JP7119094B2 - レーザ処理装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ処理装置及び方法に関する。特に、本発明は、レーザ処理による材料の溶接に関する。

レーザビームで金属を溶接する際、レーザビームは、典型的には、コンデンサレンズを通して１００－５００μｍのスポットに集光され、エネルギー密度を増大し、ワークピースを瞬間的に１５００°Ｃ以上の温度に加熱して、ワークピースを溶かす。同時に、溶融金属の酸化を防止するためにアシストガスを供給することができる。固体レーザ又はファイバレーザからの１マイクロメートル波長帯のレーザビームは、ＣО_２レーザの１０マイクロメートル波長帯のレーザビームと比較して、金属ワークにおける非常に高い光エネルギー強度と吸収を実現する。しかしながら、ガウスビームを用いた1マイクロメートルの波長帯レーザビームを酸素アシストガスと共に用いて軟鋼板のワークピースを切断すると、ワークピースの頂面のメルト幅が不必要に広くなり、カーフコントロールが損われる。さらに、レーザ切断の品質を低下させる自己燃焼が発生する可能性がある。

環状又は「ドーナツ」のような形状を有すると説明することができる強度プロファイルを提供するリング形状のレーザビームの使用は、レーザ材料処理の分野で知られている。所定の厚さの金属の切断は、従来のビームプロファイルの代わりにドーナツビームを用いると、ずっと低い電力レベルで実行することができるため、切断速度及び品質を向上させることができる。

特許文献１は、レーザビームをマルチクラッドファイバに向けて、出力レーザビームの異なるビームプロファイル特性を生成する、入力レーザビームが内部ファイバコア又は外部リングコアに選択的に結合される、様々な構成を開示している。

このような材料処理アプリケーションは、レーザビームの輝度を最大化するよう努めている。輝度は、単位立体角及び単位面積当たりの屈折力として定義される。輝度の重要性の例として、レーザビームの輝度を増大させることにより、処理速度又は材料の厚さを増大させることができる。高輝度レーザビームは、例えば、ファイバレーザ及び薄型ディスクレーザから得ることができる。ダイレクトダイオードレーザの輝度も常に向上しているが、材料処理用の市販のダイレクトダイオードレーザは、ファイバレーザや薄型ディスクレーザの輝度にはまだ達していない。

米国特許第８７８１２６９号公報

従来のレーザ溶接では、レーザビームの溶け込みが溶接シームに沿って変化することがあり、その結果、不規則な又は粗い溶接シームが生じ得る。従って、レーザ溶接のための改善された方法及び装置が必要である。

本発明は、独立請求項の特徴によって定義される。いくつかの特定の実施形態は、従属請求項で定義される。

本発明の一態様によれば、レーザ溶接装置は、各々が少なくとも１つの第１の光フィードファイバに第１のレーザビームを提供する少なくとも１つの第１のレーザデバイスと、各々が少なくとも１つの第２の光フィードファイバに第２のレーザビームを提供する少なくとも１つの第２のレーザデバイスと、ワークピースを溶接するための第１の出力レーザビーム及び第２の出力レーザビームを含む複合レーザビームを生成する手段であって、第１の出力レーザビームは、円形断面を有し、且つ、第２の出力レーザビームは、第１の出力レーザビームと同心の環状形状を有する、手段と、を備える。第２のレーザデバイスは、ファイバレーザデバイス又はファイバ結合レーザデバイスである。前記装置は、少なくとも第２のレーザビームに基づいて第２の出力レーザビームを形成するように構成され、第２の出力レーザビームは、少なくとも１０ナノメートルの差を有する第１の波長及び第２の波長、又は、第２の出力レーザビームは、少なくとも１０ナノメートルのスペクトル幅を有する。

本発明の第２の態様によれば、ワークピースをレーザビームで溶接する方法は、少なくとも１つの第１のレーザデバイスに接続された少なくとも１つの第１の光フィードファイバから少なくとも１つの第１のレーザビームを提供する工程と、少なくとも１つの第２のレーザデバイスに接続された少なくとも１つの第２の光フィードファイバから少なくとも１つの第２のレーザビームを提供する工程と、ワークピースを溶接するための第１の出力レーザビーム及び第２の出力レーザビームを含む複合レーザビームを生成する工程であって、第１の出力レーザビームは円形の断面を有し、且つ、第２の出力レーザビームは第１の出力レーザビームと同心の環状形状を有する、工程と、を含み、第２の出力レーザビーム（２）は、ファイバレーザデバイス又はファイバ結合レーザデバイスによって、少なくとも第２のレーザビームに基づいて形成され、第２の出力レーザビーム（２）は、少なくとも１０ナノメートルの差を有する第１の波長及び第２の波長を含み又は、第２の出力レーザビーム（２）は、少なくとも１０ナノメートルのスペクトル幅を有する。

一実施形態によれば、第２の出力レーザビームの波長は、８００～８１５ｎｍである。

一実施形態によれば、第１のレーザデバイスは、ファイバレーザデバイスを備え、第２のレーザデバイスは、ファイバ結合ダイオードレーザデバイスを備える。

一実施形態によれば、レーザ処理装置及び複合レーザビームは、１～２０ｍｍの厚さを有するアルミニウム板を溶接するように構成される。

一実施形態によれば、第１及び第２のレーザデバイスに機能的に接続され、第１及び／又は第２の出力レーザビームのパワー密度を個別に制御する、制御ユニットが設けられる。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態をより詳細に説明する。

以下において、本発明は、添付の図面を参照して詳細に説明される。

本発明のいくつかの実施形態によるレーザ溶接作業の例を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による複合レーザビームの断面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるレーザ溶接作業の例を示す図である。 図２Ａは、本発明のいくつかの実施形態による第２の出力レーザビームの特性を示す図である。図２Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による第２の出力レーザビームの特性を示す図である。 複合レーザビームを集束するための光学配置を示す図である。 レイリー長に関連するビームパラメータを示す図である。 焦点シフトのシミュレーション結果を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による、レーザビームプロファイル出力制御のための制御ユニットを示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による装置の例を示す図である。 いくつかの実施形態による結合手段の受容端を示す断面図である。 いくつかの実施形態による結合手段の出力における屈折率プロファイルを示す図である。 一実施形態による光学コンポーネントを概略的に示す図である。

溶接品質を向上させることができる方法及び装置が提供される。これは、以下でさらに説明される特定の複合レーザビーム構成を適用することによって実現される。

図１Ａを参照すると、本特徴は、実質的に円形の断面を有する第１のレーザ出力ビーム１及び第１のレーザ出力ビームと同心の実質的に環状の形状を有する第２のレーザ出力ビーム２が、レーザ処理ヘッド３から溶接されるワークピース４の部分に照射される、方法及び装置に適用することができる。従って、第１の出力レーザビーム１は、円形又は中心ビームと称され、第２の出力レーザビーム２は、環状又はリングビームと称される。

図１Ｂには、レーザ処理ヘッド３からワークピース４に発せられる複合レーザビーム７の構造が示されている。環状外側リングビーム２は、第２のレーザデバイスによって提供されるレーザ出力を運ぶ。これに対応して、内部中心ビーム１は、第１のレーザデバイスによって提供されるレーザ出力を運ぶ。

いくつかの実施形態では、中心ビーム１は、ファイバレーザ（デバイス）からのレーザビームに基づいて形成され、リングビーム２は、ファイバレーザ（デバイス）又はファイバ結合レーザ（デバイス）によって形成される。中心ビーム１及びリングビーム２を、溶接される要素に選択的に向けることができる。

図１Ｃに示すように、中心ビーム１を、ワークピースにキーホールパターンを引き起こすように構成することができる。ビーム１と２との間は、迷光のみが提供されるか、あるいは、レーザ放射が全く提供されない、環状のゾーン８である。

複合レーザビーム７に特定の環状ビーム構成を適用して溶接品質を向上させる。いくつかの実施形態では、リングビーム２は、２つの異なる波長を有するビーム２ａ、２ｂを含む。 図２Ａにさらに示すように、リングビーム２は、平均波長の違いを指し得る、少なくとも１０ナノメートルの差を有する第１の波長及び第２の波長を含むことができる。いくつかの代替の実施形態では、図２Ｂを参照すると、リングビーム２は、少なくとも１０ナノメートルのスペクトル幅を有し、これは、いくつかの実施形態において異なる波長を有する１つ以上のビームによって形成され得るリングビーム２の全スペクトル幅を指し得る。図２Ｂは、スペクトル幅を決定するための１つのオプションを示すに過ぎず、リングビームのスペクトル幅は、強度ピークのより高い強度レベルで定義され得ることに留意されたい。さらなる実施形態におけるスペクトル幅を、１００ｎｍを超えず、１０～５０ｎｍなど、１０ｎｍ～１００ｎｍの間の領域で選定することができる。

平均波長で少なくとも１０ｎｍの差又は少なくとも１０ｎｍの広いスペクトルを適用する本構成は、ビームの経路に沿った侵入深さをより小さい変動にすることができる。このことは、特定の環状ビーム構造なしで提供された線５と比較して、変化が比較的小さい図１Ｃの線６によって示されている。加えて、スパッタの量を低減し、低い気孔率を達成することができる。さらに、平均波長で少なくとも１０ｎｍの差又は少なくとも１０ｎｍの広いスペクトルを有するリングビーム２を用いて、アルミニウム及びアルミニウム合金を溶接している間に変形させずに表面から酸化アルミニウムを除去することができる。この方法により、酸化アルミニウムのクロージャの量を低減し、溶接シームの品質をより良くより強くすることができる。加えて、酸化物を除去するための溶接前の追加の準備を回避し又は低減することができる。

特定の複合レーザビーム構成は、リングビーム２において異なるスペクトル幅でテストされている。１０ｎｍのスペクトル幅は、５ｎｍのスペクトル幅よりも実質的に良好なシーム品質及び低い気孔率を提供することが観察された。例示的な構成では、リングビーム２の約１００ｎｍのスペクトル幅は、各々が２０ｎｍの間隔で１０ｎｍのスペクトル幅を有する４つのレーザビーム源（第２のレーザデバイス出力において）を設定することによって達成することができる。例えば、１０３０～１０９０ｎｍの領域の波長を適用することができる。

図３を参照すると、レーザビーム変換のための光学システムが示されている。かような光学システムを、少なくともいくつかの実施形態では、複合レーザビーム７のためのレーザ処理ヘッド３に適用することができる。

コリメーションレンズ及び集束レンズの焦点距離は、それぞれｆｃｏｌ及びｆｆｏｃでであり、Θ_０は収束角、d_０はビーム径、Ｚ_Ｒはワークピースの焦点でのレイリー距離である。

焦点径は、発散角及び集束ビームのビームパラメータ積（ｂｐｐ）に依存する。

ここで、Ｍ^２はビームの理想係数であり、λはビームの自由空間波長である。

図４は、レイリー距離に関連するビームパラメータをさらに示している。レイリー距離は、処理ヘッドの光学系で用いられている材料の屈折率の分散により、スペクトルの広いレーザの波長で焦点シフトＤｆを評価するのに適したスケールである。レイリー距離Ｚ_Ｒは、レーザビームが焦点にある焦点距離を与える。パラメータｂ＝２Ｚ_Ｒは、焦点深度として説明することができる。理想的なガウスレーザビームのレイリー距離は、焦点での最小ビーム半径ｗ_０及び波長λによって定義される。

非理想的な又はマルチモードのレーザビームの場合、レイリー距離は、理想的なガウスビームよりも係数Ｍ^２だけ小さくなる。Ｄｆ＜＜Ｚ_Ｒの場合、ビームの異なる波長によって引き起こされる焦点距離の変化は、レーザ処理品質に大きな影響を与えないかもしれない。一方、Ｄｆ～Ｚ_Ｒ又はＤｆ>Ｚ_Ｒの場合、波長スペクトルの幅がレーザ溶接品質に大きな影響を与える可能性がある。処理される材料の厚さも品質に影響することに注意されたい。

図５は、溶融シリカからなる単一のレンズ要素の屈折率のばらつきによる焦点シフトのシミュレーション結果を示している。この例では、２５０ｍｍ焦点レンズを用いたレーザ溶接時に、第２の出力レーザビームの第１の波長２ａと第２の波長２ｂの波長の差が１５ｎｍの場合での０．１ｍｍの焦点シフトを達成することができる。典型的な処理ヘッドでのように、複数のレンズ要素を用いる場合には、分散による焦点シフトも単一の要素の場合と比較して増大する。

ファイバ又はファイバ結合レーザ（デバイス）の出力レベルは、問題となるアプリケーションのニーズに応じて、０～１０ｋＷ以上に制御することができる。多くのアプリケーションでは、リングビーム２に約１～４ｋＷのファイバレーザ出力電力レベルを適用することができる。

本特定の複合ビーム構成は、従来のレーザビームが用いられる場合と比較して、溶接に低出力レベルを適用することを可能にする。例示的な実施形態では、レーザ出力は、中心ビーム１では６００Ｗ及びリングビーム２では１ｋＷであり、アルミニウム（例えば、３０００シリーズのアルミニウム）を溶接する場合の溶接速度は１００ｍｍ／秒とすることができる。これらのパラメータを用いると、１ｍｍの溶け込み深さ及び非常に優れたレーザ溶接品質を達成することができる。

レーザ溶接シームのメルトプールの長さは、中心１及びリングビーム２の溶接パラメータを適切に制御することにより、本特定の複合ビーム構成で最適化することができる。スパッタは、メルトプールの長さを最適化し、メルトプール内の乱流を最小化することにより大幅に低減することができる。加えて、メルトプールの長さを最適化することにより、メルトが固化する前に、ガス及び気泡がメルトから逃げるのに十分な時間を与えることができる。これにより、気孔率が低下し、溶接シーム内のボイドの数が減少する。

いくつかの実施形態では、リングビーム２内のファイバ又はファイバ結合レーザの波長は、１０３０～１０９０ｎｍの領域内にある。中心ビーム１内のファイバレーザの波長は、問題となるアプリケーションに応じて、いくつかの実施形態では、例えば１０７０ｎｍなどの７００～１２００ｎｍの領域内で選定することができる。

いくつかの実施形態では、レーザ処理装置及び複合レーザビームは、アルミニウム板を溶接するように適合されている。アルミニウム板は、１～２０ｍｍ、好ましくは１～１０ｍｍの厚さを有することができる。例えば、８００～１１００ｎｍの範囲内にあるリングビーム２の波長を選定することができる。リングビーム２の波長が８０８ｎｍの場合、波長８０８ｎｍに吸収ピークがあるため、少なくとも６０００シリーズのアルミニウム合金片を溶接する場合に、特に良好な品質の溶接結果を得ることができる。

他のいくつかの実施形態では、第２の出力レーザビーム２は、ファイバ結合ダイオードレーザビームを含むことができる。リングビーム２に適切なファイバ結合ダイオードレーザビームを追加することにより、複合レーザビーム７の光出力の吸収の増大が促進される。

一実施形態では、ファイバレーザとダイオードレーザとの組み合わせが適用されて、リングビーム２が形成される。例えば、リングビーム２用の（第２のレーザデバイス又はさらなる第３のレーザデバイスの）光源の１つは、ダイオード光を発しても良い。これにより、図１Ｃの線６によっても示されるように、環状ビーム用のダイオードレーザデバイスなしで提供される線５と比較して、比較的小さな変動で浸透深さの安定性をさらに向上させることができる。かような実施形態では、ビーム２ａは、ファイバレーザビームを指し、ビーム２ｂは、ダイオードレーザビームを指すことがある。いくつかの実施形態では、ダイオードレーザビームの波長は、リングビームにおいて０．５～１．５μｍの範囲内にある。いくつかの実施形態では、１０～５０Ｗの範囲内のダイオードレーザ出力パワーレベルが、リングビーム２に適用される。いくつかの実施形態では、リングビーム内のファイバビーム及びダイオードビーム、並びに、それらの出力レベルは、独立して採用することができる。

従って、本開示の特徴を適用し、追加のダイオード光を複合レーザビーム溶接に適用することによって達成できる様々な利点がある。１つの有利な点は、溶接シームの品質及び均一性を向上することができることである。環状リング内のファイバレーザと組み合わせたダイオード光の特定の構成により、溶接品質を向上させることができる。さらに、被処理材のメルトプールをより安定させることができるため、スパッタを低減することができる。

図６は、レーザ装置の中心１及びリングビーム２の生成を制御するための、いくつかの実施形態による制御ユニット１０を示す。制御ユニット１０は、中心ビーム１及び／又はリングビーム２を生成するように構成された少なくとも１つのレーザユニット１２に直接的又は間接的に接続されている。制御ユニット１０は、電力制御のための適切なソフトウェアを備えた汎用コンピュータを備えることができ、又は、制御ユニットは、マイクロコントローラを備えることができる。制御ユニットは、シングル又はマルチコアプロセッサとすることができる少なくとも１つのプロセッサ１１を備え、シングルコアプロセッサは１つの処理コアを備え、マルチコアプロセッサは２つ以上の処理コアを備える。プロセッサは、少なくとも１つの特定用途向け集積回路、ＡＳＩＣを備えることができる。プロセッサを、デバイスにおいて方法ステップを実行するための手段とすることができる。プロセッサを、少なくとも部分的にコンピュータ命令によって、本開示の特定の複合ビーム構成及びプロファイルを制御するように構成することができる。

制御ユニットデバイスは、メモリ１３を備えることができる。メモリは、ランダムアクセスメモリ及び／又は永久メモリを備えることができる。メモリは、少なくとも１つのＲＡＭチップを含むことができる。メモリは、例えば、ソリッドステート、磁気、光学及び／又はホログラフィックメモリを備えることができる。メモリを、少なくとも部分的にプロセッサにアクセス可能とすることができる。メモリは、プロセッサ１１が実行するように構成されているコンピュータ命令１４を備えることができる。プロセッサに特定のアクションを実行させるように構成されたコンピュータ命令がメモリに格納され、デバイス全体がメモリからのコンピュータ命令を用いてプロセッサの指示の下で実行されるように構成されている場合、プロセッサ及び／又はその少なくとも1つの処理コアは、前記特定のアクションを実行するように構成されていると見なすことができる。メモリ１３を、少なくとも部分的にプロセッサが含むことができる。メモリ１３は、少なくとも部分的にデバイスの外部にあるものの制御ユニットデバイスにアクセス可能であるものとすることができる。

本開示の特徴は、メモリ１３に格納され、プロセッサ１１で実行されると、プロセッサにレーザユニット１２へのそれぞれの出力制御信号によってレーザビーム１、２ａ、２ｂの構成を制御させる命令を備える、少なくとも1つのコンピュータプログラムによって引き起こされることができる。メモリ１３はまた、プロセッサによって制御されるリングビーム２及び／又は中心ビーム１の特性に影響を与える様々なパラメータ１５、例えば、異なる中心及び／又はリングビームパラメータ及びオペレータによって調整可能な異なる溶接プロファイル及びプログラムを定義するパラメータセットを格納することができる。

制御ユニットデバイスは、ユーザインタフェース、ＵＩ１６を備えることができる。ＵＩは、例えば、ディスプレイ、キーボード、タッチスクリーンのうちの少なくとも１つを含むことができる。制御ユニットを、ユーザ入力に少なくとも部分的に基づいて、レーザビーム構成及び／又はパラメータを制御するように構成することができる。制御ユニット１０は、また、レーザ溶接操作の進行を監視するセンサ及び／又は処理中のワークピースの特性を検出するセンサなどの１つ又は複数のセンサ１７に接続することができる。制御ユニット１０は、少なくとも１つのセルラー又は非セルラー規格に従って情報を送信及び受信するように構成された送信機及び受信機などの他のユニットも備えることができる。

いくつかの実施形態によれば、制御ユニット１０を、他のビームの状態に関係なく、中心ビーム１及び／又はリングビーム２のパワー密度を個別に制御するように構成することができる。中心ビーム１のパワー密度とリングビーム２のパワー密度との関係は、溶接されるワークの厚さに応じて制御することができる。例えば、制御ユニット１０は、リングレーザビームをオフにするための所定の厚さ限界値を下回るワークピースの厚さに応答して、リングビームをオフにするように構成することができる。いくつかの実施形態では、限界値は、４～８ミリメートル、一実施形態では６ｍｍ、の範囲から選択される。溶接される材料に応じて、異なるパワー密度、及び、中心ビーム１とリングビーム２との関係を制御することができる。

制御ユニット１０によって制御することができる他の溶接パラメータもある。そのようなパラメータのいくつかの例としては、溶接進行速度、中心及び/又はリングビームの直径、変調オン/オフ、変調パラメータ、及び他のビームプロパティが含まれるが、これらに限定されない。

実施形態は、スポット溶接及び連続溶接の用途に適用することができる。連続溶接の場合、レーザ処理ヘッドの移動方向のリングビーム２の先縁が最初の強度ピークを引き起こし、リングビーム２の後縁が２番目の強度ピークを引き起こす。従って、要素は段階的に加熱され、後縁及び前縁の強度レベルは、単一のスポットビームと比較して低くなることができ、適切な溶融を引き起こす。予熱に加えて、前縁は、汚染物質のアブレーションも供する。これにより、急激な温度変化を回避し、その後の焼戻し、従って急激な温度変化によって引き起こされるより弱い領域を回避又は少なくとも低減することができる。連続溶接でのリングビームの使用は、スパッタを回避する上でも有利である。一実施形態では、中心ビーム１のパワー密度を低く設定するか、または中心ビームを完全に閉じることさえもできる。従って、過熱を回避することができる。

複合レーザビーム７、すなわち中心ビーム１とリングビーム２とのハイブリッドは、元のレーザデバイスからのレーザビームとマルチコア光ファイバのフィードファイバとを組み合わせることによって生成することができ、得られた中心ビーム１及びリングビーム２を有する複合レーザビームをワークピースに向けることができる。第１の光フィードファイバを、マルチコア光ファイバの第１のコアと位置合わせすることができ、第２の光フィードファイバを、マルチコア光ファイバの第２のコアと位置合わせすることができる。マルチコア光ファイバの第１のコアは円形の断面を有し、第２のコアは第１のコアと同心の環状形状を有する。いくつかのさらなる例示的な実施形態を以下に示す。

いくつかの実施形態では、図１Ｃの図も参照して、キーホールレーザ溶接が熱伝導溶接と組み合わせて適用され、動的に適応可能な中心及びリングレーザビームプロファイルを提供する。熱伝導溶接を、典型的には、材料の厚さが約２ｍｍまでの金属シートの溶接に適用することができる。伝導溶接が可能なレーザで処理された金属シートは、金属の比較的浅いが広いスポットに影響を与える。典型的なキーホールパターンは、ファイバレーザなどの高輝度レーザによって引き起こされる。キーホールの直径は、１ミリメートル未満、例えば、０．１ミリメートルの領域であっても良く、スポットの直径は、例えば、３ミリメートルなどの数ミリメートルの領域であっても良い。純粋なキーホール溶接と円形及び環状のレーザビームによるハイブリッド溶接の適用とを比較すると、ハイブリッド溶接の溶け込みは、同じ処理速度を用いた純粋なキーホール溶接のそれよりも、少なくとも２０％深いことがわかっている。

図７は、独立した中心及びリングビーム出力制御を可能にし、そこでそれにより特定の複合レーザビーム構成上の上記例示された特徴の少なくともいくつかを適用することができる装置の一実施形態を示す。第１のレーザ（デバイス）３０は、光フィードファイバ３２でレーザビームコンバイナ３４に接続される。同様に、１つ又は複数の第２のレーザ３１は、フィードファイバ３３でビームコンバイナ３４に接続される。コンバイナの役割は、全ての入力レーザビームを配列してデュアルコア光ファイバ３５に結合することである。従って、レーザ装置のハイブリッドの性質は、単一のデュアルコア光ファイバ３５の内部を伝播する２つのレーザビームを有する結果である。ファイバ３５内の２つのレーザビームは、典型的には、異なる輝度及び強度プロファイルを有し、異なる波長を有することができる。さらに、２つのレーザビームの出力レベルは、第１のレーザ３０及び第２のレーザデバイス３１からの出力レベルを調整することによって、独立して連続的に制御することができる。

ビームの十分な輝度を達成するために、第１のレーザデバイス３０を、ダイオード励起の単一又は複数のファイバレーザ発振器又はマスター発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）モジュールを備える高輝度ファイバレーザとすることができ、各々が、例えば、ファイバ共振器に結合されたファイバ結合ダイオードレーザからなる。高輝度レーザのさらなる例は、ダイオードレーザからの光で励起される、ファイバ結合薄ディスクレーザ又はＮｄ－ＹＡＧレーザである。多くのアクティブな固体光増幅材料は絶縁体であるため、モデムレーザ技術は、エネルギー伝達媒体として光に依存することが良くある。ダイオードレーザは、効率が高く、光スペクトルが狭いため、エネルギーポンプとして以前に用いられていたフラッシュランプに取って代わった。

第２のレーザデバイス３１は、上述したように、リングビーム２構成を形成するための特定の第２のレーザビームを提供するように構成することができる。第２のレーザデバイス３１を、例えば薄ディスクレーザ共振器（図示せず）のようなダイオードレーザによって励起される固体レーザ共振器を備えることができる、ファイバレーザ又はファイバ結合レーザとすることができる。デュアルコア光ファイバ３５は、図８Ａに示すように、第１のレーザデバイス３０からのレーザビームをその中心コアに運び、１つ又は複数の第２のレーザデバイス３１によって生成されたビームを中心コアから離れて中心コアの周りに環状に配置された外側コアに運ぶように配置することができる。

いくつかの実施形態では、第１及び第２のレーザデバイス３０、３１は両方とも、ファイバレーザであり、各々が独立に制御可能な出力レベルを有する。一部のレーザは、構造上ファイバレーザであり、本質的に光を光ファイバに送り、他のものは、ファイバと光学的に干渉してレーザビームを出力ファイバのコアに位置合わせさせる必要がある。レーザ装置の目的及び個々のレーザモジュールの出力定格及び他の特性は、どのタイプのレーザがビームコンバイナ３４に接続されることが可能であるかを決定する。

いくつかの実施形態では、装置は、ビームコンバイナ３４にダイオードレーザビームを提供するさらなるダイオードレーザデバイス（図示せず）を備える。ビームコンバイナ３４は、ダイオードレーザビームをマルチコア光ファイバの少なくとも１つの第２のコアと位置合わせさせるように構成されている。

デュアルコア光ファイバは、反対側の端部で、結合又は複合レーザビーム７をワークピース２１に向けてガイドするレーザ処理ヘッド２０に接続される。レーザ処理ヘッド２０は通常は、コリメートレンズ及び集束レンズを備え、ファイバ３５の端部からワークピース２１上に現れる強度プロファイルの画像を、レンズの焦点距離によって決定される所望のサイズで生成する。レーザヘッド２０の役割は、加圧ガスジェットを溶接ラインに提供することでもあり得る。加圧ガスを加えて、レーザヘッド２０内の光学系を溶融金属の噴出からさらに保護し、それを溶接ラインから除去して、それを清浄に保つのに役立つこともできる。一実施形態において、酸素アシストガスは、少なくとも溶接進行転換点に関連して適用され、追加のエネルギーを提供し、これらの点における溶接エッジ品質をさらに向上させることができる。

本発明の一実施形態では、装置は、上述の制御ユニット１０などの制御ユニットを備える。 制御ユニットは、レーザデバイス３０又は３１の１つに統合されることもできる。あるいは、全てのユニット３０、３１及び１０を、利便性及び信頼性のために、単一のハウジング内に配置し、それらの構造において互いに統合することができる。図示のように、制御ユニット１０は、リング２及び中心１ビームのプロファイルの独立した出力制御を実行し、上記の特徴の少なくともいくつかを適用することにより、実行中に調整されることができる動的に調整可能なリング－中心ビームを可能にするのに用いることができる。制御ユニットを、レーザデバイス３０、３１のうちの少なくとも１つの変調及び／又は他のパラメータを制御するように構成することができる。好ましくは、両レーザビームの変調は、別々に動的に制御される。従って、同じ装置により多種多様な溶接の用途及び目的が可能になる。ビームプロファイルは、異なる材料、コーティング、及び／又は厚さといった、困難な溶接タイプ/アプリケーションの様々な要求に合わせて動的に調整することができる。

制御ユニット１０は、レーザヘッド２０のユーザからのフィードバック３６、又は、例えば光強度センサから自動フィードバックを受信するように構成することができる。次いで、フィードバック又は入力を用いて、レーザ３０及び３１の出力を制御し、所定のターゲットを追跡するか、ワークピース２１で観察された引き起こされた溶接結果に従ってレーザ出力を調整する。制御ユニット１０又は別の制御ユニットは、ワークピースに対するレーザ処理ヘッド２０の動きといった、装置の他の機能を制御することもできる。

本発明によれば、ビームコンバイナ３４は、光出力がコンバイナ構造全体を介して溶融シリカの内部を伝搬する、溶融シリカコンポーネントでできており、コンバイナは、入力及び出力に光ファイバを有する。従って、本発明では、ビームコンバイナ３４は、全ガラスファイバコンバイナと称することができる。

図８Ａには、一次クラッド５４を有する中心コア５１を有する、例示的なデュアル／マルチコア光ファイバ５０の断面が示されている。外側コア５３は、内側クラッド５４及び外側クラッド５５によって空間的に形成される。当業者には明らかなように、クラッドは、コアの屈折率よりも低い屈折率を有する材料として定義される。例えば、中心コア５１の直径を７０μｍとすることができ、外側コア５３の内径及び外径を、それぞれ、１００μｍ及び１８０μｍとすることができる。中心及び周辺コア５１及び５３は、上述のもの以外の形態をとることもできる。中心コア５１を、例えば、正方形又は長方形の形状とすることができる。周辺コア５３は、長方形の境界を有し、又は、直線又は円形の形状の複数のセグメントから構成されることもできる。

破線は、ビームコンバイナからの溶融フィードファイバ５６及び５７（図９のファイバ７２及び７１）の端部のコアが、デュアルコア光ファイバ５０の断面とどのように位置合わせすることができるかを示している。例えば、（リングビーム２を形成するための）周辺コア５３に位置合わせされた４つのフィードファイバ５７の各々は、２０ｎｍ間隔で１０ｎｍのスペクトル幅を有することができ、その結果、リングビーム２の約１００ｎｍの合計スペクトル幅になる。

デュアルコア光ファイバ５０の中心コア５１におけるレーザ放射は、中央の狭い空間強度プロファイルを有し、一方、外側コア５３における強度分布は、ドーナツの形状をとる。この空間強度パターンは、レーザヘッド２０内の処理光学系によりワークピース上にさらに画像化される。この構成では、レーザビームのビーム品質は、中心コアと外側コアとの両方で比較的高くなる。

次に、図８Ｂを参照すると、光デュアルコアファイバ５０の例示的な屈折率プロファイルが示されている。コア５１及び５３は、それぞれ包囲材料５４及び５５の屈折率ｎ_５４及びｎ_５５よりも高い屈折率ｎ_５１及びｎ_５３を有する。このようにして、レーザビームは、環状の強度プロファイルの起こり得る劣化を最小限に抑え、各コアの光出力及び強度の減衰を抑えてワークピースにガイドされる。

溶融シリカの屈折率を、それに不純物をドープすることで調整することができる。溶融シリカをゲルマニウムでドープすると屈折率が増大し、フッ素でドープすると屈折率が低下する。従って、コア５１及び５３は、例えば、Ｇｅドープ又は非ドープの溶融シリカからなり、それらの一次クラッド５４及び５５は、例えば、Ｆドープの溶融シリカからなる。

図９には、ファイバコンバイナ３４の主要な光学コンポーネント７０が示されている。それは、溶融シリカガラスチューブ７７、少なくとも２つのレーザデバイスからの光フィードファイバ７１及び７２（例えばデバイス３０及び３１のファイバ３２及び３３）によって運ばれるレーザビーム（図示せず）を受信するための入力端７６からなる本体部分を有するマルチボア毛細管である。それは、同じ方向に互いに位置合わせされた少なくとも２つのレーザビームからなる複合出力レーザビームを伝達するための反対の出力端７４も有する。

入力端７６に入る光フィードファイバ７１、７２は、毛細管ボア内の本体部分を通って出力端７４まで延在し、ガラスチューブ７７と融合して、光ガイドコア７１ａ、７２ａからなり、ガラス材料を取り囲んでいるコンポーネントを形成する。コアは、コアの周りを取り囲むガラス材料の屈折率よりも高い屈折率を有し、全内部反射によって、コンポーネント全体を通るコア内の光出力の伝搬を提供する。

ファイバコンバイナの原理を示すために、コアの寸法及びコンポーネント７０の寸法は縮尺どおりではなく、明確にするために、いくつかのコアのみが破線で示されている。

光学コンポーネント７０を、例えば図面により製造することができる。この例では、中心に直径約３００μｍのファイバ７２用の大きいボア、及び、中心ボア７２に対して対称的且つ周辺に配置されたファイバ７１用の４つの小さいボアがあっても良い。小さいボアは、例えば、約１５０μｍの直径を有することができる。毛細管の外径は、例えば１ｍｍとすることができる。管の材料を、例えば、溶融シリカとすることができる。バルクガラス（図示せず）の外側クラッディングが少なくとも部分的にエッチングで除去されていることが好ましいファイバは、中間ボアに挿入され、毛細管テーパの腰部分７３に押し通される。ファイバが置かれた際に、毛細管７０は腰部７３で加熱されて、ファイバをチューブに融合させ、全てが光学コンポーネント７０を通って延びる、第１の中心光ガイドコア７２ａ及び第２の光ガイドコア７１ａを形成する。

ファイバ７１、７２は、代替として、純粋な溶融シリカ材料の内部コア及びＦドープの溶融シリカの外部クラッドを有することができる。ファイバの光ガイドコアは、本質的に、より低い屈折率を有する材料によって囲まれるので、このようにして、光学コンポーネント７０の溶融シリカガラスチューブ７７は、純粋な溶融シリカから製造することができる。これは、毛細管の屈折率がファイバコアと同じであっても、光がコア７１ａ、７２ａに残ることを意味する。この場合、バルクガラスの外側ファイバクラッドは、Fドープのクラッドまで、又はさらに、Ｆドープのクラッドが純粋又はＧｅドープの内側ファイバコアの周りに残っている限り、エッチングで除去することができる。

次に、融合されたコア７１ａ、７２ａ（破線で示される）及びチューブ７０は、端面７４を生成するために切断又は割かれる。次に、図８に示されるもののようなデュアルコアファイバ３５は、端部７４で毛細管に溶接することができ、その結果、継ぎ目７５が生じる。

好ましい実施形態では、第１の光フィードファイバ７２の中心は、コンポーネント７０の中心と位置合わせされ、例えば４つの第２の光フィードファイバ７１の中心は、第１の中心光ガイドコア７２ａからの所定の距離Ｒの出力端７４で出力ビームを提供するように配置される。第２の供給ファイバの数はそのように限定されず、例えば４の代わりに８、１６又は３２であることを理解されたい。第２の光ガイドコア７１ａは、好ましくは、中心コア７２ａに対して対称的に配置され、互いの間の角度距離が９０°の出力ビームを提供する。

本開示のレーザ溶接の方法及び装置は、多種多様な用途に適用することができる。特定の有利な点は、厚さなどの異なる特性を有するレーザ溶接材料や、変更及びマルチフォーム溶接操作で優れた溶接面品質を達成する必要がある用途で達成される。単一の溶接装置をこれらの様々な特性/要求に用いることができるようになり、最適な溶接ビームプロファイルに即座に適応できるようになる。いくつかの例として、本システムは、自動車産業の溶接ニーズに特に有利であり得る。

開示された発明の実施形態は、本明細書に開示された特定の構造、プロセスステップ又は材料に限定されず、関連分野の当業者によって認識されるように、それらの均等物に拡張されることを理解されたい。本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を説明する目的でのみ用いられており、限定することを意図していないことも理解されたい。

本明細書を通して「一実施形態」又は「実施形態」への言及は、実施形態に関連して記載された特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体にわたる様々な場所での「一実施形態では」又は「実施形態では」という句の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態を言及しているわけではない。

本発明の様々な実施形態及び実施例は、本明細書では、その様々な構成要素の代替物とともに参照され得る。そのような実施形態、実施例、及び代替物は、事実上互いに等しいと解釈されるべきではなく、本発明の別個の自律的な表現と見なされるべきであることが理解される。

さらに、記載される特徴、構造、又は特性は、１つ又は複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることができる。記載では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、長さ、幅、形状などの例など、多くの特定の詳細が提供される。しかしながら、当業者は、本発明が、１つ以上の特定の詳細なしで、又は、他の方法、構成要素、材料などを用いて実施され得ることを認識するであろう。他の例では、本発明の態様を曖昧にすることを避けるために、周知の構造、材料、又は操作は、示されていないか又は詳細に説明されていない。

前述の例は、１つ又は複数の特定の用途における本発明の原理を例示するものであるが、形式、使用法、及び実装の詳細における多くの修正が、当業者にとって、発明の能力及び本発明の原理及び概念から逸脱することなく、明らかであろう。従って、以下に述べる請求項による場合を除いて、本発明が限定されることは意図されていない。

Claims (11)

1. －各々が第１のレーザビームを提供するための少なくとも１つの第１の光フィードファイバ（３２）を有する、少なくとも１つの第１のレーザデバイス（３０）と、
   －各々が第２のレーザビームを提供するための少なくとも１つの第２の光フィードファイバ（３３）を有する、少なくとも１つの第２のレーザデバイス（３１）と、
   前記第１及び第２の光フィードファイバに及びマルチコア光ファイバに接続されたビーム結合器であって、前記マルチコア光ファイバは、前記マルチコア光ファイバの中心に位置し円形の断面を有する第１のコア及び前記第１のコアから離れ且つ前記第１のコアに同心の環状の断面を有する第２のコアを有し、前記少なくとも１つの第１の光フィードファイバは、前記マルチコア光ファイバの前記第１のコアに位置合わせされ、且つ、前記少なくとも１つの第２の光フィードファイバは、前記マルチコア光ファイバの環状の前記第２のコアの内径と外径との間に位置合わせされる、ビーム結合器と、
   を備えたレーザ溶接装置であって、
   前記第１及び第２のコアは、第１の出力レーザビーム（１）及び第２の独立した出力レーザビーム（２）を含む複合レーザビームを溶接されるワークピースに描像する集束レンズを有するレーザ処理ヘッドに接続可能であり、前記第１の出力レーザビームは、円形の断面を有し、且つ、前記第２の出力レーザビームは、前記第１の出力ビームに同心の環状の断面を有し且つ前記ワークピースにて前記第１の出力レーザビームから離れており、
   前記第２のレーザデバイス（３１）は、ファイバレーザデバイス又はファイバ結合レーザデバイスであり、
   前記装置は、少なくとも前記第２のレーザビームに基づいて、前記第２の出力レーザビーム（２）を形成するように構成され、
   前記第２の出力レーザビーム（２）は、第１の波長及び第２の波長を含み、前記第１の波長及び前記第２の波長は、異なるレーザ源によって生成され、前記第１の波長と前記第２の波長との差は、少なくとも１５ｎｍであり且つ前記第１の波長及び前記第２の波長に関連した画像間に少なくとも０．１ｍｍの焦点シフトを生じさせるのに十分である、レーザ溶接装置。
2. 前記装置は、前記第１（３０）及び第２のレーザデバイス（３１）に機能的に接続されて、前記第１及び／又は第２の出力レーザビーム（１、２）のパワー密度を個別に制御する、制御ユニット（１０）を備える、請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 前記第１のレーザデバイス（３０）は、ファイバレーザデバイスを備え、且つ、前記第２のレーザデバイス（３１）は、ファイバ結合ダイオードレーザデバイスを備える、請求項１又は２に記載のレーザ溶接装置。
4. 前記レーザ溶接装置及び前記複合レーザビーム（７）が、１～２０ｍｍの厚さを有するアルミニウム板を溶接するように構成された、請求項１～３のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
5. 前記第２の出力レーザビーム（２）の波長は、８００～１１００ｎｍの範囲にある、請求項１～４のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
6. 前記第２の出力レーザビーム（２）は、ファイバレーザデバイスによって放射されたファイバレーザビーム（２ａ）及びダイオードレーザデバイスによって放射されたダイオードレーザビーム（２ｂ）を含む、請求項１に記載のレーザ溶接装置。
7. レーザビームでワークピースを溶接する方法であって、
   －少なくとも１つの第１のレーザデバイスにおいて少なくとも１つの第１のレーザビーム（１）を生成し、少なくとも１つの第１の光フィードファイバ（３２）を介して前記少なくとも１つの第１のレーザビームを提供する工程と、
   －少なくとも１つの第２のレーザデバイスにおいて少なくとも１つの第２のレーザビーム（２）を生成し、少なくとも１つの第２の光フィードファイバ（３３）を介して前記少なくとも１つの第２のレーザビームを提供する工程と、
   －マルチコア光ファイバにおいて、前記少なくとも１つの第１の光フィードファイバを前記マルチコア光ファイバの第１のコアに位置合わせし、且つ、前記少なくとも１つの第２の光フィードファイバを前記マルチコア光ファイバの第２のコアの内径と外径との間に位置合わせすることによって、前記第１及び第２のレーザビームを結合する工程であって、前記マルチコア光ファイバは、前記マルチコア光ファイバの中心に位置し円形の断面を有する前記第１のコア及び前記第１のコアから離れかつ且つ前記第１のコアに同心の環状の断面を有する前記第２のコアを有する、工程と、
   －第１の出力レーザビーム及び独立した第２の出力レーザビームを含む複合レーザビームの画像を、前記マルチコア光ファイバから溶接されるワークピースへと集束させる工程であって、前記第１の出力レーザビームは、円形の断面を有し、且つ、前記第２の出力レーザビームは、前記第１の出力レーザビームに同心の環状の断面を有し且つ前記ワークピースにて前記第１の出力レーザビームから離れている、工程と、
   を含み、
   前記第２の出力レーザビーム（２）は、ファイバレーザデバイス又はファイバ結合レーザデバイスによって、少なくとも前記第２のレーザビームに基づいて形成され、
   前記第２の出力レーザビーム（２）は、第１の波長及び第２の波長を含み、前記第１の波長及び前記第２の波長は、異なるレーザ源によって生成され、前記第１の波長と前記第２の波長との差は、少なくとも１５ｎｍであり且つ前記第１の波長及び前記第２の波長に関連した前記画像間に少なくとも０．１ｍｍの焦点シフトを生じさせるのに十分である、方法。
8. 前記第１及び第２の出力レーザビーム（１、２）におけるパワー密度が、前記第１及び／又は第２のレーザデバイス（３０、３１）に機能的に接続された制御ユニット（１０）によって個別に制御される、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１のレーザデバイスは、ファイバレーザデバイスを備え、且つ、前記第２のレーザデバイスは、ファイバ結合ダイオードレーザデバイスを備える、請求項７に記載の方法。
10. 前記第２の出力レーザビーム（２）の波長は、８００～１１００ｎｍの範囲にある、請求項７に記載の方法。
11. 前記第２の出力レーザビーム（２）は、ファイバレーザデバイスによって放射されたファイバレーザビーム（２ａ）及びダイオードレーザデバイスによって放射されたダイオードレーザビーム（２ｂ）を含む、請求項７に記載の方法。

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