WO2021107043A1 - レーザ加工装置 - Google Patents

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WO2021107043A1
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laser
wavelength band
laser beam
laser light
execution time
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PCT/JP2020/044089
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French (fr)
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清隆 江泉
西田　和弘
諒 石川
加藤　直也
侑紀 染川
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus.
  • Patent Document 1 the occurrence of spatter is suppressed by irradiating the peripheral edge of the irradiation region of the first laser beam with a second laser beam having a lower energy density than the first laser beam.
  • a laser welding method is disclosed.
  • Patent Document 1 it is necessary to use a double clad fiber so that the peripheral edge of the irradiation region of the first laser beam can be irradiated with the second laser beam. Therefore, there is a problem that the optical axis adjustment work of the laser oscillator and the double clad fiber becomes complicated and costly.
  • the present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to enable the wavelength of a laser beam to be changed according to a processing purpose with a relatively simple configuration.
  • the first aspect is a laser processing apparatus provided with a laser processing head that emits a laser beam to an object to be processed, and has a first laser emitting portion that emits a laser beam in the first wavelength band and a second wavelength.
  • the second laser emitting section that emits the laser beam of the band, the coupler that combines the laser beams emitted from the first laser emitting section and the second laser emitting section, respectively, and the coupler coupled by the coupler. It is characterized by including an optical fiber that transmits laser light to the laser processing head and a moving mechanism that moves the laser processing head relative to the processing object along a predetermined processing direction. ..
  • the laser light of the first wavelength band emitted from the first laser emitting unit and the laser light of the second wavelength band emitted from the second laser emitting unit are combined by the coupler.
  • the laser beam coupled by the coupler is transmitted to the laser processing head via an optical fiber.
  • the laser processing head emits laser light to the object to be processed while moving along a predetermined processing direction.
  • the object to be processed can be processed with a beam shape in which the laser beam of the first wavelength band and the laser beam of the second wavelength band are combined.
  • the laser light of the first wavelength band and the second wavelength band by emitting the laser light of the first wavelength band and the second wavelength band while focusing on the laser light of the first wavelength band, the laser light of the first wavelength band having a narrowed beam diameter can be used. While sufficiently securing the energy at the center of the beam required for processing the object to be processed, it is possible to widen the opening area of the keyhole and suppress the occurrence of spatter by the laser beam in the second wavelength band in which the beam diameter is widened. Further, by widening the opening area of the keyhole, the collapse of the keyhole can be suppressed.
  • the laser beam of the second wavelength band is emitted ahead of the laser beam of the first wavelength band in the processing direction, it is possible to preheat the object to be processed.
  • the second aspect includes, in the first aspect, a control unit that controls the operation of the first laser emitting unit and the second laser emitting unit, and the control unit emits laser light in the first wavelength band.
  • the first operation of stopping the emission of the laser beam of the second wavelength band and the second operation of emitting the laser beam of the second wavelength band and stopping the emission of the laser beam of the first wavelength band are performed. , It is characterized in that it is executed alternately at a predetermined cycle.
  • control unit alternately executes the first operation and the second operation at a predetermined cycle.
  • first operation the laser light of the first wavelength band is emitted and the emission of the laser light of the second wavelength band is stopped.
  • second operation the laser light of the second wavelength band is emitted and the emission of the laser light of the first wavelength band is stopped.
  • the beam in which the laser light of the first wavelength band and the laser light of the second wavelength band are combined is emitted.
  • the object can be processed in a shape and at a predetermined energy ratio of laser light in the first wavelength band and the second wavelength band.
  • a third aspect is characterized in that, in the second aspect, the control unit changes the execution time of the first operation and the execution time of the second operation.
  • the execution time of the first operation and the second operation can be changed according to the purpose of laser machining.
  • a fourth aspect is characterized in that, in the second or third aspect, the control unit makes the execution time of the second operation longer than the execution time of the first operation.
  • the execution time of the second operation is made longer than the execution time of the first operation.
  • the time for emitting the laser light (blue laser light) in the second wavelength band is set to the laser in the first wavelength band. Make it longer than the time to emit light (infrared laser light).
  • a fifth aspect is characterized in that, in the second or third aspect, the control unit makes the execution time of the first operation longer than the execution time of the second operation.
  • the execution time of the first operation is made longer than the execution time of the second operation.
  • the object to be processed is made of iron, which is a low-reflection material having a high laser absorption rate
  • the time for emitting the laser beam (red laser beam) in the first wavelength band is set to the laser beam in the second wavelength band (red laser beam). Make it longer than the time to emit the blue laser beam).
  • a sixth aspect is characterized in that, in any one of the first to fifth aspects, an adjusting unit for adjusting the beam diameter of the laser beam of the second wavelength band emitted to the processed object is provided. And.
  • the beam diameter of the laser beam in the second wavelength band is adjusted by the adjusting unit.
  • the emission range of the laser beam in the second wavelength band with respect to the object to be processed can be appropriately adjusted, and the generation of spatter and the collapse of the keyhole can be suppressed.
  • the wavelength of the laser beam can be changed according to the processing purpose with a relatively simple configuration.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a laser processing apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing switching timing of laser light in the first wavelength band and the second wavelength band.
  • FIG. 3 is a diagram showing a beam profile in which laser beams of the first wavelength band and the second wavelength band are superimposed.
  • FIG. 4 is a side sectional view showing a state in which the first laser beam L1 is emitted to the object to be processed.
  • FIG. 5 is a side sectional view showing a state in which the second laser beam L2 is emitted to the object to be processed.
  • FIG. 6 is a schematic view showing the configuration of the laser processing apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a laser processing apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing switching timing of laser light in the first wavelength band and the second wavelength band.
  • FIG. 3 is a diagram showing a beam profile in which laser beams of the first wavelength band and
  • FIG. 7 is a diagram showing a beam profile showing a state in which the beam diameter of the second laser beam in the second wavelength band is changed.
  • FIG. 8 is a diagram showing switching timing of laser light in the first wavelength band and the second wavelength band in other embodiments.
  • FIG. 9 is a diagram showing switching timing of laser light in the first wavelength band, the second wavelength band, and the third wavelength band in other embodiments.
  • FIG. 10 is a diagram showing a beam profile in which laser beams in the first wavelength band, the second wavelength band, and the third wavelength band are superimposed.
  • the laser processing apparatus 1 includes a laser oscillator 10, an optical fiber 2, a laser processing head 20, a robot 3 (moving mechanism), and a control unit 6.
  • the laser oscillator 10 and the laser processing head 20 are connected by an optical fiber 2.
  • the laser oscillator 10 includes a first laser light source 11 (first laser emitting unit), a second laser light source 12 (second laser emitting unit), and a coupler 15. The operations of the first laser light source 11 and the second laser light source 12 are controlled by the control unit 6.
  • the first laser light source 11 emits the first laser beam L1 in the first wavelength band.
  • the first laser beam L1 is incident on the coupler 15.
  • the first wavelength band of the first laser beam L1 is, for example, 900 nm.
  • the first laser beam L1 is an infrared laser beam.
  • the second laser light source 12 emits the second laser beam L2 in the second wavelength band.
  • the second laser beam L2 is incident on the coupler 15.
  • the wavelength band of the second laser beam L2 is different from that of the first laser beam L1.
  • the second wavelength band of the second laser beam L2 is, for example, 450 nm.
  • the second laser beam L2 is a blue laser beam.
  • the coupler 15 couples the first laser beam L1 and the second laser beam L2.
  • the coupler 15 has a first mirror 16, a second mirror 17, and a condenser lens 18.
  • the first mirror 16 reflects the first laser beam L1 emitted from the first laser light source 11 and guides the light to the condenser lens 18.
  • the second mirror 17 is arranged between the first mirror 16 and the condenser lens 18.
  • the second mirror 17 transmits the first laser beam L1 from the first mirror 16 toward the condenser lens 18.
  • the second mirror 17 reflects the second laser beam L2 emitted from the second laser light source 12 and guides the light to the condenser lens 18.
  • the condensing lens 18 condenses the first laser beam L1 and the second laser beam L2.
  • the first laser beam L1 and the second laser beam L2 condensed by the condenser lens 18 are incident on the incident end of the optical fiber 2.
  • the optical fiber 2 transmits the first laser beam L1 and the second laser beam L2 to the laser processing head 20.
  • the laser processing head 20 has a collimator lens 21 and a condenser lens 22.
  • the collimator lens 21 parallelizes the first laser beam L1 and the second laser beam L2 emitted from the exit end of the optical fiber 2.
  • the condensing lens 22 condenses the first laser beam L1 and the second laser beam L2 parallelized by the collimator lens 21.
  • the first laser beam L1 and the second laser beam L2 condensed by the condenser lens 22 are emitted to the object W to be processed.
  • the material of the object W to be processed mild steel, stainless steel, aluminum alloy, copper and the like are used.
  • the robot 3 has a robot arm 4.
  • a laser machining head 20 is attached to the tip of the robot arm 4.
  • the robot arm 4 has a plurality of joints 5.
  • the robot 3 moves the laser machining head 20 along a predetermined machining direction (movement direction) based on a command from the control unit 6, and changes the position of the laser machining head 20 with respect to the machining object W. As a result, the positions of the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are moved with respect to the object W to be processed, and laser processing is performed.
  • the control unit 6 is connected to the laser oscillator 10, the laser processing head 20, and the robot 3.
  • the control unit 6 controls the operations of the laser oscillator 10, the laser machining head 20, and the robot 3.
  • the control unit 6 controls, in addition to the moving speed of the laser processing head 20, the output start and stop of the first laser beam L1 and the second laser beam L2, the output intensity of the first laser beam L1 and the second laser beam L2, and the like. It also has a function to do.
  • the laser beam emitted to the workpiece W is switched at a predetermined cycle.
  • control unit 6 alternately executes the first operation and the second operation at a predetermined cycle.
  • the control unit 6 operates the first laser light source 11 and stops the second laser light source 12.
  • the first laser beam L1 in the first wavelength band is emitted and the emission of the second laser beam L2 in the second wavelength band is stopped.
  • the control unit 6 stops the first laser light source 11 and operates the second laser light source 12.
  • the second laser beam L2 in the second wavelength band is emitted and the emission of the first laser beam L1 in the first wavelength band is stopped.
  • the control unit 6 changes the execution time of the first operation and the second operation according to the purpose of laser machining.
  • the execution time T2 of the second operation is made longer than the execution time T1 of the first operation.
  • it is set in the range of 0.1 ⁇ T1 / T2 ⁇ 1.
  • the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are alternately emitted at a predetermined cycle to form a beam shape in which the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are combined to form an object to be processed.
  • W can be processed (see FIG. 3). Then, the object W to be processed can be processed at a predetermined energy ratio of the first laser beam L1 in the first wavelength band and the second laser beam L2 in the second wavelength band.
  • the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are alternately emitted while focusing on the first laser beam L1. Specifically, as shown in FIG. 4, by emitting the first laser beam L1 having a narrowed beam diameter to the machining object W, sufficient energy at the center of the beam required for machining the machining object W is sufficiently secured.
  • the keyhole 40 can be formed.
  • the opening area of the keyhole 40 is widened, and spatter that is likely to occur near the opening is generated. It can be suppressed. Further, by widening the opening area of the keyhole 40, the collapse of the keyhole 40 can be suppressed. As a result, spatter generated by the collapse of the keyhole 42 can be suppressed.
  • the machining object W can be preheated.
  • the lap ratio of the first laser beam L1 in the first wavelength band is set, for example, in the range of 60% to 80%.
  • the lap ratio is preferably set to 60%.
  • the lap ratio is an index indicating the degree of overlap between the first laser beam L1 emitted at the current position and the first laser beam L1 emitted at the position one pulse before in pulse welding.
  • the lap ratio is a beam of laser light of the first laser beam L1 emitted at the current position in the processing direction and the first laser beam L1 emitted at the position one pulse before in pulse welding. It is an index showing the degree of overlap of the diameter (spot diameter) or the nugget diameter of the laser beam (the degree of overlap of the diameter (nugget diameter) of the circularly melted welded portion by the laser beam of pulse welding).
  • the lap ratio is represented by b / a.
  • the lap ratio of the laser light in the first wavelength band and the second wavelength band is set in the range of 60% to 80%.
  • the lap ratio is preferably set to 60%.
  • the lap ratio is the degree of overlap between the first laser beam L1 in the first wavelength band emitted at the current position and the second laser beam L2 in the second wavelength band emitted at the position one pulse before in pulse welding. It is an index showing.
  • the lap ratio is the first laser beam L1 in the first wavelength band emitted at the current position in the processing direction and the second laser beam L1 in the second wavelength band emitted at the position one pulse before.
  • Embodiment 2 >> Hereinafter, the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and only the differences will be described.
  • the laser processing apparatus 1 includes a laser oscillator 10, an optical fiber 2, a laser processing head 20, a robot 3, and a control unit 6.
  • the laser oscillator 10 and the laser processing head 20 are connected by an optical fiber 2.
  • the laser processing head 20 includes a collimator lens 21, a condenser lens 22, a first wavelength selection mirror 23, a second wavelength selection mirror 24, a first reflection mirror 25, a second reflection mirror 26, and an adjusting unit 27. And have.
  • the first wavelength selection mirror 23 transmits the first laser beam L1 parallelized by the collimator lens 21 and guides the light to the second wavelength selection mirror 24.
  • the first wavelength selection mirror 23 reflects the second laser beam L2 parallelized by the collimator lens 21 and guides the light to the first reflection mirror 25.
  • the first reflection mirror 25 reflects the second laser beam L2 reflected by the first wavelength selection mirror 23 and guides the light to the second reflection mirror 26.
  • the adjusting unit 27 has an adjusting lens 28 and a driving unit 29.
  • the adjusting lens 28 is arranged between the first reflection mirror 25 and the second reflection mirror 26.
  • the adjustment lens 28 can be moved between the first reflection mirror 25 and the second reflection mirror 26 along the optical path of the laser beam by the drive unit 29.
  • the focal position of the second laser beam L2 is changed.
  • the beam diameter of the second laser beam L2 with respect to the object W to be processed is adjusted.
  • the second laser beam L2 transmitted through the adjustment lens 28 is reflected by the second reflection mirror 26 and guided to the second wavelength selection mirror 24.
  • the second wavelength selection mirror 24 transmits the first laser beam L1 and guides it to the condenser lens 22.
  • the second wavelength selection mirror 24 reflects the second laser beam L2 reflected by the second reflection mirror 26 and guides the light to the condenser lens 22.
  • three second laser beams L2 having different beam diameters can be selectively emitted to the object W to be processed.
  • the beam profile of the second laser beam L2 in the second wavelength band is in the state of “beam diameter: medium” shown by the dotted line in FIG.
  • the beam profile of the second laser beam L2 is shown by a solid line in FIG.
  • the state is "Beam diameter: Small”.
  • the beam profile of the second laser beam L2 is shown by a single point chain line in FIG.
  • the indicated "beam diameter: large” state is obtained.
  • the emission range of the second laser beam L2 in the second wavelength band with respect to the object W to be processed can be appropriately adjusted, and the generation of spatter and the collapse of the keyhole 40 can be suppressed.
  • the first wavelength selection mirror 23 transmits the second laser light L2 in the second wavelength band.
  • the first laser beam L1 may be reflected and guided to the adjusting lens 28.
  • the embodiment may have the following configuration.
  • the execution time T2 of the second operation is made longer than the execution time T1 of the first operation, but the present embodiment is not limited to this mode.
  • the execution time T1 of the first operation may be made longer than the execution time T2 of the second operation. In this case, it may be set in the range of 1 ⁇ T1 / T2 ⁇ 10.
  • the first laser beam L1 in the first wavelength band and the second laser beam L2 in the second wavelength band are alternately emitted at a predetermined period, but the present embodiment is limited to this embodiment. It is also possible to emit a laser beam of a different wavelength band instead of the one.
  • the laser oscillator 10 is configured to have a third laser light source (not shown) that emits a third laser beam L3 in the third wavelength band.
  • the coupler 15 is configured to have a third mirror (not shown) that guides the third laser beam L3 in the third wavelength band to the condenser lens 18. Then, as shown in FIG. 9, the first laser beam L1 in the first wavelength band, the second laser beam L2 in the second wavelength band, and the third laser beam L3 in the third wavelength band are subjected to a predetermined period. It may be emitted alternately.
  • the third wavelength band may be, for example, 500 to 580 nm.
  • the third laser beam L3 in the third wavelength band is a green laser beam.
  • the object W to be processed can be processed in a beam shape in which the laser beams of the first wavelength band, the second wavelength band, and the third wavelength band are combined (see FIG. 10).
  • the opening area of the keyhole 40 of the object W to be processed can be expanded more stably, and the generation of spatter that tends to occur near the opening can be suppressed. Further, by expanding the opening area of the keyhole 40 more stably, the collapse of the keyhole 40 can be suppressed. As a result, spatter generated by the collapse of the keyhole 42 can be suppressed.
  • the execution time T1 for emitting the first laser beam L1 and the execution time T2 for emitting the second laser beam L2 and the execution time T3 for emitting the third laser beam L3 have the same length. Although it is set to laser, it may be set to different lengths.
  • the beam diameter of the first laser beam L1 in the first wavelength band is narrowed by focusing on the first laser beam L1 in the first wavelength band, while the beam diameter of the first laser beam L1 in the first wavelength band is narrowed down.
  • the beam wavelength of the second laser beam L2 is widened, but the present invention is not limited to this form. For example, by focusing on the second laser beam L2 in the second wavelength band, the beam diameter of the second laser beam L2 in the second wavelength band is narrowed, while the beam diameter of the first laser beam L1 in the first wavelength band is narrowed down.
  • the beam wavelength may be widened.
  • the first laser beam L1 in the first wavelength band and the second laser beam L2 in the second wavelength band are alternately emitted at a predetermined period, but the present embodiment is limited to this embodiment. However, for example, both the first laser beam L1 in the first wavelength band and the second laser beam L2 in the second wavelength band may be continuously emitted.
  • the laser processing apparatus 1 includes an adjusting unit for adjusting the beam diameter of the first laser beam L1 in the first wavelength band or the second laser beam L2 in the second wavelength band emitted to the object W to be processed.
  • the first laser beam L1 in the first wavelength band and the second laser beam L2 in the second wavelength band may have the same wavelength.
  • the present invention is extremely useful and industrial because it has a highly practical effect that the wavelength of the laser beam can be changed according to the processing purpose with a relatively simple configuration. High availability.
  • Laser processing device 2 Optical fiber 3 Robot (moving mechanism) 6 Control unit 10
  • Laser oscillator 11 1st laser light source (1st laser emission unit) 12
  • Second laser light source (second laser emitting part) 15
  • Coupler 20 Laser processing head 27

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Abstract

第１レーザ光源１１から出射された第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１と、第２レーザ光源１２から出射された第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２とが、結合器１５で結合される。結合器１５で結合されたレーザ光は、光ファイバ２を介してレーザ加工ヘッド２０に伝送される。レーザ加工ヘッド２０は、所定の加工方向に沿って移動しながら、加工対象物Ｗに対してレーザ光を出射する。

Description

レーザ加工装置
　本発明は、レーザ加工装置に関するものである。
　特許文献１には、第１のレーザ光よりもエネルギー密度の低い第２のレーザ光を、第１のレーザ光の照射領域の周縁部に照射することで、スパッタの発生を抑制するようにしたレーザ溶接方法が開示されている。
特開２０２０－０４４５４３号公報
　しかしながら、特許文献１の発明では、第１のレーザ光の照射領域の周縁部を第２のレーザ光で照射可能とするために、ダブルクラッドファイバを用いる必要がある。そのため、レーザ発振器とダブルクラッドファイバとの光軸調整作業が煩雑になるとともに、コストがかかるという問題がある。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的簡単な構成で、加工目的に応じてレーザ光の波長を変更できるようにすることにある。
　第１の態様は、加工対象物に対してレーザ光を出射するレーザ加工ヘッドを備えたレーザ加工装置であって、第１波長帯のレーザ光を出射する第１レーザ出射部と、第２波長帯のレーザ光を出射する第２レーザ出射部と、前記第１レーザ出射部及び前記第２レーザ出射部からそれぞれ出射された前記レーザ光を結合する結合器と、前記結合器で結合された前記レーザ光を前記レーザ加工ヘッドに伝送する光ファイバと、所定の加工方向に沿って、前記加工対象物に対して前記レーザ加工ヘッドを相対的に移動させる移動機構とを備えたことを特徴とする。
　第１の態様では、第１レーザ出射部から出射された第１波長帯のレーザ光と、第２レーザ出射部から出射された第２波長帯のレーザ光とが、結合器で結合される。結合器で結合されたレーザ光は、光ファイバを介してレーザ加工ヘッドに伝送される。レーザ加工ヘッドは、所定の加工方向に沿って移動しながら、加工対象物に対してレーザ光を出射する。
　これにより、第１波長帯のレーザ光と、第２波長帯のレーザ光とが合わさったビーム形状で、加工対象物を加工することができる。
　例えば、第１波長帯のレーザ光に焦点を合わせた状態で、第１波長帯及び第２波長帯のレーザ光を出射することで、ビーム径が絞られた第１波長帯のレーザ光によって、加工対象物の加工に必要なビーム中心のエネルギーを十分に確保する一方、ビーム径が広がった第２波長帯のレーザ光によって、キーホールの開口面積を広げてスパッタの発生を抑えることができる。また、キーホールの開口面積を広げることで、キーホールの崩壊を抑えることができる。
　また、第１波長帯のレーザ光よりも加工方向の前方に第２波長帯のレーザ光が出射されるので、加工対象物の予熱を行うことができる。
　第２の態様は、第１の態様において、前記第１レーザ出射部及び前記第２レーザ出射部の動作を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記第１波長帯のレーザ光を出射し且つ前記第２波長帯のレーザ光の出射を停止する第１動作と、該第２波長帯のレーザ光を出射し且つ該第１波長帯のレーザ光の出射を停止する第２動作とを、所定の周期で交互に実行することを特徴とする。
　第２の態様では、制御部は、第１動作と、第２動作とを、所定の周期で交互に実行する。第１動作では、第１波長帯のレーザ光が出射され且つ第２波長帯のレーザ光の出射が停止される。第２動作では、第２波長帯のレーザ光が出射され且つ第１波長帯のレーザ光の出射が停止される。
　このように、第１波長帯のレーザ光と、第２波長帯のレーザ光とを、所定の周期で交互に出射することで、第１波長帯及び第２波長帯のレーザ光が合わさったビーム形状で、かつ、第１波長帯及び第２波長帯のレーザ光の所定のエネルギー割合で対象物を加工することができる。
　第３の態様は、第２の態様において、前記制御部は、前記第１動作の実行時間と、前記第２動作の実行時間とを変更することを特徴とする。
　第３の態様では、レーザ加工の目的に応じて、第１動作及び第２動作の実行時間を変更できるようにしている。
　第４の態様は、第２又は３の態様において、前記制御部は、前記第２動作の実行時間を、前記第１動作の実行時間よりも長くすることを特徴とする。
　第４の態様では、第２動作の実行時間を、第１動作の実行時間よりも長くしている。例えば、加工対象物が、レーザ吸収率が低い高反射材料の銅やアルミニウムで構成されている場合、第２波長帯のレーザ光（青色レーザ光）を出射する時間を、第１波長帯のレーザ光（赤外レーザ光）を出射する時間よりも長くする。
　これにより、第２波長帯のレーザ光で加工対象物の予熱を十分に行った後、第１波長帯のレーザ光で加工対象物を加工して、スパッタの発生を抑えることができる。
　第５の態様は、第２又は３の態様において、前記制御部は、前記第１動作の実行時間を、前記第２動作の実行時間よりも長くすることを特徴とする。
　第５の態様では、第１動作の実行時間を、第２動作の実行時間よりも長くしている。例えば、加工対象物が、レーザ吸収率が高い低反射材料の鉄で構成されている場合、第１波長帯のレーザ光（赤色レーザ光）を出射する時間を、第２波長帯のレーザ光（青色レーザ光）を出射する時間よりも長くする。
　これにより、第１波長帯のレーザ光で加工対象物を加工して、加工対象物の加工品質を高めることができる。
　第６の態様は、第１乃至第５の態様のうち何れか１つにおいて、前記加工対象物に出射する前記第２波長帯のレーザ光のビーム径を調整する調整部を備えたことを特徴とする。
　第６の態様では、調整部によって、第２波長帯のレーザ光のビーム径が調整される。これにより、加工対象物に対する第２波長帯のレーザ光の出射範囲を適切に調整して、スパッタの発生やキーホールの崩壊を抑えることができる。
　本開示の態様によれば、比較的簡単な構成で、加工目的に応じてレーザ光の波長を変更することができる。
図１は、本実施形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す概略図である。 図２は、第１波長帯及び第２波長帯のレーザ光の切り替えタイミングを示す図である。 図３は、第１波長帯及び第２波長帯のレーザ光を重ね合わせたビームプロファイルを示す図である。 図４は、第１レーザ光Ｌ１を加工対象物に出射した状態を示す側面断面図である。 図５は、第２レーザ光Ｌ２を加工対象物に出射した状態を示す側面断面図である。 図６は、本実施形態２に係るレーザ加工装置の構成を示す概略図である。 図７は、第２波長帯の第２レーザ光のビーム径を変更した状態を示すビームプロファイルを示す図である。 図８は、その他の実施形態における、第１波長帯及び第２波長帯のレーザ光の切り替えタイミングを示す図である。 図９は、その他の実施形態における、第１波長帯、第２波長帯、及び第３波長帯のレーザ光の切り替えタイミングを示す図である。 図１０は、第１波長帯、第２波長帯、及び第３波長帯のレーザ光を重ね合わせたビームプロファイルを示す図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、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ない。
　《実施形態１》
　図１に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ発振器１０と、光ファイバ２と、レーザ加工ヘッド２０と、ロボット３（移動機構）と、制御部６とを備える。レーザ発振器１０とレーザ加工ヘッド２０とは、光ファイバ２で接続される。
　レーザ発振器１０は、第１レーザ光源１１（第１レーザ出射部）と、第２レーザ光源１２（第２レーザ出射部）と、結合器１５とを有する。第１レーザ光源１１及び第２レーザ光源１２の動作は、制御部６によって制御される。
　第１レーザ光源１１は、第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１を出射する。第１レーザ光Ｌ１は、結合器１５に入射される。第１レーザ光Ｌ１の第１波長帯は、例えば、９００ｎｍである。第１レーザ光Ｌ１は、赤外レーザ光である。
　第２レーザ光源１２は、第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２を出射する。第２レーザ光Ｌ２は、結合器１５に入射される。第２レーザ光Ｌ２は、第１レーザ光Ｌ１とは波長帯が異なっている。第２レーザ光Ｌ２の第２波長帯は、例えば、４５０ｎｍである。第２レーザ光Ｌ２は、青色レーザ光である。
　結合器１５は、第１レーザ光Ｌ１と、第２レーザ光Ｌ２とを結合する。結合器１５は、第１ミラー１６と、第２ミラー１７と、集光レンズ１８とを有する。
　第１ミラー１６は、第１レーザ光源１１から出射された第１レーザ光Ｌ１を反射して、集光レンズ１８に導光する。
　第２ミラー１７は、第１ミラー１６と集光レンズ１８との間に配置される。第２ミラー１７は、第１ミラー１６から集光レンズ１８に向かう第１レーザ光Ｌ１を透光させる。第２ミラー１７は、第２レーザ光源１２から出射された第２レーザ光Ｌ２を反射して、集光レンズ１８に導光する。
　集光レンズ１８は、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を集光する。集光レンズ１８で集光された第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２は、光ファイバ２の入射端に入射される。光ファイバ２は、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２をレーザ加工ヘッド２０に伝送する。
　レーザ加工ヘッド２０は、コリメータレンズ２１と、集光レンズ２２とを有する。コリメータレンズ２１は、光ファイバ２の出射端から出射された第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を平行化する。
　集光レンズ２２は、コリメータレンズ２１で平行化された第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を集光する。集光レンズ２２で集光された第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２は、加工対象物Ｗに出射される。なお、加工対象物Ｗの材質としては、軟鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、銅などが用いられる。
　ロボット３は、ロボットアーム４を有する。ロボットアーム４の先端部には、レーザ加工ヘッド２０が取り付けられる。ロボットアーム４は、複数の関節部５を有する。
　ロボット３は、制御部６からの指令に基づいて、レーザ加工ヘッド２０を所定の加工方向（移動方向）に沿って移動させ、加工対象物Ｗに対するレーザ加工ヘッド２０の位置を変更する。これにより、加工対象物Ｗに対する第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の位置を移動させ、レーザ加工を行う。
　制御部６は、レーザ発振器１０、レーザ加工ヘッド２０、及びロボット３に接続される。制御部６は、レーザ発振器１０、レーザ加工ヘッド２０、及びロボット３の動作を制御する。
　制御部６は、レーザ加工ヘッド２０の移動速度の他に、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の出力開始や停止、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の出力強度などを制御する機能も備える。
　〈レーザ光の切り替えについて〉
　本実施形態では、図２に示すように、加工対象物Ｗに出射するレーザ光を、所定の周期で切り替えるようにしている。
　具体的に、制御部６は、第１動作と、第２動作とを、所定の周期で交互に実行する。第１動作では、制御部６は、第１レーザ光源１１を動作させ、第２レーザ光源１２を停止させる。第１動作では、第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１が出射され且つ第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２の出射が停止される。
　第２動作では、制御部６は、第１レーザ光源１１を停止させ、第２レーザ光源１２を動作させる。第２動作では、第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２が出射され且つ第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１の出射が停止される。
　制御部６は、レーザ加工の目的に応じて、第１動作及び第２動作の実行時間を変更する。図２に示す例では、第２動作の実行時間Ｔ２を、第１動作の実行時間Ｔ１よりも長くしている。例えば、０．１≦Ｔ１／Ｔ２＜１の範囲で設定する。なお、第１動作の実行時間Ｔ１と、第２動作の実行時間Ｔ２とを同じ（Ｔ１／Ｔ２＝１）に設定してもよい。
　このように、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２とを、所定の周期で交互に出射することで、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２が合わさったビーム形状で、加工対象物Ｗを加工することができる（図３参照）。そして、第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１及び第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２の所定のエネルギー割合で、加工対象物Ｗを加工することができる。
　図４及び図５に示すように、第１レーザ光Ｌ１に焦点を合わせた状態で、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を交互に出射する。具体的に、図４に示すように、ビーム径が絞られた第１レーザ光Ｌ１を加工対象物Ｗに出射することで、加工対象物Ｗの加工に必要なビーム中心のエネルギーを十分に確保してキーホール４０を形成することができる。
　一方、図５に示すように、ビーム径が広がった第２レーザ光Ｌ２を加工対象物Ｗに出射することで、キーホール４０の開口面積を広げて、開口付近で発生しやすいスパッタの発生を抑えることができる。また、キーホール４０の開口面積を広げることで、キーホール４０の崩壊を抑えることができる。これにより、キーホール４２の崩壊により発生するスパッタを抑制することができる。
　また、図５に示すように、第１レーザ光Ｌ１よりも加工方向（図示白抜き矢印の方向）の前方に、ビーム径が広がった第２レーザ光Ｌ２が出射されるので、加工対象物Ｗの予熱を行うことができる。
　第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１のラップ率は、例えば、６０％～８０％の範囲に設定される。ラップ率は、好ましくは６０％に設定される。ラップ率とは、パルス溶接において、現在位置で出射された第１レーザ光Ｌ１と、１パルス前の位置で出射された第１レーザ光Ｌ１との重なり度合を示す指標である。
　言い換えると、ラップ率とは、パルス溶接において、加工方向における、現在位置で出射された第１レーザ光Ｌ１と、１パルス前の位置で出射された第１レーザ光Ｌ１との、レーザ光のビーム径（スポット径）の重なり度合またはレーザ光のナゲット径（パルス溶接のレーザ光による円状の溶融された溶接部の径（ナゲット径）の重なり度合を示す指標である。
　第１レーザ光Ｌ１のビーム径をａ、１パルス前の第１レーザ光Ｌ１との加工方向の重なり幅をｂとすると、ラップ率は、ｂ／ａで表される。
　ここで、第１波長帯と第２波長帯のレーザ光のラップ率とした場合を説明する。例えば、第１波長帯と第２波長帯のレーザ光のラップ率は、６０％～８０％の範囲に設定される。ラップ率は、好ましくは６０％に設定される。ラップ率とは、パルス溶接において、現在位置で出射された第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１と、１パルス前の位置で出射された第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２との重なり度合を示す指標である。
　言い換えると、ラップ率とは、パルス溶接において、加工方向における、現在位置で出射された第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１と、１パルス前の位置で出射された第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２との、レーザ光のビーム径（スポット径）の重なり度合またはレーザ光によるナゲット径（パルス溶接のレーザ光による円状の溶融された溶接部の径（ナゲット径）の重なり度合を示す指標である。
　《実施形態２》
　以下、前記実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。
　図６に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ発振器１０と、光ファイバ２と、レーザ加工ヘッド２０と、ロボット３と、制御部６とを備える。レーザ発振器１０とレーザ加工ヘッド２０とは、光ファイバ２で接続される。
　レーザ加工ヘッド２０は、コリメータレンズ２１と、集光レンズ２２と、第１波長選択ミラー２３と、第２波長選択ミラー２４と、第１反射ミラー２５と、第２反射ミラー２６と、調整部２７とを有する。
　第１波長選択ミラー２３は、コリメータレンズ２１で平行化された第１レーザ光Ｌ１を透光させ、第２波長選択ミラー２４に導光させる。第１波長選択ミラー２３は、コリメータレンズ２１で平行化された第２レーザ光Ｌ２を反射して、第１反射ミラー２５に導光する。
　第１反射ミラー２５は、第１波長選択ミラー２３で反射された第２レーザ光Ｌ２を反射して、第２反射ミラー２６に導光する。
　調整部２７は、調整レンズ２８と、駆動部２９とを有する。調整レンズ２８は、第１反射ミラー２５と第２反射ミラー２６との間に配置される。調整レンズ２８は、駆動部２９によって、第１反射ミラー２５と第２反射ミラー２６との間で、レーザ光の光路上に沿って移動可能となっている。第２レーザ光Ｌ２を集光する調整レンズ２８の位置を変更することで、第２レーザ光Ｌ２の焦点位置を変更する。これにより、加工対象物Ｗに対する第２レーザ光Ｌ２のビーム径が調整される。
　調整レンズ２８を透光した第２レーザ光Ｌ２は、第２反射ミラー２６で反射され、第２波長選択ミラー２４に導光される。
　第２波長選択ミラー２４は、第１レーザ光Ｌ１を透光させ、集光レンズ２２に導光する。第２波長選択ミラー２４は、第２反射ミラー２６で反射された第２レーザ光Ｌ２を反射して、集光レンズ２２に導光する。
　ここで、調整レンズ２８の位置を変更することで、図７に示す例のように、ビーム径の異なる３つの第２レーザ光Ｌ２を、加工対象物Ｗに選択的に出射することができる。
　具体的に、図６に実線で示す調整レンズ２８の基準位置では、第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルは、図７の点線で示す「ビーム径：中」の状態となる。
　調整レンズ２８を基準位置から第１反射ミラー２５側に移動させ、調整レンズ２８と集光レンズ２２との間の距離を大きくすると、第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルは、図７に実線で示す「ビーム径：小」の状態となる。
　調整レンズ２８の基準位置から第２反射ミラー２６側に移動させ、調整レンズ２８と集光レンズ２２との間の距離を小さくすると、第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルは、図７に一点鎖線で示す「ビーム径：大」の状態となる。
　このように、加工対象物Ｗに対する第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２の出射範囲を適切に調整して、スパッタの発生やキーホール４０の崩壊を抑えることができる。
　なお、第２レーザ光Ｌ２ではなく、第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１のビーム径を調整したい場合には、第１波長選択ミラー２３において第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２を透光させる一方、第１レーザ光Ｌ１を反射させて調整レンズ２８に導光させる構成とすればよい。
　《その他の実施形態》
　前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
　本実施形態では、第２動作の実行時間Ｔ２を、第１動作の実行時間Ｔ１よりも長くするようにしたが、この形態に限定するものではない。例えば、図８に示すように、第１動作の実行時間Ｔ１を、第２動作の実行時間Ｔ２よりも長くするようにしてもよい。この場合、１＜Ｔ１／Ｔ２≦１０の範囲で設定すればよい。
　また、本実施形態では、第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１と、第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２とを、所定の周期で交互に出射するようにしたが、この形態に限定するものではなく、さらに別の波長帯のレーザ光を出射するようにしてもよい。
　例えば、レーザ発振器１０を、第３波長帯の第３レーザ光Ｌ３を出射する第３レーザ光源（図示省略）を有する構成とする。また、結合器１５を、第３波長帯の第３レーザ光Ｌ３を集光レンズ１８に導光する第３ミラー（図示省略）を有する構成とする。そして、図９に示すように、第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１と、第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２と、第３波長帯の第３レーザ光Ｌ３とを、所定の周期で交互に出射するようにしてもよい。
　ここで、第３波長帯は、例えば、５００～５８０ｎｍとすればよい。第３波長帯の第３レーザ光Ｌ３は、緑色レーザ光である。
　このように、第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１と、第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２と、第３波長帯の第３レーザ光Ｌ３とを、所定の周期で交互に出射することで、第１波長帯、第２波長帯、第３波長帯のレーザ光が合わさったビーム形状で、加工対象物Ｗを加工することができる（図１０参照）。
　これにより、加工対象物Ｗのキーホール４０の開口面積をより安定して広げて、開口付近で発生しやすいスパッタの発生を抑えることができる。また、キーホール４０の開口面積をより安定して広げることで、キーホール４０の崩壊を抑えることができる。これにより、キーホール４２の崩壊により発生するスパッタを抑制することができる。
　なお、図９に示す例では、第１レーザ光Ｌ１を出射する実行時間Ｔ１と、第２レーザ光Ｌ２を出射する実行時間Ｔ２と、第３レーザ光Ｌ３を出射する実行時間Ｔ３とを同じ長さに設定しているが、それぞれ異なる長さに設定してもよい。
　また、本実施形態では、第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１に焦点を合わせた状態とすることで、第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１のビーム径を絞る一方、第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２のビーム径を広げるようにしたが、この形態に限定するものではない。例えば、第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２に焦点を合わせた状態とすることで、第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２のビーム径を絞る一方、第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１のビーム径を広げるようにしてもよい。
　また、本実施形態では、第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１と、第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２とを、所定の周期で交互に出射するようにしたが、この形態に限定するものではなく、例えば、第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１と、第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２とを両方とも、連続的に出射するようにしてもよい。
　また、第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１と、異なる波長の第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２とを、所定の周期で交互に出射する、又は連続的に出射するとしたが、この形態に限定するものではない。例えば、レーザ加工装置１が、加工対象物Ｗに出射する第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１又は第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２のビーム径を調整する調整部を備えたものであった場合、第１波長帯の第１レーザ光Ｌ１と、第２波長帯の第２レーザ光Ｌ２とは、同じ波長のものを用いても良い。
　以上説明したように、本発明は、比較的簡単な構成で、加工目的に応じてレーザ光の波長を変更することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。
　　１　　レーザ加工装置
　　２　　光ファイバ
　　３　　ロボット（移動機構）
　　６　　制御部
　１０　　レーザ発振器
　１１　　第１レーザ光源（第１レーザ出射部）
　１２　　第２レーザ光源（第２レーザ出射部）
　１５　　結合器
　２０　　レーザ加工ヘッド
　２７　　調整部
　Ｌ１　　第１レーザ光（第１波長帯のレーザ光）
　Ｌ２　　第２レーザ光（第２波長帯のレーザ光）
　Ｌ３　　第３レーザ光（第３波長帯のレーザ光）
　　Ｗ　　加工対象物

Claims (6)

  1. 　加工対象物に対してレーザ光を出射するレーザ加工ヘッドを備えたレーザ加工装置であって、
    　第１波長帯のレーザ光を出射する第１レーザ出射部と、
    　第２波長帯のレーザ光を出射する第２レーザ出射部と、
    　前記第１レーザ出射部及び前記第２レーザ出射部からそれぞれ出射された前記レーザ光を結合する結合器と、
    　前記結合器で結合された前記レーザ光を前記レーザ加工ヘッドに伝送する光ファイバと、
    　所定の加工方向に沿って、前記加工対象物に対して前記レーザ加工ヘッドを相対的に移動させる移動機構とを備えた
    ことを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記第１レーザ出射部及び前記第２レーザ出射部の動作を制御する制御部を備え、
    　前記制御部は、前記第１波長帯のレーザ光を出射し且つ前記第２波長帯のレーザ光の出射を停止する第１動作と、該第２波長帯のレーザ光を出射し且つ該第１波長帯のレーザ光の出射を停止する第２動作とを、所定の周期で交互に実行する
    ことを特徴とするレーザ加工装置。
  3. 　請求項２において、
    　前記制御部は、前記第１動作の実行時間と、前記第２動作の実行時間とを変更する
    ことを特徴とするレーザ加工装置。
  4. 　請求項２又は３において、
    　前記制御部は、前記第２動作の実行時間を、前記第１動作の実行時間よりも長くする
    ことを特徴とするレーザ加工装置。
  5. 　請求項２又は３において、
    　前記制御部は、前記第１動作の実行時間を、前記第２動作の実行時間よりも長くする
    ことを特徴とするレーザ加工装置。
  6. 　請求項１乃至５のうち何れか１つにおいて、
    　前記加工対象物に出射する前記第２波長帯のレーザ光のビーム径を調整する調整部を備えた
    ことを特徴とするレーザ加工装置。
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