JP2002028795A - レーザ溶接方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 高反射率・高熱拡散率を有する金属部材でも
十分な溶け込み断面積および溶け込み深さを実現し、良
好な溶接接合を得ること。 【解決手段】 第１のＹＡＧレーザ１０は連続波の基本
波ＹＡＧレーザ光ＬＢ_cw（波長１０６４ｎｍ）を生成
し、第２のＹＡＧレーザ１２は高速繰り返しパルス発振
の第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHG（波長
５３２ｎｍ）を生成する。第１のＹＡＧレーザからの基
本波ＹＡＧレーザ光と第２のＹＡＧレーザからの第２高
調波のＱスイッチＹＡＧレーザ光とはそれぞれのレーザ
伝送路を通って出射ユニット１６に送られる。そして、
出射ユニット内で両レーザ光はそれぞれコリメータレン
ズ６４およびビームエキスパンダ７０により所定のビー
ム径に調節されてからダイクロイックミラー６６により
同一の軸上に重畳せしめられ、集光レンズ６８によりワ
ークＷの被溶接部ＷＰ付近に集光させられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を用いて
金属部材を溶接するレーザ溶接方法および装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】レーザ溶接法は、金属部材の被溶接部に
レーザ光を照射して、レーザエネルギーにより該被溶接
部を一瞬に溶融させて冶金的に接合する技術である。従
来より、レーザ溶接用の固体レーザとしてＹＡＧレーザ
が多く使用されている。ＹＡＧレーザは、連続発振が可
能なうえＱスイッチによるジャイアントパルスの高速繰
り返し発振が可能であり、レーザ出力の波形制御も容易
に行える。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、レーザ溶接
法においては、反射率および熱拡散（伝導）率の高い金
属は、レーザ光の吸収が低いため溶融し難く、良好な溶
接接合を得るのが困難とされている。

【０００４】従来より、アルミニウム合金には連続発振
のパルスレーザ光を照射するパルスレーザ法が有効とさ
れており、本願の発明者等は特許第２９８４９６２号に
おいてアルミニウム合金用のパルスレーザ溶接法におい
て溶接剥がれ等の溶接欠陥のない高品質な溶接接合を保
証する波形制御技術を開示している。また、最近、アル
ミニウム合金の溶融特性を改善する技術として、連続発
振のＹＡＧパルスレーザ光（波長１０６４ｎｍ）とＱス
イッチによる高速繰り返しパルス発振のＹＡＧレーザ光
（波長１０６４ｎｍ）とを異なる方向（２方向）から同
一の被溶接部に向けて多重照射する技法も知られてい
る。

【０００５】しかしながら、今日の産業界では、反射率
や熱拡散率がアルミニウム合金よりも高い純アルミニウ
ムや純銅等の金属に対して有効なレーザ溶接法が切に求
められている。

【０００６】本発明は、上記のような従来の実情ないし
問題点に鑑みてなされたものであり、高反射率・高熱拡
散率を有する金属部材でも十分な溶け込み断面積および
溶け込み深さを実現し、良好な溶接接合が得られるレー
ザ溶接方法および装置を提供することを目的とする。

【０００７】本発明の別の目的は、各種金属材料の溶融
特性の改善に有効なレーザ溶接方法および装置を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のレーザ溶接方法は、レーザ光を用いて金
属部材を溶接するためのレーザ溶接方法において、所定
の基本周波数を有する基本波レーザ光と前記基本周波数
の整数倍の周波数を有する１種類または複数種類の高調
波レーザ光とを実質的に同軸上に重畳したうえで前記金
属部材の被溶接部に照射し、前記被溶接部を前記同軸上
に重畳した複数のレーザ光のエネルギーで冶金的に接合
する方法とした。

【０００９】本発明のレーザ溶接方法によれば、基本波
レーザ光と高調波レーザ光とが同軸上に重畳して金属部
材の被溶接部に入射することにより、異波長である両レ
ーザ光の相乗作用が最大限に発揮されてレーザエネルギ
ーの吸収効率が高められ、高反射率・高熱拡散率の金属
部材であっても大きな溶け込み断面積および溶け込み深
さを得ることができる。

【００１０】本発明において、好ましくは、前記高調波
レーザ光のビーム径を前記基本波レーザ光のビーム径よ
りも細くしてよい。これにより、高調波レーザ光により
金属部材の被溶接部に深いキーホールを形成することが
できる。

【００１１】また、好ましくは、前記基本波レーザ光を
連続発振のレーザ光とし、前記高調波レーザ光を高速繰
り返しパルス発振のレーザ光としてよい。特に、高調波
レーザ光はジャイアントパルス型のＱスイッチレーザ光
としてよい。

【００１２】本発明のレーザ溶接装置は、レーザ光を用
いて金属部材を溶接するためのレーザ溶接装置におい
て、所定の基本周波数を有する基本波レーザ光を連続発
振で生成する第１のレーザ発振部と、前記基本周波数の
整数倍の周波数を有する高調波レーザ光を高速繰り返し
パルス発振で生成する第２のレーザ発振部と、前記基本
波レーザ光と前記高調波レーザ光とを所定のタイミング
で時間的に重畳させるように前記第１および第２のレー
ザ発振部のレーザ発振動作を制御する制御部と、前記第
１のレーザ発振部からの前記基本波レーザ光と前記第２
のレーザ発振部からの前記高調波レーザ光とをそれぞれ
の光軸がほぼ直角に交差するようにミラー両面にそれぞ
れ入射せしめ、前記基本波レーザ光および前記高調波レ
ーザ光のうちの一方をまっすぐに透過させるとともに他
方を直角に反射させることにより双方のレーザ光を同一
の軸上で重畳せしめるダイクロイックミラーと、 前記
光学素子からの前記同一の軸上に重畳した前記基本波レ
ーザ光および前記高調波レーザ光を実質的に同一の軸上
で集光させて前記金属部材の被溶接部に照射する集光レ
ンズとを具備する構成とした。

【００１３】本発明のレーザ溶接装置によれば、かかる
構成により、上記のような本発明のレーザ溶接方法を効
果的に実施することができる。

【００１４】好ましい一態様として、前記第１のレーザ
発振部が、第１の固体レーザ媒体と、第１の励起光源
と、第１の光共振器とを有し、前記第１の励起光源を点
灯させて、その光エネルギーを前記第１の固体レーザ媒
体に供給して前記第１の固体レーザ媒体および前記第１
の光共振器により連続発振で前記基本波レーザ光を出力
する構成であってよい。

【００１５】また、好ましい一態様として、前記第２の
レーザ発振部が、第２の固体レーザ媒体と、第２の励起
光源と、Ｑスイッチと、第２の光共振器と、波長変換器
とを有し、前記第２の励起光源を点灯させて、その光エ
ネルギーを前記第２の固体レーザ媒体に供給して前記第
２の固体レーザ媒体、前記Ｑスイッチおよび前記第２の
光共振器により高速繰り返しパルス発振で前記基本周波
数を有する基本波のレーザ光を出力し、前記高速繰り返
しパルス発振の基本波レーザ光を前記波長変換器により
前記高速繰り返しパルス発振の高調波レーザ光に変換す
る構成であってよい。

【００１６】また、好ましい一態様として、前記制御部
が、前記基本波レーザ光を所定時間にわたって持続的に
連続発振で出力するように前記第１のレーザ発振部を制
御するとともに、前記高調波レーザ光を前記所定時間中
に所定周波数の高速繰り返しパルス発振で出力させるよ
うに前記第２のレーザ発振部を制御する構成であってよ
い。

【００１７】本発明のレーザ溶接装置において、好まし
くは、前記第１のレーザ発振部より生成された前記基本
波レーザ光もしくは前記第２のレーザ発振部より生成さ
れた前記高調波レーザ光を一端面に入射せしめ、他端面
より前記レーザ光を出射する光ファイバと、前記光ファ
イバの他端面より放射状に出射される前記基本波レーザ
光もしくは前記高調波レーザ光を平行光にして前記ダイ
クロイックミラー側に通すコリメータレンズとを具備す
る構成としてよい。さらには、前記第１のレーザ発振部
より生成された前記基本波レーザ光もしくは前記第２の
レーザ発振部より生成された前記高調波レーザ光のビー
ム径を所定の倍率で拡大して前記ダイクロイックミラー
側に通すビームエキスパンダを具備する構成としてもよ
い。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、添付図を参照して本発明の
実施形態を説明する。

【００１９】図１に、本発明の一実施形態におけるＹＡ
Ｇレーザ溶接装置の構成を示す。このＹＡＧレーザ溶接
装置は、２つのＹＡＧレーザ１０，１２と、両レーザ１
０，１２を制御する制御部１４と、１つの出射ユニット
１６とで構成されている。

【００２０】第１のＹＡＧレーザ１０において、レーザ
発振器１８は、ＹＡＧロッド２０と、このＹＡＧロッド
２０に励起用の光を供給する励起光供給部２２と、ＹＡ
Ｇロッド２０の両端面にそれぞれ対向し、かつ互いに所
定の間隔を隔てて配置された一対の光共振器ミラーすな
わち全反射ミラー２４および部分反射ミラー（出力ミラ
ー）２６とを有している。

【００２１】励起光供給部２２は、放電ランプまたは半
導体レーザ等からなる励起光源を備えている。レーザ電
源部２８より供給される電力に応じて該励起光源が励起
光ＥＢを発生し、この励起光ＥＢがＹＡＧロッド２０に
供給または照射されることで、ＹＡＧロッド２０が励起
光ＥＢのエネルギーによって励起され、誘導放出でロッ
ド端面より軸方向に光が放出される。ＹＡＧロッド２０
の両端面より放出された光のうち共振周波数の光が全反
射ミラー２４と出力ミラー２６との間で閉じ込められて
増幅され、その一部が出力ミラー２６より連続発振の基
本波ＹＡＧレーザ光（波長１０６４ｎｍ）ＬＢ_cwとして
出力されるようになっている。

【００２２】第１のＹＡＧレーザ１０より生成された基
本波ＹＡＧレーザ光ＬＢ_cwは、反射ミラー３０、入射ユ
ニット３２および光ファイバ３４を介して出射ユニット
１６の第１レーザ光取入れ口１６ａまで伝送される。レ
ーザ発振器１８のレーザ出射口から入射ユニット３２ま
でのレーザ伝送路の回りには筒状の光路カバー３６が設
けられてよい。入射ユニット３２内には集光レンズ３８
が配置されており、ほぼ平行光で空中を伝播してきた基
本波ＹＡＧレーザＬＢ_cwは集光レンズ３８により集光さ
れて光ファイバ３４の一端面に入射するようになってい
る。

【００２３】第２のＹＡＧレーザ１２において、レーザ
発振器４０は、ＹＡＧロッド４２と、このＹＡＧロッド
４２に励起用の光を供給する励起光供給部４４と、ＹＡ
Ｇロッド４２の両端面にそれぞれ対向し、かつ互いに所
定の間隔を隔てて配置された一対の光共振器ミラー（全
反射ミラー４６および出力ミラー４８）と、Ｑスイッチ
５０と、波長変換器５２とを有している。

【００２４】ＹＡＧロッド４２、励起光供給部４４およ
び光共振器ミラー４６，４８は、上記第１のＹＡＧレー
ザ１０のレーザ発振器１８におけるＹＡＧロッド２０、
励起光供給部２２および光共振器ミラー２４，２６とそ
れぞれ同様の構成および機能を有するものであってよ
い。

【００２５】Ｑスイッチ５０はたとえば音響光学Ｑスイ
ッチからなる。レーザ電源部５４内のＱスイッチ制御回
路（図示せず）がＱスイッチドライバ５６を介して所定
の周期で一時中断する高周波電気信号によりＱスイッチ
５０を駆動する。これにより、高周波電気信号が中断す
る度毎にピークパワーのきわめて高いジャイアントパル
スのＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_Q（波長１０６４ｎ
ｍ）が出力ミラー４８より生成される。このＱスイッチ
ＹＡＧレーザ光ＬＢ_Qの繰り返し周波数は、高周波電気
信号を一時中断させるＱスイッチ周波数に相当する。

【００２６】波長変換器５２は、異方性結晶を有してお
り、その異方性結晶の非線型効果を利用することによ
り、出力ミラー４８からの基本波（波長１０６４ｎｍ）
のＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_Qを第２高調波（波長
５３２ｎｍ）のＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGに変
換する。

【００２７】第２のＹＡＧレーザ１２のレーザ発振器４
０より生成される第２高調波のＱスイッチＹＡＧレーザ
光ＬＢ_SHGは、光ファイバを介することなく空中を伝播
して出射ユニット１６の第２レーザ光取入れ口１６ｂま
で伝送される。レーザ発振器４０のレーザ出射口から出
射ユニット１６の第２レーザ光取入れ口１６ｂまでのレ
ーザ伝送路の回りには筒状の光路カバー５８が設けられ
てよい。

【００２８】制御部１４は、たとえばマイクロコンピュ
ータおよび所要の周辺装置で構成されてよく、内蔵のメ
モリに格納されるプログラムやユーザにより設定入力さ
れる各種条件データ等に応じて上記第１および第２のレ
ーザ１０，１２におけるレーザ発振動作を各レーザ電源
部２８，５４を通して個別的かつ統括的に制御する。

【００２９】出射ユニット１６は、下端部にレーザ出射
口１６ｃを有する筒状のユニット本体６０を有し、この
ユニット本体６０内の所定位置に所要の各光学部品を配
置している。より詳細には、ユニット本体６０の上端部
に光ファイバ３４の端部を着脱可能に取り付けするため
のコネクタ６２を設け、このコネクタ６２と下端部のレ
ーザ出射口１６ｃとを結ぶ一直線の軸上に所定の間隔を
置いて上から順にコリメータレンズ６４、ダイクロイッ
クミラー６６および集光レンズ６８を配置している。

【００３０】また、ユニット本体６０の中間部の一側面
に上記第２のレーザ光取入れ口１６ｂを構成する水平筒
状部６０ａを設け、この水平筒状部６０ａの中に第２の
レーザ１２からの第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光
ＬＢ_SHGのビーム径を所望の倍率で拡大するためのビー
ムエキスパンダ７０を配置している。ここで、ビームエ
キスパンダ７０の光軸がコリメータレンズ６４の光軸と
ダイクロイックミラー６６にてほぼ直角に交差するよう
に設定（位置合わせ）してよい。

【００３１】なお、レーザ溶接中にワークＷの被溶接部
ＷＰを酸化防止のため周囲の空気からシールド（遮断）
するのが好ましい。このシールド用の不活性ガスたとえ
ばアルゴンガス（Ａｒ）や窒素ガス（Ｎ2）等を出射ユ
ニット１６側から被溶接部ＷＰに吹き付ける場合には、
出射ユニット１６のレーザ出射口１６ｃ付近にシールド
ガス噴射部（図示せず）を設けてよい。

【００３２】図２に、出射ユニット１６内における光学
系の詳細な構成と作用を示す。ビームエキスパンダ７０
は、たとえば凹レンズ７２と凸レンズ７４とからなるガ
リレオタイプでよく、凹レンズ７２に入るレーザビーム
の径をφ1、凸レンズ７４より出るレーザビームの径を
φ2、凹レンズ７２および凸レンズ７４の焦点距離をそ
れぞれｆ1，ｆ2とすると、倍率ＮはＮ＝φ2／φ1＝ｆ2
／ｆ1で与えられる。ビームエキスパンダ７０によりビ
ーム径を広げられた第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ
光ＬＢ_SHGは、ユニット本体６０内の中心部に第２のレ
ーザ光取入れ口１６ｂの方を向いて約４５゜の傾きに配
置されたダイクロイックミラー６６の下面６６ａに入射
角４５゜で入射する。

【００３３】一方、光ファイバ３４を介して第１のＹＡ
Ｇレーザ１０より伝送されてきた基本波ＹＡＧレーザ光
ＬＢ_cwは、光ファイバ３４の端面より放射状に出てコリ
メータレンズ６４に通されることで、所望のビーム径φ
0を有する平行光となる。このビーム径φ0は、光ファイ
バ３４の端面とコリメータレンズ６４との間の距離を調
節することで任意の値に調整できる。好ましくは、基本
波ＹＡＧレーザ光ＬＢ_cwのビーム径φ0を、ビームエキ
スパンダ７０からの第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ
光ＬＢ_SHGのビーム径φ2よりも大きな（たとえば数倍以
上大きな）径に設定してよい。コリメータレンズ６４に
より所定のビーム径φ0を有するに至った平行光の基本
波ＹＡＧレーザ光ＬＢ_cwは、ダイクロイックミラー６６
の上面６６ｂに入射角４５゜で入射する。

【００３４】ダイクロイックミラー６６は、ガラス基板
上に誘電体多層膜をコーティングした吸収散乱の非常に
少ないミラーであり、第２高調波（波長５３２ｎｍ）の
ＹＡＧレーザ光に対しては高い（９０％以上）反射率を
示し、基本波（波長１０６４ｎｍ）のＹＡＧレーザ光に
対しては高い（９０％以上）透過率を示す。したがっ
て、コリメータレンズ６４より垂直方向に直進してきた
基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢ_cwは、ダイクロイックミラー
６６を透過してまっすぐ垂直下方へに進む。一方、ビー
ムエキスパンダ７０より水平方向に直進してきた第２高
調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGは、ダイクロイ
ックミラー６６で４５゜の反射角で垂直下方に反射し
（行路を曲げ）、上方からの基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢ
_cwとほぼ同一の軸上で重畳（合流）する。

【００３５】上記のようにしてダイクロイックミラー６
６で透過または反射した基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢ_cwと
第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGは、同一
軸上を垂直下方にそれぞれ直進して共通の集光レンズ６
８に入射し、集光レンズ６８により金属部材のワークＷ
の被溶接部ＷＰ付近に集光させられる。集光レンズ６８
は、いわゆる色消しレンズであり、異波長の基本波ＹＡ
Ｇレーザ光ＬＢ_cw（波長１０６４ｎｍ）と第２高調波Ｑ
スイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHG（波長５３２ｎｍ）に
対して色収差を出さないように構成されている。

【００３６】次に、この実施形態によるＹＡＧレーザ装
置の作用を説明する。図３に、このＹＡＧレーザ装置に
おいて純銅や純アルミニウム等の高反射率・高熱拡散率
を有する金属に好適なレーザ出力波形の基本パターンを
示す。

【００３７】この実施形態において、第１のレーザ１０
は、上記のような構成により、たとえば図３の（Ａ）に
示すように所望のパルス幅（持続時間）Ｔsを有する連
続発振の基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢ_cwを生成す
る。ここで、この基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢ_cwの
パワー（レーザ出力）Ｐcwは、レーザ電源部２８より励
起光供給部２２の励起光源に与える電力を調節すること
により所定範囲内で任意の値に設定できる。

【００３８】一方、第２のレーザ１２は、上記のような
構成により、たとえば図３の（Ｂ）に示すように所望の
高速繰り返し周波数（Ｑスイッチ周波数）ｆ_Qを有する
第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGを生成す
る。ここで、ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGのピー
クパワーＰpや繰り返し周波数ｆ_Qは、Ｑスイッチ５０に
対する高周波電気信号の変調を制御することにより任意
に可変調整することができる。なお、このＱスイッチＹ
ＡＧレーザ光ＬＢ_SHGの平均パワーＰaは、ピークパワー
Ｐpとディーティサイクルη（η＝ｆ_Q・τp×１００）
との積（η・Ｐp）で与えられ、通常のレーザ溶接では
基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢ_cwのパワーＰcwよりも
低い値に設定されてよい。

【００３９】制御部１４は、第１および第２のレーザ１
０，１２のレーザ発振動作を統括制御することにより、
図３の（Ａ）に示すような連続発振の基本波ＹＡＧパル
スレーザ光ＬＢ_cwと図３の（Ｂ）に示すような高速繰り
返し発振のＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGとを任意
のタイミングで時間的に重畳させることができる。

【００４０】好ましくは、図３の（Ｃ）に示すように、
連続発振の基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢ_cwが持続し
ているパルス時間（Ｔs）中は始終第２高調波Ｑスイッ
チＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGが高速繰り返し周波数ｆ_Qで発
振出力されるような時間的重畳関係に設定してよい。

【００４１】図４に、この実施形態において、図３の
（Ｃ）に示すような時間的重畳関係で連続発振の基本波
ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢ_cwと第２高調波ＱスイッチＹ
ＡＧレーザ光ＬＢ_SHGとを第１および第２のレーザ１
０，１２よりそれぞれ発生させ、かつ両レーザ光Ｌ
Ｂ_cw，ＬＢ_SHGを出射ユニット１６にて上記のように同
軸に重畳させたうえで、高反射率・高熱拡散率の金属部
材（ワークＷ）に照射したときの被溶接部ＷＰにおける
溶融部の断面構造を模式的に示す。

【００４２】また、参考（比較）例として、図５および
図６に、連続発振の基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢ_cw
および第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGを
それぞれ単独でワークＷに照射した場合の溶融部の断面
構造を示す。

【００４３】図４に示すように、この実施形態によれ
ば、連続発振の基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢ_cwと第２高調
波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGとの同軸重畳照射
による相乗作用により、ワークＷが高反射率・高熱拡散
率の金属部材であっても大きな溶け込み断面積および溶
け込み深さを得ることができる。本発明によりこのよう
な優れた溶融特性が得られるメカニズムは未だはっきり
解明されているわけではないが、次の２つの要因が考え
られる。

【００４４】１つの要因として、第２高調波Ｑスイッチ
ＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGにより形成されるキーホールＫ
Ｈ内で基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢ_cwが多重反射し
ながら内奥へ軸方向（垂直下方）に進むことによりレー
ザエネルギーの吸収効率が飛躍的に高められることが考
えられる。あるいは、短波長により吸収率の高い第２高
調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGにより被溶接部
ＷＰ付近の温度が上昇し、そこにパワーの大きな基本波
ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢ_cwが照射することによりレー
ザエネルギーの吸収効率が飛躍的に上昇することが考え
られる。いずれにせよ、両レーザ光ＬＢ_cw，ＬＢ_SHGが
同軸上に重畳して被溶接部ＷＰに入射することにより、
上記の相乗作用が最大限に高められ、溶融部が横方向に
も縦方向にも大きく延びる。

【００４５】これに対して、図５に示すように、連続発
振の基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢ_cwを単独で高反射
率・高熱拡散率の金属部材（ワークＷ）に照射した場合
は、レーザエネルギーが被溶接部ＷＰの深くまで浸透で
きないため、溶け込み深さｄ’が非常に短い（浅い）。

【００４６】また、図６に示すように、第２高調波Ｑス
イッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGを単独で高反射率・高熱
拡散率の金属部材（ワークＷ）に照射した場合は、ある
程度深いところまで溶かすことができるが、それでも連
続発振の基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢ_cwと同軸上に
重畳して照射される場合（本実施例）に比して浅く
（Ｄ’＜Ｄ）、なによりも溶け込み断面積が小さすぎ
る。

【００４７】図７〜図９に、本発明をシーム溶接に適用
して得られる溶融特性のデータを従来例と比較して示
す。

【００４８】図７の実施例は、基本波ＹＡＧパルスレー
ザ光ＬＢ_cwのパルス幅Ｔsを変えたときの被溶接部ＷＰ
に得られる溶融部の溶け込み深さＤ（ｄ）を示す。ワー
クＷの材質を純銅（A1050）とし、主要な加工条件とし
て、送り速度ｖを０．６ｍｍ／ｓ、シールドガス（Ｎ
2）の流量を３０リットル／ｍｉｎ、第２高調波Ｑスイ
ッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGの平均パワーＰaを４０Ｗ、
Ｑスイッチ周波数ｆ_Qを１０ｋＨｚに選んでいる。な
お、基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢ_cwの繰り返し周波
数（パルス周波数）はたとえば５Ｈｚに設定してよい。

【００４９】図７のグラフから明らかなように、本発明
によれば、純銅（A1050）に対して２ｍｍ以上の最大溶
け込み深さｄを達成することができる。一方、図７に比
較例として示すように、基本波ＹＡＧパルスレーザ光Ｌ
Ｂ_cw単独のレーザ溶接では、０．５ｍｍ以上の溶け込み
深さを実現するのは難しい。

【００５０】図８の実施例は、基本波ＹＡＧパルスレー
ザ光ＬＢ_cwのパワーＰcwおよびシーム送り速度ｖを変え
たときの被溶接部ＷＰに得られる溶融部の溶け込み断面
積Ｓ（ｍｍ²）を示す。ワークＷの材質はステンレス鋼
（Type 304）であり、主要な加工条件として、シールド
ガス（Ａｒ）の流量を３０リットル／ｍｉｎ、第２高調
波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGの平均パワーＰaを
４３．２Ｗ、Ｑスイッチ周波数ｆ_Qを１０ｋＨｚに選ん
でいる。なお、基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢ_cwの繰
り返し周波数（パルス周波数）はたとえば５Ｈｚに設定
してよい。

【００５１】図８のグラフから、基本波ＹＡＧパルスレ
ーザ光ＬＢ_cwのパワーＰcwおよびシーム送り速度ｖをそ
れぞれ如何なる値に選んでも、本発明によれば被溶接部
の溶融断面積が大幅に増大することがわかる。特に、レ
ーザ出力値として通常使用される４００〜６００Ｗにお
いて、基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢ_cw単独の場合
（従来技術）に比して２倍以上の溶融断面積が得られる
ことがわかる。

【００５２】図９の実施例は、同一条件のレーザ溶接に
より高反射率・高熱拡散率の金属部材である純銅（A105
0）、純アルミニウム（A5083）およびステンレス鋼（Ty
pe 304）でそれぞれ得られる溶融部の溶け込み断面積Ｓ
（ｍｍ²）を比較して示す。主要な加工条件として、シ
ーム送り速度ｖを０．６ｍｍ／ｓ、シールドガス（Ｎ
2）の流量を３０リットル／ｍｉｎ、基本波ＹＡＧパル
スレーザ光ＬＢ_cwのパワーＰcwを２７５Ｗ、第２高調波
ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGの平均パワーＰaを４
０Ｗ、Ｑスイッチ周波数ｆ_Qを１０ｋＨｚに選んでい
る。基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢ_cwの繰り返し周波
数（パルス周波数）はたとえば５Ｈｚに設定してよい。

【００５３】図９のグラフから、本発明によればいずれ
の金属部材でも被溶接部の溶融断面積を大幅に増大させ
ることができる。材質別では、純銅（A1050）＜純アル
ミニウム（A5083）＜ステンレス鋼（Type 304）の大小
関係で、ステンレス鋼（Type304）で最も大きな溶融断
面積が得られる。

【００５４】上記した実施形態では、第１のレーザ１０
より生成された基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢ_cwを光ファイ
バ３４を介して出射ユニット１６の第１レーザ光取入れ
口１６ａに取り込むとともに、第２のレーザ１２より生
成された第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHG
を光ファイバを介さずに出射ユニット１６の第２レーザ
光取入れ口１６ｂに取り込む構成であった。かかる構成
は一例であり、種々の変形が可能である。たとえば、基
本波ＹＡＧレーザ光ＬＢ_cwを第２レーザ光取入れ口１６
ｂに取り込み、第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光Ｌ
Ｂ_SHGを第１レーザ光取入れ口１６ａに取り込む構成も
可能である。

【００５５】上記した実施形態では、連続発振の基本波
ＹＡＧレーザ光ＬＢ_cwと高速繰り返しパルス発振の第２
高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢ_SHGとを同軸上に
重畳してワークＷに照射した。しかし、第２高調波以外
にも第３高調波（波長３５５ｎｍ）や第４高調波（波長
２６６ｎｍ）等の他の高調波ＹＡＧレーザ光も使用可能
である。さらには、連続発振の基本波ＹＡＧレーザ光Ｌ
Ｂ_cwに対して複数種類たとえば第２高調波ＱスイッチＹ
ＡＧレーザ光ＬＢ_SHGおよび第３高調波ＱスイッチＹＡ
Ｇレーザ光ＬＢ_THGを同軸重畳させるレーザ溶接法も可
能である。この場合、出射ユニット１６の中または外に
もう１つのダイクロイックミラーを設ければよい。

【００５６】また、上記した実施形態はＹＡＧレーザを
利用するものであったが、本発明は他のレーザ（特に固
体レーザ）を使用することもできる。

【００５７】上記した実施形態のように、本発明のレー
ザ溶接法は高反射率・高熱拡散率の金属部材に対して特
に顕著な効果を奏するものであるが、アルミニウム合金
や鉄等の他の金属部材に適用しても有効である。

【００５８】

【発明の効果】上記したように、本発明によれば、各種
金属材料の溶融特性を大幅に改善することができ、特に
高反射率・高熱拡散率を有する金属部材でも十分な溶け
込み断面積および溶け込み深さを実現し、良好な溶接接
合を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態におけるＹＡＧレーザ溶接
装置の構成を示すブロック図である。

【図２】実施形態のＹＡＧレーザ溶接装置における出射
ユニット内の光学系の構成と作用を示す図である。

【図３】実施形態のＹＡＧレーザ溶接装置における各部
のレーザ出力波形の基本パターンを示す図である。

【図４】実施形態のレーザ溶接により得られる溶融部の
断面構造を模式的に示す図である。

【図５】一比較例のレーザ溶接により得られる溶融部の
断面構造を模式的に示す図である。

【図６】別の比較例のレーザ溶接により得られる溶融部
の断面構造を模式的に示す図である。

【図７】本発明をシーム溶接に適用して得られる一溶融
特性のデータを従来例と比較して示す図である。

【図８】本発明をシーム溶接に適用して得られる一溶融
特性のデータを従来例と比較して示す図である。

【図９】本発明をシーム溶接に適用して得られる一溶融
特性のデータを従来例と比較して示す図である。

【符号の説明】

１０ 第１のＹＡＧレーザ １２ 第２のＹＡＧレーザ １４ 制御部 １６ 出射ユニット １６ａ 第１レーザ光取入れ口 １６ｂ 第２レーザ光取入れ口 ６４ コリメータレンズ ６６ ダイクロイックミラー ６８ 集光レンズ ７０ ビームエキスパンダ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4E068 BA00 CA02 CA04 CB02 CD02 CD08 CD12 DB01 5F072 AB01 AK01 HH07 KK05 KK12 MM04 QQ02 RR01 RR03 SS06 YY06

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を用いて金属部材を溶接するた
   めのレーザ溶接方法において、 所定の基本周波数を有する基本波レーザ光と前記基本周
   波数の整数倍の周波数を有する１種類または複数種類の
   高調波レーザ光とを実質的に同軸上に重畳したうえで前
   記金属部材の被溶接部に照射し、前記被溶接部を前記同
   軸上に重畳した複数のレーザ光のエネルギーで冶金的に
   接合することを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 【請求項２】 前記高調波レーザ光のビーム径を前記基
   本波レーザ光のビーム径よりも細くすることを特徴とす
   る請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 【請求項３】 前記基本波レーザ光が連続発振のレーザ
   光であり、前記高調波レーザ光が高速繰り返しパルス発
   振のレーザ光であることを特徴とする請求項１または２
   に記載のレーザ溶接方法。
4. 【請求項４】 レーザ光を用いて金属部材を溶接するた
   めのレーザ溶接装置において、 所定の基本周波数を有する基本波レーザ光を連続発振で
   生成する第１のレーザ発振部と、 前記基本周波数の整数倍の周波数を有する高調波レーザ
   光を高速繰り返しパルス発振で生成する第２のレーザ発
   振部と、 前記基本波レーザ光と前記高調波レーザ光とを所定のタ
   イミングで時間的に重畳させるように前記第１および第
   ２のレーザ発振部のレーザ発振動作を制御する制御部
   と、 前記第１のレーザ発振部からの前記基本波レーザ光と前
   記第２のレーザ発振部からの前記高調波レーザ光とをそ
   れぞれの光軸がほぼ直角に交差するようにミラー両面に
   それぞれ入射せしめ、前記基本波レーザ光および前記高
   調波レーザ光のうちの一方をまっすぐに透過させるとと
   もに他方を直角に反射させることにより双方のレーザ光
   を同一の軸上で重畳せしめるダイクロイックミラーと、 前記光学素子からの前記同一の軸上に重畳した前記基本
   波レーザ光および前記高調波レーザ光を実質的に同一の
   軸上で集光させて前記金属部材の被溶接部に照射する集
   光レンズとを具備することを特徴とするレーザ溶接装
   置。
5. 【請求項５】 前記第１のレーザ発振部が、第１の固体
   レーザ媒体と、第１の励起光源と、第１の光共振器とを
   有し、前記第１の励起光源を点灯させて、その光エネル
   ギーを前記第１の固体レーザ媒体に供給して前記第１の
   固体レーザ媒体および前記第１の光共振器により連続発
   振で前記基本波レーザ光を出力することを特徴とする請
   求項４に記載のレーザ溶接装置。
6. 【請求項６】 前記第２のレーザ発振部が、第２の固体
   レーザ媒体と、第２の励起光源と、Ｑスイッチと、第２
   の光共振器と、波長変換器とを有し、前記第２の励起光
   源を点灯させて、その光エネルギーを前記第２の固体レ
   ーザ媒体に供給して前記第２の固体レーザ媒体、前記Ｑ
   スイッチおよび前記第２の光共振器により高速繰り返し
   パルス発振で前記基本周波数を有する基本波のレーザ光
   を出力し、前記高速繰り返しパルス発振の基本波レーザ
   光を前記波長変換器により前記高速繰り返しパルス発振
   の高調波レーザ光に変換することを特徴とする請求項４
   または５に記載のレーザ溶接装置。
7. 【請求項７】 前記制御部が、前記基本波レーザ光を所
   定時間にわたって持続的に連続発振で出力するように前
   記第１のレーザ発振部を制御するとともに、前記高調波
   レーザ光を前記所定時間中に所定周波数の高速繰り返し
   パルス発振で出力させるように前記第２のレーザ発振部
   を制御することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに
   記載のレーザ溶接装置。
8. 【請求項８】 前記第１のレーザ発振部より生成された
   前記基本波レーザ光もしくは前記第２のレーザ発振部よ
   り生成された前記高調波レーザ光を一端面に入射せし
   め、他端面より前記レーザ光を出射する光ファイバと、 前記光ファイバの他端面より放射状に出射される前記基
   本波レーザ光もしくは前記高調波レーザ光を平行光にし
   て前記ダイクロイックミラー側に通すコリメータレンズ
   とを具備することを特徴とする請求項４〜７のいずれか
   に記載のレーザ溶接装置。
9. 【請求項９】 前記第１のレーザ発振部より生成された
   前記基本波レーザ光もしくは前記第２のレーザ発振部よ
   り生成された前記高調波レーザ光のビーム径を所定の倍
   率で拡大して前記ダイクロイックミラー側に通すビーム
   エキスパンダを具備することを特徴とする請求項４〜８
   のいずれかに記載のレーザ溶接装置。