特許 7382553 レーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-09

(45)【発行日】2023-11-17

(54)【発明の名称】レーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/064 20140101AFI20231110BHJP

   B23K 26/062 20140101ALI20231110BHJP

   B23K 26/067 20060101ALI20231110BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20231110BHJP

【ＦＩ】

B23K26/064 K

B23K26/062

B23K26/067

B23K26/21 A

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2021522717

(86)(22)【出願日】2020-04-24

(86)【国際出願番号】 JP2020017620

(87)【国際公開番号】W WO2020241137

(87)【国際公開日】2020-12-03

【審査請求日】2022-10-12

(31)【優先権主張番号】P 2019100183

(32)【優先日】2019-05-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100131495

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 健児

(72)【発明者】

【氏名】王 静波

(72)【発明者】

【氏名】西尾 正敏

(72)【発明者】

【氏名】柴田 憲三

(72)【発明者】

【氏名】西原 学

【審査官】石田 宏之

(56)【参考文献】

【文献】実公昭６１－０１６９３８（ＪＰ，Ｙ２）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１５９２９９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭５９－０４２５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２７３５８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－００１４６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平８－１５０４８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第２７７７１３８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開昭６３－８４７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－１５９５１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１２３７９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／０６４

Ｂ２３Ｋ ２６／０６２

Ｂ２３Ｋ ２６／０６７

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
複数の光ファイバが所定の配置関係となるように束ねられてなるファイババンドルと、
前記レーザ発振器に設けられたビーム制御機構と、
前記複数の光ファイバのそれぞれの出射端に取付けられ、前記レーザ光をワークに向けて照射する複数のレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備え、
前記ビーム制御機構は、
前記レーザ光を受け取って所定の倍率で集光する集光レンズと、
前記集光レンズと前記ファイババンドルの入射端面との間を進行する前記レーザ光の光路上に設けられ、前記レーザ光の光路を変更する複数の光路変更機構と、
前記複数の光路変更機構の動作を制御するコントローラと、を少なくとも有し、
前記ビーム制御機構は、前記複数の光ファイバのうち選択された一の光ファイバに前記レーザ光を入射させ、前記一の光ファイバに取付けられた前記レーザ光出射ヘッドから前記レーザ光を出射させることを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記複数の光路変更機構のそれぞれは、前記複数の光ファイバのそれぞれに対応しており、
前記複数の前記光路変更機構のそれぞれは、
前記レーザ光を透過させるとともに、前記レーザ光の光軸と交差する傾動軸回りに傾動可能に設けられた平行平板状の光学部材と、
前記光学部材に連結されたアクチュエータと、を有し、
前記コントローラが前記複数の光路変更機構のうちの一の光路変更機構に含まれる一の光学部材を所定の位置に移動させるとともに、前記一の前記光路変更機構に含まれる一のアクチュエータを駆動して、前記一のアクチュエータに連結された前記一の光学部材を前記傾動軸回りに傾動させることで、前記一の光路変更機構に対応する一の光ファイバに前記レーザ光を入射させることを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項3】

請求項２に記載のレーザ加工装置において、
複数の前記光学部材は、前記集光レンズと前記ファイババンドルの入射端面との間を進行する前記レーザ光の光路上の前記所定の位置と光路外との間を移動可能に設けられていることを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項4】

請求項２に記載のレーザ加工装置において、
複数の前記光学部材は、前記集光レンズと前記ファイババンドルの入射端面との間を進行する前記レーザ光の光路上の互いに異なる複数の位置にそれぞれ配置され、前記所定の位置は、前記複数の位置の一つであることを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記ビーム制御機構は、前記一の光ファイバの入射端面における前記レーザ光の入射位置を変化させることで、前記一の光ファイバに取付けられた前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項6】

請求項５に記載のレーザ加工装置において、
前記一の光ファイバは、コアと、前記コアの外周側に前記コアと同軸に設けられた第１クラッドと、前記第１クラッドの外周側に前記コアと同軸に設けられた第２クラッドと、を少なくとも有し、
前記ビーム制御機構は、前記コア及び前記第１クラッドの少なくとも一方に前記レーザ光を入射させることを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項7】

請求項５または６に記載のレーザ加工装置において、
前記ビーム制御機構は、前記ワークの材質及び前記ワークにおけるレーザ加工対象部位の形状のうち少なくとも一方に応じて、前記一の光ファイバに取付けられた前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項8】

請求項７に記載のレーザ加工装置において、
前記ビーム制御機構は、前記一の光ファイバに取付けられた前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を前記ワークのレーザ加工中に切り替えるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項9】

請求項８に記載のレーザ加工装置において、
前記ビーム制御機構は、前記一の光ファイバに取付けられた前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を前記ワークのレーザ加工中に周期的に切り替えるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項10】

請求項５ないし９のいずれか１項に記載のレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、
前記ワークに向けて第１のパワー分布を有する前記レーザ光を照射する第１照射ステップと、
引き続き、前記ワークに向けて前記第１のパワー分布とは異なる第２のパワー分布を有する前記レーザ光を照射する第２照射ステップと、を少なくとも備えたことを特徴とするレーザ加工方法。

【請求項11】

請求項１０に記載のレーザ加工方法において、
前記第１照射ステップでは、前記ワークの表面に溶融池及びキーホールを形成し、
前記第２照射ステップでは、前記キーホールの開口を拡げるとともに、所望の溶け込み深さとなるように前記溶融池を成長させることを特徴とするレーザ加工方法。

【請求項12】

請求項１０に記載のレーザ加工方法において、
前記第１照射ステップでは、第１の厚さを有する前記ワークの第１の部分に向けて前記レーザ光を照射し、前記第２照射ステップでは、前記第１の厚さとは異なる第２の厚さを有する前記ワークの第２の部分に向けて前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工方法。

【請求項13】

請求項１１または１２に記載のレーザ加工方法において、
前記第２照射ステップでは、前記レーザ光のパワー分布を所定の周波数で周期的に切り替えることを特徴とするレーザ加工方法。

【請求項14】

請求項１３に記載のレーザ加工方法において、
前記所定の周波数は、前記ワークに形成されたキーホールの固有振動周波数に略等しいことを特徴とするレーザ加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はレーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、複数のレーザ光出射ヘッドを有するレーザ加工装置が提案されている。このようなレーザ加工装置は、１つのレーザ発振器に接続された複数の光ファイバと、複数の光ファイバのそれぞれに取り付けられたレーザ光出射ヘッドとを備える。また、このレーザ加工装置は、レーザ光が伝送される光ファイバを適宜切り替えて、レーザ光を、選択されたレーザ光出射ヘッドに伝送する。

【0003】

例えば、特許文献１は、レーザ光と光学的に結合可能な束状の複数の光ファイバにレーザ光を入射するレーザシステムを開示している。このレーザシステムは、レーザ光の光路上に配置されたリフレクタ又は集光レンズと、それらを動かすピエゾアクチュエータとを含む。ピエゾアクチュエータは、束状の複数の光ファイバにおけるレーザ光の入射位置を変化させることで、複数の光ファイバのうち、選択された光ファイバにレーザ光を入射させる。

【0004】

一方、ワークの材質や形状に応じて、レーザ光のビーム品質を変化させてレーザ加工を行う技術が提案されてきている。

【0005】

特許文献１では、光ファイバはマルチクラッドファイバからなる。レーザシステムは、レーザ光の入射位置を調整することでレーザ光のビームプロファイルを変化させている。

【0006】

また、特許文献２には、集光レンズの位置を移動させたり、レーザ光の光路上にくさび状の光学素子を挿入したりすることで、マルチクラッドファイバの入射端におけるレーザ光の入射位置を変化させる構成が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／１５９２９９号明細書

【文献】米国特許第８７８１２６９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかし、特許文献１に開示された構成では、比較的大型の光学部品であるリフレクタや集光レンズをアクチュエータで動かすため、その応答性に問題があり、レーザ光の光路を高速に変更し、複数の光ファイバのうち選択された光ファイバに速やかにレーザ光を入射させることが難しかった。

【0009】

また、特許文献２に開示されるように、集光レンズの位置を移動させてレーザ光の入射位置を変化させるのには、集光レンズを直線上にアクチュエータで動かす必要があるため、位置精度と応答性を両立させる上で問題があった。

【0010】

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、複数のレーザ光出射ヘッドが設けられたレーザ加工装置において、レーザ光が入射されるレーザ光出射ヘッドの切替えを簡便かつ高速で行うことのできるレーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記の目的を達成するため、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、複数の光ファイバが所定の配置関係となるように束ねられてなるファイババンドルと、前記レーザ発振器に設けられたビーム制御機構と、前記複数の光ファイバのそれぞれの出射端に取付けられ、前記レーザ光をワークに向けて照射する複数のレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備え、前記ビーム制御機構は、前記レーザ光を受け取って所定の倍率で集光する集光レンズと、前記集光レンズと前記ファイババンドルの入射端面との間を進行する前記レーザ光の光路上に設けられ、前記レーザ光の光路を変更する複数の光路変更機構と、前記複数の光路変更機構の動作を制御するコントローラと、を少なくとも有し、前記ビーム制御機構は、前記複数の光ファイバのうち選択された一の光ファイバに前記レーザ光を入射させ、前記一の光ファイバに取付けられた前記レーザ光出射ヘッドから前記レーザ光を出射させることを特徴とする。

【0012】

この構成によれば、レーザ光が出射されるレーザ光出射ヘッドの切り替えを簡便かつ高速に行うことができる。また、レーザ光出射ヘッドを切り替えるために要する工数や時間を低減でき、レーザ加工のコストを低減できる。

【0013】

本発明に係るレーザ加工方法は、前記レーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、前記ワークに向けて第１のパワー分布を有する前記レーザ光を照射する第１照射ステップと、引き続き、前記ワークに向けて前記第１のパワー分布とは異なる第２のパワー分布を有する前記レーザ光を照射する第２照射ステップと、を少なくとも備えたことを特徴とする。

【0014】

この方法によれば、溶接開始初期にワークに溶融池及びキーホールを確実に形成できるとともに、ワークの溶接品質を高められる。

【発明の効果】

【0015】

本発明のレーザ加工装置によれば、レーザ光が出射されるレーザ光出射ヘッドの切り替えを簡便かつ高速に行うことができる。本発明のレーザ加工方法によれば、ワークの溶接品質を高められる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。

【図2】ビーム制御機構をＸ方向から見た模式図である。

【図3A】ビーム制御機構の要部をＹ方向から見た模式図である。

【図3B】ビーム制御機構の要部をＺ方向から見た模式図である。

【図4A】ファイババンドルの断面模式図である。

【図4B】ファイババンドルの断面模式図である。

【図5】第１光ファイバの断面構造及び屈折率分布を示す模式図である。

【図6】別のファイババンドルの断面模式図である。

【図7】さらなる別のファイババンドルの断面模式図である。

【図8】ビーム制御機構をＺ方向から見た模式図である。

【図9】変形例１に係るビーム制御機構をＺ方向から見た模式図である。

【図10】変形例２に係るビーム制御機構をＸ方向から見た模式図である。

【図11】第１光ファイバの断面構造及び屈折率分布を示す模式図である。

【図12】第１光ファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置とコアの内部に伝送されるレーザ光のパワー比率との関係を示す図である。

【図13】第１光ファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置と第１レーザ光出射ヘッドから出射されるレーザ光のビームプロファイルとの関係を示す図である。

【図14】比較のためのワークの溶接箇所の断面模式図である。

【図15】実施形態２に係るワークの溶接箇所の断面模式図である。

【図16】実施形態２に係るワークの溶接シーケンスである。

【図17】レーザ光のビームプロファイルの周期的変化を示す図である。

【図18】変形例３に係るワークの溶接シーケンスである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

【0018】

（実施形態１）
［レーザ加工装置の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成の模式図を示し、レーザ加工装置１０００は、レーザ発振器１０とビーム制御機構２０とコントローラ８０とファイババンドル９０と第１～第３レーザ光出射ヘッド１２１～１２３と第１～第３マニピュレータ１３１～１３３とを備えている。

【0019】

レーザ発振器１０は、図示しない電源から電力の供給を受けてレーザ光ＬＢを発生させるレーザ光源である。なお、レーザ発振器１０は、単一のレーザ光源で構成されていてもよいし、複数のレーザモジュールで構成されていてもよい。後者の場合は、複数のレーザモジュールからそれぞれ出射されたレーザ光を結合してレーザ光ＬＢとして出射する。

【0020】

ビーム制御機構２０は、レーザ発振器１０に設けられており、レーザ光ＬＢをファイババンドル９０のうちの選択された光ファイバに伝送する。ビーム制御機構２０の構成及び動作については後で述べる。なお、ビーム制御機構２０は、光ファイバの出射端から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御することも可能であるが、これについても後で述べる。

【0021】

ファイババンドル９０は、第１～第３光ファイバ９１～９３が束ねられてなる光学部品である。第１光ファイバ９１は、コア９１ａと、コア９１ａの外周側にコア９１ａと同軸に設けられた第１クラッド９１ｂとを有している（図５参照）。第２及び第３光ファイバ９２，９３も同様に、コアと第１クラッド（いずれも図示せず）を有している。なお、図示しないが、第１クラッド９１ｂの外周面には光ファイバを機械的に保護する皮膜または樹脂系の保護層が設けられている。また、第１～第３光ファイバ９１～９３は、束ねられた状態で樹脂等からなる保護部材１１０によって覆われ、互いの配置関係が固定されている（図４Ａ，４Ｂ参照）。

【0022】

第１～第３レーザ光出射ヘッド１２１～１２３のそれぞれは、対応する光ファイバの出射端に取付けられており、光ファイバで伝送されたレーザ光ＬＢをワーク２０１～２０３に向けて照射する。ワーク２０１～２０３がレーザ光ＬＢによりレーザ加工される。なお、第１～第３レーザ光出射ヘッド１２１～１２３の内部には、それぞれ図示しない光学部品、例えば、コリメータレンズや集光レンズや保護ガラス等が配設されている。

【0023】

コントローラ８０は、レーザ発振器１０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１０に接続された図示しない電源に対して出力電流やオン・オフ時間等の制御信号を供給することにより、レーザ発振制御を行う。

【0024】

また、コントローラ８０は、選択されたレーザ加工プログラムの内容に応じて、ビーム制御機構２０に設けられた第１モータ７１（図３Ａ，３Ｂ参照）あるいは第２モータ７２及び第３モータ７３（図８参照）の駆動制御を行う。さらに、コントローラ８０は、第１～第３マニピュレータ１３１～１３３の動作を制御する。なお、レーザ加工プログラムは、図示しない記憶部に保存されている。記憶部はコントローラ８０の内部に設けられていてもよいし、コントローラ８０の外部に設けられ、コントローラ８０とデータのやり取りを可能に構成されていてもよい。なお、コントローラ８０はビーム制御機構２０の一部を構成している。

【0025】

第１～第３マニピュレータ１３１～１３３のそれぞれはコントローラ８０に接続され、前述のレーザ加工プログラムに応じて所定の軌跡を描くように第１～第３レーザ光出射ヘッド１２１～１２３をそれぞれ移動させる。なお、第１～第３マニピュレータ１３１～１３３の動作を制御するコントローラを別に設けるようにしてもよい。

【0026】

［ビーム制御機構の構成］
図２は、ビーム制御機構をＸ方向から見た模式図を、図３Ａは、ビーム制御機構の要部をＹ方向から見た模式図を、図３Ｂは、ビーム制御機構の要部をＺ方向から見た模式図をそれぞれ示す。なお、説明の便宜上、図２において、第１～第３光ファイバ９１～９３のうち第１光ファイバ９１のみを示している。

【0027】

また、本願明細書において、ビーム制御機構２０の内部において、集光レンズ３０に入射するまでのレーザ光ＬＢの進行方向をＺ方向と、第１モータ７１の出力軸７１ａの延びる方向をＸ方向と、Ｘ方向及びＺ方向をそれぞれ略直交する方向をＹ方向とそれぞれ呼ぶことがある。Ｚ方向は、レーザ光ＬＢの光軸の延びる方向と同方向である。Ｘ方向はＺ方向と略直交している。また、第１モータ７１の出力軸７１ａの軸線をＸ軸（第１軸）と呼ぶことがある。

【0028】

なお、本願明細書において、「略直交」とは、各部品の組立公差を含んで直交しているという意味であり、厳密に直交していることまでを要求するものではない。同様に、「略同じ」または「略等しい」とは、各部品の製造公差や組立公差を含んで同じまたは等しいという意味であり、厳密に比較対象となる両者が同じか、または等しいことまでを要求するものではない。また、「略等しい」とは、推定値との比較において等しいことも意味するが、厳密に推定値と比較対象とが等しいことまでを要求するものではない。

【0029】

図２，３Ａ，３Ｂに示すように、ビーム制御機構２０は、集光レンズ３０と第１光学部材５１と第１モータ７１とを有している。また、前述したように、ビーム制御機構２０は、コントローラ８０を有している。後で述べるように、第１モータ７１と第１光学部材５１とは、集光レンズ３０で集光された後のレーザ光ＬＢの光路を変更する第１光路変更機構４１として機能する。

【0030】

レーザ光ＬＢは、図示しない光学部品、例えば、コリメートレンズ等により平行光に変換された状態で集光レンズ３０に入射される。集光レンズ３０は所定の倍率でレーザ光ＬＢを集光し、ファイババンドル９０に向かわせる。

【0031】

第１光学部材５１は、レーザ光ＬＢに対して透明な材質からなる平行平板状の部材である。第１光学部材５１は、例えば、石英からなり、レーザ光ＬＢの波長に対して１よりも大きい屈折率を有する。第１光学部材５１は、入射したレーザ光に対する反射率をできるだけ下げるために、両面反射防止コーティイングを施されたものを使用してよい。反射防止コーティングを施した場合の反射率は、１％よりはるかに小さいことが望ましい。第１光学部材５１は、集光レンズ３０とファイババンドル９０との間を進行するレーザ光ＬＢの光路上に設けられている。第１光学部材５１は、集光レンズ３０とファイババンドル９０の入射端面との間を進行するレーザ光ＬＢの光路上の所定の位置（第１位置）と光路外との間を移動可能である。具体的には、集光レンズ３０とファイババンドル９０の入射端面との間を進行するレーザ光ＬＢの光路上に第１光学部材５１が配置される場合、レーザ光ＬＢの光軸と直交する方向、例えば、Ｘ方向やＹ方向から見て、第１光学部材５１が第１位置に配置される。第１位置に配置された第１光学部材５１に、集光レンズ３０で集光された後のレーザ光ＬＢが入射される。一方、第１光学部材５１が光路外に移動された場合、レーザ光ＬＢが第１光学部材５１のいかなる部分にも入射されないよう配置される。

【0032】

第１モータ７１は出力軸７１ａを有しており、ホルダ６０ａを介して第１光学部材５１に連結されている。例えば、第１モータ７１を駆動させて、その出力軸７１ａがＸ軸回りに回転することで、第１光学部材５１はホルダ６０ａを中心としてＹＺ平面内に回転する。また、第１モータ７１は一方向のみに回転するのではなく、逆方向にも回転可能に構成されている。例えば、第１モータ７１は、一方向、つまり、図２に示す方向Ａのみに回転することもできるし、正逆両方向、つまり、図２に示す方向Ａ及び方向Ｂのどちらにも回転することもできる。また、回転周波数は可変であり、溶接加工を行う際には、数Ｈｚ～数ｋＨｚ程度の範囲で変化させることができる。また、後述するように、ビーム制御機構２０を動作させる場合、第１モータ７１は一方向に連続して回転動作を行うのではなく、所定の角度範囲を回転する。言い換えると、第１光学部材５１はホルダ６０ａを中心として所定の角度で傾動する。また、第１モータ７１は、第１光学部材５１を設定された角度範囲で高速に往復回転させることができる。

【0033】

なお、第１モータ７１の出力軸７１ａの軸線は第１光学部材５１が傾動される傾動軸に相当する。

【0034】

また、第１モータ７１はコントローラ８０に接続され、コントローラ８０からの制御信号によって駆動される。なお、第１モータ７１は、図示しない移動機構によって、前述の第１位置と光路外との間を移動するように構成されている。第１モータ７１に連結された第１光学部材５１も同様に、第１位置と光路外との間を移動する。

【0035】

なお、第１光学部材５１のＺ方向の厚さはそれぞれ１ｍｍから数ｍｍ程度であるが、特にこれに限定されず、ファイババンドル９０の端面におけるレーザ光ＬＢの移動距離と第１モータ７１の回転角度との関係で適宜別の値に変更しうる。当該厚さが数ｍｍ程度であると、また、集光レンズ３０とファイババンドル９０の入射端面との間の、集光されたレーザ光ＬＢが通過する狭い位置に設置するため、その必要サイズが小さく、第１モータ７１によって高速、例えば、数ｋＨｚの回転周波数で往復回転させることが容易となる。

【0036】

［選択された光ファイバへのレーザ光入射制御について］
次に、第１～第３光ファイバ９１～９３のうち選択された光ファイバにレーザ光ＬＢを入射させる手順について説明する。

【0037】

図４Ａ，４Ｂは、ファイババンドルの断面模式図を、図５は、第１光ファイバの断面構造及び屈折率分布をそれぞれ示す。なお、図４Ａは、ファイババンドルの断面の外形が円形である場合を、図４Ｂは、ファイババンドルの断面の外形が楕円形である場合をそれぞれ示している。図示しないが、第２光ファイバ及び第３光ファイバ９２，９３も図５に示すのと同様の構造を有している。なお、第１～３ファイバ９１～９３は、そのいずれの光軸もＹ軸に一致するように配置される。

【0038】

溶接加工を行う際に、例えば、第１光ファイバ９１にレーザ光ＬＢを入射させる場合、レーザ発振が行われていない状態で、まず、第１光学部材５１を前述の第１位置に配置する。レーザ発振が行われ、レーザ光ＬＢがレーザ共振器から出射されると、第１モータ７１は、コントローラ８０からの制御信号によって、図２に示す方向Ａに所定の角度で回転され、第１モータ７１の回転に応じて第１光学部材５１はホルダ６０ａを中心としてＹＺ平面内を所定の角度で傾動する。この角度に応じて、第１光学部材５１の光入射面とレーザ光ＬＢの光軸との角度が変化し、第１光学部材５１の内部でレーザ光ＬＢの光路が変更される。光軸が変更されたレーザ光ＬＢが第１光ファイバ９１の入射端面に入射される。また、この場合、レーザ光ＬＢが第１光ファイバ９１のコア９１ａに入射されるように第１光学部材５１の傾動角度が調整される。コア９１ａの屈折率は第１クラッド９１ｂの屈折率よりも高く、入射されたレーザ光ＬＢはコア９１ａ内に閉じ込められて第１光ファイバ９１内を伝搬する。

【0039】

同様に、第２光ファイバ９２にレーザ光ＬＢを入射させる場合は、第１モータ７１によって第１光学部材５１を別の角度で回転させる。そうすることによってレーザ光ＬＢがバンドルファイバ９０の入射端面においてＹ方向に所定の距離移動し、第２光ファイバ９２のコアに入射される。また、第３光ファイバ９３にレーザ光ＬＢを入射させる場合は、第１モータ７１によって第１光学部材５１を更に別の角度で回転させる。そうすることによってレーザ光ＬＢがバンドルファイバ９０の入射端面においてＹ方向に所定の距離移動し、第３光ファイバ９３のコアに入射される。

【0040】

このように、第１モータ７１を駆動してレーザ光ＬＢの光路上に配置された第１光学部材５１を異なる角度で傾動させることで、ファイババンドル９０に含まれる第１～第３光ファイバ９１～９３のうち、レーザ光ＬＢを入射させる光ファイバを選択することができる。また、このことにより、レーザ光ＬＢが出射されるレーザ光出射ヘッドを選択することができる。

【0041】

なお、レーザ光ＬＢが入射される光ファイバの選択や、レーザ光ＬＢ入射の切り替えタイミング等は、レーザ加工プログラムに基づいてコントローラ８０からの制御信号に従って行われる。溶接を終了すると、第１光学部材５１を光路外に移動してよい。言うまでもなく、そのままでもよい。

【0042】

以上の説明では、レーザ光ＬＢを第１～３光ファイバ９１～９３へ順番に入れる場合を説明したが、これは便宜上に行ったものであり、この順番でなくてもよい。また、第１光学部材５１を光路外に移動した状態で、ファイババンドル９０の中心位置にある第２ファイバ９２のコアにレーザ光ＬＢが入るようにファイババンドル９０の位置を予め決めると、第２ファイバ９２にのみレーザ光ＬＢを入れる場合、第１光学部材５１を光路外に移動した状態のままでも可能である。

【0043】

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工装置１０００は、レーザ光ＬＢを発生させるレーザ発振器１０と、第１～第３光ファイバ９１～９３が所定の配置関係となるように束ねられてなるファイババンドル９０と、レーザ発振器１０に設けられたビーム制御機構２０と、第１～第３光ファイバのそれぞれの出射端に取付けられ、レーザ光ＬＢをワーク２０１～２０３に向けてそれぞれ照射する第１～第３レーザ光出射ヘッド１２１～１２３と、を少なくとも備えている。

【0044】

ビーム制御機構２０は、レーザ光ＬＢを受け取って所定の倍率で集光する集光レンズ３０と、集光レンズ３０とファイババンドル９０の入射端面との間を進行するレーザ光ＬＢの光路上に設けられ、レーザ光ＬＢの光路を変更する第１光路変更機構４１と、第１光路変更機構４１の動作を制御するコントローラ８０と、を少なくとも有している。

【0045】

ビーム制御機構２０は、第１～第３光ファイバ９１～９３のうち選択された光ファイバ、例えば、第１光ファイバにレーザ光ＬＢを入射させ、第１光ファイバ９１に取付けられた第１レーザ光出射ヘッド１２１からレーザ光ＬＢを出射させる。

【0046】

図１に示したようなレーザ加工装置１０００を用いて、レーザ光ＬＢが出射されるレーザ光出射ヘッドを適宜切り替えることで、工場等で大量のワークをレーザ加工することが多く行われる。この場合、複数のレーザ光出射ヘッドに接続されるレーザ発振器１０を共用することで、レーザ加工装置１０００の小型化及び小面積化が図れる。

【0047】

このようなレーザ加工装置１０００において、前述したビーム制御機構２０をレーザ発振器１０に設けることで、レーザ光ＬＢが出射されるレーザ光出射ヘッドの切り替えを簡便かつ高速に行うことができる。また、このことにより、レーザ光出射ヘッドを切り替えるために要する工数や時間を低減でき、レーザ加工のコストを低減できる。

【0048】

第１光学部材５１は、集光レンズ３０と第１～第３光ファイバ９１～９３の入射端面との間を進行するレーザ光ＬＢの光路上の所定の位置（第１位置）と光路外との間を移動可能に設けられている。

【0049】

このように、集光レンズ３０とファイババンドル９０の入射端面との間のレーザ光ＬＢの光路上に第１光路変更機構４１を配置することで、レーザ光ＬＢの光路を容易に変更することができる。例えば、特許文献２に示されるように、光学部材を集光レンズ３０の手前に配置しても、集光レンズ３０を通過した後のレーザ光ＬＢは焦点位置に結像されてしまうため、その光路を変更することはできない。

【0050】

一方、本実施形態によれば、前述の第１位置に平行平板状の第１光学部材５１を配置させ、第１モータ７１により第１光学部材５１を傾動させることで、レーザ光ＬＢが出射される光ファイバ、ひいてはレーザ光出射ヘッドの切り替えを簡便かつ高速に行うことができる。特に第１光学部材５１の厚さが１ｍｍから数ｍｍ程度であると、また、集光レンズ３０とファイババンドル９０との間の、集光されたレーザ光ＬＢが通過する狭い位置に設置するため、その必要サイズが小さく、第１モータ７１によって高速に傾動させることが容易となる。また所定の角度範囲で往復回転させることが容易となる。このことにより、レーザ光ＬＢが出射されるレーザ光出射ヘッドの切り替えを高速に行うことができる。

【0051】

なお、集光レンズ３０に入射される前に、レーザ光ＬＢは平行光に変換されているのが好ましい。

【0052】

このようにすることで、集光レンズ３０から出射されるレーザ光ＬＢの光路及び光軸が一定となるため、第１光路変更機構４１によってレーザ光ＬＢの光路を容易に変更することができる。

【0053】

本実施形態では、ファイババンドル９０に３本の光ファイバ９１～９３が束ねられている構成を示しているが、特にこれに限定されない。光ファイバの数を増やす場合、光ファイバ９３または光ファイバ９１に隣接してＹ軸方向に設けてよい。

【0054】

図６は、別のファイババンドルの断面模式図を、図７は、さらなる別のファイババンドルの断面模式図をそれぞれ示す。

【0055】

本実施形態のレーザ加工装置１０００によれば、光学部材及びこれに連結されたモータの個数をファイババンドル９０に含まれる光ファイバの本数に応じて増やすことで、図６や図７に示す構成のファイババンドル９０において、それぞれに含まれる光ファイバ９１～１０３のいずれかに対してレーザ発振器１０で生成されたレーザ光ＬＢを入射させることができる。このことにより、１台のレーザ発振器１０に接続されるレーザ光出射ヘッドの個数を増加させることができ、レーザ加工装置１０００のさらなる小型化及び小面積化が図れる。また、レーザ光出射ヘッドを切り替えるために要する工数や時間、ひいてはレーザ加工のコストをさらに低減できる。

【0056】

なお、光路変更機構によって、レーザ光ＬＢが入射される光ファイバの切替えを簡便に行うためには、図６，７に示すように、第１光ファイバ９１を中心に配置し、それ以外の光ファイバを中心から同心円周上に配置するのが好ましい。また、この場合、同心円周上で互いに隣り合う光ファイバの中心と第１光ファイバ９１の中心とがなす角度がそれぞれ略同じであることが好ましい。図７に示すように、光ファイバが配置される同心円は複数あってもよい。また、この場合、第１光ファイバ９１を挟んで対向する位置に光ファイバをそれぞれ配置するのが好ましい。図６，７に示す通り、光ファイバの数を増やす場合、Ｙ軸方向以外に、Ｙ軸方向の時計回り方向または反時計回り方向において６０度をなすＸ１またはＸ２方向に設けてよい。この時のレーザ光ＬＢの制御については後述する。

【0057】

このようにすることで、第１光ファイバ９１を中心として各光ファイバを対称な位置にそれぞれ配置できるため、光路変更機構の動作を単純化でき、レーザ光ＬＢが入射される光ファイバの切替えを簡便に行うことができる。

【0058】

＜変形例１＞
図８～９は、本変形例に係るビーム制御機構をＺ方向から見た模式図を示す。なお、図８～９において、実施形態１と同様の箇所は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

【0059】

本変形例に係る構成では、図２～図３に示した構成例に対して、第１光路変更機構４１以外に第２～第３光路変更機構４２～４３が追加される。

【0060】

第１光路変更機構４１の第１モータ７１の出力軸７１ａの延びる方向をＸ方向と一致させるが、第２～３光路変更機構４２～４３の第２～第３モータ７２～７３の出力軸７２ａ～７３ａの延びる方向は、ＸＹ平面においてＸ方向の時計回り方向または反時計回り方向と６０度をなすＸ１軸とＸ２軸に一致させる。なお、第１光学部材５１と同様に、第２～第３光学部材は、集光レンズ３０とファイババンドル９０の入射端面との間を進行するレーザ光ＬＢの光路上の同じ位置（第１位置）と光路外との間を移動可能に設けられている。図８は、第１光学部材５１がレーザ光ＬＢの光路上にあり、第２～第３光学部材５２～５３が光路外にあった時の模式図である。一方、図９は、第１～第３光学部材５１～５３がすべてレーザ光ＬＢの光路上にあった時の模式図であるが、実際には、第１～第３光学部材５１～５３がすべてレーザ光ＬＢの光路上にあることがない。コントローラ８０は、第１～第３光学部材５１～５３のいずれか一つを選択し、選択された一つをレーザ光ＬＢの光路上に配置する。コントローラ８０は、選択されない二つを光路外に配置する。

【0061】

本変形例の動作について説明する。第１光路変更機構４１の基本動作は、実施形態１に示すのと同様なので、その詳細説明を省略する。また、第２～第３光路変更機構４２～４３の動作も第１光路変更機構４１と同様である。つまり、第２モータ７２が駆動されると、第２光学部材５２は出力軸７２ａの回りに回転し、第２光学部材５２を通過する光の光路を変更させる。第３モータ７３が駆動されると、第３光学部材５３は出力軸７３ａの回りに回転し、第３光学部材５３を通過する光の光路を変更させる。

【0062】

溶接加工を行う際に、Ｙ軸上にある光ファイバにレーザ光ＬＢを入射する場合、レーザ発振が行われていない状態で、まず、第１光学部材５１を前述の第１位置に配置し、Ｙ軸上にある光ファイバにレーザ光ＬＢが入射させるよう第１モータ７１を制御すると共に、レーザ共振器を発振させて溶接加工を行う。溶接を終了すると、レーザ発振を止め、第１光学部材５１を光路外に移動させる。また、Ｘ１軸にある光ファイバにレーザ光ＬＢを入射して溶接を行う場合、第３光学部材５３を前述の第１位置に配置し、Ｘ１軸上にある光ファイバにレーザ光ＬＢが入射させるよう第３モータ７３を制御してよい。なお、Ｘ２軸にある光ファイバにレーザ光ＬＢを入射して溶接を行う場合、第２光学部材５２を前述の第１位置に配置し、Ｘ２軸上にある光ファイバにレーザ光ＬＢが入射させるよう第２モータ７２を制御してよい。

【0063】

＜変形例２＞
変形例１では、第１～第３光学部材５１～５３を集光レンズ３０とファイババンドル９０の入射端面との間を進行するレーザ光ＬＢの光路上の同じ位置（第１位置）と設けていたが、異なる位置に設けてもよい。その例について、図１０をもって説明する。

【0064】

図１０は、変形例２に係るビーム制御機構をＸ方向から見た模式図を示す。実施形態１または変形例１と同様の箇所は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

【0065】

本変形例に係る構成は、第１～第３光学部材５１～５３がそれぞれレーザ光ＬＢの光路上の互いに異なる位置に配置されている点で変形例１に示す構成と異なる。具体的には、第１光学部材５１がレーザ光ＬＢの光路上に配置される場合は、実施形態１と同様の位置に配置され、第２光学部材５２は第１位置よりも集光レンズ３０に近い位置に配置され、第３光学部材５３は第２光学部材５２よりも集光レンズ３０に近い位置に配置される。また、これに応じて、第１～第３モータ７１～７３もレーザ光ＬＢの光軸に沿って所定の間隔をあけた位置にそれぞれ配置される。

【0066】

ビーム制御機構２０をこのように構成してもよい。変形例１に示す構成では、例えば、第１光学部材５１を完全にレーザ光ＬＢの光路外へ移動させてから、第２光学材５２または第３光学材５３をレーザ光ＬＢの第１位置に移動させることができる。一方、変形例２では、例えば、第１光学部材５１をレーザ光ＬＢの光路外へ移動させながら、第２光学材５２または第３光学材５３をレーザ光ＬＢの所定位置に移動させることができる。そのため、別の光ファイバへレーザ光ＬＢを照射する前の切り替え時間を短くすることができる。

【0067】

（実施形態２）
図１１は、本実施形態に係る第１光ファイバの断面構造及び屈折率分布を示す。

【0068】

本実施形態では、ファイババンドル９０に含まれる光ファイバのそれぞれが、いわゆるマルチクラッドファイバである点で実施形態１と異なる。

【0069】

例えば、図１１に示すように、第１光ファイバ９１は、コア９１ａと、コア９１ａの外周側にコア９１ａと同軸に設けられた第１クラッド９１ｂと、第１クラッド９１ｂの外周側にコア９１ａと同軸に設けられた第２クラッド９１ｃとを有する。コア９１ａと第１クラッド９１ｂと第２クラッド９１ｃとはその主成分が石英からなり、図１１に示すように、コア９１ａの屈折率が最も高く、第１クラッド９１ｂ、第２クラッド９１ｃの順に屈折率が低くなる。第１クラッド９１ｂと第２クラッド９１ｃとの屈折率は、共に屈折率を下げることのできる、異なった種類または濃度の物質をドーピングすることによって調整されてもよい。また、コア９１ａの屈折率は、屈折率を上げることのできる、異なった種類または濃度の物質をドーピングすることによって調整されてもよい。このような屈折率分布を持った第１光ファイバ９１では、所定の角度でコア９１ａに入射されたレーザ光ＬＢは第１クラッド９１ｂに入ることなく、コア９１ａの中を伝搬することができるが、所定の角度で第１クラッド９１ｂに入射されたレーザ光ＬＢは第２クラッド９１ｃに入ることなく、第１クラッド９１ｂの中を伝搬することができる。このようなレーザ光ＬＢの伝搬方法を実現するための光ファイバの構造として、図１０に示す構造はあくまでも一例であり、必ずしもコア９１ａと第１クラッド９１ｂと第２クラッド９１ｃとで異なった屈折率を持たせる必要はない。例えば、コア９１ａと第１クラッド９１ｂと第２クラッド９１ｃとを同じ屈折率Ｎ１にすると共に、コア９１ａと第１クラッド９１ｂとの間に、また第１クラッド９１ｂと第２クラッド９１ｃとの間に、屈折率Ｎ２（Ｎ２＜Ｎ１）を有する薄い層を設けてもよい。そうすることによって、所定の角度でコア９１ａに入射されたレーザ光ＬＢは第１クラッド９１ｂに入ることなく、コア９１ａの中を伝搬することができるが、所定の角度で第１クラッド９１ｂに入射されたレーザ光ＬＢは第２クラッド９１ｃに入ることなく、第１クラッド９１ｂの中を伝搬することができる。屈折率Ｎ２を有する層は、その主成分が石英であるが、屈折率を下げることのできる物質をドーピングすればよい。第１光ファイバ９１に入射されたレーザ光ＬＢは、コア９１ａ及び／または第１クラッド９１ｂを伝搬し、第１光ファイバ９１の出射端に到達する。また、図示しないが、第２クラッド９１ｃの外周面には第１光ファイバ９１を機械的に保護する皮膜または樹脂系の保護層が設けられている。

【0070】

このような第１光ファイバ９１を用いるとともにレーザ光ＬＢの光路上に配置される第１光学部材５１の傾動角度を精密に調整することで、第１光ファイバ９１の入射端面におけるレーザ光ＬＢの入射位置を変化させることができる。このことについてさらに説明する。

【0071】

図１２は、第１光ファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置とコアの内部に伝送されるレーザ光のパワー比率との関係を、図１３は、第１光ファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置と第１レーザ光出射ヘッドから出射されるレーザ光のビームプロファイルとの関係をそれぞれ示す。なお、図１３に示すビームプロファイルは、第１レーザ光出射ヘッド１２１から出射され、焦点位置に結像されたレーザ光ＬＢのパワー分布に相当する。また、図１３に示すビームプロファイルは、第１光ファイバ９１の出射端から出射されたレーザ光ＬＢのパワー分布にも相当する。

【0072】

レーザ光ＬＢの入射位置が図１２に示すＩの場合、レーザ光ＬＢはコア９１ａ内に１００％入射され、レーザ光ＬＢのビームプロファイルは、図１３に示すように半値幅の狭い単峰状となる（レーザ光ＬＢの入射位置：Ｉ）。

【0073】

レーザ光ＬＢの入射位置がコア９１ａから第１クラッド９１ｂに近づいて、図１２に示すＩＩの位置に来るまでは同様に、レーザ光ＬＢの１００％がコア９１ａに入射され、ビームプロファイルは単峰状に維持される。

【0074】

一方、レーザ光ＬＢの入射位置が図１２に示すＩＩとＩＩＩとの間の場合、つまり、コア９１ａと第１クラッド９１ｂとの境界部分付近までにレーザ光ＬＢが入射される場合、レーザ光ＬＢのうち数％から５０％以下までが第１クラッド９１ｂに入射される。このため、図１３に示すように、ビームプロファイルは単峰状の部分とその両側に形成された半値幅の広いテラス状の部分とを含むように変化する（レーザ光ＬＢの入射位置：～ＩＩＩ）。前者がコア９１ａ内に入射されるレーザ光ＬＢに対応し、後者が第１クラッド９１ｂ内に伝送されるレーザ光ＬＢに対応する。また、コア９１ａ内に伝送されるレーザ光ＬＢのパワー比率が低下するのに伴い、単峰状の部分のピーク値は低下する。

【0075】

レーザ光ＬＢの入射位置を図１２に示すＩＩＩの位置になると、コア９１ａ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワー比率が第１クラッド９１ｂ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワー比率と等しくなる。コア９１ａの断面積が第１クラッド９１ｂの断面積と等しい場合には、ビームプロファイルのうち単峰状の部分のピーク値とテラス状の部分のピーク値が一致するようになり、図１３に示すように、レーザ光ＬＢ全体のビームプロファイルは単峰状となるものの、コア９１ａ内にのみレーザ光ＬＢが入射される場合に比べて、そのピーク値は低く、かつ半値幅は大きくなる（レーザ光ＬＢの入射位置：ＩＩＩ）。一方、コア９１ａの断面積が第１クラッド９１ｂの断面積より小さい場合には、ビームプロファイルは、図１３に示すように、単峰状の部分とその両側に形成される半値幅の広いテラス状の部分とを含むような形となる（レーザ光ＬＢの入射位置：～ＩＩＩ）。また、コア９１ａの断面積が第１クラッド９１ｂの断面積より大きい場合には、ビームプロファイルは、図１３に示すように、双峰状となる（レーザ光ＬＢの入射位置：～ＩＶ）。

【0076】

レーザ光ＬＢの入射位置がコア９１ａから離れていくと（図１２に示すＩＩＩとＩＶとの間）、コア９１ａ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワーが減少し、第１クラッド９１ｂ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワー比率は高くなる。その結果、図１３に示すように、ビームプロファイルのうち、コア９１ａ内に伝送される成分に対応する部分のピーク値が低下し、第１クラッド９１ｂ内に伝送される成分に対応する部分のピーク値が高くなり、ビームプロファイルは双峰状となる（レーザ光ＬＢの入射位置：～ＩＶ）。なお、双峰状のビームプロファイルにおけるピーク値は、レーザ光ＬＢの入射位置が図１２に示すＩの場合に得られる単峰状のビームプロファイルのピーク値よりも低い。図示していないが、レーザの入射位置をコア９１ａから更に離れていくと（図１２に示すＩＶとＶとの間）、コア９１ａ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワーが０％となり、レーザ光ＬＢが１００％第１クラッド９１ｂ内に入射される。

【0077】

レーザ光ＬＢの入射位置を完全に第２クラッド９１ｃ内にすると（図１２に示すＶ～ＶＩの位置）、図１３に示すように、ビームプロファイルのうち、コア９１ａ内に伝送される成分に対応する部分のピーク値が０％まで低下し、第１クラッド９１ｂ内に伝送される成分に対応する部分のピーク値が最大となり、ビームプロファイルはピーク値の最も高い双峰状となる（レーザ光ＬＢの入射位置：Ｖ～ＶＩの場合）。なお、双峰状のビームプロファイルにおけるピーク値は、レーザ光ＬＢの入射位置が図１３に示すＩの場合に得られる単峰状のビームプロファイルのピーク値よりも低い。

【0078】

このように、レーザ光ＬＢの入射位置を変化させることで、第１レーザ光出射ヘッド１２１から出射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイル、つまり、パワー分布を変化させることができる。つまり、ビーム制御機構２０は、第１レーザ光出射ヘッド１２１から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布をワーク２０１のレーザ加工中に切り替えるように構成されている。

【0079】

また、第１レーザ光出射ヘッド１２１から出射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルを変化させることで、ワーク２０１の加工形状、例えば、溶接形状を良好なものとすることができる。このことについてさらに説明する。

【0080】

図１４は、比較のためのワークの溶接箇所の断面模式図を、図１５は、本実施形態に係るワークの溶接箇所の断面模式図をそれぞれ示す。

【0081】

一般に、金属からなるワークをレーザ溶接する際、レーザ光が照射された部分が加熱されて溶け込みを生じ、溶融池が形成される。また、レーザ光が照射された部分では表面でワークを構成する材料の蒸発が起こり、その反力でワークの内部にキーホールが形成される。

【0082】

図１４に示す例では、レーザ光ＬＢは第１光ファイバ９１のコア９１ａ内にのみ伝送されて第１レーザ光出射ヘッド１２１からワーク２０１に向けて照射されており、溶接箇所におけるレーザ光ＬＢのパワー密度は高く、かつ照射されるレーザ光ＬＢのスポット径は小さくなっている。

【0083】

このような場合、ワーク２０１の溶け込みが形成しやすくなりキーホール２２０が深くなる一方、キーホール２２０の開口２２１があまり拡がらず、図１４に示すように、キーホール２２０の内部でくびれ部２２２を生じてしまうことがある。また、くびれ部２２２が閉じてしまうことによりワーク２０１の内部に気泡２２３が残存してしまう。さらに、閉じたくびれ部２２２が再度キーホール２２０になる際に、キーホール２２０の内部から表面に向かって溶融金属が急激に噴出すると、ワーク２０１の表面にスパッタ２１２が付着したり、溶融池２１０の表面が波立ったりする。溶融池２１０はレーザ光ＬＢの通過後に急速に冷却されて固化するため、このような波が生じると、レーザ溶接の進行方向に沿って、溶融池２１０の後方でワーク２０１の表面に凹凸２１１（後方振動部２１１ともいう）が生じてしまう。

【0084】

また、この波は溶融池２１０と凝固部分の境界で反射して跳ね返ってくる。この反射波がキーホール２２０まで到達すると、キーホール２２０を埋めるように流れ込んでしまう。流れ込んだ溶融金属はレーザ光ＬＢに急速加熱されて、金属蒸気を急に発生させるために、キーホール２２０の円柱状形状が乱れる。以上説明した、キーホール２２０の形状乱れや気泡２２３の発生やワーク２０１の表面に生じるスパッタ２１２や凹凸２１１は，溶接品質を低下させる要因となっていた。

【0085】

一方、本実施形態によれば、ビーム制御機構２０を用いて第１レーザ光出射ヘッド１２１からワーク２０１に向けて照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を変化させることができる。このため、例えば、第１光学部材５１の傾動角度を調整して、第１光ファイバ９１のコア９１ａ内に伝送されるレーザ光ＬＢと第１クラッド９１ｂ内に伝送されるレーザ光ＬＢとのパワー比率を変更することで、図１５に示すようなビームプロファイルのレーザ光ＬＢをワーク２０１に向けて照射することができる。

【0086】

このような場合、図１４に示す場合よりも溶け込み深さＤは若干浅くなるものの、コア９１ａから出射されたレーザ光ＬＢにより所望の溶け込み深さＤが得られる。一方、第１クラッド９１ｂから出射されたレーザ光ＬＢによりキーホール２２０の開口２２１を図１４に示す場合に比べて拡げることができる。さらに、キーホール２２０の内壁面にもレーザ光ＬＢが照射され、かつ多重反射によりレーザ光ＬＢがキーホール２２０の内部に到達する過程でレーザ光ＬＢがワーク２０１に吸収される。このことにより、くびれ部２２２が形成されるのを抑制でき、ひいてはキーホール２２０の内壁面同士がくっついてワーク２０１の内部に気泡２２３が発生するのを抑制できる。また、キーホール２２０の内部から表面に向かって急激に溶融金属が噴出するのを抑えられ、溶融池２１０の後方でワーク２０１の表面に形成される凹凸２１１を小さくできる。また、キーホール２２０の形状乱れを抑制できる。以上のことから、レーザ溶接における溶接品質を高めることができる。

【0087】

また、第１レーザ光出射ヘッド１２１から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布をレーザ溶接中に切り替えることによって、溶接品質を高めることができる。

【0088】

図１６は、ワークの溶接シーケンスを示し、溶接開始直後では、ワーク２０１に溶融池２１０は形成されていない。溶接開始直後では、所望の溶け込み深さＤを得ることが望まれる。そのために、コントローラ８０は、第１モータ７１を駆動して、コア９１ａのみにレーザ光ＬＢを入射させる。これにより、ワーク２０１に照射されるレーザ光ＬＢのスポット径を小さくし、溶接箇所におけるレーザ光ＬＢのパワー密度を高めている（第１照射ステップ）。一方、溶融池２１０及びキーホール２２０が形成された後には、前述したようなくびれ部２２２等の形成を抑制することが望まれる。そのために、コントローラ８０は、第１モータ７１を駆動して、コア９１ａ及び第１クラッド９１ｂにレーザ光ＬＢを入射させる。これにより、キーホール２２０の開口２２１が拡がるようにし、かつ所望の溶け込み深さＤが得られるようにする（第２照射ステップ）。また、第２レーザ光照射ヘッド１２２及び第３レーザ光照射ヘッド１２３を用いる場合にも、同様のシーケンスでワーク２０２，２０３がそれぞれレーザ溶接される。なお、図１６において、第２～第３レーザ光照射ヘッド１２２～１２３へのレーザ光ＬＢの切り替えの表記を省略している。

【0089】

このようにすることで、レーザ溶接において、ワーク２０１～２０３に確実に溶融池２１０及びキーホール２２０を形成できるとともに、ワーク２０１～２０３の内部の気泡２２３や表面の凹凸２１１等の発生を抑制して、溶接品質を高めることができる。

【0090】

また、これらに限られず、ワーク２０１～２０３の材質及び／またはワーク２０１～２０３におけるレーザ加工対象部位の形状に応じて、ビーム制御機構２０を動作させて、複数のレーザ光出射ヘッドのいずれかから出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御することで、種々の材質や形状を有するワーク２０１～２０３をレーザ加工することができ、かつその加工品質を高められる。

【0091】

（実施形態３）
図１７は、レーザ光のビームプロファイルの周期的変化を示す。なお、本実施形態における第１光ファイバ９１は、実施形態２に示したのと同様にマルチクラッドファイバである。

【0092】

本実施形態では、第１モータ７１を所定の角度範囲内で往復回転させることで、これに応じて第１光学部材５１も所定の角度範囲内で往復回転する。つまり、ビーム制御機構２０は、第１レーザ光出射ヘッド１２１から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布をワーク２０１のレーザ加工中に周期的に切り替えるように構成されている。なお、本実施形態において、第１光学部材５１の回転周波数は数Ｈｚ～数ｋＨｚ程度に設定されている。また、図示しないが、第２モータ７２及び第３モータ７３も同様に、角度範囲内で往復回転可能であり、これに応じて、第２光学部材５２及び第３光学部材５３もそれぞれ、所定の角度範囲内で往復回転する。

【0093】

この場合、図１７に示すように、第１レーザ光出射ヘッド１２１の出射端から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布は周期的に変化する。具体的には、単峰状のピークを有するビームプロファイルから、双峰状のピークを有するビームプロファイルに連続的に変化し、かつその変化は周期的に繰り返される。また、第１光学部材５１の回転周波数が、レーザ光ＬＢのパワー分布が変化する周波数に相当する。

【0094】

このようにすることで、例えば、ワーク２０１に溶融池２１０とキーホール２２０とを確実に形成しつつ、キーホール２２０が狭まりすぎるのを防止して、気泡２２３やスパッタ２１２の発生が抑制されたレーザ溶接を行うことができる。

【0095】

また、レーザ光ＬＢのパワー分布を所定の周波数、この場合は、ワーク２０１に形成されたキーホール２２０の固有振動周波数に略等しい周波数で周期的に切り替えることにより、前述した溶融池２１０の後方に形成される凹凸２１１を小さくし、キーホール２２０の形状乱れを効果的に抑制することができる。このことについてさらに説明する。

【0096】

レーザ溶接の進行方向に沿って溶融池２１０が順次形成されていく過程で、キーホール２２０もまた、レーザ溶接の進行方向に沿って移動していく。このとき、キーホール２２０は、固有の振動周波数（以下、単に固有振動周波数という）で直径方向及び／または深さ方向に直径方向及び／または深さ方向に伸長及び収縮を繰り返して振動している。固有振動周波数は、溶融池２１０のサイズや溶融したワークの構成金属の溶融時の粘性等によって定まる値であり、多くの場合、数Ｈｚから数ｋＨｚ程度と推定されている。

【0097】

この固有振動周波数に略等しい周波数でワーク２０１に照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を周期的に変化させることで、キーホール２２０の形状が安定し、ワーク２０１の内部でのくびれ部２２２の発生、ひいては気泡２２３の発生を抑制することができる。また、溶融池２１０の後方に形成される凹凸２１１を小さくすることができる。

【0098】

以上に示した、レーザ光ＬＢのパワー分布を周期的、かつ連続的に変化させる方法は、特に厚板溶接に有効である。これは、板厚が厚くなると必要な溶け込みが深くなり、それを実現するためにキーホール２２０も深くなるので、キーホール２２０の不安定性（例えば、くびれ）に起因する溶接欠陥が発生する確率が高くなるためである。

【0099】

＜変形例３＞
ワークにおけるレーザ溶接対象部位の形状がレーザ溶接の進行方向に沿って変化している場合、溶接対象部位の形状に応じて、ワークに照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を適切に切り替えることで、良好なレーザ溶接を行うことができる。図１８を用いてさらに説明する。なお、本変形例における第１光ファイバ９１は、実施形態２に示したのと同様にマルチクラッドファイバである。

【0100】

図１８は、本変形例に係るワークの溶接シーケンスを示し、ワーク２０１は、薄板部とそれに連続した厚板部とを有する形状となっている。厚板部の厚さは薄板部よりも厚くなっている。

【0101】

まず、薄板部をレーザ溶接するにあたって、図１６に示すシーケンスでワーク２０１にレーザ光ＬＢを照射する。所定以下の厚さの薄板部では、溶け込み深さＤをあまり深くしなくてよい。このため、溶接開始時に単峰状のピークを有するビームプロファイルでレーザ光ＬＢをワーク２０１に照射し、溶融池２１０とキーホール２２０を形成した後は、レーザ光ＬＢのパワー分布がブロードとなるように変化させて、キーホール２２０にくびれ部２２２が形成されるのを抑制する。

【0102】

次に、薄板部の溶接が終了して厚板部の溶接が開始される時点で、図１７に示すシーケンスでワーク２０１にレーザ光ＬＢを照射する。つまり、固有振動周波数でレーザ光ＬＢのパワー分布を周期的に変化させつつ、ワーク２０１に向けてレーザ光ＬＢを照射する。

【0103】

このようにすることで、溶け込み深さＤを深くしつつ、前述したように、厚板溶接にて発生しがちな、ワーク２０１の内部の気泡２２３やワーク２０１の表面の凹凸２１１やスパッタ２１２などの溶接欠陥を抑制して溶接品質を高めることができる。

【0104】

なお、ワーク２０１の材質や薄板部の厚さによっては、レーザ光ＬＢのパワー分布が最初からブロードとなるように固定した状態で薄板部の溶接を行うようにしてもよい。

【0105】

（その他の実施形態）
実施形態１において、第１光学部材５１がレーザ光ＬＢの光路内と光路外とを移動可能な構成としたが、特にこれに限られず、レーザ光ＬＢの光路内に固定配置されていてもよい。ただし、その場合にも、第１光学部材５１は出力軸７１ａの軸線回りに回転可能である。なお、この場合、第２光学部材５２または第３光学部材５３をレーザ光ＬＢの光路外にする。同様に、第２光学部材５２や第３光学部材５３がレーザ光ＬＢの光路内に固定されていてもよい。ただし、その場合にも、第２光学部材５２及び第３光学部材５３は出力軸７２ａの軸線及び出力軸７３ａの軸線回りにそれぞれ回転可能である。なお、この場合、残りの二つの光学部材をレーザ光ＬＢの光路外にする。

【0106】

変形例３を含む実施形態２，３において、図１１に示す構造のマルチクラッドファイバを例に取って説明したが、他の構造であってもよい。例えば、第２クラッド９１ｃの外周側に１または複数のクラッドを設けてもよい。この場合、第２クラッド９１ｃの外側に設けたクラッドは、その屈折率を順次に低めにすればよい。なお、レーザ光ＬＢの入射できるクラッドは、最も外側のクラッドを除いたクラッドまでとしてよい。言うまでもなく、最も外側のクラッドの外にはファイバを機械的に保護する皮膜または樹脂系の保護層が設けられている。

【0107】

また、ワークの材質や形状、あるいは加工内容によって、レーザ光ＬＢの出力や波長は適宜変更されうる。

【0108】

また、第１～第３光学部材５１～５３を傾動させるために、第１～第３モータ７１～７３以外のアクチュエータ、例えば、圧電式アクチュエータ等を用いてもよい。

【0109】

なお、本願明細書では、溶融池２１０にキーホール２２０が形成される、いわゆるキーホール型レーザ溶接を例に取って説明したが、ワークの材質や形状、また、要求される溶け込み深さＤや溶接ビードの幅等によってレーザ溶接のタイプは適宜選択しうる。また、レーザ溶接に限らず、レーザ切断に対して、前述したレーザ加工装置１０００及び溶接シーケンスが適用可能であることは言うまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0110】

本発明のレーザ加工装置は、レーザ光が出射されるレーザ光出射ヘッドの切り替えを簡便かに行うことができ、大量のワークを加工可能なレーザ加工装置として有用である。

【符号の説明】

【0111】

１０ レーザ発振器
２０ ビーム制御機構
３０ 集光レンズ
４１～４３ 第１～第３光路変更機構
５１～５３ 第１～第３光学部材
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ ホルダ
７１～７３ 第１～第３モータ
８０ コントローラ
９０ ファイババンドル
９１～９３ 第１～第３光ファイバ
９１ａ コア
９１ｂ 第１クラッド
９１ｃ 第２クラッド
１２１～１２３ 第１～第３レーザ光出射ヘッド
１３１～１３３ 第１～第３マニピュレータ
２０１～２０３ ワーク
２１０ 溶融池
２２０ キーホール
２２１ 開口
１０００ レーザ加工装置
ＬＢ レーザ光

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】