本發明涉及一種進行用于避免向激光振蕩器返回的過大的返回光的前期加工的激光加工裝置和激光加工方法。

背景技術：

在激光加工中，有時由于來自工件表面的過大且時間長的返回光而導致激光振蕩器和激光加工裝置的光學系統發生故障。在返回光的強度超過規定的閾值的情況下，雖然產生警報并使激光振蕩停止，但是發生加工不良并且利用率下降。作為避免這種返回光的技術，例如公知以下的專利文獻。

在日本特開2014-117730號公報中記載了以下發明：在激光加工前，作為預加工，一邊變更焦點位置一邊以穿孔條件來照射激光，存儲反射光低的位置，并且在該位置進行穿孔加工(鉆孔加工)。

在日本專利第4174267號公報中記載了以下發明：在鉆孔加工或切割加工之前，以脈沖的方式照射激光，在反射光的測定值超過規定值的情況下，縮短激光的脈沖寬度。

在國際公開第2013/014994號中記載了以下發明：對工件進行激光照射，根據其反射光來判定所設定的加工條件是否與工件一致。

技術實現要素：

然而，若由于某種原因而在激光加工開始時沒有迅速地在工件表面發生熔融、變形、變性等，則存在依然產生過大且時間長的返回光的擔憂。

因此，尋求一種在激光加工開始時可靠地使工件發生熔融、變形或變性來在激光加工時避免過大且時間長的返回光的技術。

本發明的第一方式提供一種激光加工裝置，具備：激光振蕩器；存儲部，其存儲加工程序和加工條件；以及控制部，其按照加工程序來對激光加工進行指示，該激光加工裝置對工件照射激光來進行激光加工，該激光加工裝置還具有：光量測定部，其測定作為照射激光的結果而從加工點反射或發射的光的光量；第一存儲部，其存儲高輸出條件，該高輸出條件是根據加工條件中的至少一部分條件而預先通過實驗或計算求出的，包含會使工件發生熔融、變形或變性的照射強度和照射時間；第二存儲部，其存儲低輸出條件，該低輸出條件是根據加工條件中的至少一部分條件而預先通過實驗或計算求出的，包括不會使工件發生熔融、變形或變性的照射強度和照射時間；以及前期加工控制部，其進行以高輸出條件對工件進行前期加工的指示，并進行以低輸出條件向工件照射激光的指示，并且基于作為以低輸出條件向工件照射激光的結果而由光量測定部測定出的第一光量，來進行是否開始激光加工的指示。

本發明的第二方式提供一種激光加工裝置，在第一方式中，還具有：第三存儲部，其存儲作為以低輸出條件向工件照射激光的結果而由光量測定部測定出的第一光量；第四存儲部，其存儲作為在進行以高輸出條件對工件進行前期加工的指示之前以低輸出條件向工件照射激光的結果而由光量測定部測定出的第二光量；以及第五存儲部，其存儲用于判斷是否開始激光加工的光量的基準值，前期加工控制部在進行以高輸出條件對工件進行前期加工的指示之前，進行以低輸出條件向工件照射激光的指示，并且基于第一光量、第二光量以及基準值來進行是否進行激光加工的指示。

本發明的第三方式提供一種激光加工裝置，在第一方式或第二方式中，光量測定部設置于激光振蕩器，測定從工件向激光振蕩器返回的返回光的光量，以限制值來限制作為以高輸出條件和低輸出條件照射激光的結果而由光量測定部測定的返回光，所述限制值用于對(a)返回光的強度的峰值、(b)每規定時間的返回光的強度的平均值、(c)在規定時間內返回光的強度的峰值超過限制值的次數、(d)每一脈沖輸出的返回光的熱量設定限制。

本發明的第四方式提供一種激光加工裝置，在第三方式中，返回光的限制值包含返回光的光量的大小的限制值和返回光的持續時間的限制值，高輸出條件中的返回光的光量的大小的限制值大于低輸出條件中的返回光的光量的大小的限制值，高輸出條件中的返回光的持續時間的限制值短于低輸出條件中的返回光的持續時間的限制值。

本發明的第五方式提供一種在激光加工裝置中執行的激光加工方法，該激光加工裝置具有：激光振蕩器；存儲部，其存儲加工程序和加工條件；控制部，其按照加工程序來對激光加工進行指示；以及光量測定部，其測定作為照射激光的結果而從加工點反射或發射的光的光量，該激光加工裝置對工件照射激光來進行激光加工，該激光加工方法包括以下步驟：以高輸出條件對工件進行前期加工，該高輸出條件是根據加工條件中的至少一部分條件而預先通過實驗或計算求出的，包括會使工件發生熔融、變形或變性的照射強度及照射時間；以低輸出條件向工件照射激光，該低輸出條件是根據加工條件中的至少一部分條件而預先通過實驗或計算求出的，包括不會使工件發生熔融、變形或變性的照射強度及照射時間；以及基于作為以低輸出條件向工件照射激光的結果而由光量測定部測定出的第一光量，來進行是否開始激光加工的指示。

附圖說明

圖1是表示本發明的第一實施方式中的激光加工裝置的結構的概要圖。

圖2是第一實施方式中的激光加工裝置的框圖。

圖3是第一實施方式中的前期加工控制部的框圖。

圖4是表示第一實施方式中的照射強度與返回光的光量的關系的曲線圖。

圖5是表示第一實施方式中的激光加工方法的流程圖。

圖6是表示第一實施方式中的照射強度與來自加工點的反射光或發射光的光量的關系的曲線圖。

圖7是表示第二實施方式中的激光加工方法的流程圖。

圖8是表示第二實施方式中的照射強度與來自加工點的反射光或發射光的光量的關系的曲線圖。

圖9是表示第三實施方式中的照射強度與返回光的限制值的關系的曲線圖。

具體實施方式

下面，參照附圖來詳細地說明本發明的實施方式。在各附圖中，對相同的結構要素標注相同的標記。此外，以下所記載的內容并不限定權利要求書所記載的發明的技術范圍和用語的意義。

(第一實施方式)

參照圖1和圖2來說明本發明的第一實施方式中的激光加工裝置的結構。圖1是表示第一實施方式中的激光加工裝置的結構的概要圖。激光加工裝置1對由金屬或非金屬形成的工件2進行用于抑制向激光振蕩器3返回的返回光的前期加工，在確認了工件2的表面發生了抑制返回光的程度的熔融、變形或變性之后，開始鉆孔、切割、焊接、標記等激光加工。激光加工裝置1具有激光振蕩器3、光纖4、加工頭5、數值控制裝置6、機構控制部7、設置于加工頭5的光量測定部8以及設置于激光振蕩器3的光量測定部9。

圖2是第一實施方式中的激光加工裝置的框圖。激光加工裝置1具有存儲加工條件10和加工程序11的存儲部12以及按照加工程序11來對激光加工裝置1整體進行控制的控制部13。存儲部12由ram、rom等存儲器構成，控制部13由cpu、mpu等處理器構成。控制部13根據加工條件10對輸出控制部14進行激光的輸出指示，輸出控制部14對激光用電源15進行根據輸出指示生成的脈沖指示。激光用電源15向激勵用激光源供給根據脈沖指示生成的電力，來向激光諧振器16提供激勵用激光，激光諧振器16利用激勵用激光進行諧振來射出激光l。

控制部13根據加工條件10對位置控制部20進行工件2相對于加工頭5的位置指示，位置控制部20對伺服放大器21進行根據位置指示生成的脈沖指示。伺服放大器21向伺服電動機22提供對脈沖指示乘以反饋脈沖而生成的驅動信號，伺服電動機22使對加工頭5的聚光透鏡23的位置(即，圖1所示的聚光點c的位置)進行變更的b軸24旋轉。雖然未圖示，但是激光加工裝置1與x、y以及z軸相應地具備位置控制部、伺服放大器以及伺服電動機。

激光加工裝置1具有對使工件發生熔融、變形或變性的前期加工進行控制的前期加工控制部30，以抑制激光加工時向激光振蕩器3返回的返回光r。關于前期加工控制部30，雖然沒有限定，但是能夠由asic、fpga等集成電路構成，在其它實施方式中，前期加工控制部30構成為從存儲部12讀取并由控制部13執行的前期加工程序。圖3是第一實施方式中的前期加工控制部的框圖。為了將激光加工時的返回光r的光量抑制為按每個激光振蕩器設定的限制值35以下，前期加工控制部30進行以使工件發生熔融、變形或變性的高輸出條件31對工件2進行前期加工的輸出指示，并且為了確認通過前期加工而工件2的表面已充分地發生了熔融、變形或變性，進行以低輸出條件33向工件2照射激光的輸出指示。經由輸入輸出部45將這些輸出指示輸出到圖2所示的輸出控制部14。

如圖2所示，分別由設置于加工頭5的光量測定部8和設置于激光諧振器16的光量測定部9測定作為以低輸出條件向工件2照射激光的結果而從加工點p反射或發射的光e和光r的光量。由光量測定部8和光量測定部9測定出的光量分別由放大部25和放大部26放大后輸入到前期加工控制部30。進行了前期加工之后由光量測定部8和光量測定部9測定出的光量如圖3所示那樣經由輸入輸出部45而作為第一光量37存儲到第三存儲部38。前期加工控制部30基于第一光量37來確認工件2的表面是否已充分地熔融、變形或變性到能夠將激光加工時的返回光r抑制為限制值35以下的程度，并進行是否開始激光加工的指示。

在通過前期加工而工件2的表面已充分地熔融、變形或變性到激光加工時的返回光能夠被抑制為限制值35以下的程度的情況下，第一光量37為基準值39以下。基準值39是預先通過實驗或計算求出的，存儲在第五存儲部40中。在第一光量37為基準值39以下的情況下，前期加工控制部30經由輸入輸出部45對圖2所示的控制部13進行開始激光加工的指示，在第一光量37超過基準值39的情況下，前期加工控制部30進行以下的輸出指示：不進行激光加工而再次以高輸出條件31進行前期加工。前期加工控制部30將進行前期加工的輸出指示反復進行，直到第一光量37變為基準值39以下為止。

在此，更詳細地說明高輸出條件31和低輸出條件33。高輸出條件31是進行前期加工的輸出條件，因此包含雖然使工件2發生熔融、變形或變性但是不會因向激光振蕩器3返回的返回光r而使激光加工裝置1發生損傷的照射強度和照射時間。換言之，是以果斷的高輸出而在一瞬間之內使工件2發生變質的輸出條件。另一方面，低輸出條件33是用于確認工件2的表面是否已熔融、變形或變性到激光加工時的返回光r被限制為限制值35以下的程度的輸出條件，因此包含不會使工件2發生熔融、變形或變性且不會因向激光振蕩器3返回的返回光而使激光加工裝置1發生損傷的照射強度和照射時間。換言之，是以非常小的輸出而對工件2和對激光加工裝置1均不造成影響的輸出條件。高輸出條件31和低輸出條件33是根據激光加工中使用的加工條件10中的至少一部分條件而預先通過實驗或計算求出的，與加工條件相應地存儲在第一存儲部32和第二存儲部34。

說明高輸出條件31和低輸出條件33的求出方法的一例。首先，設定加工條件10中的至少一部分條件，即工件2的材質、工件2的表面狀態、激光的波長、激光相對于工件2的入射角、激光的偏振特性、激光的光束直徑等。例如，以設為不銹鋼sus304、鏡面精加工、防銹油涂布、激光的波長1.06μm、垂直入射、隨機偏振、光束直徑1000μm的方式準備激光加工裝置1。

接著，為了求出高輸出條件31，反復進行一邊變更照射強度和照射時間一邊向工件2照射激光的實驗。然后，求出雖然會使工件2發生熔融、變形或變性但是不會因返回光r而使激光加工裝置1發生損傷的照射強度和照射時間。作為其結果而在該例中求出的高輸出條件31為激光功率3000w、頻率1000hz、占空比20％以及照射時間2ms。同樣地，為了求出低輸出條件33，反復進行一邊變更照射強度和照射時間一邊向工件2照射激光的實驗。然后，求出不會使工件2發生熔融、變形或變性且不會因返回光r而使激光振蕩器3等發生損傷的照射強度和照射時間。作為其結果而在該例中求出的低輸出條件33為激光功率100w、連續照射以及照射時間8ms。

此外，高輸出條件31和低輸出條件中的返回光r的光量被限制為按每個激光振蕩器設定的限制值35以下，使得不會因返回光r而使激光加工裝置1發生損傷。圖4是表示第一實施方式中的照射強度與返回光的光量的關系的曲線圖。圖4所示的限制值雖然用于對返回光的強度的峰值設定限制，但是并不限定于此，也包括對每規定時間的返回光的強度的平均值、或者每規定時間的返回光的強度的峰值超過限制值的次數、或者每一脈沖的返回光的熱量設定限制。

接著，參照圖5和圖6來說明第一實施方式中的激光加工方法。圖5是表示第一實施方式中的激光加工方法的流程圖，圖6是表示第一實施方式中的照射強度與來自加工點的反射光或發射光的光量的關系的曲線圖。圖5所示的激光加工方法是通過由圖2所示的前期加工控制部30進行指示來執行的。首先，在步驟s100中，為了抑制激光加工時的返回光而以高輸出條件照射激光，該高輸出條件包含雖然會使工件發生熔融、變形或變性但是不會因向激光振蕩器返回的返回光而對激光加工裝置造成損傷的照射強度和照射時間。在圖6中示出在步驟s100中為使工件發生熔融、變形或變性而使用的照射強度與來自加工點的反射光或發射光的光量。

接著，在步驟s101中，為了確認工件表面是否已熔融、變形或變性到抑制激光加工時的返回光的程度，而以低輸出條件照射激光，該低輸出條件包含不會使工件發生熔融、變形或變性且不會因向激光振蕩器返回的返回光而對激光加工裝置造成損傷的照射強度和照射時間。接著，在步驟s102中，測定來自加工點的反射光或發射光的光量(第一光量)。在圖6中示出在步驟s101中為確認工件表面而使用的照射強度與第一光量。

接著，在步驟s103中，判斷第一光量是否為基準值以下。如圖5所示，在第一光量為基準值以下的情況(步驟s103的“是”)下，工件已充分地熔融、變形或變性到激光加工時的返回光被抑制為限制值以下的程度，因此在步驟s104中，以所輸入的加工條件10來開始激光加工。另一方面，在第一光量超過基準值的情況(步驟s103的“否”)下，返回到步驟s100，再次進行前期加工。反復進行前期加工，直到第一光量成為基準值以下為止。

(第二實施方式)

接著，參照圖7和圖8來說明本發明的第二實施方式中的激光加工方法。圖7是表示第二實施方式中的激光加工方法的流程圖，圖8是表示第二實施方式中的照射強度與來自加工點的反射光或發射光的光量的關系的曲線圖。圖7所示的激光加工方法是通過由圖2所示的前期加工控制部30進行指示來執行的。在第二實施方式中的激光加工方法中，在進行前期加工之前，事先測定來自加工點的反射光或發射光的光量(第二光量)，基于第一光量和第二光量來判斷是否實現了使工件發生熔融、變形或變性，在幾乎未實現使工件發生熔融、變形或變性的情況下，變更相對于工件的聚光點的位置來再次進行前期加工。

首先，在步驟s200中，為了在進行前期加工之前確認工件的表面狀態，以低輸出條件照射激光，該低輸出條件不會使工件發生熔融、變形或變性且不會因向激光振蕩器返回的返回光而對激光加工裝置造成損傷。接著，在步驟s201中，測定進行前期加工前的來自加工點的反射光或發射光的光量(第二光量)。在圖8中示出在步驟s200中為了確認工件的表面狀態而使用的照射強度和第二光量。進行前期加工前由光量測定部8和光量測定部9測定出的光量作為第二光量41而被存儲到圖3所示的第四存儲部42中。

接著，在步驟s202～s204中，與第一實施方式同樣地進行前期加工并測定進行了前期加工后的第一光量。當在步驟s205中第一光量超過基準值的情況(步驟s205的“否”)下，在步驟s207中判斷第一光量是否為第二光量的70％以下。在第一光量為第二光量的70％以下的情況(步驟s207的“是”)下，工件表面雖然未充分地發生熔融、變形或變性，但是工件某種程度地發生了熔融、變形或變性，因此在步驟s202中再次進行前期加工。另一方面，在第一光量不是第二光量的70％以下的情況(步驟s207的“否”)下，工件表面幾乎未發生熔融、變形或變性，因此在步驟s208中變更相對于工件的聚光點的位置。在圖8中示出工件表面幾乎未發生熔融、變形或變性時的照射強度和第一光量。在步驟s208中使聚光點的位置向下方移動，在提高了照射強度的狀態下，在步驟s202中再次進行前期加工。

當在步驟s205中第一光量變為基準值以下的情況(步驟s205的“是”)下，工件熔融、變形或變性到激光加工時的返回光的光量被抑制為限制值以下的程度，因此在步驟s206中，以所輸入的加工條件10開始激光加工。

(第三實施方式)

接著，說明本發明的第三實施方式中的高輸出條件和低輸出條件的求出方法。圖9是表示第三實施方式中的照射強度與返回光的光量的關系的曲線圖。在第三實施方式中，在預先通過實驗或計算求出高輸出條件和低輸出條件時，利用高輸出條件用限制值和低輸出條件用限制值。

如圖9所示，高輸出條件用限制值和低輸出條件用限制值包含返回光的光量的大小的限制值和返回光的持續時間的限制值。高輸出條件是以果斷的高輸出來在一瞬間之內使工件發生變質的輸出條件，因此如圖9所示，雖然返回光的光量的大小的限制值允許超過按每個激光振蕩器設定的返回光的限制值，但是返回光的持續時間的限制值被限制為非常短的時間，以避免激光加工裝置的損傷。

同樣地，低輸出條件用限制值也包含返回光的光量的大小的限制值和返回光的持續時間的限制值。低輸出條件是以非常小的輸出而對工件和對激光加工裝置均不造成影響并用于確認工件的表面已充分地熔融、變形或變性的輸出條件，因此如圖9所示，雖然返回光的光量的大小的限制值被限制為遠遠小于按每個激光振蕩器設定的返回光的限制值，但是允許相對于高輸出條件用限制值而言返回光r的持續時間的限制值較長。

換言之，高輸出條件中的返回光的光量的大小的限制值大于低輸出條件中的返回光的光量的大小的限制值，但是高輸出條件中的返回光的持續時間的限制值短于低輸出條件中的返回光的持續時間的限制值。

預先通過實驗或計算求出高輸出條件和低輸出條件，以滿足以上的高輸出條件用限制值和低輸出條件用限制值。此外，如圖3所示，可以將高輸出條件用限制值43和低輸出條件用限制值44存儲在第六存儲部36中。

在此，說明本發明的作用效果。根據本發明，通過進行前期加工，使工件表面發生變質后開始激光加工，因此能夠進行穩定的且持續的激光加工。另外，確認了工件表面的變質后開始激光加工，因此即使在工件表面的變質不充分的情況下也不會出乎預料地因返回光而使激光振蕩器、激光加工裝置的光學系統發生損傷，能夠保護激光加工裝置。

即，根據本發明，能夠避免來自工件表面的過大且持續時間長的返回光，也能夠避免因警報而發生停止，因而能夠進行穩定且持續的激光加工。

此外，也可以將前述的實施方式中的程序記錄在計算機可讀取的非易失性記錄介質、例如cd-rom中來提供。

在本說明書中說明了各種實施方式，但是希望認識到，本發明不限定于前述的各種實施方式，在權利要求書所記載的范圍內能夠進行各種變更。