光纤激光振荡器、光纤激光加工装置以及光纤激光振荡器的除湿方法

摘要

光纤激光加工装置(51)具备光纤激光振荡器(1)以及激光加工机(10)，其中，该光纤激光加工装置(51)具备：具有通过气体分离膜模块(23a、23b)使从外部供给的清洗用压缩空气成为低露点干燥空气的低露点化部(23)的空气清洗单元(20)；输出激光的多个光纤激光模块(2)；使分别从多个光纤激光模块(2)输送的激光合束并输送至外部的合束器(3)；以及将低露点干燥空气分别分配供给至多个光纤激光模块(2)的分配器(5)，该激光加工机(10)通过由合束器(3)输送的激光对工件(W)实施激光加工。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光振荡器、光纤激光加工装置以及光纤激光振荡器的除 湿方法。

背景技术

光纤激光振荡器具备机箱、以大致密封的状态收纳于该机箱内的光引擎、 控制振荡动作的控制装置以及冷却装置而构成。光引擎具备：具有作为激光光 源的半导体激光的多个光纤激光模块；使在各光纤激光模块中生成的激光耦合 的合束器。在合束器中耦合的激光通过程序光纤向外部输出。

一般来说，在半导体激光的激光振动效率方面具有温度依存性。因此，需 要通过冷却将伴随激光的振动而发热的光引擎的温度维持在适宜的温度下，经 常得到高的振动效率。为此，冷却装置具备将其光引擎维持在适宜的温度下的 功能。该冷却通常通过在配置于机箱内的冷却水路(冷却导管)内使例如24℃ 的冷却水流入循环来进行。

可是，包含在机箱内的空气的水蒸气的量超过在冷却水温度(如24℃) 中的饱和水蒸气的量时，在冷却导管的表面会产生结露，对光引擎内的电子部 件等产生影响的可能性高。因此，向冷却水的冷却导管内的注入有必要在通过 除湿装置将机箱内的空气及光纤激光模块内的空气的湿度充分变低之后进行。

在专利文献1中作为将这样的除湿装置配备在机箱内的光纤激光振荡器， 提出了具备用于机箱内供给分别适合多个LD模块的干燥后的空气(低露点干 燥空气)的除湿装置的光纤激光振荡器。具体地说，提出了将通过除湿而得到 的低露点干燥空气用小型泵以每分钟1L(1dm³)的程度供给的实施例，另一 方面，记载着使用一直以来设置于激光加工机等上的供给清洗用空气的装置的 要点。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-024778号公报

发明内容

在专利文献1中记载的装置中，在低露点干燥空气的供给中使用小型泵的 情况下以每分钟1dm³程度进行空气供给。

可是，在其可供给的低露点干燥空气的流量中自然存在界限，根据机箱内 的空气的温度及湿度的关系，例如，存在通过接通电源等开始除湿之后至充分 除湿后可进行光纤激光的输出，需要比较长的时间的情况。

另一方面，从市场的角度希望对光纤激光加工装置大功率化，为了对应其 期望，推进光纤激光振荡器的大功率化。并且，用于可具有余力地实现该大功 率化的冷却系统及除湿系统的高能力化也做将来性预想。

在这样的情况下，认为从外部作为清洗用空气充裕地供给而得到的压缩空 气的利用是有效的，关于将该压缩空气利用于除湿的情况的具体结构等在专利 文献1中未提出。

因此，本发明需要解决的课题是提供使用清洗用空气，通过除湿从开始除 湿到可进行加工动作的等待时间缩短且使用性能优良的光纤激光振荡器、光纤 激光加工装置及光纤激光振荡器的除湿方法。

为了解决上述课题，提供一种光纤激光振荡器，其具备：输出激光的多个 光纤激光模块；将分别从上述多个光纤激光模块输出的激光合束并输送至外部 的合束器；通过气体分离膜模块使从外部供给的清洗用压缩空气成为低露点干 燥空气的低露点化部；将上述干燥空气分别分配供给至上述多个光纤激光模块 的分配器。

另外，提供一种光纤激光加工装置，其具备光纤激光振荡器以及激光加工 机，其中，该光纤激光振荡器具备：具有通过气体分离膜模块使从外部供给的 清洗用压缩空气成为低露点干燥空气的低露点化部的空气清洗单元；输出激光 的多个光纤激光模块；将分别从上述多个光纤激光模块输出的激光合束并输送 至外部的合束器；将上述干燥空气分别分配供给至上述多个光纤激光模块的分 配器，该激光加工机通过从上述合束器输送的激光对工件进行激光加工。

而且，提供一种光纤激光振荡器的除湿方法，该光纤激光振荡器具备输出 激光的多个光纤激光模块、使分别从上述多个光纤激光模块输出的激光合束并 输送至外部的合束器，该光纤激光振荡器的除湿方法的特征在于，包含下述步 骤：通过气体分离膜模块对从外部供给的清洗用压缩空气进行除湿并成为低露 点干燥空气的干燥空气生成步骤；以及将上述干燥空气分别分配供给至上述多 个光纤激光模块的干燥空气供给步骤。

附图说明

图1是用于说明在本发明中的一实施方式中光纤激光加工装置的整体图。

图2是用于说明在本发明中的一实施方式中光纤激光振荡器的图。

图3是用于说明在本发明中的一实施方式中光纤激光加工装置的空气清 洗单元的图。

图4是用于说明根据在本发明中的一实施方式中光纤激光振荡器的除湿 而产生的露点推移的图表。

图5是用于说明根据在本发明中的一实施方式中光纤激光振荡器的除湿 动作而产生的露点推移的另一图表。

图6是用于说明根据在本发明中的一实施方式的变形例1中光纤激光振荡 器的除湿动作而产生的露点推移的图表。

图7是用于说明根据在本发明中的一实施方式的变形例2中光纤激光振荡 器的除湿动作而产生的露点推移的图表。

具体实施方式

使用图1～图6说明作为本发明的一实施方式的光纤激光振荡器1及光纤 激光加工装置51。

首先，关于光纤激光加工装置51，参照图1进行说明。如图1所示，光 纤激光加工装置51具备：相对于工件W进行激光加工的光纤激光加工机10； 通过程序光纤FB1向光纤激光加工机10供给激光的光纤激光振荡器1；通过 空气供给线路AR1将低露点干燥空气供给至光纤激光振荡器1并且通过空气 供给线路AR2将低露点干燥空气向光纤激光加工机10供给的空气清洗单元 20。

光纤激光加工机10具备：用光轴仪透镜12使从程序光纤FB1的出口端 面扩大并射出的激光L成为平行光的光轴仪单元13；反射通过光轴仪透镜12 成为平行光的激光的弯曲反射镜14；用聚光透镜15将由弯曲发射镜14反射 的激光聚集为高能量密度的激光的激光磁头16；设置通过聚集的激光进行加 工的工件W的加工工作台18。另外，激光磁头16作为可将由空气供给线路 AR2供给的低露点的干燥空气导入至内部的部件，防止向光学系统附着尘埃。

其次，关于光纤激光振荡器1，主要参照图2进行说明。在图2中，光纤 激光振荡器1具备机箱KT、以大致密闭的状态收纳于机箱KT内部的光引擎 EG、控制该光纤激光振荡器1的动作的控制部SG、电源部PW、冷却部RF。 关于控制部SG及电源部PW，各自具有机箱SG1及机箱PW1，其内部为大致 密闭的状态。

光引擎EG具备：多个(在该例中为四个)光纤激光模块2；将在各光纤 激光模块2中生成的激光分别传送的多个单元光纤FB2；将多个单元光纤FB2 熔焊为一个并汇集的合束器3。在合束器3和程序光纤FB1之间，设置串联连 接的输送光纤FB3和射线开关4，从合束器3汇集为一并输出的激光，经输送 光纤FB3及射线开关4，向程序光纤FB1内输出。

冷却部RF具备冷却水供给部RF1、从该冷却水供给部RF1以在各光纤激 光模块2及电源部内部PW的内部循环的方式各自配置的水路系统RF2。冷却 水供给部RF1使冷却水在水路系统RF2内流过，进行光纤激光模块2及电源 部PW的冷却。另外，冷却水供给部RF1将冷却水维持在如24℃下进行管理。

而且，在机箱KT内，设置将从空气清洗单元20通过空气供给线路AR1 供给的低露点干燥空气分配至规定的设备及部位的分配器5。具体地说，向分 配器5供给的低露点干燥空气，分别相对于多个光纤激光模块2，通过从空气 供给线路AR1分支的多个空气支路AR1a进行供给。

光纤激光模块2具备由半导体激光引起的激励光源、驱动电路、散热器以 及共振器等(都未图示)，收纳于机箱KT内。一个光纤激光模块2的输出为 大约数百W(例如350W)。因此，在图2所示的例子中具备四个光纤激光模 块2，所以，在各光纤激光模块2的输出功率为350W的情况下，那些光纤激 光模块输出的激光在合束器3内汇集之后，从程序光纤FB1以1.4KW的输出 出射。

其次，关于空气清洗单元20主要参照图3进行说明。空气清洗单元20 具备活性碳槽21、油雾过滤器22、低露点化部23、分支部24。另外，空气清 洗单元20作为输入侧具备供给空气孔P1、作为输出侧具备两个输出空气孔 P2a、P2b。

向供给空气孔P1供给压缩空气A。供给的压缩空气A通过活性碳槽21 及油雾过滤器22，除去油分、粉尘、油雾等，然后，通过低露点化部23。

低露点化部23具有作为气体分离膜模块的氮元素分离膜模块23a。氮元 素分离膜模块23a具有利用透过空心丝膜的速度差使氮元素(N₂)及氩(Ar) 从其他的空气成分中分离的机能。作为形状，采用能够束缚空心丝膜的筒状， 筒状的一端侧为空气入口，另一端侧为利用空心丝膜的性质处理的空气出口。

当从氮元素分离膜模块23a的一端侧向内部供给通过油雾过滤器22的压 缩空气A1时，相比于氮元素(N₂)及氩(Ar)更容易通过空心丝膜的氧元素 (O₂)、水蒸气(H₂O)以及二氧化碳(CO₂)等从筒状壁向外部释放(参照箭 头Aa)，成为氧元素及水蒸气浓度低下的氮元素含量高且低露点的干燥空气 A2，并从另一端侧排出。

从低露点化部23排出的氮元素含量高且低露点的干燥空气A2由分支部 24分支为两个系统，各自输送至输送空气孔P2a、P2b。向输送空气孔P2a供 给的干燥空气通过空气供给线路AR2向光纤激光加工机10输送。向输送空气 孔P2b供给的干燥空气通过空气供给线路AR1向光纤激光振荡器1的分配器 5供给。

向空气清洗单元20的供给空气孔P1供给的压缩空气A使用空气供给源P 侧的压缩机压缩而成，向空气清洗单元20供给前，通过预过滤器30。在预过 滤器30中，能够除去混合于压缩空气中的比较大的油分、异物、油雾以及水 滴等异物。

作为低露点化部23，能够使用配置氮元素分离膜模块23a的市场出售的 膜分离型氮元素空气发生装置。在氮元素分离膜模块23a中，能够使用例如聚 酰亚胺类的空心丝膜。一般性的，膜分离型氮元素空气发生装置，从例如温度 40℃、湿度80％RT的空气中在大气压露点下能够生成-40℃以下(下限如-60℃) 的低露点的干燥空气。

进行通过如图2所示的分配器5将在使用如上述膜分离型氮元素空气发生 装置的低露点化部23中生成的低露点的干燥空气向光纤激光模块2的内部供 给的除湿作业，关于光纤激光模块2内的空气，测量露点温度的时间推移。

在此，光纤激光模块2的内部的空间容积为大约25dm³，光纤激光模块2 的周围环境在除湿作业前是气温为40℃、湿度80％RH。另外，冷却部RF供 给的冷却水的温度为24℃±1℃。另外，作为低露点化部23，使用从气温40℃、 湿度80％RH的空气中在大气压露点下生成-40℃的低露点的干燥空气的能力 的装置。

这些条件下，在该测量中，将低露点的干燥空气的供给量从现有的 1dm³/min到在空气清洗单元20中可充分供给的10dm³/min以五个步骤测量。 在图4的图表中表示其结果。

在图4中，露点温度如果为冷却水的下限温度即小于23℃，则光纤激光 模块2内的空气中的水蒸气量不会提高至饱和水蒸气量，不会结露。

因此，从由压缩空气A1产生的低露点的干燥空气的开始供给至露点温度 小于23℃的时间t(以下，也称作除湿时间t)，关于低露点干燥空气的每分钟 供给量不同的时间推移K1～K5分别进行评价。

其结果，作为在各推移中的除湿时间t，得到的结果如下，

推移K1(1dm³/min)：57分30秒(3450秒)；

推移K2(2dm³/min)：17分40秒(1060秒)；

推移K3(3dm³/min)：12分46秒(766秒)；

推移K4(5dm³/min)：6分05秒(365秒)；

推移K5(10dm³/min)：2分35秒(155秒)；

在图5中的图表中，用黑圆的标绘表示其结果，。

在推移K1中的供给量，是使用不利用净化用压缩空气的小型泵的现有水 平。当比较该推移K1和利用作为净化用空气供给的压缩空气的推移K5的情 况时，利用压缩空气的情况下，在光纤激光振荡器1中的除湿时间t从3450 秒缩短为155秒，即，缩短为大约4.5％(大约1/22)。

除湿时间t是例如为用户接通电源之后至发出激光的时间，因此，光纤激 光振荡器1为到可进行动作的等待时间变得很短而且使用性能的极其优良的 装置。

根据上述结构，即使在为了光纤激光振荡器1的维护，打开机箱KT的门 (未图示)的情况下，低露点的干燥空气直接供给至光纤激光模块2及电源部 PW的内部，所以，各内部的空气的露点温度不会骤然上升。

光纤激光加工装置51，一直以来，在使向设置于工厂内的加工设备等供 给的清洗用压缩空气由过滤器除去异物后，通过作为气体分离膜模块使用的氮 元素分离膜模块的如膜分离型氮元素气体发生装置，从而除湿。并且，将除湿 后得到的低露点干燥空气分支到多个供给线路，通过分支内的一个线路将低露 点干燥空气供给至光纤激光振荡器1中，通过分支内的其他供给线路将低露点 干燥空气供给至光纤激光加工机10中。并且，通过利用分配器5将供给至光 纤激光振荡器1中的低露点干燥空气分别供给至多个光纤激光模块，将光纤激 光模块2内除湿，进行其内部空气的低露点化。

根据该除湿方法，能够向光纤激光模块2的内部供给大流量的低露点干燥 空气，从除湿动作开始至可输出激光的等待时间变短，能够使光纤激光加工装 置的使用性调整到极其良好的状态。

上述的除湿动作通过控制部SG进行控制。例如，在低露点干燥空气的供 给路径上，设置以在露点温度上升不会结露的范围内节省电力的方式调节每单 位时间的低露点的干燥空气的供给量的阀门，可以通过控制部SG调节其阀门 的开度。另外，在低露点干燥空气的供给路径上设置流量开关，监视流量，流 量低于规定值时，可以用报警器等通知异常。

本发明的实施方式未局限于上述的结构，在不脱离本发明的主旨的范围内， 可以有变形例。

(变形例1)

关于除湿动作，可以与对上述光纤激光模块2及电源部PW供给低露点干 燥空气而进行的除湿动作同时进行由冷却器C而进行的机箱KT内的空气的除 湿动作。这种情况下，冷却器C，例如，在图1及图2中如以虚线所显示，同 时设置于机箱KT上。这些除湿动作通过控制部SG进行控制。

图6是表示除了只进行图4中所表示的低露点干燥空气的供给的除湿之外， 同时进行由冷却器C而进行的机箱KT内的空气的除湿的情况下的、光纤激光 模块2内的空气露点温度的时间变化的图表。

关于这种情况下的推移KC1～5各自的除湿时间t如下：

推移KC1(1dm³/min)：15分10秒(910秒)；

推移KC2(2dm³/min)：5分50秒(350秒)；

推移KC3(3dm³/min)：5分55秒(355秒)；

推移KC4(5dm³/min)：2分5秒(125秒)；

推移KC5(10dm³/min)：1分45秒(105秒)，

这些结果在图5的图表中以白色空格的四方形图表表示。

而且，在推移KC3的试验中，测量机箱KT内部的光纤激光模块2及电 源部PW的外侧的空气的露点温度的推移，在图6中表示为推移6。在推移 KC6中的除湿时间(即，机箱KT内的空气的除湿时间)t是推移KC6(机箱 内)：6分3秒(183秒)。

从图6中所明确，在光纤激光模块2及电源部PW的除湿动作中也同时进 行机箱KT内的空气的除湿这种形式能够将除湿时间t缩短为大约一半时间的 程度，至光纤激光振荡器1的动作可进行的等待时间变为更短，使用性能变得 更好，因此优选。

(变形例2)

作为位于光纤激光装置51的空气清洗单元20的低露点化部23，不是膜 分离型氮元素气体发生装置，可以使用膜式空气干燥机。膜式空气干燥机作为 气体分离膜模块，使用捆扎具有透湿性的多孔制氟元素等的空心丝膜并为筒状 的透湿膜模块23b(参照图3)，通过透湿膜模块23b将供给的压缩空气除湿， 生成干燥空气。

参照图3进行具体说明，从透湿膜模块23b的一端侧向内部供给通过油雾 过滤器22的压缩空气A1时，通过在膜内外的水蒸气分压差，压缩空气A1中 的水蒸气(H₂O)浸透膜并从筒状壁向外部释放(参照箭头Ab)，成为只去除 水分的干燥空气A2b并从另一端侧排出。该排出的干燥空气A2b向光纤激光 振荡器1的分配器5输送。

在图7中表示使用具备作为气体分离膜模块的透湿膜模块23b的膜式空气 干燥机进行除湿动作，测量光纤激光模块2内的空气的露点温度的时间变化的 结果。该露点温度的时间变化在图7中作为推移KC7表示。

在此，干燥空气的供给量为5dm³/min，在该除湿动作中，依靠冷却器C 进行的机箱KT内的除湿并列同时进行。因此，在除湿动作中，使用膜式空气 干燥机以外的条件是相同的，推移KC7是能与图6中所表示的推移KC4进行 对比的推移数据。因此，在图7中，为了容易理解一起记载推移KC4。

如图7所示，在推移KC7中至露点温度小于23℃的除湿时间t7为1分 53秒(113秒)。这是与在推移KC4中的2分5秒(125秒)几乎相同的评价 的结果，使用透湿膜模块23b的膜式空气干燥机具有充分的除湿性能，能够确 认与使用氮元素分离膜模块23a的情况下发挥同样的效果。

膜式空气干燥机，由于小型轻量化且安装容易，适合安装于空气清洗机 20等的机器内。另外，由于不需要电源，所以，操作简便。在使用该膜式空 气干燥机的除湿动作中，可以不同时进行利用冷却器C的机箱KT内的除湿。

(其他变形例)

可以向光纤激光加工机10供给在空气清洗单元20的上游侧被分流的压缩 空气。可是，经过空气清洗单元20的低露点的干燥空气由于是除去了油雾和 比较粗的粉尘等的清洁的空气，所以，优选供给在如上述的空气清洗单元20 的下游侧被分流的空气。另外，即使在供给在空气清洗单元20的上游侧被分 流的压缩空气的情况下，以不会损坏光学部件的光学性机能的方式，有必要从 供给的压缩空气除去油雾和粉尘等。

并且，激光加工机除了切削工件W以外，可以为焊接功能或者其他的功 能，不限定加工种类。

另外，在光纤激光振荡器1的内部，可以一体性地收纳空气清洗单元20。 这种情况下，下游侧连接于光纤激光加工机10的空气供给线路AR2的上游侧 连接于光纤激光振荡器1。

产业上的可利用性

从以上说明中明确，根据本发明，能够得到利用除湿从除湿开始至可进行 加工动作的等待时间变短且使用性能优良的效果。