WO2019078092A1 - レーザ加工装置 - Google Patents

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WO2019078092A1
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laser
lens
processing apparatus
aberration
condensing
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一樹 久場
彰大 上野
俊信 江口
吉田　勝
淳二 宮田
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三菱電機株式会社
多田電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus that performs laser processing such as cutting, welding, and heat treatment using a laser beam.
  • the workpiece in the portion irradiated with the laser beam is instantaneously melted and evaporated to form a keyhole surrounded by the molten metal.
  • Convection of the molten metal occurs inside the keyhole, and when the velocity of the molten metal flow toward the opening of the keyhole increases, part of the molten metal may scatter from the opening of the keyhole.
  • the spattered molten metal is called spatter, and when spatter occurs, it adheres to the periphery of the processing portion to degrade the processing quality of the processing object.
  • spattering occurs more easily than the laser processing apparatus using a CO 2 laser, and the processing quality of the object to be processed is easily deteriorated.
  • Patent Document 1 discloses a laser processing apparatus provided with optical means for forming a main beam and a sub-beam larger in diameter and lower in energy than the main beam in order to suppress deterioration of the processing quality of the object to be processed. It is done.
  • the optical means comprises a collimating lens, a collecting lens and a perforated concave lens.
  • This invention is made in view of the above, Comprising: It aims at providing the laser processing apparatus which can implement
  • a laser processing apparatus is a laser processing apparatus for condensing a laser beam on a processing object and performing laser processing, which collects the laser beam.
  • An optical system is provided, and the focusing optical system has an aberration. It is characterized in that the lateral aberration at the focusing point for the light beam corresponding to D 86.5 , which is the laser beam diameter containing 86.5% of the laser power, in the laser beam before focusing is 0.2 mm or more I assume.
  • FIG. 1 The figure which shows schematic structure of the laser processing apparatus concerning Embodiment 1 of this invention. Enlarged view of the beam shape of the focused beam shown in FIG. 1
  • FIG. 1 The figure which shows the state of the processing object at the time of performing laser processing using the laser processing apparatus shown in FIG.
  • FIG. 2 A ray diagram of a laser beam emitted by the laser processing apparatus shown in FIG.
  • FIG. The figure which shows intensity distribution of the laser beam corresponding to each of the optical axis position 12 shown in FIG.
  • FIG. 6 The figure which shows intensity distribution of the laser beam corresponding to each of the optical axis position -4 to the optical axis position +2 shown in FIG. A diagram showing the state during and after welding at each of the optical axis position -12 to the optical axis position -6 shown in FIG. A diagram showing the state during and after welding at each of the optical axis position -4 to the optical axis position +2 shown in FIG. A ray diagram of a laser beam emitted by the laser processing apparatus according to the third comparative example of the present invention The figure which shows intensity distribution of the laser beam corresponding to each of the optical axis position -8 to the optical axis position -2 shown in FIG.
  • the figure which shows intensity distribution of the laser beam corresponding to each of the optical axis position 0-the optical axis position +6 shown in FIG. A diagram showing the state during and after welding at each of the optical axis position -8 to the optical axis position -2 shown in FIG.
  • FIG. 18 is a graph showing the transition of the amount of spatter generated with respect to the change of the transverse aberration of the entire optical system shown in FIG. 17 and FIG. Transition of the peripheral molten pool width when changing the transverse aberration under the conditions shown in Fig. 17
  • required by the condensing lens of FIG. 1 Diagram showing transition of exit surface curvature to change of entrance surface curvature
  • FIG. 24 A ray diagram and a schematic configuration diagram of the processing optical system under the conditions shown in FIG.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of a laser processing apparatus 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • the laser processing apparatus 100 includes a laser oscillator 1, an optical fiber 2, and a focusing optical system 3.
  • the laser oscillator 1 is a near infrared laser light source that emits a laser beam in a near infrared wavelength range, such as a fiber laser, a disk YAG laser, or a direct diode laser.
  • the optical fiber 2 transmits the laser beam emitted by the laser oscillator 1.
  • An outgoing beam 10, which is a laser beam emitted from the optical fiber 2 is incident on a focusing optical system 3.
  • the focusing optical system 3 includes a collimating lens 31 and a focusing lens 32.
  • the collimating lens 31 collimates the outgoing beam 10 into collimated light 11.
  • the collimated collimated light 11 is incident on the condenser lens 32.
  • the condensing lens 32 irradiates the processing object 4 with the condensed beam 12 obtained by condensing the collimated light 11.
  • the processing target 4 is a processing material made of iron.
  • the focused beam 12 is irradiated onto the object 4 to be processed, the object 4 to be processed is melted and evaporated to form a keyhole 50 surrounded by the molten metal 41.
  • the laser processing is performed by changing the irradiation position of the focused beam 12 to the processing target 4.
  • At least one of the collimating lens 31 and the focusing lens 32 has an aberration, and the focusing optical system 3 has an aberration as a whole.
  • the diameter of the laser beam contains 86.5% of the laser power, as compared with the condensing point of the condensed beam 120 in the near-axis region where the fiber output angle is 10 ° or less.
  • a focused beam 121 at a beam position corresponding to D 86.5 is focused on the front side in the beam traveling direction, and is not focused at the focused position in the near-axis region but blurred.
  • the beam shape 10a of the outgoing beam 10 is a flat top with uniform laser power with a specific width centered on the optical axis, where the horizontal axis is an axial position perpendicular to the optical axis and the vertical axis is the light intensity. It is a shape.
  • the horizontal axis is the position on the axis perpendicular to the optical axis
  • the vertical axis is the light intensity.
  • the beam shape 11 a of the collimated light 11 at the optical axis position of the collimating lens 31 is a Gaussian distribution having a peak on the optical axis.
  • the beam shape 12 a of the condensed beam 12 emitted from the condensing lens 32 has a peak on the optical axis, and the light intensity is tailed off as it goes away from the optical axis.
  • a beam shape in which the central part is mountain-shaped and the foot is widely drawn to the peripheral part is referred to as a witch hat shape.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the beam shape 12 a of the focused beam 12 shown in FIG.
  • the beam shape 12 a of the focused beam 12 has a witch hat shape near the focusing point of the focusing optical system 3 due to the aberration of the focusing optical system 3.
  • the condensed beam 12 is composed of a substantially circular main beam 125 centered on the optical axis and an annular peripheral beam 126 surrounding the main beam 125.
  • the light intensity of the main beam 125 is, for example, 1 MW / cm 2 or more.
  • the peripheral beam 126 has a light intensity lower than that of the main beam 125, and is herein defined as a portion having a light intensity of 5 kW / cm 2 or more and 200 kW / cm 2 or less.
  • the peripheral beam 126 is a portion corresponding to the cap of a hat in the shape of a witch hat, and forms a tail that continues from the main beam 125.
  • the peripheral beam 126 has a donut shape surrounding the main beam 125 in a cross section perpendicular to the optical axis.
  • the width of the peripheral beam 126 is preferably 0.22 mm or more.
  • FIG. 3 is a view showing the state of the processing target 4 when laser processing is performed using the laser processing apparatus 100 shown in FIG.
  • FIG. 3 shows an example of laser welding, and the laser processing apparatus 100 scans the focused beam 12 toward the left of the figure.
  • the beam shape 12 a of the focused beam 12 is a witch hat shape, and the main beam 125 at the central portion melts the metal of the processing object 4 to form a key hole 50.
  • the peripheral beam 126 evaporates the surface of the molten metal 41 to generate the metal vapor 61.
  • the evaporation reaction force 7 of the metal vapor 61 is a force directed from the surface of the molten metal 41 to the inside of the object 4 at the opening 51 of the keyhole 50.
  • the evaporation reaction force 7 changes the direction of the molten metal flow 411 which ascends the keyhole inner wall 502 from the direction perpendicular to the surface 40 of the object 4 to the direction parallel to the surface 40 behind the laser beam scanning direction. .
  • the opening 51 of the keyhole 50 spreads in a trumpet shape, the molten metal flow 411 flows toward the inside of the object 4 to be processed, and the generation of spatter is suppressed. Since sputtering tends to occur behind the scanning direction of the laser beam, it is important to form the peripheral beam 126 behind the scanning direction of the laser beam.
  • FIG. 4 is a view showing the state of the processing target 4 when performing laser processing using the laser processing apparatus according to Comparative Example 1 of the present invention.
  • the beam shape 91a of the condensed beam 91 has no peripheral beam around the main beam, and the light intensity is rapidly reduced to a light intensity of 5 kW / cm 2 or less without tailing. .
  • the keyhole inner wall 502 has a shape in which a state close to perpendicular to the surface of the processing target 4 continues from the inside of the keyhole 50 to the surface of the processing target 4.
  • the molten metal flow 411 is unlikely to flow toward the inside of the object 4 and the velocity of the molten metal flow 411 in which the molten metal flow 411 is directed to the opening of the keyhole 50 is increased, and a part of the molten metal 41 is scattered.
  • spatter 413 is generated.
  • FIG. 5 is a view showing the state of the processing target 4 when performing laser processing using the laser processing apparatus according to Comparative Example 2 of the present invention.
  • a laser processing apparatus using a CO 2 laser instead of the near infrared laser light source is used.
  • a CO 2 laser is a mid-infrared laser having a wavelength of about 9 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the CO 2 laser has a high absorptivity with respect to plasma generated by the interaction of the metal vapor 60 and the metal vapor 61 with the laser light, and when the condensed beam 92 is irradiated, the CO 2 laser A high temperature plasma 8 is generated at the opening 51.
  • the metal in the vicinity of the opening 51 is heated and evaporated by the high temperature plasma 8, and the opening 51 is gently and widely opened by the evaporation reaction force 7. Therefore, in the case of using a CO 2 laser, the molten metal flow 411 tends to flow toward the inside of the processing object 4 without adjusting the aberration of the condensing optical system, and the generation of the spatter 413 is small. , Can maintain stable processing quality. Accordingly, in the laser processing apparatus using a near-infrared laser light source, by using a focusing optical system 3 to form a focused beam 12 of the beam shape 12a shown in FIG.
  • the key plasma in CO 2 laser processing hole opening It is possible to perform heating and enlargement of the keyhole opening equivalent to heating and enlargement of the part, and it is possible to suppress the problem that spatter 413 is apt to occur when a near infrared laser light source is used.
  • the laser processing apparatus 100 suppresses the spatter 413 by conducting experiments of experimental examples 1 to 9 by changing the conditions such as the optical elements used by the laser processing apparatus 100 according to the first embodiment and the operating conditions.
  • the conditions for maintaining good processing quality without any problem in practical use were examined.
  • FIG. 6 is a ray diagram of a laser beam emitted from the laser processing apparatus 100 shown in FIG.
  • the ray diagram shows the position of the optical axis and the names of representative optical axis positions.
  • the ray diagram of FIG. 6 shows the rays generated at equally spaced angles from the center of the optical fiber 2.
  • the thick solid line is a light beam corresponding to a beam diameter D 86.5 , which is the diameter of the laser beam containing 86.5% of the laser power inside, and the broken line is 1.5 times the beam diameter D 86.5
  • the beam diameter D corresponds to the beam diameter D 98.9 , which is the diameter of the laser beam containing 98.9% of the laser power.
  • the diameter of the laser beam containing 86.5% of the laser power is hereinafter referred to as a beam diameter D 86.5 .
  • the position of the optical axis is negative with the paraxial focal position as the origin, when processing at the upper part of the laser beam, and positive when processing with the lower part of the laser beam. It follows the convention of the laser processing industry, which is positive when the focal point is at the top of the material surface.
  • FIG. 7 is a view showing the intensity distribution of laser light corresponding to each of the optical axis position -12 to the optical axis position -6 shown in FIG.
  • FIG. 8 is a view showing the intensity distribution of laser light corresponding to each of the optical axis position -4 to the optical axis position +2 shown in FIG.
  • the intensity distribution of the laser beam corresponding to each optical axis position is shown by three types of scales. These intensity distributions are the result of simulating the far field of the outgoing beam 10 as a Gaussian distribution.
  • intensity distribution of a laser beam is shown by three types of scales with a maximum value of 25 MW / cm 2 , 1 MW / cm 2 and 100 kW / cm 2 at the maximum value of the vertical axis. From the figure with the maximum value of the vertical axis of 25 MW / cm 2 , the overall shape including the central peak can be grasped.
  • the weak peripheral beam 126 can be grasped from the figures of which the vertical axis maximum values are 1 MW / cm 2 and 100 kW / cm 2 .
  • FIG. 9 is a view showing a state during and after welding at each of the optical axis position -12 to the optical axis position -6 shown in FIG.
  • FIG. 10 is a view showing a state during and after welding at each of the optical axis position -4 to the optical axis position +2 shown in FIG.
  • the image during the welding process is an image captured while performing the welding process, and shows the state of the keyhole 50 and the peripheral molten pool 52.
  • the quality of suppression of sputtering is indicated by the symbols of ⁇ , ⁇ , and ⁇ in the order of the suppression effect of the suppression effect of the generation of sputtering.
  • the weld bead outline indicates the processing quality, and the quality of the surface bead after welding is indicated by the symbol of ⁇ when the condition of the surface bead is good and by the symbol of x when it is bad.
  • the shape of the molten pool including the keyhole 50 and the peripheral molten pool 52 shown in the image during welding shows a high correlation with the quality of the suppression of sputtering.
  • a peripheral molten pool 52 shallower than the key hole exists around the keyhole 50, and in the range of the optical axis position, the spatter 413 is well suppressed.
  • the peripheral molten pool 52 is not formed around the keyhole 50, and the keyhole 50 does not open like a trumpet, so spatter 413 is generated.
  • peripheral molten pool 52 formed is small, it is effective in suppressing the spatter 413.
  • the peripheral molten pool 52 at this optical axis position ⁇ 8 mm is formed by the peripheral beam 126 of light intensity which is only 0.3 mm wide and gradually decreases from 50 kW / cm 2 to 0 kW / cm 2 with reference to FIG. It can be seen that even the peripheral beam 126 under such conditions has the effect of suppressing the spatter 413.
  • the light intensity at which the keyhole starts to occur is 110 kW / cm 2 or more and 180 kW / cm 2 or less, and the portion where the light intensity is included in this range is the keyhole 50 and the boundary of the keyhole 50 is the inner diameter of the peripheral beam 126 Do.
  • the light intensity at the melting limit is 7 kW / cm 2 or more and 20 kW / cm 2 or less, and this melting limit position is taken as the outer diameter of the peripheral beam 126.
  • the width of the peripheral beam 126 which is the difference between the inner diameter and the outer diameter of the peripheral beam 126, is 0.3 mm at the optical axis position -8 mm, 0.5 mm at the optical axis position -6 mm, It can be seen that the axial position is 0.6 mm at ⁇ 4 mm, 0.7 mm at the optical axis position ⁇ 2 mm, 0.8 mm at the optical axis position 0 mm, and 1.0 mm at the optical axis position +2 mm.
  • the shape of the peripheral molten pool 52 in the image during welding shown in FIGS. 9 and 10 corresponds to the shape of the peripheral beam 126 shown in FIGS. 7 and 8. From these figures, as a result of analyzing the correlation of the intensity distribution of the laser light in the image during welding processing in detail, these consistency became clear. The intensity distribution of the laser light and the melting phenomenon of the metal are very well matched.
  • FIG. 11 is a ray diagram of a laser beam emitted from a laser processing apparatus according to Comparative Example 3 of the present invention.
  • the laser processing apparatus according to Comparative Example 3 uses a near-infrared laser light source and a general focusing optical system with low aberration.
  • FIG. 12 is a diagram showing the intensity distribution of laser light corresponding to each of the optical axis position -8 to the optical axis position -2 shown in FIG.
  • FIG. 13 is a diagram showing the intensity distribution of laser light corresponding to each of the optical axis position 0 to the optical axis position +6 shown in FIG. In FIG. 12 and FIG.
  • FIG. 14 is a view showing a state during and after welding at each of the optical axis position -8 to the optical axis position -2 shown in FIG.
  • FIG. 15 is a view showing a state during and after welding at each of the optical axis position 0 to the optical axis position +6 shown in FIG.
  • the items in the respective columns shown in FIGS. 11 to 15 are the same as the respective columns shown in FIGS.
  • the light beam is symmetrical in the front and back direction about the paraxial focal point which is the focusing point.
  • the intensity distribution outside the Rayleigh length is approximately Gaussian shaped.
  • the beam diameter increases linearly, and the light intensity decreases in inverse proportion to the square of the defocus distance. Since it becomes image transfer of light intensity distribution in the outgoing end of optical fiber 2 near the condensing point in Rayleigh length, it becomes flat top like and becomes flat top shape near the paraxial focal point which is a condensing point.
  • Embodiment 1 of the present invention since the condensing optical system 3 has an aberration, as shown in FIGS.
  • the shape of the intensity distribution itself of the ⁇ circle around (1) ⁇ exhibits a complex propagation characteristic that changes significantly.
  • the intensity distribution of the laser light becomes asymmetrical before and after the position of the least circle of confusion corresponding to the condensing position, and at the light axis position -4 to the light axis position +2 on the front side of the least circle of confusion It has a witch hat shape in which the tail of a trumpet-shaped peripheral beam 126 having a light intensity of 200 kW / cm 2 or less is pulled around.
  • the occurrence of spatter 413 is favorably suppressed and the state of the surface bead is also excellent at the optical axis position -4 to the optical axis position +2 where the beam shape approaches the witch hat shape. It can be seen that good processing quality is maintained.
  • the optical axis position-4 mm that the welding performance is excellent comprehensively, and realize high power and high speed welding of 10 kW, 5 m / min and well suppress the generation of spatter 413
  • the bead surface is also smooth after welding, and the penetration depth has also reached a high level of 10.4 mm.
  • the amount of sputtering per 10 cm is suppressed to 25 ⁇ 10 or less at a practically acceptable level over the entire area on the front side of the beam of the optical axis position -8 mm to the optical axis position +2 mm.
  • the size of the generated spatter 413 is also as small as 0.5 mm or less, and adhesion of the processing target 4 to the surface 40 can also be suppressed.
  • the diameter of the keyhole 50 is 0.8 mm, while the width of the peripheral molten pool 52 is 0.6 mm.
  • the intensity of the peripheral beam 126 gradually decreases from 110 kW / cm 2 to 7 kW / cm 2 , and the light intensity at the central part of the peripheral beam width is 20 kW / cm 2 .
  • the intensity of the laser beam required to form the trumpet-shaped opening without forming the deep key hole 50 is about 20 kW / cm 2 or more and 100 kW / cm 2 or less.
  • the laser processing apparatus 100 can suppress generation of the spatter 413 in a wide optical axis position range, ensure a region with high processing quality, and the beam intensity at the central portion peaks in the region with high processing quality. Because of the presence of regions, it is possible to achieve deep penetration.
  • the laser processing apparatus 100 has both high processing quality and high processing performance.
  • FIG. 16 is a diagram showing the conditions of the laser oscillator 1 and the optical system of the laser processing apparatus 100 in Experimental Example 1 of the present invention.
  • the fiber core diameter ⁇ c of the optical fiber 2 is 200 ⁇ m
  • the beam parameter product BBP is 8 mm mrad or less
  • the total apex divergence angle ⁇ F 160 mrad or less.
  • the collimator lens 31 is a low aberration combined lens.
  • the collimator lens 31 is a lens without aberration.
  • a lens having no aberration can be defined as a lens having a lateral aberration of 0.05 mm or less based on the beam diameter D 86.5 at the focusing point.
  • a lens having a large aberration means a case where the aberration based on the beam diameter D 86.5 is 0.1 mm or more.
  • the laser processing apparatus 100 has an aberration equal to or greater than 10 times that of a general processing optical system.
  • the lateral aberrations ⁇ Y are both 0.05 mm or less.
  • the material of the object 4 to be processed is a mild steel plate, and the processing speed is 5 m / min. 20 L / min of argon gas is sprayed as a shielding gas to the welded portion.
  • the laser processing apparatus using a near infrared laser light source such as a fiber laser and a disk YAG laser, high power, high speed, and deep welding processing of penetration depth are sputtered in the laser processing apparatus.
  • a near infrared laser light source such as a fiber laser and a disk YAG laser
  • high power, high speed, and deep welding processing of penetration depth are sputtered in the laser processing apparatus.
  • the laser processing apparatus 100 improves the quality of fiber transmission laser welding, and can realize stable processing quality.
  • the material of the workpiece 4 is not limited to iron.
  • the workpiece 4 may be made of a metal material such as aluminum, copper, nickel, stainless steel or the like.
  • the aberration may be generated by the laser oscillator 1 or the optical fiber 2 which generates a laser beam. That is, the aberration may be generated by at least one of the elements disposed on the optical path from the generation of the laser light to the irradiation of the processing target 4.
  • FIG. 17 is a diagram showing experimental conditions according to Experimental Example 2 of the present invention.
  • this experimental example 2 six conditions (a) to (a) in which the amount of aberration of the condensing lens 32 of the laser processing apparatus 100 shown in FIG. 1 is changed in order to specify the condition of the aberration effective for suppressing the sputtering 413 Laser processing was performed under condition (f), and the processing quality under each condition was observed.
  • the focal length f c of the collimating lens 31 is 200 mm
  • the lateral aberration ⁇ Y c (D 86.5 ) 0.05 mm or less based on the beam diameter D 86.5.
  • the processing speed is 5 m / min, and the material of the object 4 to be processed is mild steel.
  • FIG. 18 is a diagram showing the results of laser processing under the conditions shown in FIG. FIG. 18 shows a ray diagram when performing laser processing under each condition, an image obtained by photographing a molten pool during laser processing, and information indicating the state of welding processing.
  • Position suitable for performing welding was a circle of least confusion position Z D86.5 respect to the beam diameter D 86.5.
  • the image obtained by photographing the molten pool during laser processing is an image at the minimum circle of confusion ZD 86.5 .
  • the molten pool outer diameter OD, the molten pool inner diameter ID, and the peripheral molten pool width Wm indicated in the welding state are values read from the molten pool image.
  • the spatter generation amount NS indicates the number of spatter generated per 10 cm of welding length.
  • FIG. 19 is a graph showing the transition of the spatter generation amount with respect to the change of the transverse aberration of the entire optical system shown in FIG. 17 and FIG. From Figure 19, when the aberration amount of occurrence of spatter becomes 40 ⁇ 10 cells / 10 cm below an effective aberration sputtering suppression, it can be said that the range lateral aberration [Delta] Y A is not less than 0.2mm in the focal point. More preferably, the lateral aberration ⁇ Y A (D 86.5 ) at the focal point is 0.53 mm or more.
  • Figure 20 is a diagram showing a graph of the change in surrounding molten pool width Wm when changing the lateral aberration ⁇ Y A (D 86.5) under the conditions shown in FIG. 17.
  • Near the molten pool 52 is to be formed by a peripheral beam 126 generated by the lateral aberration that has a size and a strong correlation in the lateral aberration ⁇ Y A (D 86.5) seen.
  • Near the molten pool width Wm is proportional to the lateral aberration ⁇ Y A (D 86.5), which is 1.2 times the lateral aberration ⁇ Y A (D 86.5).
  • FIG. 21 is a graph showing the transition of the spatter generation amount when the peripheral molten pool width Wm shown in FIG. 18 changes.
  • an aberration which causes the generation of spatter to be 40 ⁇ 10 pieces / 10 cm or less is defined as a state in which the spatter 413 is suppressed, it can be said that the peripheral molten pool width Wm necessary for suppressing the spatter is 0.22 mm or more. More preferably, the peripheral molten pool width Wm is 0.69 mm or more.
  • FIG. 22 is a view showing the incidence curvature dependency of the lateral aberration of a single lens studied in Experimental Example 3 for specifying the characteristics required for the condensing lens 32 of FIG.
  • the relationship between the focal length f of the single lens and the entrance radius of curvature r 1 and the exit radius of curvature r 2 is expressed by the following formula (1). If the focal length f and the incident curvature radius r 1 are determined by using the equation (1), the exit curvature radius r 2 is determined, and the lens shape is determined. If the thickness t c of the lens central portion is 15 mm or less, the dependency on the thickness t c of the lens central portion in the mutual relationship of the focal length f, the incident curvature radius r 1 and the outgoing curvature radius r 2 is small.
  • FIG. 23 is a diagram showing the transition of the exit surface curvature K2 with respect to the change of the entrance surface curvature K1.
  • the exit surface curvature K2 is a value calculated using the above equation (1).
  • the exit surface curvature K2 is a linear function of the entrance surface curvature K1, and it can be seen that the influence of the thickness t c at the lens center is small.
  • the incident surface curvature K1 is 5 m -1 or less or 13 m -1 or more.
  • the exit surface curvature K2 at which the entrance surface curvature K1 is 5 m -1 or less or 13 m -1 or more is -6 m -1 or less or 2 m -1 or more.
  • the incident radius of curvature r 1 56.3 mm on the incident side of the lens
  • the output radius of curvature r 2 139.9 mm on the condensing side.
  • FIG. 24 is a diagram showing the shape and light rays of the condenser lens 32 according to Experimental Example 3 of the present invention.
  • the condensing lens 32 used in the present experimental example 3 has a meniscus shape as shown in FIG.
  • a plano-convex lens near the position of the minimum aberration, a biconvex lens, etc. are often used as the lens shape. If even greater light collection performance is required, close to no aberration lenses may be used.
  • a meniscus lens is used to generate an aberration of 0.5 mm or more.
  • FIG. 25 is a diagram showing a partially enlarged view of FIG. 24 and a lateral aberration corresponding to the enlarged view.
  • the lateral aberration ⁇ Y h ⁇ 16 is 0.53 mm based on the incident height h.
  • the incident height h is defined as a negative value.
  • the incident height dependency of the transverse aberration of a single lens is a cubic function in a region where the incident height h is smaller than the incident radius of curvature r 1 and the outgoing radius of curvature r 2 of the lens surface.
  • transverse aberration ⁇ Y h-16 0, which can be sputtered suppression effect to generate a high peripheral beam 126. It achieves 53 mm.
  • FIG. 26 is a diagram showing the conditions of the processing optical system according to Experimental Example 4 of the present invention.
  • FIG. 27 is a ray diagram and a schematic configuration diagram of the processing optical system under the conditions shown in FIG.
  • the lateral aberration ⁇ Y c (D 86.5 ) of the collimator lens 31 is so small that it can be neglected, and the width of the focusing lens 32 is based on the beam diameter D 86.5.
  • the aberration ⁇ Y f (D 86.5 ) 0.53 mm.
  • the lateral aberration ⁇ Y A (D 86.5 ) 0.53 mm of the entire optical system based on the beam diameter D 86.5 .
  • the condition (g) is that the focal length f c of the collimating lens 31 is 200 mm, and the focal length f f of the condensing lens 32 is 204 mm.
  • the condition (h) is that the focal length f c of the collimating lens 31 is 400 mm, and the focal length f f of the condensing lens 32 is 408 mm.
  • the optical system has a similar shape, and the amount of lateral aberration corresponding to the focusing angle is equal. In this case, the ray diagrams in the vicinity of the focal position coincide with each other, and the light collection state becomes equal.
  • FIG. 28 is a diagram showing an example of product specifications of near-infrared laser light sources used in Experimental Examples 1 to 4.
  • the product specifications of fiber laser and YAG laser used as near infrared laser light source are almost the same standard as de facto standard, and the emission half angle ⁇ H from the optical fiber 2 is the laser output and the optical fiber 2 Regardless of the fiber diameter, it is 80 mrad or less, and the measured value is from 75 mrad to 80 mrad.
  • FIG. 29 is a diagram showing the conditions of the laser processing apparatus 100 in Experimental Example 5 of the present invention.
  • the conditions (i), (j) and (k) are the same except for the fiber core diameter ⁇ c .
  • the fiber core diameter ⁇ c of the condition (k) is 300 ⁇ m
  • the beam parameter product BPP is 12 mm mmrad or less.
  • the total apex divergence angle ⁇ F 160 mrad or less
  • the focal length f c of the collimating lens 31 is 200 mm
  • the lateral of the collimating lens 31 The aberration ⁇ Y c (D 86.5 ) is negligibly small.
  • the focal length f f of the focusing lens 32 is 200 mm
  • the lateral aberration ⁇ Y f (D 86.5 ) of the focusing lens 32 is It is 0.56.
  • the lateral aberration ⁇ Y A (D 86.5 ) 0.56 of the entire optical system.
  • FIG. 30 shows an optical path diagram and an intensity distribution of laser light emitted from the laser processing apparatus 100 under each of the conditions shown in FIG.
  • the lateral aberration based on the diameter of the laser beam is 0.2 mm or more, 0.4 mm or more in diameter, and more preferably 0.5 mm or more.
  • the diameter is 1.0 mm or more.
  • the change in light intensity at the central portion is large.
  • the fiber core diameter ⁇ c is reduced from 300 ⁇ m to 100 ⁇ m to 1/3, the light intensity at the center increases from 11.8 MW / cm 2 to 39.8 MW / cm 2 .
  • the spot system at the focusing point is also 1/3, so the light intensity at the central portion is 9 times.
  • the light intensity at the central portion has stopped increasing by about 3.4 times due to the influence of the aberration.
  • the intensity of peripheral beam 126 having a light intensity of 200 kW / cm 2 or less and a width of 0.3 mm or more is important, but referring to FIG. 30, even if the fiber core diameter ⁇ c is changed. The influence on the intensity distribution of the peripheral beam 126 is small. Even if the fiber core diameter ⁇ c is changed from 0.1 mm to 0.3 mm, the intensity of the peripheral beam 126 hardly changes, and the optical axis position dependency does not change either.
  • FIG. 31 is a diagram showing the conditions of the laser processing apparatus 100 in Experimental Example 6 of the present invention.
  • Conditions (1), (m) and (n) shown in FIG. 31 are the same as the condition (j) shown in FIG. 29 except for the focal length f f of the condenser lens 32.
  • the focal length f f 100 mm of the condensing lens 32 in the condition (l)
  • the focal length f f 200 mm of the condensing lens 32 in the condition (m)
  • the focal length of the condensing lens 32 in the condition (n) f f 300 mm.
  • FIG. 32 is a diagram showing an optical path diagram and an intensity distribution of laser light emitted from the laser processing apparatus 100 under each of the conditions shown in FIG. Referring to FIG. 32, even when the focal distance f f is changed to change the condensing angle, the condensing state at the paraxial focal position, the D 86.5 minimum circle of confusion position, and the D 98.9 minimum circle of confusion position and The change in light intensity distribution is small.
  • the basic spot diameter ⁇ s determined by the optical magnification ⁇ (f f / f c ) changes according to the following equation (2).
  • the change in light intensity distribution is small.
  • ⁇ F BPP / ⁇ s (2)
  • ⁇ F the fiber core diameter
  • the scale in the direction of the optical axis such as the distance between the focal point and each minimum circle of confusion, changes in proportion to the focal distance as the focal distance changes, ie, the concentration angle changes.
  • the intensity distribution of the peripheral beam 126 at each position is comparable, and similar sputter suppression effects can be obtained.
  • the processing position likelihood or the like corresponding to the focal depth in the optical axis direction changes with the change of the focal length.
  • Example 5 and Example 6 in the optical system with large aberration, even if the fiber diameter of the optical fiber 2 is changed or the focal length is changed, the light ray position corresponding to the beam diameter D 86.5 is used as a reference. It is found that the light intensity distribution is similar if the aberrations are the same. Therefore, aberrations relative to the beam diameter D 86.5, that is, by defining the aberration relative to the light beam position corresponding to the beam diameter D 86.5, it is possible to obtain the same light intensity distribution, It is understood that it is possible to obtain the same sputtering suppression effect.
  • the optical axis position dependency of the light intensity distribution is scaled according to the focal length.
  • FIG. 33 is a diagram showing conditions of aberration of each lens in Experimental Example 7 of the present invention.
  • the overall aberration of the focusing optical system 3 is the sum of the aberrations of the respective lenses. It is the same. Since the light intensity distribution at the focusing point is determined according to the overall aberration of the focusing optical system 3, the light intensity distribution at the focusing point is different under the three conditions (A), (B) and (C). It was found that the sputtering suppression effect was also equivalent.
  • the aberration of the focusing optical system 3 is generally defined with respect to the focusing point in the traveling direction of the laser beam, but the aberration of the focusing optical system 3 is generally defined with respect to the collimating lens 31 for collimating the divergent light from the optical fiber 2.
  • an aberration is defined by virtual focusing by causing a collimated beam to be reversely incident from the collimating part opposite to the traveling direction and focusing the light toward the output end of the optical fiber 2.
  • FIG. 34 is a diagram showing experimental results of Experimental Example 8 of the present invention.
  • the molten pool outer diameter OD of the peripheral molten pool 52 gradually decreases as the processing speed increases, and is 2.5 mm at 1 m / min, 2.2 mm at 5 m / min, and 10 m / min. It is 1.9 mm in min.
  • the molten pool inner diameter ID of the peripheral molten pool 52 that is, the diameter ⁇ KH of the key hole 50 is substantially constant in the range of 0.75 ⁇ 0.15 mm.
  • the peripheral molten pool width Wm decreases from 0.75 mm to 0.45 mm with an increase in processing speed, but maintains a width of 0.22 mm or more that is effective for suppressing spatter, and the spatter generation amount NS is And is suppressed to the level of 0-25 pieces / 10 cm over the entire speed range. Therefore, it is understood that the laser processing apparatus 100 has the effect of suppressing the spatter 413 regardless of the processing speed.
  • Example 9 In Experimental Example 9 of the present invention, the state of the molten pool and the suppression state of the spatter 413 were examined in the case where the output of the laser was changed from 1 kW to 10 kW every 1 kW.
  • FIG. 35 is a diagram showing experimental results of Experimental Example 9 of the present invention.
  • the spatter generation amount NS is at a level of 0 to 10/10 cm across the entire output range of 1 kW to 10 kW. It is suppressed. Therefore, it is understood that the laser processing apparatus 100 exerts the effect of suppressing the spatter 413 regardless of the output of the laser.
  • the beam shape at the focusing point becomes a witch hat shape, and the width of the peripheral beam 126 having a light intensity of 5 kW / cm 2 or more and 200 kW / cm 2 or less becomes 0.22 mm or more.
  • an evaporation reaction force is generated, and the flow of the molten metal flow 411 can be changed from the direction perpendicular to the surface of the object 4 to a horizontal direction, thereby suppressing the generation of the spatter 413 can do.
  • the beam diameter D 86.5 corresponds to a divergence angle of ⁇ 80 mrad from the optical fiber 2 when the light emitted from the optical fiber 2 is condensed by the condensing optical system 3. For this reason, the above-mentioned conditions can also be said that the lateral aberration of the focal point is 0.2 mm or more with respect to the divergence angle ⁇ 80 mrad from the optical fiber 2.
  • the collimator lens 31 may have an aberration
  • the condensing lens 32 may have an aberration
  • both the collimating lens 31 and the focusing lens 32 may have aberrations.
  • the sum of the aberration of the collimating lens 31 and the aberration of the focusing lens 32 may satisfy the above condition.
  • the virtual core spot diameter without aberration can be 0.625 times to 1.375 times the diameter of the output fiber, and deep penetration performance can be exhibited.
  • FIG. 36 is a diagram showing the configuration of a laser processing apparatus 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • the laser processing apparatus 200 of the second embodiment has an imaging apparatus 500 for monitoring the processing target 4 during laser processing.
  • the laser processing apparatus 200 has a collimating lens 31 having an aberration, and a condensing lens 32 which is a low aberration lens.
  • a bend mirror 9 is disposed on the light path between the collimating lens 31 and the focusing lens 32.
  • the bend mirror 9 reflects the light from the collimator lens 31 to the condenser lens 32.
  • the imaging device 500 which is an imaging unit is a coaxial camera, and can detect light going straight through the condenser lens 32 and the bend mirror 9.
  • the condenser lens 32 Since the condenser lens 32 has no aberration, distortion of the monitor image of the imaging device 500 can be suppressed. Therefore, it is possible to monitor the portion on which the laser processing of the processing target 4 is being performed coaxially and with a clear image free from blurring and distortion while suppressing the spatter 413 and suppressing the deterioration of the processing quality.
  • the configuration shown in the above embodiment shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with another known technique, and one of the configurations is possible within the scope of the present invention. Parts can be omitted or changed.
  • the present invention is not limited to this example.
  • the technology described in the present embodiment is also effective when applied to a laser processing apparatus using, for example, a visible light laser or a mid-infrared laser.
  • the laser processing apparatus 100 and the laser processing apparatus 200 having the optical fiber 2 and the condensing optical system 3 for condensing the laser beam emitted from the optical fiber 2 have been described. Is not limited to such an example. It is also possible to apply the technique of the present invention to a laser processing apparatus that does not include the optical fiber 2.
  • the light emitted from the laser oscillator 1 may be incident as it is on the condensing optical system 3, or the present invention may be provided on the optical path until the light emitted from the laser oscillator 1 is incident on the condensing optical system 3. Any optical element may be disposed without departing from the scope of the present invention.

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Abstract

本発明にかかるレーザ加工装置（１００）は、レーザビームを加工対象物に集光してレーザ加工を行うレーザ加工装置（１００）であり、レーザビームを集光する集光光学系（３）を備え、集光光学系（３）は収差を有し、集光前のレーザビームにおける、レーザパワーの８６．５％を含有するレーザビーム直径であるＤ８６．５に対応した光線に対する集光点での横収差は、０．２ｍｍ以上であることを特徴とする。

Description

レーザ加工装置
　本発明は、レーザビームを用いて、切断、溶接、熱処理などのレーザ加工を行うレーザ加工装置に関する。
　従来、レーザビームを用いて金属の切断、溶接、熱処理などのレーザ加工を行うレーザ加工装置では、高集束および高出力のレーザビームを発生させる必要があるため、波長が９～１０μｍ程度の中赤外レーザであるＣＯ２レーザが主に使用されていた。近年、ファイバレーザ、ディスクＹＡＧ（Yttrium　Aluminum　Garnet）レーザ、ダイレクトダイオードレーザなど近赤外の波長域のレーザビームを出力する近赤外レーザの高集束化および高出力化が進んできている。近赤外レーザの高集束化および高出力化が進むにつれて、近赤外レーザを光源として使用するレーザ加工装置が開発されている。
　レーザ加工装置から加工対象物にレーザビームを照射すると、レーザビームを照射した部分の加工対象物が瞬間的に溶融および蒸発して、周囲を溶融金属で取り囲まれたキーホールが形成される。キーホール内部では、溶融金属の対流が発生しており、キーホールの開口部に向かう溶融金属流の速度が大きくなると、キーホールの開口部から溶融金属の一部が飛散する場合がある。飛散した溶融金属はスパッタと呼ばれ、スパッタが発生すると、加工部分の周辺に付着して加工対象物の加工品質を低下させる。近赤外レーザを使用したレーザ加工装置では、ＣＯ２レーザを使用したレーザ加工装置よりもスパッタが発生し易く、加工対象物の加工品質が低下しやすいという問題があった。
　特許文献１には、加工対象物の加工品質の低下を抑制するために、主ビームと、主ビームよりも大径かつ低エネルギーの副ビームとを形成する光学手段を備えたレーザ加工装置が開示されている。この光学手段は、コリメートレンズと、集光レンズと、穴あき凹レンズとを有する。
特開２００３－３４０５８２号公報
　しかしながら、上記特許文献１には、加工対象物に照射されるレーザビームの集光状態を特定することができる記載がなく、集光状態によってはキーホールの形状を安定させることができず、加工対象物の加工品質が低下してしまう場合があるという問題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した加工品質を実現することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置は、レーザビームを加工対象物に集光してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、レーザビームを集光する集光光学系を備え、集光光学系は収差を有する。集光前のレーザビームにおける、レーザパワーの８６．５％を含有するレーザビーム直径であるＤ８６．５に対応した光線に対する集光点での横収差は、０．２ｍｍ以上であることを特徴とする。
　本発明によれば、レーザ加工において安定した加工品質を実現することができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置の概略構成を示す図 図１に示す集光ビームのビーム形状の拡大図 図１に示すレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物の状態を示す図 本発明の比較例１にかかるレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物の状態を示す図 本発明の比較例２にかかるレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物の状態を示す図 図１に示すレーザ加工装置が出射するレーザビームの光線図 図６に示す光軸位置－１２～光軸位置－６のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図 図６に示す光軸位置－４～光軸位置＋２のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図 図６に示す光軸位置－１２～光軸位置－６のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図 図６に示す光軸位置－４～光軸位置＋２のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図 本発明の比較例３にかかるレーザ加工装置が出射するレーザビームの光線図 図１１に示す光軸位置－８～光軸位置－２のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図 図１１に示す光軸位置０～光軸位置＋６のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図 図１１に示す光軸位置－８～光軸位置－２のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図 図１１に示す光軸位置０～光軸位置＋６のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図 本発明の実験例１におけるレーザ加工装置のレーザ発振器および光学系の条件を示す図 本発明の実験例２にかかる実験条件を示す図 図１７に示す条件でレーザ加工を行った結果を示す図 図１７および図１８に示した光学系全体の横収差の変化に対するスパッタ発生量の推移をグラフ化した図 図１７に示した条件で横収差を変化させたときの周辺溶融池幅の推移をグラフ化した図 図１８に示した周辺溶融池幅が変化したときのスパッタ発生量の推移をグラフ化した図 図１の集光レンズに求められる特性を特定するための実験例３で検討する単レンズの横収差の入射曲率依存性を示す図 入射面曲率の変化に対する出射面曲率の推移を示す図 本発明の実験例３にかかる集光レンズの形状および光線を示す図 図２４の一部拡大図と、拡大図に対応した横収差とを示す図 本発明の実験例４にかかる加工光学系の条件を示す図 図２６に示す条件の加工光学系の光線図および概略構成図 実験例１から４で使用する近赤外レーザ光源の製品仕様の一例を示す図 本発明の実験例５におけるレーザ加工装置の条件を示す図 図２９に示す各条件のレーザ加工装置が出射するレーザ光の光路図および強度分布を示す図 本発明の実験例６におけるレーザ加工装置の条件を示す図 図３１に示す各条件のレーザ加工装置が出射するレーザ光の光路図および強度分布を示す図 本発明の実験例７における各レンズが有する収差の条件を示す図 本発明の実験例８の実験結果を示す図 本発明の実験例９の実験結果を示す図 本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工装置の構成を示す図
　以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００の概略構成を示す図である。レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１と、光ファイバ２と、集光光学系３とを有する。
　レーザ発振器１は、ファイバレーザ、ディスクＹＡＧレーザ、ダイレクトダイオードレーザなど近赤外の波長域のレーザ光を出射する近赤外レーザ光源である。光ファイバ２は、レーザ発振器１が出射したレーザ光を伝送する。光ファイバ２から出射されたレーザビームである出射ビーム１０は、集光光学系３に入射する。集光光学系３は、コリメートレンズ３１と、集光レンズ３２とを含む。コリメートレンズ３１は、出射ビーム１０を平行化してコリメート光１１にする。平行化されたコリメート光１１は、集光レンズ３２に入射する。集光レンズ３２は、コリメート光１１を集光した集光ビーム１２を加工対象物４に照射する。加工対象物４は、鉄製の加工材である。加工対象物４上に集光ビーム１２が照射されると、加工対象物４が溶融および蒸発して、周囲を溶融金属４１で取り囲まれたキーホール５０が形成される。加工対象物４への集光ビーム１２の照射位置を変化させることで、レーザ加工が行われる。コリメートレンズ３１および集光レンズ３２の少なくとも一方は収差を有しており、集光光学系３は、全体として収差を有する。この、集光光学系３の収差によって、ファイバ出射角が全角１０°以下の近軸領域の集光ビーム１２０の集光点に比べ、レーザパワーの８６．５％を含有するレーザビーム直径であるＤ８６．５に対応した光線位置の集光ビーム１２１はビーム進行方向手前に集光し、近軸領域の集光位置では集光せずにぼける。
　出射ビーム１０のビーム形状１０ａは、横軸を光軸に垂直な軸上の位置、縦軸を光強度とした場合、光軸を中心とする特定の幅の、レーザパワーが一様なフラットトップ形状である。以下、ビーム形状について述べる場合、横軸を光軸に垂直な軸上の位置、縦軸を光強度とする。コリメートレンズ３１の光軸位置におけるコリメート光１１のビーム形状１１ａは、光軸上をピークとするガウス分布形状である。集光レンズ３２から出射された集光ビーム１２のビーム形状１２ａは、光軸上にピークを有し、光軸から離れるにつれて光強度はテールを引いて低くなっている。本明細書中では、中央部が山型であって周辺部に広く裾野を引いたビーム形状をウィッチハット（Witch　hat：魔女の帽子）形状と称する。
　図２は、図１に示す集光ビーム１２のビーム形状１２ａの拡大図である。集光ビーム１２のビーム形状１２ａは、集光光学系３の有する収差に起因して、集光光学系３の集光点付近において、ウィッチハット形状となる。光軸に垂直な面をみると、集光位置において集光ビーム１２は、光軸を中心とする略円形の主ビーム１２５と、主ビーム１２５を取り囲む環状の周辺ビーム１２６とから構成されている。主ビーム１２５の光強度は、例えば１ＭＷ/ｃｍ２以上である。周辺ビーム１２６は主ビーム１２５よりも光強度が低く、ここでは光強度が５ｋＷ／ｃｍ２以上２００ｋＷ／ｃｍ２以下の部分と定義する。周辺ビーム１２６はウィッチハット形状の帽子の鍔に相当する部分であり、主ビーム１２５から連なる裾野を形成している。周辺ビーム１２６は、光軸に垂直な断面において、主ビーム１２５を取り囲むドーナツ形をしている。周辺ビーム１２６の幅は、０．２２ｍｍ以上であることが望ましい。
　図３は、図１に示すレーザ加工装置１００を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物４の状態を示す図である。図３は、レーザ溶接の例を示しており、レーザ加工装置１００は、図の左に向かって集光ビーム１２を走査している。
　集光ビーム１２のビーム形状１２ａは、ウィッチハット形状であり、中心部の主ビーム１２５は、加工対象物４の金属を溶融させてキーホール５０を形成させる。周辺ビーム１２６は、溶融金属４１の表面を蒸発させて、金属蒸気６１を発生させる。金属蒸気６１の蒸発反力７は、キーホール５０の開口部５１において、溶融金属４１の表面から加工対象物４の内部に向かう力となる。蒸発反力７は、レーザ光の走査方向の後方において、キーホール内壁５０２を上昇する溶融金属流４１１の向きを加工対象物４の表面４０に垂直な方向から表面４０に平行な方向へと変える。これにより、キーホール５０の開口部５１がラッパ状に広がり、溶融金属流４１１は、加工対象物４の内部に向かう流れとなり、スパッタの発生は抑制される。スパッタは、レーザ光の走査方向の後方で発生しやすいため、レーザ光の走査方向の後方で周辺ビーム１２６を形成することが重要である。
　図４は、本発明の比較例１にかかるレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物４の状態を示す図である。近赤外レーザ光源を使用したレーザ加工装置において、集光光学系の収差が小さい、または収差がない場合、集光点の近傍における集光ビーム９１のビーム形状９１ａは、光ファイバ２の出射端におけるビーム形状を、コリメートレンズ３１の焦点距離ｆｃと集光レンズ３２の焦点距離ｆｆの比率で定まる光学倍率α＝ｆｆ／ｆｃで断面方向に拡大した、フラットトップ形状に近い形状となる。
　図４の例では、集光ビーム９１のビーム形状９１ａは主ビームの周辺に周辺ビームが存在せず、光強度はテールを引くことなく急速に５ｋＷ／ｃｍ２以下の光強度まで低下している。このため、キーホール内壁５０２は、加工対象物４の表面に対して垂直に近い状態がキーホール５０の内部から加工対象物４の表面まで続く形状となる。溶融金属流４１１は、加工対象物４の内部に向かう流れとなりにくく、溶融金属流４１１がキーホール５０の開口部に向かう溶融金属流４１１の速度が速くなり、溶融金属４１の一部が飛散してスパッタ４１３が発生する。
　図５は、本発明の比較例２にかかるレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物４の状態を示す図である。比較例２では、近赤外レーザ光源の代わりに、ＣＯ２レーザを使用したレーザ加工装置が用いられる。ＣＯ２レーザは、波長が９μｍから１０μｍ近傍の中赤外レーザである。このためＣＯ２レーザは、金属蒸気６０および金属蒸気６１と、レーザ光との相互作用で発生するプラズマに対して吸収率が高く、集光ビーム９２を照射すると、キーホール５０およびキーホール５０の開口部５１に高温のプラズマ８が生成される。ＣＯ２レーザを使用したレーザ加工では、高温のプラズマ８によって、開口部５１付近の金属が加熱されて蒸発し、その蒸発反力７によって、開口部５１は緩やかに広く開口される。このため、ＣＯ２レーザを使用する場合には、集光光学系の収差を調整しなくても、溶融金属流４１１は加工対象物４の内部に向かう流れになりやすく、スパッタ４１３の発生が少なく、安定した加工品質を保つことができる。したがって、近赤外レーザ光源を使用したレーザ加工装置において、図２に示すビーム形状１２ａの集光ビーム１２を形成する集光光学系３を用いることで、ＣＯ２レーザ加工におけるプラズマによるキーホール開口部の加熱および拡大と等価な、キーホール開口部の加熱および拡大を実施することができ、近赤外レーザ光源を使用した場合にスパッタ４１３が生じやすいという問題を抑制することが可能である。
　以下、本実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００が使用する光学素子、動作条件などの条件を変化させて実験例１～実験例９の実験を行い、レーザ加工装置１００がスパッタ４１３を抑制して実用上問題のない良好な加工品質を維持するための条件を検討した。
（実験例１）
　図６は、図１に示すレーザ加工装置１００が出射するレーザビームの光線図である。光線図には、光軸位置と、代表的な光軸位置の名称とが示されている。図６の光線図は、光ファイバ２の中心から等間隔の角度で発生された光線を示している。太い実線は、内部にレーザパワーの８６．５％が含有されるレーザビームの直径であるビーム径Ｄ８６．５に相当する光線であって、破線はビーム径Ｄ８６．５の１．５倍のビーム径であって、内部にレーザパワーの９８．９％が含有されるレーザビームの直径であるビーム径Ｄ９８．９に相当する。以下、レーザパワーの８６．５％が含有されるレーザビームの直径をビーム径Ｄ８６．５と称する。
　光軸位置は、近軸焦点位置を原点として、レーザビームの上部で加工する場合を負、レーザビームの下部で加工する場合を正としている。焦点位置が材料表面の上部に存在する場合を正とするレーザ加工業界の慣例に従っている。
　図７は、図６に示す光軸位置－１２～光軸位置－６のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図である。図８は、図６に示す光軸位置－４～光軸位置＋２のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図である。
　図７および図８には、各光軸位置に対応するレーザ光の強度分布が、３種類のスケールで示されている。これらの強度分布は、出射ビーム１０の遠視野をガウス分布としてシミュレーションした結果である。図７および図８には、レーザ光の強度分布を、縦軸最大値が２５ＭＷ／ｃｍ２、１ＭＷ／ｃｍ２および１００ｋＷ／ｃｍ２の３種類のスケールで示している。縦軸最大値が２５ＭＷ／ｃｍ２の図からは、中央のピークを含む全体形状を把握することができる。縦軸最大値が１ＭＷ／ｃｍ２および１００ｋＷ／ｃｍ２の図からは、微弱な周辺ビーム１２６を把握することができる。
　図９は、図６に示す光軸位置－１２～光軸位置－６のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図である。図１０は、図６に示す光軸位置－４～光軸位置＋２のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図である。
　図９および図１０には、光軸位置－１２～光軸位置＋２のそれぞれに対応して、溶接加工中画像、溶接加工後画像、スパッタ抑制の良否、溶接長１０ｃｍあたりのスパッタ発生数、溶接ビード概観の良否、および溶接の溶込深さを示している。
　溶接加工中画像は、溶接加工を実施している間に撮像した画像であり、キーホール５０および周辺溶融池５２の状態を示している。溶接加工中画像は、ＬＤ照明とラインフィルタとを使用することで、プルーム発光によるハレーションの発生を回避している。スパッタ抑制の良否は、スパッタ発生の抑制効果をその抑制効果が高い順に◎、○、×の記号で示している。溶接ビード概観は、加工品質を示しており、溶接加工後の表面ビードの良否を、表面ビードの状態が良い場合を○、悪い場合を×の記号で示している。
　溶接加工中画像に示されるキーホール５０と周辺溶融池５２とを含む溶融池の形状は、スパッタ抑制の良否と高い相関を示している。光軸位置－８ｍｍ～光軸位置＋２ｍｍでは、キーホール５０の周辺にキーホールよりも浅い周辺溶融池５２が存在しており、この光軸位置の範囲では、スパッタ４１３が良好に抑制されていることが分かる。また光軸位置－１２ｍｍ～光軸位置－１０ｍｍでは、キーホール５０の周辺に周辺溶融池５２が形成されておらず、キーホール５０がラッパ状に開口しないため、スパッタ４１３が発生している。光軸位置－８ｍｍの溶接加工中画像を参照すると、形成された周辺溶融池５２はわずかであるが、スパッタ４１３の抑制に効果的であることが分かる。この光軸位置－８ｍｍにおける周辺溶融池５２は、図７を参照すると、わずか０．３ｍｍ幅であり、５０ｋＷ／ｃｍ２から０ｋＷ／ｃｍ２に漸減する光強度の周辺ビーム１２６によって形成される。このような条件の周辺ビーム１２６であっても、スパッタ４１３抑制の効果を有することが分かる。
　続いて、レーザ光の強度分布と溶融池形状の関係について説明する。キーホールが発生し始める光強度は、１１０ｋＷ／ｃｍ２以上１８０ｋＷ／ｃｍ２以下であり、光強度がこの範囲に含まれる部分をキーホール５０として、キーホール５０の境界を周辺ビーム１２６の内径とする。また、溶融限界の光強度は７ｋＷ／ｃｍ２以上２０ｋＷ／ｃｍ２以下であり、この溶融限界位置を周辺ビーム１２６の外径とする。図７および図８を参照すると、周辺ビーム１２６の内径と外径との差である周辺ビーム１２６の幅は、光軸位置－８ｍｍで０．３ｍｍ、光軸位置－６ｍｍで０．５ｍｍ、光軸位置－４ｍｍで０．６ｍｍ、光軸位置－２ｍｍで０．７ｍｍ、光軸位置０ｍｍで０．８ｍｍ、光軸位置＋２ｍｍで１．０ｍｍであることが分かる。
　また、図９および図１０に示される溶接加工中の画像における周辺溶融池５２の形状は、図７および図８に示す周辺ビーム１２６の形状と対応している。これらの図から、溶接加工中の画像におけるレーザ光の強度分布の相関を詳細に解析した結果、これらの整合性が明らかとなった。レーザ光の強度分布と、金属の溶融現象は極めてよく整合している。
　図１１は、本発明の比較例３にかかるレーザ加工装置が出射するレーザビームの光線図である。比較例３にかかるレーザ加工装置は、近赤外レーザ光源と、低収差の一般的な集光光学系とを用いている。図１２は、図１１に示す光軸位置－８～光軸位置－２のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図である。図１３は、図１１に示す光軸位置０～光軸位置＋６のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図である。図１２および図１３には、レーザ光の強度分布が、縦軸最大値が５０ＭＷ／ｃｍ２、１ＭＷ／ｃｍ２および１００ｋＷ／ｃｍ２の３種類のスケールで示されている。図１４は、図１１に示す光軸位置－８～光軸位置－２のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図である。図１５は、図１１に示す光軸位置０～光軸位置＋６のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図である。図１１～図１５に示す各列の項目は、図６～図１０に示す各列と同様である。
　図１１を参照すると、本発明の比較例３にかかるレーザ加工装置では、光線は、集光点である近軸焦点を中心に前後で対称となる。図１２および図１３を参照すると、レーリー長よりも外側の強度分布は概ねガウス形状である。集光点から離れるにしたがって、ビーム径は線形に拡大し、光強度はデフォーカス距離の２乗に反比例して低減している。レーリー長内の集光点近傍では、光ファイバ２の出射端における光強度分布の像転写となるため、フラットトップ様となり、集光点である近軸焦点付近ではフラットトップ形状となる。
　図１１～図１３に示す比較例３に対して、本発明の実施の形態１では、集光光学系３が収差を有するため、図６～図８に示すように、光軸位置によってレーザ光の強度分布の形状自体が大きく変化する複雑な伝搬特性を示す。レーザ光の強度分布は、集光位置に相当する最小錯乱円の位置の前後で非対称になり、最小錯乱円よりも前側の光軸位置－４～光軸位置＋２では、山形の主ビーム１２５の周辺に、光強度が２００ｋＷ／ｃｍ２以下のラッパ状の周辺ビーム１２６のテールを引いたウィッチハット形状となる。図９および図１０を参照すると、ビーム形状がウィッチハット形状に近づいている光軸位置－４～光軸位置＋２では、スパッタ４１３の発生が良好に抑制され、表面ビードの状態も良好となっており、良好な加工品質を保っていることが分かる。
　また総合的に溶接性能が優れているのは、光軸位置－４ｍｍであって、１０ｋＷ、５ｍ／ｍｉｎの高出力および高速溶接を実現し、且つ、スパッタ４１３の発生を良好に抑制することができており、溶接後のビード表面も滑らかで、溶け込み深さも１０．４ｍｍと高いレベルを達成している。さらに光軸位置－８ｍｍ～光軸位置＋２ｍｍのビームの前側全域に渡って、１０ｃｍあたりのスパッタ量は、２５±１０個以下と実用上問題のないレベルに抑制されている。発生するスパッタ４１３のサイズも０．５ｍｍ以下と小さく、加工対象物４の表面４０への付着も抑制することができている。
　光軸位置－４ｍｍにおいて、キーホール５０の直径は０．８ｍｍであるのに対して、周辺溶融池５２の幅は０．６ｍｍである。スパッタ４１３を抑制するためには、キーホール５０の直径と同程度、または０．６ｍｍ程度の幅の周辺溶融池５２を形成することが効果的である。また、光軸位置－４ｍｍにおいて、周辺ビーム１２６の強度は、１１０ｋＷ／ｃｍ２から７ｋＷ／ｃｍ２まで漸減しており、周辺ビーム幅の中央部での光強度は２０ｋＷ／ｃｍ２となっている。スパッタ抑制効果を得るためには、主ビーム１２５から連続しており、下に凸のラッパ状のレーザ光の強度分布を有することが望ましい。深いキーホール５０を形成せずにラッパ状の開口を形成するために必要なレーザ光の強度は２０ｋＷ／ｃｍ２以上１００ｋＷ／ｃｍ２以下程度である。
　レーザ加工装置１００は、広い光軸位置範囲において、スパッタ４１３の発生を抑制し、加工品質の高い領域を確保することができ、加工品質の高い領域の中に中央部のビーム強度がピークとなる領域が存在するため、深い溶け込みを実現することが可能である。レーザ加工装置１００は、高い加工品質と高い加工性能を両立している。
　図１６は、本発明の実験例１におけるレーザ加工装置１００のレーザ発振器１および光学系の条件を示す図である。レーザ発振器１は、ディスクＹＡＧレーザであって、波長λ＝１．０３μｍのレーザビームを出力１０ｋＷで出力する。光学系の条件としては、光ファイバ２のファイバコア直径φｃ＝２００μｍであり、ビームパラメータプロダクツＢＢＰは、８ｍｍ　ｍｒａｄ以下であり、全頂発散角θＦ＝１６０ｍｒａｄ以下である。
　続いて光学系の条件を説明する。コリメートレンズ３１は焦点距離ｆｃ＝２００ｍｍである。コリメートレンズ３１は、低収差組レンズである。コリメートレンズ３１は、収差のないレンズである。例えば収差のないレンズとは、集光点において、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差が０．０５ｍｍ以下のレンズと定義することができる。ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差は、言い換えると、光軸に垂直な面において、ビーム径Ｄ８６．５に対応する光線を基準としたずれ、ビーム径Ｄ８６．５に対応する光線の内部の円形領域を理想的な集光状態とした場合にこの円形領域からのずれなどと言うこともできる。なお、収差が大きいレンズとは、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした収差が０．１ｍｍ以上である場合を言う。ここでは、ビーム径Ｄ８６．５に相当する入射高さｈ＝ｆｃｔａｎ（－θＦ／２）＝－１６ｍｍを基準としたコリメートレンズ３１の横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）は０．０５ｍｍ以下である。ビーム径Ｄ８６．５の領域の外郭線は、入射高さｈ＝－１６ｍｍに相当するため、入射高さｈ＝－１６ｍｍを基準とした横収差は、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差と同義である。
　集光レンズ３２は焦点距離ｆｆ＝２０４ｍｍである。集光レンズ３２は、大きな収差を有する組レンズであって、光ファイバ２からの発散角±８０ｍｒａｄに相当する入射高さｈ＝－１６ｍｍを基準とした横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．５３である。なお、ここではコリメートレンズ３１の収差は集光レンズ３２の収差と比較して無視できる程度に小さいため、光学系全体の横収差ΔＹＡは、集光レンズ３２の横収差ΔＹｆと等価と考えることができ、ΔＹＡ＝０．５３ｍｍとなる。レーザ加工装置１００は、一般的な加工光学系と比較して１０倍以上の収差を有する。図１１に示した本発明の比較例３にかかるレーザ加工装置では、コリメートレンズ３１および集光レンズ３２共に焦点距離ｆ＝２００ｍｍの低収差組レンズであって、入射高さｈ＝－１６ｍｍを基準とした横収差ΔＹは、共に０．０５ｍｍ以下である。
　溶接加工の加工条件としては、加工対象物４の材料は、軟鋼板であって、加工速度は５ｍ／ｍｉｎである。溶接部には、シールドガスとしてアルゴンガスを２０Ｌ／ｍｉｎ吹き付けている。
　以上説明したように、実験例１では、ファイバレーザ、ディスクＹＡＧレーザなどの近赤外レーザ光源を使用したレーザ加工装置において、１０ｋＷレベルの高出力、高速且つ溶け込み深さの深い溶接加工を、スパッタ４１３を抑制しつつ実現するための具体的な条件を明らかにした。レーザ加工装置１００は、ファイバ伝送型レーザ溶接の品質を改善するものであり、安定した加工品質を実現することが可能である。
　なお、上記実験例１では、加工対象物４を軟鋼つまり鉄製としたが、加工対象物４の材料は鉄に限定されない。加工対象物４は、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレスなどの金属材料製であってもよい。
　また上記実験例１では、光ファイバ２から出射されたレーザビームを用いてレーザ加工を行っているが、本実施の形態において説明した収差の条件、主ビーム１２５と周辺ビーム１２６との条件を満たすことで、光ファイバ２を通過しないレーザビームを使用するレーザ加工装置にも本発明の技術を適用することができる。
　また上記実験例１では、コリメートレンズ３１、集光レンズ３２といった光学系のレンズが収差を有していたが、レーザ光を発生するレーザ発振器１または光ファイバ２によって収差を発生させてもよい。つまり、レーザ光が発生してから加工対象物４に照射されるまでの光路上に配置された素子の少なくともいずれかによって収差が発生すればよい。
（実験例２）
　図１７は、本発明の実験例２にかかる実験条件を示す図である。本実験例２では、スパッタ４１３の抑制に効果的な収差の条件を特定するために、図１に示すレーザ加工装置１００の集光レンズ３２の収差量を変化させた６つの条件（ａ）～条件（ｆ）でレーザ加工を行い、各条件における加工品質を観察した。
　条件（ａ）～条件（ｆ）において、コリメートレンズ３１の焦点距離ｆｃ＝２００ｍｍ、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）＝０．０５ｍｍ以下で共通である。また、レーザ条件は、ファイバコア直径φｃ＝２００μｍ、ビームパラメータプロダクツＢＰＰ＝８ｍｍｍｒａｄ以下、全頂発散角θＦ＝１６０ｍｒａｄ以下であって、各条件に共通である。さらに加工速度は５ｍ／ｍｉｎであって、加工対象物４の材料は軟鋼である。
　条件（ａ）の集光レンズ３２は、焦点距離ｆｆ＝４０９ｍｍ、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．１３ｍｍである。条件（ｂ）の集光レンズ３２は、焦点距離ｆｆ＝３０７ｍｍ、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．２３ｍｍである。条件（ｃ）の集光レンズ３２は、焦点距離ｆｆ＝２５６ｍｍ、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．３４ｍｍである。
　条件（ｄ）の集光レンズ３２は、焦点距離ｆｃ＝２０４ｍｍ、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）＝０．５３ｍｍである。条件（ｅ）の集光レンズ３２は、焦点距離ｆｃ＝１７４ｍｍ、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）＝０．７５ｍｍである。条件（ｆ）の集光レンズ３２は、焦点距離ｆｃ＝１５３ｍｍ、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）＝０．９８ｍｍである。本実験例２では、コリメートレンズ３１の収差が無視できる程度に小さいため、条件（ａ）～条件（ｆ）のそれぞれにおいて、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした光学系全体の横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）は、集光レンズ３２の横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）と等しいと考えることができる。
　なお、光ファイバ２から出射されるレーザビームは、ビーム径Ｄ８６．５に相当する半頂発散角が８０ｍｒａｄでコリメートレンズ３１の焦点距離ｆｃが２００ｍｍである。このため、ビーム径Ｄ８６．５に相当するコリメートビーム半径Ｗｃ（Ｄ８６．５）＝ｆｃｔａｎθＨ＝１６ｍｍとなる。したがって、集光レンズ３２の横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）は、ビーム径Ｄ８６．５に相当する位置を入射高さｈ＝－１６ｍｍを基準とした横収差としている。また、集光レンズ３２の収差を０．１３ｍｍから０．９８ｍｍと大きく変化させるため、焦点距離の異なるレンズを使用している。
　図１８は、図１７に示す条件でレーザ加工を行った結果を示す図である。図１８には、各条件でレーザ加工を行うときの光線図と、レーザ加工中の溶融池を撮影した画像と、溶接加工の状況を示す情報とが示されている。溶接加工を行うために適した位置は、ビーム径Ｄ８６．５に対する最小錯乱円位置ＺＤ８６．５とした。レーザ加工中の溶融池を撮影した画像は、最小錯乱円位置ＺＤ８６．５における画像である。
　溶接状況に示された、溶融池外径ＯＤ、溶融池内径ＩＤおよび周辺溶融池幅Ｗｍは、溶融池画像から読み取った値である。スパッタ発生量ＮＳは、溶接長さ１０ｃｍあたりのスパッタ発生個数を示している。
　図１７および図１８を参照すると、光学系全体の収差が増大するにつれて、集光位置近傍の光線群が拡大して、レーザ加工位置である最小錯乱円位置ＺＤ８６．５における周辺溶融池幅Ｗｍが拡大していることが分かる。
　図１９は、図１７および図１８に示した光学系全体の横収差の変化に対するスパッタ発生量の推移をグラフ化した図である。図１９から、スパッタ発生量が４０±１０個／１０ｃｍ以下となる収差をスパッタ抑制に効果的な収差とすると、集光点における横収差ΔＹＡが０．２ｍｍ以上の範囲ということができる。集光点における横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）が０．５３ｍｍ以上であることがさらに望ましい。
　図２０は、図１７に示した条件で横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）を変化させたときの周辺溶融池幅Ｗｍの推移をグラフ化した図である。周辺溶融池５２は、横収差によって発生する周辺ビーム１２６によって形成されるため、横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）の大きさと強い相関を有していることが分かる。周辺溶融池幅Ｗｍは、横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）に比例しており、横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）の１．２倍となっている。
　図２１は、図１８に示した周辺溶融池幅Ｗｍが変化したときのスパッタ発生量の推移をグラフ化した図である。スパッタ発生量が４０±１０個／１０ｃｍ以下となる収差をスパッタ４１３が抑制された状態と定義すると、スパッタ抑制のために必要な周辺溶融池幅Ｗｍは、０．２２ｍｍ以上ということがいえる。周辺溶融池幅Ｗｍが０．６９ｍｍ以上であることがさらに望ましい。
（実験例３）
　上記の実験例２では集光レンズ３２に組レンズを使用していたが、本実験例３では、集光レンズ３２に単レンズを使用する。
　図２２は、図１の集光レンズ３２に求められる特性を特定するための実験例３で検討する単レンズの横収差の入射曲率依存性を示す図である。図２２は、焦点距離ｆ＝２０４ｍｍの単レンズの、入射面曲率の変化に対する横収差ΔＹの推移を示している。レンズの硝材は合成石英であって、屈折率ｎ＝１．４５であり、レンズ中心部の厚みｔｃ＝６．５ｍｍである。光線追跡によって算出した横収差は、入射面曲率Ｋ１＝１／ｒ１に対して下に凸の２次関数になる。
　単レンズの焦点距離ｆと入射曲率半径ｒ１および出射曲率半径ｒ２との関係は、以下の数式（１）で表される。数式（１）を用いることで、焦点距離ｆおよび入射曲率半径ｒ１を定めれば、出射曲率半径ｒ２は定まり、レンズ形状が定まる。なお、レンズ中心部の厚みｔｃが１５ｍｍ以下であれば、焦点距離ｆ、入射曲率半径ｒ１および出射曲率半径ｒ２の各々の相互関係におけるレンズ中心部の厚みｔｃに対する依存性は小さい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　図２３は、入射面曲率Ｋ１の変化に対する出射面曲率Ｋ２の推移を示す図である。出射面曲率Ｋ２は、上記の数式（１）を使用して算出した値である。出射面曲率Ｋ２は、入射面曲率Ｋ１の一次関数となり、レンズ中心部の厚みｔｃの影響は小さいことが分かる。
　実験例２において特定したように、スパッタ抑制効果のある収差の条件を０．２ｍｍ以上とすると、入射面曲率Ｋ１は、５ｍ－１以下または１３ｍ－１以上となる。図２３を参照すると、入射面曲率Ｋ１が５ｍ－１以下または１３ｍ－１以上となる出射面曲率Ｋ２は、－６ｍ－１以下または２ｍ－１以上となる。
　ここでビーム径Ｄ８６．５に相当する入射高さｈ＝－１６ｍｍを基準とした横収差ΔＹｈ－１６＝０．５３ｍｍとする。この場合、レンズの入射側の入射曲率半径ｒ１＝５６．３ｍｍとなり、集光側の出射曲率半径ｒ２＝１３９．９ｍｍとなる。レンズ中心部の厚みｔｃは、３ｍｍ以上となるように、ｔｃ＝６．５ｍｍとしている。
　図２４は、本発明の実験例３にかかる集光レンズ３２の形状および光線を示す図である。本実験例３で使用される集光レンズ３２は、図２４に示すようにメニスカス形状である。一般的な光学系において、高い集光性能を得るために、レンズ形状は、最小収差位置近傍の凸平レンズ、両凸レンズなどが使用されることが多い。さらに大きな集光性能を必要とする場合には、無収差に近い組レンズが使用されることもある。本実験例３では、０．５ｍｍ以上の収差を発生させるために、メニスカス形状のレンズが使用される。
　図２５は、図２４の一部拡大図と、拡大図に対応した横収差とを示す図である。集光レンズ３２への入射ビーム半径Ｗ８６．５＝Ｄ８６．５／２＝１６ｍｍである。入射ビーム半径Ｗ８６．５に対応する入射高さｈ＝－Ｗ８６．５＝－１６ｍｍであり、この入射高さｈを基準とした横収差ΔＹｈ－１６＝０．５３ｍｍとなる。収差の量を正の値とするために、入射高さｈは負の値で定義している。単レンズの横収差の入射高さ依存性は、入射高さｈがレンズ表面の入射曲率半径ｒ１、出射曲率半径ｒ２よりも小さい領域では３次関数となる。
　なお本実験例３では、光ファイバ２からの出射角が８０ｍｒａｄであって、コリメートレンズ３１の焦点距離ｆｃ＝２００ｍｍであり、入射高さｈ＝－１６ｍｍを基準とした収差は、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした収差に相当する。
　上記のように、集光レンズ３２をメニスカス形状とすることで、シンプルな構造の単レンズでありながら、スパッタ抑制効果が高い周辺ビーム１２６を発生させることができる横収差ΔＹｈ－１６＝０．５３ｍｍを実現している。
（実験例４）
　本実験例４では、光ファイバ２、コリメートレンズ３１および集光レンズ３２を含む加工光学系の条件を２種類比較して検討する。図２６は、本発明の実験例４にかかる加工光学系の条件を示す図である。図２７は、図２６に示す条件の加工光学系の光線図および概略構成図である。
　図２６に示す条件（ｇ）および条件（ｈ）は共に、光ファイバ２のファイバコア直径φｃ＝２００μｍであり、ビームパラメータプロダクツＢＰＰ＝８ｍｍｍｒａｄ以下であり、全頂発散角θＦ＝１６０ｍｒａｄ以下である。また条件（ｇ）および条件（ｈ）は共に、コリメートレンズ３１の横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）が無視できる程度に小さく、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした集光レンズ３２の横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．５３ｍｍである。さらにビーム径Ｄ８６．５を基準とした光学系全体の横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）＝０．５３ｍｍである。
　条件（ｇ）は、コリメートレンズ３１の焦点距離ｆｃ＝２００ｍｍであり、集光レンズ３２の焦点距離ｆｆ＝２０４ｍｍである。条件（ｈ）は、コリメートレンズ３１の焦点距離ｆｃ＝４００ｍｍであり、集光レンズ３２の焦点距離ｆｆ＝４０８ｍｍである。条件（ｇ）と条件（ｈ）とでは、光学系が相似形であり、集光角と対応した横収差量が同等である。この場合、焦点位置近傍における光線図は一致し、集光状態は同等となる。
　図２８は、実験例１から４で使用する近赤外レーザ光源の製品仕様の一例を示す図である。近赤外レーザ光源として使用されるファイバレーザおよびＹＡＧレーザの製品仕様は、デファクトスタンダードでほぼ共通の規格が使用されており、光ファイバ２からの出射半角θＨは、レーザ出力および光ファイバ２のファイバ径によらず、８０ｍｒａｄ以下となっており、実測値は７５ｍｒａｄから８０ｍｒａｄである。
　統一された光ファイバ２からの出射半角θＨ＝８０ｍｒａｄ以下は、近軸条件である５°＝８７．２ｍｒａｄ以下を満たしており、汎用光学系でも十分な集光性能を保つことができる。
（実験例５）
　本発明の実験例５では、ファイバコア直径φｃに対する集光強度分布の依存性を検討する。図２９は、本発明の実験例５におけるレーザ加工装置１００の条件を示す図である。条件（ｉ）、条件（ｊ）および条件（ｋ）は、ファイバコア直径φｃ以外の条件が共通である。
　具体的には、条件（ｉ）のファイバコア直径φｃ＝１００μｍ、ビームパラメータプロダクツＢＰＰ＝４ｍｍｍｒａｄ以下であり、条件（ｊ）のファイバコア直径φｃ＝２００μｍ、ビームパラメータプロダクツＢＰＰ＝８ｍｍｍｒａｄ以下であり、条件（ｋ）のファイバコア直径φｃ＝３００μｍ、ビームパラメータプロダクツＢＰＰ＝１２ｍｍｍｒａｄ以下である。また条件（ｉ）、条件（ｊ）および条件（ｋ）に共通して、全頂発散角θＦ＝１６０ｍｒａｄ以下であり、コリメートレンズ３１の焦点距離ｆｃ＝２００ｍｍであり、コリメートレンズ３１の横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）は無視できる程度に小さい。さらに条件（ｉ）、条件（ｊ）および条件（ｋ）に共通して、集光レンズ３２の焦点距離ｆｆ＝２００ｍｍであり、集光レンズ３２の横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．５６である。光学系全体の横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）＝０．５６である。
　図３０は、図２９に示す各条件のレーザ加工装置１００が出射するレーザ光の光路図および強度分布を示す図である。横収差が０．０５ｍｍ以下の一般的な低収差光学系では、加工を行う最小錯乱位置ではファイバ端の倍率転写となるため、集光径は、ファイバコア直径φｃに比例して変化する。
　しかしながら、本実験例５のレーザ加工装置１００では、レーザビームの径を基準とした横収差が０．２ｍｍ以上であって直径では０．４ｍｍ以上であり、より望ましくは０．５ｍｍ以上であって直径では１．０ｍｍ以上である。これらの値は、ファイバコア直径φｃ＝０．１ｍｍから０．３ｍｍに対して１倍から２０倍以上と、収差としては大きい。このため、集光点近傍の光強度分布は、光学系の収差による影響が支配的であって、ファイバコア直径φｃの影響は小さくなる。
　図３０を参照すると、ファイバコア直径φｃを変化させたときに、中心部の光強度の変化が大きい。ファイバコア直径φｃを３００μｍから１００μｍへ１／３に縮小すると、中心部の光強度は１１．８ＭＷ／ｃｍ２から３９．８ＭＷ／ｃｍ２へと高くなる。収差のない一般的な光学系では、ファイバコア直径φｃが１／３に縮小すると、集光点のスポット系も１／３になるため、中心部の光強度は９倍となる。これに対して本実験例５では、収差の影響により中心部の光強度は３．４倍程度の増大に止まっている。
　スパッタ４１３を抑制するためには、光強度２００ｋＷ／ｃｍ２以下、幅０．３ｍｍ以上の周辺ビーム１２６の強度が重要となるが、図３０を参照すると、ファイバコア直径φｃを変化させても、周辺ビーム１２６の強度分布への影響は小さい。ファイバコア直径φｃを０．１ｍｍから０．３ｍｍまで変化させても、周辺ビーム１２６の強度はほとんど変化せず、光軸位置依存性も変化しない。
（実験例６）
　本実験例６では、集光レンズ３２の焦点距離ｆｆの変化に対する光強度分布の依存性を検討する。図３１は、本発明の実験例６におけるレーザ加工装置１００の条件を示す図である。
　図３１に示す条件（ｌ）、条件（ｍ）および条件（ｎ）は、集光レンズ３２の焦点距離ｆｆ以外は図２９に示す条件（ｊ）と同じである。条件（ｌ）における集光レンズ３２の焦点距離ｆｆ＝１００ｍｍであり、条件（ｍ）における集光レンズ３２の焦点距離ｆｆ＝２００ｍｍであり、条件（ｎ）における集光レンズ３２の焦点距離ｆｆ＝３００ｍｍである。
　図３２は、図３１に示す各条件のレーザ加工装置１００が出射するレーザ光の光路図および強度分布を示す図である。図３２を参照すると、焦点距離ｆｆを変化させて集光角を変化させても、近軸焦点位置、Ｄ８６．５最小錯乱円位置およびＤ９８．９最小錯乱円位置における集光状態および光強度分布の変化は小さい。
　焦点距離ｆｆを変化させて集光角を変化させると、光学倍率α＝（ｆｆ／ｆｃ）で定まる基本スポット径φｓは、下記の数式（２）に従って変化するが、周辺ビーム１２６の光強度分布の変化は小さい。
　φｓ＝（ｆｆ／ｆｃ）・φＦ＝ＢＰＰ／θｓ　　　　・・・（２）
　ここでφＦはファイバコア直径である。
　なお、図３２の光線図を比較すると、焦点距離の変化つまり集光角の変化に伴って、焦点とそれぞれの最小錯乱円との間隔など光軸方向のスケールは焦点距離に比例して変化していることが分かる。しかしながら図３２の光強度分布の図を参照すると、それぞれの位置での周辺ビーム１２６の強度分布は同程度であり、同様のスパッタ抑制効果を得ることができることが分かる。光軸方向の焦点深度に相当する加工位置尤度などは、焦点距離の変化に伴って変化する。
　上記の実験例５および実験例６から、収差の大きい光学系では、光ファイバ２のファイバ径を変えても、焦点距離を変えても、ビーム径Ｄ８６．５に相当する光線位置を基準とした収差が同一であるならば、光強度分布は同様となることが分かった。このため、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした収差、つまり、ビーム径Ｄ８６．５に相当する光線位置を基準とした収差を規定することで、同様の光強度分布を得ることができ、同様のスパッタ抑制効果を得ることが可能であることが分かる。光強度分布の光軸位置依存性は焦点距離に応じて拡大縮小する。
（実験例７）
　本実験例７では、集光光学系３内において収差を生じさせる素子を変化させた場合の影響について検討する。図３３は、本発明の実験例７における各レンズが有する収差の条件を示す図である。
　図３３の条件（Ａ）では、コリメートレンズ３１が横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）＝０ｍｍの低収差組レンズであり、集光レンズ３２が横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．５３ｍｍの収差を有するレンズである。条件（Ｂ）では、コリメートレンズ３１が横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）＝０．５３ｍｍの収差を有するレンズであり、集光レンズ３２が横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０ｍｍの低収差レンズである。さらに条件（Ｃ）では、コリメートレンズ３１が横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）＝０．２６５ｍｍの収差を有するレンズであり、集光レンズ３２が横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．２６５ｍｍの収差を有するレンズである。
　図３３に示す３つの条件（Ａ）、条件（Ｂ）および条件（Ｃ）でシミュレーションを行うと、集光光学系３の全体の収差は、各レンズの収差の合計となるため、各条件で同一である。集光点における光強度分布は、集光光学系３の全体の収差に応じて決まるため、３つの条件（Ａ）、条件（Ｂ）および条件（Ｃ）で集光点における光強度分布は差がなく、スパッタ抑制効果も同等であることが分かった。
　なお、集光光学系３の収差は一般的にレーザビームの進行方向の集光点に対して定義されるものであるが、光ファイバ２からの発散光を平行化するコリメートレンズ３１に対しては、進行方向とは逆向きのコリメート部から平行ビームを逆入射させて、光ファイバ２の出射端に向けて集光させる仮想集光によって収差を定義する。
（実験例８）
　本発明の実験例８では、光学条件は同一で、加工速度を１ｍ／ｍｉｎから１０ｍ／ｍｉｎまで１ｍ／ｍｉｎ毎に変化させた場合の、溶融池の状態とスパッタ４１３の抑制状態とを検討した。図３４は、本発明の実験例８の実験結果を示す図である。
　図３４を参照すると、周辺溶融池５２の溶融池外径ＯＤは、加工速度の増大に伴って徐々に減少しており、１ｍ／ｍｉｎで２．５ｍｍ、５ｍ／ｍｉｎで２．２ｍｍ、１０ｍ／ｍｉｎで１．９ｍｍとなっている。これに対して、周辺溶融池５２の溶融池内径ＩＤ、つまりキーホール５０の直径φＫＨ＝０．７５±０．１５ｍｍの範囲でほぼ一定となっている。
　周辺溶融池幅Ｗｍは、加工速度の増大に伴って０．７５ｍｍから０．４５ｍｍへと減少しているが、スパッタ抑制に有効な０．２２ｍｍ以上の幅を保っており、スパッタ発生量ＮＳは、全速度範囲に渡って０～２５個／１０ｃｍのレベルに抑制されている。したがって、レーザ加工装置１００は、加工速度によらずスパッタ４１３を抑制する効果を奏することが分かる。
（実験例９）
　本発明の実験例９では、レーザの出力を１ｋＷから１０ｋＷまで１ｋＷ毎に変化させた場合の、溶融池の状態とスパッタ４１３の抑制状態とを検討した。図３５は、本発明の実験例９の実験結果を示す図である。
　図３５を参照すると、出力の低下に伴って、周辺溶融池５２およびキーホール５０は縮小するが、スパッタ発生量ＮＳは、全出力範囲１ｋＷから１０ｋＷに渡って０～１０個／１０ｃｍのレベルに抑制されている。したがって、レーザ加工装置１００は、レーザの出力によらずスパッタ４１３を抑制する効果を奏することが分かる。
　以上の実験例１～９の実験結果から、近赤外レーザを使用したレーザ加工において、スパッタ４１３を抑制して高い加工品質を実現するための条件が明らかとなった。レーザ光が発生してから加工位置に至るまでの間に収差を有する光学系を有し、集光点における横収差を、ビーム径Ｄ８６．５に対して０．２ｍｍ以上とすることで高い加工品質を実現することができる。ビーム径Ｄ８６．５に対して０．２ｍｍ以上とは、レーザパワーの８６．５％が含有される、集光前のビーム径に相当する光線を基準とした場合の横収差が０．２ｍｍ以上であることを示す。スパッタ４１３は、レーザ光の走査方向の後方で発生しやすいため、上記横収差のうち、少なくともレーザ光の走査方向の後方に対する横収差が上記の条件を満たすことが望ましい。このような収差を発生させることで、集光点におけるビーム形状がウィッチハット形状となり、光強度が５ｋＷ／ｃｍ２以上２００ｋＷ／ｃｍ２以下の周辺ビーム１２６の幅が０．２２ｍｍ以上となる。このような周辺ビーム１２６を形成すると、蒸発反力を発生して溶融金属流４１１の流れを加工対象物４の表面に垂直な向きから水平な向きに代えることができ、スパッタ４１３の発生を抑制することができる。
　ビーム径Ｄ８６．５は、光ファイバ２が出射した光を集光光学系３で集光する場合、光ファイバ２からの発散角±８０ｍｒａｄに相当する。このため、上記の条件は、集光点の横収差が光ファイバ２からの発散角±８０ｍｒａｄに対して０．２ｍｍ以上ということもできる。
　さらに、集光光学系３の収差は、コリメートレンズ３１が収差を有していてもよいし、集光レンズ３２が収差を有してもよい。或いはコリメートレンズ３１および集光レンズ３２の両方が収差を有してもよい。コリメートレンズ３１および集光レンズ３２の両方が収差を有する場合、コリメートレンズ３１の収差と集光レンズ３２の収差の合計が上記の条件を満たせばよい。
　さらに上記の条件に加えて、ビーム径Ｄ８６．５に対応する半頂集光角を５０ｍｒａｄ以上１１０ｍｒａｄ以下とすることで、一般的な光ファイバ２の出射半頂角８０ｍｒａｄから出射したレーザビームに対して、収差がない場合の仮想的なコアスポット径は出射ファイバ径の０．６２５倍から１．３７５倍とすることができ、深い溶け込み性能を示すことができる。
実施の形態２．
　図３６は、本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工装置２００の構成を示す図である。本実施の形態２のレーザ加工装置２００は、レーザ加工中の加工対象物４をモニタするための撮像装置５００を有する。
　レーザ加工装置２００は、収差を有するコリメートレンズ３１と、低収差レンズである集光レンズ３２とを有する。コリメートレンズ３１と集光レンズ３２との間の光路上には、ベンドミラー９が配置されている。ベンドミラー９は、コリメートレンズ３１からの光を集光レンズ３２に反射する。撮像部である撮像装置５００は、同軸カメラであり、集光レンズ３２およびベンドミラー９を介して直進する光を検出することができる。
　集光レンズ３２が収差を有しないため、撮像装置５００のモニタ画像の歪みを抑制することができる。したがって、スパッタ４１３を抑制して加工品質の低下を抑制しつつ、加工対象物４のレーザ加工を行っている部分を同軸で、ぼけや歪みのない鮮明な画像でモニタすることが可能になる。
　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　例えば上記では、近赤外レーザを使用したレーザ加工装置１００について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本実施の形態で説明した技術は、例えば可視光レーザ、中赤外レーザを使用したレーザ加工装置に適用しても有効である。
　また上記の実施の形態では、光ファイバ２と、光ファイバ２から出射されたレーザビームを集光する集光光学系３とを有するレーザ加工装置１００およびレーザ加工装置２００について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。光ファイバ２を備えないレーザ加工装置に対して本発明の技術を適用することも可能である。レーザ発振器１から出射された光は、そのまま集光光学系３に入射してもよいし、レーザ発振器１から出射された光が集光光学系３に入射するまでの光路上には、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、どのような光学素子が配置されていてもよい。
　１　レーザ発振器、２　光ファイバ、３　集光光学系、４　加工対象物、７　蒸発反力、９　ベンドミラー、１０　出射ビーム、１０ａ，１１ａ，１２ａ，９１ａ　ビーム形状、１１　コリメート光、１２，９１，９２　集光ビーム、３１　コリメートレンズ、３２　集光レンズ、４０　表面、４１　溶融金属、５０　キーホール、５１　開口部、６０，６１　金属蒸気、１００，２００　レーザ加工装置、１２５　主ビーム、１２６　周辺ビーム、４１１　溶融金属流、５００　撮像装置、５０２　キーホール内壁。

Claims (8)

  1. 　レーザビームを加工対象物に集光してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
    　前記レーザビームを集光する集光光学系を備え、
    　前記集光光学系は収差を有し、
    　集光前のレーザビームにおける、レーザパワーの８６．５％を含有するレーザビーム直径であるＤ８６．５に対応した光線に対する集光点での横収差は、０．２ｍｍ以上であることを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 　前記レーザビームを伝送する光ファイバ、
    　を備え、
    　前記集光光学系は、前記光ファイバから出射された前記レーザビームを集光することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
  3. 　前記集光光学系は、
    　横収差が０．０５ｍｍ以下のレンズであって前記光ファイバから出射されたレーザビームを平行化するコリメートレンズと、
    　平行化されたレーザビームを集光する集光レンズと、
    　を含むことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
  4. 　前記集光光学系は、
    　前記光ファイバから出射されたレーザビームを平行化するコリメートレンズと、
    　横収差が０．０５ｍｍ以下のレンズであって平行化されたレーザビームを集光する集光レンズと、
    　を備え、
    　前記コリメートレンズは収差を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
  5. 　前記集光光学系は、
    　前記コリメートレンズと前記集光レンズとの間の光路上に配置され、前記レーザビームを反射するベンドミラー、
    　を備え、
    　前記レーザ加工装置は、
    　前記ベンドミラーと前記集光レンズとを介して、加工対象物を撮像する撮像部と、
    　を備えることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
  6. 　前記Ｄ８６．５に対応した光線に対応する半頂集光角が５０ｍｒａｄ以上１１０ｍｒａｄ以下であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
  7. 　レーザビームを加工対象物に集光して前記加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
    　前記レーザ加工装置が出射するレーザビームは、加工位置において、主ビームと、前記主ビームよりも低強度であって前記主ビームから連なる周辺ビームとから構成されるウィッチハット形状の強度分布を有し、
    　光強度が５ｋＷ／ｃｍ２以上２００ｋＷ／ｃｍ２以下である前記周辺ビームは、光軸と垂直な面において０．２２ｍ以上の幅を有することを特徴とするレーザ加工装置。
  8. 　レーザビームを加工対象物に集光して前記加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
    　前記レーザ加工装置が出射するレーザビームは、加工位置において、主ビームと、前記主ビームよりも低強度であって前記主ビームから連なる周辺ビームとから構成されるウィッチハット形状の強度分布を有し、
    　前記周辺ビームは、前記加工対象物に、前記主ビームが形成するキーホールよりも浅く、前記キーホールを取り囲む０．２２ｍｍ以上の幅を有する周辺溶融池を形成することを特徴とするレーザ加工装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020230364A1 (ja) * 2019-05-13 2020-11-19 株式会社村田製作所 光学装置
JP7186937B1 (ja) * 2022-06-17 2022-12-09 三菱電機株式会社 レーザ加工ヘッド、レーザ加工装置および金属製製造物の製造方法
JP7435543B2 (ja) 2021-05-28 2024-02-21 トヨタ自動車株式会社 レーザ溶接システム及びレーザ溶接制御方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0985481A (ja) * 1995-09-19 1997-03-31 Amada Co Ltd レーザー加工ヘッド
JPH09220690A (ja) * 1996-02-13 1997-08-26 Amada Co Ltd ハンディ型レーザ装置およびその装置に用いるレーザトーチ
JP2003088984A (ja) * 2001-09-14 2003-03-25 Kawasaki Heavy Ind Ltd 薄板のレーザ溶接用出力ヘッド
JP2005169395A (ja) * 2003-12-05 2005-06-30 Toyota Motor Corp 固体レーザ加工装置およびレーザ溶接方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003340582A (ja) 2002-05-23 2003-12-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法
JP2004096088A (ja) * 2002-07-10 2004-03-25 Fuji Photo Film Co Ltd 合波レーザー光源および露光装置
FR2897007B1 (fr) * 2006-02-03 2008-04-11 Air Liquide Procede de coupage avec un laser a fibre avec controle des parametres du faisceau
JP5176535B2 (ja) * 2007-02-02 2013-04-03 富士電機株式会社 レーザ式ガス分析計
FR2949618B1 (fr) * 2009-09-01 2011-10-28 Air Liquide Tete de focalisation laser pour installation laser solide
JP5602300B2 (ja) * 2011-05-30 2014-10-08 三菱重工業株式会社 レーザ加工ヘッド、レーザ加工装置、レーザ加工装置の光学系、レーザ加工方法、及びレーザ集束方法
JP6063670B2 (ja) * 2011-09-16 2017-01-18 株式会社アマダホールディングス レーザ切断加工方法及び装置
JP2015199114A (ja) * 2014-04-10 2015-11-12 三菱電機株式会社 レーザ加工装置及びレーザ加工方法
JP6190855B2 (ja) * 2015-09-08 2017-08-30 株式会社アマダホールディングス レーザ加工方法およびレーザ加工装置
WO2018159857A1 (ja) * 2017-03-03 2018-09-07 古河電気工業株式会社 溶接方法および溶接装置
WO2019012642A1 (ja) * 2017-07-13 2019-01-17 ギガフォトン株式会社 レーザシステム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0985481A (ja) * 1995-09-19 1997-03-31 Amada Co Ltd レーザー加工ヘッド
JPH09220690A (ja) * 1996-02-13 1997-08-26 Amada Co Ltd ハンディ型レーザ装置およびその装置に用いるレーザトーチ
JP2003088984A (ja) * 2001-09-14 2003-03-25 Kawasaki Heavy Ind Ltd 薄板のレーザ溶接用出力ヘッド
JP2005169395A (ja) * 2003-12-05 2005-06-30 Toyota Motor Corp 固体レーザ加工装置およびレーザ溶接方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020230364A1 (ja) * 2019-05-13 2020-11-19 株式会社村田製作所 光学装置
JP7435543B2 (ja) 2021-05-28 2024-02-21 トヨタ自動車株式会社 レーザ溶接システム及びレーザ溶接制御方法
JP7186937B1 (ja) * 2022-06-17 2022-12-09 三菱電機株式会社 レーザ加工ヘッド、レーザ加工装置および金属製製造物の製造方法
WO2023243086A1 (ja) * 2022-06-17 2023-12-21 三菱電機株式会社 レーザ加工ヘッド、レーザ加工装置および金属製製造物の製造方法

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