本發(fā)明涉及一種具有一邊向被加工物照射激光一邊使加工頭接近該被加工物的功能的激光加工機。

背景技術：

已知以下技術：在向金屬材料等被加工物(工件)照射激光來進行激光加工的情況下，利用來自工件的反射光來實現(xiàn)焊接質(zhì)量的提高。例如在日本專利第3154176號公報中記載了以下焦點位置控制裝置：逐次檢測來自焊接部分的激光反射光，基于其強度來進行焦點的自動調(diào)整。

另外，在日本專利第5100833號公報中，記載了以下激光加工裝置和激光加工方法：利用反射光來檢查沖孔的加工完成定時，基于該檢測結果來進行從打孔加工向切割加工的切換，由此意圖抑制加工不良的發(fā)生且高效地進行激光加工。

圖9是說明在現(xiàn)有技術所涉及的激光加工機中向被加工物照射激光的狀態(tài)的圖。來自光纖等的加工頭100的光通過聚光光學系統(tǒng)(光學透鏡)102而被聚光，如箭頭104所示的那樣大致垂直地照射到被加工物106的表面。此時，在被加工物106是鋼、鋁等容易反射激光的金屬材料的情況下，有時如箭頭108所示的那樣，照射在照射點110的激光的一部分在與往路相似的路徑上向反方向前進而作為反射光返回到加工頭100，由此存在激光光源等發(fā)生損壞的情況。這樣，作為用于防止由于反射光返回到激光振蕩器內(nèi)而導致無法控制激光輸出或光學系統(tǒng)發(fā)生損壞的現(xiàn)有技術例，在日本特開昭62-289387號公報中記載了以下技術：使照射頭和反射材料中的一方或雙方傾斜，以使照射激光的光軸與反射光的光軸不重合。

如上所述，在激光加工的被加工物是鋼、鋁等容易反射激光的金屬材料的情況下、加工點處的能量密度低的情況下，當聚光點位于被加工物的表面上時，有時照射的激光的一部分在與往路相似的路徑上向反方向前進而作為反射光返回到激光光源。該反射光的量越多(或強度越高)，激光加工機的光路、光源發(fā)生損傷的可能性就越高。

上述的日本專利第3154176號公報和日本專利第5100833號公報所記載的裝置雖然具備檢測反射光的單元，但是不具備降低或排除反射光對激光光源等造成的不良影響的單元。另一方面，日本特開昭62-289387號公報公開了以下意思：為了避免反射光所造成的不良影響，使照射頭和反射材料中的一方或雙方傾斜。然而，在激光相對于被加工物的表面傾斜地入射的情況下，相比大致垂直地入射的情況而言，存在激光加工質(zhì)量低劣的傾向。

技術實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的在于提供一種具備以下功能的激光加工機：將激光大致垂直地照射到被加工物的表面來進行激光加工，并且降低或排除來自被加工物的反射光所造成的不良影響。

為了達成上述目的，本申請發(fā)明提供一種激光加工機，該激光加工機傳輸激光來將激光引導至加工頭，并將被聚光光學系統(tǒng)聚光后的光大致垂直地照射到被加工物的表面來進行激光加工，該激光加工機具備：聚光點移動部，在照射激光的同時，該聚光點移動部使聚光后的光的聚光點的位置從在垂直方向上與所述被加工物的表面相離的點向所述被加工物的表面接近；以及聚光點距離設定部，其設定聚光點距離，該聚光點距離是開始照射激光時的所述聚光點與所述被加工物的表面之間的距離，其中，所述聚光點距離被設定為以下距離：使被所述被加工物的表面反射的光經(jīng)過所述聚光光學系統(tǒng)而返回到激光光源的量為容許值以下的距離。

在優(yōu)選的實施方式中，所述聚光點距離是根據(jù)所述被加工物的反射率、激光射出部的面積、所述激光射出部處的反射光的面積、激光輸出的關系并通過計算或?qū)嶋H測量而預先決定的。在該情況下，優(yōu)選的是，所述激光射出部是光纖的照射端，并且，優(yōu)選的是，所述聚光點距離被設定為使返回到所述光纖的芯的反射光和返回到所述光纖的包層(clad)的反射光這雙方分別為容許值以下。

在優(yōu)選的實施方式中，所述聚光點移動部使所述聚光光學系統(tǒng)的光學部件沿光軸方向移動。

在優(yōu)選的實施方式中，所述聚光點移動部使包括所述聚光光學系統(tǒng)的所述加工頭沿光軸方向移動。在該情況下，激光加工機能夠還具備：經(jīng)過點設定部，在進行一系列的激光加工的加工程序中，在前往下一個加工開始點時，該經(jīng)過點設定部設定位于以下位置的經(jīng)過點，該位置是比與開始照射激光的聚光點距離相當?shù)募庸ゎ^的位置靠上方的位置；以及路徑生成部，其生成經(jīng)過所述經(jīng)過點和所述加工頭的位置那樣的路徑。

在優(yōu)選的實施方式中，還具備移動速度限制部，該移動速度限制部將與所述聚光點距離相當?shù)乃黾庸ゎ^的位置以后的所述加工頭的移動速度限制為規(guī)定的速度以下。

附圖說明

通過參照附圖說明以下的優(yōu)選的實施方式，本發(fā)明的上述或其它目的、特征以及優(yōu)點會變得更加明確。

圖1是說明使用本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式所涉及的激光加工機進行的激光加工的圖，示出了聚光點從工件表面向上方離開的狀態(tài)。

圖2是說明使用本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式所涉及的激光加工機進行的激光加工的圖，示出了聚光點位于工件表面上的狀態(tài)。

圖3是表示激光加工機為空間傳輸式的情況下的加工頭周圍的構造的概要圖。

圖4是表示通過使聚光光學系統(tǒng)的光學部件移動來使聚光點移動的結構例的概要圖。

圖5a是表示通過使加工頭移動來使聚光點移動的結構例的概要圖。

圖5b是表示通過加工頭的下降而機械式開關工作的狀態(tài)的圖。

圖5c是表示加工頭進一步下降后的狀態(tài)的圖。

圖6是說明在進行一系列的激光加工的情況下在比與聚光點距離相當?shù)募庸ゎ^的位置靠上方的位置設定經(jīng)過點的例子的圖。

圖7是說明在進行一系列的激光加工的情況下在比與聚光點距離相當?shù)募庸ゎ^的位置靠上方的位置設定經(jīng)過點的其它例子的圖。

圖8是說明限制從與聚光點距離相當?shù)募庸ゎ^的位置起的加工頭的移動速度的例子的曲線圖。

圖9是表示在現(xiàn)有技術所涉及的激光加工機中向被加工物照射激光的狀態(tài)的圖。

具體實施方式

圖1和圖2是說明使用本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式所涉及的激光加工機進行的激光加工的圖。激光加工機10構成為：利用光纖12等傳輸激光來將激光引導至加工頭14，通過聚光光學系統(tǒng)(光學透鏡)18對從激光射出部(在圖示例中為光纖照射端)16照射出的光進行聚光，并將聚光后的光大致垂直地照射到被加工物20的表面22，來對工件20進行切割、焊接、標記等規(guī)定的激光加工。

另外，激光加工機10具備：驅(qū)動軸等聚光點移動部26，在照射激光的同時，該聚光點移動部26使加工頭14、聚光光學系統(tǒng)18的光學部件(后述)以及工件20中的至少一個沿光軸方向(在圖示例中為上下方向)移動，由此使激光的焦點位置(聚光點)24的位置沿光軸方向移動；以及運算處理裝置(cpu)等聚光點距離設定部28，其設定聚光點距離dp，該聚光點距離dp是開始照射激光時的工件表面22與聚光點24之間的距離，其中，聚光點距離dp被設定為如下距離：使被工件表面22反射的光經(jīng)過聚光光學系統(tǒng)18而返回到加工頭14(激光光源)的量為規(guī)定的容許值以下的距離。

此外，在圖1的例子中，聚光點移動部26的動作能夠由對激光加工機10中的動作、處理進行控制的控制裝置30來控制，控制裝置30具備聚光點距離設定部28的功能，但是聚光點距離設定部28也能夠構成為個人計算機等與控制裝置30相分別的裝置。而在圖2中，省略了除加工頭14、聚光光學系統(tǒng)18以及工件20以外的結構要素的圖示。

如圖1所示，加工頭14從以下位置開始照射激光：該位置是聚光點24在垂直方向上向上方與工件表面22相離了聚光點距離dp的位置。此時，與圖9進行比較可知，由于光學位置關系發(fā)生變化，被工件表面22反射而返回到光纖照射端16的光的量(光束)變少。更具體地說，光纖照射端16的位置處的反射光的(關于大致水平截面的)面積比光纖照射端16的面積大。因而，在圖1的狀態(tài)下，返回到激光光源的光的量比以往少。

從圖1的狀態(tài)起，加工頭14一邊照射激光一邊逐漸移動以使聚光點24的位置接近工件表面22，從而如圖2所示那樣成為聚光點24位于工件表面22上的狀態(tài)。圖2的光學位置關系與圖9示出的光學位置關系實質(zhì)相同，但是在從圖1的狀態(tài)起至達到圖2的狀態(tài)為止向工件表面22已照射了一定量的激光，因此在成為圖2的狀態(tài)時，工件表面22的被照射了激光的部位因熔融等而變質(zhì)或光束的反射率改變，因此返回到光纖照射端16的光的量比圖9的情況少。因而，根據(jù)本實施方式，能夠在反射光少的聚光點位置處開始加熱工件20來使工件表面22熔融等而發(fā)生變質(zhì)，與此同時使聚光點24靠近工件表面22，從而在抑制反射光的返回的同時開始激光加工。一旦開始加工，已熔融、變質(zhì)的加工點持續(xù)吸收激光，從而能夠連續(xù)地進行切割、焊接、標記等激光加工。

此外，能夠使用圖1的尺寸a′、b′或圖2的尺寸a、b來通過以下的式(1)求出聚光光學系統(tǒng)18的焦點距離f。

1/f＝1/a′+1/b′＝1/a+1/b(1)

如上所述，開始照射激光的聚光點距離dp被設定為以下距離：使被工件表面22反射的光經(jīng)過聚光光學系統(tǒng)18而返回到激光光源(激光射出部16)的量為規(guī)定的容許值以下的距離，而更具體地說，能夠根據(jù)工件表面22的反射率、激光射出部16的面積、激光射出部16處的反射光的面積以及激光輸出的關系，預先通過計算或?qū)嶋H測量求出開始照射激光的聚光點距離dp。在此，利用激光輸出w、工件表面22的反射率r、激光射出部16的面積a1以及光纖照射端16的位置處的反射光的面積a2，通過以下的式(2)表示向激光射出部16反射的反射光的光束φ。

φ＝w×r×a1/a2(2)

能夠根據(jù)聚光光學系統(tǒng)18的焦點距離f、聚光點距離dp并基于實際測量或計算求出反射光的面積a2，因此通過將光束φ的容許值設定為不會使激光光源發(fā)生損壞的程度的值(或者對該值賦予一定的余量而得到的值)，能夠求出(設定)適當?shù)木酃恻c距離dp。

此外，在如圖1所記載的那樣地激光射出部16是光纖照射端的情況下，優(yōu)選將聚光點距離dp設定為以下距離：使返回到光纖12的芯32的反射光(的光束)和返回到光纖12的包層34的反射光的(光束)這雙方分別為規(guī)定的容許值以下的距離。由此，能夠更可靠地保護激光加工機的光纖激光振蕩器、光學系統(tǒng)免受反射光的損害。

在實驗性地求出聚光點距離的情況下，能夠通過進行小輸出、短時間的照射并基于作為其結果而得到的測定值進行計算來求出該聚光點距離。另外，也能夠在實際加工之前自動地進行這樣的測定、計算過程，來自動地求出并設定開始激光照射的聚光點距離。

圖3是激光加工機為二氧化碳激光器的情況下的加工頭的概要圖。在圖3的例子中，來自激光射出部16′的激光在傳輸空間36內(nèi)傳輸，通過聚光光學系統(tǒng)18被聚光后照射到工件表面22上。此時，通過設定上述的聚光點距離dp，能夠減少返回到激光射出部16′的反射光的光束。這樣，即使激光加工機是空間傳輸式的激光加工機，也能夠應用本發(fā)明。

圖4是表示上述的聚光點移動部26通過使聚光光學系統(tǒng)18的光學部件移動來使聚光點移動的結構例的概要圖。在圖4的例子中，聚光光學系統(tǒng)18具有凹透鏡38來作為光學部件，聚光點移動部26使凹透鏡38沿光軸方向移動，由此能夠變更聚光點24的位置。根據(jù)圖4可知，能夠使聚光點24的移動量大于凹透鏡38的移動量，這樣，根據(jù)聚光光學系統(tǒng)的設計，能夠使焦點位置快速地移動。另外，在該方法中，也能夠一邊使加工頭移動一邊照射激光，以使聚光點從工件表面的下方移動到工件表面附近。例如，在激光光源與聚光光學系統(tǒng)之間存在另外的光學部件等時，能夠防止由于反射光所形成的另外的聚光點出現(xiàn)在該光學部件上而對該光學部件產(chǎn)生不良影響。

圖5a-圖5c作為圖4的代替例，是表示上述的聚光點移動部26通過使包括聚光光學系統(tǒng)的加工頭移動來使聚光點移動的結構例的概要圖。在圖5a-圖5c的例子中，聚光點移動部26使包括聚光光學系統(tǒng)18的加工頭14整體移動，由此能夠變更聚光點的位置。在圖5a-圖5c的例子中，能夠在激光加工中進行一般的加工頭14相對于工件20的退避動作或接近動作時附帶地進行用于變更聚光點位置的加工頭14的移動。另外，在該例子中，圖示了聚光點距離設定部28構成為機械式開關的情況。

圖6是說明以下例子的圖：在進行一系列的激光加工的情況下，在某個加工部位的加工完成后前往下一個加工開始點時，在比與上述的聚光點距離dp相當?shù)募庸ゎ^的位置靠上方的位置設定經(jīng)過點。詳細地說，以使在工件20的部位m的激光加工完成后加工頭14前往下一個加工開始點n時加工頭14(的代表點)從經(jīng)過點q經(jīng)過的方式設定該經(jīng)過點q，該經(jīng)過點q在光軸方向上位于比與上述的聚光點距離dp相當?shù)募庸ゎ^的位置p靠上方的位置處。能夠在加工程序內(nèi)生成包含所設定的經(jīng)過點q的路徑。在圖6的例子中，從部位m至經(jīng)過點q的路徑為直線40，由此能夠?qū)崿F(xiàn)加工時間的進一步縮短。

圖7作為圖6的代替例，是說明以下的其它例子的圖：在進行一系列的激光加工的情況下，在某個加工部位的加工完成后前往下一個加工開始點時，在比與上述的聚光點距離dp相當?shù)募庸ゎ^的位置靠上方的位置設定經(jīng)過點。詳細地說，在工件20的部位m的激光加工完成后加工頭14前往下一個加工開始點n時，以使加工頭14(的代表點)從經(jīng)過點q經(jīng)過的方式設定該經(jīng)過點q，該經(jīng)過點q在光軸方向上位于比與上述的聚光點距離dp相當?shù)募庸ゎ^的位置p靠上方的位置處。能夠在進行一系列的激光加工的加工程序內(nèi)設定、生成所設定的經(jīng)過點q以及包括該經(jīng)過點q的路徑。在圖7的例子中，從部位m至經(jīng)過點q的路徑表示為曲線42，曲線42在經(jīng)過點q處成為不會與從經(jīng)過點q至加工頭位置p的直線44不連續(xù)地連接(加工頭14不發(fā)生急劇的加減速)。由此，能夠在某種程度上縮短加工時間，并且能夠避免由于急劇的加減速而使加工頭14受到?jīng)_擊等。

在圖6和圖7中的任一圖中，均在從加工開始點n開始激光加工之后，在工件表面22上形成小孔(keyhole)、或使表面狀態(tài)粗糙，因此返回到加工頭14的反射光少，從而能夠進行穩(wěn)定的激光加工。此外，例如能夠由以cpu等方式在圖1中示出的控制裝置30來具備作為如圖6和圖7所記載那樣的經(jīng)過點q的設定部(單元)和路徑生成部(單元)的功能，但是也能夠?qū)⒔?jīng)過點設定部和路徑生成部構成為個人計算機等與控制裝置30相分別的裝置。

圖8是說明將從與上述的聚光點距離dp相當?shù)募庸ゎ^的位置p起的加工頭14的移動速度限制為規(guī)定的速度以下的例子的曲線圖。詳細地說，如圖8的曲線46所示，加工頭14從比與聚光點距離dp相當?shù)募庸ゎ^的位置p靠前的位置(例如圖6或圖7示出的經(jīng)過點q)到位置p(時刻t1)為止以比較快的第一移動速度移動，而從位置p至相當于圖2的狀態(tài)的加工頭的位置s(時刻t2)為止以比第一移動速度慢的第二移動速度移動。例如能夠由以cpu等方式在圖1中示出的控制裝置30來具備作為這樣的移動速度的限制部(單元)的功能，但是也能夠?qū)⒁苿铀俣认拗撇繕嫵蔀閭€人計算機等與控制裝置30相分別的裝置?；蛘?，也可以設置如圖5a-圖5c那樣的機械式開關，利用來自該開關的信號將移動速度限制為規(guī)定的速度以下。

一般來說，在利用激光開始加熱工件20后使工件表面22變質(zhì)(熔融等)需要某種程度的時間。因此，在圖8的例子中，通過限制從開始激光照射的位置p起的移動速度，能夠確保該時間(在圖示例中為時刻t1～t2)。

說明采用上述的圖5a-圖5c的結構的情況，首先在圖5a中，加工頭14快速地接近工件20，在該狀態(tài)下尚未照射激光。接著如圖5b所示，當加工頭14到達上述的位置p時，設置于加工頭14的凸輪(cam)47使機械式開關(聚光點距離設定部28)工作(斷開→接通)，從機械式開關向激光光源及聚光點移動部26分別發(fā)送信號。接收到這些信號后，在開始激光光源的激光照射的同時，加工頭14的移動速度被限制為預先設定的規(guī)定的速度以下。在該狀態(tài)下，雖然存在來自工件表面22的反射光，但是其量是不會使激光光源等發(fā)生損壞的程度的值。并且，如圖5c所示，當成為聚光點的位置與工件表面22大致重合的狀態(tài)時，工件表面22已被充分地加熱，由于變形、變質(zhì)而成為能夠充分地吸收激光的狀態(tài)，能夠開始激光切割、焊接。

在圖8中，能夠基于實際測量值等來預先決定加工頭14的速度限制的模式，但是優(yōu)選的是，如表示激光照射點的中心處的工件的表面溫度的曲線48那樣，以使工件的表面溫度在加工頭從位置p至位置s的期間內(nèi)從常溫ta上升到表面發(fā)生變質(zhì)的溫度tb的方式來決定加工頭14的速度限制的模式。

此外，在上述的實施方式中，激光加工機是使用光纖的光纖激光器，但是本發(fā)明不限于此，例如也能夠應用于直接二極管激光器(ddl)或使用二氧化碳的激光加工機。而本發(fā)明在應用于具有光纖的激光加工機的情況下特別發(fā)揮顯著的效果。

根據(jù)本發(fā)明所涉及的激光加工機，在使返回到激光光源和激光光路的反射光少的聚光點位置處開始加熱被加工物來使該被加工物的表面發(fā)生變質(zhì)的同時加工頭接近該被加工物，因此能夠在抑制反射光所造成的不良影響的同時開始激光加工。