(57)【要約】      （修正有）【課題】キーホール溶接をしつつ、副ビームによりキーホールに対して深さ方向に均等なプロファイルを有するエネルギ投入をして、溶接欠陥の発生を防止する。【解決手段】  レーザ光源２１０から出力されてズーム機構２４０により径が調整された主ビームＢｍと、レーザ光源（複数の半導体レーザ等）２２０から出力されビーム集光特性調整部（ズーム機構，レンズ差し替え機構，光ファイバ位置変換機構等）２５０により径が調整された複数の波長の異なる副ビームＢｓ１〜Ｂｓ３は、ビーム重畳部２６０のダイクロイックミラー２６１にて重畳される。重畳されたビームＢｓ１〜Ｂｓ３，Ｂｍは、集光部２７０の集光レンズ２７１にて集光されて被加工物１００に照射される。このとき、集光レンズ２７１の色収差により、波長の異なるビームＢｓ１〜Ｂｓ３，Ｂｍの焦点位置Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ０は、被加工物１００の厚さ方向に関して異なる。【選択図】図１
2006263771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のレーザビームを出力する第１のレーザ光源と、
第１のレーザビームよりも波長が短く、波長がそれぞれ異なる複数の第２のレーザビームを出力する第２のレーザ光源と、
第１のレーザビームと第２のレーザビームを重畳するビーム重畳部と、
前記ビーム重畳部にて重畳された第１のレーザビームと第２のレーザビームを集光して被加工物に向けて照射する色収差を有するレンズからなり、被加工物の厚さ方向に関して各レーザビームの焦点位置を異ならしめる集光部とで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２】
第１のレーザビームを出力する第１のレーザ光源と、
第１のレーザビームよりも波長が短く、波長がそれぞれ異なる複数の第２のレーザビームを出力する第２のレーザ光源と、
第１のレーザ光源から出力された第１のレーザビームの径を調整する第１のビーム集光特性調整部と、
第２のレーザ光源から出力された第２のレーザビームの径を調整する第２のビーム集光特性調整部と、
第１のビーム集光特性調整部を透過してきた第１のレーザビームと第２のビーム集光特性調整部を透過してきた第２のレーザビームを重畳するビーム重畳部と、
前記ビーム重畳部にて重畳された第１のレーザビームと第２のレーザビームを集光して被加工物に向けて照射する色収差を有するレンズからなり、レンズの色収差とビーム集光特性の調整により被加工物の厚さ方向に関して各レーザビームの焦点位置を異ならしめる集光部とで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３】
請求項１または請求項２において、
前記第１，第２のレーザ光源は、複数のレーザビームの強度をそれぞれ調整することができることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
前記第１のレーザ光源は、ＹＡＧレーザやファイバレーザ等の半導体レーザに比較して集光性が良好なレーザで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５】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
前記第２のレーザ光源は、半導体レーザにより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６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項において、
前記ビーム重畳部は、第１のレーザビームと第２のレーザビームのうちの一方を反射し他方を透過するダイクロイックミラーにより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７】
請求項１乃至請求項５の何れか一項において、
前記ビーム重畳部は、
第２のレーザビームを輪帯化し前記集光部に送る円錐レンズと、
第１のレーザビームを反射し、前記輪帯化ビームの中心部分を通して前記集光部に送る全反射ミラーとで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１乃至請求項５の何れか一項において、
前記ビーム重畳部は、
第２のレーザビームを複数のビームに分岐して前記集光部に送る複数の反射ミラーと、
第１のレーザビームを反射し、分岐した第２のレーザビームの間の空間を通して前記集光部に送る全反射ミラーとで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】
第１のレーザビームを出力する第１のレーザ光源と、
第１のレーザビームよりも波長が短く、波長がそれぞれ異なる複数の第２のレーザビームを出力する第２のレーザ光源と、
第１のレーザビームと第２のレーザビームを重畳するビーム重畳部と、
前記ビーム重畳部にて重畳された第１のレーザビームと第２のレーザビームを集光して被加工物に向けて照射する色収差を有するレンズからなり、被加工物の厚さ方向に関して各レーザビームの焦点位置を異ならしめる集光部とで構成されているレーザ加工装置によりレーザ加工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、レーザビームを用いて溶接、切断、表面処理等の熱加工を行う際に用いて好適なレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被溶接部材である金属の母材を溶接する方法としてレーザ溶接がある。レーザ溶接では、レンズなどの光学的手段等を用いて、レーザビームを集光させ、高エネルギ密度化する。そして、この高エネルギ化されたレーザビームによって母材を溶融させて溶接を行う。レーザビームによる溶融能力は、ビームの種類、および集光されて母材の加工面に照射された際のビームスポット面積（レーザビームの径）等によって異なる。
【０００３】
レーザ溶接を行うにあたっては、図５に示すように、溶接しようとする被加工物１００（母材１１０，１２０）の開先に対して、光学的手段等により集光されたレーザビーム１３０を照射する。このレーザビーム１３０を矢印方向に一定速度で移動させながら連続的に照射することにより、母材１１０，１２０の開先部分が瞬間的に溶融・蒸発する。そうすると、母材１１０，１２０の表面から内部まで一貫するキーホール１５０が得られる。このキーホール１５０は周囲を溶融金属１４０で取り囲まれている。溶融金属１４０は対流によりキーホール１５０から離れる方向（矢印と逆方向）に流れ、母材１１０，１２０の熱伝導によって冷却されて凝固する。そうすることによって、母材１１０と母材１２０とが溶接される。
【０００４】
このように、レーザビーム１３０を集光することにより高エネルギ化してキーホール１５０を形成し、レーザビーム１３０を移動することにより溶接を行う過程で、キーホール１５０の先端部１５３、中間部１５２及び開口部１５１では、ポロシティ（またはブローホール）１６０と呼ばれる気泡状の空洞が取り残され、溶接欠陥となる問題があった（例えば非特許文献１参照）。
【０００５】
これは、レーザビーム１３０が移動するにつれてキーホール１５０として形成された穴も維持されながら移動するが、先端部１５３付近においてはキーホール１５０の中の雰囲気ガスを巻き込み易く、またレーザビーム１３０が移動するにつれて、キーホール１５０の中間部１５２の形状は真直な形状ではなく、くびれた形状となるためである。中間部１５２がくびれた形状となると、キーホール１５０中の雰囲気ガスを巻き込み易い。さらにレーザビーム１３０が移動する際に、溶融金属１４０は対流するので、開口部１５１を塞ぐようにして覆い被さる。
【０００６】
このようにして、レーザ溶接を行う際に、キーホール１５０の形状が不安定になると、レーザ溶接を行った後の金属中には、ポロシティ１６０と呼ばれる気泡状の空洞が取り残され、これが溶接欠陥の要因となるのである。
【０００７】
上述したようなレーザ溶接をはじめとしたレーザ加工を行う場合には、発振効率（電気から光への変換効率）、加工能率、加工品質の向上が望まれている。
【０００８】
現在産業界で広く用いられているレーザとしては、ＣＯ2レーザやＹＡＧレーザがあるが、溶接加工には、光ファイバ伝送が可能なＹＡＧレーザの適用が拡大している。
しかし、ＹＡＧレーザは発振効率が低く（例えばランプ励起方式では発振効率が３％、半導体レーザ励起方式では発振効率が１５％程度）、ランニングコストが高くなってしまうという問題がある。
【０００９】
一方、発振効率が高いレーザとしては、半導体レーザ（ＬＤ：laser diode）やファイバレーザ等があり、これら発振効率の高い半導体レーザなどの出力は、近年では、金属の溶接・切断に用いることができるレベルまで高出力化してきた。
また半導体レーザから出力されるレーザビームは、他のタイプのレーザから出力されるレーザビームと比較して、その波長が短波長であるため金属等への吸収特性（即ち、材料吸収率）が良好である。
【００１０】
ただし、半導体レーザは、発振特性上、特に高出力機では集光性が悪く小スポットに
絞れないという問題がある。
【００１１】
そこで、発振効率が高く材料吸収特性はよいが集光性の悪い半導体レーザのレーザビームと、その他の集光性の良好なレーザ（ＹＡＧレーザ，ファイバレーザ等）のレーザビームとを重畳させて加工することにより、全体としての発振効率及び材料吸収性が良く、しかも集光性を改善してポロシティなどの溶接欠陥の発生を抑制したレーザ溶接技術を、本願発明者が開発して特許出願（特願２００３−１６０３０１）した。
【００１２】
ここで本願発明者が発明して既に出願した、特願２００３−１６０３０１に開示した技術の概要を説明する。
【００１３】
特願２００３−１６０３０１に開示した技術では、被加工物の厚さ方向において、より適正な分布のエネルギをレーザビームから付与し、より高い品質で溶接、切断、熱処理等のレーザ加工を行うものである。
【００１４】
図６は、特願２００３−１６０３０１に開示した実施の形態におけるレーザ加工の概念を示す図である。同図に示すように、本レーザ加工は、主ビームＢｍと、複数の副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３を用い、被加工物である母材１１０と母材１２０を溶接する。
【００１５】
主ビームＢｍは、ファイバレーザやＹＡＧレーザやＣＯ2レーザから出力された高輝度で集光性の高い（つまりエネルギ密度の高い）レーザビームである。この主ビームＢｍは、直径が０．０１〜２．０ｍｍのレーザビームであり、被加工物１００に対し所定位置で焦点を結ぶように照射される。なお主ビームＢｍの集光角はθ０となっている。
【００１６】
副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３は、半導体レーザから出力された材料吸収率の高い（一般的には波長の短い）レーザビームである。この副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３は、それぞれの集光角θ１，θ２，θ３が、主ビームＢｍの集光角θ０よりも大きい。また副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３は、焦点を結ぶ位置（以下、「焦点位置」と称する）Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が、被加工物１００の厚さ方向において互いに異なっている。より具体的には、θ１＞θ２＞θ３の順の場合、副ビームＢｓ１の焦点位置Ｆ１は被加工物１００の表面近傍に、副ビームＢｓ２の焦点位置Ｆ２は被加工物１００の厚さ方向中間部近傍に、副ビームＢｓ３の焦点位置Ｆ３は被加工物１００の厚さ方向下端近傍に位置するように設定される。
【００１７】
溶接を行う場合、副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３を、キーホール１５０内での多重反射やエネルギ減衰を考慮した上で設定することで、キーホール１５０の深さ方向に対し、均等なあるいは任意（特定部分を強くする等）の分布を有したエネルギを副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３によって投入することができる。
その結果、例えば図７に示すように、副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３により、被加工物１００に対し、深さ方向において従来よりも均一な分布のエネルギを付与することができる。
【００１８】
このようにして被加工物１００に主ビームＢｍおよび副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３からなる多焦点ビームが照射されると、高エネルギ化された主ビームＢｍにより被加工物１００は瞬間的に溶融・蒸発する。そして、被加工物１００の加工面から内部まで一貫するキーホール１５０が形成され、深い溶け込みが得られる。
【００１９】
被加工物１００が溶融することにより、キーホール１５０の周囲の溶融金属は対流し、この溶融金属の一部はキーホール１５０を塞ごうとする。このとき、キーホール１５０に対して副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３が照射されているため、キーホール１５０を塞ごうとする一部の溶融金属は、副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３が照射されて流動が促進されたり蒸発したりする。このため、キーホール１５０では、開口部１５１から先端部１５３に至る各深さにおいてその形状が安定して維持され、雰囲気ガスの巻き込みという事態が解消される結果、ポロシティの発生を防止することができる。
【００２０】
【特許文献１】特開２００４−１５４８１３号公報
【非特許文献１】片山聖二、瀬渡直樹、水谷正海、松縄朗、「レーザ溶接現象の解明」、第５２回レーザ加工学会論文集、レーザ加工学会、ｐ３２−３９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
既に出願した特願２００３−１６０３０１では、主ビームＢｍと複数の副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３を合波部材により合波し、合波したビームを集光部材により集光して被加工物１００に照射する光学系の簡単な構成を示した。
【００２２】
本願発明者は、更に鋭意研究を進めた結果、より現実的で構成が容易な光学系を備えたレーザ加工装置及びレーザ加工方法を案出するに至った。
そこで、本願発明は、より現実的で構成が容易な光学系を備えた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】
【００２３】
上記課題を解決する本発明の構成は、
１つの波長の第１のレーザビームを出力する、もしくは複数の異なる波長の第１のレーザビームを出力する１つもしくは複数の第１のレーザ光源と、
第１のレーザビームよりも波長が短く、波長がそれぞれ異なる複数の第２のレーザビームを出力する第２のレーザ光源と、
第１のレーザビームと第２のレーザビームを重畳するビーム重畳部と、
前記ビーム重畳部にて重畳された第１のレーザビームと第２のレーザビームを集光して被加工物に向けて照射する色収差を有するレンズからなり、レンズの色収差により被加工物の厚さ方向に関して各レーザビームの焦点位置を異ならしめるズーム機構，レンズ差し替え機構または光ファイバ位置変更機構等のビーム集光特性調整部で構成されていることを特徴とする。
【００２４】
また本発明の構成は、
第１のレーザビームを出力する１つもしくは複数の第１のレーザ光源と、
第１のレーザビームよりも波長が短く、波長がそれぞれ異なる複数の第２のレーザビームを出力する第２のレーザ光源と、
第１のレーザ光源から出力された第１のレーザビームの径を調整する第１のズーム機構，レンズ差し替え機構または光ファイバ位置変更機構等のビーム集光特性調整部と、
第２のレーザ光源から出力された第２のレーザビームの径を調整する第２のズーム機構，レンズ差し替え機構または光ファイバ位置変更機構等のビーム集光特性調整部と、
第１のズーム機構を透過してきた第１のレーザビームと第２のズーム機構を透過してきた第２のレーザビームを重畳するビーム重畳部と、
前記ビーム重畳部にて重畳された第１のレーザビームと第２のレーザビームを集光して被加工物に向けて照射する色収差を有するレンズからなり、レンズの色収差とビーム集光特性（ズーム機構等）の調整により被加工物の厚さ方向に関して各レーザビームの焦点位置を異ならしめる集光部とで構成されていることを特徴とする。
【００２５】
また本発明の構成は、
前記第１のレーザ光源は、１つもしくは複数の第１のレーザビームの強度をそれぞれ調整することができたり、
前記第１のレーザ光源は、ＹＡＧレーザやファイバレーザなど、半導体レーザより集光特性が良好なレーザで構成されていることを特徴とする。
前記第２のレーザ光源は、複数の第２のレーザビームの強度をそれぞれ調整することができたり、
前記第２のレーザ光源は、半導体レーザにより構成されていることを特徴とする。
【００２６】
また本発明の構成は、
前記ビーム重畳部は、第１のレーザビームと第２のレーザビームのうちの一方を反射し他方を透過するダイクロイックミラーにより構成されていたり、
前記ビーム重畳部は、
第２のレーザビームを輪帯化（ドーナツ状ビームに）し前記集光部に送る円錐レンズと、
第１のレーザビームを反射し、前記輪帯化ビームの中心部分を通して前記集光部に送る全反射ミラーとで構成されていたり、
前記ビーム重畳部は、
第２のレーザビームを複数のビームに分岐して前記集光部に送る複数の反射ミラーと、
第１のレーザビームを反射し、分岐した第２のレーザビームの間の空間を通して前記集光部に送る全反射ミラーとで構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明では、第１の１つもしくは複数のレーザビームと複数の第２のレーザビームの波長が、それぞれ異なるので、集光部のレンズの色収差の影響により、被加工物の厚さ方向に関して、各レーザビームの焦点位置が異なる。
この結果、簡単な光学構造でありながら、第１のレーザビームでキーホール溶接をしつつ、第２のレーザビームでキーホールの深さ方向に関して、所定のプロファイルとなったエネルギを副ビームにより注入することができ、ポロシティなどの溶接欠陥の発生を防止することができる。
【００２８】
更に本発明では、第１のレーザビームと第２のレーザビームの径をビーム集光特性調整部（ズーム機構，レンズ差し替え機構または光ファイバ位置変更機構等）により制御できるようにしたので、キーホールの深さや、キーホールに投入するエネルギ分布の調整を容易にすることができる。
また、第２のレーザビームの強度調整を可能とすることにより、キーホールに投入するエネルギ分布の調整を容易にすることができる。
この結果、ポロシティなどの溶接欠陥の発生をより確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に本発明の実施の形態を実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００３０】
図１は本発明の実施例１にかかるレーザ加工装置２００を示す。このレーザ加工装置２００は、被加工物１００にレーザビームを照射することによりキーホール１５０を形成しつつレーザ溶接を行う装置である。
【００３１】
このレーザ加工装置２００は、第１のレーザ光源２１０と、第２のレーザ光源２２０と、光学機構２３０を主要部材として構成されている。
レーザ溶接を行う際には、被加工物１００の溶接線に沿い、光学機構２３０と被加工物１００とが相対移動できるようになっている。この相対移動機構は、従来から使用されている周知のものであるので、ここでは説明を省略する。
【００３２】
第１のレーザ光源２１０は、例えばＹＡＧレーザやファイバレーザ等の半導体レーザより集光性が良好なレーザで構成されている。このレーザ光源２１０は、高輝度で集光性が高く（つまりエネルギ密度が高く）、波長λ0が１．０μｍ程度となっている主ビームＢｍを出力する。この主ビームＢｍは、光ファイバ２８１を介して光学機構２３０に伝搬される。
【００３３】
第２のレーザ光源２２０は、複数の半導体レーザ２２１〜２２３（本実施例では、３個の場合について例示した）、各半導体レーザを駆動する制御回路２２４〜２２６と、全反射ミラー２２７と、ダイクロイックミラー（ダイクロイックミラー）２２８，２２９により構成されている。
【００３４】
半導体レーザ２２１は、制御回路２２４により駆動されることにより、波長λ１が８０８ｎｍとなっているレーザビームである副ビームＢｓ１を出力する。このとき、制御回路２２４による駆動電流を調整することにより、副ビームＢｓ１の強さ（ｋＷ）を調整することができるようになっている。
半導体レーザ２２２は、制御回路２２５により駆動されることにより、波長λ２が９４０ｎｍとなっているレーザビームである副ビームＢｓ２を出力する。このとき、制御回路２２５による駆動電流を調整することにより、副ビームＢｓ２の強さ（ｋＷ）を調整することができるようになっている。
半導体レーザ２２３は、制御回路２２６により駆動されることにより、波長λ３が９８０ｎｍとなっているレーザビームである副ビームＢｓ３を出力する。このとき、制御回路２２６による駆動電流を調整することにより、副ビームＢｓ３の強さ（ｋＷ）を調整することができるようになっている。
【００３５】
各半導体レーザ２２１〜２２３から出力された副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３は、全反射ミラー２２７及びダイクロイックミラー２２８，２２９により光軸が一致した同軸状態で重畳されて出力される。この重畳された副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３は、光ファイバ２８２を介して光学機構２３０に伝搬される。
【００３６】
各半導体レーザ２２１〜２２３から出力された副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３は、その波長λ１，λ２，λ３が８０８ｎｍ，９４０ｎｍ，９８０ｎｍとなっており、主ビームＢｍの波長λ０の１．０μｍ程度よりも短くなっている。このため副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３は主ビームＢｍに比べて、材料吸収率が高くなっている。
【００３７】
光学機構２３０は、ズーム機構部（ビーム集光特性調整部）２４０，２５０と、ビーム重畳部２６０と、集光部２７０を主要部材として構成されている。
なお、光学機構２３０の各部２４０，２５０，２７０に備えたレンズ系の実際のものは、図１に示すものよりもレンズ構成が複雑になっているが、ここでは理解を容易にするためレンズ系を簡略化して模式的に図示している。
【００３８】
ズーム機構部２４０では、レンズ系２４１のうちの所定のものが光軸方向（α方向）に沿い移動してズーム動作をすることができるようになっている。レーザ光源２１０から出力され光ファイバ２８１を伝搬されてきた主ビームＢｍは、このズーム機構部２４０のレンズ系２４１を透過してからビーム重畳部２６０に送られる。このとき、レンズ系２４１がズーム動作をすると、即ちレンズ系２４１のうち所要のものがα方向に移動すると、主ビームＢｍの径や絞り角を調整することができる。
なお、レンズ系２４１をズーム移動させるズーム移動機構は図示省略している。
【００３９】
ズーム機構部２５０では、レンズ系２５１のうちの所定のものが光軸方向（β方向）に沿い移動してズーム動作をすることができるようになっている。レーザ光源２２０から出力され光ファイバ２８２を伝搬されてきた副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３は、このズーム機構部２５０のレンズ系２５１を透過してからビーム重畳部２６０に送られる。このとき、レンズ系２５１がズーム動作をすると、即ちレンズ系２５１のうち所要のものがβ方向に移動すると、副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３の径や絞り角を調整することができる。
なお、レンズ系２５１をズーム移動させるズーム移動機構は図示省略している。
【００４０】
ビーム重畳部２６０は、ダイクロイックミラー２６１を主要部材として構成されている。このダイクロイックミラー２６１は、ズーム機構２４０の光軸方向（α方向）及びズーム機構２５０の光軸方向（β方向）に対して、それぞれ４５°の傾きをもって斜めに配置されている。しかも、このダイクロイックミラー２６１は、図２に透過特性を示すように、例えば波長がλ0の光は反射するが、波長がλ1〜λ3の光は透過させるような、透過・反射特性を有し、しかも透過・反射特性の遷移域の変化が急峻なものを採用するのが望ましい。
【００４１】
したがって、α方向に沿い送られてきた波長がλ0の主ビームＢｍは、ダイクロイックミラー２６１にて反射して伝搬方向が４５°変更され、集光部２７０に向かって伝搬される。一方、β方向に沿い送られてきた波長がλ1，λ2，λ3の副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３は、ダイクロイックミラー２６１を透過し、集光部２７０に向かって伝搬される。
結局、ダイクロイックミラー２６１の透過・反射機能により、主ビームＢｍと副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３が、光軸が一致した状態で重畳されて集光部２７０に伝搬される。
【００４２】
図１の例では、主ビームＢｍと副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３を同軸状態にして重畳しているが、ダイクロイックミラー２６１に対する主ビームＢｍまたは副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３の入射位置をずらすことにより、重畳された後の主ビームＢｍと副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３の光軸をずらすこともできる（この場合、光軸はずれているが、主ビームＢｍの光軸と副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３の光軸は平行にする）。
【００４３】
集光部２７０は集光レンズ２７１を有している。この集光レンズ２７１は、ビーム重畳部２６０から伝搬されてくる、主ビームＢｍと副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３を集光して被加工物１００に向けて照射する。集光レンズ２７１は、球面の凹レンズ、球面の凸レンズ、非球面の凹レンズ、非球面の凸レンズ等を適宜組み合わせて構成する。
ここでは、集光レンズ２７１に用いるレンズとして色収差の大きいものを積極的に採用している。
【００４４】
主ビームＢｍと副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３は集光レンズ２７１を透過後に被加工物１００に向けて照射されるが、集光レンズ２７１の色収差の影響により、各ビームの焦点位置は異なっている。
つまり、
波長λ１が８０８ｎｍとなっている副ビームＢｓ１の焦点位置をＦ１、
波長λ２が９４０ｎｍとなっている副ビームＢｓ２の焦点位置をＦ２、
波長λ３が９８０ｎｍとなっている副ビームＢｓ３の焦点位置をＦ３、
波長λ０が１．０μｍ程度となっている主ビームＢｓ０の焦点位置をＦ０とすると、
被加工物１００の厚さ方向に関して、表面側から厚さ方向の奥に向かい、焦点位置Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ０の順で位置ずれして並ぶ状態となる。
【００４５】
このようにして被加工物１００に主ビームＢｍおよび副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３からなる多焦点ビームが照射されると、高輝度で集光性が高い（つまりエネルギ密度が高い）主ビームＢｍにより被加工物１００は瞬間的に溶融・蒸発する。そして、被加工物１００の加工面から内部まで一貫するキーホール１５０が形成され、深い溶け込みが得られる。
【００４６】
このとき、レーザ光源２１０から出力される主ビームＢｓｍの強度（ｋＷ）を調整したり、ズーム機構２４０のレンズ系２４１でのズーム量を制御して主ビームＢｍの径や絞り角を調整したりすることにより、キーホール１５０の系や深さの調整をすることができる。
【００４７】
半導体レーザ２２１〜２２３から出力された材料吸収率の良い（波長の短い）副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３がキーホール１５０内に照射され、キーホール１５０を塞ごうとする一部の溶融金属は、効率的に蒸発したり流動促進がされる。このためキーホール１５０では、開口部から先端部に至る各深さにおいてその形状が安定して維持され、雰囲気ガスの巻き込みという事態が解消される結果、ポロシティの発生を防止することができる。
【００４８】
溶接を行う場合、副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３を、キーホール１５０内での多重反射やエネルギ減衰を考慮した上で設定することで、キーホール１５０の深さ方向に対し、均等なあるいは任意（特定部分を強くする等）の分布を有したエネルギを副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３によって投入することができる。
【００４９】
具体的にはレーザ光源２２０の制御回路２２４〜２２６により半導体レーザ２２１〜２２３から出力される各副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３の強度（ｋＷ）を調整したり、ズーム機構２５０のレンズ系２５１でのズーム量を制御して副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３の径や絞り角を調整したりすることにより、キーホール１５０内での副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３の照射位置及び照射エネルギを設定することができ、これにより、キーホール１５０の深さ方向に対し、均等なあるいは任意（特定部分を強くする等）の分布を有したエネルギを副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３によって投入することができる。つまり副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３によってキーホール１５０に投入するエネルギの分布状態を、任意かつ容易に調整することが可能となった。
【００５０】
このように実施例１に係るレーザ加工装置２００では、集光部２７０の集光レンズ２７１が持っている色収差を積極的に利用することにより、被加工物１００の厚さ方向に関して、表面側から厚さ方向の奥に向かい、ビーム焦点位置を焦点位置Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ０の順で位置ずれして並ばせることができる。
したがって、集光レンズ２７１には、ビーム焦点位置をずらすための特別な工夫を施す必要はなく、レンズが本来的に持っている色収差を利用して焦点位置をシフトさせているので、集光部２７０の光学構造は極めて簡単な構成でよい。
【００５１】
また、実施例１では、ビーム重畳部２６０をダイクロイックミラー２６１により構成したため、ビーム重畳部２６０の光学系の構造を簡単なものにすることができ、レーザ加工装置２００全体としての小型化を図ることができる。なお、光ファイバ２８１，２８２の位置をずらすことにより軸をずらして重畳させることもできる。
また、ビーム集光特性調整部としては、ズーム機構，レンズ差し替え機構，光ファイバ位置変換機構等を使用することができる。
【実施例２】
【００５２】
図３は本発明の実施例２に係るレーザ加工装置２００Ａを示す。このレーザ加工装置２００Ａはビーム重畳部２６０Ａの構造が、実施例１に係るレーザ加工装置２００と異なり、他の部分は実施例１と同様である。このため、ビーム重畳部２６０Ａを中心に説明をする。
【００５３】
実施例２に係るレーザ加工装置２００Ａのビーム重畳部２６０Ａは、円錐レンズ２６２，２６３と全反射ミラー２６４により構成されている。
【００５４】
円錐レンズ２６２は、ズーム機構２５０から送られてくる副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３を円錐状に拡散していく輪帯化ビームにし、円錐レンズ２６３は副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３を平行状態の輪帯化ビームにして集光部２７０に送る。
一方、全反射ミラー２６４は、円錐レンズ２６３により平行状態となった輪帯化ビームの中心（副ビームが存在しない部分）に配置されており、ズーム機構部２４０から送られてくる主ビームＢｍを反射して伝搬方向を４５°変更し、主ビームＢｍを集光部２７０に送る。
【００５５】
このようなビーム重畳部２６０Ａにより、主ビームＢｍと副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３を、光軸を一致した状態で重畳して集光部２７０に伝搬することができる。
なお、全反射ミラー２６４の位置をずらす、もしくは光ファイバ位置をずらすことにより、主ビームＢｍと副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３を、光軸をずらした状態にして重畳することもできる。
【実施例３】
【００５６】
図４は本発明の実施例３に係るレーザ加工装置２００Ｂを示す。このレーザ加工装置２００Ｂはビーム重畳部２６０Ｂの構造が、実施例１に係るレーザ加工装置２００と異なり、他の部分は実施例１と同様である。このため、ビーム重畳部２６０Ｂを中心に説明をする。
【００５７】
実施例３に係るレーザ加工装置２００Ｂのビーム重畳部２６０Ｂは、全反射ミラー２６５，２６６，２６７により構成されている。
【００５８】
全反射ミラー２６５は、ズーム機構２５０から送られてくる副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３の一部を反射して抜き出す。全反射ミラー２６６は、全反射ミラー２６５により抜き出した副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３を反射して集光部２７０Ａに向けて送る。
【００５９】
全反射ミラー２６７は、全反射ミラー２６５にて副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３の一部を抜き出したため副ビームが存在しない部分に配置されており、ズーム機構部２４０から送られてくる主ビームＢｍを反射して伝搬方向を４５°変更し、主ビームＢｍを集光部２７０に送る。
【００６０】
このようなビーム重畳部２６０Ａにより、主ビームＢｍと副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３を、光軸を一致した状態で重畳して集光部２７０に伝搬することができる。
なお、全反射ミラー２６７の位置をずらす、もしくは光ファイバ位置をずらすことにより、主ビームＢｍと副ビームＢｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３を、光軸をずらした状態にして重畳することもできる。
【００６１】
なお上記各実施例では、レーザ加工装置をレーザ溶接のために用いる装置として説明したが、上記各実施例のレーザ加工装置を用いてレーザ切断やレーザ表面処理等の各種の熱加工を行うことができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施例１に係るレーザ加工装置を示す構成図。
【図２】実施例１で用いるダイクロイックミラーの透過特性を示す特性図。
【図３】本発明の実施例２に係るレーザ加工装置を示す構成図。
【図４】本発明の実施例３に係るレーザ加工装置を示す構成図。
【図５】キーホール溶接を示す説明図。
【図６】既に出願したレーザ加工方法を示す概念図。
【図７】既に出願したレーザ加工方法を示す概念図。
【符号の説明】
【００６３】
２００，２００Ａ，２００Ｂ  レーザ加工装置
２１０，２２０  レーザ光源
２３０  光学機構
２４０，２５０  ズーム機構
２６０，２６０Ａ，２６０Ｂ  ビーム重畳部
２７０  集光部
【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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【図７】
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