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技術 レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置

出願人 株式会社アマダミヤチ
発明者 長嶋崇弘加瀬純平
出願日 2005年4月22日 (14年3ヶ月経過) 出願番号 2005-125329
公開日 2006年11月2日 (12年9ヶ月経過) 公開番号 2006-297464
状態 特許登録済
技術分野 レーザ加工
主要キーワード スロープ角度 スロープ制御 Qスイッチ 加工場所 レーザ出射ユニット 拡大成長 ロングパルス YAG高調波
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図面 (18)

課題

YAG基本波YAG高調波との二波長重畳方式において深溶け込み溶接を実現し、さらにはその再現性および品質向上を図る。

解決手段

YAGパルスレーザ発振器10はパルス幅可変YAG基本波パルスレーザ光LBを発振出力し、YAGパルスレーザ発振器12はパルス幅可変のYAG第2高調波パルスレーザ光SHGを発振出力する。出射ユニット20は、両パルスレーザ光LB,SHGを同一の光軸上に重畳して被溶接物(W1,W2)の溶接ポイントKに集光照射する。制御部18は、YAG基本波パルスレーザ光LBのレーザ出力ピーク値に達する時点よりもYAG第2高調波パルスレーザ光SHGのレーザ出力がピーク値に達する時点の方が若干先になるように、両レーザ発振器10,12のレーザ発振動作を制御する。

概要

背景

近年、レーザは、製造業、特に溶接、切断および表面処理の分野で利用されている。実際、レーザ溶接技術は、高精度および高速の加工を実現できること、被加工物に与える熱歪が小さいこと、高度の自動化が可能であることから、ますますその重要性を高めている。現在、レーザ溶接に最も多く使用されている固体レーザは、波長約1μmの光ビームを発生するYAGレーザである。YAGレーザは、母材としてのYAG(Y3Al5O12)結晶希土類活性イオン(Nd3+,Yb3+等)をドープしたものであり、代表的なNd:YAGレーザの基本波長は1064nmである。YAGレーザは、連続発振Qスイッチによるジャイアントパルス発振が可能であるほか、100μs以上(典型的には1〜10ms)のパルス幅を有するロングパルス(long pulse)のレーザ光を発生することができる。

ところで、レーザ溶接法においては、被溶接材とレーザ光の光学的な結合性が重要である。光学的な結合性がよくないと、反射率が高くて、レーザエネルギー吸収効率が低く、良好な溶接接合を得るのが難しい。この点、基本波長(たとえば1064nm)のYAGレーザ光は、銅や金に対しては光学的結合性がよくない。これらの金属に対しては、むしろ第2高調波(532nm)のYAGレーザ光が高い光学的結合性を有することが知られている。本出願人は、特許文献1で、銅や金の溶接に有効なレーザ溶接法として、YAG基本波パルスレーザ光とYAG第2高調波のQスイッチレーザ光とを重畳して被溶接材に照射する二波長重畳レーザ溶接法を開示している。
特開2002−28795号公報

概要

YAG基本波とYAG高調波との二波長重畳方式において深溶け込み溶接を実現し、さらにはその再現性および品質向上をる。 YAGパルスレーザ発振器10はパルス幅可変YAG基本波パルスレーザ光LBを発振出力し、YAGパルスレーザ発振器12はパルス幅可変のYAG第2高調波パルスレーザ光SHGを発振出力する。出射ユニット20は、両パルスレーザ光LB,SHGを同一の光軸上に重畳して被溶接物(W1,W2)の溶接ポイントKに集光照射する。制御部18は、YAG基本波パルスレーザ光LBのレーザ出力ピーク値に達する時点よりもYAG第2高調波パルスレーザ光SHGのレーザ出力がピーク値に達する時点の方が若干先になるように、両レーザ発振器10,12のレーザ発振動作を制御する。

目的

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、YAG基本波とYAG高調波との二波長重畳方式において深溶け込み溶接を実現し、さらにはその再現性および品質向上を図るレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
5件

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請求項1

可変パルス幅を有するYAG基本波パルスレーザ光と可変のパルス幅を有するYAG高調波のパルスレーザ光とを重畳して被溶接部照射し、前記被溶接部を両パルスレーザ光エネルギーによって溶接するレーザ溶接方法であって、前記YAG基本波パルスレーザ光レーザ出力がそのピーク値に達するよりも先に前記YAG高調波のパルスレーザ光のレーザ出力がそのピーク値に達するような時間差をもたせて両パルスレーザ光を重畳するレーザ溶接方法。

請求項2

前記時間差が0.05ms〜0.3msの範囲内に選ばれる請求項1に記載のレーザ溶接方法。

請求項3

前記YAG基本波パルスレーザ光の立下りダウンスロープ波形に制御する請求項1または請求項2に記載のレーザ溶接方法。

請求項4

可変のパルス幅を有するYAG基本波のパルスレーザ光と可変のパルス幅を有するYAG高調波のパルスレーザ光とを重畳して被溶接部に照射し、前記被溶接部を両パルスレーザ光のエネルギーによって溶接するレーザ溶接方法であって、前記YAG基本波パルスレーザ光の立下りをダウンスロープ波形に制御するレーザ溶接方法。

請求項5

前記YAG基本波パルスレーザ光の立下がり時間は、前記YAG基本波パルスレーザ光のピーク値の持続時間に対して20%〜50%の範囲内に選ばれる請求項3または請求項4に記載のレーザ溶接方法。

請求項6

前記YAG基本波パルスレーザ光と前記YAG高調波パルスレーザ光とをそれぞれ第1および第2の光ファイバに通してレーザ出射ユニットまで伝送し、前記レーザ出射ユニット内で前記第1および第2の光ファイバの終端面よりそれぞれ出射された前記YAG基本波パルスレーザ光と前記YAG高調波パルスレーザ光とを同軸上で重畳する請求項1〜5のいずれか一項に記載のレーザ溶接方法。

請求項7

前記第1の光ファイバのコア径が前記第2の光ファイバのコア径よりも大きい請求項6に記載のレーザ溶接方法。

請求項8

前記第1の光ファイバのコア径が前記第2の光ファイバのコア径の1.3倍〜2倍に選ばれる請求項7に記載のレーザ溶接方法。

請求項9

前記被溶接物がCu系またはAu系の金属である請求項1〜8のいずれか一項に記載のレーザ溶接方法。

請求項10

パルス幅可変でYAG基本波のパルスレーザ光を生成する第1のレーザ発振部と、パルス幅可変でYAG高調波のパルスレーザ光を生成する第2のレーザ発振部と、前記YAG基本波のパルスレーザ光とYAG高調波のパルスレーザ光とを重畳して所望の被溶接部に照射する出射ユニットと、前記YAG基本波パルスレーザ光のレーザ出力がそのピーク値に達するよりも先に前記YAG高調波のパルスレーザ光のレーザ出力がそのピーク値に達するように前記第1および第2のレーザ発振部間のレーザ発振動作を制御するタイミング制御部とを有するレーザ溶接装置

請求項11

前記YAG基本波パルスレーザ光の立下りをダウンスロープ波形に制御する波形制御部を有する請求項10に記載のレーザ溶接装置。

請求項12

前記第1のレーザ発振部から前記レーザ出射ユニットまで前記YAG基本波パルスレーザ光を伝送する第1の光ファイバと、前記第2のレーザ発振部から前記レーザ出射ユニットまで前記YAG高調波パルスレーザ光を伝送する第2の光ファイバとを有する請求項10または請求項11に記載のレーザ溶接装置。

請求項13

前記第1の光ファイバのコア径が前記第2の光ファイバのコア径よりも大きい請求項12に記載のレーザ溶接装置。

請求項14

前記第1の光ファイバのコア径が前記第2の光ファイバのコア径の1.3倍〜2倍に選ばれる請求項13に記載のレーザ溶接装置。

技術分野

0001

本発明は、レーザを用いて金属を溶接するレーザ溶接技術に係り、より詳しくは二波長レーザビーム重畳して被溶接物照射する二波長重畳型のレーザ溶接方法および装置に関する。

背景技術

0002

近年、レーザは、製造業、特に溶接、切断および表面処理の分野で利用されている。実際、レーザ溶接技術は、高精度および高速の加工を実現できること、被加工物に与える熱歪が小さいこと、高度の自動化が可能であることから、ますますその重要性を高めている。現在、レーザ溶接に最も多く使用されている固体レーザは、波長約1μmの光ビームを発生するYAGレーザである。YAGレーザは、母材としてのYAG(Y3Al5O12)結晶希土類活性イオン(Nd3+,Yb3+等)をドープしたものであり、代表的なNd:YAGレーザの基本波長は1064nmである。YAGレーザは、連続発振Qスイッチによるジャイアントパルス発振が可能であるほか、100μs以上(典型的には1〜10ms)のパルス幅を有するロングパルス(long pulse)のレーザ光を発生することができる。

0003

ところで、レーザ溶接法においては、被溶接材とレーザ光の光学的な結合性が重要である。光学的な結合性がよくないと、反射率が高くて、レーザエネルギー吸収効率が低く、良好な溶接接合を得るのが難しい。この点、基本波長(たとえば1064nm)のYAGレーザ光は、銅や金に対しては光学的結合性がよくない。これらの金属に対しては、むしろ第2高調波(532nm)のYAGレーザ光が高い光学的結合性を有することが知られている。本出願人は、特許文献1で、銅や金の溶接に有効なレーザ溶接法として、YAG基本波パルスレーザ光とYAG第2高調波のQスイッチレーザ光とを重畳して被溶接材に照射する二波長重畳レーザ溶接法を開示している。
特開2002−28795号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、上記のような従来の二波長重畳レーザ溶接法は、断続的な繰り返しのパルスとして与えられるYAG第2高調波(532nm)のQスイッチレーザ光が被溶接材との光学的結合時間が短いことから、キーホール溶け込み深さがまだ十分でなく、厚板溶接(特に銅厚板溶接)への適用が難しいという問題があった。

0005

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、YAG基本波とYAG高調波との二波長重畳方式において深溶け込み溶接を実現し、さらにはその再現性および品質向上を図るレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0006

上記の目的を達成するために、本発明のレーザ溶接方法は、可変のパルス幅を有するYAG基本波のパルスレーザ光と可変のパルス幅を有するYAG高調波のパルスレーザ光とを重畳して被溶接部に照射し、前記被溶接部を両パルスレーザ光のエネルギーによって溶接するレーザ溶接方法であって、前記YAG基本波パルスレーザ光レーザ出力がそのピーク値に達するよりも先に前記YAG高調波のパルスレーザ光のレーザ出力がそのピーク値に達するような時間差をもたせて両パルスレーザ光を重畳する。

0007

また、本発明のレーザ溶接装置は、パルス幅可変でYAG基本波のパルスレーザ光を生成する第1のレーザ発振部と、パルス幅可変でYAG高調波のパルスレーザ光を生成する第2のレーザ発振部と、前記YAG基本波のパルスレーザ光とYAG高調波のパルスレーザ光とを重畳して所望の被溶接部に照射する出射ユニットと、前記YAG基本波パルスレーザ光のレーザ出力がそのピーク値に達するよりも先に前記YAG高調波のパルスレーザ光のレーザ出力がそのピーク値に達するように前記第1および第2のレーザ発振部間のレーザ発振動作を制御するタイミング制御部とを有する。

0008

上記の構成においては、YAG高調波がパルス幅可変のパルスレーザ光として与えられるため、Qスイッチ方式のパルスレーザ光よりも被溶接物との相互作用時間が格段に長く、YAG基本波との相乗効果により、深い溶け込みを実現することができる。しかも、YAG高調波パルスレーザ光のレーザ出力が先に(好ましくは0.05ms〜0.3ms先に)ピーク値に達することにより、溶接ポイント付近キーホール形成がスムースに開始されるため、再現性のよい一定の溶け込みが得られる。

0009

更に、本発明は、YAG基本波パルスレーザ光とYAG高調波パルスレーザ光とを重畳して被溶接部に照射する二波長重畳方式のレーザ溶接方法において、YAG基本波パルスレーザ光の立下りダウンスロープ波形に制御することを特徴とする。かかるダウンスロープ波形制御によれば、パルスレーザ照射エネルギー漸次的に減少するため、キーホール内で溶融物が緩やかに広がりハンピングの無いナゲット表面(溶接外観)が得られる。好適な一態様として、YAG基本波パルスレーザ光の立下がり時間は、YAG基本波パルスレーザ光のピーク値の持続時間に対して20%〜50%の範囲内に選ばれる。

0010

本発明のレーザ溶接装置においては、好適な一態様として、第1のレーザ発振部から出射ユニットまでYAG基本波パルスレーザ光を伝送する第1の光ファイバと、第2のレーザ発振部から出射ユニットまでYAG高調波パルスレーザ光を伝送する第2の光ファイバとが用いられ、YAG基本波用の第1の光ファイバがYAG高調波用の光ファイバよりも一回り(好ましく1.3倍〜2倍)大きなコア径を有する。かかる構成によれば、YAG高調波パルスレーザ光の照射径よりもYAG基本波パルスレーザ光の照射径を一回り大きくして、レーザ照射中にキーホール周囲の溶融部を安定化させ、凝固後にナゲット(特にエッジ部)を滑らかな表面にすることができる。

発明の効果

0011

本発明のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置によれば、上記のような構成と作用により、YAG基本波とYAG高調波との二波長重畳方式において深溶け込み溶接を実現し、さらにはその再現性および品質向上を図ることもできる。

発明を実施するための最良の形態

0012

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

0013

図1に、本発明の一実施形態による二波長重畳型レーザ溶接装置の構成を示す。このレーザ溶接装置は、2台のYAGパルスレーザ発振器10,12と、これらのパルスレーザ発振器10,12をそれぞれ電気的に駆動するレーザ電源部14,16と、これらのレーザ電源部14,16を通じて両パルスレーザ発振器10,12のレーザ発振動作を制御する制御部18と、所望の加工場所に配置される二波長重畳出射ユニット20と、両パルスレーザ発振器10,12よりそれぞれ生成されるYAGパルスレーザ光を出射ユニット20まで伝送する光ファイバ伝送系22とを有している。

0014

ここで、一方のYAGパルスレーザ発振器10はパルス幅可変(ロングパルス)のYAG基本波(1064nm)のパルスレーザ光LBを発振出力し、他方のYAGパルスレーザ発振器12はパルス幅可変(ロングパルス)のYAG第2高調波(532nm)のパルスレーザ光SHGを発振出力する。出射ユニット20は、後述するように、YAG基本波のパルスレーザ光LBとYAG第2高調波のパルスレーザ光SHGとを同一または共通の光軸上に重畳したうえで共通の集束レンズにより集束させて被溶接物(W1,W2)の溶接ポイントKに照射する。被溶接物(W1,W2)は任意の金属からなるものでよいが、特にCu系の金属またはAu系の金属の場合に本発明の作用効果が最も顕著に発揮される。

0015

図2に、YAG基本波パルスレーザ発振器10の構成例を示す。このレーザ発振器10は、たとえばNd:YAGロッドからなる固体レーザ媒体24と、この固体レーザ媒体24に励起光を照射する電気光学励起部26と、固体レーザ媒体24より発生されるレーザ光を共振増幅してYAG基本波(1064nm)のパルスレーザ光LBを取り出す一対の光共振器ミラー28,30とから構成される。ここで、電気光学励起部26は、たとえば励起ランプまたはレーザダイオードからなり、レーザ電源部14からのパルス波形励起電流の供給を受けて点灯し、固体レーザ媒体24をパルス波形の励起光でポンピングする。そして、固体レーザ媒体24の両端面より軸方向に出た光が光共振器ミラー28,30の間で反射を繰り返して増幅されたのちYAG基本波パルスレーザ光LBとして出力ミラー28より光共振器の外へ取り出される。このレーザ発振器10より発振出力されたYAG基本波パルスレーザ光LBは、後述する光ファイバ伝送系22の第1入射ユニット60(図1)へ向けられる。

0016

この実施形態では、YAG基本波パルスレーザ光LBについてパワーフィードバック制御を行うために、全反射ミラー30の背後に漏れたパルスレーザ光LBの漏れ光MLB を受光する光電変換素子またはフォトセンサ32が配置されている。測定回路34は、フォトセンサ32の出力信号を基に基本波パルスレーザ光LBのレーザ出力測定値を表す電気信号(レーザ出力測定値信号)を出力する。レーザ電源部14は、測定回路34からのレーザ出力測定値信号を制御部18からの第1の基準パルス波形信号と比較し、その比較誤差に応じてたとえばパルス幅変調(PWM)方式により内蔵のスイッチング素子スイッチング動作させて、電気光学励起部26に供給されるパルス励起電流を制御し、ひいてはレーザ発振器10より発振出力されるYAG基本波パルスレーザ光LBのレーザ出力波形を第1の基準パルス波形に倣わせるようにしている。

0017

図3に、YAG第2高調波パルスレーザ発振器12の構成例を示す。このレーザ発振器12は、一対の終端ミラー36,38、固体レーザ活性媒質40、波長変換結晶42、偏光素子44および高調波分離出力ミラー46を直線配列型で一列に配置している。両終端ミラー36,38は互いに向かい合って光共振器を構成している。一方の終端ミラー36の反射面36aには、基本波長(1064nm)に対して高反射性の膜がコーティングされている。他方の終端ミラー38の反射面38aには、基本波長(1064nm)に対して高反射性の膜がコーティングされるとともに、第2高調波(532nm)に対して高反射性の膜もコーティングされている。

0018

活性媒質40は、たとえばNd:YAGロッドからなり、一方の終端ミラー36寄りに配置され、電気光学励起部48によって光学的にポンピングされる。電気光学励起部48は、活性媒質40に向けて励起光を発生するための励起光源(たとえば励起ランプまたはレーザダイオード)を有し、この励起光源をレーザ電源部16からのパルス波形の励起電流で点灯させて、活性媒質40をパルス波形の励起光でポンピングする。活性媒質40で生成される基本波長のパルスビームは、終端ミラー36,38の間に閉じ込められて増幅される。このように、両終端ミラー(光共振器)36,38、活性媒質40および電気光学励起部48によって基本波長(1064nm)のパルスレーザ光を生成する基本波パルスレーザ発振部が構成されている。

0019

偏光素子44は、たとえばポラライザまたはブリュースタ板等からなり、活性媒質40からの基本波長の光ビームが非法線方向で入射するように光共振器の光路または光軸に対して所定の斜めの角度で配置されている。活性媒質40からの基本波長の光ビームのうち、P偏光は偏光素子44をまっすぐ透過して波長変換結晶42に入射し、S偏光は偏光素子44で所定の方向に向けて反射されるようになっている。ここで、P偏光およびS偏光は基本波長の光ビームの進行方向に垂直な面内で振動方向が互いに直交する直線偏光成分電界成分)である。たとえば、P偏光は鉛直方向で振動する直線偏光成分であり、S偏光は水平方向で振動する直線偏光成分である。好ましくは、基本波長(1064nm)においてP偏光透過率は略100%でS偏光反射率は略100%であるような偏光フィルタ特性が選ばれる。

0020

波長変換結晶42は、たとえばKTP(KTiOPO4)結晶やLBO(LiB3O5)結晶等の非線形光学結晶からなり、他方の終端ミラー38寄りに配置され、この光共振器で励起された基本モードに光学的に結合され、基本波長との非線形光学作用により第2高調波(532nm)の光ビームSHGを光共振器の光路上に生成する。

0021

波長変換結晶42より終端ミラー38側に出た第2高調波の光ビームSHGは、終端ミラー38で戻されて、波長変換結晶42を通り抜ける。波長変換結晶42より終端ミラー38の反対側に出た第2高調波の光ビームSHGは、光共振器の光路または光軸に対して所定の角度(たとえば45°)で斜めに配置されている高調波分離出力ミラー46に入射し、このミラー46で所定の方向つまりベントミラー50に向けて反射または分離出力されるようになっている。そして、高調波分離出力ミラー46より分離出力された第2高調波の光ビームSHGは、ベントミラー50で光軸を曲げられて光ファイバ伝送系22の第2入射ユニット66(図1)へ送られる。

0022

この実施形態では、YAG第2高調波のパルスレーザ光SHGについてもパワーフィードバック制御を行うために、ベントミラー50の背後に漏れたYAG第2高調波パルスレーザ光SHGの漏れ光MSHG を受光する光電変換素子またはフォトセンサ52が配置されている。測定回路54は、フォトセンサ52の出力信号を基に第2高調波パルスレーザ光SHGのレーザ出力測定値を表す電気信号(レーザ出力測定値信号)を生成する。レーザ電源部16は、測定回路54からのレーザ出力測定値信号を制御部18からの第2の基準パルス波形信号と比較して、その比較誤差に応じてたとえばパルス幅変調(PWM)方式によりスイッチング素子をスイッチング動作させて、電気光学励起部48に供給されるパルス励起電流を制御し、ひいてはレーザ発振器12より発振出力されるYAG第2高調波パルスレーザ光SHGのレーザ出力波形を第2の基準パルス波形に倣わせるようにしている。

0023

図4に、この実施形態で用いる波長変換方法基本原理を示す。この波長変換方法は、波長変換結晶42にタイプII位相整合角カットされた非線形光学結晶を使用し、タイプIIの位相整合で基本波から第2高調波への波長変換を行う。より詳細には、固体パルスレーザたとえばYAGパルスレーザ(図示せず)で生成された基本波(たとえば1064nm)のパルスレーザ光を楕円偏光(好ましくは円偏光)またはランダム偏光の形態で非線形光学結晶42に入射させる。そうすると、入射光のうち基本波長の垂直偏光成分水平偏光成分のみが直線偏光として非線形光学結晶42を通過する。非線形光学結晶42は、基本波YAGパルスレーザと光学的に結合して、非線形光学効果により基本波光の垂直偏光成分と同じ方向に直線偏光したロングパルスの第2高調波パルスレーザ光SHG(532nm)を生成する。

0024

しかしながら、上記のような波長変換方法(図4)においては、基本波パルスレーザ光の偏光分布偏りまたは異方性があったりすると、波長変換効率が低下し、第2高調波パルスレーザ光SHGのレーザ出力が下がったり変動することがある。特に、活性媒質40に対する電気光学励起部48のポンピング(励起光の照射)が不均一であると、基本波パルスレーザ光の偏光分布に偏りまたは異方性が生じる。

0025

図5に、この実施形態における波長変換方法を示す。この波長変換は、基本波のP偏光を透過させると同時にS偏光を反射する偏光素子44をその直線偏光化方向(P偏光の振動方向)が非線形光学結晶42の光学軸に対して相対的に45°傾くように配置する。実施形態のYAG第2高調波パルスレーザ発振器12(図3)では、図5に示すように、偏光素子44の直線偏光化方向を鉛直方向に設定し、非線形光学結晶42の方をその光学軸が鉛直方向に対して45°傾くように配置している。

0026

このように偏光素子44の直線偏光化方向と非線形光学結晶42の光学軸とを相対的に45°傾けて配置する構成によれば、偏光素子44からのP偏光が非線形光学結晶42の座標系において見かけ上直交する等強度の2つの基本波光成分として非線形光学効果に作用する。仮に偏光素子44を省くと、P偏光と直交するS偏光も非線形光学結晶42に入射することになり、それによって非線形光学結晶42の座標系において垂直偏光成分と水平偏光成分のバランス崩れ、タイプIIの波長変換効率は低下する。こうして、偏光素子44の直線偏光化により、高効率のタイプII波長変換が可能であり、安定かつ高出力でロングパルスの第2高調波パルスレーザ光SHGを生成することができる。

0027

光ファイバ伝送系22において、第1の入射ユニット60は、集束レンズ62を内蔵しており、YAG基本波パルスレーザ発振器10より発振出力されたYAG基本波のパルスレーザ光LBを集束レンズ62により集束して第1の光ファイバ64の一端面(入射端面)に入射させる。第2の入射ユニット66も集束レンズ68を内蔵しており、YAG第2高調波パルスレーザ発振器12より発振出力されたYAG第2高調波のパルスレーザ光SHGを集束レンズ68により集束して第2の光ファイバ70の一端面(入射端面)に入射させる。

0028

第1および第2の光ファイバ64,70は出射ユニット20で終端している。第1の光ファイバ64は、たとえばSI(ステップインデックス)形ファイバからなり、YAG基本波のパルスレーザ光LBを第1の入射ユニット60から出射ユニット20まで伝送する。第2の光ファイバ70は、たとえばSI形ファイバからなり、YAG第2高調波のパルスレーザ光SHGを第2の入射ユニット66から出射ユニット20まで伝送する。この実施形態では、基本波伝播用の光ファイバ64のコア径φ1が第2高調波伝播用の光ファイバ70のコア径φ2よりも一回り(好ましくは1.3倍〜2倍)大きな値に選ばれており、これによって後述するように溶接品質の向上(特にエッジ部のハンピング防止)を実現している。

0029

図6に、この実施形態における出射ユニット20内の光学系の要部の構成を示す。

0030

図示のように、出射ユニット20内の中心部には、ダイクロイックミラー72,75が垂直軸ユニット長手方向の軸)に対して45゜の傾きで配置されている。第1の光ファイバ64は出射ユニット20の下端部側で終端し、その終端面つまり出射端面が垂直下向きでダイクロイックミラー72の下面と対向する。また、第2の光ファイバ70は出射ユニット20の上端部側で終端し、その終端面つまり出射端面が水平内向きでダイクロイックミラー75の下面と対向する。第1の光ファイバ64の出射端面とダイクロイックミラー72との間には第1のコリメートレンズ74が配置され、第2の光ファイバ70の出射端面とダイクロイックミラー75との間には第2のコリメートレンズ76が配置されている。ダイクロイックミラー72の真下には集束レンズ78が配置されている。ダイクロイックミラー72は透明基板を母材とし、この基板上に基本波長(1064nm)に対して反射性の膜と第2高調波(532nm)および可視光に対して透過性の膜がコーティングされている。また、ダイクロイックミラー75は透明基板を母材とし、この基板上に第2高調波(532nm)に対して反射性の膜と可視光に対して透過性の膜がコーティングされている。

0031

第1の光ファイバ64の出射端面より水平方向に放射状に出たYAG基本波のパルスレーザ光LBは、第1のコリメートレンズ74によりコリメートされてからダイクロイックミラー72で垂直下方に直角に反射して集束レンズ78に入射する。また、第2の光ファイバ70の出射端面より水平方向に放射状に出たYAG第2高調波のパルスレーザ光SHGは、第2のコリメータレンズ76によりコリメートされてからダイクロイックミラー75で垂直下方に直角に反射してダイクロイックミラー72を透過し集束レンズ78に入射する。ダイクロイックミラー72を垂直下方に反射した基本波の光ビームLBとダイクロイックミラー75で垂直下方に反射しダイクロイックミラー72を透過した第2高調波の光ビームSHGとは実質的に同一の光軸上で重畳し、重畳したまま集束レンズ78により各々集束される。なお、焦点調整のために光ファイバ64,70の出射端面とコリメートレンズ74,76との距離間隔可変調整できるように構成することもできる。

0032

出射ユニット20の上端部にはモニタ用のCCDカメラ77が取り付けられている。被溶接物の加工点K側から出射ユニット20に入った可視光はダイクロイックミラー72,75を透過してCCDカメラ77の撮像素子に受光される。

0033

この実施形態においては、上記のようにYAG基本波系の光ファイバ64のコア径φ1が第2高調波伝播用の光ファイバ70のコア径φ2よりも一回り(好ましくは1.3倍〜2倍)大きな値に選ばれており、出射ユニット20内ではYAG基本波とYAG第2高調波との結像比が1:1に選ばれている。これにより、YAG基本波パルスレーザ光LBがYAG第2高調波パルスレーザ光SHGよりも一回り(1.3倍〜2倍)大きなビームスポットまたは照射径で被溶接物(W1,W2)の溶接ポイントKに照射するようになっている。

0034

なお、出射ユニット20内におけるYAG第2高調波のパルスレーザ光SHGとYAG基本波パルスレーザ光LBとの重畳方式に関して、通常はLBのパワーがSHGのパワーよりも格段に大きいことから、図6のようにLBを上側にSHGを下側にして両者を重畳するのが好ましい。しかし、それとは反対にSHGを上側にLBを下側にして両者を重畳することも可能であり、出射ユニット20内において第1および第2の光ファイバ64,70の出射端部の位置およびCCDカメラ77の位置を任意に選定することができる。

0035

制御部18は、レーザ電源部14,16を通じてYAG基本波パルスレーザ発振器10およびYAG第2高調波パルスレーザ発振器12のそれぞれのレーザ発振動作を制御し、特にレーザ電源部14,16に対してYAG基本波パルスレーザ光LBおよびYAG第2高調波パルスレーザ光SHGのレーザ出力波形をそれぞれ個別に規定する第1および第2の基準パルス波形信号を所定のタイミングで与える。

0036

図7に、この実施形態におけるYAG基本波パルスレーザ光LBおよびYAG第2高調波パルスレーザ光SHGの典型的なレーザ出力波形を示す。両パルスレーザ光LB,SHGのレーザ出力波形は、制御部18より与えられる上記第1および第2の基準パルス波形にそれぞれ対応している。図示のように、立ち上がりで両パルスレーザ光LB,SHGの間に若干の時間差があること、つまりYAG基本波パルスレーザ光LBよりもYAG第2高調波パルスレーザ光SHGの立ち上がりが若干早いことが特徴の一つである。

0037

より詳細には、図8に示すように、YAG基本波パルスレーザ光LBのレーザ出力が設定ピーク値PLBに達する時点tLMよりもYAG第2高調波パルスレーザ光SHGのレーザ出力が設定ピーク値PSHGに達する時点tSHGの方が若干(好ましくは0.05ms〜0.3ms)先になることが重要である。その意味では、立ち上げ開始の前後関係は任意でよく、たとえば図9のようにLBの方がSHGよりも先であっても構わない。

0038

このようにYAG第2高調波パルスレーザ光SHGのレーザ出力が一足先にピーク値PSHGに達することにより溶接ポイントK付近でキーホール形成がスムースに開始(トリガ)され、直後にYAG基本波パルスレーザ光LBのレーザ出力がピーク値PLBに達することにより両パルスレーザ光の重畳または相乗効果でキーホールが内奥へと拡大成長し、図10に模式的に示すように異なる溶接ポイントK1,K2,K3・・で再現性のよい一定の深い溶け込みまたは溶接ナゲットN1,N2,N3・・が得られる。実際、本実施形態においては、板厚0.3mm以上の銅板にて再現性の高い安定な溶接結果が確認されている。なお、銅や金はいったん溶けるとYAG基本波をよく吸収するため、YAG第2高調波パルスレーザ光SHGの照射時間(パルス幅)はYAG基本波パルスレーザ光LBの照射時間(パルス幅)より短くても構わない(溶接品質に影響ない)。

0039

本実施形態に比して、両パルスレーザ光LB,SHGのピーク値到達時点tLM,tSHGの前後関係が逆であるときは、つまりtSHGよりもtLMが先であるときは、図11に模式的に示すように溶接ナゲットN1,N2,N3・・にバラツキが生じる。これは、YAG基本波パルスレーザ光LBのレーザ出力がピーク値PLBに達した直後にYAG第2高調波パルスレーザ光SHGのレーザ出力がピーク値PSHGに達した場合は、YAG第2高調波によるキーホール形成の開始がYAG基本波との重畳によって乱され、キーホールないし溶け込みの拡大成長が安定しないからである。

0040

この実施形態における別の特徴は、図7に示すように、YAG基本波パルスレーザ光LBのレーザ出力の立下りがダウンスロープ波形に制御される点である。このダウンスロープ制御により溶接ナゲットN1,N2,N3・・の外観の荒れ、特に中心部のハンピング(こぶ)を効果的に防止することができる。

0041

すなわち、レーザビームLBの照射中は、図12に示すように、溶接ポイント付近に形成されるキーホール(穴)内に金属蒸気Jが発生するとともにキーホールの周囲で金属が溶融し、キーホール壁面でレーザビームの吸収と反射が繰り返される。そして、レーザビームLBの照射が止むと、溶融物が穴の中に流れ込んで凝固する。その際、レーザビームLBの照射を急激に止めると、溶融物が中心部に勢いよく集まってそのまま凝固するため、図13に模式的に示すようにナゲットNの表面の中心部にこぶ状のハンピングHPが形成されやすい。

0042

この実施形態のようなダウンスロープ制御によれば、レーザビームLBの照射エネルギーを漸次的に減少させるため、キーホール内で溶融物が緩やかに広がり、図14に模式的に示すようにハンピングの無いナゲット表面(溶接外観)が得られる。本発明によるダウンスロープスロープ角度θDSまたはスロープ時間TDSは溶接仕様に応じて適宜設定されてよいが、通常の銅厚板溶接においてはスロープ時間TDSをYAG基本波パルスレーザ光LBのピーク値の持続時間TPに対して20%〜50%の範囲内に選ぶのが好ましい。

0043

この実施形態では、上述したようにYAG基本波伝播用の光ファイバ64のコア径φ1を第2高調波伝播用の光ファイバ70のコア径φ2よりも一回り(好ましくは1.3倍〜2倍)大きな値に選ぶことも特徴の一つとなっている。すなわち、YAG第2高調波パルスレーザ光SHGの照射径よりもYAG基本波パルスレーザ光LBの照射径を一回り大きくすることで、ナゲット口径に対するキーホール口径の比率を小さくして、キーホール周囲の溶融部を安定化させ、図15に模式的に示すように凝固後のナゲット(特にエッジ部)を滑らかな表面にすることができる。

0044

本実施形態に比して、両光ファイバ64,70のコア径φ1,φ2を同じ大きさのものとし、図16に示すように両パルスレーザ光LB,SHGの照射径を同じにした場合は、ナゲット口径に対するキーホール口径の比率が大きいために、金属蒸発部の影響を強くうけて周囲の溶融部が不安定になり、図17に模式的に示すように凝固後のナゲット表面(特にエッジ部)が荒れやすくなり、特にエッジ部にハンピングHPが発生しやすくなる。

0045

以上、好適な実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでは決してなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。たとえば、上記した実施形態では、YAG基本波パルスレーザ光LBおよびYAG第2高調波パルスレーザ光SHGのレーザ出力波形をそれぞれ規定する第1および第2の基準パルス波形信号を制御部18で生成してレーザ電源部14,16に与えるようにした。しかし、制御部18はタイミング信号または起動信号だけを発生し、各レーザ電源部14,16内で各基準パルス波形信号を生成する構成とすることも可能である。

0046

また、上記実施形態ではYAG高調波として第2高調波(532nm)を用いたが、第3高調波(355nm)あるいは第4高調波(266nm)等も使用可能である。また、YAG高調波を生成するための固体レーザ媒体または活性媒質24,40として、Nd:YAG結晶以外に、Nd:YLF結晶、Nd:YVO4結晶、Yb:YAG結晶等を使用することもできる。本発明のレーザ溶接法は、重ね継手突合せ継手すみ肉継手など種々の継手形態に適用可能である。

図面の簡単な説明

0047

本発明の一実施形態による二波長重畳型レーザ溶接装置の構成を示す図である。
実施形態におけるYAG基本波パルスレーザ発振器の構成を示す図である。
実施形態におけるYAG第2高調波パルスレーザ発振器の構成例を示す図である。
実施形態における波長変換方法の基本原理を示す図である。
実施形態の波長変換方法を示す図である。
実施形態の出射ユニットにおける光学系の要部の構成を示す図である。
実施形態におけるYAG基本波パルスレーザ光およびYAG第2高調波パルスレーザ光の典型的なレーザ出力波形を示す波形図である。
実施形態におけるパルスレーザ光の立ち上がり部を拡大して示す波形図である。
実施形態におけるパルスレーザ光の立上がり部の一変形例を拡大して示す波形図である。
実施形態で得られる溶接ナゲットを模式的に示す平面図および断面図である。
比較例で得られる溶接ナゲットを模式的に示す平面図及び断面図である。
実施形態におけるレーザ溶接の基本原理を説明するための断面図である。
比較例で得られる溶接ナゲットを模式的に示す断面図である。
実施形態で得られる溶接ナゲットを模式的に示す断面図である。
実施形態で得られる溶接ナゲットの外観を模式的に示す平面図である。
比較例におけるレーザ溶接法の作用を説明するための断面図である。
比較例で得られる溶接ナゲットの外観を模式的に示す平面図である。

符号の説明

0048

10 YAG基本波パルスレーザ発振器
12 YAG第2高調波パルスレーザ発振器
14,16レーザ電源部
18 制御部
20出射ユニット
22光ファイバ伝送系
24固体レーザ媒体
26電気光学励起部
28,30光共振器ミラー
32,52光電変換素子
34,54測定回路
36,38全反射ミラー
40活性媒質
42波長変換結晶
46高調波分離出力ミラー
72,75ダイクロイックミラー
74,76コリメートレンズ
78 集束レンズ

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