JPH01245992A - 多波長レーザー加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、２種以上の波長のレーザー加工装置を合成
して被加工物に照射することにより、適用範囲の広い高
性能な加工が可能な多波長レーザー加工装置に関する。

（従来の技術） 高出力レーザ一拳ビームを利用して、金属または非金属
の切断、溶接、穴開け、表面処理などを行なうレーザー
加工装置が従来より広く使用されている。

このようなレーザー加工装置は、レーザー発振器で発生
された高出力レーザー・ビームをレンズまたは凹面鏡で
集光し、被加工物に照射・吸収させて熱に変換し、溶融
、蒸発、プラズマ化などの過程を経て所望の加工を行な
うものである。

（発明が解決しようとする課題） 何れの加工方法においても、被加工物の表面におけるレ
ーザー・ビームの吸収特性が、その加工性能に大きな影
響を及ぼす。

被加工物が金属である場合には、一般にレーザー・ビー
ムの波長が短い程、吸収率が大きく、加工には有利であ
る。しかし、このような短波長レーザーとして知られて
いるものは、可視域のＡｒイオンレーザ−やＣ流蒸気レ
ーザー、紫外域のエキシマレーザ−などであり、これら
のレーザーによっては低出力しか得られない。

また、従来より知られている高出力レーザー発振器は、
発振の原理や発振技術上の制約により、ＹＡＧレーザ−
、ｃｏレーザー、Ｃ０２Ｌ／−ザーなどの赤外域に発振
波長を有するレーザーに限られている。

このような赤外域に発振波長を有するレーザーを用いた
レーザー加工装置においては、発振波長が長いために多
くのレーザーエネルギーが反射して損失となり、被加工
物の溶融を開始させるためには非常に大きなレーザー出
力を必要とした。

このために、発振波長の長いレーザー出力を利用したレ
ーザー加工装置は、その適用範囲が限られ、適用が可能
であっても、性能が低いという問題があった。

（発明が解決しようとする手段） そこで、この発明は、このような問題点を解決するため
に考えられたものであって、波長が異なる２種以上の波
長のレーザー・ビームを空間的に合成して被加工物に照
射することにより、適用範囲の広い高性能な加工を可能
にしたものである。

（第１実施例） この発明の多波長レーザー加工装置は、第１図に示すよ
うに、第１の波長のレーザー・ビーム３を発生する第１
のレーザー発振器ｌと、第２の波長のレーザー・ビーム
４を発生する第２のレーザ゛　　　−発振器２と、これ
ら２つのレーザー発振器ｌ、２から発生されたレーザー
・ビーム３．４を空間的に合成するビーム合成器５と、
合成されたビーム６を集光８して被加工物９に照射する
集光器７とを具備している。なお、ビーム合成器５と集
光器７とを一体に構成することも可能である。

次に、２種の波長のレーザー・ビーム３．４を空間的に
合成するビーム合成器５および集光器７の具体的な実施
例について説明する。

第２図に示すように、一方のレーザー・ビーム３を透過
させ、他方のレーザー・ビーム４を反射させる合成フィ
ルタ１０と、集光レンズ１１と、アシスト・ガス噴射用
ノズル１２で構成されている。

合成フィルタ１０は、両レーザー・ビーム３，４に対し
て、４５°の角度を成すように配置されており、両レー
ザー・ビーム３．４の光軸は、同軸となるように合成さ
れ、合成されたレーザー・ビーム６は集光レンズ１１で
集光されて被加工物９に照射される。

このとき、ガス供給孔１３よりアシスト・ガスをなお、
両レーザー・ビーム３．４の波長の相違に基づき、集光
レンズ１１において色収差を生じる場合には、合成前の
何れかのレーザー・ビームの光路中に、収差補正レンズ
１４を挿入すればよいのである。

（第２実施例） 第３図に示すように、ビーム合成器５は、一方のレーザ
ー拳ビーム３を透過させる穴１５ａと他方のレーザー・
ビーム４を反射させる反射面１５ｂとを有する反射鏡１
５で構成され、この反射鏡１５は、両レーザー・ビーム
３，４に対して、４５°の角度を成すように配置されて
いる。

（第３実施例） 第４図に示すように、ビーム合成器５は、一方のレーザ
ー・ビーム３を集光する凹面鏡１Ｂと、この集光された
レーザー・ビーム３を透過させる穴１５ａおよび他方の
レーザー・ビーム４を反射させる反射面１５ｂを有する
反射鏡１５と、穴１５ａを透過したレーザービーム３を
平行にするレンズ１７で構成されており、そして、反射
鏡１５は、両し−ザー拳ビーム３．４に対して、４５′
Ｄの角度を成すように配置されている。

（第４実施例） 第５図に示すように、ビーム合成器５は、一方のレーザ
ー・ビーム３を集光する長焦点レンズ１３と、この集光
されたレーザー−ビーム３を透過させる穴１８ａおよび
他方のレーザー・ビーム４を集束しながら反射させる凹
反射面１８ｂを有する凹面反射鏡１８とで構成されてお
り、そして、この凹面反射鏡１８は、両し−ザー拳ビー
ム３．４に対して４５°の角度を成すように配置されて
いる。

（第５実施例） 第６図に示すように、両レーザー・ビーム３．４を各々
独立した集光レンズ１１．２Ｇで集光し、−方のビーム
４を鏡２１で反射させて、それらの光軸を焦点位置で交
叉させ、その焦点位置において、−二 被加工物９ｖ＠射させる。このようにして両し−ザー拳
ビーム３，４を非同軸状に合成する。

また、鏡２１を用いることなく、集光レンズ２０で集光
したビーム４で被加工物９を直接照射してもよい。

この場合、集光レンズ１１．２０および鏡２１を保護す
るために、アシスト・ガス噴射用ノズル１２．２２をそ
れぞにに設けることが望ましい。

この実施例においては、独立した集光系を用いているの
で、各々のレーザー・ビーム３，４のスポット位置を独
立して調整することが可能であって１色収差の影響を受
ることもない。

（作用） 次に、ＣＯ２レーザービームとＫｒ　Ｆエギシマレーザ
ービームとを第一６図に示した合成法で合成した多波長
レーザー加工装置により金属板を切断する場合を例にあ
げて、この発明の多波長レーザー加工装置の作用を説明
する。

ここで、ＣＯ２レーザービーム３を集光するレンズ１１
には、　ＺＩＬＳεを、Ｋｒ　Ｆエキシマレーザ−ビー
ム４を集光するレンズ２０には、石英レンズを用いる。

このとき１両レーザービーム３．４の集光スポットの中
心が一致するように光軸を調整すればよいが、短波長の
エキシマレーザ−ビーム４の方が集光スポットが小さい
ので、単に、ＣＯ２レーザービーム３の集光スポット内
に、エキシマレーザ−ビーム４の集光スポットが含まれ
るようにしてもよい。

現在、存在するＫｒＦエキシマレーザ−の平均出力は、
　１００Ｗ程度であるから、合成ビームに対するＫｒＦ
エキシマレーザ−の出力が、２０％以下となるように補
助的に用いる。

ＣＯ２レーザーは波長が長いために、金属における反射
損失が大きく、金属の溶融が起こりにくいが、金属で吸
収率の高い短波長のＫｒ　Ｆエキシマレーザ−ビームに
より溶融が容易に起こる。

ＫｒＦエキシマレーザ−は、一般にパルス繰返し動作を
させるため、ピーク出力が大きく、高い　・レーザーパ
ワー密度が得られるので、金属の溶融開始を促進する。

金属は、−度溶融状態になると、赤外域波長のエネルギ
ーの吸収率も増大するために、Ｃ０２レーザーのエネル
ギーが効率良く金属に注入されてさらに溶融が促進され
る。

（効果） 第７図に、Ｃ０２レーザー単独で５００Ｗの場合Ｂと、
ＣＯ２レーザー４５０Ｗとに、Ｆエキシマレーザ−５０
Ｗを合成した場合Ａの切断可能板厚と切断速度の関係を
比較した結果を示すように、ＫｒＦエキシマレーザ−を
併用した場合には、その出力が全合成出力ビームの１０
％に過ないのにも拘らず、同じ切断速度において、より
厚い金属板の切断が可能であることがわかる。

また、換言すれば、同じ板厚の場合にはより速い切断速
度で切断が可能である。

この場合、金属の溶融領域が、主としてＫｒＦエキシマ
レーザ−ビームのスポット径により決るため、Ｃ０２レ
ーザー単独の場合より小さな切断幅を実現することがで
きる。

このように、ＣＯ２レーザーとに、Ｆエキシマレーザ−
の２波長で切断することにより、切断能力が向上するの
みならず、切断幅などの切断品質もある程度、制御する
ことが可能である。

ＣＯ２レーザーは、その発振器のビーム取出窓における
光吸収に基づく熱的な問題があるので。

最大でも１０ｋＷ程度の出力でしか使用することができ
ないが、これに低出力のＫｒ　Ｆエキシマレーザ−を併
用することにより、従来、切断が困難であった厚板の金
属板を速い速度で切断することができる。すなわち、１
０ｋＷ以上の能力を有するレーザー加工装置を用いるの
と同様の性能を得ることができる。

また、同じ装置を切断以外の溶接、表面改質、穴あけな
どの加工に適用することも可能で、切断と同様に加工性
能を向上させ得る。

以上で、レーザービームの種類として、ＣＯ２レ−ｆ−
とＫｒＦエキシマレーザ−の組合せについて説明したが
、赤外レーザーとして、ＹＡＧレーザ−、ＣＯレーザー
など、また、短波長レーザーとして、Ｘｓ　Ｃ１、Ａｒ
　Ｆ、Ｘｅ　Ｆなどの他のエキシマレーザ−や、Ｃｕ蒸
気レしｆ−、Ａｒイオンレーザ−などの可視域のレーザ
ーの組合せも可能である。また、ＹＡＧレーザーとＣＯ
２レーザーのように赤外域レーザー同志の組合せも可能
である。

さらに、この発明の装置の応用範囲としては。

金属加工のような熱的な応用だけではなく、化学的応用
または化学的反応と熱的反応とを組合せた応用まで拡大
できる。化学的応用としては、２種類の短波長レーザー
を反応物資に照射することにより、同時に２つの光化学
的反応を起こさせる場合があり、化学的反応と熱的反応
とを組合せた応用としては、赤外域レーザーにより物資
を溶融させ、紫外域レーザーにより光化学的反応を起こ
させるような場合に適用することが可能である。

以上で説明したように、この発明によると、２種類以上
の波長のレーザービームを空間的に合成して被加工物に
照射することにより、従来の装置より優れた加工性能が
得られるだけではなく。

従来、不可能であった加工も可能とする付加価値の高い
レーザー加工装置を得ること、ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の多波長レーザー加工装置の概要を
示すブロック図、第２図は、第１図の装置の要部である
多波長レーザービームを空間的に合成するビーム合成器
の一実施例の断面図、第３図乃至第６図は、他の実施例
の断面図、第７図はこの発明の多波長レーザー加工装置
の性能を説明するために利用する特性曲線図であり、各
回を通じて同一部分は同一符号で示されている。 １．２・・・レーザー発振器 ３．４・・・レーザービーム ５・・・ビーム合成器 ７・・・集光器 ９・・・被加工物 特許出願人　財団法人　工業開発研究所第１図 拷７１￥１

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）波長が異る２種以上の波長のレーザー・ビームを
   空間的に合成して被加工物に照射することを特徴とする
   多波長レーザー加工装置。
2. （２）一方のレーザー・ビームを透過させ、他方のレー
   ザー・ビームを反射させる機能を有する合成フィルタを
   用いて２種以上の波長のレーザー・ビームを合成するこ
   とを特徴とする請求項（１）に記載した多波長レーザー
   加工装置。
3. （３）２種以上の波長のレーザー・ビームをレンズまた
   は凹面鏡により合成する際に生じる色収差を補正するた
   めに、１つのレーザー・ビームの光路中に色収差補正用
   光学系を設けたことを特徴とする請求項（１）および（
   ２）に記載した多波長レーザー加工装置。
4. （４）一方のレーザー・ビームを透過させる穴および他
   方のレーザー・ビームを全反射させる反射面を具備する
   反射鏡によって２種以上の波長のレーザー・ビームを合
   成することを特徴とする請求項（１）に記載した多波長
   レーザー加工装置。
5. （５）２種以上の波長のレーザー・ビームを各々独立し
   た集光レンズで集光し、それらの光軸を焦点位置で交叉
   させ、その交叉した焦点位置において、被加工物に照射
   させることを特徴とする請求項（１）に記載した多波長
   レーザー加工装置。