(57)【要約】  本発明にかかるレーザ加工装置（１００）は、レーザビームを加工対象物に集光してレーザ加工を行うレーザ加工装置（１００）であり、レーザビームを集光する集光光学系（３）を備え、集光光学系（３）は収差を有し、集光前のレーザビームにおける、レーザパワーの８６．５％を含有するレーザビーム直径であるＤ８６．５に対応した光線に対する集光点での横収差は、０．２ｍｍ以上であることを特徴とする。
2019078092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを加工対象物に集光してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
前記レーザビームを集光する集光光学系を備え、
前記集光光学系は収差を有し、
集光前のレーザビームにおける、レーザパワーの８６．５％を含有するレーザビーム直径であるＤ８６．５に対応した光線に対する集光点での横収差は、０．２ｍｍ以上であることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記レーザビームを伝送する光ファイバ、
を備え、
前記集光光学系は、前記光ファイバから出射された前記レーザビームを集光することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記集光光学系は、
横収差が０．０５ｍｍ以下のレンズであって前記光ファイバから出射されたレーザビームを平行化するコリメートレンズと、
平行化されたレーザビームを集光する集光レンズと、
を含むことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記集光光学系は、
前記光ファイバから出射されたレーザビームを平行化するコリメートレンズと、
横収差が０．０５ｍｍ以下のレンズであって平行化されたレーザビームを集光する集光レンズと、
を備え、
前記コリメートレンズは収差を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記集光光学系は、
前記コリメートレンズと前記集光レンズとの間の光路上に配置され、前記レーザビームを反射するベンドミラー、
を備え、
前記レーザ加工装置は、
前記ベンドミラーと前記集光レンズとを介して、加工対象物を撮像する撮像部と、
を備えることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記Ｄ８６．５に対応した光線に対応する半頂集光角が５０ｍｒａｄ以上１１０ｍｒａｄ以下であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
レーザビームを加工対象物に集光して前記加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
前記レーザ加工装置が出射するレーザビームは、加工位置において、主ビームと、前記主ビームよりも低強度であって前記主ビームから連なる周辺ビームとから構成されるウィッチハット形状の強度分布を有し、
光強度が５ｋＷ／ｃｍ２以上２００ｋＷ／ｃｍ２以下である前記周辺ビームは、光軸と垂直な面において０．２２ｍ以上の幅を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項８】
レーザビームを加工対象物に集光して前記加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
前記レーザ加工装置が出射するレーザビームは、加工位置において、主ビームと、前記主ビームよりも低強度であって前記主ビームから連なる周辺ビームとから構成されるウィッチハット形状の強度分布を有し、
前記周辺ビームは、前記加工対象物に、前記主ビームが形成するキーホールよりも浅く、前記キーホールを取り囲む０．２２ｍｍ以上の幅を有する周辺溶融池を形成することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームを用いて、切断、溶接、熱処理などのレーザ加工を行うレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザビームを用いて金属の切断、溶接、熱処理などのレーザ加工を行うレーザ加工装置では、高集束および高出力のレーザビームを発生させる必要があるため、波長が９〜１０μｍ程度の中赤外レーザであるＣＯ２レーザが主に使用されていた。近年、ファイバレーザ、ディスクＹＡＧ（Yttrium  Aluminum  Garnet）レーザ、ダイレクトダイオードレーザなど近赤外の波長域のレーザビームを出力する近赤外レーザの高集束化および高出力化が進んできている。近赤外レーザの高集束化および高出力化が進むにつれて、近赤外レーザを光源として使用するレーザ加工装置が開発されている。【０００３】
レーザ加工装置から加工対象物にレーザビームを照射すると、レーザビームを照射した部分の加工対象物が瞬間的に溶融および蒸発して、周囲を溶融金属で取り囲まれたキーホールが形成される。キーホール内部では、溶融金属の対流が発生しており、キーホールの開口部に向かう溶融金属流の速度が大きくなると、キーホールの開口部から溶融金属の一部が飛散する場合がある。飛散した溶融金属はスパッタと呼ばれ、スパッタが発生すると、加工部分の周辺に付着して加工対象物の加工品質を低下させる。近赤外レーザを使用したレーザ加工装置では、ＣＯ２レーザを使用したレーザ加工装置よりもスパッタが発生し易く、加工対象物の加工品質が低下しやすいという問題があった。【０００４】
特許文献１には、加工対象物の加工品質の低下を抑制するために、主ビームと、主ビームよりも大径かつ低エネルギーの副ビームとを形成する光学手段を備えたレーザ加工装置が開示されている。この光学手段は、コリメートレンズと、集光レンズと、穴あき凹レンズとを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３４０５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１には、加工対象物に照射されるレーザビームの集光状態を特定することができる記載がなく、集光状態によってはキーホールの形状を安定させることができず、加工対象物の加工品質が低下してしまう場合があるという問題があった。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した加工品質を実現することができるレーザ加工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】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置は、レーザビームを加工対象物に集光してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、レーザビームを集光する集光光学系を備え、集光光学系は収差を有する。集光前のレーザビームにおける、レーザパワーの８６．５％を含有するレーザビーム直径であるＤ８６．５に対応した光線に対する集光点での横収差は、０．２ｍｍ以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、レーザ加工において安定した加工品質を実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置の概略構成を示す図
【図２】図１に示す集光ビームのビーム形状の拡大図
【図３】図１に示すレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物の状態を示す図
【図４】本発明の比較例１にかかるレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物の状態を示す図
【図５】本発明の比較例２にかかるレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物の状態を示す図
【図６】図１に示すレーザ加工装置が出射するレーザビームの光線図
【図７】図６に示す光軸位置−１２〜光軸位置−６のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図
【図８】図６に示す光軸位置−４〜光軸位置＋２のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図
【図９】図６に示す光軸位置−１２〜光軸位置−６のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図
【図１０】図６に示す光軸位置−４〜光軸位置＋２のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図
【図１１】本発明の比較例３にかかるレーザ加工装置が出射するレーザビームの光線図
【図１２】図１１に示す光軸位置−８〜光軸位置−２のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図
【図１３】図１１に示す光軸位置０〜光軸位置＋６のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図
【図１４】図１１に示す光軸位置−８〜光軸位置−２のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図
【図１５】図１１に示す光軸位置０〜光軸位置＋６のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図
【図１６】本発明の実験例１におけるレーザ加工装置のレーザ発振器および光学系の条件を示す図
【図１７】本発明の実験例２にかかる実験条件を示す図
【図１８】図１７に示す条件でレーザ加工を行った結果を示す図
【図１９】図１７および図１８に示した光学系全体の横収差の変化に対するスパッタ発生量の推移をグラフ化した図
【図２０】図１７に示した条件で横収差を変化させたときの周辺溶融池幅の推移をグラフ化した図
【図２１】図１８に示した周辺溶融池幅が変化したときのスパッタ発生量の推移をグラフ化した図
【図２２】図１の集光レンズに求められる特性を特定するための実験例３で検討する単レンズの横収差の入射曲率依存性を示す図
【図２３】入射面曲率の変化に対する出射面曲率の推移を示す図
【図２４】本発明の実験例３にかかる集光レンズの形状および光線を示す図
【図２５】図２４の一部拡大図と、拡大図に対応した横収差とを示す図
【図２６】本発明の実験例４にかかる加工光学系の条件を示す図
【図２７】図２６に示す条件の加工光学系の光線図および概略構成図
【図２８】実験例１から４で使用する近赤外レーザ光源の製品仕様の一例を示す図
【図２９】本発明の実験例５におけるレーザ加工装置の条件を示す図
【図３０】図２９に示す各条件のレーザ加工装置が出射するレーザ光の光路図および強度分布を示す図
【図３１】本発明の実験例６におけるレーザ加工装置の条件を示す図
【図３２】図３１に示す各条件のレーザ加工装置が出射するレーザ光の光路図および強度分布を示す図
【図３３】本発明の実験例７における各レンズが有する収差の条件を示す図
【図３４】本発明の実験例８の実験結果を示す図
【図３５】本発明の実験例９の実験結果を示す図
【図３６】本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工装置の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００の概略構成を示す図である。レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１と、光ファイバ２と、集光光学系３とを有する。
【００１３】
レーザ発振器１は、ファイバレーザ、ディスクＹＡＧレーザ、ダイレクトダイオードレーザなど近赤外の波長域のレーザ光を出射する近赤外レーザ光源である。光ファイバ２は、レーザ発振器１が出射したレーザ光を伝送する。光ファイバ２から出射されたレーザビームである出射ビーム１０は、集光光学系３に入射する。集光光学系３は、コリメートレンズ３１と、集光レンズ３２とを含む。コリメートレンズ３１は、出射ビーム１０を平行化してコリメート光１１にする。平行化されたコリメート光１１は、集光レンズ３２に入射する。集光レンズ３２は、コリメート光１１を集光した集光ビーム１２を加工対象物４に照射する。加工対象物４は、鉄製の加工材である。加工対象物４上に集光ビーム１２が照射されると、加工対象物４が溶融および蒸発して、周囲を溶融金属４１で取り囲まれたキーホール５０が形成される。加工対象物４への集光ビーム１２の照射位置を変化させることで、レーザ加工が行われる。コリメートレンズ３１および集光レンズ３２の少なくとも一方は収差を有しており、集光光学系３は、全体として収差を有する。この、集光光学系３の収差によって、ファイバ出射角が全角１０°以下の近軸領域の集光ビーム１２０の集光点に比べ、レーザパワーの８６．５％を含有するレーザビーム直径であるＤ８６．５に対応した光線位置の集光ビーム１２１はビーム進行方向手前に集光し、近軸領域の集光位置では集光せずにぼける。
【００１４】
出射ビーム１０のビーム形状１０ａは、横軸を光軸に垂直な軸上の位置、縦軸を光強度とした場合、光軸を中心とする特定の幅の、レーザパワーが一様なフラットトップ形状である。以下、ビーム形状について述べる場合、横軸を光軸に垂直な軸上の位置、縦軸を光強度とする。コリメートレンズ３１の光軸位置におけるコリメート光１１のビーム形状１１ａは、光軸上をピークとするガウス分布形状である。集光レンズ３２から出射された集光ビーム１２のビーム形状１２ａは、光軸上にピークを有し、光軸から離れるにつれて光強度はテールを引いて低くなっている。本明細書中では、中央部が山型であって周辺部に広く裾野を引いたビーム形状をウィッチハット（Witch  hat：魔女の帽子）形状と称する。
【００１５】
図２は、図１に示す集光ビーム１２のビーム形状１２ａの拡大図である。集光ビーム１２のビーム形状１２ａは、集光光学系３の有する収差に起因して、集光光学系３の集光点付近において、ウィッチハット形状となる。光軸に垂直な面をみると、集光位置において集光ビーム１２は、光軸を中心とする略円形の主ビーム１２５と、主ビーム１２５を取り囲む環状の周辺ビーム１２６とから構成されている。主ビーム１２５の光強度は、例えば１ＭＷ/ｃｍ２以上である。周辺ビーム１２６は主ビーム１２５よりも光強度が低く、ここでは光強度が５ｋＷ／ｃｍ２以上２００ｋＷ／ｃｍ２以下の部分と定義する。周辺ビーム１２６はウィッチハット形状の帽子の鍔に相当する部分であり、主ビーム１２５から連なる裾野を形成している。周辺ビーム１２６は、光軸に垂直な断面において、主ビーム１２５を取り囲むドーナツ形をしている。周辺ビーム１２６の幅は、０．２２ｍｍ以上であることが望ましい。
【００１６】
図３は、図１に示すレーザ加工装置１００を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物４の状態を示す図である。図３は、レーザ溶接の例を示しており、レーザ加工装置１００は、図の左に向かって集光ビーム１２を走査している。
【００１７】
集光ビーム１２のビーム形状１２ａは、ウィッチハット形状であり、中心部の主ビーム１２５は、加工対象物４の金属を溶融させてキーホール５０を形成させる。周辺ビーム１２６は、溶融金属４１の表面を蒸発させて、金属蒸気６１を発生させる。金属蒸気６１の蒸発反力７は、キーホール５０の開口部５１において、溶融金属４１の表面から加工対象物４の内部に向かう力となる。蒸発反力７は、レーザ光の走査方向の後方において、キーホール内壁５０２を上昇する溶融金属流４１１の向きを加工対象物４の表面４０に垂直な方向から表面４０に平行な方向へと変える。これにより、キーホール５０の開口部５１がラッパ状に広がり、溶融金属流４１１は、加工対象物４の内部に向かう流れとなり、スパッタの発生は抑制される。スパッタは、レーザ光の走査方向の後方で発生しやすいため、レーザ光の走査方向の後方で周辺ビーム１２６を形成することが重要である。
【００１８】
図４は、本発明の比較例１にかかるレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物４の状態を示す図である。近赤外レーザ光源を使用したレーザ加工装置において、集光光学系の収差が小さい、または収差がない場合、集光点の近傍における集光ビーム９１のビーム形状９１ａは、光ファイバ２の出射端におけるビーム形状を、コリメートレンズ３１の焦点距離ｆｃと集光レンズ３２の焦点距離ｆｆの比率で定まる光学倍率α＝ｆｆ／ｆｃで断面方向に拡大した、フラットトップ形状に近い形状となる。
【００１９】
図４の例では、集光ビーム９１のビーム形状９１ａは主ビームの周辺に周辺ビームが存在せず、光強度はテールを引くことなく急速に５ｋＷ／ｃｍ２以下の光強度まで低下している。このため、キーホール内壁５０２は、加工対象物４の表面に対して垂直に近い状態がキーホール５０の内部から加工対象物４の表面まで続く形状となる。溶融金属流４１１は、加工対象物４の内部に向かう流れとなりにくく、溶融金属流４１１がキーホール５０の開口部に向かう溶融金属流４１１の速度が速くなり、溶融金属４１の一部が飛散してスパッタ４１３が発生する。
【００２０】
図５は、本発明の比較例２にかかるレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物４の状態を示す図である。比較例２では、近赤外レーザ光源の代わりに、ＣＯ２レーザを使用したレーザ加工装置が用いられる。ＣＯ２レーザは、波長が９μｍから１０μｍ近傍の中赤外レーザである。このためＣＯ２レーザは、金属蒸気６０および金属蒸気６１と、レーザ光との相互作用で発生するプラズマに対して吸収率が高く、集光ビーム９２を照射すると、キーホール５０およびキーホール５０の開口部５１に高温のプラズマ８が生成される。ＣＯ２レーザを使用したレーザ加工では、高温のプラズマ８によって、開口部５１付近の金属が加熱されて蒸発し、その蒸発反力７によって、開口部５１は緩やかに広く開口される。このため、ＣＯ２レーザを使用する場合には、集光光学系の収差を調整しなくても、溶融金属流４１１は加工対象物４の内部に向かう流れになりやすく、スパッタ４１３の発生が少なく、安定した加工品質を保つことができる。したがって、近赤外レーザ光源を使用したレーザ加工装置において、図２に示すビーム形状１２ａの集光ビーム１２を形成する集光光学系３を用いることで、ＣＯ２レーザ加工におけるプラズマによるキーホール開口部の加熱および拡大と等価な、キーホール開口部の加熱および拡大を実施することができ、近赤外レーザ光源を使用した場合にスパッタ４１３が生じやすいという問題を抑制することが可能である。
【００２１】
以下、本実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００が使用する光学素子、動作条件などの条件を変化させて実験例１〜実験例９の実験を行い、レーザ加工装置１００がスパッタ４１３を抑制して実用上問題のない良好な加工品質を維持するための条件を検討した。
【００２２】
（実験例１）
図６は、図１に示すレーザ加工装置１００が出射するレーザビームの光線図である。光線図には、光軸位置と、代表的な光軸位置の名称とが示されている。図６の光線図は、光ファイバ２の中心から等間隔の角度で発生された光線を示している。太い実線は、内部にレーザパワーの８６．５％が含有されるレーザビームの直径であるビーム径Ｄ８６．５に相当する光線であって、破線はビーム径Ｄ８６．５の１．５倍のビーム径であって、内部にレーザパワーの９８．９％が含有されるレーザビームの直径であるビーム径Ｄ９８．９に相当する。以下、レーザパワーの８６．５％が含有されるレーザビームの直径をビーム径Ｄ８６．５と称する。
【００２３】
光軸位置は、近軸焦点位置を原点として、レーザビームの上部で加工する場合を負、レーザビームの下部で加工する場合を正としている。焦点位置が材料表面の上部に存在する場合を正とするレーザ加工業界の慣例に従っている。
【００２４】
図７は、図６に示す光軸位置−１２〜光軸位置−６のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図である。図８は、図６に示す光軸位置−４〜光軸位置＋２のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図である。
【００２５】
図７および図８には、各光軸位置に対応するレーザ光の強度分布が、３種類のスケールで示されている。これらの強度分布は、出射ビーム１０の遠視野をガウス分布としてシミュレーションした結果である。図７および図８には、レーザ光の強度分布を、縦軸最大値が２５ＭＷ／ｃｍ２、１ＭＷ／ｃｍ２および１００ｋＷ／ｃｍ２の３種類のスケールで示している。縦軸最大値が２５ＭＷ／ｃｍ２の図からは、中央のピークを含む全体形状を把握することができる。縦軸最大値が１ＭＷ／ｃｍ２および１００ｋＷ／ｃｍ２の図からは、微弱な周辺ビーム１２６を把握することができる。
【００２６】
図９は、図６に示す光軸位置−１２〜光軸位置−６のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図である。図１０は、図６に示す光軸位置−４〜光軸位置＋２のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図である。
【００２７】
図９および図１０には、光軸位置−１２〜光軸位置＋２のそれぞれに対応して、溶接加工中画像、溶接加工後画像、スパッタ抑制の良否、溶接長１０ｃｍあたりのスパッタ発生数、溶接ビード概観の良否、および溶接の溶込深さを示している。
【００２８】
溶接加工中画像は、溶接加工を実施している間に撮像した画像であり、キーホール５０および周辺溶融池５２の状態を示している。溶接加工中画像は、ＬＤ照明とラインフィルタとを使用することで、プルーム発光によるハレーションの発生を回避している。スパッタ抑制の良否は、スパッタ発生の抑制効果をその抑制効果が高い順に◎、○、×の記号で示している。溶接ビード概観は、加工品質を示しており、溶接加工後の表面ビードの良否を、表面ビードの状態が良い場合を○、悪い場合を×の記号で示している。
【００２９】
溶接加工中画像に示されるキーホール５０と周辺溶融池５２とを含む溶融池の形状は、スパッタ抑制の良否と高い相関を示している。光軸位置−８ｍｍ〜光軸位置＋２ｍｍでは、キーホール５０の周辺にキーホールよりも浅い周辺溶融池５２が存在しており、この光軸位置の範囲では、スパッタ４１３が良好に抑制されていることが分かる。また光軸位置−１２ｍｍ〜光軸位置−１０ｍｍでは、キーホール５０の周辺に周辺溶融池５２が形成されておらず、キーホール５０がラッパ状に開口しないため、スパッタ４１３が発生している。光軸位置−８ｍｍの溶接加工中画像を参照すると、形成された周辺溶融池５２はわずかであるが、スパッタ４１３の抑制に効果的であることが分かる。この光軸位置−８ｍｍにおける周辺溶融池５２は、図７を参照すると、わずか０．３ｍｍ幅であり、５０ｋＷ／ｃｍ２から０ｋＷ／ｃｍ２に漸減する光強度の周辺ビーム１２６によって形成される。このような条件の周辺ビーム１２６であっても、スパッタ４１３抑制の効果を有することが分かる。
【００３０】
続いて、レーザ光の強度分布と溶融池形状の関係について説明する。キーホールが発生し始める光強度は、１１０ｋＷ／ｃｍ２以上１８０ｋＷ／ｃｍ２以下であり、光強度がこの範囲に含まれる部分をキーホール５０として、キーホール５０の境界を周辺ビーム１２６の内径とする。また、溶融限界の光強度は７ｋＷ／ｃｍ２以上２０ｋＷ／ｃｍ２以下であり、この溶融限界位置を周辺ビーム１２６の外径とする。図７および図８を参照すると、周辺ビーム１２６の内径と外径との差である周辺ビーム１２６の幅は、光軸位置−８ｍｍで０．３ｍｍ、光軸位置−６ｍｍで０．５ｍｍ、光軸位置−４ｍｍで０．６ｍｍ、光軸位置−２ｍｍで０．７ｍｍ、光軸位置０ｍｍで０．８ｍｍ、光軸位置＋２ｍｍで１．０ｍｍであることが分かる。
【００３１】
また、図９および図１０に示される溶接加工中の画像における周辺溶融池５２の形状は、図７および図８に示す周辺ビーム１２６の形状と対応している。これらの図から、溶接加工中の画像におけるレーザ光の強度分布の相関を詳細に解析した結果、これらの整合性が明らかとなった。レーザ光の強度分布と、金属の溶融現象は極めてよく整合している。
【００３２】
図１１は、本発明の比較例３にかかるレーザ加工装置が出射するレーザビームの光線図である。比較例３にかかるレーザ加工装置は、近赤外レーザ光源と、低収差の一般的な集光光学系とを用いている。図１２は、図１１に示す光軸位置−８〜光軸位置−２のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図である。図１３は、図１１に示す光軸位置０〜光軸位置＋６のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図である。図１２および図１３には、レーザ光の強度分布が、縦軸最大値が５０ＭＷ／ｃｍ２、１ＭＷ／ｃｍ２および１００ｋＷ／ｃｍ２の３種類のスケールで示されている。図１４は、図１１に示す光軸位置−８〜光軸位置−２のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図である。図１５は、図１１に示す光軸位置０〜光軸位置＋６のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図である。図１１〜図１５に示す各列の項目は、図６〜図１０に示す各列と同様である。
【００３３】
図１１を参照すると、本発明の比較例３にかかるレーザ加工装置では、光線は、集光点である近軸焦点を中心に前後で対称となる。図１２および図１３を参照すると、レーリー長よりも外側の強度分布は概ねガウス形状である。集光点から離れるにしたがって、ビーム径は線形に拡大し、光強度はデフォーカス距離の２乗に反比例して低減している。レーリー長内の集光点近傍では、光ファイバ２の出射端における光強度分布の像転写となるため、フラットトップ様となり、集光点である近軸焦点付近ではフラットトップ形状となる。
【００３４】
図１１〜図１３に示す比較例３に対して、本発明の実施の形態１では、集光光学系３が収差を有するため、図６〜図８に示すように、光軸位置によってレーザ光の強度分布の形状自体が大きく変化する複雑な伝搬特性を示す。レーザ光の強度分布は、集光位置に相当する最小錯乱円の位置の前後で非対称になり、最小錯乱円よりも前側の光軸位置−４〜光軸位置＋２では、山形の主ビーム１２５の周辺に、光強度が２００ｋＷ／ｃｍ２以下のラッパ状の周辺ビーム１２６のテールを引いたウィッチハット形状となる。図９および図１０を参照すると、ビーム形状がウィッチハット形状に近づいている光軸位置−４〜光軸位置＋２では、スパッタ４１３の発生が良好に抑制され、表面ビードの状態も良好となっており、良好な加工品質を保っていることが分かる。
【００３５】
また総合的に溶接性能が優れているのは、光軸位置−４ｍｍであって、１０ｋＷ、５ｍ／ｍｉｎの高出力および高速溶接を実現し、且つ、スパッタ４１３の発生を良好に抑制することができており、溶接後のビード表面も滑らかで、溶け込み深さも１０．４ｍｍと高いレベルを達成している。さらに光軸位置−８ｍｍ〜光軸位置＋２ｍｍのビームの前側全域に渡って、１０ｃｍあたりのスパッタ量は、２５±１０個以下と実用上問題のないレベルに抑制されている。発生するスパッタ４１３のサイズも０．５ｍｍ以下と小さく、加工対象物４の表面４０への付着も抑制することができている。
【００３６】
光軸位置−４ｍｍにおいて、キーホール５０の直径は０．８ｍｍであるのに対して、周辺溶融池５２の幅は０．６ｍｍである。スパッタ４１３を抑制するためには、キーホール５０の直径と同程度、または０．６ｍｍ程度の幅の周辺溶融池５２を形成することが効果的である。また、光軸位置−４ｍｍにおいて、周辺ビーム１２６の強度は、１１０ｋＷ／ｃｍ２から７ｋＷ／ｃｍ２まで漸減しており、周辺ビーム幅の中央部での光強度は２０ｋＷ／ｃｍ２となっている。スパッタ抑制効果を得るためには、主ビーム１２５から連続しており、下に凸のラッパ状のレーザ光の強度分布を有することが望ましい。深いキーホール５０を形成せずにラッパ状の開口を形成するために必要なレーザ光の強度は２０ｋＷ／ｃｍ２以上１００ｋＷ／ｃｍ２以下程度である。
【００３７】
レーザ加工装置１００は、広い光軸位置範囲において、スパッタ４１３の発生を抑制し、加工品質の高い領域を確保することができ、加工品質の高い領域の中に中央部のビーム強度がピークとなる領域が存在するため、深い溶け込みを実現することが可能である。レーザ加工装置１００は、高い加工品質と高い加工性能を両立している。
【００３８】
図１６は、本発明の実験例１におけるレーザ加工装置１００のレーザ発振器１および光学系の条件を示す図である。レーザ発振器１は、ディスクＹＡＧレーザであって、波長λ＝１．０３μｍのレーザビームを出力１０ｋＷで出力する。光学系の条件としては、光ファイバ２のファイバコア直径φｃ＝２００μｍであり、ビームパラメータプロダクツＢＢＰは、８ｍｍ  ｍｒａｄ以下であり、全頂発散角θＦ＝１６０ｍｒａｄ以下である。
【００３９】
続いて光学系の条件を説明する。コリメートレンズ３１は焦点距離ｆｃ＝２００ｍｍである。コリメートレンズ３１は、低収差組レンズである。コリメートレンズ３１は、収差のないレンズである。例えば収差のないレンズとは、集光点において、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差が０．０５ｍｍ以下のレンズと定義することができる。ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差は、言い換えると、光軸に垂直な面において、ビーム径Ｄ８６．５に対応する光線を基準としたずれ、ビーム径Ｄ８６．５に対応する光線の内部の円形領域を理想的な集光状態とした場合にこの円形領域からのずれなどと言うこともできる。なお、収差が大きいレンズとは、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした収差が０．１ｍｍ以上である場合を言う。ここでは、ビーム径Ｄ８６．５に相当する入射高さｈ＝ｆｃｔａｎ（−θＦ／２）＝−１６ｍｍを基準としたコリメートレンズ３１の横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）は０．０５ｍｍ以下である。ビーム径Ｄ８６．５の領域の外郭線は、入射高さｈ＝−１６ｍｍに相当するため、入射高さｈ＝−１６ｍｍを基準とした横収差は、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差と同義である。
【００４０】
集光レンズ３２は焦点距離ｆｆ＝２０４ｍｍである。集光レンズ３２は、大きな収差を有する組レンズであって、光ファイバ２からの発散角±８０ｍｒａｄに相当する入射高さｈ＝−１６ｍｍを基準とした横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．５３である。なお、ここではコリメートレンズ３１の収差は集光レンズ３２の収差と比較して無視できる程度に小さいため、光学系全体の横収差ΔＹＡは、集光レンズ３２の横収差ΔＹｆと等価と考えることができ、ΔＹＡ＝０．５３ｍｍとなる。レーザ加工装置１００は、一般的な加工光学系と比較して１０倍以上の収差を有する。図１１に示した本発明の比較例３にかかるレーザ加工装置では、コリメートレンズ３１および集光レンズ３２共に焦点距離ｆ＝２００ｍｍの低収差組レンズであって、入射高さｈ＝−１６ｍｍを基準とした横収差ΔＹは、共に０．０５ｍｍ以下である。
【００４１】
溶接加工の加工条件としては、加工対象物４の材料は、軟鋼板であって、加工速度は５ｍ／ｍｉｎである。溶接部には、シールドガスとしてアルゴンガスを２０Ｌ／ｍｉｎ吹き付けている。
【００４２】
以上説明したように、実験例１では、ファイバレーザ、ディスクＹＡＧレーザなどの近赤外レーザ光源を使用したレーザ加工装置において、１０ｋＷレベルの高出力、高速且つ溶け込み深さの深い溶接加工を、スパッタ４１３を抑制しつつ実現するための具体的な条件を明らかにした。レーザ加工装置１００は、ファイバ伝送型レーザ溶接の品質を改善するものであり、安定した加工品質を実現することが可能である。
【００４３】
なお、上記実験例１では、加工対象物４を軟鋼つまり鉄製としたが、加工対象物４の材料は鉄に限定されない。加工対象物４は、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレスなどの金属材料製であってもよい。
【００４４】
また上記実験例１では、光ファイバ２から出射されたレーザビームを用いてレーザ加工を行っているが、本実施の形態において説明した収差の条件、主ビーム１２５と周辺ビーム１２６との条件を満たすことで、光ファイバ２を通過しないレーザビームを使用するレーザ加工装置にも本発明の技術を適用することができる。
【００４５】
また上記実験例１では、コリメートレンズ３１、集光レンズ３２といった光学系のレンズが収差を有していたが、レーザ光を発生するレーザ発振器１または光ファイバ２によって収差を発生させてもよい。つまり、レーザ光が発生してから加工対象物４に照射されるまでの光路上に配置された素子の少なくともいずれかによって収差が発生すればよい。
【００４６】
（実験例２）
図１７は、本発明の実験例２にかかる実験条件を示す図である。本実験例２では、スパッタ４１３の抑制に効果的な収差の条件を特定するために、図１に示すレーザ加工装置１００の集光レンズ３２の収差量を変化させた６つの条件（ａ）〜条件（ｆ）でレーザ加工を行い、各条件における加工品質を観察した。
【００４７】
条件（ａ）〜条件（ｆ）において、コリメートレンズ３１の焦点距離ｆｃ＝２００ｍｍ、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）＝０．０５ｍｍ以下で共通である。また、レーザ条件は、ファイバコア直径φｃ＝２００μｍ、ビームパラメータプロダクツＢＰＰ＝８ｍｍｍｒａｄ以下、全頂発散角θＦ＝１６０ｍｒａｄ以下であって、各条件に共通である。さらに加工速度は５ｍ／ｍｉｎであって、加工対象物４の材料は軟鋼である。
【００４８】
条件（ａ）の集光レンズ３２は、焦点距離ｆｆ＝４０９ｍｍ、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．１３ｍｍである。条件（ｂ）の集光レンズ３２は、焦点距離ｆｆ＝３０７ｍｍ、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．２３ｍｍである。条件（ｃ）の集光レンズ３２は、焦点距離ｆｆ＝２５６ｍｍ、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．３４ｍｍである。
【００４９】
条件（ｄ）の集光レンズ３２は、焦点距離ｆｃ＝２０４ｍｍ、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）＝０．５３ｍｍである。条件（ｅ）の集光レンズ３２は、焦点距離ｆｃ＝１７４ｍｍ、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）＝０．７５ｍｍである。条件（ｆ）の集光レンズ３２は、焦点距離ｆｃ＝１５３ｍｍ、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）＝０．９８ｍｍである。本実験例２では、コリメートレンズ３１の収差が無視できる程度に小さいため、条件（ａ）〜条件（ｆ）のそれぞれにおいて、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした光学系全体の横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）は、集光レンズ３２の横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）と等しいと考えることができる。
【００５０】
なお、光ファイバ２から出射されるレーザビームは、ビーム径Ｄ８６．５に相当する半頂発散角が８０ｍｒａｄでコリメートレンズ３１の焦点距離ｆｃが２００ｍｍである。このため、ビーム径Ｄ８６．５に相当するコリメートビーム半径Ｗｃ（Ｄ８６．５）＝ｆｃｔａｎθＨ＝１６ｍｍとなる。したがって、集光レンズ３２の横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）は、ビーム径Ｄ８６．５に相当する位置を入射高さｈ＝−１６ｍｍを基準とした横収差としている。また、集光レンズ３２の収差を０．１３ｍｍから０．９８ｍｍと大きく変化させるため、焦点距離の異なるレンズを使用している。
【００５１】
図１８は、図１７に示す条件でレーザ加工を行った結果を示す図である。図１８には、各条件でレーザ加工を行うときの光線図と、レーザ加工中の溶融池を撮影した画像と、溶接加工の状況を示す情報とが示されている。溶接加工を行うために適した位置は、ビーム径Ｄ８６．５に対する最小錯乱円位置ＺＤ８６．５とした。レーザ加工中の溶融池を撮影した画像は、最小錯乱円位置ＺＤ８６．５における画像である。
【００５２】
溶接状況に示された、溶融池外径ＯＤ、溶融池内径ＩＤおよび周辺溶融池幅Ｗｍは、溶融池画像から読み取った値である。スパッタ発生量ＮＳは、溶接長さ１０ｃｍあたりのスパッタ発生個数を示している。
【００５３】
図１７および図１８を参照すると、光学系全体の収差が増大するにつれて、集光位置近傍の光線群が拡大して、レーザ加工位置である最小錯乱円位置ＺＤ８６．５における周辺溶融池幅Ｗｍが拡大していることが分かる。
【００５４】
図１９は、図１７および図１８に示した光学系全体の横収差の変化に対するスパッタ発生量の推移をグラフ化した図である。図１９から、スパッタ発生量が４０±１０個／１０ｃｍ以下となる収差をスパッタ抑制に効果的な収差とすると、集光点における横収差ΔＹＡが０．２ｍｍ以上の範囲ということができる。集光点における横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）が０．５３ｍｍ以上であることがさらに望ましい。
【００５５】
図２０は、図１７に示した条件で横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）を変化させたときの周辺溶融池幅Ｗｍの推移をグラフ化した図である。周辺溶融池５２は、横収差によって発生する周辺ビーム１２６によって形成されるため、横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）の大きさと強い相関を有していることが分かる。周辺溶融池幅Ｗｍは、横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）に比例しており、横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）の１．２倍となっている。
【００５６】
図２１は、図１８に示した周辺溶融池幅Ｗｍが変化したときのスパッタ発生量の推移をグラフ化した図である。スパッタ発生量が４０±１０個／１０ｃｍ以下となる収差をスパッタ４１３が抑制された状態と定義すると、スパッタ抑制のために必要な周辺溶融池幅Ｗｍは、０．２２ｍｍ以上ということがいえる。周辺溶融池幅Ｗｍが０．６９ｍｍ以上であることがさらに望ましい。
【００５７】
（実験例３）
上記の実験例２では集光レンズ３２に組レンズを使用していたが、本実験例３では、集光レンズ３２に単レンズを使用する。
【００５８】
図２２は、図１の集光レンズ３２に求められる特性を特定するための実験例３で検討する単レンズの横収差の入射曲率依存性を示す図である。図２２は、焦点距離ｆ＝２０４ｍｍの単レンズの、入射面曲率の変化に対する横収差ΔＹの推移を示している。レンズの硝材は合成石英であって、屈折率ｎ＝１．４５であり、レンズ中心部の厚みｔｃ＝６．５ｍｍである。光線追跡によって算出した横収差は、入射面曲率Ｋ１＝１／ｒ１に対して下に凸の２次関数になる。
【００５９】
単レンズの焦点距離ｆと入射曲率半径ｒ１および出射曲率半径ｒ２との関係は、以下の数式（１）で表される。数式（１）を用いることで、焦点距離ｆおよび入射曲率半径ｒ１を定めれば、出射曲率半径ｒ２は定まり、レンズ形状が定まる。なお、レンズ中心部の厚みｔｃが１５ｍｍ以下であれば、焦点距離ｆ、入射曲率半径ｒ１および出射曲率半径ｒ２の各々の相互関係におけるレンズ中心部の厚みｔｃに対する依存性は小さい。
【００６０】
【数１】
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【００６１】
図２３は、入射面曲率Ｋ１の変化に対する出射面曲率Ｋ２の推移を示す図である。出射面曲率Ｋ２は、上記の数式（１）を使用して算出した値である。出射面曲率Ｋ２は、入射面曲率Ｋ１の一次関数となり、レンズ中心部の厚みｔｃの影響は小さいことが分かる。
【００６２】
実験例２において特定したように、スパッタ抑制効果のある収差の条件を０．２ｍｍ以上とすると、入射面曲率Ｋ１は、５ｍ−１以下または１３ｍ−１以上となる。図２３を参照すると、入射面曲率Ｋ１が５ｍ−１以下または１３ｍ−１以上となる出射面曲率Ｋ２は、−６ｍ−１以下または２ｍ−１以上となる。
【００６３】
ここでビーム径Ｄ８６．５に相当する入射高さｈ＝−１６ｍｍを基準とした横収差ΔＹｈ−１６＝０．５３ｍｍとする。この場合、レンズの入射側の入射曲率半径ｒ１＝５６．３ｍｍとなり、集光側の出射曲率半径ｒ２＝１３９．９ｍｍとなる。レンズ中心部の厚みｔｃは、３ｍｍ以上となるように、ｔｃ＝６．５ｍｍとしている。
【００６４】
図２４は、本発明の実験例３にかかる集光レンズ３２の形状および光線を示す図である。本実験例３で使用される集光レンズ３２は、図２４に示すようにメニスカス形状である。一般的な光学系において、高い集光性能を得るために、レンズ形状は、最小収差位置近傍の凸平レンズ、両凸レンズなどが使用されることが多い。さらに大きな集光性能を必要とする場合には、無収差に近い組レンズが使用されることもある。本実験例３では、０．５ｍｍ以上の収差を発生させるために、メニスカス形状のレンズが使用される。
【００６５】
図２５は、図２４の一部拡大図と、拡大図に対応した横収差とを示す図である。集光レンズ３２への入射ビーム半径Ｗ８６．５＝Ｄ８６．５／２＝１６ｍｍである。入射ビーム半径Ｗ８６．５に対応する入射高さｈ＝−Ｗ８６．５＝−１６ｍｍであり、この入射高さｈを基準とした横収差ΔＹｈ−１６＝０．５３ｍｍとなる。収差の量を正の値とするために、入射高さｈは負の値で定義している。単レンズの横収差の入射高さ依存性は、入射高さｈがレンズ表面の入射曲率半径ｒ１、出射曲率半径ｒ２よりも小さい領域では３次関数となる。
【００６６】
なお本実験例３では、光ファイバ２からの出射角が８０ｍｒａｄであって、コリメートレンズ３１の焦点距離ｆｃ＝２００ｍｍであり、入射高さｈ＝−１６ｍｍを基準とした収差は、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした収差に相当する。
【００６７】
上記のように、集光レンズ３２をメニスカス形状とすることで、シンプルな構造の単レンズでありながら、スパッタ抑制効果が高い周辺ビーム１２６を発生させることができる横収差ΔＹｈ−１６＝０．５３ｍｍを実現している。
【００６８】
（実験例４）
本実験例４では、光ファイバ２、コリメートレンズ３１および集光レンズ３２を含む加工光学系の条件を２種類比較して検討する。図２６は、本発明の実験例４にかかる加工光学系の条件を示す図である。図２７は、図２６に示す条件の加工光学系の光線図および概略構成図である。
【００６９】
図２６に示す条件（ｇ）および条件（ｈ）は共に、光ファイバ２のファイバコア直径φｃ＝２００μｍであり、ビームパラメータプロダクツＢＰＰ＝８ｍｍｍｒａｄ以下であり、全頂発散角θＦ＝１６０ｍｒａｄ以下である。また条件（ｇ）および条件（ｈ）は共に、コリメートレンズ３１の横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）が無視できる程度に小さく、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした集光レンズ３２の横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．５３ｍｍである。さらにビーム径Ｄ８６．５を基準とした光学系全体の横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）＝０．５３ｍｍである。
【００７０】
条件（ｇ）は、コリメートレンズ３１の焦点距離ｆｃ＝２００ｍｍであり、集光レンズ３２の焦点距離ｆｆ＝２０４ｍｍである。条件（ｈ）は、コリメートレンズ３１の焦点距離ｆｃ＝４００ｍｍであり、集光レンズ３２の焦点距離ｆｆ＝４０８ｍｍである。条件（ｇ）と条件（ｈ）とでは、光学系が相似形であり、集光角と対応した横収差量が同等である。この場合、焦点位置近傍における光線図は一致し、集光状態は同等となる。
【００７１】
図２８は、実験例１から４で使用する近赤外レーザ光源の製品仕様の一例を示す図である。近赤外レーザ光源として使用されるファイバレーザおよびＹＡＧレーザの製品仕様は、デファクトスタンダードでほぼ共通の規格が使用されており、光ファイバ２からの出射半角θＨは、レーザ出力および光ファイバ２のファイバ径によらず、８０ｍｒａｄ以下となっており、実測値は７５ｍｒａｄから８０ｍｒａｄである。
【００７２】
統一された光ファイバ２からの出射半角θＨ＝８０ｍｒａｄ以下は、近軸条件である５°＝８７．２ｍｒａｄ以下を満たしており、汎用光学系でも十分な集光性能を保つことができる。
【００７３】
（実験例５）
本発明の実験例５では、ファイバコア直径φｃに対する集光強度分布の依存性を検討する。図２９は、本発明の実験例５におけるレーザ加工装置１００の条件を示す図である。条件（ｉ）、条件（ｊ）および条件（ｋ）は、ファイバコア直径φｃ以外の条件が共通である。
【００７４】
具体的には、条件（ｉ）のファイバコア直径φｃ＝１００μｍ、ビームパラメータプロダクツＢＰＰ＝４ｍｍｍｒａｄ以下であり、条件（ｊ）のファイバコア直径φｃ＝２００μｍ、ビームパラメータプロダクツＢＰＰ＝８ｍｍｍｒａｄ以下であり、条件（ｋ）のファイバコア直径φｃ＝３００μｍ、ビームパラメータプロダクツＢＰＰ＝１２ｍｍｍｒａｄ以下である。また条件（ｉ）、条件（ｊ）および条件（ｋ）に共通して、全頂発散角θＦ＝１６０ｍｒａｄ以下であり、コリメートレンズ３１の焦点距離ｆｃ＝２００ｍｍであり、コリメートレンズ３１の横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）は無視できる程度に小さい。さらに条件（ｉ）、条件（ｊ）および条件（ｋ）に共通して、集光レンズ３２の焦点距離ｆｆ＝２００ｍｍであり、集光レンズ３２の横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．５６である。光学系全体の横収差ΔＹＡ（Ｄ８６．５）＝０．５６である。
【００７５】
図３０は、図２９に示す各条件のレーザ加工装置１００が出射するレーザ光の光路図および強度分布を示す図である。横収差が０．０５ｍｍ以下の一般的な低収差光学系では、加工を行う最小錯乱位置ではファイバ端の倍率転写となるため、集光径は、ファイバコア直径φｃに比例して変化する。
【００７６】
しかしながら、本実験例５のレーザ加工装置１００では、レーザビームの径を基準とした横収差が０．２ｍｍ以上であって直径では０．４ｍｍ以上であり、より望ましくは０．５ｍｍ以上であって直径では１．０ｍｍ以上である。これらの値は、ファイバコア直径φｃ＝０．１ｍｍから０．３ｍｍに対して１倍から２０倍以上と、収差としては大きい。このため、集光点近傍の光強度分布は、光学系の収差による影響が支配的であって、ファイバコア直径φｃの影響は小さくなる。
【００７７】
図３０を参照すると、ファイバコア直径φｃを変化させたときに、中心部の光強度の変化が大きい。ファイバコア直径φｃを３００μｍから１００μｍへ１／３に縮小すると、中心部の光強度は１１．８ＭＷ／ｃｍ２から３９．８ＭＷ／ｃｍ２へと高くなる。収差のない一般的な光学系では、ファイバコア直径φｃが１／３に縮小すると、集光点のスポット系も１／３になるため、中心部の光強度は９倍となる。これに対して本実験例５では、収差の影響により中心部の光強度は３．４倍程度の増大に止まっている。
【００７８】
スパッタ４１３を抑制するためには、光強度２００ｋＷ／ｃｍ２以下、幅０．３ｍｍ以上の周辺ビーム１２６の強度が重要となるが、図３０を参照すると、ファイバコア直径φｃを変化させても、周辺ビーム１２６の強度分布への影響は小さい。ファイバコア直径φｃを０．１ｍｍから０．３ｍｍまで変化させても、周辺ビーム１２６の強度はほとんど変化せず、光軸位置依存性も変化しない。
【００７９】
（実験例６）
本実験例６では、集光レンズ３２の焦点距離ｆｆの変化に対する光強度分布の依存性を検討する。図３１は、本発明の実験例６におけるレーザ加工装置１００の条件を示す図である。
【００８０】
図３１に示す条件（ｌ）、条件（ｍ）および条件（ｎ）は、集光レンズ３２の焦点距離ｆｆ以外は図２９に示す条件（ｊ）と同じである。条件（ｌ）における集光レンズ３２の焦点距離ｆｆ＝１００ｍｍであり、条件（ｍ）における集光レンズ３２の焦点距離ｆｆ＝２００ｍｍであり、条件（ｎ）における集光レンズ３２の焦点距離ｆｆ＝３００ｍｍである。
【００８１】
図３２は、図３１に示す各条件のレーザ加工装置１００が出射するレーザ光の光路図および強度分布を示す図である。図３２を参照すると、焦点距離ｆｆを変化させて集光角を変化させても、近軸焦点位置、Ｄ８６．５最小錯乱円位置およびＤ９８．９最小錯乱円位置における集光状態および光強度分布の変化は小さい。
【００８２】
焦点距離ｆｆを変化させて集光角を変化させると、光学倍率α＝（ｆｆ／ｆｃ）で定まる基本スポット径φｓは、下記の数式（２）に従って変化するが、周辺ビーム１２６の光強度分布の変化は小さい。
【００８３】
φｓ＝（ｆｆ／ｆｃ）・φＦ＝ＢＰＰ／θｓ        ・・・（２）
ここでφＦはファイバコア直径である。
【００８４】
なお、図３２の光線図を比較すると、焦点距離の変化つまり集光角の変化に伴って、焦点とそれぞれの最小錯乱円との間隔など光軸方向のスケールは焦点距離に比例して変化していることが分かる。しかしながら図３２の光強度分布の図を参照すると、それぞれの位置での周辺ビーム１２６の強度分布は同程度であり、同様のスパッタ抑制効果を得ることができることが分かる。光軸方向の焦点深度に相当する加工位置尤度などは、焦点距離の変化に伴って変化する。
【００８５】
上記の実験例５および実験例６から、収差の大きい光学系では、光ファイバ２のファイバ径を変えても、焦点距離を変えても、ビーム径Ｄ８６．５に相当する光線位置を基準とした収差が同一であるならば、光強度分布は同様となることが分かった。このため、ビーム径Ｄ８６．５を基準とした収差、つまり、ビーム径Ｄ８６．５に相当する光線位置を基準とした収差を規定することで、同様の光強度分布を得ることができ、同様のスパッタ抑制効果を得ることが可能であることが分かる。光強度分布の光軸位置依存性は焦点距離に応じて拡大縮小する。
【００８６】
（実験例７）
本実験例７では、集光光学系３内において収差を生じさせる素子を変化させた場合の影響について検討する。図３３は、本発明の実験例７における各レンズが有する収差の条件を示す図である。
【００８７】
図３３の条件（Ａ）では、コリメートレンズ３１が横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）＝０ｍｍの低収差組レンズであり、集光レンズ３２が横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．５３ｍｍの収差を有するレンズである。条件（Ｂ）では、コリメートレンズ３１が横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）＝０．５３ｍｍの収差を有するレンズであり、集光レンズ３２が横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０ｍｍの低収差レンズである。さらに条件（Ｃ）では、コリメートレンズ３１が横収差ΔＹｃ（Ｄ８６．５）＝０．２６５ｍｍの収差を有するレンズであり、集光レンズ３２が横収差ΔＹｆ（Ｄ８６．５）＝０．２６５ｍｍの収差を有するレンズである。
【００８８】
図３３に示す３つの条件（Ａ）、条件（Ｂ）および条件（Ｃ）でシミュレーションを行うと、集光光学系３の全体の収差は、各レンズの収差の合計となるため、各条件で同一である。集光点における光強度分布は、集光光学系３の全体の収差に応じて決まるため、３つの条件（Ａ）、条件（Ｂ）および条件（Ｃ）で集光点における光強度分布は差がなく、スパッタ抑制効果も同等であることが分かった。
【００８９】
なお、集光光学系３の収差は一般的にレーザビームの進行方向の集光点に対して定義されるものであるが、光ファイバ２からの発散光を平行化するコリメートレンズ３１に対しては、進行方向とは逆向きのコリメート部から平行ビームを逆入射させて、光ファイバ２の出射端に向けて集光させる仮想集光によって収差を定義する。
【００９０】
（実験例８）
本発明の実験例８では、光学条件は同一で、加工速度を１ｍ／ｍｉｎから１０ｍ／ｍｉｎまで１ｍ／ｍｉｎ毎に変化させた場合の、溶融池の状態とスパッタ４１３の抑制状態とを検討した。図３４は、本発明の実験例８の実験結果を示す図である。
【００９１】
図３４を参照すると、周辺溶融池５２の溶融池外径ＯＤは、加工速度の増大に伴って徐々に減少しており、１ｍ／ｍｉｎで２．５ｍｍ、５ｍ／ｍｉｎで２．２ｍｍ、１０ｍ／ｍｉｎで１．９ｍｍとなっている。これに対して、周辺溶融池５２の溶融池内径ＩＤ、つまりキーホール５０の直径φＫＨ＝０．７５±０．１５ｍｍの範囲でほぼ一定となっている。
【００９２】
周辺溶融池幅Ｗｍは、加工速度の増大に伴って０．７５ｍｍから０．４５ｍｍへと減少しているが、スパッタ抑制に有効な０．２２ｍｍ以上の幅を保っており、スパッタ発生量ＮＳは、全速度範囲に渡って０〜２５個／１０ｃｍのレベルに抑制されている。したがって、レーザ加工装置１００は、加工速度によらずスパッタ４１３を抑制する効果を奏することが分かる。
【００９３】
（実験例９）
本発明の実験例９では、レーザの出力を１ｋＷから１０ｋＷまで１ｋＷ毎に変化させた場合の、溶融池の状態とスパッタ４１３の抑制状態とを検討した。図３５は、本発明の実験例９の実験結果を示す図である。
【００９４】
図３５を参照すると、出力の低下に伴って、周辺溶融池５２およびキーホール５０は縮小するが、スパッタ発生量ＮＳは、全出力範囲１ｋＷから１０ｋＷに渡って０〜１０個／１０ｃｍのレベルに抑制されている。したがって、レーザ加工装置１００は、レーザの出力によらずスパッタ４１３を抑制する効果を奏することが分かる。
【００９５】
以上の実験例１〜９の実験結果から、近赤外レーザを使用したレーザ加工において、スパッタ４１３を抑制して高い加工品質を実現するための条件が明らかとなった。レーザ光が発生してから加工位置に至るまでの間に収差を有する光学系を有し、集光点における横収差を、ビーム径Ｄ８６．５に対して０．２ｍｍ以上とすることで高い加工品質を実現することができる。ビーム径Ｄ８６．５に対して０．２ｍｍ以上とは、レーザパワーの８６．５％が含有される、集光前のビーム径に相当する光線を基準とした場合の横収差が０．２ｍｍ以上であることを示す。スパッタ４１３は、レーザ光の走査方向の後方で発生しやすいため、上記横収差のうち、少なくともレーザ光の走査方向の後方に対する横収差が上記の条件を満たすことが望ましい。このような収差を発生させることで、集光点におけるビーム形状がウィッチハット形状となり、光強度が５ｋＷ／ｃｍ２以上２００ｋＷ／ｃｍ２以下の周辺ビーム１２６の幅が０．２２ｍｍ以上となる。このような周辺ビーム１２６を形成すると、蒸発反力を発生して溶融金属流４１１の流れを加工対象物４の表面に垂直な向きから水平な向きに代えることができ、スパッタ４１３の発生を抑制することができる。
【００９６】
ビーム径Ｄ８６．５は、光ファイバ２が出射した光を集光光学系３で集光する場合、光ファイバ２からの発散角±８０ｍｒａｄに相当する。このため、上記の条件は、集光点の横収差が光ファイバ２からの発散角±８０ｍｒａｄに対して０．２ｍｍ以上ということもできる。
【００９７】
さらに、集光光学系３の収差は、コリメートレンズ３１が収差を有していてもよいし、集光レンズ３２が収差を有してもよい。或いはコリメートレンズ３１および集光レンズ３２の両方が収差を有してもよい。コリメートレンズ３１および集光レンズ３２の両方が収差を有する場合、コリメートレンズ３１の収差と集光レンズ３２の収差の合計が上記の条件を満たせばよい。
【００９８】
さらに上記の条件に加えて、ビーム径Ｄ８６．５に対応する半頂集光角を５０ｍｒａｄ以上１１０ｍｒａｄ以下とすることで、一般的な光ファイバ２の出射半頂角８０ｍｒａｄから出射したレーザビームに対して、収差がない場合の仮想的なコアスポット径は出射ファイバ径の０．６２５倍から１．３７５倍とすることができ、深い溶け込み性能を示すことができる。
【００９９】
実施の形態２．
図３６は、本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工装置２００の構成を示す図である。本実施の形態２のレーザ加工装置２００は、レーザ加工中の加工対象物４をモニタするための撮像装置５００を有する。
【０１００】
レーザ加工装置２００は、収差を有するコリメートレンズ３１と、低収差レンズである集光レンズ３２とを有する。コリメートレンズ３１と集光レンズ３２との間の光路上には、ベンドミラー９が配置されている。ベンドミラー９は、コリメートレンズ３１からの光を集光レンズ３２に反射する。撮像部である撮像装置５００は、同軸カメラであり、集光レンズ３２およびベンドミラー９を介して直進する光を検出することができる。
【０１０１】
集光レンズ３２が収差を有しないため、撮像装置５００のモニタ画像の歪みを抑制することができる。したがって、スパッタ４１３を抑制して加工品質の低下を抑制しつつ、加工対象物４のレーザ加工を行っている部分を同軸で、ぼけや歪みのない鮮明な画像でモニタすることが可能になる。
【０１０２】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【０１０３】
例えば上記では、近赤外レーザを使用したレーザ加工装置１００について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本実施の形態で説明した技術は、例えば可視光レーザ、中赤外レーザを使用したレーザ加工装置に適用しても有効である。
【０１０４】
また上記の実施の形態では、光ファイバ２と、光ファイバ２から出射されたレーザビームを集光する集光光学系３とを有するレーザ加工装置１００およびレーザ加工装置２００について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。光ファイバ２を備えないレーザ加工装置に対して本発明の技術を適用することも可能である。レーザ発振器１から出射された光は、そのまま集光光学系３に入射してもよいし、レーザ発振器１から出射された光が集光光学系３に入射するまでの光路上には、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、どのような光学素子が配置されていてもよい。
【符号の説明】
【０１０５】
１  レーザ発振器、２  光ファイバ、３  集光光学系、４  加工対象物、７  蒸発反力、９  ベンドミラー、１０  出射ビーム、１０ａ，１１ａ，１２ａ，９１ａ  ビーム形状、１１  コリメート光、１２，９１，９２  集光ビーム、３１  コリメートレンズ、３２  集光レンズ、４０  表面、４１  溶融金属、５０  キーホール、５１  開口部、６０，６１  金属蒸気、１００，２００  レーザ加工装置、１２５  主ビーム、１２６  周辺ビーム、４１１  溶融金属流、５００  撮像装置、５０２  キーホール内壁。
【図１】
2019078092.tif 000004
【図２】
2019078092.tif 000005
【図３】
2019078092.tif 000006
【図４】
2019078092.tif 000007
【図５】
2019078092.tif 000008
【図６】
2019078092.tif 000009
【図７】
2019078092.tif 000010
【図８】
2019078092.tif 000011
【図９】
2019078092.tif 000012
【図１０】
2019078092.tif 000013
【図１１】
2019078092.tif 000014
【図１２】
2019078092.tif 000015
【図１３】
2019078092.tif 000016
【図１４】
2019078092.tif 000017
【図１５】
2019078092.tif 000018
【図１６】
2019078092.tif 000019
【図１７】
2019078092.tif 000020
【図１８】
2019078092.tif 000021
【図１９】
2019078092.tif 000022
【図２０】
2019078092.tif 000023
【図２１】
2019078092.tif 000024
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2019078092.tif 000028
【図２６】
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【図２７】
2019078092.tif 000030
【図２８】
2019078092.tif 000031
【図２９】
2019078092.tif 000032
【図３０】
2019078092.tif 000033
【図３１】
2019078092.tif 000034
【図３２】
2019078092.tif 000035
【図３３】
2019078092.tif 000036
【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年4月17日(2020.4.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを加工対象物に集光してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
前記レーザビームを集光する集光光学系を備え、
前記集光光学系は収差を有し、
集光前のレーザビームにおける、レーザパワーの８６．５％を含有するレーザビーム直径であるＤ８６．５に対応した光線に対する集光点での横収差は０．２ｍｍ以上であり、ビーム中心の集光強度が４ＭＷ／ｃｍ２以上、もしくは、ファイバコア直径が３００μｍ以下であることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記レーザビームの集光性能を示すビームパラメータプロダクツが１２ｍｍｍｒａｄ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
レーザ出力が１ｋＷ以上１０ｋＷ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
レーザ出力が４ｋＷ以上１０ｋＷ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記レーザビームを伝送する光ファイバ、
を備え、
前記集光光学系は、前記光ファイバから出射された前記レーザビームを集光することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記集光光学系は、
横収差が０．０５ｍｍ以下のレンズであって前記光ファイバから出射されたレーザビームを平行化するコリメートレンズと、
平行化されたレーザビームを集光する集光レンズと、
を含むことを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記集光光学系は、
前記光ファイバから出射されたレーザビームを平行化するコリメートレンズと、
横収差が０．０５ｍｍ以下のレンズであって平行化されたレーザビームを集光する集光レンズと、
を備え、
前記コリメートレンズは収差を有することを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記集光光学系は、
前記コリメートレンズと前記集光レンズとの間の光路上に配置され、前記レーザビームを反射するベンドミラー、
を備え、
前記レーザ加工装置は、
前記ベンドミラーと前記集光レンズとを介して、加工対象物を撮像する撮像部と、
を備えることを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記Ｄ８６．５に対応した光線に対応する半頂集光角が５０ｍｒａｄ以上１１０ｍｒａｄ以下であることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
レーザビームを加工対象物に集光して前記加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
前記レーザ加工装置が出射するレーザビームは、加工位置において、集光強度が４ＭＷ／ｃｍ２以上の主ビームと、前記主ビームよりも低強度であって前記主ビームから連なる周辺ビームとから構成されるウィッチハット形状の強度分布を有し、
光強度が５ｋＷ／ｃｍ２以上２００ｋＷ／ｃｍ２以下である前記周辺ビームは、光軸と垂直な面において０．２２ｍｍ以上の幅を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１１】
集光光学系の収差によって、ウィッチハット形状の強度分布を生成し、加工対象物を配置する加工位置が、近軸焦点＋２ｍｍから、集光レンズ側へ近軸焦点からの距離が近軸焦点からＤ８６．５に対応する最小錯乱円位置までの距離の２倍となる位置までの範囲内であることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ加工装置。
【請求項１２】
レーザビームを加工対象物に集光して前記加工対象物を加工するレーザ加工装置であって、
前記レーザ加工装置が出射するレーザビームは、加工位置において、集光強度が４ＭＷ／ｃｍ２以上の主ビームと、前記主ビームよりも低強度であって前記主ビームから連なる周辺ビームとから構成されるウィッチハット形状の強度分布を有し、
前記周辺ビームは、前記加工対象物に、前記主ビームが形成するキーホールよりも浅く、前記キーホールを取り囲む０．２２ｍｍ以上の幅を有する周辺溶融池を形成することを特徴とするレーザ加工装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置は、レーザビームを加工対象物に集光してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、レーザビームを集光する集光光学系を備え、集光光学系は収差を有する。集光前のレーザビームにおける、レーザパワーの８６．５％を含有するレーザビーム直径であるＤ８６．５に対応した光線に対する集光点での横収差は０．２ｍｍ以上であり、ビーム中心の集光強度は４ＭＷ／ｃｍ２以上、もしくは、ファイバコア直径が３００μｍ以下であることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置の概略構成を示す図
【図２】図１に示す集光ビームのビーム形状の拡大図
【図３】図１に示すレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物の状態を示す図
【図４】本発明の比較例１にかかるレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物の状態を示す図
【図５】本発明の比較例２にかかるレーザ加工装置を使用してレーザ加工を行う際の加工対象物の状態を示す図
【図６】図１に示すレーザ加工装置が出射するレーザビームの光線図
【図７】図６に示す光軸位置−１２〜光軸位置−６のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図
【図８】図６に示す光軸位置−４〜光軸位置＋２のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図
【図９】図６に示す光軸位置−１２〜光軸位置−６のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図
【図１０】図６に示す光軸位置−４〜光軸位置＋２のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図
【図１１】本発明の比較例３にかかるレーザ加工装置が出射するレーザビームの光線図
【図１２】図１１に示す光軸位置−８〜光軸位置−２のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図
【図１３】図１１に示す光軸位置０〜光軸位置＋６のそれぞれに対応するレーザ光の強度分布を示す図
【図１４】図１１に示す光軸位置−８〜光軸位置−２のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図
【図１５】図１１に示す光軸位置０〜光軸位置＋６のそれぞれにおける溶接加工中および加工後の状態を示す図
【図１６】本発明の実験例１におけるレーザ加工装置のレーザ発振器および光学系の条件を示す図
【図１７】本発明の実験例２にかかる実験条件を示す図
【図１８】図１７に示す条件でレーザ加工を行った結果を示す図
【図１９】図１７および図１８に示した光学系全体の横収差の変化に対するスパッタ発生量の推移をグラフ化した図
【図２０】図１７に示した条件で横収差を変化させたときの周辺溶融池幅の推移をグラフ化した図
【図２１】図１８に示した周辺溶融池幅が変化したときのスパッタ発生量の推移をグラフ化した図
【図２２】図１の集光レンズに求められる特性を特定するための実験例３で検討する単レンズの横収差の入射曲率依存性を示す図
【図２３】入射面曲率の変化に対する出射面曲率の推移を示す図
【図２４】本発明の実験例３にかかる集光レンズの形状および光線を示す図
【図２５】図２４の一部拡大図と、拡大図に対応した横収差とを示す図
【図２６】本発明の実験例４にかかる加工光学系の条件を示す図
【図２７】図２６に示す条件の加工光学系の光線図および概略構成図
【図２８】実験例１から４で使用する近赤外レーザ光源の製品仕様の一例を示す図
【図２９】本発明の実験例５におけるレーザ加工装置の条件を示す図
【図３０】図２９に示す各条件のレーザ加工装置が出射するレーザ光の光線図および強度分布を示す図
【図３１】本発明の実験例６におけるレーザ加工装置の条件を示す図
【図３２】図３１に示す各条件のレーザ加工装置が出射するレーザ光の光線図および強度分布を示す図
【図３３】本発明の実験例７における各レンズが有する収差の条件を示す図
【図３４】本発明の実験例８の実験結果を示す図
【図３５】本発明の実験例９の実験結果を示す図
【図３６】本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工装置の構成を示す図
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
図１６は、本発明の実験例１におけるレーザ加工装置１００のレーザ発振器１および光学系の条件を示す図である。レーザ発振器１は、ディスクＹＡＧレーザであって、波長λ＝１．０３μｍのレーザビームを出力１０ｋＷで出力する。光学系の条件としては、光ファイバ２のファイバコア直径φｃ＝２００μｍであり、ビームパラメータプロダクツＢＰＰは、８ｍｍ  ｍｒａｄ以下であり、全頂発散角θＦ＝１６０ｍｒａｄ以下である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
図３０は、図２９に示す各条件のレーザ加工装置１００が出射するレーザ光の光線図および強度分布を示す図である。横収差が０．０５ｍｍ以下の一般的な低収差光学系では、加工を行う最小錯乱円位置ではファイバ端の倍率転写となるため、集光径は、ファイバコア直径φｃに比例して変化する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７７】
図３０を参照すると、ファイバコア直径φｃを変化させたときに、中心部の光強度の変化が大きい。ファイバコア直径φｃを３００μｍから１００μｍへ１／３に縮小すると、中心部の光強度は１１．８ＭＷ／ｃｍ２から３９．８ＭＷ／ｃｍ２へと高くなる。収差のない一般的な光学系では、ファイバコア直径φｃが１／３に縮小すると、集光点のスポット径も１／３になるため、中心部の光強度は９倍となる。これに対して本実験例５では、収差の影響により中心部の光強度は３．４倍程度の増大に止まっている。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８１】
図３２は、図３１に示す各条件のレーザ加工装置１００が出射するレーザ光の光線図および強度分布を示す図である。図３２を参照すると、焦点距離ｆｆを変化させて集光角を変化させても、近軸焦点位置、Ｄ８６．５最小錯乱円位置およびＤ９８．９最小錯乱円位置における集光状態および光強度分布の変化は小さい。
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2019078092.tif 000040
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１８】
2019078092.tif 000041
【国際調査報告】
2019078092.tif 000042
2019078092.tif 000043
2019078092.tif 000044