(57)【要約】【課題】レーザ加工を高効率に行なうことができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ加工装置１００は、パルスビームレーザを発振させるパルスビームレーザ発振器３と、パルスビームレーザの発振波長と異なる発振波長によって連続発振レーザを発振させる連続発振レーザ発振器４と、パルスビームレーザと連続発振レーザとを光学的に混合した混合レーザビームを生成するダイクロイックミラー１と、被加工物を加工するために混合レーザビームを被加工物に集光する集光レンズ２とを具備する。【選択図】  図２
2004337881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスビームレーザを発振させるとともに、前記パルスビームレーザの発振波長と異なる発振波長によって連続発振レーザを発振させる工程と、
前記パルスビームレーザと前記連続発振レーザとを光学的に混合して混合レーザビームを生成する工程と、
被加工物を加工するために前記混合レーザビームを前記被加工物に集光する工程とを包含することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記パルスビームレーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、略円形であり、
前記連続発振レーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、楕円、長円およびライン形状のいずれかであり、かつ、
前記連続発振レーザの集光スポットの長径は、前記パルスビームレーザの集光スポットの直径よりも長い、請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記連続発振レーザの集光スポットの長径方向に沿って、前記被加工物と前記被加工物へ集光する前記混合レーザビームとを相対移動させる工程をさらに包含する、請求項２記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記パルスビームレーザをパルスレーザ光ファイバへ導くとともに、前記パルスレーザ光ファイバのコア径と異なるコア径を有する連続発振レーザ光ファイバへ前記発振した連続発振レーザを導く工程をさらに包含しており、
前記混合レーザビームを生成する工程は、前記パルスレーザ光ファイバによって導かれた前記パルスビームレーザと前記連続発振レーザ光ファイバによって導かれた前記連続発振レーザとを光学的に混合する、請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記パルスビームレーザをパルスレーザ光ファイバへ導くとともに、前記パルスレーザ光ファイバのコア径と同一のコア径を有する連続発振レーザ光ファイバへ前記発振した連続発振レーザを導く工程をさらに包含しており、
前記パルスレーザ光ファイバによって導かれた前記パルスビームレーザを第１コリメート光学系によってコリメートするとともに、前記連続発振レーザ光ファイバによって導かれた前記連続発振レーザを前記第１コリメート光学系の焦点距離と異なる焦点距離を有する第２コリメート光学系によってコリメートする工程をさらに包含しており、
前記混合レーザビームを生成する工程は、前記第１コリメート光学系によってコリメートされた前記パルスビームレーザと前記第２コリメート光学系によってコリメートされた前記連続発振レーザとを光学的に混合する、請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記パルスビームレーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、略円形であり、
前記連続発振レーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、前記パルスビームレーザの集光スポットよりも小さい略円形である、請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記連続発振レーザの集光スポットの中心は、前記被加工物と前記被加工物に集光した前記混合レーザビームとが相対移動する方向に沿って、前記パルスビームレーザの集光スポットの中心に対してずれている、請求項６記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
パルスビームレーザを発振させるパルスビームレーザ発振器と、
前記パルスビームレーザの発振波長と異なる発振波長によって連続発振レーザを発振させる連続発振レーザ発振器と、
前記パルスビームレーザと前記連続発振レーザとを光学的に混合した混合レーザビームを生成するダイクロイックミラーと、
被加工物を加工するために前記混合レーザビームを前記被加工物に集光する集光レンズとを具備することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
前記混合ビームレーザに含まれる前記パルスビームレーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、略円形になっており、
前記混合ビームレーザに含まれる前記連続発振レーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、楕円、長円およびライン形状のいずれかになっており、
前記連続発振レーザの集光スポットの長径は、前記パルスビームレーザの集光スポットの直径よりも長くなっている、請求項８記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記連続発振レーザの集光スポットの長径方向に沿って、前記被加工物と前記被加工物に集光した前記混合レーザビームとを相対移動させる相対移動装置をさらに具備する、請求項９記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
前記パルスビームレーザを導くために設けられたパルスレーザ光ファイバと、
前記発振した連続発振レーザを導くために前記パルスレーザ光ファイバのコア径と異なるコア径を有する連続発振レーザ光ファイバとをさらに具備しており、
前記ダイクロイックミラーは、前記パルスレーザ光ファイバによって導かれた前記パルスビームレーザと前記連続発振レーザ光ファイバによって導かれた前記連続発振レーザとを光学的に混合する、請求項８記載のレーザ加工装置。
【請求項１２】
前記パルスビームレーザを導くために設けられたパルスレーザ光ファイバと、
前記発振した連続発振レーザを導くために前記パルスレーザ光ファイバのコア径と略同一のコア径を有する連続発振レーザ光ファイバと、
前記パルスレーザ光ファイバによって導かれた前記パルスビームレーザをコリメートするための第１コリメート光学系と、
前記連続発振レーザ光ファイバによって導かれた前記連続発振レーザをコリメートするために前記第１コリメート光学系の焦点距離と異なる焦点距離を有する第２コリメート光学系とをさらに具備しており、
前記ダイクロイックミラーは、前記第１コリメート光学系によってコリメートされた前記パルスビームレーザと前記第２コリメート光学系によってコリメートされた前記連続発振レーザとを光学的に混合する、請求項８記載のレーザ加工装置。
【請求項１３】
前記混合ビームレーザに含まれる前記パルスビームレーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、略円形になっており、
前記混合ビームレーザに含まれる前記連続発振レーザの前記被加工物における集光スポットの形状は、前記パルスビームレーザの集光スポットよりも小さい略円形になっている、請求項８記載のレーザ加工装置。
【請求項１４】
前記連続発振レーザの集光スポットの中心は、前記被加工物と前記被加工物に集光した前記混合レーザビームとが相対移動する方向に沿って、前記パルスビームレーザの集光スポットの中心に対してずれている、請求項１３記載のレーザ加工装置。
【請求項１５】
連続発振レーザ発振器は、１次元配列の半導体レーザアレイバーをその厚み方向に沿って１層から複数層積層して形成される２次元配列の半導体レーザアレイバーを有している、請求項８記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２種類以上のレーザビームを混合してレーザ溶接、レーザ切断およびレーザ穴あけ等を行うレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザは、発振形態によって大きく２種類に分類される。つまり、時間に対して連続的にレーザビームが出る連続発振（以下、「ＣＷ」と呼ぶ）レーザと、時間に対して断続的にレーザビームが出るパルスレーザとである。
【０００３】
例えば、レーザ溶接において、ＣＷレーザは連続的にレーザビームが出るため溶接表面のビードが滑らかになるが、ピークパワーが低いために溶込み深さは浅くなってしまう。一方、パルスレーザはピークパワーが高いために溶込み深さは深くなるが、断続的なレーザビームであるために溶接表面状態は滑らかにならない。そのため、ＣＷレーザは薄板溶接に用いられ、パルスレーザはアルミニウム等の高反射率材料を溶接するために用いられている。
【０００４】
このような２種類のレーザの特性を相互に補うために、ＣＷレーザとパルスレーザとを重ね合わせたハイブリッドレーザ発振器が検討され始めてきている。例えば、特開平８−１６２７０２号公報（特許文献１）では、１本のＹＡＧロッドに対して、その周りにパルス発振用の励起用ランプとＣＷ発振用の励起ランプとを設けることにより、１台のレーザ発振器で２種類のレーザビームを照射することができるレーザ装置を提案している。
【０００５】
また、特開平１０−１３７９６５号公報（特許文献２）では、２種類以上のレーザ発振器からでたレーザビームをレーザビーム合成器によって１本の光ファイバの中に導光し、その光ファイバから出てきた複合レーザビームを出射光学レンズ系で集光して加工するＹＡＧレーザ合成方法及びその装置を提案している。
【０００６】
例えば、特開平８−１６２７０２号公報（特許文献１）に開示された構成の概要を図２９に示す。ＹＡＧロッド９１の周りには、パルスレーザ発振用の励起用ランプ９２とＣＷレーザ発振用の励起ランプ９３とが設置されており、そのそれぞれに対してパルスレーザ発振用のパルス電源９４とＣＷレーザ発振用のＣＷ電源９５とが接続されている。
【０００７】
そのため、１台のレーザ発振器によってパルスレーザとＣＷレーザとを同時に発振させることができる。このレーザ発振器から出たレーザビームは集光光学系９６により光ファイバ９７に導光される。光ファイバ９７を通ってきたレーザビームは加工用集光光学系９８によって集光される。このときの集光スポット９９は、概略円形状になり、パルスレーザもＣＷレーザも同じスポット径となる。
【０００８】
また、特開平１０―１３７９６５号公報（特許文献２）に開示された構成の概要を図３０に示す。パルスレーザ発振器８０から出たパルスレーザビームは光ファイバ８２を通って伝送される。また、ＣＷレーザ発振器８１から出たＣＷレーザビームは光ファイバ８３を通って伝送される。２本の光ファイバ８２および８３をそれぞれ通ってきたレーザビームは、レーザビーム合成器８４によって合成され、更に、光ファイバ８５に入射される。この光ファイバ８５を通ってきた混合レーザビームは加工用集光光学系８６にて集光される。このとき集光スポット８７は、概略円形状になり、パルスレーザもＣＷレーザも同じスポット径となる。
【０００９】
両者の場合とも、複数のレーザビームが光ファイバにて光学的に混合されており、その光ファイバを出たレーザビームを集光光学系によって集光しているため、各々のレーザビームのスポット径はほぼ同等となり、また、そのビーム強度分布状態もほぼ同等となる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平８−１６２７０２号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開平１０−１３７９６５号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
パルスレーザにはその特長を活かすために適したビームスポット径およびビーム強度分布状態がある。ＣＷレーザにおいても同様である。従って、各々のレーザビームの特長を活かしたビームスポット径およびビーム強度分布状態にすることによって、より高効率なレーザ加工を行なうことができる。
【００１３】
しかしながら、図２９および図３０を参照して前述したような従来のハイブリッドレーザでは、パルスレーザもＣＷレーザも同じスポット径となるので、パルスレーザとＣＷレーザとのそれぞれの特長を活かしたビームスポット径とすることができない。従って、高効率なレーザ加工を行なうことができないという問題がある。
【００１４】
本発明の目的は、レーザ加工を高効率に行う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。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ加工方法は、パルスビームレーザを発振させるとともに、前記パルスビームレーザの発振波長と異なる発振波長によって連続発振レーザを発振させる工程と、前記パルスビームレーザと前記連続発振レーザとを光学的に混合して混合レーザビームを生成する工程と、被加工物を加工するために前記混合レーザビームを前記被加工物に集光する工程とを包含することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るレーザ加工装置は、パルスビームレーザを発振させるパルスビームレーザ発振器と、前記パルスビームレーザの発振波長と異なる発振波長によって連続発振レーザを発振させる連続発振レーザ発振器と、前記パルスビームレーザと前記連続発振レーザとを光学的に混合した混合レーザビームを生成するダイクロイックミラーと、被加工物を加工するために前記混合レーザビームを前記被加工物に集光する集光レンズとを具備することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１に係るレーザ加工装置１００の外観を示す斜視図であり、図２はレーザ加工装置１００の構成を示す模式図である。
【００１９】
レーザ加工装置１００は、２枚の板が突き合わされた被加工物３１を載置するための冶具３２を備えている。レーザ加工装置１００には、矢印によって示される方向に沿って冶具３２を移動させるための一軸ステージ３３が設けられている。
【００２０】
レーザ加工装置１００は、発振波長１０６４ナノメータ（ｎｍ）のパルスビームレーザを発振するＹＡＧパルスビームレーザ発振器３を備えている。パルスビームレーザ発振器３によって発振されたパルスビームレーザは、コア径が０．６ミリメートル（ｍｍ）のパルス用光ファイバ２２を通って加工用集光光学系２９に設けられたコリメート光学系２４を透過してダイクロイックミラー１ヘ入射する。
【００２１】
レーザ加工装置１００は、発振波長８０８ナノメータ（ｎｍ）の連続発振レーザを発振する連続発振レーザ発振器４を備えている。連続発振レーザ発振器４は、高出力半導体レーザ発振器によって構成されている。高出力半導体レーザ発振器４において発振した連続発振レーザは、ダイクロイックミラー１ヘ入射する。
【００２２】
ダイクロイックミラー１は、コリメート光学系２４を透過したパルスビームレーザと高出力半導体レーザ発振器４において発振した連続発振レーザとを混合して集光レンズ２へ与える。集光レンズ２は、ダイクロイックミラー１によって混合されたパルスビームレーザと連続発振レーザとを被加工物３１へ集光する。
【００２３】
次に、各々のレーザビームに対して、集光レンズ２によって集光されたときの集光スポット径について述べる。実施の形態１では、コリメート光学系２４の焦点距離が５０ミリメートル（ｍｍ）であり、集光レンズ２の焦点距離も５０ミリメートル（ｍｍ）であるため、その結像倍率は１：１となっている。
【００２４】
パルス用光ファイバ２２から出たパルスレーザビームは、そのコアの端面が、コリメート光学系２４と集光レンズ２とによって結像される結像位置に集光される。そのため、パルスレーザビームの集光スポット１０の形状はそのコア形状と同じく円形状となり、そのスポット径は約０．６ミリメートル（ｍｍ）となる。
【００２５】
一方、半導体レーザビームの集光スポット径は、一般には円形状とはならず、ライン形状となる。その理由を次に示す。
【００２６】
一般に加工用に用いられる高出力半導体レーザについて、図３〜図１０を参考にしながら説明する。連続発振レーザ発振器４を構成する１次元配列の半導体レーザアレイバー５１は、図３に示す様な形態をしており、主として、半導体レーザアレイチップ５２とヒートシンク５３とから構成されている。
【００２７】
半導体レーザアレイチップ５２には、半導体レーザエミッタ５４が一定のピッチを空けて複数個、直線状に並べられている。例えば、その半導体レーザエミッタ５４は、その厚さ（活性層方向）は約１マイクロメータ（μｍ）と狭く、逆に、その幅（活性層と平行方向）は約１００マイクロメータ（μｍ）と広くなっている。更に、その半導体レーザエミッタ５４は、約２００マイクロメータ（μｍ）のピッチを空けて、その幅方向に約５０個並んでいる。そのため、半導体レーザアレイチップ５２の幅寸法は、約１０ミリメートル（ｍｍ）となっている。半導体レーザエミッタ５４からのレーザ出力が１ワット（Ｗ）の場合、半導体レーザエミッタ５４が５０個あれば、５０Ｗのレーザ出力となる。
【００２８】
半導体レーザエミッタ５４から出るレーザビームの拡がり角は、その直角方向（厚さ方向）に対して約４０度、平行方向（幅方向）に対して約１０度となっている。また、レーザ発振出口のレーザビーム径は、半導体レーザエミッタ５４の活性層サイズに相当するため、直角方向が１マイクロメータ（μｍ）、平行方向が１００マイクロメータ（μｍ）となる。
【００２９】
この半導体レーザエミッタ５４を複数個組み合わせた半導体レーザアレイチップ５２においては、複数個の半導体レーザエミッタ５４がその幅方向に一直線上に並んでいるため、そのレーザビームの拡がり角は、個々のその半導体レーザエミッタ５４の場合と同じとなり、直角方向に対して約４０度、平行方向に対して約１０度となる。但し、出口のレーザビーム径は、直角方向が１マイクロメータ（μｍ）であるが、平行方向は１０ミリメートル（ｍｍ）となる。
【００３０】
このような１次元配列の半導体レーザアレイスパー５１を、レーザ加工にダイレクトに使っていくためには、その１次元配列の半導体レーザアレイバー５１から出るレーザビームを微小スポットに絞る必要がある。そのためには、レーザビームの広がり角を改善することが必要である。一般に、半導体レーザエミッタ５４に対して、その厚さ方向（活性層方向）の光軸をＦＡＳＴＡＸＩＳ、逆に、その幅方向（活性層と平行方向）の光軸をＳＬＯＷＡＸＩＳと呼んでいる。そのＦＡＳＴＡＸＩＳ方向において、図４に示す様に、レーザビーム５５の拡がり角が約３５度とかなり大きい。そのために、図５に示す様に、１直線上の半導体レーザアレイチップ５２の前方に、コリメートレンズ５６を取付けて、ＦＡＳＴＡＸｌＳのレーザビームの拡がり角を、約３５度から０．２４度（４ｍｒａｄ）に改善している。
【００３１】
一方、ＳＬＯＷＡＸＩＳ方向においては、基本的に、レーザビームの発光源が１０ミリメートル（ｍｍ）幅のライン状になっているため、そのビーム拡がり角を容易に低減することはできず、上述したように、約１０度（１７５ｍｒａｄ）のビーム拡がり角が生じている。つまり、コリメートレンズ５６付の半導体レーザアレイバー５１から出るレーザビームの拡がり角は、ＦＡＳＴＡＸｌＳで４ｍｒａｄ、ＳＬＯＷＡＸｌＳで１７５ｍｒａｄとアンバランスになっている。
【００３２】
半導体レーザビームのトータル出力を上げるため、現実的には、図６および図７に示す様に、１次元配列の半導体レーザアレイバー５１はその厚み方向に積層しやすいような形状になっている。その１次元配列の半導体レーザアレイバー５１を積層したものが、図８に示す半導体レーザアレイスタック５７である。例えば、５個の１次元配列の半導体レーザアレイバー５１を積層すれば、約２５０Ｗのレーザ出力が得られる（５０Ｗ×５個）。その時の、半導体レーザアレイスタック５７からのレーザビーム径（レーザ発光面）は、厚み方向で１０ミリメートル（ｍｍ）（１次元配列の半導体レーザアレイバー５１の厚み２ｍｍ×５個）、幅方向で１０ミリメートル（ｍｍ）となる。また、レーザビームの拡がり角は、コリメートレンズ５６付の半導体レーザアレイバー５１の場合と同様に、ＦＡＳＴＡＸｌＳで４ｍｒａｄ、ＳＬＯＷＡＸｌＳで１７５ｍｒａｄとなる。
【００３３】
そのため図９および図１０に示すように、通常の球面レンズ５８によって集光すると、その集光レンズ５８でのスポット径は、レーザビームの拡がり角の値に比例する。例えば、焦点距離５０ミリメートル（ｍｍ）の集光レンズによって集光したときのスポット径は、ＦＡＳＴＡＸＩＳで０．２ミリメートル（ｍｍ）（５０ミリメートル（ｍｍ）×４ｍｒａｄ）、ＳＬＯＷＡＸＩＳで約８．８ミリメートル（ｍｍ）（５０ミリメートル（ｍｍ）×１７５ｍｒａｄ）となる。
【００３４】
つまり、半導体レーザビームの集光スポット径は、実施の形態１では焦点距離が５０ミリメートル（ｍｍ）であるため、上述したように、０．２ミリメートル（ｍｍ）×８．８ミリメートル（ｍｍ）のライン形状（図２におけるスポット１１）となる。このように高出力半導体レーザビームの特徴を活かすことにより、円形スポットではなく、ライン状のスポット形状を効率的に形成することができる。実施の形態１は、このような特徴を活かしたもとのなっている。
【００３５】
実施の形態１におけるレーザ加工装置の集光スポット形状を拡大すると、図１１に示す様なスポット形状となる。図１１においては、円形状をしたパルスレーザビームのスポット形状１０とライン形状をしたＣＷレーザのスポット形状１１とが示されている。
【００３６】
また、図１１に示す断面ＡＡ方向のパワー密度、及び、断面ＢＢ方向のパワー密度は、それぞれ図１２および図１３において示した様な空間分布形状となる。この図１２より、断面ＡＡ方向においては、パルススポット径φ０．６ミリメートル（ｍｍ）に対して、ＣＷレーザ（半導体レーザ）のスポット径が８．８ミリメートル（ｍｍ）と長くなっている。そのために、断面ＡＡ方向においては、パルスレーザとＣＷレーザとの重畳している領域ではその重畳の効果が期待できると共に、パルスレーザが照射されていない領域にも、ＣＷレーザが照射されるため、パルスレーザが照射される領域以外の周囲の領域においても、予熱・後熱・アニールといったＣＷレーザの効果を期待することができる。
【００３７】
一方、図１３より、断面ＢＢ方向においては、パルススポット径φ０．６ミリメートル（ｍｍ）に対して、半導体レーザ（ＣＷレーザ）のスポット径が０．２ミリメートル（ｍｍ）と小さい。そのために、断面ＢＢ方向においては、パルスレーザの中央部分（０．２ｍｍの範囲）とＣＷレーザとの重畳している領域ではその重畳の効果が期待できる。また、パルスレーザの中央部分（０．２ｍｍの範囲）以外には、ＣＷレーザが照射されていないため、その領域においては不要な熱影響を防止することができる。
【００３８】
次に重畳加工の時間的な変化について述べる。図１４は、一定の間隔・エネルギによってパルスレーザ発振している時の、パルスレーザビームのレーザ出力の時間的変化を示すグラフである。図１５は、一定のパワーでＣＷレーザを発振しているときのＣＷレーザの出力の時間的変化を示すグラフである。この２種類のレーザビームを重畳させると、図１６に示すように、一定のＣＷレーザ出力の上にパルスレーザが加わる。つまり、パルスレーザが照射されていない時でも、一定のＣＷレーザが出ている。
【００３９】
次に、実施の形態１に係るレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法を説明する。レーザ加工事例の１つとして、突き合せシーム溶接について、図１を参照しながら述べる。加工用集光光学系２９から出た複合レーザビーム３０は、被加工物３１の突き合わせ部３４に照射される。そのときのスポット形状の方向は、図１７で示されるように、ＣＷレーザのスポット１１の長径方向が突き合わせ部３４に沿った方向になるように設定する。通常は、ＣＷレーザのスポット１１の長径方向のセンターにパルスレーザのスポット１０を設定する。
【００４０】
しかし、ＣＷレーザの予熱の効果を顕著に出したい時には、図１８に示すように、一軸ステージ３３の移動方向（図１において、矢印方向）に対して、ＣＷレーザのスポット１１の長径方向のセンターよりも後方にパルスレーザのスポット１０を設定する。
【００４１】
一方、ＣＷレーザの後熱の効果を顕著に出したい時には、一軸ステージ３３の移動方向（図１において、矢印方向）に対して、ＣＷレーザのスポット１１の長径方向のセンターの前方にパルスレーザのスポット１０を設定する。
【００４２】
一軸ステージ３３の移動方向（図１において、矢印方向）と被加工物３１の突き合わせ部３４の長手方向とは互いに平行に設定しているため、一軸ステージ３３の移動と共に、複合レーザビーム３０を照射すれば、突き合わせシーム溶接ができる。
【００４３】
このときの突き合わせシーム溶接能力について述べる。今回は、溶接能力の１つとして、同じエネルギを投入した時に得られる溶込み深さによって評価する。その時の結果を図２０に示す。パルスエネルギが２Ｊおよび４Ｊの時の溶込み深さを評価する。パルスレーザのみの場合（図中で、●印）と、パルスレーザにパルスレーザと同一のスポット形状を有するＣＷレーザ（５０Ｗ）を重畳させた場合（図中で、○印）と、パルスレーザにライン状のスポット形状を有するＣＷレーザ（５０Ｗ）を重畳させた場合（図中で、▲印）とで比較する。図２０より明らかなように、パルスレーザにライン状のスポット形状を有するＣＷレーザを重畳させた場合が、最も、溶込みが深くなる。つまり、ＣＷパルスレーザのライン状のスポット形状が突き合わせ溶接のラインと一致しているため、溶接において、レーザエネルギ効率が最も良くなり、その結果として溶込み深さが深くなる。
【００４４】
このように、パルスレーザ発振器から出たパルスレーザビームを光ファイバに導光し、その光ファイバから出たパルスレーザビームをコリメート光学系で概略コリメートする。一方、パルスレーザ発振器の発振波長と異なる発振波長を有し連続発振を行なう半導体レーザ発振器から出た半導体レーザとコリメート光学系から出たパルスレーザビームとをダイクロイックミラーで光学的に混合させ、その混合されたレーザビームを集光光学系で集光してレーザ加工を行なう。その時、パルスレーザビームの集光点での集光スポット径を概略円形にし、一方、半導体レーザビームの集光点での集光スポット径を楕円、又は、長円、又は、ライン形状に形成し、その長径をパルスレーザビームの集光スポット径よりも大きくして、その長径方向に加工ステージ若しくは集光光学系を移動させることにより、高効率なレーザ加工を行うことができる。
【００４５】
以上のように実施の形態１によれば、パルスビームレーザと連続発振レーザとを光学的に混合して混合レーザビームを生成する工程と、被加工物を加工するために混合レーザビームを被加工物に集光する工程とを備えている。このため、混合レーザビームに含まれるパルスビームレーザのスポットの形状と混合レーザビームに含まれる連続発振レーザのスポットの形状とをそれぞれのレーザの特徴を生かした形状にすることができる。その結果、レーザ加工の効率を高めることができる。
【００４６】
（実施の形態２）
図２１は、実施の形態２に係るレーザ加工装置１００Ａの構成を示す模式図である。図２を参照して前述した実施の形態１に係るレーザ加工装置１００の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００４７】
ＹＡＧパルスビームレーザ発振器３から出たパルスレーザはパルス用光ファイバ６を通って伝送される。同様に、高出力半導体レーザを構成する連続発振レーザ発振器４から出た半導体レーザビームも高出力半導体レーザ用光ファイバ７を通って伝送される。
【００４８】
ダイクロイックミラー１は、ＹＡＧパルスレーザビームの発振波長の１０６４ナノメータ（ｎｍ）に対して透過であり、逆に、高出力半導体レーザビームの発振波長の８０８ナノメータ（ｎｍ）に対して反射するという特性を有している。そのため、伝送されてきたパルスレーザビームはダイクロイックミラー１をそのまま透過する。一方、高出力半導体半導体レーザビームはダイクロイックミラー１によって反射される。つまり、ダイクロイックミラー１によってパルスレーザビームと半導体レーザビームとが混合され、コリメート光学系２４により、概略コリメートされる。さらに、コリメートされた混合レーザビームは集光レンズ２によって集光される。
【００４９】
次に、各々のレーザビームに対して、集光レンズ２によって集光されたときの集光スポット径について述べる。実施の形態２では、パルス用光ファイバ６としてコア径が０．６ミリメートル（ｍｍ）の光ファイバを用いており、コリメート光学系２４の焦点距離が５０ミリメートル（ｍｍ）であり、集光レンズ２の焦点距離も５０ミリメートル（ｍｍ）であるため、その結像倍率は１：１となっている。
【００５０】
そのため、その集光スポット形状はそのコア形状と同じく円形状（図２１におけるスポット１０）となり、そのスポット径は約０．６ミリメートル（ｍｍ）となる。逆に、高出力半導体レーザ用光ファイバ７のコア径は、０．３ミリメートル（ｍｍ）の光ファイバを用いているため、その集光スポット形状はそのコア形状と同じく円形状（図２１におけるスポット１１Ａ）となり、そのスポット径は約０．３ミリメートル（ｍｍ）となる。
【００５１】
そのスポット形状の拡大図を図２２（ａ）に示す。また、図２２（ｂ）はそのスポットの断面ＡＡ（および断面ＢＢ）のパワー密度分布である。図２２（ａ）および図２２（ｂ）からもわかるように、パルスビームによるスポット１０の中央部の最も高い所に、ＣＷレーザビームによるスポット１１Ａが入り込んでいる。
【００５２】
図２３において、パルスレーザ４２を被加工物４１に照射すると、そのスポット径における溶融部４３のほぼ中央部にキーホール４４が形成される。溶融部４３の直径はパルスレーザ４２のエネルギによっても異なるがスポット径よりも少し大きくなる。また、キーホール４４は、溶融スポット径の約１／５〜１／２である。
【００５３】
図２４を参照すると、パルスレーザとＣＷレーザとの重畳加工においては、パルスレーザ４２に対して形成されたキーホール４４に対して、パルスレーザ４２のスポット径よりも小さいスポット径を有するＣＷレーザ４５が投入される。このため、そのキーホール４４の中に、有効に、ＣＷレーザのエネルギが使われる。従って、溶け込み深さがより深くなる。
【００５４】
一方、シーム溶接のように加工用集光光学系（若しくは加工ステージ）を移動させながら溶接を行う場合には、図２５に示す様に、被加工物４１の温度分布のために、パルススポットの中でもキーホール４４は加工用集光光学系の走行方向に移動する。その時には、パルスレーザのスポット１０（図２２（ａ））のセンターに対して、ＣＷレーザのスポット１１Ａの位置を加工用集光光学系の移動方向に向かってずらせるのが効果的である。
【００５５】
逆に、高出力半導体レーザ用光ファイバ７のコア径を、パルス用光ファイバ６のコア径よりも大きくすることで、パルスレーザによって生じた部材への歪および熱応力に対して、その周囲のＣＷレーザにより、予熱・後熱・アニールといった金属学的な熱処理を行うことができる。
【００５６】
その時におけるスポット形状の拡大図を図２７（ａ）に示す。また、図２７（ｂ）は、そのスポットの断面ＡＡ（および断面ＢＢ）のパワー密度分布である。
【００５７】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について、図２８を用いて説明する。図２を参照して前述した実施の形態２に係るレーザ加工装置１００Ａの構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００５８】
ＹＡＧパルスレーザ発振器３から出たパルスレーザはパルス用光ファイバ６Ｂを通って伝送される。同様に、高出力半導体レーザを構成する連続発振レーザ発振器４から出た半導体レーザビームも高出力半導体レーザ用光ファイバ７Ｂを通って伝送される。このパルス用光ファイバ６Ｂのコア径と高出力半導体レーザ用光ファイバ７Ｂのコア径とは同じである。
【００５９】
パルス用光ファイバ６Ｂを通って伝送されてきたパルスレーザビームは、パルスレーザ用コリメート光学系８によって概略コリメートされる。高出力半導体レーザビームも同様に、高出力半導体用レーザコリメート用光学系９によって概略コリメートされる。このとき、各々のコリメート用光学系８および９は、互いに異なった焦点距離を有している。その後、コリメートされてきた各々のレーザビームはダイクロイックミラー１によって混合され、集光レンズ２によって集光される。
【００６０】
次に、各々のレーザビームに対して、集光レンズ２によって集光されたときの集光スポット径について述べる。実施の形態３では、光ファイバ６Ｂおよび７Ｂのコア径は０．６ミリメートル（ｍｍ）である。パルスレーザ用コリメート光学系８の焦点距離は５０ミリメートル（ｍｍ）である。つまり、パルスレーザにおいては、結像倍率は１：１となっている。
【００６１】
一方、半導体レーザにおいては、結像倍率は３：５となっている。そのため、パルスビームの集光スポット形状は約０，６ミリメートル（ｍｍ）となる。一方、高出力半導体レーザの集光スポット形状は約１ミリメートル（ｍｍ）（０．６ミリメートル（ｍｍ）×５／３）となる。つまり、同じ光ファイバを用いても、加工用のコリメートレンズの焦点距離を変えることにより、前述した実施の形態２において示した例と同じスポット形状を得ることができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、レーザ加工を高効率に行なう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ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係るレーザ加工装置の外観を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図３】実施の形態１に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器の外観を示す斜視図である。
【図４】実施の形態１に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器の構成を示す正面図である。
【図５】実施の形態１に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器の他の構成を示す正面図である。
【図６】実施の形態１に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器の他の構成を示す平面図である。
【図７】実施の形態１に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器のさらに他の構成を示す正面図である。
【図８】実施の形態１に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器のさらに他の構成を示す正面図である。
【図９】実施の形態１に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器のさらに他の構成を示す正面図である。
【図１０】実施の形態１に係るレーザ加工装置に設けられた連続発振レーザ発振器のさらに他の構成を示す平面図である。
【図１１】実施の形態１に係るレーザ加工装置によって照射されたレーザのスポットを示す図である。
【図１２】図１１に示す断面ＡＡに沿ったパワー密度を示すグラフである。
【図１３】図１１に示す断面ＢＢに沿ったパワー密度を示すグラフである。
【図１４】実施の形態１に係るレーザ加工装置によって照射されたパルスレーザの出力の時間的変化を示すグラフである。
【図１５】実施の形態１に係るレーザ加工装置によって照射されたＣＷレーザの出力の時間的変化を示すグラフである。
【図１６】実施の形態１に係るレーザ加工装置によって照射されたパルスレーザの出力とＣＷレーザの出力との和の時間的変化を示すグラフである。
【図１７】実施の形態１に係るレーザ加工装置によって照射されたレーザのスポットと被加工物との相対移動を示す平面図である。
【図１８】実施の形態１に係るレーザ加工装置によって照射された他のレーザのスポットと被加工物との相対移動を示す平面図である。
【図１９】実施の形態１に係るレーザ加工装置によって照射されたさらに他のレーザのスポットと被加工物との相対移動を示す平面図である。
【図２０】実施の形態１に係るレーザ加工装置によって照射されたレーザのパルスエネルギーと被加工物の溶け込み深さとの間の関係を示すグラフである。
【図２１】実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図２２】（ａ）は実施の形態２に係るレーザ加工装置によって照射されたレーザーのスポットを示す平面図であり、
（ｂ）は（ａ）に示す断面ＡＡおよび断面ＢＢに沿ったパワー密度を示すグラフである。
【図２３】実施の形態２に係るレーザ加工装置によって被加工物を加工する方法を説明するための断面図である。
【図２４】実施の形態２に係るレーザ加工装置によって被加工物を加工する方法を説明するための断面図である。
【図２５】実施の形態２に係るレーザ加工装置によって被加工物を加工する方法を説明するための断面図である。
【図２６】実施の形態２に係るレーザ加工装置によって照射された他のレーザーのスポットを示す平面図である。
【図２７】（ａ）は実施の形態２に係るレーザ加工装置によって照射されたさらに他のレーザーのスポットを示す平面図であり、
（ｂ）は（ａ）に示す断面ＡＡおよび断面ＢＢに沿ったパワー密度を示すグラフである。
【図２８】実施の形態３に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図２９】従来のレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図３０】従来の他のレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１  ダイクロイックミラー
２  集光レンズ
３  パルスビームレーザ発振器
４  連続発振レーザ発振器
５  相対移動装置
６、７光ファイバー
８、９コリメート光学系
１０、１１  集光スポット
１３  半導体レーザアレイバー
１００  レーザ加工装置
【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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