JP2024072000A - Laser processing device and laser processing method - Google Patents

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Abstract

【課題】ハイブリッドレーザ加工において、レーザ加工条件が変更された場合にもスパッタの発生を低減できるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ加工装置1000は、第1レーザ光LB1を出射する第1レーザ発振器100と、第2レーザ光LB2を出射する第2レーザ発振器200と、第1及び第2レーザ光LB1、LB2を受け取ってワーク900に照射するレーザヘッド500と、を備えている。レーザヘッド500は、筐体510とその内部に配置された第1光路変更機構540を有している。第1光路変更機構540は、第1レーザ光LB1の光路中に配置されている。第1レーザ光LB1は、第2レーザ光LB2の前方に照射される。第1光路変更機構540は、レーザ溶接条件に応じて、出射口513から出射される第1レーザ光LB1の光路を変化させる。【選択図】図1[Problem] To provide a laser processing device capable of reducing the occurrence of spatters even when the laser processing conditions are changed in hybrid laser processing. [Solution] A laser processing device 1000 includes a first laser oscillator 100 that emits a first laser beam LB1, a second laser oscillator 200 that emits a second laser beam LB2, and a laser head 500 that receives the first and second laser beams LB1 and LB2 and irradiates the workpiece 900 with the first and second laser beams LB1 and LB2. The laser head 500 includes a housing 510 and a first optical path changing mechanism 540 disposed therein. The first optical path changing mechanism 540 is disposed in the optical path of the first laser beam LB1. The first laser beam LB1 is irradiated forward of the second laser beam LB2. The first optical path changing mechanism 540 changes the optical path of the first laser beam LB1 emitted from an emission port 513 in accordance with the laser welding conditions. [Selected Figure] FIG.

Description

本開示は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法、特に、短波長のレーザ光と長波長のレーザ光とを用いたハイブリッドレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。 This disclosure relates to a laser processing device and a laser processing method, and in particular to a hybrid laser processing device and a laser processing method that use a short-wavelength laser beam and a long-wavelength laser beam.

従来、鉄や銅等の金属材料を溶接する手法の一つとして、レーザ溶接が知られている。レーザ溶接とは、レーザ光を被溶接物であるワークの所定の箇所に照射し、レーザ光のエネルギーによりワークを溶融させる溶接方法である。レーザ光が照射された溶接部分には、溶融池と呼ばれる溶融金属の液溜りが形成され、その後、溶融池が固化して固化部が形成される。ワークにおける所定の溶接線に沿って、レーザ光を移動させながら照射することで、レーザ溶接が行われる。 Laser welding has been known as one of the conventional methods for welding metal materials such as iron and copper. Laser welding is a welding method in which a laser beam is irradiated onto a predetermined location of the workpiece to be welded, and the workpiece is melted by the energy of the laser beam. A pool of molten metal called a molten pool is formed in the welded area irradiated with the laser beam, and the molten pool subsequently solidifies to form a solidified area. Laser welding is performed by irradiating the workpiece with a moving laser beam along a predetermined weld line.

近年、レーザ発振器の出力が向上し、高パワーのレーザ光を用いたレーザ溶接が可能になってきている。高パワーのレーザ光を用いることで、溶接工程のタクトタイムが低減できる。また、ワークの厚さが8mm以上と厚い場合にも容易に溶接を行うことができる。 In recent years, the output of laser oscillators has improved, making it possible to perform laser welding using high-power laser light. By using high-power laser light, the tact time of the welding process can be reduced. In addition, welding can be easily performed even when the workpiece is thick, at 8 mm or more.

しかし、高パワーのレーザ光を用いると、溶融金属の飛散に起因したスパッタの発生が顕著となる。スパッタは、溶接箇所の近傍に付着して溶接不良の一因となる。スパッタの発生を低減するため、パワー密度の高い主ビームの周囲にパワー密度の低い副ビームを照射し、副ビームで形成された溶融池に主ビームを照射してレーザ溶接を行う手法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 However, when a high-power laser beam is used, the occurrence of spatter due to scattering of molten metal becomes significant. The spatter adheres to the vicinity of the welding point and is one of the causes of poor welding. In order to reduce the occurrence of spatter, a method has been proposed in which sub-beams with low power density are irradiated around a main beam with high power density, and the main beam is irradiated onto a molten pool formed by the sub-beams to perform laser welding (see, for example, Patent Document 1).

ところで、金属材料の種類によって、光の吸収率が異なることはよく知られている。例えば、銅は、レーザ溶接でよく用いられる近赤外の波長域の光に対する吸収率が低い。このため、吸収率の高い波長域、例えば、青色のレーザ光と近赤外の波長域のレーザ光とをワークに同時に照射してレーザ溶接を行う手法が提案されている(例えば、特許文献2,3参照)。一般に、このようなレーザ溶接はハイブリッドレーザ溶接と呼ばれている。 It is well known that the light absorption rate differs depending on the type of metal material. For example, copper has a low absorption rate for light in the near-infrared wavelength range that is often used in laser welding. For this reason, a method has been proposed in which laser welding is performed by simultaneously irradiating the workpiece with laser light in a wavelength range with high absorption rate, such as blue laser light and near-infrared laser light (see, for example, Patent Documents 2 and 3). This type of laser welding is generally called hybrid laser welding.

特許第6935484号公報Patent No. 6935484 国際公開第2021/182643号International Publication No. 2021/182643 国際公開第2021/193855号International Publication No. 2021/193855

しかし、本願発明者等の検討によれば、ハイブリッドレーザ溶接において、レーザ溶接条件によってスパッタの発生状態が変化することがわかった。例えば、青色のレーザ光のパワーと近赤外の波長域のレーザ光のパワーとをそれぞれ固定してレーザ溶接を行う場合、溶接速度が低くなると、ワークに対するスパッタの付着数が多くなることがわかった。このような現象は、特許文献1~3では報告されていない。 However, according to the research of the present inventors, it was found that in hybrid laser welding, the state of spatter generation changes depending on the laser welding conditions. For example, when laser welding is performed with the power of blue laser light and the power of laser light in the near-infrared wavelength range fixed, it was found that the amount of spatter adhering to the workpiece increases when the welding speed decreases. This phenomenon is not reported in Patent Documents 1 to 3.

また、レーザ溶接に限らず、レーザ切断等のハイブリッドレーザ加工を行う場合にも、同様の課題が発生するおそれが高い。 In addition to laser welding, similar problems are likely to occur when performing hybrid laser processing such as laser cutting.

本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、ハイブリッドレーザ加工において、レーザ加工条件が変更された場合にもスパッタの発生を低減できるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することにある。 The present disclosure has been made in consideration of these points, and its purpose is to provide a laser processing device and a laser processing method that can reduce the occurrence of spatter even when the laser processing conditions are changed in hybrid laser processing.

上記目的を達成するため、本開示に係るレーザ加工装置は、第1レーザ光を出射する第1レーザ発振器と、前記第1レーザ光よりも波長の長い第2レーザ光を出射する第2レーザ発振器と、前記第1レーザ光及び前記第2レーザ光をそれぞれ受け取って、ワークに向けて出射するレーザヘッドと、前記ワーク及び前記レーザヘッドの一方を他方に対して移動させる移動機構と、を少なくとも備えたレーザ加工装置であって、前記レーザヘッドは、筐体と第1光路変更機構と前記筐体の内部に配置された複数の光学部品とを少なくとも有し、前記筐体には、前記第1レーザ光が入射される第1入射口と、前記第2レーザ光が入射される第2入射口と、前記第1レーザ光及び前記第2レーザ光がそれぞれ出射される出射口と、が設けられ、前記第1光路変更機構は、前記第1入射口と前記出射口との間の前記第1レーザ光の光路中に配置され、前記ワークをレーザ加工する場合、前記移動機構により、前記ワーク及び前記レーザヘッドの一方を他方に対して移動させるとともに、前記第1レーザ光は、前記第2レーザ光と同時に、かつ所定の加工線に沿った方向において、前記第2レーザ光の前方に照射され、前記第1光路変更機構は、レーザ加工条件に応じて、前記出射口から出射される前記第1レーザ光の光路を変化させ、前記レーザ加工条件には、前記加工線に沿った前記レーザヘッドの移動速度と、前記第2レーザ光のパワーと、前記ワークに照射された前記第2レーザ光のスポット径とが、少なくとも含まれることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the laser processing apparatus according to the present disclosure is a laser processing apparatus including at least a first laser oscillator that emits a first laser beam, a second laser oscillator that emits a second laser beam having a longer wavelength than the first laser beam, a laser head that receives the first laser beam and the second laser beam, respectively, and emits them toward a workpiece, and a movement mechanism that moves one of the workpiece and the laser head relative to the other, wherein the laser head has at least a housing, a first optical path changing mechanism, and a plurality of optical components arranged inside the housing, and the housing has a first entrance port through which the first laser beam is incident, a second entrance port through which the second laser beam is incident, and an exit port through which the first laser beam and the second laser beam are respectively emitted. , the first optical path changing mechanism is disposed in the optical path of the first laser light between the first entrance and the exit, and when the workpiece is laser processed, the movement mechanism moves one of the workpiece and the laser head relative to the other, and the first laser light is irradiated forward of the second laser light in a direction along a predetermined processing line, simultaneously with the second laser light, and the first optical path changing mechanism changes the optical path of the first laser light emitted from the exit according to laser processing conditions, and the laser processing conditions include at least the moving speed of the laser head along the processing line, the power of the second laser light, and the spot diameter of the second laser light irradiated on the workpiece.

本開示に係るレーザ加工方法は、第1レーザ光と前記第1レーザ光よりも波長の長い第2レーザ光とをワークに照射して、前記ワークをレーザ加工するレーザ加工方法であって、前記第1レーザ光を、前記第2レーザ光と同時に、かつ前記前記ワークの表面における所定の加工線に沿った方向において、前記第2レーザ光の前方に照射して、前記ワークをレーザ加工するステップを少なくとも備え、レーザ加工条件に応じて、前記ワークの表面における前記第1レーザ光の照射位置を変化させ、前記レーザ加工条件には、前記加工線に沿った前記第2レーザ光の照射位置の移動速度と、前記第2レーザ光のパワーと、前記ワークに照射された前記第2レーザ光のスポット径とが、少なくとも含まれることを特徴とする。 The laser processing method according to the present disclosure is a laser processing method for laser processing a workpiece by irradiating the workpiece with a first laser light and a second laser light having a longer wavelength than the first laser light, and includes at least a step of irradiating the first laser light simultaneously with the second laser light and forward of the second laser light in a direction along a predetermined processing line on the surface of the workpiece to laser process the workpiece, and is characterized in that the irradiation position of the first laser light on the surface of the workpiece is changed according to laser processing conditions, and the laser processing conditions include at least the moving speed of the irradiation position of the second laser light along the processing line, the power of the second laser light, and the spot diameter of the second laser light irradiated on the workpiece.

本開示によれば、ハイブリッドレーザ加工において、レーザ加工条件が変更された場合にもスパッタの発生を低減できる。 According to the present disclosure, in hybrid laser processing, the occurrence of spatter can be reduced even when the laser processing conditions are changed.

実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a laser processing device according to an embodiment. レーザヘッドの概略構成図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a laser head. 種々の金属における光吸収率の波長依存性を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the wavelength dependence of optical absorptance in various metals. 第2レーザ光のみを用いたレーザ溶接におけるワークの状態を示す断面模式図である。10 is a schematic cross-sectional view showing the state of the workpiece during laser welding using only the second laser light. FIG. 第1レーザ光と第2レーザ光とを用いたレーザ溶接におけるワークの状態を示す断面模式図である。4 is a schematic cross-sectional view showing a state of a workpiece during laser welding using a first laser beam and a second laser beam; FIG. レーザ光の種類及び溶接速度と溶接ビードの外観との関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the type of laser light, the welding speed, and the appearance of the weld bead. レーザ溶接時の第1レーザ光及び第2レーザ光の照射軌跡を示す図である。4A and 4B are diagrams illustrating irradiation trajectories of a first laser beam and a second laser beam during laser welding. レーザ溶接時の第1レーザ光及び第2レーザ光の別の照射軌跡を示す図である。13A and 13B are diagrams showing other irradiation trajectories of the first laser beam and the second laser beam during laser welding. 実施例1、2及び比較例に係る溶接ビードの外観を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the appearance of weld beads according to Examples 1 and 2 and a comparative example.

以下、本開示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、本開示、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。 Embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. Note that the following description of the preferred embodiments is merely illustrative in nature and is not intended to limit the present disclosure, its applications, or its uses.

(実施形態)
[レーザ加工装置の構成]
図1は、本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図を示し、レーザ加工装置1000は、第1レーザ発振器100と、第2レーザ発振器200と、第1光ファイバ300と、第2光ファイバ400と、レーザヘッド500と、ロボット600と、第1レーザコントローラ710と、第2レーザコントローラ720と、ロボットコントローラ730と、ステージ800と、を備える。なお、図1において、説明の便宜上、レーザヘッド500の形状は簡略化して図示している。
(Embodiment)
[Configuration of laser processing device]
Fig. 1 shows a schematic configuration diagram of a laser processing apparatus according to this embodiment, and the laser processing apparatus 1000 includes a first laser oscillator 100, a second laser oscillator 200, a first optical fiber 300, a second optical fiber 400, a laser head 500, a robot 600, a first laser controller 710, a second laser controller 720, a robot controller 730, and a stage 800. Note that in Fig. 1, for convenience of explanation, the shape of the laser head 500 is illustrated in a simplified form.

なお、以降の説明において、レーザヘッド500からワーク900に照射されるレーザ光の進行方向をZ方向と呼ぶことがある。また、図1において、第1レーザ発振器100及び第2レーザ発振器200からレーザヘッド500に向かう方向をX方向と呼び、X方向及びZ方向とそれぞれ交差する方向をY方向と呼ぶことがある。 In the following description, the traveling direction of the laser light irradiated from the laser head 500 to the workpiece 900 may be referred to as the Z direction. In addition, in FIG. 1, the direction from the first laser oscillator 100 and the second laser oscillator 200 toward the laser head 500 may be referred to as the X direction, and the direction that intersects with the X direction and the Z direction may be referred to as the Y direction.

また、ワーク900をレーザ加工する場合、第1レーザ光LB1と第2レーザ光LB2とがワーク900の表面における加工線(図示せず)に沿って照射される。本実施形態では、レーザ加工の一態様として、レーザ溶接を例に取って説明する。また、本実施形態では、Y方向が加工線、この場合は溶接線に沿った方向となる。よって、以降の説明において、Y方向を溶接方向と呼ぶことがある。 When laser processing the workpiece 900, the first laser beam LB1 and the second laser beam LB2 are irradiated along a processing line (not shown) on the surface of the workpiece 900. In this embodiment, laser welding is described as an example of one form of laser processing. In this embodiment, the Y direction is the direction along the processing line, in this case the welding line. Therefore, in the following description, the Y direction may be referred to as the welding direction.

第1レーザ発振器100は、第1レーザコントローラ710からの制御信号に基づいて、第1レーザ光LB1を出射する。第1レーザ光LB1は、青色の波長域、または緑色の波長域のレーザ光であり、本実施形態では、第1レーザ光LB1の波長λ1は、450nmである。なお、本願明細書において、「青色の波長域」とは、400nm以上、490nm以下の波長範囲を言う。また、「緑色の波長域」とは、500nm以上、560nm以下の波長範囲を言う。なお、第1レーザ光LB1の波長域は特にこれに限定されず、400nmより短くてもよい。 The first laser oscillator 100 emits the first laser light LB1 based on a control signal from the first laser controller 710. The first laser light LB1 is a laser light in the blue wavelength range or the green wavelength range, and in this embodiment, the wavelength λ1 of the first laser light LB1 is 450 nm. In this specification, the "blue wavelength range" refers to a wavelength range of 400 nm or more and 490 nm or less. Also, the "green wavelength range" refers to a wavelength range of 500 nm or more and 560 nm or less. The wavelength range of the first laser light LB1 is not particularly limited to this, and may be shorter than 400 nm.

第1レーザ発振器100とレーザヘッド500とは、第1光ファイバ300で接続される。第1レーザ光LB1は、第1光ファイバ300を介して、第1レーザ発振器100からレーザヘッド500に伝送される。 The first laser oscillator 100 and the laser head 500 are connected by a first optical fiber 300. The first laser light LB1 is transmitted from the first laser oscillator 100 to the laser head 500 via the first optical fiber 300.

第2レーザ発振器200は、第2レーザコントローラ720からの制御信号に基づいて、第2レーザ光LB2を出射する。第2レーザ光LB2は、近赤外の波長域のレーザ光であり、本実施形態では、第2レーザ光LB2の波長λ2は、975nmである。なお、本願明細書において、「近赤外の波長域」とは、900nm以上、1100nm以下の波長範囲を言う。なお、第2レーザ光LB2の波長域は特にこれに限定されず、1100nmより長くてもよい。 The second laser oscillator 200 emits the second laser light LB2 based on a control signal from the second laser controller 720. The second laser light LB2 is a laser light in the near-infrared wavelength range, and in this embodiment, the wavelength λ2 of the second laser light LB2 is 975 nm. In this specification, the "near-infrared wavelength range" refers to a wavelength range of 900 nm or more and 1100 nm or less. The wavelength range of the second laser light LB2 is not particularly limited to this, and may be longer than 1100 nm.

第2レーザ発振器200とレーザヘッド500とは、第2光ファイバ400で接続される。第2レーザ光LB2は、第2光ファイバ400を介して、第2レーザ発振器200からレーザヘッド500に伝送される。 The second laser oscillator 200 and the laser head 500 are connected by a second optical fiber 400. The second laser light LB2 is transmitted from the second laser oscillator 200 to the laser head 500 via the second optical fiber 400.

第1光ファイバ300は、第1レーザ発振器100から出射された第1レーザ光LB1をレーザヘッド500まで伝送する。第2光ファイバ400は、第2レーザ発振器200から出射された第2レーザ光LB2をレーザヘッド500まで伝送する。 The first optical fiber 300 transmits the first laser light LB1 emitted from the first laser oscillator 100 to the laser head 500. The second optical fiber 400 transmits the second laser light LB2 emitted from the second laser oscillator 200 to the laser head 500.

第1光ファイバ300及び第2光ファイバ400は、それぞれ公知の構成であり、軸心に光導波路であるコア(図示せず)が配置され、コアの外周面を覆って光閉じ込め層であるクラッド(図示せず)が設けられている。また、クラッドの外周面を覆って保護皮膜(図示せず)が設けられている。なお、コア、クラッドともに石英からなるが、コアの屈折率は、クラッドの屈折率よりも高くなるように調整されている。また、第1光ファイバ300及び第2光ファイバ400のそれぞれにおいて、コアの個数や断面形状は適宜変更されうる。これに応じて、クラッドの断面形状も適宜変更されうる。 The first optical fiber 300 and the second optical fiber 400 each have a known configuration, with a core (not shown) that is an optical waveguide disposed at the axis, and a clad (not shown) that is an optical confinement layer that covers the outer peripheral surface of the core. A protective coating (not shown) is also provided to cover the outer peripheral surface of the clad. Both the core and the clad are made of quartz, but the refractive index of the core is adjusted to be higher than the refractive index of the clad. The number and cross-sectional shape of the cores can be changed as appropriate in each of the first optical fiber 300 and the second optical fiber 400. The cross-sectional shape of the clad can also be changed as appropriate accordingly.

レーザヘッド500は、第1光ファイバ300及び第2光ファイバ400から入射される第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2を受け取って、さらに、第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2をそれぞれワーク900に向けて照射する。なお、レーザヘッド500の構造については後で詳述する。 The laser head 500 receives the first laser light LB1 and the second laser light LB2 incident from the first optical fiber 300 and the second optical fiber 400, and further irradiates the first laser light LB1 and the second laser light LB2 toward the workpiece 900, respectively. The structure of the laser head 500 will be described in detail later.

ロボット600は、ロボットアーム610を有する。ロボットアーム610の先端には、レーザヘッド500が取り付けられる。ロボットアーム610は、複数の部分に分かれており、各部分の連結部分には。それぞれ関節軸620が設けられている。 The robot 600 has a robot arm 610. The laser head 500 is attached to the tip of the robot arm 610. The robot arm 610 is divided into multiple parts, and each part is provided with a joint shaft 620 at the connecting portion.

ロボット600は、ロボットコントローラ730からの制御信号に基づいて、レーザヘッド500を溶接方向(Y方向)に沿って移動させ、ワーク900に対するレーザヘッド500の位置を変更する。この動作に伴い、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2の照射位置が溶接方向(Y方向)に沿って移動して、レーザ溶接が行われる。 Based on a control signal from the robot controller 730, the robot 600 moves the laser head 500 along the welding direction (Y direction) and changes the position of the laser head 500 relative to the workpiece 900. With this operation, the irradiation positions of the first laser beam LB1 and the second laser beam LB2 on the surface of the workpiece 900 move along the welding direction (Y direction), and laser welding is performed.

第1レーザコントローラ710は、第1レーザ発振器100に接続され、第1レーザ発振器100の動作を制御する。具体的には、第1レーザコントローラ710は、第1レーザ光LB1の出射開始や出射停止のタイミングや出射時間、また、第1レーザ光LB1のパワーを制御する。 The first laser controller 710 is connected to the first laser oscillator 100 and controls the operation of the first laser oscillator 100. Specifically, the first laser controller 710 controls the timing of starting and stopping the emission of the first laser light LB1, the emission time, and the power of the first laser light LB1.

第2レーザコントローラ720は、第2レーザ発振器200に接続され、第2レーザ発振器200の動作を制御する。具体的には、第2レーザコントローラ720は、第2レーザ光LB2の出射開始や出射停止のタイミングや出射時間、また、第2レーザ光LB2のパワーを制御する。 The second laser controller 720 is connected to the second laser oscillator 200 and controls the operation of the second laser oscillator 200. Specifically, the second laser controller 720 controls the timing of starting and stopping the emission of the second laser light LB2, the emission time, and the power of the second laser light LB2.

本実施形態において、第1レーザ光LB1のパワーは、第2レーザ光LB2のパワーよりも低くなるように設定されている。なお、第1レーザ光LB1のパワーと第2レーザ光LB2のパワーとの差または比は、レーザ溶接されるワーク900の材質や厚さに応じて、適宜設定される。これについては後でさらに述べる。 In this embodiment, the power of the first laser light LB1 is set to be lower than the power of the second laser light LB2. The difference or ratio between the power of the first laser light LB1 and the power of the second laser light LB2 is set appropriately depending on the material and thickness of the workpiece 900 to be laser welded. This will be described further below.

ロボットコントローラ(コントローラ)730は、ロボット600とレーザヘッド500とに接続され、ロボット600の動作と後で述べる第1光路変更機構540の動作をそれぞれ制御する。具体的には、ロボットコントローラ730は、ロボットアーム610の各部分を連結する関節軸620に設けられたモータ(図示せず)の回転速度及び回転量を制御する。このことにより、ロボットアーム610の先端に取り付けられたレーザヘッド500が、所定の移動速度Vで溶接方向に沿って移動する。さらに、レーザヘッド500から出射された第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2が、移動速度Vで溶接方向に沿ってワーク900の表面に照射される。以降の説明において、溶接線に沿ったレーザヘッド500の移動速度Vを溶接速度Vと呼ぶことがある。 The robot controller (controller) 730 is connected to the robot 600 and the laser head 500, and controls the operation of the robot 600 and the operation of the first optical path changing mechanism 540 described later. Specifically, the robot controller 730 controls the rotation speed and rotation amount of a motor (not shown) provided on the joint shaft 620 that connects each part of the robot arm 610. As a result, the laser head 500 attached to the tip of the robot arm 610 moves along the welding direction at a predetermined moving speed V. Furthermore, the first laser light LB1 and the second laser light LB2 emitted from the laser head 500 are irradiated on the surface of the workpiece 900 along the welding direction at the moving speed V. In the following description, the moving speed V of the laser head 500 along the welding line may be referred to as the welding speed V.

第1レーザコントローラ710及び第2レーザコントローラ720、さらにロボットコントローラ730における前述の機能は、それぞれが有するハードウェア上で、所定の溶接プログラムを実行することで実現される。当該ハードウェアは、1個または複数個のCPU(Central Processing Unit)やメモリで構成される。メモリは、例えば、RAM(Random Access Memory)やSSD(Solid State Drive)等の半導体メモリである。また、メモリが、CPUに内蔵されたROM(Read Only Memory)やRAMであってもよい。 The above-mentioned functions of the first laser controller 710, the second laser controller 720, and the robot controller 730 are realized by executing a predetermined welding program on the hardware that each of them possesses. The hardware is composed of one or more CPUs (Central Processing Units) and memories. The memories are, for example, semiconductor memories such as RAMs (Random Access Memory) and SSDs (Solid State Drives). The memories may also be ROMs (Read Only Memory) or RAMs built into the CPU.

また、第1レーザコントローラ710及び第2レーザコントローラ720、さらにロボットコントローラ730が、図示しない上位コントローラに接続される場合がある。この場合、上位コントローラで実行される溶接プログラムに基づいた実行命令が、第1レーザコントローラ710及び第2レーザコントローラ720、さらにロボットコントローラ730にそれぞれ送信され、所定の処理を実行する。なお、第1レーザコントローラ710及び第2レーザコントローラ720、さらにロボットコントローラ730が一体化されて一つのコントローラになっていてもよい。 The first laser controller 710, the second laser controller 720, and the robot controller 730 may be connected to a higher-level controller (not shown). In this case, execution commands based on a welding program executed by the higher-level controller are sent to the first laser controller 710, the second laser controller 720, and the robot controller 730, respectively, to execute predetermined processing. The first laser controller 710, the second laser controller 720, and the robot controller 730 may be integrated into a single controller.

また、ロボットコントローラ730が、レーザヘッド500の動作を制御するコントローラとロボット600の動作を制御するコントローラとに分けられていてもよい。ただし、この場合も、それぞれのコントローラが連動して、レーザヘッド500及びロボット600の動作をそれぞれ制御する。 The robot controller 730 may also be divided into a controller that controls the operation of the laser head 500 and a controller that controls the operation of the robot 600. However, even in this case, the respective controllers work together to control the operation of the laser head 500 and the robot 600, respectively.

ステージ800にワーク900が載置されることで、レーザ加工装置1000に対するワーク900の位置が決定される。なお、本実施形態において、ステージ800は1箇所に固定されて静止しているが、図示しないステージ移動機構をステージ800に設けることで、ステージ800が、X方向とY方向とを面内に含むXY平面に沿って移動可能に構成されてもよい。この場合、ロボット600の位置、言い換えると、レーザヘッド500の位置が固定されてもよい。 When the workpiece 900 is placed on the stage 800, the position of the workpiece 900 relative to the laser processing device 1000 is determined. In this embodiment, the stage 800 is fixed and stationary in one location, but by providing the stage 800 with a stage movement mechanism (not shown), the stage 800 may be configured to be movable along an XY plane that includes the X and Y directions within the plane. In this case, the position of the robot 600, in other words, the position of the laser head 500, may be fixed.

[レーザヘッドの構成]
図2は、レーザヘッドの概略構成図を示し、レーザヘッド500は、筐体510と、その内部に配置された複数の光学部品と、を有している。なお、図2において、説明の便宜上、レーザヘッド500を構成する各部品の形状は簡略化して図示している。また、図2に示す以外の部品が、筐体510の内部に配置されるか、筐体510の外側に取り付けられていてもよい。
[Laser head configuration]
Fig. 2 shows a schematic configuration diagram of a laser head, and the laser head 500 has a housing 510 and a plurality of optical components arranged therein. Note that, for the sake of convenience, the shapes of the components constituting the laser head 500 are shown in a simplified form in Fig. 2. Also, components other than those shown in Fig. 2 may be arranged inside the housing 510 or attached to the outside of the housing 510.

筐体510は、第1入射口511と第2入射口512と出射口513とを有している。第1入射口511は、第1光ファイバ300が接続される第1レーザ光LB1の入射口である。第2入射口512は、第2光ファイバ400が接続される第2レーザ光LB2の入射口である。出射口513は、第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2の出射口である。第1入射口511及び第2入射口512からそれぞれ入射された第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2が、出射口513からワーク900に向けて出射される。 The housing 510 has a first entrance 511, a second entrance 512, and an exit 513. The first entrance 511 is an entrance for the first laser light LB1 to which the first optical fiber 300 is connected. The second entrance 512 is an entrance for the second laser light LB2 to which the second optical fiber 400 is connected. The exit 513 is an exit for the first laser light LB1 and the second laser light LB2. The first laser light LB1 and the second laser light LB2, which are respectively incident from the first entrance 511 and the second entrance 512, are emitted from the exit 513 toward the workpiece 900.

筐体510の内部には、第1コリメートレンズ520と第2コリメートレンズ530と第1光路変更機構540とビームコンバイナ550と集光レンズ560とが、それぞれ配置されている。また、筐体510の内部には、出射口513を覆って保護ガラス570が配置されている。 Inside the housing 510, a first collimating lens 520, a second collimating lens 530, a first optical path changing mechanism 540, a beam combiner 550, and a condenser lens 560 are arranged. Also, inside the housing 510, a protective glass 570 is arranged to cover the exit port 513.

第1コリメートレンズ520は、第1光ファイバ300の出射端から出射された第1レーザ光LB1を平行光線に変換する。第2コリメートレンズ530は、第2光ファイバ400の出射端から出射された第2レーザ光LB2を平行光線に変換する。 The first collimating lens 520 converts the first laser light LB1 emitted from the output end of the first optical fiber 300 into a parallel beam. The second collimating lens 530 converts the second laser light LB2 emitted from the output end of the second optical fiber 400 into a parallel beam.

第1光路変更機構540は、第1入射口511と出射口513との間であって、第1レーザ光LB1の光路中に配置されている。第1光路変更機構540は、ミラー541とピエゾステージ542とピエゾアクチュエータ543とを有するMEMSミラーである。 The first optical path changing mechanism 540 is disposed between the first entrance 511 and the exit 513, in the optical path of the first laser light LB1. The first optical path changing mechanism 540 is a MEMS mirror having a mirror 541, a piezo stage 542, and a piezo actuator 543.

ミラー541は、第1コリメートレンズ520を透過した第1レーザ光LB1をビームコンバイナ550に向けて反射する。ミラー541はピエゾステージ542に一体に取り付けられており、ピエゾアクチュエータ543はピエゾステージ542に取り付けられている。ピエゾアクチュエータ543を駆動することで、ピエゾステージ542及びミラー541は、Y方向と平行な軸回りに傾動し、ミラー541で反射された第1レーザ光LB1の光軸を所定の範囲で変化させる。このことにより、出射口513から出射された第1レーザ光LB1は、溶接方向であるY方向と交差する方向に走査されながら、ワーク900の表面に照射される。 The mirror 541 reflects the first laser light LB1 that has passed through the first collimator lens 520 toward the beam combiner 550. The mirror 541 is attached integrally to the piezo stage 542, and the piezo actuator 543 is attached to the piezo stage 542. By driving the piezo actuator 543, the piezo stage 542 and the mirror 541 tilt around an axis parallel to the Y direction, changing the optical axis of the first laser light LB1 reflected by the mirror 541 within a predetermined range. As a result, the first laser light LB1 emitted from the emission port 513 is irradiated onto the surface of the workpiece 900 while being scanned in a direction intersecting the Y direction, which is the welding direction.

なお、第1光路変更機構540は、図2に示した構造に特に限定されない。例えば、第1光路変更機構540をY方向と平行な軸回りに傾動するガルバノミラーとしてもよい。また、X方向とY方向のそれぞれを溶接方向に設定する場合を考慮して、第1光路変更機構540を2軸MEMSミラーとしてもよい。この場合、出射口513から出射された第1レーザ光LB1は、X方向と交差する方向、またはY方向と交差する方向に走査されながら、ワーク900の表面に照射される。この場合も、第1光路変更機構540をY方向と平行な軸回り及びX方向と平行な軸回りのそれぞれに傾動するガルバノミラーとしてもよい。 The first optical path changing mechanism 540 is not limited to the structure shown in FIG. 2. For example, the first optical path changing mechanism 540 may be a galvanometer mirror that tilts around an axis parallel to the Y direction. In addition, in consideration of the case where the X direction and the Y direction are each set as the welding direction, the first optical path changing mechanism 540 may be a two-axis MEMS mirror. In this case, the first laser light LB1 emitted from the emission port 513 is irradiated onto the surface of the workpiece 900 while being scanned in a direction intersecting the X direction or a direction intersecting the Y direction. In this case, the first optical path changing mechanism 540 may also be a galvanometer mirror that tilts around an axis parallel to the Y direction and an axis parallel to the X direction.

ビームコンバイナ550は、いわゆる波長選択ミラーであり、第1レーザ光LB1を反射する一方、第2レーザ光LB2を透過するように設計されている。なお、図2に示す例では、ビームコンバイナ550で反射された第1レーザ光LB1とビームコンバイナ550を透過した第2レーザ光LB2とが、互いの光軸が一致するように出射口513に向かっている。ただし、後で述べるように、第1レーザ光LB1は、Y方向に沿って第2レーザ光LB2の前方に照射される。このようにするためには、例えば、ビームコンバイナ550に入射する第1レーザ光LB1の光軸に対するビームコンバイナ550の傾斜角度を予め調整するか、または、第1光路変更機構540のミラー541の位置を調整する。 The beam combiner 550 is a so-called wavelength selection mirror, and is designed to reflect the first laser light LB1 while transmitting the second laser light LB2. In the example shown in FIG. 2, the first laser light LB1 reflected by the beam combiner 550 and the second laser light LB2 transmitted through the beam combiner 550 are directed toward the exit port 513 so that their optical axes coincide with each other. However, as will be described later, the first laser light LB1 is irradiated in front of the second laser light LB2 along the Y direction. To achieve this, for example, the inclination angle of the beam combiner 550 relative to the optical axis of the first laser light LB1 incident on the beam combiner 550 is adjusted in advance, or the position of the mirror 541 of the first optical path changing mechanism 540 is adjusted.

集光レンズ560は、第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2をそれぞれ集光する。集光レンズ560を透過した第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2は、それぞれワーク900の表面で略円形のスポットSP1、SP2に結像される(図6A,6B参照)。 The focusing lens 560 focuses the first laser light LB1 and the second laser light LB2. The first laser light LB1 and the second laser light LB2 that pass through the focusing lens 560 are focused into approximately circular spots SP1 and SP2, respectively, on the surface of the workpiece 900 (see Figures 6A and 6B).

保護ガラス570は、レーザ溶接中に発生したスパッタやヒュームが筐体510の内部に入り込むのを防止している。このことにより、筐体510の内部に配置された光学部品が保護され、出射口513から出射される第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2のパワーやビーム品質が低下するのを抑制できる。 The protective glass 570 prevents spatter and fumes generated during laser welding from entering the inside of the housing 510. This protects the optical components arranged inside the housing 510 and prevents a decrease in the power and beam quality of the first laser light LB1 and the second laser light LB2 emitted from the emission port 513.

[ハイブリッドレーザ溶接方法について]
図3は、種々の金属における光吸収率の波長依存性を示す。図4Aは、第2レーザ光のみを用いたレーザ溶接におけるワークの状態を示す断面模式図である。図4Bは、第1レーザ光と第2レーザ光とを用いたレーザ溶接におけるワークの状態を示す断面模式図である。
[About hybrid laser welding method]
Fig. 3 shows the wavelength dependence of light absorptivity in various metals. Fig. 4A is a schematic cross-sectional view showing the state of a workpiece during laser welding using only the second laser beam. Fig. 4B is a schematic cross-sectional view showing the state of a workpiece during laser welding using the first laser beam and the second laser beam.

レーザ溶接において、金属からなるワーク900にレーザ光を照射すると、ワーク900にレーザ光が吸収されて、レーザ光の照射部分の温度が上昇する。温度上昇がさらに進むと、ワーク900が溶融して溶融池910が形成される(図4A参照)。レーザ光が通過した後は、溶融池910の温度が急激に低下し、溶融池910が固化して固化部930が形成されることで、ワーク900がレーザ溶接される。 In laser welding, when a laser beam is irradiated onto a metal workpiece 900, the laser beam is absorbed by the workpiece 900, causing the temperature of the irradiated portion to rise. As the temperature rise continues, the workpiece 900 melts and a molten pool 910 is formed (see FIG. 4A). After the laser beam passes through, the temperature of the molten pool 910 drops rapidly, and the molten pool 910 solidifies to form a solidified portion 930, thereby laser welding the workpiece 900.

また、多くの場合、レーザ光の照射部分の直下にキーホール920(図4A参照)が形成されるようにレーザ光のパワーが設定される。キーホール920が形成されることで、ワーク900の内部にレーザ光が直接照射される。このことにより、溶融池910を深く形成でき、深い溶込みが得られる。 In many cases, the power of the laser light is set so that a keyhole 920 (see FIG. 4A) is formed directly below the area irradiated by the laser light. By forming the keyhole 920, the laser light is directly irradiated inside the workpiece 900. This allows the molten pool 910 to be formed deep, resulting in deep penetration.

ところで、一般に、金属に光を照射したときに、光が金属に吸収される割合、つまり、光吸収率は、光の波長によって変化する。また、光吸収率の波長依存性は、金属の材質によって大きく異なる。 Generally, when light is irradiated onto a metal, the proportion of the light absorbed by the metal, that is, the light absorptance, varies depending on the wavelength of the light. Furthermore, the wavelength dependency of the light absorptance varies greatly depending on the metal material.

例えば、図3に示すように、鉄やニッケルでは、波長が短くなるにつれて光吸収率が増加するが、波長に対する光吸収率の変化の度合いは緩やかである。鉄を例に取ると、第2レーザ光LB2の波長λ2(=975nm)での光吸収率が40%であり、第1レーザ光LB1の波長λ1(=450nm)での光吸収率が45%程度である。 For example, as shown in Figure 3, in iron and nickel, the light absorptance increases as the wavelength becomes shorter, but the rate of change in light absorptance with respect to wavelength is gradual. Taking iron as an example, the light absorptance at the wavelength λ2 (= 975 nm) of the second laser light LB2 is 40%, and the light absorptance at the wavelength λ1 (= 450 nm) of the first laser light LB1 is about 45%.

一方、銅では、波長が800nmよりも短くなると光吸収率が急激に増加する。第2レーザ光LB2の波長λ2での吸収率が10%未満である一方、第1レーザ光LB1の波長λ1での光吸収率が60%程度まで増加する。 On the other hand, in copper, the light absorption rate increases rapidly when the wavelength becomes shorter than 800 nm. While the light absorption rate at the wavelength λ2 of the second laser light LB2 is less than 10%, the light absorption rate at the wavelength λ1 of the first laser light LB1 increases to about 60%.

このため、ワーク900が銅からなる板材である場合、第2レーザ光LB2のみでワーク900をレーザ溶接しようとすると、溶融池910を形成するためには、低い光吸収率にあわせて第2レーザ光LB2のパワーを大きく設定する必要がある。 For this reason, if the workpiece 900 is a copper plate, and if an attempt is made to laser weld the workpiece 900 using only the second laser beam LB2, in order to form the molten pool 910, it is necessary to set the power of the second laser beam LB2 high in accordance with the low light absorption rate.

しかし、光吸収率は、ワーク900の温度、特にワーク900が固体状態であるか液体状態であるかによっても大きく変化し、液体状態の場合に光吸収率は大幅に増加する。この場合、図4Aに示すように、溶融池910での第2レーザ光LB2の光吸収率が大幅に上昇し、溶融池910の温度が急激に上昇する。このことにより、溶融池910で突沸が生じ、ワーク900の表面に向かう対流によって噴出した溶融金属がワーク900の表面に付着し、スパッタとなる。 However, the light absorption rate also varies greatly depending on the temperature of the workpiece 900, particularly whether the workpiece 900 is in a solid or liquid state, and the light absorption rate increases significantly when the workpiece 900 is in a liquid state. In this case, as shown in FIG. 4A, the light absorption rate of the second laser light LB2 in the molten pool 910 increases significantly, and the temperature of the molten pool 910 increases rapidly. This causes bumping in the molten pool 910, and the molten metal ejected by convection toward the surface of the workpiece 900 adheres to the surface of the workpiece 900, resulting in spattering.

このようなスパッタの発生を抑制するために、第1レーザ光LB1と第2レーザ光LB2の両方を用いたハイブリッドレーザ溶接方法が提案されていることは前述した通りである。 As mentioned above, a hybrid laser welding method using both the first laser beam LB1 and the second laser beam LB2 has been proposed to suppress the occurrence of such spatter.

このレーザ溶接方法では、図4Bに示すように、波長λ1の第1レーザ光LB1と波長λ2の第2レーザ光LB2とがワーク900の表面で重ね合われた状態で照射される。このとき、ワーク900の表面で、第1レーザ光LB1のスポット径が第2レーザ光LB2のスポット径よりも大きくなるように設定される。また、第1レーザ光LB1のパワーが第2レーザ光LB2のパワーよりも小さくなるように設定される。なお、第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2のスポット径は、それぞれ、第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2の焦点がワーク900の表面に位置する場合のビーム径に相当する。 In this laser welding method, as shown in FIG. 4B, a first laser beam LB1 having a wavelength λ1 and a second laser beam LB2 having a wavelength λ2 are irradiated in a superimposed state on the surface of the workpiece 900. At this time, the spot diameter of the first laser beam LB1 is set to be larger than the spot diameter of the second laser beam LB2 on the surface of the workpiece 900. Also, the power of the first laser beam LB1 is set to be smaller than the power of the second laser beam LB2. Note that the spot diameters of the first laser beam LB1 and the second laser beam LB2 correspond to the beam diameters when the focal points of the first laser beam LB1 and the second laser beam LB2 are located on the surface of the workpiece 900, respectively.

銅からなるワーク900に対する光吸収率の高い第1レーザ光LB1を、スポット径を広げて照射することで、ワーク900に対して、幅が広く、かつ溶込み深さが浅い溶融池910が形成される。この状態で、第2レーザ光LB2が溶融池910に照射される。なお、第1レーザ光LB1のパワーは、キーホール920が形成されない程度に低く設定されている。つまり、第1レーザ光LB1による溶接モードは、熱伝導溶接である。ただし、浅いキーホール920が形成されてもよい。 By irradiating the first laser beam LB1, which has a high light absorption rate for the copper workpiece 900, with a wide spot diameter, a molten pool 910 that is wide and has a shallow penetration depth is formed on the workpiece 900. In this state, the second laser beam LB2 is irradiated to the molten pool 910. The power of the first laser beam LB1 is set low enough that a keyhole 920 is not formed. In other words, the welding mode using the first laser beam LB1 is heat conduction welding. However, a shallow keyhole 920 may be formed.

また、第2レーザ光LB2のパワーが第1レーザ光LB1のパワーよりも大きいこのため、第1レーザ光LB1により形成される溶融池910よりも深い溶融池910が形成される。その結果、深溶け込み深さが得られる。 In addition, because the power of the second laser beam LB2 is greater than the power of the first laser beam LB1, a molten pool 910 is formed that is deeper than the molten pool 910 formed by the first laser beam LB1. As a result, a deep penetration depth is obtained.

また、第1レーザ光LB1のスポット径は、第2レーザ光LB2のスポット径よりも大きい。このことにより、第2レーザ光LB2が、第1レーザ光LB1により形成された溶融池910に照射された場合、キーホール920の開口部が押し広げられ、溶融金属において、ワーク900の表面に向かう対流が抑制される。このことにより、スパッタが低減される。 The spot diameter of the first laser beam LB1 is larger than the spot diameter of the second laser beam LB2. As a result, when the second laser beam LB2 is irradiated onto the molten pool 910 formed by the first laser beam LB1, the opening of the keyhole 920 is widened, and convection in the molten metal toward the surface of the workpiece 900 is suppressed. This reduces spatter.

[本開示に至った知見]
しかし、本願発明者等は、第1レーザ光LB1と第2レーザ光LB2とを用いたレーザ溶接において、形成される溶融池910の大きさが、溶接速度や第2レーザ光LB2のパワー等のレーザ溶接条件で大きく変化することを見出した。
[Findings that led to the present disclosure]
However, the inventors of the present application discovered that in laser welding using the first laser light LB1 and the second laser light LB2, the size of the molten pool 910 formed varies greatly depending on the laser welding conditions, such as the welding speed and the power of the second laser light LB2.

図5は、レーザ光の種類及び溶接速度と溶接ビードの外観との関係を示す図である。図5の上段は、第1レーザ光LB1のみをワーク900に照射した場合に形成された溶接ビード940を示し、下段は、第1レーザ光LB1と第2レーザ光LB2を同時にワーク900に照射した場合に形成された溶接ビード940を示す。 Figure 5 is a diagram showing the relationship between the type of laser light, the welding speed, and the appearance of the weld bead. The upper part of Figure 5 shows the weld bead 940 formed when only the first laser light LB1 is irradiated onto the workpiece 900, and the lower part shows the weld bead 940 formed when the first laser light LB1 and the second laser light LB2 are irradiated onto the workpiece 900 simultaneously.

図5から明らかなように、第1レーザ光LB1のみを照射した場合は、溶接速度Vが50mm/secから150mm/secに上昇しても、ワーク900に形成される溶接ビード940の幅W1は、86%程度になるのみであった。幅W1は、第1レーザ光LB1の照射により形成される溶融池910の大きさに対応している。低パワー(800W)でビーム径(400μm)が大きい条件の、つまり、パワー密度が低い第1レーザ光LB1では、ワーク900への入熱量自体が小さく、溶接速度Vの変化に伴うワーク900への入熱量の変化が小さくなっておりため、幅W1の変化量が小さくなっていると考えられた。 As is clear from FIG. 5, when only the first laser beam LB1 was irradiated, the width W1 of the weld bead 940 formed on the workpiece 900 was only about 86% even when the welding speed V increased from 50 mm/sec to 150 mm/sec. The width W1 corresponds to the size of the molten pool 910 formed by irradiation with the first laser beam LB1. With the first laser beam LB1 under conditions of low power (800 W) and large beam diameter (400 μm), i.e., low power density, the amount of heat input to the workpiece 900 itself was small, and the change in the amount of heat input to the workpiece 900 with the change in welding speed V was small, which is thought to be why the change in width W1 was small.

一方、第1レーザ光LB1と第2レーザ光LB2とを同時に照射した場合は、溶接速度Vが50mm/secから150mm/secに上昇すると、ワーク900に形成される溶接ビード940の幅W2は、62%程度と大幅に狭くなった。言い換えると、溶接速度Vが低下するにつれて、溶接ビード940の幅W2が大幅に広くなることがわかった。なお、
第2レーザ光LB2は、第1レーザ光LB1に比べて、高パワー(1900W)でビーム径(40μm)が小さい。つまり、第2レーザ光LB2は、第1レーザ光LB1に比べてパワー密度が高くなっている。このため、溶接速度Vの変化に伴ってワーク900への入熱量の変化が大きくなっていると考えられる。
On the other hand, when the first laser beam LB1 and the second laser beam LB2 were irradiated simultaneously, as the welding speed V increased from 50 mm/sec to 150 mm/sec, the width W2 of the weld bead 940 formed on the workpiece 900 was significantly narrowed to about 62%. In other words, it was found that as the welding speed V decreased, the width W2 of the weld bead 940 significantly increased.
The second laser beam LB2 has a higher power (1900 W) and a smaller beam diameter (40 μm) than the first laser beam LB1. In other words, the second laser beam LB2 has a higher power density than the first laser beam LB1. For this reason, it is considered that the change in the amount of heat input to the workpiece 900 increases with the change in the welding speed V.

つまり、溶接速度Vの低下に伴う溶接ビード940の幅W2の増加は、第2レーザ光LB2の照射で形成される溶融池910が、第1レーザ光LB1の照射で形成される溶融池910よりも大きくなっていることによるものと考えられた。また、図示しないが、レーザ溶接中のワーク900の表面を高速動画撮影した場合に、実際にこのような現象が起こっていることが確かめられた。 In other words, it was believed that the increase in width W2 of the weld bead 940 with a decrease in welding speed V was due to the molten pool 910 formed by irradiation with the second laser beam LB2 being larger than the molten pool 910 formed by irradiation with the first laser beam LB1. In addition, although not shown, it was confirmed that such a phenomenon actually occurred when a high-speed video was taken of the surface of the workpiece 900 during laser welding.

第2レーザ光LB2の照射で形成される溶融池910が、第1レーザ光LB1の照射で形成される溶融池910よりも大きくなると、前述した溶融池910の対流によりスパッタが発生しやすくなる。また、単位時間当たりのワーク900への入熱量の差を考慮すると、溶接速度Vだけでなく、第1レーザ光LB1に対する第2レーザ光LB2のパワー比が大きくなると、スパッタが発生しやすくなると考えられる。 When the molten pool 910 formed by irradiation with the second laser beam LB2 becomes larger than the molten pool 910 formed by irradiation with the first laser beam LB1, spatter is more likely to occur due to the convection of the molten pool 910 described above. In addition, considering the difference in the amount of heat input to the workpiece 900 per unit time, it is thought that spatter is more likely to occur when not only the welding speed V but also the power ratio of the second laser beam LB2 to the first laser beam LB1 increases.

このように、レーザ溶接条件の変化によって、ハイブリッドレーザ溶接のメリットの一つであるスパッタの低減効果が得られなくなることがわかった。 In this way, it was found that changes in the laser welding conditions resulted in the reduction of spatter, one of the benefits of hybrid laser welding, being no longer obtainable.

本願発明者等は、このことをさらに検討し、以下に示すように、本実施形態では、第1レーザ光LB1を、溶接方向に沿って第2レーザ光LB2の前方に照射するレーザ溶接方法を提案する。さらに、このレーザ溶接方法では、第1レーザ光LB1を第1振幅で、溶接方向と交差する方向に周期的に走査することで、第2レーザ光LB2の照射位置の前方に幅広の溶融池910を形成し、スパッタの発生が抑制している。以下、この方法の詳細について説明する。 The inventors of the present application have further studied this matter, and as described below, in this embodiment, they propose a laser welding method in which the first laser beam LB1 is irradiated in front of the second laser beam LB2 along the welding direction. Furthermore, in this laser welding method, the first laser beam LB1 is periodically scanned at a first amplitude in a direction intersecting the welding direction, thereby forming a wide molten pool 910 in front of the irradiation position of the second laser beam LB2, thereby suppressing the occurrence of spatter. The details of this method are described below.

[レーザ溶接方法]
図6Aは、レーザ溶接時の第1レーザ光及び第2レーザ光の照射軌跡を示し、図6Bは、レーザ溶接時の第1レーザ光及び第2レーザ光の別の照射軌跡を示す。
[Laser welding method]
FIG. 6A shows irradiation trajectories of the first laser beam and the second laser beam during laser welding, and FIG. 6B shows another irradiation trajectory of the first laser beam and the second laser beam during laser welding.

図6Aに示す例では、第1レーザ光LB1を溶接方向に沿って第2レーザ光LB2の前方に位置するように照射するとともに、第1レーザ光LB1をX方向に沿って周期的に走査している。このようにすることで、ワーク900に対して、第1レーザ光LB1をまず照射して所定の大きさの溶融池910を形成する。続けて、第1レーザ光LB1よりもパワーが大きい第2レーザ光LB2を溶融池910に照射する。 In the example shown in FIG. 6A, the first laser light LB1 is irradiated so as to be positioned in front of the second laser light LB2 along the welding direction, and the first laser light LB1 is periodically scanned along the X direction. In this manner, the first laser light LB1 is first irradiated onto the workpiece 900 to form a molten pool 910 of a predetermined size. Next, the second laser light LB2, which has a power greater than that of the first laser light LB1, is irradiated onto the molten pool 910.

なお、本実施形態において、溶接方向に沿った第1レーザ光LB1の照射位置と第2レーザ光LB2の照射位置との距離Lを、第2レーザ光LB2のスポットSP2の中心と、当該中心から溶接方向に沿って延びる仮想線が交差する第1レーザ光LB1のスポットSP1の中心との間の距離とする。 In this embodiment, the distance L between the irradiation position of the first laser light LB1 and the irradiation position of the second laser light LB2 along the welding direction is defined as the distance between the center of the spot SP2 of the second laser light LB2 and the center of the spot SP1 of the first laser light LB1 where a virtual line extending from the center along the welding direction intersects.

レーザ溶接条件、具体的には、第2レーザ光LB2のパワーや溶接速度V、また、第1レーザ光LB1によって形成される溶融池910の大きさに応じて適宜変更される。例えば、第1レーザ光LB1のパワーに対して第2レーザ光LB2のパワーが大きい場合、第2レーザ光LB2により形成された溶融池910が、第1レーザ光LB1により形成された溶融池910を超えないように、距離Lを大きく取る。一方、第2レーザ光LB2のパワーを低くする場合は、第1レーザ光LB1により形成された溶融池910が固化しない程度に、距離Lを小さく取る。 The laser welding conditions, specifically, the power and welding speed V of the second laser light LB2, and the size of the molten pool 910 formed by the first laser light LB1 are appropriately changed. For example, when the power of the second laser light LB2 is large relative to the power of the first laser light LB1, the distance L is made large so that the molten pool 910 formed by the second laser light LB2 does not exceed the molten pool 910 formed by the first laser light LB1. On the other hand, when the power of the second laser light LB2 is reduced, the distance L is made small so that the molten pool 910 formed by the first laser light LB1 does not solidify.

距離Lの調整は、前述したように、ビームコンバイナ550の傾斜角度を予め調整することで行ってもよい。または、第1光路変更機構540のミラー541の位置を調整して、距離Lを調整してもよい。後者の場合、ピエゾアクチュエータ543に印加する直流電圧を調整することで、距離Lを予め調整してもよい。このようにすることで、第1レーザ光LB1や第2レーザ光LB2のパワーが、ワーク900の種類や材質によって変更された場合も、距離Lを簡便に変更できる。 As described above, the distance L may be adjusted by previously adjusting the tilt angle of the beam combiner 550. Alternatively, the distance L may be adjusted by adjusting the position of the mirror 541 of the first optical path changing mechanism 540. In the latter case, the distance L may be previously adjusted by adjusting the DC voltage applied to the piezoelectric actuator 543. In this way, the distance L can be easily changed even if the power of the first laser light LB1 or the second laser light LB2 is changed depending on the type or material of the workpiece 900.

また、図4Aに示す第1振幅A1は、X方向における第1レーザ光LB1の照射位置の変化量である。なお、本実施形態では、第1振幅A1を、X方向の一方の端部における第1レーザ光LB1のスポットSP1の中心と、他方の端部における第1レーザ光LB1のスポットSP1の中心との間の距離とする。 The first amplitude A1 shown in FIG. 4A is the amount of change in the irradiation position of the first laser light LB1 in the X direction. In this embodiment, the first amplitude A1 is the distance between the center of the spot SP1 of the first laser light LB1 at one end in the X direction and the center of the spot SP1 of the first laser light LB1 at the other end.

レーザ溶接条件に応じて第1振幅A1も変化させる。例えば、溶接速度Vが低くなるか、第2レーザ光LB2のパワーが高くなるにつれて、第1振幅A1が長くなるように、第1光路変更機構540は、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を変化させる。具体的には、第1光路変更機構540は、ロボットコントローラ730からの制御信号に応じて、第1振幅A1が長くなるように、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を変化させる。 The first amplitude A1 is also changed according to the laser welding conditions. For example, as the welding speed V decreases or the power of the second laser light LB2 increases, the first optical path changing mechanism 540 changes the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 so that the first amplitude A1 becomes longer. Specifically, the first optical path changing mechanism 540 changes the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 in response to a control signal from the robot controller 730 so that the first amplitude A1 becomes longer.

つまり、第2レーザ光LB2により形成される溶融池910が大きくなる程、第1振幅A1も長くする。このようにすることで、ハイブリッドレーザ溶接において、スパッタの発生を低減できる。 In other words, the larger the molten pool 910 formed by the second laser beam LB2, the longer the first amplitude A1 is. In this way, the occurrence of spatter can be reduced during hybrid laser welding.

また、第1レーザ光LB1の照射位置が変化する周期の逆数を第1周波数f1とするとき、溶接速度Vが高くなるか、第2レーザ光LB2のパワーが低くなるにつれて、第1周波数f1が高くなるように、第1光路変更機構540は、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を変化させる。具体的には、第1光路変更機構540は、ロボットコントローラ730からの制御信号に応じて、第1周波数f1が高くなるように、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を変化させる。このようにすることで、ハイブリッドレーザ溶接において、第2レーザ光LB2の照射位置の前方に溶融池910を確実に形成することができ、スパッタの発生を低減できる。 In addition, when the reciprocal of the period in which the irradiation position of the first laser light LB1 changes is the first frequency f1, the first optical path changing mechanism 540 changes the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 so that the first frequency f1 increases as the welding speed V increases or the power of the second laser light LB2 decreases. Specifically, the first optical path changing mechanism 540 changes the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 in response to a control signal from the robot controller 730 so that the first frequency f1 increases. In this way, in hybrid laser welding, the molten pool 910 can be reliably formed in front of the irradiation position of the second laser light LB2, and the occurrence of spatter can be reduced.

なお、第1レーザ光LB1の走査軌跡は、図4Aに示した例に限られず、例えば、図4Bに示すように、溶接方向と交差するように、第1レーザ光LB1を円弧状に走査してもよい。なお、図4Bに示す距離Rは、図4Aに示す距離Lに相当する。また、レーザ溶接条件に応じて、第1振幅A1や第1周波数f1を変化させる手法は、図4Aに示す例を用いて説明したのと同様である。 The scanning trajectory of the first laser light LB1 is not limited to the example shown in FIG. 4A. For example, as shown in FIG. 4B, the first laser light LB1 may be scanned in an arc shape so as to intersect with the welding direction. The distance R shown in FIG. 4B corresponds to the distance L shown in FIG. 4A. The method of changing the first amplitude A1 and the first frequency f1 according to the laser welding conditions is the same as that described using the example shown in FIG. 4A.

[効果等]
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工装置1000は、第1レーザ光LB1を出射する第1レーザ発振器100と、第1レーザ光LB1よりも波長の長い第2レーザ光LB2を出射する第2レーザ発振器200と、第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2をそれぞれ受け取って、ワーク900に向けて出射するレーザヘッド500と、を少なくとも備えている。また、レーザ加工装置1000は、レーザヘッド500が取り付けられるとともに、ワーク900に対してレーザヘッド500を移動させるロボット600を備えている。
[Effects, etc.]
As described above, the laser processing apparatus 1000 according to this embodiment includes at least the first laser oscillator 100 that emits the first laser beam LB1, the second laser oscillator 200 that emits the second laser beam LB2 having a longer wavelength than the first laser beam LB1, and the laser head 500 that receives the first laser beam LB1 and the second laser beam LB2 and emits them toward the workpiece 900. The laser processing apparatus 1000 also includes a robot 600 to which the laser head 500 is attached and which moves the laser head 500 relative to the workpiece 900.

レーザヘッド500は、筐体510と第1光路変更機構540と筐体510の内部に配置された複数の光学部品とを少なくとも有している。複数の光学部品には、第1コリメートレンズ520と第2コリメートレンズ530とビームコンバイナ550と集光レンズ560と保護ガラス570とが少なくとも含まれる。 The laser head 500 has at least a housing 510, a first optical path changing mechanism 540, and a plurality of optical components arranged inside the housing 510. The plurality of optical components includes at least a first collimating lens 520, a second collimating lens 530, a beam combiner 550, a condensing lens 560, and a protective glass 570.

筐体510には、第1レーザ光LB1が入射される第1入射口511と、第2レーザ光LB2が入射される第2入射口512と、第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2がそれぞれ出射される出射口513と、が設けられている。 The housing 510 is provided with a first inlet 511 through which the first laser light LB1 is incident, a second inlet 512 through which the second laser light LB2 is incident, and an outlet 513 through which the first laser light LB1 and the second laser light LB2 are each emitted.

第1光路変更機構540は、第1入射口511と出射口513との間の第1レーザ光LB1の光路中に配置されている。 The first optical path changing mechanism 540 is disposed in the optical path of the first laser light LB1 between the first entrance 511 and the exit 513.

ワーク900をレーザ溶接する場合、ロボット600により、レーザヘッド500を所定の溶接線に沿って移動させるとともに、第1レーザ光LB1は、第2レーザ光LB2と同時に、かつ溶接線に沿った方向において、第2レーザ光LB2の前方に照射される。 When laser welding the workpiece 900, the robot 600 moves the laser head 500 along a predetermined weld line, and the first laser light LB1 is irradiated simultaneously with the second laser light LB2 and in a direction along the weld line, ahead of the second laser light LB2.

第1光路変更機構540は、レーザ溶接条件に応じて、出射口513から出射される第1レーザ光LB1の光路を変化させる。 The first optical path changing mechanism 540 changes the optical path of the first laser light LB1 emitted from the emission port 513 according to the laser welding conditions.

なお、第1光路変更機構540は、ロボットコントローラ730からの制御信号に応じて動作する。言い換えると、レーザ加工装置1000は、少なくとも第1光路変更機構540の動作を制御するロボットコントローラ(コントローラ)730をさらに備えている。ロボットコントローラ730は、レーザ溶接条件に応じて、出射口513から出射される第1レーザ光LB1の光路を変化させるように第1光路変更機構540を動作させる。 The first optical path changing mechanism 540 operates in response to a control signal from the robot controller 730. In other words, the laser processing apparatus 1000 further includes a robot controller (controller) 730 that controls the operation of at least the first optical path changing mechanism 540. The robot controller 730 operates the first optical path changing mechanism 540 to change the optical path of the first laser light LB1 emitted from the emission port 513 in accordance with the laser welding conditions.

前述のレーザ溶接条件には、溶接線に沿ったレーザヘッド500の移動速度V、つまり、溶接速度Vと、第2レーザ光LB2のパワーとが少なくとも含まれる。 The above-mentioned laser welding conditions include at least the movement speed V of the laser head 500 along the weld line, i.e., the welding speed V, and the power of the second laser light LB2.

なお、ワーク900に照射される第1レーザ光LB1のスポット径と第2レーザ光LB2のスポット径とは、それぞれ溶融池910の大きさに影響する。また、第1レーザ光LB1のパワーが第2レーザ光LB2のパワーよりも低く、第1レーザ光LB1のスポット径が第2レーザ光LB2のスポット径よりも大きいことに鑑みれば、第2レーザ光LB2のパワーとスポット径とが、スパッタの発生に大きく影響する。 The spot diameters of the first laser light LB1 and the second laser light LB2 irradiated to the workpiece 900 each affect the size of the molten pool 910. In addition, considering that the power of the first laser light LB1 is lower than the power of the second laser light LB2 and the spot diameter of the first laser light LB1 is larger than the spot diameter of the second laser light LB2, the power and spot diameter of the second laser light LB2 greatly affect the occurrence of spatter.

このことに鑑みれば、出射口513から出射される第1レーザ光LB1の光路を変化させるのに関係するレーザ溶接条件には、第2レーザ光LB2のスポット径(ビーム径)も含まれる。 In view of this, the laser welding conditions related to changing the optical path of the first laser beam LB1 emitted from the emission port 513 also include the spot diameter (beam diameter) of the second laser beam LB2.

また、第1光路変更機構540は、レーザ溶接条件に応じて、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を溶接線と交差する方向に周期的に変化させる。つまり、ロボットコントローラ730は、レーザ溶接条件に応じて、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を溶接線と交差する方向に周期的に変化させるように、第1光路変更機構540の動作を制御する。 The first optical path changing mechanism 540 also periodically changes the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 in a direction intersecting the weld line according to the laser welding conditions. In other words, the robot controller 730 controls the operation of the first optical path changing mechanism 540 so as to periodically change the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 in a direction intersecting the weld line according to the laser welding conditions.

レーザ加工装置1000をこのように構成することで、第2レーザ光LB2によりワーク900に形成される溶融池910の大きさに対して、第1レーザ光LB1によりワーク900に形成される溶融池910の大きさを変化させることができる。 By configuring the laser processing device 1000 in this manner, the size of the molten pool 910 formed on the workpiece 900 by the first laser beam LB1 can be changed relative to the size of the molten pool 910 formed on the workpiece 900 by the second laser beam LB2.

このことにより、レーザ溶接条件を変更した場合にも、第1レーザ光LB1によりワーク900に形成される溶融池910を、第2レーザ光LB2によりワーク900に形成される溶融池910よりも大きくできる。その結果、レーザ溶接中に発生するスパッタを低減できる。 As a result, even if the laser welding conditions are changed, the molten pool 910 formed on the workpiece 900 by the first laser beam LB1 can be made larger than the molten pool 910 formed on the workpiece 900 by the second laser beam LB2. As a result, spatter generated during laser welding can be reduced.

また、第1レーザ光LB1により所望の大きさの溶融池910を形成する一方、第2レーザ光LB2のパワーをワーク900の材質や形状に合わせて変更することで、所望の溶込み深さを得ることができる。つまり、銅等のように近赤外の波長域のレーザ光に対して光吸収率の低い材質のワーク900に対しても、スパッタを低減しつつ、所望のレーザ溶接を行うことができる。 In addition, the desired size of the molten pool 910 is formed by the first laser beam LB1, while the power of the second laser beam LB2 is adjusted to match the material and shape of the workpiece 900, thereby obtaining the desired penetration depth. In other words, even for a workpiece 900 made of a material with low light absorption rate for laser beams in the near-infrared wavelength range, such as copper, it is possible to perform the desired laser welding while reducing spatter.

また、本実施形態によれば、第1レーザ光LB1によりワーク900に形成される溶融池910の大きさを変化させることで、ワーク900に形成される溶接ビード940の幅を変えることができる。このことにより、ワーク900の形状に合わせて溶接ビード940の幅を適切に設定できる。 In addition, according to this embodiment, the width of the weld bead 940 formed on the workpiece 900 can be changed by changing the size of the molten pool 910 formed on the workpiece 900 by the first laser light LB1. This allows the width of the weld bead 940 to be appropriately set to match the shape of the workpiece 900.

例えば、突き合わせ溶接等で、板材間のギャップ裕度を確保したい場合、前述の第1振幅A1を大きく設定して、溶接ビード940の幅を大きくすることができる。また、第1レーザ光LB1の照射により、溶接ビード940の幅を確保しつつ、第2レーザ光LB2のパワーやスポット径を適切に設定することで、溶込み深さを確保しつつ、溶け落ちの発生を防止できる。 For example, when it is desired to ensure a gap tolerance between plate materials in butt welding, the above-mentioned first amplitude A1 can be set large to increase the width of the weld bead 940. In addition, by irradiating the first laser light LB1, the width of the weld bead 940 can be ensured while the power and spot diameter of the second laser light LB2 are appropriately set, thereby ensuring the penetration depth and preventing burn-through.

溶接線と交差する方向における第1レーザ光LB1の照射位置の変化量を第1振幅A1とする。このとき、第1光路変更機構540は、溶接速度Vが低くなるか、または第2レーザ光LB2のパワーが高くなるにつれて、第1振幅A1が長くなるように、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を変化させるのが好ましい。 The amount of change in the irradiation position of the first laser light LB1 in the direction intersecting the weld line is defined as the first amplitude A1. At this time, it is preferable that the first optical path changing mechanism 540 changes the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 so that the first amplitude A1 becomes longer as the welding speed V decreases or the power of the second laser light LB2 increases.

溶接速度Vが低くなるか、または第2レーザ光LB2のパワーが高くなるにつれて、第2レーザ光LB2によりワーク900に形成される溶融池910が大きくなる。よって、このような場合は、第1振幅A1が長くなるようにすることで、第1レーザ光LB1によりワーク900に形成される溶融池910を大きくして、当該溶融池910の内部に第2レーザ光LB2が照射されるようにする。このようにすることで、溶融池910の突沸、ひいては、スパッタの発生が抑制される。 As the welding speed V decreases or the power of the second laser light LB2 increases, the molten pool 910 formed in the workpiece 900 by the second laser light LB2 becomes larger. Therefore, in such a case, the first amplitude A1 is lengthened to increase the size of the molten pool 910 formed in the workpiece 900 by the first laser light LB1, so that the second laser light LB2 is irradiated into the inside of the molten pool 910. In this way, the bumping of the molten pool 910 and, ultimately, the occurrence of spattering are suppressed.

第1レーザ光LB1の照射位置が変化する周期の逆数を第1周波数f1とする。このとき、第1光路変更機構540は、溶接速度Vが高くなるか、または第2レーザ光LB2のパワーが低くなるにつれて、第1周波数f1が高くなるように、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を変化させるのが好ましい。 The reciprocal of the period in which the irradiation position of the first laser light LB1 changes is defined as the first frequency f1. At this time, it is preferable that the first optical path changing mechanism 540 changes the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 so that the first frequency f1 increases as the welding speed V increases or the power of the second laser light LB2 decreases.

溶接速度Vが高くなるか、または第2レーザ光LB2のパワーが低くなるにつれて、第2レーザ光LB2によりワーク900に形成される溶融池910は小さくなる。このような場合は、第1周波数f1が高くなるようにすることで、第1レーザ光LB1の走査中に、第2レーザ光LB2の照射位置の前方に確実に溶融池910が形成するようにする。このようにすることで、当該溶融池910の内部に第2レーザ光LB2が照射されるようにでき、溶融池910の突沸、ひいては、スパッタの発生が抑制される。 As the welding speed V increases or the power of the second laser light LB2 decreases, the molten pool 910 formed in the workpiece 900 by the second laser light LB2 becomes smaller. In such a case, the first frequency f1 is increased to ensure that the molten pool 910 is formed in front of the irradiation position of the second laser light LB2 during scanning of the first laser light LB1. In this way, the second laser light LB2 can be irradiated inside the molten pool 910, suppressing the bumping of the molten pool 910 and the occurrence of spattering.

第1光路変更機構540は、溶接速度Vが低くなるか、または第2レーザ光LB2のパワーが高くなるにつれて、溶接線に沿った方向において、第1レーザ光LB1の照射位置と第2レーザ光LB2の照射位置との距離Lまたは距離Rが長くなるように、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を変化させるのが好ましい。 It is preferable that the first optical path changing mechanism 540 changes the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 so that the distance L or distance R between the irradiation position of the first laser light LB1 and the irradiation position of the second laser light LB2 in the direction along the weld line becomes longer as the welding speed V decreases or the power of the second laser light LB2 increases.

前述したように、第1レーザ光LB1のパワーに対して第2レーザ光LB2のパワーが大きい場合、第2レーザ光LB2により形成された溶融池910が、第1レーザ光LB1により形成された溶融池910を超えるおそれがある。このような現象は、溶接速度Vが低くなる場合にも同様に起こりうる。よって、距離Lまたは距離Rが長くなるようにすることで、第2レーザ光LB2により形成された溶融池910が、第1レーザ光LB1により形成された溶融池910を超えるのを防止できる。このことにより、レーザ溶接中の溶融池910の突沸、ひいては、スパッタの発生が抑制される。なお、ビームコンバイナ550の傾斜角度を変えることで、距離Lまたは距離Rを調整する場合は、この手法は採用しない。 As described above, when the power of the second laser light LB2 is large relative to the power of the first laser light LB1, the molten pool 910 formed by the second laser light LB2 may exceed the molten pool 910 formed by the first laser light LB1. This phenomenon may also occur when the welding speed V is low. Therefore, by increasing the distance L or the distance R, the molten pool 910 formed by the second laser light LB2 can be prevented from exceeding the molten pool 910 formed by the first laser light LB1. This suppresses the bumping of the molten pool 910 during laser welding, and thus the occurrence of spatter. Note that this method is not adopted when adjusting the distance L or the distance R by changing the inclination angle of the beam combiner 550.

また、ロボットコントローラ(コントローラ)730が第1光路変更機構540の動作を制御することで、第1光路変更機構540が前述した種々の動作を行うことは言うまでもない。 It goes without saying that the robot controller (controller) 730 controls the operation of the first optical path changing mechanism 540, causing the first optical path changing mechanism 540 to perform the various operations described above.

レーザ加工装置1000は、第1入射口511に接続され、第1レーザ光LB1をレーザヘッド500に伝送する第1光ファイバ300と、第2入射口512に接続され、第2レーザ光LB2をレーザヘッド500に伝送する第2光ファイバ400と、をさらに備えるのが好ましい。 The laser processing apparatus 1000 preferably further includes a first optical fiber 300 connected to the first inlet 511 and transmitting the first laser light LB1 to the laser head 500, and a second optical fiber 400 connected to the second inlet 512 and transmitting the second laser light LB2 to the laser head 500.

このようすることで、第1レーザ発振器100及び第2レーザ発振器200から遠く離れた場所にあるワーク900に対して、レーザ溶接を行うことができる。 In this way, laser welding can be performed on a workpiece 900 that is located far away from the first laser oscillator 100 and the second laser oscillator 200.

ロボットコントローラ(コントローラ)730は、第1光路変更機構540の動作に加えて、ロボット600の動作も制御する。 The robot controller (controller) 730 controls the operation of the robot 600 in addition to the operation of the first optical path changing mechanism 540.

第1光路変更機構540は、ロボットコントローラ730からの制御信号により、ロボット600の動作と連動して、出射口513から出射される第1レーザ光LB1の光路を変化させる。 The first optical path changing mechanism 540 changes the optical path of the first laser light LB1 emitted from the emission port 513 in conjunction with the operation of the robot 600 in response to a control signal from the robot controller 730.

前述したように、溶接速度Vは、ロボット600を動作させることでワーク900に対して移動するレーザヘッド500の移動速度Vに相当する。また、溶接速度(移動速度)Vが、第2レーザ光LB2により形成される溶融池910の大きさ、ひいてはスパッタの発生に大きく影響していることも前述した通りである。 As mentioned above, the welding speed V corresponds to the movement speed V of the laser head 500, which is moved relative to the workpiece 900 by operating the robot 600. Also, as mentioned above, the welding speed (movement speed) V has a large effect on the size of the molten pool 910 formed by the second laser light LB2, and thus on the occurrence of spatter.

したがって、ロボットコントローラ730からの制御信号により、ロボット600の動作と連動して第1光路変更機構540を動作させて、第1レーザ光LB1の光路、言い換えると、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を変化させるのが好ましい。このようにすることで、溶融池910の大きさを適切に制御してスパッタの発生を抑制できる。 Therefore, it is preferable to operate the first optical path changing mechanism 540 in conjunction with the operation of the robot 600 using a control signal from the robot controller 730 to change the optical path of the first laser beam LB1, in other words, the irradiation position of the first laser beam LB1 on the surface of the workpiece 900. In this way, the size of the molten pool 910 can be appropriately controlled to suppress the occurrence of spatter.

本実施形態に係るレーザ溶接方法は、第1レーザ光LB1と第1レーザ光LB1よりも波長の長い第2レーザ光LB2とをワーク900に照射して、ワーク900をレーザ溶接する、いわゆるハイブリッドレーザ溶接方法である。 The laser welding method according to this embodiment is a so-called hybrid laser welding method in which a first laser beam LB1 and a second laser beam LB2 having a longer wavelength than the first laser beam LB1 are irradiated onto the workpiece 900 to laser weld the workpiece 900.

このレーザ溶接方法は、第1レーザ光LB1を、第2レーザ光LB2と同時に、かつワーク900の表面における所定の溶接線に沿った方向において、第2レーザ光LB2の前方に照射して、ワーク900をレーザ加工するステップを少なくとも備えている。 This laser welding method includes at least a step of irradiating the first laser light LB1 simultaneously with the second laser light LB2 and in a direction along a predetermined weld line on the surface of the workpiece 900, ahead of the second laser light LB2, to laser process the workpiece 900.

また、当該ステップにおいて、レーザ溶接条件に応じて、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を変化させる。さらに言うと、レーザ溶接条件に応じて、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を溶接線と交差する方向に周期的に変化させる。 In addition, in this step, the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 is changed according to the laser welding conditions. More specifically, the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 is periodically changed in a direction intersecting the weld line according to the laser welding conditions.

レーザ溶接条件には、溶接速度V、つまり、溶接線に沿ったレーザヘッド500の移動速度Vと、第2レーザ光LB2のパワーと、ワーク900に照射される第2レーザ光LB2のスポット径(ビーム径)とが、少なくとも含まれる。 The laser welding conditions include at least the welding speed V, i.e., the movement speed V of the laser head 500 along the weld line, the power of the second laser light LB2, and the spot diameter (beam diameter) of the second laser light LB2 irradiated onto the workpiece 900.

レーザ溶接方法をこのように構成することで、銅等のように近赤外の波長域のレーザ光に対して光吸収率の低い材質のワーク900に対して、レーザ溶接条件を変更した場合にも、スパッタを低減しつつ、所望のレーザ溶接を行うことができる。 By configuring the laser welding method in this way, it is possible to perform the desired laser welding while reducing spatter even when the laser welding conditions are changed for a workpiece 900 made of a material that has a low light absorption rate for laser light in the near-infrared wavelength range, such as copper.

また、ワーク900に形成される溶接ビード940の幅を変えることができるため、例えば、突き合わせ溶接等で、板材間のギャップ裕度を確保したい場合にも、溶込み深さを確保しつつ、溶け落ちの発生を防止できる。 In addition, because the width of the weld bead 940 formed on the workpiece 900 can be changed, even when it is necessary to ensure a gap tolerance between plate materials, for example in butt welding, it is possible to prevent burn-through while ensuring the penetration depth.

溶接速度Vが低くなるか、または第2レーザ光LB2のパワーが高くなるにつれて、第1振幅A1が長くなるように、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を変化させることが好ましい。このようにすることで、第1レーザ光LB1によりワーク900に形成される溶融池910を大きくして、当該溶融池910の内部に第2レーザ光LB2が照射されるようにし、溶融池910の突沸、ひいては、スパッタの発生が抑制される。 As the welding speed V decreases or the power of the second laser light LB2 increases, it is preferable to change the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 so that the first amplitude A1 becomes longer. In this way, the molten pool 910 formed on the workpiece 900 by the first laser light LB1 is enlarged, and the second laser light LB2 is irradiated into the inside of the molten pool 910, thereby suppressing the bumping of the molten pool 910 and the occurrence of spatters.

溶接速度Vが高くなるか、または第2レーザ光LB2のパワーが低くなるにつれて、第1周波数f1が高くなるように、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を変化させるのが好ましい。 It is preferable to change the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 so that the first frequency f1 increases as the welding speed V increases or the power of the second laser light LB2 decreases.

このようにすることで、第1レーザ光LB1の走査中に、第2レーザ光LB2の照射位置の前方に確実に溶融池910が形成することができる。当該溶融池910の内部に第2レーザ光LB2が照射されるため、溶融池910の突沸、ひいては、スパッタの発生が抑制される。 In this way, the molten pool 910 can be reliably formed in front of the irradiation position of the second laser beam LB2 while the first laser beam LB1 is scanning. Since the second laser beam LB2 is irradiated into the inside of the molten pool 910, the bumping of the molten pool 910 and the occurrence of spattering are suppressed.

溶接速度Vが低くなるか、または第2レーザ光LB2のパワーが高くなるにつれて、溶接線に沿った方向において、第1レーザ光LB1の照射位置と第2レーザ光LB2の照射位置との距離Lまたは距離Rが長くなるように、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を変化させるのが好ましい。 As the welding speed V decreases or the power of the second laser light LB2 increases, it is preferable to change the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 so that the distance L or distance R between the irradiation position of the first laser light LB1 and the irradiation position of the second laser light LB2 in the direction along the weld line increases.

距離Lまたは距離Rが長くなるようにすることで、第2レーザ光LB2により形成された溶融池910が、第1レーザ光LB1により形成された溶融池910を超えるのを防止できる。このことにより、レーザ溶接中の溶融池910の突沸、ひいては、スパッタの発生が抑制される。 By increasing the distance L or the distance R, the molten pool 910 formed by the second laser beam LB2 can be prevented from exceeding the molten pool 910 formed by the first laser beam LB1. This suppresses the occurrence of bumping of the molten pool 910 during laser welding, and thus spattering.

以下、本開示の技術を実施例によりさらに詳しく説明する。なお、以下に示す実施例は、本開示に示す技術を何ら制限するものではない。 The technology disclosed herein will be explained in more detail below using examples. Note that the examples shown below do not limit the technology disclosed herein in any way.

図7は、実施例1、2及び比較例に係る溶接ビードの外観を示す図である。 Figure 7 shows the appearance of the weld beads for Examples 1 and 2 and the comparative example.

<実施例1>
ワーク900として、銅からなる板材を準備した。このワーク900に対して、溶接方向に沿って第1レーザ光LB1を照射し、溶接線に沿って、第1レーザ光LB1の後方に第2レーザ光LB2を第1レーザ光LB1と同時に照射した。その結果、ワーク900の表面に直線状の溶接ビードを形成した(図7の中央の写真参照)。
Example 1
A copper plate was prepared as the workpiece 900. The first laser beam LB1 was irradiated along the welding direction of the workpiece 900, and the second laser beam LB2 was irradiated along the weld line behind the first laser beam LB1 at the same time as the first laser beam LB1. As a result, a linear weld bead was formed on the surface of the workpiece 900 (see the central photograph in FIG. 7).

レーザ溶接におけるパラメータの値は以下の通りとした。まず、第1レーザ光LB1の波長λ1は、450nmであり、第2レーザ光LB2の波長λ2は、975nmであった。 The parameter values for laser welding were as follows. First, the wavelength λ1 of the first laser light LB1 was 450 nm, and the wavelength λ2 of the second laser light LB2 was 975 nm.

また、溶接速度Vを50mm/secとした。第1レーザ光LB1のパワーを800Wとし、第2レーザ光LB2のパワーを1900Wとした。ワーク900の表面における第1レーザ光LB1のスポット径を400μmとし、第2レーザ光LB2のスポット径を40μmとした。 The welding speed V was set to 50 mm/sec. The power of the first laser light LB1 was set to 800 W, and the power of the second laser light LB2 was set to 1900 W. The spot diameter of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 was set to 400 μm, and the spot diameter of the second laser light LB2 was set to 40 μm.

第1レーザ光LB1を照射するにあたって、図7の中央に示すように、第1レーザ光LB1をX方向に沿って周期的に往復させながら走査した。この場合の第1振幅A1を400μmとし、第1周波数f1を200Hzとした。また、溶接方向に沿った第1レーザ光LB1の照射位置と第2レーザ光LB2の照射位置との距離Lを50μmとした。 When irradiating the first laser beam LB1, as shown in the center of FIG. 7, the first laser beam LB1 was scanned while periodically moving back and forth along the X direction. In this case, the first amplitude A1 was set to 400 μm, and the first frequency f1 was set to 200 Hz. In addition, the distance L between the irradiation position of the first laser beam LB1 and the irradiation position of the second laser beam LB2 along the welding direction was set to 50 μm.

この場合、図7の中央に示すように、第1レーザ光LB1のX方向に沿った一方の端部のスポットSP1は、他方の端部のスポットSP1と一部重なるように、ワーク900に照射された。 In this case, as shown in the center of FIG. 7, the spot SP1 at one end of the first laser light LB1 along the X direction was irradiated onto the workpiece 900 so as to partially overlap with the spot SP1 at the other end.

<実施例2>
第1振幅A1を500μmとした以外は、実施例1と同じ方法及びパラメータでワーク900に対して第1レーザ光LB1と第2レーザ光LB2とをワーク900に照射した。その結果、ワーク900の表面に直線状の溶接ビード940を形成した(図7の右側の写真参照)。
Example 2
Except for setting the first amplitude A1 to 500 μm, the first laser beam LB1 and the second laser beam LB2 were irradiated onto the workpiece 900 using the same method and parameters as in Example 1. As a result, a linear weld bead 940 was formed on the surface of the workpiece 900 (see the photograph on the right side of FIG. 7 ).

この場合、図7の右側に示すように、第1レーザ光LB1のX方向に沿った一方の端部のスポットSP1は、他方の端部のスポットSP1とX方向で離間するように、ワーク900に照射された。 In this case, as shown on the right side of FIG. 7, the spot SP1 at one end of the first laser light LB1 along the X direction is irradiated onto the workpiece 900 so as to be spaced apart in the X direction from the spot SP1 at the other end.

<比較例>
ワーク900に対して、互いの光軸が一致するようにして、第1レーザ光LB1と第2レーザ光LB2とをワーク900に対して同時に照射した。その結果、ワーク900の表面に直線状の溶接ビード940を形成した(図7の左側の写真参照)。
Comparative Example
The first laser beam LB1 and the second laser beam LB2 were simultaneously irradiated onto the workpiece 900 with the optical axes of the first laser beam LB1 and the second laser beam LB2 aligned with each other. As a result, a linear weld bead 940 was formed on the surface of the workpiece 900 (see the photograph on the left side of FIG. 7 ).

第1レーザ光LB1の波長λ1及び第2レーザ光LB2の波長λ2は、実施例1,2と同じであり、第1レーザ光LB1のパワー及び第2レーザ光LB2のパワーも実施例1,2と同じとした。また、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1のスポット径及び第2レーザ光LB2のスポット径も、実施例1,2と同じであり、溶接速度Vも実施例1,2と同じとした。 The wavelength λ1 of the first laser light LB1 and the wavelength λ2 of the second laser light LB2 were the same as in Examples 1 and 2, and the power of the first laser light LB1 and the power of the second laser light LB2 were also the same as in Examples 1 and 2. In addition, the spot diameter of the first laser light LB1 and the spot diameter of the second laser light LB2 on the surface of the workpiece 900 were also the same as in Examples 1 and 2, and the welding speed V was also the same as in Examples 1 and 2.

ただし、第1レーザ光LB1のX方向への走査は行わなかった。つまり、前述した第1振幅A1はゼロであり、距離Lもゼロとした。 However, the first laser light LB1 was not scanned in the X direction. In other words, the first amplitude A1 described above was zero, and the distance L was also zero.

<実施例1,2と比較例との結果比較>
図7に示すように、比較例では、溶接ビード940の幅Wは、1121μmとなった。一方、実施例1では、溶接ビード940の幅Wは、1209μmとなり、実施例2では、溶接ビード940の幅Wは、1445μmとなった。
<Comparison of Results Between Examples 1 and 2 and Comparative Example>
7, in the comparative example, width W of weld bead 940 was 1121 μm. On the other hand, in example 1, width W of weld bead 940 was 1209 μm, and in example 2, width W of weld bead 940 was 1445 μm.

実施例1,2に示す方法でレーザ溶接を行った場合に、溶接ビード940の幅Wが、比較例に示す方法でレーザ溶接を行った場合に比べて大きくなったのは、第1レーザ光LB1を第1振幅A1でX方向に走査したためと推定される。つまり、第1レーザ光LB1をX方向に走査することで、狙い通り、第1レーザ光LB1により形成される溶融池910を比較例に示す場合よりも大きくすることができたと考えられる。このことは、実施例1に示す場合よりも、第1振幅A1を大きくした実施例2の方が、溶接ビード940の幅Wが大きくなったことからも支持されると考えられる。 When laser welding was performed using the methods shown in Examples 1 and 2, the width W of the weld bead 940 was larger than when laser welding was performed using the method shown in the comparative example. This is presumably because the first laser beam LB1 was scanned in the X direction at the first amplitude A1. In other words, by scanning the first laser beam LB1 in the X direction, it is believed that the molten pool 910 formed by the first laser beam LB1 was made larger than in the comparative example, as intended. This is also supported by the fact that the width W of the weld bead 940 was larger in Example 2, in which the first amplitude A1 was larger than in Example 1.

また、溶接ビード940の形成後に、溶接ビード940を含むワーク900の表面をカメラで撮像した。得られた画像を画像処理して、ワーク900の表面におけるスパッタの付着数を推定した。 After the weld bead 940 was formed, the surface of the workpiece 900, including the weld bead 940, was imaged with a camera. The obtained image was processed to estimate the number of spatter deposits on the surface of the workpiece 900.

比較例に示す場合のスパッタの付着数を100個として規格化した場合、実施例1に示す場合のスパッタの付着数は67個であり、実施例1に示す場合のスパッタの付着数は62個であった。 When the number of sputter particles attached in the comparative example was normalized to 100, the number of sputter particles attached in the example 1 was 67, and the number of sputter particles attached in the example 1 was 62.

つまり、本開示の技術を適用した実施例1,2において、比較例に示す場合よりもスパッタを低減できることが明らかとなった。言い換えると、第1レーザ光LB1を、第2レーザ光LB2と同時に、かつ第2レーザ光LB2の前方に照射してレーザ溶接を行う場合、ワーク900の表面における第1レーザ光LB1の照射位置を溶接線と交差する方向に周期的に変化させることで、スパッタを低減できることが確認できた。 In other words, it was confirmed that in Examples 1 and 2 in which the technology disclosed herein was applied, spatter could be reduced more than in the comparative example. In other words, when laser welding is performed by irradiating the first laser light LB1 simultaneously with the second laser light LB2 and in front of the second laser light LB2, spatter can be reduced by periodically changing the irradiation position of the first laser light LB1 on the surface of the workpiece 900 in a direction intersecting the weld line.

(その他の実施形態)
前述したように、本実施形態に開示したレーザ溶接はレーザ加工の一態様である。レーザ加工には、レーザ溶接以外にワーク900を切断するレーザ切断も含まれる。また、これに限られず、本実施形態におけるレーザ加工では、第1レーザLB光1及び第2レーザ光LB2の照射により溶融池910が形成され、かつ第1レーザLB光1及び第2レーザ光LB2が所定の加工線に沿って照射される。
Other Embodiments
As described above, the laser welding disclosed in this embodiment is one aspect of laser processing. Laser processing includes laser cutting for cutting the workpiece 900 in addition to laser welding. In addition, the laser processing is not limited to this. In the laser processing in this embodiment, a molten pool 910 is formed by irradiation with the first laser LB light 1 and the second laser light LB2, and the first laser LB light 1 and the second laser light LB2 are irradiated along a predetermined processing line.

つまり、本願明細書において「溶接」とある箇所は「加工」と読み替えててもよい。例えば、レーザ溶接条件はレーザ加工条件と読み替えられる。レーザ溶接方法はレーザ加工方法と読み替えられる。溶接速度Vは加工速度Vと読み替えられる。また、溶接線は加工線と読み替えられる。 In other words, in this specification, "welding" may be read as "processing." For example, laser welding conditions may be read as laser processing conditions. A laser welding method may be read as a laser processing method. A welding speed V may be read as a processing speed V. Also, a weld line may be read as a processing line.

また、前述したように、第1レーザLB光1及び第2レーザ光LB2が所定の加工線に沿って照射するにあたって、レーザヘッド500の位置を固定する一方、図示しないステージ移動機構が設けられたステージ800をXY平面に沿って移動させてもよい。 As described above, when the first laser beam LB1 and the second laser beam LB2 are irradiated along a predetermined processing line, the position of the laser head 500 may be fixed, while the stage 800 provided with a stage movement mechanism (not shown) may be moved along the XY plane.

また、このことに鑑みると、本開示のレーザ加工装置1000は、ワーク900及びレーザヘッド500の一方を他方に対して移動させる移動機構を有していればよいと言える。この移動機構には、ロボット600も前述したステージ移動機構も含まれる。 In view of this, it can be said that the laser processing apparatus 1000 disclosed herein only needs to have a movement mechanism that moves one of the workpiece 900 and the laser head 500 relative to the other. This movement mechanism includes the robot 600 and the stage movement mechanism described above.

つまり、本開示のレーザ加工装置1000は、以下の構成を備えている。 In other words, the laser processing device 1000 disclosed herein has the following configuration:

第1レーザ光LB1を出射する第1レーザ発振器100と、第1レーザ光LB1よりも波長の長い第2レーザ光LB2を出射する第2レーザ発振器200と、第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2をそれぞれ受け取って、ワーク900に向けて出射するレーザヘッド500と、を少なくとも備えている。また、レーザ加工装置1000は、ワーク900及びレーザヘッド500の一方を他方に対して移動させる移動機構を備えている。 The laser processing device 1000 includes at least a first laser oscillator 100 that emits a first laser beam LB1, a second laser oscillator 200 that emits a second laser beam LB2 having a longer wavelength than the first laser beam LB1, and a laser head 500 that receives the first laser beam LB1 and the second laser beam LB2 and emits them toward a workpiece 900. The laser processing device 1000 also includes a movement mechanism that moves one of the workpiece 900 and the laser head 500 relative to the other.

レーザヘッド500は、筐体510と第1光路変更機構540と筐体510の内部に配置された複数の光学部品とを少なくとも有している。複数の光学部品には、第1コリメートレンズ520と第2コリメートレンズ530とビームコンバイナ550と集光レンズ560と保護ガラス570とが少なくとも含まれる。 The laser head 500 has at least a housing 510, a first optical path changing mechanism 540, and a plurality of optical components arranged inside the housing 510. The plurality of optical components includes at least a first collimating lens 520, a second collimating lens 530, a beam combiner 550, a condensing lens 560, and a protective glass 570.

筐体510には、第1レーザ光LB1が入射される第1入射口511と、第2レーザ光LB2が入射される第2入射口512と、第1レーザ光LB1及び第2レーザ光LB2がそれぞれ出射される出射口513と、が設けられている。 The housing 510 is provided with a first inlet 511 through which the first laser light LB1 is incident, a second inlet 512 through which the second laser light LB2 is incident, and an outlet 513 through which the first laser light LB1 and the second laser light LB2 are each emitted.

第1光路変更機構540は、第1入射口511と出射口513との間の第1レーザ光LB1の光路中に配置されている。 The first optical path changing mechanism 540 is disposed in the optical path of the first laser light LB1 between the first entrance 511 and the exit 513.

ワーク900をレーザ加工する場合、前述した移動機構により、レーザヘッド500及びワーク900の一方を他方に対して移動させるとともに、第1レーザ光LB1は、第2レーザ光LB2と同時に、かつ所定の加工線に沿った方向において、第2レーザ光LB2の前方に照射される。 When laser processing the workpiece 900, the laser head 500 and the workpiece 900 are moved relative to each other by the above-mentioned movement mechanism, and the first laser light LB1 is irradiated simultaneously with the second laser light LB2 and in front of the second laser light LB2 in a direction along a predetermined processing line.

第1光路変更機構540は、レーザ加工条件に応じて、出射口513から出射される第1レーザ光LB1の光路を変化させる。 The first optical path changing mechanism 540 changes the optical path of the first laser light LB1 emitted from the emission port 513 according to the laser processing conditions.

言い換えると、レーザ加工装置1000は、少なくとも第1光路変更機構540の動作を制御するコントローラをさらに備えている。コントローラは、レーザ加工条件に応じて、出射口513から出射される第1レーザ光LB1の光路を変化させるように第1光路変更機構540を動作させる。 In other words, the laser processing apparatus 1000 further includes a controller that controls the operation of at least the first optical path changing mechanism 540. The controller operates the first optical path changing mechanism 540 to change the optical path of the first laser light LB1 emitted from the emission port 513 in accordance with the laser processing conditions.

当該コントローラは、前述の移動機構及び第1光路変更機構540の動作をそれぞれ制御してもよい。 The controller may control the operation of the movement mechanism and the first optical path changing mechanism 540.

この場合、第1光路変更機構540は、当該コントローラからの制御信号により、前述の移動機構の動作と連動して、出射口513から出射される第1レーザ光LB1の光路を変化させてもよい。 In this case, the first optical path changing mechanism 540 may change the optical path of the first laser light LB1 emitted from the emission port 513 in conjunction with the operation of the aforementioned moving mechanism in response to a control signal from the controller.

本開示のレーザ加工装置は、ハイブリッドレーザ加工において、レーザ加工条件が変更された場合にもスパッタの発生を低減できるため、有用である。 The laser processing device disclosed herein is useful in hybrid laser processing because it can reduce the occurrence of spatter even when the laser processing conditions are changed.

100 第1レーザ発振器
200 第2レーザ発振器
300 第1光ファイバ
400 第2光ファイバ
500 レーザヘッド
510 筐体
511 第1入射口
512 第2入射口
513 出射口
520 第1コリメートレンズ
530 第2コリメートレンズ
540 第1光路変更機構
550 ビームコンバイナ
560 集光レンズ
570 保護ガラス
600 ロボット
710 第1レーザコントローラ
720 第2レーザコントローラ
730 ロボットコントローラ(コントローラ)
800 ステージ
900 ワーク
1000 レーザ加工装置
LB1 第1レーザ光
LB2 第2レーザ光
100 First laser oscillator 200 Second laser oscillator 300 First optical fiber 400 Second optical fiber 500 Laser head 510 Housing 511 First entrance 512 Second entrance 513 Exit 520 First collimating lens 530 Second collimating lens 540 First optical path changing mechanism 550 Beam combiner 560 Condenser lens 570 Protective glass 600 Robot 710 First laser controller 720 Second laser controller 730 Robot controller (controller)
800 Stage 900 Workpiece 1000 Laser processing device LB1 First laser beam LB2 Second laser beam

Claims (12)

第1レーザ光を出射する第1レーザ発振器と、
前記第1レーザ光よりも波長の長い第2レーザ光を出射する第2レーザ発振器と、
前記第1レーザ光及び前記第2レーザ光をそれぞれ受け取って、ワークに向けて出射するレーザヘッドと、
前記ワーク及び前記レーザヘッドの一方を他方に対して移動させる移動機構と、
を少なくとも備えたレーザ加工装置であって、
前記レーザヘッドは、筐体と第1光路変更機構と前記筐体の内部に配置された複数の光学部品とを少なくとも有し、
前記筐体には、
前記第1レーザ光が入射される第1入射口と、
前記第2レーザ光が入射される第2入射口と、
前記第1レーザ光及び前記第2レーザ光がそれぞれ出射される出射口と、が設けられ、
前記第1光路変更機構は、前記第1入射口と前記出射口との間の前記第1レーザ光の光路中に配置され、
前記ワークをレーザ加工する場合、前記移動機構により、前記ワーク及び前記レーザヘッドの一方を他方に対して移動させるとともに、前記第1レーザ光は、前記第2レーザ光と同時に、かつ所定の加工線に沿った方向において、前記第2レーザ光の前方に照射され、
前記第1光路変更機構は、レーザ加工条件に応じて、前記出射口から出射される前記第1レーザ光の光路を変化させ、
前記レーザ加工条件には、前記加工線に沿った前記レーザヘッドの移動速度と、前記第2レーザ光のパワーと、前記ワークに照射された前記第2レーザ光のスポット径とが、少なくとも含まれることを特徴とするレーザ加工装置。
a first laser oscillator that emits a first laser beam;
a second laser oscillator that emits a second laser beam having a longer wavelength than the first laser beam;
a laser head that receives the first laser light and the second laser light and emits them toward a workpiece;
a moving mechanism that moves one of the workpiece and the laser head relative to the other;
A laser processing apparatus comprising at least
the laser head has at least a housing, a first optical path changing mechanism, and a plurality of optical components disposed inside the housing;
The housing includes:
a first entrance through which the first laser light is incident;
a second entrance port through which the second laser light is incident;
an emission port through which the first laser light and the second laser light are respectively emitted,
the first optical path changing mechanism is disposed in an optical path of the first laser light between the first entrance and the exit,
When the workpiece is laser-machined, the moving mechanism moves one of the workpiece and the laser head relative to the other, and the first laser light is irradiated forward of the second laser light in a direction along a predetermined processing line, simultaneously with the second laser light;
the first optical path changing mechanism changes an optical path of the first laser light emitted from the emission port in accordance with laser processing conditions;
The laser processing conditions include at least a moving speed of the laser head along the processing line, a power of the second laser light, and a spot diameter of the second laser light irradiated onto the workpiece.
請求項1に記載のレーザ加工装置において、
前記第1光路変更機構は、前記レーザ加工条件に応じて、前記ワークの表面における前記第1レーザ光の照射位置を前記加工線と交差する方向に周期的に変化させることを特徴とするレーザ加工装置。
2. The laser processing apparatus according to claim 1,
A laser processing apparatus characterized in that the first optical path changing mechanism periodically changes the irradiation position of the first laser light on the surface of the workpiece in a direction intersecting the processing line in accordance with the laser processing conditions.
請求項2に記載のレーザ加工装置において、
前記加工線と交差する方向における前記第1レーザ光の照射位置の変化量を第1振幅とするとき、
前記第1光路変更機構は、前記レーザヘッドの移動速度が低くなるか、または前記第2レーザ光のパワーが高くなるにつれて、前記第1振幅が長くなるように、前記ワークの表面における前記第1レーザ光の照射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工装置。
3. The laser processing apparatus according to claim 2,
When an amount of change in the irradiation position of the first laser light in a direction intersecting the processing line is defined as a first amplitude,
A laser processing apparatus characterized in that the first optical path changing mechanism changes the irradiation position of the first laser light on the surface of the workpiece so that the first amplitude becomes longer as the moving speed of the laser head decreases or the power of the second laser light increases.
請求項2に記載のレーザ加工装置において、
前記第1レーザ光の照射位置が変化する周期の逆数を第1周波数とするとき、
前記第1光路変更機構は、前記レーザヘッドの移動速度が高くなるか、または前記第2レーザ光のパワーが低くなるにつれて、前記第1周波数が高くなるように、前記ワークの表面における前記第1レーザ光の照射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工装置。
3. The laser processing apparatus according to claim 2,
When the reciprocal of the period in which the irradiation position of the first laser light changes is defined as a first frequency,
A laser processing apparatus characterized in that the first optical path changing mechanism changes the irradiation position of the first laser light on the surface of the workpiece so that the first frequency becomes higher as the moving speed of the laser head increases or the power of the second laser light decreases.
請求項2に記載のレーザ加工装置において、
前記第1光路変更機構は、前記レーザヘッドの移動速度が低くなるか、または前記第2レーザ光のパワーが高くなるにつれて、前記加工線に沿った方向において、前記第1レーザ光の照射位置と前記第2レーザ光の照射位置との距離が長くなるように、前記ワークの表面における前記第1レーザ光の照射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工装置。
3. The laser processing apparatus according to claim 2,
The laser processing apparatus is characterized in that the first optical path changing mechanism changes the irradiation position of the first laser light on the surface of the workpiece so that the distance between the irradiation position of the first laser light and the irradiation position of the second laser light becomes longer in the direction along the processing line as the moving speed of the laser head decreases or the power of the second laser light increases.
請求項1に記載のレーザ加工装置において、
前記第1入射口に接続され、前記第1レーザ光を前記レーザヘッドに伝送する第1光ファイバと、
前記第2入射口に接続され、前記第2レーザ光を前記レーザヘッドに伝送する第2光ファイバと、をさらに備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. The laser processing apparatus according to claim 1,
a first optical fiber connected to the first entrance and configured to transmit the first laser light to the laser head;
a second optical fiber connected to the second entrance and transmitting the second laser light to the laser head.
請求項1に記載のレーザ加工装置において、
前記移動機構及び前記第1光路変更機構の動作をそれぞれ制御するコントローラをさらに備え、
前記第1光路変更機構は、前記コントローラからの制御信号により、前記移動機構の動作と連動して、前記出射口から出射される前記第1レーザ光の光路を変化させることを特徴とするレーザ加工装置。
2. The laser processing apparatus according to claim 1,
a controller that controls the operation of the moving mechanism and the first optical path changing mechanism,
The laser processing apparatus is characterized in that the first optical path changing mechanism changes the optical path of the first laser light emitted from the exit port in conjunction with the operation of the moving mechanism in response to a control signal from the controller.
第1レーザ光と前記第1レーザ光よりも波長の長い第2レーザ光とをワークに照射して、前記ワークをレーザ加工するレーザ加工方法であって、
前記第1レーザ光を、前記第2レーザ光と同時に、かつ前記ワークの表面における所定の加工線に沿った方向において、前記第2レーザ光の前方に照射して、前記ワークをレーザ加工するステップを少なくとも備え、
レーザ加工条件に応じて、前記ワークの表面における前記第1レーザ光の照射位置を変化させ、
前記レーザ加工条件には、前記加工線に沿った前記第2レーザ光の照射位置の移動速度と、前記第2レーザ光のパワーと、前記ワークに照射された前記第2レーザ光のスポット径とが、少なくとも含まれることを特徴とするレーザ加工方法。
A laser processing method for laser processing a workpiece by irradiating the workpiece with a first laser beam and a second laser beam having a longer wavelength than the first laser beam, comprising:
The method includes at least a step of irradiating the first laser light and the second laser light simultaneously in a direction along a predetermined processing line on a surface of the workpiece, forward of the second laser light, to laser process the workpiece;
changing an irradiation position of the first laser light on a surface of the workpiece according to laser processing conditions;
The laser processing method characterized in that the laser processing conditions include at least a moving speed of the irradiation position of the second laser light along the processing line, a power of the second laser light, and a spot diameter of the second laser light irradiated to the workpiece.
請求項8に記載のレーザ加工方法において、
前記レーザ加工条件に応じて、前記ワークの表面における前記第1レーザ光の照射位置を前記加工線と交差する方向に周期的に変化させることを特徴とするレーザ加工方法。
9. The laser processing method according to claim 8,
A laser processing method comprising periodically changing an irradiation position of the first laser light on the surface of the workpiece in a direction intersecting the processing line according to the laser processing conditions.
請求項9に記載のレーザ加工方法において、
前記加工線と交差する方向における前記第1レーザ光の照射位置の変化量を第1振幅とするとき、
前記加工線に沿った前記第2レーザ光の照射位置の移動速度が低くなるか、または前記第2レーザ光のパワーが高くなるにつれて、前記第1振幅が長くなるように、前記ワークの表面における前記第1レーザ光の照射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工方法。
10. The laser processing method according to claim 9,
When an amount of change in the irradiation position of the first laser light in a direction intersecting the processing line is defined as a first amplitude,
A laser processing method characterized in that the irradiation position of the first laser light on the surface of the workpiece is changed so that the first amplitude becomes longer as the moving speed of the irradiation position of the second laser light along the processing line becomes slower or the power of the second laser light becomes higher.
請求項9に記載のレーザ加工方法において、
前記第1レーザ光の照射位置が変化する周期の逆数を第1周波数とするとき、
前記加工線に沿った前記第2レーザ光の照射位置の移動速度が高くなるか、または前記第2レーザ光のパワーが低くなるにつれて、前記第1周波数が高くなるように、前記ワークの表面における前記第1レーザ光の照射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工方法。
10. The laser processing method according to claim 9,
When the reciprocal of the period in which the irradiation position of the first laser light changes is defined as a first frequency,
A laser processing method comprising changing an irradiation position of the first laser light on a surface of the workpiece so that the first frequency becomes higher as the moving speed of the irradiation position of the second laser light along the processing line becomes higher or the power of the second laser light becomes lower.
請求項9に記載のレーザ加工方法において、
前記加工線に沿った前記第2レーザ光の照射位置の移動速度が低くなるか、または前記第2レーザ光のパワーが高くなるにつれて、前記加工線に沿った方向において、前記第1レーザ光の照射位置と前記第2レーザ光の照射位置との距離が長くなるように、前記ワークの表面における前記第1レーザ光の照射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工方法。
10. The laser processing method according to claim 9,
A laser processing method characterized in that the irradiation position of the first laser light on the surface of the workpiece is changed so that the distance between the irradiation position of the first laser light and the irradiation position of the second laser light in a direction along the processing line becomes longer as the moving speed of the irradiation position of the second laser light along the processing line becomes slower or the power of the second laser light becomes higher.
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