JP7308371B1 - レーザ加工機及びレーザ加工方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】各種の被加工材をより高品質に加工することができるレーザ加工機及びレーザ加工方法を提供する。【解決手段】レーザ加工機（１０１～１０４）の加工ヘッド（１）は、第１及び第２伝送ファイバ（１１、２１）の端部より放射された第１及び第２レーザビームを被加工材Ｗに照射する。ビーム径調整機構は、加工ヘッド（１）内で第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作する。制御部は、ビーム径調整機構を制御し、第１レーザビームが被加工材（Ｗ）に照射する位置での第１レーザビームのビーム径である第１ビーム径（ＤＢＬ）と、第２レーザビームが被加工材（Ｗ）に照射する位置での第２レーザビームのビーム径である第２ビーム径（ＤＩＲ）との比率を、少なくとも被加工材（Ｗ）の材質に応じて調整する。【選択図】図１

Description

本開示は、レーザ加工機及びレーザ加工方法に関する。
近年、レーザ加工機の新しい光源として青色レーザが注目されている。青色レーザの波長は約４５０ｎｍであり、従来加工用レーザとして主に用いられてきた赤外線レーザであるファイバレーザの波長約１０８０ｎｍと比較して短い。青色レーザは、赤外線レーザよりも光吸収率が高いため、赤外線レーザでは光吸収率が低く従来は加工が困難である銅板などの被加工材を加工する際の加工性を向上させることが期待されている。
特許文献１には、青色レーザと赤外線レーザとを加工ヘッド内で互いに重畳させて被加工材を溶接するレーザ溶接方法が記載されている。青色レーザと赤外線レーザとを互いに重畳させることにより、青色レーザの光吸収率が高いという特長と赤外線レーザの高出力・高輝度化が容易であるという特長とを組み合わせることができる。青色レーザと赤外線レーザとを互いに重畳させて被加工材を加工するレーザ加工機は、銅板が厚板であっても加工が可能である。
また、銅に対する光吸収率に関して、非特許文献１には、波長５３２ｎｍのグリーンレーザの光吸収率は、銅が予熱されてから溶融するまでの間（銅が非溶融状態の間）に最も光吸収率が高いことが記載されている。また、非特許文献２には、グリーンレーザよりも波長が短い青色レーザ及びＵＶレーザの方が、グリーンレーザよりも非溶融状態における銅への光吸収率が高いことが記載されている。
一方、赤外線レーザの銅に対する光吸収率に関して、非特許文献１には、波長１０６４ｎｍの近赤外線レーザの光吸収率は、銅の温度上昇に伴って吸収率が高まることが記載されている。
中国特許出願公開第１１２４５３６９６号明細書
岡本、「銅の微細レーザ溶接における光吸収率と溶け込み深さの安定化に関する検討」、天田財団助成研究成果報告書、公益財団法人天田財団、２０１８年、３１巻、ｐ．３６２－３６７ Ｓ．Ｅｎｇｌｅｒ ｅｔ ａｌ．Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ Ｌａｓｅｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ Ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｔｈ Ｂｒｉｌｌｉａｎｔ Ｇｒｅｅｎ ａｎｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｌａｓｅｒｓ，ＰｈｙｓｉｃｓＰｒｏｃｅｄｉａ，１２，ｐ．３３９－３４６，２０１１．
しかしながら、特許文献１に記載のように波長の異なる青色レーザと赤外線レーザとを重畳させて被加工材を加工する場合には、被加工材を高品質に加工することができないことがある。各種の被加工材をより高品質に加工することができるレーザ加工機及びレーザ加工方法が望まれている。
１またはそれ以上の実施形態の第１の態様に係るレーザ加工機は、第１の波長を有する第１レーザビームを射出する第１レーザ発振器と、前記第１レーザ発振器より射出された前記第１レーザビームを伝送する第１伝送ファイバと、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２レーザビームを射出する第２レーザ発振器と、前記第２レーザ発振器より射出された前記第２レーザビームを伝送する第２伝送ファイバと、前記第１及び第２伝送ファイバの端部より射出された前記第１及び第２レーザビームを被加工材に照射する加工ヘッドと、前記加工ヘッド内で前記第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作することにより、前記第１レーザビームが前記被加工材に照射される位置での前記第１レーザビームのビーム径である第１ビーム径と、前記第２レーザビームが前記被加工材に照射される位置での前記第２レーザビームのビーム径である第２ビーム径との少なくとも一方を調整するビーム径調整機構と、前記ビーム径調整機構を制御し、前記第１ビーム径と前記第２ビーム径との比率を、少なくとも前記被加工材の材質に応じて調整する制御部と、を備える。
１またはそれ以上の実施形態の第２の態様に係るレーザ加工方法は、第１レーザ発振器より射出された第１の波長を有する第１レーザビームと、第２レーザ発振器より射出された、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作することにより、前記第１レーザビームが前記被加工材に照射される位置での前記第１レーザビームのビーム径である第１ビーム径と、前記第２レーザビームが前記被加工材に照射される位置での前記第２レーザビームのビーム径である第２ビーム径との少なくとも一方を調整し、前記第１ビーム径と前記第２ビーム径との比率を、少なくとも前記被加工材の材質に応じて調整する。
１またはそれ以上の実施形態に係るレーザ加工機及びレーザ加工方法は、第１及び第２レーザビームが被加工材に照射される位置での第１及び第２レーザビームのビーム径の比率を、少なくとも被加工材の材質に応じて適切に制御できる。
１またはそれ以上の実施形態に係るレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、各種の被加工材を高品質に加工することができる。
図１は、第１実施形態に係るレーザ加工機の概略構成図である。 図２は、第１実施形態に係るレーザ加工機における第１及び第２レーザビームのビーム径比率を示す図である。 図３は、単レンズへの入射前後における一般的な光線のふるまいを示す図である。 図４Ａは、図１に示すレーザ加工機における第２コリメートレンズ２２及び集束レンズ２５のレンズ構成の一例を示す図である。 図４Ｂは、図４Ａに示す第２コリメートレンズを光軸方向に駆動した場合の、集束レンズから第２レーザ光の集束点までの距離の変化の一例を示す図である。 図５は、第２伝送ファイバの端部から第２コリメートレンズまでの距離の変化に対する、集束レンズから第２レーザ光の集束点までの距離の変化の一例を示す図である。 図６は、第２レーザビームのビーム径が第１レーザビームのビーム径よりも大きい場合の溶接品質を示す図である。 図７は、第１レーザビームのビーム径が第２レーザビームのビーム径よりも大きい場合の溶接品質を示す図である。 図８は、オペレータが加工条件名称を選択するための指示を入力する加工条件名称選択画面の一例を示す図である。 図９は、オペレータがビーム径比率を設定するための指示を入力する加工条件設定画面の一例を示す図である。 図１０は、第２実施形態に係るレーザ加工機の概略構成図である。 図１１は、第３実施形態に係るレーザ加工機の概略構成図である。 図１２は、第４実施形態に係るレーザ加工機の概略構成図である。 図１３は、第１～第４実施形態に係るレーザ加工機の第１及び第２レーザビームの射出方法の第１の変形例を示す図である。 図１４は、第１～第４実施形態に係るレーザ加工機の第１及び第２レーザビームの射出方法の第２の変形例を示す図である。 図１５Ａは、図１３または図１４において第１レーザビームが射出されているときの第１レーザビームのビーム径及びビームプロファイルの一例を示す図である。 図１５Ｂは、図１３または図１４において第２レーザビームが射出されているときの第２レーザビームのビーム径及びビームプロファイルの一例を示す図である。
以下、各実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工機の加工方法について、添付図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るレーザ加工機１０１の概略構成図である。図１において、レーザ加工機１０１は、第１レーザビームと、第１レーザビームの波長とは異なる波長を有する第２レーザビームとを重畳し、重畳された第１及び第２レーザビームを被加工材Ｗに照射することにより、被加工材Ｗを加工する加工機である。被加工材Ｗの加工には、被加工材Ｗの溶接、切断、穴開け（ピアシング）、焼き入れ等が含まれる。加工対象となる被加工材Ｗは、例えば銅板または伸銅である。加工対象となる被加工材Ｗは軟鋼板であってもよく、ステンレス鋼等の軟鋼板以外の鉄系の板金であってもよく、アルミニウム、アルミニウム合金などの板金であってもよい。
レーザ加工機１０１は、第１レーザ発振器１０と、第１伝送ファイバ１１と、第２レーザ発振器２０と、第２伝送ファイバ２１と、加工ヘッド１と、を備える。また、レーザ加工機１０１は、ＮＣ装置（数値制御：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）３０と、操作表示部４０と、アシストガス供給装置（図示せず）とを備えている。ＮＣ装置３０は、レーザ加工機１０１の各部を制御する制御装置の一例である。
第１レーザ発振器１０は、第１レーザビームを射出する。第１レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザビームを射出するレーザ発振器が好適である。また、第１レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅のうえ、非線形光学結晶等によって波長変換を行ったレーザビームを射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザビームを直接利用するレーザ発振器も好適である。第１実施形態においては、第１レーザ発振器１０は、青色半導体レーザ発振器である。第１実施形態においては、第１レーザ発振器１０が射出する第１レーザビームの波長λ１（第１の波長）は、４００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下である。すなわち、第１実施形態においては、第１レーザビームは青色レーザである。なお、第１レーザビームには、青色レーザの代わりに緑色レーザまたはＵＶレーザを用いてもよい。第１レーザビームの波長λ１は、４００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下に限定されるものではない。
第１伝送ファイバ１１は、第１レーザ発振器１０より射出された第１レーザビームを加工ヘッド１へと伝送する。
第２レーザ発振器２０は、波長λ１を有する第１レーザビームとは異なる波長を有する第２レーザビームを射出する。第２レーザ発振器２０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザビームを射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザビームを直接利用するレーザ発振器が好適である。第１実施形態においては、第２レーザ発振器２０は、例えばファイバレーザ発振器である。第１実施形態においては、第２レーザ発振器２０が射出する第２レーザビームの波長λ２（第２の波長）は、１０６０ｎｍ以上１０９０ｎｍ以下である。すなわち、第１実施形態においては、第２レーザビームは赤外線レーザである。第２レーザビームの波長λ２は、１０６０ｎｍ以上１０９０ｎｍ以下に限定されるものではない。
第２伝送ファイバ２１は、第２レーザ発振器２０より射出された第２レーザビームを加工ヘッド１へと伝送する。
加工ヘッド１は、第１及び第２伝送ファイバ１１、２１の端部より射出された第１及び第２レーザビームを互いに重畳し、重畳された第１及び第２レーザビームを被加工材Ｗに照射する。加工ヘッド１は、第１コリメートレンズ１２と、ベンドミラー１３と、第２コリメートレンズ２２と、コリメートレンズ駆動モータ２３と、ダイクロイックミラー２４と、集束レンズ２５と、保護ガラス２６と、を有する。第１コリメートレンズ１２、ベンドミラー１３、第２コリメートレンズ２２、ダイクロイックミラー２４及び集束レンズ２５は、予め光軸が調整された状態で加工ヘッド１内に配置されている。なお、図示を省略しているが、加工ヘッド１は、被加工材Ｗの表面と所定の距離だけ離れた状態で、被加工材Ｗの表面に沿って相対的に移動自在に構成されている。なお、加工ヘッド１を被加工材Ｗの表面に対して相対的に移動自在とする構成については、既知の構成であればよく、詳細な説明は省略する。
第１コリメートレンズ１２には、第１伝送ファイバ１１の端部より射出された第１レーザビームが入射される。第１コリメートレンズ１２は、第１レーザビームの光軸上に配置され、入射された発散光の第１レーザビームを平行光化してコリメート光とする。第１コリメートレンズ１２から射出されたコリメート光の第１レーザビームは、ベンドミラー１３に入射される。ベンドミラー１３は、第１レーザビームの光軸上に配置され、入射された第１レーザビームを反射して、ダイクロイックミラー２４に入射させる。ベンドミラー１３は、第１レーザビームの進行方向を９０度曲げ、ダイクロイックミラー２４に入射させる。
第２コリメートレンズ２２には、第２伝送ファイバ２１の端部より射出された第２レーザビームが入射される。第２コリメートレンズ２２は、第２レーザビームの光軸上に配置され、入射された発散光の第２レーザビームを平行光化してコリメート光とする。第２コリメートレンズ２２から射出されたコリメート光の第２レーザビームは、ダイクロイックミラー２４に入射される。
コリメートレンズ駆動モータ２３は、加工ヘッド１内で第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作する。コリメートレンズ駆動モータ２３は、後述するＮＣ装置３０により制御される。コリメートレンズ駆動モータ２３は、ＮＣ装置３０による制御に基づき、第１レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第１レーザビームのビーム径である第１ビーム径ＤＢＬと、第２レーザビームが被加工材Ｗに照射する位置での第２レーザビームのビーム径である第２ビーム径ＤＩＲとの比率（以下、ビーム径比率という）を、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて調整する。ビーム径比率の調整方法の詳細については後述する。
例えば、コリメートレンズ駆動モータ２３は、第２コリメートレンズ２２を、第２レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動する。コリメートレンズ駆動モータ２３は、例えば、第２コリメートレンズ２２を第２レーザビームの光軸方向に沿って移動させることにより、加工ヘッド１内で第２レーザビームの光学系を操作する。なお、コリメートレンズ駆動モータ２３は、第２コリメートレンズ２２を駆動させる代わりに、第１コリメートレンズ１２を第１レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動してもよい。また、コリメートレンズ駆動モータ２３は、第１コリメートレンズ１２を第１レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動し、且つ、第２コリメートレンズ２２を第２レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動してもよい。すなわち、コリメートレンズ駆動モータ２３は、第１及び第２コリメートレンズ１２、２２の少なくとも一方を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動する機構であればよい。
コリメートレンズ駆動モータ２３は、第１及び第２コリメートレンズ１２、２２の少なくとも一方を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に手動で駆動する機構であってもよい。コリメートレンズ駆動モータ２３は、第１及び第２コリメートレンズの一方を手動、他方を自動で第１及び第２レーザビームの光軸方向に駆動する機構であってもよい。
なお、コリメートレンズ駆動モータ２３はビーム径調整機構の一例であり、ビーム径調整機構は、コリメートレンズ駆動モータ２３に限定されない。ビーム径調整機構は、第１及び第２伝送ファイバ１１、２１の端部から射出されてから加工ヘッド１内で重畳されるまでの間で、第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作する機構であればよい。
ダイクロイックミラー２４は、第２レーザビームの光軸上に配置され、それぞれコリメート光である第１レーザビームと第２レーザビームとが入射される。ダイクロイックミラー２４は、ベンドミラー１３によって反射されて入射された第１レーザビームを反射し、且つ、第２レーザビームを透過させる。ダイクロイックミラー２４は、第１レーザビームの進行方向を９０度曲げ、集束レンズ２５に入射させる。また、ダイクロイックミラー２４は、第２レーザビームを透過させ、集束レンズ２５に入射させる。すなわち、第１及び第２レーザビームは、ダイクロイックミラー２４により互いに重畳される。
集束レンズ２５は、重畳されたコリメート光の第１及び第２レーザビームを、被加工材Ｗの加工点Ｐに集束させて、第１及び第２レーザビームの集束光を被加工材Ｗの加工点Ｐに照射する。第１及び第２レーザビームの集束光は、保護ガラス２６を透過して、被加工材Ｗの加工点Ｐに照射される。なお、集束レンズ２５は、手動または自動の機構により被加工材Ｗに近付けたり、被加工材Ｗから離れたりするように構成されてもよい。
ＮＣ装置３０は、レーザ加工機１０１の各部を制御する制御装置である。ＮＣ装置３０は、コンピュータから構成されており、ＣＰＵ（中央処理装置：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ－Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を有している。ＮＣ装置３０には、操作表示部４０が接続されている。
ＮＣ装置３０は、ＣＰＵがＲＯＭから各種プログラムを読み出し、ＲＡＭに展開し、展開したプログラムを実行することにより、各種の機能を実現する。
ＮＣ装置３０は、加工プログラムを実行して、レーザ加工機１０１を制御する。加工プログラムは、被加工材Ｗを加工経路に沿って溶接して製品を溶接するために必要なレーザ加工機１０１の動作を定義するコードを含んでいる。加工プログラムは、ＣＡＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－Ａｉｄｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）などの外部装置によって作成されており、ＮＣ装置３０は、外部装置から加工プログラムを取得する。なお、外部装置は、作成した加工プログラムを、図示しないデータ管理サーバ内のデータベースに格納してもよい。この場合、ＮＣ装置３０は、データ管理サーバのデータベースに格納された加工プログラムを読み出すことで、加工プログラムを取得する。
加工プログラムには、加工条件の設定、第１及び第２レーザビームの射出開始（射出のオン）及び第１及び第２レーザビームの射出停止（射出のオフ）、加工ヘッド１のある加工経路から次の加工経路への移動といった、製品を加工するために必要なレーザ加工機１０１の一連の動作を規定するコードが記述されている。例えば、製品を溶接する場合、加工プログラムには、製品の加工経路に沿って加工ヘッド１（第１及び第２レーザビーム）を移動させるコードが記述されている。また、被加工材Ｗから複数の製品を溶接する場合、加工プログラムには、複数の製品毎にコードが記述されている。第１実施形態においては、ＮＣ装置３０は、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに同時に照射されるように、第１及び第２レーザ発振器１０、２０を制御する。
また、ＮＣ装置３０は、コリメートレンズ駆動モータ２３を制御し、ビーム径比率を、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて調整する。第１実施形態においては、ＮＣ装置３０は、第１ビーム径ＤＢＬが第２ビーム径ＤＩＲよりも大きくなるようにビーム径比率を調整する。また、第１実施形態においては、ＮＣ装置３０は、操作表示部４０で受け付けた、ビーム径比率を設定するための指示に基づいて、コリメートレンズ駆動モータ２３を制御する。ＮＣ装置３０は、コリメートレンズ駆動モータ２３を制御しつつ、加工プログラムに基づいて被加工材Ｗを加工するように、レーザ加工機１０１の各部を制御する。
操作表示部４０は、ビーム径比率を設定するための指示をレーザ加工機１０１のオペレータから受け付ける。操作表示部４０は、オペレータがビーム径比率を設定するための指示を入力するために必要な画面を表示する。オペレータは、ビーム径比率を設定するための指示を入力するために操作表示部４０を操作する。オペレータは、操作表示部４０を操作することで、ＮＣ装置３０に対してビーム径比率を設定するための指示を入力することができる。操作表示部４０は、オペレータから入力された指示を、ＮＣ装置３０に送信する。なお、ビーム径比率を設定するための指示を受け付けて、ビーム径比率の調整を実現する具体的な方法については、後述する。
操作表示部４０は、例えば、液晶パネルに装着されて液晶パネルに表示される情報に従って入力操作を行うことができるタッチパネルであってもよい。操作表示部４０は、表示部と操作部が別体であってもよい。
被加工材Ｗを切断する場合には、図示しないアシストガス供給装置は、被加工材Ｗの切断加工時に、アシストガスを加工ヘッド１に供給する。アシストガス供給装置は、加工対象の被加工材Ｗが鉄系材の場合には、アシストガスとして酸素、窒素、または空気を使用可能である。アシストガスに酸素を用いる場合には、アシストガス供給装置は、過燃焼にならないようにガスの噴射状態を制御する。また、アシストガス供給装置は、被加工材Ｗがステンレス系材の場合には、アシストガスとして窒素または空気を使用可能である。加工ヘッド１に供給されたアシストガスは、加工ヘッド１の開口より被加工材Ｗに対して吹き付けられる。アシストガスは、被加工材Ｗが溶融したカーフ幅内の溶融金属を排出する。
被加工材Ｗを溶接する場合には、図示しないシールドガス供給装置は、被加工材Ｗの溶接加工時に、被加工材Ｗの酸化反応を防ぐためにシールドガスを加工ヘッド１に供給する。シールドガスとしては、窒素またはアルゴンを使用可能である。加工ヘッド１に供給されたシールドガスは、加工ヘッド１の開口より被加工材Ｗに対して吹き付けられる。或いは、シールドガス噴射用ノズル（図示せず）を加工ヘッド１の側面に設けて、側面からシールドガスが被加工材Ｗに対して吹き付けられてもよい。シールドガスの噴出方法は、メインとサブに分けて複数の場所から噴出させる方法でもよく、特に限定されない。
以上のように構成されるレーザ加工機１０１は、重畳された第１及び第２レーザビームによって被加工材Ｗを加工して、所定の形状または紋様等を有する製品を作製することができる。
［ビーム径比率の調整方法］
ここで、ビーム径比率の調整方法について、図２～図５を参照して説明する。図２は、レーザ加工機１０１における第１及び第２レーザビームのビーム径比率を示している。ビーム径比率とは、加工ヘッド１より射出された第１レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第１レーザビームのビーム径である第１ビーム径ＤＢＬと、第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第２レーザビームのビーム径である第２ビーム径ＤＩＲの比率である。ビーム径比率は、例えば、第１ビーム径ＤＢＬを第２ビーム径ＤＩＲで除することにより算出される。ビーム径比率は、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて適切な値が設定されている。ビーム径比率は、被加工材Ｗの材質、板厚、加工レンズ（集束レンズ２５）の厚さ等の組み合わせである加工条件に応じて設定されていてもよい。
図３は、単レンズへの入射前後における一般的な光線のふるまいを示している。まず、図３において、一様媒質で満たされた長さｚの直線部後方に、焦点距離ｆの集束レンズ２５（単レンズ）があるとする。この場合、任意の位置ｚにおける光線を列ベクトルで表すと、任意の位置ｚにおける光線は、下記の式（１）で表すことができる。式（１）において、（ｒｏｕｔ,ｒ'ｏｕｔ)は集束レンズ２５からの放射光線を示す。式（１）において、(ｒｉｎ,ｒ'ｉｎ)は、集束レンズ２５への入射光線を示す。式（１）において、ｒは光線が集束レンズ２５に入射した位置での光軸から光線までの距離を示し、ｒ'は光線の傾きを示す。
Figure 0007308371000002
図４Ａは、図１に示すレーザ加工機１０１における第２コリメートレンズ２２及び集束レンズ２５のレンズ構成の一例を示している。図４Ａにおいて、第２コリメートレンズ２２の焦点距離をｆ１、集束レンズ２５の焦点距離をｆ２とする。また、第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離をｄ０、第２コリメートレンズ２２から集束レンズ２５までの距離をｄ１、集束レンズ２５から第２レーザビームの集束点までの距離をｄ２とする。この場合、式（１）は、下記の式（２）で表すことができる。
Figure 0007308371000003
また、式（２）は、下記の式（３）の形式で表すことができる。
Figure 0007308371000004
式（３）におけるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、式（２）から算出できる。式（３）におけるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、式（２）から、下記の式（４）で表すことができる。
Figure 0007308371000005
ここで、第１実施形態では、式（３）のうちＢを含む式について、Ｂ・ｒ’ｉｎ＝０、すなわちＢ＝０とすることができる。したがって、式（４）におけるＢの式から、集束レンズ２５から第２レーザビームの集束点までの距離ｄ２は下記の式（５）で表すことができる。
Figure 0007308371000006
式（５）に示すように、第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離ｄ０が変化すると、集束レンズ２５から第２レーザビームの集束点までの距離ｄ２が変化する。図４Ｂは、図４Ａに示す第２コリメートレンズ２２を光軸方向に駆動した場合の、集束レンズ２５から第２レーザビームの集束点までの距離の変化の一例を示している。図４Ｂに示すように、第２コリメートレンズ２２を光軸方向の負の方向に駆動し、第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離ｄ０が、距離ｄ０’に変化したとする。この場合、集束レンズ２５から第２レーザビームの集束点までの距離ｄ２は、光軸方向の負の方向に移動し、距離ｄ２’に変化する。
図５は、第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離ｄ０の変化に対する、集束レンズ２５から第２レーザビームの集束点までの距離ｄ２の変化の一例を示している。図５においては、第２コリメートレンズ２２の焦点距離ｆ１が１００ｍｍ、集束レンズ２５の焦点距離ｆ２が１００ｍｍ、第２コリメートレンズ２２から集束レンズ２５までの距離ｄ１が３００ｍｍであるとする。この場合、距離ｄ０が８５ｍｍのとき、距離ｄ２は１１３ｍｍとなる。距離ｄ０が９０ｍｍのとき、距離ｄ２は１０９．１ｍｍとなる。距離ｄ０が９５ｍｍのとき、距離ｄ２は１０４．８ｍｍとなる。距離ｄ０が１００ｍｍのとき、距離ｄ２は１００ｍｍとなる。距離ｄ０が１０５ｍｍのとき、距離ｄ２は９４．７ｍｍとなる。距離ｄ０が１１０ｍｍのとき、距離ｄ２は８８．９ｍｍとなる。距離ｄ０が１１５ｍｍのとき、距離ｄ２は８２．４ｍｍとなる。
このように、第２コリメートレンズ２２を第２レーザビームの光軸方向に駆動させることによって、集束レンズ２５から第２レーザビームの集束点までの距離ｄ２を変化させることができる。距離ｄ２を変化させることにより第２ビーム径ＤＩＲを変化させることができ、ビーム径比率を、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて調整することができる。同様に、第１コリメートレンズ１２を第１レーザビームの光軸方向に駆動させることによって、第１ビーム径ＤＢＬを変化させても、ビーム径比率を調整することができる。
また、第１コリメートレンズ１２を第１レーザビームの光軸方向に駆動させることによって、第１ビーム径ＤＢＬを変化させ、第２コリメートレンズ２２を第２レーザビームの光軸方向に駆動させることによって、第２ビーム径ＤＩＲを変化させて、ビーム径比率を調整することもできる。すなわち、ビーム径調整機構は、第１及び第２コリメートレンズ１２、２２の少なくとも一方を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に駆動する機構であればよい。また、ビーム径調整機構は、第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離ｄ０を変化させるために、第１及び第２伝送ファイバ２１の少なくとも一方の端部を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に移動させる機構であってもよい。
なお、第１及び第２コリメートレンズ１２、２２の少なくとも一方を駆動することにより、ビーム径比率を調整するだけでなく、第１及び第２コリメートレンズ１２、２２の少なくとも一方と、集束レンズ２５とを第１及び第２レーザの光軸方向に駆動する構成としてもよい。この場合、式（５）における第１及び第２コリメートレンズ１２、２２から集束レンズ２５までの距離ｄ１と、集束レンズ２５から第１及び第２レーザビームの集束点までの距離ｄ２の双方を変化させることにより、ビーム径比率を調整できる。
［ビーム径比率の加工品質への影響］
ここで、ビーム径比率が加工品質に与える影響について、図６及び図７を参照して説明する。図６及び図７は、ビーム径比率と溶接品質の関係を示している。第１実施形態においては、第１レーザビームは、波長がλ１の青色レーザＢＬであり、第２レーザビームは、波長がλ２のファイバレーザＩＲである。図６に示すように、第２ビーム径ＤＩＲが、第１ビーム径ＤＢＬよりも大きくなると、第２ビーム径ＤＩＲに対する第１ビーム径ＤＢＬの比率が小さくなる。この場合、溶接個所において、第１レーザビームによる溶融プールが形成される範囲が少なくなり、第２レーザビームでの過熱が主体的となり、溶接個所において、急激な温度変化と溶融部の湯流れの乱れが発生しやすくなる。それにより、キーホールが不安定化したり、溶接個所の周囲にスパッタが付着したり、ブローホールが発生したりすることがある。具体的な例として、ビーム径比率を０．９１とし、板厚が１ｍｍの銅板に出力２ｋＷの第１レーザビームと、出力３ｋＷの第２レーザビームを重畳し、加工ヘッド１を速度８ｍ／分で溶接した場合には、スパッタの付着が発生し、ビード面が不安定となった。
一方、図７に示すように、第１ビーム径ＤＢＬが、第２ビーム径ＤＩＲよりも大きくなると、第２ビーム径ＤＩＲに対する第１ビーム径ＤＢＬの比率が大きくなる。この場合、第２レーザビームの外側に第１レーザビームによる溶融プールが形成される。ビーム径比率が適正な場合、第２レーザビームの外側に十分な範囲に溶融プールが形成され、中心部の第２レーザビームのキーホールが安定する。また、後方の湯流れも安定するため、上部への湯流れの急激な乱れもなく、スパッタが発生しにくく、ビード面が安定する。具体的な例として、ビーム径比率を２．２１とし、板厚が１ｍｍの銅板に出力２ｋＷの第１レーザビームと、出力３ｋＷの第２レーザビームを重畳し、加工ヘッド１を速度８ｍ／分で溶接した場合には、スパッタの付着が抑制され、ビード面が安定することが確認された。
したがって、第１ビーム径ＤＢＬを第２ビーム径ＤＩＲよりも大きくすることが好ましい。第１ビーム径ＤＢＬが第２ビーム径ＤＩＲよりも大きくなるように、ビーム径比率を少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて適切な値に調整することにより、高品質な溶接が可能となる。なお、ビーム径比率は約２が好ましいが、すべての被加工材に対して、ビーム径比率を約２に限定するものではない。
［ビーム径比率の調整の実現方法］
次に、ビーム径比率の調整を実現する具体的な方法について、図８及び図９を参照して説明する。第１実施形態のレーザ加工機１０１においては、加工開始前に、ＮＣ装置３０がオペレータからビーム径比率を設定するための指示を受け付けることにより、ビーム径調整機構であるコリメートレンズ駆動モータ２３を制御して、ビーム径比率を調整する。
図８は、操作表示部４０に表示される、オペレータが加工条件名称を選択するための指示を入力する加工条件名称選択画面４１の一例を示している。加工条件名称選択画面４１には、例えば図８に示すように、加工対象となる被加工材Ｗの材質、板厚、及び集束レンズ２５（加工レンズ）の厚さの組み合わせに対応付けられた加工条件名称が表示される。加工条件名称選択画面４１は、オペレータが加工条件名称を選択するための加工条件名称選択部を備えている。加工条件名称選択部は、オペレータから、加工条件名称の選択の要求を受け付けることができる。オペレータは、加工条件名称を選択することにより、ＮＣ装置３０に、選択した加工条件名称に対応する加工条件設定画面４３を呼び出す指示を入力することができる。オペレータは、例えば図８に示すように、加工条件名称が「ＳＥＣＣ－ｔ１．２」である加工名称選択部４２を選択することにより、ＮＣ装置３０に、選択した加工条件名称「ＳＥＣＣ－ｔ１．２」に対応する加工条件設定画面４３を呼び出す指示を入力することができる。
加工条件名称選択画面４１におけるＳＥＣＣは電気亜鉛めっき鋼板を示し、ＳＰＣは冷間圧延鋼板を示す。
オペレータが、加工名称を選択した場合、すなわち、ＮＣ装置３０が加工条件名称に対応する加工条件設定画面を呼び出す指示を受け付けた場合には、ＮＣ装置３０は、操作表示部４０に、加工条件名称に対応する加工条件設定画面４３を表示する。図９は、操作表示部４０に表示される、オペレータがビーム径比率を設定するための指示を入力する加工条件設定画面４３の一例を示している。加工条件設定画面４３は、例えば、加工条件個別プログラム番号表示部４４と、加工条件表示部とを備えている。
加工条件個別プログラム番号表示部４４には、加工条件名称に対応する少なくとも１以上の加工プログラムの番号である「Ｅ Ｎｏ．」が表示される。加工条件表示部には、加工プログラム毎の設定項目が表示される。例えば図９に示すように、加工プログラム番号「Ｅ Ｎｏ．８」の設定項目が、加工条件表示部４５に表示される。設定項目は、例えば、加工速度である「速度」、第１レーザビームの「出力」、「周波数」及び「デューティ」、第２レーザビームの「出力」、「周波数」及び「デューティ」、アシストガス装置により供給されるアシストガスの「ガス流量」及び「ガス種」、「ポジションｄ０」、「ビーム径比率」である。なお、「ポジションｄ０」は、第１実施形態においては、第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離ｄ０を意味する。
加工条件設定画面４３は、加工条件表示部に、コリメートレンズ位置入力部と、ビーム径比率表示部とを備える。例えば図９に示すように、加工条件表示部４５の設定項目「ポジションｄ０」の位置に、コリメートレンズ位置入力部４６を備え、設定項目「ビーム径比率」の位置に、ビーム径比率表示部４７を備える。
加工条件設定画面４３は、ビーム径比率を設定するための指示として、第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離ｄ０をレーザ加工機１０１のオペレータから受け付ける。具体的には、加工条件設定画面４３は、オペレータから、ビーム径比率を設定するための指示として、「ポジションｄ０」の設定値を受け付ける。オペレータは、コリメートレンズ位置入力部４６に、「ポジションｄ０」の設定値を入力することにより、ビーム径比率を設定するための指示を入力することができる。ＮＣ装置３０は、受け付けた「ポジションｄ０」の設定値に基づいて、ビーム径比率を算出し、算出したビーム径比率の値を、ビーム径比率表示部４７に表示させる。
ここで、「ポジションｄ０」の設定値に基づいて、ビーム径比率を算出する方法について説明する。図１に示すレーザ加工機１０１において、ｗ１を第２伝送ファイバ２１の端部での第２レーザビームのビーム径、ｗ２を集束点での第２レーザビームのビーム径、Ｍ２をレーザビームの品質を示す値、λ２を第２レーザビームの波長、Ｃ及びＤを、式（４）で示した式とすると、第２レーザビームの光線は、下記の式（６）で表すことができる。
Figure 0007308371000007
また、ｄｗをビームウエスト位置での第２レーザビームのビーム径、ｚ０を第２レーザビームのウエスト位置、ｚを第２レーザビームの光軸方向に沿った任意の位置、θをビームの発散角とすると、第２レーザビームの光軸方向に沿った任意の位置ｚにおける第２レーザビームのビーム径ｄ（ｚ）は、下記の式（７）で表すことができる。
Figure 0007308371000008
上記の式（６）と式（７）を組み合わせることにより、第２レーザビームの光学系の任意の位置におけるビーム径を算出できる。したがって、「ポジションｄ０」の設定値に基づいて、第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置でのビーム径である第２ビーム径ＤＩＲを算出できる。第１レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置でのビーム径である第１ビーム径ＤＢＬとの関係から、ビーム径比率を算出できる。これにより、「ポジションｄ０」の設定値に基づいて、ビーム径比率をビーム径比率表示部４７に表示できる。
ＮＣ装置３０は、操作表示部４０で受け付けたビーム径比率を設定するための指示に従って、コリメートレンズ駆動モータ２３を制御する。具体的には、ＮＣ装置３０は加工条件設定画面４３で受け付けた「ポジションｄ０」の設定値に基づいて、コリメートレンズ駆動モータ２３を駆動し、第２コリメートレンズ２２の位置を移動させる。そして、ＮＣ装置３０は、加工プログラムを実行し、被加工材Ｗの加工を実行する。
なお、加工条件設定画面４３は、ビーム径比率を設定するための指示として、第１伝送ファイバ１１の端部から第１コリメートレンズ１２までの距離を「ポジションｄ０」の設定値として受け付けて、ビーム径比率を算出してもよい。この場合、ＮＣ装置３０は、加工条件設定画面４３で受け付けた「ポジションｄ０」の設定値に基づいて、コリメートレンズ駆動モータ２３を駆動し、第１コリメートレンズ１２の位置を移動させる。また、加工条件設定画面４３は、ビーム径比率を設定するための指示として、第１伝送ファイバ１１の端部から第１コリメートレンズ１２までの距離及び第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離を「ポジションｄ０」の設定値として受け付けて、ビーム径比率を算出してもよい。この場合、ＮＣ装置３０は、加工条件設定画面４３で受け付けた「ポジションｄ０」の設定値に基づいて、コリメートレンズ駆動モータ２３を駆動し、第１及び第２コリメートレンズ１２、２２の位置を移動させる。
すなわち、加工条件設定画面４３は、ビーム径比率を設定するための指示として、第１伝送ファイバ１１の端部から第１コリメートレンズ１２までの距離及び第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離の少なくとも一方の距離をレーザ加工機１０１のオペレータから受け付けてもよい。
ビーム径比率が、被加工材Ｗの材質と板厚との組み合わせに応じて設定されていてもよい。この場合、被加工材Ｗの複数の板厚を２つまたはそれ以上の群に分け、被加工材Ｗの材質と板厚が属する群との組み合わせに応じて、ビーム径比率が設定されるのがよい。
［作用効果］
以上説明したように、第１実施形態によれば以下の作用効果が得られる。
レーザ加工機１０１は、第１レーザ発振器１０と、第１伝送ファイバ１１と、第２レーザ発振器２０と、第２伝送ファイバ２１と、加工ヘッド１と、ビーム径調整機構（コリメートレンズ駆動モータ２３）と、制御部（ＮＣ装置３０）とを備える。第１レーザ発振器１０は、第１の波長を有する第１レーザビームを射出する。第１伝送ファイバ１１は、第１レーザ発振器１０より射出された第１レーザビームを伝送する。第２レーザ発振器２０は、第１の波長の異なる第２の波長を有する第２レーザビームを射出する。第２伝送ファイバ２１は、第２レーザ発振器２０より射出された第２レーザビームを伝送する。加工ヘッド１は、第１及び第２伝送ファイバ１１、２１の端部より射出された第１及び第２レーザビームを互いに重畳し、重畳された第１及び第２レーザビームを被加工材Ｗに照射する。ビーム径調整機構は、加工ヘッド１内で第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作することにより、第１ビーム径ＤＢＬと、第２ビーム径ＤＩＲとの少なくとも一方を調整する。制御部は、ビーム径調整機構を制御し、第１ビーム径ＤＢＬと第２ビーム径ＤＩＲとの比率を、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて調整する。
また、ビーム径調整機構は、第１及び第２伝送ファイバ１１、２１の端部から射出されてから加工ヘッド１内で重畳されるまでの間の第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作する機構である。
これにより、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第１及び第２レーザビームのビーム径比率を、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて適切に制御できる。波長の異なる第１及び第２レーザビームを重畳させるレーザ加工機において、各種の被加工材Ｗを高品質に加工することができる。
レーザ加工機１０１は、ビーム径比率を設定するための指示をレーザ加工機１０１のオペレータから受け付ける操作部（操作表示部４０）をさらに備える。制御部は、操作部で受け付けた指示に従って、ビーム径調整機構を制御する。これにより、レーザ加工機１０１によれば、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第１及び第２レーザビームのビーム径比率を、オペレータによる入力に従って指定または変更できる。レーザ加工機１０１によれば、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて、ビーム径比率を設定できる。
加工ヘッド１は、第１伝送ファイバ１１の端部より射出された第１レーザビームが入射される第１コリメートレンズ１２と、第２伝送ファイバより射出された第２レーザビームが入射される第２コリメートレンズ２２とを有する。ビーム径調整機構は、第１及び第２コリメートレンズの少なくとも一方を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動する機構である。第１及び第２コリメートレンズの少なくとも一方を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動することにより、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第１及び第２レーザビームのビーム径比率を、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて適切に制御できる。
操作部は、ビーム径比率を設定するための指示として、第１伝送ファイバ１１の端部から第１コリメートレンズ１２までの距離である第１距離及び第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離である第２距離の少なくとも一方の距離ｄ０をオペレータから受け付ける。これにより、オペレータによる入力に従って、第１及び第２コリメートレンズの少なくとも一方を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に駆動することができる。第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第１及び第２レーザビームのビーム径比率を、オペレータによる入力に従って、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて適切に制御できる。
第１レーザビームの波長λ１は例えば４００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、第２レーザビームの波長λ２は例えば１０６０ｎｍ以上１０９０ｎｍ以下である。第１レーザビームに青色レーザを用い、第２レーザビームにファイバレーザを用いる。青色レーザによる短波長の光吸収率を生かし、銅などの従来のファイバレーザ単体では加工が困難であった被加工材への安定した入熱を実現できる。溶融むらを抑制し、スパッタ及びブローホールを抑制できる。青色レーザの強みに、ファイバレーザによる更新度、高速加工の強みを組み合わせることで、加工精度と加工速度などを両立した溶接が実現できる。
制御部は、第１ビーム径ＤＢＬが第２ビーム径ＤＩＲよりも大きくなるようにビーム径比率を調整する。青色レーザがファイバレーザの外側に溶融プールを形成できる。適正なビーム径比率の場合、十分な範囲に溶融プールが形成され、中心部のファイバレーザのキーホールの不安定化を抑制できる。加工方向の湯流れが安定し、スパッタ及びブローホールを抑制できる。
また、ビーム径調整機構は、第１及び第２伝送ファイバ１１、２１の少なくとも一方の端部を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に移動させる機構であってもよい。第１及び第２伝送ファイバ１１、２１の少なくとも一方の端部を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に移動させることにより、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第１及び第２レーザビームのビーム径比率を、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて適切に制御できる。
［第２実施形態］
第１実施形態においては、ビーム径調整機構の一例として、コリメートレンズ駆動モータ２３により、第１及び第２コリメートレンズ１２、２２の少なくとも一方を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に駆動する機構を備える。ビーム径調整機構は、第１ビーム径ＤＢＬ及び第２ビーム径ＤＩＲの少なくとも一方を拡大または縮小させるズーム機構であってもよい。図１０は、ズーム機構２７を備える第２実施形態に係るレーザ加工機１０２の概略構成図である。図１０のレーザ加工機１０２は、図１の第２コリメートレンズ２２及びコリメートレンズ駆動モータ２３の代わりに、ズーム機構２７を備える。図１０において、図１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。
ズーム機構２７は、例えば、第２伝送ファイバ２１の端部と、ダイクロイックミラー２４との間に配置される。ズーム機構２７は、２枚以上のレンズと、レンズを第２レーザビームの光軸方向に移動させるレンズ駆動モータ２８とを有する。ズーム機構２７のレンズの光軸は、集束レンズ２５の光軸と一致している。図１０において、ズーム機構２７のレンズは二枚の凸レンズにより構成されているが、レンズの数は２枚に限定されない。また、ズーム機構２７のレンズは、凸レンズ、凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、または凹凸レンズにより構成されてもよく、曲面が球面である球面レンズまたは曲面が非球面である非球面レンズにより構成されてもよい。ズーム機構２７のレンズ詳細な構成については、特に限定されない。
レンズ駆動モータ２８は、ＮＣ装置３０により制御される。レンズ駆動モータ２８は、ズーム機構２７のレンズを第２レーザビームの光軸方向に沿って駆動することにより、加工ヘッド１内で第２レーザビームの光学系を操作して、第２ビーム径ＤＩＲを拡大及び縮小させる。ズーム機構２７によるビーム径の拡大及び縮小方法については、既知の技術であるため、説明を省略する。
なお、ズーム機構２７は、第２伝送ファイバ２１の端部と、ダイクロイックミラー２４との間に配置される代わりに、第１伝送ファイバ１１の端部と、ベンドミラー１３との間に配置されてもよい。この場合、レンズ駆動モータ２８は、ズーム機構２７のレンズを第１レーザビームの光軸方向に駆動することにより、第１ビーム径ＤＢＬを拡大または縮小させる。また、ズーム機構２７は、第１伝送ファイバ１１の端部と、ベンドミラー１３との間に配置され、且つ、第２伝送ファイバ２１の端部と、ダイクロイックミラー２４との間に配置されてもよい。この場合、レンズ駆動モータ２８は、ズーム機構２７のレンズを第１及び第２レーザビームの光軸方向に駆動することにより、第１及び第２ビーム径ＤＢＬ、ＤＩＲを拡大または縮小する。
すなわち、ズーム機構２７は、第１及び第２ビーム径の少なくとも一方を拡大または縮小させる機構であればよい。第１及び第２ビーム径ＤＢＬ、ＤＩＲの少なくとも一方を拡大または縮小させることにより、ズーム機構２７は、加工ヘッド１内で第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作して、ビーム径比率を被加工材Ｗの材質に応じて調整できる。これにより、波長の異なる第１及び第２レーザビームを波長重畳させるレーザ加工機において、各種の被加工材Ｗを高品質に加工することができる。
［第３実施形態］
ビーム径調整機構は、第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光軸上に曲率可変ミラーを有する機構であってもよい。例えば、図１１は、第１レーザビームの光軸上に曲率可変ミラー１４を備える第３実施形態に係るレーザ加工機１０３の概略構成図である。図１１のレーザ加工機１０３は、図１のコリメートレンズ駆動モータ２３を備えず、図１のベンドミラー１３の代わりに、曲率可変ミラー１４を備える。図１１において、図１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。
曲率可変ミラー１４は、例えば、第１レーザビームの光軸上に配置され、第１コリメートレンズ１２から射出された第１レーザビームを反射して、ダイクロイックミラー２４に入射させる。曲率可変ミラー１４は、反射面の曲率を自在に変更調整可能に設けられている。曲率可変ミラー１４の制御方法には電気的なピエゾアクチュエータ式、空気圧制御式、液体圧制御式等があり、曲率可変ミラー１４は、ＮＣ装置３０により制御される。曲率可変ミラー１４は、反射面の曲率を調整することにより、ダイクロイックミラー２４に入射する第１レーザビームのビーム径を調整する。すなわち、ダイクロイックミラー２４により反射され、集束レンズ２５に入射される第１レーザビームのビーム径を調整することができる。曲率可変ミラー１４によるビーム径の調整については、既知の技術であるため、説明を省略する。集束レンズ２５に入射される第１レーザビームのビーム径を調整することにより、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射する位置での第１及び第２ビーム径ＤＢＬ、ＤＩＲのビーム径比率を調整できる。
なお、曲率可変ミラーは、第１レーザビームの光軸上に配置される代わりに、第２レーザビームの光軸上に配置されてもよい。例えば、レーザ加工機１０３は、図１１の第１レーザ発振器１０、第１伝送ファイバ１１及び第１コリメートレンズ１２と、第２レーザ発振器２０、第２伝送ファイバ２１及び第２コリメートレンズ２２とを入れ替えた構成としてもよい。この場合、曲率可変ミラー１４は、反射面の曲率を調整することにより、ダイクロイックミラー２４に入射する第２レーザビームのビーム径を調整する。すなわち、ダイクロイックミラー２４により反射され、集束レンズ２５に入射される第２レーザビームのビーム径を調整することができる。
［第４実施形態］
図１２に示すような構成により、曲率可変ミラーは、第２レーザビームの光軸上に配置されてもよい。図１２は、第２レーザビームの光軸上に曲率可変ミラー１５を備える第４実施形態に係るレーザ加工機１０４の概略構成図である。図１２のレーザ加工機１０４は、図１のコリメートレンズ駆動モータ２３を備えず、第２レーザビームの光軸上の第２コリメートレンズ２２とダイクロイックミラー２４の間に、曲率可変ミラー１５と、ベンドミラー２９とを備える。曲率可変ミラー１５の特性は図１１の曲率可変ミラー１４と同様であり、曲率可変ミラー１５は、ＮＣ装置３０により制御される。図１２において、図１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図１２において、曲率可変ミラー１５は、第２コリメートレンズ２２から射出された第２レーザビームの光軸上に配置され、第２コリメートレンズ２２から射出された第２レーザビームを反射して、ベンドミラー２９に入射させる。曲率可変ミラー１５は、反射面の曲率を調整することにより、ベンドミラー２９に入射する第２レーザビームのビーム径を調整する。ベンドミラー２９は、曲率可変ミラー１５によりビーム径が調整された第２レーザビームを反射して、ダイクロイックミラー２４に入射させる。ダイクロイックミラー２４は、ベンドミラー１３により入射された第１レーザビームを反射し、ベンドミラー２９により入射された第２レーザビームを透過させる。
すなわち、図１２において、曲率可変ミラー１５は、反射面の曲率を調整することにより、ダイクロイックミラー２４を透過して、集束レンズ２５に入射される第２レーザビームのビーム径を調整することができる。集束レンズ２５に入射される第２レーザビームのビーム径を調整することにより、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射する位置での第１及び第２ビーム径ＤＢＬ、ＤＩＲのビーム径比率を調整できる。
さらに、曲率可変ミラーは、第１レーザビームの光軸上に配置され、且つ、第２レーザビームの光軸上に配置されてもよい。この場合、例えば、レーザ加工機１０４は、図１２のベンドミラー１３の代わりに、曲率可変ミラー１４を備えてもよい。この場合、曲率可変ミラー１４、１５は、集束レンズ２５に入射される第１及び第２レーザビームのビーム径を調整することができる。集束レンズ２５に入射される第１及び第２レーザビームのビーム径を調整することにより、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射する位置での第１及び第２ビーム径ＤＢＬ、ＤＩＲのビーム径比率を調整できる。
すなわち、ビーム径調整機構は、第１レーザビームの光軸上の第１コリメートレンズ１２とダイクロイックミラー２４の間に配置される第１のミラーと、第２レーザビームの光軸上の第２コリメートレンズ２２とダイクロイックミラー２４の間に配置される第２のミラーの少なくとも一方を曲率可変ミラーとする機構であればよい。第１及び第２のミラーの少なくとも一方を曲率可変ミラーとすることにより、ビーム径比率を少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて調整できる。これにより、波長の異なる第１及び第２レーザビームを
波長重畳させるレーザ加工機において、各種の被加工材を高品質に加工することができる。
［変形例］
第１～第４実施形態の変形例について説明する。第１～第４実施形態においては、ＮＣ装置３０は、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに同時に照射されるように、第１及び第２レーザ発振器１０、２０を制御する。ところで、銅が非溶融状態であるとき、青色レーザの銅への光吸収率は赤外線レーザの銅への光吸収率よりも高いことが知られている。したがって、銅の予熱が開始されてから銅が溶融するまでの間は、青色レーザによって高い熱効率で銅の予熱が可能である。また、赤外線レーザの光吸収率は銅の温度上昇に伴って高まるため、銅の溶融が開始してから銅の温度がさらに上昇していく間は、赤外線レーザを高出力で照射することにより、赤外線レーザによっても高い熱効率で銅の溶接が可能である。
したがって、第１～第４実施形態において、ＮＣ装置３０は、図１３に示すように、例えば、第１レーザビーム（青色レーザＢＬ）を被加工材Ｗが溶融するまでの第１所定時間Ｔ１だけ射出した後に、第１レーザビームの射出を停止し、第１レーザビームの停止後に第２レーザビーム（ファイバレーザＩＲ）を第２所定時間Ｔ２だけ射出するように、第1及び第２レーザ発振器１０、２０を制御してもよい。このレーザビームの射出方法は、スポット溶接を行う場合にも連続溶接を行う場合にも適用可能である。
被加工材Ｗの加工点Ｐにおいてスポット溶接を行う場合、ＮＣ装置３０は、例えば、被加工材Ｗの加工点Ｐにおいて第１レーザビームの射出をオンにして被加工材Ｗの予熱を開始し、第１所定時間Ｔ１が経過して被加工材Ｗの溶融が始まると、第１レーザビームの射出をオフにする。ＮＣ装置３０は、第１レーザビームの射出をオフにしたタイミングで、第２レーザビームの射出をオンにする。ＮＣ装置３０は、第２レーザビームの射出をオンにした状態で、第１レーザビームにより予熱した被加工材Ｗを溶接加工する。その後、ＮＣ装置３０は、第２所定時間Ｔ２が経過し、第２レーザビームにより溶接が完了すると、第２レーザビームの射出をオフにし、溶接加工を完了する。第１所定時間Ｔ１と第２所定時間Ｔ２とは同じ時間であってもよいし、異なる時間であってもよい。
これにより、ＮＣ装置３０は、第１及び第２レーザビームを同時に照射することなく、より高効率に被加工材Ｗを加工することができる。
また、被加工材Ｗの加工点Ｐを始点として連続溶接を行う場合、ＮＣ装置３０は、例えば、被加工材Ｗの加工点Ｐにおいて加工ヘッド１が停止した状態で第１レーザビームの射出をオンにして被加工材Ｗの予熱を開始し、第１所定時間Ｔ１が経過して被加工材Ｗの溶融が始まると、第１レーザビームの射出をオフにする。第１レーザビームにより被加工材Ｗに吸収された熱は、熱伝導によって被加工材Ｗの内部に伝わる。なお、第１所定時間Ｔ１は、例えば１ｍｓ以下でも成り立つ。第１所定時間Ｔ１が１ｍｓ以下である場合には、第１所定時間Ｔ１が加工ヘッド１の移動速度に対し十分に短いと言える。第１所定時間Ｔ１が加工ヘッド１の移動速度に対し十分に短い場合には、ＮＣ装置３０は、加工ヘッド１を被加工材Ｗの加工点Ｐから加工経路に沿って移動させながら第１レーザビームの射出をオンにし、第１所定時間Ｔ１が経過すると、第１レーザビームの射出をオフにしてもよい。
ＮＣ装置３０は、第１レーザビームの射出をオフにしたタイミングで、第２レーザビームの射出をオンにする。ＮＣ装置３０は、第２レーザビームの射出をオンにした状態で、加工経路に沿って加工ヘッドを移動させながら、加工経路を溶接加工する。その後、ＮＣ装置３０は、第２所定時間Ｔ２が経過し、第２レーザビームにより加工経路の溶接が完了すると、第２レーザビームの射出をオフにし、溶接加工を完了する。
これにより、ＮＣ装置３０は、第１及び第２レーザビームを同時に照射することなく、より高効率に被加工材Ｗを加工することができる。なお、ＮＣ装置３０は、第２レーザビームをオンにした後に、第２レーザビームから第１レーザビームに切り替えて、加工経路の途中で第１レーザビームを射出し、再度第１レーザビームから第２レーザビームに切り替えるように、第１及び第２レーザ発振器１０、２０を制御してもよい。
なお、図１３において、ＮＣ装置３０は、第２レーザビームの射出をオフにした後に、再度第１レーザビームの射出をオンにして、加工経路の後熱処理を行ってもよい。第１レーザビームを用いて後熱処理を行うことにより、被加工材Ｗを高品質且つ高効率に加工することができる。
また、第１～第４実施形態において、ＮＣ装置３０は、図１４に示すように、例えば、第１レーザビームと第２レーザビームを交互に、第１レーザビームを第３所定時間Ｔ３だけ射出し、第２レーザビームを第４所定時間Ｔ４だけ射出するように、第1及び第２レーザ発振器１０、２０を制御してもよい。このレーザビームの射出方法は、スポット溶接を行う場合にも連続溶接を行う場合にも適用可能であり、連続溶接を行う場合に特に有効である。
連続溶接を行う場合、ＮＣ装置３０は、例えば、被加工材Ｗの加工経路上で第１レーザビームによる加工経路の予熱を第３所定時間Ｔ３だけ、第２レーザビームによる加工経路の溶接を第４所定時間Ｔ４だけ交互に繰り返しながら、加工経路を溶接加工する。第３所定時間Ｔ３と第４所定時間Ｔ４とは同じ時間であってもよいし、異なる時間であってもよい。なお、図１４においては、ＮＣ装置３０は、第２レーザビームの射出をオフにし、再度第１レーザビームの射出をオンにした時に、加工経路の後熱処理を行ってもよい。これにより、第１及び第２レーザビームを同時に照射することなく、より高品質且つ高効率に被加工材Ｗを加工することができる。
図１５Ａ及び図１５Ｂは、図１３または図１４において第１レーザビームと第２レーザビームとが選択的に射出されているときの第１及び第２レーザビームのビーム径及びビームプロファイルの一例を示す。図１５Ａは第１レーザビームを被加工材Ｗに照射している状態、図１５Ｂは第２レーザビームを被加工材Ｗに照射している状態を示している。図１５Ａ及び図１５Ｂにおいて、ビーム径を上側に、ビームプロファイルを下側に示している。ビームプロファイルとは、第１及び第２レーザビームのビームの中心からの距離とビームの強度との関係を示す特性である。
図１５Ａに示すように、第１レーザビームのビーム径は、第１レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置でのビーム径が第１ビーム径ＤＢＬとなるように調整される。図１５Ｂに示すように、第２レーザビームのビーム径は、第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置でのビーム径が第２ビーム径ＤIＲとなるように調整される。なお、第１及び第２レーザビームのビームプロファイルは、典型的には、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すようなガウシアン型である。第１及び第２レーザビームのビームプロファイルは、ガウシアン型のビームプロファイルを成形したトップハット型(フラットトップ型)またはリング型であってもよい。
本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
１ 加工ヘッド
１０ 第１レーザ発振器
１１ 第１伝送ファイバ
２０ 第２レーザ発振器
２１ 第２伝送ファイバ
２３ ビーム径調整機構（コリメートレンズ駆動モータ）
３０ 制御部（ＮＣ装置）
１００ レーザ加工機
Ｗ 被加工材
ＤＢＬ 第１ビーム径
ＤＩＲ 第２ビーム径
ＢＬ 第１レーザビーム
ＩＲ 第２レーザビーム

Claims (14)

  1. 第１の波長を有する第１レーザビームを射出する第１レーザ発振器と、
    前記第１レーザ発振器より射出された前記第１レーザビームを伝送する第１伝送ファイバと、
    前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２レーザビームを射出する第２レーザ発振器と、
    前記第２レーザ発振器より射出された前記第２レーザビームを伝送する第２伝送ファイバと、
    前記第１及び第２伝送ファイバの端部より射出された前記第１及び第２レーザビームを被加工材に照射する加工ヘッドと、
    前記加工ヘッド内で前記第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作することにより、前記第１レーザビームが前記被加工材に照射される位置での前記第１レーザビームのビーム径である第１ビーム径と、前記第２レーザビームが前記被加工材に照射される位置での前記第２レーザビームのビーム径である第２ビーム径との少なくとも一方を調整するビーム径調整機構と、
    前記ビーム径調整機構を制御し、前記第１ビーム径と前記第２ビーム径との比率を、少なくとも前記被加工材の材質に応じて調整する制御部と、
    を備えるレーザ加工機。
  2. 前記制御部は、前記第１及び第２レーザビームが前記被加工材に同時に照射されるように前記第１及び第２レーザ発振器を制御し、
    前記加工ヘッドは、前記加工ヘッド内で前記第１及び第２レーザビームを互いに重畳し、重畳された前記第１及び第２レーザビームを被加工材に照射する
    請求項１に記載のレーザ加工機。
  3. 前記制御部は、
    前記第１レーザビームを第１所定時間だけ射出した後に前記第１レーザビームの射出を停止し、前記第１レーザビームの射出の停止後に前記第２レーザビームを第２所定時間だけ射出するように第1及び第２レーザ発振器を制御する
    請求項１に記載のレーザ加工機。
  4. 前記制御部は、
    前記第１レーザビームと前記第２レーザビームを交互に、前記第１レーザビームを第３所定時間だけ射出し、前記第２レーザビームを第４所定時間だけ射出するように前記第1及び第２レーザ発振器を制御する
    請求項１に記載のレーザ加工機。
  5. 前記ビーム径調整機構は、前記第１及び第２伝送ファイバの端部から射出されてから前記加工ヘッド内で重畳されるまでの間の前記第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作する機構である
    請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
  6. 前記比率を設定するための指示を前記レーザ加工機のオペレータから受け付ける操作部をさらに備え、
    前記制御部は、前記操作部で受け付けた前記指示に従って、前記ビーム径調整機構を制御する
    請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
  7. 前記加工ヘッドは、
    前記第１伝送ファイバの端部より射出された前記第１レーザビームが入射される第１コリメートレンズと、前記第２伝送ファイバより射出された前記第２レーザビームが入射される第２コリメートレンズとを有し、
    前記ビーム径調整機構は、
    前記第１及び第２コリメートレンズの少なくとも一方を、前記第１及び第２レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動する機構である
    請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
  8. 前記比率を設定するための指示を前記レーザ加工機のオペレータから受け付ける操作部をさらに備え、
    前記制御部は、前記操作部で受け付けた前記指示に従って、前記ビーム径調整機構を制御し、
    前記操作部は、前記比率を設定するための指示として、前記第１伝送ファイバの端部から前記第１コリメートレンズまでの距離である第１距離及び前記第２伝送ファイバの端部から前記第２コリメートレンズまでの距離である第２距離の少なくとも一方の距離を前記オペレータから受け付ける
    請求項７に記載のレーザ加工機。
  9. 前記ビーム径調整機構は、
    前記第１及び第２ビーム径の少なくとも一方を拡大または縮小させるズーム機構である
    請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
  10. 前記ビーム径調整機構は、
    前記第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光軸上に曲率可変ミラーを有する機構である
    請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
  11. 前記ビーム径調整機構は、
    前記第１及び第２伝送ファイバの少なくとも一方の端部を、前記第１及び第２レーザビームの光軸方向に移動させる機構である
    請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
  12. 前記第１の波長は４００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、
    前記第２の波長は１０６０ｎｍ以上１０９０ｎｍ以下である
    請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
  13. 前記制御部は、前記第１ビーム径が前記第２ビーム径よりも大きくなるように前記比率を調整する
    請求項１２に記載のレーザ加工機。
  14. 第１レーザ発振器により射出された第１の波長を有する第１レーザビームと、第２レーザ発振器により射出された、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作することにより、前記第１レーザビームが被加工材に照射される位置での前記第１レーザビームのビーム径である第１ビーム径と、前記第２レーザビームが前記被加工材に照射される位置での前記第２レーザビームのビーム径である第２ビーム径との少なくとも一方を調整し、
    前記第１ビーム径と前記第２ビーム径との比率を、少なくとも前記被加工材の材質に応じて調整する
    レーザ加工方法。
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