特許 7382554 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 26/073 20060101AFI20231110BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20231110BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20231110BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20231110BHJP

【ＦＩ】

B23K26/073

B23K26/00 N

B23K26/064 K

B23K26/064 Z

B23K26/21 A

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2021522718

(86)(22)【出願日】2020-04-24

(86)【国際出願番号】 JP2020017622

(87)【国際公開番号】W WO2020241138

(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 2019100185

(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】特開昭５８－１５９５１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３１３１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】実公昭６１－０１６９３８（ＪＰ，Ｙ２）

【文献】米国特許第０８７８１２６９（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】特開２０１１－２５３８６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－０４２５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２２４８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１２３７９（ＷＯ，Ａ１）

【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）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／０７３

Ｂ２３Ｋ ２６／００

Ｂ２３Ｋ ２６／０６４

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、
コアと、前記コアの外周側に前記コアと同軸に設けられた第１クラッドと、前記第１クラッドの外周側に前記コアと同軸に設けられた第２クラッドと、を少なくとも有し、入射端面および前記入射端面とは反対の出射端を有する光ファイバと、
前記レーザ発振器に設けられ、前記レーザ光を前記光ファイバの入射端面に導入するとともに、前記光ファイバの出射端から出射される前記レーザ光のパワー分布を制御するビーム制御機構と、
前記光ファイバの出射端に取付けられ、前記レーザ光をワークに向けて照射するレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備え、
前記レーザ発振器は、第１波長の第１レーザ光を発生させる第１レーザ発振部と、前記第１波長と異なる第２波長の第２レーザ光を発生させる第２レーザ発振部と、を有し、
前記ビーム制御機構は、
前記第１レーザ光を受け取って所定の倍率で集光する第１集光レンズと、
前記第２レーザ光を受け取って所定の倍率で集光する第２集光レンズと、
前記第１集光レンズで集光された前記第１レーザ光と前記第２集光レンズで集光された前記第２レーザ光とを受け、前記第１レーザ光の光軸が前記第２レーザ光の光軸に一致するように前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とを合波して前記レーザ光を形成し、前記レーザ光を前記光ファイバの入射端面に向かわせる光合波部材と、
前記第１集光レンズと前記光合波部材との間の前記第１レーザ光の光路上及び前記第２集光レンズと前記光合波部材との間の前記第２レーザ光の光路上の少なくとも一方に配置され、前記第１レーザ光の光路及び前記第２レーザ光の光路のうち前記少なくとも一方の変更と保持をする光路変更保持機構と、
前記光路変更保持機構の動作を制御するコントローラと、を少なくとも有し、
前記ビーム制御機構は、前記光ファイバの入射端面における前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の少なくとも一方の入射位置を変化させることで、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記光路変更保持機構は、
前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の前記少なくとも一方を透過させるとともに、前記第１レーザ光の光軸及び前記第２レーザ光の光軸のうち前記少なくとも一方と交差する軸の軸周りに傾動可能に設けられた平行平板状の光学部材と、
前記光学部材に連結されたアクチュエータと、を有し、
前記コントローラが前記アクチュエータを駆動して、前記光学部材を傾動させることで、前記ビーム制御機構は前記光ファイバの入射端面における前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の前記少なくとも一方の入射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載のレーザ加工装置において、
前記コントローラは前記第１レーザ光のパワーと前記第２レーザ光のパワーとをそれぞれ制御しており、前記コントローラが前記第１レーザ光のパワーと前記第２レーザ光のパワーに関するパワー比率を変化させることで、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記ビーム制御機構は、前記コア及び前記第１クラッドの少なくとも一方に前記第１レーザ光または前記第２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5】

請求項４に記載のレーザ加工装置において、
前記第２波長は前記第１波長よりも短く、
前記第１クラッドに前記第２レーザ光が入射され、
前記コントローラが前記第１レーザ光のパワーに対する前記第２レーザ光のパワーを変化させることで、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項6】

請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記ビーム制御機構は、前記ワークの材質及び前記ワークにおけるレーザ加工対象部位の形状のうち少なくとも一方に応じて、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項7】

請求項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9】

請求項１ないし８のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記第１レーザ発振部はディスクレーザかファイバレーザか、あるいはＹＡＧレーザのいずれかで、前記第１波長は１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲にあり、
前記第２レーザ発振部は半導体レーザで、前記第２波長は８００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲にあることを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項10】

請求項１ないし８のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記第１レーザ発振部はディスクレーザかファイバレーザか、あるいはＹＡＧレーザのいずれかで、前記第１波長は１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲にあり、
前記第２レーザ発振部は可視光レーザで、前記第２波長は４００ｎｍ～８００ｎｍの範囲にあることを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項11】

請求項１ないし８のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
前記第１レーザ発振部は半導体レーザで、前記第１波長は８００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲にあり、
前記第２レーザ発振部は可視光レーザで、前記第２波長は４００ｎｍ～８００ｎｍの範囲にあることを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項12】

請求項１ないし１１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13】

請求項１２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14】

請求項１２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15】

請求項１３または１４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16】

請求項１５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】

従来、複数のレーザダイオードあるいはレーザダイオードバーから出射されるレーザ光をビーム結合して大出力のレーザ光を生成する技術が知られている。このようなレーザ光は、光ファイバによって伝送されワークをレーザ加工するのに用いられる。

【0003】

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近年、提案されてきている。

【0004】

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

【0005】

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

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【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】

【0007】

ところで、一般に、金属の光吸収率は波長依存性を有している。金属に照射される光の波長が短くなる程、金属の光吸収率は高くなる傾向にある。このような特性を利用して、互いに波長の異なるレーザ光を含む合波レーザ光によりレーザ加工を行うことが提案されている。しかし、特許文献１及び特許文献２には、このような技術は開示されていない。

【0008】

また、特許文献１に開示されたレーザシステムでは、比較的大型の光学部品であるリフレクタや集光レンズをアクチュエータで動かすため、その応答性に問題があり、レーザ光の光路を高速に変更し、光ファイバへの入射位置を変化させることが難しかった。このため、ワークの形状が変化した場合等に、当該変化に応じてレーザ光のパワー分布を制御するのが難しく、ワークの加工品質を維持するのが難しかった。

【0009】

また、特許文献２は、集光レンズの位置を移動させてレーザ光の入射位置を変化させる方法を開示している。この方法は、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。また、連続発振中のレーザ光の光路上に光学素子を挿入しながらこれを動かすと、レーザ光が光学素子のエッジ部分によって思わぬ方向に散乱されるため、レーザ加工に不具合を生じるおそれがあった。また、散乱されたレーザ光によってレーザ共振器の内部が損傷するおそれがあった。

【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、互いに波長の異なるレーザ光を合波するとともに、合波されたレーザ光のパワー分布を制御可能なレーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法を提供することにある。

【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、コアと、前記コアの外周側に前記コアと同軸に設けられた第１クラッドと、前記第１クラッドの外周側に前記コアと同軸に設けられた第２クラッドと、を少なくとも有し、入射端面および前記入射端面とは反対の出射端を有する光ファイバと、前記レーザ発振器に設けられ、前記レーザ光を前記光ファイバの入射端面に導入するビーム制御機構と、前記光ファイバの出射端に取付けられ、前記レーザ光をワークに向けて照射するレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備え、前記レーザ発振器は、第１波長の第１レーザ光を発生させる第１レーザ発振部と、前記第１波長と異なる第２波長の第２レーザ光を発生させる第２レーザ発振部と、を有し、前記ビーム制御機構は、前記第１レーザ光を受け取って所定の倍率で集光する第１集光レンズと、前記第２レーザ光を受け取って所定の倍率で集光する第２集光レンズと、前記第１集光レンズで集光された前記第１レーザ光と前記第２集光レンズで集光された前記第２レーザ光とを受け、前記第１レーザ光の光軸が前記第２レーザ光の光軸に一致するように前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とを合波して前記レーザ光を形成し、前記レーザ光を前記光ファイバの入射端面に向かわせる光合波部材と、前記第１集光レンズと前記光合波部材との間の前記第１レーザ光の光路上及び前記第２集光レンズと前記光合波部材との間の前記第２レーザ光の光路上の少なくとも一方に配置され、前記第１レーザ光の光路及び前記第２レーザ光の光路のうち前記少なくとも一方の変更と保持をする光路変更保持機構と、前記光路変更保持機構の動作を制御するコントローラと、を少なくとも有し、前記ビーム制御機構は、前記光ファイバの入射端面における前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の少なくとも一方の入射位置を変化させることで、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とする。

【0012】

この構成によれば、例えば、第２集光レンズと光合波部材との間の第２レーザ光の光路上に光路変更保持機構を設けることで、第２レーザ光の光路を容易に変更することができる。このことにより、第１レーザ光と第２レーザ光とから形成されたレーザ光のパワー分布を制御することができる。

【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、第１レーザ光と第２レーザ光とから形成されるレーザ光のパワー分布を制御することができる。本発明のレーザ加工方法によれば、ワークの溶接品質を高められる。

【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】光ファイバの屈折率分布を示す模式図である。

【図3】ビーム制御機構をＸ方向から見た模式図である。

【図4A】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4B】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5】第１レーザ光の入射位置と第２レーザ光の入射位置を変化させた場合の光ファイバの入射端近傍の状態を示す模式図である。

【図6】図５に示す状態でのレーザ光のビームプロファイルを示す図である。

【図7】図５に示す状態で第１レーザ光と第２レーザ光とのパワー比率を変えた場合のレーザ光のビームプロファイルを示す図である。

【図8】ワークの溶接箇所の断面模式図である。

【図9】ワークの溶接シーケンスである。

【図10】実施形態２に係るワークの溶接シーケンスである。

【図11】変形例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と光ファイバ９０とレーザ光出射ヘッド１００とマニピュレータ１１０とを備えている。また、図２は、光ファイバ９０における屈折率分布を示す。

【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。レーザ発振器１０は、波長がλ１（以下、第１波長λ１と呼ぶことがある。）の第１レーザ光ＬＢ１を発生させる第１レーザ発振部１１と、波長がλ２（以下、第２波長λ２と呼ぶことがある。）の第２レーザ光ＬＢ２を発生させる第２レーザ発振部１２と、を有している。なお、第１波長λ１と第２波長λ２とは互いに異なる値であり、本実施形態では、第１波長λ１は、第２波長λ２よりも長い。

【0020】

例えば、第１レーザ発振部１１をファイバレーザかディスクレーザか、あるいやＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザとし、第２レーザ発振部１２を半導体レーザとすることもできる。この場合、第１波長λ１は、１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲に、第２波長λ２は、８００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲にそれぞれ設定される。なお、第２レーザ発振部１２を可視光レーザとし、第２波長λ２を４００ｎｍ～８００ｎｍの範囲に設定するようにしてもよい。

【0021】

また、ワーク２００の材質に応じて、第１レーザ発振部１１及び第２レーザ発振部１２を別の構成としてもよい。例えば、第１レーザ発振部１１を半導体レーザとし、第２レーザ発振部１２を可視光レーザとすることもできる。この場合、第１波長λ１は、８００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲に、第２波長λ２は、４００ｎｍ～８００ｎｍの範囲にそれぞれ設定される。

【0022】

また、第１レーザ発振部１１及び第２レーザ発振部１２はそれぞれ、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。後述するように、ビーム制御機構２０で第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２とが合波されてレーザ光ＬＢとして光ファイバ９０に入射される。

【0023】

ビーム制御機構２０は、レーザ発振器１０に設けられており、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２とを合波し、合波されたレーザ光ＬＢを光ファイバ９０の入射端面に導入するとともに、光ファイバ９０の出射端から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御する。ビーム制御機構２０の構成及び動作については後で述べる。

【0024】

光ファイバ９０は、いわゆるマルチクラッドファイバである。光ファイバ９０は、コア９０ａと、コア９０ａの外周側にコア９０ａと同軸に設けられた第１クラッド９０ｂと、第１クラッド９０ｂの外周側にコア９０ａと同軸に設けられた第２クラッド９０ｃとを有する。コア９０ａと第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとはその主成分が石英からなり、図２に示すように、コア９０ａの屈折率が最も高く、第１クラッド９０ｂ、第２クラッド９０ｃの順に屈折率が低くなる。第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとの屈折率は、共に屈折率を下げることのできる、異なった種類または濃度の物質をドーピングすることによって調整されてもよい。また、コア９０ａの屈折率は、屈折率を上げることのできる、異なった種類または濃度の物質をドーピングすることによって調整されてもよい。このような屈折率分布を持った光ファイバ９０では、所定の角度でコア９０ａに入射されたレーザ光ＬＢは第１クラッド９０ｂに入ることなく、コア９０ａの中を伝搬することができるが、所定の角度で第１クラッド９０ｂに入射されたレーザ光ＬＢは第２クラッド９０ｃに入ることなく、第１クラッド９０ｂの中を伝搬することができる。このようなレーザ光ＬＢの伝搬方法を実現するための光ファイバの構造として、図２に示す構造はあくまでも一例であり、必ずしもコア９０ａと第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとで異なった屈折率を持たせる必要はない。例えば、コア９０ａと第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとを同じ屈折率Ｎ１にすると共に、コア９０ａと第１クラッド９０ｂとの間に、また第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとの間に、屈折率Ｎ２（Ｎ２＜Ｎ１）を有する薄い層を設けてもよい。そうすることによって、所定の角度でコア９０ａに入射されたレーザ光ＬＢは第１クラッド９０ｂに入ることなく、コア９０ａの中を伝搬することができるが、所定の角度で第１クラッド９０ｂに入射されたレーザ光ＬＢは第２クラッド９０ｃに入ることなく、第１クラッド９０ｂの中を伝搬することができる。屈折率Ｎ２を有する層は、その主成分が石英であるが、屈折率を下げることのできる物質をドーピングすればよい。光ファイバ９０に入射されたレーザ光ＬＢは、コア９０ａ及び／または第１クラッド９０ｂを伝搬し、光ファイバ９０の出射端に到達する。なお、図２に示すように、コア９０ａの直径をφ１とし、第１クラッド９０ｂの直径をφ２とする。また、図示しないが、第２クラッド９０ｃの外周面には光ファイバ９０を機械的に保護する皮膜または樹脂系の保護層が設けられている。

【0025】

レーザ光出射ヘッド１００は、光ファイバ９０の出射端に取付けられており、光ファイバ９０で伝送されたレーザ光ＬＢをワーク２００に向けて照射し、ワーク２００がレーザ加工される。なお、レーザ光出射ヘッド１００の内部には図示しない光学部品、例えば、コリメータレンズや集光レンズや保護ガラス等が配設されている。

【0026】

コントローラ８０は、レーザ発振器１０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１０に接続された図示しない電源に対して出力電流やオン時間等の制御信号を供給することにより、第１レーザ発振部１１及び第２レーザ発振部１２でのレーザ発振制御、例えば、第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２の出力パワー制御やそのＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。

【0027】

また、コントローラ８０は、選択されたレーザ加工プログラムの内容に応じて、ビーム制御機構２０に設けられたモータ７０（図４Ａ，４Ｂ参照）の駆動制御を行う。さらに、コントローラ８０は、マニピュレータ１１０の動作を制御する。なお、レーザ加工プログラムは、図示しない記憶部に保存されている。記憶部はコントローラ８０の内部に設けられていてもよいし、コントローラ８０の外部に設けられ、コントローラ８０とデータのやり取りを可能に構成されていてもよい。なお、コントローラ８０はビーム制御機構２０の一部を構成している。

【0028】

マニピュレータ１１０はコントローラ８０に接続され、前述のレーザ加工プログラムに応じて所定の軌跡を描くようにレーザ光出射ヘッド１００を移動させる。なお、マニピュレータ１１０の動作を制御するコントローラを別に設けるようにしてもよい。

【0029】

［ビーム制御機構の構成］
図３は、ビーム制御機構をＸ方向から見た模式図を、図４Ａは、ビーム制御機構の要部をＹ方向から見た模式図を、図４Ｂは、ビーム制御機構の要部をＺ方向から見た模式図をそれぞれ示す。なお、本願明細書において、ダイクロイックミラー３３から光ファイバ９０に向かうレーザ光ＬＢの進行方向をＺ方向と、モータ７０の出力軸７０ａの延びる方向をＸ方向と、Ｘ方向及びＺ方向をそれぞれ直交する方向をＹ方向とそれぞれ呼ぶことがある。

【0030】

また、モータ７０の出力軸７０ａの軸線をＸ軸（第１軸）と呼ぶことがある。図３に示すように、Ｘ軸はレーザ光ＬＢと第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２の光軸にそれぞれ略直交している。

【0031】

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

【0032】

図３及び図４Ａ，４Ｂに示すように、ビーム制御機構２０は、第１集光レンズ３１及び第２集光レンズ３２と光学部材５０とダイクロイックミラー（光合波部材）３３とモータ７０とコントローラ８０とを有している。後で述べるように、モータ７０と光学部材５０とは、第２集光レンズ３２で集光された後の第２レーザ光ＬＢ２の光路の変更と保持をする光路変更保持機構４０として機能する。

【0033】

第１及び第２レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２は、それぞれ第１レーザ発振部１１と第２レーザ発振部１２とから発生したレーザ光であり、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第１及び第２集光レンズ３１，３２にそれぞれ入射される。第１及び第２集光レンズ３１，３２は、図示しないコリメートレンズに対して所定の倍率で第１及び第２レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２をそれぞれ集光する。

【0034】

ダイクロイックミラー３３は、第１集光レンズ３１で集光された後の第１レーザ光ＬＢ１の光路と第２集光レンズ３２で集光された後の第２レーザ光ＬＢ２の光路とが交差する位置に配置されている。また、ダイクロイックミラー３３に入射される前の第１レーザ光ＬＢ１の光軸と第２レーザ光ＬＢ２の光軸とは互いに直交しており、ダイクロイックミラー３３の表面はＸ方向から見て第２レーザ光ＬＢ２の光軸と４５度の角度をなすように配置されている。

【0035】

ダイクロイックミラー３３は、第１レーザ光ＬＢ１をそのまま透過させる一方、９９．０％以上、できれば１００％に近い比率で第２レーザ光ＬＢ２を表面で反射する。モータ７０の出力軸７０ａが初期位置にある場合、光学部材５０は第２レーザ光ＬＢ２の光軸に対して略直交するように配置される。この状態では、第２レーザ光ＬＢ２は、その光軸が第１レーザ光ＬＢ１の光軸と重なるようになり、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２とが合波される。合波された後のレーザ光ＬＢが光ファイバ９０に入射される。

【0036】

光学部材５０は、第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２に対して透明な材質からなる平行平板状の部材である。光学部材５０は、例えば、石英からなり、第１波長λ１及び第２波長λ２に対して１よりも大きい屈折率を有する。光学部材５０は、入射したレーザ光、この場合は第２レーザ光ＬＢ２に対する反射率をできるだけ下げるために、両面に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光学部材５０の反射率は、１％よりはるかに小さいことが望ましい。光学部材５０は、第２集光レンズ３２とダイクロイックミラー３３との間の第２レーザ光ＬＢ２の光路上に配置されている。

【0037】

モータ７０は出力軸７０ａを有しており、ホルダ６０を介して光学部材５０に連結されている。モータ７０を駆動させて出力軸７０ａがＸ軸周りに回転することで、光学部材５０はホルダ６０との連結部を中心としてＹＺ平面内に回転する。なお、モータ７０は一方向（図３に示す方向Ａ）のみに回転するのではなく、正逆両方向（図３に示す方向Ｂ）に回転可能に構成されている。また、回転周波数は可変であり、溶接加工を行う際には、数Ｈｚ～数ｋＨｚ程度の範囲で変化させることができる。また、後述するように、ビーム制御機構２０を動作させる場合、モータ７０は一方向に連続して回転動作を行うのではなく、所定の角度範囲を回転する。言い換えると、光学部材５０はホルダ６０との連結部を中心として所定の角度で傾動する。また、モータ７０は、光学部材５０を設定された角度範囲で高速に往復回転させることができる。また、モータ７０はコントローラ８０に接続され、コントローラ８０からの制御信号によって駆動される。

【0038】

なお、光学部材５０のＺ方向の厚さは１ｍｍから数ｍｍ程度であるが、特にこれに限定されず、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおける第２レーザ光ＬＢ２の移動距離とモータ７０の回転角度との関係で適宜別の値に変更しうる。当該厚さが数ｍｍ程度であると、また、第２集光レンズ３２とダイクロイックミラー３３との間の、集光された第２レーザ光ＬＢ２が通過する狭い位置に設置するため、その必要サイズが小さく、モータ７０によって高速、例えば、数ｋＨｚの回転周波数で往復回転させることが容易となる。

【0039】

［レーザ光のパワー分布の変更手順］
次に、レーザ光ＬＢのパワー分布の変更手順について説明する。

【0040】

図５は、第２レーザ光の入射位置が第１レーザ光の入射位置とは異なる場合の光ファイバの入射端近傍の状態を示す。図６は、図５に示す状態でレーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光のビームプロファイルの一例を示す。なお、図６に示すビームプロファイルは、レーザ光出射ヘッド１００から出射され、焦点位置に結像されたレーザ光ＬＢのパワー分布に相当する。また、図６に示すビームプロファイルは、光ファイバ９０の出射端から出射されたレーザ光ＬＢのパワー分布に相当する。

【0041】

コントローラ８０からの制御信号により、モータ７０を図３に示す方向Ａに所定の角度で回転させると、モータ７０の回転に応じて光学部材５０はホルダ６０との連結部を中心としてＹＺ平面内を所定の角度で傾動する。この角度に応じて、光学部材５０の光入射面と第２レーザ光ＬＢ２の光軸との角度が変化し、光学部材５０の内部で第２レーザ光ＬＢ２の光路が変更される。光路が変更された第２レーザ光ＬＢ２がダイクロイックミラー３３で反射されると、第２レーザ光ＬＢ２の光軸とダイクロイックミラー３３を透過した後の第１レーザ光ＬＢ１の光軸とが近接するものの、所定の距離だけずれて、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２とが合波される。その結果、例えば、図５に示すように、第１レーザ光ＬＢ１が光ファイバ９０のコア９０ａに入射される一方、第２レーザ光ＬＢ２が光ファイバ９０の第１クラッド９０ｂに入射される。また、その場合のレーザ光ＬＢのビームプロファイルは、図６に示すように、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んでいる。前者がコア９０ａ内に伝送される第１レーザ光ＬＢ１に対応し、後者が第１クラッド９０ｂ内に伝送される第２レーザ光ＬＢ２に対応する。言うまでもなく、図５の矢印で示したように、第２レーザ光ＬＢ２の全部またはその一部をコア９０ａの中に入るようモータ７０を駆動して光学部材５０を傾動させてもよい。

【0042】

このように、モータ７０を駆動して光学部材５０を傾動させることで、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおける第２レーザ光ＬＢ２の入射位置を連続的に変化させることができる。また、第２レーザ光ＬＢ２の入射位置を変化させることで、例えば、コア９０ａに伝送される第１レーザ光ＬＢ１と第１クラッド９０ｂに伝送される第２レーザ光ＬＢ２のパワー比率を変化させることができる。

【0043】

図７は、図５に示す状態で第１レーザ光と第２レーザ光とのパワー比率を変えた場合のレーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光のビームプロファイルを示す。なお、第１レーザ光ＬＢ１のパワーと第２レーザ光ＬＢ２のパワーはそれぞれコントローラ８０からの制御信号によって第１レーザ発振部１１と第２レーザ発振部１２とを制御して変更される。

【0044】

第１レーザ光ＬＢ１のパワーをＰ１、第２レーザ光ＬＢ２のパワーをＰ２とそれぞれしたとき、Ｐ１が有限の値で、Ｐ２がゼロの場合、レーザ光ＬＢのビームプロファイルは半値幅の狭い単峰状となる（図７のケース１）。

【0045】

一方、Ｐ１とＰ２との比率を以下の式（１）に示す関係とすると、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（図７のケース２）。前者がコア９０ａ内に伝送される第１レーザ光ＬＢ１に対応し、後者が第１クラッド９０ｂ内に伝送される第２レーザ光ＬＢ２に対応する。

【0046】

Ｐ１／Ｐ２＞φ１^２／（φ２^２－φ１^２） ・・・（１）
Ｐ１とＰ２との比率を以下の式（２）に示す関係とすると、レーザ光ＬＢの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、レーザ光ＬＢのビームプロファイルは単峰状となるものの、コア９０ａ内にのみ第１レーザ光ＬＢ１が伝送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（図７のケース３）。

【0047】

Ｐ１／Ｐ２＝φ１^２／（φ２^２－φ１^２） ・・・（２）
Ｐ１とＰ２との比率を以下の式（３）に示す関係とすると、レーザ光ＬＢのビームプロファイルのうち、コア９０ａ内に伝送される成分に対応する部分のピーク値が低下し、第１クラッド９０ｂ内に伝送される成分に対応する部分のピーク値が高くなり、ビームプロファイルは双峰状となる（図７のケース４）。

【0048】

Ｐ１／Ｐ２＜φ１^２／（φ２^２－φ１^２） ・・・（３）
さらに、Ｐ１がゼロで、Ｐ２が有限の値の場合、レーザ光ＬＢのビームプロファイルは双峰状となり、かつ中心部でのパワーはゼロとなる（図７のケース５）。

【0049】

以上の説明では、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２のパワーを制御することで図７に示したビームプロファイルを得たが、両者のパワーを固定しても、第２レーザ光ＬＢ２の照射位置を変えることで図７に示した一部のビームプロファイルを得ることができる。例えば、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２とのパワーが式（１）を満たすケース２について説明する。図７で既に説明したとおり、第２レーザ光ＬＢ２を第１クラッド９０ｂに全部入れた場合に、ケース２のビームプロファイルが得られている。図５では図示していないが、第２レーザ光ＬＢ２の全部がコア９０ａに入射すると、図７のケース１と同じ形のビームプロファイルを得ることができる。ただし、このビームプロファイルには第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２の両方が含まれる。また、第２レーザ光ＬＢ２の照射位置をコア９０ａと第１クラッド９０ｂとの境界をまたがるようにすると、第２レーザ光ＬＢ２の一部のパワーがコア９０ａにも入るので、図７のケース２において、第１レーザ光ＬＢ１に対応する部分のビームプロファイルの高さを制御することができる。ただし、当該部分には第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２の両方が含まれる。第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２とのパワーが式（２）または式（３）に満たすケース３，４についての説明を省略するが、第２レーザビームＬＢ２の照射位置を制御することによっても図７に示すケース１～４のビームプロファイルを得ることができる。

【0050】

以上説明したように、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおいて、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２の入射位置をそれぞれ異ならせ、もしくは、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２のパワーを変化させることで、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢの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。

【0051】

また、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルを変化させることで、ワーク２００の加工形状、例えば、溶接形状を良好なものとすることができる。このことについてさらに説明する。

【0052】

図８は、ワークの溶接箇所の断面模式図であり、一般に、金属からなるワーク２００をレーザ溶接する際、レーザ光ＬＢが照射された部分が加熱されて溶け込みを生じ、溶融池２１０が形成される。また、レーザ光ＬＢが照射された部分では溶融池２１０を構成する材料の蒸発が起こり、その反力で溶融池２１０の内部にキーホール２２０が形成される。

【0053】

例えば、図６に示すビームプロファイルを有するレーザ光ＬＢをレーザ光出射ヘッド１００からワーク２００に向けて照射した場合、ビームプロファイルの各部分に含まれる第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２の比率により、キーホール２２０の周囲では、次に示すようにレーザ光ＬＢが吸収または反射される。

【0054】

まず、図８に示す経路Ｉを通るレーザ光ＬＢの主成分は第１レーザ光ＬＢ１であり、第２レーザ光ＬＢ２が若干混合されている場合がある。経路Ｉを通るレーザ光ＬＢは、キーホール２２０の内壁面で複数回反射されつつ、キーホール２２０の内部に進入し、溶融池２１０に吸収される。

【0055】

一方、経路ＩＩを通るレーザ光ＬＢの主成分は第２レーザ光ＬＢ２であり、第１レーザ光ＬＢ１が若干混合されている場合がある。経路ＩＩを通るレーザ光ＬＢは、一部がキーホール２２０の内壁面で反射されて溶融池２１０の外部に放射される。この放射分は、溶融池２１０及びキーホール２２０の形成に寄与しないため、損失となる。

【0056】

また、経路ＩＩＩを通るレーザ光ＬＢのほとんどは第２レーザ光ＬＢ２である。経路ＩＩＩを通るレーザ光は、一部が溶融池２１０の表面で反射されてワーク２００の外部に放射される。この放射分は、溶融池２１０及びキーホール２２０の形成に寄与しないため、損失となる。

【0057】

以上説明したように、経路ＩＩ及びＩＩＩを通るレーザ光ＬＢの一部はレーザ溶接に寄与しない損失分となりうる。一方、前述したように、金属の光吸収率は波長が短くなる程高くなる。従って、経路ＩＩ及びＩＩＩを通るレーザ光ＬＢ、言い換えると、第１クラッド９０ｂに入射される第２レーザ光ＬＢ２の第２波長λ２を第１レーザ光ＬＢ１の第１波長λ１よりも短い値に設定することで、ワーク２００の母材金属や溶融池２１０での第２レーザ光ＬＢ２の吸収率が高くなるため、レーザ光ＬＢの全体の損失を減らすことができる。

【0058】

例えば、図７のケース１に示すようなビームプロファイルのレーザ光ＬＢでワーク２００をレーザ溶接すると、ワーク２００の溶け込み量が多くなりキーホール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、キーホール２２０の内部でくびれ部（図示せず）を生じてしまうことがある。また、くびれ部が閉じてしまうことにより溶融池２１０の内部に気泡（図示せず）が残存してしまう。さらに、一度閉じたキーホール２２０がレーザ光ＬＢの照射を受けて再度キーホール２２０が形成される際には、表面に向かって溶融金属が急激に噴出すると、ワーク２００の表面にスパッタ（図示せず）が付着したり、溶融池２１０の表面が波立ったりする。このような波が生じると、レーザ溶接の進行方向に沿って、溶融池２１０の後方でワーク２００の表面に凹凸２１１（後方振動部２１１ともいう）が生じてしまう。この波は溶融池２１０が急速に冷却されて固化すると、溶接ビード表面に凹凸２１１として残ってしまう。

【0059】

また、この波は溶融池２１０と凝固部分の端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の形状乱れや気泡やスパッタの発生や溶融池２１０の表面に生じる凹凸２１１は，溶接品質を低下させる要因となっていた。

【0060】

一方、本実施形態によれば、ビーム制御機構２０を用いてレーザ光出射ヘッド１００からワーク２００に向けて照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布、具体的には、コア９０ａから出射される第１レーザ光ＬＢ１と第１クラッド９０ｂから出射される第２レーザ光ＬＢ２のパワー比を変化させることができる。例えば、光学部材５０の傾動角度を調整して、図６に示すようなビームプロファイルのレーザ光ＬＢをワーク２００に向けて照射することができる。

【0061】

このような場合、溶け込み深さは若干浅くなるものの、コア９０ａから出射された第１レーザ光ＬＢ１により所望の溶け込み深さが得られる。一方、第１クラッド９０ｂから出射された第２レーザ光ＬＢ２によりキーホール２２０の開口２２１を拡げることができる。また、第２レーザ光ＬＢ２がキーホール２２０付近のワーク２００を加熱し、より大きめの溶融池２１０をキーホール２２０の周りに形成する。そのため、キーホール２２０付近における溶融金属の量が増え、キーホール２２０から噴出した金属蒸気に伴って発生したキーホール２２０の開口２２１付近の溶融池２１０の振動を小さくすることができる。さらに、第２レーザ光ＬＢ２の第２波長λ２は第１レーザ光ＬＢ１の第１波長λ１よりも短いため、キーホール２２０の開口２２１付近の内壁面や溶融池２１０の表面でより多くの第２レーザ光ＬＢ２が吸収される。このことにより、キーホール２２０の開口２２１付近の内壁面同士がくっついて、くびれ部が形成されるのを抑制でき、ひいては溶融池２１０の内部に気泡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幾分抑えられ、溶融池２１０の後方で溶融池２１０の表面に形成される凹凸２１１を小さくできる。さらに、キーホール２２０の開口２２１付近の溶融池２１０の振動を小さくすることができ、キーホール２２０の形状乱れを抑制することにもつながる。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。

【0062】

また、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布をレーザ溶接中に切り替えることによって、溶接品質を高めることができる。

【0063】

図９は、ワークの溶接シーケンスを示し、溶接開始直後では、ワーク２００に溶融池２１０は形成されていない。溶接開始直後では、所望の溶け込み深さを得ることが望まれる。そのために、コントローラ８０は、モータ７０を駆動して、コア９０ａに第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２の両方を入射させる。これにより、ワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのスポット径を小さくし、溶接箇所におけるレーザ光ＬＢのパワー密度を高めると共に、波長の短い第２レーザ光ＬＢ２によってワーク２００のレーザ吸収率を高めている（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等の形成を抑制することが望まれる。そのために、コントローラ８０は、モータ７０を駆動して、第１クラッド９０ｂに第２レーザ光ＬＢ２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が得られるようにする（第２照射ステップ）。また、このときに、必要に応じて、第１レーザ光ＬＢ１のパワーまたは第２レーザ光ＬＢ２のパワーを変化させてもよい。

【0064】

このようにすることで、レーザ溶接において、ワーク２００に確実に溶融池２１０及びキーホール２２０を形成できるとともに、ワーク２００内部の気泡や表面の凹凸２１１等の発生を抑制して、溶接品質を高めることができる。

【0065】

また、これらに限られず、ワーク２００の材質及び／またはワーク２００におけるレーザ加工対象部位の形状に応じて、ビーム制御機構２０を動作させて、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御することで、種々の材質や形状を有するワーク２００をレーザ加工することができ、かつその加工品質を高められる。

【0066】

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工装置１０００は、レーザ光ＬＢを発生させるレーザ発振器１０と、コア９０ａと、コア９０ａの外周側にコア９０ａと同軸に設けられた第１クラッド９０ｂと、第１クラッド９０ｂの外周側にコア９０ａと同軸に設けられた第２クラッド９０ｃと、を少なくとも有し、入射端面９０ｄおよび入射端面９０ｄとは反対の出射端を有する光ファイバ９０と、レーザ発振器１０に設けられ、レーザ光を光ファイバ９０の入射端面９０ｄに導入するビーム制御機構２０と、光ファイバ９０の出射端に取付けられ、レーザ光ＬＢをワーク２００に向けて照射するレーザ光出射ヘッド１００と、を少なくとも備えている。

【0067】

レーザ発振器１０は、第１波長λ１の第１レーザ光ＬＢ１を発生させる第１レーザ発振部１１と、第１波長λ１と異なる第２波長λ２の第２レーザ光ＬＢ２を発生させる第２レーザ発振部１２と、を有している。

【0068】

ビーム制御機構２０は、第１レーザ光ＬＢ１を受け取って所定の倍率で集光する第１集光レンズ３１と、第２レーザ光ＬＢ２を受け取って所定の倍率で集光する第２集光レンズ３２と、第１集光レンズ３１で集光された第１レーザ光ＬＢ１と第２集光レンズ３２で集光された第２レーザ光ＬＢ２とを受け、第１レーザ光ＬＢ１の光軸が第２レーザ光ＬＢ２の光軸に一致するように第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２とを合波してレーザ光ＬＢを形成し、前記レーザ光を光ファイバ９０の入射端面９０ｄに向かわせるダイクロイックミラー（光合波部材）３３と、を少なくとも有している。ここで、「一致」の用語は、第１レーザ光ＬＢ１の光軸が第２レーザ光ＬＢ２の光軸に重なること、および、第１レーザ光ＬＢ１の光軸が第２レーザ光ＬＢ２の光軸に所定の距離を保って近接すること、の両方を含む。

【0069】

また、ビーム制御機構２０は、第２集光レンズ３２とダイクロイックミラー３３との間の第２レーザ光ＬＢ２の光路上に配置され、第２レーザ光ＬＢ２の光路の変更と保持をする光路変更保持機構４０と、光路変更保持機構４０の動作を制御するコントローラ８０と、を有している。本実施形態では、光路変更保持機構４０は、平行平板状の光学部材５０と、光学部材５０に連結されたモータ７０と、を備える。本実施形態では、コントローラ８０は、モータ７０の動作を制御する。

【0070】

ビーム制御機構２０は、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおける第２レーザ光ＬＢ２の入射位置を変化させることで、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御する。

【0071】

このように、第２集光レンズ３２とダイクロイックミラー３３との間の第２レーザ光ＬＢ２の光路上に光路変更保持機構４０を設けることで、第２レーザ光ＬＢ２の光路を容易に変更することができる。このことにより、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御することができる。

【0072】

なお、第１集光レンズ３１及び第２集光レンズ３２に入射される前に、第１及び第２レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２は平行光に変換されているのが好ましい。

【0073】

このようにすることで、第１集光レンズ３１及び第２集光レンズ３２から出射される第１及び第２レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２の光路及び光軸がそれぞれ一定となるため、光路変更保持機構４０によって第２レーザ光ＬＢ２の光路を容易に変更することができるとともに、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２とを互いの光軸が重なるように、または近接させて（すなわち一致させて）合波し、合波されたレーザ光ＬＢを光ファイバ９０に入射させることが容易となる。

【0074】

また、光学部材５０は、第２レーザ光ＬＢ２を透過させるとともに、第２レーザ光ＬＢ２の光軸と交差するＸ軸（第１軸）周りに傾動可能に設けられている。コントローラ８０がモータ７０を駆動して光学部材５０をＸ軸周りに傾動させることで、ビーム制御機構２０は光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおける第２レーザ光ＬＢ２の入射位置を変化させる。

【0075】

第２レーザ光ＬＢ２の光路上に配置された平行平板状の光学部材５０をＸ軸周りに傾動させることで、第２レーザ光ＬＢ２の光路を確実にかつ高速に変更することができる。このことにより、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を高速に変化させることができる。特に光学部材５０の厚さが１ｍｍから数ｍｍ程度であると、また、第２集光レンズ３２とダイクロイックミラー３３との間の、集光された第２レーザ光ＬＢ２が通過する狭い位置に設置するため、その必要サイズが小さく、モータ７０によって高速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。

【0076】

また、第２集光レンズ３２とダイクロイックミラー３３との間の第２レーザ光ＬＢ２の光路上に予め光学部材５０を配置し、これを傾動させて第２レーザ光ＬＢ２の光路を変更するため、特許文献２に開示されたように、レーザ装置の内部でレーザ光がけられることがない。このことにより、レーザ装置の損傷を抑制できるとともに、レーザ加工の加工品質を高く維持することができる。

【0077】

また、コントローラ８０は、第１レーザ光ＬＢ１のパワーと第２レーザ光ＬＢ２のパワーとをそれぞれ制御している。コントローラ８０が第１レーザ光ＬＢ１のパワーと第２レーザ光ＬＢ２のパワーに関するパワー比率を変化させることで、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布が制御されるようにしてもよい。

【0078】

このようにすることで、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を多段階にかつ容易に変化させることができる。

【0079】

また、ビーム制御機構２０は、第１クラッド９０ｂに第２レーザ光ＬＢ２を入射させるのが好ましく、第２波長λ２は第１波長λ１よりも短く第１レーザ光ＬＢ１のパワーに対する第２レーザ光ＬＢ２のパワーを変化させることで、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光のパワー分布を制御するのがより好ましい。

【0080】

このようにすることでレーザ光ＬＢのビームプロファイルにおいて外側部分の主成分を短波長の第２レーザ光ＬＢ２とすることができ、金属のレーザ加工において、レーザ光ＬＢの外側部分を有効に利用できる。

【0081】

ビーム制御機構２０は、ワーク２００の材質及びワーク２００におけるレーザ加工対象部位の形状のうち少なくとも一方に応じて、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御する。

【0082】

このようにすることで、種々の材質や形状を有するワーク２００をレーザ加工することができ、かつその加工品質を高められる。また、本実施形態に係るレーザ加工装置１０００をレーザ溶接に用いる場合は、外観が良好な溶接ビードを形成できる。

【0083】

ビーム制御機構２０は、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布をワーク２００のレーザ加工中に切り替えるように構成されているのが好ましい。

【0084】

また、本実施形態に係るレーザ加工方法は、ワーク２００に向けて第１のパワー分布を有するレーザ光ＬＢを照射する第１照射ステップと、引き続き、ワーク２００に向けて第１のパワー分布とは異なる第２のパワー分布を有するレーザ光ＬＢを照射する第２照射ステップと、を少なくとも備えている。

【0085】

第１照射ステップでは、ワーク２００の表面に溶融池２１０及びキーホール２２０を形成し、第２照射ステップでは、キーホール２２０の開口２２１を拡げるとともに、所望の溶け込み深さとなるように溶融池２１０を成長させる。

【0086】

このようにすることで、例えば、ワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのパワー密度を高めて、溶接開始初期に溶融池２１０及びキーホール２２０を確実に形成できる。また、溶融池２１０及びキーホール２２０が形成された後は、ワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのパワー密度を低下させて、キーホール２２０の開口２２１が拡がるようにすることで、溶融池２１０の内部に気泡が発生したり、溶融池２１０の表面に凹凸２１１やスパッタが形成されたり、キーホール２２０の形状が乱れたりするのを抑制でき、溶接品質を高められる。また、外観が良好な溶接ビードを形成できる。

【0087】

（実施形態２）
図１０は、本実施形態に係るワークの溶接シーケンスを示す。なお、図１０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。

【0088】

モータ７０を所定の角度範囲内で往復回転（図３に示す方向Ｂ）させることで、これに応じて光学部材５０も所定の角度範囲内で往復回転する。また、その回転周波数は数Ｈｚから数ｋＨｚ程度までに設定されている。つまり、ビーム制御機構２０は、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布をワーク２００のレーザ加工中に切り替えるように構成されている。

【0089】

この場合、図１０に示すように、レーザ光出射ヘッド１００の出射端から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布は周期的に変化する。具体的には、第２レーザ光ＬＢ２が、単峰状のピークを有するビームプロファイル（図７に示すケース１）から、単峰状の部分とその両側に形成された半値幅の広いテラス状の部分とを含むビームプロファイル（図７に示すケース２）、また中心部のパワーがゼロとなるビームプロファイル（図７に示すケース５）に至るまで連続的に変化し、かつその変化は周期的に繰り返される。また、光学部材５０の回転周波数が、レーザ光ＬＢのパワー分布が変化する周波数に相当する。

【0090】

このようにすることで、例えば、ワーク２００に溶融池２１０とキーホール２２０とを確実に形成しつつ、第２レーザ光ＬＢ２を主成分とするレーザ光ＬＢの外側部分を溶融池２１０に吸収させてキーホール２２０の開口２２１付近が狭まりすぎるのを防止して、気泡やスパッタの発生が抑制されたレーザ溶接を行うことができる。

【0091】

また、レーザ光ＬＢのパワー分布を所定の周波数、この場合は、ワーク２００に形成されたキーホール２２０の固有振動周波数に略等しい周波数で周期的に切り替えることにより、前述した溶融池２１０の後方に形成される凹凸２１１やキーホール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。

【0092】

レーザ溶接の進行方向に沿って溶融池２１０が順次形成されていく過程で、キーホール２２０もまた、レーザ溶接の進行方向に沿って移動していく。このとき、キーホール２２０は、固有の振動周波数（以下、単に固有振動周波数という）で直径方向及び／または深さ方向に伸長及び収縮を繰り返して振動している。固有振動周波数は、溶融池２１０のサイズや溶融したワーク２００の構成金属の溶融時の粘性等によって定まる値であり、多くの場合、数Ｈｚから数ｋＨｚ程度と推定されている。

【0093】

この固有振動周波数に略等しい周波数でワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を周期的に変化させることで、キーホール２２０の形状が安定し、内部でのくびれ部の発生、ひいてはワーク２００の内部での気泡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。

【0094】

実際のレーザ溶接では、溶融池２１０の固有振動数を計測する、または求めることが困難であるが、レーザ溶接実験によってレーザ光ＬＢのパワー分布を切り替える周波数を求めればよい。すなわち、予め数種類の切り替え周波数にてレーザ溶接実験を行い、その中で最も気泡の少ない、また良好なビード外観の周波数を決めればよい。

【0095】

＜変形例＞
ワーク２００におけるレーザ溶接対象部位の形状がレーザ溶接の進行方向に沿って変化している場合、溶接対象部位の形状に応じて、ワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を適切に切り替えることで、良好なレーザ溶接を行うことができる。図１１を用いてさらに説明する。

【0096】

図１１は、本変形例に係るワークの溶接シーケンスを示し、ワーク２００は、薄板部とそれに連続した厚板部とを有する形状となっている。厚板部の厚さは薄板部よりも厚くなっている。

【0097】

まず、薄板部をレーザ溶接するにあたって、図９に示すシーケンスでワーク２００にレーザ光ＬＢを照射する。所定以下の厚さの薄板部では、溶け込み深さをあまり深くしなくてよい。このため、一定した形状のビームプロファイルで溶接を行ってよい。具体的には、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の第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２とをワーク２００に照射し、安定な溶融池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、具体的には第１クラッド９０ｂに第２レーザ光ＬＢ２を入射させて、キーホール２２０にくびれ部が形成されるのを抑制する。このとき、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２のパワー比率は固定された状態でよい。なお、溶接開始時には、第２レーザ光ＬＢ２のみをワーク２００に照射するようにしてもよい。

【0098】

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１０に示すシーケンスでワーク２００にレーザ光を照射する。この場合、厚板部の接合強度を確保するために、溶け込み深さを深くすることが必要になる。溶け込み深さが深くなると、気泡が形成しやすくなるので、これを抑制することが求められる。図１０に示すシーケンスを使用することによって溶融池２１０の固有振動周波数で第２レーザ光ＬＢ２のパワー分布を周期的に変化させつつ、ワーク２００に向けてレーザ光ＬＢを照射する。

【0099】

このようにすることで、溶け込み深さを深くしつつ、前述したようにワーク２００内部の気泡や溶融池２２０表面の凹凸２１１やスパッタの発生を抑制して溶接品質を高めることができる。

【0100】

なお、ワーク２００の材質や薄板部の厚さによっては、レーザ光ＬＢのパワー分布が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。

【0101】

（その他の実施形態）
変形例を含む実施形態１，２において、図２に示す構造のマルチクラッドファイバを例に取って説明したが、他の構造であってもよい。例えば、第２クラッド９０ｃの外周側に１または複数のクラッドを設けてもよい。この場合、第２クラッド９０ｃから外周側へ向かって隣接するクラッドの屈折率を順次小さくすればよい。そうすることによって、最も外周側のクラッドを除くすべてクラッドに第２レーザ光ＬＢ２が入射可能となる。

【0102】

また、図３に示す構成では、ダイクロイックミラー３３で第２レーザ光ＬＢ２を反射させるようにしたが、ダイクロイックミラー３３で第１レーザ光ＬＢ１を反射させるようにしてもよい。つまり、図３に示す構成において、第１レーザ光ＬＢ１の入射方向と第２レーザ光ＬＢ２の入射方向とを入れ替えるとともに、第１集光レンズ３１と第２集光レンズ３２の配置を入れ替える。さらに、ダイクロイックミラー３３は、第２レーザ光ＬＢ２をそのまま透過させる一方、第１レーザ光ＬＢ１を反射させるように構成される。この場合も、ダイクロイックミラー３３を透過する前に、第１レーザ光ＬＢ１の光路が光路変更保持機構４０、つまり光学部材５０とモータ７０とによって変更可能であるため、実施形態１，２に示すのと同様の効果を奏する。

【0103】

また、図３に示す構成や上記の構成において、第１集光レンズ３１とダイクロイックミラー３３との光路上に別の光路変更保持機構（図示せず）を設けるようにしてもよい。その場合、第２集光レンズ３２とダイクロイックミラー３３との光路上に光路変更保持機構４０を配置したままでもよい。

【0104】

このようにすることで、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布をより細かく多段階にかつ容易に変化させることができ、種々の材質あるいは形状を有するワーク２００をレーザ加工する上で有用である。なお、第１集光レンズ３１とダイクロイックミラー３３との光路上に別の光路変更保持機構を設ける場合に、第２集光レンズ３２とダイクロイックミラー３３との光路上の光路変更保持機構４０を省略してもよい。

【0105】

なお、ワーク２００の材質や形状、あるいは加工内容によって、第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２の出力や波長は適宜変更されうる。

【0106】

また、実施形態１，２において、光学部材５０をＸ軸周りに傾動させるようにしたが、Ｙ方向に延びる軸周りに傾動させるようにしてもよい。その場合は、モータ７０の出力軸７０ａがＹ方向に延びるようにモータ７０及びホルダ６０の位置が変更される。また、第２レーザ光ＬＢ２の入射方向はＺ方向に変更される。また、光学部材５０を傾動させるために、モータ７０以外のアクチュエータ、例えば、圧電式アクチュエータ等を用いてもよい。

【0107】

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、キーホール２２０が形成されない、いわゆる熱伝導型レーザ溶接に対して、前述したレーザ加工装置１０００が適用可能であることは言うまでもない。ワーク２００の材質や形状、また、要求される溶け込み深さや溶接ビードの幅等によってレーザ溶接のタイプは適宜選択しうる。また、レーザ溶接に限らず、レーザ切断やレーザ穴開け加工等に対して、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】

【0108】

本発明のレーザ加工装置は、簡便な構成で互いに波長の異なるレーザ光が合波されたレーザ光のパワー分布を制御できるため、種々の材質あるいは形状を有するワークをレーザ加工する上で有用である。

【符号の説明】

【0109】

１０ レーザ発振器
１１ 第１レーザ発振部
１２ 第２レーザ発振部
２０ ビーム制御機構
３１ 第１集光レンズ
３２ 第２集光レンズ
３３ ダイクロイックミラー（光合波部材）
４０ 光路変更保持機構
５０ 光学部材
６０ ホルダ
７０ モータ
７０ａ 出力軸
８０ コントローラ
９０ 光ファイバ
９０ａ コア
９０ｂ 第１クラッド
９０ｃ 第２クラッド
９０ｄ 入射端面
１００ レーザ光出射ヘッド
１１０ マニピュレータ
２００ ワーク
２１０ 溶融池
２２０ キーホール
２２１ 開口
１０００ レーザ加工装置
ＬＢ レーザ光
ＬＢ１ 第１レーザ光
ＬＢ２ 第２レーザ光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】