JP2013226590A - レーザ切断装置及びレーザ切断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切断可能な板厚や形状が制限されず、かつ、切断対象物の切断条件が不明な場合であっても切断することのできるレーザ切断装置及びレーザ切断方法を提供する。
【解決手段】レーザ光源からのレーザ光を、光ファイバーでレーザ照射ヘッドに伝送し、当該レーザ照射ヘッド内に配設された光学系を介して切断対象物に照射するレーザ切断装置であって、前記切断対象物の切断箇所近傍の形状を計測する形状計測機構と、前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、光学部品を駆動することによって前記レーザ光の前記切断対象物に対する照射位置を切断方向に沿って走査する走査機構と、前記レーザ光の前記切断対象物に対する照射状態を制御する制御部とを具備し、前記制御部は、前記レーザ照射ヘッドの位置を固定した状態で、前記走査機構を駆動し、前記切断対象物の切断部に対して前記レーザ光を複数回繰り返して走査照射することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ切断装置及びレーザ切断方法に関する。

従来から、レーザ光を用いて各種の材料を切断するレーザ切断装置及びレーザ切断方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、例えばある程度板厚の厚い金属板材等を切断するための従来のレーザ切断装置及びレーザ切断方法としては、次のようなものがある。すなわち、図１１に示すように、図示しないレーザ発振器より発振されたレーザ光１を、空間伝送若しくは光ファイバーにて集光光学系２を組み込んだレーザ切断ヘッド３まで伝送し、レーザ切断ヘッド３にてレーザ光１を材料５の表面に集光して照射する。そして、材料５の表面を溶融させ、レーザ光１と同軸に供給される切断ガス４にて溶融金属６を連続的に下方に排出することで連続した材料５の切断を実現している。

このような従来の技術においては、事前に材料５を切断するための最適条件を確定するとともに、図１１に示すレーザ切断ヘッド３と材料との距離ｈを高精度に管理する必要がある。切断中にレーザ切断ヘッド３と材料５との距離ｈが離れ、レーザ光１が材料５の裏面まで到達しない状況が発生すると、切断不良となるとともに、レーザ光１にて溶融した金属がレーザ切断ヘッド３側に吹き飛ばされてレーザ切断ヘッド３が損傷を受けるといった問題が起きる。

また、材料５の中間部から切断を開始したい場合には、切断開始位置に材料を貫通する貫通孔を事前に開ける必要がある。この貫通孔が十分に開いていない場合にも、レーザ光１が材料５の裏面まで到達せずに、レーザ光１にて溶融した金属がレーザ切断ヘッド３側に吹き飛ばされてレーザ切断ヘッド３が損傷を受けるといった問題が起きる。

このような問題を解決するため、レーザ切断ヘッドに、材料の表面との距離を静電容量型の非接触センサなどで計測し距離を一定に保つ機能を持たせる方法、事前に開けた貫通孔が十分に貫通していることを確認するために材料表面の反射光をレーザ切断ヘッド内部に組み込んだフォトセンサーなどで感知する方法が採られている。

しかしながら、上述したいずれの方法においても、レーザ切断する対象物の厚さや材料の組合わせ等の切断条件を事前に確認する必要があり、レーザ出力により切断可能な板厚もおのずと制限される。また、切断前に材料の厚さや、材質が確認されていることも必要となるが、例えば、原子炉の廃炉などで材料を切断する場合には、その材質や形状、板厚は多岐にわたり、全ての材料について最適な切断条件は得られない。

上述した従来のレーザ切断装置及びレーザ切断方法で切断可能な板厚は、一般に５０ｍｍ程度が最大である。その理由は、板の切断には一定以上のエネルギー密度が必要であるため、集光されたレーザ光の先端近傍でないと十分なエネルギーが得られないが、ある厚み以上の板を切断しようとすると、レーザ光の一部が集光されて先端に到達する前に切断溝の側面に吸収されてしまい、十分なエネルギー密度に達しなくなるからである。

特開２０１１−５６５８３号公報

上述したように、従来のレーザ切断装置及びレーザ切断方法では、切断可能な板厚や形状が制限されるという問題や、材質及び厚さが既知で切断条件が事前に分からないと切断することができない等の問題があった。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものであり、切断可能な板厚や形状が制限されず、かつ、切断対象物の切断条件が不明な場合であっても切断することのできるレーザ切断装置及びレーザ切断方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ切断装置の一態様は、レーザ光源からのレーザ光を、光ファイバーでレーザ照射ヘッドに伝送し、当該レーザ照射ヘッド内に配設された光学系を介して切断対象物に照射するレーザ切断装置であって、前記切断対象物の切断箇所近傍の形状を計測する形状計測機構と、前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、光学部品を駆動することによって前記レーザ光の前記切断対象物に対する照射位置を切断方向に沿って走査する走査機構と、前記レーザ光の前記切断対象物に対する照射状態を制御する制御部とを具備し、前記制御部は、前記レーザ照射ヘッドの位置を固定した状態で、前記走査機構を駆動し、前記切断対象物の切断部に対して前記レーザ光を複数回繰り返して走査照射することを特徴とする。

本発明のレーザ切断方法の一態様は、レーザ光源からのレーザ光を、光ファイバーでレーザ照射ヘッドに伝送し、当該レーザ照射ヘッド内に配設された光学系を介して切断対象物に照射するレーザ切断方法であって、前記レーザ照射ヘッドが、前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、光学部品を駆動することによって前記レーザ光の前記切断対象物に対する照射位置を切断方向に沿って走査する走査機構と、前記レーザ照射ヘッドを移動させる移動機構とを具備し、前記レーザ照射ヘッドの位置を固定した状態で、前記走査機構により、前記切断対象物の切断部に対して前記レーザ光を複数回繰り返して走査照射する工程と、前記移動機構により前記レーザ照射ヘッドを移動させて前記走査機構による前記レーザ光の前記切断対象物に対する照射位置を切断方向に移動させる工程と、を繰り返すことによって、前記切断対象物を切断することを特徴とする。

本発明によれば、切断可能な板厚や形状が制限されず、かつ、切断対象物の切断条件が不明な場合であっても切断することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ切断装置の構成を模式的に示す図 レーザ切断時のレーザ光走査方法の説明図 レーザ切断時のレーザ光走査方法の説明図 レーザ切断時のレーザ光走査方法の説明図 レーザ切断時のレーザ光走査方法の説明図 レーザ切断時のレーザ光走査方法の説明図 レーザ切断時のレーザ光走査方法の説明図 レーザ切断時のレーザ光走査方法の説明図 レーザ切断時のレーザ光走査方法の説明図 レーザ切断時のレーザ光走査方法の説明図 従来のレーザ切断方法の説明図 レーザ切断時の課題の説明図

以下、本発明の実施形態を、図１〜図１０を参照して説明する。なお、これらの図において、対応する部分には夫々同一符号を付して重複した説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ切断装置の要部概略構成を模式的に示す図である。図１に示す、レーザ切断ヘッド１０には、1本以上の光ファイバー７が接続されており、図示しないレーザ発振器から出射されたレーザ光１は、光ファイバー７によってレーザ切断ヘッド１０に伝送される。

レーザ切断ヘッド１０は、筺体１１を具備しており、この筺体１１内には、集光レンズ系１２が配設されている。この集光レンズ系１２は、光ファイバー２から射出されて拡がったレーザ光１を平行光とする第１レンズ１２ａ、平行光とされたレーザ光１を焦点に集光する第２レンズ１２ｂ等の複数の光学レンズを有している。この集光レンズ系１２は、レンズの位置を光軸方向に移動させることによって、レーザ光１の集光角を変更する図示しない駆動機構を具備している。

集光レンズ系１２としては、ある程度長焦点のものを使用し、好ましくは３００ｍｍ以上、さらに好ましくは４００ｍｍ〜６００ｍｍ程度のものを使用する。このように長焦点の集光レンズ系１２を使用することによって、レーザ切断ヘッド１０と切断対象物である材料５との距離をある程度離間させた状態でレーザ光１の照射を行うことができる。これによって、後述する第２ミラー１３ｂの駆動によるレーザ光１の走査範囲を拡げることができるとともに、レーザ光１の照射によってスパッタされた粒子がレーザ切断ヘッド１０に付着することを防止することができる。

レーザ切断ヘッド１０内には、集光レンズ系１２で集光されたレーザ光１を反射して、略直角に光路を変更する第１ミラー１３ａと、この第１ミラー１３ａからのレーザ光１を反射して、略直角に光路を変更する第２ミラー１３ｂとが配設されている。第２ミラー１３ｂは、図中矢印で示すように、軸１４を回転軸として図示しない駆動機構によって回動されるようになっており、これによって、切断対象物である材料５におけるレーザ光１の照射位置を、走査するよう構成されている。

また、レーザ切断ヘッド１０には、材料５の形状を計測するための形状計測機構１５が配設されている。この形状計測機構１５は、例えば、複数のＣＣＤカメラ等から構成されている。さらに、レーザ切断ヘッド１０には、材料５からの反射光を連続的に計測するための反射光計測機構１６が配設されている。この反射光計測機構１６は、フォトダイオード、カプラー等から構成されている。さらにまた、レーザ切断ヘッド１０には、材料５にレーザ光１を照射して切断した際に、その切断部分の既切断深さと切断幅を測定するための切断部測定機構１７が配設されている。この切断部測定機構１７は、例えばレーザラインセンサ等から構成されている。

上記のレーザ切断ヘッド１０は、移動機構としての多関節ロボットのアーム３０によって保持されており、任意の方向に移動及び回転可能とされている。また、レーザ切断ヘッド１０は、多関節ロボットのアーム３０の駆動を含めてその動作をコンピュータ等からなる制御部２０によって制御されるようになっている。

上記構成のレーザ切断装置では、レーザ切断ヘッド１０に配設された形状計測機構１５によって材料５の切断箇所近傍の形状を計測する。この材料５の形状の計測データは、制御部２０に送られる。制御部２０は、計測データの解析を行い、切断経路（パス）を生成し、この切断経路における切断開始位置を決定する。そして、多関節ロボットのアーム３０を駆動することによってレーザ切断ヘッド１０を、材料５の切断開始位置に向けてレーザ光１を照射可能な所定の照射位置に位置させる。この場合、前述したとおり、集光レンズ系１２に長焦点のものを使用しているので、材料５の表面とレーザ切断ヘッド１０との間の距離をある程度離間させた状態となる。

次に、制御部２０は、レーザ切断ヘッド１０から材料５の切断部に向けてのレーザ光１の照射を開始する。この場合、図示しないレーザ発振器から出射され光ファイバー２によってレーザ切断ヘッド１０に伝送されたレーザ光１は、集光レンズ系１２で集光され、第１ミラー１３ａ及び第２ミラー１３ｂによって反射されて材料５の切断部に照射される。この際、制御部２０の制御により、レーザ光１は、材料５の表面に集光された状態とされ、これとともに第２ミラー１３ｂが所定角度範囲内で往復するように回動され、レーザ光１が、図２（ａ）に示すように、材料５の所定距離の範囲内において、繰り返し走査される。材料５の表面に照射されたレーザ光１により材料５の表面が溶融し、溶融した金属はレーザ光１の照射により発生するキーホールの蒸発反力によりスパッタ６として排出される。

レーザ光１の照射による材料５の切断が開始されると、反射光計測機構１６によってレーザ光１の材料５からの反射光が連続的に計測されるとともに、切断部測定機構１７によって切断部分の既切断深さと切断幅が測定される。図３に示すように、レーザ光１を連続的に走査することで材料５の表面から材料５の深さ方向に向かって徐々に溝が形成される。また、図４に示すように、既切断深さが深くなるにつれてレーザ光１の走査幅を小さくすることによって深さ方向への切込みを行う。これによって、事前に切断条件が不明な場合も、任意に自由な位置から切断を行える。

以上のように、本実施形態では、切断ガスを使用することなく、レーザ光１の照射による溶融金属をレーザ光１によって発生するキーホールの蒸発反力により表面側に排出する。そして、レーザ光１を繰り返し走査することで材料５の表面から徐々に深さ方向に切断を進めていくことができる。これにより、事前に切断する材料５の板厚や材質、形状が不明な場合でも、レーザ切断を実施することができる。また、予め貫通孔を開ける処理（ピアッシング）を行わずに、連続したレーザ切断を実施することが可能となる。

次に、切断パスを繋ぎ切断長さを延ばす場合について説明する。図５に示すように、レーザ切断ヘッド１０を最初の照射位置に固定して切断した状態から長さ方向の切断パスを繋ぐ場合は、切断位置を、レーザ切断ヘッド１０に搭載された形状計測機構１５で計測、又は、切断部測定機構１７で測定し、そのデータを制御部２０に入力する。制御部２０では、このデータから切断位置を確認し、図６に示すように、多関節ロボットのアーム３０を駆動することによってレーザ切断ヘッド１０をレーザ光１の走査可能範囲がラップするように移動させ、既切断部分と繋がるように次の切断パスを決定し、レーザ光１を走査照射する。このようにして切断パスを繋ぎ、切断長さを延ばす。

次に、走査幅を増やす場合について説明する。例えば、切断する材料の板厚が厚い場合等においては、走査幅を増やす必要が生じる場合がある。このような場合、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、レーザ光１の照射位置を切断方向（図７（ａ）、（ｃ）に示すｘ方向）と直行する方向（図７（ｂ）、（ｃ）に示すｙ方向）に移動させ、走査することによって走査幅を増やすことができる。この場合、例えば、第２ミラー１３ｂを走査方向と直交する方向に回動させることによって、レーザ光１の照射位置を、切断方向と直行する方向（ｙ方向）に移動させることができる。そして、図８（ｂ）に示すように、切断深さが深くなる毎にｙ方向の走査幅を狭くすることによって、板厚によらず材料５の裏面まで溝加工を継続して行い、切断することができる。

なお、レーザ光１をｙ方向に走査することなく、同じ位置で繰り返し走査した場合には、図１２に示すように、切断深さが深くなるにつれてレーザ光１の集光角度と材料５の除去形状が同じになってレーザ光１が溝側面全体で吸収されてしまうため、レーザ切断を継続して行うことができなくなる場合がある。

また、上記のように、レーザ光１をｘ方向及びｙ方向に走査するのではなく、図９に示すように、必要な除去幅が得られるようにレーザ光１を旋回させながらｘ方向に走査してもよい。この場合、レーザ光１をｘ方向及びｙ方向に走査する場合と同様に、例えば、第２ミラー１３ｂの駆動を制御することによってレーザ光１を旋回させながらｘ方向に走査することができる。

また、図１０に示すように、材料５の切断深さが変わるにつれて、レーザ光１の集光角を変えることによって深さ方向への切込みを行うようにしてもよい。すなわち、切断深さが深くなる毎に、レーザ光１の集光角を狭くすることによって、板厚によらず材料５の裏面まで溝加工を継続して行うことができ、切断することができる。

この場合、材料５の形状が事前に判明している場合には、深さによるレーザ光１のｙ方向の走査幅を事前に登録しておき、深さが深くなるにつれて必要な走査幅に変更するとともに、レーザ光１の集光角を狭くするようにしてもよい。これによって、板厚によらず材料５の裏面まで溝加工を継続して行うことができ、切断することができる。

１……レーザ光、５……材料、７……光ファイバー、１０……レーザ切断ヘッド、１１……筺体、１２……集光レンズ系、１３ａ……第１ミラー、１３ｂ……第２ミラー、１５……形状計測機構、１６……反射光計測機構、１７……切断部測定機構、２０……制御部、３０……多関節ロボットのアーム。

Claims (10)

1. レーザ光源からのレーザ光を、光ファイバーでレーザ照射ヘッドに伝送し、当該レーザ照射ヘッド内に配設された光学系を介して切断対象物に照射するレーザ切断装置であって、
   前記切断対象物の切断箇所近傍の形状を計測する形状計測機構と、
   前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、
   光学部品を駆動することによって前記レーザ光の前記切断対象物に対する照射位置を切断方向に沿って走査する走査機構と、
   前記レーザ光の前記切断対象物に対する照射状態を制御する制御部と
   を具備し、
   前記制御部は、前記レーザ照射ヘッドの位置を固定した状態で、前記走査機構を駆動し、前記切断対象物の切断部に対して前記レーザ光を複数回繰り返して走査照射する
   ことを特徴とするレーザ切断装置。
2. 請求項１記載のレーザ切断装置であって、
   前記レーザ照射ヘッドを移動させる移動機構を具備し、
   前記制御部は、前記形状計測機構からの計測データに基づいて前記レーザ光を照射する経路を生成し、当該経路に沿って前記移動機構を駆動して、前記走査機構によるレーザ光の走査範囲を、切断方向に沿って移動させることを特徴とするレーザ切断装置。
3. 請求項１又は２記載のレーザ切断装置であって、
   前記制御部は、前記レーザ光の走査幅を、前記切断対象物の既切断深さが深くなるにつれて狭くすることを特徴とするレーザ切断装置。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載のレーザ切断装置であって、
   前記レーザ照射ヘッドが、前記レーザ光の前記切断対象物からの反射光を計測する反射光計測機構を具備したことを特徴とするレーザ切断装置。
5. 請求項１〜４いずれか１項記載のレーザ切断装置であって、
   前記レーザ照射ヘッドが、前記切断対象物の既切断深さと切断幅を測定するための切断部測定機構を具備したことを特徴とするレーザ切断装置。
6. 請求項１〜５いずれか１項記載のレーザ切断装置であって、
   前記切断方向と直交する方向に前記レーザ光の前記切断対象物に対する照射位置を変更する手段を具備したことを特徴とするレーザ切断装置。
7. 請求項６記載のレーザ切断装置であって、
   前記制御部は、前記切断方向と直交する方向に前記レーザ光の前記切断対象物に対する照射位置を変更する幅を、前記切断対象物の既切断深さが深くなるにつれて狭くすることを特徴とするレーザ切断装置。
8. 請求項６又は７記載のレーザ切断装置であって、
   前記制御部は、前記レーザ光の切断対象物に対する照射位置を旋回させるように変更することを特徴とするレーザ切断装置。
9. 請求項１〜８いずれか１項記載のレーザ切断装置であって、
   前記集光レンズ系は、前記レーザ光の集光角を変更する機構を具備し、
   前記制御部は、前記集光レンズ系の集光角を、前記切断対象物の既切断深さが深くなるにつれて狭くすることを特徴とするレーザ切断装置。
10. レーザ光源からのレーザ光を、光ファイバーでレーザ照射ヘッドに伝送し、当該レーザ照射ヘッド内に配設された光学系を介して切断対象物に照射するレーザ切断方法であって、
    前記レーザ照射ヘッドが、
    前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、
    光学部品を駆動することによって前記レーザ光の前記切断対象物に対する照射位置を切断方向に沿って走査する走査機構と、
    前記レーザ照射ヘッドを移動させる移動機構とを具備し、
    前記レーザ照射ヘッドの位置を固定した状態で、前記走査機構により、前記切断対象物の切断部に対して前記レーザ光を複数回繰り返して走査照射する工程と、
    前記移動機構により前記レーザ照射ヘッドを移動させて前記走査機構による前記レーザ光の前記切断対象物に対する照射位置を切断方向に移動させる工程と、
    を繰り返すことによって、前記切断対象物を切断する
    ことを特徴とするレーザ切断方法。

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