直接二極管激光加工裝置及其輸出監(jiān)視方法與流程

本發(fā)明涉及直接二極管激光加工裝置及其輸出監(jiān)視方法。

背景技術(shù)：

過去，作為板金加工用的激光加工裝置，已知將二氧化碳(co2)激光振蕩器或yag激光振蕩器、光纖激光振蕩器用作激光源。光纖激光振蕩器具有比yag激光振蕩器光品質(zhì)更好、振蕩效率極高等優(yōu)點。因此，使用光纖激光振蕩器的光纖激光加工裝置利用于產(chǎn)業(yè)用，尤其是板金加工用(切斷或焊接等)。

近年來，還開發(fā)了將直接二極管激光(ddl：directdiodelaser)振蕩器用作激光源的ddl加工裝置。ddl加工裝置使用多個激光二極管(ld：laserdiode)并重疊多波長(multiple-wavelength)的激光，使用傳輸光纖傳輸至加工頭。并且，從傳輸光纖的端面射出的激光通過準(zhǔn)直透鏡及聚光透鏡等被匯聚并照射至被加工材上。

另外，如國際公開公報wo93/16512號(專利文獻1)所例示的那樣，作為關(guān)聯(lián)的激光二極管的輸出等的監(jiān)視手法，已知使用光電二極管來監(jiān)視激光二極管的輸出，并管理激光二極管的故障或壽命的手法。

另外，如日本國專利公開公報特開2000-081370號(專利文獻2)所例示的那樣，已知使用偏光分離元件將來自光纖的被波長多重傳輸?shù)募す夥蛛x，并通過受光元件接受各偏光成分，根據(jù)偏向成分彼此之間的光強度比來測量波長的變化的裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

然而，專利文獻1是對激光二極管的輸出進行個別監(jiān)視的技術(shù)，無法對ddl加工裝置所使用的多波長的激光的輸出進行監(jiān)視。另外，在專利文獻2中，將根據(jù)偏向成分彼此之間的光強度比的變化來測量波長的變化。另一方面，ddl加工裝置中所使用的多波長的激光的輸出按波長或按波長頻帶可變，從而專利文獻2的手法無法應(yīng)用于ddl加工裝置。

本發(fā)明就是鑒于上述課題而完成的，根據(jù)本發(fā)明能夠提供一種在使用多波長的激光來進行加工時，可以對多波長的激光的輸出下降適當(dāng)?shù)剡M行監(jiān)視的直接二極管激光加工裝置及其輸出監(jiān)視方法。

根據(jù)本發(fā)明的一方式，提供直接二極管激光加工裝置及其輸出監(jiān)視方法，該直接二極管激光加工裝置具備：激光振蕩器，其具有使多波長的激光振蕩的多個激光二極管；傳輸光纖，其對通過激光振蕩器振蕩后的多波長的激光進行傳輸；激光加工機，其對通過傳輸光纖傳輸?shù)亩嗖ㄩL的激光進行匯聚來加工被加工材；檢測機構(gòu)，其對多波長的激光的一部分進行采樣，并按波長對該采樣的激光的光強度進行檢測；監(jiān)視部，其基于多波長的激光的每個波長的光強度的變化，來監(jiān)視多波長的激光的輸出下降；以及控制模塊，其基于監(jiān)視部的監(jiān)視結(jié)果來控制多個激光二極管。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的ddl加工裝置的一例的立體圖。

圖2(a)是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的激光振蕩器的一例的主視圖；圖2(b)是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的激光振蕩器的一例的側(cè)視圖。

圖3是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的ddl模塊的一例的概要圖。

圖4是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的檢測機構(gòu)及監(jiān)視部周邊的一例的概要圖。

圖5(a)是表示正常時的波長分布的一例的曲線圖；圖5(b)是表示生成的波長分布的一例的曲線圖；圖5(c)是表示生成的波長分布的另一例的曲線圖。

圖6是用于說明本發(fā)明的實施方式所涉及的ddl加工裝置的輸出監(jiān)視方法的一例的流程圖。

具體實施方式

參照附圖，對本發(fā)明的實施方式進行說明。在下面的附圖的記載中，對相同或類似的部分標(biāo)注相同或類似的符號。

參照圖1，對本發(fā)明的實施方式所涉及的直接二極管激光(directdiodelaser)(下面，記作“ddl”)加工裝置的整體結(jié)構(gòu)進行說明。本發(fā)明的實施方式所涉及的ddl加工裝置，如圖1所示，具備：激光振蕩器11，其使多波長的激光lb振蕩；傳輸光纖(processfiber)12，其傳輸通過激光振蕩器11被振蕩后的激光lb；以及激光加工機13，其使通過傳輸光纖12傳輸?shù)募す鈒b匯聚為高能量密度并向被加工材(工件)w進行照射。

激光加工機13具備：準(zhǔn)直單元14，其通過準(zhǔn)直透鏡15將從傳輸光纖12射出的激光lb轉(zhuǎn)換為大致平行光；彎曲鏡(bendmirror)16，其使轉(zhuǎn)換為大致平行光的激光lb向垂直于x軸及y軸方向的z軸方向下方反射；以及加工頭17，其通過聚光透鏡18對由彎曲鏡16反射后的激光lb進行匯聚。準(zhǔn)直透鏡15及聚光透鏡18可以使用例如石英制的平凸透鏡等一般的透鏡。

此外，雖然在圖1中省略圖示，但是在準(zhǔn)直單元14內(nèi)設(shè)置有沿平行于光軸的方向(x軸方向)驅(qū)動準(zhǔn)直透鏡15的透鏡驅(qū)動部。另外，ddl加工裝置還具備控制透鏡驅(qū)動部的控制部。

激光加工機13還具備：加工臺21，其載置有被加工材w；門型x軸滑架(carriage)22，其在加工臺21上沿x軸方向移動；以及y軸滑架23，其在x軸滑架22上沿垂直于x軸方向的y軸方向移動。準(zhǔn)直單元14內(nèi)的準(zhǔn)直透鏡15、彎曲鏡16、以及加工頭17內(nèi)的聚光透鏡18在完成光軸調(diào)整的狀態(tài)下被預(yù)先固定于y軸滑架23，與y軸滑架23一起沿y軸方向移動。此外，也可以設(shè)置相對于y軸滑架23可向上下方向移動的z軸滑架，并在該z軸滑架上設(shè)置聚光透鏡18。

本實施方式所涉及的ddl加工裝置通過聚光透鏡18聚光而向被加工材w照射最小的聚光直徑(最小聚光直徑)的激光lb，或者一邊向同軸噴射輔助氣體來去除熔融物，一邊使x軸滑架22及y軸滑架23移動。由此，ddl加工裝置可以對被加工材w進行切斷加工。被加工材w為不銹鋼、軟鋼、鋁等各種材料。被加工材w的厚度例如為0.1mm～100mm左右。在本實施方式中，被加工材w的厚度優(yōu)選15mm以上，也可以是2mm以上，或者還可以是30mm。另外，該厚度優(yōu)選100mm以下。

參照圖2及圖3，對激光振蕩器11進行說明。激光振蕩器11如圖2(a)及圖2(b)所示，設(shè)置有框體60、收容于框體60內(nèi)并與傳輸光纖12連接的ddl模塊10、收容于框體60內(nèi)并向ddl模塊10供電的電源部61、以及收容于框體60內(nèi)并控制ddl模塊10的輸出等的控制模塊62等。另外，在框體60的外側(cè)，設(shè)置有對框體60內(nèi)的溫度及濕度進行調(diào)整的空調(diào)設(shè)備63。

ddl模塊10如圖3所示，將多波長(multiple-wavelength)λ1、λ2、λ3、···、λn(下面記作{λi})的激光重疊輸出。ddl模塊10具備：多個激光二極管(下面記作“l(fā)d”)31、32、33、···3n(n為4以上的整數(shù))；光譜合束部50，其經(jīng)由光纖41、42、43、···4n被連接至ld31、32、33、···3n，并對多波長{λi}的激光進行光譜合束(spectralbeamcombining)；以及聚光透鏡54，其對來自光譜合束部50的激光進行匯聚并入射至傳輸光纖12。

多個ld31、32、33、···3n(下面記作多個ld3)可采用各種半導(dǎo)體激光器。多個ld3的種類和數(shù)量的組合沒有特別限定，可以配合板金加工的目的進行適當(dāng)選擇。多個ld3的各波長λ1、λ2、λ3、···、λn例如可以選擇不足1000nm，或者在800nm～990nm的范圍內(nèi)選擇或者在910nm～950nm的范圍內(nèi)選擇。

多波長{λi}的激光例如按波長頻帶進行群(組)管理并進行控制。并且，可以按波長頻帶個別地對輸出進行可變調(diào)節(jié)。另外，可以將全波長頻帶的輸出調(diào)整為使吸收率成為恒定。

在進行切斷加工時，使多個ld同時進行動作，并且向焦點位置附近噴射氧氣、氮氣等適當(dāng)?shù)妮o助氣體。由此，來自多個ld3的各波長的激光相互協(xié)同動作，并且與氧氣等輔助氣體協(xié)同動作，從而使工件高速熔融。另外，該熔融工件材料被輔助氣體吹飛，從而使工件被高速切斷。

光譜合束部50具備：固定部51，其捆束并固定光纖41、42、43、···4n的射出端側(cè)而形成光纖陣列4；準(zhǔn)直透鏡52，其使來自光纖41、42、43、···4n的激光成為平行光；衍射光柵(diffractiongrating)53，其使多波長{λi}的激光衍射并使光軸一致；以及局部反射耦合器55，其與設(shè)置在多個ld3后端部的反射面一起構(gòu)成諧振器。此外，圖3所示的局部反射耦合器55的配置位置為一個例子，并不局限于此。

在基于這樣的ddl加工裝置的切斷加工等加工中，多波長{λi}的激光的每個波長的光束束腰例如為100μm～400μm左右，并以多個直徑形成多焦點。光束束腰通過聚光透鏡18的入射直徑為2mm～20mm左右、且焦點距離為50mm～300mm的光學(xué)要素形成。在激光振蕩器11的每個波長或每個波長頻帶的控制的輸出可變調(diào)節(jié)中，可以將垂直于被加工材w的切斷面的軸設(shè)為入射角0°，并在入射角為0～40°的范圍內(nèi)使短波長側(cè)的波長頻帶的輸出高于長波長側(cè)的波長頻帶。被加工材w的切斷速度例如可以在60m/min～250m/min的范圍內(nèi)選擇。

在ddl加工裝置中，多個ld3的劣化(壽命)或故障、光譜合束部50內(nèi)的光學(xué)元件的失調(diào)(misalignment)作為主要原因，有時多波長的激光的輸出下降。

因此，為了監(jiān)視多波長的激光輸出，本實施方式所涉及的ddl加工裝置如圖4所示，還具有檢測機構(gòu)7和連接至檢測機構(gòu)7的監(jiān)視部73。檢測機構(gòu)7對從傳輸光纖12射出的多波長λ1、λ2、λ3的激光的一部分進行分離(采樣)，并按波長λ1、λ2、λ3來檢測所采樣的激光的光強度。此外，雖然這里對3個波長λ1、λ2、λ3進行了說明，但是波長的個數(shù)并不局限于此。

檢測機構(gòu)7具備：分離元件71，其被配置在準(zhǔn)直透鏡15與聚光透鏡18之間，對通過了準(zhǔn)直透鏡15的多波長λ1、λ2、λ3的激光的一部分進行分離；分光元件72，其按波長λ1、λ2、λ3使分離后的激光分散；以及檢測元件群81、82、83，其按波長λ1、λ2、λ3對分散后的激光進行檢測。從分離元件71到檢測元件群81、82、83的光的傳播通過空間或光纖傳輸來進行。

分離元件71例如可以使用分光器或包層光剝離器(cladlightstripper)等光學(xué)元件。分光元件72可以使用衍射光柵(光柵)或棱鏡等光學(xué)元件。檢測元件群81、82、83可以使用如下單元：能夠在分別包含波長λ1、λ2、λ3的振蕩區(qū)域的每個波長域，對可以充分進行目的控制的范圍及通過分解能力分光后的光進行檢測的單個或多個光檢測器、或具有同樣功能的測定器。例如，在光譜合束部50失調(diào)的情況下，由于有時波長λ1、λ2、λ3以外的波長變化，因此也可以獨立于檢測元件群81、82、83設(shè)置可測定波長λ1，λ2，λ3以外的波長的檢測元件。另外，還可以具有綜合內(nèi)置有分光元件72和檢測元件群81、82、83的光譜分析儀等，來替代單獨設(shè)置分光元件72和檢測元件群81、82、83。

監(jiān)視部73為控制器且由中央運算處理裝置(cpu)等構(gòu)成。監(jiān)視部73基于檢測元件群81、82、83的檢測結(jié)果，對多個激光的輸出下降進行監(jiān)視。監(jiān)視部73預(yù)先將圖5(a)所示的正常時的每個波長λ1、λ2、λ3的強度分布(下面記作“波長分布(wavelengthprofile)”)存儲于存儲器等。監(jiān)視部73根據(jù)檢測元件群81、82、83的檢測結(jié)果，生成圖5(b)所示的波長分布。在圖5(b)中，波長λ2的強度相較于正常時下降。這假設(shè)是因為對應(yīng)于波長λ2的ld劣化或故障、對應(yīng)于波長λ2的ld失調(diào)的原因。

監(jiān)視部73通過對所生成的波長分布與正常時的波長分布進行比較，根據(jù)相對于正常時的各波長λ1、λ2、λ3的光強度的變化來判定輸出下降。例如，如圖5(b)所示，在所生成的波長分布中，當(dāng)至少1個波長λ2的強度變化至正常時的預(yù)定范圍外時，更具體地，在下降至預(yù)定閾值以下時，監(jiān)視部73判定為輸出下降。與此同時，監(jiān)視部73將與波長λ2相對應(yīng)的ld確定為存在異常的ld。預(yù)定的閾值可以在相對于正常時的波長分布所允許的范圍內(nèi)設(shè)定，只要預(yù)先存儲于監(jiān)視部73的存儲器等即可。監(jiān)視部73向控制模塊62通知警報及存在異常的ld的識別信息。

控制模塊62接受來自監(jiān)視部73的警報，可以使裝置整體停止，或者將存在異常的ld的識別信息顯示在顯示部等?；蛘?，控制模塊62也可以基于來自監(jiān)視部73的存在異常的ld的識別信息，停止存在異常的ld的輸出，或者提高其他正常的ld的輸出來補償存在異常的ld的輸出部分。由此，可以使所生成的波長分布的各波長的輸出的總和，與正常時的波長分布的各波長的輸出的綜合接近或一致，從而可以使裝置的運轉(zhuǎn)繼續(xù)。

另外，監(jiān)視部73如圖5(c)所示，有時也生成多個波長λ1、λ3的強度下降的波長分布。這假設(shè)是由于波長混合部的失調(diào)等的原因。監(jiān)視部73在所生成的波長分布上，當(dāng)多個波長λ1、λ3的強度變化(下降)至預(yù)定閾值以下時，監(jiān)視部73判定為輸出下降，并且將與波長λ1、λ3對應(yīng)的ld確定為存在異常的ld。

另外，監(jiān)視部73也可以在所生成的波長分布的各波長λ1、λ2、λ3的輸出的總和相對于正常時的波長分布的各波長λ1、λ2、λ3的輸出的綜合下降至預(yù)定閾值以下時，判定為輸出下降。此時，監(jiān)視部73向控制模塊62通知警報及波長分布的比較結(jié)果，控制模塊62可以使裝置整體停止、或者將波長分布的比較結(jié)果顯示在顯示部上。

進一步地，控制模塊62與多個壽命測定元件(壽命測定元件群)74相連接。壽命測定元件群74例如由多個pin光電二極管等構(gòu)成。壽命測定元件群74中包含的元件被配置在圖3所示的各ld31、32、33、···3n的附近。壽命測定元件群74對從各ld31、32、33、···3n輸出的激光進行受光，并檢測激光的光強度，來測定ld31、32、33、···3n的壽命(劣化)或故障。

控制模塊62也可以基于壽命測定元件群74的檢測結(jié)果使達到壽命(劣化)或故障的ld的輸出停止，并提高其他正常的ld的輸出來補償存在異常的ld的輸出部分。另外，控制模塊62也可以基于壽命測定元件群74的檢測結(jié)果，提高劣化的ld的控制電流值，來接近額定輸出。

控制模塊62還可以基于監(jiān)視部73的監(jiān)視結(jié)果和基于壽命測定元件群74的檢測結(jié)果，來確定(推測)多波長的激光的輸出下降原因。具體來說，當(dāng)來自監(jiān)視部73的存在異常的ld的識別信息所包含的ld在壽命測定元件群74的檢測結(jié)果中光強度未下降(未檢測出故障或劣化)時，控制模塊62確定多波長的激光的輸出下降原因并不是ld的故障或劣化，而是多波長的激光的失調(diào)。此外，該功能也可以設(shè)為監(jiān)視部73側(cè)的功能，而不是控制模塊62側(cè)。

由此，在多波長的激光的輸出下降時，可以將其原因區(qū)分為ld的故障或劣化、或多波長的激光的失調(diào)。這里，由于確定輸出下降的原因為光譜合束部50的失調(diào)，可以避免如ld故障或劣化時的對策那樣為了獲得額定輸出而增加電流值的反饋，從而可以防止光纖損耗及光纖燒損。另外，由于明確輸出下降的原因，因此可以采取正確的對策。

進一步地，在由于光譜合束部50的失調(diào)而使輸出下降的情況下，光束參數(shù)積(bpp)劣化。在單波長的激光的情況下，即使是未形成問題的程度的輸出下降，在多波長激光的情況下由于與其相伴的bpp劣化，有時仍將造成加工不良。進而，在由于光譜合束部50的失調(diào)而輸出下降時，入射至傳輸光纖12時的發(fā)熱使段差變高且容易燒損。因此，由于確定輸出下降的原因為光譜合束部50的失調(diào)，因此即使由于ld故障或劣化造成不需要對策的程度的輸出下降，仍可以直接使裝置停止從而防止傳輸光纖12的燒損。

控制模塊62有時也僅基于監(jiān)視部73的監(jiān)視結(jié)果，就能夠確定(推定)光譜合束部50失調(diào)為原因。具體來說，如圖5(c)所示，在相對于正常時的波長分布，多個波長λ1、λ3的強度大幅下降的情況下，或在設(shè)計上不進行激光振蕩且不應(yīng)該變化的波長域強度發(fā)生變化時，可以確定(推定)原因是光譜合束部50的失調(diào)，而不是ld劣化或故障。

＜激光的輸出監(jiān)視方法＞

一邊參照圖6的流程圖，一邊對使用本發(fā)明的實施方式所涉及的ddl加工裝置的輸出監(jiān)視方法的一例進行說明。

在步驟s1中，檢測機構(gòu)7對從傳輸光纖12射出的多波長的激光的一部分進行采樣，并按波長對所采樣的激光的光強度進行檢測。

在步驟s2中，監(jiān)視部73根據(jù)檢測機構(gòu)7的檢測結(jié)果生成波長分布。在步驟s3中，對監(jiān)視部73生成的波長分布和從存儲器讀取的正常時的波長分布進行比較。如果所生成的波長分布的變化相對于正常時在預(yù)定閾值以上，則判定為ld存在異常，并轉(zhuǎn)入步驟s4。

在步驟s4中，監(jiān)視部73對控制模塊62通知存在異常的ld的識別信息和警報?？刂颇K62接收警報并使裝置停止。

如以上說明那樣，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，對多波長的激光的一部分進行采樣，按波長對所采樣的激光的光強度進行檢測，并基于多波長激光的每個波長的光強度(波長分布)的變化，對多波長的激光的輸出下降進行監(jiān)視，基于監(jiān)視結(jié)果來控制多個激光二極管，由此可以適當(dāng)?shù)乇O(jiān)視輸出下降。因此，可以防止基于燒損或bpp增加而造成的加工不良。

(其他實施方式)

本發(fā)明由實施方式所記載，但是不應(yīng)理解為形成本公開的一部分的論述及附圖對本發(fā)明有所限定。根據(jù)本公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明確各種代替實施方式、實施例及運用技術(shù)。

在本發(fā)明的實施方式中，說明了檢測機構(gòu)7被搭載在激光加工機13內(nèi)的準(zhǔn)直透鏡15與聚光透鏡18之間(加工頭部分)，并對從傳輸光纖12射出后的激光進行采樣的情況，但是并不特別限定于此。例如，也可以搭載于圖3所示的激光振蕩器11內(nèi)的光譜合束部50與傳輸光纖12之間。檢測機構(gòu)7檢測入射至傳輸光纖12前的激光的光強度。

另外，圖1所示的傳輸光纖12由連接至激光振蕩器11的第1傳輸光纖、以及連接至第1傳輸光纖與激光加工機13之間的第2傳輸光纖這2根構(gòu)成，在第1及第2傳輸光纖通過光束耦合器(beamcoupler)等光學(xué)要素連接時，也可以在該光學(xué)要素部分搭載檢測機構(gòu)7。檢測機構(gòu)7對從第1光纖射出的激光的光強度進行檢測。

本發(fā)明的實施方式所涉及的ddl加工裝置的板金加工除了切斷加工外，還可以應(yīng)用于激光成形加工、退火、燜火及消融等各種板金加工。

這樣，本發(fā)明當(dāng)然包含在這里未記載的各種實施方式等。因此，本發(fā)明的技術(shù)范圍根據(jù)上述說明，僅通過妥當(dāng)?shù)囊髮＠Ｗo的范圍所涉及的發(fā)明特定事項來確定。

根據(jù)本發(fā)明，可以提供在使用多波長的激光來進行加工時，能夠恰當(dāng)?shù)貙Χ嗖ㄩL的激光的輸出下降進行監(jiān)視的直接二極管激光加工裝置及其輸出監(jiān)視方法。

(美國指定)

本國際專利申請涉及美國指定，針對2014年10月14日申請的日本國專利申請第2014-209913號，引用基于美國專利法第119條(a)的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，并引用該公開內(nèi)容。