JP2006297464A - レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＹＡＧ基本波とＹＡＧ高調波との二波長重畳方式において深溶け込み溶接を実現し、さらにはその再現性および品質向上を図る。
【解決手段】 ＹＡＧパルスレーザ発振器１０はパルス幅可変のＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢを発振出力し、ＹＡＧパルスレーザ発振器１２はパルス幅可変のＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧを発振出力する。出射ユニット２０は、両パルスレーザ光ＬＢ，ＳＨＧを同一の光軸上に重畳して被溶接物（Ｗ₁，Ｗ₂）の溶接ポイントＫに集光照射する。制御部１８は、ＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢのレーザ出力がピーク値に達する時点よりもＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力がピーク値に達する時点の方が若干先になるように、両レーザ発振器１０，１２のレーザ発振動作を制御する。

【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザを用いて金属を溶接するレーザ溶接技術に係り、より詳しくは二波長のレーザビームを重畳して被溶接物に照射する二波長重畳型のレーザ溶接方法および装置に関する。

近年、レーザは、製造業、特に溶接、切断および表面処理の分野で利用されている。実際、レーザ溶接技術は、高精度および高速の加工を実現できること、被加工物に与える熱歪が小さいこと、高度の自動化が可能であることから、ますますその重要性を高めている。現在、レーザ溶接に最も多く使用されている固体レーザは、波長約１μｍの光ビームを発生するＹＡＧレーザである。ＹＡＧレーザは、母材としてのＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）結晶に希土類活性イオン（Nd³⁺，Yb³⁺等）をドープしたものであり、代表的なＮd：ＹＡＧレーザの基本波長は１０６４ｎｍである。ＹＡＧレーザは、連続発振やＱスイッチによるジャイアントパルス発振が可能であるほか、１００μｓ以上（典型的には１〜１０ｍｓ）のパルス幅を有するロングパルス（long pulse）のレーザ光を発生することができる。

ところで、レーザ溶接法においては、被溶接材とレーザ光の光学的な結合性が重要である。光学的な結合性がよくないと、反射率が高くて、レーザエネルギーの吸収効率が低く、良好な溶接接合を得るのが難しい。この点、基本波長（たとえば１０６４ｎｍ）のＹＡＧレーザ光は、銅や金に対しては光学的結合性がよくない。これらの金属に対しては、むしろ第２高調波（５３２ｎｍ）のＹＡＧレーザ光が高い光学的結合性を有することが知られている。本出願人は、特許文献１で、銅や金の溶接に有効なレーザ溶接法として、ＹＡＧ基本波のパルスレーザ光とＹＡＧ第２高調波のＱスイッチレーザ光とを重畳して被溶接材に照射する二波長重畳レーザ溶接法を開示している。
特開２００２−２８７９５号公報

しかしながら、上記のような従来の二波長重畳レーザ溶接法は、断続的な繰り返しのパルスとして与えられるＹＡＧ第２高調波（５３２ｎｍ）のＱスイッチレーザ光が被溶接材との光学的結合時間が短いことから、キーホールや溶け込み深さがまだ十分でなく、厚板溶接（特に銅厚板溶接）への適用が難しいという問題があった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、ＹＡＧ基本波とＹＡＧ高調波との二波長重畳方式において深溶け込み溶接を実現し、さらにはその再現性および品質向上を図るレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供することを目的とする。

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、可変のパルス幅を有するＹＡＧ基本波のパルスレーザ光と可変のパルス幅を有するＹＡＧ高調波のパルスレーザ光とを重畳して被溶接部に照射し、前記被溶接部を両パルスレーザ光のエネルギーによって溶接するレーザ溶接方法であって、前記ＹＡＧ基本波パルスレーザ光のレーザ出力がそのピーク値に達するよりも先に前記ＹＡＧ高調波のパルスレーザ光のレーザ出力がそのピーク値に達するような時間差をもたせて両パルスレーザ光を重畳する。

また、本発明のレーザ溶接装置は、パルス幅可変でＹＡＧ基本波のパルスレーザ光を生成する第１のレーザ発振部と、パルス幅可変でＹＡＧ高調波のパルスレーザ光を生成する第２のレーザ発振部と、前記ＹＡＧ基本波のパルスレーザ光とＹＡＧ高調波のパルスレーザ光とを重畳して所望の被溶接部に照射する出射ユニットと、前記ＹＡＧ基本波パルスレーザ光のレーザ出力がそのピーク値に達するよりも先に前記ＹＡＧ高調波のパルスレーザ光のレーザ出力がそのピーク値に達するように前記第１および第２のレーザ発振部間のレーザ発振動作を制御するタイミング制御部とを有する。

上記の構成においては、ＹＡＧ高調波がパルス幅可変のパルスレーザ光として与えられるため、Ｑスイッチ方式のパルスレーザ光よりも被溶接物との相互作用時間が格段に長く、ＹＡＧ基本波との相乗効果により、深い溶け込みを実現することができる。しかも、ＹＡＧ高調波パルスレーザ光のレーザ出力が先に（好ましくは０．０５ｍｓ〜０．３ｍｓ先に）ピーク値に達することにより、溶接ポイント付近でキーホール形成がスムースに開始されるため、再現性のよい一定の溶け込みが得られる。

更に、本発明は、ＹＡＧ基本波パルスレーザ光とＹＡＧ高調波パルスレーザ光とを重畳して被溶接部に照射する二波長重畳方式のレーザ溶接方法において、ＹＡＧ基本波パルスレーザ光の立下りをダウンスロープ波形に制御することを特徴とする。かかるダウンスロープ波形制御によれば、パルスレーザの照射エネルギーが漸次的に減少するため、キーホール内で溶融物が緩やかに広がり、ハンピングの無いナゲット表面（溶接外観）が得られる。好適な一態様として、ＹＡＧ基本波パルスレーザ光の立下がり時間は、ＹＡＧ基本波パルスレーザ光のピーク値の持続時間に対して２０％〜５０％の範囲内に選ばれる。

本発明のレーザ溶接装置においては、好適な一態様として、第１のレーザ発振部から出射ユニットまでＹＡＧ基本波パルスレーザ光を伝送する第１の光ファイバと、第２のレーザ発振部から出射ユニットまでＹＡＧ高調波パルスレーザ光を伝送する第２の光ファイバとが用いられ、ＹＡＧ基本波用の第１の光ファイバがＹＡＧ高調波用の光ファイバよりも一回り（好ましく１．３倍〜２倍）大きなコア径を有する。かかる構成によれば、ＹＡＧ高調波パルスレーザ光の照射径よりもＹＡＧ基本波パルスレーザ光の照射径を一回り大きくして、レーザ照射中にキーホール周囲の溶融部を安定化させ、凝固後にナゲット（特にエッジ部）を滑らかな表面にすることができる。

本発明のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置によれば、上記のような構成と作用により、ＹＡＧ基本波とＹＡＧ高調波との二波長重畳方式において深溶け込み溶接を実現し、さらにはその再現性および品質向上を図ることもできる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態による二波長重畳型レーザ溶接装置の構成を示す。このレーザ溶接装置は、２台のＹＡＧパルスレーザ発振器１０，１２と、これらのパルスレーザ発振器１０，１２をそれぞれ電気的に駆動するレーザ電源部１４，１６と、これらのレーザ電源部１４，１６を通じて両パルスレーザ発振器１０，１２のレーザ発振動作を制御する制御部１８と、所望の加工場所に配置される二波長重畳出射ユニット２０と、両パルスレーザ発振器１０，１２よりそれぞれ生成されるＹＡＧパルスレーザ光を出射ユニット２０まで伝送する光ファイバ伝送系２２とを有している。

ここで、一方のＹＡＧパルスレーザ発振器１０はパルス幅可変（ロングパルス）のＹＡＧ基本波（１０６４ｎｍ）のパルスレーザ光ＬＢを発振出力し、他方のＹＡＧパルスレーザ発振器１２はパルス幅可変（ロングパルス）のＹＡＧ第２高調波（５３２ｎｍ）のパルスレーザ光ＳＨＧを発振出力する。出射ユニット２０は、後述するように、ＹＡＧ基本波のパルスレーザ光ＬＢとＹＡＧ第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧとを同一または共通の光軸上に重畳したうえで共通の集束レンズにより集束させて被溶接物（Ｗ₁，Ｗ₂）の溶接ポイントＫに照射する。被溶接物（Ｗ₁，Ｗ₂）は任意の金属からなるものでよいが、特にＣｕ系の金属またはＡｕ系の金属の場合に本発明の作用効果が最も顕著に発揮される。

図２に、ＹＡＧ基本波パルスレーザ発振器１０の構成例を示す。このレーザ発振器１０は、たとえばＮd：ＹＡＧロッドからなる固体レーザ媒体２４と、この固体レーザ媒体２４に励起光を照射する電気光学励起部２６と、固体レーザ媒体２４より発生されるレーザ光を共振増幅してＹＡＧ基本波（１０６４ｎｍ）のパルスレーザ光ＬＢを取り出す一対の光共振器ミラー２８，３０とから構成される。ここで、電気光学励起部２６は、たとえば励起ランプまたはレーザダイオードからなり、レーザ電源部１４からのパルス波形の励起電流の供給を受けて点灯し、固体レーザ媒体２４をパルス波形の励起光でポンピングする。そして、固体レーザ媒体２４の両端面より軸方向に出た光が光共振器ミラー２８，３０の間で反射を繰り返して増幅されたのちＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢとして出力ミラー２８より光共振器の外へ取り出される。このレーザ発振器１０より発振出力されたＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢは、後述する光ファイバ伝送系２２の第１入射ユニット６０（図１）へ向けられる。

この実施形態では、ＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢについてパワーフィードバック制御を行うために、全反射ミラー３０の背後に漏れたパルスレーザ光ＬＢの漏れ光Ｍ_LB を受光する光電変換素子またはフォトセンサ３２が配置されている。測定回路３４は、フォトセンサ３２の出力信号を基に基本波パルスレーザ光ＬＢのレーザ出力測定値を表す電気信号（レーザ出力測定値信号）を出力する。レーザ電源部１４は、測定回路３４からのレーザ出力測定値信号を制御部１８からの第１の基準パルス波形信号と比較し、その比較誤差に応じてたとえばパルス幅変調（ＰＷＭ）方式により内蔵のスイッチング素子をスイッチング動作させて、電気光学励起部２６に供給されるパルス励起電流を制御し、ひいてはレーザ発振器１０より発振出力されるＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢのレーザ出力波形を第１の基準パルス波形に倣わせるようにしている。

図３に、ＹＡＧ第２高調波パルスレーザ発振器１２の構成例を示す。このレーザ発振器１２は、一対の終端ミラー３６，３８、固体レーザ活性媒質４０、波長変換結晶４２、偏光素子４４および高調波分離出力ミラー４６を直線配列型で一列に配置している。両終端ミラー３６，３８は互いに向かい合って光共振器を構成している。一方の終端ミラー３６の反射面３６ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜がコーティングされている。他方の終端ミラー３８の反射面３８ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜がコーティングされるとともに、第２高調波（５３２ｎｍ）に対して高反射性の膜もコーティングされている。

活性媒質４０は、たとえばＮd：ＹＡＧロッドからなり、一方の終端ミラー３６寄りに配置され、電気光学励起部４８によって光学的にポンピングされる。電気光学励起部４８は、活性媒質４０に向けて励起光を発生するための励起光源（たとえば励起ランプまたはレーザダイオード）を有し、この励起光源をレーザ電源部１６からのパルス波形の励起電流で点灯させて、活性媒質４０をパルス波形の励起光でポンピングする。活性媒質４０で生成される基本波長のパルスビームは、終端ミラー３６，３８の間に閉じ込められて増幅される。このように、両終端ミラー（光共振器）３６，３８、活性媒質４０および電気光学励起部４８によって基本波長（１０６４ｎｍ）のパルスレーザ光を生成する基本波パルスレーザ発振部が構成されている。

偏光素子４４は、たとえばポラライザまたはブリュースタ板等からなり、活性媒質４０からの基本波長の光ビームが非法線方向で入射するように光共振器の光路または光軸に対して所定の斜めの角度で配置されている。活性媒質４０からの基本波長の光ビームのうち、Ｐ偏光は偏光素子４４をまっすぐ透過して波長変換結晶４２に入射し、Ｓ偏光は偏光素子４４で所定の方向に向けて反射されるようになっている。ここで、Ｐ偏光およびＳ偏光は基本波長の光ビームの進行方向に垂直な面内で振動方向が互いに直交する直線偏光成分（電界成分）である。たとえば、Ｐ偏光は鉛直方向で振動する直線偏光成分であり、Ｓ偏光は水平方向で振動する直線偏光成分である。好ましくは、基本波長（１０６４ｎｍ）においてＰ偏光透過率は略１００％でＳ偏光反射率は略１００％であるような偏光フィルタ特性が選ばれる。

波長変換結晶４２は、たとえばＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）結晶やＬＢＯ（ＬｉＢ₃Ｏ₅）結晶等の非線形光学結晶からなり、他方の終端ミラー３８寄りに配置され、この光共振器で励起された基本モードに光学的に結合され、基本波長との非線形光学作用により第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧを光共振器の光路上に生成する。

波長変換結晶４２より終端ミラー３８側に出た第２高調波の光ビームＳＨＧは、終端ミラー３８で戻されて、波長変換結晶４２を通り抜ける。波長変換結晶４２より終端ミラー３８の反対側に出た第２高調波の光ビームＳＨＧは、光共振器の光路または光軸に対して所定の角度（たとえば４５°）で斜めに配置されている高調波分離出力ミラー４６に入射し、このミラー４６で所定の方向つまりベントミラー５０に向けて反射または分離出力されるようになっている。そして、高調波分離出力ミラー４６より分離出力された第２高調波の光ビームＳＨＧは、ベントミラー５０で光軸を曲げられて光ファイバ伝送系２２の第２入射ユニット６６（図１）へ送られる。

この実施形態では、ＹＡＧ第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧについてもパワーフィードバック制御を行うために、ベントミラー５０の背後に漏れたＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧの漏れ光Ｍ_SHG を受光する光電変換素子またはフォトセンサ５２が配置されている。測定回路５４は、フォトセンサ５２の出力信号を基に第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力測定値を表す電気信号（レーザ出力測定値信号）を生成する。レーザ電源部１６は、測定回路５４からのレーザ出力測定値信号を制御部１８からの第２の基準パルス波形信号と比較して、その比較誤差に応じてたとえばパルス幅変調（ＰＷＭ）方式によりスイッチング素子をスイッチング動作させて、電気光学励起部４８に供給されるパルス励起電流を制御し、ひいてはレーザ発振器１２より発振出力されるＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力波形を第２の基準パルス波形に倣わせるようにしている。

図４に、この実施形態で用いる波長変換方法の基本原理を示す。この波長変換方法は、波長変換結晶４２にタイプII位相整合角にカットされた非線形光学結晶を使用し、タイプIIの位相整合で基本波から第２高調波への波長変換を行う。より詳細には、固体パルスレーザたとえばＹＡＧパルスレーザ（図示せず）で生成された基本波（たとえば１０６４ｎｍ）のパルスレーザ光を楕円偏光（好ましくは円偏光）またはランダム偏光の形態で非線形光学結晶４２に入射させる。そうすると、入射光のうち基本波長の垂直偏光成分と水平偏光成分のみが直線偏光として非線形光学結晶４２を通過する。非線形光学結晶４２は、基本波ＹＡＧパルスレーザと光学的に結合して、非線形光学効果により基本波光の垂直偏光成分と同じ方向に直線偏光したロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧ（５３２ｎｍ）を生成する。

しかしながら、上記のような波長変換方法（図４）においては、基本波パルスレーザ光の偏光分布に偏りまたは異方性があったりすると、波長変換効率が低下し、第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力が下がったり変動することがある。特に、活性媒質４０に対する電気光学励起部４８のポンピング（励起光の照射）が不均一であると、基本波パルスレーザ光の偏光分布に偏りまたは異方性が生じる。

図５に、この実施形態における波長変換方法を示す。この波長変換は、基本波のＰ偏光を透過させると同時にＳ偏光を反射する偏光素子４４をその直線偏光化方向（Ｐ偏光の振動方向）が非線形光学結晶４２の光学軸に対して相対的に４５°傾くように配置する。実施形態のＹＡＧ第２高調波パルスレーザ発振器１２（図３）では、図５に示すように、偏光素子４４の直線偏光化方向を鉛直方向に設定し、非線形光学結晶４２の方をその光学軸が鉛直方向に対して４５°傾くように配置している。

このように偏光素子４４の直線偏光化方向と非線形光学結晶４２の光学軸とを相対的に４５°傾けて配置する構成によれば、偏光素子４４からのＰ偏光が非線形光学結晶４２の座標系において見かけ上直交する等強度の２つの基本波光成分として非線形光学効果に作用する。仮に偏光素子４４を省くと、Ｐ偏光と直交するＳ偏光も非線形光学結晶４２に入射することになり、それによって非線形光学結晶４２の座標系において垂直偏光成分と水平偏光成分のバランスが崩れ、タイプIIの波長変換効率は低下する。こうして、偏光素子４４の直線偏光化により、高効率のタイプII波長変換が可能であり、安定かつ高出力でロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧを生成することができる。

光ファイバ伝送系２２において、第１の入射ユニット６０は、集束レンズ６２を内蔵しており、ＹＡＧ基本波パルスレーザ発振器１０より発振出力されたＹＡＧ基本波のパルスレーザ光ＬＢを集束レンズ６２により集束して第１の光ファイバ６４の一端面（入射端面）に入射させる。第２の入射ユニット６６も集束レンズ６８を内蔵しており、ＹＡＧ第２高調波パルスレーザ発振器１２より発振出力されたＹＡＧ第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧを集束レンズ６８により集束して第２の光ファイバ７０の一端面（入射端面）に入射させる。

第１および第２の光ファイバ６４，７０は出射ユニット２０で終端している。第１の光ファイバ６４は、たとえばＳＩ（ステップインデックス）形ファイバからなり、ＹＡＧ基本波のパルスレーザ光ＬＢを第１の入射ユニット６０から出射ユニット２０まで伝送する。第２の光ファイバ７０は、たとえばＳＩ形ファイバからなり、ＹＡＧ第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧを第２の入射ユニット６６から出射ユニット２０まで伝送する。この実施形態では、基本波伝播用の光ファイバ６４のコア径φ₁が第２高調波伝播用の光ファイバ７０のコア径φ₂よりも一回り（好ましくは１．３倍〜２倍）大きな値に選ばれており、これによって後述するように溶接品質の向上（特にエッジ部のハンピング防止）を実現している。

図６に、この実施形態における出射ユニット２０内の光学系の要部の構成を示す。

図示のように、出射ユニット２０内の中心部には、ダイクロイックミラー７２，７５が垂直軸（ユニット長手方向の軸）に対して４５゜の傾きで配置されている。第１の光ファイバ６４は出射ユニット２０の下端部側で終端し、その終端面つまり出射端面が垂直下向きでダイクロイックミラー７２の下面と対向する。また、第２の光ファイバ７０は出射ユニット２０の上端部側で終端し、その終端面つまり出射端面が水平内向きでダイクロイックミラー７５の下面と対向する。第１の光ファイバ６４の出射端面とダイクロイックミラー７２との間には第１のコリメートレンズ７４が配置され、第２の光ファイバ７０の出射端面とダイクロイックミラー７５との間には第２のコリメートレンズ７６が配置されている。ダイクロイックミラー７２の真下には集束レンズ７８が配置されている。ダイクロイックミラー７２は透明基板を母材とし、この基板上に基本波長（１０６４ｎｍ）に対して反射性の膜と第２高調波（５３２ｎｍ）および可視光に対して透過性の膜がコーティングされている。また、ダイクロイックミラー７５は透明基板を母材とし、この基板上に第２高調波（５３２ｎｍ）に対して反射性の膜と可視光に対して透過性の膜がコーティングされている。

第１の光ファイバ６４の出射端面より水平方向に放射状に出たＹＡＧ基本波のパルスレーザ光ＬＢは、第１のコリメートレンズ７４によりコリメートされてからダイクロイックミラー７２で垂直下方に直角に反射して集束レンズ７８に入射する。また、第２の光ファイバ７０の出射端面より水平方向に放射状に出たＹＡＧ第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧは、第２のコリメータレンズ７６によりコリメートされてからダイクロイックミラー７５で垂直下方に直角に反射してダイクロイックミラー７２を透過し集束レンズ７８に入射する。ダイクロイックミラー７２を垂直下方に反射した基本波の光ビームＬＢとダイクロイックミラー７５で垂直下方に反射しダイクロイックミラー７２を透過した第２高調波の光ビームＳＨＧとは実質的に同一の光軸上で重畳し、重畳したまま集束レンズ７８により各々集束される。なお、焦点調整のために光ファイバ６４，７０の出射端面とコリメートレンズ７４，７６との距離間隔を可変調整できるように構成することもできる。

出射ユニット２０の上端部にはモニタ用のＣＣＤカメラ７７が取り付けられている。被溶接物の加工点Ｋ側から出射ユニット２０に入った可視光はダイクロイックミラー７２，７５を透過してＣＣＤカメラ７７の撮像素子に受光される。

この実施形態においては、上記のようにＹＡＧ基本波系の光ファイバ６４のコア径φ₁が第２高調波伝播用の光ファイバ７０のコア径φ₂よりも一回り（好ましくは１．３倍〜２倍）大きな値に選ばれており、出射ユニット２０内ではＹＡＧ基本波とＹＡＧ第２高調波との結像比が１：１に選ばれている。これにより、ＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢがＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧよりも一回り（１．３倍〜２倍）大きなビームスポットまたは照射径で被溶接物（Ｗ₁，Ｗ₂）の溶接ポイントＫに照射するようになっている。

なお、出射ユニット２０内におけるＹＡＧ第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧとＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢとの重畳方式に関して、通常はＬＢのパワーがＳＨＧのパワーよりも格段に大きいことから、図６のようにＬＢを上側にＳＨＧを下側にして両者を重畳するのが好ましい。しかし、それとは反対にＳＨＧを上側にＬＢを下側にして両者を重畳することも可能であり、出射ユニット２０内において第１および第２の光ファイバ６４，７０の出射端部の位置およびＣＣＤカメラ７７の位置を任意に選定することができる。

制御部１８は、レーザ電源部１４，１６を通じてＹＡＧ基本波パルスレーザ発振器１０およびＹＡＧ第２高調波パルスレーザ発振器１２のそれぞれのレーザ発振動作を制御し、特にレーザ電源部１４，１６に対してＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢおよびＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力波形をそれぞれ個別に規定する第１および第２の基準パルス波形信号を所定のタイミングで与える。

図７に、この実施形態におけるＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢおよびＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧの典型的なレーザ出力波形を示す。両パルスレーザ光ＬＢ，ＳＨＧのレーザ出力波形は、制御部１８より与えられる上記第１および第２の基準パルス波形にそれぞれ対応している。図示のように、立ち上がりで両パルスレーザ光ＬＢ，ＳＨＧの間に若干の時間差があること、つまりＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢよりもＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧの立ち上がりが若干早いことが特徴の一つである。

より詳細には、図８に示すように、ＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢのレーザ出力が設定ピーク値Ｐ_LBに達する時点ｔ_LMよりもＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力が設定ピーク値Ｐ_SHGに達する時点ｔ_SHGの方が若干（好ましくは０．０５ｍｓ〜０．３ｍｓ）先になることが重要である。その意味では、立ち上げ開始の前後関係は任意でよく、たとえば図９のようにＬＢの方がＳＨＧよりも先であっても構わない。

このようにＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力が一足先にピーク値Ｐ_SHGに達することにより溶接ポイントＫ付近でキーホール形成がスムースに開始（トリガ）され、直後にＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢのレーザ出力がピーク値Ｐ_LBに達することにより両パルスレーザ光の重畳または相乗効果でキーホールが内奥へと拡大成長し、図１０に模式的に示すように異なる溶接ポイントＫ₁，Ｋ₂，Ｋ₃・・で再現性のよい一定の深い溶け込みまたは溶接ナゲットＮ₁，Ｎ₂，Ｎ₃・・が得られる。実際、本実施形態においては、板厚０．３ｍｍ以上の銅板にて再現性の高い安定な溶接結果が確認されている。なお、銅や金はいったん溶けるとＹＡＧ基本波をよく吸収するため、ＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧの照射時間（パルス幅）はＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢの照射時間（パルス幅）より短くても構わない（溶接品質に影響ない）。

本実施形態に比して、両パルスレーザ光ＬＢ，ＳＨＧのピーク値到達時点ｔ_LM，ｔ_SHGの前後関係が逆であるときは、つまりｔ_SHGよりもｔ_LMが先であるときは、図１１に模式的に示すように溶接ナゲットＮ₁，Ｎ₂，Ｎ₃・・にバラツキが生じる。これは、ＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢのレーザ出力がピーク値Ｐ_LBに達した直後にＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力がピーク値Ｐ_SHGに達した場合は、ＹＡＧ第２高調波によるキーホール形成の開始がＹＡＧ基本波との重畳によって乱され、キーホールないし溶け込みの拡大成長が安定しないからである。

この実施形態における別の特徴は、図７に示すように、ＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢのレーザ出力の立下りがダウンスロープ波形に制御される点である。このダウンスロープ制御により溶接ナゲットＮ₁，Ｎ₂，Ｎ₃・・の外観の荒れ、特に中心部のハンピング（こぶ）を効果的に防止することができる。

すなわち、レーザビームＬＢの照射中は、図１２に示すように、溶接ポイント付近に形成されるキーホール（穴）内に金属蒸気Ｊが発生するとともにキーホールの周囲で金属が溶融し、キーホール壁面でレーザビームの吸収と反射が繰り返される。そして、レーザビームＬＢの照射が止むと、溶融物が穴の中に流れ込んで凝固する。その際、レーザビームＬＢの照射を急激に止めると、溶融物が中心部に勢いよく集まってそのまま凝固するため、図１３に模式的に示すようにナゲットＮの表面の中心部にこぶ状のハンピングＨＰが形成されやすい。

この実施形態のようなダウンスロープ制御によれば、レーザビームＬＢの照射エネルギーを漸次的に減少させるため、キーホール内で溶融物が緩やかに広がり、図１４に模式的に示すようにハンピングの無いナゲット表面（溶接外観）が得られる。本発明によるダウンスロープのスロープ角度θ_DSまたはスロープ時間Ｔ_DSは溶接仕様に応じて適宜設定されてよいが、通常の銅厚板溶接においてはスロープ時間Ｔ_DSをＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢのピーク値の持続時間Ｔ_Pに対して２０％〜５０％の範囲内に選ぶのが好ましい。

この実施形態では、上述したようにＹＡＧ基本波伝播用の光ファイバ６４のコア径φ₁を第２高調波伝播用の光ファイバ７０のコア径φ₂よりも一回り（好ましくは１．３倍〜２倍）大きな値に選ぶことも特徴の一つとなっている。すなわち、ＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧの照射径よりもＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢの照射径を一回り大きくすることで、ナゲット口径に対するキーホール口径の比率を小さくして、キーホール周囲の溶融部を安定化させ、図１５に模式的に示すように凝固後のナゲット（特にエッジ部）を滑らかな表面にすることができる。

本実施形態に比して、両光ファイバ６４，７０のコア径φ₁，φ₂を同じ大きさのものとし、図１６に示すように両パルスレーザ光ＬＢ，ＳＨＧの照射径を同じにした場合は、ナゲット口径に対するキーホール口径の比率が大きいために、金属蒸発部の影響を強くうけて周囲の溶融部が不安定になり、図１７に模式的に示すように凝固後のナゲット表面（特にエッジ部）が荒れやすくなり、特にエッジ部にハンピングＨＰが発生しやすくなる。

以上、好適な実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでは決してなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。たとえば、上記した実施形態では、ＹＡＧ基本波パルスレーザ光ＬＢおよびＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力波形をそれぞれ規定する第１および第２の基準パルス波形信号を制御部１８で生成してレーザ電源部１４，１６に与えるようにした。しかし、制御部１８はタイミング信号または起動信号だけを発生し、各レーザ電源部１４，１６内で各基準パルス波形信号を生成する構成とすることも可能である。

また、上記実施形態ではＹＡＧ高調波として第２高調波（５３２ｎｍ）を用いたが、第３高調波（３５５ｎｍ）あるいは第４高調波（２６６ｎｍ）等も使用可能である。また、ＹＡＧ高調波を生成するための固体レーザ媒体または活性媒質２４，４０として、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶以外に、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶、Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶等を使用することもできる。本発明のレーザ溶接法は、重ね継手、突合せ継手、すみ肉継手など種々の継手形態に適用可能である。

本発明の一実施形態による二波長重畳型レーザ溶接装置の構成を示す図である。 実施形態におけるＹＡＧ基本波パルスレーザ発振器の構成を示す図である。 実施形態におけるＹＡＧ第２高調波パルスレーザ発振器の構成例を示す図である。 実施形態における波長変換方法の基本原理を示す図である。 実施形態の波長変換方法を示す図である。 実施形態の出射ユニットにおける光学系の要部の構成を示す図である。 実施形態におけるＹＡＧ基本波パルスレーザ光およびＹＡＧ第２高調波パルスレーザ光の典型的なレーザ出力波形を示す波形図である。 実施形態におけるパルスレーザ光の立ち上がり部を拡大して示す波形図である。 実施形態におけるパルスレーザ光の立上がり部の一変形例を拡大して示す波形図である。 実施形態で得られる溶接ナゲットを模式的に示す平面図および断面図である。 比較例で得られる溶接ナゲットを模式的に示す平面図及び断面図である。 実施形態におけるレーザ溶接の基本原理を説明するための断面図である。 比較例で得られる溶接ナゲットを模式的に示す断面図である。 実施形態で得られる溶接ナゲットを模式的に示す断面図である。 実施形態で得られる溶接ナゲットの外観を模式的に示す平面図である。 比較例におけるレーザ溶接法の作用を説明するための断面図である。 比較例で得られる溶接ナゲットの外観を模式的に示す平面図である。

符号の説明

１０ ＹＡＧ基本波パルスレーザ発振器
１２ ＹＡＧ第２高調波パルスレーザ発振器
１４，１６ レーザ電源部
１８ 制御部
２０ 出射ユニット
２２ 光ファイバ伝送系
２４ 固体レーザ媒体
２６ 電気光学励起部
２８，３０ 光共振器ミラー
３２，５２ 光電変換素子
３４，５４ 測定回路
３６，３８ 全反射ミラー
４０ 活性媒質
４２ 波長変換結晶
４６ 高調波分離出力ミラー
７２，７５ ダイクロイックミラー
７４，７６ コリメートレンズ
７８ 集束レンズ

Claims (14)

1. 可変のパルス幅を有するＹＡＧ基本波のパルスレーザ光と可変のパルス幅を有するＹＡＧ高調波のパルスレーザ光とを重畳して被溶接部に照射し、前記被溶接部を両パルスレーザ光のエネルギーによって溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記ＹＡＧ基本波パルスレーザ光のレーザ出力がそのピーク値に達するよりも先に前記ＹＡＧ高調波のパルスレーザ光のレーザ出力がそのピーク値に達するような時間差をもたせて両パルスレーザ光を重畳するレーザ溶接方法。
2. 前記時間差が０．０５ｍｓ〜０．３ｍｓの範囲内に選ばれる請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記ＹＡＧ基本波パルスレーザ光の立下りをダウンスロープ波形に制御する請求項１または請求項２に記載のレーザ溶接方法。
4. 可変のパルス幅を有するＹＡＧ基本波のパルスレーザ光と可変のパルス幅を有するＹＡＧ高調波のパルスレーザ光とを重畳して被溶接部に照射し、前記被溶接部を両パルスレーザ光のエネルギーによって溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記ＹＡＧ基本波パルスレーザ光の立下りをダウンスロープ波形に制御するレーザ溶接方法。
5. 前記ＹＡＧ基本波パルスレーザ光の立下がり時間は、前記ＹＡＧ基本波パルスレーザ光のピーク値の持続時間に対して２０％〜５０％の範囲内に選ばれる請求項３または請求項４に記載のレーザ溶接方法。
6. 前記ＹＡＧ基本波パルスレーザ光と前記ＹＡＧ高調波パルスレーザ光とをそれぞれ第１および第２の光ファイバに通してレーザ出射ユニットまで伝送し、前記レーザ出射ユニット内で前記第１および第２の光ファイバの終端面よりそれぞれ出射された前記ＹＡＧ基本波パルスレーザ光と前記ＹＡＧ高調波パルスレーザ光とを同軸上で重畳する請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ溶接方法。
7. 前記第１の光ファイバのコア径が前記第２の光ファイバのコア径よりも大きい請求項６に記載のレーザ溶接方法。
8. 前記第１の光ファイバのコア径が前記第２の光ファイバのコア径の１．３倍〜２倍に選ばれる請求項７に記載のレーザ溶接方法。
9. 前記被溶接物がＣｕ系またはＡｕ系の金属である請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ溶接方法。
10. パルス幅可変でＹＡＧ基本波のパルスレーザ光を生成する第１のレーザ発振部と、
    パルス幅可変でＹＡＧ高調波のパルスレーザ光を生成する第２のレーザ発振部と、
    前記ＹＡＧ基本波のパルスレーザ光とＹＡＧ高調波のパルスレーザ光とを重畳して所望の被溶接部に照射する出射ユニットと、
    前記ＹＡＧ基本波パルスレーザ光のレーザ出力がそのピーク値に達するよりも先に前記ＹＡＧ高調波のパルスレーザ光のレーザ出力がそのピーク値に達するように前記第１および第２のレーザ発振部間のレーザ発振動作を制御するタイミング制御部と
    を有するレーザ溶接装置。
11. 前記ＹＡＧ基本波パルスレーザ光の立下りをダウンスロープ波形に制御する波形制御部を有する請求項１０に記載のレーザ溶接装置。
12. 前記第１のレーザ発振部から前記レーザ出射ユニットまで前記ＹＡＧ基本波パルスレーザ光を伝送する第１の光ファイバと、
    前記第２のレーザ発振部から前記レーザ出射ユニットまで前記ＹＡＧ高調波パルスレーザ光を伝送する第２の光ファイバと
    を有する請求項１０または請求項１１に記載のレーザ溶接装置。
13. 前記第１の光ファイバのコア径が前記第２の光ファイバのコア径よりも大きい請求項１２に記載のレーザ溶接装置。
14. 前記第１の光ファイバのコア径が前記第２の光ファイバのコア径の１．３倍〜２倍に選ばれる請求項１３に記載のレーザ溶接装置。
    
    
    
    

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