CN111201464B - 激光焊接方法以及激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的激光加工装置(100)是将激光波束聚光到加工对象物来进行激光加工的激光加工装置(100)，其特征在于，具备将激光波束进行聚光的聚光光学系统(3)，聚光光学系统(3)具有像差，聚光前的激光波束中的针对与含有激光功率的86.5％的激光波束直径即D86.5对应的光线的聚光点处的横向像差是0.2mm以上。

Description

激光焊接方法以及激光加工装置
技术领域
本发明涉及使用激光波束进行切断、焊接、热处理等激光加工的激光加工装置。
背景技术
以往，在使用激光波束进行金属的切断、焊接、热处理等激光加工的激光加工装置中，需要产生高聚束以及高输出的激光波束，所以主要使用波长为9～10μm程度的中红外激光器即CO2激光器。近年来，光纤激光器、盘式YAG(Yttrium Aluminum Garnet，钇铝石榴石)激光器、直接二极管激光器(Direct diode laser)等输出近红外的波长域的激光波束的近红外激光器的高聚束化以及高输出化得到发展。随着近红外激光器的高聚束化以及高输出化发展，开发出将近红外激光器用作光源的激光加工装置。
如果从激光加工装置对加工对象物照射激光波束，则照射激光波束的部分的加工对象物瞬间地熔融以及蒸发，形成由熔融金属包围周围的钥孔(Keyhole)。在钥孔内部，发生熔融金属的对流，如果朝向钥孔的开口部的熔融金属流的速度变大，则有时熔融金属的一部分从钥孔的开口部飞散。飞散的熔融金属被称为溅射，如果发生溅射，则附着到加工部分的周边而使加工对象物的加工质量降低。在使用近红外激光器的激光加工装置中，存在如下问题：与使用CO2激光器的激光加工装置相比易于发生溅射，加工对象物的加工质量易于降低。
在专利文献1中，公开了一种激光加工装置，为了抑制加工对象物的加工质量的降低，具备形成主波束以及与主波束相比直径更大且能量更低的副波束的光学单元。该光学单元具有准直透镜、聚光透镜以及穿孔凹透镜。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2003-340582号公报
发明内容
然而，在上述专利文献1中，并未记载能够确定照射到加工对象物的激光波束的聚光状态，具有如下问题：有时由于聚光状态而无法使钥孔的形状稳定，导致加工对象物的加工质量降低。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够实现稳定的加工质量的激光加工装置。
为了解决上述课题并达到目的，本发明的激光加工装置是将激光波束聚光到加工对象物而进行激光加工的激光加工装置，具备将激光波束进行聚光的聚光光学系统，聚光光学系统具有像差。特征在于，聚光前的激光波束中的、针对与含有激光功率的86.5％的激光波束直径即D86.5对应的光线的聚光点处的横向像差(lateral aberration)是 0.2mm以上。
根据本发明，起到能够在激光加工中实现稳定的加工质量这样的效果。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的激光加工装置的概略结构的图。
图2是图1所示的聚光波束的波束形状的放大图。
图3是示出使用图1所示的激光加工装置进行激光加工时的加工对象物的状态的图。
图4是示出使用本发明的比较例1的激光加工装置进行激光加工时的加工对象物的状态的图。
图5是示出使用本发明的比较例2的激光加工装置进行激光加工时的加工对象物的状态的图。
图6是图1所示的激光加工装置射出的激光波束的光线图。
图7是示出与图6所示的光轴位置-12～光轴位置-6分别对应的激光的强度分布的图。
图8是示出与图6所示的光轴位置-4～光轴位置+2分别对应的激光的强度分布的图。
图9是示出图6所示的光轴位置-12～光轴位置-6各自的焊接加工中以及加工后的状态的图。
图10是示出图6所示的光轴位置-4～光轴位置+2各自的焊接加工中以及加工后的状态的图。
图11是本发明的比较例3的激光加工装置射出的激光波束的光线图。
图12是示出与图11所示的光轴位置-8～光轴位置-2分别对应的激光的强度分布的图。
图13是示出与图11所示的光轴位置0～光轴位置+6分别对应的激光的强度分布的图。
图14是示出图11所示的光轴位置-8～光轴位置-2各自的焊接加工中以及加工后的状态的图。
图15是示出图11所示的光轴位置0～光轴位置+6各自的焊接加工中以及加工后的状态的图。
图16是示出本发明的实验例1中的激光加工装置的激光振荡器以及光学系统的条件的图。
图17是示出本发明的实验例2的实验条件的图。
图18是示出在图17所示的条件下进行激光加工得到的结果的图。
图19是将与图17以及图18所示的光学系统整体的横向像差的变化对应的溅射发生量的推移进行图形化得到的图。
图20是将在图17所示的条件下使横向像差变化时的周边熔池宽度的推移进行图形化得到的图。
图21是将图18所示的周边熔池宽度变化时的溅射发生量的推移进行图形化得到的图。
图22是示出在用于确定在图1的聚光透镜中要求的特性的实验例3中研究的单透镜的横向像差的入射曲率依赖性的图。
图23是示出与入射面曲率的变化对应的射出面曲率的推移的图。
图24是示出本发明的实验例3的聚光透镜的形状以及光线的图。
图25是示出图24的部分放大图以及与放大图对应的横向像差的图。
图26是示出本发明的实验例4的加工光学系统的条件的图。
图27是图26所示的条件的加工光学系统的光线图以及概略结构图。
图28是示出在实验例1至4中使用的近红外激光光源的产品规格的一个例子的图。
图29是示出本发明的实验例5中的激光加工装置的条件的图。
图30是示出图29所示的各条件的激光加工装置射出的激光的光线图以及强度分布的图。
图31是示出本发明的实验例6中的激光加工装置的条件的图。
图32是示出图31所示的各条件的激光加工装置射出的激光的光线图以及强度分布的图。
图33是示出本发明的实验例7中的各透镜具有的像差的条件的图。
图34是示出本发明的实验例8的实验结果的图。
图35是示出本发明的实验例9的实验结果的图。
图36是示出本发明的实施方式2的激光加工装置的结构的图。
(符号说明)
1：激光振荡器；2：光纤；3：聚光光学系统；4：加工对象物； 7：蒸发反作用力；9：偏转镜(bend mirror)；10：射出波束；10a、 11a、12a、91a：波束形状；11：准直光；12、91、92：聚光波束； 31：准直透镜；32：聚光透镜；40：表面；41：熔融金属；50：钥孔； 51：开口部；60、61：金属蒸气；100、200：激光加工装置；125：主波束；126：周边波束；411：熔融金属流；500：摄像装置；502：钥孔内壁。
具体实施方式
以下，根据附图，详细说明本发明的实施方式的激光加工装置。此外，本发明不限于本实施方式。
实施方式1.
图1是示出本发明的实施方式1的激光加工装置100的概略结构的图。激光加工装置100具有激光振荡器1、光纤2以及聚光光学系统3。
激光振荡器1是光纤激光器、盘式YAG激光器(disk YAG laser)、直接二极管激光器等射出近红外的波长域的激光的近红外激光光源。光纤2传送激光振荡器1射出的激光。作为从光纤2射出的激光波束的射出波束10入射到聚光光学系统3。聚光光学系统3包括准直透镜31和聚光透镜32。准直透镜31将射出波束10进行平行化而形成为准直光11。被平行化的准直光11入射到聚光透镜32。聚光透镜32将对准直光11进行聚光而形成的聚光波束12照射到加工对象物4。加工对象物4是铁制的加工材料。如果聚光波束12照射到加工对象物4上，则加工对象物4熔融以及蒸发，形成由熔融金属41 包围周围的钥孔50。通过使向加工对象物4的聚光波束12的照射位置变化，进行激光加工。准直透镜31以及聚光透镜32中的至少一方具有像差，聚光光学系统3作为整体具有像差。由于该聚光光学系统 3的像差，相比于光纤射出角为全角10°以下的近轴区域的聚光波束 120的聚光点，与含有激光功率的86.5％的激光波束直径即D86.5对应的光线位置的聚光波束121聚光到波束前进方向跟前，在近轴区域的聚光位置处不聚光而模糊。
在将横轴设为与光轴垂直的轴上的位置、并将纵轴设为光强度的情况下，射出波束10的波束形状10a是以光轴为中心的特定的宽度的、激光功率均匀的平顶(flat top)形状。以下，在叙述波束形状的情况下，将横轴设为与光轴垂直的轴上的位置，将纵轴设为光强度。准直透镜31的光轴位置处的准直光11的波束形状11a是将光轴上设为波峰的高斯分布形状。从聚光透镜32射出的聚光波束12的波束形状12a在光轴上具有波峰，随着远离光轴，光强度呈拖尾状地变低。在本说明书中，将中央部为山形且向周边部宽广地形成缓坡的波束形状称为女巫帽(Witch hat：女巫的帽子)形状。
图2是图1所示的聚光波束12的波束形状12a的放大图。由于聚光光学系统3具有的像差，聚光波束12的波束形状12a在聚光光学系统3的聚光点附近成为女巫帽形状。在观察与光轴垂直的面时，在聚光位置处，聚光波束12包括以光轴为中心的大致圆形的主波束125和包围主波束125的环状的周边波束126。主波束125的光强度是例如1MW/cm2以上。周边波束126的光强度低于主波束125，此处定义为光强度为5kW/cm2以上且200kW/cm2以下的部分。周边波束126是与女巫帽形状的帽子的帽檐相当的部分，形成从主波束125 绵延的缓坡。周边波束126在与光轴垂直的剖面中，形成包围主波束 125的圆环形。周边波束126的宽度优选为0.22mm以上。
图3是示出使用图1所示的激光加工装置100进行激光加工时的加工对象物4的状态的图。图3示出激光焊接的例子，激光加工装置 100朝向图的左边描绘聚光波束12。
聚光波束12的波束形状12a是女巫帽形状，中心部的主波束125 使加工对象物4的金属熔融而形成钥孔50。周边波束126使熔融金属 41的表面蒸发而产生金属蒸气61。在钥孔50的开口部51，金属蒸气 61的蒸发反作用力7成为从熔融金属41的表面朝向加工对象物4的内部的力。在激光的扫描方向的后方，蒸发反作用力7将在钥孔内壁 502上升的熔融金属流411的朝向，从与加工对象物4的表面40垂直的方向变更为与表面40平行的方向。由此，钥孔50的开口部51呈喇叭状地扩展，熔融金属流411成为朝向加工对象物4的内部的流动，溅射的发生被抑制。溅射易于在激光的扫描方向的后方发生，所以在激光的扫描方向的后方形成周边波束126是重要的。
图4是示出使用本发明的比较例1的激光加工装置进行激光加工时的加工对象物4的状态的图。在使用近红外激光光源的激光加工装置中，在聚光光学系统的像差小或者没有像差的情况下，聚光点的附近的聚光波束91的波束形状91a成为将光纤2的射出端处的波束形状按照以准直透镜31的焦距fc和聚光透镜32的焦距ff的比值来决定的光学倍率α＝ff/fc在剖面方向上进行了放大的、与平顶形状接近的形状。
在图4的例子中，聚光波束91的波束形状91a在主波束的周边不存在周边波束，光强度不拖尾而急速地降低至5kW/cm2以下的光强度。因此，钥孔内壁502成为与加工对象物4的表面接近垂直的状态从钥孔50的内部持续至加工对象物4的表面为止的形状。熔融金属流411不易成为朝向加工对象物4的内部的流动，熔融金属流411朝向钥孔50的开口部的熔融金属流411的速度变快，熔融金属41的一部分飞散而发生溅射413。
图5是示出使用本发明的比较例2的激光加工装置进行激光加工时的加工对象物4的状态的图。在比较例2中，利用代替近红外激光光源而使用CO2激光器的激光加工装置。CO2激光器是波长为9μm 至10μm附近的中红外激光器。因此，CO2激光器针对在金属蒸气60 以及金属蒸气61与激光的相互作用中发生的等离子体，吸收率高，如果照射聚光波束92则在钥孔50以及钥孔50的开口部51处生成高温的等离子体8。在使用CO2激光器的激光加工中，由于高温的等离子体8，开口部51附近的金属被加热而蒸发，由于其蒸发反作用力7，开口部51以缓缓变宽的方式被开口。因此，在使用CO2激光器的情况下，即使不调整聚光光学系统的像差，熔融金属流411也易于成为朝向加工对象物4的内部的流动，溅射413的发生减少，能够确保稳定的加工质量。因此，在使用近红外激光光源的激光加工装置中，通过使用形成图2所示的波束形状12a的聚光波束12的聚光光学系统3，能够实施与CO2激光加工中的利用等离子体进行的钥孔开口部的加热以及扩大等效的钥孔开口部的加热以及扩大，能够抑制在使用近红外激光光源的情况下易于发生溅射413这样的问题。
以下，使本实施方式1的激光加工装置100使用的光学元件、动作条件等条件变化而进行实验例1～实验例9的实验，研究用于激光加工装置100抑制溅射413而维持在实用上没有问题的良好的加工质量的条件。
(实验例1)
图6是图1所示的激光加工装置100射出的激光波束的光线图。在光线图中，示出光轴位置和代表性的光轴位置的名称。图6的光线图示出从光纤2的中心以等间隔的角度产生的光线。粗的实线是与内部含有激光功率的86.5％的激光波束的直径即波束直径D86.5相当的光线，虚线是波束直径D86.5的1.5倍的波束直径，与内部含有激光功率的98.9％的激光波束的直径即波束直径D98.9相当。以下，将含有激光功率的86.5％的激光波束的直径称为波束直径D86.5。
关于光轴位置，以近轴焦点位置为原点，将在激光波束的上部进行加工的情况设为负，将在激光波束的下部进行加工的情况设为正。遵循将焦点位置存在于材料表面的上部的情况设为正的激光加工业界的惯例。
图7是示出与图6所示的光轴位置-12～光轴位置-6分别对应的激光的强度分布的图。图8是示出与图6所示的光轴位置-4～光轴位置+2分别对应的激光的强度分布的图。
在图7以及图8中，以3种比例尺(scale)示出与各光轴位置对应的激光的强度分布。这些强度分布是将射出波束10的远场(far field)设为高斯分布进行仿真得到的结果。在图7以及图8中，以纵轴最大值为25MW/cm2、1MW/cm2以及100kW/cm2的3种比例尺，示出激光的强度分布。从纵轴最大值为25MW/cm2的图，能够掌握包含中央的波峰的整体形状。从纵轴最大值为1MW/cm2以及 100kW/cm2的图，能够掌握微弱的周边波束126。
图9是示出图6所示的光轴位置-12～光轴位置-6各自的焊接加工中以及加工后的状态的图。图10是示出图6所示的光轴位置-4～光轴位置+2各自的焊接加工中以及加工后的状态的图。
在图9以及图10中，与光轴位置-12～光轴位置+2分别对应地，示出焊接加工中图像、焊接加工后图像、溅射抑制是否良好、每10cm 焊接长度的溅射发生数、焊缝概观是否良好、以及焊接的熔深。
焊接加工中图像是在实施焊接加工的期间摄像的图像，示出钥孔 50以及周边熔池52的状态。关于焊接加工中图像，通过使用LD照明和线路滤波器(line filter)，避免由羽流(plume emission)引起的光晕的发生。关于溅射抑制是否良好，将溅射发生的抑制效果按照该抑制效果从高到低的顺序，用◎、○、×的记号来表示。焊缝概观表示加工质量，关于焊接加工后的表面焊道是否良好，用○的记号来表示表面焊道的状态好的情况，用×的记号来表示表面焊道的状态差的情况。
焊接加工中图像所示出的包括钥孔50以及周边熔池52的熔池的形状与溅射抑制是否良好呈现高的相关性。可知在光轴位置-8mm～光轴位置+2mm处，在钥孔50的周边存在比钥孔浅的周边熔池52，在该光轴位置的范围中溅射413被良好地抑制。另外，在光轴位置-12mm～光轴位置-10mm处，在钥孔50的周边未形成周边熔池52，钥孔50未开口为喇叭状，所以发生溅射413。在参考光轴位置-8mm 的焊接加工中图像时，可知所形成的周边熔池52虽然只有少许，但对溅射413的抑制是有效的。该光轴位置-8mm处的周边熔池52在参考图7时，仅为0.3mm宽，由从50kW/cm2逐渐减少到0kW/cm2的光强度的周边波束126形成。可知即使是这样的条件的周边波束126，也具有溅射413抑制的效果。
接下来，说明激光的强度分布和熔池形状的关系。开始产生钥孔的光强度是110kW/cm2以上且180kW/cm2以下，将光强度包含于这个范围的部分设为钥孔50，将钥孔50的边界设为周边波束126的内径。另外，熔融界限的光强度是7kW/cm2以上且20kW/cm2以下，将该熔融界限位置设为周边波束126的外径。在参考图7以及图8时，可知作为周边波束126的内径与外径之差的周边波束126的宽度在光轴位置-8mm处是0.3mm，在光轴位置-6mm处是0.5mm，在光轴位置-4mm处是0.6mm，在光轴位置-2mm处是0.7mm，在光轴位置0mm 处是0.8mm，在光轴位置+2mm处是1.0mm。
另外，图9以及图10所示的焊接加工中的图像中的周边熔池52 的形状与图7以及图8所示的周边波束126的形状对应。根据这些图，对焊接加工中的图像中的激光的强度分布的相关性详细地进行了解析的结果，它们的匹配性变得明确。激光的强度分布和金属的熔融现象极其良好地匹配。
图11是本发明的比较例3的激光加工装置射出的激光波束的光线图。比较例3的激光加工装置使用近红外激光光源和低像差的一般的聚光光学系统。图12是示出与图11所示的光轴位置-8～光轴位置 -2分别对应的激光的强度分布的图。图13是示出与图11所示的光轴位置0～光轴位置+6分别对应的激光的强度分布的图。在图12以及图 13中，按照纵轴最大值为50MW/cm2、1MW/cm2以及100kW/cm2的 3种比例尺来示出激光的强度分布。图14是示出图11所示的光轴位置-8～光轴位置-2各自的焊接加工中以及加工后的状态的图。图15是示出图11所示的光轴位置0～光轴位置+6各自的焊接加工中以及加工后的状态的图。图11～图15所示的各列的项目与图6～图10所示的各列是同样的。
在参考图11时，在本发明的比较例3的激光加工装置中，光线以作为聚光点的近轴焦点为中心而在前后成为对称。在参考图12以及图13时，比瑞利长(Rayleigh length)靠外侧的强度分布是大致高斯形状。随着远离聚光点，波束直径线性地扩大，光强度与散焦距离的平方成反比例地降低。在瑞利长内的聚光点附近，成为光纤2的射出端处的光强度分布的像转印，所以成为平顶状，在作为聚光点的近轴焦点附近成为平顶形状。
相对于图11～图13所示的比较例3，在本发明的实施方式1中，由于聚光光学系统3具有像差，所以如图6～图8所示，呈现根据光轴位置而激光的强度分布的形状自身大幅变化的复杂的传输特性。激光的强度分布成为如下的女巫帽形状：在与聚光位置相当的最小弥散圆的位置的前后成为非对称，在比最小弥散圆靠前侧的光轴位置-4～光轴位置+2处，在山形的主波束125的周边，形成光强度为200kW/cm2以下的喇叭状的周边波束126的拖尾。在参考图9以及图10时可知，在波束形状接近女巫帽形状的光轴位置-4～光轴位置+2处，溅射413 的发生被良好地抑制，表面焊道的状态也变得良好，确保良好的加工质量。
另外，焊接性能综合性地优良的是光轴位置-4mm，实现10kW、 5m/分钟(5m/min)的高输出以及高速焊接，并且能够良好地抑制溅射413的发生，焊接后的焊道表面也平滑，熔深也达到10.4mm这样的较高的等级。而且，在光轴位置-8mm～光轴位置+2mm的波束的前侧全域，每10cm的溅射量被抑制为25±10个以下这样的在实用上没有问题的等级。所发生的溅射413的尺寸也小到0.5mm以下，还能够抑制向加工对象物4的表面40的附着。
在光轴位置-4mm处，钥孔50的直径是0.8mm，相对于此，周边熔池52的宽度是0.6mm。为了抑制溅射413，有效的是形成与钥孔 50的直径相同的程度、或者0.6mm左右的宽度的周边熔池52。另外，在光轴位置-4mm处，周边波束126的强度从110kW/cm2逐渐减少至7kW/cm2，周边波束宽度的中央部处的光强度成为20kW/cm2。为了得到溅射抑制效果，优选为从主波束125连续，具有向下凸的喇叭状的激光的强度分布。不形成深的钥孔50而是用于形成喇叭状的开口所需的激光的强度是20kW/cm2以上且100kW/cm2以下程度。
激光加工装置100能够在宽的光轴位置范围中抑制溅射413的发生，并确保加工质量高的区域，由于在加工质量高的区域中存在中央部的波束强度成为波峰的区域，所以能够实现深的熔入。激光加工装置100同时实现高的加工质量和高的加工性能。
图16是示出本发明的实验例1中的激光加工装置100的激光振荡器1以及光学系统的条件的图。激光振荡器1是盘式YAG激光器，以10kW的输出来输出波长λ＝1.03μm的激光波束。作为光学系统的条件，光纤2的光纤芯直径φc＝200μm，波束参数乘积BPP是8mm mrad以下，全顶发散角(full angle of divergence)θF＝160mrad以下。
接下来，说明光学系统的条件。准直透镜31的焦距fc＝200mm。准直透镜31是低像差组透镜。准直透镜31是没有像差的透镜。例如，没有像差的透镜能够定义为在聚光点处以波束直径D86.5为基准的横向像差为0.05mm以下的透镜。以波束直径D86.5为基准的横向像差换言之还能够称为在与光轴垂直的面中以与波束直径D86.5对应的光线为基准的偏移、在将与波束直径D86.5对应的光线的内部的圆形区域设为理想的聚光状态的情况下从该圆形区域的偏移等。此外，像差大的透镜是指以波束直径D86.5为基准的像差为0.1mm以上的情况。在此，以与波束直径D86.5相当的入射高度h＝fctan(-θF/2)＝-16mm为基准的准直透镜31的横向像差ΔYc(D86.5)是0.05mm以下。波束直径 D86.5的区域的外郭线与入射高度h＝-16mm相当，因此以入射高度 h＝-16mm为基准的横向像差与以波束直径D86.5为基准的横向像差是同义的。
聚光透镜32的焦距ff＝204mm。聚光透镜32是具有大的像差的组透镜，以与从光纤2的发散角±80mrad相当的入射高度h＝-16mm 为基准的横向像差ΔYf(D86.5)＝0.53。此外，在此准直透镜31的像差与聚光透镜32的像差相比小到可忽略的程度，所以能够认为光学系统整体的横向像差ΔYA与聚光透镜32的横向像差ΔYf等价，ΔYA＝0.53mm。激光加工装置100与一般的加工光学系统相比具有10 倍以上的像差。在图11所示的本发明的比较例3的激光加工装置中，准直透镜31以及聚光透镜32都是焦距f＝200mm的低像差组透镜，以入射高度h＝-16mm为基准的横向像差ΔY都是0.05mm以下。
作为焊接加工的加工条件，加工对象物4的材料是软钢板，加工速度是5m/分钟。对于焊接部，按照20L/分钟来喷射氩气作为保护气体。
如以上说明那样，在实验例1中，明确了在使用光纤激光器、盘式YAG激光器等近红外激光光源的激光加工装置中用于在抑制溅射413的同时实现10kW等级的高输出、高速且熔深深的焊接加工的具体的条件。激光加工装置100改善光纤传送型激光焊接的质量，能够实现稳定的加工质量。
此外，在上述实验例1中，将加工对象物4设为软钢即铁制，但加工对象物4的材料不限定于铁。加工对象物4也可以是铝、铜、镍、不锈钢等金属材料制。
另外，在上述实验例1中，使用从光纤2射出的激光波束进行激光加工，但通过满足在本实施方式中说明的像差的条件、主波束125 和周边波束126的条件，在使用不通过光纤2的激光波束的激光加工装置中也能够应用本发明的技术。
另外，在上述实验例1中，准直透镜31、聚光透镜32这样的光学系统的透镜具有像差，但也可以通过产生激光的激光振荡器1或者光纤2产生像差。即，通过在激光产生起至照射到加工对象物4的光路上配置的元件中的至少任一个元件来产生像差即可。
(实验例2)
图17是示出本发明的实验例2的实验条件的图。在本实验例2 中，为了确定对于溅射413的抑制有效的像差的条件，在使图1所示的激光加工装置100的聚光透镜32的像差量变化的6个条件(a)～条件(f)下进行激光加工，观察各条件下的加工质量。
在条件(a)～条件(f)中，以准直透镜31的焦距fc＝200mm、波束直径D86.5为基准的横向像差ΔYc(D86.5)＝0.05mm以下，是共同的。另外，激光器条件是光纤芯直径φc＝200μm、波束参数乘积 BPP＝8mm mrad以下、全顶发散角θF＝160mrad以下，在各条件中是共同的。而且，加工速度是5m/分钟，加工对象物4的材料是软钢。
条件(a)的聚光透镜32是以焦距ff＝409mm、波束直径D86.5为基准的横向像差ΔYf(D86.5)＝0.13mm。条件(b)的聚光透镜32是以焦距ff＝307mm、波束直径D86.5为基准的横向像差ΔYf(D86.5) ＝0.23mm。条件(c)的聚光透镜32是以焦距ff＝256mm、波束直径 D86.5为基准的横向像差ΔYf(D86.5)＝0.34mm。
条件(d)的聚光透镜32是以焦距fc＝204mm、波束直径D86.5为基准的横向像差ΔYc(D86.5)＝0.53mm。条件(e)的聚光透镜32 是以焦距fc＝174mm、波束直径D86.5为基准的横向像差ΔYc(D86.5) ＝0.75mm。条件(f)的聚光透镜32是以焦距fc＝153mm、波束直径 D86.5为基准的横向像差ΔYc(D86.5)＝0.98mm。在本实验例2中，准直透镜31的像差小到可忽略的程度，所以在条件(a)～条件(f)各自中可以认为以波束直径D86.5为基准的光学系统整体的横向像差ΔYA(D86.5)与聚光透镜32的横向像差ΔYc(D86.5)相等。
此外，关于从光纤2射出的激光波束，与波束直径D86.5相当的半顶发散角(halfangle of divergence)为80mrad且准直透镜31的焦距fc为200mm。因此，与波束直径D86.5相当的准直波束半径Wc (D86.5)＝fctanθH＝16mm。因此，聚光透镜32的横向像差ΔYc(D86.5) 成为关于与波束直径D86.5相当的位置以入射高度h＝-16mm为基准的横向像差。另外，为了使聚光透镜32的像差从0.13mm大幅变化为 0.98mm，使用焦距不同的透镜。
图18是示出在图17所示的条件下进行激光加工而得到的结果的图。在图18中，示出在各条件下进行激光加工时的光线图、对激光加工中的熔池进行摄影得到的图像以及表示焊接加工的状况的信息。适合用于进行焊接加工的位置为针对波束直径D86.5的最小弥散圆位置ZD86.5。对激光加工中的熔池进行摄影得到的图像是最小弥散圆位置ZD86.5处的图像。
焊接状况所示出的熔池外径OD、熔池内径ID以及周边熔池宽度Wm是从熔池图像读取出的值。溅射发生量NS表示每10cm焊接长度的溅射发生个数。
在参考图17以及图18时可知，随着光学系统整体的像差增大，聚光位置附近的光线群扩大，作为激光加工位置的最小弥散圆位置 ZD86.5处的周边熔池宽度Wm扩大。
图19是将与图17以及图18所示的光学系统整体的横向像差的变化对应的溅射发生量的推移进行图形化得到的图。从图19可知，在将溅射发生量成为40±10个/10cm以下的像差设为对溅射抑制有效的像差时，能够使聚光点处的横向像差ΔYA成为0.2mm以上的范围。更优选为聚光点处的横向像差ΔYA(D86.5)是0.53mm以上。
图20是将在图17所示的条件下使横向像差ΔYA(D86.5)变化时的周边熔池宽度Wm的推移进行图形化得到的图。可知周边熔池52 是通过由于横向像差而产生的周边波束126来形成的，所以与横向像差ΔYA(D86.5)的大小具有强的相关性。周边熔池宽度Wm与横向像差ΔYA(D86.5)成比例，成为横向像差ΔYA(D86.5)的1.2倍。
图21是将图18所示的周边熔池宽度Wm变化时的溅射发生量的推移进行图形化得到的图。在将溅射发生量成为40±10个/10cm以下的像差定义为溅射413被抑制的状态时，可以说用于抑制溅射所需的周边熔池宽度Wm是0.22mm以上。更优选为周边熔池宽度Wm 是0.69mm以上。
(实验例3)
在上述实验例2中，在聚光透镜32中使用组透镜，但在本实验例3中，在聚光透镜32中使用单透镜。
图22是示出在用于确定图1的聚光透镜32所要求的特性的实验例3中研究的单透镜的横向像差的入射曲率依赖性的图。图22示出焦距f＝204mm的单透镜的、与入射面曲率的变化对应的横向像差ΔY 的推移。透镜的玻璃材料是合成石英，折射率n＝1.45，透镜中心部的厚度tc＝6.5mm。通过光线跟踪计算出的横向像差相对于入射面曲率 K1＝1/r1，成为向下凸的2次函数。
单透镜的焦距f和入射曲率半径r1以及射出曲率半径r2的关系用以下的数学式(1)表示。通过使用数学式(1)，如果确定焦距f 以及入射曲率半径r1，则射出曲率半径r2被确定，透镜形状被确定。此外，如果透镜中心部的厚度tc是15mm以下，则焦距f、入射曲率半径r1以及射出曲率半径r2各自的相互关系中的针对透镜中心部的厚度tc的依赖性小。
[式1]
Figure GDA0002445302870000161
图23是示出与入射面曲率K1的变化对应的射出面曲率K2的推移的图。射出面曲率K2是使用上述数学式(1)来计算出的值。可知射出面曲率K2成为入射面曲率K1的一次函数，透镜中心部的厚度 tc的影响小。
如在实验例2中所确定那样，在将有溅射抑制效果的像差的条件设为0.2mm以上时，入射面曲率K1成为5m-1以下或者13m-1以上。在参考图23时，入射面曲率K1成为5m-1以下或者13m-1以上的射出面曲率K2成为-6m-1以下或者2m-1以上。
在此设为以与波束直径D86.5相当的入射高度h＝-16mm为基准的横向像差ΔYh-16＝0.53mm。在该情况下，透镜的入射侧的入射曲率半径r1＝56.3mm，聚光侧的射出曲率半径r2＝139.9mm。关于透镜中心部的厚度tc，以成为3mm以上的方式设为tc＝6.5mm。
图24是示出本发明的实验例3的聚光透镜32的形状以及光线的图。在本实验例3中使用的聚光透镜32如图24所示是弯月面形状。在一般的光学系统中，为了得到高的聚光性能，关于透镜形状，往往使用最小像差位置附近的平凸透镜、双凸透镜等。在需要更大的聚光性能的情况下，还有时使用接近无像差的组透镜。在本实验例3中，为了产生0.5mm以上的像差，使用弯月面形状的透镜。
图25是示出图24的部分放大图以及与放大图对应的横向像差的图。向聚光透镜32的入射波束半径W86.5＝D86.5/2＝16mm。与入射波束半径W86.5对应的入射高度h＝-W86.5＝-16mm，以该入射高度h为基准的横向像差ΔYh-16＝0.53mm。为了使像差的量成为正的值，用负的值来定义入射高度h。单透镜的横向像差的入射高度依赖性在入射高度 h比透镜表面的入射曲率半径r1、射出曲率半径r2小的区域中成为3 次函数。
此外，在本实验例3中，从光纤2的射出角是80mrad，准直透镜31的焦距fc＝200mm，以入射高度h＝-16mm为基准的像差相当于以波束直径D86.5为基准的像差。
如上所述，通过将聚光透镜32设为弯月面形状，从而成为简单的构造的单透镜，并且实现能够产生溅射抑制效果高的周边波束126 的横向像差ΔYh-16＝0.53mm。
(实验例4)
在本实验例4中，关于包括光纤2、准直透镜31以及聚光透镜 32的加工光学系统的条件，比较2种来进行研究。图26是示出本发明的实验例4的加工光学系统的条件的图。图27是图26所示的条件的加工光学系统的光线图以及概略结构图。
图26所示的条件(g)以及条件(h)都是光纤2的光纤芯直径φc＝200μm，波束参数乘积BPP＝8mm mrad以下，全顶发散角θF＝160mrad以下。另外，条件(g)以及条件(h)都是准直透镜31 的横向像差ΔYc(D86.5)小到可忽略的程度，以波束直径D86.5为基准的聚光透镜32的横向像差ΔYf(D86.5)＝0.53mm。而且，以波束直径 D86.5为基准的光学系统整体的横向像差ΔYA(D86.5)＝0.53mm。
在条件(g)中，准直透镜31的焦距fc＝200mm，聚光透镜32 的焦距ff＝204mm。在条件(h)中，准直透镜31的焦距fc＝400mm，聚光透镜32的焦距ff＝408mm。在条件(g)和条件(h)中，光学系统是相似形状，与聚光角对应的横向像差量相等。在该情况下，焦点位置附近处的光线图一致，聚光状态相等。
图28是示出在实验例1至4中使用的近红外激光光源的产品规格的一个例子的图。被用作近红外激光光源的光纤激光器以及YAG 激光器的产品规格使用在事实标准中大致共同的规格，从光纤2的射出半角θH不依赖于激光器输出以及光纤2的光纤直径而成为80mrad 以下，实测值是75mrad至80mrad。
被统一的从光纤2的射出半角θH＝80mrad以下这满足作为近轴条件的5°＝87.2mrad以下，即使在通用光学系统中也能够确保充分的聚光性能。
(实验例5)
在本发明的实验例5中，研究针对光纤芯直径φc的聚光强度分布的依赖性。图29是示出本发明的实验例5中的激光加工装置100 的条件的图。在条件(i)、条件(j)以及条件(k)中，光纤芯直径φc以外的条件是共同的。
具体而言，条件(i)的光纤芯直径φc＝100μm、波束参数乘积 BPP＝4mm mrad以下，条件(j)的光纤芯直径φc＝200μm、波束参数乘积BPP＝8mm mrad以下，条件(k)的光纤芯直径φc＝300μm、波束参数乘积BPP＝12mm mrad以下。另外，在条件(i)、条件(j) 以及条件(k)中共同地是，全顶发散角θF＝160mrad以下，准直透镜 31的焦距fc＝200mm，准直透镜31的横向像差ΔYc(D86.5)小到可忽略的程度。而且，在条件(i)、条件(j)以及条件(k)中共同地是，聚光透镜32的焦距ff＝200mm，聚光透镜32的横向像差ΔYf(D86.5) ＝0.56。光学系统整体的横向像差ΔYA(D86.5)＝0.56。
图30是示出图29所示的各条件的激光加工装置100射出的激光的光线图以及强度分布的图。在横向像差为0.05mm以下的一般的低像差光学系统中，在进行加工的最小弥散圆位置处成为光纤端的倍率转印，所以聚光径与光纤芯直径φc成比例地变化。
然而，在本实验例5的激光加工装置100中，以激光波束的径为基准的横向像差是0.2mm以上且在直径中是0.4mm以上，更优选是 0.5mm以上且在直径中是1.0mm以上。这些值相对于光纤芯直径φc＝0.1mm至0.3mm而成为1倍至20倍以上，作为像差而言大。因此，在聚光点附近的光强度分布中，由光学系统的像差引起的影响占支配地位，光纤芯直径φc的影响变小。
如果参考图30，则在使光纤芯直径φc变化时，中心部的光强度的变化大。如果将光纤芯直径φc从300μm向100μm缩小到1/3，则中心部的光强度从11.8MW/cm2向39.8MW/cm2变高。在没有像差的一般的光学系统中，如果光纤芯直径φc缩小到1/3，则聚光点的光点直径也成为1/3，所以中心部的光强度成为9倍。相对于此，在本实验例5中，由于像差的影响，中心部的光强度止于3.4倍左右的增大。
为了抑制溅射413，重要的是光强度200kW/cm2以下、宽度0.3mm以上的周边波束126的强度，但在参考图30时，即使使光纤芯直径φc变化，对周边波束126的强度分布的影响也小。即使使光纤芯直径φc从0.1mm变化至0.3mm，周边波束126的强度也几乎不变化，光轴位置依赖性也不变化。
(实验例6)
在本实验例6中，研究针对聚光透镜32的焦距ff的变化的光强度分布的依赖性。图31是示出本发明的实验例6中的激光加工装置 100的条件的图。
图31所示的条件(l)、条件(m)以及条件(n)除了聚光透镜32的焦距ff以外与图29所示的条件(j)相同。条件(l)中的聚光透镜32的焦距ff＝100mm，条件(m)中的聚光透镜32的焦距 ff＝200mm，条件(n)中的聚光透镜32的焦距ff＝300mm。
图32是示出图31所示的各条件的激光加工装置100射出的激光的光线图以及强度分布的图。在参考图32时，即使使焦距ff变化而使聚光角变化，近轴焦点位置、D86.5最小弥散圆位置以及D98.9最小弥散圆位置处的聚光状态以及光强度分布的变化也小。
如果使焦距ff变化而使聚光角变化，则由光学倍率α＝(ff/fc)决定的基本光点直径φs按照下述的数学式(2)发生变化，但周边波束 126的光强度分布的变化小。
φs＝(ff/fc)·φF＝BPP/θs…(2)
在此，φF是光纤芯直径。
此外，在比较图32的光线图时可知，伴随焦距的变化即聚光角的变化，焦点与各个最小弥散圆的间隔等光轴方向的比例尺与焦距成比例地变化。然而，在参考图32的光强度分布的图时可知，各个位置处的周边波束126的强度分布是相同的程度，能够得到同样的溅射抑制效果。与光轴方向的焦深相当的加工位置似然度等伴随焦距的变化而变化。
根据上述实验例5以及实验例6可知，在像差大的光学系统中，如果即使改变光纤2的光纤直径，即使改变焦距，以与波束直径D86.5相当的光线位置为基准的像差仍相同，则光强度分布是同样的。因此，可知通过规定以波束直径D86.5为基准的像差、即以与波束直径D86.5相当的光线位置为基准的像差，能够得到同样的光强度分布，能够得到同样的溅射抑制效果。光强度分布的光轴位置依赖性根据焦距而扩大缩小。
(实验例7)
在本实验例7中，研究在聚光光学系统3内使产生像差的元件变化时的影响。图33是示出本发明的实验例7中的各透镜具有的像差的条件的图。
在图33的条件(A)中，准直透镜31是横向像差ΔYc(D86.5) ＝0mm的低像差组透镜，聚光透镜32是具有横向像差ΔYf(D86.5) ＝0.53mm的像差的透镜。在条件(B)中，准直透镜31是具有横向像差ΔYc(D86.5)＝0.53mm的像差的透镜，聚光透镜32是横向像差ΔYf (D86.5)＝0mm的低像差透镜。而且，在条件(C)中，准直透镜31 是具有横向像差ΔYc(D86.5)＝0.265mm的像差的透镜，聚光透镜32 是具有横向像差ΔYf(D86.5)＝0.265mm的像差的透镜。
在图33所示的3个条件(A)、条件(B)以及条件(C)下进行仿真时，聚光光学系统3的整体的像差成为各透镜的像差的合计，所以在各条件中相同。可知聚光点处的光强度分布是根据聚光光学系统3的整体的像差而被决定的，所以在3个条件(A)、条件(B)以及条件(C)中聚光点处的光强度分布没有差，溅射抑制效果也相等。
此外，聚光光学系统3的像差一般是针对激光波束的前进方向的聚光点而被定义的像差，但针对将来自光纤2的发散光进行平行化的准直透镜31，使平行波束从与前进方向相反的朝向的准直部进行逆向入射，通过朝向光纤2的射出端聚光的假想聚光来定义像差。
(实验例8)
在本发明的实验例8中，研究光学条件相同且使加工速度从1m/ 分钟至10m/分钟按照每1m/分钟进行变化时的熔池的状态和溅射413 的抑制状态。图34是示出本发明的实验例8的实验结果的图。
在参考图34时，周边熔池52的熔池外径OD伴随加工速度的增大而逐渐减少，按照1m/分钟为2.5mm，按照5m/分钟为2.2mm，按照10m/分钟为1.9mm。相对于此，在周边熔池52的熔池内径ID、即钥孔50的直径φKH＝0.75±0.15mm的范围中大致恒定。
周边熔池宽度Wm伴随加工速度的增大而从0.75mm减少到 0.45mm，但确保对溅射抑制有效的0.22mm以上的宽度，溅射发生量 NS在全部速度范围中被抑制为0～25个/10cm的等级。因此，可知激光加工装置100起到不依赖于加工速度而抑制溅射413的效果。
(实验例9)
在本发明的实验例9中，研究使激光器的输出从1kW至10kW 按照每1kW进行变化时的熔池的状态和溅射413的抑制状态。图35 是示出本发明的实验例9的实验结果的图。
在参考图35时，伴随输出的降低，周边熔池52以及钥孔50缩小，但溅射发生量NS在全部输出范围1kW至10kW中被抑制为0～10 个/10cm的等级。因此，可知激光加工装置100起到不依赖于激光器的输出而抑制溅射413的效果。
根据以上的实验例1～9的实验结果，在使用近红外激光器的激光加工中，用于抑制溅射413来实现高的加工质量的条件变得明确。通过具备在从激光产生起至到达加工位置的期间具有像差的光学系统，并将聚光点处的横向像差相对于波束直径D86.5而设为0.2mm以上，从而能够实现高的加工质量。相对于波束直径D86.5而设为0.2mm以上是指，以含有激光功率的86.5％的与聚光前的波束直径相当的光线为基准时的横向像差是0.2mm以上。在激光的扫描方向的后方易于发生溅射413，所以优选为使上述横向像差中的至少针对激光的扫描方向的后方的横向像差满足上述条件。通过产生这样的像差，聚光点处的波束形状成为女巫帽形状，光强度为5kW/cm2以上且200kW/cm2以下的周边波束126的宽度成为0.22mm以上。如果形成这样的周边波束126，则能够产生蒸发反作用力而将熔融金属流411的流动从与加工对象物4的表面垂直的朝向变更为水平的朝向，能够抑制溅射413 的发生。
在利用聚光光学系统3将光纤2射出的光进行聚光的情况下，波束直径D86.5相当于来自光纤2的发散角±80mrad。因此，关于上述条件，还能够使聚光点的横向像差相对从光纤2的发散角±80mrad而成为0.2mm以上。
而且，关于聚光光学系统3的像差，既可以是准直透镜31具有像差，也可以是聚光透镜32具有像差。或者，也可以是准直透镜31 以及聚光透镜32这两方具有像差。在准直透镜31以及聚光透镜32 这两方具有像差的情况下，准直透镜31的像差和聚光透镜32的像差的合计满足上述条件即可。
而且，除了上述条件以外，通过将与波束直径D86.5对应的半顶聚光角设为50mrad以上且110mrad以下，相对于从一般的光纤2的射出半顶角80mrad射出的激光波束，没有像差时的假想的芯光点直径能够成为射出光纤直径的0.625倍至1.375倍，能够呈现深的熔入性能。
实施方式2.
图36是示出本发明的实施方式2的激光加工装置200的结构的图。本实施方式2的激光加工装置200具有用于对激光加工中的加工对象物4进行监视的摄像装置500。
激光加工装置200具备具有像差的准直透镜31以及作为低像差透镜的聚光透镜32。在准直透镜31与聚光透镜32之间的光路上，配置有偏转镜9。偏转镜9将来自准直透镜31的光反射到聚光透镜32。作为摄像部的摄像装置500是同轴照相机，能够检测经由聚光透镜32 以及偏转镜9直线前进的光。
聚光透镜32不具有像差，所以能够抑制摄像装置500的监视图像的失真。因此，能够在抑制溅射413来抑制加工质量的降低的同时，利用同轴且无模糊、失真的清晰的图像，监视进行加工对象物4的激光加工的部分。
以上的实施方式所示的结构是本发明的内容的一个例子，既能够与其它公知的技术组合，也能够在不脱离本发明的要旨的范围内将结构的一部分进行省略、变更。
例如，在上述中说明了使用近红外激光器的激光加工装置100，但本发明不限定于上述例子。在本实施方式中说明的技术即使应用于例如使用可见光激光器、中红外激光器的激光加工装置也是有效的。
另外，在上述实施方式中，说明了具有光纤2和将从光纤2射出的激光波束进行聚光的聚光光学系统3的激光加工装置100以及激光加工装置200，但本发明不限定于上述例子。针对不具备光纤2的激光加工装置也能够应用本发明的技术。从激光振荡器1射出的光也可以原样地入射到聚光光学系统3，还可以在直至从激光振荡器1射出的光入射到聚光光学系统3为止的光路上，在不脱离本发明的要旨的范围内配置任意的光学元件。

Claims (11)

1.一种激光焊接方法，其特征在于，
在向加工对象物的照射位置处，将具有由波峰中的光强度为5MW/cm2以上的主波束和强度比所述主波束低且从所述主波束绵延的周边波束构成的女巫帽形状的强度分布的激光波束照射到金属制的所述加工对象物来进行焊接，
在所述加工对象物中形成比所述主波束形成的钥孔浅且包围所述钥孔的具有0.22mm以上的宽度的周边熔池。
2.一种激光加工装置，将激光波束聚光到加工对象物来加工所述加工对象物，其特征在于，
所述激光波束在向所述加工对象物的照射位置处具有由波峰中的光强度为5MW/cm2以上的主波束和强度比所述主波束低且从所述主波束绵延的周边波束构成的女巫帽形状的强度分布，
所述周边波束的光强度为5kW/cm2以上且200kW/cm2以下，且所述周边波束在与光轴垂直的面具有0.22mm以上的宽度。
3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，
所述激光加工装置具备聚光光学系统，在该聚光光学系统中，聚光前的激光波束中的以含有激光功率的86.5％的激光波束直径即D86.5为基准的横向像差是0.2mm以上，
通过所述聚光光学系统将所述激光波束进行聚光。
4.一种激光加工装置，其特征在于，具备：
激光振荡器，射出激光波束；以及
聚光光学系统，将所述激光波束进行聚光，
在从所述激光振荡器射出的所述激光波束中，入射到所述聚光光学系统时的波束参数乘积是12mm mrad以下，所述聚光光学系统的聚光点处的波峰中心的光强度为5MW/cm2以上，
在所述聚光光学系统中，聚光前的所述激光波束中的以含有激光功率的86.5％的激光波束直径即D86.5为基准的横向像差是0.2mm以上。
5.根据权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，
从所述聚光光学系统向加工对象物照射的所述激光波束的半顶聚光角为80mrad以下。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的激光加工装置，其特征在于，
激光输出是1kW以上且10kW以下。
7.根据权利要求2至5中的任一项所述的激光加工装置，其特征在于，
激光输出是4kW以上且10kW以下。
8.根据权利要求4或者5所述的激光加工装置，其特征在于，
所述激光加工装置具备光纤，该光纤传送所述激光波束，
所述聚光光学系统将从所述光纤射出的所述激光波束进行聚光。
9.根据权利要求8所述的激光加工装置，其特征在于，
所述聚光光学系统包括：
准直透镜，是横向像差为0.05mm以下的透镜，该准直透镜将从所述光纤射出的所述激光波束进行平行化；以及
聚光透镜，将由所述准直透镜平行化后的所述激光波束进行聚光。
10.根据权利要求8所述的激光加工装置，其特征在于，
所述聚光光学系统具备：
准直透镜，将从所述光纤射出的所述激光波束进行平行化；以及
聚光透镜，是横向像差为0.05mm以下的透镜，该聚光透镜将由所述准直透镜平行化后的所述激光波束进行聚光，
所述准直透镜具有像差。
11.根据权利要求10所述的激光加工装置，其特征在于，
所述聚光光学系统具备偏转镜，该偏转镜配置于所述准直透镜与所述聚光透镜之间的光路上，反射所述激光波束，
所述激光加工装置具备摄像部，该摄像部经由所述偏转镜和所述聚光透镜对加工对象物进行摄像。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020230364A1 (ja) * 2019-05-13 2020-11-19 株式会社村田製作所 光学装置
JP7435543B2 (ja) 2021-05-28 2024-02-21 トヨタ自動車株式会社 レーザ溶接システム及びレーザ溶接制御方法
WO2023243086A1 (ja) * 2022-06-17 2023-12-21 三菱電機株式会社 レーザ加工ヘッド、レーザ加工装置および金属製製造物の製造方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0985481A (ja) * 1995-09-19 1997-03-31 Amada Co Ltd レーザー加工ヘッド
JPH09220690A (ja) * 1996-02-13 1997-08-26 Amada Co Ltd ハンディ型レーザ装置およびその装置に用いるレーザトーチ
JP3498075B2 (ja) * 2001-09-14 2004-02-16 川崎重工業株式会社 薄板のレーザ溶接用出力ヘッド
JP2003340582A (ja) 2002-05-23 2003-12-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法
JP2004096088A (ja) * 2002-07-10 2004-03-25 Fuji Photo Film Co Ltd 合波レーザー光源および露光装置
JP4357944B2 (ja) * 2003-12-05 2009-11-04 トヨタ自動車株式会社 固体レーザ加工装置およびレーザ溶接方法
FR2897007B1 (fr) * 2006-02-03 2008-04-11 Air Liquide Procede de coupage avec un laser a fibre avec controle des parametres du faisceau
JP5176535B2 (ja) * 2007-02-02 2013-04-03 富士電機株式会社 レーザ式ガス分析計
FR2949618B1 (fr) * 2009-09-01 2011-10-28 Air Liquide Tete de focalisation laser pour installation laser solide
US9346126B2 (en) * 2011-05-30 2016-05-24 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Laser processing head, laser processing apparatus, optical system of laser processing apparatus, laser processing method, and laser focusing method
JP6063670B2 (ja) * 2011-09-16 2017-01-18 株式会社アマダホールディングス レーザ切断加工方法及び装置
JP2015199114A (ja) * 2014-04-10 2015-11-12 三菱電機株式会社 レーザ加工装置及びレーザ加工方法
JP6190855B2 (ja) * 2015-09-08 2017-08-30 株式会社アマダホールディングス レーザ加工方法およびレーザ加工装置
JP6935484B2 (ja) * 2017-03-03 2021-09-15 古河電気工業株式会社 溶接方法および溶接装置
JPWO2019012642A1 (ja) * 2017-07-13 2020-05-07 ギガフォトン株式会社 レーザシステム

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