また、図27(b)は、そのスポットの断面AA(および断面BB)のパワー密度分布である。
【0057】
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3について、図28を用いて説明する。図2を参照して前述した実施の形態2に係るレーザ加工装置100Aの構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【0058】
YAGパルスレーザ発振器3から出たパルスレーザはパルス用光ファイバ6Bを通って伝送される。同様に、高出力半導体レーザを構成する連続発振レーザ発振器4から出た半導体レーザビームも高出力半導体レーザ用光ファイバ7Bを通って伝送される。このパルス用光ファイバ6Bのコア径と高出力半導体レーザ用光ファイバ7Bのコア径とは同じである。
【0059】
パルス用光ファイバ6Bを通って伝送されてきたパルスレーザビームは、パルスレーザ用コリメート光学系8によって概略コリメートされる。高出力半導体レーザビームも同様に、高出力半導体用レーザコリメート用光学系9によって概略コリメートされる。このとき、各々のコリメート用光学系8および9は、互いに異なった焦点距離を有している。その後、コリメートされてきた各々のレーザビームはダイクロイックミラー1によって混合され、集光レンズ2によって集光される。
【0060】
次に、各々のレーザビームに対して、集光レンズ2によって集光されたときの集光スポット径について述べる。実施の形態3では、光ファイバ6Bおよび7Bのコア径は0.6ミリメートル(mm)である。パルスレーザ用コリメート光学系8の焦点距離は50ミリメートル(mm)である。つまり、パルスレーザにおいては、結像倍率は1:1となっている。
【0061】
一方、半導体レーザにおいては、結像倍率は3:5となっている。そのため、パルスビームの集光スポット形状は約0,6ミリメートル(mm)となる。一方、高出力半導体レーザの集光スポット形状は約1ミリメートル(mm)(0.6ミリメートル(mm)×5/3)となる。つまり、同じ光ファイバを用いても、加工用のコリメートレンズの焦点距離を変えることにより、前述した実施の形態2において示した例と同じスポット形状を得ることができる。
【0062】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、レーザ加工を高効率に行なうことができるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1に係るレーザ加工装置の外観を示す斜視図である。
【図2】実施の形態1に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図3】実施の形態1に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器の外観を示す斜視図である。
【図4】実施の形態1に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器の構成を示す正面図である。
【図5】実施の形態1に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器の他の構成を示す正面図である。
【図6】実施の形態1に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器の他の構成を示す平面図である。
【図7】実施の形態1に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器のさらに他の構成を示す正面図である。
【図8】実施の形態1に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器のさらに他の構成を示す正面図である。
【図9】実施の形態1に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器のさらに他の構成を示す正面図である。
【図10】実施の形態1に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器のさらに他の構成を示す平面図である。
【図11】実施の形態1に係るレーザ加工装置によって照射されたレーザのスポットを示す図である。
【図12】図11に示す断面AAに沿ったパワー密度を示すグラフである。
【図13】図11に示す断面BBに沿ったパワー密度を示すグラフである。
【図14】実施の形態1に係るレーザ加工装置によって照射されたパルスレーザの出力の時間的変化を示すグラフである。
【図15】実施の形態1に係るレーザ加工装置によって照射されたCWレーザの出力の時間的変化を示すグラフである。
【図16】実施の形態1に係るレーザ加工装置によって照射されたパルスレーザの出力とCWレーザの出力との和の時間的変化を示すグラフである。
【図17】実施の形態1に係るレーザ加工装置によって照射されたレーザのスポットと被加工物との相対移動を示す平面図である。
【図18】実施の形態1に係るレーザ加工装置によって照射された他のレーザのスポットと被加工物との相対移動を示す平面図である。
【図19】実施の形態1に係るレーザ加工装置によって照射されたさらに他のレーザのスポットと被加工物との相対移動を示す平面図である。
【図20】実施の形態1に係るレーザ加工装置によって照射されたレーザのパルスエネルギーと被加工物の溶け込み深さとの間の関係を示すグラフである。
【図21】実施の形態2に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図22】(a)は実施の形態2に係るレーザ加工装置によって照射されたレーザーのスポットを示す平面図であり、
(b)は(a)に示す断面AAおよび断面BBに沿ったパワー密度を示すグラフである。
【図23】実施の形態2に係るレーザ加工装置によって被加工物を加工する方法を説明するための断面図である。
【図24】実施の形態2に係るレーザ加工装置によって被加工物を加工する方法を説明するための断面図である。
【図25】実施の形態2に係るレーザ加工装置によって被加工物を加工する方法を説明するための断面図である。
【図26】実施の形態2に係るレーザ加工装置によって照射された他のレーザーのスポットを示す平面図である。
【図27】(a)は実施の形態2に係るレーザ加工装置によって照射されたさらに他のレーザーのスポットを示す平面図であり、
(b)は(a)に示す断面AAおよび断面BBに沿ったパワー密度を示すグラフである。
【図28】実施の形態3に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図29】従来のレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図30】従来の他のレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
1 ダイクロイックミラー
2 集光レンズ
3 パルスビームレーザ発振器
4 連続発振レーザ発振器
5 相対移動装置
6、7光ファイバー
8、9コリメート光学系
10、11 集光スポット
13 半導体レーザアレイバー
100 レーザ加工装置
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing method and a laser processing apparatus that perform laser welding, laser cutting, laser drilling, and the like by mixing two or more types of laser beams.
[0002]
[Prior art]
Lasers are roughly classified into two types depending on the oscillation mode. That is, a continuous oscillation (hereinafter referred to as “CW”) laser that emits a laser beam continuously with respect to time and a pulse laser that emits a laser beam intermittently with respect to time.
[0003]
For example, in laser welding, a CW laser emits a laser beam continuously, so that the bead on the welding surface becomes smooth, but the penetration depth becomes shallow because the peak power is low. On the other hand, since the pulse laser has a high peak power, the penetration depth becomes deep, but since it is an intermittent laser beam, the weld surface state is not smooth. Therefore, the CW laser is used for thin plate welding, and the pulse laser is used for welding high reflectivity materials such as aluminum.
[0004]
In order to compensate for the characteristics of these two types of lasers, hybrid laser oscillators in which a CW laser and a pulse laser are superposed have begun to be studied. For example, in JP-A-8-162702 (Patent Document 1), one YAG rod is provided with an excitation lamp for pulse oscillation and an excitation lamp for CW oscillation around it. Has proposed a laser apparatus capable of irradiating two types of laser beams with the laser oscillator.
[0005]
In Japanese Patent Laid-Open No. 10-137965 (Patent Document 2), laser beams emitted from two or more types of laser oscillators are guided into one optical fiber by a laser beam combiner and emitted from the optical fiber. A YAG laser synthesizing method and apparatus for focusing and processing a composite laser beam that has been collected by an outgoing optical lens system have been proposed.
[0006]
For example, FIG. 29 shows an outline of the configuration disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. Hei 8-162702 (Patent Document 1). Around the YAG rod 91, an excitation lamp 92 for pulse laser oscillation and an excitation lamp 93 for CW laser oscillation are installed. A pulse power supply 94 for pulse laser oscillation and a CW laser oscillation are provided for each of them. A CW power source 95 is connected.
[0007]
Therefore, the pulse laser and the CW laser can be simultaneously oscillated by one laser oscillator. The laser beam emitted from this laser oscillator is guided to the optical fiber 97 by the condensing optical system 96. The laser beam that has passed through the optical fiber 97 is condensed by the processing condensing optical system 98. The condensing spot 99 at this time has a substantially circular shape, and both the pulse laser and the CW laser have the same spot diameter.
[0008]
FIG. 30 shows an outline of the configuration disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-137965 (Patent Document 2). The pulse laser beam emitted from the pulse laser oscillator 80 is transmitted through the optical fiber 82. Further, the CW laser beam emitted from the CW laser oscillator 81 is transmitted through the optical fiber 83. The laser beams respectively passing through the two optical fibers 82 and 83 are combined by the laser beam combiner 84 and further incident on the optical fiber 85. The mixed laser beam that has passed through the optical fiber 85 is condensed by the processing condensing optical system 86. At this time, the focused spot 87 has a substantially circular shape, and both the pulse laser and the CW laser have the same spot diameter.
[0009]
In both cases, a plurality of laser beams are optically mixed in an optical fiber, and the laser beam emitted from the optical fiber is condensed by a condensing optical system. Are substantially equivalent, and the beam intensity distribution state is also substantially equivalent.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-8-162702
[0011]
[Patent Document 2]
JP-A-10-137965
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
The pulse laser has a beam spot diameter and a beam intensity distribution state suitable for taking advantage of the features. The same applies to the CW laser. Therefore, more efficient laser processing can be performed by setting the beam spot diameter and beam intensity distribution state utilizing the features of each laser beam.
[0013]
However, in the conventional hybrid laser as described above with reference to FIGS. 29 and 30, both the pulse laser and the CW laser have the same spot diameter. Therefore, the beam spot diameter utilizing the respective features of the pulse laser and the CW laser. It can not be. Therefore, there is a problem that highly efficient laser processing cannot be performed.
[0014]
An object of the present invention is to provide a laser processing method and a laser processing apparatus capable of performing laser processing with high efficiency.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The laser processing method according to the present invention includes a step of oscillating a pulse beam laser and oscillating a continuous wave laser with an oscillation wavelength different from the oscillation wavelength of the pulse beam laser, and optically combining the pulse beam laser and the continuous wave laser. A mixed laser beam to generate a mixed laser beam and a step of focusing the mixed laser beam on the workpiece to process the workpiece.
[0016]
A laser processing apparatus according to the present invention includes a pulse beam laser oscillator that oscillates a pulse beam laser, a continuous wave laser oscillator that oscillates a continuous wave laser with an oscillation wavelength different from the oscillation wavelength of the pulse beam laser, and the pulse beam laser. A dichroic mirror that generates a mixed laser beam optically mixed with the continuous wave laser; and a condensing lens that focuses the mixed laser beam on the workpiece in order to process the workpiece. It is characterized by.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0018]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of the laser processing apparatus 100 according to the first embodiment, and FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the laser processing apparatus 100.
[0019]
The laser processing apparatus 100 includes a jig 32 for placing a workpiece 31 on which two plates are abutted. The laser processing apparatus 100 is provided with a uniaxial stage 33 for moving the jig 32 along the direction indicated by the arrow.
[0020]
The laser processing apparatus 100 includes a YAG pulse beam laser oscillator 3 that oscillates a pulse beam laser having an oscillation wavelength of 1064 nanometers (nm). The pulse beam laser oscillated by the pulse beam laser oscillator 3 passes through the collimating optical system 24 provided in the processing condensing optical system 29 through the pulse optical fiber 22 having a core diameter of 0.6 millimeter (mm). Then, it enters the dichroic mirror 1.
[0021]
The laser processing apparatus 100 includes a continuous wave laser oscillator 4 that oscillates a continuous wave laser having an oscillation wavelength of 808 nanometers (nm). The continuous wave laser oscillator 4 is constituted by a high-power semiconductor laser oscillator. The continuous wave laser oscillated in the high-power semiconductor laser oscillator 4 enters the dichroic mirror 1.
[0022]
The dichroic mirror 1 mixes the pulse beam laser that has passed through the collimating optical system 24 and the continuous wave laser oscillated in the high-power semiconductor laser oscillator 4 and applies the mixed laser beam to the condenser lens 2. The condensing lens 2 condenses the pulse beam laser and continuous wave laser mixed by the dichroic mirror 1 onto the workpiece 31.
[0023]
Next, the diameter of the condensed spot when each laser beam is condensed by the condenser lens 2 will be described. In Embodiment 1, since the focal length of the collimating optical system 24 is 50 millimeters (mm) and the focal length of the condenser lens 2 is also 50 millimeters (mm), the imaging magnification is 1: 1. Yes.
[0024]
The end surface of the core of the pulse laser beam emitted from the pulse optical fiber 22 is condensed at an imaging position where the collimating optical system 24 and the condenser lens 2 form an image. Therefore, the condensing spot 10 of the pulse laser beam has a circular shape similar to the core shape, and the spot diameter is about 0.6 millimeters (mm).
[0025]
On the other hand, the condensing spot diameter of the semiconductor laser beam is not generally a circular shape but a line shape. The reason is as follows.
[0026]
A high-power semiconductor laser generally used for processing will be described with reference to FIGS. The one-dimensional array of semiconductor laser array bars 51 constituting the continuous wave laser oscillator 4 has a form as shown in FIG. 3 and is mainly composed of a semiconductor laser array chip 52 and a heat sink 53.
[0027]
In the semiconductor laser array chip 52, a plurality of semiconductor laser emitters 54 are arranged in a straight line at a constant pitch. For example, the thickness (active layer direction) of the semiconductor laser emitter 54 is as narrow as about 1 micrometer (μm), and conversely, its width (in the direction parallel to the active layer) is as wide as about 100 micrometers (μm). It has become. Further, about 50 semiconductor laser emitters 54 are arranged in the width direction with a pitch of about 200 micrometers (μm). Therefore, the width dimension of the semiconductor laser array chip 52 is about 10 millimeters (mm). When the laser output from the semiconductor laser emitter 54 is 1 watt (W), if there are 50 semiconductor laser emitters 54, the laser output is 50 W.
[0028]
The divergence angle of the laser beam emitted from the semiconductor laser emitter 54 is about 40 degrees with respect to the perpendicular direction (thickness direction) and about 10 degrees with respect to the parallel direction (width direction). Since the laser beam diameter at the laser oscillation exit corresponds to the active layer size of the semiconductor laser emitter 54, the perpendicular direction is 1 micrometer (μm) and the parallel direction is 100 micrometers (μm).
[0029]
In the semiconductor laser array chip 52 in which a plurality of semiconductor laser emitters 54 are combined, since the plurality of semiconductor laser emitters 54 are aligned in the width direction, the divergence angle of the laser beam is determined for each semiconductor. This is the same as the case of the laser emitter 54, which is about 40 degrees with respect to the perpendicular direction and about 10 degrees with respect to the parallel direction. However, the laser beam diameter at the exit is 1 micrometer (μm) in the perpendicular direction, but 10 millimeters (mm) in the parallel direction.
[0030]
In order to directly use such a one-dimensional array of semiconductor laser array spars 51 for laser processing, it is necessary to narrow the laser beam emitted from the one-dimensional array of semiconductor laser array bars 51 to a minute spot. For this purpose, it is necessary to improve the spread angle of the laser beam. In general, for the semiconductor laser emitter 54, the optical axis in the thickness direction (active layer direction) is called FASTAXIS, and conversely, the optical axis in the width direction (parallel to the active layer) is called SLOWAXIS. In the FASTAXIS direction, as shown in FIG. 4, the divergence angle of the laser beam 55 is as large as about 35 degrees. Therefore, as shown in FIG. 5, a collimating lens 56 is attached in front of the semiconductor laser array chip 52 on a straight line, and the divergence angle of the FASTAX1S laser beam is about 35 degrees to 0.24 degrees (4 mrad). It has been improved.
[0031]
On the other hand, in the SLOWAXIS direction, the laser beam emission source is basically a line having a width of 10 millimeters (mm), so the beam divergence angle cannot be easily reduced. A beam divergence of about 10 degrees (175 mrad). In other words, the divergence angle of the laser beam emitted from the semiconductor laser array bar 51 with the collimating lens 56 is unbalanced at 4 mrad for FASTAX1S and 175 mrad for SLOWAX1S.
[0032]
In order to increase the total output of the semiconductor laser beam, actually, as shown in FIGS. 6 and 7, the one-dimensional array of semiconductor laser array bars 51 is shaped to be easily stacked in the thickness direction. A semiconductor laser array stack 57 shown in FIG. 8 is formed by stacking the one-dimensional array of semiconductor laser array bars 51. For example, if five one-dimensionally arranged semiconductor laser array bars 51 are stacked, a laser output of about 250 W can be obtained (50 W × 5). At that time, the laser beam diameter (laser emission surface) from the semiconductor laser array stack 57 is 10 millimeters (mm) in the thickness direction (the thickness of the one-dimensionally arranged semiconductor laser array bar 51 is 2 mm × 5), and is 10 in the width direction. Millimeter (mm). The divergence angle of the laser beam is 4 mrad for FASTAX1S and 175 mrad for SLOWAX1S, as in the case of the semiconductor laser array bar 51 with the collimating lens 56.
[0033]
Therefore, as shown in FIGS. 9 and 10, when the light is condensed by a normal spherical lens 58, the spot diameter at the condensing lens 58 is proportional to the value of the divergence angle of the laser beam. For example, the spot diameter when focused by a condenser lens with a focal length of 50 millimeters (mm) is 0.2 millimeters (mm) (50 millimeters (mm) × 4 mrad) for FASTAXIS, and about 8.8 millimeters for SLOWAXIS ( mm) (50 millimeters (mm) × 175 mrad).
[0034]
That is, the focal spot diameter of the semiconductor laser beam is 50 millimeters (mm) in the first embodiment, and therefore, as described above, 0.2 millimeters (mm) × 8.8 millimeters (mm). It becomes a line shape (spot 11 in FIG. 2). By taking advantage of the characteristics of the high-power semiconductor laser beam in this way, a linear spot shape can be efficiently formed instead of a circular spot. The first embodiment is based on such characteristics.
[0035]
When the condensing spot shape of the laser processing apparatus in Embodiment 1 is enlarged, a spot shape as shown in FIG. 11 is obtained. FIG. 11 shows a spot shape 10 of a circular pulse laser beam and a spot shape 11 of a CW laser having a line shape.
[0036]
Further, the power density in the section AA direction and the power density in the section BB direction shown in FIG. 11 have the spatial distribution shapes as shown in FIGS. 12 and 13, respectively. From FIG. 12, in the direction of the section AA, the spot diameter of the CW laser (semiconductor laser) is as long as 8.8 millimeters (mm) with respect to the pulse spot diameter φ0.6 millimeters (mm). Therefore, in the cross-sectional AA direction, the overlapping effect of the pulse laser and the CW laser can be expected, and the region not irradiated with the pulse laser is also irradiated with the CW laser. The effect of the CW laser such as preheating / postheating / annealing can also be expected in surrounding regions other than the region irradiated with the pulse laser.
[0037]
On the other hand, from FIG. 13, in the cross-section BB direction, the spot diameter of the semiconductor laser (CW laser) is as small as 0.2 millimeter (mm) with respect to the pulse spot diameter of φ0.6 millimeter (mm). Therefore, in the direction of the cross section BB, the effect of superimposition can be expected in the region where the central portion of the pulse laser (0.2 mm range) and the CW laser overlap. Further, since the CW laser is not irradiated except for the central portion (0.2 mm range) of the pulse laser, unnecessary thermal influence can be prevented in that region.
[0038]
Next, the temporal change of superposition processing will be described. FIG. 14 is a graph showing temporal changes in the laser output of the pulse laser beam when pulse laser oscillation is performed at a constant interval and energy. FIG. 15 is a graph showing temporal changes in the output of the CW laser when the CW laser is oscillated at a constant power. When these two types of laser beams are superimposed, as shown in FIG. 16, a pulse laser is added on a constant CW laser output. That is, a constant CW laser is emitted even when the pulse laser is not irradiated.
[0039]
Next, a laser processing method using the laser processing apparatus according to Embodiment 1 will be described. As one example of laser processing, butt seam welding will be described with reference to FIG. The composite laser beam 30 emitted from the processing condensing optical system 29 is applied to the butting portion 34 of the workpiece 31. The direction of the spot shape at that time is set so that the major axis direction of the spot 11 of the CW laser becomes a direction along the abutting portion 34 as shown in FIG. Usually, the spot 10 of the pulse laser is set at the center in the major axis direction of the spot 11 of the CW laser.
[0040]
However, when the effect of the preheating of the CW laser is desired to be remarkable, as shown in FIG. 18, the center of the major axis direction of the spot 11 of the CW laser with respect to the moving direction of the uniaxial stage 33 (the arrow direction in FIG. 1). Further, a spot 10 of the pulse laser is set on the rear side.
[0041]
On the other hand, when the effect of the post-heating of the CW laser is desired to be noticeable, the pulse laser is moved in front of the center in the major axis direction of the spot 11 of the CW laser with respect to the moving direction of the uniaxial stage 33 (the arrow direction in FIG. Spot 10 is set.
[0042]
Since the moving direction of the uniaxial stage 33 (in the direction of the arrow in FIG. 1) and the longitudinal direction of the abutting portion 34 of the workpiece 31 are set parallel to each other, the composite laser beam 30 is irradiated with the movement of the uniaxial stage 33. Then, butt seam welding can be performed.
[0043]
The butt seam welding capability at this time will be described. This time, as one of the welding capacities, the evaluation is based on the penetration depth obtained when the same energy is input. The result at that time is shown in FIG. The penetration depth is evaluated when the pulse energy is 2J and 4J. In the case of only the pulse laser (in the figure, ● mark), in the case where the CW laser (50 W) having the same spot shape as the pulse laser is superimposed on the pulse laser (in the figure, circle mark), Comparison is made with a case where a CW laser (50 W) having a line-shaped spot shape is superimposed (indicated by a triangle mark in the figure). As is apparent from FIG. 20, the penetration is deepest when a CW laser having a line-like spot shape is superimposed on the pulse laser. That is, since the line-shaped spot shape of the CW pulse laser coincides with the butt welding line, the laser energy efficiency is the best in welding, and as a result, the penetration depth is deepened.
[0044]
In this manner, the pulse laser beam emitted from the pulse laser oscillator is guided to the optical fiber, and the pulse laser beam emitted from the optical fiber is roughly collimated by the collimating optical system. On the other hand, a semiconductor laser emitted from a semiconductor laser oscillator having an oscillation wavelength different from the oscillation wavelength of a pulse laser oscillator and a pulse laser beam emitted from a collimating optical system are optically mixed by a dichroic mirror, and the mixing is performed. The laser beam is condensed by a condensing optical system and laser processing is performed. At that time, the condensing spot diameter at the condensing point of the pulse laser beam is made approximately circular, while the condensing spot diameter at the condensing point of the semiconductor laser beam is formed into an ellipse, an ellipse, or a line shape. By making the major axis larger than the focused spot diameter of the pulse laser beam and moving the processing stage or the focusing optical system in the major axis direction, highly efficient laser processing can be performed.
[0045]
As described above, according to the first embodiment, the step of optically mixing the pulse beam laser and the continuous wave laser to generate the mixed laser beam, and the processing of the mixed laser beam to process the workpiece And a process of condensing the object. For this reason, the shape of the spot of the pulse beam laser included in the mixed laser beam and the shape of the spot of the continuous wave laser included in the mixed laser beam can be made to take advantage of the characteristics of each laser. As a result, the efficiency of laser processing can be increased.
[0046]
(Embodiment 2)
FIG. 21 is a schematic diagram showing a configuration of a laser processing apparatus 100A according to the second embodiment. The same components as those of the laser processing apparatus 100 according to Embodiment 1 described above with reference to FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. Therefore, detailed description of these components is omitted.
[0047]
The pulse laser emitted from the YAG pulse beam laser oscillator 3 is transmitted through the pulse optical fiber 6. Similarly, the semiconductor laser beam emitted from the continuous wave laser oscillator 4 constituting the high output semiconductor laser is also transmitted through the optical fiber 7 for high output semiconductor laser.
[0048]
The dichroic mirror 1 has a characteristic that it is transmissive to the oscillation wavelength of 1064 nanometers (nm) of the YAG pulse laser beam and conversely reflects to the oscillation wavelength of 808 nanometers (nm) of the high-power semiconductor laser beam. Have. Therefore, the transmitted pulse laser beam passes through the dichroic mirror 1 as it is. On the other hand, the high-power semiconductor semiconductor laser beam is reflected by the dichroic mirror 1. That is, the pulsed laser beam and the semiconductor laser beam are mixed by the dichroic mirror 1 and roughly collimated by the collimating optical system 24. Further, the collimated mixed laser beam is condensed by the condenser lens 2.
[0049]
Next, the diameter of the condensed spot when each laser beam is condensed by the condenser lens 2 will be described. In the second embodiment, an optical fiber having a core diameter of 0.6 millimeters (mm) is used as the pulse optical fiber 6, the focal length of the collimating optical system 24 is 50 millimeters (mm), and the condenser lens 2 is used. Is also 50 millimeters (mm), and its imaging magnification is 1: 1.
[0050]
Therefore, the condensing spot shape is circular (spot 10 in FIG. 21) like the core shape, and the spot diameter is about 0.6 millimeter (mm). Conversely, since the core diameter of the optical fiber 7 for high-power semiconductor lasers is 0.3 mm (mm), the condensing spot shape is circular (the spot in FIG. 21 is the same as the core shape). 11A), and the spot diameter is about 0.3 millimeter (mm).
[0051]
An enlarged view of the spot shape is shown in FIG. FIG. 22B shows the power density distribution of the cross section AA (and cross section BB) of the spot. As can be seen from FIG. 22A and FIG. 22B, the spot 11A by the CW laser beam enters the highest portion in the center of the spot 10 by the pulse beam.
[0052]
In FIG. 23, when a workpiece 41 is irradiated with a pulse laser 42, a keyhole 44 is formed at a substantially central portion of the melted portion 43 at the spot diameter. The diameter of the melting part 43 differs depending on the energy of the pulse laser 42 but is slightly larger than the spot diameter. The keyhole 44 is about 1/5 to 1/2 of the melt spot diameter.
[0053]
Referring to FIG. 24, in the superposition processing of the pulse laser and the CW laser, the CW laser 45 having a spot diameter smaller than the spot diameter of the pulse laser 42 with respect to the keyhole 44 formed for the pulse laser 42. Is inserted. For this reason, the energy of the CW laser is effectively used in the keyhole 44. Therefore, the penetration depth becomes deeper.
[0054]
On the other hand, when welding is performed while moving the condensing optical system (or processing stage) for processing as in seam welding, the pulse spot of the work piece 41 is caused by the temperature distribution of the workpiece 41 as shown in FIG. In particular, the keyhole 44 moves in the traveling direction of the processing condensing optical system. At that time, it is effective to shift the position of the spot 11A of the CW laser toward the moving direction of the processing condensing optical system with respect to the center of the spot 10 of the pulse laser (FIG. 22A).
[0055]
Conversely, by making the core diameter of the optical fiber 7 for a high-power semiconductor laser larger than the core diameter of the optical fiber 6 for pulses, the surroundings can be protected against distortion and thermal stress on the member caused by the pulse laser. The CW laser can perform metallurgical heat treatment such as preheating / postheating / annealing.
[0056]
An enlarged view of the spot shape at that time is shown in FIG. FIG. 27B shows the power density distribution of the cross section AA (and cross section BB) of the spot.
[0057]
(Embodiment 3)
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. The same components as those of the laser processing apparatus 100A according to Embodiment 2 described above with reference to FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. Therefore, detailed description of these components is omitted.
[0058]
The pulse laser emitted from the YAG pulse laser oscillator 3 is transmitted through the pulse optical fiber 6B. Similarly, the semiconductor laser beam emitted from the continuous wave laser oscillator 4 constituting the high output semiconductor laser is also transmitted through the optical fiber 7B for high output semiconductor laser. The core diameter of the pulse optical fiber 6B and the core diameter of the high-power semiconductor laser optical fiber 7B are the same.
[0059]
The pulse laser beam transmitted through the pulse optical fiber 6B is roughly collimated by the pulse laser collimating optical system 8. Similarly, the high-power semiconductor laser beam is roughly collimated by the high-power semiconductor laser collimating optical system 9. At this time, the collimating optical systems 8 and 9 have different focal lengths. Thereafter, the collimated laser beams are mixed by the dichroic mirror 1 and condensed by the condenser lens 2.
[0060]
Next, the diameter of the condensed spot when each laser beam is condensed by the condenser lens 2 will be described. In Embodiment 3, the core diameters of the optical fibers 6B and 7B are 0.6 millimeters (mm). The focal length of the pulse laser collimating optical system 8 is 50 millimeters (mm). That is, in the pulse laser, the imaging magnification is 1: 1.
[0061]
On the other hand, in the semiconductor laser, the imaging magnification is 3: 5. Therefore, the focused spot shape of the pulse beam is about 0.6 millimeter (mm). On the other hand, the focused spot shape of the high-power semiconductor laser is about 1 millimeter (mm) (0.6 millimeter (mm) × 5/3). That is, even when the same optical fiber is used, the same spot shape as that in the example shown in the second embodiment can be obtained by changing the focal length of the collimating lens for processing.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a laser processing method and a laser processing apparatus capable of performing laser processing with high efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an external appearance of a laser processing apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a laser processing apparatus according to the first embodiment.
3 is a perspective view showing an external appearance of a continuous wave laser oscillator provided in the laser processing apparatus according to Embodiment 1. FIG.
4 is a front view showing a configuration of a continuous wave laser oscillator provided in the laser processing apparatus according to Embodiment 1. FIG.
5 is a front view showing another configuration of the continuous wave laser oscillator provided in the laser processing apparatus according to Embodiment 1. FIG.
6 is a plan view showing another configuration of the continuous wave laser oscillator provided in the laser processing apparatus according to Embodiment 1. FIG.
7 is a front view showing still another configuration of the continuous wave laser oscillator provided in the laser machining apparatus according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 8 is a front view showing still another configuration of the continuous wave laser oscillator provided in the laser processing apparatus according to the first embodiment.
FIG. 9 is a front view showing still another configuration of the continuous wave laser oscillator provided in the laser processing apparatus according to the first embodiment.
10 is a plan view showing still another configuration of the continuous wave laser oscillator provided in the laser machining apparatus according to Embodiment 1. FIG.
11 is a diagram showing laser spots irradiated by the laser processing apparatus according to Embodiment 1. FIG.
12 is a graph showing power density along the cross section AA shown in FIG.
13 is a graph showing power density along a cross section BB shown in FIG.
14 is a graph showing temporal changes in the output of the pulse laser irradiated by the laser processing apparatus according to Embodiment 1. FIG.
15 is a graph showing temporal changes in the output of the CW laser irradiated by the laser processing apparatus according to Embodiment 1. FIG.
16 is a graph showing a temporal change in the sum of the output of the pulse laser and the output of the CW laser irradiated by the laser processing apparatus according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 17 is a plan view showing relative movement between a laser spot irradiated by the laser processing apparatus according to Embodiment 1 and a workpiece;
FIG. 18 is a plan view showing relative movement between another laser spot irradiated by the laser processing apparatus according to Embodiment 1 and the workpiece.
FIG. 19 is a plan view showing relative movement between another laser spot irradiated by the laser processing apparatus according to Embodiment 1 and the workpiece.
20 is a graph showing the relationship between the pulse energy of the laser irradiated by the laser processing apparatus according to Embodiment 1 and the penetration depth of the workpiece. FIG.
FIG. 21 is a schematic diagram showing a configuration of a laser processing apparatus according to the second embodiment.
FIG. 22 (a) is a plan view showing laser spots irradiated by the laser processing apparatus according to the second embodiment;
(B) is a graph which shows the power density along the cross section AA and the cross section BB shown to (a).
FIG. 23 is a cross-sectional view for explaining a method of processing a workpiece by the laser processing apparatus according to the second embodiment.
24 is a cross-sectional view for explaining a method of processing a workpiece by the laser processing apparatus according to Embodiment 2. FIG.
25 is a cross-sectional view for explaining a method of processing a workpiece by the laser processing apparatus according to Embodiment 2. FIG.
FIG. 26 is a plan view showing another laser spot irradiated by the laser processing apparatus according to the second embodiment.
FIG. 27A is a plan view showing still another laser spot irradiated by the laser machining apparatus according to Embodiment 2. FIG.
(B) is a graph which shows the power density along the cross section AA and the cross section BB shown to (a).
FIG. 28 is a schematic diagram showing a configuration of a laser processing apparatus according to the third embodiment.
FIG. 29 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional laser processing apparatus.
FIG. 30 is a schematic diagram showing the configuration of another conventional laser processing apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Dichroic mirror
2 Condensing lens
3 Pulse beam laser oscillator
4 Continuous oscillation laser oscillator
5 Relative movement device
6,7 optical fiber
8,9 collimating optics
10, 11 Focusing spot
13 Semiconductor laser array bar
100 Laser processing equipment

Claims (15)

パルスビームレーザを発振させるとともに、前記パルスビームレーザの発振波長と異なる発振波長によって連続発振レーザを発振させる工程と、
前記パルスビームレーザと前記連続発振レーザとを光学的に混合して混合レーザビームを生成する工程と、
被加工物を加工するために前記混合レーザビームを前記被加工物に集光する工程とを包含することを特徴とするレーザ加工方法。
Oscillating a pulse beam laser and oscillating a continuous wave laser with an oscillation wavelength different from the oscillation wavelength of the pulse beam laser;
Optically mixing the pulse beam laser and the continuous wave laser to generate a mixed laser beam;
And condensing the mixed laser beam onto the workpiece to process the workpiece.
前記パルスビームレーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、略円形であり、
前記連続発振レーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、楕円、長円およびライン形状のいずれかであり、かつ、
前記連続発振レーザの集光スポットの長径は、前記パルスビームレーザの集光スポットの直径よりも長い、請求項1記載のレーザ加工方法。
The shape of the focused spot on the workpiece of the pulse beam laser is substantially circular,
The shape of the focused spot on the workpiece of the continuous wave laser is one of an ellipse, an ellipse, and a line shape, and
2. The laser processing method according to claim 1, wherein a major axis of the focused spot of the continuous wave laser is longer than a diameter of the focused spot of the pulse beam laser.
前記連続発振レーザの集光スポットの長径方向に沿って、前記被加工物と前記被加工物へ集光する前記混合レーザビームとを相対移動させる工程をさらに包含する、請求項2記載のレーザ加工方法。The laser processing according to claim 2, further comprising a step of relatively moving the workpiece and the mixed laser beam focused on the workpiece along a major axis direction of a focused spot of the continuous wave laser. Method. 前記パルスビームレーザをパルスレーザ光ファイバへ導くとともに、前記パルスレーザ光ファイバのコア径と異なるコア径を有する連続発振レーザ光ファイバへ前記発振した連続発振レーザを導く工程をさらに包含しており、
前記混合レーザビームを生成する工程は、前記パルスレーザ光ファイバによって導かれた前記パルスビームレーザと前記連続発振レーザ光ファイバによって導かれた前記連続発振レーザとを光学的に混合する、請求項1記載のレーザ加工方法。
Guiding the pulsed beam laser to a pulsed laser optical fiber, and further guiding the oscillated continuous wave laser to a continuous wave laser optical fiber having a core diameter different from the core diameter of the pulsed laser optical fiber,
The step of generating the mixed laser beam optically mixes the pulsed beam laser guided by the pulsed laser optical fiber and the continuous wave laser guided by the continuous wave laser optical fiber. Laser processing method.
前記パルスビームレーザをパルスレーザ光ファイバへ導くとともに、前記パルスレーザ光ファイバのコア径と同一のコア径を有する連続発振レーザ光ファイバへ前記発振した連続発振レーザを導く工程をさらに包含しており、
前記パルスレーザ光ファイバによって導かれた前記パルスビームレーザを第1コリメート光学系によってコリメートするとともに、前記連続発振レーザ光ファイバによって導かれた前記連続発振レーザを前記第1コリメート光学系の焦点距離と異なる焦点距離を有する第2コリメート光学系によってコリメートする工程をさらに包含しており、
前記混合レーザビームを生成する工程は、前記第1コリメート光学系によってコリメートされた前記パルスビームレーザと前記第2コリメート光学系によってコリメートされた前記連続発振レーザとを光学的に混合する、請求項1記載のレーザ加工方法。
Guiding the pulsed beam laser to a pulsed laser optical fiber and further guiding the oscillated continuous wave laser to a continuous wave laser optical fiber having the same core diameter as the pulsed laser optical fiber;
The pulse beam laser guided by the pulse laser optical fiber is collimated by a first collimating optical system, and the continuous wave laser guided by the continuous wave laser optical fiber is different from the focal length of the first collimating optical system. Further comprising collimating with a second collimating optical system having a focal length;
The step of generating the mixed laser beam optically mixes the pulse beam laser collimated by the first collimating optical system and the continuous wave laser collimated by the second collimating optical system. The laser processing method as described.
前記パルスビームレーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、略円形であり、
前記連続発振レーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、前記パルスビームレーザの集光スポットよりも小さい略円形である、請求項1記載のレーザ加工方法。
The shape of the focused spot on the workpiece of the pulse beam laser is substantially circular,
The laser processing method according to claim 1, wherein a shape of a focused spot in the workpiece of the continuous wave laser is a substantially circular shape smaller than a focused spot of the pulse beam laser.
前記連続発振レーザの集光スポットの中心は、前記被加工物と前記被加工物に集光した前記混合レーザビームとが相対移動する方向に沿って、前記パルスビームレーザの集光スポットの中心に対してずれている、請求項6記載のレーザ加工方法。The center of the focused spot of the continuous wave laser is the center of the focused spot of the pulse beam laser along the direction in which the workpiece and the mixed laser beam focused on the workpiece are relatively moved. The laser processing method according to claim 6, wherein the laser processing method is offset. パルスビームレーザを発振させるパルスビームレーザ発振器と、
前記パルスビームレーザの発振波長と異なる発振波長によって連続発振レーザを発振させる連続発振レーザ発振器と、
前記パルスビームレーザと前記連続発振レーザとを光学的に混合した混合レーザビームを生成するダイクロイックミラーと、
被加工物を加工するために前記混合レーザビームを前記被加工物に集光する集光レンズとを具備することを特徴とするレーザ加工装置。
A pulse beam laser oscillator for oscillating a pulse beam laser; and
A continuous wave laser oscillator that oscillates a continuous wave laser with an oscillation wavelength different from the oscillation wavelength of the pulse beam laser;
A dichroic mirror that generates a mixed laser beam obtained by optically mixing the pulse beam laser and the continuous wave laser;
A laser processing apparatus comprising: a condensing lens for condensing the mixed laser beam on the workpiece in order to process the workpiece.
前記混合ビームレーザに含まれる前記パルスビームレーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、略円形になっており、
前記混合ビームレーザに含まれる前記連続発振レーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、楕円、長円およびライン形状のいずれかになっており、
前記連続発振レーザの集光スポットの長径は、前記パルスビームレーザの集光スポットの直径よりも長くなっている、請求項8記載のレーザ加工装置。
The shape of the focused spot on the workpiece of the pulsed beam laser included in the mixed beam laser is substantially circular,
The shape of the focused spot on the workpiece of the continuous wave laser included in the mixed beam laser is one of an ellipse, an ellipse, and a line shape,
The laser processing apparatus according to claim 8, wherein a major axis of the focused spot of the continuous wave laser is longer than a diameter of the focused spot of the pulse beam laser.
前記連続発振レーザの集光スポットの長径方向に沿って、前記被加工物と前記被加工物に集光した前記混合レーザビームとを相対移動させる相対移動装置をさらに具備する、請求項9記載のレーザ加工装置。10. The apparatus according to claim 9, further comprising a relative movement device that relatively moves the workpiece and the mixed laser beam focused on the workpiece along a major axis direction of a focused spot of the continuous wave laser. Laser processing equipment. 前記パルスビームレーザを導くために設けられたパルスレーザ光ファイバと、
前記発振した連続発振レーザを導くために前記パルスレーザ光ファイバのコア径と異なるコア径を有する連続発振レーザ光ファイバとをさらに具備しており、
前記ダイクロイックミラーは、前記パルスレーザ光ファイバによって導かれた前記パルスビームレーザと前記連続発振レーザ光ファイバによって導かれた前記連続発振レーザとを光学的に混合する、請求項8記載のレーザ加工装置。
A pulsed laser optical fiber provided to guide the pulsed beam laser;
A continuous-wave laser optical fiber having a core diameter different from the core diameter of the pulsed laser optical fiber for guiding the oscillated continuous-wave laser;
The laser processing apparatus according to claim 8, wherein the dichroic mirror optically mixes the pulse beam laser guided by the pulse laser optical fiber and the continuous wave laser guided by the continuous wave laser optical fiber.
前記パルスビームレーザを導くために設けられたパルスレーザ光ファイバと、
前記発振した連続発振レーザを導くために前記パルスレーザ光ファイバのコア径と略同一のコア径を有する連続発振レーザ光ファイバと、
前記パルスレーザ光ファイバによって導かれた前記パルスビームレーザをコリメートするための第1コリメート光学系と、
前記連続発振レーザ光ファイバによって導かれた前記連続発振レーザをコリメートするために前記第1コリメート光学系の焦点距離と異なる焦点距離を有する第2コリメート光学系とをさらに具備しており、
前記ダイクロイックミラーは、前記第1コリメート光学系によってコリメートされた前記パルスビームレーザと前記第2コリメート光学系によってコリメートされた前記連続発振レーザとを光学的に混合する、請求項8記載のレーザ加工装置。
A pulsed laser optical fiber provided to guide the pulsed beam laser;
A continuous wave laser optical fiber having a core diameter substantially the same as the core diameter of the pulsed laser optical fiber to guide the oscillated continuous wave laser;
A first collimating optical system for collimating the pulsed beam laser guided by the pulsed laser optical fiber;
A second collimating optical system having a focal length different from the focal length of the first collimating optical system for collimating the continuous wave laser guided by the continuous wave laser optical fiber;
The laser processing apparatus according to claim 8, wherein the dichroic mirror optically mixes the pulse beam laser collimated by the first collimating optical system and the continuous wave laser collimated by the second collimating optical system. .
前記混合ビームレーザに含まれる前記パルスビームレーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、略円形になっており、
前記混合ビームレーザに含まれる前記連続発振レーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、前記パルスビームレーザの集光スポットよりも小さい略円形になっている、請求項8記載のレーザ加工装置。
The shape of the focused spot on the workpiece of the pulsed beam laser included in the mixed beam laser is substantially circular,
The laser processing apparatus according to claim 8, wherein a shape of a condensing spot in the workpiece of the continuous wave laser included in the mixed beam laser is a substantially circular shape smaller than a condensing spot of the pulse beam laser. .
前記連続発振レーザの集光スポットの中心は、前記被加工物と前記被加工物に集光した前記混合レーザビームとが相対移動する方向に沿って、前記パルスビームレーザの集光スポットの中心に対してずれている、請求項13記載のレーザ加工装置。The center of the focused spot of the continuous wave laser is the center of the focused spot of the pulse beam laser along the direction in which the workpiece and the mixed laser beam focused on the workpiece are relatively moved. The laser processing apparatus of Claim 13 which has shifted | deviated with respect to. 連続発振レーザ発振器は、1次元配列の半導体レーザアレイバーをその厚み方向に沿って1層から複数層積層して形成される2次元配列の半導体レーザアレイバーを有している、請求項8記載のレーザ加工装置。The continuous wave laser oscillator has a two-dimensional array of semiconductor laser array bars formed by laminating one to a plurality of one-dimensional array of semiconductor laser array bars along its thickness direction. Laser processing equipment.
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