WO2020075632A1 - レーザ加工機及びレーザ加工方法 - Google Patents

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WO2020075632A1
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laser
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明彦 杉山
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株式会社アマダホールディングス
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    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser processing machine and a laser processing method for processing a sheet metal by a laser beam.
  • Non-Patent Document 1 describes cutting a sheet metal while vibrating a laser beam in a predetermined vibration pattern.
  • the focus of the laser beam is located at a predetermined position in the direction orthogonal to the surface of the sheet metal.
  • the laser beam machine may cut the sheet metal by locating the focal point of the laser beam just above the sheet metal.
  • the laser beam machine may cut the sheet metal by positioning the focus of the laser beam above the upper surface of the sheet metal by a predetermined distance.
  • the laser beam machine may cut the sheet metal by positioning the focal point of the laser beam within the thickness of the sheet metal by a predetermined distance below the upper surface of the sheet metal.
  • the laser processing machine cuts the sheet metal by setting the relative position of the focus of the laser beam to the sheet metal appropriately.
  • the sheet metal when the sheet metal is cut while vibrating the laser beam in a predetermined vibration pattern, the sheet metal can be cut well even if the focal point of the laser beam is moved in a direction orthogonal to the surface of the sheet metal.
  • An object of the present invention is to provide a laser processing machine and a laser processing method that can perform
  • a processing head that emits a laser beam, and a focusing lens that focuses the laser beam and irradiates the sheet metal to form a beam spot on the surface of the sheet metal.
  • a moving mechanism that moves the processing head relative to the sheet metal along the surface of the sheet metal; and a laser beam that irradiates the sheet metal while moving the processing head relatively by the moving mechanism.
  • a beam oscillating mechanism for oscillating the laser beam when cutting the sheet metal with a focus and a focus moving mechanism for moving a focus of the laser beam with which the sheet metal is irradiated in an orthogonal direction orthogonal to a surface of the sheet metal
  • a focus position control unit that controls the focus moving mechanism, and the focus position control unit includes the focus position control unit.
  • Beam vibration mechanism control for controlling the beam vibration mechanism so as to change the amplitude for vibrating the laser beam according to the position of the focal point in the orthogonal direction when controlling the focus movement mechanism so as to change the position in the direction.
  • a laser processing machine for controlling the beam vibration mechanism so as to change the amplitude for vibrating the laser beam according to the position of the focal point in the orthogonal direction.
  • a laser beam focused by a focusing lens is applied to a surface of the sheet metal, and a laser beam irradiation position is applied to the surface of the sheet metal to cut the sheet metal.
  • the laser beam is vibrated in a predetermined vibration pattern, and when the focal point of the laser beam is moved in a direction orthogonal to the plane of the sheet metal,
  • a laser processing method for changing an amplitude for vibrating the laser beam in the vibration pattern according to the position in the orthogonal direction.
  • the focus of the laser beam is moved in a direction orthogonal to the surface of the sheet metal. Even if it does, the sheet metal can be cut well.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the overall configuration of a laser processing machine according to one or more embodiments.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a detailed configuration example of the collimator unit and the processing head in the laser processing machine according to one or more embodiments.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the displacement of the irradiation position of the laser beam on the sheet metal by the beam vibrating mechanism.
  • FIG. 4 is a diagram showing a parallel vibration pattern of a laser beam.
  • FIG. 5: is a figure which shows the orthogonal vibration pattern of a laser beam.
  • FIG. 6 is a diagram showing an actual vibration pattern when the orthogonal vibration pattern shown in FIG. 5 is used.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the overall configuration of a laser processing machine according to one or more embodiments.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a detailed configuration example of the collimator unit and the processing head in the laser processing machine according to one or more embodiments.
  • FIG. 3 is a
  • FIG. 7 is a partial block diagram showing a detailed configuration example of the laser processing machine according to one or more embodiments.
  • FIG. 8 is a diagram conceptually showing beam profile data held by the laser beam machine according to one or more embodiments.
  • FIG. 9 is a diagram showing a comparison between the amplitude of a laser beam in a vibration pattern in a state where the focal point of the laser beam is moved from the reference position, between the related art and one or more embodiments.
  • FIG. 10 is a table showing a comparison of cutting results of sheet metal when the focus of the laser beam is moved from the reference position in the related art and one or more embodiments.
  • a laser processing machine 100 includes a laser oscillator 10 that generates and emits a laser beam, a laser processing unit 20, and a process fiber 12 that transmits the laser beam emitted from the laser oscillator 10 to the laser processing unit 20.
  • a laser processing machine 100 includes a laser oscillator 10 that generates and emits a laser beam, a laser processing unit 20, and a process fiber 12 that transmits the laser beam emitted from the laser oscillator 10 to the laser processing unit 20.
  • the laser processing machine 100 includes an operation unit 40, an NC device 50, a processing program database 60, a processing condition database 70, and an assist gas supply device 80.
  • the NC device 50 is an example of a control device that controls each part of the laser processing machine 100.
  • the laser oscillator 10 a laser oscillator that amplifies the excitation light emitted from the laser diode and emits a laser beam of a predetermined wavelength, or a laser oscillator that directly uses the laser beam emitted from the laser diode is suitable.
  • the laser oscillator 10 is, for example, a solid-state laser oscillator, a fiber laser oscillator, a disk laser oscillator, or a direct diode laser oscillator (DDL oscillator).
  • the laser oscillator 10 emits a laser beam in the 1 ⁇ m band having a wavelength of 900 nm to 1100 nm.
  • the fiber laser oscillator emits a laser beam having a wavelength of 1060 nm to 1080 nm
  • the DDL oscillator emits a laser beam having a wavelength of 910 nm to 950 nm.
  • the laser processing unit 20 includes a processing table 21 on which a sheet metal W to be processed is placed, a gate-shaped X-axis carriage 22, a Y-axis carriage 23, a collimator unit 30 fixed to the Y-axis carriage 23, and a processing head 35.
  • the X-axis carriage 22 is configured to be movable on the processing table 21 in the X-axis direction.
  • the Y-axis carriage 23 is configured to be movable on the X-axis carriage 22 in the Y-axis direction perpendicular to the X-axis.
  • the X-axis carriage 22 and the Y-axis carriage 23 serve as a moving mechanism that moves the processing head 35 along the surface of the sheet metal W in the X-axis direction, the Y-axis direction, or any combined direction of the X-axis and the Y-axis. Function.
  • the laser processing machine 100 may include a moving mechanism that moves the processing head 35 relative to the surface of the sheet metal W.
  • the processing head 35 has a circular opening 36a at the tip, and a nozzle 36 for emitting a laser beam from the opening 36a is attached.
  • the sheet metal W is irradiated with the laser beam emitted from the opening 36a of the nozzle 36.
  • the assist gas supply device 80 supplies nitrogen, oxygen, a mixed gas of nitrogen and oxygen, or air as the assist gas to the processing head 35.
  • the assist gas is blown onto the sheet metal W through the openings 36a.
  • the assist gas discharges the molten metal within the kerf width where the sheet metal W is melted.
  • the collimator unit 30 includes a collimation lens 31 that converts a laser beam of divergent light emitted from the process fiber 12 into parallel light (collimated light).
  • the collimator unit 30 also includes a galvano scanner unit 32 and a bend mirror 33 that reflects the laser beam emitted from the galvano scanner unit 32 downward in the Z-axis direction perpendicular to the X-axis and the Y-axis.
  • the processing head 35 includes a focusing lens 34 that focuses the laser beam reflected by the bend mirror 33 and irradiates the sheet metal W with the focused beam.
  • the focusing lens 34 is moved by the focusing lens driving unit 340 (see FIG. 7) in the direction approaching the sheet metal W and in the direction separating from the sheet metal W. It is configured to be movable.
  • the laser beam machine 100 is centered so that the laser beam emitted from the opening 36a of the nozzle 36 is located at the center of the opening 36a. In the standard state, the laser beam is emitted from the center of the opening 36a.
  • the galvano scanner unit 32 functions as a beam vibrating mechanism that vibrates the laser beam that travels in the processing head 35 and is emitted from the opening 36a in the opening 36a. How the galvano scanner unit 32 vibrates the laser beam will be described later.
  • the galvano scanner unit 32 has a scan mirror 321 that reflects the laser beam emitted from the collimation lens 31, and a drive unit 322 that rotates the scan mirror 321 to a predetermined angle.
  • the galvano scanner unit 32 also includes a scan mirror 323 that reflects the laser beam emitted from the scan mirror 321, and a drive unit 324 that rotates the scan mirror 323 to a predetermined angle.
  • the drive units 322 and 324 can reciprocally oscillate the scan mirrors 321 and 323 within a predetermined angle range based on the control by the NC device 50.
  • the galvano scanner unit 32 vibrates the laser beam applied to the sheet metal W.
  • the galvano scanner unit 32 is an example of a beam vibrating mechanism, and the beam vibrating mechanism is not limited to the galvano scanner unit 32 having a pair of scan mirrors.
  • FIG. 3 shows a state in which one or both of the scan mirror 321 and the scan mirror 323 are tilted, and the position of the laser beam with which the sheet metal W is irradiated is displaced.
  • the thin solid line bent by the bend mirror 33 and passing through the focusing lens 34 indicates the optical axis of the laser beam when the laser processing machine 100 is in the reference state.
  • the operation of the galvano scanner unit 32 located in front of the bend mirror 33 changes the angle of the optical axis of the laser beam incident on the bend mirror 33, so that the optical axis moves from the center of the bend mirror 33. Come off.
  • the incident position of the laser beam on the bend mirror 33 is the same position before and after the operation of the galvano scanner unit 32.
  • the optical axis of the laser beam is displaced from the position indicated by the thin solid line to the position indicated by the thick solid line by the action of the galvano scanner unit 32. If the laser beam reflected by the bend mirror 33 is inclined at an angle ⁇ , the irradiation position of the laser beam on the sheet metal W is displaced by a distance ⁇ s.
  • the focal length of the focusing lens 34 is EFL (Effective Focal Length)
  • the distance ⁇ s is calculated by EFL ⁇ sin ⁇ .
  • the galvano scanner unit 32 tilts the laser beam by an angle ⁇ in the direction opposite to the direction shown in FIG. 3, the irradiation position of the laser beam on the sheet metal W is displaced by the distance ⁇ s in the direction opposite to the direction shown in FIG. be able to.
  • the distance ⁇ s is a distance smaller than the radius of the opening 36a, and is preferably a distance equal to or smaller than the maximum distance, which is a maximum distance obtained by subtracting a predetermined margin amount from the radius of the opening 36a.
  • the NC device 50 can oscillate the laser beam in a predetermined direction within the surface of the sheet metal W by controlling the driving units 322 and 324 of the galvano scanner unit 32. By vibrating the laser beam, the beam spot formed on the surface of the sheet metal W can be vibrated.
  • the laser processing machine 100 configured as described above cuts the sheet metal W by the laser beam emitted from the laser oscillator 10 to manufacture a product having a predetermined shape.
  • the laser beam machine 100 positions the focal point of the laser beam on the upper surface of the sheet metal W, above the upper surface by a predetermined distance, or below the upper surface by a predetermined distance within the thickness of the sheet metal W at an appropriate position. Then, the sheet metal is cut while vibrating the laser beam in a predetermined vibration pattern.
  • the NC device 50 can select one of the vibration patterns in accordance with the operator's instruction from the operation unit 40.
  • the vibration pattern is set in the processing condition stored in the processing condition database 70, the NC device 50 selects the vibration pattern set in the processing condition.
  • FIG. 4 and 5 show a vibration pattern in a state where the machining head 35 is not moved in the x direction so that the vibration pattern can be easily understood.
  • FIG. 4 is a vibration pattern in which the beam spot Bs is vibrated in the x direction within the groove Wk formed by the progress of the beam spot Bs.
  • the vibration pattern shown in FIG. 4 will be referred to as a parallel vibration pattern. If the frequency for vibrating the beam spot Bs in the direction parallel to the cutting direction is Fx and the frequency for vibrating the beam spot Bs in the direction orthogonal to the cutting direction is Fy, the parallel vibration pattern is a vibration pattern of Fx: Fy of 1: 0. .
  • FIG. 5 shows a vibration pattern for vibrating the beam spot Bs in the y direction.
  • the groove Wk has a kerf width K2 wider than the kerf width K1.
  • the vibration pattern shown in FIG. 5 will be referred to as an orthogonal vibration pattern.
  • the orthogonal vibration pattern is a vibration pattern in which Fx: Fy is 0: 1.
  • the NC device 50 may vibrate the laser beam in a vibration pattern that combines vibration in the x direction and vibration in the y direction.
  • a first example of another vibration pattern is a circular vibration pattern that vibrates the laser beam in a circular shape so that the beam spot Bs draws a circle.
  • a second example of another vibration pattern is an 8-shaped vibration pattern in which the laser beam is vibrated in an 8 shape so that the beam spot Bs draws the numeral 8.
  • a third example of another vibration pattern is a C-shaped vibration pattern that vibrates the laser beam so that the beam spot Bs draws the letter C of the alphabet.
  • the vibration pattern changes to the vibration pattern shown in FIG. 4 or 5, or another vibration pattern (not shown).
  • the vibration pattern has a displacement in the x direction.
  • the beam spot Bs vibrates in the y direction while moving in the x direction, so the actual orthogonal vibration pattern becomes the vibration pattern shown in FIG.
  • the laser processing machine 100 cuts the sheet metal W while vibrating the laser beam in a predetermined vibration pattern, the sheet metal W is cut well even if the focal point of the laser beam is moved in a direction orthogonal to the surface of the sheet metal W. A specific configuration for doing so will be described.
  • the NC device 50 includes a galvano control unit 501, a focus position control unit 502, and a data holding unit 503.
  • the galvano control unit 501 is supplied with movement vector information indicating which direction in which the machining head 35 is moved in the X direction and the Y direction, and a vibration pattern selection signal. Based on the movement vector information, the x direction, which is the cutting direction of the sheet metal W, and the y direction orthogonal thereto are determined.
  • the galvano controller 501 controls one or both of the drivers 322 and 324 of the galvano scanner unit 32 so as to vibrate the laser beam in the vibration pattern selected by the vibration pattern selection signal.
  • the galvano controller 501 is an example of a beam vibrating mechanism controller that controls the beam vibrating mechanism.
  • the focus position control unit 502 controls the focusing lens drive unit 340 so that the focus position is set by the processing conditions.
  • the focusing lens driving unit 340 is an example of a focus moving mechanism that moves the focus of the laser beam with which the sheet metal W is irradiated in a direction orthogonal to the surface of the sheet metal W.
  • the focus position of the laser beam may be adjusted by a method other than moving the focusing lens 34.
  • the focus position control unit 502 controls the focusing lens driving unit 340 to move the focus
  • the focus position control unit 502 controls the focus movement information indicating whether the focus is moved upward or downward by the galvano control.
  • Supply to the part 501 As will be described later, the galvano control unit 501 controls the drive units 322 and 324 based on the focus movement information.
  • Beam profile data is stored in the data storage unit 503.
  • FIG. 8 conceptually shows beam profile data.
  • the beam profile data indicates the beam diameter at each position in the traveling direction of the laser beam when the converged laser beam is most focused at the beam waist and then diverges.
  • the data holding unit 503 may hold beam diameters at intervals of, for example, 1 mm in the traveling direction of the laser beam as beam profile data.
  • the beam diameter at the beam waist is 120 ⁇ m.
  • the beam diameter at this time is 148 ⁇ m, for example.
  • the beam diameter at this time is also 148 ⁇ m.
  • the reference amplitude Qy0 is exaggeratedly shown in FIG. 5 for easy understanding.
  • the galvano controller 501 refers to the beam profile data and maintains the irradiation range y0 in the y direction based on the focus movement information supplied from the focus position controller 502. , And controls the drive unit 322 or 324 so that the amplitude of the laser beam in the y direction is Qy2.
  • the galvano control unit 501 calculates the difference value of the laser beam from the reference amplitude Qy0 by subtracting the first beam diameter from the second beam diameter.
  • the galvano scanner unit 32 may be controlled so as to vibrate with the amplitude obtained by subtracting.
  • the orthogonal vibration pattern shown in FIG. 5 is taken as an example, but the galvano control unit 501 similarly controls the relative focus between the sheet metal W and the parallel vibration pattern shown in FIG. 4 or another vibration pattern. The amplitude is changed according to the position.
  • the amplitude of each vibration pattern is changed. Therefore, when the beam spot Bs is located at both ends in the vibration direction, The irradiation range of the laser beam can be made constant.
  • the irradiation range of the laser beam is the distance between the two outer sides when the beam spot Bs is located at both ends in the vibration direction. According to one or more embodiments, since the preset irradiation range can be maintained, the sheet metal W can be satisfactorily cut even if the focus of the laser beam is moved.
  • the kerf width of the groove Wk formed when cutting the sheet metal W is set like the orthogonal vibration pattern, it is not preferable that the kerf width is changed by moving the focus of the laser beam.
  • the sheet metal W can be cut without changing the kerf width.
  • the amplitude Qy is kept constant at 400 ⁇ m regardless of the position of the focal point in the orthogonal direction.
  • “Good” means that the sheet metal W can be cut with a good quality of the cut surface
  • “Good” means that the quality of the cut surface is not so good but the sheet metal W can be cut
  • “No” means the sheet metal.
  • the case where W could not be cut is shown.
  • the results of good, good, good, good, good, good, and bad were obtained, respectively.
  • the range in which the sheet metal W can be cut can be expanded.
  • the range in which the sheet metal W can be satisfactorily cut can be expanded.
  • FIG. 10 shows the results of an experiment using mild steel as the sheet metal W.
  • the same effect can be obtained even if the sheet metal W is stainless steel or an aluminum alloy, since it does not depart from the purpose of maintaining the irradiation range of the laser beam. Can be obtained.

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Abstract

ガルバノスキャナユニット（３２）は、加工ヘッドを板金（Ｗ）に対して相対的に移動させながら板金（Ｗ）にレーザビームを照射して板金（Ｗ）を切断するときに、レーザビームを振動させる。集束レンズ駆動部（３４０）は、板金（Ｗ）に照射されるレーザビームの焦点を板金（Ｗ）の面に直交する直交方向に移動させる。焦点位置制御部（５０２）は、レーザビームの焦点を直交方向の所定の位置に位置させるために、集束レンズ駆動部（３４０）を制御する。ガルバノ制御部（５０１）は、焦点の直交方向の位置に応じて、レーザビームを振動させる振幅を変化させるようガルバノスキャナユニット（３２）を制御する。

Description

レーザ加工機及びレーザ加工方法
　本開示は、レーザビームによって板金を加工するレーザ加工機及びレーザ加工方法に関する。
　レーザ発振器より射出されたレーザビームによって板金を切断して、所定の形状を有する製品を製作するレーザ加工機が普及している。非特許文献１には、レーザビームを所定の振動パターンで振動させながら板金を切断することが記載されている。
JANUARY 2017 The FABRICATOR 67, Shaping the beam for the best cut
　レーザ加工機によって板金を切断するとき、レーザビームの焦点を板金の面に直交する方向の所定の位置に位置させる。具体的には、レーザ加工機は、レーザビームの焦点を板金のちょうど上面に位置させて板金を切断することがある。レーザ加工機は、レーザビームの焦点を板金の上面より所定の距離だけ上方に位置させて板金を切断することがある。レーザ加工機は、レーザビームの焦点を板金の上面より所定の距離だけ下方で板金の板厚内に位置させて板金を切断することがある。
　このように、レーザ加工機は、レーザビームの焦点の板金に対する相対的な位置を適宜に設定して板金を切断する。１またはそれ以上の実施形態は、レーザビームを所定の振動パターンで振動させながら板金を切断するとき、レーザビームの焦点を板金の面に直交する方向に移動させても板金を良好に切断することができるレーザ加工機及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。
　１またはそれ以上の実施形態の第１の態様によれば、レーザビームを射出する加工ヘッドと、前記レーザビームを集束させて板金に照射して前記板金の面にビームスポットを形成する集束レンズと、前記板金の面に沿って、前記板金に対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる移動機構と、前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させながら前記板金に前記レーザビームを照射して前記板金を切断するときに、前記レーザビームを振動させるビーム振動機構と、前記板金に照射される前記レーザビームの焦点を前記板金の面に直交する直交方向に移動させる焦点移動機構と、前記焦点を前記直交方向の所定の位置に位置させるために、前記焦点移動機構を制御する焦点位置制御部と、前記焦点位置制御部が前記焦点の前記直交方向の位置を変更するよう前記焦点移動機構を制御したとき、前記焦点の前記直交方向の位置に応じて、前記レーザビームを振動させる振幅を変化させるよう前記ビーム振動機構を制御するビーム振動機構制御部とを備えるレーザ加工機が提供される。
　１またはそれ以上の実施形態の第２の態様によれば、集束レンズによって集束させたレーザビームを板金の面に照射し、前記板金を切断するために、前記板金の面に対するレーザビームの照射位置を相対的に移動させ、前記板金を切断するときに、前記レーザビームを所定の振動パターンで振動させ、前記レーザビームの焦点を前記板金の面に直交する直交方向に移動させたとき、前記焦点の前記直交方向の位置に応じて、前記レーザビームを前記振動パターンで振動させる振幅を変化させるレーザ加工方法が提供される。
　１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、レーザビームを所定の振動パターンで振動させながら板金を切断するとき、レーザビームの焦点を板金の面に直交する方向に移動させても板金を良好に切断することができる。
図１は、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。 図２は、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機におけるコリメータユニット及び加工ヘッドの詳細な構成例を示す斜視図である。 図３は、ビーム振動機構によるレーザビームの板金への照射位置の変位を説明するための図である。 図４は、レーザビームの平行振動パターンを示す図である。 図５は、レーザビームの直交振動パターンを示す図である。 図６は、図５に示す直交振動パターンを用いたときの実際の振動パターンを示す図である。 図７は、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機の詳細な構成例を示す部分ブロック図である。 図８は、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機が保持するビームプロファイルデータを概念的に示す図である。 図９は、従来技術と１またはそれ以上の実施形態とで、レーザビームの焦点を基準位置から移動させた状態の振動パターンにおけるレーザビームの振幅を比較して示す図である。 図１０は、従来技術と１またはそれ以上の実施形態とで、レーザビームの焦点を基準位置から移動させたときの板金の切断結果を比較して示す表である。
　以下、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法について、添付図面を参照して説明する。図１において、レーザ加工機１００は、レーザビームを生成して射出するレーザ発振器１０と、レーザ加工ユニット２０と、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームをレーザ加工ユニット２０へと伝送するプロセスファイバ１２とを備える。
　また、レーザ加工機１００は、操作部４０と、ＮＣ装置５０と、加工プログラムデータベース６０と、加工条件データベース７０と、アシストガス供給装置８０とを備える。ＮＣ装置５０は、レーザ加工機１００の各部を制御する制御装置の一例である。
　レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザビームを射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザビームを直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器１０は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）である。
　レーザ発振器１０は、波長９００ｎｍ～１１００ｎｍの１μｍ帯のレーザビームを射出する。ファイバレーザ発振器及びＤＤＬ発振器を例とすると、ファイバレーザ発振器は、波長１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍのレーザビームを射出し、ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ～９５０ｎｍのレーザビームを射出する。
　レーザ加工ユニット２０は、加工対象の板金Ｗを載せる加工テーブル２１と、門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｙ軸キャリッジ２３と、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット３０と、加工ヘッド３５とを有する。Ｘ軸キャリッジ２２は、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在に構成されている。Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在に構成されている。Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３は、加工ヘッド３５を板金Ｗの面に沿って、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、または、Ｘ軸とＹ軸との任意の合成方向に移動させる移動機構として機能する。
　加工ヘッド３５を板金Ｗの面に沿って移動させる代わりに、加工ヘッド３５は位置が固定されていて、板金Ｗが移動するように構成されていてもよい。レーザ加工機１００は、板金Ｗの面に対して加工ヘッド３５を相対的に移動させる移動機構を備えていればよい。
　加工ヘッド３５には、先端部に円形の開口３６ａを有し、開口３６ａよりレーザビームを射出するノズル３６が取り付けられている。ノズル３６の開口３６ａより射出されたレーザビームは板金Ｗに照射される。アシストガス供給装置８０は、アシストガスとして窒素、酸素、窒素と酸素との混合気体、または空気を加工ヘッド３５に供給する。板金Ｗの加工時に、アシストガスは開口３６ａより板金Ｗへと吹き付けられる。アシストガスは、板金Ｗが溶融したカーフ幅内の溶融金属を排出する。
　図２に示すように、コリメータユニット３０は、プロセスファイバ１２より射出された発散光のレーザビームを平行光（コリメート光）に変換するコリメーションレンズ３１を備える。また、コリメータユニット３０は、ガルバノスキャナユニット３２と、ガルバノスキャナユニット３２より射出されたレーザビームをＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー３３を備える。加工ヘッド３５は、ベンドミラー３３で反射したレーザビームを集束して、板金Ｗに照射する集束レンズ３４を備える。
　ここでは図示を省略しているが、レーザビームの焦点位置を調整するために、集束レンズ３４は集束レンズ駆動部３４０（図７参照）によって、板金Ｗに近付く方向及び板金Ｗより離隔する方向に移動自在に構成されている。
　レーザ加工機１００は、ノズル３６の開口３６ａより射出されるレーザビームが開口３６ａの中心に位置するように芯出しされている。基準の状態では、レーザビームは、開口３６ａの中心より射出する。ガルバノスキャナユニット３２は、加工ヘッド３５内を進行して開口３６ａより射出されるレーザビームを、開口３６ａ内で振動させるビーム振動機構として機能する。ガルバノスキャナユニット３２がレーザビームをどのように振動させるかについては後述する。
　ガルバノスキャナユニット３２は、コリメーションレンズ３１より射出されたレーザビームを反射するスキャンミラー３２１と、スキャンミラー３２１を所定の角度となるように回転させる駆動部３２２とを有する。また、ガルバノスキャナユニット３２は、スキャンミラー３２１より射出されたレーザビームを反射するスキャンミラー３２３と、スキャンミラー３２３を所定の角度となるように回転させる駆動部３２４とを有する。
　駆動部３２２及び３２４は、ＮＣ装置５０による制御に基づき、それぞれ、スキャンミラー３２１及び３２３を所定の角度範囲で往復振動させることができる。スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方を往復振動させることによって、ガルバノスキャナユニット３２は、板金Ｗに照射されるレーザビームを振動させる。
　ガルバノスキャナユニット３２はビーム振動機構の一例であり、ビーム振動機構は一対のスキャンミラーを有するガルバノスキャナユニット３２に限定されない。
　図３は、スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方が傾けられて、板金Ｗに照射されるレーザビームの位置が変位した状態を示している。図３において、ベンドミラー３３で折り曲げられて集束レンズ３４を通過する細実線は、レーザ加工機１００が基準の状態であるときのレーザビームの光軸を示している。
　なお、詳細には、ベンドミラー３３の手前に位置しているガルバノスキャナユニット３２の作動により、ベンドミラー３３に入射するレーザビームの光軸の角度が変化し、光軸がベンドミラー３３の中心から外れる。図３では、簡略化のため、ガルバノスキャナユニット３２の作動前後でベンドミラー３３へのレーザビームの入射位置を同じ位置としている。
　ガルバノスキャナユニット３２による作用によって、レーザビームの光軸が細実線で示す位置から太実線で示す位置へと変位したとする。ベンドミラー３３で反射するレーザビームが角度θで傾斜したとすると、板金Ｗへのレーザビームの照射位置は距離Δｓだけ変位する。集束レンズ３４の焦点距離をＥＦＬ（Effective Focal Length）とすると、距離Δｓは、ＥＦＬ×ｓｉｎθで計算される。
　ガルバノスキャナユニット３２がレーザビームを図３に示す方向とは逆方向に角度θだけ傾ければ、板金Ｗへのレーザビームの照射位置を図３に示す方向とは逆方向に距離Δｓだけ変位させることができる。距離Δｓは開口３６ａの半径未満の距離であり、好ましくは、開口３６ａの半径から所定の余裕量だけ引いた距離を最大距離とした最大距離以下の距離である。
　ＮＣ装置５０は、ガルバノスキャナユニット３２の駆動部３２２及び３２４を制御することによって、レーザビームを板金Ｗの面内の所定の方向に振動させることができる。レーザビームを振動させることによって、板金Ｗの面上に形成されるビームスポットを振動させることができる。
　以上のように構成されるレーザ加工機１００は、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームによって板金Ｗを切断して所定の形状を有する製品を製作する。レーザ加工機１００は、レーザビームの焦点を、板金Ｗの上面、上面より所定の距離だけ上方、または上面より所定の距離だけ下方で板金Ｗの板厚内のいずれかの適宜の位置に位置させて、レーザビームを所定の振動パターンで振動させながら板金を切断する。
　図４及び図５を用いて、ＮＣ装置５０がガルバノスキャナユニット３２によってレーザビームを振動させる振動パターンの例を説明する。板金Ｗの切断進行方向をｘ方向、板金Ｗの面内でｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ＮＣ装置５０は、操作部４０によるオペレータの指示に従って、いずれかの振動パターンを選択することができる。加工条件データベース７０に記憶されている加工条件に振動パターンが設定されている場合には、ＮＣ装置５０は、加工条件で設定されている振動パターンを選択する。
　図４及び図５は、振動パターンを理解しやすいよう、加工ヘッド３５をｘ方向に移動させない状態での振動パターンを示している。図４は、ビームスポットＢｓをビームスポットＢｓの進行によって形成された溝Ｗｋ内でｘ方向に振動させる振動パターンである。図４に示す振動パターンを平行振動パターンと称することとする。ビームスポットＢｓを切断進行方向と平行方向に振動させる周波数をＦｘ、切断進行方向と直交する方向に振動させる周波数をＦｙとすれば、平行振動パターンはＦｘ：Ｆｙが１：０の振動パターンである。
　図５は、ビームスポットＢｓをｙ方向に振動させる振動パターンである。ビームスポットＢｓをｙ方向に振動させることによって、溝Ｗｋはカーフ幅Ｋ１よりも広いカーフ幅Ｋ２となる。図５に示す振動パターンを直交振動パターンと称することとする。直交振動パターンは、Ｆｘ：Ｆｙが０：１の振動パターンである。
　ＮＣ装置５０は、レーザビームを、ｘ方向の振動とｙ方向の振動とを組み合わせた振動パターンで振動させてもよい。他の振動パターンの第１の例は、ビームスポットＢｓが円を描くようにレーザビームを円形に振動させる円振動パターンである。他の振動パターンの第２の例は、ビームスポットＢｓが数字の８を描くようにレーザビームを８の字状に振動させる８の字状振動パターンである。他の振動パターンの第３の例は、ビームスポットＢｓがアルファベットのＣを描くようにレーザビームを振動させるＣ字状振動パターンである。
　実際には、加工ヘッド３５が切断進行方向に移動しながらレーザビームが振動するので、振動パターンは、図４もしくは図５に示す振動パターン、または図示していない他の振動パターンに切断進行方向（ｘ方向）の変位を加えた振動パターンとなる。図５に示す直交振動パターンを例にすると、ビームスポットＢｓはｘ方向に移動しながらｙ方向に振動するので、実際の直交振動パターンは図６に示すような振動パターンとなる。
　次に、レーザ加工機１００がレーザビームを所定の振動パターンで振動させながら板金Ｗを切断するとき、レーザビームの焦点を板金Ｗの面に直交する方向に移動させても板金Ｗを良好に切断するための具体的な構成を説明する。
　図７に示すように、ＮＣ装置５０は、ガルバノ制御部５０１と、焦点位置制御部５０２と、データ保持部５０３を備える。ガルバノ制御部５０１には、加工ヘッド３５をＸ方向とＹ方向とを組み合わせたいずれの方向に移動させるかを示す移動ベクトル情報と、振動パターン選択信号とが供給される。移動ベクトル情報に基づいて、板金Ｗの切断進行方向であるｘ方向と、それに直交するｙ方向とが決まる。
　ガルバノ制御部５０１は、振動パターン選択信号で選択された振動パターンでレーザビームを振動させるよう、ガルバノスキャナユニット３２の駆動部３２２及び３２４のうちのいずれか一方または双方を制御する。ガルバノ制御部５０１は、ビーム振動機構を制御するビーム振動機構制御部の一例である。
　焦点位置制御部５０２は、加工条件で設定された焦点位置となるように集束レンズ駆動部３４０を制御する。集束レンズ駆動部３４０は、板金Ｗに照射されるレーザビームの焦点を板金Ｗの面に対する直交方向に移動させる焦点移動機構の一例である。集束レンズ３４を移動させる以外の方法でレーザビームの焦点位置を調整するように構成されていてもよい。
　焦点位置制御部５０２が焦点を移動させるよう集束レンズ駆動部３４０を制御したとき、焦点位置制御部５０２は焦点を上方または下方のどちらの方向にどの程度移動させたかを示す焦点移動情報をガルバノ制御部５０１に供給する。後述するように、ガルバノ制御部５０１は、焦点移動情報に基づいて駆動部３２２及び３２４を制御する。
　データ保持部５０３には、ビームプロファイルデータが保持されている。図８は、ビームプロファイルデータを概念的に示している。ビームプロファイルデータは、収束光のレーザビームがビームウエストで最も集束し、その後に発散するときの、レーザビームの進行方向の各位置におけるビーム径を示している。データ保持部５０３は、レーザビームの進行方向に例えば１ｍｍごとの間隔のビーム径をビームプロファイルデータとして保持すればよい。
　レーザビームの焦点であるビームウエストが板金Ｗのちょうど上面に位置している、いわゆるジャストフォーカスの状態をＦＰ＝０．０であるとする。ビームウエストにおけるビーム径は１２０μｍであるとする。焦点を板金Ｗより上方に例えば２．０ｍｍの距離に移動させると、板金Ｗの上面には、ＦＰ＝＋２．０の位置のビーム径のビームスポットＢｓが照射される。このときのビーム径は例えば１４８μｍである。同様に、焦点を板金Ｗより下方に例えば２．０ｍｍの距離に移動させると、板金Ｗの上面には、ＦＰ＝－２．０の位置のビーム径のビームスポットＢｓが照射される。このときのビーム径も１４８μｍである。
　ガルバノ制御部５０１が駆動部３２２及び３２４を制御してビームスポットＢｓを図４または図５のように振動させる距離は、板金Ｗの上面にＦＰ＝０．０の位置のビーム径が照射されているジャストフォーカスの状態を前提として設定されている。
　図９に示すように、図５に示す直交振動パターンを例とすると、レーザビームがＦＰ＝０．０のジャストフォーカスの状態において、ｙ方向の振幅が基準振幅Ｑｙ０に設定されているとする。図９においては、理解を容易にするため、基準振幅Ｑｙ０を図５よりも誇張して図示している。また、ＦＰ＝０．０のときのビーム径とＦＰ＝＋２．０のときのビーム径とを実際の大きさの比よりも誇張して図示している。
　焦点位置制御部５０２がＦＰ＝＋２．０とするよう集束レンズ駆動部３４０を制御すると、ビーム径が１４８μｍとなる。従来技術においては、レーザビームの焦点が板金Ｗの面の直交方向のどの位置にあってもレーザビームを振動させる振幅は基準振幅Ｑｙ０である。従って、板金Ｗへのレーザビームのｙ方向の照射範囲は、ＦＰ＝０．０のときのｙ方向の照射範囲ｙ０よりも広くなってしまう。
　１またはそれ以上の実施形態においては、ガルバノ制御部５０１は、ビームプロファイルデータを参照し、焦点位置制御部５０２から供給された焦点移動情報に基づいて、ｙ方向の照射範囲ｙ０を維持するように、レーザビームのｙ方向の振幅をＱｙ２とするよう駆動部３２２または３２４を制御する。
　ＦＰ＝０．０におけるビーム径をｒ０、ＦＰ＝＋２．０におけるビーム径をｒ２と一般化すると、ガルバノ制御部５０１は、Ｑｙ２＝Ｑｙ０－（ｒ２－ｒ０）なる計算式によって振幅Ｑｙ２を決定すればよい。
　即ち、ビームプロファイルデータに基づき、レーザビームの焦点が基準位置に位置しているときの板金Ｗの面上のビームスポットＢｓのビーム径が第１のビーム径、焦点が基準位置以外の所定の位置に位置しているときの板金Ｗの面上のビームスポットＢｓのビーム径が第２のビーム径であるとする。ＦＰ＝０．０を基準位置とするのが好適である。ガルバノ制御部５０１は、レーザビームの焦点が基準位置以外の所定の位置に位置しているとき、レーザビームを、基準振幅Ｑｙ０から、第２のビーム径から第１のビーム径を減算した差分値を減算した振幅で振動させるよう、ガルバノスキャナユニット３２を制御すればよい。
　図９においては、図５に示す直交振動パターンを例としたが、図４に示す平行振動パターンまたは他の振動パターンであっても同様に、ガルバノ制御部５０１は、板金Ｗに対する焦点の相対的な位置に応じて振幅を変化させる。
　以上のように、１またはそれ以上の実施形態によれば、レーザビームの焦点を移動させても、各振動パターンの振幅を変化させるので、ビームスポットＢｓが振動方向の両端部に位置したときのレーザビームの照射範囲を一定とすることができる。レーザビームの照射範囲とは、ビームスポットＢｓが振動方向の両端部に位置しているときの両外側間の距離である。１またはそれ以上の実施形態によれば、予め設定した照射範囲を維持することができるので、レーザビームの焦点を移動させても板金Ｗを良好に切断することができる。
　特に、直交振動パターンのように板金Ｗを切断するときに形成される溝Ｗｋのカーフ幅を設定している場合、レーザビームの焦点を移動させることによってカーフ幅が変化するのは好ましくない。１またはそれ以上の実施形態によれば、カーフ幅を変化させることなく板金Ｗを切断することができる。
　ところで、１またはそれ以上の実施形態によれば、焦点を板金Ｗの面の直交方向に移動させたときに板金Ｗを切断することができる範囲を拡大することができるという効果も奏する。図１０は、板金Ｗとして板厚１２ｍｍの軟鋼を、直交振動パターンを用いて、ＦＰ＝０．０～＋７．０として焦点位置を１．０ｍｍずつ異ならせて切断したときの実験結果を示している。
　図１０に示すように、従来技術においては、焦点の直交方向の位置にかかわらず、振幅Ｑｙを４００μｍで一定にしている。図１０において、「良好」とは切断面の品質よく板金Ｗを切断できた場合、「可」とは切断面の品質はさほどよくないが板金Ｗを切断できた場合、「不可」とは板金Ｗを切断できなかった場合を示している。振幅Ｑｙを４００μｍで一定にした従来技術の場合、ＦＰ＝０．０～＋７．０で、それぞれ、可、良好、良好、良好、可、不可、不可、不可という結果が得られた。
　１またはそれ以上の実施形態においては、ＦＰ＝０．０における振幅Ｑｙを基準振幅Ｑｙ０の４００μｍとして、ＦＰ＝＋１．０～＋７．０で、それぞれ、振幅Ｑｙを３９８、３８８、３６６、３４３、３１９、２９３、２６９μｍとした。ＦＰ＝０．０～＋７．０で、それぞれ、可、良好、良好、良好、良好、可、可、不可という結果が得られた。このように、１またはそれ以上の実施形態によれば、板金Ｗを切断することができる範囲を拡大することができる。また、１またはそれ以上の実施形態によれば、板金Ｗを良好に切断することができる範囲を拡大することができる。
　図１０においては板金Ｗとして軟鋼を用いて実験した結果を示しているが、レーザビームの照射範囲を維持するという趣旨から逸脱しないので、板金Ｗがステンレス鋼またはアルミニウム合金であっても同様の効果を得ることができる。
　本発明は以上説明した１またはそれ以上の実施形態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種々変更可能である。
　本願の開示は、２０１８年１０月１２日に出願された特願２０１８－１９３１５０号に記載の主題と関連しており、それらの全ての開示内容は引用によりここに援用される。

Claims (6)

  1. 　レーザビームを射出する加工ヘッドと、
    　前記レーザビームを集束させて板金に照射して前記板金の面にビームスポットを形成する集束レンズと、
    　前記板金の面に沿って、前記板金に対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる移動機構と、
    　前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させながら前記板金に前記レーザビームを照射して前記板金を切断するときに、前記レーザビームを振動させるビーム振動機構と、
    　前記板金に照射される前記レーザビームの焦点を前記板金の面に直交する直交方向に移動させる焦点移動機構と、
    　前記焦点を前記直交方向の所定の位置に位置させるために、前記焦点移動機構を制御する焦点位置制御部と、
    　前記焦点位置制御部が前記焦点の前記直交方向の位置を変更するよう前記焦点移動機構を制御したとき、前記焦点の前記直交方向の位置に応じて、前記レーザビームを振動させる振幅を変化させるよう前記ビーム振動機構を制御するビーム振動機構制御部と、
    　を備えるレーザ加工機。
  2. 　前記レーザビームの進行方向の位置に応じたビーム径を示すビームプロファイルデータを保持するデータ保持部をさらに備え、
    　前記ビーム振動機構制御部は、前記ビームプロファイルデータを参照して、前記レーザビームを振動させる振幅を決定する
    　請求項１に記載のレーザ加工機。
  3. 　前記焦点が前記直交方向の基準位置に位置しているときに前記ビーム振動機構が前記レーザビームを振動させる振幅が基準振幅として設定されており、
    　前記ビームプロファイルデータに基づき、前記焦点が前記基準位置に位置しているときの前記板金の面上のビームスポットのビーム径が第１のビーム径、前記焦点が前記基準位置以外の所定の位置に位置しているときの前記板金の面上のビームスポットのビーム径が第２のビーム径であるとき、前記ビーム振動機構制御部は、前記レーザビームの焦点が前記基準位置以外の所定の位置に位置しているとき、前記レーザビームを、前記基準振幅から、前記第２のビーム径から前記第１のビーム径を減算した差分値を減算した振幅で振動させるよう前記ビーム振動機構を制御する
    　請求項２に記載のレーザ加工機。
  4. 　集束レンズによって集束させたレーザビームを板金の面に照射し、
    　前記板金を切断するために、前記板金の面に対するレーザビームの照射位置を相対的に移動させ、
    　前記板金を切断するときに、前記レーザビームを所定の振動パターンで振動させ、
    　前記レーザビームの焦点を前記板金の面に直交する直交方向に移動させたとき、前記焦点の前記直交方向の位置に応じて、前記レーザビームを前記振動パターンで振動させる振幅を変化させる
    　レーザ加工方法。
  5. 　データ保持部に記憶されている、前記レーザビームの進行方向の位置に応じたビーム径を示すビームプロファイルデータを参照して、前記レーザビームを振動させる振幅を決定する請求項４に記載のレーザ加工方法。
  6. 　前記焦点が前記直交方向の基準位置に位置しているときの前記振動パターンの振幅が基準振幅として設定されており、
    　前記ビームプロファイルデータに基づき、前記焦点が前記基準位置に位置しているときの前記板金の面上のビームスポットのビーム径が第１のビーム径、前記焦点が前記基準位置以外の所定の位置に位置しているときの前記板金の面上のビームスポットのビーム径が第２のビーム径であるとき、前記焦点が前記基準位置以外の所定の位置に位置しているとき、前記レーザビームを、前記基準振幅から、前記第２のビーム径から前記第１のビーム径を減算した差分値を減算した振幅で振動させる
    　請求項５に記載のレーザ加工方法。
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