專利名稱：混合激光加工方法及該方法所用的混合激光頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將來自YAG等固體激光介質(zhì)產(chǎn)生的第1激光及半導(dǎo)體激光器(以下稱為LD)產(chǎn)生的第2激光等的兩種激光系統(tǒng)的兩個(gè)不同激光疊加作為混合激光照射被加工物體進(jìn)行加工的混合激光加工方法及該方法所用的混合激光頭。
背景技術(shù)：
為了利用激光進(jìn)行焊接等加工，有下列幾種裝置，一是將照射的一個(gè)激光聚焦，使其具有與焊接寬度及焊接深度相對(duì)應(yīng)的光軸上的多個(gè)焦點(diǎn)位置，能夠滿足規(guī)定的焊透的深度(例如參照專利文獻(xiàn)1)；二是將兩種YAG激光疊加照射，使得即使是具有高反射率及高散熱率的金屬材料，也能夠得到足夠的焊透截面積及焊透深度(例如參照專利文獻(xiàn)2)；三是同時(shí)使用激光及電弧的激光/電弧焊接混合方式(例如參照專利文獻(xiàn)3)等。另外，也有的情況是在照射激光的同時(shí)噴出惰性氣體，保護(hù)焊接時(shí)的熔融金屬，防止氧化(例如參照專利文獻(xiàn)3及4)。專利文獻(xiàn)4揭示了一種技術(shù)，它特別在激光頭的激光照射口的外圍設(shè)置頭細(xì)的形成圓錐形的環(huán)狀通路，從該環(huán)狀通路噴出保護(hù)氣體，與此相應(yīng)從在頭內(nèi)的聚焦透鏡的前面部沿光軸方向排列的多個(gè)氣刀噴嘴噴出橫切照射的激光的氣刀，防止從焊接部分飛濺的濺射粒子到達(dá)并附著在聚焦透鏡等上。
另外，近來根據(jù)所謂同時(shí)提高焊接的熔深及速度的互相矛盾的要求，研究一種新型焊接方式等以代替上述那樣的焊接方法，它是將來自利用脈沖控制進(jìn)行激勵(lì)的第1LD的第1激光與來自利用CW控制進(jìn)行激勵(lì)的第2LD的第2激光進(jìn)行疊加，或者將AG激光與LD激光疊加。同時(shí)制造了各種樣機(jī)及實(shí)用機(jī)器，并且開始供應(yīng)。
特開2000-005892號(hào)公報(bào)[專利文獻(xiàn)2]特開2002-028795號(hào)公報(bào)[專利文獻(xiàn)3]特開2003-164983號(hào)公報(bào)[專利文獻(xiàn)4]特開平11-267876號(hào)公報(bào)但是，采用第1LD與第2LD的組合，難以完全確保輸出。具體來說，第1LD以滿功率連續(xù)1000小時(shí)左右，功率將下降，而用第2LD在加工點(diǎn)的最大輸出只能得到20W左右。因而，還不能達(dá)到實(shí)用的要求。另外，在使用LD激勵(lì)YAG激光及LD激光形成的混合激光進(jìn)行焊接等加工中，雖然加工精度及速度都提高，但仍然是初級(jí)階段，還不能滿足作為汽車工業(yè)等鋁制品封口焊接等的新目標(biāo)的要求。因此，本發(fā)明者等進(jìn)行了要進(jìn)一步提高YAG激光及LD激光的組合特性的實(shí)驗(yàn)，正反復(fù)進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)了焊接精度及速度都能提高的各種主要因素。
另外，在上述以往的利用惰性氣體的保護(hù)方式中還不能得到十分滿意的結(jié)果。例如，在專利文獻(xiàn)3所述的方式中，由于僅將惰性氣體的射流束噴射焊接部位，因此射流束一面卷入周圍的空氣，一面向焊接部分噴射，由于卷入空氣的影響，產(chǎn)生保護(hù)不好的現(xiàn)象，從而熔融金屬氧化，有損光亮的表面，也成為焊接缺陷及裂紋發(fā)生的原因。另外，在專利文獻(xiàn)4所述的技術(shù)中，在頭的照射口周圍形成頭細(xì)的圓錐形的環(huán)狀通路，從環(huán)狀通路噴出的保護(hù)氣體仍然不能避免卷入周圍的空氣向焊接部位噴射的問題，另外在面向焊接部位聚束噴射的保護(hù)氣體中容易產(chǎn)生面向頭內(nèi)的逆流成分，起到將焊接部位產(chǎn)生的濺射粒子主動(dòng)送入頭內(nèi)的作用。專利文獻(xiàn)4所述的技術(shù)中，雖然利用氣刀切斷到達(dá)聚焦透鏡的粒子，但這即使?jié)M足要求，還存在將濺射粒子向頭的周圍的氣氛中噴出飛濺的問題，另外頭內(nèi)容易受到濺射粒子的污染。這即使通過從頭內(nèi)噴出惰性氣體能夠解決，但卷入周圍的空氣向焊接部分噴射的問題仍沒有解決。本發(fā)明者等對(duì)于這些問題也發(fā)現(xiàn)了解決辦法。
本發(fā)明的主要目的是，根據(jù)以上那樣的新獲得的知識(shí)，即使對(duì)于鋁那樣的高反射率的金屬材料，也提供能夠以足夠的焊透深度及焊透寬度、而且能夠以更高速進(jìn)行焊接的混合激光加工方法及該方法所用的混合激光頭，還能夠解決焊接部位的氧化及濺射粒子產(chǎn)生的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的混合激光加工方法，是在將來自兩種激光系統(tǒng)的不同的第1與第2激光疊加作為混合光、照射被加工物體上進(jìn)行加工的混合激光加工方法中，第1及第2激光同時(shí)照射被加工物體上的相同位置，第2激光在被加工物體上的有效光點(diǎn)尺寸D2小于第1激光的有效光點(diǎn)尺寸D1，這樣對(duì)被加工物體進(jìn)行加工，具體來說，在將固體激光介質(zhì)產(chǎn)生的第1激光與LD產(chǎn)生的第2激光疊加作為混合激光、照射被加工物體進(jìn)行加工的混合激光加工方法中，進(jìn)行聚焦，使得混合激光中的第2激光在被加工物體上的有效光點(diǎn)尺寸D2小于第1激光的有效光點(diǎn)尺寸D1，這樣照射被加工物體，進(jìn)行加工。
在這樣的構(gòu)成中，為了將來自兩種激光系統(tǒng)的不同的兩個(gè)激光疊加作為混合光照射被加工物體上進(jìn)行加工，以有效光點(diǎn)尺寸具有D1和D2的大小之差照射第1及第2激光，通過這樣，與周邊相比，能夠更促進(jìn)其中心部位的加工，能夠提高加工的滲透度及熔深。在具體例子中，特別是利用適合大功率輸出的第1激光的聚焦，確保焊接等所必需的加工寬度及加工強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)于比第1激光的輸出功率小的第2激光，通過其有效光點(diǎn)尺寸D2小于第1激光的有效光點(diǎn)尺寸D1，力圖更集中照射能量，在前述第1激光確保的必需的加工寬度內(nèi)，特別是在更有限的特定寬度內(nèi)，和第2激光的聚焦直徑與第1激光相同時(shí)相比，提高加工率，增大加工的滲透速度及滲透深度，即使是鋁等高反射率的金屬材料的焊接，也能夠滿足足夠的焊接寬度、即焊透寬度及焊透深度，而且能夠以高速度進(jìn)行焊接。另外，適合于限于特定寬度內(nèi)利用疊加的混合激光效果進(jìn)行的初始加工、以及促進(jìn)熔深以抑制射粒子的發(fā)生。
對(duì)于這些情況，有效光點(diǎn)尺寸的比例最好設(shè)定為0.2≤D2/D1≤0.8，照射第1及第2激光，使得第2激光的有效光點(diǎn)位于第1激光的有效光點(diǎn)的內(nèi)側(cè)，通過這樣在其中心部分形成小孔，能夠更深生長，更促進(jìn)初始加工及熔深。
另外，第2激光的有效光點(diǎn)尺寸D2若設(shè)定為小于等于加工中發(fā)生的小孔尺寸D3，則光能更集中，從而即使第1激光利用脈沖控制暫時(shí)不照射，也能夠維持小孔，防止因小孔早閉合而將金屬蒸發(fā)封入所發(fā)生氣孔。
因此，第2激光最好照射加工中的小孔的位置，若加工速度增大，則由于小孔的發(fā)生部位向前方位移，因此使第2激光的照射位置與該位置相對(duì)應(yīng)。
這樣的混合激光加工采用下述的混合激光頭容易完成，這種混合激光頭的主要特征在于，在具有混合激光照射口的頭本體中具有導(dǎo)入來自兩種激光系統(tǒng)的不同的兩個(gè)激光的第1及第2導(dǎo)入部；位于照射光軸上的前后、并使從第1及第2導(dǎo)入部導(dǎo)入的第1及第2激光反射而作為在前照射光軸上疊加的混合激光并面向照射側(cè)的第1及第2反射鏡；以及面向照射對(duì)象物體聚焦、使得混合激光中的第2激光在被加工物體上的有效光點(diǎn)尺寸小于第1激光的有效光點(diǎn)尺寸的聚焦光學(xué)系統(tǒng)。
根據(jù)上述，是將第1激光與第2激光分別引至一個(gè)激光頭，在該頭的內(nèi)部疊加，作為混合激光照射被加工物體，由于不同特性的激光在最終的聚焦階段疊加，形成混合激光，因此在此之前的光路以光纖為例，由于其種類及纖心直徑等的不同，能夠更有效地利用各自的特性，而且能夠避免在聚焦階段以前的更早時(shí)期疊加后經(jīng)過長長的公共路徑而相互特性損失或降低的情況，也能夠避免高能量對(duì)周圍的影響大的弊端。
在這樣的混合激光頭中，其構(gòu)成為第1反射鏡位于第2反射鏡之前，第1反射鏡施加對(duì)于來自引起YAG等激光振蕩的固體激光介質(zhì)的激光的HR覆蓋層及對(duì)于LD激光的AR覆蓋層，第2反射鏡施加對(duì)于LD激光的HR覆蓋層，或者其構(gòu)成為第1反射鏡位于第2反射鏡之后，第1反射鏡施加對(duì)于YAG激光的HR覆蓋層，第2反射鏡施加對(duì)于LD激光的HR覆蓋層及對(duì)于來自固體激光介質(zhì)的激光的AR覆蓋層，通過這樣，無論第1及第2反射鏡在照射光軸上哪一個(gè)處于前或后的關(guān)系，也能夠根據(jù)第1及第2激光的各波長、以及和反射鏡的位置不同相對(duì)應(yīng)的第1及第2反射鏡的反射及透鏡特性，最大限度抑制第1及第2激光的能量損失，提高能量效率。
第1激光是利用脈沖控制進(jìn)行輸出控制的脈沖激光，第2激光是利用CW控制進(jìn)行輸出控制的包含CW調(diào)制的CW激光，在進(jìn)一步這樣的構(gòu)成中，一面利用第2激光的CW控制，對(duì)前述必需的加工寬度內(nèi)的有限寬度內(nèi)持續(xù)集中輸出能量，力圖不間斷地促進(jìn)與第2激光的低輸出相對(duì)應(yīng)的預(yù)加工，一面利用第1激光的脈沖控制，對(duì)整個(gè)必需的加工寬度不過分地重復(fù)瞬間的高輸出，以很快地加工速度滿足足夠的加工寬度，同時(shí)能夠確實(shí)完成利用前述第2激光在特定寬度內(nèi)促進(jìn)預(yù)加工進(jìn)行的加工的早期滲透及熔深。即，在僅通過脈沖激光的斷續(xù)照射會(huì)產(chǎn)生小孔、或不產(chǎn)生小孔時(shí)，通過同時(shí)使用CW激光的連續(xù)照射，使得能夠確實(shí)產(chǎn)生小孔，使加工穩(wěn)定。
但是，不限于以上所述，反之即使脈沖激光的有效光點(diǎn)尺寸D1小于CW激光的有效光點(diǎn)尺寸D2，但由于加工中的中央部位的溫度上升，小孔容易發(fā)生，因此也是有效的，但是若CW激光的有效光點(diǎn)尺寸D2小于脈沖激光的有效光點(diǎn)尺寸D1，則容易產(chǎn)生更深的小孔，因此更合適。
這里，作為脈沖激光的照射裝置，包含脈沖燈激勵(lì)YAG、脈沖激勵(lì)激光器及脈沖光纖激光器，所謂脈沖激光是指斷續(xù)輸出的激光，作為CW激光的照射裝置，包含LD直接激光器，LD激勵(lì)CW激光器及CW光纖激光器，所謂CW激光是指激光器連續(xù)照射的激光。
第1激光是由YAG等引起激光振蕩的固體激光介質(zhì)產(chǎn)生的激光，形成混合激光的疊加是利用GI或SI光纖導(dǎo)入的第1激光與利用GI光纖導(dǎo)入的第2激光進(jìn)行的，它們對(duì)于被加物體的聚焦是公用聚焦透鏡進(jìn)行的，該聚焦透鏡設(shè)計(jì)成使得第1激光以規(guī)定的聚焦直徑進(jìn)行聚焦，在進(jìn)一步這樣的構(gòu)成中，由于第2激光與第1激光的波長不同，因此雖然公用聚焦透鏡，但能以小于第1激光的聚焦直徑進(jìn)行聚焦，而且通過利用GI(漸變型)光纖導(dǎo)入第2激光，使得聚焦成小于第1激光的聚焦直徑，所以容易將照射能量更集中在特定寬度內(nèi)，特定寬度內(nèi)的混合光效果提高。第1激光雖然也可以利用GI光纖引導(dǎo)，容易使其聚焦，但也可以根據(jù)需要利用SI(階躍型)光纖導(dǎo)入，這也沒有什么特別的問題。
這樣的方法可以采用下述的混合激光頭容易完成，該混合激光頭的第1激光是由YAG引起激光振蕩的固體激光介質(zhì)產(chǎn)生的激光，第1導(dǎo)入部利用GI或SI光纖與第1激光光源一側(cè)連接，第2導(dǎo)入部利用GI光纖與第2激光光源一側(cè)連接。
對(duì)被加工物體上的加工位置進(jìn)行照明，這時(shí)的反射光透過第1及第2反射鏡，利用由直徑小于前述混合激光照射角的聚焦透鏡的消色差透鏡或小孔來成像的監(jiān)控圖像，對(duì)加工狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)控結(jié)果來調(diào)整加工條件，在進(jìn)一步這樣的構(gòu)成中，若對(duì)被加工物體進(jìn)行照明，則一方面它的反射光反向透過聚焦透鏡，使得也面向第1及第2反射鏡的光透過第1及第2反射鏡，引導(dǎo)至激光照射光學(xué)系統(tǒng)以外成像，供監(jiān)控用，以便進(jìn)行加工條件的調(diào)整，另一方面利用直徑小于前述聚焦透鏡的進(jìn)行無色處理等的消色差透鏡或針孔等的小孔進(jìn)行前述成像，通過這樣在滿足聚焦透鏡、第1及第2反射鏡的對(duì)于第1及第2激光的照射用的足夠的反射特性及透射特性之后，以深的焦點(diǎn)深點(diǎn)得到清晰的成像，使得前述監(jiān)控容易而且正確。在利用針孔時(shí)，同時(shí)能夠使結(jié)構(gòu)簡化。
這樣的方法可以采用下述的混合激光頭容易完成，該混合激光頭具有對(duì)被加工物體上的加工位置進(jìn)行照明的照明器、以及將從照射對(duì)象物體反射并透過第1及第2反射鏡的反射光利用直徑小于前述聚焦光學(xué)系統(tǒng)的聚焦透鏡的消色差透鏡或小孔成像以供監(jiān)控用的監(jiān)控?cái)z像頭。
這種情況下，照明器是利用光纖將來自白色LED的白色光引導(dǎo)進(jìn)行照明的，在進(jìn)一步這樣的構(gòu)成中，利用光纖將來自白色LED的白色光準(zhǔn)確引導(dǎo)，并對(duì)于照射對(duì)象物體的混合激光照射部不造成其它妨礙，即使在照射對(duì)象物體的混合激光照射部保持光亮表面進(jìn)行加工時(shí)，也能夠一面抑制其輝度，一面將表面狀態(tài)及加工狀態(tài)在監(jiān)控?cái)z像頭一側(cè)清楚成像，而沒有閃光或光暈，使得能夠容易而且準(zhǔn)確辨認(rèn)表面狀態(tài)及加工狀態(tài)。
在第1及第2激光中，使對(duì)應(yīng)的第1及第2反射鏡在光軸上的位置處于前面的一個(gè)激光先輸出，對(duì)試射物進(jìn)行照射，從而在試射物上得到照射痕跡，然后使對(duì)應(yīng)的第1及第2反射鏡在光軸上的位置處于后面的另一個(gè)激光輸出，對(duì)試射物進(jìn)行照射，同時(shí)一面看著前述監(jiān)控圖像，一面調(diào)整對(duì)應(yīng)的反射鏡的方向，使得該照射位置位于前述照射痕跡內(nèi)的規(guī)定區(qū)域，在這之后供給加工用，在進(jìn)一步這樣的構(gòu)成中，為了使第1及第2激光在光軸上疊加作為混合光進(jìn)行照射，在照射對(duì)象物體上聚焦，則構(gòu)成該照射光學(xué)系統(tǒng)的第1及第2反射鏡和聚焦透鏡的各部分互相按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)位置，但是在各個(gè)照射光學(xué)系統(tǒng)實(shí)際使用階段，還會(huì)附加其它的條件，有時(shí)在第1及第2激光的疊加位置上會(huì)產(chǎn)生各自不同的偏移，這在實(shí)際使用階段中，通過使第1激光與第2激光相互前后照射，在監(jiān)控圖像上能夠辨認(rèn)后面的照射位置相對(duì)于前面的照射痕跡的關(guān)系，而且在第1及第2反射鏡對(duì)應(yīng)的一側(cè)調(diào)節(jié)后面的照射位置，使得在該辨認(rèn)狀態(tài)下后面的照射位置相對(duì)于前面的照射痕跡在規(guī)定位置重疊，從而能夠消除前述那樣的疊加位置偏移的現(xiàn)象，然后供給加工用，通過這樣能夠保證加工達(dá)到設(shè)計(jì)要求。特別是通過在第1及第2反射鏡內(nèi)的位于光軸上后面一側(cè)、因而是在距離照射位置較遠(yuǎn)的一側(cè)來進(jìn)行疊加位置的調(diào)節(jié)，從而照射位置相對(duì)于反射鏡方向的變化而變化的程度大，容易進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，而且這時(shí)的方向變化對(duì)于與位于光軸上的前面的反射鏡相對(duì)應(yīng)的激光照射沒有影響，而能夠進(jìn)行位置調(diào)節(jié)。
這樣的方法可以采用下述的混合激光頭來完成，該混合激光頭的第1及第2反射鏡中的至少在光軸上位于后面的一方具有鏡面方向調(diào)節(jié)部并加以支持，根據(jù)情況也可以采用第1及第2反射鏡的雙方都具有方向調(diào)整部并加以支持的結(jié)構(gòu)。再有，方向調(diào)節(jié)部也可以采用包含轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)部的結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)部利用以與照射光軸垂直的軸為中心進(jìn)行的轉(zhuǎn)動(dòng)，來調(diào)節(jié)鏡面的方向。
使混合激光通過充滿供給的惰性氣體同時(shí)使它作為向前端聚束的中央射流束連續(xù)噴出的尖頭形狀的中央通路，向加工物體照射，同時(shí)使利用繞前述中央通路周圍形成圓錐形狀的環(huán)狀通路供給的惰性氣體包圍前述照射并噴射的混合激光及中央射流束的周圍，連續(xù)噴射環(huán)膜流，來進(jìn)行加工，在進(jìn)一步這樣的構(gòu)成中，由于通過照射混合激光的中央通路，使惰性氣體形成向前端聚束的中央射流束進(jìn)行噴射，因此在照射混合激光的照射對(duì)象物體上的加工位置萬一產(chǎn)生濺射粒子，即使想要到達(dá)照射光學(xué)系統(tǒng)一側(cè)，也由于利用中央射流束的流動(dòng)而將它阻止，因此對(duì)光學(xué)系統(tǒng)一側(cè)沒有影響。而且，由于中央射流束利用從形成圓錐形狀的環(huán)狀通路噴射的環(huán)膜流將它周圍包圍，因此不會(huì)卷入外圍的空氣，將到達(dá)照射對(duì)象物體上的照射位置表面的與照射對(duì)象物體之間的空氣一面向周圍排除，一面擴(kuò)散，而且利用隨著其擴(kuò)散而產(chǎn)生的向前述環(huán)膜流的周圍的擴(kuò)散流，一面也連續(xù)覆蓋中央射流束的擴(kuò)散區(qū)域表面，一面推壓照射對(duì)象物體一側(cè)，在與照射對(duì)象物體一側(cè)之間沒有空氣進(jìn)入的余地，因此確實(shí)防止照射對(duì)象物體的利用混合激光照射進(jìn)行的加工部分產(chǎn)生氧化、或因此而導(dǎo)致的焊接不良及裂紋等，還能夠得到光亮的表面。
這樣的方法可以采用下述的混合激光頭來完成，該混合激光頭具有包括尖頭形狀的中央通路及形成圓錐形狀的環(huán)狀通路的同軸雙重噴嘴，該中央通路設(shè)置在頭本體的照射口，使位于照射光軸上照射的混合激光通過，同時(shí)充滿供給的惰性氣體并作為向前端聚束的中央射流束連續(xù)噴射，該環(huán)狀通路在該中央通路的周圍形成圓錐形狀，使供給的惰性氣體包圍前述照射的噴射的混合激光及中央射流束的周圍，連續(xù)噴射惰性氣體的膜流。
在這種情況下，還進(jìn)一步采用下述結(jié)構(gòu)，即中央通路及環(huán)狀通路為了接受供給的惰性氣體，具有在它們的外圍設(shè)置的導(dǎo)入供給的惰性氣體并充滿周圍方向的環(huán)狀通路、以及從該環(huán)狀通路向中央通路及環(huán)狀通路內(nèi)沿圓周方向并排開口的小直徑孔。
另外，在上述各情況的混合激光頭中，具有檢測在第1反射鏡面向照射側(cè)的第1激光的一部分透射光的第1檢測部、以及在第2反射鏡面向照射側(cè)的第2激光的一部分透射光的第2檢測部，在進(jìn)一步這樣的構(gòu)成中，是僅僅力圖使導(dǎo)入的第1及第2激光對(duì)于與之對(duì)應(yīng)的第1及第2反射鏡少量透射的簡單結(jié)構(gòu)，因而不會(huì)導(dǎo)致成為問題的輸出損失，通過監(jiān)控導(dǎo)入的第1及第2激光的大小，能夠判定它的輸出狀態(tài)及利用光纖等的傳送狀態(tài)。
第1檢測部與第1反射鏡位于第2反射鏡之前的情況相對(duì)應(yīng)，通過施加對(duì)于LD激光及來自YAG等引起激光振蕩的固體激光介質(zhì)的激光的雙方的HR覆蓋層的濾光片、以及可見光截止濾光片接受光，第2檢測部與第2反射鏡位于第1反射鏡之后的情況相對(duì)應(yīng)，通過施加對(duì)于來自固體激光介質(zhì)的激光的HR覆蓋層的濾光片、以及可見光截止濾光片接受光，在進(jìn)一步這樣的構(gòu)成中，以及另外第1檢測部與第1反射鏡位于第2反射鏡之后的情況相對(duì)應(yīng)，通過施加對(duì)于LD激光的HR覆蓋層的濾光片、以及可見光截止濾光片接受光，第2檢測部與第2反射鏡位于第1反射鏡之前的情況相對(duì)應(yīng)，通過施加對(duì)于LD激光及來自固體激光介質(zhì)的激光的雙方的HR覆蓋層的濾光片、以及可見光截止濾光片接受光。在進(jìn)一步這樣的構(gòu)成中，第1及第2反射鏡在照射光軸上無論是前后，即使有時(shí)經(jīng)過照射對(duì)象或監(jiān)控?cái)z像頭部分的第1及第2激光和干擾光通過第1及第2反射鏡到達(dá)第1及第2檢測部，但通過前述覆蓋層及濾光片的組合，能夠防止這些影響，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測。
第1及第2檢測部利用罩蓋覆蓋外部四周，在進(jìn)一步這樣的構(gòu)成中，還能夠防止來自混合激光頭的外圍的干擾光及塵埃等的影響。
利用以下的詳細(xì)說明及附圖的敘述，將清楚本發(fā)明的上述的目的及特征。本發(fā)明的各特征可分別單獨(dú)采用，或盡可能以各種組合復(fù)合采用。
根據(jù)本發(fā)明的混合激光加工方法，能夠滿足足夠的焊接寬度、即焊透寬度和焊透深度，而且能夠以高速度進(jìn)行焊接。另外，適合于限于特定寬度內(nèi)利用疊加的混合激光效果進(jìn)行的初始加工，以及促進(jìn)熔深以抑制濺射粒子的發(fā)生。
另外，在本發(fā)明的混合激光加工方法中，若采用供給惰性氣體的結(jié)構(gòu)，則在照射混合激光的被加工物體上的加工位置萬一產(chǎn)生濺射粒子，即使想要到達(dá)照射光學(xué)系統(tǒng)一側(cè)，也由于利用中央射流束的流動(dòng)而將它阻止，因此對(duì)光學(xué)系統(tǒng)一側(cè)沒有影響。另外，利用中央射流束和包圍它的環(huán)膜流的共同作用，能夠確定防止被加工物體的利用混合激光照射進(jìn)行的加工部分產(chǎn)生氧化、或因此而導(dǎo)致的焊接不良及裂紋等，還能夠得到光亮的表面。


圖1所示為本發(fā)明實(shí)施形態(tài)有關(guān)的混合激光頭的一個(gè)例子的剖視圖。
圖2為圖1的頭的側(cè)視圖。
圖3為圖1的頭的照射口附近放大剖視圖。
圖4為圖1的頭的第1及第2反射鏡公用的位置調(diào)節(jié)部的主視圖。
圖5為圖4的反射鏡的主視圖。
圖6為圖3的照射口部分的仰視圖。
圖7為圖1的頭的第1及第2檢測部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
圖8為圖1的頭中的第1及第2激光的照射位置調(diào)節(jié)方法說明圖。
圖9所示為圖1的頭的實(shí)施例中的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)例子。
圖10為關(guān)于激光照射頭的強(qiáng)度分布以兩個(gè)例子為代表表示的說明圖。
圖11所示為利用圖1的頭進(jìn)行的第1及第2激光照射例子示意圖。
圖12所示為按照第1與第2激光的有效光點(diǎn)尺寸D1與D2的關(guān)系的加工狀態(tài)說明圖。
圖13所示為按照第1與第2激光的有效光點(diǎn)尺寸D1與D2的關(guān)系的加工狀態(tài)說明圖。
圖14所示為激光系統(tǒng)是脈沖燈激勵(lì)激光與CW光纖激光的組合時(shí)的混合激光頭的理想例子示意圖。
圖15所示為激光系統(tǒng)是脈沖燈激勵(lì)激光與LD直接激光的組合時(shí)的理想例子示意圖。
圖16所示為激光系統(tǒng)是脈沖光纖激光與CW光纖激光的組合時(shí)的理想例子示意圖。
A、B激光系統(tǒng)1混合激光頭1a頭本體2團(tuán)體激光介質(zhì)(YAG)3第1激光4半導(dǎo)體激光器(LD)5第2激光6混合激光7被加工物體11、12第1、第2導(dǎo)入部13照射光軸14、15第1、第2反射鏡16聚焦透鏡17照射口21、22、27光纖24消色差透鏡25照明器
26監(jiān)控?cái)z像頭31惰性氣體31a中央射流束31b環(huán)膜流32中央通路33環(huán)狀通路40監(jiān)控器41控制器51噴嘴52、53環(huán)狀通路52a、53a小直徑孔61、62第1、第2檢測部63、64、65濾光片66罩蓋71試射物72照射痕跡73后面的照射位置81方向調(diào)節(jié)部81a轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)部81b偏擺調(diào)節(jié)部201小孔具體實(shí)施方式
以下參照?qǐng)D1～圖7，詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施形態(tài)有關(guān)的混合激光加工方法及該方法所用的混合激光頭，供理解本發(fā)明用。另外，以下的說明是本發(fā)明的具體例子，不是限定權(quán)利要求范圍敘述的內(nèi)容。
本實(shí)施形態(tài)有關(guān)的混合激光加工方法，是參照?qǐng)D1所示的混合激光頭1，為了將來自兩種激光系統(tǒng)A及B的不同的第1及第2激光3及與作為混合激光6照射被加工物體7進(jìn)行加工，如圖3所示進(jìn)行聚焦，使得混合激光6中的第2激光5在被加工物體7上的聚焦直徑、好有效光點(diǎn)尺寸D2小于第1激光的聚焦直長、好有效光點(diǎn)尺寸D1，這樣照射被加工物體7，進(jìn)行加工。這里所謂的有效光點(diǎn)尺寸，是指照射到被加工物體7上的第1及第2激光3及5對(duì)加工有效的尺寸，在它們的照射強(qiáng)度分布是例如圖10(a)所示那樣所謂平頂?shù)谋硎揪鶆驈?qiáng)度分布時(shí)，其整個(gè)尺寸成為有效光點(diǎn)尺寸D，但是如圖10(b)所示那樣所謂高斯強(qiáng)度分布的表示中間強(qiáng)度增加的不均勻分布時(shí)，具有有效強(qiáng)度的中間特定部分的尺寸成為有效光點(diǎn)尺寸D。該有效光點(diǎn)尺寸D不一定限于圓形。
如上所述，為了將來自兩種激光系統(tǒng)A及B的不同的兩個(gè)激光疊加作為混合光照射被加工物體上進(jìn)行加工，以有效光點(diǎn)尺寸具有D1與D2的大小之差照射第1及第2激光，通過這樣，與周邊相比，能夠更促進(jìn)其中心部位的加工，能夠提高加工的滲透度及熔深。特別是通過將來自固體激光介質(zhì)2構(gòu)成的激光系統(tǒng)A的第1激光3與來自LD4構(gòu)成的激光系統(tǒng)B的第2激光5疊加進(jìn)行上述加工，利用適合大功率輸出的第1激光3的以有效光點(diǎn)尺寸D1的聚焦，確保封口焊接等所必需的加工寬度B1及加工強(qiáng)度V，同時(shí)對(duì)于比第1激光3的輸出功率小的第2激光5，通過以小于第1激光3的有效光點(diǎn)尺寸D2進(jìn)行聚焦，力圖對(duì)特定寬度B2集中照射能量，在利用第1激光3確保的必需的加工寬度B1內(nèi)，特別是在更有限的特定寬度B2內(nèi)，和第2激光5的聚焦直長D2與第1激光3的聚焦直徑D1相同時(shí)相比，提高加工率。其結(jié)果，第2激光5的輸出即使小，但通過在寬度B2內(nèi)與第1激光3疊加，而使加工的滲透速度及滲透深度增大，也有很大的作用，即使是鋁等高反射率的金屬材料的焊接，也能夠滿足足夠的焊接寬度B1、即焊透寬度B1及焊透深度，而且能夠以高速度焊接。另外，適合于限于特定寬度B2內(nèi)利用疊加的混合激光效果進(jìn)行的初始加工、以及促進(jìn)熔深以抑制濺射粒子的發(fā)生。
對(duì)于這些情況，有效光點(diǎn)尺寸D1與D2的比例最好設(shè)定為0.2≤D2/D1≤0.8，通過如圖11所示照射第2激光，使得第2激光5的有效光點(diǎn)位于第1激光3的有效光點(diǎn)的內(nèi)側(cè)，能夠在其中心部分形成圖12所示那樣的小孔201，能夠更深生長，更促進(jìn)初始加工及熔深。
另外，第2激光5的有效光點(diǎn)尺寸D2如圖12所示，設(shè)定為小于等于加工中發(fā)生的小孔201的小孔尺寸D3。通過這樣，光能更集中，從而即使第1激光3利用脈沖控制暫時(shí)不照射，也維持小孔201，因此能夠防止因小孔201早閉合而將金屬蒸氣封入所發(fā)生的氣孔，避免因這樣的氣孔而發(fā)生的缺陷。
因此，第2激光最好照射加工中的小孔的位置，若加工速度增大，則由于小孔的發(fā)生部位向前方位移，因此使第2激光的照射位置與該位移相對(duì)應(yīng)，這樣能夠與加工速度無關(guān)，始終滿足那樣的照射條件。
為了完成這樣的混合激光加工，圖1～圖7所示的混合激光頭在具有混合激光6的照射口17的頭本體1a中具有如圖1所示導(dǎo)入來自兩種激光系統(tǒng)A及B的不同的第1及第2激光3及5的第1及第2導(dǎo)入部11及12；位于照射光軸13上的前后、并使從第1及第2導(dǎo)入部11及12導(dǎo)入的第1及第2激光3及5反射而作為在前述照射光軸13上疊加的混合激光6面向照射側(cè)的第1及第2反射鏡14及15；以及面向被加工物體7聚焦、使得混合激光6中的第2激光5在被加工物體7上的聚焦直徑好有效光點(diǎn)尺寸D2小于第1激光3的聚焦直徑即有效光點(diǎn)尺寸D1的聚焦透鏡16。聚焦透鏡16由三個(gè)透鏡構(gòu)成，第1個(gè)是將來自第1導(dǎo)入部11的擴(kuò)大直長的第1激光3作為平行光引向第1反射鏡14的準(zhǔn)直側(cè)的聚焦透鏡16a，第2個(gè)是將來自第2導(dǎo)入部12的擴(kuò)大直徑的第2激光5作為平行光引向第2反射鏡15的準(zhǔn)直側(cè)的聚焦透鏡16b，第3個(gè)是使經(jīng)過第1及第2反射鏡14及15在照射光軸13上疊加的混合激光6聚焦。在被加工物體7上聚焦的聚焦側(cè)的聚焦透鏡16c，混合激光頭1形成L形，聚焦透鏡16a及16b這兩個(gè)透鏡與第1及第2的反射鏡14及15一起在照射光軸13上沿直線排列，防止混合激光頭1無謂地增長。另外，可以避免混合激光6通過聚焦透鏡16a。
通過這樣，混合激光頭1將分別引來的第1激光3與第2激光5在其內(nèi)部疊加，作為混合激光6向被加工物體7照射。其結(jié)果，由于不同特性的激光3與5在最后的聚焦階段疊加作為混合激光6，因此在這之前的光路例如是以光纖21及22的情況為例時(shí)，可使其種類及纖心直徑各異，能夠更有效地利用各自的特性，而且能夠避免在從聚焦階段以前的更早時(shí)期疊加后經(jīng)過長長的公共傳送路徑而相互特性損失或降低的情況，也能夠避免高能量對(duì)周圍的影響大的弊端。
特別是激光系統(tǒng)A中的第1激光3將YAG2待引起激光振蕩的固體激光介質(zhì)作為光源，它利用GI(漸變型)或SI(階躍型)光纖21引導(dǎo)的第1激光3、與激光系統(tǒng)B中的利用GI光纖22引導(dǎo)的第2激光5進(jìn)行疊加，形成混合激光6，它們對(duì)于被加工物體7的聚焦是公用聚焦透鏡16進(jìn)行的，該聚焦透鏡16是這樣設(shè)計(jì)的，它使得第1激光3以規(guī)定的聚焦直徑D1進(jìn)行聚焦。通過這樣，由于第2激光5與第1激光3的波長不同，因此雖然公用聚焦透鏡16，但能夠以小于第1激光3的聚焦直長D2進(jìn)行聚焦。而且，通過利用聚焦性好的GI光纖22導(dǎo)入第2激光5，使得聚焦成小于第1激光3的聚焦直長D1，就容易將照射能量集中在特定寬度B2內(nèi)。第1激光3雖然也可以利用GI光纖引導(dǎo)，容易使其聚焦，但也可以根據(jù)需要利用SI光纖導(dǎo)入，這也沒有什么特別的問題。因此，混合激光頭1中，第1導(dǎo)入部利用GI或SI光纖21與第1激光光源好YAG振蕩器2a連接，第2導(dǎo)入部12利用GI光纖22與第2激光光源即LD振蕩器4a連接。
但是，為了滿足D1與D2的關(guān)系來疊加第1與第2激光，最好地第1激光3采用能夠得到平頂光點(diǎn)的SI型光纖，對(duì)于第2激光5采用能夠得到高斯光點(diǎn)的GI型光纖。另外，在光纖直徑的關(guān)系中，是第1激光3用≥第2激光5用，在光纖NA的關(guān)系中，是第1激光3用≥第2激光用，在準(zhǔn)直透鏡的f數(shù)中，第1激光3用≤第2激光5用。
這里，第1激光3是設(shè)定為利用脈沖控制進(jìn)行輸出控制的脈沖激光，第2激光5是設(shè)定為利用CW控制進(jìn)行輸出控制的CW激光。因此，如圖1所示，利用脈沖及CW公用的控制器41，或者利用各自分開的控制器，對(duì)YAG振器2a等固體激光介質(zhì)通過其驅(qū)動(dòng)器42進(jìn)行脈沖控制，地LD振蕩器4a等通過其驅(qū)動(dòng)器43進(jìn)行CW控制。
通過這樣，一面利用第2激光5的CW控制，對(duì)必需的加工寬度B1內(nèi)的有限特定寬度B2內(nèi)持續(xù)集中照射能量，力圖不間斷地促進(jìn)與第2激光5的低輸出相對(duì)應(yīng)的預(yù)加工，一面利用第1激光3的脈沖控制，對(duì)整個(gè)必需的加工寬度B1不過分地重復(fù)瞬間的高輸出，以很快的加工速度V滿足足夠的加工寬度B1，同時(shí)能夠確定促進(jìn)利用第2激光5在特定寬度B2內(nèi)因混合激光效果產(chǎn)生的加工的早期滲透及熔深。好，在僅通過第1激光3即脈沖激光的斷續(xù)照射會(huì)產(chǎn)生小孔201、或不產(chǎn)生小孔201時(shí)，通過同時(shí)使用第2激光5即CW激光的連續(xù)照射，使得能夠確實(shí)產(chǎn)生小孔，使加工穩(wěn)定。
但是，不限于以上所述，反之即使圖13所示的第1激光3即脈沖激光的有效光點(diǎn)尺寸D1小于第2激光5即激光的有效光點(diǎn)尺寸D2，但由于如圖13所示那樣加工中的中央部位的溫度上升，小孔容易發(fā)生，因此也是有效的。但是，與第2激光5即CW激光的有效光點(diǎn)尺寸D2小于第1激光3即脈沖激光的有效光點(diǎn)尺寸D1的情況相比，如前述的圖12所示，與圖13所示的情況相比，容易產(chǎn)生更深的小孔201，因此更合適。
這里，作為激光系統(tǒng)A中的第1激光3的脈沖激光照射裝置，包含脈沖燈激勵(lì)YAG、脈沖激勵(lì)激光器及脈沖光纖激光器，所謂的脈沖激光是指斷續(xù)輸出的激光。另外，作為激光系統(tǒng)B中的第2激光5的CW激光照射裝置，包含LD直接激光器、LD激勵(lì)激光器及CW光纖激光器，所謂CW激光包含功率調(diào)制的情況，是指激光器連續(xù)照射的激光。另外，光纖激光器是利用激光介質(zhì)形成光纖、并在光纖內(nèi)放大振蕩的激光器，如前所述有脈沖光纖激光器及CW光纖激光器。
另外，與第1反射鏡14位于第2反射鏡15之前的情況相對(duì)應(yīng)，第1反射鏡14施加對(duì)于來自YAG等固體激光介質(zhì)的固體介質(zhì)激光3的HR覆蓋層及對(duì)于LD激光5的AR覆蓋導(dǎo)，第2反射鏡15施加對(duì)于LD激光5的HR覆蓋導(dǎo)。但是，也可以與此相反，使第1反射鏡14位于第2反射鏡15之后，第1反射鏡14上施加對(duì)于YAG激光3的HR覆蓋層，第2反射鏡15施加對(duì)于LD激光5的HR覆蓋層及對(duì)于固體介質(zhì)激光3的AR覆蓋層。若進(jìn)行這樣的覆蓋層處理，則無論第1及第2反射鏡14及15在照射光軸13上哪一個(gè)處于前或后的關(guān)系，也能夠根據(jù)第1及第2激光3及5的各波長、以及和反射鏡的位置不同相對(duì)應(yīng)的第1及第2反射鏡14及15的反射及透射特性的不同，最大限度抑制第1及第2激光3及5的能量損失，提高能量效率。其中，第1及第2反射鏡14及15一起相對(duì)于接受的固體介質(zhì)激光3及LD激光5兩者的照射光軸13取45°為最佳。
另外，如圖2所示，對(duì)被加工物體7上的加工位置利用照明光23進(jìn)行照明，這時(shí)的的反射光23a透過圖1所示的第1及第2反射鏡14及15，利用由直徑小于前述聚焦透鏡16的消色差透鏡24或作為代替它的針孔的小孔來成像的監(jiān)控圖像，對(duì)加工狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)控結(jié)果來調(diào)整加工條件。通過這樣，一方面對(duì)被加工物體7照明時(shí)的反射光23a反向透過聚焦透鏡16c，使得面向第1及第2反射鏡14及15一側(cè)的光透過第1及第2反射鏡14及15，這樣引導(dǎo)至激光照射光學(xué)系統(tǒng)以外成像，供監(jiān)控用，以便進(jìn)行加工條件的調(diào)整，另一方面利用直徑小于聚焦透鏡16c的進(jìn)行無色處理等的消色差透鏡24或針孔等小孔進(jìn)行前述成像，通過這樣在滿足聚焦透鏡16c、第1及第2反射鏡14及15的對(duì)于第1及第2激光3及5的足夠的反射特性及透射特性之后，以深的焦點(diǎn)深度得到清晰的成像，能夠使得前述監(jiān)控容易而且正確。
為此，圖1所示的混合激光頭1如圖2所示，在頭本體1a的外圍具有使來自被加工物體7的反射光23a成像以供監(jiān)控的監(jiān)控?cái)z像頭26，如圖1所示，將來自監(jiān)控?cái)z像頭26的監(jiān)控圖像信息向監(jiān)控器40輸出，使得能夠從外部觀察，同時(shí)使得通過與控制器41連接的操作面板44等，能夠調(diào)整YAG振蕩器2a及LD振蕩器4a的輸出控制。
圖2所示的照明器25是將來自白色LED的白色光作為照明光23，利用光纖27引導(dǎo)進(jìn)行照明。通過這樣，將來自白色LED的白色光作為照明光23利用光纖27準(zhǔn)確引導(dǎo)，并對(duì)于被加工物體7的混合激光6照射部不造成其它妨礙，即使在被加工物體7的混合激光6的照射部沒有氧化，而保持光亮表面進(jìn)行加工時(shí)，也能夠一面利用白色光的特性抑制其輝度，一面將表面狀態(tài)及加工狀態(tài)在監(jiān)控?cái)z像頭40一側(cè)清晰成像，而沒有閃光或光暈，使得能夠容易而且正確辨認(rèn)表面狀態(tài)及加工狀態(tài)。另外，在光纖27的前端部設(shè)置聚焦透鏡27a，使得以好的聚焦性及高的效率完成前述照明。另外，在頭本體1a上的照明器25的附近設(shè)置光纖支持架28，將不使用時(shí)的光纖27如虛擬線所示，暫時(shí)放置保持，這樣能夠防止妨礙其它部分、或與其它部分鉤住而損傷。
另外，如圖3所示，混合激光6通過充滿供給的N2氣等惰性氣體31同時(shí)使它作為向前端聚束的中央射流束31a連續(xù)噴出的尖頭形狀的中央通路32，向被加工物體7照射，同時(shí)使利用繞中央通路32周圍形成圓錐形狀的環(huán)狀通路33供給的惰性氣體32包圍前述照射并噴射的混合激光6及中央射流束31a的周圍，連續(xù)噴射環(huán)膜流31b，進(jìn)行加工。這樣，由于通過照射混合激光6的中央通路32，使惰性氣體31形成向前端聚束的中央射流束31a進(jìn)行噴射，因此在照射混合激光6的被加工物體7上的加工位置萬一產(chǎn)生濺射粒子，即使想要到達(dá)照射光學(xué)系統(tǒng)一側(cè)，也由于利用中央射流束31a的流動(dòng)而將它阻止，因此對(duì)光學(xué)系統(tǒng)一側(cè)沒有影響。而且，由于中央射流束31a利用從形成圓錐形狀的環(huán)狀通路33噴射的環(huán)膜流31b將它周圍包圍，因此不會(huì)卷入外圍的空氣，將到達(dá)被加工物體7上的照射位置表面的與被加工物體7之間的空氣一面向周圍排除，一面擴(kuò)散，而且利用隨著其擴(kuò)散而產(chǎn)生的向前述環(huán)膜流31b的周圍的擴(kuò)散流，一面也連續(xù)覆蓋中央射流束31a的擴(kuò)散區(qū)域表面，一面推壓被加工物體7一側(cè)，在與被加工物體7一側(cè)之間沒有空氣進(jìn)入的余地，因此確實(shí)防止被加工物體7的利用混合激光6照射進(jìn)行的加工部分產(chǎn)生氧化、或因此而導(dǎo)致的焊接不良及裂紋等，不能夠得到光亮的表面。
為此，圖1所示的混合激光頭1如圖3所示，具有包括尖頭形狀的中央通路32及形成圓錐形狀的環(huán)狀通路33的同軸雙重噴嘴51，該中央通路32設(shè)置在頭本體1a的照射口17，使位于照射光軸13上照射的混合激光6通過，同時(shí)充滿供給的惰性氣體31并作為向前端聚束的中央射流束31a連續(xù)噴射，該環(huán)狀通路33在該中央通路32的周圍形成圓錐形狀，使供給的惰性氣體31包圍前述照射及噴射的混合激光6及中央射流束31a的周圍，連續(xù)噴射惰性氣體31的前述環(huán)膜流31b。
特別是中央通路32及環(huán)狀通路33為了接受供給的惰性氣體31，具有在它們的外圍設(shè)置的導(dǎo)入供給的惰性氣體31并充滿圓周方向的環(huán)狀通路52及53、以及從該環(huán)狀通路52及53向中央通路32及環(huán)狀通路33內(nèi)沿圓周方向并排開口的小直徑孔52a及53a。通過這樣，在供給中央通路32的惰性氣體31充滿環(huán)狀通路52后，一面通過大量的小直徑孔52a向中央通路32內(nèi)從其周圍一下子均勻壓入并充滿，一面作為不含空氣的中央射流束31a噴射。另外，在供給環(huán)狀通路33的惰性氣體31充滿環(huán)狀通路53后，一面通過大量的小直徑孔53a向環(huán)狀通路33內(nèi)從其周圍一下子均勻壓入并充滿，一面作為不含空氣的環(huán)膜流31b，在按照?qǐng)A錐形狀的聚束作用下，就包圍在噴射的中央射流束31a的外圍噴射。通過這樣，進(jìn)一步提高對(duì)前述被加工物體7上的加工部的熔融金屬的保護(hù)效果。
再有，圖1所示的混合激光頭1具有檢測在第1反射鏡14面向照射側(cè)的第1激光3的一部分透射光3a的第1檢測部61、以及在第2的射鏡15面向照射側(cè)的第2激光5的一部分透射光6a的第2檢測部62。通過這樣，是僅僅力圖使導(dǎo)入的第1及第2激光3及5對(duì)于與之對(duì)應(yīng)的第1及第2反射鏡14及15的1％左右少量的透射的簡單結(jié)構(gòu)，因而不會(huì)導(dǎo)致成為問題的輸出損失，通過監(jiān)控導(dǎo)入的第1及第2激光3及5的大小，能夠判定其輸出狀態(tài)及利用光纖21及22等的傳送狀態(tài)，將檢測輸出S1及S2輸入至控制器41，進(jìn)行用YAG振蕩器2a及LD振蕩器4a表示的兩個(gè)激光系統(tǒng)A及B的輸出反饋控制、以及振蕩的緊急停止，或者向操作面板44及監(jiān)控器40等發(fā)出維修指示等。
這里，第1及第2檢測部61及62為了用光電二極管61a及62a接受光，第1檢測部61與第1的反射鏡14位于第2反射鏡15之前的情況相對(duì)應(yīng)，如圖7所示，通過施加對(duì)于LD激光與及固體介質(zhì)激光3的雙方具有反射特性的HR覆蓋層的濾光片63、以及可見光截止濾光片64接受光，第2檢測部62與第2反射鏡15位于第1反射鏡14之后的情況相對(duì)應(yīng)，如公用圖7所示，通過施加對(duì)于固體介質(zhì)激光3的HR覆蓋層的濾光片65、以及可見光截止濾光片64接受光。但是，也可以采用與上相反的關(guān)系。通過這樣，第1及第2反射鏡14及15在照射光軸13上無論是前后即使有時(shí)經(jīng)過被加工物體7及監(jiān)控?cái)z像頭26的第1及第2激光3及5和干擾光通過第1及第2反射鏡14及15到達(dá)第1及第2檢測部61及62，但通過前述覆蓋層及濾光片的組合，能夠阻止這些影響，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測。另外，第1及第2檢測部61及62如圖1所示，由于利用能夠裝拆的罩蓋66覆蓋外部四周，因此還能夠防止來自混合激光頭的外圍的干擾光及塵埃等的影響。
另外，在第1及第2激光3及5中，使對(duì)應(yīng)的第1及第2反射鏡14及15在照射光軸13上的位置處于前面的一個(gè)激光先輸出，如圖8所示，對(duì)試射物71照射，從而在試射物71上得到照射痕跡72，然后使對(duì)應(yīng)的第1及第2反射鏡14及15在照射光軸13上的位置處于后面的另一個(gè)激光輸出，對(duì)試射物71照射，一面看著監(jiān)控圖像，即一面看著監(jiān)控器40，一面調(diào)整對(duì)應(yīng)的反射鏡的方向，使得該照射位置73位于前述照射痕跡72內(nèi)的虛線所示的規(guī)定區(qū)域，在這之后供給加工用。通過這樣，為了使第1及第2激光3及5在照射光軸13上疊加作為混合光6進(jìn)行照射并聚焦，則構(gòu)成該照射光學(xué)系統(tǒng)的第1及第2反射鏡14及15和聚焦透鏡16的各部分互相按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)位置，但是在各個(gè)照射光學(xué)系統(tǒng)實(shí)際使用階段，還會(huì)附加其它的條件，有時(shí)在第1及第2激光3及5的疊加位置上產(chǎn)生各自不同的偏移，這在實(shí)際使用階段中，通過使第1及第2激光3及5相互前后照射，在監(jiān)控圖像上能夠辨認(rèn)后面的照射位置73相對(duì)于前面的照射痕跡72的關(guān)系。而且在第1及第2反射鏡14及15對(duì)應(yīng)的一側(cè)調(diào)節(jié)后面的照射位置73，使得在該辨認(rèn)狀態(tài)下后面的照射位置73相對(duì)于前面的照射痕跡72在規(guī)定位置重疊，從而能夠消除前述那樣的疊加位置偏移的現(xiàn)象，然后供給加工用，通過這樣能夠保證加工達(dá)到設(shè)計(jì)要求。特別是通過在第1及第2反射鏡14及15內(nèi)的位于照射光軸13上后面一側(cè)、因而是在距離照射位置較遠(yuǎn)的一側(cè)來進(jìn)行疊加位置的調(diào)節(jié)，從而照射位置相對(duì)于反射鏡方向的變化而變化的程度大，容易進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，而且這時(shí)的方向變化對(duì)于與位于照射光軸13上的前面的反射鏡相對(duì)應(yīng)的激光照射沒有影響，而能夠進(jìn)行位置調(diào)節(jié)。
另外，在本例中，是根據(jù)第1與第2反射鏡14與15的前后關(guān)系，利用第1激光3的照射得到照射痕跡72，后面的照射位置73是利用第2激光5得到，但若反射鏡配置反過來，則當(dāng)然照射痕跡72利用第2激光5得到，后面的照射位置73利用第1激光3得到。
為了完成這樣的方法，混合激光頭1的第1及第2反射鏡14及15中只要至少在照射光軸13上位于后面的一方具有圖1、圖3～圖5中所示一個(gè)例子那樣的鏡面方向調(diào)節(jié)部81并加以支持即可，根據(jù)情況也可以如圖1、圖3～圖5所示那樣，采用第1及第2反射鏡14及15的雙方都具有方向調(diào)節(jié)部81并加以支持的結(jié)構(gòu)。這樣的方向調(diào)節(jié)部81只要采用包含轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)部81a的結(jié)構(gòu)就夠了，該轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)部81a利用例如以與照射光軸13垂直的軸82為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，來調(diào)節(jié)鏡面的方向。但是，在圖1、圖3～圖5所示的例子中，與轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)部81a一起還設(shè)置偏擺調(diào)節(jié)部81b，該偏擺調(diào)節(jié)部81b使鏡面相對(duì)于照射光軸13面向不同的方向偏擺來進(jìn)行調(diào)節(jié)。
偏擺調(diào)節(jié)部81b具有對(duì)于頭本體1a一側(cè)將鏡框14a及15a的安裝平臺(tái)80拉緊固定的三個(gè)安裝螺絲83、以及將安裝平臺(tái)80上設(shè)置的向頭本體1a一側(cè)的拉緊間隙一個(gè)個(gè)設(shè)定用的三個(gè)螺絲84，通過各螺絲84向頭本體1a一側(cè)的突出度的分別調(diào)節(jié)，能夠向任何方向設(shè)定相對(duì)于頭本體1a的安裝面的傾斜面相對(duì)于照射光軸13的偏擺度，設(shè)定的方向能夠通過安裝螺絲83的拉緊而固定。轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)部81a利用軸82能夠支持鏡框14a及15a，使其相對(duì)于安裝平臺(tái)80轉(zhuǎn)動(dòng)，利用彈簧85繞軸82向一側(cè)拉緊，利用從頭本體1a的外部旋入的圖1及圖4所示的螺絲8b擋住該拉緊的鏡框14a及15a，通過調(diào)節(jié)螺絲86向頭本體1a內(nèi)的突出度，能夠使第1及第2反射鏡14及15繞軸82轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行方向調(diào)節(jié)。
偏擺調(diào)節(jié)部81b是也能夠調(diào)節(jié)第1及第2反射鏡14及15面向什么方向的機(jī)構(gòu)，最好在廠家預(yù)先進(jìn)行上述的標(biāo)準(zhǔn)位置對(duì)準(zhǔn)，在用戶實(shí)際使用時(shí)能夠使得只要用繞軸82的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)行位置對(duì)準(zhǔn)即可，能夠便于使用。當(dāng)然，不限于這樣的使用狀態(tài)。
另外，在聚焦透鏡16c與噴嘴51之間，設(shè)置圖1、圖3、圖6所示的能插拔的濾光片91，在利用螺絲92的安裝狀態(tài)下擰緊螺絲，利用濾光片91防止濺射粒子等萬一到達(dá)聚焦光學(xué)系統(tǒng)一側(cè)。另外，在頭本體1a中設(shè)置水冷通路111，其中通以冷卻水112進(jìn)行冷卻。
本申請(qǐng)人提出一種方法，該方法是為了如圖1所示利用激勵(lì)燈101來激勵(lì)YAG2，利用橫截面為橢圓的聚光器102的聚光反射面，將來自激勵(lì)燈101的激勵(lì)光對(duì)YAG2以小于其外徑的聚光直徑進(jìn)行聚光，從而進(jìn)行激勵(lì)，使其射出激光3，例如在與發(fā)光直徑小于YAG2的外徑的激勵(lì)燈101之間滿足上述情況，從而對(duì)于YAG2的外徑的激勵(lì)區(qū)域限制在前述聚光直徑的范圍，在超出激勵(lì)區(qū)域的外周層不產(chǎn)生激勵(lì)，從而抑制YAG2的熱變形，因來自單側(cè)的不對(duì)稱的激勵(lì)而引起的翹曲也能夠緩和，即使利用一個(gè)激勵(lì)燈101從單側(cè)進(jìn)行激勵(lì)，也力圖提高YAG2的壽命，主要利用長條形以增大體積及輸出。通過這樣，能夠?qū)崿F(xiàn)YAG振蕩器2a的簡化、小型化及低成本，同時(shí)以能夠進(jìn)行0.6mm以下的聚光的7mm以下的外徑，在實(shí)用上也能夠適合。而且，由于必需的輸出增大，而能夠抑制激勵(lì)燈101的驅(qū)動(dòng)電流，因此運(yùn)行成本降低，另外作為驅(qū)動(dòng)器42的開關(guān)元件是采用超高速的IGBT進(jìn)行電流控制，能夠提高控制頻率。
另外，采用180mm以上長度的YAG2，由于能夠提高增益，因此輸出效率從以往的3％左右提高為4％左右，可得到1kW以上的輸出。而且，因熱變形而引起的壽命降低大幅度得到改善，實(shí)現(xiàn)所謂幾億次發(fā)射的以往數(shù)倍的壽命。另外，對(duì)于外徑作為小于等于7mm的光纖21等也能夠進(jìn)行小于等于0.6mm的聚光。
因此，作為實(shí)施例是采用這樣的YAG2，在圖9的I中所示的LD4的特定輸出與YAG2的多個(gè)輸出中的各種控制脈沖數(shù)的關(guān)系中，能夠得到圖9中的II中所示的外觀、焊透寬度及焊透深度d的焊接結(jié)果。另外，各種焊接時(shí)的焊接速度如圖9的III所示，能夠得到好結(jié)果。
這里，圖14所示為激光系統(tǒng)A及B是脈沖燈激勵(lì)激光器與CW光纖激光器組合時(shí)的理想例子。第1激光3用的光纖21使用0.8mm直長的SI型光纖，第2激光5用的光纖22使用0.05mm直徑的GI或SI光纖，準(zhǔn)直透鏡16a及16b和聚焦透鏡16c都采用f數(shù)為100的透鏡，相對(duì)于小孔201的直徑D3，有得到足夠小的有效光點(diǎn)尺寸D2。
另外，圖15所示為激光系統(tǒng)A及B是脈沖燈激勵(lì)激光器與LD直接激光器組合時(shí)的理想例子。第1激光3用的光纖21使用0.8mm直徑的SI型光纖，第2激光5用的光纖22使用0.6mm直徑的GI型光纖，準(zhǔn)直透鏡16a及16b和聚焦透鏡16c都采用f數(shù)為100的透鏡，相對(duì)于小孔201的直徑D3，能得到近似相同的有效光點(diǎn)尺寸D2。
另外，圖16所示為激光系統(tǒng)A及B是脈沖光纖激光器與CW光纖激光器組合時(shí)的理想例子。第1激光3用的光纖21使用0.1mm直長的GI或SI型光纖，第2激光5用的光纖使用0.1mm直徑的GI或SI型光纖，準(zhǔn)直透鏡16b及聚焦透鏡16都采用f數(shù)為100的透鏡，準(zhǔn)直透鏡16a采用f數(shù)為25的透鏡。
權(quán)利要求
1.一種混合激光加工方法，將來自兩種激光系統(tǒng)的不同的第1與第2激光疊加作為混合光、照射被加工物體上進(jìn)行加工，其特征在于，第1及第2激光同時(shí)照射被加工物體上的相同位置，將第2激光和第1激光在被加工物體上的有效光點(diǎn)尺寸分別設(shè)為D2和D1，使得D2小于D1，這樣對(duì)被加工物體進(jìn)行加工。
2.如權(quán)利要求1所述的混合激光加工方法，其特征在于，有效光點(diǎn)尺寸的比例為0.2≤D1/D1≤0.8，照射第1及第2激光，使得第2激光的有效光點(diǎn)位于第1激光的有效光點(diǎn)的內(nèi)側(cè)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的混合激光加工方法，其特征在于，第2激光的有效光點(diǎn)尺寸D2設(shè)為小于等于加工中產(chǎn)生的小孔尺寸D3。
4.如權(quán)利要求3所述的混合激光加工方法，其特征在于，第2激光照射加工中的小孔位置。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的混合激光加工方法，其特征在于，第1激光及第2激光分別引至一個(gè)激光頭，在該頭的內(nèi)部疊加，作為混合激光照射被加工物體。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的混合激光加工方法，其特征在于，第1激光是利用脈沖控制進(jìn)行輸出控制的脈沖激光，第2激光是利用CW控制進(jìn)行輸出控制的包含CW調(diào)制的CW激光。
7.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的混合激光加工方法，其特征在于，第1及第2激光是指一方為利用脈沖控制進(jìn)行輸出控制的脈沖激光，另一方為利用CW控制為CW調(diào)制控制進(jìn)行輸出控制的CW激光。
8.如權(quán)利要求6或7所述的混合激光加工方法，其特征在于，作為脈沖激光的照射裝置，包含脈沖燈激勵(lì)YAG、脈沖激勵(lì)激光器及脈沖光纖激光器，所謂脈沖激光是指斷續(xù)輸出的激光，作為CW激光的照射裝置，包含LD直接激光器，LD激勵(lì)CW激光器及CW光纖激光器，所謂CW激光是指激光器連續(xù)照射的激光。
9.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的混合激光加工方法，其特征在于，第1激光是由YAG等引起激光振蕩的固體激光介質(zhì)產(chǎn)生的激光，形成混合激光的疊加是利用漸變G工型或階躍SI型光纖導(dǎo)入的第1激光與利用GI光纖導(dǎo)入的第2激光進(jìn)行的，它們對(duì)于被加物體的聚焦是公用聚焦透鏡進(jìn)行的，所述聚焦透鏡設(shè)計(jì)成使得第1激光以規(guī)定的有效光點(diǎn)直徑進(jìn)行聚焦。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的混合激光加工方法，其特征在于，形成混合激光的疊加，是通過將第1及第2激光的雙方利用與它們分別對(duì)應(yīng)位于照射光軸上的前后的第1及第2反射鏡引導(dǎo)至所述照射光軸上進(jìn)行的。
11.如權(quán)利要求10所述的混合激光加工方法，其特征在于，對(duì)被加工物體上的加工位置進(jìn)行照明，這時(shí)的反射光透過第1及第2反射鏡，利用由直徑小于所述混合激光照射用的聚焦透鏡的消色差透鏡或小孔來成像的監(jiān)控圖像，對(duì)加工狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。
12.如權(quán)利要求11所述的混合激光加工方法，其特征在于，在第1及第2激光中，使對(duì)應(yīng)的第1及第2反射鏡在光軸上的位置處于前面的一個(gè)激光先輸出，通過對(duì)試射物進(jìn)行照射，在試射物上得到照射痕跡，然后使對(duì)應(yīng)的第1及第2反射鏡在光軸上的位置處于后面的另一個(gè)激光輸出，對(duì)試射物進(jìn)行照射，同時(shí)一面看著所述監(jiān)控圖像，一面調(diào)整對(duì)應(yīng)的反射鏡的方向，使得該照射位置位于所述照射痕跡內(nèi)的規(guī)定區(qū)域。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的混合激光加工方法，其特征在于，使混合激光通過充滿供給的惰性氣體同時(shí)使它作為向前聚束的中央射流束連續(xù)噴出的尖頭形狀的中央通路，向加工物體進(jìn)行照射，同時(shí)使利用繞所述中央道路周圍形成圓錐形狀的環(huán)狀通路供給的惰性氣體，包圍所述照射并噴射的混合激光及中央射流束的周圍，連續(xù)噴射環(huán)膜流，來進(jìn)行加工。
14.一種混合激光頭，其特征在于，在具有混合激光的照射口的頭本體中，具有導(dǎo)入來自兩種激光系統(tǒng)的不同的兩個(gè)激光的第1及第2導(dǎo)入部；位于照射光軸上的前后、并使從第1及第2導(dǎo)入部導(dǎo)入的第1及第2激光反射而作為在所述照射光軸上疊加的混合激光面向照射側(cè)的第1及第2反射鏡；以及面向照射對(duì)象物體進(jìn)行聚焦、使得混合激光中的第2聚光在被加工物體上的有效光點(diǎn)尺寸D2小于第1激光的有效光點(diǎn)尺寸D1的聚焦光學(xué)系統(tǒng)。
15.如權(quán)利要求14所述的混合激光頭，其特征在于，第1激光是由YAG等引起激光振蕩的固體激光介質(zhì)產(chǎn)生的激光，第1導(dǎo)入部利用GI或SI光纖與第1激光光源一側(cè)連接，第2導(dǎo)入部利用GI光纖與第2激光光源一側(cè)連接。
16.如權(quán)利要求15所述的混合激光頭，其特征在于，第1激光光源利用脈沖控制進(jìn)行輸出控制，第2激光光源利用CW控制進(jìn)行輸出控制。
17.如權(quán)利要求14至16中任一項(xiàng)所述的混合激光頭，其特征在于，第1及第2反射鏡中，至少在光軸上位于后面的一方具有鏡面方向調(diào)節(jié)部并加以支持。
18.如權(quán)利要求14至16中任一項(xiàng)所述的混合激光頭，其特征在于，第1及第2反射鏡的雙方都具有方向調(diào)節(jié)部并加以支持。
19.如權(quán)利要求17或18所述的混合激光頭，其特征在于，方向調(diào)節(jié)部包含轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)部，該轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)部利用以與照射光軸垂直的軸為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)節(jié)鏡面的方向。
20.如權(quán)利要求14至19中任一項(xiàng)所述的混合激光頭，其特征在于，第1反射鏡位于第2反射鏡之前，第1反射鏡施加對(duì)于來自YAG等引起激光振蕩的固體激光介質(zhì)的激光的HR覆蓋層及對(duì)于LD激光的AR覆蓋層，第2反射鏡施加對(duì)于LD激光的HR覆蓋層。
21.如權(quán)利要求14至19中任一項(xiàng)所述的混合激光頭，其特征在于，第1反射鏡位于第2反射鏡之后，第1反射鏡施加對(duì)于來自YAG等引起激光振蕩的固體激光介質(zhì)的激光的HR覆蓋層，第2反射鏡施加對(duì)于LD激光的HR覆蓋層及對(duì)于YAG激光的AR覆蓋層。
22.如權(quán)利要求14或15所述的混合激光頭，其特征在于，具有對(duì)被加工物體上的加工位置進(jìn)行照射的照明器、以及將從照射對(duì)象物體反射并透過第1及第2反射鏡的反射光利用直徑小于所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)的聚焦透鏡的消色差透鏡或小孔成像，以供監(jiān)控用的監(jiān)控?cái)z像頭。
23.如權(quán)利要求22所述的混合激光頭，其特征在于，照明器利用光纖將來自白色LED的白色光引導(dǎo)進(jìn)行照明。
24.如權(quán)利要求14至23中任一項(xiàng)所述的混合激光頭，其特征在于，具有檢測在第1反射鏡面向照射側(cè)的第1激光的一部分透射光的第1檢測部、以及在第2反射鏡面向照射側(cè)的第2激光的一部分透鏡光的第2檢測部。
25.如權(quán)利要求24所述的混合激光頭，其特征在于，第1檢測部與第1反射鏡位于第2反射鏡之前的情況相對(duì)應(yīng)，通過施加對(duì)于LD激光及來自YAG等引起激光振蕩的固體激光介質(zhì)的激光的雙方的HR覆蓋層的濾光片以及可見光截止濾光片接受光，第2檢測部與第2反射鏡位于第1反射鏡之后的情況相對(duì)應(yīng)，通過施加對(duì)于來自固體激光介質(zhì)的激光的HR覆蓋層的濾光片以及可見光截止濾光片接受光。
26.如權(quán)利要求24所述的混合激光頭，其特征在于，第1檢測部與第1反射鏡位于第2反射鏡之后的情況相對(duì)應(yīng)，通過施加對(duì)于LD激光的HR覆蓋層的濾光片以及可見光截止濾光片接受光，第2檢測部與第2反射鏡位于第1反射鏡之前的情況相對(duì)應(yīng)，通過施加對(duì)于LD激光及來自YAG等引起激光振蕩的固體激光介質(zhì)的激光的雙方的HR覆蓋層的濾光片以及可見光截止濾光片接受光。
27.如權(quán)利要求24至26中任一項(xiàng)所述的混合激光頭，其特征在于，第1及第2檢測部利用罩蓋覆蓋外部四周。
28.如權(quán)利要求14至27中任一項(xiàng)所述的混合激光頭，其特征在于，具有包括尖頭形狀的中央通路及形成圓錐形狀的環(huán)狀通路的同軸雙重噴嘴，所述中央通路設(shè)置在頭本體的照射口，使位于照射光軸上照射的混合激光通過，同時(shí)充滿供給的惰性氣體并作為向前端聚束的中央射流束連續(xù)噴射，所述環(huán)狀通路在該中央通路的周圍形成圓錐形狀，使供給的惰性氣體包圍所述照射及噴射的混合激光及中央射流束的周圍，連續(xù)噴射惰性氣體的膜流。
29.如權(quán)利要求28所述的混合激光頭，其特征在于，中央通路及環(huán)狀通路為了接受供給的惰性氣體，具有在它們的外圍設(shè)置的導(dǎo)入供給的惰性氣體并充滿周圍方向的環(huán)狀通路、以及從該環(huán)狀通路向中央通路及環(huán)狀通路內(nèi)沿圓周方向并排開口的小直徑孔。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種混合激光加工方法及該方法所用的混合激光頭。即使對(duì)于高反射率的金屬材料，也能夠以足夠的焊透深度及焊透寬度、而且以更高速度進(jìn)行焊接。將來自兩種激光系統(tǒng)A及B的不同的第1及第2激光疊加，形成混合激光(6)，進(jìn)行聚焦，若將混合激光(6)中的第2激光(5)和第1激光(3)在被加工物體(7)上的有效光點(diǎn)尺寸分別設(shè)為D2和D1，使得D2小于D1，這樣照射被加工物體7進(jìn)行加工，從而達(dá)到上述目的。
文檔編號(hào)B23K26/42GK1785575SQ20051012940
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月8日
發(fā)明者櫻井努, 遠(yuǎn)屋和浩, 船見浩司 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社