JP2024009490A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ビード幅の狭いレーザ加工を実現するためのレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ加工ヘッド１０は、第１レーザ光Ｌ１と、第２レーザ光Ｌ２と、を略同軸上に重ね合わせてワークＷに対して出射する。第２レーザ光Ｌ２の波長は、第１レーザ光Ｌ１の波長よりも短い。レーザ加工ヘッド１０からワークＷに出射される第２レーザ光Ｌ２の集光径は、第１レーザ光Ｌ１の集光径よりも小さい。【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ加工装置に関するものである。

特許文献１には、主ビームと、主ビームよりもパワー密度が低い副ビームと、を合成して加工対象に向かって照射することで、照射された部分の加工対象を溶融して溶接を行う溶接装置が開示されている。

ここで、特許文献１には、副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長であることが記載されている。また、副ビームのビーム径は、主ビームのビーム径と略等しい、又は大きくてもよいことが記載されている。

国際公開第２０２０／０５０３３５号

ところで、特許文献１には、副ビームのパワー密度は、主ビームの存在下、又は単独にて、加工対象を溶融し得る密度であり、主ビームが照射される位置の側方の、副ビームが照射される位置までに広がった溶融池が溶融領域として形成されることになる、と記載されている。

そのため、特許文献１の発明では、ビード幅が広くなって溶接痕が目立ち、溶接箇所の外観が悪くなるという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ビード幅の狭いレーザ加工を実現するためのレーザ加工装置を提供することにある。

第１の発明は、レーザ光を出射してワークを加工するレーザ加工装置であって、第１レーザ光を発振する第１レーザ発振器と、前記第１レーザ光よりも波長の短い第２レーザ光を発振する第２レーザ発振器と、前記第１レーザ発振器から出射された前記第１レーザ光を伝送する第１伝送ファイバと、前記第２レーザ発振器から出射された前記第２レーザ光を伝送する第２伝送ファイバと、前記第１伝送ファイバで伝送された前記第１レーザ光と、前記第２伝送ファイバで伝送された前記第２レーザ光と、を略同軸上に重ね合わせて前記ワークに対して出射するレーザ加工ヘッドと、を備え、前記レーザ加工ヘッドから前記ワークに出射される前記第２レーザ光の集光径は、前記第１レーザ光の集光径よりも小さい。

第１の発明では、長波長の第１レーザ光（例えば、８００ｎｍ以上の近赤外レーザ光）と、短波長の第２レーザ光（例えば、６００ｎｍ以下の青色レーザ光）とを略同軸上に重ね合わせてワークに対して出射する。このとき、第２レーザ光の集光径を、第１レーザ光の集光径よりも小さくしている。これにより、ビード幅の狭いレーザ加工を実現することができる。

具体的に、長波長の第１レーザ光は、例えば、銅などの高反射率材料のワークに対するレーザ吸収率は低いが、レーザ光の最大出力が高い。一方、短波長の第２レーザ光は、高反射率材料のワークに対するレーザ吸収率が高いが、レーザ光の最大出力が低い。

そこで、第２レーザ光の集光径を小さくしてキーホールを形成しつつ、第２レーザ光よりもレーザ吸収率の低い第１レーザ光をキーホールに出射するようにしている。

これにより、第１レーザ光をキーホール内で多重反射させながらキーホールの奥深くまで出射してワークを溶融することで、ビード幅を狭くしつつ、キーホールの溶込み深さを確保した溶接を行うことができる。

第２の発明は、第１の発明のレーザ加工装置において、前記第１伝送ファイバ及び前記第２伝送ファイバのうち少なくとも一方のコア径は、φ２００μｍ以下である。

第２の発明では、第１伝送ファイバ及び第２伝送ファイバのうち少なくとも一方のコア径をφ２００μｍ以下とすることで、ビーム品質を高めることができる。なお、コア径は、φ５０～１００μｍ程度に設定することが好ましい。

第３の発明は、第１又は２の発明のレーザ加工装置において、前記レーザ光のビームパワーの８６％が含まれる８６％ＮＡは、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光のうち少なくとも一方が０．１２以下である。

第３の発明では、第１レーザ光及び第２レーザ光のうち少なくとも一方の８６％ＮＡを、０．１２以下とすることで、ビーム品質を高めることができる。なお、８６％ＮＡは、０．１以下に設定するのが好ましい。

また、ＮＡを小さくすることで、レーザ加工ヘッドの鏡筒サイズを小さくして、装置が大型化するのを抑えることができる。

第４の発明は、第１又は２の発明のレーザ加工装置において、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光のうち少なくとも一方は、複数の波長のレーザ光を合成した波長合成レーザ光である。

第４の発明では、第１レーザ光及び第２レーザ光のうち少なくとも一方を、波長合成レーザ光としている。ここで、波長合成レーザ光は、特有の色収差の影響により、第１レーザ光と第２レーザ光との境界部がぼやけることとなる。これにより、第１レーザ光と第２レーザ光との境界部が急峻になることはなく、スパッタの発生や溶融プールのばたつきを抑えることができる。

本発明によれば、ビード幅の狭いレーザ加工を実現するためのレーザ加工装置を提供することができる。

本実施形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す概略図である。 第１レーザ発振器の内部構成を示す概略図である。 レーザ加工ヘッドの内部構成を示す概略図である。 キーホールが形成される過程を説明する図である。 単一波長のレーザ光の境界部と、波長合成レーザ光の境界部とを説明する図である。 本実施形態におけるレーザ溶接結果を示す図である。 比較例におけるレーザ溶接結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

〈レーザ加工装置〉
図１に示すように、レーザ加工装置１は、互いに波長の異なる２種類のレーザ光を用いたハイブリットレーザ加工装置である。レーザ加工装置１は、ワークＷの切断、溶接、穴開け等のレーザ加工を行う。

レーザ加工装置１は、第１レーザ発振器２と、第２レーザ発振器３と、第１伝送ファイバ４と、第２伝送ファイバ５と、マニピュレータ６と、制御装置７と、レーザ加工ヘッド１０と、を備える。

第１レーザ発振器２は、第１レーザ光Ｌ１を発振する。第１レーザ光Ｌ１は、例えば、近赤外レーザ光であり、その波長が９００ｎｍ～１２００ｎｍ程度である。

第２レーザ発振器３は、第２レーザ光Ｌ２を発振する。第２レーザ光Ｌ２の波長は、第１レーザ光Ｌ１の波長よりも短い。第２レーザ光Ｌ２は、例えば、青色レーザ光であり、その波長が４００ｎｍ～４５０ｎｍ程度である。一般に、レーザ加工には、近赤外レーザ光が適用されるが、銅への吸収率が良い等との理由から、近年、青色レーザ光もレーザ加工に適用されつつある。

ここで、本実施形態では、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のうち少なくとも一方を、複数の波長のレーザ光を合成した波長合成レーザ光としている。以下、第１レーザ光Ｌ１を波長合成レーザ光とする場合について説明する。

図２に示すように、第１レーザ発振器２は、半導体レーザデバイス２１と、集光レンズ２２と、透過型の回折格子２３と、部分透過ミラー２４とを有する。半導体レーザデバイス２１の動作は、制御装置７によって制御される。

半導体レーザデバイス２１は、複数のレーザダイオード３０を有する。レーザダイオード３０は、複数のエミッタを有する。レーザダイオード３０は、複数のエミッタの出力を波長合成することで、波長合成されたレーザ光を出射する。

複数のレーザダイオード３０は、互いに波長の異なるレーザ光を出射する。図２に示す例では、第１レーザダイオード３１、第２レーザダイオード３２、及び第３レーザダイオード３３を配置した構成としたが、この構成に限定するものではない。

第１レーザダイオード３１は、波長合成された多波長レーザ光の中心波長よりも長い波長（例えば、１０００ｎｍ）のレーザ光を出射する長波長レーザダイオードである。

第２レーザダイオード３２は、多波長レーザ光の中心波長と略同じ波長のレーザ光を出射する。

第３レーザダイオード３３は、多波長レーザ光の中心波長よりも短い波長（例えば、９５０ｎｍ）のレーザ光を出射する短波長レーザダイオードである。

半導体レーザデバイス２１における回折格子２３側の端部は、レーザ出射端である。半導体レーザデバイス２１におけるレーザ出射端と反対側の端部は、レーザ光を全反射する全反射端である。

半導体レーザデバイス２１のレーザ出射端から出射されたレーザ光は、集光レンズ２２で集光された後、回折格子２３を通過し、部分透過ミラー２４で一部が反射される。

部分透過ミラー２４で反射されたレーザ光は、回折格子２３及び集光レンズ２２を通過し、出射された半導体レーザデバイス２１に戻る。半導体レーザデバイス２１に戻ったレーザ光は、半導体レーザデバイス２１の全反射端で反射される。

このように、部分透過ミラー２４と、半導体レーザデバイス２１の全反射端との間で共振が起こり、半導体レーザデバイス２１からのレーザ光が発振される。これにより、第１伝送ファイバ４には、第１レーザ発振器２より、波長合成された第１レーザ光Ｌ１としての複数の波長成分を有する多波長レーザ光が入射される。

なお、第２レーザ光Ｌ２についても同様に、波長合成レーザ光としてもよい。この場合、第２レーザ光Ｌ２を発振する第２レーザ発振器３は、第１レーザ発振器２と同様に、半導体レーザデバイス、集光レンズ、回折格子、及び部分透過ミラーを有する構成とすればよい。

第１伝送ファイバ４は、第１レーザ発振器２から出射された第１レーザ光L１をレーザ加工ヘッド１０へ伝送する。第２伝送ファイバ５は、第２レーザ発振器３から出射された第２レーザ光Ｌ２をレーザ加工ヘッド１０へ伝送する。

レーザ加工ヘッド１０は、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を、略同一光軸上に重ね合わせてワークＷの表面に出射する。レーザ加工ヘッド１０は、マニピュレータ６の先端に取り付けられる。レーザ加工ヘッド１０の詳細については、後述する。

マニピュレータ６は、レーザ加工ヘッド１０を移動させる。制御装置７は、マニピュレータ６の動作、第１レーザ発振器２による第１レーザ光Ｌ１の発振、第２レーザ発振器３による第２レーザ光Ｌ２の発振などを制御する。

〈レーザ加工ヘッド〉
図３に示すように、レーザ加工ヘッド１０は、筐体１５と、集光光学系１６と、を有する。筐体１５には、第１伝送ファイバ４と、第２伝送ファイバ５と、が接続される。筐体１５には、第１伝送ファイバ４からの第１レーザ光Ｌ１と、第２伝送ファイバ５からの第２レーザ光Ｌ２とが、互いに並行するように入射する。筐体１５の内部には、集光光学系１６が設けられる。レーザ加工ヘッド１０は、集光光学系１６によって、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を集光して、ワークＷに出射する。

集光光学系１６は、第１コリメートレンズ１１と、第２コリメートレンズ１２と、ベンドミラー１３と、ダイクロイックミラー４０と、ワーク側集光レンズ５０と、イメージセンサ６０と、検出側集光レンズ７０と、アパーチャー７１と、ミラー側アクチュエータ８０と、第１レンズ側アクチュエータ８１と、第２レンズ側アクチュエータ８２と、を有する。

第１コリメートレンズ１１は、第１レーザ光Ｌ１をコリメート（平行光化）する。第１レーザ光Ｌ１は、第１コリメートレンズ１１によって略平行光となる。

第２コリメートレンズ１２は、第２レーザ光Ｌ２をコリメート（平行光化）する。第２レーザ光Ｌ２は、第２コリメートレンズ１２によって略平行光となる。

ベンドミラー１３は、第１レーザ光Ｌ１の光軸に並行して筐体１５内に入射した第２レーザ光Ｌ２の光軸を、第１レーザ光Ｌ１の光軸に交差する方向（具体的には、直交する方向）に曲げる。

ダイクロイックミラー４０は、特定の波長領域の光の大部分を透過し、それ以外の波長領域の光の大部分を反射するミラーである。本実施形態では、ダイクロイックミラー４０は、第１レーザ光Ｌ１の大部分をワーク側集光レンズ５０に向けて略真直ぐに透過する一方、第１レーザ光Ｌ１の残部をアパーチャー７１に向けて略直角に反射する。

ダイクロイックミラー４０は、ベンドミラー１３で反射された第２レーザ光Ｌ２の大部分をワーク側集光レンズ５０に向けて略直角に反射する一方、第２レーザ光Ｌ２の残部をアパーチャー７１に向けて略真直ぐに透過する。

ダイクロイックミラー４０を透過した第１レーザ光Ｌ１と、ダイクロイックミラー４０により反射した第２レーザ光Ｌ２との光軸方向の進行側には、ワークＷが配置される。すなわち、ダイクロイックミラー４０は、第１レーザ光Ｌ１の大部分をワークＷ側に透過するとともに、第２レーザ光Ｌ２の大部分をワークＷ側に反射する。

第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の大部分とは、例えば、エネルギー換算で、ダイクロイックミラー４０に入射する前の第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の９５％～９９．９％程度である。第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の残部とは、例えば、エネルギー換算で、ダイクロイックミラー４０に入射する前の第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の０．１％～５％程度である。

ワーク側集光レンズ５０は、光軸方向において、ダイクロイックミラー４０とワークＷとの間に配置される。ワーク側集光レンズ５０は、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を集光する。ワーク側集光レンズ５０は、集光した第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を、ワークＷの表面に出射する。ワーク側集光レンズ５０は、色収差補正機能を有してもよい。ワーク側集光レンズ５０によって出射される第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の光軸方向は、互いに略一致する。

イメージセンサ６０は、受光面に結像させた光の明暗を電荷の量に光電変換し、それを読み出して電気信号に変換する撮像素子である。例えば、イメージセンサ６０は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサ等の撮像素子で構成される。イメージセンサ６０は、ダイクロイックミラー４０により反射した第１レーザ光Ｌ１の残部及びダイクロイックミラー４０を透過した第２レーザ光Ｌ２の残部を、受光面で受光する。

検出側集光レンズ７０及びアパーチャー７１は、光軸方向において、ダイクロイックミラー４０とイメージセンサ６０との間に配置される。

検出側集光レンズ７０は、光軸方向において、アパーチャー７１よりもイメージセンサ６０側に位置する。検出側集光レンズ７０は、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を集光する。検出側集光レンズ７０は、集光した第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を、イメージセンサ６０の受光面に照射する。検出側集光レンズ７０は、色収差補正機能を有してもよい。

アパーチャー７１は、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２における余分な光束を遮断して、瞳径を小さくする。検出側集光レンズ７０から出射される第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の光軸方向は、互いに略一致する。

ミラー側アクチュエータ８０は、ベンドミラー１３の傾きを変化させる。ミラー側アクチュエータ８０は、例えば、モータやピエゾ素子等で構成される。ミラー側アクチュエータ８０によるベンドミラー１３の傾き変化によって、ベンドミラー１３により曲げられる第２レーザ光Ｌ２の光軸の向きが変化する。これにより、第２レーザ光Ｌ２の集光位置が変化する。

第１レンズ側アクチュエータ８１は、第１コリメートレンズ１１を、光軸方向に移動させる。第１レンズ側アクチュエータ８１は、例えば、モータやピエゾ素子等で構成される。第２レンズ側アクチュエータ８２は、第２コリメートレンズ１２を、光軸方向に移動させる。第２レンズ側アクチュエータ８２は、例えば、モータやピエゾ素子等で構成される。第１レンズ側アクチュエータ８１及び第２レンズ側アクチュエータ８２による第１コリメートレンズ１１及び第２コリメートレンズ１２の光軸方向における移動によって、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のスポット径が変化する。

なお、第１レンズ側アクチュエータ８１及び第２レンズ側アクチュエータ８２によって、第１コリメートレンズ１１及び第２コリメートレンズ１２を光軸方向に移動させる際、第１コリメートレンズ１１及び第２コリメートレンズ１２は、必ずしも光軸方向に真直ぐに移動するのではなく、光軸方向に直交する水平方向に多少動いたり、多少傾いたりすることがある。

〈レーザ光の集光径について〉
ところで、レーザ加工後のビード幅が広くなると、溶接痕が目立ち、溶接箇所の外観が悪くなるという問題がある。そこで、本実施形態では、第１レーザ光Ｌ１の集光径と、第２レーザ光Ｌ２の集光径とを調整することで、ビード幅の狭いレーザ加工を実現できるようにした。

本実施形態では、長波長の第１レーザ光Ｌ１（例えば、８００ｎｍ以上の近赤外レーザ光）と、短波長の第２レーザ光Ｌ２（例えば、６００ｎｍ以下の青色レーザ光）とを略同軸上に重ね合わせてワークＷに対して出射する。このとき、第２レーザ光Ｌ２の集光径を、第１レーザ光Ｌ１の集光径よりも小さくする。これにより、ビード幅の狭いレーザ加工を実現することができる。

具体的に、長波長の第１レーザ光Ｌ１は、例えば、銅などの高反射率材料のワークＷに対するレーザ吸収率は低いが、レーザ光の最大出力が高い。一方、短波長の第２レーザ光Ｌ２は、高反射率材料のワークＷに対するレーザ吸収率が高いが、レーザ光の最大出力が低い。

そこで、図４に示すように、第２レーザ光Ｌ２の集光径を小さくして、ワークＷを狭い範囲で溶融させながらキーホールＫを形成しつつ、第２レーザ光Ｌ２よりもレーザ吸収率の低い第１レーザ光Ｌ１をキーホールＫの内部に出射する。

ここで、第１レーザ光Ｌ１は、ワークＷが液相状態にあるときに、優先的に吸収されることとなる。そのため、ワークＷに対するレーザ吸収率の高い第２レーザ光Ｌ２によってワークＷを深さ方向に溶融させ、キーホールＫを形成しておくことで、第１レーザ光Ｌ１は、キーホールＫに沿ってワークＷの深さ方向に優先的に進むように方向付けられることとなる。

これにより、第１レーザ光Ｌ１をキーホールＫの内部で多重反射させながらキーホールＫの奥深くまで出射してワークＷを溶融することで、ビード幅を狭くしつつ、キーホールＫの溶込み深さを確保した溶接を行うことができる。

〈ビーム品質について〉
ところで、レーザ光のビーム品質は、伝送ファイバのコア径と、ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ、開口数）とによって決定される。ＮＡは、伝送ファイバ（光ファイバ）に伝搬可能な光（伝搬モード）を入射させる（あるいは、光ファイバから出射する）ことができる最大の入出射角を表し、または、レンズの分解能や光像の明るさを表す数値である。

具体的に、ヘッド光学系の倍率は、（集光レンズの焦点距離）／（コリメートレンズの焦点距離）によって決定される。また、レーザ光の集光径は、（伝送ファイバのコア径）×（ヘッド倍率）によって決定される。

ここで、ワークＷの溶込み深さは、レーザ光のエネルギー密度に依存するため、伝送ファイバのコア径が大きい場合には、たとえ、レーザ光の出力が高くても、倍率を低く抑える必要がある。そのため、コア径は極力小さい方が望ましい。

そこで、本実施形態では、第１伝送ファイバ４及び第２伝送ファイバ５のうち少なくとも一方のコア径を、φ２００μｍ以下とするようにしている。なお、コア径は、φ５０～１００μｍ程度に設定することが好ましい。

次に、ＮＡについて検討すると、伝送ファイバから出射されたレーザ光は、コリメータレンズで平行光にされる。そして、この平行光の光束径によって、レーザ加工ヘッド１０の鏡筒サイズが決定される。そのため、ＮＡが大きいと、鏡筒サイズが大型化してしまい、レーザ加工ヘッド１０のコストが増大するというデメリットがある。

そこで、本実施形態では、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のうち少なくとも一方の８６％ＮＡを、０．１２以下とするようにしている。ここで、８６％ＮＡとは、レーザ光のビームパワーの８６％が含まれるＮＡである。なお、８６％ＮＡは、０．１以下に設定するのが好ましい。

ここで、第１レーザ光Ｌ１を伝送する第１伝送ファイバ４のコア径をφ１００μｍ、ＮＡを０．１とすると、第１レーザ光Ｌ１のビーム品質は、１００×（０．１／２）×０．８６＝４．３［ｍｍ・ｍｒａｄ］となる。

一方、第２レーザ光Ｌ２を伝送する第２伝送ファイバ５のコア径をφ５０μｍ、ＮＡを０．１とすると、第２レーザ光Ｌ２のビーム品質は、５０×（０．１／２）×０．８６＝２．１５［ｍｍ・ｍｒａｄ］となる。

このように、コア径を小さくするとともに、ＮＡを小さくすることで、ビーム品質を高めることができる。また、ＮＡを小さくすることで、レーザ加工ヘッド１０の鏡筒サイズを小さくして、装置が大型化するのを抑えることができる。

〈波長合成レーザ光について〉
上述したように、ＮＡは小さい方が好ましい。一般的に、ＮＡは、伝送ファイバの入射端の集光角度に依存する。ここで、レーザ出力を高めるためには、複数の光源を空間的に配置する方法が一般的である。しかしながら、空間的に配置すると、全体的な集光角度が大きくなり、結果的に、伝送ファイバの出射ＮＡは大きくならざるを得ない。

そこで、本実施形態では、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のうち少なくとも一方を、複数の波長のレーザ光を合成した波長合成レーザ光とするようにしている。なお、本実施形態では、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の両方を波長合成レーザ光としている。

このように、波長合成技術を採用したレーザ光であれば、同一空間に複数波長のレーザ光を配置することが可能となり、結果的に、伝送ファイバの入射角度を抑えることができる。これにより、伝送ファイバの出射ＮＡも小さく抑えることができる。

また、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のうち少なくとも一方を、波長合成レーザ光とすることで、スパッタの発生や溶融プールのばたつきを抑えることができる。

具体的に、図５に示すように、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を、単一波長の一般的なレーザ光とした比較例では、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２との境界部が急峻になり過ぎるため、境界部で生じる突沸由来のスパッタの発生や溶融プールのばたつきが生じるおそれがある。

これに対し、波長合成レーザ光は、特有の色収差の影響により、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２との境界部がぼやけることとなる。これにより、第１レーザ光と第２レーザ光との境界部が急峻になることはなく、スパッタの発生や溶融プールのばたつきを抑えることができる。

このように、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を波長合成レーザ光とすれば、複数波長による色収差の影響が、レーザ溶接を行う上で良好な方向に働くことで、ビード幅を狭くしつつ、キーホールの溶込み深さを確保した溶接を行うことができる。

〈レーザ溶接結果について〉
以下、本実施形態に係るレーザ加工装置１を用いたレーザ溶接結果について説明する。

図６に示す例では、第１伝送ファイバ４のコア径をφ１００μｍ、第２伝送ファイバ５のコア径をφ５０μｍ、第１伝送ファイバ４及び第２伝送ファイバ５からそれぞれ出射される第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の８６％ＮＡを０．１、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を両方とも波長合成レーザ光としている。

また、近赤外レーザ光である第１レーザ光Ｌ１の出力を４０００Ｗ、青色レーザ光である第２レーザ光Ｌ２の出力を４００Ｗとし、加工速度を１００ｍｍ／ｓｅｃとした。また、ワークＷは、１ｍｍの銅板と１ｍｍの銅板とを重ね合わせて溶接するものとした。なお、ワークＷは、２枚の銅板をＬ字状に配置してその隅部を溶接するものであってもよい。また、２枚の銅板を互いに突き合わせた状態で、突き合わせ箇所を溶接するものであってもよい。

また、第１レーザ光Ｌ１の集光径をφ２２０μｍ、第２レーザ光Ｌ２の集光径をφ２００μｍとしている。つまり、第２レーザ光Ｌ２の集光径を、第１レーザ光Ｌ１の集光径よりも小さくしている。なお、第１レーザ光Ｌ１の集光位置と、第２レーザ光Ｌ２の集光位置とを、光軸方向及び光軸方向に直交する方向について一致させている。

図６に示すように、第２レーザ光Ｌ２の集光径（φ２００μｍ）を、第１レーザ光Ｌ１の集光径（φ２２０μｍ）よりも小さくした場合、ビード幅が１ｍｍ（１０００μｍ）となった。このビード幅は、ワークＷへの加工の主力パワーとなり、加工に主に寄与する近赤外レーザ光の第１レーザ光Ｌ１の集光径（φ２２０μｍ）の４．５５倍に相当する。また、ワークＷの裏面側からも視認できるような深い溶融ビードが形成された。

これは、２００μｍ以上のビード幅領域については、青色レーザ光である第２レーザ光Ｌ２の寄与が少ないと考えられるが、近赤外レーザ光である第１レーザ光Ｌ１自身の熱伝導及び波長合成レーザ特有の色収差の影響により、ビード幅が狭く、溶込みの深い溶接が得られたものと考えられる。

一方、図７に示す比較例では、近赤外レーザ光である第１レーザ光Ｌ１の集光径をφ４００μｍ、青色レーザ光である第２レーザ光Ｌ２の集光径をφ６００としている。つまり、第２レーザ光Ｌ２の集光径を、第１レーザ光Ｌ１の集光径よりも大きくしている。

なお、図７に示す比較例では、図６に示す例と同様に、第１レーザ光Ｌ１の出力を４０００Ｗ、第２レーザ光Ｌ２の出力を４００Ｗとし、加工速度を１００ｍｍ／ｓｅｃとした。また、ワークＷは、１ｍｍの銅板と１ｍｍの銅板とを重ね合わせて溶接するものとした。

図７に示す比較例では、第２レーザ光Ｌ２のビーム品質が悪いため、第２レーザ光Ｌ２の集光径を大きくしている。そのため、ワークＷにおける第２レーザ光Ｌ２の出射範囲が広くなり、ビード幅が２．３ｍｍ（２３００μｍ）となった。このビード幅は、ワークＷへの加工の主力パワーとなり、加工に主に寄与する近赤外レーザ光の第１レーザ光Ｌ１の集光径（φ４００μｍ）の５．７５倍に相当する。このように、図７に示す比較例では、本実施形態の場合に比べて、ビード幅が広くなる傾向にあった。

以上のように、本実施形態に係るレーザ加工装置１では、長波長の第１レーザ光Ｌ１と、短波長の第２レーザ光Ｌ２とを略同軸上に重ね合わせてワークＷに対して出射する。このとき、第２レーザ光Ｌ２の集光径を、第１レーザ光Ｌ１の集光径よりも小さくしている。これにより、ビード幅の狭いレーザ加工を実現することができる。

《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

本実施形態では、第１レーザ光Ｌ１を近赤外光、第２レーザ光Ｌ２を青色光としたが、これに限定されない。第２レーザ光Ｌ２は、銅への吸収率という観点から、青色光の代わりに、緑色光（波長：４５０ｎｍ～５５０ｎｍ程度）としてもよい。

以上説明したように、本発明は、ビード幅の狭いレーザ加工を実現するためのレーザ加工装置を提供することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

１ レーザ加工装置
２ 第１レーザ発振器
３ 第２レーザ発振器
４ 第１伝送ファイバ
５ 第２伝送ファイバ
１０ レーザ加工ヘッド
Ｌ１ 第１レーザ光
Ｌ２ 第２レーザ光
Ｗ ワーク

Claims (4)

1. レーザ光を出射してワークを加工するレーザ加工装置であって、
   第１レーザ光を発振する第１レーザ発振器と、
   前記第１レーザ光よりも波長の短い第２レーザ光を発振する第２レーザ発振器と、
   前記第１レーザ発振器から出射された前記第１レーザ光を伝送する第１伝送ファイバと、
   前記第２レーザ発振器から出射された前記第２レーザ光を伝送する第２伝送ファイバと、
   前記第１伝送ファイバで伝送された前記第１レーザ光と、前記第２伝送ファイバで伝送された前記第２レーザ光と、を略同軸上に重ね合わせて前記ワークに対して出射するレーザ加工ヘッドと、を備え、
   前記レーザ加工ヘッドから前記ワークに出射される前記第２レーザ光の集光径は、前記第１レーザ光の集光径よりも小さい
   レーザ加工装置。
2. 請求項１のレーザ加工装置において、
   前記第１伝送ファイバ及び前記第２伝送ファイバのうち少なくとも一方のコア径は、φ２００μｍ以下である
   レーザ加工装置。
3. 請求項１又は２のレーザ加工装置において、
   前記レーザ光のビームパワーの８６％が含まれる８６％ＮＡは、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光のうち少なくとも一方が０．１２以下である
   レーザ加工装置。
4. 請求項１又は２のレーザ加工装置において、
   前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光のうち少なくとも一方は、複数の波長のレーザ光を合成した波長合成レーザ光である
   レーザ加工装置。

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