(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバと、光ファイバのレーザ光が通過するコリメータレンズと、コンデンサレンズと、溶融材料を供給する供給ノズルを備え、光ファイバはコリメータレンズに対する距離や径方向の位置を異ならせるように配置するとともに、供給ノズルはコンデンサレンズを貫通するように配置して、供給ノズルから供給される溶融材料に対して少なくともノズル先端口から溶接箇所に向かう軸線上またはその周囲において光ファイバからのレーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
複数本の光ファイバと、光ファイバのレーザ光が通過するコリメータレンズと、各々の光ファイバのレーザ光を集光するコンデンサレンズと、溶融材料を噴射供給する供給ノズルを備え、供給ノズルはコンデンサレンズを貫通するように配置して、その周囲に光ファイバを配置して、供給ノズルから供給される溶融材料に対して少なくともノズル先端口から溶接箇所に向かう軸線上またはその周囲において光ファイバからのレーザ光を複数個所で照射することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項３】
前記供給ノズルを前記コンデンサレンズに対して垂直に配置するとともに、光ファイバを供給ノズルに対して平行に配置し、供給ノズルをコンデンサレンズにその中央から貫通させて配置し、前記供給ノズルの周囲に光ファイバを配置して、供給ノズルから供給される溶融材料に対してその周囲から光ファイバからのレーザ光を照射することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記複数本の光ファイバのレーザ光の照射により、前記軸線上の照射とともに溶接箇所の周囲を照射するか、又は、前記軸線上の照射する前に溶接箇所の周囲を照射することを特徴とする請求項２から３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記コンデンサレンズの径の範囲内において、供給ノズルが貫通したコンデンサレンズを移動させるか、又は、供給ノズルをコンデンサレンズが貫通した状態で移動させることで、供給ノズルの先端口から放出される溶融材料のノズル先端口から溶接箇所に至るまでの距離を変更することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記レーザ光の波長（異なる波長のレーザ光を照射する場合を含む。）、集光角度、集光径、溶融材料への照射量、又は、溶接箇所への照射量の少なくとも一つを調節することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記供給ノズルは、集束ガス供給手段を備え、前記集束ガス供給手段によって前記供給ノズルの側方から集束ガスを噴射することで前記溶融材料を集束させることを特徴とする請 求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
複数本の光ファイバと、光ファイバのレーザ光が通過するコリメータレンズと、コンデンサレンズと、溶融材料を供給する供給ノズルを備え、供給ノズルはコンデンサレンズを貫通するように配置して、供給ノズルから供給される溶融材料に対してコンデンサレンズの軸線上またはその周囲において又は供給ノズルの軸線上またはその周囲においてレーザ光を複数個所で照射することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
前記供給ノズルを前記コンデンサレンズに対して垂直に配置するとともに、光ファイバを供給ノズルに対して平行に配置し、供給ノズルをコンデンサレンズにその中央から貫通させて配置し、供給ノズルが貫通するコンデンサレンズを中央に配置して、その周囲に光ファイバを配置して、供給ノズルから供給される溶融材料に対してその周囲から光ファイバからのレーザ光を照射することを特徴とする請求項８記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記複数本の光ファイバは、前記供給ノズルに対して平行に駆動制御する制御部材を備えるか、又は、コリメータレンズに対して径方向に駆動制御する制御部材を備えるか、或いは、コンデンサレンズに対して径方向に駆動制御する制御部材を備えることを 特徴とする請求項８又は９記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
前記光ファイバからのレーザ光が通過するコリメータレンズを備え、前記コリメータレンズは、前記供給ノズルに対して平行に駆動制御する制御部材を備えるか、及び／又は、コンデンサレンズに対して径方向に駆動制御する制御部材を備えることを特徴とする請求項８な いし１０のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項１２】
前記供給ノズルが貫通したコンデンサレンズを移動させる制御部材を備えるか、又は、供給ノズルをコンデンサレンズが貫通した状態で移動させる制御部材を備えることを特徴 とする請求項８ないし１１のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項１３】
前記コンデンサレンズは、一枚のコンデンサレンズを複数に分割して構成されるとともに、その中央に前記供給ノズルが移動可能な移動可能領域が設けられていることを特徴とする請求項８から１２のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項１４】
前記溶融材料を供給するための内管ノズルと、前記内管ノズルの外周に配される外管ノ ズルとからなる供給ノズルにおいて、前記内管ノズルと前記外管ノズルの間に集束ガスの流路が設けられていることを特徴とする請求項８ないし１３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項１５】
前記供給ノズルは、集束ガス供給手段を備え、溶融材料の噴射量、噴射スピード、噴射 範囲の少なくともいずれか１つを制御するための供給ノズル噴射制御手段を備え、前記集 束ガス供給手段は、集束ガスの噴射量、噴射スピード、噴射範囲の少なくともいずれか１つを制御するための集束ガス噴射制御手段を備えることを特徴とする請求項８ないし１４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項１６】
前記供給ノズルがレーザ光透過性素材からなり、溶融材料又は集束ガスに対してレーザ光を透過させることを特徴とする請求項８ないし１５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバからレーザ光を照射する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】
光ファイバからレーザ光を照射するレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、レーザ溶接等やレーザはんだ付け等で実用化されており、肉盛溶接及び溶射では、材料自体の耐熱・耐食性と耐摩耗性を向上させる目的で被膜化する。例えばレーザ粉体肉盛装置では、レーザ原料となる溶融材料をレーザ光照射して加熱溶融し、被膜化することで母材表面をコーティングすることができる。したがって、例えば硬い被膜や腐食しにくい被膜をコーティングすることで製品のすり減りや錆発生を防止することができる。
従来、レーザ粉体肉盛装置においては、母材表面に垂直にレーザ光を照射し、照射されたレーザ光の光軸上に外周に配置された供給ノズルから溶融材料を供給することで、溶融材料を溶融し肉盛り加工を行っていた（特許文献１：図６および図７、特許文献４  図７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０２−１４７１８４号公報
【特許文献２】特開平０９−２１６０８３号公報
【特許文献３】特開２０００−３１７６６７号公報
【特許文献４】特開２００３−２５１４８０号公報
【特許文献５】特開２００４−３２２１８３号公報
【特許文献６】特開２０１５−１７８１３０号公報
【特許文献７】特開２０１３−１３９０３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在、消費者ニーズの多様化により、工業製品においても３次元形状等の様々な形状の製品に関する要求が高まり、複雑な形状の母材に被膜化する必要性がでてきている。
例えば、３次元形状等の複雑な形状の母材を被膜化する場合、溶接位置の形状も複雑であるため、レーザ加工装置のレーザ加工ヘッド部を多軸回転および多軸移動させることで肉盛溶接を行う技術が取り入れられている。しかしながら、レーザ光の外周に供給ノズルを配置した従来の加工方法では溶融材料をレーザ光の光軸上に正確に供給することが大変困難であり（レーザビームの照射位置がレンズの中心からずれた場合、レンズを透過したビームは光軸に対し傾斜して進むために、レンズにはレンズの中心をレーザビームに合わせるためのＸ軸調整やＹＺ調整が必要になる。）、供給ノズルの数や供給ノズルの配置の微調整等に時間がかかり、装置が大型化する問題が発生した。また供給ノズルと光ファイバの配置関係においてレーザ加工ヘッドの移動方向が制限されるという課題や、小穴等の微細な形状を溶接できない問題も発生している。
このように、従来のレーザ加工方法では、多軸回転および多軸移動するレーザ加工ヘッドに搭載して複雑な形状の母材を被膜することは大変困難であった。
【０００５】
また上述の問題に加えて、被膜技術においては以下（１）〜（５）の問題が顕在化している。
（１）  母材への過度な入熱により母材成分が溶けだし、溶融材料の成分が母材成分によって希釈化され、肉盛溶接した箇所が変質し、耐久性が低下する。
（２）  母材が薄い場合や母材のサイズが小さい場合、母材上もしくは母材周辺で溶融材料を加熱溶融すると熱によって母材が変形してしまう。
（３）  母材よりも融点の高い溶融材料を被膜する場合、溶融材料を加熱溶融することができる強度のレーザ光を母材上もしくは母材周辺に照射すると、母材が過度に変形してしまう。
（４）  母材上もしくは母材周辺で溶融材料を溶融する場合は溶融時間がかかるため、極めて薄い被膜を形成することが難しい。
（５）  溶融材料が母材の表面に溶接される際に、肉盛溶接する箇所において温度変化が急速であると熱応力が発生し、耐久性が表面に割れが発生してしまう。
上述の問題を解消するために、溶融材料を事前に温めることによって母材に対して過度な入熱を行わないようにすることや、溶接個所に急激な温度変化を与えないために母材を事前に温める予熱工程および母材を急激に冷やさない後熱工程を行う等の取り組みがなされてきたが、複数の加熱装置が必要となって装置が大型化してしまう。
【０００６】
よって、本願出願人は、上述の問題に関して鋭意検討した結果、（Ａ）供給ノズルを中心に配置し供給ノズルから供給された溶融材料に対して周囲からレーザ光を照射し肉盛溶接を行うことで、多軸回転および多軸移動するレーザ加工ヘッドの移動方向を制限することなく複雑な形状の母材の表面に正確に溶融材料を肉盛溶接可能であること、（Ｂ）母材表面を加熱し被膜の密着性を確保するための第１のレーザ光、母材表面に直接照射せずに溶融材料を事前に溶融する第２のレーザ光、母材表面を温める第３のレーザ光など、複数のレーザ光を使用することで、母材に対する過度な入熱を防ぎ、急激な温度変化による耐久性の低下等の被膜技術の問題点を解消できること、（Ｃ）コンデンサレンズの中心に供給ノズルを配置し供給ノズルの周囲にレーザ光を配置することによって、装置が小型化、単純化し、複数のレーザ光の制御を行う場合でも集光位置、集光角度、集光径等の調整を簡単に行うことができることを発明し、（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の技術をレーザ加工ヘッド等の多軸回転および多軸移動する小型化された装置に組み込むことで、３次元形状等の複雑な形状の母材に対しても被膜することが可能で、さらに被膜だけでなく母材の予熱や後熱、溶融材料を事前に温める等の多種多様な機能を実現可能であることを見出した。
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜５、７のレーザ加工装置においては、供給ノズルを中心に配置し供給ノズルから供給された溶融材料に対して周囲からレーザ光を照射し肉盛溶接を行うことは記載されているものの、被膜するためのレーザ光とは別の、溶融材料の予熱や溶融を目的としたレーザ光を使用することに関しては記載がないし、示唆する記述もない。
特許文献１〜５、７のレーザ加工装置においては、供給ノズルのノズル先端口から溶接箇所に到達するまでの高さ方向にレーザ光の集光位置を変更することは装置の構造上不可能である。
このように従来技術においては、レーザ加工装置において、複数のレーザ光を使用することで被膜だけでなく母材の予熱や後熱、溶融材料を事前に温める等の多種多様な機能を実現するという考えには至っていない。
【０００８】
さらに特許文献６のレーザ肉盛装置においては、添加材を溶融させるレーザ光と母材に入熱するレーザ光を使用することが記載されているが、装置を小型化および制御の簡素化を行うことでレーザ加工ヘッドに組み込むことが可能であることは全く考慮されていない。
【０００９】
そこで本発明の目的は、供給ノズルをコンデンサレンズに配置する等して、これに沿って配置した光ファイバからのレーザ光の焦点位置を供給ノズルのノズル先端口から溶接箇所に向かう軸線上またはその周囲（軸線上近傍）に駆動制御にして、溶融材料を安定して供給するとともに最適な加工温度に溶融して、多様なレーザ加工を施すことができるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、光ファイバと、光ファイバのレーザ光が通過するコリメータレンズと、コンデンサレンズと、溶融材料を供給する供給ノズルを備え、光ファイバはコリメータレンズに対する距離や径方向の位置を異ならせるように配置するとともに、供給ノズルはコンデンサレンズを貫通する配置して、供給ノズルから供給される溶融材料に対して少なくともノズル先端口から溶接箇所に向かう軸線上またはその周囲において光ファイバからのレーザ光を照射することを特徴とする。
ここで本発明における、「レーザ光を照射する」とはレーザ光を集光させて照射する場合に限定されず、例えばデフォーカスして照射する場合も含む。また、「供給ノズルの軸線上」は、「コンデンサレンズの軸線上」と一致していることが好ましいが、必ずしも一致する必要はなく、供給ノズルの軸線がコンデンサレンズの軸線（中心）からずれていても良く、これらは光ファイバの制御によっていずれでもレーザ光を照射することができる。
また本発明は、複数本の光ファイバと、光ファイバのレーザ光が通過するコリメータレンズと、各々の光ファイバのレーザ光を集光するコンデンサレンズと、溶融材料を噴射供給する供給ノズルを備え、供給ノズルはコンデンサレンズを貫通するように配置して、その周囲に光ファイバを配置して、供給ノズルから供給される溶融材料に対して少なくともノズル先端口から溶接箇所に向かう軸線上またはその周囲において光ファイバからのレーザ光を複数個所で照射することを特徴とする。
また、本発明における、「供給ノズルのノズル先端口から溶接箇所に向かう軸線上」とは、供給ノズルのノズル先端口から溶接箇所までの軸線上だけではなく、ノズル先端口と溶接箇所を通る軸線上あるいは直線上を意味する。従って、ノズル先端口からみて溶接箇所よりもさらに遠位の軸線上を含んでいても良い。
本発明によれば、供給ノズルからの溶融材料を溶接個所に至る過程においてレーザ光を照射して最適な溶融温度にして溶接個所に供給することができる。また、ノズル先端口と溶接箇所を通る軸線上やその周囲のみならず、溶接部材の表面や深部に照射することも可能であり、溶接部材の厚み方向について、照射深度の調節が可能であり、これらの共同連係動作により溶融材料の溶融の最適状態で溶接等の加工をすることができる。
また、デフォーカスした状態でレーザ照射する場合、ノズル先端口から溶接箇所に至るまでの範囲にレーザ光の焦点を合わせることでデフォーカスを行うことも可能であるし、ノズル先端口からみて溶接個所よりも遠位の領域にレーザ光の焦点を合わせることで、デフォーカスを行うことも可能である。デフォーカスした状態でレーザ照射することにより、照射領域を全体的に温めることが可能となり、熱の伝播も減少させることができる。例えば、ステンレスなどの母材に対して、銅などの異材を溶融材料として肉盛溶接する場合、銅を加熱溶融する温度で母材を加熱すると母材の変形や変色が生じやすい。そこで母材を適度に加熱するレーザ光の波長や出力，集光径を独立して調整することが重要になるが、デフォーカスにより母材を適度に加熱することで、熱の伝播を抑制することが可能となり、変形や変色が抑えられる。また、母材と溶融材料が同種の金属であっても、薄板のような歪やすい形状の母材を使用する場合には、デフォーカスすることで熱の伝播が減少し、歪みが抑制される。
溶融材料としては、金属などの粉末材料やワイヤ（棒状の金属材料）等を溶融材料として用いる。なお金属材料は必ずしも金属のみから構成される必要はなく、例えばセラミックス等の非金属を含有していても良い。
本発明によれば、複数の光ファイバから照射される複数のレーザ光は、各々対応するコリメータレンズの中心を通過し、コリメータレンズを通過した複数のレーザ光は、そのまま供給ノズルに平行に進行してコンデンサレンズを通過する。コンデンサレンズを通過したレーザ光は、供給ノズルのノズル先端口から溶接箇所に向かう軸線上を照射する。
本発明によれば、中央の供給ノズルから溶融材料を供給することで、溶融材料の溶接対象への供給が安定的に行なわれる。そして、本発明によれば、溶融材料は供給ノズルのノズル先端口から噴射されてから母材の溶接箇所に至るまでの軸線上をレーザ光で照射可能であるが、光ファイバとコリメータレンズの数に合わせ、ノズル先端口から溶接箇所に向かう軸線上においてその複数点を照射したり全域を照射したりすることで、溶接箇所に至るまでに溶融させるなどのレーザ加工が可能である。
【００１１】
本発明としては、供給ノズルが貫通するコンデンサレンズを中央に配置し、その周囲に光ファイバを配置して、供給ノズルから供給される溶融材料に対してその周囲から光ファイバからのレーザ光を照射することを特徴とする。
本発明によれば、安定して供給できる中央の供給ノズルからの溶融材料に対して複数の光ファイバからのレーザ光をその中心に向かって照射することで、中央の溶融材料に対して互いの径を対応させたり（重ね合わせたり）、中央の溶融材料に対して周囲から中心に向かって照射させたりできるので、効率的で正確な照射溶融が可能になる。すなわち、中央の供給ノズルからの溶融材料に対して、その周囲から照射されるレーザ光がコンデンサレンズを介してその軸線上に向くようになるために（反射ミラー等を介在させなくとも自ずと中央の溶融材料の方向にレーザ光が向くことなるために）、レーザ光の光軸上に溶融材料を正確に供給できるようになる。その結果、溶融材料の溶融も正確に行われる。
また、本発明によれば、複数の光ファイバから照射される複数のレーザ光は、供給ノズルに対して平行に進行し、各々対応するコリメータレンズの中心を通過し、コリメータレンズを通過した複数のレーザ光は、そのまま供給ノズルに平行に進行してコンデンサレンズを通過する。コンデンサレンズを通過したレーザ光は、供給ノズルのノズル先端口から溶接箇所の間に至るまでの軸線上を照射することで、その平行配置のままで照射させることができる。したがって、複数本の光ファイバを供給ノズルに沿うように平行配置のままで照射させることができ、装置の小型化が可能となる。
【００１２】
本発明としては、複数本の光ファイバは、前記供給ノズルに対して平行に駆動制御する制御部材を備えるか、又は、コンデンサレンズの半径方向に対して駆動制御する制御部材を備えていることが好ましい。
本発明によれば、光ファイバはコリメータレンズと同調してコンデンサレンズの半径方向に移動することで、集光角度を調節することができる。コリメータレンズと光ファイバはコンデンサレンズの直径の範囲に納まるため、コンデンサレンズのサイズより装置を大型化することなく集光角度を経時的に調節しながら溶接できる。例えば、旋回駆動する加工ヘッドに本発明を搭載した場合において、粉末状の溶融材料がその落下方向を変えたとしても、コンデンサレンズの軸線上に供給ノズルを配置してその周囲からレーザ光をコンデンサレンズを介して照射させることで、溶融材料の供給方向をレーザ光が追従するように設定することが容易な構造になる。
【００１３】
本発明としては、前記複数本の光ファイバのレーザ光の照射により、前記軸線上の照射とともに溶接箇所の周囲を照射するか、又は、前記軸線上の照射する前に溶接箇所の周囲を照射することを特徴とすることが好ましい。
従来装置では、溶接対象の母材よりも融点の高い溶融材料をコーティングする（肉盛り溶接する）ことが困難である課題や徐冷がうまくできない課題があった。本発明によれば、溶接対象の母材が薄い場合であっても、供給ノズルのノズル先端口からの溶融材料を溶接箇所に至るまでに溶融させることが高い精度で行なわれ、溶接対象の母材よりも融点の高い溶融材料をコーティングする（肉盛り溶接する）ことが出来る。すなわち、母材表面よりもノズル先端口から母材表面に至る中途部分ではこれよりも高い温度で照射させることで、溶接箇所を高温にすることなく溶接することができる。逆に、母材表面よりもノズル先端口から母材表面に至る中途部分ではこれよりも高い温度で照射させることで、溶接箇所を高温にすることなく溶接することができる。
また、硬化肉盛りや厚い部材の溶接では、徐冷がうまくいかない課題があったが、前記軸線上の照射する前に溶接箇所の周囲を照射することで、効果的に徐冷しながらの溶接加工が可能になる。
【００１４】
ここで、本発明は、複数本の光ファイバと、前記複数本の光ファイバからのレーザ光が各々通過する複数のコリメータレンズと、前記複数のコリメータレンズを通過した各々のレーザ光を集光するコンデンサレンズと、溶融材料を噴射供給する供給ノズルとを備え、前記供給ノズルはコンデンサレンズを貫通するように配置されるか、又は、供給ノズルはコンデンサレンズを貫通した状態で駆動制御が可能に配置され、複数本の光ファイバは、供給ノズルに沿って平行に配置されていることが好ましい。
本発明によれば、複数本の光ファイバを供給ノズルに沿うように平行配置のままで照射させることができ、装置の小型化が可能となる。
また本発明によれば、溶融材料が供給ノズルのノズル先端口から噴射されて、母材の溶接箇所に至るまでの全域をレーザ光で照射可能である。光ファイバとコリメータレンズの数に合わせ、ノズル先端口から溶接箇所に至るまでの間を複数点照射可能である。
本発明としては、供給ノズルが貫通するコンデンサレンズを中央に配置し、その周囲に光ファイバを配置して、供給ノズルから供給される溶融材料に対してその周囲から光ファイバからのレーザ光を照射することが好ましい。
本発明によれば、中央の供給ノズルからの溶融材料に対して複数の光ファイバからのレーザ光をその中心に向かって照射することで、中央の溶融材料に対して互いの経を対応させたり、中央の溶融材料に対して周囲から中心に向かって照射させたりできるので、効率的で正確な照射溶融が可能になる。
【００１５】
本発明としては、前記コリメータレンズは、前記供給ノズルに対して平行に駆動制御する制御部材を備えるか、又は、コンデンサレンズに対して径方向に駆動制御する制御部材を備えることが好ましい。
本発明としては、前記複数のコリメータレンズは、供給ノズルの周囲において配されて、供給ノズルの周囲において平行あるいは、コンデンサレンズの半径方向に駆動制御されることが好ましい。
本発明によれば、コリメータレンズを供給ノズルの周囲において平行に移動させることで、光ファイバが供給ノズルに対して平行配置を維持したまま、光ファイバとコリメータレンズの距離を調節でき、中心軸方向での集光位置の調整ができる。従って、装置を大型化することなく、供給ノズルから溶接箇所まで至る間を経時的にレーザ光照射することができる。
本発明としては、複数のコリメータレンズは、着脱可能であることが好ましい。
本発明によれば、焦点距離の異なるコリメータレンズに交換することで母材表面上でのレーザ光の集光径を調整することができる。
【００１６】
本発明としては、前記供給ノズルが貫通したコンデンサレンズを移動させる制御部材を備えるか、又は、供給ノズルをコンデンサレンズが貫通した状態で移動させる制御部材を備えることを特徴とする。
本発明としては、供給ノズルはコンデンサレンズの半径方向に対して鉛直駆動制御することが好ましい。
本発明によれば、供給ノズルのノズル先端口をコンデンサレンズ方向や母材表面の照射点方向に移動させることができるため、コンデンサレンズから照射点までの距離を変えることなく、ノズル先端口を照射点に近づけることができる。したがってレーザ光の焦点距離に関わらず、母材表面への溶融材料の噴射範囲や噴射量を一定にすることが可能となる。
本発明としては、供給ノズルは駆動機構を備え、一枚のコンデンサレンズの中心軸部分や中心軸近傍を貫通する位置を調節可能であることが望ましい。
本発明によれば中心軸の近傍に配置することで溶接進行方向に対してレーザ照射領域よりも後方に溶融材料を投入することができるため、溶融材料あるいは母材表面への効率的な照射が可能となる。
【００１７】
本発明のレーザ加工装置は、複数本の光ファイバと、複数本の光ファイバからのレーザ光が各々通過する複数のコリメータレンズと、それらのコリメータレンズを通過した各々のレーザ光を集光するコンデンサレンズと、溶融材料を噴射供給する供給ノズルを備え、複数本の光ファイバは、供給ノズルの周囲において配されて、かつ、各々の焦点位置が供給ノズルのノズル先端口から溶接箇所に向かうコンデンサレンズの軸線上または軸線上近傍に駆動制御するように構成されて、母材表面からノズル先端口の間で照射することを特徴とする。
【００１８】
ここで、本発明としては、各光ファイバは供給ノズルに対して平行に移動させたり、かつコンデンサレンズの半径方向に駆動制御する手段、波長の異なるレーザと交換可能な光ファイバを着脱する手段、コリメータレンズを供給ノズルに対して平行、かつコンデンサレンズに対して半径方向に移動する手段、供給ノズルをコンデンサレンズの半径方向に対して鉛直移動、かつコンデンサレンズの中心や中心近傍に貫通位置を調節することができる移動手段を備えていることで、集光角度の調整、レーザ光波長の調節、集光径の調整、噴射供給ノズルのノズル先端口から溶接箇所までの噴射距離の調整、噴射供給位置の調節が可能なことが好ましい。
本発明としては、溶接する対象を下方に配置して、その上方に請求項８から１６のいずれか１項記載のレーザ加工装置を配置して、その中心軸上に供給ノズルを配置して、供給ノズルのノズル先端口から粉末材料である溶融材料を垂下させるようにして溶接対象に供給することが好ましい。本発明によれば、供給する材料が粉末材料であっても垂下する方向で、しかも中央から安定して溶融材料を供給することが出来る。
本発明としては、前記コンデンサレンズは、一枚のコンデンサレンズを複数に分割して構成されるとともに、その中央に前記供給ノズルが移動可能な移動可能領域が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、分割したコンデンサレンズで組み立てられるが、その中央で供給ノズルの移動が可能になり、供給ノズルがコンデンサレンズを実際に貫通しなくとも供給ノズルの移動が可能になる。なお、本発明のように、本発明のコンデンサレンズは一枚に限定されるものではない。
【００１９】
本発明としては、供給ノズルはレーザ光透過性素材からなり、溶融材料又は集束ガスに対してレーザ光を透過させることを特徴とする。
本発明によれば、供給ノズルの素材としてレーザ光を透過させる光透過性素材を用いることで、レーザ光がコンデンサレンズの軸線上及びその周囲近傍に側方から照射される場合においても、レーザ光は供給ノズル又はノズル先端口に遮られることなく透過するため、供給ノズルのノズル先端口近傍をレーザ光で照射することが可能となる。また、ノズル先端口から溶接個所までの距離が短い場合でも、ノズル先端口から噴射される前からレーザ光照射で溶融させることができる。
【００２０】
本発明としては、供給ノズルは、集束ガス供給手段を備え、集束ガス供給手段によって供給ノズルの側方から集束ガスを噴射することで、少なくともノズル先端口から溶接箇所に向かう軸線上に溶融材料を集束させることを特徴とする。
ここで「集束ガス」とは、本明細書において「キャリアガス」と明確に区別される。「キャリアガス」とは、粉末材料または溶融材料を運ぶためのガスであり、ノズル中央から射出される噴流を指す。一方、「集束ガス」とは、この噴流を集束するために側方から射出するガスを指す。したがって溶融材料を運ぶためにキャリアガスが射出され、キャリアガスを射出することによって生じる噴流を集束するために集束ガスが射出される。なお、集束ガスはキャリアガスとしての作用、すなわち溶融材料を運ぶ作用、を含んでいても良い。
また本明細書において「集束」とは、広がって進もうとする噴流を中心に集めることを指す。この「集束」とは特に断りがない限り、溶融材料を軸線上に沿って直線的に集める状態を指すが、軸線上の少なくとも一点を中心として集める状態、例えば溶融材料を母材平面上で一点に集める状態等を含んでいても良い。
また本発明としては、溶融材料を供給するための内管ノズルと、内管ノズルの外周に配される外管ノズルとからなる供給ノズルにおいて、内管ノズルと外管ノズルの間に集束ガスの流路が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、供給ノズルの噴射口から溶接箇所に至るまでのコンデンサレンズの軸線上及びその周囲近傍に、溶融材料の集束域が直線的に細長くなり、レーザ光照射するに適した、溶融材料の噴射圧力の高い領域（コア長）が長く維持され、コンデンサレンズの軸線上をレーザ光で照射することが容易となる。本発明のレーザ加工装置は、供給ノズルの噴射口から溶接箇所に至るまでのコンデンサレンズの軸線上及びその近傍にレーザ光を照射可能であるため、本発明の効果に合わせた配置構成と言える。
【００２１】
本発明としては、供給ノズルは、集束ガス供給手段を備え、溶融材料の噴射量、噴射スピード、噴射範囲の少なくともいずれか１つを制御するための供給ノズル噴射制御手段を備え、集束ガス供給手段は、集束ガスの噴射量、噴射スピード、噴射範囲の少なくともいずれか１つを制御するための集束ガス噴射制御手段を備えることを特徴とする。
本発明によれば、溶融材料の集束域の調整ができる。また、供給ノズル噴射制御手段による溶融材料の噴射圧よりも、集束ガス噴射制御手段の集束ガスの噴射圧を高くすることで、溶融材料の噴流を集束させる効果（噴流集束効果）を得ることができる。そして、レーザ光の集光位置、集光角度や集光径の調整等に対応した制御を行なうことが可能である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、中心になる溶融材料と母材成分とを別々にも同時にもレーザ光照射で溶融状態を調節したり、予め加工位置（母材位置）を照射によって加温して調節することが可能であるため、従来の粉末供給連続型装置や、粉末供給一体型装置で生じていた問題を解消することができる。例えば従来の装置では被膜の成分が母材成分によって希釈され変質することで、接合部に脆弱な溶融材料間化合物が生成される場合があったが、それを抑制することができる。また極めて薄い被膜を形成することも容易となる。また、母材が薄い場合や微細な場合にも熱による変形を抑制することができ、母材の融点よりも高い溶融材料をコーティングすることも可能となる。
また本発明によれば、一つのコンデンサレンズや供給ノズルの軸線上またはその周囲（軸線上近傍）に焦点位置を移動することが可能であるから、光ファイバを斜めに配したり、複数のコンデンサレンズを配置したりする必要はなく、レーザ光の集光位置の調整、集光角度の調整、集光径の調整等を行なう場合にもコリメータレンズの径より大きくなることは無いため、装置の小型化が可能となりレーザ光の調節も迅速化する。
また本発明によれば、レーザ光は供給ノズルのノズル先端口から溶接箇所に向かう軸線上または軸線上近傍に焦点位置を移動することが可能であるから、レーザ加工装置に対して、溶融材料を斜めに供給する構造をとる装置や方法と比較すると、溶融材料の照射点とレーザ光の集光点とを調節しやすくなり、溶融材料に対して熱溶融を施すことが容易となる。そのため複雑な形状の加工や微細な加工を施すことが容易になった。そして、コンデンサレンズの軸線上に供給ノズルを配置してその周囲からレーザ光をコンデンサレンズを介して照射させることで、旋回駆動する加工ヘッドに搭載しても、溶融材料の供給方向をレーザ光が追従するように設定することが容易な構造になる。
さらに本発明によれば、コンデンサレンズと粉末供給機能（供給ノズル）が一体化されているため、コンデンサレンズと粉末供給機能が別々になった装置と比較すると装置が小型化する。また一体化されていない装置と比較しても、レーザ光照射位置に溶融材料が連続供給できるため被膜形成効率が高い。
以上、本発明により、レーザ加工装置の小型化や軽量化を図りつつ、レーザ光の焦点位置を供給ノズルのノズル先端口から溶接箇所に向かうコンデンサレンズの軸線上または軸線上近傍に駆動制御することで、多様なレーザ加工を施すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態のレーザ加工装置を示す斜視図である。
【図２】上記実施形態のレーザ加工システムを示す側面図である。
【図３】上記実施形態のレーザ加工装置による肉盛り溶接の例を説明する図である。
【図４】上記実施形態のレーザ加工装置による他の肉盛り溶接例を説明する図である。
【図５】本発明を適用した第２の実施形態のレーザ加工装置を示す側面図である。
【図６】上記実施形態におけるコンデンサレンズの分割例を説明する断面図である。
【図７】上記実施形態における供給ノズルと集束ガスを説明する断面図である。
【図８】上記実施形態において１本の光ファイバを用いてレーザ光を鉛直方向に照射する例を示す側面図である。
【図９】上記実施形態における筐体を示す側面図及び平面図である。
【図１０】上記実施形態における光ファイバとコンデンサレンズの配置構成例を示す平面図である。
【図１１】上記実施形態における中心軸方向での集光位置調整を説明する側面図である。
【図１２】上記実施形態における中心軸方向での集光位置調整を説明する側面図である。
【図１３】上記実施形態における集光角度調整を説明する側面図である。
【図１４】上記実施形態における集光径調整を説明する側面図である。
【図１５】上記実施形態において異波長のレーザ光を組み合わせた場合の側面図である。
【図１６】上記実施形態において供給ノズルの配置調整を説明する側面図である。
【図１７】上記実施形態において溶融材料供給位置を説明する側面図である。
【図１８】上記実施形態において複数本の光ファイバを使用した肉盛溶接例を示す側面図及び平面図である。
【図１９】上記実施形態において複数本の光ファイバを使用した他の肉盛溶接例を示す側面図及び平面図である。
【図２０】上記実施形態において複数本の光ファイバを使用した他の肉盛溶接例を示す側面図及び平面図である。
【図２１】上記実施形態において複数本の光ファイバを使用した他の肉盛溶接例を示す側面図及び平面図である。
【図２２】上記実施形態において複数本の光ファイバを使用した他の肉盛溶接例を示す側面図及び平面図である。
【図２３】本発明を適用した第３の実施形態のレーザ加工装置を示す斜視図である。
【図２４】上記実施形態における光ファイバの着脱部材及び制御部材を示す側面図及び平面図である。
【図２５】上記実施形態におけるコリメータレンズの着脱部材及び制御部材を示す側面図及び平面図である。
【図２６】上記実施形態における供給ノズルの着脱部材及び制御部材を示す側面図及び平面図である。
【図２７】上記実施形態において光ファイバ、コリメータレンズ、供給ノズルが制御部材によってＸ−Ｙ方向に駆動制御されるよう配置構成した平面図である。
【図２８】上記実施形態において光ファイバ、コリメータレンズ、供給ノズルが制御部材によって放射状方向に駆動制御されるよう配置構成した平面図である。
【図２９】上記実施形態において光ファイバ、コリメータレンズ、供給ノズルが制御部材によって周方向に駆動制御されるよう配置構成した平面図である。
【図３０】上記実施形態において光ファイバ、コリメータレンズ、供給ノズルが制御部材によってＸ−Ｙ方向、放射状方向、周方向に駆動制御されるよう配置構成した平面図である。
【図３１】上記実施形態における母材例を説明する斜視図である。
【図３２】上記実施形態における他の母材例を説明する斜視図である。
【図３３】本発明を適用した第４の実施形態のレーザ加工装置の要部拡大図である。
【図３４】上記実施形態において、内管ノズル先端口を、外管ノズル先端口よりも内部に配設した場合を示した要部拡大図である。
【図３５】供給ノズルから噴射される溶融材料の噴流の様子を示す断面図である。
【図３６】二重ノズルによる噴流集束効果のシミュレーション解析図である。
【図３７】二重ノズルによる噴流集束効果の実験検証写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら以下、詳細に説明する。
【００２５】
（第１の実施の形態の基本構造）
図１は本発明の本実施形態であるレーザ加工装置を示している。図２は上記実施形態におけるレーザ加工システムの側面図である。図３は上記実施形態におけるレーザ加工装置の溶接例を示す側面図であり、図４は上記実施形態におけるレーザ加工装置の他の溶接例を示す斜視図である。
本実施形態のレーザ加工装置１００は、複数本の光ファイバ１と、複数本の光ファイバ１から出射されたレーザ光を集光するためのコリメータレンズ２と、複数枚のコリメータレンズ２を通過したレーザ光を一つに集光するためのコンデンサレンズ３と、溶融材料９を噴射供給するための供給ノズル４を備え、複数本の光ファイバ１は、供給ノズル４の周囲において平行に配置されている（図１）。
【００２６】
本実施形態のレーザ加工装置１００は、図２に示すように３次元レーザ加工システム２００において、多軸多間接ロボット１０１のレーザ加工ヘッド部１０１ａに装着される。３次元レーザ加工システム２００は、レーザ加工装置１００を装着した多軸多間接ロボット１０１と、レーザ発振装置１０２と、溶融材料供給装置１０３と、加工テーブル１０４とから構成され、レーザ加工ヘッド部１０１ａは多軸回転可能に構成されている（図２）。多軸多間接ロボット１０１、レーザ発振装置１０２、溶融材料供給装置１０３には電源が備えられ、加工テーブル１０４は多軸回転可能に構成されている。
レーザ発振装置１０２から出力されたレーザ光は光ファイバ１によってレーザ加工装置１００に伝送されることにより、図１に示すレーザ加工装置１００の光ファイバ１からレーザ光Ｌが出射される。また溶融材料供給装置１０３は、図１に示すレーザ加工装置１００の供給ノズル４に接続され、供給ノズル４に溶融材料９を供給する（図１、図２）。
【００２７】
本実施の形態は、肉盛り溶接に本発明を適用したものである。肉盛溶接・溶射は、表面改質技術の一つで、耐磨耗、耐蝕、耐熱、絶縁などを目的に、溶接や溶融した金属（溶融材料）などを吹き付けて、金属の表面を異種金属、セラミックス、サーメット等の被膜で覆う技術である。既に腐食や磨耗によって侵され使えなくなってしまった部品の補修にも適用される。母材（被溶接金属材料、或いは被切断金属材料）の表面に、目的に応じた所要の組成と寸法（特に厚さ）の金属を溶接によって溶着する。溶着のため、母材と溶接材料とが合金化され強固な密着力が得られること、肉盛層の厚みに制限がなく厚い被膜を形成することができる特徴があり、大きな荷重や衝撃がかかる部位に適した表面改質技術である。
【００２８】
複数のコリメータレンズ２は、各々の光ファイバ１からのレーザ光がコリメータレンズ２の中心を通過するように供給ノズル４の周囲に平行に配置され、平行姿勢のまま駆動する。コリメータレンズ２の径は、コンデンサレンズ３の半径以下の大きさで、供給ノズル４に対し、コンデンサレンズ３と同じく垂直に配されている。
コリメータレンズ２の径はコンデンサレンズ３の半分以下の大きさで、複数のコリメータレンズ２の外周部はコンデンサレンズ３の直径の範囲に納まり、複数の光ファイバ１は供給ノズル４に平行配置されたまま平行移動可能である。そのため光ファイバ１やコリメータレンズ２をどのように駆動しても、コンデンサレンズ３の直径より大きくなることは無い。光ファイバ１、コリメータレンズ２、は、各々着脱部材に取り付けられ、着脱部材は制御部材に取り付けられることが好ましい。これらを備えることにより供給ノズル４の周囲において平行、あるいはコンデンサレンズ３に対して平行駆動制御されるよう構成される。
コンデンサレンズ３は、その中央の光軸上に溶融材料９を噴射供給する供給ノズル４が備わっている（図１）。
【００２９】
供給ノズル４はコンデンサレンズ３を貫通するように配置される。供給ノズル４はコンデンサレンズ３を貫通した状態で駆動制御可能でも良い。このように、供給ノズル４は、コンデンサレンズ３の略中心を垂直に貫通するように配置され、供給ノズル４の周囲にコリメータレンズ２がコンデンサレンズ３に対して平行になるように配置される（図１）。そして、供給ノズル４の周囲には均等間隔で光ファイバ１が平行に配置される。光ファイバ１とコリメータレンズ２は、コンデンサレンズ３の径の範囲に収まるように配置されている。溶融材料９としては、ここでは、金属などの粉末材料が用いられるが、ワイヤ等を溶融材料として用いることもできる。
【００３０】
本実施の形態の装置において、光ファイバ１から照射されたレーザ光Ｌは、コリメータレンズ２を通過した後、コンデンサレンズ３で集光されて、所定位置離れた母材ＢＭおよび溶融材料９にレーザ光Ｌを照射する。コリメータレンズ２とコンデンサレンズ３は、コリメータレンズ２を通過したレーザ光Ｌが供給ノズル４のノズル先端口４ａから母材表面上まで至る軸線上Ｏを照射する。
図３は、第１の実施の形態の装置１００による肉盛り溶接の例を説明する図であるが、母材ＢＭの上に配される溶接部材Ｍａの先端側に溶融材料９が垂直姿勢で落下（噴射落下）され、その溶接箇所に至る範囲にレーザ光Ｌａが照射される。レーザ光は複数の光ファイバ１から照射されるが、軸線上Ｏのみならず、その周囲を照射するようにすることも可能である（図１中の矢印のレーザ光Ｌａ参照）。なお、符号Ｍｂは当て板である。
図４は、他の肉盛り溶接の例を説明する図である。母材ＢＭと母材ＢＭの間の溝に溶融材料９が供給されるとともに、溶接箇所に至る軸上Ｏに範囲にレーザ光Ｌａが照射される。レーザ光は複数の光ファイバ１から照射されるが、軸線上Ｏのみならず、その周囲を照射する例である（図１中の矢印のレーザ光Ｌａ参照）。
【００３１】
（第２の実施の形態）
図５は本実施形態のレーザ加工装置１００を示す側面図である。本実施形態のレーザ加工装置１００は、複数本の光ファイバ１と、複数本の光ファイバ１から出射されたレーザ光Ｌを集光するための複数枚のコリメータレンズ２と、コリメータレンズ２を通過したレーザ光Ｌを一つに集光するためのコンデンサレンズ３と、コンデンサレンズ３の略中心を貫通する供給ノズル４を供え、光ファイバ１は、供給ノズル４の周囲において平行に配置されている（図５）。
【００３２】
本実施形態のレーザ加工装置１００は、光ファイバ１とコリメータレンズ２は供給ノズル４に対して平行配置されたまま、すなわち光ファイバ１とコリメータレンズ２の軸線Ｏ１とコンデンサレンズの軸線Ｏが平行のまま、光ファイバ１からレーザ光Ｌが出射され、ノズル先端口４ａから溶接箇所に至るまでのコンデンサレンズ３の軸線上Ｏ及びその周囲に集光する（図５）。
【００３３】
図５は、２本の光ファイバ１を用いてレーザ光Ｌを側方に照射して肉盛溶接する場合の側面図であるが、レーザ光Ｌは光ファイバ１から広がりながら出射されるため通常何らかの集光系を必要とするが本発明ではレンズを使用して集光する。コンデンサレンズ３とコリメータレンズ２を組み合わせることでレーザ光Ｌの集光径をより小さく絞ることができ集光性が高まる。光ファイバ１から照射されたレーザ光Ｌは、コリメータレンズ２を通過した後、コンデンサレンズ３で集光されて、供給ノズル４の噴射口から溶接箇所に至るまでのコンデンサレンズの軸線上Ｏ及びその近傍を照射する（図１、図５）。
【００３４】
コリメータレンズ２は、光ファイバ１からのレーザ光Ｌがコリメータレンズ２の中心を通過するように供給ノズル４の周囲に平行に配置される。コリメータレンズ２の径は、コンデンサレンズ３の半径以下の大きさで、供給ノズル４に対し、コンデンサレンズ３と同じく垂直に配されている。
コリメータレンズ２の径はコンデンサレンズ３の半分以下の大きさで、コリメータレンズ２の外周部はコンデンサレンズ３の直径の範囲に納まる（図５）。
【００３５】
コリメータレンズ２を使用しない場合にも、光ファイバ１から出射されたレーザ光Ｌはコンデンサレンズ３によって供給ノズル４の噴射口から溶接箇所に至る間の軸線上Ｏに照射される。この場合、コリメータレンズ２を使用した場合と比較して、照射されたレーザ光Ｌの集光径は広くなる。
【００３６】
コンデンサレンズ３の中心軸、あるいは中心軸近傍には溶融材料９を噴射供給する供給ノズル４が備わっている（図５）。図６は本実施形態におけるコンデンサレンズ３の分割例を説明する断面図である。図５は一枚のコンデンサレンズ３を使用する場合を図示したが、一枚のコンデンサレンズ３を分割してコンデンサレンズ３ａとして使用しても、一枚のコンデンサレンズ３を用いる場合と同様に集光できる（図６）。
【００３７】
供給ノズル４はコンデンサレンズ３の略中心を垂直に貫通するように配置され、供給ノズル４の周囲にコリメータレンズ２がコンデンサレンズ３に対して平行になるように配置される。また、供給ノズル４の周囲には光ファイバ１が平行に配置される（図５）。供給ノズル４の径を小さくし、ノズル先端口４ａを鋭角とすることで、一つのレーザ光Ｌを供給ノズル４の先端口９ａに照射した場合である。このように供給ノズル４の先端口４ａの形状を変えたり、コンデンサレンズ３からの供給ノズル４の先端を突出させないようにすることで、供給ノズル４の先端口４ａに照射させることが出来る。
【００３８】
図７（ａ）は本実施形態における供給ノズル４の周囲から集束ガスを供給する場合を説明する断面図である。供給ノズル４は、供給ノズル噴射制御手段を備え（不図示）、溶融材料９の噴射量、噴射スピード、噴射範囲を制御する。供給ノズル４の周囲には、集束ガス供給手段１０が一体となって配されることにより、供給ノズル４のノズル先端口４ａの周囲から集束ガス１１が噴射される。集束ガス供給手段１０は集束ガス噴射制御手段を備え、集束ガス１１の噴射量、噴射スピード、噴射範囲を制御する。集束ガス１１はそのままシールドガスとして使用される。さらにシールド性を高めるため外側に別のノズルを装着し、そこからガスを供給しても良い。また供給ノズル４は、溶融材料９を回収するための回収用ノズルを備えていても良い。なお、供給ノズル４とは、集束ガス供給手段１０を備えた二重供給ノズルやその他の機能を備えた多重供給ノズルもその意味に内包し、一重供給ノズルに限定はされない。なお、本レーザ加工装置１００のようにレーザ光Ｌを軸線上Ｏ及びその近傍に側方から照射する場合の好適な二重供給ノズルの構成例については実施例４に詳述する。
図７（ｂ）はコンデンサレンズ３を傾けて配置して実施の形態の断面図である。供給ノズル４は、コンデンサレンズ３を貫通しており、コンデンサレンズ３を傾けて配置している関係で、光ファイバ１のレーザ光Ｌが供給ノズル４の先端口４ａに照射し易くすることが出来る。
【００３９】
供給ノズル４は複数本あっても良いし、供給ノズル４の内部に複数本の溶融材料供給管がある構造でも良い。その場合、溶融材料供給管は各々制御され、一つの供給ノズル４は異なる溶融材料９を供給調節される。
【００４０】
図８は、本実施形態において１本の光ファイバを用いてレーザ光を鉛直方向に照射する例を示す側面図である。本実施形態のレーザ粉体肉盛装置１００は側方へのレーザ光Ｌの照射に限らず、母材ＢＭに対してあらゆる方向から肉盛溶接できる。
効率的にレーザ照射するために母材表面の法線に対し垂直方向から照射することが好ましく、図２で示した加工テーブル１０４を回転制御したり、母材ＢＭをロボットに把持させて母材ＢＭを上下逆さにしたりすることで、母材ＢＭの上方から肉盛溶接する。
なお、図８のレーザ光Ｌは母材ＢＭの表面の位置Ｐよりも離れた軸線上Ｏの位置Ｐ１にレーザ光Ｌを集光させることにより、溶融材料９の周囲にレーザ光Ｌを照射させた例である。
【００４１】
図９〜図２２は本実施形態におけるレーザ加工装置１００を示す側面図及び平面図である。図９〜図２２では、溶融材料９、母材ＢＭ、当て板Ｍｂは、コンデンサレンズの軸線上Ｏにあり（不図示）、コンデンサレンズの軸線上Ｏを、溶融材料９を供給しながらレーザ光Ｌを照射する例である。
【００４２】
図９（ａ）は本実施形態における筐体を説明する側面図であり、図９（ｂ）はその平面図である。光ファイバ１のレーザ光射出口、コリメータレンズ２、コンデンサレンズ３、及び供給ノズル４は、円筒形上の筐体６の内部に収納されることが好ましい（図９）。
供給ノズル４のノズル先端口側を筐体６の先端側とし、その反対側となる光ファイバ１の位置する側を筐体６の後端側６ｂとすると、筐体６の後端側６ｂには複数本の光ファイバ１が配され、光ファイバ１のケーブルは筐体６の外部へと延長した配置となる。複数本の光ファイバ１は、光ファイバ１から射出されたレーザ光Ｌがコリメータレンズ２を通過するように、複数のコリメータレンズ２に各々対応して配される（図９（ａ））。
複数のコリメータレンズ２は、筐体６の内部において光ファイバ１とコンデンサレンズ３との中間に位置し、光ファイバ１から射出されたレーザ光Ｌがコリメータレンズ２を通過した後にコンデンサレンズ３によって集光されるように配され（図９（ａ））、かつコリメータレンズ２は供給ノズル４の周囲に配されている（図９（ｂ））。筐体６の先端側にはコンデンサレンズ３が配され、コンデンサレンズ３の略中心を貫通するように供給ノズル４が配される（図９）。
なお筐体６を使用しない場合においても、少なくともコリメータレンズ２の軸線Ｏ１はコンデンサレンズ３を通過する大きさとなる。
【００４３】
光ファイバ１、供給ノズル４、コンデンサレンズ３の全体は必ずしも筐体６の内部に収納される必要は無く、また筐体６は円筒形でなくとも良い。筐体６は円筒形にすることでレーザ粉体肉盛装置１００の小型化が図られるが、円筒形以外の形状であっても良く、レーザ加工装置１００およびその構成要素の形状に合わせ、小型化や軽量化が図られるように適宜変更することが好ましい。
【００４４】
図１０は本実施形態における光ファイバ１とコリメータレンズ２の配置構成例を示す平面図である。図１０（ａ）は複数本の光ファイバ１と複数枚のコリメータレンズ２を円状に配置した例である。図１０（ｂ）は複数本の光ファイバ１と複数枚のコリメータレンズ２をコンデンサレンズ３の半径内においてランダムに配置した例である。
【００４５】
本実施形態では、１本の光ファイバと１枚のコリメータレンズ２を配置した場合（図８）、複数本の光ファイバ１と複数枚のコリメータレンズ２を直線状に配置した場合（図９）、複数本の光ファイバ１と複数枚のコリメータレンズ２を円状に等間隔で配置した場合であり（図１０（ａ））、複数本の光ファイバ１と複数枚のコリメータレンズ２をコンデンサレンズ３の半径内においてランダムに配置した場合（図１０（ｂ））のいずれにおいても、供給ノズル４の供給口から溶接箇所に至るまでの間の軸線上Ｏを照射することができる。
【００４６】
図１１、図１２は、本実施形態における中心軸方向での集光位置調整を説明する側面図である。図１１、図１２は、光ファイバ１とコリメータレンズ２の相対的距離が離れているほど、レーザ光の集光位置はコンデンサレンズの軸線上において供給ノズル４の先端口４ａに近づき、光ファイバとコリメータレンズの相対的距離が近いほど、レーザ光の集光位置が供給ノズル４の先端口４ａから離れることを説明する図である。
【００４７】
図１１は、コリメータレンズ２からコンデンサレンズ３までの距離と、コリメータレンズ２ａからコンデンサレンズ３までの距離は同一であり、光ファイバ１からコリメータレンズ２までの距離と、光ファイバ１ａからコリメータレンズ２ａまでの距離が異なる場合の集光位置の差を示している。光ファイバ１から照射されたレーザ光Ｌの集光位置はＰ１であり、光ファイバ１ａから照射されたレーザ光Ｌ１ａの集光位置をＰ１ａである。
光ファイバ１と比較して後方に位置する光ファイバ１ａはコリメータレンズとの距離が離れているため、光ファイバ１ａから出射されたレーザ光Ｌ１ａの集光位置Ｐ１ａは、レーザ光Ｌから出射されたＬ１の集光位置Ｐ１に比べて供給ノズル４のノズル先端口４ａに近づくことになる（図１１）。
【００４８】
図１２は光ファイバ１からコンデンサレンズ３までの距離と、光ファイバ１ａからコンデンサレンズ３までの距離が同一であり、光ファイバ１からコリメータレンズ２までの距離と、光ファイバ１ａからコリメータレンズ２ａまでの距離が異なる場合の集光位置の差を示している。コリメータレンズ２を通過したレーザ光Ｌの集光位置をＰ１でコリメータレンズ２ａを通過したレーザ光Ｌ２ａの集光位置をＰ２ａで示している。
コリメータレンズ２と比較して前方に位置するコリメータレンズ２ａは光ファイバ１までの距離が離れているため、コリメータレンズ２aを通過したレーザ光Ｌ２aが集光する位置Ｐ２aは、コリメータレンズ２を通過したレーザ光Ｌが集光する位置Ｐ１と比較して供給ノズル４のノズル先端口４ａに近づくことになる（図１２）。
【００４９】
図１３は、本実施形態における集光角度調整を説明する側面図である。図１３は、光ファイバ１とコリメータレンズをコンデンサレンズの軸線上Ｏに近づけて配置した場合に、レーザ光の集光角度が小さくなることを示す図である。
【００５０】
光ファイバ１ａとコリメータレンズ２ａの軸線Ｏ１ａは、光ファイバ１とコリメータレンズ２の軸線Ｏ１と比較してコンデンサレンズ３の軸線上Ｏに近い位置に配置されている（図１３）。この場合、光ファイバ１ａから出射されたレーザ光Ｌ１ａの集光角度θＬ１ａは、光ファイバ１から出射されたレーザ光Ｌの集光角度θＬと比較して集光角度が小さくなる（図１３）。
レーザ粉体肉盛溶接において狭小な空間を溶接する場合、レーザ光の集光角度が大きいと溶接箇所までレーザ光が届かない場合があるが、集光角度を小さくすることにより溶接可能となる。また集光角度を小さくするとレーザ光が軸線上Ｏに近づくため、供給ノズル４から供給されて軸線上Ｏを通る溶融材料９を広範囲に温めることが可能である。またコンデンサレンズ３の直径サイズより装置を大型化することなく、集光角度を調節することができる。
【００５１】
図１４は、本実施形態における集光径調整を説明する側面図である。図１４は、光ファイバ１からコンデンサレンズ３までの距離が同一で、焦点距離の異なるコリメータレンズ２を使用した場合のレーザ光の集光径の差を示しており、焦点距離が短いコリメータレンズを使用すると集光径が大きくなることを示す図である。
【００５２】
短焦点コリメータレンズ２Ｓを使用した場合のレーザ光Ｌ２Ｓの形成する集光径ＰＳと比較して、長焦点コリメータレンズ２Ｌを使用した場合のレーザ光Ｌ２Ｌの形成する集光径ＰＬは径が小さくなる（図１４）。
レーザ加工において微細な立体構造にレーザ照射したい場合に、長焦点コリメータレンズ２Ｌを選択し、平面上を幅広く照射して短時間で加工したい場合には短焦点コリメータレンズ２Ｓを使用して、レーザ光の照射スポットの径を小さくすることにより加工を行なう。
レーザ加工作業では急冷をともない、それにより肉盛溶接部分が割れることがある。これを防ぐには肉盛溶接部の徐冷が必要となる。そこで母材を加熱するレーザ光の集光径のみを拡張し、周辺を広く加熱することで所望の徐冷が実現できる。このように集光径の調整を行なうことによって、肉盛溶接部の徐冷を行なうことができる。
【００５３】
図１５は本実施形態において異波長のレーザ光を組み合わせた場合の側面図である。図１５は、光ファイバ１から照射される波長が異なる場合の加工例を説明する図である。
【００５４】
レーザ発振装置１０２から発振されるレーザ光を変更することによって異なる波長のレーザ光を照射する（図２、図１５）。光ファイバ１から照射されるレーザ光Ｌと、光ファイバ１ａから出射されるレーザ光Ｌ１ａの波長が異なることで、母材ＢＭの材質や形状に応じた調整を行なう。
熱交換器Ｎを母材ＢＭとするレーザ加工のように（図３１（ｄ））、母材ＢＭと溶融材料９の材料特性が異なる場合においては各々のレーザ光の照射エネルギーを調節して加工する。熱交換装置Ｎでは、表面積をなるべく広くするため複雑な形状を呈することが多く、肉盛溶接するには装置の姿勢や位置を頻繁に変える必要があり軽量化や小型化が重要となる。本発明のレーザ加工装置では、レーザ光を長波長レーザや短波長レーザに交換できる。銅は長波長レーザを反射しやすくエネルギーを吸収しにくいため、短波長レーザが必要となる。一方、母材側のステンレスは長波長レーザであっても吸収されやすいので、高出力が容易な長波長レーザを使用することが合理的である。
【００５５】
図１６、図１７は本実施形態において供給ノズル４の位置調整を説明する側面図である。
【００５６】
図１６は、供給ノズルがコンデンサレンズの略中心を貫通するようにし、供給ノズルの配置がコンデンサレンズの軸線上で異なる場合の加工例を示す。供給ノズル４Ｂのように後方側に位置する場合と比べて、供給ノズル４を移動可能にして、ノズル先端口４ａが母材ＢＭに近つけると、レーザ光の集光角度を変えることなくレーザ光の照射域へ溶融材料９の噴射を近づけることができる。溶融材料９の特性に合わせて安定的に溶融材料９を溶融したり、溶融材料噴射領域を狭めたり広げたりしながら肉盛溶接を行なう。
【００５７】
図１７は、コンデンサレンズ３の軸線Ｏと供給ノズル４の軸線Ｃをずらして配置した場合の加工例である。供給ノズル４の軸線Ｃを、コンデンサレンズ３の軸線Ｏ（レーザ加工装置の中心軸）からずらし、レーザ加工装置１００の進行方向Ｄと逆の位置に供給ノズル４を配置して、溶融材料９を噴射すると、レーザ光直下Ｕと溶融材料投入位置Ｇがずれることで、レーザ肉盛溶接において母材が予め照射されて熱せられた箇所に溶融材料９が噴射されるため、短時間でのレーザ加工処理が可能となる（図１７）。
【００５８】
図１８〜図２２は本実施形態において複数本の光ファイバを使用した肉盛溶接例を示す側面図及び平面図である。図１８（ａ）は本実施形態において二本の光ファイバ１と二枚のコリメータレンズ２をコンデンサレンズ３の中心に等距離に配置した加工する例を示す側面図であり、図１８（ｂ）はその平面図である。図１９（ａ）は、図１８で示した配置構成のうち、一本の光ファイバ１ａとそれに対応した一枚のコリメータレンズ２aを、コリメータレンズ２ａの軸線上Ｏ１の異なる位置に配置した例を示す側面図で、図１９（ｂ）はその平面図である。
図１１で示した場合と同様、光ファイバ１aからコリメータレンズ２ａまでの距離が離れることにより、光ファイバ１ａから出射されたレーザ光Ｌ１aのみ、供給ノズルのノズル先端口４ａ方向へ近づく（図１８（ａ）、図１９（ａ））。
図２０（ａ）は本実施形態において二本の光ファイバ１と二枚のコリメータレンズ２をコンデンサレンズ３の半径方向に直線的に配置した加工例を示す側面図であり、図２０（ｂ）はその平面図である。図２１（ａ）は、図２０で示した配置構成のうち、一本の光ファイバ１とそれに対応した一枚のコリメータレンズ２をコリメータレンズ２の軸線上Ｏ１の異なる位置に配置した例を示す側面図である。
図２０（ｂ）、図２１（ｂ）において、光ファイバ１、光ファイバ１ａ、コリメータレンズ１、コリメータレンズ１ａの平面上の配置構成は、図１８（ｂ）、図１９（ｂ）に示した配置構成とは異なるが、この場合においても図１１で示した場合と同様、光ファイバ１aからコリメータレンズ２ａまでの距離が離れることにより、光ファイバ１ａから出射されたレーザ光Ｌ１aのみ、供給ノズルのノズル先端口方向へ近づく（図２０（ａ）、図２１（ａ））。
図２２（a）は六本の光ファイバ１と六枚のコリメータレンズを、供給ノズル４を中心として周囲に配置した場合の側面図であり、図２２（ｂ）はその平面図である。
軸線上Ｏ１における光ファイバ１からコリメータレンズ２までの距離と、軸線上Ｏ１Ｃにおける光ファイバ１ｃからコリメータレンズ２Ｃまでの距離は同じであり、軸線上Ｏ１aにおける光ファイバ１aからコリメータレンズ２ａまでの距離と、軸線上Ｏ１ｄにおける光ファイバ１ｄからコリメータレンズ２ｄまでの距離は同じであり、軸線上Ｏ１ｂにおける光ファイバ１ｂからコリメータレンズ２ｂまでの距離と、軸線上Ｏ１ｅにおける光ファイバ１ｅからコリメータレンズ２ｅまでの距離は同じである（図２２（a））。この場合においても図１１で示した場合と同様、光ファイバからコリメータレンズまでの相対的距離が離れると、光ファイバから出射されたレーザ光の集光位置が、供給ノズルのノズル先端口方向へ近づいて照射される（図２２の集光位置Ｐ１〜Ｐ１ｅを参照）。
【００５９】
本実施の形態により、光ファイバ１とコリメータレンズ２は供給ノズル４に対して平行配置されたまま、すなわち光ファイバ１およびコリメータレンズ２の軸線とコンデンサレンズ３の軸線Ｏが平行のまま、光ファイバ１から出射されたレーザ光Ｌは、ノズル先端口から溶接箇所に至るまでの軸線上Ｏ及びその周囲に集光することができる（図５〜図２２）。また光ファイバ１、コリメータレンズ２、供給ノズル４の配置構成によって、光ファイバ１から出射されるレーザ光Ｌは、ノズル先端口から溶接箇所に至るまでの軸線上Ｏ及びその周囲における照射域が変化する（図５〜図２２）。したがって制御部材によって光ファイバ１やコリメータレンズ２を駆動しない場合でも、複数本の光ファイバ１と、複数枚のコリメータレンズ２の中から、使用する光ファイバ１とコリメータレンズ２を選択することにより、軸線上Ｏにおけるレーザ光照射領域を変化させることも可能である。
【００６０】
（第３の実施の形態）
図２３（ａ）（ｂ）は本発明の第３の実施形態であるレーザ加工装置１００を示す斜視図である。図２４〜図２７は本実施形態のレーザ加工装置１００の制御部材８と着脱部材７を説明する側面図と平面図である。
本実施形態のレーザ加工装置１００は、複数本の光ファイバ１と、複数本の光ファイバからのレーザ光Ｌが各々通過する複数枚のコリメータレンズ２と、複数枚のコリメータレンズ２を通過した各々のレーザ光Ｌを集光するコンデンサレンズ３と、溶融材料９を噴射供給する供給ノズル４とを備える。そして、供給ノズル４はコンデンサレンズ３を貫通するように配置されるか、又は、供給ノズル４はコンデンサレンズ３を貫通した状態で駆動制御が可能に配置され、複数本の光ファイバ１は、供給ノズル４に沿って平行に配置される（図２３）。光ファイバ４およびコリメータレンズ２は、供給ノズル４に対して平行に駆動制御する制御部材を備えるか、又は、コンデンサレンズ３に対して径方向に駆動制御する制御部材を備える（図２４〜図２７）。
ここで、ローラ円筒面を肉盛する例で説明すると（図２３（ｂ）），ローラを回転させながら螺旋状にレーザ光Ｌを進める場合、レーザ光Ｌの移動方向は一定であるために、レーザ光照射部の後方を狙って粉末状の溶融材料９を供給することで、レーザ光Ｌの照射部後方に高温部が広く形成され、高効率かつ高速で処理ができるようになる。また、ローラ円筒面ＢＷの傾斜角度によって溶融材料９の放出方向が傾斜角度によってズレるような場合においても、確実にレーザ光Ｌの光軸を当てることができ、かつ、追随するように設定することが容易である。また、追随する前方側や後方側を予め照射して温めながら溶融した溶融材料を供給することができる。
また、図３２（ａ）（ｂ）は、コンデンサレンズ３の中心の光軸からズレた位置に供給ノズル４が配置された例であり、この供給ノズル４から溶融材料９が傾斜した状態で溶接個所に噴射させた状態になる場合である。このように、コンデンサレンズ３の中心からズレた位置の供給ノズル４からの溶融材料９であっても、供給ノズル４の周囲に配される光ファイバ１からのレーザ光Ｌの光軸を当てることができ、かつ、追随するように設定したり、これら溶接個所の周囲において照射することが容易である。
【００６１】
図２４（ａ）は、本実施形態における光ファイバ１の着脱部材７及び制御部材８を示す側面図であり、図２４（ｂ）はその平面図である。
光ファイバ１は、着脱部材７に取り付けられ、着脱部材７は制御部材８に取り付けられる。制御部材８はレールやモータ等を備えており、着脱部材７を駆動することによって、供給ノズル４に対して平行或いは垂直方向に光ファイバ１を移動する。したがって、光ファイバ１は供給ノズル４に対して平行、あるいはコンデンサレンズ３に対して平行に駆動制御される。言い換えれば、コンデンサレンズ３の軸線上Ｏに対して平行移動あるいは垂直移動可能に構成される。レーザ光Ｌは供給ノズル４から溶接箇所に至るまでのコンデンサレンズ３の軸線上Ｏにおいて照射制御される(図２４（ａ）(ｂ))。なお、図２４（ａ）は光ファイバのレーザ光Ｌは、所定幅Ｌａで溶融材料９に照射される例を示している。
【００６２】
図２５（ａ）は、本実施形態におけるコリメータレンズの着脱部材７及び制御部材８を示す側面図であり、図２５（ｂ）はその平面図である。
コリメータレンズ２は、着脱部材７に取り付けられ、着脱部材７は制御部材８に取り付けられることにより、コリメータレンズ２は制御部材８によってコンデンサレンズ３の軸線Ｏに対し平行あるいは垂直に駆動される。言い換えれば、制御部材８は供給ノズル４に対して平行あるいは垂直にコリメータレンズ２を駆動する。レーザ光Ｌは供給ノズル４から溶接箇所に至るまでのコンデンサレンズ３の軸線上Ｏを照射制御される(図２５（ａ）(ｂ))。なお、装置の小型化や軽量化を実現する上で、コリメータレンズ２はコンデンサレンズ３の半径内に納まるように着脱部材７Ｂ及び制御部材８Ｂによって駆動制御される構成であることが好ましい。例えば、コンデンサレンズ３を筐体内に収納する場合、コリメータレンズ２はコンデンサレンズ３の直径内に納まるように駆動制御される。筐体を使用しない場合にはコリメータレンズ２の駆動範囲は制限されないため、コリメータレンズ２の駆動範囲は必ずしもコンデンサレンズ３の直径内に納まらない。
【００６３】
コンデンサレンズ３はその位置を固定して配されるが、着脱部材によって脱着可能あるいは制御部材によって制御可能であっても良い。また一枚のコンデンサレンズ３を複数に分割し（図６）、それぞれ着脱部材及び制御部材を装着することで、分割されたコンデンサレンズ３aの各々について集光制御やレンズ交換が可能であっても良い。
【００６４】
図２６（ａ）は、本実施形態における供給ノズル４の着脱部材７及び制御部材８を示す側面図であり、図２６（ｂ）はその平面図である。
供給ノズル４は、着脱部材に取り付けられ、着脱部材は制御部材に取り付けられることによって、制御部材８Ｃが供給ノズル４をコンデンサレンズ３の軸線上Ｏに対して平行移動あるいは垂直移動可能に構成される。すなわち、供給ノズル４はコンデンサレンズ３の略中心を通過するようにしてコンデンサレンズ３の径方向に垂直あるいは平行に移動する。溶融材料９は供給ノズル４から溶接箇所に至るまでのコンデンサレンズ３の軸線上Ｏ及びその周囲に供給される(図２６)。
【００６５】
光ファイバ１、コリメータレンズ２、及び供給ノズル４の具体的な制御部材としては、例えばカメラのオートフォーカス機能等で採用されているボイスコイルモータやリニアモータなどが考えられる。また光ファイバ１、コリメータレンズ２、及び供給ノズル４の着脱方法としては、例えばスライド式のホルダに格納して、抜き差しを行なうことで着脱や交換を行なうことができる。光ファイバ１、コリメータレンズ２、コンデンサレンズ３、供給ノズル４は、同様の機構により駆動制御され、同期駆動あるいは個別駆動する。
【００６６】
図２７〜図３０は本実施形態における光ファイバ１、もしくはコリメータレンズ２、もしくはコンデンサレンズ３、もしくは供給ノズル４が、制御部材と着脱部材の配置構成例を示す平面図である。図２７は制御部材８及び着脱部材７によってＸ−Ｙ方向に駆動制御されるように構成された配置例である。同様に、図２８は放射状に駆動制御されるように構成された配置例である。図２９は周方向に駆動制御されるように構成された配置例である。図３０はＸ−Ｙ方向、放射状方向、そして周方向に自在に駆動制御されるように構成された配置例である。
【００６７】
本実施形態では光ファイバ１、コリメータレンズ２、供給ノズル４は、コンデンサレンズ３の軸線Ｏに平行移動するため（図２４〜図２６）、図２７〜図３０に示す配置構成をとることにより、コンデンサレンズの半径軸に対して上下左右方向、斜め上下左右、円周移動をする。制御部材７はレーザ加工装置の制御部で同期駆動させたり、個別に駆動させたりする。図２４（ａ）は、デフォーカスして溶融材料９に対して照射し溶融する場合の例である。また、レーザ光は一度焦点を結んだ後の広がりでデフォーカスして溶融材料９に対して照射し溶融することもできる（図２４（ａ））。
【００６８】
第３の実施形態による集光制御方法は、第２の実施形態の図１１〜図１７に示したレンズの性質を利用している。すなわち、光ファイバ１、コリメータレンズ２、供給ノズル４を制御部材によって駆動制御して配置を変えることにより、光ファイバ１から出射されるレーザ光Ｌを、ノズル先端口４ａから溶接箇所に至るまでの軸線上Ｏ及びその周囲に照射する。
【００６９】
中心軸（軸線）上における集光制御は、制御部材８によって光ファイバ１とコリメータレンズ２の相対的距離が離すことにより、レーザ光Ｌの集光位置Ｐは供給ノズル４のノズル先端口方向へ近づけることができる（図１１）。制御部材８によって光ファイバ１とコリメータレンズ２の相対的距離を近づけることにより、レーザ光Ｌの集光位置Ｐは供給ノズル４のノズル先端口方向から離すことによって行なう（図１２）。
したがって、光ファイバ１あるいはコリメータレンズ２が軸線Ｏに対して平行移動することで、光ファイバ１とコリメータレンズ２との相対的距離が変ることにより、光ファイバ１およびコリメータレンズ２が供給ノズル４に対して平行配置されたまま、供給ノズル４から溶接箇所に至る間の材料の供給領域Ｒ（軸線上Ｏ）において、レーザ光Ｌの照射制御を行なう。
【００７０】
レーザ光Ｌの集光角度の制御は、光ファイバ１とコリメータレンズ２の制御部材８を同期駆動させ、光ファイバ１とコリメータレンズ２の軸線Ｏ１からコンデンサレンズ３の軸線Ｏまでの相対的距離を制御することによって、レーザ光Ｌ１の集光角度θＬ１を調節する（図１３）。なお、集光角度の調整を行なわない場合、光ファイバ１とコリメータレンズ２は粉末供給ノズル４に対して平行配置され、平行移動のみするため、光ファイバ１やコリメータレンズ２をどのように駆動しても、コンデンサレンズ３の直径より大きくなることは無い。
【００７１】
レーザ光Ｌの集光径の制御は、コリメータレンズ２が着脱部材７を備えることにより、コリメータレンズ２を焦点距離の異なるレンズへ交換することにより行なう（図１４）。
【００７２】
異なる波長のレーザ光照射制御を行なう場合、光ファイバ１を着脱する機構である着脱部材７により行なう（図１５）。
【００７３】
供給ノズル４が制御部材を備える場合、制御部材７によってコンデンサレンズ３の略中心を貫通するようにして、コンデンサレンズ３に垂直に移動させることにより、供給ノズル４のノズル先端口４ａから母材ＢＭまでの距離が近づき、レーザ光の集光角度を変えることなくレーザ光の照射域へ溶融材料噴射を近づけることができ、溶融材料９の特性に合わせて安定的に溶融材料９を溶融可能となる。溶融材料噴射領域を狭めたり広げたりしながら肉盛溶接することも可能である（図１６）。
また供給ノズル４を制御部材７によって筐体後端の方向へ移動させ、レーザ光の集光角度を変えることで、集光位置をコンデンサレンズ３に近接した位置に調節することもできる。また筐体６の内部へと収納することもできるため筐体及びレーザ加工装置の小型化も可能となる（不図示）。
【００７４】
供給ノズル４を制御部材７によってコンデンサレンズ３の直径方向に対して平行移動させて、コンデンサレンズ３の軸線Ｏと供給ノズル４の軸線Ｃをずらして配置することにより、供給ノズル４の軸線Ｃを、コンデンサレンズ３の軸線Ｏ（レーザ加工装置の中心軸）からずらし、レーザ加工装置１００の進行方向Ｄと逆の位置に供給ノズル４を配置して、溶融材料９を噴射すると、レーザ光直下Ｕと溶融材料投入位置Ｇがずれるため、溶接進行方向に対して、レーザ光照射領域よりも後方に溶融材料投入をすることでより効率的な溶融材料投入が可能となり、短時間でのレーザ加工処理が可能となる（図１７）。
供給ノズル４に着脱部材７が装着されていることで溶融材料９の種類に応じた供給ノズル４の使い分けが可能となる。また各々に着脱部材が装着されていることにより、光ファイバ１、コリメータレンズ２、そして供給ノズル４が故障した際の交換も容易となる。
供給ノズル４から噴射された溶融材料９は、光ファイバ１、コリメータレンズ２、供給ノズル４の各々が駆動することにより、供給ノズル４の噴射口から母材表面上まで至る間の軸線上Ｏにおいて自在にレーザ光照射することができるため、溶融材料９を直接溶融したり、溶けた状態で母材表面に供給したりすることが可能となる。
【００７５】
図２３は本実施例におけるレーザ加工装置１００の斜視図であり、複数本の光ファイバ１と複数枚のコリメータレンズ２を用いてレーザ加工処理を行なう場合、複数本の光ファイバ１と複数枚のコリメータレンズ２と供給ノズル４を独立させ或いは同期させながら駆動調節することで、多様なレーザ加工処理が可能となることを説明する図である。
【００７６】
光ファイバ１の出射口からコリメータレンズ２までの距離ｄ１を変化させることにより、またはコリメータレンズ２からコンデンサレンズ３までの距離ｄ２を変化させることにより、他のレーザ光照射とは独立させて、供給ノズル４の噴射口から溶接箇所に至るまでの軸線上Ｏやその近傍での照射制御を行なう。このことにより、コンデンサレンズから母材表面の溶接箇所Ｐに至るまでの領域Ｒにおいて、光ファイバ１の本数またはコリメータレンズ２の枚数に応じた照射が可能となる（図１１、図１２、図２３）。
また、光ファイバ１とコリメータレンズ２を同期駆動させて、光ファイバ１またはコリメータレンズ２から供給ノズル４までの距離ｄ３を変えることにより、光ファイバ１の本数またはコリメータレンズ２の枚数に応じた集光角度の制御を行なう（図１３、図２３）。
また各々のコリメータレンズ２が着脱部材を備えて、焦点距離の異なるコリメータレンズ２に交換することで、光ファイバ１の本数またはコリメータレンズ２の枚数に応じた集光径の制御を行ない（図１４）、各々の光ファイバ１が着脱部材によって光ファイバ１を交換することで、光ファイバの数に応じた数の異なる波長のレーザ光を照射する（図１５）。本レーザ加工装置１００は複数本の光ファイバ１と複数枚のコリメータレンズ２を備えているため、その数の範囲内であれば、レーザ加工処理をする間、着脱交換する必要なく集光径の調節や異波長のレーザ光照射をすることが可能である（図２３）。
また供給ノズル４が制御部材７Ｃを備えることで、レーザ加工処理をしながら溶融材料投入位置調節を行ない（図１６）、複数本の光ファイバ１と複数枚のコリメータレンズ２を使用する場合、図２３に示す供給ノズル４の位置（移動可能領域）ｄ５を変えることで溶融材料９の噴射位置Ｒ２を変更することができる。
さらに複数本の光ファイバ１と複数枚のコリメータレンズ２を備えていることで、光ファイバ１を交換することなく照射に使用するレーザ光Ｌを瞬時に変更して照射量を変化させたり、照射範囲を変化させたりすることが可能である。また使用するレーザ光Ｌを変更することで、供給ノズルを制御部材で駆動させることなくレーザ光直下から溶融材料９の投入位置までの距離Ｒを瞬時に変更することも可能である。
【００７７】
本実施形態において、光ファイバ１とコリメータレンズ２はコンデンサレンズ３の範囲内に納まる個数であれば複数個取り付け可能であり、供給ノズル４の噴射開口部から母材表面の溶接箇所に至るまでの間を、平行配置のまま複数点で照射が可能である（図２３）。
したがって本実施形態で示した、１．複数のコリメータレンズ２の位置を調節することで各々の照射点を経時的に移動させる場合、２．コリメータレンズ２と光ファイバ１を同調して移動させることで各々の照射角度を経時的に変更する場合、３．光ファイバ１の変更によりレーザ光の波長を変更する場合、４．焦点距離の異なるコリメータレンズ２に変更することにより集光径の調整をする場合、５．光ファイバ１やコリメータレンズ２を増やした場合のいずれの場合においても、コンデンサレンズ３の径より装置が大型化することなく実施可能である。
【００７８】
本実施例ではコリメータレンズ１やコンデンサレンズ３は正円として図示しているが、光ファイバ１からのレーザ光を集光することが可能であれば必ずしも正円である必要はない。三角形、台形、扇方、菱形など様々な形に適宜変更が可能である。例えばコンデンサレンズ３及び筐体６をルーローの多角形とし、光ファイバ１のケーブルを可変自在な制御が可能とすることで、微細な立体構造の隅までレーザ加工装置が入り込んで加工処理を施すことが可能となる。正円のコンデンサレンズを用いる場合、その正円に隙間無くかつなるべく多くの光ファイバ１及びコリメータレンズ２が収まる形状とすることで小型化、軽量化、低コスト化を実現できる。レーザ加工装置１００の構成要素の形状、デザインに合わせて適宜その形を変更することが好ましい。
【００７９】
従来からコリメータレンズとコンデンサレンズといったコンデンサレンズを用いてレーザ光を焦点に集める方法以外にも、プリズムなどの偏光素子を用いて、レーザ光の光路を変更するレーザ加工装置も存在しているが、プリズムを用いる場合、プリズムは光を一方向に屈折させる機能しかないため集光にレンズを必要とする。したがって、プリズムを使用するとプリズムそのものやプリズムを固定するための装着部材なども別に必要となり、コリメータレンズとコンデンサレンズのみを用いる場合と比較して余計な部品が増えることとなる。このように偏向素子を使用した場合には、光ファイバの数に対応した複数の偏光素子を必要とし、かつ複数の偏光素子の個数に応じた各種装着部材をレーザ粉体肉盛装置に取り付ける必要があるため装置が大型化、重量化する。またレーザ光はプリズムを通過すると歪むため集光性が劣化する。
したがってレーザ加工装置のサイズの点から或いは集光性の点からも集光素子としてはレンズのみを使用することが望ましい。ただし、本発明において供給ノズルはコンデンサレンズを貫通するようにして配置されるため１枚のコンデンサレンズに穴をあける又は１枚のコンデンサレンズを分割して配置する必要がある。このようなことを回避するためにプリズムとコリメータレンズとコンデンサレンズを併用するも可能である。
【００８０】
以上、本実施例では係る構成をとることにより、図２３に示したように供給ノズル４がコンデンサレンズ３の中心部分を通過し、かつ、複数本の光ファイバ１は供給ノズル４に対して平行配置されたまま溶融材料９や母材ＢＭに照射することができる。そしてレーザ加工装置１００を稼動させて各種制御を行なう間、複数本の光ファイバ１と複数枚のコリメータレンズ２と供給ノズル４とは、コンデンサレンズ３の直径より広がることなく制御される。したがってレーザ加工肉盛装置に使用される筐体の断面積はコンデンサレンズ３の直径と同等で済む。
【００８１】
従来からコリメータレンズとコンデンサレンズを用いてレーザ光を集光するレーザ粉体肉盛装置は従来からあったが、レーザ光を集光するコンデンサレンズは一枚ではなく、コリメータレンズの枚数に応じた数を必要とした。また従来の装置では、コンデンサレンズの数に応じた各種の装着部材をレーザ粉体肉盛装置に取り付ける必要があった。
本願発明により、従来から存在したレーザ加熱装置と供給ノズルとが一体となっていない装置、レーザ加熱装置側面に供給ノズルが配された装置、そして複数の光ファイバが供給ノズルに対して平行配置されていない装置等と比較して装置の小型化が可能となる。さらに従来のレーザ粉体肉盛装置と比較して、一枚のコンデンサレンズ３とそれに応じた各種装着部材で済むため、装置の小型化、軽量化、低コスト化が可能となる。
【００８２】
本実施の形態のレーザ加工装置１００の適用対象としては、ドリルＤの刃先Ｄａを粉体肉盛溶接する場合や（図３１（ａ）（ｂ））、タービンブレードＴの刃先Ｔａの粉体肉盛溶接する場合に使用される（図３１（ｃ））。
図３１（ｃ）は、熱交換器Ｎを母材としてレーザ粉体肉盛溶接する場合における、熱交換器Ｎの模式図である。このような外周に凹凸のある熱交換器Ｎの場合、ステンレスなどの母材表面に銅などの異材を肉盛溶接する必要があるが、この場合溶融材料９を加熱溶融するレーザ光Ｌと、母材ＢＭを加熱するレーザ光とは異なる温度とする必要がある。溶融材料を加熱溶融する温度で母材を加熱すると母材の変形や変色が生じるため、母材の加熱温度は溶融材料の加熱温度よりも下げた適温に調節する必要があるためである。本発明のレーザ加工装置１００は溶融材料９を加熱溶融するレーザ光Ｌと、母材を加熱溶融するレーザ光Ｌの波長、出力、集光径を独立して調整することで各々の加熱温度を調節することが可能となる。
【００８３】
溶融材料の材質としては銅に限らず様々なものが考えられ、反射の強い材料、融点の高い材料などもその一例である。これらの材質からなる溶融材料を肉盛溶接する場合、銅の場合と同様に母材とは異なるレーザ照射が重要となるが、本発明ではレーザ光の集光径、照射エネルギー量を変化させることができ、かつ溶融材料の噴射量、噴射スピード、噴射範囲を変化させることができるため迅速な肉盛加工が可能となる。
なお、本実施例の場合、供給ノズル４のノズル先端口４ａから溶接箇所に至るまでの軸線上Ｏを、光ファイバの数に応じた異なるレーザ照射が可能である。また各々のレーザ光Ｌは着脱部材や制御部材によってレーザ光照射制御が可能である。
【００８４】
（第４の実施の形態）
図３３は、本発明の第４の実施形態であるレーザ加工装置１００を示す断面図である。
図３３は、図７（ａ）と同じく二重供給ノズルではあるが、内管ノズル４１のノズル先端口（内管ノズル先端口）４１ａが、外管ノズル４２のノズル先端口（外管ノズル先端口）４２ａよりも外部（前方）に配設（突設、突出）した場合を示した要部拡大図である。図３４は、図３３とは反対に、内管ノズル先端口４１ａを、外管ノズル先端口４２ａよりも内部に配設（突設、突出）した場合を示した要部拡大図である。
【００８５】
図７（ａ）において供給ノズル４がその周囲に集束ガス供給手段１０を備えた二重供給ノズルの例を簡単に示したが、本実施の形態では、本発明のレーザ加工装置１００のようにレーザ光Ｌがコンデンサレンズ３の軸線上Ｏ及びその近傍に側方から照射される場合に最適化した二重供給ノズルの例を示す。
本実施の形態では、供給ノズル４は溶融材料９を供給するための内管ノズル４１と内管ノズル４１の外周に配された外管ノズル４２から構成される。すなわち、内管ノズル４１と外管ノズル４２の間の空間が集束ガス（シールドガス）１１の流路ｇであり、集束ガス（シールドガス）供給手段１０は、内管ノズル４１と外管ノズル４２と流路ｇとから構成される（図３３）。
【００８６】
内管ノズル４１のノズル先端口（内管ノズル先端口）４１ａは、外管ノズル４２のノズル先端口（外管ノズル先端口）４２ａよりも外部（前方）に配設（突設、突出）されている（図３３）。本発明においてレーザ光Ｌは供給ノズル４の噴射口から溶接箇所に至るまでのコンデンサレンズ３の軸線上Ｏ及びその近傍を照射可能であるため、噴射される溶融材料９も同様に、供給ノズル４の噴射口から溶接箇所に至るまでのコンデンサレンズ３の軸線上Ｏ及びその近傍に等量、等圧で安定的に供給されることが好ましい。図３３に示すように、内管ノズル先端口４１ａが、外管ノズル先端口４２ａよりも外部に配設（突設、突出）されていることで、内管ノズル先端口４１ａを外管ノズル先端口４２ａよりも内部に配設した場合（図３４）に比べて集束ガス１１が外向き方向１１ｏｕｔ（軸線上Ｏから離れる方向）に広がりやすくなる。そのため溶融材料９が内管ノズル先端口４１ａ近傍に過度に集束することがなく、直線状に細く長く噴射される。従って供給ノズル４の噴射口から溶接箇所に至るまでのコンデンサレンズの軸線上Ｏ及びその近傍に、溶融材料の集束域９ｒが直線的に細長く広がるため、レーザ光Ｌを照射することが容易となり、内管ノズル先端口４１ａからある程度距離の離れた軸線上Ｏにおいてもレーザ光Ｌでの照射が容易に行える（図３３）。
【００８７】
図３４は、図３３とは反対に、内管ノズル先端口４１ａを、外管ノズル先端口４２ａよりも内部に配設（突設、突出）した場合を示した要部拡大図であり、図３３と比較した例である。内管ノズル先端口４１ａの前方には、内管ノズル先端口４１ａと外管ノズル先端口４２ａとによって内部空間４１ｆが形成される。図３４のように内管ノズル先端口４１ａを、外管ノズル先端口４２ａよりも内部に配設すると、外管ノズル先端口４２ａが集束ガス１１の外向き方向１１ｏｕｔ（側方、軸線上Ｏから離れる方向）への噴射を抑制し、集束ガス１１が外向き方向へ広がりにくくなる。内部空間４１ｆにおいて集束ガス１１は内向き方向１１ｉｎ（軸線上Ｏへ向かう方向）に向かって噴射されるが、内向き方向１１ｉｎの噴射流同士が衝突することにより粉末状の溶融材料９は拡散しやすくなる。
したがって図３４における集束ガス１１の噴流の集束域９ｒは内管ノズル先端口４１ａや外管ノズル先端口４２ａの近傍の短い領域に収まる。図３３に比して供給ノズル４の噴射口近傍に噴流が集束し、集束域も短く、粉末状の溶融材料９は四方へ拡散しやすいため、供給ノズル４の噴射口（内管ノズル先端口４１ａや外管ノズル先端口４２ａの近傍）と母材ＢＭとの距離を近づけて肉盛溶接することとなるが、母材ＢＭとの距離が近づくことにより対向する噴流が生じるため粉末状の溶融材料９はさらに四方へ拡散しやすくなる。従って、本発明のレーザ加工装置１００のように供給ノズル４の噴射口から溶接箇所に至るまでのコンデンサレンズの軸線上Ｏ及びその近傍にレーザ光Ｌを照射可能なメリットを活かす場合には、溶融材料の集束域９ｒが直線的に細長く広がる図３３のように、内管ノズル先端口４１ａを、外管ノズル先端口４２ａよりも外部（前方）に配設（突設、突出）される方が好ましい。
【００８８】
また図３３に示した本実施例の供給ノズル４において、内管ノズル４１は供給ノズル噴射制御手段を備え（不図示）、溶融材料９の噴射量、噴射スピード、噴射範囲を制御する。また本実施例の供給ノズル４において、内管ノズル４１、外管ノズル４２、流路９から構成される集束ガス供給手段１０は集束ガス噴射制御手段を備え（不図示）、集束ガス１１の噴射量、噴射スピード、噴射範囲を制御する。
図３５（ａ）は一重供給ノズルから噴射される溶融材料９の噴流の様子を示す図である。図３５（ｂ）は二重供給ノズルから噴射される溶融材料９の噴流の様子を示す図である。図３５（ａ）に示すように、通常の、集束ガス供給手段１０を備えていない供給ノズル４（一重ノズル、または内管ノズル４１のみのノズル）では、溶融材料９の噴流が拡散してしまうのに対して、集束ガス供給手段１０を備えた供給ノズル４（二重ノズル、または内管ノズル４１と外管ノズル４２とからなるノズル）では、内管ノズル４１からの溶融材料が混入した噴流を、集束ガス供給手段１０からの集束ガス９（ガス流）で集束させることができる。
【００８９】
図３６は二重ノズルによる噴流集束効果をシミュレーション解析で検証したシミュレーション解析図である。図３７は二重ノズルの噴流集束効果を実験で検証した検証写真である。図３６（ａ）は、集束ガス供給手段１０を備えていない通常の供給ノズル４（一重ノズル、または内管ノズル４１のみのノズル）であり、供給ノズル４から噴射される溶融材料９の噴射圧を示している。図３７（ａ）は図３６（ａ）と同一のノズルであり、実験検証写真である。図３６（ｂ）は、集束ガス供給手段１０を備えた供給ノズル４（二重ノズル、または内管ノズル４１と外管ノズル４２とからなるノズル）であり、供給ノズル４から噴射される溶融材料９の噴射圧を示している。図３７（ｂ）は図３６（ｂ）と同一のノズルであり、実験検証写真である。
【００９０】
図３６（ａ）では溶融材料９は集束せず拡散し、供給ノズル４の先端口４ａから４ｍｍの軸線上において噴射圧が急激に減少している。このことは同一ノズルを用いた噴流集束効果を実験検証した写真においても明らかである（図３７（ａ））。一方、図３６（ｂ）では集束ガス供給手段１０が内管ノズル４１から噴射される溶融材料９を集束させ、かつ集束ガスの噴射流が、溶融材料９の噴射流の流速をアシストしているため噴射圧力の高い領域（コア長）が維持されている。同一ノズルを用いて噴流集束効果を実験検証した写真においても噴射圧力の高い領域（コア長）が維持されていることを確認できる（図３７（ｂ））。すなわち図３６（ｂ）や図３７（ｂ）では、供給ノズル４の先端口４ａから４ｍｍの軸線上において噴射圧がほとんど変化しておらず、レーザ光Ｌを照射するのに好適な領域が長く維持されている。
【００９１】
なお、供給ノズル噴射制御手段による溶融材料９の噴射圧よりも、集束ガス噴射制御手段の集束ガス１１の噴射圧を高くすることで、溶融材料９の噴流を集束させる効果（噴流集束効果）を得ることができる（図３６（ｂ））。供給ノズル噴射制御手段による溶融材料９の噴射圧αと、集束ガス噴射制御手段の集束ガス１１の噴射圧βとの比は、溶融材料９の噴射圧α：集束ガスの噴射圧β＝１：３〜１：４程度が好ましく、溶融材料９の噴射圧αはなるべく低圧である方が好ましい（図３６（ｂ））。噴射圧αが低圧の場合、単位時間当たりの溶融材料９の供給量が減るためコストを削減することができ、また噴射圧αが高圧の場合、溶融材料９は集束効果が弱くなるためである。
なお二重ノズルとする場合には、内管ノズル先端口４１ａからレーザ光Ｌの集光位置までの距離を調節できることが好ましい。また、内管ノズル４１と外管ノズル４２の相対的な位置調節が可能な機構を備えて、いずれか一方を平行移動させることにより、噴射流の集束位置を調節可能であることが好ましい。
【００９２】
供給ノズル４の素材としては一般的な金属性素材の他、レーザ光Ｌを透過させる光透過性素材を用いても良い。レーザ光透過性素材としてはガラスやプラスチック等が考えられ、コンデンサレンズやコリメータレンズに使用される素材を用いても良い。ガラスとしてはホウケイ酸ガラス、石英ガラス、ソーダガラス、鉛ガラスなどが考えられ、耐熱加工や強化処理を施した光学素材が好ましい。レンズ用ガラス素材と同一の物を用いる場合、波長分散（アッペ数）の特性の違いからクラウン系ガラスとフリント系ガラスに分類できるが、どちらを用いても良く、例えばクラウンガラス系のホウケイ酸ガラスの一種として、古くからレンズやプリズムに使用されて一般名称化されているＢＫ７などが考えられる。石英ガラスとしては、天然の石英ガラスでも良いが、他の成分を含まない純粋な二酸化ケイ素だけで製造された合成石英による光学ガラス、エキシマレーザ用合成石英、無水合成石英などでも良い。プラスチックとしてはガラスと同等の透明性や屈折率を持つものが使用され、例えばＡＤＣ（アクリル・ジグリコール・カーボネイト）などが考えられる。
【００９３】
供給ノズル４の素材としてレーザ光Ｌを透過させる光透過性素材を用いることで、供給ノズル４のノズル先端口４１ａ（或いは４２ａ）近傍をレーザ光Ｌで照射することが可能となる。本発明のレーザ加工装置１００のようにレーザ光Ｌがコンデンサレンズ３の軸線上Ｏ及びその近傍に側方から照射される場合、ノズル先端口がレーザ光Ｌを遮る可能性があるため、ノズル先端口から適度に距離が離れた軸線上Ｏ及びその近傍にレーザ光Ｌを照射することとなり、ノズル先端口４１ａ（或いは４２ａ）近傍を照射することが困難である（図３３、図３４）。供給ノズル４の素材として光透過性素材を用いることで、レーザ光Ｌを軸線上Ｏの側方から照射しても、レーザ光Ｌが供給ノズル４或いはノズル先端口４１ａ（４２ａ）を透過するため、ノズル先端口４１ａ（或いは４２ａ）近傍をレーザ光Ｌで照射することが可能となる。
なお図３３においては、内管ノズル先端口４１ａを外管ノズル先端口４２ａよりも外部に配設し、ノズル先端口から適度に距離が離れた軸線上Ｏに集束域９ｒ（或いはコア長）が収まるようにすることを示した（図３３）。このように配置することで内管ノズル先端口４１ａを外管ノズル先端口４２ａよりも内部に配設する場合と比較して（図３４）、集束域９ｒが広がるメリットがあるが、ノズル先端口４１ａ（４２ａ）近傍での溶融材料９の集束度は低下する。したがって、供給ノズル４の素材としてレーザ光Ｌを透過させる光透過性素材を用いて、ノズル先端口４１ａ（或いは４２ａ）近傍をレーザ光Ｌで照射する場合には、内管ノズル４１と外管ノズル４２の相対的な位置調節が可能な機構を備えることで、いずれか一方を平行移動させて、図３４のように内管ノズル先端口４１ａを外管ノズル先端口４２ａよりも内部に配設して、噴射流の集束位置をノズル先端口４１ａ（或いは４２ａ）近傍に調節することが好ましい（図３４）。
【００９４】
以上、多様な例によって実施形態の説明を行なったが、本発明のレーザ加工装置１００は自動化することにより調整機能の迅速化も期待できる。ロボットなどを組み合わせればプログラム動作が可能となり、如何なる形状や箇所についても最適な条件で、自動で肉盛溶接できる。また逆にこのようなロボットによる自動制御においてレーザ加工装置１００の軽量化や小型化は重要であり、本発明はそれを実現可能とするものである。
【符号の説明】
【００９５】
１        光ファイバ、
２        コリメータレンズ、
３        コンデンサレンズ、
３ａ      分割したコンデンサレンズ、
３ｂ      中央、
４        供給ノズル、
４ａ      先端口、
ｄ５      移動可能領域、
７        着脱部材、
８        制御部材、
９        溶融材料、
９ｒ      集束域、
１０      集束ガス供給手段、
１１      集束ガス（シールドガス）、
４１      内管ノズル、
４１ａ    内管ノズル先端口、
４２      外管ノズル、
４２ａ    外管ノズル先端口、
１００    レーザ加工装置、
１０１    多軸多間接ロボット、
１０１ａ  レーザ加工ヘッド部、
１０２    レーザ発振装置、
１０３    溶融材料供給装置、
１０４    加工テーブル、
２００    ３次元レーザ加工システム、
Ｌ        レーザ光、
Ｒ        溶融材料の供給領域（ノズル先端口から溶接箇所に至るまでの距離）、
ＢＭ      溶接する対象（溶接箇所、肉盛り溶接する母材）、
Ｏ        ノズル先端口から溶接箇所に向かう軸線上、
ｇ        流路
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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