WO2023190933A1 - レーザ加工機及びレーザ加工方法 - Google Patents

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WO2023190933A1
WO2023190933A1 PCT/JP2023/013301 JP2023013301W WO2023190933A1 WO 2023190933 A1 WO2023190933 A1 WO 2023190933A1 JP 2023013301 W JP2023013301 W JP 2023013301W WO 2023190933 A1 WO2023190933 A1 WO 2023190933A1
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laser
beam diameter
laser beam
workpiece
processing machine
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広太郎 河合
義人 鍵和田
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株式会社アマダ
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    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser processing machine and a laser processing method.
  • blue lasers have been attracting attention as a new light source for laser processing machines.
  • the wavelength of a blue laser is about 450 nm, which is shorter than the wavelength of about 1080 nm of a fiber laser, which is an infrared laser that has been mainly used as a processing laser.
  • Blue lasers have a higher light absorption rate than infrared lasers, so it is expected to improve workability when processing workpiece materials such as copper plates, which have low light absorption rates and are difficult to process with infrared lasers. ing.
  • Patent Document 1 describes a laser welding method in which a blue laser and an infrared laser are superimposed on each other in a processing head to weld workpieces.
  • a blue laser and an infrared laser By superimposing a blue laser and an infrared laser on each other, it is possible to combine the blue laser's high light absorption rate with the infrared laser's ability to easily increase its output and brightness.
  • a laser processing machine that processes a workpiece by superimposing a blue laser and an infrared laser on each other can process even thick copper plates.
  • Non-Patent Document 1 states that the light absorption rate of a green laser with a wavelength of 532 nm is the highest after the copper is preheated until it melts (while the copper is in an unmolten state). It is reported that the absorption rate is high. Furthermore, Non-Patent Document 2 describes that blue lasers and UV lasers, which have shorter wavelengths than green lasers, have a higher light absorption rate for copper in a non-molten state than green lasers.
  • Non-Patent Document 1 describes that the light absorption rate of a near-infrared laser with a wavelength of 1064 nm increases as the temperature of copper increases.
  • a laser processing machine includes: a first laser oscillator that emits a first laser beam having a first wavelength; and a first laser beam emitted from the first laser oscillator. a first transmission fiber that transmits a laser beam; a second laser oscillator that emits a second laser beam having a second wavelength different from the first wavelength; and a second laser beam that is emitted from the second laser oscillator.
  • a second transmission fiber that transmits a laser beam
  • a processing head that irradiates the workpiece with the first and second laser beams emitted from the ends of the first and second transmission fibers;
  • a first beam having a beam diameter of the first laser beam at a position where the first laser beam irradiates the workpiece is generated.
  • a beam diameter adjustment mechanism that adjusts at least one of a diameter and a second beam diameter that is a beam diameter of the second laser beam at a position where the second laser beam is irradiated onto the workpiece;
  • a control unit that controls an adjustment mechanism and adjusts a ratio between the first beam diameter and the second beam diameter in accordance with at least the material of the workpiece.
  • a laser processing method includes a first laser beam having a first wavelength emitted from a first laser oscillator, and a first laser beam emitted from a second laser oscillator.
  • the first laser beam at a position where the workpiece is irradiated with the first laser beam by operating at least one optical system of the second laser beam having a second wavelength different from the first wavelength; adjusting at least one of a first beam diameter that is a beam diameter of and a second beam diameter that is a beam diameter of the second laser beam at a position where the second laser beam irradiates the workpiece
  • a ratio between the first beam diameter and the second beam diameter is adjusted depending on at least the material of the workpiece.
  • the laser processing machine and laser processing method include a ratio of the beam diameters of the first and second laser beams at a position where the workpiece is irradiated with the first and second laser beams, It can be controlled appropriately depending on at least the material of the workpiece.
  • various workpieces can be processed with high quality.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser processing machine according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the beam diameter ratio of the first and second laser beams in the laser processing machine according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing the behavior of a general light ray before and after entering a single lens.
  • FIG. 4A is a diagram showing an example of the lens configuration of the second collimating lens 22 and the focusing lens 25 in the laser processing machine shown in FIG. 1.
  • FIG. 4B is a diagram showing an example of a change in the distance from the focusing lens to the focusing point of the second laser beam when the second collimating lens shown in FIG. 4A is driven in the optical axis direction.
  • FIG. 4A is a diagram showing an example of the lens configuration of the second collimating lens 22 and the focusing lens 25 in the laser processing machine shown in FIG. 1.
  • FIG. 4B is a diagram showing an example of a change in the distance from the focusing lens to the focusing point of
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a change in the distance from the focusing lens to the focal point of the second laser beam with respect to a change in the distance from the end of the second transmission fiber to the second collimating lens.
  • FIG. 6 is a diagram showing welding quality when the beam diameter of the second laser beam is larger than the beam diameter of the first laser beam.
  • FIG. 7 is a diagram showing welding quality when the beam diameter of the first laser beam is larger than the beam diameter of the second laser beam.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of a machining condition name selection screen on which an operator inputs instructions for selecting a machining condition name.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a processing condition setting screen on which the operator inputs instructions for setting the beam diameter ratio.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a laser processing machine according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a laser processing machine according to the third embodiment.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a laser processing machine according to the fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing a first modification of the method of emitting the first and second laser beams of the laser processing machine according to the first to fourth embodiments.
  • FIG. 14 is a diagram showing a second modification of the method of emitting the first and second laser beams of the laser processing machine according to the first to fourth embodiments.
  • FIG. 15A is a diagram showing an example of the beam diameter and beam profile of the first laser beam when the first laser beam is emitted in FIG. 13 or 14.
  • FIG. 15B is a diagram showing an example of the beam diameter and beam profile of the second laser beam when the second laser beam is emitted in FIG. 13 or 14.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser processing machine 101 according to the first embodiment.
  • a laser processing machine 101 superimposes a first laser beam and a second laser beam having a wavelength different from the wavelength of the first laser beam, and applies the superimposed first and second laser beams to the workpiece.
  • This is a processing machine that processes a workpiece W by irradiating the material W. Processing of the workpiece W includes welding, cutting, piercing, hardening, etc. of the workpiece W.
  • the workpiece W to be processed is, for example, a copper plate or copper elongation.
  • the workpiece W to be processed may be a mild steel plate, a steel sheet metal other than a mild steel plate such as stainless steel, or a sheet metal such as aluminum or aluminum alloy.
  • the laser processing machine 101 includes a first laser oscillator 10, a first transmission fiber 11, a second laser oscillator 20, a second transmission fiber 21, and a processing head 1.
  • the laser processing machine 101 also includes an NC device (numerical control) 30, an operation display section 40, and an assist gas supply device (not shown).
  • the NC device 30 is an example of a control device that controls each part of the laser processing machine 101.
  • the first laser oscillator 10 emits a first laser beam.
  • a laser oscillator that amplifies excitation light emitted from a laser diode and emits a laser beam of a predetermined wavelength is suitable.
  • the first laser oscillator 10 may be a laser oscillator that amplifies excitation light emitted from a laser diode and emits a laser beam whose wavelength has been converted using a nonlinear optical crystal or the like, or a laser oscillator that directly emits a laser beam emitted from a laser diode.
  • the laser oscillator used is also suitable.
  • the first laser oscillator 10 is a blue semiconductor laser oscillator.
  • the wavelength ⁇ 1 (first wavelength) of the first laser beam emitted by the first laser oscillator 10 is greater than or equal to 400 nm and less than or equal to 460 nm. That is, in the first embodiment, the first laser beam is a blue laser. Note that a green laser or a UV laser may be used as the first laser beam instead of the blue laser.
  • the wavelength ⁇ 1 of the first laser beam is not limited to 400 nm or more and 460 nm or less.
  • the first transmission fiber 11 transmits the first laser beam emitted from the first laser oscillator 10 to the processing head 1.
  • the second laser oscillator 20 emits a second laser beam having a different wavelength from the first laser beam having a wavelength ⁇ 1 .
  • a laser oscillator that amplifies excitation light emitted from a laser diode and emits a laser beam of a predetermined wavelength, or a laser oscillator that directly uses the laser beam emitted from a laser diode is suitable.
  • the second laser oscillator 20 is, for example, a fiber laser oscillator.
  • the wavelength ⁇ 2 (second wavelength) of the second laser beam emitted by the second laser oscillator 20 is greater than or equal to 1060 nm and less than or equal to 1090 nm. That is, in the first embodiment, the second laser beam is an infrared laser.
  • the wavelength ⁇ 2 of the second laser beam is not limited to 1060 nm or more and 1090 nm or less.
  • the second transmission fiber 21 transmits the second laser beam emitted from the second laser oscillator 20 to the processing head 1.
  • the processing head 1 superimposes the first and second laser beams emitted from the ends of the first and second transmission fibers 11 and 21, and applies the superimposed first and second laser beams to the workpiece W. irradiate.
  • the processing head 1 includes a first collimating lens 12, a bend mirror 13, a second collimating lens 22, a collimating lens drive motor 23, a dichroic mirror 24, a focusing lens 25, and a protective glass 26.
  • the first collimating lens 12, the bend mirror 13, the second collimating lens 22, the dichroic mirror 24, and the focusing lens 25 are arranged in the processing head 1 with their optical axes adjusted in advance.
  • the processing head 1 is configured to be relatively movable along the surface of the workpiece W while being separated from the surface of the workpiece W by a predetermined distance.
  • the configuration for making the processing head 1 movable relative to the surface of the workpiece W may be any known configuration, and detailed description thereof will be omitted.
  • the first laser beam emitted from the end of the first transmission fiber 11 is incident on the first collimating lens 12 .
  • the first collimating lens 12 is disposed on the optical axis of the first laser beam, and converts the incident first laser beam, which is a diverging light beam, into a parallel light beam into a collimated light beam.
  • the first laser beam of collimated light emitted from the first collimating lens 12 is incident on the bend mirror 13 .
  • the bend mirror 13 is arranged on the optical axis of the first laser beam, reflects the incident first laser beam, and makes it incident on the dichroic mirror 24 .
  • the bend mirror 13 bends the traveling direction of the first laser beam by 90 degrees and causes the beam to enter the dichroic mirror 24 .
  • the second laser beam emitted from the end of the second transmission fiber 21 is incident on the second collimating lens 22 .
  • the second collimating lens 22 is disposed on the optical axis of the second laser beam, and converts the incident second laser beam, which is a diverging light beam, into a parallel light beam into a collimated light beam.
  • the second laser beam of collimated light emitted from the second collimating lens 22 is incident on the dichroic mirror 24 .
  • the collimating lens drive motor 23 operates the optical system of at least one of the first and second laser beams within the processing head 1 .
  • the collimating lens drive motor 23 is controlled by an NC device 30, which will be described later.
  • the collimating lens drive motor 23 has a first beam diameter DBL, which is the beam diameter of the first laser beam at the position where the workpiece W is irradiated with the first laser beam, and a second beam diameter DBL .
  • the ratio of the second beam diameter DIR which is the beam diameter of the second laser beam at the position where the laser beam irradiates the workpiece W, (hereinafter referred to as beam diameter ratio) is determined at least according to the material of the workpiece W. Adjust. Details of the method for adjusting the beam diameter ratio will be described later.
  • the collimating lens drive motor 23 drives the second collimating lens 22 to move in the optical axis direction of the second laser beam.
  • the collimating lens drive motor 23 operates the optical system of the second laser beam within the processing head 1, for example, by moving the second collimating lens 22 along the optical axis direction of the second laser beam.
  • the collimating lens drive motor 23 may be driven to move the first collimating lens 12 in the optical axis direction of the first laser beam instead of driving the second collimating lens 22.
  • the collimating lens drive motor 23 drives the first collimating lens 12 to move in the optical axis direction of the first laser beam, and drives the second collimating lens 22 to move in the optical axis direction of the second laser beam. It may be driven. That is, the collimating lens drive motor 23 may be any mechanism that drives at least one of the first and second collimating lenses 12 and 22 in the optical axis direction of the first and second laser beams.
  • the collimating lens drive motor 23 may be a mechanism that manually drives at least one of the first and second collimating lenses 12 and 22 in the optical axis direction of the first and second laser beams.
  • the collimating lens drive motor 23 may be a mechanism that manually drives one of the first and second collimating lenses and automatically drives the other in the optical axis direction of the first and second laser beams.
  • the collimating lens drive motor 23 is an example of a beam diameter adjustment mechanism, and the beam diameter adjustment mechanism is not limited to the collimation lens drive motor 23.
  • the beam diameter adjustment mechanism adjusts the optical system of at least one of the first and second laser beams from the time they are emitted from the ends of the first and second transmission fibers 11 and 21 until they are superimposed within the processing head 1. Any mechanism that operates can be used.
  • the dichroic mirror 24 is arranged on the optical axis of the second laser beam, and receives the first laser beam and the second laser beam, which are collimated lights, respectively.
  • the dichroic mirror 24 reflects the first laser beam that has been reflected by the bend mirror 13 and is incident thereon, and transmits the second laser beam.
  • the dichroic mirror 24 bends the traveling direction of the first laser beam by 90 degrees and makes it enter the focusing lens 25 . Further, the dichroic mirror 24 transmits the second laser beam and makes it enter the focusing lens 25 . That is, the first and second laser beams are superimposed on each other by the dichroic mirror 24.
  • the focusing lens 25 focuses the first and second laser beams of the superimposed collimated light onto a processing point P of the workpiece W, and uses the focused light of the first and second laser beams to process the workpiece W. Irradiate point P.
  • the focused light of the first and second laser beams passes through the protective glass 26 and is irradiated onto the processing point P of the workpiece W.
  • the focusing lens 25 may be configured to be brought closer to the workpiece W or moved away from the workpiece W by a manual or automatic mechanism.
  • the NC device 30 is a control device that controls each part of the laser processing machine 101.
  • the NC device 30 is composed of a computer, and has a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read-Only Memory), and a RAM (Random-Access Memory).
  • An operation display section 40 is connected to the NC device 30.
  • the NC device 30 realizes various functions by having the CPU read various programs from the ROM, expand them to the RAM, and execute the expanded programs.
  • the NC device 30 executes a processing program and controls the laser processing machine 101.
  • the processing program includes a code that defines the operation of the laser processing machine 101 necessary for welding the workpiece W along the processing path to weld a product.
  • the machining program is created by an external device such as a CAM (Computer-Aided Manufacturing), and the NC device 30 acquires the machining program from the external device.
  • the external device may store the created machining program in a database in a data management server (not shown). In this case, the NC device 30 acquires the machining program by reading the machining program stored in the database of the data management server.
  • the machining program includes setting of machining conditions, starting the injection of the first and second laser beams (injection on), stopping the injection of the first and second laser beams (injection off), and starting from the machining path where the machining head 1 is located.
  • a code is written that defines a series of operations of the laser processing machine 101 necessary for processing a product, such as moving to the next processing path.
  • the processing program includes a code for moving the processing head 1 (first and second laser beams) along the processing path of the product.
  • a code is written for each of the plurality of products in the processing program.
  • the NC device 30 controls the first and second laser oscillators 10 and 20 so that the workpiece W is irradiated with the first and second laser beams simultaneously.
  • the NC device 30 controls the collimating lens drive motor 23 and adjusts the beam diameter ratio according to at least the material of the workpiece W. In the first embodiment, the NC device 30 adjusts the beam diameter ratio so that the first beam diameter D BL is larger than the second beam diameter D IR . Further, in the first embodiment, the NC device 30 controls the collimating lens drive motor 23 based on the instruction for setting the beam diameter ratio received by the operation display unit 40. The NC device 30 controls each part of the laser processing machine 101 so as to process the workpiece W based on the processing program while controlling the collimating lens drive motor 23 .
  • the operation display unit 40 receives instructions for setting the beam diameter ratio from the operator of the laser processing machine 101.
  • the operation display unit 40 displays a screen necessary for the operator to input instructions for setting the beam diameter ratio.
  • the operator operates the operation display unit 40 to input instructions for setting the beam diameter ratio.
  • the operator can input instructions for setting the beam diameter ratio to the NC device 30 by operating the operation display section 40 .
  • the operation display unit 40 transmits instructions input by the operator to the NC device 30. Note that a specific method for accepting instructions for setting the beam diameter ratio and adjusting the beam diameter ratio will be described later.
  • the operation display unit 40 may be, for example, a touch panel that is attached to a liquid crystal panel and allows input operations to be performed according to information displayed on the liquid crystal panel.
  • the display section and the operation section may be separate bodies.
  • an assist gas supply device (not shown) supplies assist gas to the processing head 1 when cutting the workpiece W.
  • the assist gas supply device can use oxygen, nitrogen, or air as the assist gas when the workpiece W to be processed is an iron-based material.
  • oxygen is used as the assist gas
  • the assist gas supply device controls the injection state of the gas to prevent over-combustion.
  • the assist gas supply device can use nitrogen or air as the assist gas.
  • the assist gas supplied to the processing head 1 is blown onto the workpiece W from the opening of the processing head 1. The assist gas discharges the molten metal within the width of the kerf where the workpiece W is melted.
  • a shielding gas supply device (not shown) supplies shielding gas to the processing head 1 in order to prevent an oxidation reaction of the workpiece W during welding of the workpiece W.
  • Nitrogen or argon can be used as the shielding gas.
  • the shielding gas supplied to the processing head 1 is blown onto the workpiece W from the opening of the processing head 1.
  • a shield gas injection nozzle (not shown) may be provided on the side surface of the processing head 1, and the shield gas may be sprayed onto the workpiece W from the side surface.
  • the method for ejecting the shielding gas is not particularly limited, and may be a method in which the shielding gas is ejected from a plurality of locations separately from the main gas and the sub gas.
  • the laser processing machine 101 configured as described above can process the workpiece W using the superimposed first and second laser beams to produce a product having a predetermined shape or pattern.
  • FIG. 2 shows the beam diameter ratio of the first and second laser beams in the laser processing machine 101.
  • the beam diameter ratio refers to the first beam diameter DBL, which is the beam diameter of the first laser beam at the position where the first laser beam emitted from the processing head 1 irradiates the workpiece W , and the second laser beam. is the ratio of the second beam diameter DIR , which is the beam diameter of the second laser beam at the position where the workpiece W is irradiated.
  • the beam diameter ratio is calculated, for example, by dividing the first beam diameter DBL by the second beam diameter DIR .
  • the beam diameter ratio is set to an appropriate value depending on at least the material of the workpiece W.
  • the beam diameter ratio may be set according to processing conditions that are a combination of the material of the workpiece W, the plate thickness, the thickness of the processing lens (focusing lens 25), and the like.
  • FIG. 3 shows the typical behavior of a light ray before and after entering a single lens.
  • a focusing lens 25 single lens
  • the light ray at an arbitrary position z can be expressed by the following equation (1).
  • (r out , r' out ) represents the emitted light from the focusing lens 25.
  • (r in , r' in ) indicates the incident light beam to the focusing lens 25.
  • r indicates the distance from the optical axis to the light ray at the position where the light ray enters the focusing lens 25, and r' indicates the inclination of the light ray.
  • FIG. 4A shows an example of the lens configuration of the second collimating lens 22 and the focusing lens 25 in the laser processing machine 101 shown in FIG. 1.
  • the focal length of the second collimating lens 22 is f1
  • the focal length of the focusing lens 25 is f2.
  • the distance from the end of the second transmission fiber 21 to the second collimating lens 22 is d0
  • the distance from the second collimating lens 22 to the focusing lens 25 is d1
  • the distance from the focusing lens 25 to the focusing point of the second laser beam is d0.
  • equation (1) can be expressed as equation (2) below.
  • equation (2) can be expressed in the form of equation (3) below.
  • A, B, C, and D in equation (3) can be calculated from equation (2).
  • A, B, C, and D in formula (3) can be expressed by the following formula (4) from formula (2).
  • FIG. 4B shows an example of a change in the distance from the focusing lens 25 to the focusing point of the second laser beam when the second collimating lens 22 shown in FIG. 4A is driven in the optical axis direction.
  • the second collimating lens 22 was driven in the negative direction of the optical axis, and the distance d0 from the end of the second transmission fiber 21 to the second collimating lens 22 changed to the distance d0'. shall be.
  • the distance d2 from the focusing lens 25 to the focusing point of the second laser beam moves in the negative direction of the optical axis and changes to the distance d2'.
  • FIG. 5 shows an example of a change in the distance d2 from the focusing lens 25 to the focal point of the second laser beam with respect to a change in the distance d0 from the end of the second transmission fiber 21 to the second collimating lens 22.
  • the focal length f1 of the second collimating lens 22 is 100 mm
  • the focal length f2 of the focusing lens 25 is 100 mm
  • the distance d1 from the second collimating lens 22 to the focusing lens 25 is 300 mm.
  • the distance d0 is 85 mm
  • the distance d2 is 113 mm.
  • the distance d2 is 109.1 mm.
  • the distance d2 is 104.8 mm.
  • the distance d0 is 100 mm
  • the distance d2 is 100 mm.
  • the distance d0 is 105 mm
  • the distance d2 is 94.7 mm.
  • the distance d0 is 110 mm
  • the distance d2 is 88.9 mm.
  • the distance d2 is 82.4 mm.
  • the distance d2 from the focusing lens 25 to the focal point of the second laser beam can be changed.
  • the second beam diameter DIR can be changed, and the beam diameter ratio can be adjusted depending on at least the material of the workpiece W.
  • the beam diameter ratio can be adjusted.
  • the beam diameter adjustment mechanism may be any mechanism that drives at least one of the first and second collimating lenses 12 and 22 in the optical axis direction of the first and second laser beams.
  • the beam diameter adjustment mechanism changes the distance d0 from the end of the second transmission fiber 21 to the second collimating lens 22 by adjusting the end of at least one of the first and second transmission fibers 21 It may also be a mechanism for moving the second laser beam in the optical axis direction.
  • the structure may be such that the laser is driven in the optical axis direction of the first and second lasers. In this case, both the distance d1 from the first and second collimating lenses 12 and 22 to the focusing lens 25 in equation (5) and the distance d2 from the focusing lens 25 to the focusing point of the first and second laser beams are changed. By doing so, the beam diameter ratio can be adjusted.
  • the first laser beam is a blue laser BL with a wavelength of ⁇ 1
  • the second laser beam is a fiber laser IR with a wavelength of ⁇ 2.
  • the ratio of the first beam diameter D BL to the second beam diameter D IR becomes smaller.
  • the beam diameter ratio is set to 0.91, a first laser beam with an output of 2 kW and a second laser beam with an output of 3 kW are superimposed on a copper plate with a thickness of 1 mm, and the processing head 1 is moved at a speed of 8 m/min.
  • the ratio of the first beam diameter D BL to the second beam diameter D IR increases.
  • a molten pool is formed by the first laser beam outside the second laser beam.
  • the beam diameter ratio is appropriate, a molten pool is formed in a sufficient range outside the second laser beam, and the keyhole of the second laser beam at the center is stabilized.
  • the flow of the metal at the rear is also stable, there is no sudden disturbance in the flow of the metal to the top, less spatter occurs, and the bead surface is stabilized.
  • the beam diameter ratio is 2.21
  • a first laser beam with an output of 2 kW and a second laser beam with an output of 3 kW are superimposed on a copper plate with a thickness of 1 mm, and the processing head 1 is moved at a speed of 8 m/min. It was confirmed that when welding was carried out, spatter adhesion was suppressed and the bead surface was stabilized.
  • the first beam diameter D BL is larger than the second beam diameter D IR .
  • the beam diameter ratio is preferably about 2, the beam diameter ratio is not limited to about 2 for all workpieces.
  • the NC device 30 controls the collimating lens drive motor 23, which is a beam diameter adjustment mechanism, by receiving instructions from the operator for setting the beam diameter ratio. to adjust the beam diameter ratio.
  • FIG. 8 shows an example of a machining condition name selection screen 41 displayed on the operation display section 40, on which the operator inputs instructions for selecting a machining condition name.
  • the machining condition name selection screen 41 displays machining information that is associated with a combination of the material, plate thickness, and thickness of the focusing lens 25 (machining lens) of the workpiece W to be machined.
  • the condition name is displayed.
  • the machining condition name selection screen 41 includes a machining condition name selection section for the operator to select a machining condition name.
  • the machining condition name selection unit can receive a request for selecting a machining condition name from an operator.
  • the operator can input an instruction to the NC device 30 to call up the machining condition setting screen 43 corresponding to the selected machining condition name. For example, as shown in FIG. 8, the operator selects the machining name selection section 42 in which the machining condition name is "SECC-t1.2", and thereby causes the NC device 30 to select the machining condition name "SECC-t1.2". An instruction to call up the machining condition setting screen 43 corresponding to "2" can be input.
  • SECC on the processing condition name selection screen 41 indicates electrogalvanized steel sheet, and SPC indicates cold rolled steel sheet.
  • a machining condition name that is, when the NC device 30 receives an instruction to call up the machining condition setting screen corresponding to the machining condition name
  • the NC device 30 displays the machining condition name on the operation display section 40.
  • a processing condition setting screen 43 corresponding to is displayed.
  • FIG. 9 shows an example of a processing condition setting screen 43 displayed on the operation display unit 40, on which the operator inputs instructions for setting the beam diameter ratio.
  • the machining condition setting screen 43 includes, for example, a machining condition individual program number display section 44 and a machining condition display section.
  • the machining condition individual program number display section 44 displays "E No.” which is the number of at least one machining program corresponding to the machining condition name.
  • the machining condition display section displays setting items for each machining program. For example, as shown in FIG. 9, setting items for the machining program number "E No. 8" are displayed on the machining condition display section 45.
  • Setting items include, for example, "speed” which is the processing speed, "output”, “frequency” and “duty” of the first laser beam, "output”, "frequency” and “duty” of the second laser beam, and assist gas. These are the “gas flow rate”, “gas type”, "position d0", and “beam diameter ratio” of the assist gas supplied by the device. Note that in the first embodiment, the "position d0" means the distance d0 from the end of the second transmission fiber 21 to the second collimating lens 22.
  • the processing condition setting screen 43 includes a processing condition display section, a collimating lens position input section, and a beam diameter ratio display section.
  • a collimating lens position input section 46 is provided at the position of the setting item "position d0" of the processing condition display section 45
  • a beam diameter ratio display section 47 is provided at the position of the setting item "beam diameter ratio”. Equipped with
  • the processing condition setting screen 43 receives the distance d0 from the end of the second transmission fiber 21 to the second collimating lens 22 from the operator of the laser processing machine 101 as an instruction for setting the beam diameter ratio. Specifically, the processing condition setting screen 43 accepts a set value for "position d0" from the operator as an instruction for setting the beam diameter ratio. The operator can input an instruction for setting the beam diameter ratio by inputting the setting value of "position d0" into the collimating lens position input section 46. The NC device 30 calculates the beam diameter ratio based on the received set value of “position d0” and causes the beam diameter ratio display unit 47 to display the calculated beam diameter ratio value.
  • w1 is the beam diameter of the second laser beam at the end of the second transmission fiber 21
  • w2 is the beam diameter of the second laser beam at the focal point
  • M2 is the quality of the laser beam
  • ⁇ 2 is the wavelength of the second laser beam
  • C and D are the expressions shown in equation (4), then the light ray of the second laser beam can be expressed by the following equation (6).
  • dw is the beam diameter of the second laser beam at the beam waist position
  • z0 is the waist position of the second laser beam
  • z is an arbitrary position along the optical axis direction of the second laser beam
  • ⁇ is the beam divergence.
  • the beam diameter of the second laser beam at any position in the optical system can be calculated. Therefore, the second beam diameter DIR, which is the beam diameter at the position where the workpiece W is irradiated with the second laser beam, can be calculated based on the set value of "position d0.”
  • the beam diameter ratio can be calculated from the relationship with the first beam diameter DBL , which is the beam diameter at the position where the workpiece W is irradiated with the first laser beam. Thereby, the beam diameter ratio can be displayed on the beam diameter ratio display section 47 based on the set value of "position d0".
  • the NC device 30 controls the collimating lens drive motor 23 in accordance with the instruction for setting the beam diameter ratio received by the operation display unit 40. Specifically, the NC device 30 drives the collimating lens drive motor 23 to move the position of the second collimating lens 22 based on the set value of “position d0” received on the processing condition setting screen 43. Then, the NC device 30 executes the machining program and processes the workpiece W.
  • the processing condition setting screen 43 accepts the distance from the end of the first transmission fiber 11 to the first collimating lens 12 as a setting value of "position d0" as an instruction for setting the beam diameter ratio, and A diameter ratio may also be calculated.
  • the NC device 30 drives the collimating lens drive motor 23 to move the position of the first collimating lens 12 based on the set value of “position d0” received on the processing condition setting screen 43.
  • the processing condition setting screen 43 also displays the distance from the end of the first transmission fiber 11 to the first collimating lens 12 and the distance from the end of the second transmission fiber 21 to the second collimating lens 12 as instructions for setting the beam diameter ratio.
  • the beam diameter ratio may be calculated by accepting the distance to the lens 22 as the set value of "position d0.”
  • the NC device 30 drives the collimating lens drive motor 23 to move the positions of the first and second collimating lenses 12 and 22 based on the set value of “position d0” received on the processing condition setting screen 43.
  • the processing condition setting screen 43 provides instructions for setting the beam diameter ratio, such as the distance from the end of the first transmission fiber 11 to the first collimating lens 12 and the distance from the end of the second transmission fiber 21 to the second collimating lens. At least one of the distances to the lens 22 may be received from the operator of the laser processing machine 101.
  • the beam diameter ratio may be set according to the combination of the material of the workpiece W and the plate thickness.
  • the plurality of thicknesses of the workpiece W are divided into two or more groups, and the beam diameter ratio is set according to the combination of the material of the workpiece W and the group to which the thickness belongs. Good.
  • the laser processing machine 101 includes a first laser oscillator 10, a first transmission fiber 11, a second laser oscillator 20, a second transmission fiber 21, a processing head 1, and a beam diameter adjustment mechanism (collimating lens drive motor 23). and a control unit (NC device 30).
  • the first laser oscillator 10 emits a first laser beam having a first wavelength.
  • the first transmission fiber 11 transmits the first laser beam emitted from the first laser oscillator 10.
  • the second laser oscillator 20 emits a second laser beam having a second wavelength different from the first wavelength.
  • the second transmission fiber 21 transmits the second laser beam emitted from the second laser oscillator 20.
  • the processing head 1 superimposes the first and second laser beams emitted from the ends of the first and second transmission fibers 11 and 21, and applies the superimposed first and second laser beams to the workpiece W. irradiate.
  • the beam diameter adjustment mechanism adjusts at least one of the first beam diameter DBL and the second beam diameter DIR by operating the optical system of at least one of the first and second laser beams within the processing head 1. do.
  • the control unit controls the beam diameter adjustment mechanism and adjusts the ratio between the first beam diameter D BL and the second beam diameter D IR in accordance with at least the material of the workpiece W.
  • the beam diameter adjustment mechanism controls the optical performance of at least one of the first and second laser beams from the time they are emitted from the ends of the first and second transmission fibers 11 and 21 until they are superimposed within the processing head 1. It is a mechanism that operates the system.
  • the beam diameter ratio of the first and second laser beams at the position where the workpiece W is irradiated with the first and second laser beams can be appropriately controlled according to at least the material of the workpiece W.
  • various workpieces W can be processed with high quality.
  • the laser processing machine 101 further includes an operation section (operation display section 40) that receives instructions for setting the beam diameter ratio from an operator of the laser processing machine 101.
  • the control section controls the beam diameter adjustment mechanism according to instructions received by the operation section.
  • the beam diameter ratio of the first and second laser beams at the position where the workpiece W is irradiated with the first and second laser beams is specified or changed according to the input by the operator. can.
  • the beam diameter ratio can be set depending on at least the material of the workpiece W.
  • the processing head 1 includes a first collimator lens 12 into which the first laser beam emitted from the end of the first transmission fiber 11 is incident, and a second collimator lens into which the second laser beam emitted from the second transmission fiber is incident. It has a collimating lens 22.
  • the beam diameter adjustment mechanism is a mechanism that drives at least one of the first and second collimating lenses to move in the optical axis direction of the first and second laser beams. By driving at least one of the first and second collimating lenses to move in the optical axis direction of the first and second laser beams, the workpiece W is irradiated with the first and second laser beams.
  • the beam diameter ratio of the first and second laser beams can be appropriately controlled depending on at least the material of the workpiece W.
  • the operation unit provides instructions for setting the beam diameter ratio by specifying a first distance, which is the distance from the end of the first transmission fiber 11 to the first collimating lens 12, and a second collimating distance from the end of the second transmission fiber 21. At least one distance d0 of the second distance, which is the distance to the lens 22, is received from the operator. Thereby, at least one of the first and second collimating lenses can be driven in the optical axis direction of the first and second laser beams according to input by the operator.
  • the beam diameter ratio of the first and second laser beams at the position where the workpiece W is irradiated with the first and second laser beams is appropriately controlled according to at least the material of the workpiece W according to input by the operator. can.
  • the wavelength ⁇ 1 of the first laser beam is, for example, 400 nm or more and 460 nm or less
  • the wavelength ⁇ 2 of the second laser beam is, for example, 1060 nm or more and 1090 nm or less.
  • a blue laser is used as the first laser beam
  • a fiber laser is used as the second laser beam.
  • the control unit adjusts the beam diameter ratio so that the first beam diameter D BL is larger than the second beam diameter D IR .
  • the blue laser can form a molten pool on the outside of the fiber laser. When the beam diameter ratio is appropriate, a molten pool is formed in a sufficient range, and destabilization of the keyhole of the fiber laser at the center can be suppressed. The flow of molten metal in the processing direction is stable, and spatter and blowholes can be suppressed.
  • the beam diameter adjustment mechanism may be a mechanism that moves at least one end of the first and second transmission fibers 11 and 21 in the optical axis direction of the first and second laser beams. By moving at least one end of the first and second transmission fibers 11 and 21 in the optical axis direction of the first and second laser beams, the workpiece W is irradiated with the first and second laser beams.
  • the beam diameter ratio of the first and second laser beams at the position can be appropriately controlled depending on at least the material of the workpiece W.
  • the collimating lens drive motor 23 drives at least one of the first and second collimating lenses 12 and 22 in the optical axis direction of the first and second laser beams. Equipped with a mechanism to The beam diameter adjustment mechanism may be a zoom mechanism that enlarges or reduces at least one of the first beam diameter D BL and the second beam diameter D IR .
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a laser processing machine 102 according to a second embodiment including a zoom mechanism 27.
  • the laser processing machine 102 in FIG. 10 includes a zoom mechanism 27 instead of the second collimating lens 22 and collimating lens drive motor 23 in FIG.
  • the same components as in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and their explanations will be omitted.
  • the zoom mechanism 27 is arranged, for example, between the end of the second transmission fiber 21 and the dichroic mirror 24.
  • the zoom mechanism 27 includes two or more lenses and a lens drive motor 28 that moves the lenses in the optical axis direction of the second laser beam.
  • the optical axis of the lens of the zoom mechanism 27 coincides with the optical axis of the focusing lens 25.
  • the lens of the zoom mechanism 27 is composed of two convex lenses, but the number of lenses is not limited to two.
  • the lens of the zoom mechanism 27 may be composed of a convex lens, a concave lens, a plano-convex lens, a plano-concave lens, or a concave-convex lens, and may be composed of a spherical lens whose curved surface is a spherical surface or an aspheric lens whose curved surface is an aspherical surface. Good too.
  • the detailed lens configuration of the zoom mechanism 27 is not particularly limited.
  • Lens drive motor 28 is controlled by NC device 30.
  • the lens drive motor 28 operates the optical system of the second laser beam within the processing head 1 by driving the lens of the zoom mechanism 27 along the optical axis direction of the second laser beam, thereby adjusting the second beam diameter D. Expand and contract the IR .
  • the method of enlarging and reducing the beam diameter by the zoom mechanism 27 is a known technique, and therefore a description thereof will be omitted.
  • the zoom mechanism 27 is arranged between the end of the first transmission fiber 11 and the bend mirror 13 instead of being arranged between the end of the second transmission fiber 21 and the dichroic mirror 24.
  • the lens drive motor 28 enlarges or reduces the first beam diameter DBL by driving the lens of the zoom mechanism 27 in the optical axis direction of the first laser beam.
  • the zoom mechanism 27 may be arranged between the end of the first transmission fiber 11 and the bend mirror 13 and between the end of the second transmission fiber 21 and the dichroic mirror 24. good.
  • the lens drive motor 28 enlarges or reduces the first and second beam diameters D BL and D IR by driving the lens of the zoom mechanism 27 in the optical axis direction of the first and second laser beams.
  • the zoom mechanism 27 may be any mechanism that enlarges or reduces at least one of the first and second beam diameters.
  • the zoom mechanism 27 operates the optical system of at least one of the first and second laser beams within the processing head 1.
  • the beam diameter ratio can be adjusted according to the material of the workpiece W. Thereby, various workpieces W can be processed with high quality in a laser processing machine that overlaps the wavelengths of the first and second laser beams having different wavelengths.
  • the beam diameter adjustment mechanism may include a variable curvature mirror on the optical axis of at least one of the first and second laser beams.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a laser processing machine 103 according to a third embodiment that includes a variable curvature mirror 14 on the optical axis of the first laser beam.
  • the laser processing machine 103 in FIG. 11 does not include the collimating lens drive motor 23 in FIG. 1, and includes a variable curvature mirror 14 instead of the bend mirror 13 in FIG.
  • the same components as in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and their explanations will be omitted.
  • the variable curvature mirror 14 is arranged, for example, on the optical axis of the first laser beam, and reflects the first laser beam emitted from the first collimator lens 12 to make it enter the dichroic mirror 24 .
  • the variable curvature mirror 14 is provided so that the curvature of its reflective surface can be freely changed and adjusted. Control methods for the variable curvature mirror 14 include an electric piezo actuator type, a pneumatic control type, a liquid pressure control type, etc.
  • the variable curvature mirror 14 is controlled by an NC device 30.
  • the variable curvature mirror 14 adjusts the beam diameter of the first laser beam incident on the dichroic mirror 24 by adjusting the curvature of its reflective surface.
  • the beam diameter of the first laser beam reflected by the dichroic mirror 24 and incident on the focusing lens 25 can be adjusted. Adjustment of the beam diameter by the variable curvature mirror 14 is a known technique, so a description thereof will be omitted.
  • the beam diameter of the first laser beam incident on the focusing lens 25 By adjusting the beam diameter of the first laser beam incident on the focusing lens 25, the first and second beam diameters D BL and D IR at the positions where the first and second laser beams irradiate the workpiece W are adjusted.
  • the beam diameter ratio can be adjusted.
  • variable curvature mirror may be placed on the optical axis of the second laser beam instead of being placed on the optical axis of the first laser beam.
  • the laser processing machine 103 replaces the first laser oscillator 10, first transmission fiber 11, and first collimating lens 12 in FIG. 11 with the second laser oscillator 20, second transmission fiber 21, and second collimating lens 22.
  • the variable curvature mirror 14 adjusts the beam diameter of the second laser beam incident on the dichroic mirror 24 by adjusting the curvature of the reflecting surface. That is, the beam diameter of the second laser beam reflected by the dichroic mirror 24 and incident on the focusing lens 25 can be adjusted.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a laser processing machine 104 according to a fourth embodiment, which includes a variable curvature mirror 15 on the optical axis of the second laser beam.
  • the laser processing machine 104 in FIG. 12 does not include the collimating lens drive motor 23 in FIG. A mirror 29 is provided.
  • the characteristics of the variable curvature mirror 15 are similar to those of the variable curvature mirror 14 in FIG. 11, and the variable curvature mirror 15 is controlled by the NC device 30.
  • the same components as in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and their explanations will be omitted.
  • variable curvature mirror 15 is arranged on the optical axis of the second laser beam emitted from the second collimating lens 22, reflects the second laser beam emitted from the second collimating lens 22, and bends the second laser beam.
  • the light is made incident on the mirror 29.
  • the variable curvature mirror 15 adjusts the beam diameter of the second laser beam incident on the bend mirror 29 by adjusting the curvature of its reflective surface.
  • the bend mirror 29 reflects the second laser beam whose beam diameter has been adjusted by the variable curvature mirror 15 and makes it incident on the dichroic mirror 24 .
  • the dichroic mirror 24 reflects the first laser beam incident on the bend mirror 13 and transmits the second laser beam incident on the bend mirror 29.
  • variable curvature mirror 15 can adjust the beam diameter of the second laser beam that passes through the dichroic mirror 24 and enters the focusing lens 25 by adjusting the curvature of the reflecting surface. .
  • the first and second beam diameters D BL and D IR at the positions where the first and second laser beams irradiate the workpiece W are adjusted.
  • the beam diameter ratio can be adjusted.
  • variable curvature mirror may be arranged on the optical axis of the first laser beam and on the optical axis of the second laser beam.
  • the laser processing machine 104 may include a variable curvature mirror 14 instead of the bend mirror 13 in FIG. 12.
  • the variable curvature mirrors 14 and 15 can adjust the beam diameters of the first and second laser beams incident on the focusing lens 25.
  • the first and second beam diameters D BL at the positions where the first and second laser beams irradiate the workpiece W are adjusted.
  • DIR beam diameter ratio can be adjusted.
  • the beam diameter adjustment mechanism includes a first mirror disposed between the first collimating lens 12 and the dichroic mirror 24 on the optical axis of the first laser beam, and a second collimator disposed on the optical axis of the second laser beam. Any mechanism may be used as long as at least one of the second mirrors disposed between the lens 22 and the dichroic mirror 24 is a variable curvature mirror. By making at least one of the first and second mirrors a variable curvature mirror, the beam diameter ratio can be adjusted at least according to the material of the workpiece W. As a result, various workpieces can be processed with high quality in a laser processing machine that overlaps the wavelengths of the first and second laser beams having different wavelengths.
  • the NC device 30 controls the first and second laser oscillators 10 and 20 so that the workpiece W is irradiated with the first and second laser beams simultaneously.
  • the light absorption rate of a blue laser to copper is higher than the light absorption rate of an infrared laser to copper. Therefore, from the start of copper preheating until the copper melts, the blue laser can preheat the copper with high thermal efficiency.
  • Infrared lasers can also weld copper with high thermal efficiency.
  • the first and second laser oscillators 10 are configured to stop emitting the first laser beam after emitting the laser beam, and emit the second laser beam (fiber laser IR) for a second predetermined time T2 after stopping the first laser beam. , 20 may be controlled.
  • This laser beam injection method is applicable to both spot welding and continuous welding.
  • the NC device 30 When performing spot welding at the processing point P of the workpiece W, the NC device 30, for example, turns on the first laser beam emission at the processing point P of the workpiece W and starts preheating the workpiece W. , when the first predetermined time T1 has elapsed and melting of the workpiece W begins, the emission of the first laser beam is turned off. The NC device 30 turns on the emission of the second laser beam at the timing when the emission of the first laser beam is turned off. The NC device 30 welds the workpiece W preheated by the first laser beam while turning on the second laser beam. Thereafter, when the second predetermined time T2 has elapsed and welding is completed using the second laser beam, the NC device 30 turns off the emission of the second laser beam and completes the welding process.
  • the first predetermined time T1 and the second predetermined time T2 may be the same time or may be different times.
  • the NC device 30 can process the workpiece W with higher efficiency without irradiating the first and second laser beams simultaneously.
  • the NC device 30 may, for example, emit the first laser beam while the processing head 1 is stopped at the processing point P of the workpiece W.
  • the first laser beam is turned on to start preheating the workpiece W, and when the first predetermined time T1 has elapsed and the workpiece W begins to melt, the emission of the first laser beam is turned off.
  • the heat absorbed by the workpiece W by the first laser beam is transmitted into the workpiece W by thermal conduction.
  • the first predetermined time T1 may be, for example, 1 ms or less. When the first predetermined time T1 is 1 ms or less, it can be said that the first predetermined time T1 is sufficiently short with respect to the moving speed of the processing head 1.
  • the NC device 30 moves the processing head 1 from the processing point P of the workpiece W along the processing path and uses the first laser beam.
  • the emission of the first laser beam may be turned on, and when the first predetermined time T1 has elapsed, the emission of the first laser beam may be turned off.
  • the NC device 30 turns on the emission of the second laser beam at the timing when the emission of the first laser beam is turned off.
  • the NC device 30 welds the processing path while moving the processing head along the processing path with the second laser beam emitted on. Thereafter, when the second predetermined time T2 has elapsed and the welding of the processing path by the second laser beam is completed, the NC device 30 turns off the emission of the second laser beam and completes the welding process.
  • the NC device 30 can process the workpiece W with higher efficiency without irradiating the first and second laser beams simultaneously.
  • the NC device 30 switches from the second laser beam to the first laser beam, emits the first laser beam in the middle of the processing path, and then switches from the first laser beam to the first laser beam again.
  • the first and second laser oscillators 10 and 20 may be controlled to switch to two laser beams.
  • the NC device 30 may turn on the first laser beam again after turning off the second laser beam, and perform post-heat treatment on the processing path.
  • the workpiece W can be processed with high quality and high efficiency.
  • the NC device 30 for example, alternately emits the first laser beam and the second laser beam, and emits the first laser beam for a third predetermined time T3.
  • the first and second laser oscillators 10 and 20 may be controlled so as to emit the second laser beam for a fourth predetermined time T4.
  • This laser beam injection method is applicable to both spot welding and continuous welding, and is particularly effective when continuous welding is performed.
  • the NC device 30 When performing continuous welding, the NC device 30, for example, preheats the processing path with the first laser beam for a third predetermined time T3 on the processing path of the workpiece W, and preheats the processing path with the second laser beam for a third predetermined time T3. 4 Welding is performed on the processing path while repeating alternately for a predetermined time T4.
  • the third predetermined time T3 and the fourth predetermined time T4 may be the same time or may be different times.
  • the NC device 30 may perform post-processing heat treatment on the processing path when the second laser beam is turned off and the first laser beam is turned on again. Thereby, the workpiece W can be processed with higher quality and efficiency without irradiating the first and second laser beams simultaneously.
  • 15A and 15B show examples of beam diameters and beam profiles of the first and second laser beams when the first laser beam and the second laser beam are selectively emitted in FIG. 13 or 14.
  • 15A shows a state in which the workpiece W is irradiated with the first laser beam
  • FIG. 15B shows a state in which the workpiece W is irradiated with the second laser beam.
  • the beam diameter is shown on the upper side
  • the beam profile is shown on the lower side.
  • the beam profile is a characteristic indicating the relationship between the distance from the beam center of the first and second laser beams and the beam intensity.
  • the beam diameter of the first laser beam is adjusted so that the beam diameter at the position where the workpiece W is irradiated with the first laser beam becomes the first beam diameter DBL .
  • the beam diameter of the second laser beam is adjusted so that the beam diameter at the position where the workpiece W is irradiated with the second laser beam becomes the second beam diameter D IR .
  • the beam profiles of the first and second laser beams are typically Gaussian-type as shown in FIGS. 15A and 15B.
  • the beam profiles of the first and second laser beams may be a top hat type (flat top type) or a ring type, which is a Gaussian type beam profile.

Abstract

レーザ加工機（１０１～１０４）の加工ヘッド（１）は、第１及び第２伝送ファイバ（１１、２１）の端部より放射された第１及び第２レーザビームを被加工材Ｗに照射する。ビーム径調整機構は、加工ヘッド（１）内で第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作する。制御部は、ビーム径調整機構を制御し、第１レーザビームが被加工材（Ｗ）に照射する位置での第１レーザビームのビーム径である第１ビーム径（ＤＢＬ）と、第２レーザビームが被加工材（Ｗ）に照射する位置での第２レーザビームのビーム径である第２ビーム径（ＤＩＲ）との比率を、少なくとも被加工材（Ｗ）の材質に応じて調整する。

Description

レーザ加工機及びレーザ加工方法
　本開示は、レーザ加工機及びレーザ加工方法に関する。
　近年、レーザ加工機の新しい光源として青色レーザが注目されている。青色レーザの波長は約４５０ｎｍであり、従来加工用レーザとして主に用いられてきた赤外線レーザであるファイバレーザの波長約１０８０ｎｍと比較して短い。青色レーザは、赤外線レーザよりも光吸収率が高いため、赤外線レーザでは光吸収率が低く従来は加工が困難である銅板などの被加工材を加工する際の加工性を向上させることが期待されている。
　特許文献１には、青色レーザと赤外線レーザとを加工ヘッド内で互いに重畳させて被加工材を溶接するレーザ溶接方法が記載されている。青色レーザと赤外線レーザとを互いに重畳させることにより、青色レーザの光吸収率が高いという特長と赤外線レーザの高出力・高輝度化が容易であるという特長とを組み合わせることができる。青色レーザと赤外線レーザとを互いに重畳させて被加工材を加工するレーザ加工機は、銅板が厚板であっても加工が可能である。
　また、銅に対する光吸収率に関して、非特許文献１には、波長５３２ｎｍのグリーンレーザの光吸収率は、銅が予熱されてから溶融するまでの間（銅が非溶融状態の間）に最も光吸収率が高いことが記載されている。また、非特許文献２には、グリーンレーザよりも波長が短い青色レーザ及びＵＶレーザの方が、グリーンレーザよりも非溶融状態における銅への光吸収率が高いことが記載されている。
　一方、赤外線レーザの銅に対する光吸収率に関して、非特許文献１には、波長１０６４ｎｍの近赤外線レーザの光吸収率は、銅の温度上昇に伴って吸収率が高まることが記載されている。
中国特許出願公開第１１２４５３６９６号明細書
岡本、「銅の微細レーザ溶接における光吸収率と溶け込み深さの安定化に関する検討」、天田財団助成研究成果報告書、公益財団法人天田財団、２０１８年、３１巻、ｐ．３６２－３６７ Ｓ．Ｅｎｇｌｅｒ　ｅｔ　ａｌ．Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｎ　Ｌａｓｅｒ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｏｐｐｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｂｒｉｌｌｉａｎｔ　Ｇｒｅｅｎ　ａｎｄ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｌａｓｅｒｓ，ＰｈｙｓｉｃｓＰｒｏｃｅｄｉａ，１２，ｐ．３３９－３４６，２０１１．
　しかしながら、特許文献１に記載のように波長の異なる青色レーザと赤外線レーザとを重畳させて被加工材を加工する場合には、被加工材を高品質に加工することができないことがある。各種の被加工材をより高品質に加工することができるレーザ加工機及びレーザ加工方法が望まれている。
　１またはそれ以上の実施形態の第１の態様に係るレーザ加工機は、第１の波長を有する第１レーザビームを射出する第１レーザ発振器と、前記第１レーザ発振器より射出された前記第１レーザビームを伝送する第１伝送ファイバと、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２レーザビームを射出する第２レーザ発振器と、前記第２レーザ発振器より射出された前記第２レーザビームを伝送する第２伝送ファイバと、前記第１及び第２伝送ファイバの端部より射出された前記第１及び第２レーザビームを被加工材に照射する加工ヘッドと、前記加工ヘッド内で前記第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作することにより、前記第１レーザビームが前記被加工材に照射される位置での前記第１レーザビームのビーム径である第１ビーム径と、前記第２レーザビームが前記被加工材に照射される位置での前記第２レーザビームのビーム径である第２ビーム径との少なくとも一方を調整するビーム径調整機構と、前記ビーム径調整機構を制御し、前記第１ビーム径と前記第２ビーム径との比率を、少なくとも前記被加工材の材質に応じて調整する制御部と、を備える。
　１またはそれ以上の実施形態の第２の態様に係るレーザ加工方法は、第１レーザ発振器より射出された第１の波長を有する第１レーザビームと、第２レーザ発振器より射出された、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作することにより、前記第１レーザビームが前記被加工材に照射される位置での前記第１レーザビームのビーム径である第１ビーム径と、前記第２レーザビームが前記被加工材に照射される位置での前記第２レーザビームのビーム径である第２ビーム径との少なくとも一方を調整し、前記第１ビーム径と前記第２ビーム径との比率を、少なくとも前記被加工材の材質に応じて調整する。
　１またはそれ以上の実施形態に係るレーザ加工機及びレーザ加工方法は、第１及び第２レーザビームが被加工材に照射される位置での第１及び第２レーザビームのビーム径の比率を、少なくとも被加工材の材質に応じて適切に制御できる。
　１またはそれ以上の実施形態に係るレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、各種の被加工材を高品質に加工することができる。
図１は、第１実施形態に係るレーザ加工機の概略構成図である。 図２は、第１実施形態に係るレーザ加工機における第１及び第２レーザビームのビーム径比率を示す図である。 図３は、単レンズへの入射前後における一般的な光線のふるまいを示す図である。 図４Ａは、図１に示すレーザ加工機における第２コリメートレンズ２２及び集束レンズ２５のレンズ構成の一例を示す図である。 図４Ｂは、図４Ａに示す第２コリメートレンズを光軸方向に駆動した場合の、集束レンズから第２レーザ光の集束点までの距離の変化の一例を示す図である。 図５は、第２伝送ファイバの端部から第２コリメートレンズまでの距離の変化に対する、集束レンズから第２レーザ光の集束点までの距離の変化の一例を示す図である。 図６は、第２レーザビームのビーム径が第１レーザビームのビーム径よりも大きい場合の溶接品質を示す図である。 図７は、第１レーザビームのビーム径が第２レーザビームのビーム径よりも大きい場合の溶接品質を示す図である。 図８は、オペレータが加工条件名称を選択するための指示を入力する加工条件名称選択画面の一例を示す図である。 図９は、オペレータがビーム径比率を設定するための指示を入力する加工条件設定画面の一例を示す図である。 図１０は、第２実施形態に係るレーザ加工機の概略構成図である。 図１１は、第３実施形態に係るレーザ加工機の概略構成図である。 図１２は、第４実施形態に係るレーザ加工機の概略構成図である。 図１３は、第１～第４実施形態に係るレーザ加工機の第１及び第２レーザビームの射出方法の第１の変形例を示す図である。 図１４は、第１～第４実施形態に係るレーザ加工機の第１及び第２レーザビームの射出方法の第２の変形例を示す図である。 図１５Ａは、図１３または図１４において第１レーザビームが射出されているときの第１レーザビームのビーム径及びビームプロファイルの一例を示す図である。 図１５Ｂは、図１３または図１４において第２レーザビームが射出されているときの第２レーザビームのビーム径及びビームプロファイルの一例を示す図である。
　以下、各実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工機の加工方法について、添付図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態に係るレーザ加工機１０１の概略構成図である。図１において、レーザ加工機１０１は、第１レーザビームと、第１レーザビームの波長とは異なる波長を有する第２レーザビームとを重畳し、重畳された第１及び第２レーザビームを被加工材Ｗに照射することにより、被加工材Ｗを加工する加工機である。被加工材Ｗの加工には、被加工材Ｗの溶接、切断、穴開け（ピアシング）、焼き入れ等が含まれる。加工対象となる被加工材Ｗは、例えば銅板または伸銅である。加工対象となる被加工材Ｗは軟鋼板であってもよく、ステンレス鋼等の軟鋼板以外の鉄系の板金であってもよく、アルミニウム、アルミニウム合金などの板金であってもよい。
　レーザ加工機１０１は、第１レーザ発振器１０と、第１伝送ファイバ１１と、第２レーザ発振器２０と、第２伝送ファイバ２１と、加工ヘッド１と、を備える。また、レーザ加工機１０１は、ＮＣ装置（数値制御：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）３０と、操作表示部４０と、アシストガス供給装置（図示せず）とを備えている。ＮＣ装置３０は、レーザ加工機１０１の各部を制御する制御装置の一例である。
　第１レーザ発振器１０は、第１レーザビームを射出する。第１レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザビームを射出するレーザ発振器が好適である。また、第１レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅のうえ、非線形光学結晶等によって波長変換を行ったレーザビームを射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザビームを直接利用するレーザ発振器も好適である。第１実施形態においては、第１レーザ発振器１０は、青色半導体レーザ発振器である。第１実施形態においては、第１レーザ発振器１０が射出する第１レーザビームの波長λ１（第１の波長）は、４００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下である。すなわち、第１実施形態においては、第１レーザビームは青色レーザである。なお、第１レーザビームには、青色レーザの代わりに緑色レーザまたはＵＶレーザを用いてもよい。第１レーザビームの波長λ１は、４００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下に限定されるものではない。
　第１伝送ファイバ１１は、第１レーザ発振器１０より射出された第１レーザビームを加工ヘッド１へと伝送する。
　第２レーザ発振器２０は、波長λ１を有する第１レーザビームとは異なる波長を有する第２レーザビームを射出する。第２レーザ発振器２０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザビームを射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザビームを直接利用するレーザ発振器が好適である。第１実施形態においては、第２レーザ発振器２０は、例えばファイバレーザ発振器である。第１実施形態においては、第２レーザ発振器２０が射出する第２レーザビームの波長λ２（第２の波長）は、１０６０ｎｍ以上１０９０ｎｍ以下である。すなわち、第１実施形態においては、第２レーザビームは赤外線レーザである。第２レーザビームの波長λ２は、１０６０ｎｍ以上１０９０ｎｍ以下に限定されるものではない。
　第２伝送ファイバ２１は、第２レーザ発振器２０より射出された第２レーザビームを加工ヘッド１へと伝送する。
　加工ヘッド１は、第１及び第２伝送ファイバ１１、２１の端部より射出された第１及び第２レーザビームを互いに重畳し、重畳された第１及び第２レーザビームを被加工材Ｗに照射する。加工ヘッド１は、第１コリメートレンズ１２と、ベンドミラー１３と、第２コリメートレンズ２２と、コリメートレンズ駆動モータ２３と、ダイクロイックミラー２４と、集束レンズ２５と、保護ガラス２６と、を有する。第１コリメートレンズ１２、ベンドミラー１３、第２コリメートレンズ２２、ダイクロイックミラー２４及び集束レンズ２５は、予め光軸が調整された状態で加工ヘッド１内に配置されている。なお、図示を省略しているが、加工ヘッド１は、被加工材Ｗの表面と所定の距離だけ離れた状態で、被加工材Ｗの表面に沿って相対的に移動自在に構成されている。なお、加工ヘッド１を被加工材Ｗの表面に対して相対的に移動自在とする構成については、既知の構成であればよく、詳細な説明は省略する。
　第１コリメートレンズ１２には、第１伝送ファイバ１１の端部より射出された第１レーザビームが入射される。第１コリメートレンズ１２は、第１レーザビームの光軸上に配置され、入射された発散光の第１レーザビームを平行光化してコリメート光とする。第１コリメートレンズ１２から射出されたコリメート光の第１レーザビームは、ベンドミラー１３に入射される。ベンドミラー１３は、第１レーザビームの光軸上に配置され、入射された第１レーザビームを反射して、ダイクロイックミラー２４に入射させる。ベンドミラー１３は、第１レーザビームの進行方向を９０度曲げ、ダイクロイックミラー２４に入射させる。
　第２コリメートレンズ２２には、第２伝送ファイバ２１の端部より射出された第２レーザビームが入射される。第２コリメートレンズ２２は、第２レーザビームの光軸上に配置され、入射された発散光の第２レーザビームを平行光化してコリメート光とする。第２コリメートレンズ２２から射出されたコリメート光の第２レーザビームは、ダイクロイックミラー２４に入射される。
　コリメートレンズ駆動モータ２３は、加工ヘッド１内で第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作する。コリメートレンズ駆動モータ２３は、後述するＮＣ装置３０により制御される。コリメートレンズ駆動モータ２３は、ＮＣ装置３０による制御に基づき、第１レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第１レーザビームのビーム径である第１ビーム径ＤＢＬと、第２レーザビームが被加工材Ｗに照射する位置での第２レーザビームのビーム径である第２ビーム径ＤＩＲとの比率（以下、ビーム径比率という）を、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて調整する。ビーム径比率の調整方法の詳細については後述する。
　例えば、コリメートレンズ駆動モータ２３は、第２コリメートレンズ２２を、第２レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動する。コリメートレンズ駆動モータ２３は、例えば、第２コリメートレンズ２２を第２レーザビームの光軸方向に沿って移動させることにより、加工ヘッド１内で第２レーザビームの光学系を操作する。なお、コリメートレンズ駆動モータ２３は、第２コリメートレンズ２２を駆動させる代わりに、第１コリメートレンズ１２を第１レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動してもよい。また、コリメートレンズ駆動モータ２３は、第１コリメートレンズ１２を第１レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動し、且つ、第２コリメートレンズ２２を第２レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動してもよい。すなわち、コリメートレンズ駆動モータ２３は、第１及び第２コリメートレンズ１２、２２の少なくとも一方を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動する機構であればよい。
　コリメートレンズ駆動モータ２３は、第１及び第２コリメートレンズ１２、２２の少なくとも一方を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に手動で駆動する機構であってもよい。コリメートレンズ駆動モータ２３は、第１及び第２コリメートレンズの一方を手動、他方を自動で第１及び第２レーザビームの光軸方向に駆動する機構であってもよい。
　なお、コリメートレンズ駆動モータ２３はビーム径調整機構の一例であり、ビーム径調整機構は、コリメートレンズ駆動モータ２３に限定されない。ビーム径調整機構は、第１及び第２伝送ファイバ１１、２１の端部から射出されてから加工ヘッド１内で重畳されるまでの間で、第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作する機構であればよい。
　ダイクロイックミラー２４は、第２レーザビームの光軸上に配置され、それぞれコリメート光である第１レーザビームと第２レーザビームとが入射される。ダイクロイックミラー２４は、ベンドミラー１３によって反射されて入射された第１レーザビームを反射し、且つ、第２レーザビームを透過させる。ダイクロイックミラー２４は、第１レーザビームの進行方向を９０度曲げ、集束レンズ２５に入射させる。また、ダイクロイックミラー２４は、第２レーザビームを透過させ、集束レンズ２５に入射させる。すなわち、第１及び第２レーザビームは、ダイクロイックミラー２４により互いに重畳される。
　集束レンズ２５は、重畳されたコリメート光の第１及び第２レーザビームを、被加工材Ｗの加工点Ｐに集束させて、第１及び第２レーザビームの集束光を被加工材Ｗの加工点Ｐに照射する。第１及び第２レーザビームの集束光は、保護ガラス２６を透過して、被加工材Ｗの加工点Ｐに照射される。なお、集束レンズ２５は、手動または自動の機構により被加工材Ｗに近付けたり、被加工材Ｗから離れたりするように構成されてもよい。
　ＮＣ装置３０は、レーザ加工機１０１の各部を制御する制御装置である。ＮＣ装置３０は、コンピュータから構成されており、ＣＰＵ（中央処理装置：Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ－Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）を有している。ＮＣ装置３０には、操作表示部４０が接続されている。
　ＮＣ装置３０は、ＣＰＵがＲＯＭから各種プログラムを読み出し、ＲＡＭに展開し、展開したプログラムを実行することにより、各種の機能を実現する。
　ＮＣ装置３０は、加工プログラムを実行して、レーザ加工機１０１を制御する。加工プログラムは、被加工材Ｗを加工経路に沿って溶接して製品を溶接するために必要なレーザ加工機１０１の動作を定義するコードを含んでいる。加工プログラムは、ＣＡＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－Ａｉｄｅｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）などの外部装置によって作成されており、ＮＣ装置３０は、外部装置から加工プログラムを取得する。なお、外部装置は、作成した加工プログラムを、図示しないデータ管理サーバ内のデータベースに格納してもよい。この場合、ＮＣ装置３０は、データ管理サーバのデータベースに格納された加工プログラムを読み出すことで、加工プログラムを取得する。
　加工プログラムには、加工条件の設定、第１及び第２レーザビームの射出開始（射出のオン）及び第１及び第２レーザビームの射出停止（射出のオフ）、加工ヘッド１のある加工経路から次の加工経路への移動といった、製品を加工するために必要なレーザ加工機１０１の一連の動作を規定するコードが記述されている。例えば、製品を溶接する場合、加工プログラムには、製品の加工経路に沿って加工ヘッド１（第１及び第２レーザビーム）を移動させるコードが記述されている。また、被加工材Ｗから複数の製品を溶接する場合、加工プログラムには、複数の製品毎にコードが記述されている。第１実施形態においては、ＮＣ装置３０は、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに同時に照射されるように、第１及び第２レーザ発振器１０、２０を制御する。
　また、ＮＣ装置３０は、コリメートレンズ駆動モータ２３を制御し、ビーム径比率を、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて調整する。第１実施形態においては、ＮＣ装置３０は、第１ビーム径ＤＢＬが第２ビーム径ＤＩＲよりも大きくなるようにビーム径比率を調整する。また、第１実施形態においては、ＮＣ装置３０は、操作表示部４０で受け付けた、ビーム径比率を設定するための指示に基づいて、コリメートレンズ駆動モータ２３を制御する。ＮＣ装置３０は、コリメートレンズ駆動モータ２３を制御しつつ、加工プログラムに基づいて被加工材Ｗを加工するように、レーザ加工機１０１の各部を制御する。
　操作表示部４０は、ビーム径比率を設定するための指示をレーザ加工機１０１のオペレータから受け付ける。操作表示部４０は、オペレータがビーム径比率を設定するための指示を入力するために必要な画面を表示する。オペレータは、ビーム径比率を設定するための指示を入力するために操作表示部４０を操作する。オペレータは、操作表示部４０を操作することで、ＮＣ装置３０に対してビーム径比率を設定するための指示を入力することができる。操作表示部４０は、オペレータから入力された指示を、ＮＣ装置３０に送信する。なお、ビーム径比率を設定するための指示を受け付けて、ビーム径比率の調整を実現する具体的な方法については、後述する。
　操作表示部４０は、例えば、液晶パネルに装着されて液晶パネルに表示される情報に従って入力操作を行うことができるタッチパネルであってもよい。操作表示部４０は、表示部と操作部が別体であってもよい。
　被加工材Ｗを切断する場合には、図示しないアシストガス供給装置は、被加工材Ｗの切断加工時に、アシストガスを加工ヘッド１に供給する。アシストガス供給装置は、加工対象の被加工材Ｗが鉄系材の場合には、アシストガスとして酸素、窒素、または空気を使用可能である。アシストガスに酸素を用いる場合には、アシストガス供給装置は、過燃焼にならないようにガスの噴射状態を制御する。また、アシストガス供給装置は、被加工材Ｗがステンレス系材の場合には、アシストガスとして窒素または空気を使用可能である。加工ヘッド１に供給されたアシストガスは、加工ヘッド１の開口より被加工材Ｗに対して吹き付けられる。アシストガスは、被加工材Ｗが溶融したカーフ幅内の溶融金属を排出する。
　被加工材Ｗを溶接する場合には、図示しないシールドガス供給装置は、被加工材Ｗの溶接加工時に、被加工材Ｗの酸化反応を防ぐためにシールドガスを加工ヘッド１に供給する。シールドガスとしては、窒素またはアルゴンを使用可能である。加工ヘッド１に供給されたシールドガスは、加工ヘッド１の開口より被加工材Ｗに対して吹き付けられる。或いは、シールドガス噴射用ノズル（図示せず）を加工ヘッド１の側面に設けて、側面からシールドガスが被加工材Ｗに対して吹き付けられてもよい。シールドガスの噴出方法は、メインとサブに分けて複数の場所から噴出させる方法でもよく、特に限定されない。
　以上のように構成されるレーザ加工機１０１は、重畳された第１及び第２レーザビームによって被加工材Ｗを加工して、所定の形状または紋様等を有する製品を作製することができる。
［ビーム径比率の調整方法］
　ここで、ビーム径比率の調整方法について、図２～図５を参照して説明する。図２は、レーザ加工機１０１における第１及び第２レーザビームのビーム径比率を示している。ビーム径比率とは、加工ヘッド１より射出された第１レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第１レーザビームのビーム径である第１ビーム径ＤＢＬと、第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第２レーザビームのビーム径である第２ビーム径ＤＩＲの比率である。ビーム径比率は、例えば、第１ビーム径ＤＢＬを第２ビーム径ＤＩＲで除することにより算出される。ビーム径比率は、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて適切な値が設定されている。ビーム径比率は、被加工材Ｗの材質、板厚、加工レンズ（集束レンズ２５）の厚さ等の組み合わせである加工条件に応じて設定されていてもよい。
　図３は、単レンズへの入射前後における一般的な光線のふるまいを示している。まず、図３において、一様媒質で満たされた長さｚの直線部後方に、焦点距離ｆの集束レンズ２５（単レンズ）があるとする。この場合、任意の位置ｚにおける光線を列ベクトルで表すと、任意の位置ｚにおける光線は、下記の式（１）で表すことができる。式（１）において、（ｒｏｕｔ,ｒ'ｏｕｔ)は集束レンズ２５からの放射光線を示す。式（１）において、(ｒｉｎ,ｒ'ｉｎ)は、集束レンズ２５への入射光線を示す。式（１）において、ｒは光線が集束レンズ２５に入射した位置での光軸から光線までの距離を示し、ｒ'は光線の傾きを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　図４Ａは、図１に示すレーザ加工機１０１における第２コリメートレンズ２２及び集束レンズ２５のレンズ構成の一例を示している。図４Ａにおいて、第２コリメートレンズ２２の焦点距離をｆ１、集束レンズ２５の焦点距離をｆ２とする。また、第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離をｄ０、第２コリメートレンズ２２から集束レンズ２５までの距離をｄ１、集束レンズ２５から第２レーザビームの集束点までの距離をｄ２とする。この場合、式（１）は、下記の式（２）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　また、式（２）は、下記の式（３）の形式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（３）におけるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、式（２）から算出できる。式（３）におけるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、式（２）から、下記の式（４）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、第１実施形態では、式（３）のうちＢを含む式について、Ｂ・ｒ’ｉｎ＝０、すなわちＢ＝０とすることができる。したがって、式（４）におけるＢの式から、集束レンズ２５から第２レーザビームの集束点までの距離ｄ２は下記の式（５）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式（５）に示すように、第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離ｄ０が変化すると、集束レンズ２５から第２レーザビームの集束点までの距離ｄ２が変化する。図４Ｂは、図４Ａに示す第２コリメートレンズ２２を光軸方向に駆動した場合の、集束レンズ２５から第２レーザビームの集束点までの距離の変化の一例を示している。図４Ｂに示すように、第２コリメートレンズ２２を光軸方向の負の方向に駆動し、第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離ｄ０が、距離ｄ０’に変化したとする。この場合、集束レンズ２５から第２レーザビームの集束点までの距離ｄ２は、光軸方向の負の方向に移動し、距離ｄ２’に変化する。
　図５は、第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離ｄ０の変化に対する、集束レンズ２５から第２レーザビームの集束点までの距離ｄ２の変化の一例を示している。図５においては、第２コリメートレンズ２２の焦点距離ｆ１が１００ｍｍ、集束レンズ２５の焦点距離ｆ２が１００ｍｍ、第２コリメートレンズ２２から集束レンズ２５までの距離ｄ１が３００ｍｍであるとする。この場合、距離ｄ０が８５ｍｍのとき、距離ｄ２は１１３ｍｍとなる。距離ｄ０が９０ｍｍのとき、距離ｄ２は１０９．１ｍｍとなる。距離ｄ０が９５ｍｍのとき、距離ｄ２は１０４．８ｍｍとなる。距離ｄ０が１００ｍｍのとき、距離ｄ２は１００ｍｍとなる。距離ｄ０が１０５ｍｍのとき、距離ｄ２は９４．７ｍｍとなる。距離ｄ０が１１０ｍｍのとき、距離ｄ２は８８．９ｍｍとなる。距離ｄ０が１１５ｍｍのとき、距離ｄ２は８２．４ｍｍとなる。
　このように、第２コリメートレンズ２２を第２レーザビームの光軸方向に駆動させることによって、集束レンズ２５から第２レーザビームの集束点までの距離ｄ２を変化させることができる。距離ｄ２を変化させることにより第２ビーム径ＤＩＲを変化させることができ、ビーム径比率を、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて調整することができる。同様に、第１コリメートレンズ１２を第１レーザビームの光軸方向に駆動させることによって、第１ビーム径ＤＢＬを変化させても、ビーム径比率を調整することができる。
　また、第１コリメートレンズ１２を第１レーザビームの光軸方向に駆動させることによって、第１ビーム径ＤＢＬを変化させ、第２コリメートレンズ２２を第２レーザビームの光軸方向に駆動させることによって、第２ビーム径ＤＩＲを変化させて、ビーム径比率を調整することもできる。すなわち、ビーム径調整機構は、第１及び第２コリメートレンズ１２、２２の少なくとも一方を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に駆動する機構であればよい。また、ビーム径調整機構は、第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離ｄ０を変化させるために、第１及び第２伝送ファイバ２１の少なくとも一方の端部を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に移動させる機構であってもよい。
　なお、第１及び第２コリメートレンズ１２、２２の少なくとも一方を駆動することにより、ビーム径比率を調整するだけでなく、第１及び第２コリメートレンズ１２、２２の少なくとも一方と、集束レンズ２５とを第１及び第２レーザの光軸方向に駆動する構成としてもよい。この場合、式（５）における第１及び第２コリメートレンズ１２、２２から集束レンズ２５までの距離ｄ１と、集束レンズ２５から第１及び第２レーザビームの集束点までの距離ｄ２の双方を変化させることにより、ビーム径比率を調整できる。
［ビーム径比率の加工品質への影響］
　ここで、ビーム径比率が加工品質に与える影響について、図６及び図７を参照して説明する。図６及び図７は、ビーム径比率と溶接品質の関係を示している。第１実施形態においては、第１レーザビームは、波長がλ１の青色レーザＢＬであり、第２レーザビームは、波長がλ２のファイバレーザＩＲである。図６に示すように、第２ビーム径ＤＩＲが、第１ビーム径ＤＢＬよりも大きくなると、第２ビーム径ＤＩＲに対する第１ビーム径ＤＢＬの比率が小さくなる。この場合、溶接個所において、第１レーザビームによる溶融プールが形成される範囲が少なくなり、第２レーザビームでの過熱が主体的となり、溶接個所において、急激な温度変化と溶融部の湯流れの乱れが発生しやすくなる。それにより、キーホールが不安定化したり、溶接個所の周囲にスパッタが付着したり、ブローホールが発生したりすることがある。具体的な例として、ビーム径比率を０．９１とし、板厚が１ｍｍの銅板に出力２ｋＷの第１レーザビームと、出力３ｋＷの第２レーザビームを重畳し、加工ヘッド１を速度８ｍ／分で溶接した場合には、スパッタの付着が発生し、ビード面が不安定となった。
　一方、図７に示すように、第１ビーム径ＤＢＬが、第２ビーム径ＤＩＲよりも大きくなると、第２ビーム径ＤＩＲに対する第１ビーム径ＤＢＬの比率が大きくなる。この場合、第２レーザビームの外側に第１レーザビームによる溶融プールが形成される。ビーム径比率が適正な場合、第２レーザビームの外側に十分な範囲に溶融プールが形成され、中心部の第２レーザビームのキーホールが安定する。また、後方の湯流れも安定するため、上部への湯流れの急激な乱れもなく、スパッタが発生しにくく、ビード面が安定する。具体的な例として、ビーム径比率を２．２１とし、板厚が１ｍｍの銅板に出力２ｋＷの第１レーザビームと、出力３ｋＷの第２レーザビームを重畳し、加工ヘッド１を速度８ｍ／分で溶接した場合には、スパッタの付着が抑制され、ビード面が安定することが確認された。
　したがって、第１ビーム径ＤＢＬを第２ビーム径ＤＩＲよりも大きくすることが好ましい。第１ビーム径ＤＢＬが第２ビーム径ＤＩＲよりも大きくなるように、ビーム径比率を少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて適切な値に調整することにより、高品質な溶接が可能となる。なお、ビーム径比率は約２が好ましいが、すべての被加工材に対して、ビーム径比率を約２に限定するものではない。
［ビーム径比率の調整の実現方法］
　次に、ビーム径比率の調整を実現する具体的な方法について、図８及び図９を参照して説明する。第１実施形態のレーザ加工機１０１においては、加工開始前に、ＮＣ装置３０がオペレータからビーム径比率を設定するための指示を受け付けることにより、ビーム径調整機構であるコリメートレンズ駆動モータ２３を制御して、ビーム径比率を調整する。
　図８は、操作表示部４０に表示される、オペレータが加工条件名称を選択するための指示を入力する加工条件名称選択画面４１の一例を示している。加工条件名称選択画面４１には、例えば図８に示すように、加工対象となる被加工材Ｗの材質、板厚、及び集束レンズ２５（加工レンズ）の厚さの組み合わせに対応付けられた加工条件名称が表示される。加工条件名称選択画面４１は、オペレータが加工条件名称を選択するための加工条件名称選択部を備えている。加工条件名称選択部は、オペレータから、加工条件名称の選択の要求を受け付けることができる。オペレータは、加工条件名称を選択することにより、ＮＣ装置３０に、選択した加工条件名称に対応する加工条件設定画面４３を呼び出す指示を入力することができる。オペレータは、例えば図８に示すように、加工条件名称が「ＳＥＣＣ－ｔ１．２」である加工名称選択部４２を選択することにより、ＮＣ装置３０に、選択した加工条件名称「ＳＥＣＣ－ｔ１．２」に対応する加工条件設定画面４３を呼び出す指示を入力することができる。
　加工条件名称選択画面４１におけるＳＥＣＣは電気亜鉛めっき鋼板を示し、ＳＰＣは冷間圧延鋼板を示す。
　オペレータが、加工名称を選択した場合、すなわち、ＮＣ装置３０が加工条件名称に対応する加工条件設定画面を呼び出す指示を受け付けた場合には、ＮＣ装置３０は、操作表示部４０に、加工条件名称に対応する加工条件設定画面４３を表示する。図９は、操作表示部４０に表示される、オペレータがビーム径比率を設定するための指示を入力する加工条件設定画面４３の一例を示している。加工条件設定画面４３は、例えば、加工条件個別プログラム番号表示部４４と、加工条件表示部とを備えている。
　加工条件個別プログラム番号表示部４４には、加工条件名称に対応する少なくとも１以上の加工プログラムの番号である「Ｅ　Ｎｏ．」が表示される。加工条件表示部には、加工プログラム毎の設定項目が表示される。例えば図９に示すように、加工プログラム番号「Ｅ　Ｎｏ．８」の設定項目が、加工条件表示部４５に表示される。設定項目は、例えば、加工速度である「速度」、第１レーザビームの「出力」、「周波数」及び「デューティ」、第２レーザビームの「出力」、「周波数」及び「デューティ」、アシストガス装置により供給されるアシストガスの「ガス流量」及び「ガス種」、「ポジションｄ０」、「ビーム径比率」である。なお、「ポジションｄ０」は、第１実施形態においては、第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離ｄ０を意味する。
　加工条件設定画面４３は、加工条件表示部に、コリメートレンズ位置入力部と、ビーム径比率表示部とを備える。例えば図９に示すように、加工条件表示部４５の設定項目「ポジションｄ０」の位置に、コリメートレンズ位置入力部４６を備え、設定項目「ビーム径比率」の位置に、ビーム径比率表示部４７を備える。
　加工条件設定画面４３は、ビーム径比率を設定するための指示として、第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離ｄ０をレーザ加工機１０１のオペレータから受け付ける。具体的には、加工条件設定画面４３は、オペレータから、ビーム径比率を設定するための指示として、「ポジションｄ０」の設定値を受け付ける。オペレータは、コリメートレンズ位置入力部４６に、「ポジションｄ０」の設定値を入力することにより、ビーム径比率を設定するための指示を入力することができる。ＮＣ装置３０は、受け付けた「ポジションｄ０」の設定値に基づいて、ビーム径比率を算出し、算出したビーム径比率の値を、ビーム径比率表示部４７に表示させる。
　ここで、「ポジションｄ０」の設定値に基づいて、ビーム径比率を算出する方法について説明する。図１に示すレーザ加工機１０１において、ｗ１を第２伝送ファイバ２１の端部での第２レーザビームのビーム径、ｗ２を集束点での第２レーザビームのビーム径、Ｍ２をレーザビームの品質を示す値、λ２を第２レーザビームの波長、Ｃ及びＤを、式（４）で示した式とすると、第２レーザビームの光線は、下記の式（６）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　また、ｄｗをビームウエスト位置での第２レーザビームのビーム径、ｚ０を第２レーザビームのウエスト位置、ｚを第２レーザビームの光軸方向に沿った任意の位置、θをビームの発散角とすると、第２レーザビームの光軸方向に沿った任意の位置ｚにおける第２レーザビームのビーム径ｄ（ｚ）は、下記の式（７）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　上記の式（６）と式（７）を組み合わせることにより、第２レーザビームの光学系の任意の位置におけるビーム径を算出できる。したがって、「ポジションｄ０」の設定値に基づいて、第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置でのビーム径である第２ビーム径ＤＩＲを算出できる。第１レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置でのビーム径である第１ビーム径ＤＢＬとの関係から、ビーム径比率を算出できる。これにより、「ポジションｄ０」の設定値に基づいて、ビーム径比率をビーム径比率表示部４７に表示できる。
　ＮＣ装置３０は、操作表示部４０で受け付けたビーム径比率を設定するための指示に従って、コリメートレンズ駆動モータ２３を制御する。具体的には、ＮＣ装置３０は加工条件設定画面４３で受け付けた「ポジションｄ０」の設定値に基づいて、コリメートレンズ駆動モータ２３を駆動し、第２コリメートレンズ２２の位置を移動させる。そして、ＮＣ装置３０は、加工プログラムを実行し、被加工材Ｗの加工を実行する。
　なお、加工条件設定画面４３は、ビーム径比率を設定するための指示として、第１伝送ファイバ１１の端部から第１コリメートレンズ１２までの距離を「ポジションｄ０」の設定値として受け付けて、ビーム径比率を算出してもよい。この場合、ＮＣ装置３０は、加工条件設定画面４３で受け付けた「ポジションｄ０」の設定値に基づいて、コリメートレンズ駆動モータ２３を駆動し、第１コリメートレンズ１２の位置を移動させる。また、加工条件設定画面４３は、ビーム径比率を設定するための指示として、第１伝送ファイバ１１の端部から第１コリメートレンズ１２までの距離及び第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離を「ポジションｄ０」の設定値として受け付けて、ビーム径比率を算出してもよい。この場合、ＮＣ装置３０は、加工条件設定画面４３で受け付けた「ポジションｄ０」の設定値に基づいて、コリメートレンズ駆動モータ２３を駆動し、第１及び第２コリメートレンズ１２、２２の位置を移動させる。
　すなわち、加工条件設定画面４３は、ビーム径比率を設定するための指示として、第１伝送ファイバ１１の端部から第１コリメートレンズ１２までの距離及び第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離の少なくとも一方の距離をレーザ加工機１０１のオペレータから受け付けてもよい。
　ビーム径比率が、被加工材Ｗの材質と板厚との組み合わせに応じて設定されていてもよい。この場合、被加工材Ｗの複数の板厚を２つまたはそれ以上の群に分け、被加工材Ｗの材質と板厚が属する群との組み合わせに応じて、ビーム径比率が設定されるのがよい。
［作用効果］
　以上説明したように、第１実施形態によれば以下の作用効果が得られる。
　レーザ加工機１０１は、第１レーザ発振器１０と、第１伝送ファイバ１１と、第２レーザ発振器２０と、第２伝送ファイバ２１と、加工ヘッド１と、ビーム径調整機構（コリメートレンズ駆動モータ２３）と、制御部（ＮＣ装置３０）とを備える。第１レーザ発振器１０は、第１の波長を有する第１レーザビームを射出する。第１伝送ファイバ１１は、第１レーザ発振器１０より射出された第１レーザビームを伝送する。第２レーザ発振器２０は、第１の波長の異なる第２の波長を有する第２レーザビームを射出する。第２伝送ファイバ２１は、第２レーザ発振器２０より射出された第２レーザビームを伝送する。加工ヘッド１は、第１及び第２伝送ファイバ１１、２１の端部より射出された第１及び第２レーザビームを互いに重畳し、重畳された第１及び第２レーザビームを被加工材Ｗに照射する。ビーム径調整機構は、加工ヘッド１内で第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作することにより、第１ビーム径ＤＢＬと、第２ビーム径ＤＩＲとの少なくとも一方を調整する。制御部は、ビーム径調整機構を制御し、第１ビーム径ＤＢＬと第２ビーム径ＤＩＲとの比率を、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて調整する。
　また、ビーム径調整機構は、第１及び第２伝送ファイバ１１、２１の端部から射出されてから加工ヘッド１内で重畳されるまでの間の第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作する機構である。
　これにより、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第１及び第２レーザビームのビーム径比率を、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて適切に制御できる。波長の異なる第１及び第２レーザビームを重畳させるレーザ加工機において、各種の被加工材Ｗを高品質に加工することができる。
　レーザ加工機１０１は、ビーム径比率を設定するための指示をレーザ加工機１０１のオペレータから受け付ける操作部（操作表示部４０）をさらに備える。制御部は、操作部で受け付けた指示に従って、ビーム径調整機構を制御する。これにより、レーザ加工機１０１によれば、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第１及び第２レーザビームのビーム径比率を、オペレータによる入力に従って指定または変更できる。レーザ加工機１０１によれば、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて、ビーム径比率を設定できる。
　加工ヘッド１は、第１伝送ファイバ１１の端部より射出された第１レーザビームが入射される第１コリメートレンズ１２と、第２伝送ファイバより射出された第２レーザビームが入射される第２コリメートレンズ２２とを有する。ビーム径調整機構は、第１及び第２コリメートレンズの少なくとも一方を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動する機構である。第１及び第２コリメートレンズの少なくとも一方を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に移動させるよう駆動することにより、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第１及び第２レーザビームのビーム径比率を、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて適切に制御できる。
　操作部は、ビーム径比率を設定するための指示として、第１伝送ファイバ１１の端部から第１コリメートレンズ１２までの距離である第１距離及び第２伝送ファイバ２１の端部から第２コリメートレンズ２２までの距離である第２距離の少なくとも一方の距離ｄ０をオペレータから受け付ける。これにより、オペレータによる入力に従って、第１及び第２コリメートレンズの少なくとも一方を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に駆動することができる。第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第１及び第２レーザビームのビーム径比率を、オペレータによる入力に従って、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて適切に制御できる。
　第１レーザビームの波長λ１は例えば４００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、第２レーザビームの波長λ２は例えば１０６０ｎｍ以上１０９０ｎｍ以下である。第１レーザビームに青色レーザを用い、第２レーザビームにファイバレーザを用いる。青色レーザによる短波長の光吸収率を生かし、銅などの従来のファイバレーザ単体では加工が困難であった被加工材への安定した入熱を実現できる。溶融むらを抑制し、スパッタ及びブローホールを抑制できる。青色レーザの強みに、ファイバレーザによる更新度、高速加工の強みを組み合わせることで、加工精度と加工速度などを両立した溶接が実現できる。
　制御部は、第１ビーム径ＤＢＬが第２ビーム径ＤＩＲよりも大きくなるようにビーム径比率を調整する。青色レーザがファイバレーザの外側に溶融プールを形成できる。適正なビーム径比率の場合、十分な範囲に溶融プールが形成され、中心部のファイバレーザのキーホールの不安定化を抑制できる。加工方向の湯流れが安定し、スパッタ及びブローホールを抑制できる。
　また、ビーム径調整機構は、第１及び第２伝送ファイバ１１、２１の少なくとも一方の端部を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に移動させる機構であってもよい。第１及び第２伝送ファイバ１１、２１の少なくとも一方の端部を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に移動させることにより、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置での第１及び第２レーザビームのビーム径比率を、少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて適切に制御できる。
［第２実施形態］
　第１実施形態においては、ビーム径調整機構の一例として、コリメートレンズ駆動モータ２３により、第１及び第２コリメートレンズ１２、２２の少なくとも一方を、第１及び第２レーザビームの光軸方向に駆動する機構を備える。ビーム径調整機構は、第１ビーム径ＤＢＬ及び第２ビーム径ＤＩＲの少なくとも一方を拡大または縮小させるズーム機構であってもよい。図１０は、ズーム機構２７を備える第２実施形態に係るレーザ加工機１０２の概略構成図である。図１０のレーザ加工機１０２は、図１の第２コリメートレンズ２２及びコリメートレンズ駆動モータ２３の代わりに、ズーム機構２７を備える。図１０において、図１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。
　ズーム機構２７は、例えば、第２伝送ファイバ２１の端部と、ダイクロイックミラー２４との間に配置される。ズーム機構２７は、２枚以上のレンズと、レンズを第２レーザビームの光軸方向に移動させるレンズ駆動モータ２８とを有する。ズーム機構２７のレンズの光軸は、集束レンズ２５の光軸と一致している。図１０において、ズーム機構２７のレンズは二枚の凸レンズにより構成されているが、レンズの数は２枚に限定されない。また、ズーム機構２７のレンズは、凸レンズ、凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、または凹凸レンズにより構成されてもよく、曲面が球面である球面レンズまたは曲面が非球面である非球面レンズにより構成されてもよい。ズーム機構２７のレンズ詳細な構成については、特に限定されない。
　レンズ駆動モータ２８は、ＮＣ装置３０により制御される。レンズ駆動モータ２８は、ズーム機構２７のレンズを第２レーザビームの光軸方向に沿って駆動することにより、加工ヘッド１内で第２レーザビームの光学系を操作して、第２ビーム径ＤＩＲを拡大及び縮小させる。ズーム機構２７によるビーム径の拡大及び縮小方法については、既知の技術であるため、説明を省略する。
　なお、ズーム機構２７は、第２伝送ファイバ２１の端部と、ダイクロイックミラー２４との間に配置される代わりに、第１伝送ファイバ１１の端部と、ベンドミラー１３との間に配置されてもよい。この場合、レンズ駆動モータ２８は、ズーム機構２７のレンズを第１レーザビームの光軸方向に駆動することにより、第１ビーム径ＤＢＬを拡大または縮小させる。また、ズーム機構２７は、第１伝送ファイバ１１の端部と、ベンドミラー１３との間に配置され、且つ、第２伝送ファイバ２１の端部と、ダイクロイックミラー２４との間に配置されてもよい。この場合、レンズ駆動モータ２８は、ズーム機構２７のレンズを第１及び第２レーザビームの光軸方向に駆動することにより、第１及び第２ビーム径ＤＢＬ、ＤＩＲを拡大または縮小する。
　すなわち、ズーム機構２７は、第１及び第２ビーム径の少なくとも一方を拡大または縮小させる機構であればよい。第１及び第２ビーム径ＤＢＬ、ＤＩＲの少なくとも一方を拡大または縮小させることにより、ズーム機構２７は、加工ヘッド１内で第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光学系を操作して、ビーム径比率を被加工材Ｗの材質に応じて調整できる。これにより、波長の異なる第１及び第２レーザビームを波長重畳させるレーザ加工機において、各種の被加工材Ｗを高品質に加工することができる。
［第３実施形態］
　ビーム径調整機構は、第１及び第２レーザビームの少なくとも一方の光軸上に曲率可変ミラーを有する機構であってもよい。例えば、図１１は、第１レーザビームの光軸上に曲率可変ミラー１４を備える第３実施形態に係るレーザ加工機１０３の概略構成図である。図１１のレーザ加工機１０３は、図１のコリメートレンズ駆動モータ２３を備えず、図１のベンドミラー１３の代わりに、曲率可変ミラー１４を備える。図１１において、図１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。
　曲率可変ミラー１４は、例えば、第１レーザビームの光軸上に配置され、第１コリメートレンズ１２から射出された第１レーザビームを反射して、ダイクロイックミラー２４に入射させる。曲率可変ミラー１４は、反射面の曲率を自在に変更調整可能に設けられている。曲率可変ミラー１４の制御方法には電気的なピエゾアクチュエータ式、空気圧制御式、液体圧制御式等があり、曲率可変ミラー１４は、ＮＣ装置３０により制御される。曲率可変ミラー１４は、反射面の曲率を調整することにより、ダイクロイックミラー２４に入射する第１レーザビームのビーム径を調整する。すなわち、ダイクロイックミラー２４により反射され、集束レンズ２５に入射される第１レーザビームのビーム径を調整することができる。曲率可変ミラー１４によるビーム径の調整については、既知の技術であるため、説明を省略する。集束レンズ２５に入射される第１レーザビームのビーム径を調整することにより、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射する位置での第１及び第２ビーム径ＤＢＬ、ＤＩＲのビーム径比率を調整できる。
　なお、曲率可変ミラーは、第１レーザビームの光軸上に配置される代わりに、第２レーザビームの光軸上に配置されてもよい。例えば、レーザ加工機１０３は、図１１の第１レーザ発振器１０、第１伝送ファイバ１１及び第１コリメートレンズ１２と、第２レーザ発振器２０、第２伝送ファイバ２１及び第２コリメートレンズ２２とを入れ替えた構成としてもよい。この場合、曲率可変ミラー１４は、反射面の曲率を調整することにより、ダイクロイックミラー２４に入射する第２レーザビームのビーム径を調整する。すなわち、ダイクロイックミラー２４により反射され、集束レンズ２５に入射される第２レーザビームのビーム径を調整することができる。
［第４実施形態］
　図１２に示すような構成により、曲率可変ミラーは、第２レーザビームの光軸上に配置されてもよい。図１２は、第２レーザビームの光軸上に曲率可変ミラー１５を備える第４実施形態に係るレーザ加工機１０４の概略構成図である。図１２のレーザ加工機１０４は、図１のコリメートレンズ駆動モータ２３を備えず、第２レーザビームの光軸上の第２コリメートレンズ２２とダイクロイックミラー２４の間に、曲率可変ミラー１５と、ベンドミラー２９とを備える。曲率可変ミラー１５の特性は図１１の曲率可変ミラー１４と同様であり、曲率可変ミラー１５は、ＮＣ装置３０により制御される。図１２において、図１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。
　図１２において、曲率可変ミラー１５は、第２コリメートレンズ２２から射出された第２レーザビームの光軸上に配置され、第２コリメートレンズ２２から射出された第２レーザビームを反射して、ベンドミラー２９に入射させる。曲率可変ミラー１５は、反射面の曲率を調整することにより、ベンドミラー２９に入射する第２レーザビームのビーム径を調整する。ベンドミラー２９は、曲率可変ミラー１５によりビーム径が調整された第２レーザビームを反射して、ダイクロイックミラー２４に入射させる。ダイクロイックミラー２４は、ベンドミラー１３により入射された第１レーザビームを反射し、ベンドミラー２９により入射された第２レーザビームを透過させる。
　すなわち、図１２において、曲率可変ミラー１５は、反射面の曲率を調整することにより、ダイクロイックミラー２４を透過して、集束レンズ２５に入射される第２レーザビームのビーム径を調整することができる。集束レンズ２５に入射される第２レーザビームのビーム径を調整することにより、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射する位置での第１及び第２ビーム径ＤＢＬ、ＤＩＲのビーム径比率を調整できる。
　さらに、曲率可変ミラーは、第１レーザビームの光軸上に配置され、且つ、第２レーザビームの光軸上に配置されてもよい。この場合、例えば、レーザ加工機１０４は、図１２のベンドミラー１３の代わりに、曲率可変ミラー１４を備えてもよい。この場合、曲率可変ミラー１４、１５は、集束レンズ２５に入射される第１及び第２レーザビームのビーム径を調整することができる。集束レンズ２５に入射される第１及び第２レーザビームのビーム径を調整することにより、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに照射する位置での第１及び第２ビーム径ＤＢＬ、ＤＩＲのビーム径比率を調整できる。
　すなわち、ビーム径調整機構は、第１レーザビームの光軸上の第１コリメートレンズ１２とダイクロイックミラー２４の間に配置される第１のミラーと、第２レーザビームの光軸上の第２コリメートレンズ２２とダイクロイックミラー２４の間に配置される第２のミラーの少なくとも一方を曲率可変ミラーとする機構であればよい。第１及び第２のミラーの少なくとも一方を曲率可変ミラーとすることにより、ビーム径比率を少なくとも被加工材Ｗの材質に応じて調整できる。これにより、波長の異なる第１及び第２レーザビームを
波長重畳させるレーザ加工機において、各種の被加工材を高品質に加工することができる。
　［変形例］
　第１～第４実施形態の変形例について説明する。第１～第４実施形態においては、ＮＣ装置３０は、第１及び第２レーザビームが被加工材Ｗに同時に照射されるように、第１及び第２レーザ発振器１０、２０を制御する。ところで、銅が非溶融状態であるとき、青色レーザの銅への光吸収率は赤外線レーザの銅への光吸収率よりも高いことが知られている。したがって、銅の予熱が開始されてから銅が溶融するまでの間は、青色レーザによって高い熱効率で銅の予熱が可能である。また、赤外線レーザの光吸収率は銅の温度上昇に伴って高まるため、銅の溶融が開始してから銅の温度がさらに上昇していく間は、赤外線レーザを高出力で照射することにより、赤外線レーザによっても高い熱効率で銅の溶接が可能である。
　したがって、第１～第４実施形態において、ＮＣ装置３０は、図１３に示すように、例えば、第１レーザビーム（青色レーザＢＬ）を被加工材Ｗが溶融するまでの第１所定時間Ｔ１だけ射出した後に、第１レーザビームの射出を停止し、第１レーザビームの停止後に第２レーザビーム（ファイバレーザＩＲ）を第２所定時間Ｔ２だけ射出するように、第1及び第２レーザ発振器１０、２０を制御してもよい。このレーザビームの射出方法は、スポット溶接を行う場合にも連続溶接を行う場合にも適用可能である。
　被加工材Ｗの加工点Ｐにおいてスポット溶接を行う場合、ＮＣ装置３０は、例えば、被加工材Ｗの加工点Ｐにおいて第１レーザビームの射出をオンにして被加工材Ｗの予熱を開始し、第１所定時間Ｔ１が経過して被加工材Ｗの溶融が始まると、第１レーザビームの射出をオフにする。ＮＣ装置３０は、第１レーザビームの射出をオフにしたタイミングで、第２レーザビームの射出をオンにする。ＮＣ装置３０は、第２レーザビームの射出をオンにした状態で、第１レーザビームにより予熱した被加工材Ｗを溶接加工する。その後、ＮＣ装置３０は、第２所定時間Ｔ２が経過し、第２レーザビームにより溶接が完了すると、第２レーザビームの射出をオフにし、溶接加工を完了する。第１所定時間Ｔ１と第２所定時間Ｔ２とは同じ時間であってもよいし、異なる時間であってもよい。
　これにより、ＮＣ装置３０は、第１及び第２レーザビームを同時に照射することなく、より高効率に被加工材Ｗを加工することができる。
　また、被加工材Ｗの加工点Ｐを始点として連続溶接を行う場合、ＮＣ装置３０は、例えば、被加工材Ｗの加工点Ｐにおいて加工ヘッド１が停止した状態で第１レーザビームの射出をオンにして被加工材Ｗの予熱を開始し、第１所定時間Ｔ１が経過して被加工材Ｗの溶融が始まると、第１レーザビームの射出をオフにする。第１レーザビームにより被加工材Ｗに吸収された熱は、熱伝導によって被加工材Ｗの内部に伝わる。なお、第１所定時間Ｔ１は、例えば１ｍｓ以下でも成り立つ。第１所定時間Ｔ１が１ｍｓ以下である場合には、第１所定時間Ｔ１が加工ヘッド１の移動速度に対し十分に短いと言える。第１所定時間Ｔ１が加工ヘッド１の移動速度に対し十分に短い場合には、ＮＣ装置３０は、加工ヘッド１を被加工材Ｗの加工点Ｐから加工経路に沿って移動させながら第１レーザビームの射出をオンにし、第１所定時間Ｔ１が経過すると、第１レーザビームの射出をオフにしてもよい。
　ＮＣ装置３０は、第１レーザビームの射出をオフにしたタイミングで、第２レーザビームの射出をオンにする。ＮＣ装置３０は、第２レーザビームの射出をオンにした状態で、加工経路に沿って加工ヘッドを移動させながら、加工経路を溶接加工する。その後、ＮＣ装置３０は、第２所定時間Ｔ２が経過し、第２レーザビームにより加工経路の溶接が完了すると、第２レーザビームの射出をオフにし、溶接加工を完了する。
　これにより、ＮＣ装置３０は、第１及び第２レーザビームを同時に照射することなく、より高効率に被加工材Ｗを加工することができる。なお、ＮＣ装置３０は、第２レーザビームをオンにした後に、第２レーザビームから第１レーザビームに切り替えて、加工経路の途中で第１レーザビームを射出し、再度第１レーザビームから第２レーザビームに切り替えるように、第１及び第２レーザ発振器１０、２０を制御してもよい。
　なお、図１３において、ＮＣ装置３０は、第２レーザビームの射出をオフにした後に、再度第１レーザビームの射出をオンにして、加工経路の後熱処理を行ってもよい。第１レーザビームを用いて後熱処理を行うことにより、被加工材Ｗを高品質且つ高効率に加工することができる。
　また、第１～第４実施形態において、ＮＣ装置３０は、図１４に示すように、例えば、第１レーザビームと第２レーザビームを交互に、第１レーザビームを第３所定時間Ｔ３だけ射出し、第２レーザビームを第４所定時間Ｔ４だけ射出するように、第1及び第２レーザ発振器１０、２０を制御してもよい。このレーザビームの射出方法は、スポット溶接を行う場合にも連続溶接を行う場合にも適用可能であり、連続溶接を行う場合に特に有効である。
　連続溶接を行う場合、ＮＣ装置３０は、例えば、被加工材Ｗの加工経路上で第１レーザビームによる加工経路の予熱を第３所定時間Ｔ３だけ、第２レーザビームによる加工経路の溶接を第４所定時間Ｔ４だけ交互に繰り返しながら、加工経路を溶接加工する。第３所定時間Ｔ３と第４所定時間Ｔ４とは同じ時間であってもよいし、異なる時間であってもよい。なお、図１４においては、ＮＣ装置３０は、第２レーザビームの射出をオフにし、再度第１レーザビームの射出をオンにした時に、加工経路の後熱処理を行ってもよい。これにより、第１及び第２レーザビームを同時に照射することなく、より高品質且つ高効率に被加工材Ｗを加工することができる。
　図１５Ａ及び図１５Ｂは、図１３または図１４において第１レーザビームと第２レーザビームとが選択的に射出されているときの第１及び第２レーザビームのビーム径及びビームプロファイルの一例を示す。図１５Ａは第１レーザビームを被加工材Ｗに照射している状態、図１５Ｂは第２レーザビームを被加工材Ｗに照射している状態を示している。図１５Ａ及び図１５Ｂにおいて、ビーム径を上側に、ビームプロファイルを下側に示している。ビームプロファイルとは、第１及び第２レーザビームのビームの中心からの距離とビームの強度との関係を示す特性である。
　図１５Ａに示すように、第１レーザビームのビーム径は、第１レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置でのビーム径が第１ビーム径ＤＢＬとなるように調整される。図１５Ｂに示すように、第２レーザビームのビーム径は、第２レーザビームが被加工材Ｗに照射される位置でのビーム径が第２ビーム径ＤIＲとなるように調整される。なお、第１及び第２レーザビームのビームプロファイルは、典型的には、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すようなガウシアン型である。第１及び第２レーザビームのビームプロファイルは、ガウシアン型のビームプロファイルを成形したトップハット型(フラットトップ型)またはリング型であってもよい。
　本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
　本願は、２０２２年３月３１日に日本国特許庁に出願された特願２０２２－０６０１８３号、及び２０２３年３月２９日に日本国特許庁に出願された特願２０２３－０５４２８６号に基づく優先権を主張するものであり、それらの全ての開示内容は引用によりここに援用される。

Claims (14)

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