WO2020241136A1 - レーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法 - Google Patents

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静波 王
西尾　正敏
憲三 柴田
学 西原
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    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0071—Beam steering, e.g. whereby a mirror outside the cavity is present to change the beam direction

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method using the laser processing apparatus.
  • Patent Document 1 discloses a laser system in which a laser beam is incident on a plurality of bundled optical fibers that can be optically coupled to the laser beam.
  • the laser system includes a reflector or condenser lens located on the optical path of the laser beam and a piezo actuator to move them.
  • the piezo actuator causes the laser beam to be incident on a selected optical fiber among the plurality of optical fibers by changing the incident position of the laser beam on the plurality of bundled optical fibers.
  • each optical fiber is made of a multi-clad fiber.
  • the piezo actuator changes the power distribution of the laser beam by adjusting the incident position of the laser beam in the optical fiber.
  • Patent Document 2 by moving the position of the condenser lens or inserting a wedge-shaped optical element on the optical path of the laser light, the incident position of the laser light on the incident end surface of the multi-clad fiber can be determined.
  • a variable configuration has been proposed.
  • Patent Document 1 since a reflector and a condenser lens, which are relatively large optical components, are moved by an actuator, there is a problem in their responsiveness, and the optical path of the laser beam is changed at high speed to obtain light. It was difficult to change the position of incidence on the fiber. For this reason, when the shape of the work changes, it is difficult to control the power distribution of the laser beam according to the change, and it is difficult to maintain the processing quality of the work.
  • the method of moving the position of the condensing lens to change the incident position of the laser beam requires that the condensing lens be linearly moved by the actuator, so that the position accuracy is improved. There was a problem in achieving both responsiveness. Further, if the optical element is moved while being inserted into the optical path of the laser beam during continuous oscillation, the laser beam is scattered in an unexpected direction by the edge portion of the optical element, which may cause a problem in laser processing. It was. In addition, the scattered laser beam may damage the inside of the laser cavity.
  • the present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to provide a laser processing apparatus capable of changing the power distribution of laser light with a simple configuration and a laser processing method using the same.
  • the laser processing apparatus includes a laser oscillator for generating laser light, a core, a first clad provided coaxially with the core on the outer peripheral side of the core, and the first clad.
  • An optical fiber having at least a second clad provided coaxially with the core on the outer peripheral side of one clad and having an incident end face and an emission end opposite to the incident end face, and the laser oscillator provided with the laser oscillator.
  • the beam control is provided with at least a beam control mechanism that introduces a laser beam into the incident end face of the optical fiber and a laser beam emitting head that is attached to the emitting end of the optical fiber and irradiates the laser beam toward the work.
  • the mechanism is arranged on the optical path of the laser beam between the condensing lens that receives the laser beam and condenses it at a predetermined magnification, and the incident end face of the condensing lens and the optical fiber, and of the laser beam.
  • the beam control mechanism has at least an optical path changing and holding mechanism for changing and holding an optical path and a controller for controlling the operation of the optical path changing and holding mechanism, and the beam control mechanism is an incident position of the laser beam on an incident end surface of the optical fiber.
  • the power distribution of the laser beam emitted from the laser beam emitting head is controlled by changing the above.
  • the incident position of the laser light on the incident end face of the optical fiber can be easily changed, and the power distribution of the laser light emitted from the laser light emitting head can be easily controlled.
  • the laser processing method according to the present invention is a laser processing method using the laser processing apparatus, which is a first irradiation step of irradiating the laser beam having a first power distribution toward the work, and subsequently described above. It is characterized by including at least a second irradiation step of irradiating the laser beam having a second power distribution different from the first power distribution toward the work.
  • a molten pool and a keyhole can be surely formed in the work at the initial stage of welding, and the welding quality of the work can be improved.
  • the power distribution of the laser beam can be easily controlled.
  • the welding quality of the workpiece can be improved.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a welded portion of the work according to the first embodiment. It is a welding sequence of the work. This is a welding sequence of the work according to the second embodiment. It is sectional drawing of the weld part of a workpiece. It is a welding sequence of the work according to the modification.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the configuration of the laser processing apparatus according to the present embodiment, and the laser processing apparatus 1000 includes a laser oscillator 10, a beam control mechanism 20, a controller 80, an optical fiber 90, a laser light emitting head 100, and a manipulator 110. And have. Further, FIG. 2 shows the cross-sectional structure and the refractive index distribution of the optical fiber 90.
  • the laser oscillator 10 is a laser light source that generates laser light LB by receiving electric power from a power source (not shown).
  • the laser oscillator 10 may be composed of a single laser light source or a plurality of laser modules. In the latter case, the laser light emitted from each of the plurality of laser modules is combined and emitted as the laser light LB.
  • the beam control mechanism 20 is provided in the laser oscillator 10 and introduces the laser light LB into the incident end surface of the optical fiber 90 and controls the power distribution of the laser light LB emitted from the exit end of the optical fiber 90.
  • the configuration and operation of the beam control mechanism 20 will be described later.
  • the optical fiber 90 is a so-called multi-clad fiber.
  • the optical fiber 90 includes a core 90a, a first clad 90b provided coaxially with the core 90a on the outer peripheral side of the core 90a, and a second clad 90c provided coaxially with the core 90a on the outer peripheral side of the first clad 90b.
  • the core 90a, the first clad 90b, and the second clad 90c are mainly composed of quartz, and as shown in FIG. 2, the core 90a has the highest refractive index, and the first clad 90b and the second clad 90c are refracted in this order. The rate is low.
  • the refractive index of the first clad 90b and the second clad 90c may be adjusted by doping different types or concentrations of substances that can both reduce the refractive index.
  • the index of refraction of the core 90a may also be adjusted by doping different types or concentrations of substances that can increase the index of refraction.
  • the laser beam LB incident on the core 90a at a predetermined angle can propagate in the core 90a without entering the first clad 90b.
  • the laser beam LB incident on the first clad 90b at the angle of can propagate in the first clad 90b without entering the second clad 90c.
  • the refractive indexes of the core 90a, the first clad 90b, and the second clad 90c are necessarily different. It is not necessary to have.
  • the core 90a, the first clad 90b, and the second clad 90c have the same refractive index N1, and between the core 90a and the first clad 90b, and between the first clad 90b and the second clad 90c.
  • a thin layer having a refractive index N2 (N2 ⁇ N1) may be provided.
  • the laser beam LB incident on the core 90a at a predetermined angle can propagate in the core 90a without entering the first clad 90b, but is incident on the first clad 90b at a predetermined angle.
  • the resulting laser beam LB can propagate in the first clad 90b without entering the second clad 90c.
  • the main component of the layer having a refractive index N2 is quartz, but a substance capable of lowering the refractive index may be doped.
  • the laser beam LB incident on the optical fiber 90 propagates through the core 90a and / or the first clad 90b and reaches the exit end of the optical fiber 90.
  • a film or a resin-based protective layer that mechanically protects the optical fiber 90 is provided on the outer peripheral surface of the second clad 90c.
  • the laser light emitting head 100 is attached to the emitting end of the optical fiber 90, and irradiates the laser light LB transmitted by the optical fiber 90 toward the work 200, and the work 200 is laser-processed.
  • An optical component (not shown) such as a collimator lens, a condenser lens, and a protective glass is arranged inside the laser light emitting head 100.
  • the controller 80 controls the laser oscillation of the laser oscillator 10. Specifically, laser oscillation control is performed by supplying control signals such as output current and on-time to a power source (not shown) connected to the laser oscillator 10.
  • the controller 80 controls the drive of the motor 70 (see FIGS. 4A and 4B) provided in the beam control mechanism 20 according to the content of the selected laser machining program. Further, the controller 80 controls the operation of the manipulator 110.
  • the laser machining program is stored in a storage unit (not shown). The storage unit may be provided inside the controller 80, or may be provided outside the controller 80 so that data can be exchanged with the controller 80.
  • the controller 80 constitutes a part of the beam control mechanism 20.
  • the manipulator 110 is connected to the controller 80, and the laser light emitting head 100 is moved so as to draw a predetermined trajectory according to the above-mentioned laser processing program.
  • a controller for controlling the operation of the manipulator 110 may be provided separately.
  • FIG. 3 is a schematic view of the beam control mechanism viewed from the X direction
  • FIG. 4A is a schematic view of the main part of the beam control mechanism viewed from the Y direction
  • FIG. 4B is a schematic view of the main part of the beam control mechanism in the Z direction.
  • the schematic diagram seen from each is shown.
  • the traveling direction of the laser beam LB until it is incident on the condenser lens 30 is the Z direction
  • the extending direction of the output shaft 70a of the motor 71 is the X direction
  • X The directions in which the directions and the Z directions are substantially orthogonal to each other may be referred to as the Y direction.
  • the Z direction is the same direction as the direction in which the optical axis of the laser beam LB extends.
  • the X direction is substantially orthogonal to the Z direction.
  • the axis of the output shaft 70a of the motor 70 may be referred to as an X axis (first axis).
  • substantially orthogonal means that the parts are orthogonal including the assembly tolerance, and does not require that they are strictly orthogonal.
  • substantially equal means that each part is equal including manufacturing tolerances and assembly tolerances, and does not require that the two to be strictly compared are equal.
  • substantially equal also means that the estimated value is equal with a predetermined accuracy in comparison with the estimated value, but does not strictly require that the estimated value and the comparison target are equal.
  • the beam control mechanism 20 includes a condenser lens 30, an optical member 50, and a motor 70. Further, as described above, the beam control mechanism 20 has a controller 80. As will be described later, the motor 70 and the optical member 50 function as an optical path change holding mechanism 40 that changes and holds the optical path of the laser beam LB after being focused by the condenser lens 30.
  • the laser beam LB is incident on the condenser lens 30 in a state of being converted into parallel light by an optical component (not shown), for example, a collimated lens or the like.
  • the condensing lens 30 condenses the laser beam LB at a predetermined magnification and causes it to be incident on the incident end surface 90d of the optical fiber 90.
  • the optical member 50 is a parallel flat plate-shaped member made of a material transparent to the laser beam LB.
  • the optical member 50 is made of, for example, quartz and has a refractive index greater than 1 with respect to the wavelength of the laser beam LB.
  • the optical member 50 may be provided with double-sided antireflection coating in order to reduce the reflectance of the incident laser beam LB as much as possible. It is desirable that the reflectance with the antireflection coating is much less than 1%.
  • the optical member 50 is arranged on the optical path of the laser beam LB between the condenser lens 30 and the incident end surface 90d of the optical fiber 90, and the laser beam LB after being focused by the condenser lens 30 is incident. The lens.
  • the motor 70 has an output shaft 70a and is connected to the optical member 50 via a holder 60. By driving the motor 70 and rotating the output shaft 70a around the X-axis, the optical member 50 rotates in the YZ plane around the connecting portion with the holder 60.
  • the motor 70 is configured to be rotatable not only in one direction (direction A shown in FIG. 3) but also in both forward and reverse directions (direction B shown in FIG. 3). Further, the rotation frequency is variable and can be changed in the range of several Hz to several kHz when welding is performed. Further, as will be described later, when the beam control mechanism 20 is operated, the motor 70 does not continuously rotate in one direction, but rotates in a predetermined angle range.
  • the optical member 50 tilts at a predetermined angle about the connecting portion with the holder 60.
  • the motor 70 can reciprocate the optical member 50 at a high speed within a set angle range. Further, the motor 70 is connected to the controller 80 and driven by a control signal from the controller 80.
  • the thickness of the optical member 50 in the Z direction is about 1 mm to several mm, but is not particularly limited to this, and the moving distance of the laser beam LB on the incident end surface 90d of the optical fiber 90 and the rotation angle of the motor 70 It can be changed to another value as appropriate depending on the relationship.
  • the thickness is about several mm, the required size is to be installed in a narrow position between the condenser lens 30 and the incident end surface 90d of the optical fiber 90 through which the focused laser light LB passes. Is small, and the motor 70 makes it easy to reciprocate at high speed, for example, at a rotation frequency of several kHz.
  • 5A and 5B show the state near the incident end of the optical fiber when the incident position of the laser beam is changed.
  • the optical member 50 When the output shaft 70a of the motor 70 is in the initial position, the optical member 50 is arranged so as to be substantially orthogonal to the optical axis of the laser beam LB. In this state, as shown in FIG. 5A, the laser beam LB is incident on the core 90a at the incident end surface 90d of the optical fiber 90.
  • the optical member 50 is YZ centered on the connecting portion with the holder 60 according to the rotation of the motor 70. Tilts in a plane at a predetermined angle. Depending on this angle, the angle between the light incident surface of the optical member 50 and the optical axis of the laser light LB changes, and the optical path of the laser light LB is changed inside the optical member 50.
  • the laser beam LB whose optical path has been changed is incident on the incident end surface 90d of the optical fiber 90, and the incident position thereof changes. For example, as shown in FIG. 5B, at the incident end surface 90d of the optical fiber 90, most of the laser beam LB is incident on the first clad 90b, but a small portion is also incident on the core 90a.
  • the incident position of the laser beam LB on the incident end surface 90d of the optical fiber 90 can be continuously changed. Further, by changing the incident position of the laser light LB, for example, the power ratio of the laser light LB transmitted to the core 90a and the laser light LB transmitted to the first clad 90b can be changed.
  • FIG. 6 shows the relationship between the incident position of the laser light on the incident end face of the optical fiber and the power ratio of the laser light transmitted inside the core
  • FIG. 7 shows the incident position of the laser light on the incident end surface of the optical fiber and the laser.
  • the relationship with the beam profile of the laser beam emitted from the light emitting head is shown.
  • the beam profile shown in FIG. 7 corresponds to the power distribution of the laser beam LB emitted from the laser beam emitting head 100 and imaged at the focal position.
  • the beam profile shown in FIG. 7 also corresponds to the power distribution of the laser beam LB emitted from the emission end of the optical fiber 90.
  • the laser light LB When the incident position of the laser light LB is I shown in FIG. 6, the laser light LB is 100% incident in the core 90a, and the beam profile of the laser light LB has a single peak shape with a narrow half-value width as shown in FIG. (Incident position of laser beam LB: I to II).
  • 100% of the laser beam LB is incident on the core 90a until the incident position of the laser beam LB approaches the position II shown in FIG. 6 from the core 90a, and the beam profile is single peak. Maintained in shape.
  • the beam profile changes so as to include a single peak-shaped portion and a terrace-shaped portion having a wide half-value width formed on both sides thereof (incident position of laser beam LB: ⁇ III). ).
  • the former corresponds to the laser beam LB incident in the core 90a
  • the latter corresponds to the laser beam LB incident in the first clad 90b.
  • the peak value of the single peak-shaped portion decreases.
  • the incident position of the laser light LB is the position III shown in FIG. 6, the power ratio of the laser light LB incident in the core 90a becomes equal to the power ratio of the laser light LB incident in the first clad 90b.
  • the cross-sectional area of the core 90a is equal to the cross-sectional area of the first clad 90b, the peak value of the single peak-shaped portion and the peak value of the terrace-shaped portion of the beam profile match, and are shown in FIG.
  • the beam profile of the entire laser beam LB has a single peak shape, its peak value is lower and the half-value width is larger than that in the case where the laser beam LB is incident only in the core 90a (laser beam). Incident position of LB: III).
  • the beam profile has a single-peaked portion and a terrace-like shape having a wide half width formed on both sides thereof, as shown in FIG.
  • the shape is such that the portion of the laser beam LB is included (incident position of the laser beam LB: ⁇ III).
  • the beam profile becomes bimodal as shown in FIG. 7 (incident position of the laser beam LB: ⁇ IV).
  • the incident position of the laser light LB moves away from the core 90a (between III and IV shown in FIG. 6), the power of the laser light LB incident in the core 90a decreases and is incident in the first clad 90b.
  • the power ratio of the laser beam LB to be generated becomes high.
  • the peak value of the portion of the beam profile corresponding to the component transmitted in the core 90a decreases, and the peak value of the portion corresponding to the component transmitted in the first clad 90b decreases.
  • the value increases and the beam profile becomes bimodal (incident position of laser beam LB: ⁇ IV).
  • the peak value in the bimodal beam profile is lower than the peak value in the monomodal beam profile obtained when the incident position of the laser beam LB is I shown in FIG.
  • the incident position of the laser is further separated from the core 90a (between IV and V shown in FIG. 6)
  • the power of the laser light LB incident in the core 90a becomes 0%
  • the laser The light LB is 100% incident in the first clad 90b.
  • the peak value of the portion of the beam profile corresponding to the component transmitted into the core 90a is reduced to 0%.
  • the peak value of the portion corresponding to the component transmitted in the first clad 90b becomes the maximum, and the beam profile becomes a bimodal shape having the highest peak value (incident position of the laser beam LB: in the case of V to VI).
  • the peak value in the bimodal beam profile is lower than the peak value in the monomodal beam profile obtained when the incident position of the laser beam LB is I shown in FIG.
  • the incident position of the laser beam LB on the incident end surface 90d of the optical fiber 90 can be changed. Further, by changing the incident position of the laser light LB, for example, the beam profile of the laser light LB emitted from the laser light emitting head 100, that is, the power distribution can be changed.
  • the processed shape of the work 200 for example, the welded shape can be made good. This will be described further.
  • FIG. 8 shows a schematic cross-sectional view of the welded portion of the work for comparison
  • FIG. 9 shows a schematic cross-sectional view of the welded portion of the work according to the present embodiment.
  • a portion irradiated with the laser beam LB is heated to cause melting, and a molten pool 210 is formed. Further, in the portion irradiated with the laser beam LB, the material constituting the work 200 evaporates on the surface, and the reaction force causes the keyhole 220 to be formed inside the work 200.
  • the laser light LB is transmitted only into the core 90a of the optical fiber 90 and is irradiated from the laser light emitting head 100 toward the work 200, and the power density of the laser light LB at the welded portion is high. Moreover, the spot diameter of the irradiated laser beam LB is small.
  • the work 200 is easily blended and the keyhole 220 is deepened, while the opening 221 of the keyhole 220 is not so widened, and as shown in FIG. 8, the constricted portion 222 inside the keyhole 220. May occur. Further, since the constricted portion 222 is closed, air bubbles 223 remain inside the work 200. Further, when the closed constricted portion 222 becomes the keyhole 220 again, if the molten metal suddenly ejects from the inside of the keyhole 220 toward the surface, spatter 212 adheres to the surface of the work 200 or the molten pool 210 The surface of the surface is rippling.
  • the molten pool 210 is rapidly cooled and solidified after passing through the laser beam LB, when such a wave is generated, the unevenness 211 (on the surface of the work 200 behind the molten pool 210 along the traveling direction of laser welding) The rear vibrating portion 211) is generated.
  • this wave is reflected and bounces off at the boundary between the molten pool 210 and the solidified part.
  • this reflected wave reaches the keyhole 220, it flows so as to fill the keyhole 220.
  • the molten metal that has flowed in is rapidly heated by the laser beam LB, and suddenly generates metal vapor, so that the columnar shape of the keyhole 220 may be disturbed.
  • the irregular shape of the keyhole 220, the generation of air bubbles 223, and the spatter 212 and unevenness 211 generated on the surface of the work 200 as described above have been factors that deteriorate the welding quality.
  • the power distribution of the laser beam LB emitted from the laser beam emitting head 100 toward the work 200 can be changed by using the beam control mechanism 20. Therefore, for example, by adjusting the tilt angle of the optical member 50 and changing the power ratio between the laser light LB transmitted in the core 90a and the laser light LB transmitted in the first clad 90b, the figure is shown.
  • a laser beam LB having a beam profile as shown in 9 can be irradiated toward the work 200.
  • the desired penetration depth D can be obtained by the laser beam LB emitted from the core 90a.
  • the laser beam LB emitted from the first clad 90b can widen the opening 221 of the keyhole 220 as compared with the case shown in FIG.
  • the inner wall surface of the keyhole 220 is also irradiated with the laser beam LB, and the laser beam LB is absorbed by the work 200 in the process of reaching the inside of the keyhole 220 by the multiple reflection.
  • the welding quality can be improved by switching the power distribution of the laser beam LB emitted from the laser beam emitting head 100 during laser welding.
  • FIG. 10 shows the welding sequence of the work, and the molten pool 210 is not formed in the work 200 immediately after the start of welding.
  • the controller 80 drives the motor 70 to inject the laser beam LB only into the core 90a.
  • the spot diameter of the laser beam LB irradiated to the work 200 is reduced, and the power density of the laser beam LB at the welded portion is increased (first irradiation step).
  • the molten pool 210 and the keyhole 220 it is desired to suppress the formation of the constricted portion 222 and the like as described above.
  • the controller 80 drives the motor 70 to incident the laser beam LB on the core 90a and the first clad 90b.
  • the opening 221 of the keyhole 220 is widened, and the desired penetration depth D is obtained (second irradiation step).
  • the molten pool 210 and the keyhole 220 can be reliably formed in the work 200, and the generation of air bubbles 223 and surface irregularities 211 inside the work 200 can be suppressed to achieve welding quality. Can be enhanced.
  • the power of the laser beam LB emitted from the laser beam emitting head 100 by operating the beam control mechanism 20 according to the material of the work 200 and / or the shape of the laser processing target portion in the work 200 is not limited to these.
  • the work 200 having various materials and shapes can be laser-machined, and the processing quality can be improved.
  • the laser oscillator 10 for generating the laser light LB, the core 90a, and the first clad 90b provided coaxially with the core 90a on the outer peripheral side of the core 90a.
  • a beam control mechanism 20 provided in the oscillator 10 to introduce the laser beam LB into the incident end surface 90d of the optical fiber 90, and a laser beam emitting head attached to the exit end of the optical fiber 90 to irradiate the laser beam LB toward the work 200. It has at least 100.
  • the beam control mechanism 20 receives the laser light LB generated by the laser oscillator 10 and condenses the laser light LB at a predetermined magnification, and the laser light LB between the condensing lens 30 and the incident end surface 90d of the optical fiber 90. It has an optical path change holding mechanism 40 that is arranged on the optical path of the laser beam LB and changes and holds the optical path of the laser beam LB, and a controller 80 that controls the operation of the optical path change holding mechanism 40.
  • the optical path change holding mechanism 40 includes a parallel flat plate-shaped optical member 50 and a motor 70 connected to the optical member 50. In this embodiment, the controller 80 controls the operation of the motor 70.
  • the beam control mechanism 20 controls the power distribution of the laser light LB emitted from the laser light emitting head 100 by changing the incident position of the laser light LB on the incident end surface 90d of the optical fiber 90.
  • the optical path change holding mechanism 40 on the optical path of the laser beam LB between the condenser lens 30 and the incident end surface 90d of the optical fiber 90, the optical path of the laser beam LB can be easily changed. ..
  • the optical member 50 is arranged in front of the condenser lens 30, the laser beam LB after passing through the condenser lens 30 is imaged at the focal position. The optical path cannot be changed.
  • the incident position of the laser light LB on the incident end surface 90d of the optical fiber 90 can be easily changed, and the laser light emitting head 100 can be easily changed.
  • the power distribution of the laser beam LB emitted from the laser beam LB can be easily controlled.
  • the laser beam LB is converted into parallel light before being incident on the condenser lens 30.
  • the optical path and the optical axis of the laser beam LB emitted from the condenser lens 30 become constant, so that the optical path of the laser beam LB can be easily changed by the optical path change holding mechanism 40.
  • the optical member 50 is provided so as to transmit the laser beam LB and to be tiltable around the X axis (first axis) intersecting the optical axis of the laser beam LB.
  • the controller 80 drives the motor 70 to tilt the optical member 50 around the X-axis, so that the beam control mechanism 20 changes the incident position of the laser beam LB on the incident end surface 90d of the optical fiber 90.
  • the optical path of the laser beam LB can be changed reliably and at high speed.
  • the power distribution of the laser light LB emitted from the laser light emitting head 100 can be changed at high speed.
  • the thickness of the optical member 50 is about 1 mm to several mm
  • the optical member 50 is optical at a narrow position between the condenser lens 30 and the incident end surface 90d of the optical fiber 90 through which the focused laser light LB passes. Since the member 50 is installed, its required size is small, and it becomes easy to tilt it at high speed by the motor 70. In addition, it becomes easy to reciprocate within a predetermined angle range.
  • the laser beam LB is not emitted inside the laser apparatus. As a result, damage to the laser apparatus can be suppressed, and the processing quality of laser processing can be maintained high.
  • the beam control mechanism 20 causes the laser beam LB to be incident on at least one of the core 90a and the first clad 90b.
  • the power distribution of the laser light LB emitted from the laser light emitting head 100 can be easily changed in multiple stages.
  • the beam control mechanism 20 controls the power distribution of the laser light LB emitted from the laser light emitting head 100 according to at least one of the material of the work 200 and the shape of the laser processing target portion in the work 200.
  • the work 200 having various materials and shapes can be laser-machined, and the processing quality can be improved. Further, when the laser processing apparatus 1000 according to the present embodiment is used for laser welding, a weld bead having a good appearance can be formed.
  • the beam control mechanism 20 is preferably configured to switch the power distribution of the laser beam LB emitted from the laser beam emitting head 100 during laser machining of the work 200.
  • the first irradiation step of irradiating the laser beam LB having the first power distribution toward the work 200 and subsequently the first power distribution toward the work 200 It includes at least a second irradiation step of irradiating the laser beam LB with a different second power distribution.
  • a molten pool 210 and a keyhole 220 are formed on the surface of the work 200, and in the second irradiation step, the opening 221 of the keyhole 220 is widened and the molten pool has a desired penetration depth D. Grow 210.
  • the power distribution of the laser beam LB irradiated to the work 200 can be narrowed, and the molten pool 210 and the keyhole 220 can be reliably formed at the initial stage of welding. Further, after the molten pool 210 and the keyhole 220 are formed, the power distribution of the laser beam LB irradiated to the work 200 is expanded so that the opening 221 of the keyhole 220 is expanded, thereby expanding the inside of the work 200. It is possible to suppress the generation of air bubbles 223, the formation of irregularities 211 and spatter 212 on the surface, and the disorder of the shape of the keyhole 220, and the welding quality can be improved. In addition, a weld bead having a good appearance can be formed.
  • FIG. 11 shows a welding sequence of the work according to the present embodiment
  • FIG. 12 shows a schematic cross-sectional view of the welded portion of the work.
  • the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the optical member 50 When the motor 70 is reciprocated within a predetermined angle range (direction B shown in FIG. 3), the optical member 50 also reciprocates within a predetermined angle range accordingly.
  • the rotation frequency is set to about several Hz to several kHz. That is, the beam control mechanism 20 is configured to switch the power distribution of the laser beam LB emitted from the laser beam emitting head 100 during laser machining of the work 200.
  • the power distribution of the laser light LB emitted from the emission end of the laser light emission head 100 changes periodically and continuously.
  • the beam profile having a single peak-like peak is continuously changed to a beam profile including a single peak-like portion and a terrace-like portion having a wide half-value width formed on both sides thereof, and the beam profile is continuously changed.
  • the change is repeated periodically.
  • the rotation frequency of the optical member 50 corresponds to the frequency at which the power distribution of the laser beam LB changes.
  • the molten pool 210 and the keyhole 220 are surely formed in the work 200, the keyhole 220 is prevented from becoming too narrow, and the generation of air bubbles 223 and spatter 212 is suppressed.
  • Laser welding can be performed.
  • the keyhole 220 In the process of sequentially forming the molten pool 210 along the direction of laser welding, the keyhole 220 also moves along the direction of laser welding. At this time, the keyhole 220 vibrates repeatedly in the radial direction and / or the depth direction at a natural vibration frequency (hereinafter, simply referred to as a natural vibration frequency).
  • the natural vibration frequency is a value determined by the size of the molten pool 210, the viscosity of the constituent metal of the molten work 200 at the time of melting, and the like, and is estimated to be about several Hz to several kHz in many cases.
  • the shape of the keyhole 220 is stabilized, and as shown in FIG. 12, the inside of the work 200 It is possible to suppress the generation of the constricted portion 222 and the generation of the bubble 223. Further, the unevenness 211 formed behind the molten pool 210 can be reduced.
  • the method of changing the power distribution of the laser beam LB periodically and continuously as described above is particularly effective for thick plate welding. This is because the thicker the plate, the deeper the required penetration, and the deeper the keyhole 220 to achieve it, so the probability that welding defects will occur due to the instability of the keyhole 220 (for example, constriction). This is because
  • FIG. 13 shows a welding sequence of the work according to the present modification, and the work 200 has a shape having a thin plate portion and a thick plate portion continuous thereto.
  • the thickness of the thick plate portion is thicker than that of the thin plate portion.
  • the work 200 is irradiated with the laser beam LB in the sequence shown in FIG.
  • the penetration depth D does not have to be too deep. Therefore, after the work 200 is irradiated with the laser beam LB with a beam profile having a single peak at the start of welding to form the molten pool 210 and the keyhole 220, the power distribution of the laser beam LB becomes broad. To prevent the formation of the constricted portion 222 in the keyhole 220.
  • the work 200 is irradiated with the laser beam LB in the sequence shown in FIG. That is, the laser beam LB is irradiated toward the work 200 while periodically changing the power distribution of the laser beam LB at the natural vibration frequency.
  • the thin plate portion may be welded while the power distribution of the laser beam LB is fixed so as to be broad from the beginning.
  • the multi-clad fiber having the structure shown in FIG. 2 has been described as an example, but other structures may be used.
  • one or more clads may be provided on the outer peripheral side of the second clad 90c.
  • the refractive index of the clad provided on the outside of the second clad 90c may be gradually lowered.
  • the clad to which the laser beam LB can be incident may be up to the clad excluding the outermost clad.
  • a film or a resin-based protective layer that mechanically protects the fiber is provided outside the outermost clad.
  • the output and wavelength of the laser beam LB can be appropriately changed depending on the material and shape of the work 200 or the processing content.
  • the optical member 50 is tilted around the X axis, but it may be tilted around the axis extending in the Y direction. In that case, the positions of the motor 70 and the holder 60 are changed so that the output shaft 70a of the motor 70 extends in the Y direction. Further, in order to tilt the optical member 50, an actuator other than the motor 70, for example, a piezoelectric actuator or the like may be used.
  • the so-called keyhole type laser welding in which the keyhole 220 is formed in the molten pool 210 has been described as an example, but the material and shape of the work 200, the required penetration depth and welding have been described.
  • the type of laser welding can be appropriately selected depending on the width of the bead and the like.
  • the above-mentioned laser processing apparatus 1000 and welding sequence can be applied not only to laser welding but also to laser cutting.
  • the laser processing apparatus of the present invention can control the power distribution of the laser light irradiating the work with a simple configuration, it is useful for processing a work having various materials or shapes.
  • Laser oscillator 20 Beam control mechanism 30 Condensing lens 40 Optical path change holding mechanism 50 Optical member 60 Holder 70 Motor 70a Output shaft 80 Controller 90 Optical fiber 90a Core 90b First clad 90c Second clad 90d Incident end face 100 Laser light emission head 110 Manipulator 200 Work 210 Melting Pond 220 Keyhole 221 Opening 1000 Laser Processing Equipment LB Laser Light

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Abstract

レーザ加工装置は、レーザ発振器と、マルチクラッドファイバである光ファイバと、レーザ発振器に設けられたビーム制御機構と、光ファイバに取付けられたレーザ光出射ヘッドと、を備えている。ビーム制御機構は、集光レンズと、集光レンズと光ファイバの入射端面との間に配置され、レーザ光ＬＢの光路を変更する光路変更保持機構と、光路変更保持機構の動作を制御するコントローラと、を有している。ビーム制御機構は、入射端面へのレーザ光の入射位置を変化させることで、レーザ光のパワー分布を制御する。

Description

レーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法
　本発明はレーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法に関する。
　近年、ワークの材質や形状に応じて、レーザ光のパワー分布を変化させてレーザ加工を行う技術が提案されてきている。
　例えば、特許文献１は、レーザ光と光学的に結合可能な束状の複数の光ファイバにレーザ光を入射するレーザシステムを開示している。このレーザシステムは、レーザ光の光路上に配置されたリフレクタ又は集光レンズと、それらを動かすピエゾアクチュエータとを含む。ピエゾアクチュエータは、束状の複数の光ファイバにおけるレーザ光の入射位置を変化させることで、複数の光ファイバのうち、選択された光ファイバにレーザ光を入射させる。また、各光ファイバはマルチクラッドファイバからなる。ピエゾアクチュエータは、光ファイバにおけるレーザ光の入射位置を調整することでレーザ光のパワー分布を変化させている。
　また、特許文献２には、集光レンズの位置を移動させたり、レーザ光の光路上にくさび状の光学素子を挿入したりすることで、マルチクラッドファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置を変化させる構成が提案されている。
米国特許出願公開第２０１８／１５９２９９号明細書 米国特許第８７８１２６９号明細書
　しかし、特許文献１に開示された構成では、比較的大型の光学部品であるリフレクタや集光レンズをアクチュエータで動かすため、その応答性に問題があり、レーザ光の光路を高速に変更し、光ファイバへの入射位置を変化させることが難しかった。このため、ワークの形状が変化した場合等に、当該変化に応じてレーザ光のパワー分布を制御するのが難しく、ワークの加工品質を維持するのが難しかった。
　また、特許文献２に開示されるように、集光レンズの位置を移動させてレーザ光の入射位置を変化させる方法は、集光レンズを直線状にアクチュエータで動かす必要があるため、位置精度と応答性を両立させる上で問題があった。また、連続発振中のレーザ光の光路上に光学素子を挿入しながらこれを動かすと、レーザ光が光学素子のエッジ部分によって思わぬ方向に散乱されるため、レーザ加工に不具合を生じるおそれがあった。また、散乱されたレーザ光によってレーザ共振器の内部が損傷するおそれがあった。
　本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡便な構成でレーザ光のパワー分布を変更可能なレーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法を提供することにある。
　上記の目的を達成するため、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、コアと、前記コアの外周側に前記コアと同軸に設けられた第１クラッドと、前記第１クラッドの外周側に前記コアと同軸に設けられた第２クラッドと、を少なくとも有し、入射端面および前記入射端面とは反対の出射端を有する光ファイバと、前記レーザ発振器に設けられ、前記レーザ光を前記光ファイバの入射端面に導入するビーム制御機構と、前記光ファイバの出射端に取付けられ、前記レーザ光をワークに向けて照射するレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備え、前記ビーム制御機構は、前記レーザ光を受け取って所定の倍率で集光する集光レンズと、前記集光レンズと前記光ファイバの入射端面との間の前記レーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の光路の変更と保持をする光路変更保持機構と、前記光路変更保持機構の動作を制御するコントローラと、を少なくとも有し、前記ビーム制御機構は、前記光ファイバの入射端面における前記レーザ光の入射位置を変化させることで、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とする。
　この構成によれば、光ファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置を容易に変更でき、レーザ光出射ヘッドから出射されるレーザ光のパワー分布を簡便に制御することができる。
　本発明に係るレーザ加工方法は、前記レーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、前記ワークに向けて第１のパワー分布を有する前記レーザ光を照射する第１照射ステップと、引き続き、前記ワークに向けて前記第１のパワー分布とは異なる第２のパワー分布を有する前記レーザ光を照射する第２照射ステップと、を少なくとも備えたことを特徴とする。
　この方法によれば、溶接開始初期にワークに溶融池及びキーホールを確実に形成できるとともに、ワークの溶接品質を高められる。
　本発明のレーザ加工装置によれば、レーザ光のパワー分布を簡便に制御することができる。本発明のレーザ加工方法によれば、ワークの溶接品質を高められる。
本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。 光ファイバの屈折率分布を示す模式図である。 ビーム制御機構をＸ方向から見た模式図である。 ビーム制御機構の要部をＹ方向から見た模式図である。 ビーム制御機構の要部をＺ方向から見た模式図である。 レーザ光の入射位置を変化させた場合の光ファイバの入射端近傍の状態を示す模式図である。 レーザ光の入射位置を変化させた場合の光ファイバの入射端近傍の状態を示す模式図である。 光ファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置とコアの内部に伝送されるレーザ光のパワー比率との関係を示す図である。 光ファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置とレーザ光出射ヘッドから出射されるレーザ光のビームプロファイルとの関係を示す図である。 比較のためのワークの溶接箇所の断面模式図である。 実施形態１に係るワークの溶接箇所の断面模式図である。 ワークの溶接シーケンスである。 実施形態２に係るワークの溶接シーケンスである。 ワークの溶接箇所の断面模式図である。 変形例に係るワークの溶接シーケンスである。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
　（実施形態１）
　［レーザ加工装置の構成］
　図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成の模式図を示し、レーザ加工装置１０００は、レーザ発振器１０とビーム制御機構２０とコントローラ８０と光ファイバ９０とレーザ光出射ヘッド１００とマニピュレータ１１０とを備えている。また、図２は、光ファイバ９０の断面構造と屈折率分布を示す。
　レーザ発振器１０は、図示しない電源から電力の供給を受けてレーザ光ＬＢを発生させるレーザ光源である。なお、レーザ発振器１０は、単一のレーザ光源で構成されていてもよいし、複数のレーザモジュールで構成されていてもよい。後者の場合は、複数のレーザモジュールからそれぞれ出射されたレーザ光を結合してレーザ光ＬＢとして出射する。
　ビーム制御機構２０は、レーザ発振器１０に設けられており、レーザ光ＬＢを光ファイバ９０の入射端面に導入するとともに、光ファイバ９０の出射端から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御する。ビーム制御機構２０の構成及び動作については後で述べる。
　光ファイバ９０は、いわゆるマルチクラッドファイバである。光ファイバ９０は、コア９０ａと、コア９０ａの外周側にコア９０ａと同軸に設けられた第１クラッド９０ｂと、第１クラッド９０ｂの外周側にコア９０ａと同軸に設けられた第２クラッド９０ｃとを有する。コア９０ａと第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとはその主成分が石英からなり、図２に示すように、コア９０ａの屈折率が最も高く、第１クラッド９０ｂ、第２クラッド９０ｃの順に屈折率が低くなる。第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとの屈折率は、共に屈折率を下げることのできる、異なった種類または濃度の物質をドーピングすることによって調整されてもよい。また、コア９０ａの屈折率は、屈折率を上げることのできる、異なった種類または濃度の物質をドーピングすることによって調整されてもよい。このような屈折率分布を持った光ファイバ９０では、所定の角度でコア９０ａに入射されたレーザ光ＬＢは第１クラッド９０ｂに入ることなく、コア９０ａの中を伝搬することができるが、所定の角度で第１クラッド９０ｂに入射されたレーザ光ＬＢは第２クラッド９０ｃに入ることなく、第１クラッド９０ｂの中を伝搬することができる。このようなレーザ光ＬＢの伝搬方法を実現するための光ファイバの構造として、図２に示す構造はあくまでも一例であり、必ずしもコア９０ａと第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとで異なった屈折率を持たせる必要はない。例えば、コア９０ａと第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとを同じ屈折率Ｎ１にすると共に、コア９０ａと第１クラッド９０ｂとの間に、また第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとの間に、屈折率Ｎ２（Ｎ２＜Ｎ１）を有する薄い層を設けてもよい。そうすることによって、所定の角度でコア９０ａに入射されたレーザ光ＬＢは第１クラッド９０ｂに入ることなく、コア９０ａの中を伝搬することができるが、所定の角度で第１クラッド９０ｂに入射されたレーザ光ＬＢは第２クラッド９０ｃに入ることなく、第１クラッド９０ｂの中を伝搬することができる。屈折率Ｎ２を有する層は、その主成分が石英であるが、屈折率を下げることのできる物質をドーピングすればよい。光ファイバ９０に入射されたレーザ光ＬＢは、コア９０ａ及び／または第１クラッド９０ｂを伝搬し、光ファイバ９０の出射端に到達する。また、図示しないが、第２クラッド９０ｃの外周面には光ファイバ９０を機械的に保護する皮膜または樹脂系の保護層が設けられている。
　レーザ光出射ヘッド１００は、光ファイバ９０の出射端に取付けられており、光ファイバ９０で伝送されたレーザ光ＬＢをワーク２００に向けて照射し、ワーク２００がレーザ加工される。なお、レーザ光出射ヘッド１００の内部には図示しない光学部品、例えば、コリメータレンズや集光レンズや保護ガラス等が配設されている。
　コントローラ８０は、レーザ発振器１０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１０に接続された図示しない電源に対して出力電流やオン時間等の制御信号を供給することにより、レーザ発振制御を行う。
　また、コントローラ８０は、選択されたレーザ加工プログラムの内容に応じて、ビーム制御機構２０に設けられたモータ７０（図４Ａ，４Ｂ参照）の駆動制御を行う。さらに、コントローラ８０は、マニピュレータ１１０の動作を制御する。なお、レーザ加工プログラムは、図示しない記憶部に保存されている。記憶部はコントローラ８０の内部に設けられていてもよいし、コントローラ８０の外部に設けられ、コントローラ８０とデータのやり取りを可能に構成されていてもよい。なお、コントローラ８０はビーム制御機構２０の一部を構成している。
　マニピュレータ１１０はコントローラ８０に接続され、前述のレーザ加工プログラムに応じて所定の軌跡を描くようにレーザ光出射ヘッド１００を移動させる。なお、マニピュレータ１１０の動作を制御するコントローラを別に設けるようにしてもよい。
　［ビーム制御機構の構成］
　図３は、ビーム制御機構をＸ方向から見た模式図を、図４Ａは、ビーム制御機構の要部をＹ方向から見た模式図を、図４Ｂは、ビーム制御機構の要部をＺ方向から見た模式図をそれぞれ示す。なお、本願明細書において、ビーム制御機構２０の内部において、集光レンズ３０に入射するまでのレーザ光ＬＢの進行方向をＺ方向と、モータ７１の出力軸７０ａの延びる方向をＸ方向と、Ｘ方向及びＺ方向をそれぞれ略直交する方向をＹ方向とそれぞれ呼ぶことがある。Ｚ方向は、レーザ光ＬＢの光軸の延びる方向と同方向である。Ｘ方向はＺ方向と略直交している。また、モータ７０の出力軸７０ａの軸線をＸ軸（第１軸）と呼ぶことがある。
　なお、本願明細書において、「略直交」とは、各部品の組立公差を含んで直交しているという意味であり、厳密に直交していることまでを要求するものではない。同様に、「略等しい」とは、各部品の製造公差や組立公差を含んで等しいという意味であり、厳密に比較対象となる両者が等しいことまでを要求するものではない。また、「略等しい」とは、推定値との比較において所定の確度で等しいことも意味するが、厳密に推定値と比較対象とが等しいことまでを要求するものではない。
　図３及び図４Ａ，４Ｂに示すように、ビーム制御機構２０は、集光レンズ３０と光学部材５０とモータ７０とを有している。また、前述したように、ビーム制御機構２０は、コントローラ８０を有している。後で述べるように、モータ７０と光学部材５０とは、集光レンズ３０で集光された後のレーザ光ＬＢの光路の変更と保持をする光路変更保持機構４０として機能する。
　レーザ光ＬＢは、図示しない光学部品、例えば、コリメートレンズ等により平行光に変換された状態で集光レンズ３０に入射される。集光レンズ３０は所定の倍率でレーザ光ＬＢを集光し、光ファイバ９０の入射端面９０ｄに入射させる。
　光学部材５０は、レーザ光ＬＢに対して透明な材質からなる平行平板状の部材である。光学部材５０は、例えば、石英からなり、レーザ光ＬＢの波長に対して１よりも大きい屈折率を有する。光学部材５０は、入射したレーザ光ＬＢに対する反射率をできるだけ下げるために、両面反射防止コーティイングを施されたものを使用してよい。反射防止コーティングを施した場合の反射率は、１％よりはるかに小さいことが望ましい。光学部材５０は、集光レンズ３０と光ファイバ９０の入射端面９０ｄとの間のレーザ光ＬＢの光路上に配置されており、集光レンズ３０で集光された後のレーザ光ＬＢが入射される。
　モータ７０は出力軸７０ａを有しており、ホルダ６０を介して光学部材５０に連結されている。モータ７０を駆動させて出力軸７０ａがＸ軸周りに回転することで、光学部材５０はホルダ６０との連結部を中心としてＹＺ平面内に回転する。なお、モータ７０は一方向（図３に示す方向Ａ）のみに回転するのではなく、正逆両方向（図３に示す方向Ｂ）に回転可能に構成されている。また、回転周波数は可変であり、溶接加工を行う際には、数Ｈｚ～数ｋＨｚ程度の範囲で変化させることができる。また、後述するように、ビーム制御機構２０を動作させる場合、モータ７０は一方向に連続して回転動作を行うのではなく、所定の角度範囲で回転する。言い換えると、光学部材５０はホルダ６０との連結部を中心として所定の角度で傾動する。また、モータ７０は、光学部材５０を設定された角度範囲で高速に往復回転させることができる。また、モータ７０はコントローラ８０に接続され、コントローラ８０からの制御信号によって駆動される。
　なお、光学部材５０のＺ方向の厚さは１ｍｍから数ｍｍ程度であるが、特にこれに限定されず、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおけるレーザ光ＬＢの移動距離とモータ７０の回転角度との関係で適宜別の値に変更しうる。当該厚さが数ｍｍ程度であると、また、集光レンズ３０と光ファイバ９０の入射端面９０ｄとの間の、集光されたレーザ光ＬＢが通過する狭い位置に設置するため、その必要サイズが小さく、モータ７０によって高速、例えば、数ｋＨｚの回転周波数で往復回転させることが容易となる。
　［レーザ光のパワー分布の変更手順］
　次に、レーザ光ＬＢのパワー分布の変更手順について説明する。
　図５Ａおよび図５Ｂは、レーザ光の入射位置を変化させた場合の光ファイバの入射端近傍の状態を示す。
　モータ７０の出力軸７０ａが初期位置にある場合、光学部材５０はレーザ光ＬＢの光軸に対して略直交するように配置される。この状態では、図５Ａに示すように、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおいて、レーザ光ＬＢはコア９０ａに入射される。
　次に、コントローラ８０からの制御信号により、モータ７０を図３に示す方向Ａに所定の角度で回転させると、モータ７０の回転に応じて光学部材５０はホルダ６０との連結部を中心としてＹＺ平面内を所定の角度で傾動する。この角度に応じて、光学部材５０の光入射面とレーザ光ＬＢの光軸との角度が変化し、光学部材５０の内部でレーザ光ＬＢの光路が変更される。光路が変更されたレーザ光ＬＢが光ファイバ９０の入射端面９０ｄに入射されるとともに、その入射位置が変化する。例えば、図５Ｂに示すように、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおいて、レーザ光ＬＢはその多くの部分が第１クラッド９０ｂに入射されるが、少しの部分がコア９０ａにも入射される。
　このように、モータ７０を駆動して光学部材５０を傾動させることで、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおけるレーザ光ＬＢの入射位置を連続的に変化させることができる。また、レーザ光ＬＢの入射位置を変化させることで、例えば、コア９０ａに伝送されるレーザ光ＬＢと第１クラッド９０ｂに伝送されるレーザ光ＬＢのパワー比率を変化させることができる。
　図６は、光ファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置とコアの内部に伝送されるレーザ光のパワー比率との関係を、図７は、光ファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置とレーザ光出射ヘッドから出射されるレーザ光のビームプロファイルとの関係をそれぞれ示す。なお、図７に示すビームプロファイルは、レーザ光出射ヘッド１００から出射され、焦点位置に結像されたレーザ光ＬＢのパワー分布に相当する。また、図７に示すビームプロファイルは、光ファイバ９０の出射端から出射されたレーザ光ＬＢのパワー分布にも相当する。
　レーザ光ＬＢの入射位置が図６に示すＩの場合、レーザ光ＬＢはコア９０ａ内に１００％入射され、レーザ光ＬＢのビームプロファイルは、図７に示すように半値幅の狭い単峰状となる（レーザ光ＬＢの入射位置：Ｉ～ＩＩ）。
　レーザ光ＬＢの入射位置がコア９０ａから第１クラッド９０ｂに近づいて、図６に示すＩＩの位置に来るまでは同様に、レーザ光ＬＢの１００％がコア９０ａに入射され、ビームプロファイルは単峰状に維持される。
　一方、レーザ光ＬＢの入射位置が図６に示すＩＩとＩＩＩとの間の場合、つまり、コア９０ａと第１クラッド９０ｂとの境界部分付近までにレーザ光ＬＢが入射される場合、レーザ光ＬＢのうち数％から５０％以下までが第１クラッド９０ｂに入射される。このため、図７に示すように、ビームプロファイルは単峰状の部分とその両側に形成された半値幅の広いテラス状の部分とを含むように変化する（レーザ光ＬＢの入射位置：～ＩＩＩ）。前者がコア９０ａ内に入射されるレーザ光ＬＢに対応し、後者が第１クラッド９０ｂ内に入射されるレーザ光ＬＢに対応する。また、コア９０ａ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワー比率が低下するのに伴い、単峰状の部分のピーク値は低下する。
　レーザ光ＬＢの入射位置を図６に示すＩＩＩの位置になると、コア９０ａ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワー比率が第１クラッド９０ｂ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワー比率と等しくなる。コア９０ａの断面積が第１クラッド９０ｂの断面積と等しい場合には、ビームプロファイルのうち単峰状の部分のピーク値とテラス状の部分のピーク値が一致するようになり、図７に示すように、レーザ光ＬＢ全体のビームプロファイルは単峰状となるものの、コア９０ａ内にのみレーザ光ＬＢが入射される場合に比べて、そのピーク値は低く、かつ半値幅は大きくなる（レーザ光ＬＢの入射位置：ＩＩＩ）。一方、コア９０ａの断面積が第１クラッド９０ｂの断面積より小さい場合には、ビームプロファイルは、図７に示すように、単峰状の部分とその両側に形成される半値幅の広いテラス状の部分とを含むような形となる（レーザ光ＬＢの入射位置：～ＩＩＩ）。また、コア９０ａの断面積が第１クラッド９０ｂの断面積より大きい場合には、ビームプロファイルは、図７に示すように、双峰状となる（レーザ光ＬＢの入射位置：～ＩＶ）。
　レーザ光ＬＢの入射位置がコア９０ａから離れていくと（図６に示すＩＩＩとＩＶとの間）、コア９０ａ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワーが減少し、第１クラッド９０ｂ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワー比率は高くなる。その結果、図７に示すように、ビームプロファイルのうち、コア９０ａ内に伝送される成分に対応する部分のピーク値が低下し、第１クラッド９０ｂ内に伝送される成分に対応する部分のピーク値が高くなり、ビームプロファイルは双峰状となる（レーザ光ＬＢの入射位置：～ＩＶ）。なお、双峰状のビームプロファイルにおけるピーク値は、レーザ光ＬＢの入射位置が図６に示すＩの場合に得られる単峰状のビームプロファイルのピーク値よりも低い。図示していないが、レーザの入射位置をコア９０ａから更に離れていくと（図６に示すＩＶとＶとの間）、コア９０ａ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワーが０％となり、レーザ光ＬＢが１００％第１クラッド９０ｂ内に入射される。
　レーザ光ＬＢの入射位置を完全に第２クラッド９０ｃ内にすると、図７に示すように、ビームプロファイルのうち、コア９０ａ内に伝送される成分に対応する部分のピーク値が０％まで低下し、第１クラッド９０ｂ内に伝送される成分に対応する部分のピーク値が最大となり、ビームプロファイルはピーク値の最も高い双峰状となる（レーザ光ＬＢの入射位置：Ｖ～ＶＩの場合）。なお、双峰状のビームプロファイルにおけるピーク値は、レーザ光ＬＢの入射位置が図６に示すＩの場合に得られる単峰状のビームプロファイルのピーク値よりも低い。
　以上説明したように、モータ７０を駆動して光学部材５０を傾動させることで、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおけるレーザ光ＬＢの入射位置を変化させることができる。また、レーザ光ＬＢの入射位置を変化させることで、例えば、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイル、つまり、パワー分布を変化させることができる。
　また、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルを変化させることで、ワーク２００の加工形状、例えば、溶接形状を良好なものとすることができる。このことについてさらに説明する。
　図８は、比較のためのワークの溶接箇所の断面模式図を、図９は、本実施形態に係るワークの溶接箇所の断面模式図をそれぞれ示す。
　一般に、金属からなるワーク２００をレーザ溶接する際、レーザ光ＬＢが照射された部分が加熱されて溶け込みを生じ、溶融池２１０が形成される。また、レーザ光ＬＢが照射された部分では表面でワーク２００を構成する材料の蒸発が起こり、その反力でワーク２００の内部にキーホール２２０が形成される。
　図８に示す例では、レーザ光ＬＢは光ファイバ９０のコア９０ａ内にのみ伝送されてレーザ光出射ヘッド１００からワーク２００に向けて照射されており、溶接箇所におけるレーザ光ＬＢのパワー密度は高く、かつ照射されるレーザ光ＬＢのスポット径は小さくなっている。
　このような場合、ワーク２００の溶け込みが形成しやすくなりキーホール２２０が深くなる一方、キーホール２２０の開口２２１があまり拡がらず、図８に示すように、キーホール２２０の内部でくびれ部２２２を生じてしまうことがある。また、くびれ部２２２が閉じてしまうことによりワーク２００の内部に気泡２２３が残存してしまう。さらに、閉じたくびれ部２２２が再度キーホール２２０となる際に、キーホール２２０の内部から表面に向かって溶融金属が急激に噴出すると、ワーク２００の表面にスパッタ２１２が付着したり、溶融池２１０の表面が波立ったりする。溶融池２１０はレーザ光ＬＢの通過後に急速に冷却されて固化するため、このような波が生じると、レーザ溶接の進行方向に沿って、溶融池２１０の後方でワーク２００の表面に凹凸２１１（後方振動部２１１ともいう）が生じてしまう。
　また、この波は溶融池２１０と凝固部分の境界で反射して跳ね返ってくる。この反射波がキーホール２２０まで到達すると、キーホール２２０を埋めるように流れ込んでしまう。流れ込んだ溶融金属はレーザ光ＬＢに急速加熱されて、金属蒸気を急に発生させるために、キーホール２２０の円柱状形状が乱れることがある。以上説明した、キーホール２２０の形状乱れや気泡２２３の発生やワーク２００の表面に生じるスパッタ２１２や凹凸２１１は，溶接品質を低下させる要因となっていた。
　一方、本実施形態によれば、ビーム制御機構２０を用いてレーザ光出射ヘッド１００からワーク２００に向けて照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を変化させることができる。このため、例えば、光学部材５０の傾動角度を調整して、コア９０ａ内に伝送されるレーザ光ＬＢと第１クラッド９０ｂ内に伝送されるレーザ光ＬＢとのパワー比率を変更することで、図９に示すようなビームプロファイルのレーザ光ＬＢをワーク２００に向けて照射することができる。
　このような場合、図８に示す場合よりも溶け込み深さＤは若干浅くなるものの、コア９０ａから出射されたレーザ光ＬＢにより所望の溶け込み深さＤが得られる。一方、第１クラッド９０ｂから出射されたレーザ光ＬＢによりキーホール２２０の開口２２１を図８に示す場合に比べて拡げることができる。さらに、キーホール２２０の内壁面にもレーザ光ＬＢが照射され、かつ多重反射によりレーザ光ＬＢがキーホール２２０の内部に到達する過程でレーザ光ＬＢがワーク２００に吸収される。このことにより、キーホール２２０の内壁面同士がくっついて、くびれ部２２２が形成されるのを抑制でき、ひいてはワーク２００の内部に気泡２２３が発生するのを抑制できる。また、キーホール２２０の内部から表面に向かって急激に溶融金属が噴出するのを抑えられ、溶融池２１０の後方でワーク２００の表面に形成される凹凸２１１を小さくできる。また、キーホール２２０の形状乱れを抑制できる。以上のことから、レーザ溶接における溶接品質を高めることができる。
　また、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布をレーザ溶接中に切り替えることによって、溶接品質を高めることができる。
　図１０は、ワークの溶接シーケンスを示し、溶接開始直後では、ワーク２００に溶融池２１０は形成されていない。溶接開始直後では、所望の溶け込み深さＤを得ることが望まれる。そのために、コントローラ８０は、モータ７０を駆動して、コア９０ａのみにレーザ光ＬＢを入射させる。これにより、ワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのスポット径を小さくし、溶接箇所におけるレーザ光ＬＢのパワー密度を高めている（第１照射ステップ）。一方、溶融池２１０及びキーホール２２０が形成された後には、前述したようなくびれ部２２２等の形成を抑制することが望まれる。そのために、コントローラ８０は、モータ７０を駆動して、コア９０ａ及び第１クラッド９０ｂにレーザ光ＬＢを入射させる。これにより、キーホール２２０の開口２２１が拡がるようにし、かつ所望の溶け込み深さＤが得られるようにする（第２照射ステップ）。
　このようにすることで、レーザ溶接において、ワーク２００に確実に溶融池２１０及びキーホール２２０を形成できるとともに、ワーク２００の内部の気泡２２３や表面の凹凸２１１等の発生を抑制して、溶接品質を高めることができる。
　また、これらに限られず、ワーク２００の材質及び／またはワーク２００におけるレーザ加工対象部位の形状に応じて、ビーム制御機構２０を動作させて、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御することで、種々の材質や形状を有するワーク２００をレーザ加工することができ、かつその加工品質を高められる。
　［効果等］
　以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工装置１０００は、レーザ光ＬＢを発生させるレーザ発振器１０と、コア９０ａと、コア９０ａの外周側にコア９０ａと同軸に設けられた第１クラッド９０ｂと、第１クラッド９０ｂの外周側にコア９０ａと同軸に設けられた第２クラッド９０ｃと、を少なくとも有し、入射端面９０ｄおよび入射端面９０ｄとは反対の出射端を有する光ファイバ９０と、レーザ発振器１０に設けられ、レーザ光ＬＢを光ファイバ９０の入射端面９０ｄに導入するビーム制御機構２０と、光ファイバ９０の出射端に取付けられレーザ光ＬＢをワーク２００に向けて照射するレーザ光出射ヘッド１００と、を少なくとも備えている。
　ビーム制御機構２０は、レーザ発振器１０で発生したレーザ光ＬＢを受け取って所定の倍率で集光する集光レンズ３０と、集光レンズ３０と光ファイバ９０の入射端面９０ｄとの間のレーザ光ＬＢの光路上に配置され、レーザ光ＬＢの光路の変更と保持をする光路変更保持機構４０と、光路変更保持機構４０の動作を制御するコントローラ８０と、を有している。本実施形態では、光路変更保持機構４０は、平行平板状の光学部材５０と、光学部材５０に連結されたモータ７０と、を備える。本実施形態では、コントローラ８０は、モータ７０の動作を制御する。
　ビーム制御機構２０は、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおけるレーザ光ＬＢの入射位置を変化させることで、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御する。
　このように、集光レンズ３０と光ファイバ９０の入射端面９０ｄとの間のレーザ光ＬＢの光路上に光路変更保持機構４０を設けることで、レーザ光ＬＢの光路を容易に変更することができる。例えば、特許文献２に示されるように、光学部材５０を集光レンズ３０の手前に配置しても、集光レンズ３０を通過した後のレーザ光ＬＢは焦点位置に結像されてしまうため、その光路を変更することはできない。
　一方、本実施形態によれば、前述の位置に平行平板状の光学部材５０を設けることで、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおけるレーザ光ＬＢの入射位置を容易に変更でき、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を簡便に制御することができる。
　なお、集光レンズ３０に入射される前に、レーザ光ＬＢは平行光に変換されているのが好ましい。
　このようにすることで、集光レンズ３０から出射されるレーザ光ＬＢの光路及び光軸が一定となるため、光路変更保持機構４０によってレーザ光ＬＢの光路を容易に変更することができる。
　また、光学部材５０は、レーザ光ＬＢを透過させるとともに、レーザ光ＬＢの光軸と交差するＸ軸（第１軸）周りに傾動可能に設けられている。コントローラ８０がモータ７０を駆動して光学部材５０をＸ軸周りに傾動させることで、ビーム制御機構２０は光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおけるレーザ光ＬＢの入射位置を変化させる。
　レーザ光ＬＢの光路上に配置された平行平板状の光学部材５０をＸ軸周りに傾動させることで、レーザ光ＬＢの光路を確実にかつ高速に変更することができる。このことにより、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を高速に変化させることができる。特に光学部材５０の厚さが１ｍｍから数ｍｍ程度であると、また、集光レンズ３０と光ファイバ９０の入射端面９０ｄとの間の、集光されたレーザ光ＬＢが通過する狭い位置に光学部材５０を設置するため、その必要サイズが小さく、モータ７０によって高速に傾動させることが容易となる。また所定の角度範囲で往復回転させることが容易となる。
　また、集光レンズ３０と光ファイバ９０の入射端面９０ｄとの間のレーザ光ＬＢの光路上に予め光学部材５０を配置し、これを傾動させてレーザ光ＬＢの光路を変更するため、特許文献２に開示されたように、レーザ装置の内部でレーザ光ＬＢがけられることがない。このことにより、レーザ装置の損傷を抑制できるとともに、レーザ加工の加工品質を高く維持することができる。
　また、ビーム制御機構２０は、コア９０ａ及び第１クラッド９０ｂの少なくとも一方にレーザ光ＬＢを入射させる。
　このようにすることで、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を多段階にかつ容易に変化させることができる。
　ビーム制御機構２０は、ワーク２００の材質及びワーク２００におけるレーザ加工対象部位の形状のうち少なくとも一方に応じて、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御する。
　このようにすることで、種々の材質や形状を有するワーク２００をレーザ加工することができ、かつその加工品質を高められる。また、本実施形態に係るレーザ加工装置１０００をレーザ溶接に用いる場合は、外観が良好な溶接ビードを形成できる。
　ビーム制御機構２０は、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布をワーク２００のレーザ加工中に切り替えるように構成されているのが好ましい。
　また、本実施形態に係るレーザ加工方法は、ワーク２００に向けて第１のパワー分布を有するレーザ光ＬＢを照射する第１照射ステップと、引き続き、ワーク２００に向けて第１のパワー分布とは異なる第２のパワー分布を有するレーザ光ＬＢを照射する第２照射ステップと、を少なくとも備えている。
　第１照射ステップでは、ワーク２００の表面に溶融池２１０及びキーホール２２０を形成し、第２照射ステップでは、キーホール２２０の開口２２１を拡げるとともに、所望の溶け込み深さＤとなるように溶融池２１０を成長させる。
　このようにすることで、例えば、ワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を狭めて溶接開始初期に溶融池２１０及びキーホール２２０を確実に形成できる。また、溶融池２１０及びキーホール２２０が形成された後は、ワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を拡げて、キーホール２２０の開口２２１が拡がるようにすることで、ワーク２００の内部に気泡２２３が発生したり、表面に凹凸２１１やスパッタ２１２が形成されたり、キーホール２２０の形状が乱れたりするのを抑制でき、溶接品質を高められる。また、外観が良好な溶接ビードを形成できる。
　（実施形態２）
　図１１は、本実施形態に係るワークの溶接シーケンスを、図１２は、ワークの溶接箇所の断面模式図をそれぞれ示す。なお、図１１，１２において、実施形態１と同様の箇所は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
　モータ７０を所定の角度範囲内で往復回転（図３に示す方向Ｂ）させると、これに応じて光学部材５０も所定の角度範囲内で往復回転する。また、その回転周波数は数Ｈｚ～数ｋＨｚ程度に設定されている。つまり、ビーム制御機構２０は、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布をワーク２００のレーザ加工中に切り替えるように構成されている。
　この場合、図１１に示すように、レーザ光出射ヘッド１００の出射端から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布は周期的、かつ連続的に変化する。具体的には、単峰状のピークを有するビームプロファイルから、単峰状の部分とその両側に形成された半値幅の広いテラス状の部分とを含むビームプロファイルに連続的に変化し、かつその変化は周期的に繰り返される。また、光学部材５０の回転周波数が、レーザ光ＬＢのパワー分布が変化する周波数に相当する。
　このようにすることで、例えば、ワーク２００に溶融池２１０とキーホール２２０とを確実に形成しつつ、キーホール２２０が狭まりすぎるのを防止して、気泡２２３やスパッタ２１２の発生が抑制されたレーザ溶接を行うことができる。
　また、レーザ光ＬＢのパワー分布を所定の周波数、この場合は、ワーク２００に形成されたキーホール２２０の固有振動周波数に略等しい周波数で周期的に切り替えることにより、キーホール２２０の形状乱れや前述した溶融池２１０の後方に形成される凹凸２１１の発生を効果的に抑制することができる。このことについてさらに説明する。
　レーザ溶接の進行方向に沿って溶融池２１０が順次形成されていく過程で、キーホール２２０もまた、レーザ溶接の進行方向に沿って移動していく。このとき、キーホール２２０は、固有の振動周波数（以下、単に固有振動周波数という）で直径方向及び／または深さ方向に伸長及び収縮を繰り返して振動している。固有振動周波数は、溶融池２１０のサイズや溶融したワーク２００の構成金属の溶融時の粘性等によって定まる値であり、多くの場合、数Ｈｚから数ｋＨｚ程度と推定されている。
　この固有振動周波数に略等しい周波数でワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を周期的に変化させることで、キーホール２２０の形状が安定し、図１２に示すように、ワーク２００の内部でのくびれ部２２２の発生、ひいては気泡２２３の発生を抑制することができる。また、溶融池２１０の後方に形成される凹凸２１１を小さくすることができる。
　以上に示した、レーザ光ＬＢのパワー分布を周期的、かつ連続的に変化させる方法は、特に厚板溶接に有効である。これは、板厚が厚くなると必要な溶け込みが深くなり、それを実現するためにキーホール２２０も深くなるので、キーホール２２０の不安定性（例えば、くびれ等）に起因する溶接欠陥が発生する確率が高くなるためである。
　＜変形例＞
　ワーク２００におけるレーザ溶接対象部位の形状がレーザ溶接の進行方向に沿って変化している場合、溶接対象部位の形状に応じて、ワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を適切に切り替えることで、良好なレーザ溶接を行うことができる。図１３を用いてさらに説明する。
　図１３は、本変形例に係るワークの溶接シーケンスを示し、ワーク２００は、薄板部とそれに連続した厚板部とを有する形状となっている。厚板部の厚さは薄板部よりも厚くなっている。
　まず、薄板部をレーザ溶接するにあたって、図１０に示すシーケンスでワーク２００にレーザ光ＬＢを照射する。所定以下の厚さの薄板部では、溶け込み深さＤをあまり深くしなくてよい。このため、溶接開始時に単峰状のピークを有するビームプロファイルでレーザ光ＬＢをワーク２００に照射し、溶融池２１０とキーホール２２０を形成した後は、レーザ光ＬＢのパワー分布がブロードとなるように変化させて、キーホール２２０にくびれ部２２２が形成されるのを抑制する。
　次に、薄板部の溶接が終了して厚板部の溶接が開始される時点で、図１１に示すシーケンスでワーク２００にレーザ光ＬＢを照射する。つまり、固有振動周波数でレーザ光ＬＢのパワー分布を周期的に変化させつつ、ワーク２００に向けてレーザ光ＬＢを照射する。
　このようにすることで、溶け込み深さＤを深くしつつ、前述したように、厚板溶接にて発生しがちな、ワーク２００内部の気泡２２３やワーク２００表面の凹凸２１１やスパッタ２１２などの溶接欠陥を抑制して溶接品質を高めることができる。
　なお、ワーク２００の材質や薄板部の厚さによっては、レーザ光ＬＢのパワー分布が最初からブロードとなるように固定した状態で薄板部の溶接を行うようにしてもよい。
　（その他の実施形態）
　変形例を含む実施形態１，２において、図２に示す構造のマルチクラッドファイバを例に取って説明したが、他の構造であってもよい。例えば、第２クラッド９０ｃの外周側に１または複数のクラッドを設けてもよい。この場合、第２クラッド９０ｃの外側に設けたクラッドは、その屈折率を順次に低めにすればよい。なお、レーザ光ＬＢの入射できるクラッドは、最も外側のクラッドを除いたクラッドまでとしてよい。言うまでもなく、最も外側のクラッドの外にはファイバを機械的に保護する皮膜または樹脂系の保護層が設けられている。
　また、ワーク２００の材質や形状、あるいは加工内容によって、レーザ光ＬＢの出力や波長は適宜変更されうる。
　また、実施形態１，２において、光学部材５０をＸ軸周りに傾動させるようにしたが、Ｙ方向に延びる軸周りに傾動させるようにしてもよい。その場合は、モータ７０の出力軸７０ａがＹ方向に延びるようにモータ７０及びホルダ６０の位置が変更される。また、光学部材５０を傾動させるために、モータ７０以外のアクチュエータ、例えば、圧電式アクチュエータ等を用いてもよい。
　なお、本願明細書では、溶融池２１０にキーホール２２０が形成される、いわゆるキーホール型レーザ溶接を例に取って説明したが、ワーク２００の材質や形状、また、要求される溶け込み深さや溶接ビードの幅等によってレーザ溶接のタイプは適宜選択しうる。また、レーザ溶接に限らず、レーザ切断に対して、前述したレーザ加工装置１０００及び溶接シーケンスが適用可能であることは言うまでもない。
　本発明のレーザ加工装置は、簡便な構成でワークに照射するレーザ光のパワー分布を制御できるため、種々の材質あるいは形状を有するワークを加工する上で有用である。
１０　　　レーザ発振器
２０　　　ビーム制御機構
３０　　　集光レンズ
４０　　　光路変更保持機構
５０　　　光学部材
６０　　　ホルダ
７０　　　モータ
７０ａ　　出力軸
８０　　　コントローラ
９０　　　光ファイバ
９０ａ　　コア
９０ｂ　　第１クラッド
９０ｃ　　第２クラッド
９０ｄ　　入射端面
１００　　レーザ光出射ヘッド
１１０　　マニピュレータ
２００　　ワーク
２１０　　溶融池
２２０　　キーホール
２２１　　開口
１０００　レーザ加工装置
ＬＢ　　　レーザ光

Claims (11)

  1. 　レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
    　コアと、前記コアの外周側に前記コアと同軸に設けられた第１クラッドと、前記第１クラッドの外周側に前記コアと同軸に設けられた第２クラッドと、を少なくとも有し、入射端面および前記入射端面とは反対の出射端を有する光ファイバと、
    　前記レーザ発振器に設けられ、前記レーザ光を前記光ファイバの入射端面に導入するとともに、前記光ファイバの出射端から出射される前記レーザ光のパワー分布を制御するビーム制御機構と、
    　前記光ファイバの出射端に取付けられ、前記レーザ光をワークに向けて照射するレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備え、
    　前記ビーム制御機構は、
    　前記レーザ光を受け取って所定の倍率で集光する集光レンズと、
    　前記集光レンズと前記光ファイバの入射端面との間の前記レーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の光路の変更と保持をする光路変更保持機構と、
    　前記光路変更保持機構の動作を制御するコントローラと、を少なくとも有し、
    　前記ビーム制御機構は、前記光ファイバの入射端面における前記レーザ光の入射位置を変化させることで、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 　請求項１に記載のレーザ加工装置において、
    　前記光路変更保持機構は、
    　前記レーザ光を透過させるとともに、前記レーザ光の光軸と交差する第１軸周りに傾動可能に設けられた平行平板状の光学部材と、
    　前記光学部材に連結されたアクチュエータと、を有し、
    　前記コントローラが前記アクチュエータを駆動して、前記光学部材を前記第１軸周りに傾動させることで、前記ビーム制御機構は前記光ファイバの入射端面における前記レーザ光の入射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工装置。
  3. 　請求項２に記載のレーザ加工装置において、
    　前記ビーム制御機構は、前記コア及び前記第１クラッドの少なくとも一方に前記レーザ光を入射させることを特徴とするレーザ加工装置。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
    　前記ビーム制御機構は、前記ワークの材質及び前記ワークにおけるレーザ加工対象部位の形状のうち少なくとも一方に応じて、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
  5. 　請求項４に記載のレーザ加工装置において、
    　前記ビーム制御機構は、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を前記ワークのレーザ加工中に切り替えるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
  6. 　請求項５に記載のレーザ加工装置において、
    　前記ビーム制御機構は、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を前記ワークのレーザ加工中に周期的、かつ連続的に切り替えるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
  7. 　請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、
    　前記ワークに向けて第１のパワー分布を有する前記レーザ光を照射する第１照射ステップと、
    　引き続き、前記ワークに向けて前記第１のパワー分布とは異なる第２のパワー分布を有する前記レーザ光を照射する第２照射ステップと、を少なくとも備えたことを特徴とするレーザ加工方法。
  8. 　請求項７に記載のレーザ加工方法において、
    　前記第１照射ステップでは、前記ワークの表面に溶融池及びキーホールを形成し、
    　前記第２照射ステップでは、前記キーホールの開口を拡げるとともに、所望の溶け込み深さとなるように前記溶融池を成長させることを特徴とするレーザ加工方法。
  9. 　請求項７に記載のレーザ加工方法において、
    　前記第１照射ステップでは、第１の厚さを有する前記ワークの第１の部分に向けて前記レーザ光を照射し、前記第２照射ステップでは、前記第１の厚さとは異なる第２の厚さを有する前記ワークの第２の部分に向けて前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工方法。
  10. 　請求項８または９に記載のレーザ加工方法において、
    　前記第２照射ステップでは、前記レーザ光のパワー分布を所定の周波数で周期的、かつ連続的に切り替えることを特徴とするレーザ加工方法。
  11. 　請求項１０に記載のレーザ加工方法において、
    　前記所定の周波数は、前記ワークに形成されたキーホールの固有振動周波数に略等しいことを特徴とするレーザ加工方法。
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