JP6290960B2 - 反射光強度を低減する機能を備えたレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物からの反射光の強度を低減してレーザ加工を行うレーザ加工装置に関する。

金属材料等の被加工物（ワーク）にレーザ光を照射してレーザ加工を行う場合に、ワークからの反射光を利用して切断品質の向上を図る技術が知られている。例えば特許文献１には、ワーク表面での反射によってレーザ発振器内に帰還される反射レーザ光のレベルを検出する反射光検出手段と、反射レーザ光のレベルが所定値以下に減少した時点を検知する検知手段と、第１の出力レベルでレーザ光を出力してワークを加熱させ、反射レーザ光のレベルが所定値以下に減少した時点より第２の出力レベルでレーザ光を出力してワークを穴あけ加工させる出力指令手段と、を有するレーザ加工装置が記載されている。

また特許文献２には、ワーク表面での反射によってレーザ発振器内に帰還される反射レーザ光のレベルを検出する反射光検出手段と、反射レーザ光のレベルが所定値以下に減少した時点を検知する検知手段と、所要の出力レベルでレーザ光を出力して穴あけ加工を開始し、反射レーザ光のレベルが所定値以下に減少した時点で穴あけ加工を終了し、継続して次の穴あけ加工の指令を出力する指令手段と、を有するレーザ加工装置が記載されている。

被加工物が銅やアルミニウム等のレーザ光を反射しやすい金属材料である場合、被加工物にレーザ光を照射した瞬間に、該レーザ光の一部が往路と似た経路を逆方向に進み、反射光としてレーザ発振器に戻ることがあり、これによってレーザ発振器やレーザ光路が故障・破損することがある。このように、反射光がレーザ発振器内に戻ることによって、レーザ出力が制御不能となったり光学系が破損したりすることを防止するための従来技術例として、特許文献３には、レーザ光を加工条件に応じて出力可変に発振するレーザ発振器と、レーザ光を伝搬するための光ファイバと、光ファイバのクラッド側面から漏出する光の強度を検出してその強度を示す検出信号を出力するセンサと、検出信号に基づいて当該レーザ加工装置の動作を制御する発振制御部と、を備えたレーザ加工装置が記載されており、さらに、発振制御部は、レーザ発振器の出力が所定出力以下の場合には、当該出力に対応して設定された第１の閾値と前記検出信号から得られた強度又は光量とを比較し、レーザ発振器の出力が所定出力より高い場合には、当該出力に対応して設定された第２の閾値と前記検出信号から得られた強度又は光量とを比較し、比較した結果に基づいて当該レーザ加工装置の動作を制御する、と記載されている。

特開平０２−１７９３７６号公報 特許第２７０６４９８号公報 特開２０１３−１４６７５２号公報

上述のように、レーザ加工の被加工物が、銅やアルミニウム等のレーザ光を反射しやすい金属材料である場合や、加工点でのエネルギー密度が低い場合に、集光点が被加工物の表面上にあると、照射されたレーザ光の一部が往路と同じ経路を逆方向に進み、反射光としてレーザ発振器に戻ることがある。この反射光の量が多い（或いは強度が高い）ほど、レーザ加工機の光路や光源が損傷する可能性が高まる。従来は、過大な反射光を防止するために、予め被加工物の表面に暫定的な条件でレーザ光を照射し、反射光の強度が悪影響を及ぼす程度に高い場合は、反射光強度を下げるために加工条件を変更（最適化）する必要があった。

上述の特許文献１及び２に記載の技術は、反射光（散乱光）を検出するものではあるが、反射光がレーザ光源等に及ぼす悪影響を低減し又は排除するものではない。一方、特許文献３に記載の技術は、反射光（戻り光）による不具合の発生を防止するものではあるが、戻り光の強度が閾値を超えた場合はレーザ光の発振を停止する場合があり、その場合はレーザ加工装置の稼働率が低下すると考えられる。

そこで本発明は、反射光による故障等を回避するために、レーザ発振を停止させずに反射光強度を低減する機能を備えたレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、レーザ光を被加工物に照射することにより、該被加工物のレーザ加工を行うレーザ加工装置であって、レーザピアシング、レーザ切断、レーザマーキング及びレーザ溶接のうちの少なくとも１つを含むレーザ加工指令を出力するレーザ加工指令部と、前記被加工物からの反射光強度をモニタする検出器と、レーザ出力指令値、パルス照射時間及びパルス周期を含むレーザ出力条件、並びに前記検出器によりモニタされた反射光強度を記憶するメモリと、前記レーザ加工指令に先立ち、前記レーザ加工指令とは異なるレーザ出力条件を含む前加工指令を出力する前加工指令部と、前記メモリに記憶された反射光強度と、第１の判定値及び前記第１の判定値より低い第２の判定値とを比較する比較部と、前記比較部による比較結果に基づいて、前記前加工指令のレーザ出力条件を変更する出力条件変更部と、前記前加工指令に基づく前加工を、所定の条件に基づいて終了する前加工終了部と、を備える、レーザ加工装置を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記出力条件変更部は、モニタされた反射光強度が前記第２の判定値以下の場合は、出力ピーク値を大きくするか、パルス照射時間を長くするか、パルスデューティを増やす、レーザ加工装置を提供する。

第３の発明は、第１の発明において、前記出力条件変更部は、モニタされた反射光強度が前記第１の判定値以上の場合は、出力ピーク値を小さくするか、パルス照射時間を短くするか、パルスデューティを減らす、レーザ加工装置を提供する。

第４の発明は、第２の発明において、前記前加工終了部は、前記出力ピーク値、前記パルス照射時間、または前記パルスデューティが、予め設定した所定の値以上となった場合、前記前加工指令を終了する、レーザ加工装置を提供する。

第５の発明は、第３の発明において、前記前加工指令部は、前記出力ピーク値、前記パルス照射時間、または前記パルスデューティが、予め設定した所定の値以下となった場合、警報通知を行うか、運転を停止するか、またはレーザ出力指令以外の加工条件を変更して再度前加工指令を実行する、レーザ加工装置を提供する。

第６の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記前加工終了部は、前記反射光強度が予め設定した第３の判定値以下になった時点で前記前加工指令を終了する、レーザ加工装置を提供する。

第７の発明は、第１〜第６のいずれか１つの発明において、前記検出器を加工ヘッドに備えた、レーザ加工装置を提供する。

第８の発明は、第１〜第６のいずれか１つの発明において、前記検出器は、レーザ発振器内の少なくとも２箇所に配置されている、レーザ加工装置を提供する。

本発明に係るレーザ加工装置によれば、発振器に損傷を与えないレーザ出力条件で、ワーク表面に傷をつけ、この傷により、その後の反射光強度を低減することができる。このため、アラームによりレーザ発振が停止することによる加工不良や稼働率低下等の問題が発生しない。また、レーザ発振器の故障も発生しない。

本発明の好適な実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図である。 図１のレーザ加工装置が有するレーザ発振器の内部を概略的に示す図である。 図１のレーザ加工装置における処理の一例を示すフローチャートである。 図１のレーザ加工装置において、前加工及び本加工における、レーザ出力及び反射光強度の経時変化の一例を示すグラフである。 図４に示した前加工において、反射光強度と、第１の判定値又は第２の判定値との大小関係に基づく処理の具体例を説明するグラフである。 図４に示した前加工において、反射光強度と、第１の判定値又は第２の判定値との大小関係に基づく処理の他の具体例を説明するグラフである。 出力ピーク値、パルス照射時間、またはパルスデューティが、予め設定した所定の値以上となった場合に、前加工を終了させる処理の例を説明するグラフである。 図７の代替例を示すグラフである。 図７の他の代替例を示すグラフである。 出力ピーク値が予め設定した所定の値以下となった場合、警報通知を行うか、運転を停止するか、またはレーザ出力指令以外の加工条件を変更して再度前加工指令を実行する処理を説明するグラフである。 パルス照射時間が予め設定した所定の値以下となった場合、警報通知を行うか、運転を停止するか、またはレーザ出力指令以外の加工条件を変更して再度前加工指令を実行する処理を説明するグラフである。 パルスデューティが予め設定した所定の値以下となった場合、警報通知を行うか、運転を停止するか、またはレーザ出力指令以外の加工条件を変更して再度前加工指令を実行する処理を説明するグラフである。 反射光強度が予め設定した第３の判定値以下になった時点で前加工指令を終了する処理を例示するグラフである。 本実施形態との比較例として、従来技術に係るレーザ加工装置でのレーザ出力と反射高強度との関係の一例を示すグラフある。 本実施形態との比較例として、従来技術に係るレーザ加工装置でのレーザ出力と反射高強度との関係の他の例を示すグラフある。

図１は、本発明の好適な実施形態に係るレーザ加工装置１０の概略構成を示す図である。レーザ加工装置１０は、レーザ光を被加工物（ワーク）１２に照射することにより、ワーク１２に対してレーザピアシング、レーザ切断、レーザマーキング及びレーザ溶接の少なくとも１つを含むレーザ加工を行うように構成されている。図示例では、レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１４、光ファイバ１６及び加工ヘッド１８を有し、レーザ発振器１４から出力されたレーザ光が光ファイバ１６によって伝送されて加工ヘッド１８に導かれ、集光光学系（図示せず）等で集光された後、ワーク１２の表面に略垂直に照射される。

レーザ加工装置１０は、ワーク１２からの反射光の強度を検出（モニタ）する光センサ等の検出器２０を備え、図１の例では、検出器２０は加工ヘッド１８に設けられている。検出器２０を加工ヘッド１８等のレーザ発振器１４の外部に設けることにより、レーザ発振器１４の低コスト化を図ることができる。

図２は、検出器をレーザ発振器１４内部の少なくとも２箇所に設けた場合を例示する図である。図２の例では、レーザ発振器１４内において、光ファイバ１６の軸方向端部に１つの検出器２０が配置され、コア２２及びクラッド２４からなる光ファイバ１６のクラッド２４の外表面に１つの検出器２０が配置されている。このように、複数箇所に検出器２０を設けることにより、反射光強度をより正確に検出（モニタ）することができる。

図１に示すように、レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１４を制御する制御装置２６を有し、制御装置２６は、レーザピアシング、レーザ切断、レーザマーキング及びレーザ溶接の少なくとも１つを含むレーザ加工指令を出力するレーザ加工指令部２８と、レーザ出力指令値、パルスオン時間及びパルス周期を含むレーザ出力条件、並びに検出器２０によりモニタされた反射光強度を記憶する記憶部（メモリ）３０と、レーザ加工指令に先立ち、該レーザ加工指令とは異なるレーザ出力条件を含む前加工指令を出力する前加工指令部３２と、メモリ３０に記憶された反射光強度と、第１の判定値および第１の判定値より低い第２の判定値とを比較する比較部３４と、比較部３４による比較結果に基づいて、前加工指令のレーザ出力条件を設定・変更する出力条件変更部３６と、該前加工指令に基づく前加工を、所定の条件に基づいて終了する前加工終了部３８とを有する。但し、レーザ加工指令部２８、メモリ３０、前加工指令部３２、比較部３４、出力条件変更部３６、及び前加工終了部３８の機能の少なくとも１つを、制御装置２６以外の装置に担わせることも可能である。またレーザ加工指令部２８、前加工指令部３２、比較部３４、出力条件変更部３６、及び前加工終了部３８は、例えばＣＰＵ（プロセッサ）として提供可能である。

図３は、レーザ加工装置１０におけるレーザ加工の大まかな流れの一例を示すフローチャートである。先ず、後述する前加工を行い（ステップＳ１）、続けて、所定のレーザ出力条件での本加工を行う。本加工には、レーザピアシング、レーザ切断、レーザマーキング及びレーザ溶接の少なくとも１つが含まれるが、ここでは、ピアシング（穴あけ）（ステップＳ２）の次に切断（ステップＳ３）を行うものとする。

レーザ加工装置１０の制御装置２６は、ワーク１２の材質や板厚に応じたレーザ加工指令（加工条件）を記憶・出力することができ、前加工指令は、上記レーザ加工指令を基にして設定され、レーザ加工開始時に、レーザ加工指令に先立って実行される。例えば、ワーク１２が厚さ２ｍｍのアルミニウム板であり、これにピアシング（穴あけ）を行う場合、レーザ加工指令（加工条件）は、例えば３０００Ｗ、１００Ｈｚ、デューティ４０％、時間１秒であり、これに先立って実行される前加工の条件は、例えば２０００Ｗ、１０００Ｈｚ、デューティ１０％、時間０．１秒である。

図４は、上述の前加工及び本加工における、レーザ出力及び反射光強度の経時変化の一例を表しており、具体的には、グラフ４０がレーザ出力の経時変化を示し、グラフ４２が反射光強度のレーザ出力の経時変化を示している。

グラフ４０において、参照符号４４で示す前加工は、参照符号４６で示す本加工に先立って、本加工におけるレーザ加工指令とは異なるレーザ出力条件を含む前加工指令によって行われる。図４の例では、本加工におけるレーザ加工指令に含まれるレーザ出力指令値Ｐ１よりも、前加工指令に含まれるレーザ出力指令値Ｐ２の方が小さい。

グラフ４２に示すように、上述のような前加工を行うと、検出器２０がモニタする反射光強度は、レーザ発振器に損傷を与える強度Ｌ０（アラームレベル）よりも低い値となるので、アラームによりレーザ発振が停止することはなく、またレーザ発振器の損傷も防止される。また図４の例では、反射光強度は、強度Ｌ０よりも低い、予め定めた第１の判定値Ｌ１よりも低くなっているが、判定値Ｌ１よりも高くなった場合については後述する。

グラフ４０における前加工４４のように、同じレーザ出力条件でレーザ照射を行っても、徐々にワーク表面が傷付いたりワーク表面に穴（クレータ）が形成されたりして、反射光がワーク表面に吸収されやすくなり、その結果、反射光強度は徐々に減少する。ここで、反射光強度が、判定値Ｌ１よりも低い、予め定めた第２の判定値Ｌ２よりも低くなったら、反射光による影響を受けずに本加工を開始できると判断し、前加工を終了して、本加工に移行することができる。このようにして、アラーム等によりレーザ発振が停止して稼働率が低下することなく、またワークの加工不良も生じさせることなく、レーザ加工を行うことができる。

図５及び図６は、図４に示した前加工において、反射光強度と、第１の判定値Ｌ１又は第２の判定値Ｌ２との大小関係に基づく処理の具体例を説明する図である。

実線ａで示すように、反射光強度が第１の判定値Ｌ１より大きい場合は、反射光強度がアラームレベル（Ｌ０）に達することを確実に回避するために、出力条件変更部３６は、出力ピーク値（レーザ出力指令値）を小さくするか、パルス照射時間（パルスオン時間）を短くするか、パルスデューティを小さくする。なお図５の例では、出力ピーク値を小さくしており、図６の例では、パルス照射時間を短くしている。これにより、反射光強度を、第１の判定値Ｌ１以下に下げることができる。

また点線ｂで示すように、反射光強度が第１の判定値Ｌ１以下でありかつ第２の判定値Ｌ２以上である場合は、レーザ出力条件を変更する必要はない。

一方、破線ｃで示すように、反射光強度が第２の判定値Ｌ２より大きい場合は、ワークへの入熱量を増やすために、出力条件変更部３６は、出力ピーク値を大きくするか、パルス照射時間を長くするか、パルスデューティを小さくする。なお図５の例では、出力ピーク値を大きくしており、図６の例では、パルス照射時間を長くしている。これにより、反射光強度を、第２の判定値Ｌ２以上に上げることができる。

図７は、出力ピーク値、パルス照射時間、またはパルスデューティが、予め設定した所定の値以上となった場合に、前加工を終了させる処理の例を説明する図である。レーザ光がワーク表面に一定量吸収されると、ワーク表面は変質し、レーザ光が更にワークに吸収されやすくなる。この場合、レーザ光の強度を上げても、反射高強度は不都合に大きくならないため、図７に示すように、段階的に出力ピーク値を大きくし、ワークへの入熱量を効率的に上昇させることができる。

出力ピーク値には、上限としての所定の値を予め設定しておくことができる。出力ピーク値を上限まで大きくしても反射光強度が第１の判定値Ｌ１以下（より好ましくは、第２の判定値Ｌ２以下）である場合は、ワーク表面は傷が付くなどの変質した状態であり、反射光が少なくなっていると判断できる。そこで、出力ピーク値が所定の値Ｐ０以上（３番目のステップ）となった場合、前加工指令を終了するように設定しておくことができる。なお、所定の値Ｐ０は適宜設定可能であるが、定格出力としてもよい。

図８及び図９は、図７の代替例を示す図である。図８は、ワークへの入熱を増やす例として、パルスオフ時間（パルス照射しない時間）ｔ１が一定であり、パルスオン時間（パルス照射時間）を段階的に長くした場合を示している。また図９は、ワークへの入熱を増やす他の例として、パルス周期ｔ２を一定とし、パルスデューティを段階的に長くした場合を示している。

図８に示すように、パルス照射時間には、上限値ｔ３を予め設定しておくことができる。パルス照射時間を上限値ｔ３まで長くしても反射光強度が第１の判定値Ｌ１以下（より好ましくは、第２の判定値Ｌ２以下）である場合は、ワーク表面は傷が付くなどの変質した状態であり、反射光が少なくなっていると判断できる。そこで、パルス照射時間が所定の上限値以上となった場合、前加工指令を終了するように設定しておくことができる。

図８に類似して、図９に示すように、パルスデューティには、上限値ｔ４を予め設定しておくことができる。パルスデューティを上限値ｔ４まで長くしても反射光強度が第１の判定値Ｌ１以下（より好ましくは、第２の判定値Ｌ２以下）である場合は、ワーク表面は傷が付くなどの変質した状態であり、反射光が少なくなっていると判断できる。そこで、パルスデューティが所定の上限値以上となった場合、前加工指令を終了するように設定しておくことができる。

図１０は、出力ピーク値が予め設定した所定の値以下となった場合、警報通知を行うか、運転を停止するか、またはレーザ出力指令以外の加工条件を変更して再度前加工指令を実行する処理を例示する図である。出力ピーク値には、下限値Ｐ３を予め設定しておくことができる。図１０（の３番目のステップ）に示すように、出力ピーク値を下限値Ｐ３より小さくしても反射光強度が第１の判定値Ｌ１を下回らない場合は、ワーク表面に傷が付いておらず、この状態で前加工指令を終了してしまうと、次のレーザ加工指令を実行した際、反射光強度が大きくなり、レーザ発振器に損傷を与える可能性がある。そこでこのような場合は、前加工指令部３２が、警報通知を行うか、運転を停止するか、またはレーザ出力指令以外の加工条件を変更して、再度前加工指令を実行することが好ましい。

図１１及び図１２は、図１０の代替例を示す図である。図１１は、パルスオフ時間ｔ５が一定でパルス照射時間を徐々に小さくしたときに、パルス照射時間が所定の下限値ｔ６を下回っても反射光強度が第１の判定値Ｌ１を下回わらない場合（５番目のステップ）を示し、図１２は、パルス周期ｔ７が一定でパルスデューティを徐々に小さくしたときにパルスデューティが所定の下限値ｔ８を下回っても反射光強度が第１の判定値Ｌ１を下回わらない場合（５番目のステップ）を示している。これらのような場合は、ワーク表面に傷が付いておらず、この状態で前加工指令を終了してしまうと、次のレーザ加工指令を実行した際、反射光強度が大きくなり、レーザ発振器に損傷を与える可能性がある。そこで、パルス照射時間またはパルスデューティが所定の下限値以下にならない場合、警報通知を行うか、運転を停止するか、またはレーザ出力指令以外の加工条件（例えば焦点位置の高さ）を変更して、再度前加工指令を実行することが好ましい。

図１３は、反射光強度が予め設定した第３の判定値以下になった時点で前加工指令を終了する処理を例示する図である。反射光強度には、第２の判定値Ｌ２よりも小さい第３の判定値Ｌ３を予め設定しておくことができる。上述のように、ワーク表面に傷が付いており、反射光が少ない状態になっている場合は、前加工指令を終了し、次のレーザ加工指令を実行することができる。そこで、反射光強度が十分少ない閾値を第３の判定値Ｌ３として設定し、反射光強度が第３の判定値Ｌ３以下になった時点で前加工指令を終了することにより、前加工指令時間を短縮することができる。

図１４及び図１５は、本実施形態との比較例として、従来技術に係るレーザ加工装置でのレーザ出力と反射高強度との関係を示すグラフである。図１４は、参照符号５０で示す本加工（ピアシング、切断、マーキング等）の実行中に反射高強度が所定の閾値Ｌ０（アラームレベル）に達した場合は、点線５２で示すようにレーザ出力を停止させる例を示す。この例では、レーザ発振の停止による加工不良や、レーザ加工装置の稼働率の低下が生じる。一方図１５は、参照符号５４で示す本加工（ピアシング、切断、マーキング等）の実行中に反射高強度が所定の閾値Ｌ０（アラームレベル）に達しても、アラームの設定を無効にしたり、一定時間にわたるアラームマスク時間ｔ９を設定したりした場合を示している。この場合は、レーザ発振器が過大な反射光によって損傷を受け、その寿命が低下する虞がある。

しかし本実施形態では、反射光強度をモニタし、記憶しながら、ワーク上の加工開始点に、反射光によるアラームが発生しない出力での前加工を行い、ワーク表面を変質させ、その後の反射光強度を低減することができるので、レーザ発振を停止することなく本加工（ピアシング、切断、マーキング、溶接）に移行することができる。

１０ レーザ加工装置
１２ ワーク
１４ レーザ発振器
１６ 光ファイバ
１８ 加工ヘッド
２０ 検出器
２２ コア
２４ クラッド
２６ 制御装置
２８ レーザ加工指令部
３０ 記憶部
３２ 前加工指令部
３４ 比較部
３６ 出力条件変更部
３８ 前加工終了部

Claims (8)

1. レーザ光を被加工物に照射することにより、該被加工物のレーザ加工を行うレーザ加工装置であって、
   レーザピアシング、レーザ切断、レーザマーキング及びレーザ溶接のうちの少なくとも１つを含むレーザ加工指令を出力するレーザ加工指令部と、
   前記被加工物からの反射光強度をモニタする検出器と、
   レーザ出力指令値、パルス照射時間及びパルス周期を含むレーザ出力条件、並びに前記検出器によりモニタされた反射光強度を記憶するメモリと、
   前記レーザ加工指令に先立ち、前記レーザ加工指令とは異なるレーザ出力条件を含む前加工指令を出力する前加工指令部と、
   前記メモリに記憶された反射光強度と、第１の判定値及び前記第１の判定値より低い第２の判定値とを比較する比較部と、
   前記比較部による比較結果に基づいて、前記前加工指令のレーザ出力条件を変更する出力条件変更部と、
   前記前加工指令に基づく前加工を、所定の条件に基づいて終了する前加工終了部と、
   を備える、レーザ加工装置。
2. 前記出力条件変更部は、モニタされた反射光強度が前記第２の判定値以下の場合は、出力ピーク値を大きくするか、パルス照射時間を長くするか、パルスデューティを増やす、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記出力条件変更部は、モニタされた反射光強度が前記第１の判定値以上の場合は、出力ピーク値を小さくするか、パルス照射時間を短くするか、パルスデューティを減らす、請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. 前記前加工終了部は、前記出力ピーク値、前記パルス照射時間、または前記パルスデューティが、予め設定した所定の値以上となった場合、前記前加工指令を終了する、請求項２に記載のレーザ加工装置。
5. 前記前加工指令部は、前記出力ピーク値、前記パルス照射時間、または前記パルスデューティが、予め設定した所定の値以下となった場合、警報通知を行うか、運転を停止するか、またはレーザ出力指令以外の加工条件を変更して再度前加工指令を実行する、請求項３に記載のレーザ加工装置。
6. 前記前加工終了部は、前記反射光強度が予め設定した第３の判定値以下になった時点で前記前加工指令を終了する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
7. 前記検出器を加工ヘッドに備えた、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
8. 前記検出器は、レーザ発振器内の少なくとも２箇所に配置されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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