本公開涉及激光加工系統(tǒng)以及激光加工方法，特別地，涉及使從激光加工頭射出的激光反射來對(duì)工件進(jìn)行加工的激光加工系統(tǒng)以及激光加工方法。

背景技術(shù)：

在使用了激光的工件的加工(以下，激光加工)中，激光的聚光點(diǎn)即焦點(diǎn)很重要。其原因在于，激光在焦點(diǎn)處的能量密度最高，因此在切斷、焊接等加工中，在能夠高效地進(jìn)行加工的焦點(diǎn)進(jìn)行加工。因此，在激光加工中，需要恒定地保持根據(jù)聚光透鏡等光學(xué)系統(tǒng)而決定的激光的焦距。若激光的焦距不恒定，則照射到工件的激光的能量密度變化，因此加工的狀態(tài)存在差別，不能進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸?。進(jìn)一步地，為了進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸?，在恒定地保持激光的焦距的基礎(chǔ)上，也需要恒定地保持激光加工頭與工件的距離(工件距離)。

進(jìn)一步地，在激光加工中，激光向工件的照射角度很重要。例如，在激光焊接的情況下，若激光的照射角度不當(dāng)，則向工件的熔化變淺，被加工的工件的強(qiáng)度變得不充分。激光向工件的照射角度最好從工件的加工面的垂直方向起為±10°以內(nèi)。

通過以上的理由，以往進(jìn)行了適當(dāng)?shù)乇３止ぜ嚯x、激光的照射角度的組合。

專利文獻(xiàn)1中記載了以下的激光加工機(jī)：通過對(duì)被加工物的姿勢(shì)進(jìn)行控制的3軸定位器裝置，控制被加工物的姿勢(shì)，以使得被加工物的加工面相對(duì)于激光垂直。

此外，專利文獻(xiàn)2中記載了以下的激光焊接裝置：將1臺(tái)激光振蕩器的光束分配給多臺(tái)焊接機(jī)。使用圖7來對(duì)專利文獻(xiàn)2所述的激光焊接裝置進(jìn)行說明。如圖7所示，在現(xiàn)有的激光焊接裝置中，在從激光振蕩器101射出的光束102的光軸上，設(shè)置能夠通過多個(gè)選擇反射鏡驅(qū)動(dòng)構(gòu)件106、107、108而進(jìn)退自由的多個(gè)選擇反射鏡103、104、105。此外，選擇反射鏡驅(qū)動(dòng)構(gòu)件106～108與選擇反射鏡控制裝置113連接，選擇反射鏡控制裝置113根據(jù)來自焊接機(jī)A～D(未圖示)的動(dòng)作狀況信號(hào)109、110、111、112，控制選擇反射鏡驅(qū)動(dòng)構(gòu)件106～108。

例如，如圖7所示，在將光束引導(dǎo)至焊接機(jī)B的情況下，選擇反射鏡控制裝置113驅(qū)動(dòng)選擇反射鏡驅(qū)動(dòng)構(gòu)件107，將選擇反射鏡104配置在光束102的光軸上。由此，光束102被選擇反射鏡104反射，并引導(dǎo)至焊接機(jī)B。同樣地，在將光束102引導(dǎo)至焊接機(jī)A的情況下，選擇反射鏡控制裝置113驅(qū)動(dòng)選擇反射鏡驅(qū)動(dòng)構(gòu)件106，將選擇反射鏡103配置在光束102的光軸上。同樣地，在將光束102引導(dǎo)至焊接機(jī)C的情況下，選擇反射鏡控制裝置113驅(qū)動(dòng)選擇反射鏡驅(qū)動(dòng)構(gòu)件108，將選擇反射鏡105配置在光束102的光軸上。此外，在將光束102引導(dǎo)至焊接機(jī)D的情況下，選擇反射鏡控制裝置113不驅(qū)動(dòng)選擇反射鏡驅(qū)動(dòng)構(gòu)件106～108，光束102前進(jìn)并引導(dǎo)至焊接機(jī)D。

這樣，由于能夠?qū)⒓す庹袷幤?01的光束102分配給多個(gè)焊接機(jī)A～D，因此能夠大幅度地減少激光振蕩器101占據(jù)激光焊接裝置的比例。此外，由于跳過了在焊接機(jī)A～D之內(nèi)等待索引的情況，從而對(duì)焊接使用狀態(tài)的機(jī)器依次利用來自激光振蕩器101的光束102，因此能夠最大限度地利用1臺(tái)激光振蕩器101的全部能量。此外，由于選擇反射鏡103～105在不改變反射角的情況下使其移動(dòng)，因此在選擇時(shí)不會(huì)出現(xiàn)選擇反射鏡103～105的停止精度的影響。

在先技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本專利第3955491號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本特開昭60-6292號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

但是，專利文獻(xiàn)1所述的激光加工機(jī)限定于3軸定位器裝置的性能，因此不能用于大型的工件。此外，專利文獻(xiàn)2所述的激光焊接裝置需要多個(gè)選擇反射鏡、多個(gè)選擇反射鏡驅(qū)動(dòng)構(gòu)件、并且特別是需要多個(gè)焊接機(jī)，激光焊接裝置的構(gòu)成依然復(fù)雜。

為了解決上述課題，本公開的激光加工系統(tǒng)具有：激光振蕩器、激光加工頭和反射單元。激光振蕩器輸出激光。激光加工頭通過第1光學(xué)部件來對(duì)激光進(jìn)行聚光并射出。反射單元具有對(duì)從激光加工頭射出的激光進(jìn)行反射的反射部件，將由反射部件反射的激光照射到工件。

此外，本公開的激光加工方法具有：輸出工序、射出工序、反射工序和照射工序。在輸出工序中，通過激光振蕩器，輸出激光。在射出工序中，通過激光加工頭，對(duì)被輸出的激光進(jìn)行聚光并射出。在反射工序中，通過反射單元，對(duì)被射出的激光進(jìn)行反射。在照射工序中，通過反射單元，將被反射的激光照射到工件。

根據(jù)本公開的激光加工系統(tǒng)以及激光加工方法，能夠適當(dāng)?shù)乇３旨す獾慕咕?、激光的照射角度，并且能夠通過基于一個(gè)激光振蕩器、一個(gè)激光加工頭和一個(gè)反射單元的簡(jiǎn)單的構(gòu)成來對(duì)相互分離的多個(gè)加工位置進(jìn)行激光加工。

附圖說明

圖1是表示實(shí)施方式1～3中的激光加工系統(tǒng)的示意構(gòu)成的圖。

圖2是表示實(shí)施方式1～4中的激光加工頭的示意構(gòu)成的圖。

圖3是表示實(shí)施方式1中的反射單元的示意構(gòu)成的圖。

圖4是表示實(shí)施方式2中的反射單元的示意構(gòu)成的圖。

圖5是表示實(shí)施方式3中的反射單元的示意構(gòu)成的圖。

圖6是表示實(shí)施方式4中的激光加工系統(tǒng)的示意構(gòu)成的圖。

圖7是表示現(xiàn)有的激光加工機(jī)的一部分的立體圖。

具體實(shí)施方式

(實(shí)施方式1)

以下，使用圖1～3來對(duì)本公開的實(shí)施方式1進(jìn)行說明。圖1是表示本實(shí)施方式中的激光加工系統(tǒng)的示意構(gòu)成的圖。圖2是表示本實(shí)施方式中的激光加工頭的示意構(gòu)成的圖。圖3是表示本實(shí)施方式中的反射單元的示意構(gòu)成的圖。

如圖1所示，本實(shí)施方式的激光加工系統(tǒng)具有：照射激光1的激光照射系統(tǒng)9、使激光1反射來照射到工件8的激光反射系統(tǒng)10。

激光照射系統(tǒng)9具有：激光振蕩器2、激光加工頭3、機(jī)械手5a(第1機(jī)械手)、機(jī)器人控制裝置6a(第1機(jī)器人控制裝置)和光纖等激光傳輸構(gòu)件7。激光加工頭3被安裝于機(jī)械手5a的前端。此外，由激光振蕩器2輸出的激光經(jīng)由激光傳輸構(gòu)件7而被引導(dǎo)至激光加工頭3。此外，機(jī)器人控制裝置6a與機(jī)械手5a連接，對(duì)機(jī)械手5a的動(dòng)作進(jìn)行控制。

激光反射系統(tǒng)10具有：反射單元4、機(jī)械手5b(第2機(jī)械手)和機(jī)器人控制裝置6b(第2機(jī)器人控制裝置)。反射單元4被安裝于機(jī)械手5b的前端。此外，機(jī)器人控制裝置6b與機(jī)械手5b連接，對(duì)機(jī)械手5b的動(dòng)作進(jìn)行控制。

對(duì)激光照射系統(tǒng)9進(jìn)一步具體進(jìn)行說明。激光振蕩器2輸出的激光是YAG、DISK等固體激光、光纖激光、直接二極管激光等。激光加工頭3的構(gòu)成最好是使用了電流鏡(galvanometer mirror)的構(gòu)成，但也可以如圖2所示，是由準(zhǔn)直透鏡11(第1準(zhǔn)直透鏡)、聚焦透鏡12(第1聚光透鏡)構(gòu)成的光學(xué)部件(第1光學(xué)部件)這種用于對(duì)激光1進(jìn)行聚光的光學(xué)系統(tǒng)。激光加工頭3射出激光1，以使得以第1焦距對(duì)由激光傳輸構(gòu)件7引導(dǎo)的激光1進(jìn)行聚光。基于激光傳輸構(gòu)件7的激光1的傳輸可以是基于光纖等可撓性電纜的傳輸，也可以是基于使用了反射鏡的反射的傳輸。

對(duì)激光反射系統(tǒng)10進(jìn)一步具體進(jìn)行說明。如圖3所示，反射單元4具有：反射部件14、和用于釋放反射部件14的熱量的散熱器13。反射部件14是具有需要盡可能減少激光1的能量損耗且激光1的透過率和吸收率較低且反射率較高的(例如90％以上)材質(zhì)或者材質(zhì)的層的部件。作為反射率較高的反射部件14的材質(zhì)的例子，是金、銀、銅、鋁等金屬。為了進(jìn)一步提高反射部件14的反射率，或者為了保護(hù)表面，最好將氟化鎂、氧化硅、電介質(zhì)膜涂覆于反射鏡表面。此外，作為反射部件14的例子，除了金屬以外，也可以是對(duì)玻璃基板實(shí)施了電介質(zhì)多層膜涂覆等的反射鏡。散熱器13優(yōu)選是熱傳導(dǎo)性較高的金屬制，如果是在內(nèi)部通過冷卻水的水冷式則優(yōu)選。

激光照射系統(tǒng)9的機(jī)械手5a以及激光反射系統(tǒng)10的機(jī)械手5b為了保持工件距離恒定，或者為了適當(dāng)?shù)乇３旨す?向工件的照射角度，需要能取得靈活的姿勢(shì)。因此，機(jī)械手5a、5b最好是6軸以上的多關(guān)節(jié)機(jī)器人。此外，只要是能夠變更激光1的照射方向(反射方向)、照射位置(反射位置)即可，機(jī)械手5a(5b)并不局限于機(jī)械手，也可以是加工臺(tái)、定位器等。此外，機(jī)器人控制裝置6a與機(jī)器人控制裝置6b能夠通過有線或無(wú)線來交換位置、姿勢(shì)的信息，以使得機(jī)械手5a與機(jī)械手5b能夠相互協(xié)調(diào)地進(jìn)行動(dòng)作。

接下來，使用圖1～圖3來對(duì)使用了上述的構(gòu)成的激光加工系統(tǒng)的激光加工方法、特別是激光焊接方法進(jìn)行說明。

首先，通過激光振蕩器2來輸出激光1(輸出工序)。被輸出的激光1通過光纖等激光傳輸構(gòu)件7而被引導(dǎo)至激光加工頭3。接下來，被引導(dǎo)至激光加工頭3的激光1如圖2所示，在通過處于激光加工頭3的內(nèi)部的準(zhǔn)直透鏡11而被平行化后，被聚焦透鏡12聚光，并從激光加工頭3射出(射出工序)。

另外，雖未圖示，但在激光1通過激光照射系統(tǒng)9所達(dá)到的范圍內(nèi)存在工件8的焊接位置的情況下，通過從激光加工頭3射出的激光1來對(duì)工件8進(jìn)行直接激光焊接。此時(shí)，通過機(jī)器人控制裝置6a來示教機(jī)械手5a進(jìn)行激光焊接，以使得適當(dāng)?shù)乇３止ぜ嚯x、激光1的照射角度。

接下來，說明如圖1所示，對(duì)從激光照射系統(tǒng)9來觀察時(shí)距離分離的位置、工件8的相反側(cè)進(jìn)行焊接的情況。從激光加工頭3射出的激光1如圖3所示，通過激光反射系統(tǒng)10所具有的反射單元4的反射部件14而被反射，并照射到工件8。

此時(shí)，將從激光加工頭3到反射部件14的距離設(shè)為第1距離50，將從反射部件14到工件8的距離設(shè)為第2距離51。第1距離50與第2距離51的合計(jì)距離為工件距離。也就是說，優(yōu)選由激光加工頭3聚光的激光1的焦距與合計(jì)距離幾乎相等。并且，需要使經(jīng)由反射單元4的合計(jì)距離一直恒定來進(jìn)行激光加工。雖然工件距離根據(jù)由光學(xué)系統(tǒng)決定的焦點(diǎn)深度而不同，但最好將允許變動(dòng)幅度恒定為±50mm以內(nèi)。若超過允許變動(dòng)幅度地工件距離進(jìn)行變動(dòng)并進(jìn)行激光焊接，則焊接位置的能量密度變化，不能進(jìn)行穩(wěn)定的激光焊接。

因此，通過將機(jī)器人控制裝置6a與機(jī)器人控制裝置6b連接，使機(jī)械手5a與機(jī)械手5b協(xié)調(diào)，從而恒定地保持工件距離。例如，若工件距離為100cm，則將第1距離50設(shè)為70cm，將第2距離51設(shè)為30cm，或者將第1距離50設(shè)為80cm，將第2距離51設(shè)為20cm即可。這樣，由于能夠在某種程度上自由地設(shè)定第1距離50和第2距離51，因此能夠確保激光1的優(yōu)選的照射角度。進(jìn)一步地，由于激光1的路線的變更也能夠增加，因此激光1的能照射的區(qū)域也能夠大幅度地?cái)U(kuò)大。

綜上所述，在本實(shí)施方式的激光加工系統(tǒng)中，在大型的工件8、復(fù)雜形狀的工件8中，能夠在不移動(dòng)工件8的情況下進(jìn)行激光焊接。由此，由于在不移動(dòng)工件8的情況下完成，因此能夠?qū)崿F(xiàn)省空間化，此外，由于不需要移動(dòng)工件8的時(shí)間，因此能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)作時(shí)間縮短。此外，由于不需要多臺(tái)激光傳輸構(gòu)件以及激光焊接機(jī)，因此能夠減少成本。進(jìn)一步地，通過2臺(tái)機(jī)械手的協(xié)調(diào)控制，能夠適當(dāng)?shù)乇３止ぜ嚯x、激光1的照射角度。

在本實(shí)施方式中，雖然說明了使從激光加工頭3射出的激光1反射來進(jìn)行焊接的激光加工系統(tǒng)以及激光加工方法，但并不局限于焊接，也可以是激光切斷、其他的加工。此外，雖然說明了反射單元4內(nèi)的反射部件14是一個(gè)的情況，但在反射單元內(nèi)也可以存在多個(gè)反射部件14。此外，激光反射系統(tǒng)10也可以是多個(gè)。此外，雖然示例了使工件距離恒定來進(jìn)行加工的激光加工系統(tǒng)以及激光加工方法，但在使能量密度恒定的狀態(tài)下進(jìn)行加工很重要。因此，例如也可以使光學(xué)系統(tǒng)移動(dòng)，根據(jù)由此變化的焦距，使工件距離變化來進(jìn)行加工。

(實(shí)施方式2)

接下來，使用圖1、2、4來對(duì)本公開的實(shí)施方式2進(jìn)行說明。圖1以及圖2與實(shí)施方式1相同，省略說明，對(duì)與實(shí)施方式1不同的方面進(jìn)行說明。圖4是表示本實(shí)施方式中的反射單元的示意構(gòu)成的圖。

如圖4所示，在本實(shí)施方式中，具備反射部件14的反射單元24具有對(duì)激光1進(jìn)行聚光的功能。由此，在激光1的照射距離(從激光加工頭到加工位置的距離)較長(zhǎng)的情況下特別有效。在反射單元4不具有對(duì)激光1進(jìn)行聚光的功能的情況下，若激光1的照射距離比激光加工頭3的焦距長(zhǎng)，則激光1發(fā)散。此時(shí)，加工位置處的激光1的能量密度降低，不能進(jìn)行效率良好的加工。與此相對(duì)地，本實(shí)施方式的反射單元24具有對(duì)激光1進(jìn)行聚光的功能，因此使來自激光加工頭3的激光1再次聚光。因此，即使激光1的照射距離變長(zhǎng)，也能夠進(jìn)行聚光以使得激光1在加工位置再次聚焦。

在圖4中，反射單元24具有對(duì)從激光加工頭3射出并達(dá)到反射單元24的激光1進(jìn)行聚光的機(jī)構(gòu)。如圖4所示，反射單元24在反射單元4上進(jìn)一步具有由準(zhǔn)直透鏡21(第2準(zhǔn)直透鏡)和聚焦透鏡22(第2聚光透鏡)構(gòu)成的光學(xué)部件(第2光學(xué)部件)。反射部件14以及散熱器13與實(shí)施方式1的反射單元4相同。并且，在反射單元24中，在由反射部件14使通過焦點(diǎn)并開始發(fā)散的來自激光加工頭3的激光1反射之后，通過準(zhǔn)直透鏡21來平行化，通過聚焦透鏡22來進(jìn)行聚光。通過該構(gòu)造，反射單元24能夠使來自激光加工頭3的激光1以第2焦距進(jìn)行聚光。

接下來，特別是以激光焊接方法為例，針對(duì)本實(shí)施方式的激光加工方法，以與實(shí)施方式1的不同點(diǎn)為中心來進(jìn)行說明。對(duì)于與實(shí)施方式1共用的方面，省略說明。

本實(shí)施方式的激光焊接方法與實(shí)施方式1的差異在于，反射單元24具有對(duì)激光1進(jìn)行聚光的功能。與實(shí)施方式1同樣地，將從激光加工頭3到反射單元24的距離設(shè)為第1距離50，將從反射單元24到工件8的距離設(shè)為第2距離51(參照?qǐng)D1)。在該情況下，在本實(shí)施方式中，需要激光1通過焦點(diǎn)而開始發(fā)散，直到激光1到達(dá)反射單元24的準(zhǔn)直透鏡21。也就是說，第1距離50比激光加工頭3的第1焦距長(zhǎng)即可。并且，從反射單元24到工件8的第2距離51是工件距離，是與反射單元24的第2焦距幾乎相等的恒定的距離。工件距離的允許變動(dòng)幅度與實(shí)施方式1同樣地，最好恒定為±50mm以內(nèi)。

此外，在本實(shí)施方式中，關(guān)于第1距離50，只要比第1焦距長(zhǎng)，就能夠在某種程度上自由地設(shè)定。因此，激光加工系統(tǒng)的配置的自由度較高，能焊接的區(qū)域大幅度地放大。其中，如果從激光加工頭3到反射單元24的第1距離50也恒定則更優(yōu)選。由于激光加工頭3與反射單元24的第1距離50變大，從而激光1的光束逐漸發(fā)散。因此，若入射到反射單元24的準(zhǔn)直透鏡21、聚焦透鏡22的激光1的光束直徑變化，則第2焦距變化。由此，這是因?yàn)槌蔀楹附游恢玫慕裹c(diǎn)處的光束直徑(光斑直徑)變化，焊接中產(chǎn)生偏差。此外，進(jìn)一步地，若來自激光加工頭3的激光1過于發(fā)散，則可能激光1不能收斂至反射單元24的反射部件14，或者激光1不能收斂至反射后的準(zhǔn)直透鏡21、聚焦透鏡22。因此，若第1距離50恒定(允許變動(dòng)幅度±300mm)則優(yōu)選。

(實(shí)施方式3)

接下來，使用圖1、2、5來對(duì)本公開的實(shí)施方式3進(jìn)行說明。圖1以及圖2與實(shí)施方式2相同，省略說明，對(duì)與實(shí)施方式2不同的方面進(jìn)行說明。圖5是表示本實(shí)施方式中的反射單元的示意構(gòu)成的圖。

如圖5所示，在本實(shí)施方式中，具備表面是凹形狀的反射部件44的反射單元34具有對(duì)激光1進(jìn)行聚光的功能。雖然在實(shí)施方式2中，通過準(zhǔn)直透鏡21和聚焦透鏡22來對(duì)激光1進(jìn)行聚光，但在本實(shí)施方式中，通過反射部件44來對(duì)激光1進(jìn)行聚光。由此，能夠在不存在透過準(zhǔn)直透鏡21、聚焦透鏡22時(shí)的能量的損耗的情況下，通過反射部件44來同時(shí)進(jìn)行激光1的反射和聚光。

另外，關(guān)于共用的構(gòu)成以及效果，與實(shí)施方式1、實(shí)施方式2相同。

(實(shí)施方式4)

接下來，使用圖2、6來對(duì)本公開的實(shí)施方式4進(jìn)行說明。圖2與實(shí)施方式1相同，省略說明，對(duì)與實(shí)施方式1不同的方面進(jìn)行說明。圖6是表示本實(shí)施方式中的激光加工系統(tǒng)的示意構(gòu)成的圖。

如圖6所示，在本實(shí)施方式的激光加工系統(tǒng)中，取代激光反射系統(tǒng)10，將固定的反射部件54用作為反射單元。由此，不需要使用激光反射系統(tǒng)的機(jī)械手5b、機(jī)器人控制裝置6b，激光加工系統(tǒng)的構(gòu)成變得非常簡(jiǎn)單。固定的反射部件54可以固定于壁面，此外，也可以安裝于臺(tái)子上。反射部件54能夠使用與實(shí)施方式1的反射部件14相同的材質(zhì)、構(gòu)造。

另外，關(guān)于共用的構(gòu)成以及效果，與實(shí)施方式1相同。

綜上所述，在實(shí)施方式1～4中，示例了使工件距離恒定來進(jìn)行加工的激光加工系統(tǒng)以及激光加工方法。但是，使激光的能量密度相對(duì)于工件8的照射位置恒定來進(jìn)行加工即可，激光加工頭3以及反射單元4、24、34的至少一方也可以具有變焦功能。并且，也可以根據(jù)通過變焦功能而變化的焦距，使工件距離變化來進(jìn)行加工。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

根據(jù)本公開的激光加工系統(tǒng)以及激光加工方法，能夠適當(dāng)?shù)乇３旨す獾慕咕?、激光的照射角度，并且通過簡(jiǎn)單的構(gòu)成來對(duì)相互分離的多個(gè)加工位置進(jìn)行激光加工，在產(chǎn)業(yè)上有用。

-符號(hào)說明-

1 激光

2 激光振蕩器

3 激光加工頭

4、24、34 反射單元

5a、5b 機(jī)械手

6a、6b 機(jī)器人控制裝置

7 激光傳輸構(gòu)件

8 工件

9 激光照射系統(tǒng)

10 激光反射系統(tǒng)

11 準(zhǔn)直透鏡

12 聚焦透鏡

13 散熱器

14、44、54 反射部件

21 準(zhǔn)直透鏡

22 聚焦透鏡

50 第1距離

51 第2距離

101 激光振蕩器

102 光束

103、104、105 選擇反射鏡

106、107、108 選擇反射鏡驅(qū)動(dòng)構(gòu)件

109、110、111、112 動(dòng)作狀況信號(hào)

113 選擇反射鏡控制裝置

A～D 焊接機(jī)