JP2005254328A - ハイブリッドレーザ加工方法とそれに用いるハイブリッドレーザトーチ - Google Patents

Abstract

【課題】 高反射率の金属材料にたいしても、十分な溶け込み深さ、溶け込み幅にて、しかも、より高速に溶接できるようにする。
【解決手段】 ２種のレーザ系Ａ、Ｂからの異なった第１、第２レーザ光を重畳したハイブリッドレーザ光６における第２レーザ光５の被加工物７上での有効スポットサイズＤ２が、第１レーザ光３の有効スポットサイズＤ１未満となるように集光させて被加工物７に照射し加工を行うことにより、上記の目的を達成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＹＡＧなどの固体レーザ媒質による第１レーザ光と半導体レーザ（以下ＬＤという）による第２レーザ光などの２種のレーザ系からの異なる２つのレーザ光を重畳させたハイブリッドレーザ光として被加工物に照射し加工を行うハイブリッドレーザ加工方法とそれに用いるハイブリッドレーザトーチに関するものである。

レーザ光にて溶接などの加工を行うのに、照射する１つのレーザ光を溶接幅、溶接深さに応じた光軸上の複数の焦点位置を持つように集光させて、所定の溶け込みの深さや幅を満足できるようにしたもの（例えば、特許文献１参照。）、２種のＹＡＧレーザ光を重畳させて照射し、高反射率、高熱拡散率を有する金属材料でも十分な溶け込み断面積および溶け込み深さが得られるようにするもの（例えば、特許文献２参照。）、レーザ光とアークを併用するレーザ／アーク溶接ハイブリッド方式のもの（例えば、特許文献３参照。）などがある。また、レーザ光の照射とともに不活性ガスを噴出させて溶接時の溶融金属をシールドして酸化を防止することも併せ行われている（例えば、特許文献３、４参照。）。特許文献４は、特に、レーザトーチのレーザ光照射口の外まわりに設けた先細りのコーン形状をした環状通路からシールドガスを噴出するのに併せ、トーチ内の集光レンズの前面部を光軸方向に並ぶ複数のエアナイフノズルから照射するレーザ光を横切るエアナイフを吹き出し、溶接部から飛散するスパッタ粒子が集光レンズなどに及び付着するのを防止する技術を開示している。

一方、近時では、溶接の溶け込み、速度共に高めるという相容れない要求に応えるべく、上記のような溶接方法に代わって、パルス制御により励起する第１ＬＤからの第１レーザ光とＣＷ制御により励起する第２ＬＤからの第２レーザ光とを重畳させたり、ＹＡＧレーザ光とＬＤレーザ光とを重畳させたりする新規溶接方式などが研究されるようになり、各種の実験機、実機が製作され、提供され始めている。
特開２０００−００５８９２号公報 特開２００２−０２８７９５号公報 特開２００３−１６４９８３号公報 特開平１１−２６７８７６号公報

しかし、第１ＬＤと第２ＬＤとの組み合わせでは出力を十分に確保しにくい。具体的には、第１ＬＤはフルパワーで連続１０００時間程度にてパワーダウンしてしまうし、第２ＬＤでは加工点での最大出力が２０Ｗ程度しか得られない。従って、まだ実用に耐えない。また、ＬＤ励起ＹＡＧレーザ光とＬＤレーザ光とによるハイブリッドレーザ光を用いた溶接などの加工では、加工の精度および速度共に向上しているがまだ初期段階であり、自動車業界などがアルミニウム製品の封口溶接などで新たな目標としているところの要求を満足するには至っていない。そこで、本発明者等はＹＡＧレーザ光およびＬＤレーザ光の組み合わせ特性をさらに高めるべく実験をし、研究を重ねている。この結果、溶接の精度、速度共に高められる諸要因を知見した。

また、上記従来の不活性ガスによるシールド方式ではまだ十分な結果が得られていない。例えば、特許文献３に記載のシールド方式では、不活性ガスの噴流束を溶接部に吹き付けるだけであるため、噴流束はまわりの空気を巻き込みながら溶接部に吹き付けられることになり、巻き込んだ空気の影響でシール不良が生じて溶融金属の酸化により輝き面を損
ない、溶接欠陥やクラック発生の原因ともなる。また、特許文献４に記載のものではトーチの照射口のまわりにある先細りのコーン形状をした環状通路から吹き付けたシールドガスは、やはりまわりの空気を巻き込んで溶接部に吹き付ける問題を免れ得ないし、溶接部に向け収束して吹き付けられるシールドガスにはトーチ内への逆流成分が生じやすく、溶接部で発生するスパッタ粒子をトーチ内に積極的に送り込む働きをしてしまう。特許文献４に記載のものはこれが集光レンズなどに及ぶのをエアナイフにて遮断するようにしてはいるが、これが満足になされたとしても、スパッタ粒子をトーチまわりの雰囲気中に吹き出し飛散させてしまう問題があるし、トーチ内がスパッタ粒子によって汚染されやすい。これはトーチ内から不活性ガスを噴出させることで解決できても、まわりの空気を巻き込んで溶接部に吹き付けてしまう問題は解決しない。本発明者等はこれらの問題についても、解決策を見出した。

本発明の主たる目的は、以上のような新たな知見に基づき、アルミニウムのような高反射率の金属材料に対しても、十分な溶け込み深さ、溶け込み幅にて、しかも、より高速に溶接することができるハイブリッドレーザ加工方法とそれに用いるハイブリッドレーザトーチを提供することにあり、さらには、溶接部の酸化やスパッタ粒子による問題をも解消できるようにする。

上記の目的を達成するために、本発明のハイブリッドレーザ加工方法は、２種のレーザ系からの異なった第１、第２のレーザ光を重畳させたハイブリッド光として被加工物上に照射し加工を行うハイブリッドレーザ加工方法において、第１、第２のレーザ光は被加工物上の同じ位置に同時に照射し、第２のレーザ光の被加工物上での有効スポットサイズＤ２が、第１のレーザ光の有効スポットサイズＤ１未満となるようにして被加工物を加工するようにしたことを主たる特徴とし、具体的には、固体レーザ媒質による第１レーザ光とＬＤによる第２レーザ光とを重畳させたハイブリッドレーザ光として被加工物に照射し加工を行うハイブリッドレーザ加工方法において、ハイブリッドレーザ光における第２レーザ光の被加工物上での有効スポットサイズＤ２が、第１レーザ光の有効スポットサイズＤ１未満となるように集光させて被加工物に照射し加工を行う。

このような構成では、２種のレーザ系からの異なった２つのレーザ光を重畳したハイブリッド光として被加工物上に照射して加工するのに、第1、第２のレーザ光を有効スポットサイズにＤ１、Ｄ２の大小の差をもって照射することにより、その中央部の加工を周辺よりも促進させることができ、加工の浸透度、溶け込みを高められる。具体例では、特に、高出力に適した第１レーザ光の集光によって、溶接などに必要な加工幅と、加工強度とを確保しながら、第１レーザ光よりも低出力となる第２レーザ光についてはその有効スポットサイズＤ２が第１レーザ光の有効スポットサイズＤ１未満であることにより照射エネルギの集中がより図れて、前記第１レーザ光が確保する必要加工幅の内、特に、より限られた特定幅内の加工度を第２レーザ光の集光径が第１レーザ光と同じである場合に比し高めて加工の浸透速度、浸透深さを増大させ、アルミニウムなど高反射率の金属材料の溶接であっても、十分な溶接幅、つまり溶け込み幅と、溶け込み深さとを満足して、しかも、高速度で溶接することができる。また、特定幅内に限って重畳したハイブリッドレーザ光効果による早期加工、溶け込みの促進はスパッタ粒子の発生を抑えるのに好適である。

これらには、有効スポットサイズの比率は０．２≦Ｄ２／Ｄ１≦０．８とするのが好適であり、第２のレーザ光の有効スポットが、第１のレーザ光の有効スポットの内側に位置するように第1、第２のレーザ光を照射することにより、その中央部にキーホールを形成してより深く成長させ、早期加工、溶け込みをさらに促進することができる。

また、第２のレーザ光の有効スポットサイズＤ２は、加工中に発生するキーホールサイズＤ３に対して同等以下とすると、光エネルギーのさらなる集中により、第１のレーザ光がパルス制御で一時的に照射されなくてもキーホールを維持して、キーホールが早期に閉じて金属蒸気を封じ込めるポロシティの発生を防止することができる。

それには、第２のレーザ光は加工中のキーホールの位置に照射するのが好適であり、加工速度が増大するとキーホールの発生部が前方へ変位するので、第２のレーザ光の照射位置はその変位に対応させる。

このようなハイブリッドレーザ加工は、２種のレーザ系からの異なった２つのレーザ光を導入する第１、第２導入部と、照射光軸上の前後に位置して第１、第２導入部から導入した第１、第２レーザ光を反射させ前記照射光軸上で重畳したハイブリッドレーザ光として照射側に向ける第１、第２ミラーと、ハイブリッドレーザ光における第２レーザ光の被加工物上での有効スポットサイズが、第１レーザ光の有効スポットサイズ未満となるように照射対象物に向け集光させる集光光学系とを、ハイブリッドレーザ光の照射口を持ったトーチ本体に備えたことを主たる特徴とするハイブリッドレーザトーチを用いて容易に達成することができる。

これによれば、第１レーザ光を第２レーザ光とは１つのレーザトーチに個別に導き、そのトーチの内部で重畳させてハイブリッドレーザ光とし被加工物に照射することになり、異なった特性のレーザ光が最終の集光段階で重畳してハイブリッドレーザ光とするので、それまでの光路が光ファイバを例としてその種類やコア径などの違いによってそれぞれの特性をより活かすことができるし、集光段階以前の早い時期から重畳されて共通した経路を長く経ることにより互いの特性が損失したり低下するようなことや、高エネルギによる
まわりへの影響が高まるといった弊害を回避することができる。

このようなハイブリッドレーザトーチにおいて、第１ミラーが第２ミラーの前に位置し、第１ミラーはＹＡＧなどのレーザ発振を起こす固体レーザ媒体からのレーザ光に対するＨＲコートとＬＤレーザ光に対するＡＲコートとが施され、第２ミラーはＬＤレーザ光に対するＨＲコートが施されている構成、または、第１ミラーが第２ミラーの後に位置し、第１ミラーはＹＡＧレーザ光に対するＨＲコートが施され、第２ミラーはＬＤレーザ光に対するＨＲコートと固体レーザ媒質からのレーザ光に対するＡＲコートとが施されている構成とすることにより、第１、第２ミラーが照射光軸上でどちらが前、後の関係になっても、第１、第２レーザ光の各波長と、それらは位置の違いに対応する第１、第２ミラーの反射、透過特性とから、第１、第２レーザ光のエネルギー損を最大限抑えられ、エネルギー効率が向上する。

第１レーザ光はパルス制御により出力制御したパルスレーザ光であり、第２レーザ光はＣＷ制御により出力制御したＣＷ変調を含めたＣＷレーザ光である、さらなる構成では、
第２レーザ光のＣＷ制御によって、前記必要な加工幅の内の限られた幅内への出力エネルギの集中を継続させて、第２レーザ光の低出力に見合った予備的な加工の促進を間断なく図りながら、第１レーザ光のパルス制御によって瞬間的な高出力を必要な加工幅全体に無理無く繰り返して十分な加工幅を速い加工速度にて満足しながら、前記第２レーザ光による特定幅内の予備的な加工の促進による加工の早期浸透、溶け込みを確実に達成させられる。つまり、パルスレーザ光の断続照射だけではキーホールが発生したり、発生しなかったりするところ、ＣＷレーザ光の連続照射を併用することによってキーホールを確実に発生させられて加工が安定する。

しかし、以上に限られることはなく、その逆のＣＷレーザ光の有効スポットサイズＤ１がパルスレーザ光の有効スポットサイズＤ２未満であっても、加工中の中央部の温度が上昇してキーホールが発生しやすくなるので有効であるが、バルスレーザ光の有効スポットサイズＤ２がＣＷレーザ光の有効スポットサイズＤ１未満とするとより深いキーホールが発生しやすくより好適である。

ここで、パルスレーザ光の照射手段としては、パルスランプ励起ＹＡＧ、パルス励起レーザ、パルスファイバレーザを含み、パルスレーザ光とは断続して出力されるレーザ光をいい、ＣＷレーザ光の照射手段としては、ＬＤダイレクトレーザ、ＬＤ励起ＣＷレーザ、ＣＷファイバレーザを含み、ＣＷレーザ光とはレーザ照射が連続するレーザ光をいう。

第１レーザ光はＹＡＧなどのレーザ発振を起こす固体レーザ媒体によるレーザ光であって、ハイブリッドレーザ光への重畳は、ＧＩまたはＳＩファイバにて導いた第１レーザ光と、ＧＩファイバにて導いた第２レーザ光とにつき行い、それらの被加工物への集光は第１レーザ光を所定の集光径にて集光させるように設計した集光レンズを共用して行う、さらなる構成では、
第２レーザ光は第１レーザ光との波長の違いによって、集光レンズを共用しながらも第１レーザ光よりも小さい集光径にて集光させられる上、第２レーザ光をＧＩ（グレーテッドインデックス形）ファイバによって導いてくることで、第１レーザ光よりも小さな集光径に集光させられるので、照射エネルギを特定幅内により集中させやすく、特定幅内でのハイブリッド光効果が向上する。第１レーザ光もＧＩファイバによって導いて集光させやすくすることはできるが、必要に応じてすればよく、ＳＩ（ステップインデックス形）ファイバによって導いても特に問題はない。

このような方法は、第１レーザ光はＹＡＧなどのレーザ発振を起こす固体レーザ媒体によるレーザ光であって、第１導入部は第１レーザ光源側にＧＩまたはＳＩファイバにて接続され、第２導入部は第２レーザ光源側にＧＩファイバにて接続されているハイブリッドレーザトーチを用いて容易に達成することができる。

被加工物上の加工位置を照明し、そのときの反射光が、第１、第２ミラーを透過し、前記ハイブリッドレーザ光照射用の集光レンズよりも径の小さなアクロマチックレンズ、または小孔により結像したモニタ画像にて加工状態をモニタし、モニタ結果に応じて加工条件を調整する、さらなる構成では、
被加工物を照明すると、その反射光は集光レンズを逆向きに透過して第１、第２ミラー側にも向くのを、第１、第２ミラーを透過させることで、レーザ光照射光学系の外に導いて結像させモニタに供し、加工条件の調整が行えるようにしながら、前記集光レンズよりも径が小さく色無し処理などしたアクロマチックレンズまたはピンホールなどの小孔によって前記結像を行うことにより、集光レンズ、第１、第２ミラーの第１、第２レーザ光に対する照射のための十分な反射特性や透過特性を満足した上で、深い焦点深度にて明瞭な結像を得て前記モニタが容易かつ適確になされるようにすることができる。ピンホールによる場合は、上記に併せ構成の簡略化が達成される。

このような方法は、被加工物上の加工位置を照明する照明器と、照射対象物から反射し第１、第２ミラーを透過してくる反射光を、前記集光光学系の集光レンズよりも径の小さなアクロマチックレンズ、または小孔により結像させてモニタに供するモニタカメラとを備えたハイブリッドレーザトーチにより容易に達成することができる。

この場合、照明器は、白色ＬＥＤからの白色光を光ファイバによって導き照明する、さらなる構成では、
白色ＬＥＤからの白色光を光ファイバによって照射対象物のハイブリッドレーザ光照射部に他の邪魔になるようなことなく的確に導き、照射対象物のハイブリッドレーザ光照射部が、輝き面を保って加工されるような場合でもその輝度を抑えながら表面状態、加工状態を光のちらつきやハレーションなどなく、モニタカメラ側に明瞭に結像させることができ、表面状態、加工状態を容易かつ適正に視認できるようにする。

第１、第２レーザ光のうちの、対応する第１、第２ミラーの光軸上の位置が前になっている一方の側を先に出力して、試射物に対し照射することにより試射物上に照射痕を得、次いで、対応する第１、第２ミラーの光軸上の位置が後になっている他方の側を出力して試射物に対し照射しながら、その照射位置が前記照射痕内の所定域に位置するように、対応するミラーの向きを前記モニタ画像を見ながら調整した後、加工に供する、さらなる構成では、
第１、第２レーザ光を光軸上で重畳させハイブリッドレーザ光として照射し照射対象物上に集光させるのに、その照射光学系を構成する第１、第２ミラーおよび集光レンズのそれぞれは互いに標準的な位置合わせはなされるが、個々の照射光学系の実使用段階ではその他の条件も加わり、第１、第２レーザ光の重畳位置にそれぞれで異なったずれを生じることがあるのを、実使用段階にて第１、第２レーザ光を相前後して照射することにより、先の照射痕に対する後の照射位置の関係としてモニタ画象上で視認することができ、しかも、この視認状態において先の照射痕に対する後の照射位置の重なりが所定位置となるように後の照射位置を第１、第２ミラーの対応する側にて調節することにより前記のような重畳位置のずれを解消することができ、その後加工に供することにより加工が設定通りに達成されることを保証できる。特に、重畳位置の調節を第１、第２ミラーの内の、光軸上の後に位置する側、従って照射位置から遠い側で行うことによって、ミラーの向き変化に対する照射位置の変化度合が高く、位置調節しやすいし、そのときの向きの変化が光軸上の前に位置するミラーに対応するレーザ光の照射に影響せずに位置調節することができる。

このような方法は、第１、第２ミラーのうちの、少なくとも光軸上で後になっている一方の側が、ミラー面の向き調節部を有して支持しているハイブリッドレーザトーチによって達成することができ、場合によっては、第１、第２ミラーの双方が向き調節部を有して支持している構成とすることもできる。さらに、向き調節部は、照射光軸に直交する軸を中心とした回動によりミラー面の向きを調節する回動調節部を含むものとすることもできる。

ハイブリッドレーザ光を、供給される不活性ガスを充満させながら先端に向け絞った中央噴流束として連続噴出させている先細り形状の中央通路を通じ、加工物に照射するのに併せ、前記中央通路まわりでコーン形状をなした環状通路にて供給される不活性ガスを、前記照射され、噴出しているハイブリッドレーザ光および中央噴流束のまわりを囲う囲い膜流を連続噴出させて、加工を行う、さらなる構成では、
ハイブリッドレーザ光を照射する中央通路を通じ不活性ガスを先端に向け絞った中央噴流束を形成して連続噴射させるので、ハイブリッドレーザ光を照射した照射対象物上の加工位置で万一スパッタ粒子が発生して照射光学系側に及ぼうとしても、それを中央噴流束
の流れによって阻止するので光学系側に影響することはない。しかも、中央噴流束はコーン形状をした環状通路から噴出する囲い膜流によってまわりを囲われるので外まわりの空気を巻き込むことなく照射対象物上の照射位置表面に達して照射対象物との間の空気をまわりに排除しながら広がり、しかも、この広がりに伴って生じる前記囲い膜流のまわりへの広がり流によって、中央噴流の広がり域表面をも連続して覆われながら照射対象物側に押し付けられて照射対象物側との間に空気が入り込む余地を無くすので、照射対象物のハイブリッドレーザ光照射による加工部分に酸化や、それによる溶接不良、クラックなどが生じるようなことを確実に防止し、輝き表面も得られる。

このような方法は、トーチ本体の照射口に設けられ、照射光軸上に位置して照射されるハイブリッドレーザ光を通過させるとともに、供給される不活性ガスを充満させながら先端に向け絞った中央噴流束として連続噴出させる先細り形状の中央通路と、この中央通路まわりでのコーン形状をなして供給される不活性ガスを、前記照射され、噴出されるハイブリッドレーザ光および中央噴流束のまわりに不活性ガスの膜流を連続噴出させるコーン形状をなした環状通路とを有した同軸の二重ノズルを備えた、ハイブリッドレーザトーチによって達成することができる。

この場合、中央通路および環状通路は不活性ガスの供給を受けるために、それらの外回りに設けられて供給される不活性ガスを導入し周方向に充満させる環状通路と、この環状通路から中央通路および環状通路内に周方向に並んで開口する小径孔とを有している、さらなる構成とすることができる。

なお、上記各場合のハイブリッドレーザトーチにおいて、第１ミラーにて照射側に向けられる第１レーザ光の一部透過光を検出する第１検出部と、第２ミラーにて照射側に向けられる第２レーザ光の一部透過光を検出する第２検出部とを備えている、さらなる構成では、
導入する第１、第２レーザ光の、それに対応する第１、第２ミラーに対する少しの透過を図るだけの簡単な構成で、従って、問題になるほどの出力損失を招くようなことなく、導入する第１、第２レーザ光のレベルをモニタして、その出力状態や光ファイバなどによる伝送状態を判定することができる。

第１検出部が、第１ミラーが第２ミラーの前に位置することに対応して、ＬＤレーザ光およびＹＡＧなどのレーザ発振を起こす固体レーザ媒体からのレーザ光双方に対するＨＲコートを施したフィルタと、可視光カットフィルタとを介して受光し、第２検出部は、第２ミラーが第１ミラーの後に位置することに対応して、固体レーザ媒質からのレーザ光に対するＨＲコートを施したフィルタと、可視光カットフィルタとを介して受光する、さらなる構成、および、第１検出部が、第１ミラーが第２ミラーの後に位置することに対応して、ＬＤレーザ光に対するＨＲコートを施したフィルタと、可視光カットフィルタとを介して受光し、第２検出部は、第２ミラーが第１ミラーの前に位置することに対応して、ＬＤレーザ光および固体レーザ媒質からのレーザ光双方に対するＨＲコートを施したフィルタと、可視光カットフィルタとを介して受光する、さらなる構成では、
第１、第２ミラーが照射光軸上で、前後いずれになって、照射対象やモニタカメラ部を経た第１、第２レーザ光および外乱光が第１、第２ミラーを通じ第１、第２検出部に及ぶようなことがあっても、前記コートおよびフィルタの組合せによってそれらの影響を防止し、適正な検出が行える。

第１、第２検出部が、フードによって外部まわりを覆われている、さらなる構成では、
ハイブリッドレーザトーチの外まわりからの外乱光や埃などの影響も防止することができる。

本発明のそれ以上の目的および特徴は、以下の詳細な説明および図面の記載によって明
らかになる。本発明の各特徴は、それ単独で、あるいは可能な限りにおいて、種々な組合せで複合して採用することができる。

本発明のハイブリッドレーザ加工方法によれば、十分な溶接幅、つまり溶け込み幅と、溶け込み深さとを満足して、しかも、高速度で溶接することができる。また、特定幅内に限って重畳したハイブリッドレーザ光効果による早期加工、溶け込みの促進はスパッタ粒子の発生を抑えるのに好適である。

また、本発明のハイブリッドレーザ加工方法において、不活性ガスを供給する構成によれば、
ハイブリッドレーザ光を照射した被加工物上の加工位置で万一スパッタ粒子が発生して照射光学系側に及ぼうとしても、それを中央噴流束の流れによって阻止するので光学系側に影響することはない。また、中央噴流束とこれを囲う囲い膜流との協働とによって被加工物のハイブリッドレーザ光照射による加工部分に酸化や、それによる溶接不良、クラックなどが生じるようなことを確実に防止し、輝き表面も得られる。

以下、本発明の実施の形態に係るハイブリッドレーザ加工方法とそれに用いるハイブリッドレーザトーチにつき、図１〜図７を参照しながら詳細に説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の説明は本発明の具体例であって、特許請求の範囲の記載を限定するものではない。

本実施の形態に係るハイブリッドレーザ加工方法は、図１に示すハイブリッドレーザトーチ１を参照して、２種のレーザ系Ａ、Ｂからの異なった第１、第２のレーザ光３、５をハイブリッドレーザ光６として被加工物７に照射し加工を行うのに、図３に示すようにハイブリッドレーザ光６における第２レーザ光５の被加工物７上での集光径、つまり有効スポットサイズＤ２が、第１レーザ光３の集光径、つまり有効スポットサイズＤ１未満となるように集光させて被加工物７に照射し加工を行う。ここに有効スポットサイズとは、被加工物７上に照射した第１、第２レーザ光３、５における加工に有効なサイズをいい、それらの照射強度の分布が例えば、図１０（ａ）に示すようなトップハットといわれる均等な強度分布を示す場合はその全体のサイズが有効スポットサイズＤとなるが、図１０（ｂ）に示すようなガウシアン強度分布と言われる中央で強度が増す不均等な分布を示す場合は有効強度を持った中央の特定部分のサイズが有効スポットサイズＤとなる。この有効スポットサイズＤは必ずしも真円に限られることはない。

以上のようにすると、２種のレーザ系Ａ、Ｂからの異なった２つのレーザ光を重畳したハイブリッド光として被加工物上に照射して加工するのに、第1、第２のレーザ光を有効スポットサイズにＤ１、Ｄ２大小の差をもって照射することにより、その中央部の加工を周辺よりも促進させることができ、加工の浸透度、溶け込みを高められる。特に、固体レーザ媒質２によるレーザ系Ａからの第１レーザ光３とＬＤ４によるレーザ系Ｂからの第２レーザ光５とを重畳させて上記加工を行うことにより、高出力に適した第１レーザ光３の有効スポットサイズＤ１での集光によって、封口溶接などに必要な加工幅Ｂ１と、加工強度Ｖとを確保しながら、第１レーザ光３よりも低出力となる第２レーザ光５については第１レーザ光３よりも小さな有効スッポットサイズＤ２にて集光させて特定幅Ｂ２への照射エネルギの集中を図り、第１レーザ光３によって確保する必要加工幅Ｂ１の内、特に、より限られた特定幅Ｂ２内の加工度を第２レーザ光５の集光径Ｄ２が第１レーザ光３の集光径Ｄ１と同じである場合に比して高められる。この結果、第２レーザ光５は出力が小さくても幅Ｂ２内での第１レーザ光３と重畳することによる加工の浸透速度、浸透深さの増大により大きく寄与し、アルミニウムなど高反射率の金属材料の溶接であっても、十分な溶接幅Ｂ１、つまり溶け込み幅Ｂ１と、溶け込み深さとを満足して、しかも、高速度で溶接することができる。また、特定幅Ｂ２内に限って重畳したハイブリッドレーザ光効果による早期加工、溶け込みの促進はスパッタ粒子の発生を抑えるのに好適である。

これらには、有効スポットサイズＤ１、Ｄ２の比率は０．２≦Ｄ２／Ｄ１≦０．８とするのが好適であり、図１１に示すように第２のレーザ光５の有効スポットが、第１のレーザ光３の有効スポットの内側に位置するように第1、第２のレーザ光を照射することにより、その中央部に図１２に示すようなキーホール２０１を形成してより深く成長させ、早期加工、溶け込みをさらに促進することができる。

また、第２のレーザ光５の有効スポットサイズＤ２は、図１２に示すように加工中に発生するキーホール２０１のキーホールサイズＤ３に対して同等以下とする。これにより、光エネルギーのさらなる集中により、第１のレーザ光３がパルス制御で一時的に照射されなくてもキーホール２０１を維持し、これによってキーホール２０１が早期に閉じて金属蒸気を封じ込めるポロシティの発生を防止することができ、このようなポロシティに原因する欠陥の発生が回避できる。

それには、第２のレーザ光は加工中のキーホールの位置に照射するのが好適であり、加工速度が増大するとキーホールの発生部が前方へ変位するので、第２のレーザ光の照射位置はその変位に対応させると、加工速度に関係なくそのような照射条件を常時満足することができる。

このようなハイブリッドレーザ加工を達成するのに、図１〜図７に示すハイブリッドレーザトーチ１は、図１に示すように２種のレーザ系Ａ、Ｂからの異なった第１、第２レーザ光３、５を導入する第１、第２導入部１１、１２と、照射光軸１３上の前後に位置して第１、第２導入部１１、１２から導入した第１、第２レーザ光３、５を反射させ前記照射光軸１３上で重畳したハイブリッドレーザ光６として照射側に向ける第１、第２ミラー１４、１５と、ハイブリッドレーザ光６における第２レーザ光５の被加工物７上での集光径、つまり有効スポットサイズＤ２が、第１レーザ光３の集光径、つまり有効スポットサイズＤ１未満となるように被加工物７に向け集光させる集光レンズ１６とを、ハイブリッドレーザ光６の照射口１７を持ったトーチ本体１ａに備えている。集光レンズ１６は第１導入部１１から拡径してくる第１のレーザ光３を平行光として第１ミラー１４に導くコリメート側の集光レンズ１６ａと、第２導入部１２から拡径してくる第２レーザ光５を平行光として第２ミラー１５に導くコリメート側の集光レンズ１６ｂと、第１、第２ミラー１４、１５を経て照射光軸１３上で重畳されたハイブリッドレーザ光６を収束させて被加工物７上に集光させる収束側の集光レンズ１６ｃとで構成してハイブリッドレーザトーチ１がＬ形となるようにし、集光レンズ１６ａ、１６ｂの双方が第１、第２ミラー１４、１５と共に照射光軸１３上に直線に並んでハイブリッドレーザトーチ１が徒に長くなるのを防止している。また、ハイブリッドレーザ光６が集光レンズ１６ａを通るのを回避することができる。

これにより、ハイブリッドレーザトーチ１は、個別に導かれてきた第１レーザ光３と第２レーザ光５とを、その内部で重畳させてハイブリッドレーザ光６とし被加工物７に照射する。この結果、異なった特性のレーザ光３、５が最終の集光段階で重畳してハイブリッドレーザ光６とするので、それまでの光路が例えば光ファイバ２１、２２の場合を例としてその種類やコア径などを異ならせ、それぞれの特性をより活かすことができるし、集光段階以前の早い時期から重畳されて共通した伝送経路を長く経ることにより互いの特性が損失したり低下するようなことや、高エネルギによるまわりへの影響が高まるといった弊害を回避することができる。

特に、レーザ系Ａでの第１レーザ光３はＹＡＧ２などのレーザ発振を起こす固体レーザ媒質を光源とするものであって、ハイブリッドレーザ光６への重畳は、ＧＩ（グレーテッドインデックス形）またはＳＩ（ステップインデックス形）の光ファイバ２１にて導いた第１レーザ光３と、レーザ系ＢでのＧＩの光ファイバ２２にて導いた第２レーザ光５とにつき行い、それらの被加工物７への集光は第１レーザ光３を所定の集光径Ｄ１にて集光させるように設計した集光レンズ１６を共用して行うようにしている。これにより、第２レーザ光５は第１レーザ光３との波長の違いによって、集光レンズ１６を共用しながらも第１レーザ光３よりも小さい集光径Ｄ２にて集光させられる。しかも、第２レーザ光５を集光性の高いＧＩ光ファイバ２２によって導いてくることで、第１レーザ光３よりも小さな集光径Ｄ１に集光させ、照射エネルギを特定幅Ｂ２内に集中させやすくしている。第１レーザ光３もＧＩ光ファイバによって導いて集光させやすくすることはできるが、必要に応じてすればよく、ＳＩファイバによって導いても特に問題はない。このために、ハイブリッドレーザトーチ１は、第１導入部１１は第１レーザ光源であるＹＡＧ発振器２ａにＧＩまたはＳＩの光ファイバ２１にて接続し、第２導入部１２は第２レーザ光源であるＬＤ発振器４ａにＧＩの光ファイバ２２にて接続する。

しかし、Ｄ１、Ｄ２の関係を満足して第1、第２レーザ光を重畳するには、第１レーザ光３にはトップハットスポットが得られるＳＩ形光ファイバを用い、第２レーザ光５にはガウシアンスポットが得られるＧＩ形光ファイバを用いるのが好適である。また、ファイバ径の関係では第1レーザ光３用≧第２レーザ光５用であり、ファイバＮＡの関係では第1レーザ光≧第２レーザ光５用であり、コリメートレンズのｆナンバでは第１レーザ光３用≦第２レーザ光５用である。

ここで、 第１レーザ光３はパルス制御により出力制御したパルスレーザ光とし、第２レーザ光５はＣＷ制御により出力制御したＣＷレーザ光とする。このため図１に示すように、パルス・ＣＷ共通のコントローラ４１によって、あるいは個別のコントローラによって、ＹＡＧ発振器２ａなどの固体レーザ媒質をそのドライバ４２を介しパルス制御し、ＬＤ発振器４ａなどをそのドライバ４３を介しＣＷ制御するようにしている。

これにより、第２レーザ光５のＣＷ制御によって、必要な加工幅Ｂ１の内の限られた特定幅Ｂ２内への照射エネルギの集中を継続させて、第２レーザ光５の低出力に見合った予備的な加工の促進を間断なく図りながら、第１レーザ光３のパルス制御によって瞬間的な高出力を必要な加工幅Ｂ１全体に無理無く繰り返して十分な加工幅Ｂ１を速い加工速度Ｖにて満足しながら、第２レーザ光５による特定幅Ｂ２内のハイブリッドレーザ光効果による加工の早期浸透、溶け込みを確実に促進させられる。つまり、第１レーザ光３であるパルスレーザ光の断続照射だけではキーホール２０１が発生したり、発生しなかったりするところ、第２のレーザ光５であるＣＷレーザ光の連続照射を併用することによってキーホールを確実に発生させられて加工が安定する。

しかし、以上に限られることはなく、その逆の図１３に示すような第１レーザ光３であるパルスレーザ光の有効スポットサイズＤ１が第２レーザ光５であるＣＷレーザ光の有効スポットサイズＤ２未満であっても、図１３に示すように加工中の中央部の温度が上昇してキーホールが発生しやすくなるので有効である。しかし、第２レーザ光５であるＣＷスレーザ光の有効スポットサイズＤ２が第１レーザ光３であるパルスレーザ光の有効スポットサイズＤ１未満とすることより、既述した図１２に示すように、図１３に示す場合よりも深いキーホール２０１が発生しやすくより好適である。

ここで、レーザ系にＡにおける第１レーザ光３としてのパルスレーザ光の照射手段としては、パルスランプ励起ＹＡＧ、パルス励起レーザ、パルスファイバレーザを含み、パルスレーザ光とは断続して出力されるレーザ光をいう。また、レーザ系Ｂにおける第２レーザ光５としてのＣＷレーザ光の照射手段としては、ＬＤダイレクトレーザ、ＬＤ励起ＣＷレーザ、ＣＷファイバレーザを含み、ＣＷレーザ光とはパワー変調する場合を含めレーザ照射が連続するレーザ光をいう。なお、ファイバレーザはレーザ媒質にてファイバを形成し、ファイバ内で増幅発振させるレーザであって、前記したようにパルスファイバレーザとＣＷファイバレーザとがある。

ところで、第１ミラー１４が第２ミラー１５の前に位置していることに対応して、第１ミラー１４はＹＡＧなどの固体レーザ媒質からの固体媒質レーザ光３に対するＨＲコートとＬＤレーザ光５に対するＡＲコートとを施し、第２ミラー１５はＬＤレーザ光５に対するＨＲコートを施してある。しかし、これとは逆に、第１ミラー１４を第２ミラー１５の後に位置させ、第１ミラー１４にはＹＡＧレーザ光３に対するＨＲコートを施し、第２ミラー１５はＬＤレーザ光５に対するＨＲコートと固体媒質レーザ光３に対するＡＲコートとを施したものとすることもできる。このようなコート処理によると、第１、第２ミラー１４、１５が照射光軸１３上でどちらが前、後の関係になっても、第１、第２レーザ光３、５の各波長と、それらの位置の違いに対応する第１、第２ミラー１４、１５の反射、透過特性の違いとから、第１、第２レーザ光３、５のエネルギ損を最大限抑えることができ、エネルギ効率が向上する。それには、第１、第２ミラー１４、１５共に、受ける固体媒質レーザ光３およびＬＤレーザ光５および照射光軸１３の双方に対し４５°とするのが最適である。

なお、図２に示すように、被加工物７上の加工位置を照明光２３により照明し、そのときの反射光２３ａが、図１に示す第１、第２ミラー１４、１５を透過し、前記集光レンズ１６よりも径の小さなアクロマチックレンズ２４、またはそれに代わるピンホールとしての小孔により結像したモニタ画像にて加工状態をモニタし、モニタ結果に応じて加工条件を調整するようにできる。これにより、被加工物７を照明したときの反射光２３ａが集光レンズ１６ｃを逆向きに透過して第１、第２ミラー１４、１５側に向くのを、第１、第２ミラー１４、１５を透過させることで、レーザ光照射光学系の外に導いて結像させモニタに供し、加工条件の調整が行えるようにしながら、集光レンズ１６ｃよりも径が小さく色無し処理などしたアクロマチックレンズ２４またはピンホールなどの小孔によって前記結像を行うことにより、集光レンズ１６ｃ、第１、第２ミラー１４、１５の第１、第２レーザ光３、５に対する十分な反射特性や透過特性を満足した上で、深い焦点深度にて明瞭な結像を得て前記モニタが容易かつ適確になされるようにすることができる。

このために、図１に示すハイブリッドレーザトーチ１は、図２に示すように、被加工物上７からの反射光２３ａを結像させてモニタに供するモニタカメラ２６とをトーチ本体１ａの外まわりに備え、図１に示すようにモニタカメラ２６からのモニタ画像情報をモニタ４０に出力して外部から視認されるようにするのに併せ、コントローラ４１に接続した操作パネル４４などを通じてＹＡＧ発振器２ａやＬＤ発振器４ａの出力制御を調整できるようにしている。

図２に示す照明器２５は、白色ＬＥＤからの白色光を照明光２３として光ファイバ２７によって導き照明するようにしている。これにより、白色ＬＥＤからの白色光を照明光２３として光ファイバ２７により被加工物７のハイブリッドレーザ光６照射部に他の邪魔になるようなことなく的確に導き、被加工物７のハイブリッドレーザ光６の照射部が、酸化せずに輝き面を保って加工されるような場合でもその輝度を白色光の特性にて抑えながら表面状態、加工状態を光のちらつきやハレーションなどなく、モニタカメラ４０側に明瞭に結像させることができ、表面状態、加工状態を容易かつ適正に視認できるようにする。なお、光ファイバ２７の先端部には集光レンズ２７ａを設けて、前記照明が集光性よく効率よく達成されるようにしている。また、トーチ本体１ａの照明器２５の近傍にファイバホルダ２８を設け、不使用時の光ファイバ２７を仮想線で示すように一時的に収納保持しておき他の邪魔になったり、他と引っ掛かって損傷したりするのを防止できるようにしている。

また、図３に示すように、ハイブリッドレーザ光６は、供給されるＮ₂ガスなどの不活
性ガス３１を充満させながら先端に向け絞った中央噴流束３１ａとして連続噴出させている先細り形状の中央通路３２を通じ、被加工物７に照射するのに併せ、中央通路３２まわりでコーン形状をなした環状通路３３にて供給される不活性ガス３１を、前記照射され、噴出しているハイブリッドレーザ光６および中央噴流束３１ａのまわりを囲う囲い膜流３１ｂを連続噴出させて、加工を行う。このように、ハイブリッドレーザ光６を照射する中央通路３２を通じ不活性ガス３１を先端に向け絞った中央噴流束３１ａを形成して連続噴射させるので、ハイブリッドレーザ光６を照射した被加工物７上の加工位置で万一スパッタ粒子が発生して照射光学系側に及ぼうとしても、それを中央噴流束３１ａの流れによっ
て阻止するので光学系側に影響することはない。しかも、中央噴流束３１ａはコーン形状をした環状通路３３から噴出する囲い膜流３１ｂによってまわりを囲われるので外まわりの空気を巻き込むことなく被加工物７上の照射位置表面に達して被加工物７との間の空気をまわりに排除しながら広がり、しかも、この広がりに伴って生じる前記囲い膜流３１ｂのまわりへの広がり流によって、中央噴流束３１ａの広がり域表面をも連続して覆われながら被加工物７側に押し付けられ、被加工物７側との間に空気が入り込む余地を無くすので、被加工物７のハイブリッドレーザ光６の照射による加工部分に酸化や、それによる溶接不良、クラックなどが生じるようなことを確実に防止し、輝き表面が得られる。

このために、図１に示すハイブリッドレーザトーチ１は、図３に示すようにトーチ本体１ａの照射口１７に設けられ、照射光軸１３上に位置して照射されるハイブリッドレーザ光６を通過させるとともに、供給される不活性ガス３１を充満させながら先端に向け絞った中央噴流束３１ａとして連続噴出させる先細り形状の中央通路３２と、この中央通路３２まわりでのコーン形状をなして供給される不活性ガス３１を、前記照射され、噴出されるハイブリッドレーザ光６および中央噴流束３１ａの外まわりに不活性ガス３１の前記囲い膜流３１ｂを連続噴出させるコーン形状をなした環状通路３３とを有した同軸の二重ノズル５１を備えたものとしている。

特に、中央通路３２および環状通路３３は不活性ガス３１の供給を受けるために、それらの外まわりに設けられて供給される不活性ガス３１を導入し周方向に充満させる環状通路５２、５３と、この環状通路５２、５３から中央通路３２および環状通路３３内に周方向に並んで開口する小径孔５２ａ、５３ａとを有している。これにより、中央通路３２に供給される不活性ガス３１は環状通路５２に充満した後、多数の小径孔５２ａを通じて、中央通路３２内にそのまわりから一挙に、むら無く圧入されて充満させながら空気を含まない中央噴流束３１ａとして噴出させる。また、環状通路３３に供給される不活性ガス３１は環状通路５３に充満した後、多数の小径孔５３ａを通じて環状通路３３内にそのまわりから一挙に、むら無く圧入されて充満させながら空気を含まない囲い膜流３１ｂとしてコーン形状にしたがって収束作用のもと、噴射される中央噴流束３１ａの直ぐ外まわりに噴出させる。これにより、前記被加工物７上の加工部における溶融金属に対するシールド効果がさらに高められる。

さらに、図１に示すハイブリッドレーザトーチ１は、第１ミラー１４にて照射側に向けられる第１レーザ光３の一部透過光３ａを検出する第１検出部６１と、第２ミラーにて照射側に向けられる第２レーザ光５の一部透過光６ａを検出する第２検出部６２とを備えている。これにより、導入する第１、第２レーザ光３、５の、それに対応する第１、第２ミラー１４、１５に対する１％前後と少しの透過を図るだけの簡単な構成で、従って、問題になるほどの出力損失を招くようなことなく、導入する第１、第２レーザ光３、５のレベルをモニタして、その出力状態や光ファイバ２１、２２などによる伝送状態を判定することができ、検出出力Ｓ１、Ｓ２をコントローラ４１に入力してＹＡＧ発振器２ａやＬＤ発振器４ａで示す２つのレーザ系Ａ、Ｂの出力のフィードバック制御や、発振の緊急停止を行ったり、操作パネル４４やモニタ４０などへのメンテ指示などを行うことができる。

ここで、第１、第２検出部６１、６２はフォトダイオード６１ａ、６２ａにて受光するのに、第１検出部６１は、第１ミラー１４が第２ミラー１５の前に位置することに対応して、図７に示すようにＬＤレーザ光５および固体媒質レーザ光３双方に対し反射特性を有したＨＲコートを施したフィルタ６３と、可視光カットフィルタ６４とを介して受光し、第２検出部は、第２ミラー１５が第１ミラー１４の後に位置することに対応して、図３を共用して示すように固体媒質レーザ光３に対するＨＲコートを施したフィルタ６５と、可視光カットフィルタ６４とを介して受光するようにしている。しかし、これとは逆の関係とすることもできる。これにより、第１、第２ミラー１４、１５が照射光軸１３上で、前後いずれになって、被加工物７やモニタカメラ２６部を経た第１、第２レーザ光３、５および外乱光が第１、第２ミラー１４、１５を通じ第１、第２検出部６１、６２に及ぶようなことがあっても、前記コートおよびフィルタの組合せによってそれらの影響を阻止し、適正な検出が行える。また、第１、第２検出部６１、６２は、図１に示すように着脱できるフード６６によって外部まわりから覆われているので、ハイブリッドレーザトーチの外まわりからの外乱光や埃などの影響も防止することができる。

また、第１、第２レーザ光３、５のうちの、対応する第１、第２ミラー１４、１５の照射光軸１３上の位置が前になっている一方の側を先に出力して、図８に示すように試射物７１に対し照射して試射物７１上に照射痕７２を得、次いで、対応する第１、第２ミラー１４、１５の照射光軸１３上の位置が後になっている他方の側を出力して試射物７１に対し照射し、その照射位置７３が前記照射痕７２内の破線で示すような所定域に位置するように、対応するミラーの向きを前記モニタ画像を見ながら、従ってモニタ４０を見ながら調整した後、加工に供する。これにより、第１、第２レーザ光３、５を照射光軸１３上で重畳させハイブリッドレーザ光６として照射し集光させるのに、その照射光学系を構成する第１、第２ミラー１４、１５および集光レンズ１６のそれぞれは互いに標準的な位置合わせはなされているものの、個々の照射光学系の実使用段階ではその他の条件も加わり、第１、第２レーザ光３、５の重畳位置にそれぞれで異なったずれを生じることがあるのを、実使用段階にて第１、第２レーザ光３、５を相前後して照射することにより、先の照射痕７２に対する後の照射位置７３との関係としてモニタ画象上で視認することができる。しかも、この視認状態において先の照射痕７２に対する後の照射位置７３の重なりが所定位置となるように後の照射位置７３を第１、第２ミラー１４、１５の対応する側にて調節することにより前記のような重畳位置のずれを解消することができ、その後加工に供することにより加工が設定通りに達成されることを保証できる。特に、重畳位置の調節を第１、第２ミラー１４、１５の内の、照射光軸１３上の後に位置する側、従って照射位置から遠い側で行うことによって、ミラーの向き変化に対する照射位置の変化度合が高く、位置調節しやすいし、そのときの向きの変化が照射光軸１３上の前に位置するミラーに対応するレーザ光の照射に影響せずに位置調節することができる。

なお、本例では第１、第２ミラー１４、１５の前後関係から、照射痕７２を第１レーザ光３の照射によって得、後の照射位置７３は第２レーザ光５によって得ているが、ミラー配置が逆になれば、当然のことながら、照射痕７２は第２レーザ光５によって得、後の照射位置７３は第１レーザ光３によって得ることになる。

このような方法を達成するのにハイブリッドレーザトーチ１は、第１、第２ミラー１４、１５のうちの、少なくとも照射光軸１３上で後になっている一方の側が、図１、図３〜図５に一例を示すようなミラー面の向き調節部８１を有して支持していればよく、場合によっては、図１、図３〜図５に示すように第１、第２ミラー１４、１５の双方が向き調節部８１を有して支持している構成とすることもできる。このような向き調節部８１は、例えば照射光軸１３に直交する軸８２を中心とした回動によりミラー面の向きを調節する回動調節部８１ａを含むものとすることで足りる。しかし、図１、図３〜図５に示す例では、回動調節部８１ａに併せ、ミラー面を照射光軸１３に対して種々な向きに煽って調節する煽り調節部８１ｂを設けてある。

煽り調節部８１ｂはトーチ本体１ａ側に対してミラー枠１４ａ、１５ａの取り付け基台８０を引き付け固定する３本の取付けねじ８３と、取付け基台８０に設けられてトーチ本体１ａ側への引き付けギャップを個々に設定する３本のねじ８４とを有し、各ねじ８４のトーチ本体１ａ側への突出度の個別調節によって、トーチ本体１ａの取付け面に対する傾きおよび照射光軸１３に対する煽り度をどの方向にも設定でき、設定した向きは取付けねじ８３による引き付けによって固定することができる。回動調節部８１ａは取付け基台８
０に対しミラー枠１４ａ、１５ａを軸８２により回動できるように支持して、ばね８５によって軸８２まわりの一方側に付勢し、この付勢されるミラー枠１４ａ、１５ａをトーチ本体１ａの外部からねじ込まれた図１、図４に示すねじ８６によって受止め、ねじ８６のトーチ本体１ａ内への突出度を調節することにより第１、第２ミラー１４、１５を軸８２のまわりに回動させて向き調節できるようにしている。

煽り調節部８１ｂは第１、第２ミラー１４、１５のどのような向き調節もできるもので、メーカー側で既述した標準的な位置合わせをしておくのに好適であり、ユーザの実使用に際しての位置合わせを軸８２まわりの回動調節だけでよいようにすることができ、使用しやすくすることができる。もっとも、このような使用状態に限られることはない。

なお、集光レンズ１６ｃとノズル５１との間には図１、図３、図６に示すようなフィルタ９１を抜き差しできるようにもうけて、ねじ９２により装着状態にねじ止めするようにしてあり、フィルタ９１によってスパッタ粒子などが万一にも集光光学系の側に及ぶのを防止している。また、トーチ本体１ａには水冷通路１１１が設けられ、これに冷却水１１２を通して冷却するようにしている。

とろこで、本出願人は、図１に示すように励起ランプ１０１によってＹＡＧ２を励起するのに、励起ランプ１０１からの励起光を横断面楕円の集光器１０２の集光反射面により、ＹＡＧ２に対しその外径よりも小さな集光径にて集光させることにより励起し、レーザ光３を出射させることを、例えば、ＹＡＧ２の外径よりも小さな発光径の励起ランプ１０１との間で満足することにより、ＹＡＧ２の外径に対する励起域が前記集光径の範囲に制限されて、励起域から外れる外周部層に励起が及ばない分だけＹＡＧ２の熱歪みが抑えられるし、片側からのアンバランスな励起に起因した反りも緩和でき、１つの励起ランプ１０１の片側からの励起によってもＹＡＧ２の寿命は高まり、主として長尺化によるボリュームおよび出力の増大が図れる方法を提案している。これによると、ＹＡＧ発振器２ａの簡略化、小形化、低コスト化が実現し、併せて、０．６ｍｍ以下の集光を可能とする７ｍｍ以下の外径での実用にも対応できる。しかも、必要な出力が高くなる分だけ励起ランプ１０１の駆動電流を抑えられるので、ランニングコストが低減するし、ドライバ４２のスイッチング素子として超高速のＩＧＢＴを電流制御に用いて制御周波数を高められる。

また、１８０ｍｍ以上の長さのＹＡＧ２を用いてゲインを高められるため出力効率が従来の３％程度に比して４％程度と向上し、１ＫＷ以上の出力が得られる。しかも、熱歪みによる寿命低下が大きく緩和されて数億ショットという従来の数倍の寿命が実現している。また、外径を７ｍｍ以下として光ファイバ２１などに対する０．６ｍｍ以下の集光も可能である。

そこで、実施例としてこのようなＹＡＧ２を採用して、図９のＩに示すようなＬＤ４の特定の出力と、ＹＡＧ２の複数の出力における各種制御パルス数との関係において、図９のＩＩに示すような外観、および溶け込み幅、溶け込み深さｄの溶接結果が得られた。また、それら各溶接時の溶接速度は図９のＩＩＩに示す通りであり、好結果が得られた。

ここで、レーザ系Ａ、Ｂがパルスランプ励起レーザ、ＣＷファイバレーザの組み合わせである場合の好適例を図１４に示している。第１レーザ光３用の光ファイバ２１にＳＩ形０．８ｍｍ径、第２レーザ光５用の光ファイバ２２にＧＩまたはＳＩファイバ０．０５ｍｍ径を用い、コリメートレンズ１６ａ、１６ｂ、集光レンズ１６ｃともに、ｆナンバ１００として、キーホール２０１の径Ｄ３に対し充分に小さな有効スポットサイズＤ２が得られる。

また、レーザ系Ａ、Ｂがパルスランプ励起レーザ、ＬＤダイレクトレーザの組み合わせである場合の好適例を図１５に示している。第１レーザ光３用の光ファイバ２１にＳＩ形０．８ｍｍ径、第２レーザ光５用の光ファイバ２２にＧＩ形０．６ｍｍ径を用い、コリメートレンズ１６ａ、１６ｂ、集光レンズ１６ｃともに、ｆナンバ１００として、キーホール２０１の径Ｄ３に対しほぼ同等の有効スポットサイズＤ２が得られる。

また、レーザ系Ａ、Ｂがパルスファイバレーザ、ＣＷファイバレーザの組み合わせである場合の好適例を図１６に示している。第１レーザ光３用の光ファイバ２１用にＧＩまたはＳＩ形０．１ｍｍ径、第２レーザ光５用にＧＩまたはＳＩ形０．１ｍｍ径を用い、コリメートレンズ１６ｂ、集光レンズ１６ｃともに、ｆナンバ１００とし、コリメートレンズ１６ａをｆナンバ２５としてある。

本発明はアルミニウムの溶接に実用して、十分な溶接が高速度で行える。

本発明の実施の形態に係るハイブリッドレーザトーチの1つの例を示す断面図。 図１のトーチの側面図。 図１のトーチの照射口付近の拡大断面図。 図１のトーチの第１、第２ミラーに共通の位置調節部の正面図。 図４のミラーの正面図。 図３の照射口部の下面図。 図１のトーチの第１、第２検出部の内部構造図。 図１のトーチにおける第１、第２レーザ光の照射位置調節方法の説明図。 図１のトーチの実施例における幾つかの実験結果例を示す図。 レーザ光の照射スポットにおける強度分布について２つの例を代表的にしめした説明図。 図１のトーチによる第１、第２レーザ光の照射例を示す摸式図。 第１、第２レーザ光の有効スポットサイズＤ１、Ｄ２の関係での加工状態を示す説明図。 第１、第２レーザ光の有効スポットサイズＤ1、Ｄ２の関係での加工状態を示す説明図。 レーザ系がパルスランプ励起レーザ、ＣＷファイバレーザの組み合わせである場合のハイブリッドレーザトーチの好適例を示す模式図。 レーザ系がパルスランプ励起レーザ、ＬＤダイレクトレーザの組み合わせである場合の好適例を示す模式図。 レーザ系がパルスファイバレーザ、ＣＷファイバレーザの組み合わせである場合の好適例を示す模式図。

符号の説明

Ａ、Ｂ レーザ系
１ ハイブリッドレーザトーチ
１ａ トーチ本体
２ 固体レーザ媒質（ＹＡＧ）
３ 第１レーザ光
４ 半導体レーザ（ＬＤ）
５ 第２レーザ光
６ ハイブリッドレーザ光
７ 被加工物
１１、１２ 第１、第２導入部
１３ 照射光軸
１４、１５ 第１、第２ミラー
１６ 集光レンズ
１７ 照射口
２１、２２、２７ 光ファイバ
２４ アクロマチックレンズ
２５ 照明器
２６ モニタカメラ
３１ 不活性ガス
３１ａ 中央噴流束
３１ｂ 囲い膜流
３２ 中央通路
３３ 環状通路
４０ モニタ
４１ コントローラ
５１ ノズル
５２、５３ 環状通路
５２ａ、５３ａ 小径孔
６１、６２ 第１、第２検出部
６３、６４、６５ フィルタ
６６ フード
７１ 試射物
７２ 照射痕
７３ 後の照射位置
８１ 向き調節部
８１ａ 回動調節部
８１ｂ 煽り調節部
２０１ キーホール

Claims (29)

1. ２種のレーザ系からの異なった第１、第２のレーザ光を重畳させたハイブリッド光として被加工物上に照射し加工を行うハイブリッドレーザ加工方法において、
   第１、第２のレーザ光は被加工物上の同じ位置に同時に照射し、第２のレーザ光の被加工物上での有効スポットサイズＤ２が、第１のレーザ光の有効スポットサイズＤ１未満となるようにして被加工物を加工するようにしたことを特徴とするハイブリッドレーザ加工方法。
2. 有効スポットサイズの比率は０．２≦Ｄ２／Ｄ１≦であり、第２のレーザ光の有効スポットが、第１のレーザ光の有効スポットの内側に位置するように第1、第２のレーザ光を照射する請求項１に記載のハイブリッドレーザ加工方法。
3. 第２のレーザ光の有効スポットサイズＤ２は、加工中に発生するキーホールサイズＤ３に対して同等以下とする請求項１、２のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ加工方法。
4. 第２のレーザ光は加工中のキーホールの位置に照射する請求項３に記載のハイブリッドレーザ加工方法。
5. 第１レーザ光と第２レーザ光とは１つのレーザトーチに個別に導き、そのトーチの内部で重畳させてハイブリッドレーザ光とし被加工物に照射する請求項１〜４のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ加工方法。
6. 第１レーザ光はパルス制御により出力制御したパルスレーザ光であり、第２レーザ光はＣＷ制御により出力制御したＣＷ変調を含めたＣＷレーザ光である請求項１〜５のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ加工方法。
7. 第１、第２レーザ光は、一方がパルス制御により出力制御したパルスレーザ光であり、他方がＣＷ制御ないしＣＷ変調制御により出力制御したＣＷレーザ光をいう請求項１〜５のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ加工方法。
8. パルスレーザ光の照射手段としては、パルスランプ励起ＹＡＧ、パルス励起レーザ、パルスファイバレーザを含み、パルスレーザ光とは断続して出力されるレーザ光をいい、ＣＷレーザ光の照射手段としては、ＬＤダイレクトレーザ、ＬＤ励起ＣＷレーザ、ＣＷファイバレーザを含み、ＣＷレーザ光とはレーザ照射が連続するレーザ光をいう請求項６、７のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ加工方法。
9. 第１レーザ光はＹＡＧなどのレーザ発振を起こす固体レーザ媒質によるレーザ光であって、ハイブリッドレーザ光への重畳は、グレーテッドインデックスＧＩ形またはステップインデックスＳＩ形ファイバにて導いた第１レーザ光と、ＧＩファイバにて導いた第２レーザ光とにつき行い、それらの被加工物への集光は第１レーザ光を所定の有効スポットサイズにて集光させるように設計した集光レンズを共用して行う請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ加工方法。
10. ハイブリッドレーザ光への重畳は、第１、第２レーザ光の双方を、それぞれに対応して照射光軸上の前後に位置する第１、第２ミラーにて、前記照射光軸上に導くことにより行う請求項１〜９のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ加工方法。
11. 被加工物上の加工位置を照明し、そのときの反射光が、第１、第２ミラーを透過し、前記ハイブリッドレーザ光照射用の集光レンズよりも径の小さなアクロマチックレンズ、または小孔により結像したモニタ画像にて加工状態をモニタし、モニタ結果に応じて加工条件を調整する請求項１０に記載のハイブリッドレーザ加工方法。
12. 第１、第２レーザ光のうちの、対応する第１、第２ミラーの光軸上の位置が前になっている一方の側を先に出力して、試射物に対し照射することにより試射物上に照射痕を得、次いで、対応する第１、第２ミラーの光軸上の位置が後になっている他方の側を出力して試射物に対し照射しながら、その照射位置が前記照射痕内の所定域に位置するように、対応するミラーの向きを前記モニタ画像を見ながら調整した後、加工に供する請求項１１に記載のハイブリッドレーザ加工方法。
13. ハイブリッドレーザ光を、供給される不活性ガスを充満させながら先端に向け絞った中央噴流束として連続噴出させている先細り形状の中央通路を通じ、加工物に照射するのに併せ、前記中央通路まわりでコーン形状をなした環状通路にて供給される不活性ガスを、前記照射され、噴出しているハイブリッドレーザ光および中央噴流束のまわりを囲う囲い膜流を連続噴出させて、加工を行う請求項１〜１２のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ加工方法。
14. ２種のレーザ系からの異なった２つのレーザ光を導入する第１、第２導入部と、照射光軸上の前後に位置して第１、第２導入部から導入した第１、第２レーザ光を反射させ前記照射光軸上で重畳したハイブリッドレーザ光として照射側に向ける第１、第２ミラーと、ハイブリッドレーザ光における第２レーザ光の被加工物上での有効スポットサイズＤ２が、第１レーザ光の有効スポットサイズＤ１未満となるように照射対象物に向け集光させる集光光学系とを、ハイブリッドレーザ光の照射口を持ったトーチ本体に備えたことを特徴とするハイブリッドレーザトーチ。
15. 第１レーザ光はＹＡＧなどのレーザ発振を起こす固体レーザ媒質によるレーザ光であって、第１導入部は第１レーザ光源側にＧＩまたはＳＩファイバにて接続され、第２導入部は第２レーザ光源側にＧＩファイバにて接続されている請求項１４に記載のハイブリッドレーザトーチ。
16. 第１レーザ光源はパルス制御にて出力制御し、第２レーザ光源はＣＷ制御にて出力制御する請求項１５に記載のハイブリッドレーザトーチ。
17. 第１、第２ミラーのうちの、少なくとも光軸上で後になっている一方の側が、ミラー面の向き調節部を有して支持している請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザトーチ。
18. 第１、第２ミラーの双方が向き調節部を有して支持している請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザトーチ。
19. 向き調節部は、照射光軸に直交する軸を中心とした回動によりミラー面の向きを調節する回動調節部を含む請求項１７、１８のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザトーチ。
20. 第１ミラーが第２ミラーの前に位置し、第１ミラーはＹＡＧなどのレーザ発振を起こす固体レーザ媒質からのレーザ光に対するＨＲコートとＬＤレーザ光に対するＡＲコートとが施され、第２ミラーはＬＤレーザ光に対するＨＲコートが施されている請求項１４〜１９のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザトーチ。
21. 第１ミラーが第２ミラーの後に位置し、第１ミラーはＹＡＧなどのレーザ発振を起こす固体レーザ媒質からのレーザ光に対するＨＲコートが施され、第２ミラーはＬＤレーザ光に対するＨＲコートとＹＡＧレーザ光に対するＡＲコートとが施されている請求項１４〜１９のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザトーチ。
22. 被加工物上の加工位置を照明する照明器と、照射対象物から反射し第１、第２ミラーを透過してくる反射光を、前記集光光学系の集光レンズよりも径の小さなアクロマチックレンズ、または小孔により結像させてモニタに供するモニタカメラとを備えた請求項１４、１５のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザトーチ。
23. 照明器は、白色ＬＥＤからの白色光を光ファイバによって導き照明する請求項２２に記載のハイブリッドレーザトーチ。
24. 第１ミラーにて照射側に向けられる第１レーザ光の一部透過光を検出する第１検出部と、第２ミラーにて照射側に向けられる第２レーザ光の一部透過光を検出する第２検出部とを備えている請求項１４〜２３のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザトーチ。
25. 第１検出部は、第１ミラーが第２ミラーの前に位置することに対応して、ＬＤレーザ光およびＹＡＧなどのレーザ発振を起こす固体レーザ媒質からのレーザ光双方に対するＨＲコートを施したフィルタと、可視光カットフィルタとを介して受光し、第２検出部は、第２ミラーが第１ミラーの後に位置することに対応して、固体レーザ媒質からのレーザ光に対するＨＲコートを施したフィルタと、可視光カットフィルタとを介して受光する請求項２４に記載のハイブリッドレーザトーチ。
26. 第１検出部は、第１ミラーが第２ミラーの後に位置することに対応して、ＬＤレーザ光に対するＨＲコートを施したフィルタと、可視光カットフィルタとを介して受光し、第２検
    出部は、第２ミラーが第１ミラーの前に位置することに対応して、ＬＤレーザ光およびＹＡＧなどのレーザ発振を起こす固体レーザ媒質からのレーザ光双方に対するＨＲコートを施したフィルタと、可視光カットフィルタとを介して受光する請求項２４に記載のハイブリッドレーザトーチ。
27. 第１、第２検出部は、フードによって外部まわりが覆われている請求項２４〜２６のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザトーチ。
28. トーチ本体の照射口に設けられ、照射光軸上に位置して照射されるハイブリッドレーザ光を通過させるとともに、供給される不活性ガスを充満させながら先端に向け絞った中央噴流束として連続噴出させる先細り形状の中央通路と、この中央通路まわりでのコーン形状をなして供給される不活性ガスを、前記照射され、噴出されるハイブリッドレーザ光および中央噴流束のまわりに不活性ガスの膜流を連続噴出させるコーン形状をなした環状通路とを有した同軸の二重ノズルを備えた請求項１４〜２７のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザトーチ。
29. 中央通路および環状通路は不活性ガスの供給を受けるために、それらの外回りに設けられて供給される不活性ガスを導入し周方向に充満させる環状通路と、この環状通路から中央通路および環状通路内に周方向に並んで開口する小径孔とを有している請求項２３に記載のハイブリッドレーザトーチ。
    
    

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