JP7394088B2

JP7394088B2 - レーザ加工用光ファイバ

Info

Publication number: JP7394088B2
Application number: JP2021081404A
Authority: JP
Inventors: 正俊田中; 正義八若; 知史浦松; 智彦石田; 敏幸北澤
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2021-05-13
Filing date: 2021-05-13
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2041-05-13
Also published as: JP2022175189A

Description

本発明は、レーザ加工用光ファイバに関する。

複数のレーザ光を伝送する手段として、特許文献１には、赤色、緑色、及び青色のレーザ光を、１本の光ファイバに、それぞれのビーム中心位置をずらして入射する技術が開示されている。

ところで、ファイバレーザは、高出力化が進んでおり、高密度熱源として溶接等のレーザ加工に応用されている。ところが、電子部品等で用いられる銅や金は、ファイバレーザが発する波長が約１０００ｎｍの近赤外線領域のレーザ光の吸収率が低いため、ファイバレーザを用いたレーザ加工が難しいという問題がある。一方、銅は、青色半導体レーザが発する波長４５０ｎｍのレーザ光の吸収率が高く、また、温度が上昇すると近赤外線領域のレーザ光の吸収率が高まる。これらのことから、非特許文献１には、銅に対し、青色半導体レーザが発する波長４５０ｎｍのレーザ光を照射して予熱することにより、近赤外線領域のレーザ光の吸収率を高め、その後、ファイバレーザが発する近赤外線領域のレーザ光を照射して溶接加工を行うことが開示されている。

特開２０１９－５６０４号公報

黒田裕志，藤尾駿平，竹中啓輔，井藤里香，佐藤雄二，吉田実，塚本雅裕，「ファイバーレーザーと青色半導体レーザーを用いたハイブリットレーザーシステムによる銅の溶接」，レーザー学会学術講演会第４１回年次大会講演予稿集，２０２１年

非特許文献１に開示された技術では、ファイバレーザ及び青色半導体レーザが発するレーザ光を、それぞれ光ファイバで伝送し、それらを合波してワークに照射する。このとき、レーザ光の合波は、ワークの直上の加工ヘッドで行われる。通常、レーザ加工の加工ヘッドは、三次元的な動きを高速で行うことができるように、小型で且つ軽量であることが望まれる。しかしながら、非特許文献１に開示された技術の場合、加工ヘッドは、ファイバレーザ及び青色半導体レーザから延びる光ファイバの先端に取り付けられた２個の光コネクタ及びそれらから発されるレーザ光を合波するためのダイクロイックミラーの設置が必要であるため、大型で且つ重くなる。また、振動を伴う加工ヘッドへのダイクロイックミラーの設置は好ましくない。

本発明の課題は、ワークに所定のレーザ加工を施すレーザ光及びワークのレーザ加工予定部を予熱するレーザ光を用いるレーザ加工装置について、加工ヘッドを小型で且つ軽量にすることである。

本発明は、ワークに所定のレーザ加工を施すレーザ光を伝送するための相対的にコア径が小さい断面形状が円形である単一の第１コアと、前記ワークのレーザ加工予定部を予熱するレーザ光を伝送するための相対的にコア径が大きい断面形状が円形である単一の第２コアとを有する断面形状が円形であるレーザ加工用光ファイバであって、前記第１及び第２コアは、ファイバ断面において、いずれの中心もファイバ中心からずれるとともに、それらの中心間にファイバ中心が位置し、かつ、クラッド内で離間して設けられている。

本発明によれば、ワークに所定のレーザ加工を施すレーザ光及びワークのレーザ加工予定部を予熱するレーザ光を用いるレーザ加工装置に適用すれば、それらの両方のレーザ光を単一の光ファイバで伝送できるので、その先端に取り付けられる加工ヘッドを小型で且つ軽量とすることができる。

実施形態１に係るレーザ加工用光ファイバの断面図である。実施形態１に係るレーザ加工用光ファイバを含むレーザ加工装置の構成を示す図である。実施形態２に係るレーザ加工用光ファイバの断面図である。

以下、実施形態について詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るレーザ加工用光ファイバ１０を示す。このレーザ加工用光ファイバ１０は、例えば銅の溶接等のレーザ加工に用いられるレーザ加工装置に装着されるものである。

実施形態１に係るレーザ加工用光ファイバ１０は、第１コア１１１と、その第１コア１１１に接触して被覆する第１クラッド１２１と、その第１クラッド１２１に接触して被覆する第２コア１１２と、その第２コア１１２に接触して被覆する第２クラッド１２２と、第２クラッド１２２に接触して被覆するジャケット１３とを備えた二重コア構造を有する。この二重コア構造では、断面形状が円形の第１コア１１１がファイバ中心に設けられるとともに、その第１コア１１１を中心として、各々、断面形状が環状の層の第１クラッド１２１、第２コア１１２、第２クラッド１２２、及びジャケット１３が、内側から外側に向かって連続するように同心状に設けられている。したがって、第１コア１１１は、第１クラッド１２１を介して第２コア１１２内に設けられている。

第１コア１１１は、例えば銅製のワークに溶接等の所定のレーザ加工を施すファイバレーザが発する波長が約１０００ｎｍの近赤外線領域のレーザ光（以下「ＩＲ光」という。）を伝送する。第１コア１１１は、ＩＲ光の伝送のため、相対的にコア径が小さい。第１コア１１１のコア径は、例えば５０μｍ以上１５０μｍ以下である。

第１コア１１１は、例えば高屈折率の石英で形成されている。第１コア１１１を形成する石英は、純粋石英であることが好ましいが、ＧｅやＰ等の屈折率を高めるドーパントがドープされた石英であってもよい。第１コア１１１を形成する石英は、ＩＲ光の伝送損失が低いという観点から、ＯＨ含有量が少ないことが好ましい。

第１クラッド１２１は、例えば第１コア１１１よりも低屈折率の石英で形成されている。第１クラッド１２１を形成する石英は、ＦやＢ等の屈折率を下げるドーパントがドープされた石英であることが好ましい。

第２コア１１２は、例えば銅製のワークのレーザ加工予定部を予熱する青色半導体レーザが発する波長４５０ｎｍのレーザ光（以下「青色光」という。）を伝送する。第２コア１１２は、青色光の伝送のため、相対的にコア径が大きい。第２コア１１２のコア径は、例えば２００μｍ以上６００μｍ以下である。

第２コア１１２は、例えば第１クラッド１２１よりも高屈折率の石英で形成されている。第２コア１１２を形成する石英は、第１コア１１１と同様、純粋石英であることが好ましいが、ＧｅやＰ等の屈折率を高めるドーパントがドープされた石英であってもよい。第２コア１１２を形成する石英は、青色光の伝送損失が低いという観点から、ＯＨ含有量が多いことが好ましい。第１コア１１１及び第２コア１１２のいずれもが石英で形成されている場合、第２コア１１２を形成する石英は、第１コア１１１を形成する石英よりも、ＯＨ含有量が多いことが好ましい。

第２クラッド１２２は、例えば第２コア１１２よりも低屈折率の石英で形成されている。第２クラッド１２２を形成する石英は、ＦやＢ等の屈折率を下げるドーパントがドープされた石英であることが好ましい。

ジャケット１３は、例えば、フッ素樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ナイロン樹脂等で形成された単一層又は複数層で構成されている。

図２は、実施形態１に係るレーザ加工用光ファイバ１０を有するレーザ加工装置２０を示す。

このレーザ加工装置２０は、装置本体２１と、装置本体２１に光コネクタＣを介して取り付けられて延びる光ファイバケーブル２２と、光ファイバケーブル２２の先端に光コネクタＣを介して取り付けられた加工ヘッド２３とを備える。

装置本体２１は、光源としてのファイバレーザ２１１及び青色半導体レーザ２１２と、ファイバレーザ２１１及び青色半導体レーザ２１２のそれぞれから延びるレーザ光伝送用の光ファイバ２１２，２１３と、それらの光ファイバ２１２，２１３がそれぞれ光コネクタＣを介して接続されたダイクロイックミラー２１５とを含む。光ファイバケーブル２２は、実施形態１に係るレーザ加工用光ファイバ１０を含む。

このレーザ加工装置２０では、ファイバレーザ２１１がＩＲ光を発するとともに、青色半導体レーザ２１２が青色光を発する。光ファイバ２１２，２１３は、ファイバレーザ２１１からのＩＲ光及び青色半導体レーザ２１２からの青色光を伝送する。ダイクロイックミラー２１５は、ＩＲ光を透過させるとともに、青色光を反射して、それらを合波する。光ファイバケーブル２２のレーザ加工用光ファイバ１０には、ダイクロイックミラー２１５からの合波が入射し、第１コア１１１がＩＲ光を伝送するとともに、第２コア１１２が青色光を伝送する。加工ヘッド２３は、レーザ加工用光ファイバ１０が伝送したＩＲ光及び青色光を出射してワークＷのレーザ加工予定部に照射する。ワークＷが銅製の場合、ワークＷのレーザ加工予定部は、スポットの大きい青色光が照射されて予熱されることにより、温度が上昇してＩＲ光の吸収率が高まる。予熱されてＩＲ光の吸収率が高まったワークＷのレーザ加工予定部は、スポットの小さいＩＲ光が照射されて溶接等の所定のレーザ加工が施される。

上記の実施形態１に係るレーザ加工用光ファイバ１０によれば、ワークＷに所定のレーザ加工を施すＩＲ光及びワークＷのレーザ加工予定部を予熱する青色光を用いるレーザ加工装置２０に適用すれば、それらの両方のレーザ光を単一の光ファイバで伝送できるので、その先端に取り付けられる加工ヘッド２３を小型で且つ軽量とすることができる。

（実施形態２）
図３は、実施形態２に係るレーザ加工用光ファイバ１０を示す。なお、実施形態１と同一名称の部分は、実施形態１と同一符号で示す。

実施形態２に係るレーザ加工用光ファイバ１０では、第１コア１１１及び第２コア１１２が、ファイバ断面において、クラッド１２内で離間して設けられている。クラッド１２は、実施形態１に係るレーザ加工用光ファイバ１０の第１クラッド１２１及び第２クラッド１２２と同様の構成を有する。

実施形態２に係るレーザ加工用光ファイバ１０を用いた場合、図２の矢印の向きに移動させると、銅製のワークは、まず第２コア１１２からのスポットの大きい青色光が照射及び走査されて予熱されることにより、温度が上昇してＩＲ光の吸収率が高まる。予熱されてＩＲ光の吸収率が高まったワークは、それに続いて、第１コア１１１からのスポットの小さいＩＲ光が照射及び走査されて溶接等の所定のレーザ加工が施される。

その他の構成及び作用効果は実施形態１と同一である。

（その他の実施形態）
上記実施形態１及び２では、第１コア１１１及び第２コア１１２のいずれの外形も円形である構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、第１コアの外形が円形であり、第２コアの外形が矩形等の非円形である構成であってもよい。なお、非円形の第２コア１１２のコア径は、第２コア１１２の断面積と同一の面積を有する円の等価直径である。

本発明は、レーザ加工用光ファイバの技術分野について有用である。

１０レーザ加工用光ファイバ
１１１第１コア
１１２第２コア
１２クラッド
１２１第１クラッド
１２２第２クラッド
１３ジャケット
２０レーザ加工装置
２１装置本体
２１１ファイバレーザ
２１２青色半導体レーザ
２１３，２１４光ファイバ
２１５ダイクロイックミラー
２２光ファイバケーブル
２３加工ヘッド
Ｃ光コネクタ
Ｗワーク

Claims

ワークに所定のレーザ加工を施すレーザ光を伝送するための相対的にコア径が小さい断面形状が円形である単一の第１コアと、
前記ワークのレーザ加工予定部を予熱するレーザ光を伝送するための相対的にコア径が大きい断面形状が円形である単一の第２コアと、
を有する断面形状が円形であるレーザ加工用光ファイバであって、
前記第１及び第２コアは、ファイバ断面において、いずれの中心もファイバ中心からずれるとともに、それらの中心間にファイバ中心が位置し、かつ、クラッド内で離間して設けられているレーザ加工用光ファイバ。
請求項１に記載されたレーザ加工用光ファイバにおいて、
前記第１コア及び前記第２コアのいずれもが石英で形成されているレーザ加工用光ファイバ。
請求項２に記載されたレーザ加工用光ファイバにおいて、
前記第２コアを形成する石英が、前記第１コアを形成する石英よりも、ＯＨ含有量が多いレーザ加工用光ファイバ。
請求項１乃至３のいずれかに記載されたレーザ加工用光ファイバを用いた銅製のワークの溶接方法であって、
前記レーザ加工用光ファイバ及び前記銅製のワークを相対的に移動させることにより、前記銅製のワークの加工予定部に前記レーザ加工用光ファイバの前記第２コアから青色のレーザ光を照射して前記銅製のワークの前記加工予定部を予熱するのに続いて、前記予熱された前記銅製のワークの前記加工予定部に前記第１コアから近赤外線領域のレーザ光を照射して前記銅製のワークの前記加工予定部を溶接する溶接方法。