JP2021194659A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出射するレーザ光の波長が５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であるレーザ光源を用いてアルミニウム製又はアルミニウム合金製の加工対象物を溶融させる又は溶接するレーザ加工方法において、スパッタの発生を低減すること。【解決手段】レーザ加工方法（Ｍ１０）は、波長が５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であるレーザ光を、三角波の形状に走査しながらアルミニウム製又はアルミニウム合金製の加工対象物に照射する照射工程（Ｓ１３）を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

レーザ加工に用いるレーザ光源の高出力化に伴い、高い反射率（換言すれば低い吸収率）を有するアルミニウム製又はアルミニウム合金製の対象物であっても、レーザ加工を用いて溶接可能になってきた。例えば、特許文献１には、炭酸ガスレーザをレーザ光源として採用し、炭酸ガスレーザが出射するレーザ光を振動させつつ、上記対象物とレーザ光照射位置とを相対的に移動させることによって上記対象物を溶接するレーザ溶接方法が記載されている。

炭酸ガスレーザが出射するレーザ光の波長は、１０．６μｍである。アルミニウム又はアルミニウム合金の吸収率は、鉄やニッケルなどの吸収率と比較して幅広い波長域において総じて低い。その中でも、１０μｍ以上の波長域は、アルミニウム又はアルミニウム合金の吸収率が特に低い波長域である。したがって、上記対象物の溶接に用いるレーザ光源として、炭酸ガスレーザは、適していない。

アルミニウムの吸収率の波長依存性、すなわち吸収スペクトルに鑑みれば、上記対象物を溶接する場合、溶接に用いるレーザ光の波長は、５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長域に含まれていることが好ましい。なぜなら、この波長域におけるアルミニウムの吸収率は、概ね２０％を上回っているからである。なお、出射するレーザ光の波長がこの波長域に含まれており、且つ、高出力なレーザ光源としては、例えば、ファイバレーザが挙げられる。

特開平７−９６３８３号公報

ところで、波長が５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長域に含まれるレーザ光を用いてアルミニウム製又はアルミニウム合金製の上記対象物を溶接する場合、そのファイバレーザが疑似シングルモード及びマルチモードの何れであるかに関わらずスパッタが生じやすい。これは、アルミニウム及びアルミニウム合金の低い吸収率に起因して、上記対象物にキーホールを生成するために比較的大きなエネルギーを必要とすることに加え、アルミニウムの溶融状態における粘度が、銅や鉄など他の金属の溶融状態における粘度と比較して、低いためだと考えられる。

本発明の一態様は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的は、出射するレーザ光の波長が５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であるレーザ光源を用いてアルミニウム製又はアルミニウム合金製の対象物を溶融させる又は溶接するレーザ加工方法及びレーザ加工装置において、スパッタの発生を低減することである。

上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様に係るレーザ加工方法は、出射するレーザ光の波長が５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であるレーザ光源を用いてアルミニウム製又はアルミニウム合金製の加工対象物を溶融させる又は溶接するレーザ加工方法であって、前記レーザ光を三角波の形状に走査しながら前記加工対象物に照射する照射工程を含む。

上記の構成によれば、第１の態様に係るレーザ加工方法は、レーザ光を直線状に走査しながら加工対象物に照射する場合と比較して、スパッタの発生を低減することができる。これは、レーザ光を三角波の形状に走査することにより、レーザ光の照射点の近傍を予熱することができ、更に、溶融しているアルミニウム又はアルミニウム合金を適度に攪拌することにより特定の場所が過剰に加熱されることを回避できるためと考えられる。

また、第１の態様に係るレーザ加工方法は、レーザ光を直線状に走査しながら加工対象物に照射する場合と比較して、溶け込みを深くした場合に生じやすいポロシティの発生を低減するという副次的な効果を奏する。

また、本発明の第２の態様に係るレーザ加工方法は、上述した第１の態様に係るレーザ加工方法の構成に加えて、前記レーザ光源の出射端におけるＭ^２は、１．０１以上１．７以下である、という構成が採用されている。

出射端におけるＭ^２が１．０１以上１．７以下であるレーザ光源は、シングルモード又は疑似シングルモードのレーザ光源に分類される。シングルモード又は疑似シングルモードのレーザ光源は、マルチモードのレーザ光源と比較して、レーザ光の照射位置におけるスポット径を容易に小さくすることができる。したがって、レーザ光を三角波の形状に走査することを前提としたレーザ加工に用いるレーザ光源として、シングルモード又は疑似シングルモードのレーザ光源は、マルチモードのレーザ光源よりも好適である。

また、本発明の第３の態様に係るレーザ加工方法は、上述した第１の態様又は第２の態様に係るレーザ加工方法の構成に加えて、前記レーザ光源は、Ｙｂが添加された増幅用ファイバを各々が含む１又は複数のファイバレーザユニット、または、Ｙｂが添加された増幅用ディスクを各々が含む１又は複数のディスクレーザユニットを備えている、という構成が採用されている。

レーザ光を三角波の形状に走査することを前提としたレーザ加工に用いるレーザ光源は、高出力であることに加えて連続発振可能なレーザ光源であることが好ましい。レーザ光源として連続発振可能なレーザ光源を採用することによって、パルス発振するレーザ光源（例えばＹＡＧレーザ）を採用する場合と比較して、溶接速度を高速化することができる。したがって、レーザ光を三角波の形状に走査することを前提としたレーザ加工に用いるレーザ光源としては、１又は複数のファイバレーザユニットやディスクレーザユニットなどのレーザユニットが好適である。

また、本発明の第４の態様に係るレーザ加工方法は、上述した第１の態様〜第３の態様の何れか一態様に係るレーザ加工方法の構成に加えて、前記レーザ光源の出力が３ｋＷである場合に、前記照射工程における前記三角波の周波数は、１ｋＨｚである、という構成が採用されている。

三角波の周波数が１ｋＨｚである場合、レーザ光を照射することによってポロシティを含まず、且つ、十分な深さまで溶け込んだ溶接ビートの生成が確認された。したがって、上記の構成によれば、レーザ光を照射することによってポロシティを含まず、且つ、十分な深さまで溶け込んだ溶接ビートを得ることができる。

上記の課題を解決するために、本発明の第５の態様に係るレーザ加工装置は、レーザ光源を用いてアルミニウム製又はアルミニウム合金製の加工対象物を溶融させる又は溶接するレーザ加工装置であって、波長が５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であるレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光を走査する走査部と、前記レーザ光の走査形状が三角波の形状になるように前記走査部を制御する制御部と、を備えている。

また、本発明の第６の態様に係るレーザ加工装置は、上述した第５の態様に係るレーザ加工装置の構成に加えて、前記レーザ光源の出射端におけるＭ^２は、１．０１以上１．７以下である、という構成が採用されている。

また、本発明の第７の態様に係るレーザ加工装置は、上述した第５の態様又は第６の態様に係るレーザ加工装置の構成に加えて、前記レーザ光源は、Ｙｂが添加された増幅用ファイバを各々が含む１又は複数のファイバレーザユニット、または、Ｙｂが添加された増幅用ディスクを各々が含む１又は複数のディスクレーザユニットを備えている、という構成が採用されている。

また、本発明の第８の態様に係るレーザ加工装置は、上述した第５の態様〜第８の態様の何れか一態様に係るレーザ加工装置の構成に加えて、前記レーザ光源の出力が３ｋＷである場合に、前記制御部は、前記三角波の周波数を１ｋＨｚに制御する、という構成が採用されている。

第５の態様〜第８の態様の各々に係るレーザ加工装置は、それぞれ、第１の態様〜第４の態様の各々に係るレーザ加工方法と同じ効果を奏する。

本発明の一態様によれば、出射するレーザ光の波長が５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であるレーザ光源を用いてアルミニウム製又はアルミニウム合金製の対象物を溶融させる又は溶接するレーザ加工方法及びレーザ加工装置において、スパッタの発生を低減できる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工方法のフローチャートである。 （ａ）は、レーザ光を対象物の表面において三角波の形状に走査した場合に得られる軌跡を示す平面図である。（ｂ）は、レーザ光を対象物の表面においてサイン波の形状に走査した場合に得られる軌跡を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の構成図である。 （ａ）は、図３に示したレーザ加工装置が備えている出力ヘッドの模式図である。（ｂ）は、（ａ）に示した出力ヘッドが備えているガルバノスキャナがレーザ光を走査する場合の、主走査における走査方向及び副走査における走査方向の一例を示す模式図である。（ｃ）は、（ａ）に示した加工対象物の変形例の斜視図である。（ｄ）は、（ａ）に示した出力ヘッドが備えているガルバノスキャナがレーザ光を走査する場合の、主走査における走査方向及び副走査における走査方向の別の一例を示す模式図である。 図３に示したレーザ加工装置の一変形例の構成図である。 （ａ）は、本発明の実施例により得られたシミュレーション結果を示す加工対象物の斜視図である。（ｂ）は、本発明の参考例により得られたシミュレーション結果を示す加工対象物の斜視図である。 （ａ）は、本発明の実施例により得られたシミュレーション結果を示す加工対象物の側面図である。（ｂ）は、本発明の参考例により得られたシミュレーション結果を示す加工対象物の側面図である。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工方法Ｍ１０について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、レーザ加工方法Ｍ１０のフローチャートである。図２の（ａ）は、レーザ光を加工対象物の表面において三角波の形状に走査した場合に得られる軌跡を示す平面図である。図２の（ｂ）は、レーザ光を加工対象物の表面においてサイン波の形状に走査した場合に得られる軌跡を示す平面図である。

レーザ加工方法Ｍ１０は、レーザ光源を用いてアルミニウム製又はアルミニウム合金製の加工対象物を溶融させる又は溶接するレーザ加工方法である。レーザ加工方法Ｍ１０において用いるレーザ光源は、波長λが５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であるレーザ光を出射する。このようなレーザ光源の例としては、図３に示すファイバレーザシステムＦＬＳ及び図５に示すファイバレーザ装置ＦＬＡが挙げられる。第２の実施形態において、ファイバレーザシステムＦＬＳ及びファイバレーザ装置ＦＬＡの各々は、波長λが１０７０ｎｍ近傍のレーザ光を出射する。

レーザ加工方法Ｍ１０は、図１に示すように、出力決定工程Ｓ１１と、走査条件決定工程Ｓ１２と、照射工程Ｓ１３と、を含む。

出力決定工程Ｓ１１は、レーザ光源の出力を決定する工程である。レーザ光源の出力は、レーザ加工方法Ｍ１０の実施者により、レーザ光源の定格出力の範囲内において適宜定められる。

なお、加工対象物を構成するアルミニウム又はアルミニウム合金は、高い反射率（換言すれば低い吸収率）を有することが知られている。そのため、アルミニウム製又はアルミニウム合金製の加工対象物を溶融させる又は溶接するために、レーザ光源は、高出力であることが好ましい。レーザ光源の出力の例としては、１ｋＷ以上１５ｋＷ以下が挙げられる。本実施形態では、出力決定工程Ｓ１１において、レーザ光源の出力を３ｋＷに決定する。

走査条件決定工程Ｓ１２は、後述する照射工程Ｓ１３においてレーザ光を三角波の形状に走査しながら加工対象物に照射するときの走査条件を決定する工程である。以下において、レーザ光を三角波の形状に走査することを三角走査と称する。三角走査は、主走査と副走査とを組み合わせることによって実現される。主走査は、加工対象物の溶融させたい形状又は溶接したい形状に沿ってレーザ光を走査することを意味する。主走査における走査方向は、加工対象物の溶融させたい形状又は溶接したい形状の接線方向と略一致する。副走査は、微小な領域内において、レーザ光を周期的に直線状に走査することを意味する。副走査における走査方向は、主走査における走査方向と略直交している。

走査条件決定工程Ｓ１２において決定される走査条件は、以下の通りである。なお、各走査条件は、レーザ加工方法Ｍ１０の実施者により、適宜定められる。
・主走査における走査形状（例えば、直線状や、楕円形状や、矩形状や、ジグザグ形状など）及び走査距離。
・主走査における走査速度（例えば、５００ｍｍ／秒）。
・副走査における走査幅（例えば、１０００μｍ）。
・副走査の周波数（例えば、１ｋＨｚ）。
・レーザ光の照射スポット径（例えば、９０μｍ）。

なお、副走査の周波数は、三角走査の周波数、すなわち、三角波の周波数と等しい。

本実施形態では、走査条件決定工程Ｓ１２において、主走査における走査形状を直線状と定め、走査距離を９ｍｍと定め、主走査における走査速度を５００ｍｍ／秒と定め、副走査における走査幅を１０００μｍと定め、副走査の周波数を１ｋＨｚと定め、レーザ光の照射スポット径を９０μｍと定める。このように走査条件を定めた場合、三角波の１周期に対応する長さ、すなわち、三角波の波長は、５００μｍとなる。図２の（ａ）には、レーザ光を加工対象物の表面において三角走査した場合に得られる軌跡を示す。また、参考のため、図２の（ｂ）には、レーザ光を加工対象物の表面においてサイン波の形状に走査した場合に得られる軌跡を示す。

照射工程Ｓ１３は、出力決定工程Ｓ１１において決定されたレーザ光源の出力、及び、走査条件決定工程Ｓ１２において決定された走査条件にしたがって、レーザ光を三角走査しながら加工対象物に照射する工程である。

このように構成されたレーザ加工方法Ｍ１０は、レーザ光を直線状に走査しながら加工対象物に照射する場合と比較して、スパッタの発生を低減することができる。これは、レーザ光を三角波の形状に走査することにより、レーザ光の照射点の近傍を予熱することができ、更に、溶融しているアルミニウム又はアルミニウム合金を適度に攪拌することにより特定の場所が過剰に加熱されることを回避できるためと考えられる。

また、レーザ加工方法Ｍ１０は、レーザ光を直線状に走査しながら加工対象物に照射する場合と比較して、溶け込みを深くした場合に生じやすいポロシティの発生を低減するという副次的な効果を奏する。

レーザ加工方法Ｍ１０において用いるレーザ光源は、その出射端におけるＭ^２が１．０１以上１．７以下であることが好ましい。

また、上記レーザ光源は、１又は複数のファイバレーザユニットであって、Ｙｂが添加された増幅用ファイバＡＦを各々が含む１又は複数のファイバレーザユニットを備えている、ことが好ましい。すなわち、上記レーザ光源の態様は、ファイバレーザであることが好ましい。あるいは、上記レーザ光源は、上記のファイバレーザユニットの代わりに、１又は複数のディスクレーザユニットであって、Ｙｂが添加された増幅用ディスクを各々が含む１又は複数のディスクレーザユニットを備えていることも好ましい。すなわち、上記レーザ光源の態様は、ディスクレーザであることも好ましい。

また、上記レーザ光源の出力が３ｋＷである場合に、照射工程Ｓ１３における副走査の周波数は、１ｋＨｚであることが好ましい。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置であるファイバレーザシステムＦＬＳについて、図３及び図４を参照して説明する。図３は、ファイバレーザシステムＦＬＳの構成図である。図４の（ａ）は、ファイバレーザシステムＦＬＳが備えている出力ヘッドＯＨの模式図である。図４の（ｂ）は、出力ヘッドＯＨが備えているガルバノスキャナＧＳがレーザ光を走査する場合の、主走査における走査方向及び副走査における走査方向の一例を示す模式図である。図４の（ｃ）は、図４の（ａ）に示した加工対象物Ｗの変形例である加工対象物ＷＡの斜視図である。図４の（ｄ）は、ガルバノスキャナＧＳがレーザ光を走査する場合の、主走査における走査方向及び副走査における走査方向の別の一例を示す模式図である。

ファイバレーザシステムＦＬＳは、レーザ光源の一例であり、レーザ加工方法Ｍ１０を実施するために好適である。

本発明の一実施形態において、レーザ光源は、波長λが５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であるレーザ光を出射する。本実施形態において、ファイバレーザシステムＦＬＳは、λ＝１０７０ｎｍであるレーザ光を出射する。

＜ファイバレーザシステムの構成＞
本発明の一実施形態に係るファイバレーザシステムＦＬＳについて、図３を参照して説明する。図３は、ファイバレーザシステムＦＬＳの概略図である。レーザ加工装置の一例であるファイバレーザシステムＦＬＳは、加工対象物Ｗを加工するためのレーザ装置である。加工の態様としては、例えば、アルミニウム製又はアルミニウム合金製の２つの部材の溶接が挙げられる。

ファイバレーザシステムＦＬＳは、図３に示すように、ｎ個のファイバレーザユニットＦＬＵ１〜ＦＬＵｎ、ｎ個のレーザデリバリファイバＬＤＦ１〜ＬＤＦｎ、出力コンバイナＯＣ、出力デリバリファイバＯＤＦ、出力ヘッドＯＨ、及び制御部Ｃを備えている。以下において、ｎ個のファイバレーザユニットＦＬＵ１〜ＦＬＵｎをまとめて、ファイバレーザユニット群ＦＬＵｓとも称する。ファイバレーザユニットＦＬＵ１〜ＦＬＵｎとレーザデリバリファイバＬＤＦ１〜ＬＤＦｎとは、互いに一対一に対応する。ここで、ｎは、１以上の任意の自然数であり、ファイバレーザユニットＦＬＵ１〜ＦＬＵｎ及びレーザデリバリファイバＬＤＦ１〜ＬＤＦｎの個数を表す。

なお、図３においては、ｎ＝７の場合のファイバレーザシステムＦＬＳの構成例を示している。また、合波部として機能する出力コンバイナＯＣは、ｎ個の入力ポートと１つの出力ポートを備えている。出力コンバイナＯＣは、各入力ポートに入力されたｎ個のレーザ光Ｌｉを１つのレーザ光Ｌに合波し、合波したレーザ光Ｌを出力ポートから出力する。

ファイバレーザユニットＦＬＵｉ（ｉは１以上ｎ以下の自然数）は、レーザ光Ｌｉを生成する。本実施形態においては、前方励起型のファイバレーザをファイバレーザユニットＦＬＵ１〜ＦＬＵｎとして用いている。ファイバレーザユニットＦＬＵｉは、対応するレーザデリバリファイバＬＤＦｉの入力端に接続されている。ファイバレーザユニットＦＬＵｉにて生成されたレーザ光は、このレーザデリバリファイバＬＤＦｉに入力される。

レーザデリバリファイバＬＤＦｉは、対応するファイバレーザユニットＦＬＵｉにて生成されたレーザ光Ｌｉを導波する。レーザデリバリファイバＬＤＦ１〜ＬＤＦｎは、シングルモードファイバであってもよいし、フューモードファイバであってもよい。以下においては、伝搬するモードの数が２以上２５以下である光ファイバのことをフューモードファイバと呼び、伝搬するモードの数が２６以上である光ファイバのことをマルチモードファイバと呼ぶ。なお、フューモードファイバは、疑似シングルモードファイバとも呼ばれる。

本実施形態においては、フューモードファイバをレーザデリバリファイバＬＤＦ１〜ＬＤＦｎとして用いている。レーザデリバリファイバＬＤＦｉの出射端は、出力コンバイナＯＣの入力ポートに接続されている。ファイバレーザユニットＦＬＵｉにて生成され、レーザデリバリファイバＬＤＦｉを導波されたレーザ光Ｌｉは、この入力ポートを介して出力コンバイナＯＣに入力される。

出力コンバイナＯＣは、ファイバレーザユニットＦＬＵ１〜ＦＬＵｎの各々にて生成され、レーザデリバリファイバＬＤＦ１〜ＬＤＦｎの各々を導波されたレーザ光Ｌｉを合波する。出力コンバイナＯＣの出力ポートは、出力デリバリファイバＯＤＦの入力端に接続されている。出力コンバイナＯＣにて合波されたレーザ光Ｌは、この出力デリバリファイバＯＤＦに入力される。すなわち、出力デリバリファイバＯＤＦの入射面は、出力コンバイナＯＣを介して複数のファイバレーザユニットＦＬＵｉに光学的に結合されている。

出力デリバリファイバＯＤＦは、出力コンバイナＯＣにて合波されたレーザ光Ｌを導波する。出力デリバリファイバＯＤＦは、シングルモードファイバであってもよいし、フューモードファイバであってもよいし、マルチモードファイバの何れであってもよい。本実施形態においては、フューモードファイバを出力デリバリファイバＯＤＦとして用いている。

出力デリバリファイバＯＤＦの出射端である端面ＯＤＦ_Ｏ（図４の（ａ）参照）は、ファイバレーザシステムＦＬＳの出射端を構成する。出力デリバリファイバＯＤＦは、端面ＯＤＦ_ＯにおけるＭ^２が、１．０１以上１．７以下になるように構成されていることが好ましく、１．３以上１．６以下になるように構成されていてもよい。すなわち、出力デリバリファイバＯＤＦとしては、フューモードファイバを用いることがより好ましい。

出力デリバリファイバＯＤＦの端面ＯＤＦ_Ｏは、石英ブロックＱＢを介して出力ヘッドＯＨに接続されている。石英ブロックＱＢは、石英ガラス製の柱状部材である。

また、出力ヘッドＯＨは、出力デリバリファイバＯＤＦから出射されたレーザ光Ｌを加工対象物Ｗの表面において集束及び走査するためのガルバノスキャナＧＳを含んでいる。ガルバノスキャナＧＳの構成については、図４の（ａ）を参照して後述する。

出力コンバイナＯＣにて合波され、出力デリバリファイバＯＤＦにより出力ヘッドＯＨまで導波されたレーザ光Ｌは、この出力ヘッドＯＨから出射され、集束された状態で加工対象物Ｗの表面に照射される。ファイバレーザシステムＦＬＳにおいては、ガルバノスキャナＧＳにより、レーザ光Ｌは、加工対象物Ｗの表面において三角走査される。

（ファイバレーザユニットの構成）
ファイバレーザシステムＦＬＳが備えるファイバレーザユニットＦＬＵ１の構成について、引き続き図３を参照して説明する。なお、ファイバレーザユニットＦＬＵ２〜ＦＬＵｎも、ファイバレーザユニットＦＬＵ１と同様に構成されている。

ファイバレーザユニットＦＬＵ１は、前方向励起型のファイバレーザであり、図３に示すように、電流源ＣＳ１、ｍ個の励起光源ＰＳ１〜ＰＳｍ、ｍ個の励起デリバリファイバＰＤＦ１〜ＰＤＦｍ、励起コンバイナＰＣ、高反射ファイバブラッググレーティングＦＢＧ−ＨＲ、増幅用ファイバＡＦ、及び低反射ファイバブラッググレーティングＦＢＧ−ＬＲを備えている。すなわち、ファイバレーザユニットＦＬＵ１は、共振器型のファイバレーザユニットである。励起光源ＰＳ１〜ＰＳｍと励起デリバリファイバＰＤＦ１〜ＰＤＦｍとは、互いに一対一に対応する。ここで、ｍは、２以上の任意の自然数であり、励起光源ＰＳ１〜ＰＳｍ及び励起デリバリファイバＰＤＦ１〜ＰＤＦｍの個数を表す。なお、図３においては、ｍ＝６の場合のファイバレーザユニットＦＬＵ１の構成例を示している。

電流源ＣＳ１は、駆動電流Ｉ１を励起光源ＰＳ１〜ＰＳｍに供給する。この駆動電流Ｉ１の大きさは、制御部Ｃによって制御されている。各励起光源ＰＳｊ（ｊは１以上ｍ以下の自然数）は、励起光を生成する。本実施形態においては、レーザダイオードを励起光源ＰＳ１〜ＰＳｍとして用いている。励起光源ＰＳｊは、対応する励起デリバリファイバＰＤＦｊの入力端に接続されている。励起光源ＰＳｊにて生成された励起光は、この励起デリバリファイバＰＤＦｉに入力される。

励起デリバリファイバＰＤＦｊは、対応する励起光源ＰＳｊにて生成された励起光を導波する。励起デリバリファイバＰＤＦｊの出射端は、励起コンバイナＰＣの入力ポートに接続されている。励起光源ＰＳｊにて生成され、励起デリバリファイバＰＤＦｊを導波された励起光は、この入力ポートを介して励起コンバイナＰＣに入力される。

励起コンバイナＰＣは、励起光源ＰＳ１〜ＰＳｍの各々にて生成され、励起デリバリファイバＰＤＦ１〜ＰＤＦｍの各々を導波された励起光を合波する。励起コンバイナＰＣの出力ポートは、高反射ファイバブラッググレーティングＦＢＧ−ＨＲを介して増幅用ファイバＡＦの入力端に接続されている。励起コンバイナＰＣにて合波された励起光のうち、高反射ファイバブラッググレーティングＦＢＧ−ＨＲを透過した励起光は、増幅用ファイバＡＦに入力される。

増幅用ファイバＡＦは、高反射ファイバブラッググレーティングＦＢＧ−ＨＲを透過した励起光を用いて、レーザ光を生成する。本実施形態においては、コアに希土類元素（本実施形態においてはＹｂ）が添加されたダブルクラッドファイバを増幅用ファイバＡＦとして用いている。高反射ファイバブラッググレーティングＦＢＧ−ＨＲを透過した励起光は、この希土類元素を反転分布状態に維持するために用いられる。増幅用ファイバＡＦの出射端は、低反射ファイバブラッググレーティングＦＢＧ−ＬＲを介してレーザデリバリファイバＬＤＦ１の入力端に接続されている。高反射ファイバブラッググレーティングＦＢＧ−ＨＲは、ある波長λ（例えば、１０７０ｎｍ）においてミラーとして機能し（反射率が例えば９９％となり）、低反射ファイバブラッググレーティングＦＢＧ−ＬＲは、その波長λにおいてハーフミラーとして機能する（反射率が例えば１０％となる）。このため、増幅用ファイバＡＦは、高反射ファイバブラッググレーティングＦＢＧ−ＨＲ及び低反射ファイバブラッググレーティングＦＢＧ−ＬＲと共に、波長λのレーザ光を発振する共振器を構成する。増幅用ファイバＡＦにて生成されたレーザ光のうち、この低反射ファイバブラッググレーティングＦＢＧ−ＬＲを透過したレーザ光Ｌ１は、レーザデリバリファイバＬＤＦ１に入力される。

なお、本実施形態においては、前方励起型のファイバレーザをファイバレーザユニットＦＬＵ１〜ＦＬＵｎとして用いているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、本発明においては、後方励起型のファイバレーザをファイバレーザユニットＦＬＵ１〜ＦＬＵｎとして用いることもできるし、双方向励起型のファイバレーザをファイバレーザユニットＦＬＵ１〜ＦＬＵｎとして用いることもできる。

なお、上述したように、ファイバレーザシステムＦＬＳは、各ファイバレーザユニットＦＬＵ１〜ＦＬＵｎとして、共振器型のファイバレーザユニットを採用している。しかし、ファイバレーザシステムＦＬＳは、各ファイバレーザユニットＦＬＵ１〜ＦＬＵｎとして、ＭＯＰＡ型のファイバレーザユニットを採用することもできる。ＭＯＰＡ型のファイバレーザユニットは、主発振（Master Oscillator：ＭＯ）部と、ＭＯ部の後段に配置されたパワー増幅（Power Amplifier：ＰＡ）部とを備えている。ＭＯ部は、種光を生成し、ＰＡ部は、種光のパワーを増幅することによってレーザ光を生成する。なお、ＭＯＰＡ型のファイバレーザユニットにおいて、ＭＯ部は、共振器型のファイバレーザユニットであってもよいし、半導体レーザユニット、固体レーザユニット、液体レーザユニット、及び気体レーザユニットの何れかであってもよい。

また、ファイバレーザシステムＦＬＳは、レーザユニットの態様として、波長λが５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であるレーザ光を出射するレーザユニットであれば、ファイバレーザユニット以外のレーザユニット（例えば、半導体レーザユニット、固体レーザユニット、液体レーザユニット、及び気体レーザユニット）の何れかを採用してもよい。

（ガルバノスキャナ）
ファイバレーザシステムＦＬＳの出力ヘッドＯＨは、図４の（ａ）に示すようにガルバノスキャナＧＳを含んでいる。図４の（ａ）は、加工対象物Ｗとしてアルミニウム合金製の２枚の板状部材Ｗ１，Ｗ２を用い、板状部材Ｗ１の側面と、Ｗ２の側面とを溶接する場合を示している。なお、平面視した場合、板状部材Ｗ１，Ｗ２は、何れも長方形状である。

出力ヘッドＯＨは、第１ガルバノミラーＭ１及び第２ガルバノミラーＭ２を含むガルバノスキャナＧＳと、コリメートレンズＣＬと、集光レンズＦＬと、を備えている。ガルバノスキャナＧＳは、走査部の一態様である。出力デリバリファイバＯＤＦから出射されるレーザ光Ｌは、（１）コリメートレンズＣＬによってコリメートされ、（２）第１ガルバノミラーＭ１によって反射され、（３）第２ガルバノミラーＭ２によって反射され、（４）集光レンズＦＬによって集光された後、加工対象物Ｗに照射される。ガルバノスキャナＧＳは、制御部Ｃから供給される制御信号により第１ガルバノミラーＭ１及び第２ガルバノミラーＭ２の各々を動かすことによって、レーザ光Ｌを加工対象物Ｗの表面において走査する。

ここで、図４の（ａ）に示すように、第１ガルバノミラーＭ１は、ｚ軸と平行な軸を回転軸として回転可能であり、第２ガルバノミラーＭ２は、ｘ軸と平行な軸を回転軸として回転可能である。第１ガルバノミラーＭ１及び第２ガルバノミラーＭ２を周期的に微小回転させることによって、ガルバノスキャナＧＳは、加工対象物Ｗの表面において、端面ＯＤＦ_Ｏから出射されたレーザ光Ｌを三角走査する。

三角走査は、図４の（ｂ）に示すように、主走査Ｓ_Ｍと、副走査Ｓ_Ｓとを組み合わせることによって実現される。主走査Ｓ_Ｍは、加工対象物の溶融させたい形状又は溶接したい形状に沿ってレーザ光を走査することを意味する。主走査Ｓ_Ｍにおける走査方向は、加工対象物の溶融させたい形状又は溶接したい形状の接線方向と略一致する。副走査Ｓ_Ｓは、微小な領域内において、レーザ光を周期的に直線状に走査することを意味する。副走査Ｓ_Ｓにおける走査方向は、主走査Ｓ_Ｍにおける走査方向と略直交している。

図４の（ａ）に示すように、平面視した場合の形状が長方形状である板状部材Ｗ１，Ｗ２の側面同士を溶接する場合、制御部Ｃは、主走査Ｓ_Ｍの形状がｘ軸正方向とほぼ平行な直線状になるように、且つ、副走査Ｓ_Ｓの走査方向が主走査Ｓ_Ｍにおける走査方向と直交するｙ軸方向と略平行になるように、ガルバノスキャナＧＳを制御する。なお、図４の（ｂ）において、二点鎖線は、板状部材Ｗ１，Ｗ２の側面同士の境界を仮想的に示している。

以上のように構成されたガルバノスキャナＧＳを含む出力ヘッドＯＨがレーザ光Ｌを走査することによって、ファイバレーザシステムＦＬＳは、レーザ光Ｌを三角走査しながら加工対象物Ｗに照射することができ、その結果、アルミニウム合金製の板状部材Ｗ１，Ｗ２の側面同士を溶接することができる。なお、第１の実施形態に係るレーザ加工方法Ｍ１０及び第２の実施形態に係るファイバレーザシステムＦＬＳは、アルミニウム製又はアルミニウム合金製の板状部材同士の溶接に好適に用いることができる。ただし、レーザ加工方法Ｍ１０及びファイバレーザシステムＦＬＳの用途は、溶接に限定されず、板状部材の表面の一部を溶融させることにも好適に用いることができる。この板状部材の表面の一部を溶融させる手法は、ビードオン溶接として広く普及しており、溶接における出力や走査条件などの条件を決定するために有益である。

本実施形態において、ガルバノスキャナＧＳは、副走査Ｓ_Ｓの周波数（すなわち三角走査における三角関数の周波数）を適宜選択できるように構成されている。副走査Ｓ_Ｓの周波数は、ファイバレーザシステムＦＬＳの出力や、加工対象物Ｗの材質などに応じて適宜変更することが好ましい。例えば、出力が３ｋＷである場合、制御部Ｃは、副走査Ｓ_Ｓの周波数を、１ｋＨｚに制御することが好ましい。

なお、ファイバレーザシステムＦＬＳを用いて溶接する加工対象物は、図４の（ａ）に示した２枚の板状部材Ｗ１，Ｗ２により構成される加工対象物Ｗに限定されるものではない。他の加工対象物としては、図４の（ｃ）に示すように、ケースＷＡ１及び蓋ＷＡ２により構成されるリチウムイオン電池ＷＡが挙げられる。ケースＷＡ１及び蓋ＷＡ２は、何れもアルミニウム合金製である。

リチウムイオン電池ＷＡにおいては、ケースＷＡ１の上面に設けられた円形の開口の内側に、該開口の大きさに対応した円形の蓋ＷＡ２をセットした状態で、ケースＷＡ１と蓋ＷＡ２との境界を溶接する。この場合、制御部Ｃは、主走査Ｓ_Ｍの形状がケースＷＡ１と蓋ＷＡ２との境界の形状に対応して円形状になるように、且つ、副走査Ｓ_Ｓの走査方向が主走査Ｓ_Ｍにおける走査方向と直交する方向（すなわち前記円形状の径方向）と略平行になるように、ガルバノスキャナＧＳを制御する（図４の（ｄ）参照）。なお、図４の（ｄ）において、二点鎖線は、ケースＷＡ１と蓋ＷＡ２との境界を仮想的に示している。また、図４の（ｄ）においては、副走査Ｓ_Ｓの走査幅を誇張して大きく図示している。なお，角型のリチウムイオン電池に対しても，同様の手法を適用することが可能である。

（制御部）
制御部Ｃは、電流源ＣＳ１を制御することによって、励起光源ＰＳ１〜ＰＳｍに供給する駆動電流Ｉｉを制御する。このように、制御部Ｃが電流源ＣＳ１を制御することによって、ファイバレーザシステムＦＬＳは、その出力を変化させる。

また、制御部Ｃは、レーザ光Ｌの走査形状が三角波の形状になるようにガルバノスキャナＧＳを制御する。レーザ光Ｌを三角波の形状に走査するために、ガルバノスキャナＧＳが実施する主走査Ｓ_Ｍ及び副走査Ｓ_Ｓは、図４の（ｂ）を参照して説明した通りである。

＜レーザ加工装置の変形例＞
図３に示したファイバレーザシステムＦＬＳの変形例であるファイバレーザ装置ＦＬＡについて、図５を参照して説明する。すなわち、ファイバレーザ装置ＦＬＡは、レーザ加工装置の一変形例である。図５は、ファイバレーザ装置ＦＬＡの構成図である。ファイバレーザ装置ＦＬＡは、レーザ光源として複数ではなく１つのファイバレーザユニットＦＬＵ１のみを備えている点がファイバレーザシステムＦＬＳと異なる。換言すれば、ファイバレーザ装置ＦＬＡのレーザ光源以外の構成は、ファイバレーザシステムＦＬＳと同じである。そこで、本変形例では、レーザ光源以外の構成に関する説明は、省略する。

図５に示すように、ファイバレーザ装置ＦＬＡが備えるファイバレーザユニットＦＬＵ１は、ファイバレーザシステムＦＬＳ（図３参照）が備えているファイバレーザユニットＦＬＵ１と同じ構成を有する。したがって、本変形例では、ファイバレーザユニットＦＬＵ１の説明を省略する。

また、ファイバレーザ装置ＦＬＡは、ファイバレーザシステムＦＬＳと異なり、複数のファイバレーザユニットＦＬＵ１〜ＦＬＵｎの各々にて生成されたレーザ光を合波する必要がない。したがって、ファイバレーザ装置ＦＬＡは、ファイバレーザシステムＦＬＳが備えている出力コンバイナＯＣを省略することができる。その結果、ファイバレーザ装置ＦＬＡにおいて、出力デリバリファイバＯＤＦの入射端面は、ファイバレーザユニットＦＬＵ１に対して結合されている。

なお、ファイバレーザシステムＦＬＳの場合と同様に、ファイバレーザ装置ＦＬＡは、ファイバレーザユニットＦＬＵ１として、共振器型のファイバレーザユニットを採用してもよいし、ＭＯＰＡ型のファイバレーザユニットを採用してもよい。なお、ファイバレーザ装置ＦＬＡがファイバレーザユニットＦＬＵ１としてＭＯＰＡ型のファイバレーザユニットを採用する場合、ＭＯ部は、共振器型のファイバレーザユニットであってもよいし、半導体レーザユニット、固体レーザユニット、液体レーザユニット、及び気体レーザユニットの何れかであってもよい。また、ファイバレーザ装置ＦＬＡは、請求の範囲に記載のレーザユニットとして、半導体レーザユニット、固体レーザユニット、液体レーザユニット、及び気体レーザユニットの何れかを採用してもよい。

〔実施例及び参考例〕
第１の実施形態のレーザ加工方法Ｍ１０の実施例及び参考例について、流体解析ソフトを用いてシミュレーションした結果を図６及び図７を参照して説明する。図６及び図７の（ａ）及び（ｂ）の各々は、それぞれ、実施例及び参考例により得られたシミュレーション結果を示す加工対象物の斜視図及び側面図である。

実施例及び参考例の各々においては、出力決定工程Ｓ１１において決定されるレーザ光源の出力、及び、走査条件決定工程Ｓ１２において決定される走査条件を、表１のように定めた。また、実施例及び参考例の各々においては、レーザ光を照射する加工対象物として、アルミニウム（Ａ１０５０）製の板状部材を用いた。実施例及び参考例の各々は、ビードオン溶接のシミュレーションである。加工対象物の厚さは、実施例及び参考例において４ｍｍとした。

なお、溶融の良否の判定基準としては、溶け込みの深さが０．５ｍｍ以上であるか否かを用いた。すなわち、深さが０．５ｍｍ以上である場合、溶け込みは十分であり、深さが０．３５ｍｍ以上０．５ｍｍ未満である場合、溶け込みは許容範囲に含まれており、深さが０．３５ｍｍ未満である場合、溶け込みは不足していると判定する。また、シミュレーション結果を目視した結果、溶融部の内部又は近傍にポロシティが認められた場合、その実施例については溶接欠陥が発生したと判定する。

図６の（ａ）及び図７の（ａ）に示した実施例の結果より、レーザ光の走査形状が三角波であり、副走査Ｓ_Ｓの周波数が１ｋＨｚである場合、溶融部分にポロシティ、すなわち溶接欠陥は認められず、溶け込みの深さは、概ね０．９１ｍｍであり十分なことが分かった。

図６の（ｂ）及び図７の（ｂ）に示した参考例の結果より、レーザ光の走査形状がサイン波であり、副走査Ｓ_Ｓの周波数が１ｋＨｚである場合、溶接欠陥が確認されたものの、溶け込みの深さは、概ね１．２０ｍｍであり十分なことが分かった。

以上の結果より、レーザ光源の出力が３ｋＷである場合、三角走査において副走査Ｓ_Ｓの周波数を１ｋＨｚに設定すれば、溶接欠陥がなく溶け込みの深さが十分なシミュレーション結果が得られることが分かった。

〔ソフトウェアによる実現例〕
ファイバレーザシステムＦＬＳ及びファイバレーザ装置ＦＬＡの各々の制御部Ｃは、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、ファイバレーザシステムＦＬＳ及びファイバレーザ装置ＦＬＡの各々は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば１つ以上のプロセッサを備えていると共に、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

Ｍ１０ レーザ加工方法
ＦＬＳ ファイバレーザシステム（レーザ光源）
ＦＬＡ ファイバレーザ装置（レーザ光源）
ＦＬＵ１，ＦＬＵ２，・・・，ＦＬＵ７，ＦＬＵｉ ファイバレーザユニット
ＡＦ 増幅用ファイバ
ＬＤＦ１，２，・・・，７ レーザデリバリファイバ
ＯＤＦ 出力デリバリファイバ
ＯＤＦ_Ｏ 端面（レーザ光源の出射端）
ＱＢ 石英ブロック
ＯＨ 出力ヘッド
ＧＳ ガルバノスキャナ（走査部）
Ｃ 制御部
Ｗ 加工対象物
Ｗ１，Ｗ２ 板状部材
ＷＡ リチウムイオン電池（加工対象物）
ＷＡ１ ケース
ＷＡ２ 蓋

Claims (8)

1. 出射するレーザ光の波長が５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であるレーザ光源を用いてアルミニウム製又はアルミニウム合金製の加工対象物を溶融させる又は溶接するレーザ加工方法であって、
   前記レーザ光を三角波の形状に走査しながら前記加工対象物に照射する照射工程を含む、
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記レーザ光源の出射端におけるＭ^２は、１．０１以上１．７以下である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記レーザ光源は、Ｙｂが添加された増幅用ファイバを各々が含む１又は複数のファイバレーザユニット、または、Ｙｂが添加された増幅用ディスクを各々が含む１又は複数のディスクレーザユニットを備えている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記レーザ光源の出力が３ｋＷである場合に、前記照射工程における前記三角波の周波数は、１ｋＨｚである、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のレーザ加工方法。
5. レーザ光源を用いてアルミニウム製又はアルミニウム合金製の加工対象物を溶融させる又は溶接するレーザ加工装置であって、
   波長が５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であるレーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光を走査する走査部と、
   前記レーザ光の走査形状が三角波の形状になるように前記走査部を制御する制御部と、を備えている、
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
6. 前記レーザ光源の出射端におけるＭ^２は、１．０１以上１．７以下である、
   ことを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。
7. 前記レーザ光源は、Ｙｂが添加された増幅用ファイバを各々が含む１又は複数のファイバレーザユニット、または、Ｙｂが添加された増幅用ディスクを各々が含む１又は複数のディスクレーザユニットを備えている、
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記レーザ光源の出力が３ｋＷである場合に、前記制御部は、前記三角波の周波数を１ｋＨｚに制御する、
   ことを特徴とする請求項５〜７の何れか１項に記載のレーザ加工装置。

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