JP7194588B2

JP7194588B2 - レーザ加工方法

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Publication number: JP7194588B2
Application number: JP2018247240A
Authority: JP
Inventors: 祐也溝口
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2022-12-22
Anticipated expiration: 2038-12-28
Also published as: JP2020104163A

Description

本発明は、レーザ加工方法に関する。

特許文献１に、保護フィルムが貼られたワークをレーザ光で切断するレーザ加工方法が記載されている。

特許第３４０５７９９号公報

特許文献１に記載されたレーザ加工方法は、保護フィルムが貼られたワークに対し、まず、エネルギ密度が小さいレーザ光を切断加工経路に沿って照射して保護フィルムをワークに焼き付ける。その後、ワークに対し、エネルギ密度が大きいレーザ光を再度切断加工経路に沿って照射し、ワークを切断する。
この方法は、レーザ加工ヘッドを切断加工経路に沿って２回移動させることから加工時間が長くなり、加工時間短縮の改善が望まれている。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、加工時間が短くて済むレーザ加工方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は次の手順を有する。
１）第１波長の第１レーザ光を反射し第１波長とは異なる第２波長の第２レーザ光を透過するベンドミラーを用い、
前記第１レーザ光を、前記ベンドミラーで反射させた後、集束レンズでワークの第１位置に集束するよう照射して前記ワークにレーザ加工を施し、
前記第１レーザ光によって前記ワークにレーザ加工を施すのと同時に、前記第２波長の第２レーザ光を、光偏向部によって所望の方向に二次元で偏向して前記ベンドミラーを透過させた後、前記第２レーザ光を、前記集束レンズで前記ワークの前記第１位置とは異なる第２位置に集束するよう照射する際に、
前記第１位置を前記ワークの加工経路に沿って移動させ、
前記第２レーザ光を、前記第１レーザ光よりも大きい幅、かつ一定時間の平均エネルギ密度が小さい光束として前記第２位置に集束させ、前記第２位置を前記第１位置よりも移動方向の前方として、前記第１位置を前記加工経路に沿って移動させるのと同時に前記第２位置を前記ワークの加工経路に沿って移動させる、ことを特徴とするレーザ加工方法である。
２）第１波長の第１レーザ光を反射し第１波長とは異なる第２波長の第２レーザ光を透過するベンドミラーを用い、
前記第１レーザ光を、前記ベンドミラーで反射させた後、集束レンズでワークの第１位置に集束するよう照射して前記ワークにレーザ加工を施し、
前記第１レーザ光によって前記ワークにレーザ加工を施すのと同時に、前記第２波長の第２レーザ光を、光偏向部によって所望の方向に二次元で偏向して前記ベンドミラーを透過させた後、前記第２レーザ光を、前記集束レンズで前記ワークの前記第１位置とは異なる第２位置に集束するよう照射する際に、
前記第１位置を前記ワークの加工経路に沿って移動させることで前記ワークを切断し、
前記第２レーザ光を、前記第１レーザ光による前記ワークの切断で形成されたカーフにおける少なくとも一方の縁部に集束させて、前記第１位置を前記加工経路に沿って移動させるのと同時に前記縁部に沿って移動させる、ことを特徴とするレーザ加工方法である。

本発明によれば、加工プログラムの作成時間及び加工時間が短い、という効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の実施例であるレーザ加工装置５１の構成図である。図２は、レーザ加工装置５１のブロック図である。図３は、レーザ加工装置５１のレーザ加工ヘッド３からワークＷに照射される第１レーザ射出光Ｌｓ１ａ及び第２レーザ射出光Ｌｓ２ａを示す平面図である。図４は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工方法を用いたワークＷの切断方法の例１を示す斜視図である。ワークＷの切断方法の例２を示す斜視図である。ワークＷの切断方法の例３を示す斜視図である。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を、その実施例であるレーザ加工装置５１により説明する。

（実施例）
図１及び図２は、それぞれレーザ加工装置５１の構成図及びブロック図である。
レーザ加工装置５１は、第１レーザ発振器１，第２レーザ発振器２，レーザ加工ヘッド３，ヘッド駆動装置４，及び制御装置６を含んで構成されている。
レーザ加工装置５１は、ワークＷに対し、レーザ加工ヘッド３の先端の射出口３ｂから第１レーザ射出光Ｌｓ１ａを照射して、切断及び孔明けなどの加工を行う。

第１レーザ発振器１は、第１波長として波長λ１の第１レーザ光Ｌｓ１を生成して第１ファイバケーブル１１を介しレーザ加工ヘッド３に供給する。
第２レーザ発振器２は、第２波長として波長λ２の第２レーザ光Ｌｓ２を生成して第２ファイバケーブル１２を介しレーザ加工ヘッド３に供給する。
波長λ１と波長λ２とは異なる波長であり、少なくとも１（ｎｍ）以上の差を有する値で設定される。具体的には、波長λ１は１０７０（ｎｍ）、波長λ２は１０８０（ｎｍ）である。
第１レーザ発振器１から供給された第１レーザ光Ｌｓ１は、ワークＷの切断加工に用いられる。
第２レーザ発振器２から供給された第２レーザ光Ｌｓ２は、第１レーザ光Ｌｓ１よりも小出力で、切断加工の前加工又は後加工に用いられる。
第１レーザ発振器１及び第２レーザ発振器２それぞれのＯＮ／ＯＦＦ動作及び出力は、制御装置６によって独立に制御される。

レーザ加工ヘッド３は、筒状の筐体３ａを有する。筐体３ａの内部には、第１コリメーションレンズ３１，ベンドミラー３２，集束レンズ３３，第２コリメーションレンズ３４，及び光偏向部であるガルバノスキャナ部７が収容されている。

第１コリメーションレンズ３１は、第１コリメーションレンズ駆動部３１ａの動作によって光軸方向に移動可能である。
第２コリメーションレンズ３４は、第２コリメーションレンズ駆動部３４ａの動作によって光軸方向に移動可能である。
集束レンズ３３は、集束レンズ駆動部３３ａの動作によって光軸方向に移動可能である。
第１コリメーションレンズ駆動部３１ａ，第２コリメーションレンズ駆動部３４ａ，及び集束レンズ駆動部３３ａの動作は、制御装置６によってそれぞれ独立に制御される。

ガルバノスキャナ部７は、第１ミラー７１及び第２ミラー７２を有する。
ガルバノスキャナ部７は、第１ミラー７１に入射した光を、第１ミラー７１，第２ミラー７２の順に反射してベンドミラー３２に向け出力する。
第１ミラー７１は、第１ミラー駆動部７１ａの動作によって第１の方向に揺動し、第２ミラー７２は、第２ミラー駆動部７２ａの動作によって第１の方向と直交する第２の方向に揺動するようになっている。
第１ミラー駆動部７１ａ及び第２ミラー駆動部７２ａの動作は、制御装置６によってそれぞれ独立に制御される。

これにより、ガルバノスキャナ部７は、第１ミラー駆動部７１ａ及び第２ミラー駆動部７２ａの独立した動作によって、ベンドミラー３２に向かう出力光を二次元で偏向し、その出力方向を第１ミラー７１及び第２ミラー７２の動作範囲内の任意の方向にすることができる。

ベンドミラー３２は、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過させるダイクロイックミラーである。ベンドミラー３２における特定の波長は、波長λ１である。
従って、ベンドミラー３２は、波長λ１の第１レーザ光Ｌｓ１を反射し、波長λ２の第２レーザ光Ｌｓ２を透過させる。

ワークＷは、不図示のワークテーブル上に水平に載置される。ヘッド駆動装置４は、制御装置６の制御により、レーザ加工ヘッド３を、ワークテーブル上に載置されたワークＷに沿う水平方向とワークＷに対し離接する鉛直方向との直交２方向に独立に、又は２方向同時に移動可能である。

上述の構成により、レーザ加工ヘッド３に供給された第１レーザ光Ｌｓ１及び第２レーザ光Ｌｓ２は、次の光学的処理を施されて、それぞれ第１レーザ射出光Ｌｓ１ａ及び第２レーザ射出光Ｌｓ２ａとして射出口３ｂから射出する。
ここでは、説明の便宜上、集束レンズ３３によって集束する光束とされた第１レーザ光Ｌｓ１及び第２レーザ光Ｌｓ２を、それぞれ第１レーザ射出光Ｌｓ１ａ及び第２レーザ射出光Ｌｓ２ａとして呼称上、区別する。

第１レーザ発振器１で生成され、第１ファイバケーブル１１を介しカプラ１１ａからレーザ加工ヘッド３内に発散光として供給された第１レーザ光Ｌｓ１は、第１コリメーションレンズ３１によって平行光とされる。
平行光とされた第１レーザ光Ｌｓ１の波長は、波長λ１であることからベンドミラー３２で反射し、集束レンズ３３に入射する。
集束レンズ３３に入射した第１レーザ光Ｌｓ１は、集束レンズ３３の光軸方向の位置に対応した所望の位置で焦点を結ぶ第１レーザ射出光Ｌｓ１ａとされて射出口３ｂから外部に射出する。
第１レーザ射出光Ｌｓ１ａが焦点を結ぶ位置は、集束レンズ駆動部３３ａの動作による集束レンズ３３の光軸方向位置で調整され、例えばワークＷの切断部位の表面とされる。

また、第１コリメーションレンズ駆動部３１ａの動作によって第１コリメーションレンズ３１を光軸方向に移動させることで、第１コリメーションレンズ３１を通過した後の光束を非平行にすることもできる。これにより、集束レンズ３３の位置を変えずに、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａの光束径を変えることができ、ワークＷにおける第１レーザ射出光Ｌｓ１ａの照射範囲の平均エネルギ密度を調整できる。

第２レーザ発振器２で生成され、第２ファイバケーブルを介してカプラ１２ａからレーザ加工ヘッド３に発散光として供給された第２レーザ光Ｌｓ２は、第２コリメーションレンズ３４によって、原則平行光とされ、ガルバノスキャナ部７へ入射する。
ガルバノスキャナ部７において、第２レーザ光Ｌｓ２は、第１ミラー駆動部７１ａにより所定角度にて保持された第１ミラー７１で反射し、次いで、第２ミラー駆動部７２ａによって所定角度にて保持された第２ミラー７２で反射する。第２ミラー７２で反射した第２レーザ光Ｌｓ２は、第１ミラー７１及び第２ミラー７２それぞれの角度に応じた所定方向に延びる光軸ＣＬ２を有する光束とされて、ベンドミラー３２に対し、集束レンズ３３とは反対側から入射する。

すなわち、図１に示されるように、ガルバノスキャナ部７の動作により、第２レーザ射出光Ｌｓ２ａの光軸ＣＬ２は、例えば、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａの光軸ＣＬ１に対して非平行とされる。さらに、第２レーザ射出光Ｌｓ２ａのワークＷにおける照射位置が、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａの照射位置である第１位置Ｐ１とは異なる第２位置Ｐ２に調整される。
第２位置Ｐ２は、ガルバノスキャナ部７の動作で偏向可能な照射範囲内の任意の位置として設定される。その照射範囲は、第２レーザ光Ｌｓ２が、第１コリメーションレンズ３１及び第２コリメーションレンズ３４の揺動動作による偏向で照射され得る範囲である。

このように、制御装置６の制御によるガルバノスキャナ部７の動作により、ワークＷに照射される第２レーザ射出光Ｌｓ２ａの位置を、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａの照射位置に対し、ガルバノスキャナ部７の動作可能範囲に対応した所定範囲内の任意の位置に設定できる。
図３は、ワークＷにおいて、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａが照射された部分を含むその近傍範囲の平面図である。
図３に示された例では、ワークＷにおいて、第２レーザ射出光Ｌｓ２ａの光軸ＣＬ２の位置を、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａの光軸ＣＬ１の位置を中心とする半径Ｒａの円の中に、任意に設定することができる。
換言するならば、レーザ加工ヘッド３は、第２レーザ射出光Ｌｓ２ａを、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａの光軸ＣＬ１に直交する仮想平面上における所定範囲内の任意の位置に集束可能である。

図３に示されるように、集束レンズ３３を通過した第２レーザ射出光Ｌｓ２ａの光束径は、第２コリメーションレンズ駆動部３４ａを動作させ第２コリメーションレンズ３４を光軸方向に移動させることで（Ａ）の径とそれよりも大きい（Ｂ）の径との間で自由に調整できる。
また、同様に、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａの光束径も、第１コリメーションレンズ駆動部３１ａを動作させ第１コリメーションレンズ３１を光軸方向に移動させることで、調整可能である。
第１レーザ射出光Ｌｓ１ａの光束径と、第２レーザ射出光Ｌｓ２ａの光束径を調整することで、それぞれのレーザ光の光束がワークＷに与える平均エネルギ密度の大きさを調整することができる。

図４は、上述のレーザ加工装置５１を用いて、保護フィルム付きのワークＷを切断する方法の例を示す斜視図である。
ワークＷは、金属の基材Ｗａの表面に保護フィルムＷｓが貼付されたものである。

制御装置６は、ワークＷに対し、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａを照射し、切断方向を示す矢印ＤＲａの方向に移動させることでワークＷを切断する。
その際、制御装置６は、第２レーザ射出光Ｌｓ２ａを、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａの切断方向の前方に位置させると共に、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａよりも小出力かつ大きい光束でワークＷに対し照射する。制御装置６は、第２レーザ射出光Ｌｓ２ａのワークＷへの照射を、単に出力及び光束の大小で制御するのみならず、連続照射及びパルス照射のいずれかの選択も含め、一定時間の平均エネルギ密度の大小を調整することでも制御する。

これにより、ワークＷの切断加工経路上にある部位は、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａが到達するよりも前に、一定時間の平均エネルギ密度が小さい第２レーザ射出光Ｌｓ２ａが照射され保護フィルムＷｓが溶解する。保護フィルムＷｓが溶解した範囲をフィルム除去領域ＡＲａとする。フィルム除去領域ＡＲａは、図４において点描により示されている。
第１レーザ射出光Ｌｓ１ａは、先行する第２レーザ射出光Ｌｓ２ａによって形成されたフィルム除去領域ＡＲａに対して照射され、ワークＷの基材Ｗａを切断する。
そのため、レーザ加工装置５１は、レーザ加工ヘッド３を切断加工経路上に１回移動させるだけでワークＷを切断すすることが可能である。よって、レーザ加工装置５１によれば、加工プログラムが簡便で、加工プログラムの作成時間及びワークＷの切断加工時間が短くて済む。
第１レーザ射出光Ｌｓ１ａの光束の横断面形状は、円形に限らない。例えば、楕円形状であってもよい。光束が円形ではない場合は、少なくとも、加工に伴う第１レーザ射出光Ｌｓ１ａの光束の、加工に伴う移動方向に直交する方向の幅を大きくすればよい。

本発明の実施例は、上述した構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよい。

図５は、レーザ加工装置５１を用いて、保護フィルムが貼付されていないワークＷ２を切断する方法の例を説明するための斜視図である。
制御装置６は、ガルバノスキャナ部７を動作させ、第２レーザ射出光Ｌｓ２ａの照射位置を、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａの進行方向ＤＲｂに対する後方の、切断したカーフＷ２ａの一方の縁部Ｗ２ｂ１に設定する。

縁部Ｗ２ｂ１は、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａによる切断加工によって、カーフＷ２ａに対して鋭いエッジになる場合があり、取り扱いに注意を要する。
制御装置６は、第２レーザ発振器２の出力及び第２レーザ射出光Ｌｓ２ａの光束径の少なくとも一方を調整して、縁部Ｗ２ｂ１に照射された第２レーザ射出光Ｌｓ２ａの一定時間の平均エネルギ密度を、縁部Ｗ２ｂ１が適度に溶融し、冷却硬化後に滑らかに面取りされた角部Ｗ２ｂ２が形成されるように設定する。

これにより、ワークＷ２の切断後の図５における奥側が製品で手前側が端材となる場合に、レーザ加工ヘッド３を切断加工経路上に一回移動させるのみで、製品の切断角部を滑らかに仕上げることができる。そのため、加工プログラムが簡便で、その作成時間及び切断加工時間が短くて済む。

図６は、ワークＷ３を切断直後の一対の縁部Ｗ３ｂ１の両方を、第２レーザ射出光Ｌｓ２ａの照射によって滑らかに仕上げる加工方法の例を示す斜視図である。
制御装置６は、ガルバノスキャナ部７を動作させて第２レーザ射出光Ｌｓ２ａの照射位置を、第１レーザ射出光Ｌｓ１ａの切断方向ＤＲｃの後方の切断加工経路上に設定する。
また、制御装置６は、第２レーザ射出光Ｌｓ２ａの照射光束を、第２コリメーションレンズ駆動部３４ａを動作させて第１レーザ射出光Ｌｓ１ａによる切断で生じた一対の縁部Ｗ３ｂ１，Ｗ３ｂ１の両方に跨る大きさに設定する。
また、一対の縁部Ｗ３ｂ１，Ｗ３ｂ１に跨る大きさにした光束でも、縁部Ｗ３ｂ１，Ｗ３ｂ１を溶融して硬化後に滑らかな縁部Ｗ３ｂ，Ｗ３ｂが形成されるように、第２レーザ発振器２の出力を大きくするよう調整する。

これにより、ワークＷ３の切断で分離した二つの部材の両方が製品となる場合に、レーザ加工ヘッド３を切断加工経路上に一回移動させるのみで、両方の製品の切断角部を滑らかに仕上げることができる。そのため、加工プログラムが簡便で、その作成時間及び切断加工時間が短くて済む。

第１レーザ発振器１及び第２レーザ発振器２の種類は、ファイバレーザに限定されるものではない。炭酸ガスレーザ，ディスクレーザ，ＹＡＧレーザ，ダイオードレーザ，エキシマレーザなどであってもよい。
制御装置６は、レーザ加工装置５１に構造として一体的に備えていなくてもよい。制御装置６を、第１レーザ発振器１，第２レーザ発振器２，及びレーザ加工ヘッド３に対して別体とし、これらと無線又は有線で通信可能なように配置してもよい。

第２レーザ射出光Ｌｓ２ａの照射位置を移動して設定する機構としてガルバノスキャナを説明したが、ガルバノスキャナによらず、光学系を回転させるウイービングレンズ構造など、他の周知の構造を用いてもよい。

レーザ加工装置５１は、第１レーザ光Ｌｓ１のみを射出できる構成を基本モデルとし、第２レーザ光Ｌｓ２の射出機能はオプションにして使用者の選択によって備えるように構成してもよい。
この場合、第２レーザ光Ｌｓ２の射出機能は、使用者の希望に応じ、製造メーカからの納入当初から、或いは納入後のいわゆる後付けとして利用可能とされてもより。
そのため、レーザ加工ヘッド３は、ガルバノスキャナ部７と、第２コリメーションレンズ３４及び第２コリメーションレンズ駆動部３４ａとを含む第２レーザ光ユニットとして筐体３ａに対し着脱可能に構成しておくとよい。

１第１レーザ発振器
１１第１ファイバケーブル
１１ａカプラ
１２第２ファイバケーブル
１２ａカプラ
２第２レーザ発振器
３レーザ加工ヘッド
３ａ筐体
３ｂ射出口
３１第１コリメーションレンズ
３１ａ第１コリメーションレンズ駆動部
３２ベンドミラー
３３集束レンズ
３３ａ集束レンズ駆動部
３４第２コリメーションレンズ
３４ａ第２コリメーションレンズ駆動部
４ヘッド駆動装置
５１レーザ加工装置
６制御装置
７ガルバノスキャナ部
７１第１ミラー
７１ａ第１ミラー駆動部
７２第２ミラー
７２ａ第２ミラー駆動部
５１レーザ加工装置
ＣＬ１，ＣＬ２光軸
Ｌｓ１第１レーザ光
Ｌｓ１ａ第１レーザ射出光
Ｌｓ２第２レーザ光
Ｌｓ２ａ第２レーザ射出光
Ｐ１，Ｐ２位置
Ｒａ半径
Ｗワーク
Ｗａ基材
Ｗｓ保護フィルム
λ１，λ２波長

Claims

第１波長の第１レーザ光を反射し第１波長とは異なる第２波長の第２レーザ光を透過するベンドミラーを用い、
前記第１レーザ光を、前記ベンドミラーで反射させた後、集束レンズでワークの第１位置に集束するよう照射して前記ワークにレーザ加工を施し、
前記第１レーザ光によって前記ワークにレーザ加工を施すのと同時に、前記第２波長の第２レーザ光を、光偏向部によって所望の方向に二次元で偏向して前記ベンドミラーを透過させた後、前記第２レーザ光を、前記集束レンズで前記ワークの前記第１位置とは異なる第２位置に集束するよう照射する際に、
前記第１位置を前記ワークの加工経路に沿って移動させ、
前記第２レーザ光を、前記第１レーザ光よりも大きい幅、かつ一定時間の平均エネルギ密度が小さい光束として前記第２位置に集束させ、前記第２位置を前記第１位置よりも移動方向の前方として、前記第１位置を前記加工経路に沿って移動させるのと同時に前記第２位置を前記ワークの加工経路に沿って移動させる、ことを特徴とするレーザ加工方法。
第１波長の第１レーザ光を反射し第１波長とは異なる第２波長の第２レーザ光を透過するベンドミラーを用い、
前記第１レーザ光を、前記ベンドミラーで反射させた後、集束レンズでワークの第１位置に集束するよう照射して前記ワークにレーザ加工を施し、
前記第１レーザ光によって前記ワークにレーザ加工を施すのと同時に、前記第２波長の第２レーザ光を、光偏向部によって所望の方向に二次元で偏向して前記ベンドミラーを透過させた後、前記第２レーザ光を、前記集束レンズで前記ワークの前記第１位置とは異なる第２位置に集束するよう照射する際に、
前記第１位置を前記ワークの加工経路に沿って移動させることで前記ワークを切断し、
前記第２レーザ光を、前記第１レーザ光による前記ワークの切断で形成されたカーフにおける少なくとも一方の縁部に集束させて、前記第１位置を前記加工経路に沿って移動させるのと同時に前記縁部に沿って移動させる、ことを特徴とするレーザ加工方法。