(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工装置であって、
‐各々が第１レーザ光の少なくとも１つの第１光供給ファイバ（８）を提供する少なくとも１つの第１レーザ装置（６）と、
‐各々が第２レーザ光の少なくとも１つの第２光供給ファイバ（９）を提供する少なくとも１つの第２レーザ装置（７）と、
‐前記第１及び第２供給ファイバ並びにマルチコア光ファイバ（１２；５０）に接続されたビーム結合手段（１１）とを備え、前記結合手段は、前記少なくとも１つの第１光供給ファイバ（７２；５６）を前記マルチコア光ファイバ（５０）の第１コア（５１）と位置合わせし、前記少なくとも１つの第２光供給ファイバ（７１；５７）を前記マルチコア光ファイバ（５０）の少なくとも１つの第２コア（５３）と位置合わせすることによって複合レーザ光（１６）を形成するように構成され、前記マルチコア光ファイバの前記第１コア（５１）は円形の断面を有し、
前記第２コア（５３）は前記第１コア（５１）と同心の円環形状を有し、前記第１及び第２コアはレーザ加工ヘッド（１３）に適合され、第１及び第２出力レーザ光（４１，４２）を含む複合レーザ光（１６；４０）を、溶接される重なり合う部材（３ａ、３ｂ）を有するワークに向ける装置。
【請求項２】
前記ワークは第１被覆鋼板（３ａ、３ｂ）及び第２被覆鋼板を備え、第１出力レーザ光は被覆の蒸発によって生じる圧力を解放させる開口を生じさせ、第２出力レーザ光は板の溶接を実質的に生じさせる請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第１レーザ光を導くように構成された第１光供給ファイバ（７２；５６）の中心は前記マルチコア光ファイバ（５０）の前記第１コア（５１）の中心と合わせられ、第２レーザ光を導くように構成された少なくとも１つの第２光供給ファイバ（７１；５７）の中心は、前記マルチコア光ファイバ（５０）の前記第２円環状コア（５３）の内径と外径との間に合わせられる、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記第２光供給ファイバ（７１；５７）は、４、８又は１６ケであり、前記マルチコア光ファイバの前記第２円環状コア（５３）の断面において対称的に配置される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの第１レーザ装置（６）はファイバレーザである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記装置が、前記第１及び第２レーザ装置（６，７）と接続され、かつ、該第１及び第２レーザ装置（６，７）を駆動し、前記第１及び／又は第２出力レーザ光の出力密度を個々に制御する制御ユニット（１０）を備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
連続溶接の場合に、前記制御ユニットが前記第１出力ビームを閉塞する、又は、前記第１出力ビームを低レベルに設定する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
ワークをレーザ光で加工する方法であって、
‐少なくとも１つの第１レーザ装置（６）に接続された少なくとも１つの第１光供給ファイバ（８）から少なくとも１つの第１レーザ光を提供するステップと、
‐少なくとも１つの第２レーザ装置（７）に接続された少なくとも１つの第２光供給ファイバ（９）から少なくとも１つの第２レーザ光を提供するステップと、
‐前記少なくとも１つの第１光供給ファイバを前記マルチコア光ファイバの第１コア（５１）と位置合わせし、前記少なくとも１つの第２光供給ファイバを前記マルチコア光ファイバの第２コア（５３）と位置合わせすることによって、前記第１及び第２レーザ光をマルチコア光ファイバ（１２；５０）内で結合させるステップであって、前記マルチコア光ファイバの前記第１コア（５１）は円状の断面を有し、前記第２コア（５３）は前記第１コアと同心の円環形状を有するステップと、
‐第１及び第２出力ビームを含む複合レーザ光を、前記マルチコア光ファイバ（１２；５０）から溶接される重なり合う部材（４ａ、４ｂ）を有するワークへ向けるステップとを含む方法。
【請求項９】
前記第１及び／又は第２レーザ装置（６，７）と接続され、かつ、該第１及び／又は第２レーザ装置（６，７）を駆動する制御ユニット（１０）によって、前記第１及び第２出力ビームの出力密度を個々に制御する請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
複合レーザ光を連続溶接のために移動させ、前記第１出力ビームを閉塞する、又は低レベルに設定することで、連続溶接に適用する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ワークは第１板（３ａ）及び第２板（３ｂ）を含み、前記複合レーザ光を第１板に向け、前記第１コア（５１）からの第１出力レーザ光は第１板から第２板への開口を生じさせ、前記第２コア（５３）からの第２出力レーザ光はこれらの板の溶接を実質的に生じさせる、請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１２】
前記板（３ａ，３ｂ）は被覆された鋼板であり、第１出力レーザ光は第２板（３ｂ）の被覆の蒸発によって生じる圧力を解放させる開口を生じさせる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
‐前記第１供給ファイバ（７２；５６）の中心を、前記マルチコア光ファイバ（１２；５０）の断面の中心である、前記第１コア（５１）の中心と位置合わせするステップと、
‐第２供給ファイバ（７１；５７）の中心を、前記第１コア（５１）と同心の円環状形第２コア（５３）の内径と外径の間に位置合わせするステップと、
を含む、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの第１レーザ装置（６）はファイバレーザである、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
重なり合う部材（３ａ，３ｂ）をレーザ溶接するための、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置の使用。
【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レーザ加工方法に関する。特に、本方法はレーザ加工による材料の溶接に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光で金属を溶接する場合、典型的に、レーザ光を集光レンズで１００〜５００μｍのスポットに集光してエネルギー密度を高め、ワークを１５００℃以上の金属融点に瞬時に加熱して溶かす。同時にアシストガスを供給して溶融金属の酸化を防ぐこともできる。固体レーザ又はファイバレーザからの１マイクロメートル波長帯のレーザ光は、ＣＯ２レーザからの１０マイクロメートル波長帯のレーザ光と比べると、非常に高い光エネルギー強度及び吸光度を金属ワーク上に実現させる。しかしながら、ガウシアンビームの１マイクロメートル波長帯のレーザ光を酸素アシストガスと共に用いて軟鋼板ワークを切断すると、ワークの上面の溶融幅が不必要に広がり、カーフコントロールが損なわれる。更に自己燃焼が生じてレーザ切断の質を悪化させる可能性がある。
【０００３】
環状又は「ドーナツ」の様な形状を有すると説明可能な強度プロファイルを提供するリング状レーザ光の使用が、レーザ加工では知られている。所定の厚さの金属の切断は、従来のビームプロファイルの代わりにドーナツ状のビームを使用するとはるかに低い出力で行うことができ、切断速度及び品質において良い結果を生むと考えられてきた。
【０００４】
米国特許第８７８１２６９号（特許文献１）は、レーザ光を多層クラッドファイバに向けて出力レーザ光に種々のビームプロファイル特性を生成する、様々な配置を開示しており、この場合、入射レーザ光は、内側のファイバコア又は外側のリングコアと選択的に結合される。
【０００５】
このような材料加工の用途では、レーザ光の明るさが最大限になるようにする。明るさは、単位立体角及び単位面積あたりの出力と定められる。明るさの重要性を示す例として、レーザ光の明るさを増加させて、これを加工速度又は材料厚を増加させるために使用することができるという例がある。高輝度のレーザ光は、例えば、ファイバレーザ及び薄ディスクレーザから得ることができる。ダイレクトダイオードレーザは常に明るさも向上しているが、材料加工用の市販のダイレクトダイオードレーザは、ファイバ又は薄ディスクレーザの明るさにまだ到達していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８７８１２６９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術によるレーザ加工では、図１ａ及び図１ｂに示す、重なり合う被覆された板の溶接に関して重大な欠点がいくつかある。図１ａを参照すると、１ａと１ｂの板の間に間隙がない場合、レーザ光２は板と板の間の被覆材料を蒸発させ、圧力によって板が相互に離間される。板１ａと１ｂの間の間隙が大きすぎると、上板は焼損することがある。図１ｂに示す様に、板が例えばジグによって強制的にくっつけられる場合、蒸発した被覆材は溶接シームによって吹き飛ばされ、上板に不純物が生じ、高コスト且つ時間を要する浄化プロセスが必要となる場合がある。
【０００８】
従って、重なり合う板のレーザ溶接を向上させるための、改良された方法及び装置が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
特定の手段及びその実施形態は添付の請求項に定められる。
【００１０】
本発明の一態様によれば、レーザ加工装置は、
‐各々が第１レーザ光の少なくとも１つの第１光供給ファイバを提供する少なくとも１つの第１レーザ装置と、
‐各々が第２レーザ光の少なくとも１つの第２光供給ファイバを提供する少なくとも１つの第２レーザ装置と、
‐第１及び第２供給ファイバ並びにマルチコア光ファイバに接続されたビーム結合手段とを有し、この結合手段は、少なくとも１つの光供給ファイバをマルチコア光ファイバの第１コアと位置合わせし、少なくとも１つの第２光供給ファイバをマルチコア光ファイバの少なくとも１つの第２コアと位置合わせすることによって、複合レーザ光を形成するように構成され、マルチコア光ファイバの第１コアは円形の断面を有し、第２コアは第１コアと同心の円環形状を有し、第１及び第２コアはレーザ加工ヘッドに適合され、第１及び第２出力レーザ光を含む複合レーザ光を、溶接される重なり合う部材を有するワークに向ける。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、レーザ光でワークを加工する方法を提供し、この方法は、
‐少なくとも１つの第１レーザ装置に接続された少なくとも１つの第１光供給ファイバから、少なくとも１つの第１レーザ光を提供するステップと、
‐少なくとも１つの第２レーザ装置に接続された少なくとも１つの第２光供給ファイバから、少なくとも１つの第２レーザ光を提供するステップと、
‐少なくとも１つの第１光供給ファイバをマルチコア光ファイバの第１コアと位置合わせし、少なくとも１つの第２光供給ファイバをマルチコア光ファイバの第２コアと位置合わせすることにより、第１及び第２レーザ光をマルチコア光ファイバ内で結合させるステップであって、マルチコア光ファイバの第１コアは円形の断面を有し、第２コアは第１コアと同心の円環形状を有するステップと、
‐第１及び第２出力ビームを含む複合レーザ光を、マルチコア光ファイバから溶接される重なり合う部材を有するワークに向けるステップとを含む。
【００１２】
本方法及び装置のいくつかの実施形態によれば、ワークは第１板及び第２板を有し、複合レーザ光は第１板に向けられ、このため、第１コアからの第１出力レーザ光は、第１板から第２板への開口を生じさせ、第２コアからの第２出力レーザ光はこれらの板の溶接を実質的に生じさせる。いくつかの更なる実施形態によれば、これらの板は鋼板のような被覆された板であり、第１出力レーザ光は第２板の被覆の蒸発によって生じた圧力を解放するための開口を生じさせる。
【００１３】
本発明のいくつかの実施形態によれば、第１及び第２出力ビームの出力密度は、第１及び／又は第２レーザ装置に機能的に接続された制御ユニットによって個々に制御可能である。
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態によれば、第１レーザ光を導くように構成された第１光供給ファイバの中心は、マルチコア光ファイバの第１コアの中心と位置合わせされ、第２レーザ光を導くように構成された少なくとも１つの第２光供給ファイバの中心は、マルチコア光ファイバの第２円環状コアの内径と外径との間に位置合わせされる。
【００１５】
本発明のいくつかの実施形態によれば、連続溶接の場合、第１出力ビームを低レベルに設定する。
【００１６】
本発明の更なる態様によれば、本発明による装置は、重なり合う部材のレーザ溶接に使用される。
【００１７】
次に、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して以下に詳述する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１ａ】重なり合う板の従来のレーザ溶接を示す図である。
【図１ｂ】重なり合う板の従来のレーザ溶接を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態によるレーザ溶接を適用する実施形態を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態によるレーザ加工装置を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による複合レーザ光の断面を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による結合手段における受光端の断面を示す図である。
【図６】一実施形態による結合手段の出力における屈折率プロファイルを示す図である。
【図７】一実施形態による光学部材の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
種々の用途において、重なり合う部材で、部材間に間隙が全くない、又は非常に小さい間隙がある場合、これらの部材のうちの１つを通してレーザ光をあて、部材間に溶接を形成する必要がある。本発明の一態様によれば、互いに重なり合う部材のレーザ溶接は、ほぼ円形の断面を有する第１出力レーザ光と、この第１レーザ光と同心の、ほぼ円環形状の第２出力レーザ光とを形成する方法及び装置によって改善することができる。第１出力レーザ光を円形又は中央ビームと称し、第２出力レーザ光をリングビームと称することができる。第１出力レーザ光及び第２出力レーザ光は、溶接される重なり合う部材を有するワークに向けられる。第１出力レーザ光は部材間に生じる圧力を解放するための開口を生じさせ、第２出力レーザ光は主に溶接を生じさせて開口を平滑化する。このように、出力レーザ光が被覆された鋼板などの第１板に向けられると、第１出力レーザ光は第１板から第２板への円形開口を生じさせ、第２出力レーザ光はこれらの板の溶接を生じさせる。
【００２０】
図２は本発明の実施形態によるレーザ溶接を示す略切断図である。ワーク３は、アルミニウム被覆又は亜鉛被覆の施された鋼板などの、第１の被覆板３ａ及び第２の被覆板３ｂを有する。中央ビーム４は、第２板３ｂにおける被覆の蒸発による圧力を逃がすための開口を生じさせ、リングビーム５は、実質的に、板の溶接及び開口の平滑化を生じさせる。ビームによって生じた熱は第１板を介して伝わり、リングビームの内側の領域を溶かして溶接を形成する。
【００２１】
ここに開示する中央ビーム４とリングビーム５の組み合わせを適用して、重なり合う部材を溶接することによって達成可能な種々の利点がある。板３ａ及び３ｂの間に(典型的には被覆材によって)生じた圧力は、中央ビームによって生じた開口によって解放させることができ、開口はレーザが次の溶接位置に移動すると閉じられる。上層被覆材は、シームの外側にスパッタを生じさせずに溶接シームに混入させることができる。従って、板をくっつける手段やスパッタを除去する付加的な浄化プロセスを回避することができる。
【００２２】
一実施形態によれば、第１及び／又は第２出力レーザ光の出力密度は、他のビームの状態に関係なく個々に制御することができる。本実施形態はスポット溶接及び連続溶接用途に適用することができる。連続溶接の場合、リングビーム５の先端はレーザ加工ヘッドの移動方向に第１の強度ピークを生じさせ、リングビーム５の後端は第２の強度ピークを生じさせる。従って、部材を徐々に加熱し、後端及び先端の強度レベルを単一のスポットビームよりも低くして、適切な溶融を生じさせることができる。予熱に加え、先端は汚染物質の除去も提供する。このため、急激な温度変化を避けることができ、その後の緩和、ひいては急激な温度変化によって生じる弱い領域を回避するか、又は少なくとも低減させることができる。連続溶接でリングビームを使用することもスパッタの回避には有利である。一実施形態において、中央ビーム４の出力密度を低く設定するか、又は中央ビームを完全に閉じることができる。このようにして過熱を避けることができる。
【００２３】
中央ビーム４とリングビーム５との混合は、レーザ装置及び供給ファイバから出るレーザ光をマルチコア光ファイバ内で合わせることによって生成することができ、中央ビーム４とリングビームの複合レーザ光をワーク３に向けることができる。第１光供給ファイバをマルチコア光ファイバの第１コアと、そして第２光供給ファイバをマルチコア光ファイバの第２コアと位置合わせすることができる。マルチコア光ファイバの第１コアは円形の断面を有し、第２コアは第１コアと同心の円環形状を有する。更なる例示的実施形態を以下に説明すえる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、キーホールレーザ溶接を熱伝導溶接と組み合わせて適用し、中央レーザ光及びリングレーザ光を適用して、部材を重ね合わせて溶接する。キーホールレーザ溶接は、一般に、材料を厚さと幅の高いアスペクト比で接合する必要がある場合に用いられる。強度の高いレーザ光は材料を蒸発温度以上に加熱し、その結果、溶融金属の先端にキーホールと呼ばれる深い毛細管が生成される。熱源が前進するにつれて溶融金属は穴を埋め、溶接ビードが形成される。不活性ガスは工程をシールドし、これをキーホール溶接工程中、望ましくない酸化から保護する。強度の非常に高い単一のパルスを放射することにより、エレクトロニクス産業で用いられるようなスポット溶接を達成することもできる。
【００２５】
熱伝導溶接は、典型的には、最大で約２ｍｍの材料厚さのシートメタルまで適用することができる。シームに集光されたレーザ光は材料を加熱し、この熱は素早くシートを伝わってシートを溶かして接合させる。集束レンズはレーザ光をサンプルに集光させながらシームに沿って移動し、高品質の溶接が残される。熱伝導溶接には、ダイレクトダイオードレーザのような輝度の低いレーザを用いることができる。
【００２６】
伝導溶接又は切断が可能なダイオードレーザによって加工されるメタルシートは、金属の比較的浅く、広いスポットに影響を及ぼす（impact）。この種のダイオードレーザは、典型的には、２ｋＷの出力定格及び０．１ＭＷ／ｃｍ２をかなり下回る出力密度を有する。スポットの最大深さ（及び切断能力）は、典型的には２ｍｍである。典型的なキーホールパターンは、ファイバレーザなどの高輝度レーザによって生じる。このようなレーザによって切断することのできるメタルシートの厚さに制限はないが、これはもちろんレーザ光の強度及び加工速度、すなわちレーザ光が金属表面を移動する速度に依存する。ファイバレーザは１〜１０ｋＷ又はそれ以上の出力定格及び数ＭＷ／ｃｍ２の出力強度を有することができる。キーホールの直径はミリメートル以下の範囲、例えば０．１ミリメートルとしてもよく、スポット２の直径は数ミリメートル、例えば３ミリであってもよい。
【００２７】
純粋なキーホール溶接シームと、円形レーザ光及び円環状レーザ光による混合溶接シームとを比較すると、混合溶接シームの溶込みは、同じ加工速度を用いた純粋なキーホール溶接シームの溶込みよりも少なくとも２０％深いことがわかった。まさしく本発明による混合溶接の性質により、溶接シームはもちろん広い。ビッカース硬さ（ＨＶ）値も混合溶接シームの方がキーホールシームよりも低く、混合シームでは効果が少ないことを示している。これらの例よりすでに、キーホールと伝導レーザ加工の組み合わせの効果が相当なものであることがわかる。
【００２８】
図３は本発明による装置の一実施形態を示している。高輝度のファイバレーザ６は光ファイバ８でレーザ光結合器１１に接続されている。同様に、１つ又は複数の固体又はダイオードのレーザ７はファイバ９で結合器１１に接続されている。従来、単一のレーザ光結合器が一般に知られている。この場合、結合器のタスクは、全ての入射レーザ光がデュアルコア光ファイバ１２に結合されるように配置させることである。よって、混合レーザの性質は、単一のデュアルコア光ファイバ１２内に２つのレーザ光を伝搬させることによってもたらされる。ファイバ１２内の２つのレーザ光は、典型的には、異なる輝度及び強度プロファイルを有し、波長さえも異なる場合がある。更に、２つのレーザ光の出力レベルは、ファイバレーザ６及び固体又はダイオードのレーザ７からの出力レベルを調整することにより、それぞれ継続して制御することができる。
【００２９】
ビームの十分な輝度を達成するように、高輝度ファイバレーザ６は、ダイオード励起の１つ又は複数のファイバレーザ発振器又はマスタ発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）モジュールで構成され、各々は、例えば、ファイバ共振器に結合されたファイバ結合ダイオードレーザで構成される。高輝度レーザの更なる例としてはファイバ結合薄型ディスクレーザ又はＮｄ−ＹＡＧレーザがあり、これはダイオードレーザからの光で励起される。現代のレーザ技術は、多くの活性な固体の光増幅材が絶縁体であるため、エネルギー伝達媒体として光に依存することが多い。ダイオードレーザは、その高い効率と狭い光スペクトルのため、以前使用されていたフラッシュランプに取って代わった。
【００３０】
レーザ７は、典型的には、ダイオードレーザによって励起される固体レーザ共振器、例えば薄型ディスクレーザ共振器(図示せず)も備えるファイバ結合レーザである。デュアルコア光ファイバ１２は、図５に示す様に、その中心コアでファイバレーザ６からのレーザ光を伝送し、中心コアから少し離れた、中心コアの周囲に円環状に配置された外側コアで、１つ又は複数の第２レーザ共振器７によって生成されたレーザ光を伝送する。明らかに、本発明の一実施形態では、第１レーザ及び第２レーザはいずれも各々がそれぞれ制御可能な出力レベルを有するファイバレーザであってもよい。いくつかのレーザは構造上のファイバレーザであり、本質的に光を光ファイバに供給し、その他のレーザは、レーザ光が出力ファイバのコアと位置合わせされるように、ファイバと光学的にインターフェースする必要がある。このように、いくつかの実施形態において、レーザ６及び７はいずれもファイバレーザであってもよく、その他の実施形態において、ファイバ及び固体レーザもしくはダイオードレーザの組み合わせ、又はどちらもダイオードレーザであってもよい。レーザ装置の目的及び個々のレーザモジュールの出力定格により、どの種類のレーザをビーム結合器１１に接続することが可能かを決定する。
【００３１】
デュアルコア光ファイバの反対側の端部にはレーザ加工ヘッド１３が接続され、これは、結合又は複合レーザ光１６をワーク１４へと導く。レーザ加工ヘッド１３は一般にコリメートレンズ及び集束レンズ（図示せず）を備え、ファイバ１２の端部から現れる強度プロファイルの像を、レンズの焦点距離によって決められた所望の大きさでワーク１４に生成する。レーザヘッド１３のタスクは、溶接シームにシールドガスを提供すること、又は切断ラインに加圧ガス噴射を提供することである。加圧ガスもまた、飛び散る溶融金属からレーザヘッド１３内の光学素子を保護し、溶融金属を切断ラインから取り除き、ラインをきれいに保つ。
【００３２】
本発明の一実施形態において、装置は制御ユニット１０を備える。制御ユニットはレーザユニット６又は７のうちの１つに一体化することもできる。あるいは、利便性と信頼性のために、全てのユニット６，７及び１０を１つの筐体に配置し、その構造内で相互に一体化させてもよい。制御ユニットは、リングビーム及び中央ビームの出力制御を行い、用途の要求に応じてオンザフライ(on-the-fly)で調整することのできる、動的に調整可能なリング中央ビームを可能にするために使用することができる。制御ユニットは、レーザユニット６，７の少なくとも１つの変調を制御するように構成してもよい。好適には、２つのレーザ光の変調は、別々に動的に制御することが可能である。従って、同じ装置によって非常に多種の溶接用途及び目的が可能になる。ビームプロファイルは、異なる材料、被覆及び／又は厚さなどの挑戦的な溶接の種類／用途の種々の要求に適合するように、動的に調整することができる。
【００３３】
制御ユニット１０はレーザヘッド１３のユーザからのフィードバック１５又は、例えば光強度センサからの自動フィードバックを受信することができる。そしてフィードバック又は入力を使用して、レーザ６及び７の出力を制御して所定の目標に追従させるか、又はワーク１４で見られる、結果として生じる溶接又は切断結果に基づいてレーザ出力を調整する。一実施形態において、連続溶接が選択されると、制御ユニットはリングビーム５による溶接のための適切なパラメータを設定し、中央ビーム４を閉塞する、又はパラメータを低レベルに設定することができる。制御ユニット１０又は別の制御ユニットは、レーザ加工ヘッド１３の移動など、溶接装置のその他の機能も制御することができる。
【００３４】
制御ユニット１０は例えば汎用コンピュータを備えることができる。このようなコンピュータは、所定の入力パラメータ及び受信したフィードバック１５に基づいてレーザ６，７を制御する、適切なソフトウェアを備えることができる。あるいは制御ユニットは、ルネサスＲＬ７８又は東芝ＴＬＣＳ−８７０マイクロコントローラなどのマイクロコントローラを備えてもよい。制御ユニットは少なくとも１つのメモリを備えることができる、又はこれに接続させることができる。メモリは、異なる中央ビーム及び／又はリングビームプロファイル、そしてオペレータによって調整可能な異なる溶接プロファイルを画定するパラメータセットなどの、装置の動作に影響を与える種々のパラメータを格納することができる。メモリはコンピュータプログラムコードを格納することができ、少なくとも１つのメモリ及びコンピュータプログラムコードは、少なくとも１つの加工コアにより、種々の実施形態による溶接装置の動作と中央ビーム及びリングビームの生成とを制御するように構成される。
【００３５】
本発明によれば、ビーム結合器１１は溶融シリカ成分で構成され、光パワーは結合器全体の構造を通して溶融シリカ内に伝搬され、結合器は入射側及び出力側に光ファイバを有する。従って、本発明ではビーム結合器１１を全ガラスファイバ結合器と称することができる。
【００３６】
図４は、レーザ加工ヘッドから出てワーク１４へと向かう複合レーザ光４０の構造を示している。円環状の外側のリングビーム４２は、レーザ装置７によって提供されるレーザ出力を伝送する。これに応じて、内側の中央ビーム４１はファイバレーザ装置６によって提供されたレーザ出力を伝送し、高まる輝度により、ワーク内にキーホールパターンを生じさせる。ビームの間には円環状ゾーン４３があるが、これは空電（stray）を提供するだけであって、レーザ放射は全く提供しない。
【００３７】
図５は、１次クラッド５４を含む中心コア５１を有する例示的デュアルコア光ファイバ５０の断面を示している。外側コア５３は内側クラッド５４及び外側クラッド５５により、空間的に形成されている。当業者には明らかであるように、クラッドはコアよりも屈折率の低い材料であると定義される。例えば、中心コア５１の直径は７０μｍとすることができ、外側コア５３の内径及び外形はそれぞれ１００μｍ、１８０μｍとすることができる。中心コア５１及び周囲コア５３は上述の形状以外のものであってもよい。中心コア５１は例えば正方形又は長方形とすることができる。周囲コア５３は長方形の境界を有することもできる、又は、線形又は円形の複数のセグメントで構成されてもよい。
【００３８】
点線は、ビーム結合器からの溶融された供給ファイバ５６及び５７(図７ではファイバ７２及び７１)の端部のコアが、デュアルコア光ファイバ５０の断面とどのように位置合わせされているのかを示している。
【００３９】
デュアルコア光ファイバ５０の中心コア５１でのレーザ放射は、中心の、狭い空間的強度プロファイルを有し、外側コア５３の強度分布はドーナツ形である。この空間的強度パターンは、レーザヘッド１３内の加工光学系により、更にワークに結像される。この構成のため、レーザ光のビーム品質は中心コアと外側コアのいずれにおいても比較的高い。しかしながら形状と断面積の違いにより、内側コアは外側コアよりも質の良いビームを生成することができ、従って、薄い材料及びワークの切断、又は厚い材料の切断の場合の穿孔により適している。より厚い材料の場合、外側コアのやや低いビーム品質による欠点よりも、外側コアのリング状の強度分布による、加工速度及び溶接シーム又は切断面の清浄性の組み合わせの方が勝る。内側コア及び外側コアの出力強度はそれぞれ、ワークの要求仕様に従い、レーザ源の出力を調整することによって調整可能である。
【００４０】
ここで図６を参照すると、光学デュアルコアファイバ５０の例示的屈折率プロファイルが示されている。コア５１及び５３は屈折率ｎ５１及びｎ５３を有し、これらは取り囲む材料５４及び５５の屈折率ｎ５４及びｎ５５よりもそれぞれ高い。このようにレーザ光は、可及的少ない円環状強度プロファイルの劣化と、各コアの光パワー及び光度の減衰とによってワークに導かれる。図４参照のこと。
【００４１】
溶融シリカの屈折率は、これに不純物をドープすることによって調整することができる。溶融シリカをゲルマニウムでドープすると屈折率は増加し、フッ素でドープすると屈折率は下がる。従ってコア５１及び５３は、例えば、ゲルマニウムのドープされた又はドープされていない溶融シリカで製造し、それらの１次クラッド５４及び５５はフッ素のドープされたシリカで製造してもよい。
【００４２】
図７はファイバ結合器１１の主要な光学部材７０を示す。これは溶融シリカガラス管７７からなる本体部と、少なくとも２つのレーザ装置からの光供給ファイバ７１、７２(例えば装置６，７からのファイバ８，９)によって伝送されたレーザ光（図示せず）を受光する入射端７６とを有するマルチボア毛細管である。これは、同じ方向に相互に位置合わせされた少なくとも２つのレーザ光からなる複合レーザ光を送る出力端７４も反対側に有する。
【００４３】
入射端７６に入射される光供給ファイバ７１、７２は、本体部の毛細管を通って出力端７４へと延在し、ガラス管７７で溶融されて、光誘導コア７１ａ、７２ａ及び取り囲むガラス材料から成る構成部材を形成する。コアはコアの周りを取り囲むガラス材料よりも高い屈折率を有し、全内部反射により、構成部材全体を通るコア内への光パワーの伝搬を提供する。
【００４４】
ファイバ結合器の原理を説明するために、コアと構成部材７０の寸法を原寸に比例させておらず、わかりやすくするために、いくつかのコアのみを点線で示している。
【００４５】
光学部材７０は例えば引き抜きによって製造することができる。この例では、中心に約３００μｍの大きな内径のファイバ７２を設け、この中心ファイバ７２の周りに、小さな内径を持つ４つのファイバ７１を対称的に設けてもよい。小さい内径の直径は例えば約１５０μｍとしてもよい。毛細管の外径は１ｍｍとしてもよい。管材は例えば溶融シリカでもよい。バルクガラスの外側のクラッド（図示せず）によって、好適には少なくとも部分的にエッチング除去されたファイバが中心ボア（middle bores）に挿入され、毛細管の先細になったウエスト部７３まで押し込まれる。ファイバが所定の位置にくると、毛細管７０はウエスト部７３で加熱されてファイバを管に溶融し、第１中心光誘導コア７２ａ及び第２光誘導コア７１ａが形成され、これらは全て光学部材７０に延在する。
【００４６】
ファイバ７１，７２は、純粋な溶融シリカの内側コアとフッ素のドープされたシリカの外側クラッドとを交互に有してもよい。このように、光学部材７０の溶融シリカガラス管７７を純粋な溶融シリカで製造してもよい、というのもファイバの光誘導コアは本質的に屈折率の低い材料で囲まれているからである。つまり、毛細管の屈折率がファイバコアと同じであっても、光はコア７１ａ、７２ａに留まる。この場合、バルクガラスの外側のファイバクラッドをフッ素（Ｆ）ドープされたクラッドまでエッチング除去してもよいし、あるいは、フッ素（Ｆ）ドープされたクラッドが純粋なゲルマニウム（Ｇｅ）ドープされた内側のファイバコアの周りに残っている限り、更にエッチング除去してもよい。
【００４７】
続いて（破線で示す）溶融コア７１ａ、７２ａ及び管７０を切除又は劈開し、端面７４を生成する。そして図３に示すようなデュアルコアファイバ１２を端部７４で毛細管に溶接し、シーム７５となる。
【００４８】
好適な実施形態において、第１光供給ファイバ７２の中心を構成部材７０の中心と合わせ、例えば４つの第２光供給ファイバ７１の中心を探し、第１中心光誘導コア７２ａから所定の距離Ｒだけ離れた出力端７４に出力ビームを提供する。尚、第２供給ファイバの数は制限されず、４ケの代わりに８，１６又は３２ケとすることができる理解されよう。第２光誘導コア７１ａは、好適には、中心コア７２ａに対して対称的に配置され、相互間の角距離が９０°の出力ビームを提供する。
【００４９】
上述の、重なり合う部材をリングレーザ光または中心レーザ光によって溶接する実施形態の試験は良好だった。例えば、環状ビームに４ｋＷ、中央ビームに１ｋＷを使用すると、部材間に間隙がなく、分速５メートルを超える速度であっても被覆スパッタをほとんど生じさせずに溶接を行うことができることがわかった。部材の幅が変わると、それに応じてパラメータを適用させる。例えば、レーザの種類及びその特性に応じて、０．１ｍｍ〜１０ｍｍの幅の、被覆された鋼板を本明細書に開示された方法及び装置によって溶接することができる。本発明の手段によって加工、溶接されるその他の材料にはアルミニウムと銅がある。重なり合う異なる材料も一緒に溶接することができる。例えば、鋼鉄と銅の溶接を試験したところ良い結果が得られた。別の例として、部材のうちの片方のみを被覆して、他方は被覆しないこともできる。フィラーワイヤはリングビームで溶かしてもよい。
【００５０】
ここに開示されるレーザ溶接方法及び装置は多くの用途に適用することができる。適用するパラメータを変更することによって単一の溶接装置で溶接を行うことのできる種々の材料の溶接などの、組立工程中に特性の異なる種々の溶接を行う必要のある用途において、特定の利点を達成することができる。一例として、自動車産業において、同じ溶接装置を使用して、単一の溶接装置（及びライン）によってアルミニウム及びステンレス鋼のフレームを溶接することができる。
【００５１】
開示される本発明の実施形態は、本明細書に開示される特定の構造、工程ステップ又は材料に限定されず、当業者によって認識される、それらの均等物に拡大されると理解されよう。また、本明細書で用いられる用語は特定の実施形態を説明する目的のみに使用され、限定することを意図するものではないと理解されたい。
【００５２】
本明細書を通して、「一実施形態（one embodiment）」又は「実施形態（an embodiment）」は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書中において様々な箇所に記載される「一実施形態（one embodiment）」又は「実施形態（an embodiment）」のフレーズは、必ずしも全てが同じ実施形態のことを言及しているわけではない。
【００５３】
本発明の種々の実施形態及び実施例は、本明細書において、その種々の構成部材の代替例と共に言及されてもよい。このような実施形態、実施例及び代替例は、事実上同等のものであると解釈されてはならず、本発明の独立、自律した表現とみなされるべきであると理解されよう。
【００５４】
更に、記載した特徴、構造又は特性は任意の適切な方法によって１つ又は複数の実施形態に組み合わせることができる。本明細書において、長さ、幅、形状の例などの、多数の特定の詳細を提供することにより、本発明における実施形態の完全な理解を提供した。しかしながら当業者であれば、本発明は、１つ又は複数の特定の詳細なく実施できる、あるいは他の方法及び構造などによって実施できると理解されよう。他の例では、実施形態の説明を不明瞭にするのを避けるため、周知の構造又は動作の詳細は図示していない。
【００５５】
上述の実施例は、本発明の原理を１つ又は複数の特定の用途において説明したものであるが、当業者にとって、実施の形態、使用法及び詳細の多くの変更は、発明的才能を行使せず、かつ本発明の原理及び概念から逸脱することなく行うことができることは明らかであろう。従って、本発明は以下に記載する請求項以外のもので限定されることは意図されていない。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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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