JP2013528496A - パルスレーザによる機械加工方法とパルスレーザによる機械加工装置、特にパワーの変動によるレーザー溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高反射率の金属をレーザー加工する方法を提供する。
【解決手段】 本発明のレーザ加工方法は、（Ａ）レーザソースにより、一連のレーザーパルスから構成される７００−１２００ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームを生成するステップと、（Ｂ）非線形結晶材料の手段により前記レーザビームの一部の周波数を倍増するステップと、（Ｃ）レーザパルスを放出する放出期間の間、放出されるレーザーパワーを変化させるステップとを有する。前記レーザーパルスの放出期間の初期期間（Ｔ１）において、初期波長のパワー・プロファイルは、最大ピークパワー或いは最大パワーのパルスの一部を有し、前記初期期間（Ｔ１）の後でそれよりも長い中期期間（Ｔ２）に於いて、前記最大パワーよりも低いパワーが与えられ、前記最大パワーは、前記レーザーパルスの放出期間を通したパワーの平均値の２倍以上の値を有し、前記レーザパルスの開始時から前記最大パワーに至るまでの増加時間は、０．３ｍｓ以下である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レーザ溶接に関し、特に高反射材料（銅、金、銀、アルミ又はそれ等の合金）のレーザ溶接に関する。特に本発明は、レーザ溶接する方法とこの方法を実行する装置に関する。この装置に於いては、コヒーレントの光源が波長７００−１２００ｎｍのレーザビームを生成する。この光源の一例は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー又はファイバーレーザーである。非線形結晶材料が、レーザビームの初期周波数を部分的に２倍にして、加工効率を上げる。

レーザ溶接装置は特許文献１で公知である。特許文献１は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーと共鳴キャビティ内に配置された非線形結晶材料（例、リチゥム・ニオバイト：ＬｉＮｂＯ３又はＫＴＰ）を有する。Ｎｄ：ＹＡＧレーザーは、フラッシュランプを用いて光学的にポンピングされ、１０６４ｎｍの波長のコヒーレント光を生成する。この非線形結晶材料が、レーザー装置により生成された光の周波数を部分的に２倍（即ち波長を半分）にする。共鳴キャビティの出力点には、２つの波長（即ち１０６４ｎｍ（赤外線）と５３２ｎｍ（緑光））からなるレーザビームが生成される。特許文献１は、２Ｆ（倍増）周波数コンバータにより生成された３５０−６００ｎｍの波長の光を３％以上を有するパルス状のレーザビームを生成する。好ましくは、このレーザーパルスは、倍増周波数光（dual ffrequency light）から少なくとも３０ＭＪのエネルギーを有する。パルスの持続時間は、０．５ｍｓ−５．０ｍｓの間である。

特許文献１は、レーザ溶接装置の３つの実施例を開示する。
第１実施例（図１）は、非線形結晶材料の損傷を回避するために、比較的低い瞬時パワーを有するレーザビームを生成し、キャビティ内に配置された結晶材料で５％−１５％の緑光を得る。緑光の割合を増加させるために、赤外線光の部分を阻止／濾過する赤外線光リフレクタが具備される。
第２実施例に於いては、緑光を反射しないミラーがキャビティの出力点に配置され、レーザーパルス内の緑光の量を増やしている。赤外線光と緑光の間の比率は一定となる。
第３実施例に於いては、レーザビームのこれ等２種類の光の比率を調整する為に、２種類の周波数の光放射を分離して、その後別々にフィルターで減衰させている。これにより２種類の放射の間の比率を変化させ、材料上に入射するレーザーパワーを減らし、所定の伝送パワーを得ている。しかしこのレーザーシステムの効率は下がってしまう。更にこの方法では、緑光と赤外線光との間の比率は、減衰器フィルターを変化させることが必要な２つの溶接作業の間で、変化させることが出来る。

米国特許第５０８３００７号明細書

特許文献１に開示された全ての実施例に於いては、レーザーパルスは、フラッシュランプをＯＮ−ＯＦＦに切り替えることにより生成している。この特許文献１の図２に示すように、その結果ポンピング手段がＯＮに切り替えられると、パルスが生成され、そのパワー（プロファイル）は、最大レベルまで指数関数的に増加し、その最大レベルは、ポンピング手段が活性状態の間（即ちパルスの全期間）を通して、維持される。その期間はパルスの周期に関連する。その後パワーは、ポンピング手段がＯＦＦに切り替えられると指数関数的に低下する。その為、各パルスの間のパワー・プルファイルを制御する術がない。パワーは両端を除いて最大に維持される。この両端に於いては、パワー・プロファイルは、レーザソースとポンピング手段の物理的特性にのみ依存する。従って緑光と赤外線光の間の比率は、各パルスの間ほぼ一定である。これは反射率の高い材料にとっては問題である。実際に２Ｆ（倍増周波数）の結晶材料の変換比率は、入射レーザビームの強度と共に増加する。

特許文献１で提案されたレーザビームは、ローレベル（オフ）とハイレベル（オン）の間で光学ポンピング・パワーを切り替えることにより、レーザーパルスを提供している。この種のレーザーにより生成されたパルス内で緑光のパワーを増やすためには、ポンピング手段のパワーも増加しなければならない。パルス内の緑光の量と比率を増やすと、赤外線光の量も増えることになり、１パルス当たりの全体エネルギー量も増えることになる。これにより、溶接の質の問題が起こる。それは、材料内に緑光が初期に入る量が多くなると、溶接された材料の局部的温度が大幅に増加し、赤外線のエネルギーも十分吸収されることになる。その結果、これは過剰なエネルギーの吸収と、二次的な熱の影響による損傷が起こるようになる。この問題は、例えばプラズマの形成と、プラズマによる溶融材料の被溶接材料の表面外への放出である。逆に、パルス・レーザーのパワーを減らして１パルス当たり吸収される赤外線光の量を減らすと、供給される緑光エネルギーの量も比率も減少し、溶接効率も下がることになる。更に所定の溶接の再現性は、被溶接材料の表面状態に大きく依存する。その為、溶接の質を制御することは複雑且つ困難なこととなる。

図１は、４種類の反射率の高い金属（銅、金、銀、アルミ）への入射レーザー光の波長と周囲温度の間の光吸収率を表す。非常に低い光吸収率が１０６４ｎｍの波長で観測された。この波長の光は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーにより生成されたものであり、特にＣｕ，Ａｕ，Ａｇで顕著である。逆に２倍の周波数即ち５３２ｎｍの波長に於いては、吸収率は、ＣｕとＡｇに対して、周囲温度（Ｔ＝３００Ｋ）で２０％にも達する。この吸収率は、温度が上昇すると４０％まで上がる。これは上記の従来技術で提案された混合光ビームが、溶接の効率を上げるることを説明している。ここに示した吸収率は、汎用的なもので、金属の表面状態のような他のパラメータにも依存する。赤外線光に対し図１に示した状態は、金属の表面温度が上がると大幅に変わる。

図２に示すように、温度が融点（Ｃｕでは図２に示す温度Ｔｍ）に達すると、吸収率は、一機にジャンプする。Ｎｄ−ＹＡＧ（１μｍ）レーザーからの赤外線光に対しては、周囲温度（Ｔ＝３００Ｋ）で５％以下の吸収率から、溶融温度Ｔｍ近傍では１０％まで上昇する。吸収率は、溶融温度に於いては１５％以上になり、溶融した金属の温度が上昇するにつれて、更に増加する。この観測結果は、従来技術で観測された問題を良く説明している。初期の溶融状態において、金属へより多くのエネルギーを与えるようにレーザー装置のパワーを増加させると、従来技術では、パルスの持続時間の間赤外線光のパワーが増加するが、しかも金属の表面温度が増加すると吸収量も更に増え、しかも突然に増える。初期においては、溶接効率が増加するが、最終的に吸収される全体エネルギー量は大きくなりすぎて、溶接の質に対する二次的な悪影響を引き起こす。特に溶接後の表面状態に悪影響を引き起こす。

本発明の目的は、上記の従来技術の問題点を解決することである。本発明のレーザー装置は、制御手段を具備し、これにより、各レーザーパルスの継続時間の間、所定のパワー・プルファイルを具備したレーザパルスを形成する。このパワー・プロファイルは、パルスの持続時間を３つの期間（初期、中期、終期）に分けて制御される。
初期では、最大パワーピークを有するか或いは最大パワーを一部に有するパルスが与えられる。特に初期の間隔は、２ｍｓ以下好ましくは１ｍｓ以下である。
中期（初期よりも長い期間）では、前記の最大パワーよりも小さなパワーが与えられる。この最大パワーの値はレーザパルスの持続時間の平均パワーの２倍以上である。更にレーザパルスの開始点から最大パワーまで上昇するのに必要な時間は、３００μｓ以下好ましくは１００μｓ以下である。
終期では、レーザパルスのパワーは急速に減少し、好ましくは溶接の冷却を最適にするよう制御しながら急速に減少する。

本発明は請求項１に記載したレーザー加工方法である。この本発明の更なる特徴は請求項１の従属請求項に記載されている。更に本発明は請求項１３に記載したレーザー加工装置である。本発明の更なるレーザー加工装置とその特徴は、請求項１３の従属請求項に記載されている。

本発明は、各レーザパルスの間放出される光パワーを制御し、パルスの初期に於いては高いパワーのパワー・プロファイルを形成し、この初期以降はパワーを減らす。初期の間、大量の倍周波数光が得られ、その後、レーザソースの初期周波数における光の吸収が、機械加工された材料の表面温度の増加に伴い増加し、放出される光パワーは、吸収さるエネルギー量を制限すべく、大幅に減少し、好ましくは、レーザパルスの中間期の間、吸収された光パワーを一時的に制御する。

初期の各レーザパルスのパワー・プロファイルの制御は、倍増周波数光の生成を最適化するよう行われる。倍増周波数光（緑光）は初期周波長光（赤外線）よりも吸収率が高い。初期に於いては、溶接される材料の温度は溶融温度よりも低い。かくして、最大パワーは、倍増周波数光のパワーを得るために急激に増加させる。これは溶接される材料を急速に加熱するのに十分なものである。本発明によれば、最大パワーまでの上昇時間は０．３ｍｓ以下好ましくは０．１ｍｓ以下である。

初期ピークの最大パワーは、倍増周波数光のエネルギーを被溶接材料に最適に加えるのに十分なものでなければならないが、高すぎてもいけない。それは、好ましい変換率で、倍増周波数光（緑光）の量が多すぎたり過剰になり過ぎたりするからである。逆に次の中期では、材料に伝えられるエネルギーは、溶接を行う初期周波長光（赤外線）で制御される。この期間に於いては、パワーは減少し、倍増周波数光に変換されるパワーは二次的であり、あまり重要な役割を演じない。初期のパワーピークは、初期の倍増周波数光のパルスを生成し、その後初期周波長パルスが続く。
各生成されたレーザパルスには、２つのパルスの組み合わせがある。第１パルスの周波数は第２のパルスの周波数の２倍である。これら２つのパルスは、溶接プロセスの間の被溶接材料の温度変化と被溶接材料の熱吸収に適合する。その為、初期のピークは、初期の倍増周波数光のパルスを得るのに用いられ、そのパワーは被溶接材料の温度を急激に上げる。前記初期のパワーピークは、本発明によれば、パルスの平均よりも２倍以上高い。その理由は、非線形結晶材料の変換比率が１００％よりも遙かに低く、非線形結晶材料が受光する光強度に依存するからである。

ハイパワーの期間を初期に限定することにより、初期のパワーは中期のパワーとは異なる形態で制御される。初期（倍増周波数光は大部分吸収される）のパワーは、中期（実際の溶接が行われ初期の波長の光が十分吸収させる）とは異なるよう制御される。かくして、高いパワーが初期の間与えられ、非線形結晶材料の変換率が向上する。この変換率は入射光の強度に比例して増加して、その結果、倍増周波数光のパワーは、初期のパワーの二乗に比例する。
斯して、初期に倍増周波数光の最大パワーを得るためには、初期に高い光パワーを提供するのが好ましい。初期に放出された光パワーは、後続の期間放出される光パワーを規定しないために、機械加工（例、レーザー溶接）の品質に何ら問題を生じさせない。斯して、高いパワーのピークが初期に与えられる。これにより、機械加工された材料の表面の急速なあるいは効率的な加工が開始される。
これは又別の利点がある。ある比率の倍増周波数光を得るために、レーザー・キャビティ内に非線形結晶材料を組み込むことは必ずしも必要ではない点である。斯して、従来のレーザー装置を用い、そのレーザー装置に非線形結晶材料をこの従来のレーザー装置のレーザビームの光軸上に組み込むような熱調整ユニットを配置することができる。

周囲温度（Ｔ＝３００Ｋ）における様々な金属に対する波長（λｍ）と光吸収率（Ａ％）の関係を表すグラフ。 温度（ＴｓＫ）と銅（Ｃｕ）の光吸収率（Ａ％）の関係を表す図。 非線形結晶材料を通過した後の２つの波長の成分と本発明のレーザパルスのパワー・プルファイルの関係を表す図。 本発明のレーザー加工方法を実行した材料の実施例を表す図。 本発明のレーザー加工装置の第１実施例を表す図。 本発明のレーザー加工装置の第２実施例を表す図。

本発明のレーザ加工方法は、
（Ａ） レーザソース（３０、８０，８２）により、一連のレーザーパルス（１０）から構成される７００−１２００ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームを生成するステップと、
（Ｂ） 非線形結晶材料の手段により前記レーザビームの一部（１２）の周波数を倍増するステップと、
（Ｃ） レーザパルスを放出する放出期間の間、放出されるレーザーパワーを変化させるステップと
を有する。
前記レーザーパルスの放出期間の初期期間（Ｔ１）において、初期波長のパワー・プロファイルは、最大ピークパワー或いは最大パワーのパルスの一部を有し、
前記初期期間（Ｔ１）の後でそれよりも長い中期期間（Ｔ２）に於いて、前記最大パワーよりも低いパワーが与えられる。

前記最大パワーは、前記レーザーパルスの放出期間を通したパワーの平均値の２倍以上の値を有し、前記レーザパルスの開始時から前記最大パワーに至るまで時間は、０．３ｍｓ以下である。

図３は、本発明のレーザパルスのパワー・プルファイルを正規化した関係（最大値を１にする）を表す図である。この図３に於いて、カーブ１０は、パルスの放出期間の間放出された全レーザー・パワーを表す。非線形結晶材料を通過した後、レーザソースからの初期周波数光の一部は倍増周波数光に変換される。倍増周波数光のパワーはカーブ１２で表される。残りの初期周波数光のパワーはカーブ１４で与えられる。ハッチング部分１６は、周波数が２倍になったレーザー光の部分を表す。倍増周波数光のパワーは、初期周波数光パワーの２乗に比例する。初期周波数光パワーを「１」で正規化すると、０．３（３０％）の倍増周波数光が得られる。初期パワーが１／２に即ち０．５（５０％）になると、倍増周波数光のパワーは１／４に０．０７５（７．５％）に減る。３０％の変換率は、標準の工業用フラッシュ・ランプまたはダイオードでポンピングされたレーザーで、１０ｋＷ以下のピークパワーを有し数ミリ秒のポンピング・パルス用では、最大となる。この種のレーザーは、共振器の外部に配置される倍増周波数ユニットに取り付けられる（図５、６で説明する）。ファイバーレーザーではより高い変換率を得ることができる。このファイバーレーザーは、極めて高い品質のレーザービーム（１．０に近いＭ^２）を与えることができる。

初期に於いては、レーザソースは最大パワーに早く到達するよう制御される。その結果、最適な倍増周波数光が短い時間に得られる。一般的に最大パワーまで増加する期間は０．３ｍｓ以下である。好ましい変形例に於いては、パワーはレーザパルスのスタート時にできるだけ早く増加させて、できるだけ早く倍増周波数光の最大量を得る。最大パワーまで増加する期間は、０．１ｍｓ以下である。更に変形例に於いては、この期間は、０．０５ｍｓ以下である。

レーザーパルスは、終期（Ｔ３）で終了する。この終期（Ｔ３）では、レーザパルスのパワーは、好ましくはゼロに向けて、溶接の冷却に影響を及ぼすよう減らし、金属組織を最適化する。

本発明のパワー・プロファイルのレーザパルスにより得られた物理的メカニズムを正しく理解する為に、図３を参照して説明する。同図は、赤外線光（１０６ｎｍまたは１０７０ｎｍの波長）で、銅製部品をレーザー溶接する場合である。パワーが最大の初期（Ｔ１）に於いては、赤外線光の２０％が、緑光（５３２ｎｍまたは５３５ｎｍ）に変換されるとする。その為赤外線光の８０％は金属表面に留まる（当たる）。そして緑光の２０−４０％のエネルギーが吸収され、赤外線光の５−１０％のエネルギーのみが吸収される。その為、金属に緑光が吸収されるのは、全エネルギーの４−８％であり、これは金属に加えられる緑光の割合でもある。
斯して、初期期間Ｔ１に於いては、緑光は、赤外線光と同程度に金属を溶融する。他方で非線形結晶材料の変換効率は僅か２０％である。初期期間Ｔ１のスタート時には、被溶接金属の温度はエネルギー供給によっては十分には上がっていないが、金属に吸収される初期周波数の光のエネルギーの量は、倍増周波数光（その後溶接で収容な役目を演じる）のそれよりもはるかに低い。金属の温度が十分上がると、２つの結合されたエネルギーの間の比率が変わり、吸収される赤外線光のエネルギーの量が支配的となる。吸収された赤外線光のエネルギーの量が急激に上がると、光パワーは減少する。この期間が、本発明のレーザパルスの中期期間Ｔ２となる。

本発明では、レーザパルスは、フラッシュランプでポンピングしたレーザー又はダイオードでポンピングしたレーザーで得られる。その動作モードは、第１変形例では変調したＣＷモードで、第２変形例ではＱＣＷモードで行われる。例えばレーザーが、固体Ｎｄ：ＹＡＧレーザーあるいはこれに類似のレーザーの場合には、ポンピング手段は第１変形例ではフラッシュ・ランプで、別の変形例ではダイオードである。一実施例に於いては、ダイオードでポンピングされたファイバレーザーが用いられる。このファイバレーザーは、良好な品質のビームを与え、これは十分よく集光し、非線形結晶材料の変換効率を上げることができる。初期期間Ｔ１に於いて、最大パワーは５０Ｗと２０ｋＷの間で変動する。これは、特に機械加工された材料の表面上のレーザー・スポットの直径に依存する。

レーザパルスの期間は、限定はないが、一般的には０．１ｍｓ−１００ｍｓの間である。一変形例に於いては、特に溶接のアプリケーションに於いては、初期期間Ｔ１は２ｍｓ以下である。中期期間Ｔ２は、１ｍｓ−５ｍｓの間である。但し本発明では、中期期間Ｔ２は初期期間Ｔ１よりも大きい。

本発明の方法によれば、レーザパルスの時間プロファイルの最大パワーの値は、レーザパルスの持続時間を通しての平均パワーよりも２倍以上高い。一変形例に於いては、最大パワーは、２００Ｗ以上である。後者の場合、レーザソースは、ＱＣＷモード、フラッシュランプモード、ダイオード・パルスモードで動作する。変調したＣＷモードに於いては、初期期間Ｔ１に於いては、最大パワーは最大ＣＷパワーに一致し、ＣＷパワーはその後中期期間Ｔ２で減少する。

本発明の方法は、特に金属、硬い材料例えばセラミックス、ＣＢＮ、ＰＫＤを、連続溶接、スポット溶接、切断、エッチング等を行う応用例に採用できる。

特定のモードに於いて、レーザビームを集光する手段が具備され、全部の色の光を集光できるか否かを問わず、初期波長光のスポットよりも小さな直径のスポット（焦点で）を有する倍増周波数光を得ることができる。斯して、この実施例においては、倍増周波数光の分散は、初期周波数光のそれとは（例えば２倍）異なる。
図４Ａに示すように、機械加工される材料への入射ビームにより、光スポット２２が形成される。光スポット２２の中央領域２０には２種類の混合光放射（初期周波数光と倍増周波数光）が集まり、環状領域２４には初期周波数光のみが集まる。光スポット２２は、中央領域２０を規定する倍増周波数光の光スポットよりも大きな直径を有する。この特徴により、レーザーの初期におけるエネルギーの吸収は、中央領域２０でもっぱら起こり、機械加工が効率的に行われる。それは、倍増周波数光はこの中央領域２０に集まり、その強度は倍増周波数光が光スポット２２の全てをカバーする場合よりもはるかに大きいからである。この実施例は金属を溶接する応用に向いている。

以下の本発明の方法は、高い反射率の材料の溶接に適したもので、特に溶接すべき金属は、銅、金、銀、アルミあるいはそれ等の合金である。

図４を参照して、本発明を溶接に応用した一実施例を説明する。倍増周波数光は中央領域２０に集中する。この倍増周波数光は金属により比較的良く吸収されるために、ある量のエネルギーが、中央領域２０の金属に注入され、その局部の温度を溶融温度まで上昇させる。斯して、最大パワーの初期周波数光と組み合わされた倍増周波数光の強度は、溶接中の材料の溶融しきい値よりも高くなる。金属の溶融は光強度に依存する。即ち光パワーの密度と光強度の持続時間に依存する。斯して、固定レーザー（Ｎｄ：ＹＡＧ）又はファイバレーザー（ドープしたＹｂ）の場合、倍増周波数光（緑光）の中心に集中したパワーにより、低いパワーのレーザーでも融点のしきい値に達することが出来る。これは、赤外線光の周波数が、２倍（即ちこの実施例では２つの所定のレーザー）になったためだけではなく、緑光（倍増周波数光）は、赤外線光（初期周波数光）で得られた光スポットの１／４程度の小さな光スポットに集めることができるからである。かくして４倍の光強度が得られる。

図１に示す高い反射率の金属による光の吸収特性に基づくと、光のエネルギーは最初は中央領域２０で吸収される。中央領域２０で金属は或る時間経過後溶融し始める（図４Ａに示すハッチング領域）。このエネルギーは周囲領域に急速に拡散する。例えば銅の場合、熱の拡散は、１ｍｓ当たり０．３ｍｍで拡散する。これは図４Ａの矢印で表される。その為、温度は環状領域２４で上昇し、最終的に初期周波数光（即ち、赤外線）は、光スポット２２全体に亘って大量に吸収される。これにより光スポット２２で規定される表面領域で金属が溶融しはじめる（図４Ｂに示す）。その為、溶融は、溶接すべき金属の表面上にレーザービームが入射する中央領域から開始される。レーザパルスの持続時間と中期期間Ｔ２における赤外線光の光強度に依存して、金属が溶融する最終領域は、光スポット２２よりも広く又は狭くなったりするが、これは金属が良好な熱伝導体だからである。

レーザーのパワーは、溶接を最適化するために、中期期間Ｔ２で制御される。特に光強度は、溶接領域の溶けた材料の温度を一定に維持するよう、制御される。少なくとも中期期間Ｔ２の最初の方では制御される。中期期間Ｔ２のパワー・プロファイルは、リアルタイムで、センサー或いは経験則（特に試行錯誤）に基づいて制御される。様々な制御方法は当業者に公知である。

一変形例に於いて、初期期間Ｔ１における倍増周波数光の強度は、溶接予定の焦点に於いて、０．１ＭＷ／ｃｍ^２以上である。好ましくは所定のレーザーに対する光パルスの最大パワーは、できるだけ高くするが、溶接のアプリケーションの場合には穿孔する（穴が開く）のを回避しなけらばならない。この変形例に於いては、初期期間Ｔ１における倍増周波数光の強度は、焦点において１．０ＭＷ／ｃｍ^２よりも高いパワー・ピークを有する。

所定の溶接に対するレーザー装置のパワーを最適化する変形例に於いては、初期波長光（赤外線光）におけるパワー・ピーク或いは最大パワーのあるパルスの部分における光強度は、被溶接金属の融点よりも低くなるよう、設定される。特に、初期波長の光強度は、焦点に於いて１０ＭＷ／ｃｍ^２以下である。

本発明のレーザー装置の２つの実施例を以下に説明する。図５に於いて、レーザ加工装置３０は、
初期波長が７００−１２００ｎｍのレーザビーム３４を生成するコヒーレント光源３２と、
前記レーザビームの周波数を部分的に２倍にする非線形結晶材料３６と、
前記レーザパルスを生成する前記レーザソースを制御する制御手段３８と
を有する。

前記制御手段３８は、前記レーザーパルスの放出期間の初期期間（Ｔ１）において、最大ピークパワー或いは最大パワーのパルスの一部を有するパワープロファイルのレーザーパルスを形成し、前記初期期間（Ｔ１）の後でそれよりも長い中期期間（Ｔ２）に於いて、前記最大パワーよりも低いパワーのパワープロファイルのレーザーパルスを形成する。
前記最大パワーは、前記レーザーパルスの放出期間を通したパワーの平均値の２倍以上の値を有し、前記レーザパルスの開始時から前記最大パワーに至るまでの増加時間は、０．３ｍｓ以下である。

コヒーレントな光ソース（レーザソース）は、活性材料４０から形成される。この活性材料４０はポンピング手段４２により光学的にポンピンがされる。第１変形例では、このポンピング手段４２は１個或いは複数個のフラッシュ・ランプで形成され、第２変形例では、活性材料４０は複数のダイオードで形成される。レーザソースは全反射性のミラー４４と半反射性の出口ミラー４６とで形成される共鳴キャビティを有する。この半反射性の出口ミラー４６は、所定の送信波長（Ｎｄ：ＹＡＧに対しては１０６４ｎｍ）において半反射性である。ポラライザー４８とダイアフラム５０が共鳴キャビティ内に配置される。

非線形結晶材料３６はレーザビーム３４の周波数を２倍にする。この非線形結晶材料３６は防塵ケース５２内に配置される。この防塵ケース５２は、（特にペルティエ・モジュール５４を用いて）温度調節が可能で、ポンプ５６の手段により防塵ケース５２内に真空が形成される。防塵ケース５２への入口点に光学焦点システム６０を配置して、非線形結晶材料３６に入る光強度を増加させる。その効率は入射光の強度に依存する。光学システム６２は、５３２ｎｍと１０６４ｎｍの波長の光に対し透明であり、レーザビーム６４をコリメートする。このレーザビーム６４は、初期周波数（１０６４ｎｍ波長）と倍増周波数（５３２ｎｍ波長）の２種類の放射光を混合する装置を有する。このレーザビーム６４を、その後光ファイバ７０内に光学焦点システム６６とコネクタ６８を介して導入する。光ファイバ７０は、レーザビーム６４を加工ヘッド７２へと導く。

制御手段３８はポンピング手段４２を制御する。制御手段３８はポンピング手段４２に電力を供給する電源に接続され、単一の機能ユニット或いは同一のモジュールを形成してもよい。この制御手段３８は制御ユニット７４に接続される。これにより、ユーザーは、調整可能なパラメーターの所定の値を入力して、コヒーレント光源３２により生成されるレーザパルスのパワー・プルファイルを規定して、本発明のレーザー加工方法を実行する。制御ユニット７４は、レーザー装置に組み込まれるか或いは外部装置例えばコンピュータとして構成してもよい。特に制御手段３８は、初期のレーザパルスを形成するよう配置され、その期間初期にパルスの最大パワーが発生させ、初期よりも長い中期期間と終期期間で放出されたパワーをゼロまでに減少させる。好ましい実施例の於いて、初期の持続時間は２ｍｓ以下である。この制御手段３８は、３００μｓ以下の短時間で、被溶接部材を最大温度まで増加させることができる。

第１実施例に於いて、コヒーレント光源３２は、ＱＣＷモード（特定のダイオード・ポンピング）で動作して、初期に比較的高いピークパワーを生成する。このピークパワーは、レーザーの平均パワーより遙かに高く、比較的長いパルスである。第２実施例に於いては、コヒーレント光源３２は、変調したＣＷモードでダイオード・ポンピングで動作する。第３実施例に於いては、レーザソースは、フラッシュ・ランプでポンピングされる。即ちパルス・モードで動作する。

特に溶接に応用した実施例によれば、レーザー機械加工装置は、非線形結晶材料３６の下流側に、レーザビームの光学集光要素を有し、焦点に於いて、初期波長光の光スポットライトの直径よりも小さな直径を有する倍増周波数光の光スポットを得る。

レーザ加工装置３０は、銅又は金のような高反射率の材料の溶接装置である。レーザ加工装置３０は、焦点に於いて、０．１ＭＷ／ｃｍ^２以上の光強度を有する倍増周波数光を得る。好ましくは、初期期間Ｔ１における倍増周波数光の強度のピークパワーは、焦点に於いて、１．０ＭＷ／ｃｍ^２以上である。レーザソースのパワーを制限するために、好ましい変形例は、初期波長における光強度は、１０ＭＷ／ｃｍ^２以下である。

図に示す他の実施例に於いては、非線形結晶材料が、レーザソースの共鳴キャビティ内に組み込まれる。しかしこの配列構成は好ましくない。その理由は、本発明に特有なレーザー装置を必要とするからであり、レーザー装置の後で共鳴キャビティの外部に非線形結晶材料を配置することにより、標準のレーザー装置を用いることが出来る。これは重要な経済的利点である。

図６において、コヒーレント光が、ダイオードにより光学的にポンピンがされるファイバレーザ８０により生成される。ファイバレーザ８０はＱＣＷモードで動作する。ファイバレーザ８０は、制御手段８２に接続されて、本発明により、レーザパルスを生成する。この制御手段８２が、特定のパワー・プロファイルを有するレーザパルスを形成する手段を構成する。制御ユニット８４にユーザー・インターフェイスが接続される。初期周波数のレーザパルスは、光ケーブル８８を介して処理ユニット８６に送られる。処理ユニット８６で、パルスから構成されるレーザービームを処理する。この制御手段８２は、直接加工ヘッド９８に組み込まれる。処理ユニット８６は、コリメータ９０を有し、倍増ユニット９２に組み込まれた非線形結晶材料に光ビームを集光する或いはコリメートする。この倍増ユニット９２は、初期周波数のレーザー光の一部の周波数を倍増させる。倍増ユニット９２は、倍増周波数光の変換の効率を最適化するための光学システムを含む。１０７０ｎｍの波長のレーザー光を放出するドープしたファイバレーザーの場合には、倍増周波数は緑光である。

一変形例において周波数倍増器の下流側に、センサー９４が配置される。このセンサー９４は、初期周波数光のパワーを測定する、或いは倍増周波数光のパワーを測定する。次に選択的事項として、ズーム装置９６が配置され、これによりレーザビームが加工ヘッド９８に入る前にレーザビームの横方向の断面を拡大する。この加工ヘッド９８は、センサー１００を具備し、レーザビームの当たる領域における被加工材料１０２の表面温度を測定する或いは前記表面で反射される光を測定する。センサー９４とセンサー１００は、制御手段８２に接続され、レーザパルスのパワー・プロファイルを、リアルタイムで行われた測定値の基づいて、変更する。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

Ｔ１ 初期期間
Ｔ２ 中期期間
３０ レーザ加工装置
３２ コヒーレント光源
３４ レーザビーム
３６ 非線形結晶材料
３８ 制御手段
４０ 活性材料
４２ ポンピング手段
４４ 全反射ミラー
４６ 出口ミラー
４８ ポラライザー
５０ ダイアフラム
５２ 防塵ケース
５４ ペルティエ・モジュール
５６ ポンプ
６０，６６ 光学焦点システム
６２ 光学システム
６４ レーザビーム
７０ 光ファイバ
７２ 加工ヘッド
７４ 制御ユニット
８０ ファイバレーザ
８２ 制御手段
８４ 制御ユニット
８６ 処理ユニット
８８ 光ケーブル
９０ コリメータ
９２ 倍増ユニット
９４ センサー
９６ ズーム装置
９８ 加工ヘッド
１００ センサー
１０２ 被加工材料

Claims (28)

1. レーザ加工方法に於いて、
   （Ａ） レーザソース（３０、８０，８２）により、一連のレーザーパルス（１０）から構成される７００−１２００ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームを生成するステップと、
   （Ｂ） 非線形結晶材料の手段により前記レーザビームの一部（１２）の周波数を倍増するステップと、
   （Ｃ） 前記レーザパルスを放出する放出期間の間、放出されるパワーを変化させるステップと
   を有し、
   前記（Ｃ）ステップにおいて、
   前記レーザーパルスの放出期間の初期期間（Ｔ１）において、初期波長のパワー・プロファイルは、最大ピークパワー或いは最大パワーのパルスの一部を有し、
   前記初期期間（Ｔ１）の後でそれよりも長い中期期間（Ｔ２）に於いて、前記最大パワーよりも低いパワーが与えられ、
   前記最大パワーは、前記レーザーパルスの放出期間を通したパワーの平均値の２倍以上の値を有し、
   前記レーザパルスの開始時から前記最大パワーに至るまでの増加時間は、０．３ｍｓ以下である
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記初期期間（Ｔ１）の持続時間は、２ｍｓ以下である
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 前記各レーザパルスのパワーの変動は、前記増加時間が０．０５ｍｓ以下となるよう行われる
   ことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工方法。
4. 前記最大パワーは、２００Ｗ以上であり、
   前記レーザソースは、ＱＣＷモードで動作する
   ことを特徴とする請求項１−３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
5. 前記レーザビームを集光する集光手段を更に具備し、
   前記集光手段により、焦点において、前記倍増周波数光の光スポット（２０）の直径は、前記初期波長の光の光スポット（２２）のそれよりも小さくなる
   ことを特徴とする請求項１−４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
6. 前記レーザ加工方法は、高い反射率の金属を溶接する方法である
   ことを特徴とする請求項１−５のいずれかに記載のレーザ加工方法。
7. 最大パワーの初期周波数の光と組み合わせた前記倍増周波数光の強度は、被溶接材料を融点以上に上げることができる
   ことを特徴とする請求項６記載のレーザ加工方法。
8. 前記倍増周波数光の強度は、焦点に於いて、０．１ＭＷ／ｃｍ^２以上である
   ことを特徴とする請求項７記載のレーザ加工方法。
9. 前記初期波長の光の強度は、被溶接材料を融点以上に上げることができない
   ことを特徴とする請求項７または８記載のレーザ加工方法。
10. 前記初期周波数の光の強度は、焦点に於いて、０．１ＭＷ／ｃｍ^２以下である
    ことを特徴とする請求項９記載のレーザ加工方法。
11. 前記被溶接材料は、銅、金、銀、アルミ又はそれ等の合金のいずれかである
    ことを特徴とする請求項６−１０のいずれかに記載のレーザ加工方法。
12. 前記レーザーパルスの放出期間は、前記中期期間（Ｔ２）の後に終期期間（Ｔ３）を有し、
    前記終期期間（Ｔ３）に於いては、前記レーザパルスのパワーは、形成された溶接を冷却するように、減少する
    ことを特徴とする請求項６−１１のいずれかに記載のレーザ加工方法。
13. レーザ加工装置に於いて、
    （Ａ）７００−１２００ｎｍの範囲の波長を有するレーザビーム（３４）を生成するコヒーレントな光源（３０；８０）と、
    （Ｂ）前記レーザビーム（３４）の周波数を部分的に倍増する非線形結晶材料（３６；９２）と、
    （Ｃ）レーザパルス（１０）を生成する為に、前記光源を制御する制御手段（３８；８２）と
    を有し、
    前記制御手段（３８；８２）は、
    前記レーザーパルスの放出期間の初期期間（Ｔ１）において、最大ピークパワー或いは最大パワーのパルスの一部を有するパワープロファイルのレーザーパルスを形成し、
    前記初期期間（Ｔ１）の後でそれよりも長い中期期間（Ｔ２）に於いて、前記最大パワーよりも低いパワーのパワープロファイルのレーザーパルスを形成し、
    前記最大パワーは、前記レーザーパルスの放出期間を通したパワーの平均値の２倍以上の値を有し、
    前記レーザパルスの開始時から前記最大パワーに至るまでの増加時間は、０．３ｍｓ以下である
    ことを特徴とするレーザ加工装置。
14. 前記コヒーレントな光源（３０；８０）は、ダイオードでポンプされ且つＱＣＷモードで動作する
    ことを特徴とする請求項１３記載のレーザ加工装置。
15. 前記コヒーレントな光源（３０；８０）は、ファイバレーザー（８０）で構成される
    ことを特徴とする請求項１３または１４記載のレーザ加工装置。
16. 前記初期期間（Ｔ１）の持続時間は、２ｍｓ以下である
    ことを特徴とする請求項１３−１５のいずれかに記載のレーザ加工装置。
17. 前記増加時間は、０．０５ｍｓ以下である
    ことを特徴とする請求項１３−１６のいずれかに記載のレーザ加工装置。
18. 前記レーザビームを集光する集光手段を更に具備し、
    前記集光手段により、焦点において、前記倍増周波数光の光スポット（２０）の直径は、前記初期波長の光の光スポット（２２）のそれよりも小さくなる
    ことを特徴とする請求項１３−１７のいずれかに記載のレーザ加工装置。
19. 前記レーザ加工装置は、高い反射率の金属を溶接する装置である
    ことを特徴とする請求項１３−１８のいずれかに記載のレーザ加工装置。
20. 前記倍増周波数光の強度は、焦点に於いて、０．１ＭＷ／ｃｍ^２以上である
    ことを特徴とする請求項１９記載のレーザ加工装置。
21. 前記初期周波数の光の強度は、焦点に於いて、０．１ＭＷ／ｃｍ^２以下である
    ことを特徴とする請求項１９−２０のいずれかに記載のレーザ加工装置。
22. 前記制御手段は、前記レーザーパルスの放出期間は、前記中期期間（Ｔ２）の後に終期期間（Ｔ３）を形成し、前記終期期間（Ｔ３）に於いて、前記レーザパルスのパワーは、形成された溶接を冷却するように減少するよう、制御する
    ことを特徴とする請求項１９−２１のいずれかに記載のレーザ加工装置。
23. センサー（９４）を更に有し、
    前記センサー（９４）は、倍増周波数光のパワーを測定し、
    前記センサー（９４）は、前記制御手段に接続され、リアルタイムで前記倍増周波数光のパワーの測定値に従って前記レーザパルスを変化させる
    ことを特徴とする請求項１３−２２のいずれかに記載のレーザ加工装置。
24. センサー（１００）を更に有し、
    前記センサー（１００）は、前記レーザービームで機械加工された材料の表面の温度を測定するか或いは前記機械加工された材料の表面により反射された光を測定し、
    前記センサー（１００）は、前記制御手段に接続され、リアルタイムで前記測定された温度或いは反射された光の測定値に従って前記レーザパルスを変化させる
    ことを特徴とする請求項１３−２３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
25. 前記制御手段は、前記増加時間が０．１ｍｓ以下となるよう、制御する
    ことを特徴とする請求項１３−２４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
26. 前記倍増周波数光の強度は、焦点に於いて、０．１ＭＷ／ｃｍ^２以上である
    ことを特徴とする請求項１９−２０のいずれかに記載のレーザ加工装置。
27. 前記（Ｃ）ステップにおいて、前記レーザーパルスののパワーを前記増加時間が０．１ｍｓ以下となるよう、制御する
    ことを特徴とする請求項１−１２のいずれかに記載のレーザ加工方法。
28. 前記倍増周波数光の強度は、焦点に於いて、０．１ＭＷ／ｃｍ^２以上である
    ことを特徴とする請求項７記載のレーザ加工方法。
    
    

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