(57)【要約】【課題】最適な熱エネルギーを加工点に与えて、キーホール型のレーザ加工時におけるスプラッシュの発生を抑制することにより、レーザ加工を効率よく行うと共に、レーザ加工後の被加工物の表面品質を確保する。【解決手段】レーザ加工装置では、連続発振のレーザ光３０よりもパワー密度が高いパルス発振のレーザ光３４を、被加工物２４の加工点１６０でレーザ光３０に重畳して照射する際に、加工点１６０におけるレーザ光３４のスポット径Ｗｑを、該加工点１６０におけるレーザ光３０のスポット径Ｗｃ以下にしてレーザ光３４を照射する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続発振の第１のレーザ光を生成する第１のレーザ発振器と、
前記第１のレーザ光よりもパワー密度が高いパルス発振の第２のレーザ光を生成する第２のレーザ発振器と、
前記第１のレーザ光を被加工物の加工点に照射する第１の出射手段と、
前記加工点において前記第１のレーザ光に前記第２のレーザ光が重畳するように、該第２のレーザ光を前記加工点に照射する第２の出射手段と、
を有し、
前記加工点における前記第２のレーザ光のスポット径は、該加工点における前記第１のレーザ光のスポット径以下であることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記第２の出射手段は、前記加工点において前記第１のレーザ光のスポット径の範囲内で前記第２のレーザ光をスキャン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又は２記載の装置において、
前記第２の出射手段は、前記加工点に対して前記第２のレーザ光をデフォーカスして該第２のレーザ光のパワー密度を調節することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置において、
前記第１の出射手段及び前記第２の出射手段は、ガルバノメータスキャナをそれぞれ備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置において、
前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とは、互いに同じ波長のレーザ光であることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置において、
前記第１のレーザ発振器は、第１の励起光を出力する第１の励起光源と、前記第１の励起光源からの前記第１の励起光の供給に基づいて前記第１のレーザ光を生成する発振用光ファイバとを有するファイバレーザ発振器であり、
前記第２のレーザ発振器は、第２の励起光を出力する第２の励起光源と、前記第２の励起光源からの前記第２の励起光の供給に基づいて第２のレーザ光を生成するロッド形状の励起用媒体と、前記第２のレーザ光を所定の繰り返し周波数で発振させるＱスイッチとを有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置において、
前記第１の出射手段及び前記第２の出射手段は、別体のレーザヘッドとしてそれぞれ構成されているか、あるいは、１つのレーザヘッドに収容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記載の装置において、
前記第１の出射手段及び前記第２の出射手段が別体のレーザヘッドとしてそれぞれ構成されている場合に、前記レーザ加工装置は、
前記第１のレーザ発振器から前記第１のレーザ光が入射される第１の入射手段と、
前記第１の入射手段に入射された前記第１のレーザ光を前記第１の出射手段に伝送する前記第１の伝送用光ファイバと、
前記第２のレーザ発振器から前記第２のレーザ光が入射される第２の入射手段と、
前記第２の入射手段に入射された前記第２のレーザ光を前記第２の出射手段に伝送する前記第２の伝送用光ファイバと、
をさらに有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
請求項７記載の装置において、
前記第１の出射手段及び前記第２の出射手段が１つのレーザヘッドに収容されている場合に、
前記レーザ加工装置は、前記第１のレーザ発振器から前記第１のレーザ光が入射される第１の入射手段と、
前記第１の入射手段に入射された前記第１のレーザ光を伝送する第１の伝送用光ファイバと、
前記第２のレーザ発振器から前記第２のレーザ光が入射される第２の入射手段と、
前記第２の入射手段に入射された前記第２のレーザ光を伝送する第２の伝送用光ファイバと、
前記第１の伝送用光ファイバにより伝送された前記第１のレーザ光と前記第２の伝送用光ファイバにより伝送された前記第２のレーザ光とを結合する光結合器と、
前記光結合器により結合された前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光を前記加工点に向けて出射するレーザ出射ユニットと、
を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置において、
前記被加工物は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金又は鉄であることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１１】
連続発振の第１のレーザ光を第１のレーザ発振器により生成し、
前記第１のレーザ光よりもパワー密度が高いパルス発振の第２のレーザ光を第２のレーザ発振器により生成し、
第１の出射手段により前記第１のレーザ光を被加工物の加工点に照射し、一方で、前記加工点において前記第１のレーザ光に前記第２のレーザ光が重畳するように、第２の出射手段により前記第２のレーザ光を前記加工点に照射し、
前記加工点における前記第２のレーザ光のスポット径を、該加工点における前記第１のレーザ光のスポット径以下とすることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の方法において、
前記加工点において前記第１のレーザ光のスポット径の範囲内で前記第２のレーザ光をスキャンする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、連続発振の第１のレーザ光とパルス発振の第２のレーザ光とを金属等の被加工物の加工点に照射することにより、該被加工物に対するレーザ溶接等のレーザ加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウムのような表面の光の反射率が高い金属からなる被加工物に対してレーザ溶接等のレーザ加工を行う場合に、反射率が高い（光の吸収率が低い）ことに対応して、単純に、前記被加工物の加工点に照射するレーザ光のパワー密度を高めるだけでは、前記レーザ加工に係るコストが高騰するおそれがある。
【０００３】
そこで、特許文献１〜３には、光の波長が短くなるか、あるいは、金属が溶融すれば、反射率が低下することに着目して、先ず、加工点に対するパルス発振のレーザ光（第２のレーザ光）の照射により、前記加工点の金属を蒸発させると共に、該加工点の奥深くまで前記金属を溶融させて前記加工点にキーホールを形成し（キーホール型のレーザ加工）、次いで、溶融した前記金属に対する連続発振のレーザ光（第１のレーザ光）の照射により、前記加工点の金属を前記第１のレーザ光の照射に起因した熱伝導でさらに溶融させて、前記加工点に対する本格的なレーザ加工を行う（熱伝導型のレーザ加工）ことが提案されている。
【０００４】
すなわち、第１のレーザ光を照射する熱伝導型のレーザ加工のみでは、金属表面の反射によって被加工物の加工点における表面部分しか金属が溶融しないおそれがあるので、特許文献１〜３の技術では、先ず、第２のレーザ光を照射するキーホール型のレーザ加工によりキーホールを形成して、前記加工点に溶融金属を生成することで該金属の反射率を低下させ、次に、前記反射率の低下した溶融金属に対して熱伝導型のレーザ加工を行うことにより、前記加工点に対する本格的なレーザ加工を実施する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−２８９３９０号公報
【特許文献２】特開平５−９２２８４号公報
【特許文献３】特開２００２−３１６２８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、キーホール型のレーザ加工において、加工点の奥深くまで金属を溶融してキーホールを形成する目的で、該加工点に照射する第２のレーザ光のパワー密度を高くすると、前記加工点から蒸発した金属によりスプラッシュが発生し、この結果、前記加工点の周囲に金属片が飛び散って、レーザ加工後の被加工物の表面品質が低下する。
【０００７】
このような問題に対して、前記第２のレーザ光のパワー密度を低くすると、前記加工点の奥深くまで金属を溶融することができず、この結果、熱伝導型のレーザ加工を確実に行うことができない。
【０００８】
本発明は、前記の問題に鑑みなされたものであり、最適な熱エネルギーを加工点に与えて、キーホール型のレーザ加工時におけるスプラッシュの発生を抑制することにより、レーザ加工を効率よく行うと共に、レーザ加工後の被加工物の表面品質を確保することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法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】
【０００９】
本発明に係るレーザ加工装置は、
連続発振の第１のレーザ光を生成する第１のレーザ発振器と、
前記第１のレーザ光よりもパワー密度が高いパルス発振の第２のレーザ光を生成する第２のレーザ発振器と、
前記第１のレーザ光を被加工物の加工点に照射する第１の出射手段と、
前記加工点において前記第１のレーザ光に前記第２のレーザ光が重畳するように、該第２のレーザ光を前記加工点に照射する第２の出射手段と、
を有し、
前記加工点における前記第２のレーザ光のスポット径は、該加工点における前記第１のレーザ光のスポット径以下であることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明に係るレーザ加工方法は、
連続発振の第１のレーザ光を第１のレーザ発振器により生成し、
前記第１のレーザ光よりもパワー密度が高いパルス発振の第２のレーザ光を第２のレーザ発振器により生成し、
第１の出射手段により前記第１のレーザ光を被加工物の加工点に照射し、一方で、前記加工点において前記第１のレーザ光に前記第２のレーザ光が重畳するように、第２の出射手段により前記第２のレーザ光を前記加工点に照射し、
前記加工点における前記第２のレーザ光のスポット径を、該加工点における前記第１のレーザ光のスポット径以下とすることを特徴としている。
【００１１】
これらの発明によれば、前記第１のレーザ光のパワー密度と前記第２のレーザ光のパワー密度とを異なるようにすると共に、前記加工点における前記第２のレーザ光のスポット径を前記第１のレーザ光のスポット径以下としたことにより、前記第２のレーザ光は、前記被加工物の表面に傷をつける程度のパワー密度になる。
【００１２】
また、前記第２のレーザ光のパワー密度を前記第２のレーザ発振器側で調整するのではなく、前記スポット径で調整するので、該スポット径を小さくすればキーホールが深くなり、一方で、前記スポット径を大きくすればキーホールが浅くなる。このように、前記第２のレーザ光のスポット径（パワー密度）を前記第１のレーザ光のスポット径内で調節することにより、前記第２のレーザ発振器側でパワー密度を調節する場合と比較して、該パワー密度の調節が容易になる。
【００１３】
従って、前記加工点に最適な熱エネルギーを与えてレーザ加工を行うことが可能になり、前記第２のレーザ光の照射によるスプラッシュの発生を抑制して、レーザ加工後の前記被加工物の表面品質を確保することができる。
【００１４】
また、前記第２のレーザ光のスポット径が前記第１のレーザ光のスポット径以下であるため、本発明でのキーホール型のレーザ加工では、従来技術に係るキーホール型のレーザ加工と比較して、前述のように、前記被加工物の表面を傷付ける程度のキーホールを形成することになるが、金属が確実に溶融されて反射率が低下するので、その後の熱伝導型のレーザ加工では、溶融された金属に対する前記第１のレーザ光の照射に起因した熱伝導に基づいて、前記加工点の奥深くまで金属をさらに溶融させることができ、該熱伝導型のレーザ加工を確実に且つ効率よく行うことができる。
【００１５】
従って、本発明によれば、最適な熱エネルギーを加工点に与えて、キーホール型のレーザ加工時におけるスプラッシュの発生を抑制することにより、レーザ加工を効率よく行うと共に、レーザ加工後の被加工物の表面品質を確保することができる。
【００１６】
そのため、本発明は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金又は鉄等の表面における光の反射率が高い被加工物に対するレーザ加工に好適である。
【００１７】
ここで、前記第２の出射手段は、前記加工点において前記第１のレーザ光のスポット径の範囲内で前記第２のレーザ光をスキャンさせることが好ましい。
【００１８】
前記第１のレーザ光のスポット径の範囲内でのスキャンにより前記被加工物に対するレーザ加工をムラなく行うことが可能となる。また、キーホール型のレーザ加工時に前記加工点内の特定の箇所に前記第２のレーザ光が長時間照射されることも回避することができるので、前記第２のレーザ光の照射によるスプラッシュの発生を効率よく抑制することができる。
【００１９】
また、前記第２の出射手段は、前記加工点に対して前記第２のレーザ光をデフォーカスして該第２のレーザ光のパワー密度を調節することが好ましい。
【００２０】
これにより、前記第１のレーザ光のスポット径の範囲内におけるムラのないレーザ加工を効率よく行うことができる。また、前記第２のレーザ光の照射箇所に過大なエネルギーが与えられることを回避することも可能となるので、スプラッシュの発生を確実に抑制することができる。
【００２１】
さらに、前記第１の出射手段及び前記第２の出射手段がガルバノメータスキャナをそれぞれ備えていれば、前記加工点に対して前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光を正確にスキャンさせることが容易になる。
【００２２】
ここで、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを互いに同じ波長のレーザ光とすることが好ましい。
【００２３】
この場合、前記第１のレーザ発振器は、第１の励起光を出力する第１の励起光源と、前記第１の励起光源からの前記第１の励起光の供給に基づいて前記第１のレーザ光を生成する発振用光ファイバとを有するファイバレーザ発振器であり、
前記第２のレーザ発振器は、第２の励起光を出力する第２の励起光源と、前記第２の励起光源からの前記第２の励起光の供給に基づいて第２のレーザ光を生成するロッド形状の励起用媒体と、前記第２のレーザ光を所定の繰り返し周波数で発振させるＱスイッチとを有することが好ましい。
【００２４】
これにより、前記第１のレーザ発振器及び前記第２のレーザ発振器を含めた前記レーザ加工装置全体の小型化、メンテナンス性の向上、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の高出力化を容易に実現することができる。
【００２５】
また、前記第１の出射手段及び前記第２の出射手段は、別体のレーザヘッドとしてそれぞれ構成されているか、あるいは、１つのレーザヘッドに収容されていることが好ましい。
【００２６】
この場合、前記第１の出射手段及び前記第２の出射手段が別体のレーザヘッドとしてそれぞれ構成されていれば、前記レーザ加工装置は、前記第１のレーザ発振器から前記第１のレーザ光が入射される第１の入射手段と、前記第１の入射手段に入射された前記第１のレーザ光を前記第１の出射手段に伝送する前記第１の伝送用光ファイバと、前記第２のレーザ発振器から前記第２のレーザ光が入射される第２の入射手段と、前記第２の入射手段に入射された前記第２のレーザ光を前記第２の出射手段に伝送する前記第２の伝送用光ファイバとをさらに有することが好ましい。
【００２７】
また、前記第１の出射手段及び前記第２の出射手段が１つのレーザヘッドに収容されている場合に、
前記レーザ加工装置は、前記第１のレーザ発振器から前記第１のレーザ光が入射される第１の入射手段と、前記第１の入射手段に入射された前記第１のレーザ光を伝送する第１の伝送用光ファイバと、前記第２のレーザ発振器から前記第２のレーザ光が入射される第２の入射手段と、前記第２の入射手段に入射された前記第２のレーザ光を伝送する第２の伝送用光ファイバと、前記第１の伝送用光ファイバにより伝送された前記第１のレーザ光と前記第２の伝送用光ファイバにより伝送された前記第２のレーザ光とを結合する光結合器と、前記光結合器により結合された前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光を前記加工点に向けて出射するレーザ出射ユニットとを有することが好ましい。
【００２８】
この場合、前記第１の出射手段及び前記第２の出射手段が別体であっても、あるいは、１つのレーザヘッドに収容されていても、前記第１及び第２の伝送用光ファイバにより、前記被加工物に対して前記第１のレーザ発振器及び前記第２のレーザ発振器が離されているので、レーザ加工時に前記被加工物に発生する振動、熱、周囲光等の外乱から前記第１のレーザ発振器及び前記第２のレーザ発振器を保護することが可能になる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、第１のレーザ光のパワー密度と第２のレーザ光のパワー密度を異なるようにすると共に、加工点における第２のレーザ光のスポット径を第１のレーザ光のスポット径以下としたことにより、前記第２のレーザ光は、被加工物の表面に傷をつける程度のパワー密度になる。
【００３０】
また、前記第２のレーザ光のパワー密度を第２のレーザ発振器側で調整するのではなく、スポット径で調整するので、該スポット径を小さくすればキーホールが深くなり、一方で、前記スポット径を大きくすればキーホールが浅くなる。このように、前記第２のレーザ光のスポット径（パワー密度）を前記第１のレーザ光のスポット径内で調節することにより、前記第２のレーザ発振器側でパワー密度を調節する場合と比較して、該パワー密度の調節が容易になる。
【００３１】
従って、前記加工点に最適な熱エネルギーを与えてレーザ加工を行うことが可能になり、前記第２のレーザ光の照射によるスプラッシュの発生を抑制して、レーザ加工後の前記被加工物の表面品質を確保することができる。
【００３２】
また、前記第２のレーザ光のスポット径が前記第１のレーザ光のスポット径以下であるため、本発明でのキーホール型のレーザ加工では、従来技術に係るキーホール型のレーザ加工と比較して、前述のように、前記被加工物の表面を傷付ける程度のキーホールを形成することになるが、金属が確実に溶融されて反射率が低下するので、その後の熱伝導型のレーザ加工では、溶融された金属に対する前記第１のレーザ光の照射に起因した熱伝導に基づいて、前記加工点の奥深くまで金属をさらに溶融させることができ、該熱伝導型のレーザ加工を確実に且つ効率よく行うことができる。
【００３３】
従って、本発明によれば、最適な熱エネルギーを加工点に与えて、キーホール型のレーザ加工時におけるスプラッシュの発生を抑制することにより、レーザ加工を効率よく行うと共に、レーザ加工後の被加工物の表面品質を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態に係るレーザ加工装置のブロック図である。
【図２】図１の出射手段の構成を示す斜視図である。
【図３】加工点におけるレーザ加工を説明するための模式的断面図である。
【図４】キーホール型のレーザ加工と、熱伝導型のレーザ加工とにおける溶接部位でのレーザ光のスキャンを説明するための平面図である。
【図５】図５Ａ〜図５Ｃは、パワー密度の波形の一例を示すタイムチャートである。
【図６】図１のレーザ加工装置の変形例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明に係るレーザ加工装置について、レーザ加工方法との関連で、好適な実施形態を、図１〜図６を参照しながら説明する。
【００３６】
本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、図１に示すように、連続発振のレーザ光（第１のレーザ光）６２を生成するレーザ発振器（第１のレーザ発振器）１２と、レーザ光６２よりもパワー密度が高いパルス発振のレーザ光（第２のレーザ光）１０２を生成するレーザ発振器（第２のレーザ発振器）１４と、レーザ発振器１２からレーザ光６２が入射される入射手段（第１の入射手段）１６と、レーザ発振器１４からレーザ光１０２が入射される入射手段（第２の入射手段）１８と、入射手段１６に入射されたレーザ光６２を伝送する光ファイバ（第１の伝送用光ファイバ）２０と、入射手段１８に入射されたレーザ光１０２を伝送する光ファイバ（第２の伝送用光ファイバ）２２と、光ファイバ２０から伝送されたレーザ光６２をレーザ光３０として被加工物２４の加工点１６０に照射する出射手段（第１の出射手段）３２と、光ファイバ２２から伝送されたレーザ光１０２をレーザ光３４として加工点１６０に照射する出射手段（第２の出射手段）３６と、レーザ発振器１２、１４及び出射手段３２、３６を制御する制御部３８とを有する。
【００３７】
なお、被加工物２４は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金又は鉄等の表面の光の反射率が高い金属であり、本実施形態では、前記いずれかの金属からなる２つの部材２６、２８を突き合わせ、突き合わせた部分（溶接部位１６４）における出射手段３２、３６側の表面を加工点１６０としてレーザ光３０、３４を照射することにより、レーザ溶接等のレーザ加工（突合せ溶接）を行う場合について説明する。
【００３８】
レーザ発振器１２は、制御部３８からの制御に基づいて励起電流Ｉｃｗを出力するレーザ電源部４０と、励起電流Ｉｃｗの供給に基づいてレーザ光６２を生成し入射手段１６に入射させるファイバレーザ発振器４２と、ファイバレーザ発振器４２でレーザ光６２の一部を分光して出力されたモニタ光６８を集光する集光レンズ４４と、集光レンズ４４によって集光されたモニタ光６８を検出し、検出したモニタ光６８をレーザ光６２のパワー密度（図５Ａ参照）を示すパワー密度測定信号Ｓｆｃとしてレーザ電源部４０にフィードバックするフォトダイオード４６とを有する。従って、レーザ加工時に、レーザ発振器１２は、図示しないコントロールボードによりユーザが設定し、制御部３８を介してレーザ電源部４０に指示された所望のパワー密度設定値又は設定波形（図５Ａに示すパワー密度Ｐｃの波形）にレーザ光６２が一致又は追従するように、リアルタイムで励起電流Ｉｃｗを制御している。
【００３９】
ファイバレーザ発振器４２は、レーザ電源部４０からの励起電流Ｉｃｗの供給に基づいて励起光５２を発振出力するレーザダイオード（第１の励起光源）５０と、光ファイバ（発振用光ファイバ）５８と、光ファイバ５８を介して光学的に相対向する一対の共振器ミラー５４、６４と、レーザダイオード５０側の共振器ミラー５４と光ファイバ５８との間に配置された光学レンズ５６と、入射手段１６側の共振器ミラー６４と光ファイバ５８との間に配置された光学レンズ６０と、レーザ光６２の一部をモニタ光６８としてフォトダイオード４６側に反射するビームスプリッタ６６とを有する。
【００４０】
共振器ミラー５４は、レーザダイオード５０からの励起光５２を透過させ、一方で、光ファイバ５８側から入射した発振光線を該共振器ミラー５４の光軸上で全反射するように構成されている。
【００４１】
光ファイバ５８は、所定の発光元素（例えば、希土類元素イオン）をドープしたコアと、該コアを同軸に取り囲むクラッドとを有し、前記コアを活性媒体とし、前記クラッドを励起光５２の伝搬光路としている。この場合、光ファイバ５８の一端面に入射された励起光５２は、前記クラッドの外周境界面の全反射によって該クラッドの内方に閉じ込められながら光ファイバ５８内を軸方向に伝搬し、伝搬中に前記コアを何度も横切ることにより、前記コア中の発光元素を光励起する。これにより、前記コアの両端面から前記軸方向に所定波長（１０６４ｎｍの基本波であり、レーザ光６２の波長）の発振光線が放出され、該発振光線が共振器ミラー５４、６４間を何度も往復することにより共振増幅される。
【００４２】
共振器ミラー６４は、部分反射ミラーからなり、該所定波長の連続発振のレーザ光６２を取り出し、ビームスプリッタ６６を介して入射手段１６に出力する。
【００４３】
なお、光学レンズ５６は、光ファイバ５８の一端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートして共振器ミラー５４へ通し、一方で、レーザダイオード５０から共振器ミラー５４を介して入射された励起光５２や、共振器ミラー５４で反射して戻ってきた前記発振光線を光ファイバ５８の一端面に集光させる。
【００４４】
また、光学レンズ６０は、光ファイバ５８の他端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートして共振器ミラー６４へ通し、一方で、共振器ミラー６４で反射して戻ってきた前記発振光線を光ファイバ５８の他端面に集光させる。
【００４５】
入射手段１６は、ファイバレーザ発振器４２からのモニタ光６８を集光して光ファイバ２０の一端面に入射させる集光レンズ１１０を有している。従って、ＳＩ（ステップインデックス）型のファイバ等からなる光ファイバ２０は、集光されたレーザ光６２を出射手段３２にまで伝送することができる。
【００４６】
一方、レーザ発振器１４は、制御部３８からの制御に基づいて励起電流Ｉｑを出力するレーザ電源部７０と、励起電流Ｉｑの供給に基づいてレーザ光１０２を生成し入射手段１８に入射させるＹＡＧレーザ発振器７２と、ＹＡＧレーザ発振器７２でレーザ光１０２の一部を分光して出力されたモニタ光１０４を集光する集光レンズ７４と、集光レンズ７４によって集光されたモニタ光１０４を検出し、検出したモニタ光１０４をレーザ光１０２のパワー密度（図５Ｂ参照）を示すパワー密度測定信号Ｓｆｑとしてレーザ電源部７０にフィードバックするフォトダイオード７６と、ＹＡＧレーザ発振器７２のＱスイッチ９４を制御するＱスイッチドライバ７８とを有する。従って、レーザ加工時に、レーザ発振器１４は、前記コントロールボードによりユーザが設定し、制御部３８を介してレーザ電源部７０に指示された所望のパワー密度設定値又は設定波形（図５Ｂに示すパワー密度Ｐｃ、パルス幅ｔｑ及び繰り返し周期Ｔｑの波形）にレーザ光１０２が一致又は追従するように、リアルタイムで励起電流Ｉｑを制御している。
【００４７】
ＹＡＧレーザ発振器７２は、レーザ電源部７０からの励起電流Ｉｑの供給に基づいて励起光８２を出力する電気光学励起部（第２の励起光源）８０と、活性媒体（励起用媒体）８８と、活性媒体８８を介して光学的に相対向する一対の共振器ミラー８４、９６と、入射手段１８側の共振器ミラー９６と活性媒体８８との間に配置されたＱスイッチ９４と、レーザ光１０２の一部をモニタ光１０４としてフォトダイオード７６側に反射するビームスプリッタ１００とを有する。
【００４８】
すなわち、電気光学励起部８０に内蔵されるレーザダイオード又は励起ランプは、励起電流Ｉｑが供給されると励起光８２を活性媒体８８に向けて出力し、直列配列型のＮｄ：ＹＡＧロッドからなる活性媒体８８は、励起光８２により励起されて、その両端面より軸方向にレーザ光９２を出射する。
【００４９】
Ｑスイッチ９４は、音響光学Ｑスイッチ等からなり、レーザ電源部７０からＱスイッチドライバ７８を介して供給される高周波電気信号により駆動する。この場合、前記高周波電気信号は、所定周期（繰り返し周波数）で一時中断する電気信号である。従って、高周波電気信号がＱスイッチ９４に供給されている間、Ｑスイッチ９４は、音響光学効果によりレーザ光９２を回折させて（Ｑ値を下げて）、共振器ミラー８４、９６及び活性媒体８８で構成される共振器間において、レーザ光９２の励起エネルギーを蓄積増大させる。一方、Ｑスイッチ９４への前記高周波電気信号の供給が中断されたときに、Ｑスイッチ９４は、Ｑ値を戻し、蓄積増大させた励起エネルギーで一気にレーザ発振させることにより、前記繰り返し周波数に応じた所定波長（１０６４ｎｍの基本波）のレーザ光１０２を発振出力させる。
【００５０】
入射手段１８は、ＹＡＧレーザ発振器７２からのレーザ光１０２を集光して光ファイバ２２の一端面に入射させる集光レンズ１１２を有している。従って、ＳＩ型のファイバ等からなる光ファイバ２２は、集光されたレーザ光１０２を出射手段３６にまで伝送することができる。
【００５１】
出射手段３２、３６は、図２に示すように、別体のレーザヘッドとしてそれぞれ構成され、略同一構成のガルバノメータスキャナを具備する。
【００５２】
すなわち、出射手段３２は、Ｘ軸スキャンミラー１２２及びＹ軸スキャンミラー１２４を有する。
【００５３】
この場合、光ファイバ２０の他端面より放射状に出た連続発振のレーザ光６２は、コリメータレンズ１２０によって平行光線となり、Ｘ軸スキャンミラー１２２に入射する。Ｘ軸スキャンミラー１２２は、駆動軸１３０を介してＸ軸ガルバノメータ１３２に連結されている。この場合、Ｘ軸ガルバノメータ１３２が制御部３８から供給される制御信号Ｓｇｃに基づいて駆動軸１３０を矢印Ａ方向に回転させることにより、Ｘ軸スキャンミラー１２２は、制御信号Ｓｇｃの指定する角度に振れる。この結果、平行光線のレーザ光６２は、Ｘ軸スキャンミラー１２２で全反射されてＹ軸スキャンミラー１２４に入射される。
【００５４】
Ｙ軸スキャンミラー１２４は、駆動軸１３４を介してＹ軸ガルバノメータ１３６に連結されている。この場合、Ｙ軸ガルバノメータ１３６が制御信号Ｓｇｃに基づいて駆動軸１３４を矢印Ｂ方向に回転させることにより、Ｙ軸スキャンミラー１２４は、制御信号Ｓｇｃの指定する角度に振れる。この結果、平行光線のレーザ光６２は、Ｙ軸スキャンミラー１２４で全反射され、さらに、ｆθレンズ１２６を通って被加工物２４の加工点１６０にレーザ光３０として照射される。
【００５５】
一方、出射手段３６は、Ｘ軸スキャンミラー１４２及びＹ軸スキャンミラー１４４を有する。
【００５６】
この場合、光ファイバ２２の他端面より放射状に出たパルス発振のレーザ光１０２は、コリメータレンズ１４０によって平行光線となり、Ｘ軸スキャンミラー１４２に入射する。Ｘ軸スキャンミラー１４２は、駆動軸１５０を介してＸ軸ガルバノメータ１５２に連結されている。この場合、Ｘ軸ガルバノメータ１５２が制御部３８から供給される制御信号Ｓｇｑに基づいて駆動軸１５０を矢印Ｃ方向に回転させることにより、Ｘ軸スキャンミラー１４２は、制御信号Ｓｇｑの指定する角度に振れる。この結果、平行光線のレーザ光１０２は、Ｘ軸スキャンミラー１４２で全反射されてＹ軸スキャンミラー１４４に入射される。
【００５７】
Ｙ軸スキャンミラー１４４は、駆動軸１５４を介してＹ軸ガルバノメータ１５６に連結されている。この場合、Ｙ軸ガルバノメータ１５６が制御信号Ｓｇｑに基づいて駆動軸１５４を矢印Ｄ方向に回転させることにより、Ｙ軸スキャンミラー１４４は、制御信号Ｓｇｑの指定する角度に振れる。この結果、平行光線のレーザ光１０２は、Ｙ軸スキャンミラー１４４で全反射され、さらに、ｆθレンズ１４６を通って加工点１６０にレーザ光３４として照射される。
【００５８】
ところで、本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、図２〜図４に示すように、部材２６、２８を突き合わせ、突き合わせた箇所（溶接部位１６４）の出射手段３２、３６側の加工点１６０に対して、連続発振のレーザ光３０と、該レーザ光３０よりもパワー密度が高いパルス発振のレーザ光３４とを照射することにより、溶接部位１６４に対する突合せ溶接を行う。
【００５９】
この場合、本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、下記の特徴的な機能を有する。
【００６０】
出射手段３６は、加工点１６０においてレーザ光３４がレーザ光３０に重畳するように、該レーザ光３４を加工点１６０に照射する（図３参照）。その際、加工点１６０におけるレーザ光３４のスポット径Ｗｑを、該加工点１６０におけるレーザ光３０のスポット径Ｗｃ以下とする（Ｗｑ≦Ｗｃ）。さらに、出射手段３２は、溶接部位１６４に沿ったＸ軸方向にレーザ光３０をスキャンさせる一方で、出射手段３６は、加工点１６０に対してレーザ光３４をデフォーカスした状態で、レーザ光３０のスポット径Ｗｃの範囲内（図４のレーザ光３０の照射範囲１７０）でレーザ光３４をＸ方向及びＹ方向にスキャンさせる。
【００６１】
ここで、溶接部位１６４に対する突合せ溶接（レーザ加工方法）について、図１〜図５を参照しながら具体的に説明する。
【００６２】
先ず、制御部３８は、レーザ電源部４０を制御してファイバレーザ発振器４２から連続発振のレーザ光６２を出力させると共に、レーザ電源部７０を制御してＹＡＧレーザ発振器７２からパルス発振のレーザ光１０２を出力させ、一方で、レーザ光３０（６２）をＸ軸方向にのみスキャンさせるための制御信号Ｓｇｃを出射手段３２に出力すると共に、レーザ光３４（１０２）をＸ軸方向及びＹ軸方向にスキャンさせるための制御信号Ｓｇｑを出射手段３６に出力する。
【００６３】
出射手段３２において、Ｘ軸ガルバノメータ１３２は、制御信号Ｓｇｃに基づいて、駆動軸１３０を矢印Ａ方向に回転させることでＸ軸スキャンミラー１２２を振らせる。また、Ｙ軸ガルバノメータ１３６は、制御信号Ｓｇｃに基づいて、駆動軸１３４を回転させないことにより、レーザ加工中、Ｙ軸スキャンミラー１２４を一定角度に保持させる。
【００６４】
これにより、ファイバレーザ発振器４２から入射手段１６及び光ファイバ２０を介して出射手段３２に入力された連続発振のレーザ光６２は、コリメータレンズ１２０によって平行光線となり、Ｘ軸スキャンミラー１２２及びＹ軸スキャンミラー１２４でそれぞれ全反射され、さらに、ｆθレンズ１２６を通ってＸ軸方向にスキャン可能なレーザ光３０として加工点１６０に照射される。
【００６５】
一方、出射手段３６において、Ｘ軸ガルバノメータ１５２は、制御信号Ｓｇｑに基づいて、駆動軸１５０を矢印Ｃ方向に回転させることでＸ軸スキャンミラー１４２を振らせる。また、Ｙ軸ガルバノメータ１５６は、制御信号Ｓｇｑに基づいて、駆動軸１５４を矢印Ｄ方向に回転させることでＹ軸スキャンミラー１４４を振らせる。
【００６６】
これにより、ＹＡＧレーザ発振器７２から入射手段１８及び光ファイバ２２を介して出射手段３６に入力されたパルス発振のレーザ光１０２は、コリメータレンズ１４０によって平行光線となり、Ｘ軸スキャンミラー１４２及びＹ軸スキャンミラー１４４でそれぞれ全反射され、さらに、ｆθレンズ１４６を通ってＸ軸方向及びＹ軸方向にスキャン可能なレーザ光３４として加工点１６０に照射される。
【００６７】
具体的に、図４に示すように、被加工物２４の表面において、スポット径Ｗｃのレーザ光３０は、溶接部位１６４に沿ったＸ軸方向にスキャンされ、一方で、レーザ光３０よりも絞られたスポット径Ｗｑのレーザ光３４は、レーザ光３０の照射範囲１７０内でＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って、溶接部位１６４と交差するように、ジグザグにスキャンされる。なお、参照数字１７２は、レーザ光３４の照射範囲（照射軌跡）である。
【００６８】
また、図５Ａは、連続発振のレーザ光３０のパワー密度を示すタイムチャートであり、図５Ｂは、パルス発振のレーザ光３４のパワー密度を示すタイムチャートであり、図５Ｃは、加工点１６０にレーザ光３０、３４が照射されたときの該加工点１６０から見たレーザ光３０、３４のパワー密度を示すタイムチャートである。
【００６９】
図５Ａ〜図５Ｃにおいて、レーザ加工装置１０は、時刻ｔ０から時刻ｔ１の時間帯でレーザ加工を行う。従って、出射手段３２は、ｔ０〜ｔ１の時間帯で連続して加工点１６０にパワー密度Ｐｃのレーザ光３０を照射し、一方で、出射手段３６は、ｔ０〜ｔ１の時間帯で周期Ｔｑ毎に加工点１６０にパルス幅ｔｑ及びパワー密度Ｐｑ（Ｐｃ＜Ｐｑ）のレーザ光３４を照射することになる。そのため、加工点１６０では、ｔ０〜ｔ１の時間帯において、Ｔｑの周期毎にレーザ光３０、３４が結合されたレーザ光が照射されることになる。
【００７０】
このようにして、Ｗｑ≦Ｗｃ、且つ、レーザ光３０にレーザ光３４が重畳するように該レーザ光３４を照射し（図３参照）、さらに、加工点１６０に対してレーザ光３４をデフォーカスした状態で、スポット径Ｗｃの範囲内で溶接部位１６４と交差するようにレーザ光３４をジグザグにスキャニングさせると（図４参照）、加工点１６０内の特定の箇所にレーザ光３４が長時間照射されることを回避しつつ、加工点１６０全体に最適な熱エネルギーを与えることができる。これにより、キーホール型のレーザ加工時に問題とされるスプラッシュの発生を確実に抑制しつつ、該加工点１６０の金属を溶融させて加工点１６０にキーホールを形成することができる。
【００７１】
この場合、形成されるキーホールは、従来技術に係るキーホール型のレーザ加工により形成されるキーホールと比較して、被加工物２４の表面を傷付ける程度のキーホールとなるが、金属が確実に溶融されて反射率が低下しているので、溶融された前記金属に対しレーザ光３０を照射することで、該レーザ光３０の照射に起因した熱伝導に基づいて、加工点１６０の奥深くまで金属をさらに溶融させることができ、この結果、突合せ溶接後には、良好な表面品質のビード１６２が形成される。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工装置１０及びレーザ加工方法によれば、レーザ光３０のパワー密度Ｐｃとレーザ光３４のパワー密度Ｐｑとを異なるようにすると共に、加工点１６０におけるレーザ光３４のスポット径Ｗｑをレーザ光３０のスポット径Ｗｃ以下にして、該レーザ光３４を絞った状態で（Ｗｑ≦Ｗｃ）、スポット径Ｗｃの範囲内でレーザ光３４をスキャンすることにより、レーザ光３４は、被加工物２４の表面に傷をつける程度のパワー密度になる。
【００７３】
また、レーザ光３４のパワー密度をＹＡＧレーザ発振器７２側で調整するのではなく、スポット径Ｗｑで調整するので、該スポット径Ｗｑを小さくすればキーホールが深くなり、一方で、スポット径Ｗｑを大きくすればキーホールが浅くなる。このように、レーザ光３４のスポット径Ｗｑ（パワー密度Ｐｑ）をレーザ光３０のスポット径Ｗｃ内で調節することにより、ＹＡＧレーザ発振器７２側でパワー密度Ｗｑを調節する場合と比較して、該パワー密度Ｗｑの調節が容易になる。
【００７４】
従って、加工点１６０に最適な熱エネルギーを与えてレーザ加工を行うことが可能になり、レーザ光３４の照射によるスプラッシュの発生を抑制して、レーザ加工後の被加工物２４の表面品質を確保することができる。
【００７５】
また、レーザ光３４のスポット径Ｗｑがレーザ光３０のスポット径Ｗｃ以下であるため、本実施形態でのキーホール型のレーザ加工では、従来技術に係るキーホール型のレーザ加工と比較して、前述のように、被加工物２４の表面を傷付ける程度のキーホールを形成することになるが、金属が確実に溶融されて反射率が低下しているので、その後に行われる熱伝導型のレーザ加工では、溶融された金属に対するレーザ光３０の照射に起因した熱伝導に基づいて、加工点１６０の奥深くまで金属をさらに溶融させることができ、該熱伝導型のレーザ加工を確実に且つ効率よく行うことができる。
【００７６】
従って、本実施形態によれば、最適な熱エネルギーを加工点１６０に与えて、キーホール型のレーザ加工時におけるスプラッシュの発生を抑制することにより、レーザ加工を効率よく行うと共に、レーザ加工後の被加工物２４の表面品質を確保することができる。
【００７７】
そのため、本実施形態は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金又は鉄等の表面における光の反射率が高い被加工物２４に対するレーザ加工に好適である。
【００７８】
また、レーザ光３０のスポット径Ｗｃの範囲内でレーザ光３４をスキャンさせているので、被加工物２４に対するレーザ加工をムラなく行うことが可能となると共に、キーホール型のレーザ加工時に加工点１６０内の特定の箇所にレーザ光３４が長時間照射されることも回避することができるので、レーザ光３４の照射によるスプラッシュの発生を効率よく抑制することができる。
【００７９】
さらに、加工点１６０に対してレーザ光３４をデフォーカスして該レーザ光３４のパワー密度Ｐｑを調節することにより、レーザ光３０のスポット径Ｗｃの範囲内におけるムラのないレーザ加工を効率よく行うことができる。また、レーザ光３４の照射箇所に過大なエネルギーが与えられることを回避することが可能となるので、スプラッシュの発生を確実に抑制することができる。
【００８０】
さらに、出射手段３２、３６がガルバノメータスキャナをそれぞれ備えているので、加工点１６０に対してレーザ光３０、３４を正確にスキャンさせることが容易になる。特に、出射手段３６がガルバノメータスキャナを具備することにより、図４に示すように、レーザ光３０のスポット径Ｗｃの範囲内で、溶接部位１６４と交差するようにスポット径ｗｑのレーザ光３４をジグザグにスキャンさせることも可能となるので、キーホール型のレーザ加工を精度よく行うことができる。
【００８１】
さらに、レーザ発振器１２、１４を図１の構成とすることで、レーザ加工装置１０全体の小型化、メンテナンス性の向上、レーザ光３０、３４の高出力化を容易に実現することができる。
【００８２】
なお、上記の説明では、図１及び図２に示すように、出射手段３２、３６は、別体のレーザヘッドとしてそれぞれ構成されていた。
【００８３】
これに代えて、図６に示すように、出射手段３２、３６を１つのレーザヘッド（レーザ出射ユニット）１８４として構成（収容）してもよい。
【００８４】
この場合、レーザヘッド１８４内には、光ファイバ２０により伝送されたレーザ光６２と、光ファイバ２２により伝送されたレーザ光１０２とを結合する光結合器１８０が設けられ、該レーザヘッド１８４は、光結合器１８０において結合されたレーザ光６２、１０２をレーザ光１９０として加工点１６０に照射する。
【００８５】
この場合、出射手段３２、３６を１つのレーザヘッド１８４として構成したので、上述した出射手段３２、３６を別体とした図１及び図２の実施形態と同様の効果が容易に得られる。
【００８６】
また、本実施形態では、ファイバレーザ発振器４２及びＹＡＧレーザ発振器７２を用いているが、（１）レーザ発振器１２がＹＡＧレーザ発振器を有し且つレーザ発振器１４がファイバレーザ発振器を有する構成、（２）レーザ発振器１２、１４が共にＹＡＧレーザ発振器を有する構成、又は（３）レーザ発振器１２、１４が共にファイバレーザ発振器を有する構成に代用することも可能である。さらに、ガルバノメータスキャナを用いてレーザ光３０、３４をスキャンさせているが、ガルバノメータスキャナ以外の走査手段（Ｘ−Ｙステージ等）を用いてスキャンさせてもよい。
【００８７】
また、本実施形態では、レーザ光３０（レーザ光６２）の波長とレーザ光３４（レーザ光１０２）の波長とが互いに同じ波長（１０６４ｎｍ）である場合について説明したが、互いに異なる波長であってもよい。
【００８８】
なお、本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００８９】
１０…レーザ加工装置                  １２、１４…レーザ発振器
１６、１８…入射手段
２０、２２、５８…光ファイバ          ２４…被加工物
２６、２８…部材
３０、３４、６２、９２、１０２…レーザ光
３２、３６…出射手段                  ４２…ファイバレーザ発振器
５０…レーザダイオード                ５２、８２…励起光
５４、６４、８４、９６…共振器ミラー  ８０…電気光学励起部
８８…活性媒体                        ９４…Ｑスイッチ
１２２、１４２…Ｘ軸スキャンミラー
１２４、１４４…Ｙ軸スキャンミラー
１６０…加工点                        １６４…溶接部位
１８０…光結合器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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