激光加工裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能夠擴大聚光直徑的激光加工裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]使用激光來對工件進行加工的激光加工裝置一般具備聚光光學(xué)部，該聚光光學(xué)部使從激光光源入射到加工頭的激光會聚后從加工頭射出。聚光光學(xué)部具有所需個數(shù)的光學(xué)透鏡，對入射的激光賦予規(guī)定的會聚角度(在本申請中也稱為聚光角)。被賦予了聚光角的激光在與聚光光學(xué)部的主點相距規(guī)定距離的位置處形成相當于成像點的聚光點。在本申請中將聚光點處的光束直徑稱為聚光直徑。在進行激光加工時，使聚光點與工件上的加工部位一致，或者有意地使聚光點沿光軸方向偏離于加工部位，來實施加工。聚光角對激光在加工部位處的焦點深度產(chǎn)生影響，聚光直徑對激光在加工部位處的能量密度產(chǎn)生影響。因而，能夠根據(jù)焊接、切斷、刻印(marking)等激光加工的種類、工件的材質(zhì)、厚度等來決定聚光角和聚光直徑各自的最佳尺寸。
[0003]用于激光加工的激光的質(zhì)量依賴于激光的聚光性能(M2)，能夠以聚光角與聚光直徑之積來表示。聚光角與聚光直徑之積是根據(jù)激光的種類(介質(zhì)等)而決定的固定值，可以說該積越小則激光的質(zhì)量越高。在激光加工裝置中，在入射到加工頭的激光具有最小光束直徑和擴散角度(在本申請中也稱為擴散角)的情況下，聚光光學(xué)部一般被設(shè)計成所射出的激光的聚光角與聚光直徑之積等于入射的激光的擴散角與最小光束直徑之積(也就是說聚光光學(xué)部不對激光的質(zhì)量、聚光性能產(chǎn)生影響)。在此，聚光直徑由入射激光的最小光束直徑和聚光光學(xué)部的成像倍率來決定，聚光角由入射激光的擴散角和聚光光學(xué)部的成像倍率來決定。因而，例如在想要與加工種類、工件種類的變更對應(yīng)地調(diào)整聚光直徑的情況下，若改變聚光光學(xué)部的成像倍率，則隨之聚光角也發(fā)生變化，難以僅調(diào)整聚光直徑。
[0004]在激光加工裝置中，已知一種具有能夠調(diào)整通過聚光光學(xué)部對激光賦予的聚光角、聚光直徑的結(jié)構(gòu)的裝置。例如日本特開2012-024782號公報(JP2012-024782A)公開如下一種激光加工裝置:使從激光振蕩器經(jīng)傳輸光纖(feeding fiber)傳輸?shù)募す馔ㄟ^從芯徑不同的多個操作光纖(process fiber)中選擇出的一個操作光纖或者不通過操作光纖地入射到激光加工單元(聚光光學(xué)部)。并記載了:在該激光加工裝置中，能夠根據(jù)需要來變更位于緊鄰激光加工單元的前方的光纖的芯徑(即入射到激光加工單元的激光的最小光束直徑)，由此，能夠根據(jù)工件的厚度等來調(diào)整由激光加工單元會聚的激光的聚光直徑，而不改變激光加工單元的成像倍率。
[0005]日本特開2009-056481號公報(JP2009-056481A)公開如下結(jié)構(gòu):在通過光纖將從激光振蕩器射出的激光傳輸?shù)焦鈱W(xué)頭(聚光光學(xué)部)來對工件進行照射的激光加工裝置中，在緊鄰光纖的入射側(cè)的前方設(shè)置有將來自激光振蕩器的激光的擴散角調(diào)整為光纖的容許數(shù)值孔徑以下的調(diào)整單元。并記載了:在該激光加工裝置中，在光纖的入射側(cè)調(diào)整激光的擴散角(即入射到光纖的激光的會聚角度)，從而能夠排除從光纖射出的激光的擴散角的偏差(即被光學(xué)頭會聚的激光的聚光角、聚光直徑的偏差)，由此能夠得到固定的加工結(jié)果Ο
[0006]在激光加工裝置中，已知如下一種裝置:以與聚光角、聚光直徑的調(diào)整不同的目的，該裝置具備調(diào)整向聚光光學(xué)部入射的激光的光束直徑、光束形狀的單元。例如日本特開2008-168333號公報(JP2008-168333A)公開了如下一種激光式焊接裝置:將從激光振蕩器入射到加工頭的圓形激光光束通過包括凹形錐透鏡(cone lens)和凸形錐透鏡的組合的光束變換部變換為環(huán)狀激光光束，之后通過投射透鏡進行聚光來環(huán)狀地投射到工件的加工點。另外，日本特開2009-178725號公報(JP2009-178725A)公開了如下一種激光加工裝置:通過包括一對軸棱錐透鏡(axicon lens)的組合的激光成形單元使來自激光光源的激光形成為圓環(huán)狀，通過會聚透鏡使該圓環(huán)狀的激光會聚于1點來進行加工，由此抑制會聚透鏡的球面像差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在具備聚光光學(xué)部的激光加工裝置中，期望的是，利用與改變聚光光學(xué)部的成像倍率的方法不同的方法，使得能夠?qū)ぜ丈渚哂信c激光加工的種類、工件的材質(zhì)、厚度等相應(yīng)的最佳的聚光直徑的激光。
[0008]本發(fā)明的一個方式是一種激光加工裝置，該激光加工裝置具備:加工頭，其向工件照射激光；聚光光學(xué)部，其設(shè)置于加工頭，使從激光光源入射到加工頭的具有擴散角的激光會聚并作為具有聚光角的激光從加工頭射出；以及設(shè)置于加工頭的透過光學(xué)構(gòu)件，其配置于從激光的行進方向看時的聚光光學(xué)部的上游側(cè)來使激光在透過前后擴散角維持固定地透過，或者配置于從激光的行進方向看時的聚光光學(xué)部的下游側(cè)來使激光在透過前后聚光角維持固定地透過，其中，透過光學(xué)構(gòu)件具備使激光的聚光直徑擴大的聚光直徑擴大部分，聚光直徑擴大部分使透過了聚光直徑擴大部分的激光的聚光直徑比不透過聚光直徑擴大部分而被聚光光學(xué)部會聚時的激光的聚光直徑大。
[0009]根據(jù)一個方式所涉及的激光加工裝置，取代使聚光光學(xué)部的成像倍率增加的結(jié)構(gòu)，而采用使激光透過透過光學(xué)構(gòu)件所具有的聚光直徑擴大部分的結(jié)構(gòu)，由此能夠擴大聚光直徑而實質(zhì)上不改變從聚光光學(xué)部的主點到聚光點的距離以及激光的聚光角。因而，不會對激光加工裝置的整體尺寸產(chǎn)生影響，能夠?qū)ぜ丈渚哂信c激光加工的種類、工件的材質(zhì)、厚度等相應(yīng)的最佳的聚光直徑的激光。透過光學(xué)構(gòu)件使激光在透過前后擴散角或聚光角維持固定地透過，因此能夠抑制透過光學(xué)構(gòu)件對聚光時的幾何像差產(chǎn)生影響。而且，透過光學(xué)構(gòu)件配置于從激光的行進方向看時的聚光光學(xué)部的上游側(cè)或下游側(cè)，因此能夠防止幾何像差因?qū)σ话闶菫榱私档蛶缀蜗癫钏O(shè)計的聚光光學(xué)部配置透過光學(xué)構(gòu)件而惡化。
【附圖說明】
[0010]本發(fā)明的目的、特征以及優(yōu)點通過與附圖相關(guān)聯(lián)的以下實施方式的說明會變得更明確。在該附圖中，
[0011]圖1是概要性地表示包括激光加工裝置的激光加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的一例的立體圖，
[0012]圖2是概要性地表示一個實施方式的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)的截面圖，
[0013]圖3A是一個實施方式的激光加工裝置所具備的透過光學(xué)構(gòu)件的立體圖，
[0014]圖3B是圖3A的透過光學(xué)構(gòu)件的截面圖，
[0015]圖4A是說明圖3A的透過光學(xué)構(gòu)件的激光透過作用的概念圖，是表示使透過光學(xué)構(gòu)件朝向一個方向的情況的圖，
[0016]圖4B是表示使圖4A的透過光學(xué)構(gòu)件朝向反方向的情況的圖，
[0017]圖5A是說明不具備透過光學(xué)構(gòu)件的激光加工裝置中的激光聚光作用的部件配置圖，
[0018]圖5B是表示圖5A的激光加工裝置中的一部分光線的路徑的圖，
[0019]圖5C是提取圖5B所示的光線路徑的任意部分得到的圖，
[0020]圖?是表示聚光點處的光線路徑的放大圖，
[0021]圖6A是說明具備圖3A的透過光學(xué)構(gòu)件的激光加工裝置中的激光聚光作用的部件配置圖，
[0022]圖6B是表示圖6A的激光加工裝置中的一部分光線的路徑的圖，
[0023]圖6C是提取圖6B所示的光線路徑的任意部分得到的圖，
[0024]圖6D是表示聚光點處的光線路徑的放大圖，
[0025]圖7A是說明具備不同形狀的透過光學(xué)構(gòu)件的激光加工裝置中的激光聚光作用的部件配置圖，
[0026]圖7B是表示圖7A的激光加工裝置中的一部分光線的路徑的圖，
[0027]圖7C是提取圖7B所示的光線路徑的任意部分得到的圖，
[0028]圖7D是表示聚光點處的光線路徑的放大圖，
[0029]圖8是概要性地表示變形例的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)的截面圖，
[0030]圖9是概要性地表示其它變形例的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)的截面圖，
[0031]圖10A是其它實施方式的激光加工裝置所具備的透過光學(xué)構(gòu)件的立體圖，
[0032]圖10B是圖10A的透過光學(xué)構(gòu)件的截面圖，
[0033]圖11A是說明圖10A的透過光學(xué)構(gòu)件的激光透過作用的概念圖，是表示使透過光學(xué)構(gòu)件朝向一個方向的情況的圖，
[0034]圖11B是表示使其它形狀的透過光學(xué)構(gòu)件朝向一個方向的情況的圖，
[0035]圖11C是表示使圖11B的透過光學(xué)構(gòu)件朝向反方向的情況的圖，
[0036]圖11D是表示使光線透過透過光學(xué)構(gòu)件的中心部分的情況的圖，
[0037]圖12A是說明具備圖10A的透過光學(xué)構(gòu)件的激光加工裝置中的激光聚光作用的圖，是表示幾個光線的代表性的路徑的圖，
[0038]圖12B是圖12A的激光加工裝置中的一個光線路徑的放大圖，
[0039]圖12C是圖12A的激光加工裝置中的另一個光線路徑的放大圖，
[0040]圖13A是說明將圖10A的透過光學(xué)構(gòu)件配置在期望位置的激光加工裝置中的激光聚光作用的部件配置圖，
[0041]圖13B是提取圖13A的激光加工裝置中的光線路徑的任意部分來表示的圖，
[0042]圖13C是表示聚光點處的光線路徑的放大圖，
[0043]圖14A是說明將圖10A的透過光學(xué)構(gòu)件配置在其它期望位置的激光加工裝置中的激光聚光作用的部件配置圖，
[0044]圖14B是提取圖14A的激光加工裝置中的光線路徑的任意部分來表示的圖，
[0045]圖14C是表示聚光點處的光線路徑的圖，
[0046]圖15A是說明將圖10A的透過光學(xué)構(gòu)件配置在另一期望位置的激光加工裝置中的激光聚光作用的部件配置圖，
[0047]圖15B是提取圖15A的激光加工裝置中的光線路徑的任意部分來表示的圖，
[0048]圖15C是表示聚光點處的光線路徑的圖，
[0049]圖16A是透過光學(xué)構(gòu)件的變形例的立體圖，
[0050]圖16B是圖16A的透過光學(xué)構(gòu)件的截面圖，
[0051]圖17A是說明另一實施方式的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)的圖，是透過光學(xué)構(gòu)件的截面圖，
[0052]圖17B是圖17A的激光加工裝置的部件配置圖，
[0053]圖17C是表示聚光點處的光線路徑的圖，
[0054]圖18A是說明另一實施方式的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)的圖，是透過光學(xué)構(gòu)件的截面圖，
[0055]圖18B是圖18A的激光加工裝置中的其它透過光學(xué)構(gòu)件的截面圖，
[0056]圖18C是圖18A的激光加工裝置的部件配置圖，
[0057]圖19A是說明另一實施方式的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)的部件配置圖，
[0058]圖19B是表示圖19A的激光加工裝置中的一部分光線的路徑的圖，
[0059]圖19C是提取圖19B所示的光線路徑的任意部分得到的圖，
[0060]圖19D是表示聚光點處的光線路徑的放大圖，
[0061]圖20A是說明圖19A的激光加工裝置的變形例的結(jié)構(gòu)的部件配置圖，
[0062]圖20B是表示圖20A的激光加工裝置中的一部分光線的路徑的圖，
[0063]圖20C是提取圖20B所示的光線路徑的任意部分得到的圖，
[0064]圖20D是表示聚光點處的光線路徑的放大圖，
[0065]圖21是表示另一實施方式的激光加工裝置的圖，
[0066]圖22A是說明另一實施方式的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)的圖，是透過光學(xué)構(gòu)件的截面圖，
[0067]圖22B是圖22A的激光加工裝置的部件配置圖，
[0068]圖22C是表示聚光點處的光線路徑的圖，
[0069]圖23A是表示另一實施方式的激光加工裝置的圖，以及
[0070]圖23B是圖23A的激光加工裝置所具備的透過光學(xué)構(gòu)件的截面圖。
【具體實施方式】
[0071]下面，參照附圖來說明本發(fā)明的實施方式。
[0072]圖1概要性地表示包括本發(fā)明的一個實施方式的激光加工裝置10的激光加工系統(tǒng)12的結(jié)構(gòu)的一例。激光加工系統(tǒng)12具備激光加工裝置10、激光光源14以及控制裝置16，該控制裝置16對激光加工裝置10和激光光源14的動作進行控制。激光加工裝置10具備:加工頭18 ;傳輸單元20，其將激光從激光光源14傳輸并供給到加工頭18 ;以及驅(qū)動機構(gòu)22，其使加工頭18與工件W相對移動。
[0073]激光光源14例如具備光纖激光方式的振蕩器(未圖不)，由振蕩器振蕩出的激光經(jīng)由傳輸單元20被導(dǎo)入到加工頭18。傳輸單元20具備與激光光源14連接的第一光纖24、與加工頭18連接的第二光纖26、以及將第一光纖24與第二光纖26彼此光耦合的光纖耦合器(fiber coupler) 28。例如，使用光纖耦合器28將附設(shè)于激光光源14的具有規(guī)定的芯徑的第一光纖24與具有不同的期望芯徑的第二光纖26光耦合，由此能夠使以第二光纖26的芯徑為最小光束直徑的激光從第二光纖26的射出端射出到加工頭18。此外，不限于圖示結(jié)構(gòu)，激光光源14能夠具備C02激光器等各種振蕩器，傳輸單元20能夠具有使用導(dǎo)光管、反射鏡等的各種結(jié)構(gòu)。
[0074]加工頭18具備使從傳輸單元20入射的激光會聚的聚光光學(xué)部(未圖示)，加工頭18從設(shè)置于頭前端的加工噴嘴30對工件W的表面的狹小區(qū)域照射激光來實施激光加工。在激光加工中，對工件W的加工點及其周邊吹送以氧氣、氮氣、空氣、氬氣等為成分的輔助氣體(assist gas)。輔助氣體是從外部的氣體供給源(未圖示)供給到加工頭18的。還對加工頭18供給用于將輔助氣體吹送到工件W的壓縮空氣。
[0075]驅(qū)動機構(gòu)22能夠使加工頭18與工件W在沿著工件表面的方向上相對移動。另外，驅(qū)動機構(gòu)22能夠使加工頭18與工件W選擇性地向相互靠近的方向或相互之間遠離的方向移動。例如，在驅(qū)動機構(gòu)22中，三個控制軸(X軸、Y軸、Z軸)按照正交三軸坐標系下的指令值分別進行動作，由此驅(qū)動機構(gòu)22能夠使加工頭18與工件W三維地相對移動。在該情況下，驅(qū)動機構(gòu)22能夠針對各控制軸具備伺服電動機和動力傳遞機構(gòu)。各個控制軸能夠設(shè)定于加工頭18和工件W中的任一方或雙方。例如能夠采用以下結(jié)構(gòu):利用X軸、Y軸以及Z軸驅(qū)動加工頭18，使加工頭18相對于固定有工件W的工件臺(未圖示)在水平方向和鉛垂方向上移動；或者利用Z軸驅(qū)動加工頭18，另一方面，沿X軸和Y軸驅(qū)動工件臺。
[0076]控制裝置16例如具有數(shù)值控制裝置的結(jié)構(gòu)?？刂蒲b置16能夠?qū)λ峁┑募す饧庸こ绦蜻M行分析，并向包括激光加工裝置10、激光光源14在內(nèi)的控制對象輸出操作指令，能夠使驅(qū)動機構(gòu)22移動加工頭18、工件W，能夠使激光光源14振蕩、射出激光，能夠使氣體供給源對加工頭18供給輔助氣體。
[0077]圖2概要性地表示本發(fā)明的一個實施方式的激光加工裝置10的主要部分的結(jié)構(gòu)。激光加工裝置10具備:加工頭18，其向工件W照射激光L ;以及聚光光學(xué)部32，其設(shè)置于加工頭18，使從激光光源14(圖1)入射到加工頭18的具有擴散角α的激光L會聚并作為具有聚光角β的激光L從加工頭18射出。加工頭18具備中空筒狀的殼體34，在殼體34的后端(圖中上端)固定有光纖26的射出端26a。光纖26至少在射出端26a處與聚光光學(xué)部32的光軸32a同軸配置，將以射出端26a的芯徑為最小光束直徑的具有擴散角α的激光L從射出端26a朝向聚光光學(xué)部32射出到殼體34的內(nèi)部。因而，穿過激光L的光束中心的軸線與光軸32a—致。此外，擴散角α是根據(jù)入射到光纖26的入射端(未圖示)的激光的聚光角以及光纖26自身的特性而被實質(zhì)性地確定的。
[0078]聚光光學(xué)部32具有所需個數(shù)的光學(xué)透鏡36。例如將各種球面透鏡組合多個來作為光學(xué)透鏡36，由此能夠盡可能地降低球面像差等幾何像差。通過實施盡可能地降低幾何像差等的對策，聚光光學(xué)部32被設(shè)計成入射到聚光光學(xué)部32的激光L的擴散角α與最小光束直徑之積跟從聚光光學(xué)部32射出的激光L的聚光角β與聚光直徑之積彼此相同(也就是說聚光光學(xué)部32不對激光L的質(zhì)量、聚光性能產(chǎn)生影響)。
[0079]在此，說明聚光光學(xué)部32的聚光作用的一例。將光纖26的芯徑(直徑)設(shè)為50 μπι，將激光L的擴散角α設(shè)為半角為0.lrad。將聚光光學(xué)部32視作一塊虛擬的透鏡，將從光纖26的射出端26a的芯端面到聚光光學(xué)部(虛擬透鏡)32的主點的距離設(shè)為100mm，將聚光光學(xué)部32的焦距設(shè)為50mm。設(shè)在光纖26的射出端26a與聚光光學(xué)部32之間不存在其它光學(xué)要素。在該條件下，從聚光光學(xué)部32的主點到激