(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長波長と短波長の２つのレーザと、
前記２つのレーザの出力ビームを同軸の光路に導いて重畳させる光学系と、
同軸の光路に重畳した前記２つのレーザの出力ビームを被加工物上に集光する集光レンズとを備え、
前記光学系が、一方のレーザの出力ビームを全反射し他方のレーザの出力ビームを透過させるダイクロイックミラーを備え、
前記被加工物がアルミニウムであり、
前記長波長のレーザが、アルミニウム溶接加工用として用いられているＹＡＧレーザであり、
前記短波長のレーザが、アルミニウムに対する反射率が低い波長域である、０．８μｍ付近の発光スペクトルをもつ半導体レーザである
アルミニウム溶接用レーザ加工光学装置。
【請求項２】
請求項１記載のアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置において、前記半導体レーザに代えてＬＥＤを備えたアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置。
【請求項３】
長波長と短波長の２つのレーザと、
前記２つのレーザの出力ビームを同軸の光路に導いて重畳させる光学系と、
同軸の光路に重畳した前記２つのレーザの出力ビームを被加工物上に集光する集光レンズとを備え、
前記光学系が、一方のレーザの出力ビームを全反射し他方のレーザの出力ビームを透過させるダイクロイックミラーを備え、
前記被加工物がアルミニウムであり、
前記長波長のレーザが、アルミニウム溶接加工用として用いられているＹＡＧレーザであり、
前記短波長のレーザが、アルミニウムに対する反射率が低い波長域である、０．８μｍ付近の発光スペクトルをもつ半導体レーザである
アルミニウム溶接用レーザ加工光学装置を使用するアルミニウム溶接用レーザ加工方法。
【請求項４】
請求項３記載のアルミニウム溶接用レーザ加工方法において、前記半導体レーザに代えてＬＥＤを備えたアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置を使用するアルミニウム溶接用レーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つのレーザビームを同軸に重ねて集光し、加工を行うことが可能なアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、例えば長波長光や赤外線に対して反射率の高いアルミニウム、銅、金、銀を溶接する場合に、これらの金属で低い反射率を有する短波長のレーザビームと、通常溶接用に使用している大出力のＹＡＧレーザビームを同一箇所に集光して加工することが行われはじめた。これはこれらの金属が低い反射率を有する短波長のレーザビームを吸収することによって金属の表面の温度が上昇し、さらに加工されるとこの二つの現象の結果、この部分の反射率が低下するため重畳された長波長のＹＡＧレーザビームも容易に吸収されてレーザビームが効率よく加工物に結合されることを利用したものである。【０００３】  この分野の最近の公知例として「エキシマレーザ誘起プラズマによるＹＡＧレーザの吸収」（レーザハイブリッド溶接プロセスの開発（第一報）−平成１１年度溶接学会春季全国大会講演番号２０５）がある。この場合、ＹＡＧレーザとＫｒＦエキシマレーザを加工物の同一所に集光して照射するもので、これら二つのレーザビームは別々のレンズで集光され、水平面におかれた被加工物に対してＹＡＧレーザビームは垂直にＫｒＦエキシマレーザビームは垂直から４５度傾けて照射される。このような従来技術では、装置が大きくなり、さらに２つのレーザビームが集光された加工物の下面では別々の光路を進み、別の箇所を照射するために２つのレーザの出力ビームの利用効率が低く、加工特性が良くないという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は以上で述べたような従来技術の欠点を除くために行われたものであり、２つのレーザの出力ビームを同軸に重畳して被加工物に照射し、レーザビームの利用効率を高めて加工特性を改善することを目的とする。
【０００５】
また、２つの波長のレーザビームに高い透過率を必要とする光学部品の数を削減し、コストの低いアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置は、長波長と短波長の２つのレーザと、前記２つのレーザの出力ビームを同軸の光路に導いて重畳させる光学系と、同軸の光路に重畳した前記２つのレーザの出力ビームを被加工物上に集光する集光レンズとを備え、前記光学系が、一方のレーザの出力ビームを全反射し他方のレーザの出力ビームを透過させるダイクロイックミラーを備え、
前記被加工物がアルミニウムであり、
前記長波長のレーザが、アルミニウム溶接加工用として用いられているＹＡＧレーザであり、
前記短波長のレーザが、アルミニウムに対する反射率が低い波長域である、０．８μｍ付近の発光スペクトルをもつ半導体レーザである。
【０００７】
本発明の他のアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置は、前記半導体レーザに代えてＬＥＤを備えている。
【０００８】
本発明のアルミニウム溶接用レーザ加工方法は、長波長と短波長の２つのレーザと、
前記２つのレーザの出力ビームを同軸の光路に導いて重畳させる光学系と、
同軸の光路に重畳した前記２つのレーザの出力ビームを被加工物上に集光する集光レンズとを備え、
前記光学系が、一方のレーザの出力ビームを全反射し他方のレーザの出力ビームを透過させるダイクロイックミラーを備え、
前記被加工物がアルミニウムであり、
前記長波長のレーザが、アルミニウム溶接加工用として用いられているＹＡＧレーザであり、
前記短波長のレーザが、アルミニウムに対する反射率が低い波長域である、０．８μｍ付近の発光スペクトルをもつ半導体レーザであるアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置を使用するものである。
【０００９】
本発明の他のアルミニウム溶接用レーザ加工方法は、前記半導体レーザに代えてＬＥＤを備えているアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置を使用するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置は、長波長と短波長の２つのレーザと、前記２つのレーザの出力ビームを同軸の光路に導いて重畳させる光学系と、同軸の光路に重畳した前記２つのレーザの出力ビームを被加工物上に集光する集光レンズとを備え、前記光学系が、一方のレーザの出力ビームを全反射し他方のレーザの出力ビームを透過させるダイクロイックミラーを備え、前記被加工物がアルミニウムであり、前記長波長のレーザが、アルミニウム溶接加工用として用いられているＹＡＧレーザであり、前記短波長のレーザが、アルミニウムに対する反射率が低い波長域である、０．８μｍ付近の発光スペクトルをもつ半導体レーザであるので、２つのレーザの出力ビームを被加工物の同一の部位に照射することができ、レーザビームの利用効率が高く、加工性がよい。
【００１１】
また、２つの波長のレーザビームに高い透過率を必要とする光学部品の数を削減し、コストの低いアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置を提供することができる。
【００１２】
本発明の他のアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置は、前記アルミニウム溶接用レーザ加工光学装置において、前記半導体レーザに代えてＬＥＤを備えているので、ＹＡＧレーザとＬＥＤの２つの出力ビームを被加工物の同一の部位に照射することができ、レーザビームの利用効率が高く、加工性がよい。
【００１３】
また、２つの波長のレーザビームに高い透過率を必要とする光学部品の数を削減し、コストの低いアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置を提供することができる。
【００１４】
本発明のアルミニウム溶接用レーザ加工方法は、長波長と短波長の２つのレーザと、前記２つのレーザの出力ビームを同軸の光路に導いて重畳させる光学系と、同軸の光路に重畳した前記２つのレーザの出力ビームを被加工物上に集光する集光レンズとを備え、前記光学系が、一方のレーザの出力ビームを全反射し他方のレーザの出力ビームを透過させるダイクロイックミラーを備え、前記被加工物がアルミニウムであり、前記長波長のレーザが、アルミニウム溶接加工用として用いられているＹＡＧレーザであり、前記短波長のレーザが、アルミニウムに対する反射率が低い波長域である、０．８μｍ付近の発光スペクトルをもつ半導体レーザであるアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置を使用するので、２つのレーザの出力ビームを被加工物の同一の部位に照射することができ、レーザビームの利用効率が高く、加工性がよい。
【００１５】
本発明の他のアルミニウム溶接用レーザ加工方法は、前記レーザ加工方法において、前記半導体レーザに代えてＬＥＤを備えているアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置を使用するので、ＹＡＧレーザとＬＥＤの２つの出力ビームを被加工物の同一の部位に照射することができ、レーザビームの利用効率が高く、加工性がよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、短波長レーザと大出力の長波長レーザの２つのレーザのビームを同軸に重畳して結合するために加工光学装置の光路の最終部品である集光レンズの直前の位置に１つのレーザビームに対して透過し、もう１つの他の波長では全反射する二色性のミラーコートを施したいわゆるダイクロイックミラーを設けて２つのビームを結合することを特徴とするものである。
【００１７】
通常、レーザ加工に用いる加工光学装置にはレーザ入射側から順に光軸調整用ミラー、ビーム拡がり角を改善するためのビームエクスパンダーそして集光レンズが具備されている。前述したダイクロイックミラーをこれら光学部品の入射側に近いところに設けて２つのレーザビームを重畳するとダイクロイックミラーより出射側の光学レンズはすべて２つの波長で無反射コートを施し、さらにレンズの材質として２つの波長で透過性の良い材料を選ぶ必要があって加工光学装置の価格を上げる要因となる。本発明による加工光学装置では集光レンズのみにこのような材質を用い無反射コートを施せばよく原価低減に寄与し、光ファイバを用いた加工光学装置ではそれぞれの波長に対して損失の少ない光ファイバを別々に選択できる利点も有する。
【００１８】  大出力の長波長のレーザとしては、ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ、よう素レーザなどが加工用レーザとして適しており、短波長のレーザとしてはＫｒＦエキシマレーザ、アレキサンドライトレーザ、ＹＡＧレーザの第２次高調波、第３次高調波あるいは第２次、第３次混合高調波などを用いることができる。また、短波長レーザとしては半導体レーザを使用することができ、レーザのかわりにＬＥＤを使用することもできる。被加工物がアルミニウムである場合、０．８μｍ付近に反射率の低い波長域があるため、０．８μｍ付近の発光スペクトルをもつ半導体レーザやＬＥＤを選択することが有利である。以下では長波長のレーザとしてＹＡＧレーザを、短波長のレーザとして半導体レーザを用いた場合の実施の形態について説明する。【００１９】実施の形態１
図１は本発明の１実施の形態を示すものであり、１はＹＡＧレーザ発振器、２はＹＡＧレーザビーム、３は光軸調整用ミラー、４はレーザビームの拡がり角改善のためのビームエクスパンダー、５はダイクイロイックミラー、６は２つの波長の異なるレーザビームを集光する集光レンズ、７はこの加工光学装置で加工される被加工物、８は半導体レーザのビームを導光するためのミラー、９は半導体レーザのビーム、１０は半導体レーザ発振器である。【００２０】  以上の構成による加工光学装置の動作は次の通りとなる。１のＹＡＧレーザ発振器を出たビーム２は光軸調整用のミラー３によって以降のレンズ群の光軸を通るように調整され、ビーム拡がり角を改善するためのビームエクスパンダーを通過し、ＹＡＧレーザ光を透過するダイクロイックミラー５を通過して集光レンズ６で集光されて加工物７に照射される。以上のレンズはＹＡＧレーザビームの波長１．０６μｍで無反射コートがなされている。一方半導体レーザ１０からのビーム９は８の導光ミラーに導かれて５のダイクロイックミラーに入射する。このミラーはＹＡＧレーザの１．０６μｍの光は透過するが半導体レーザの０．８μｍ付近のレーザ光は全反射するコーティングがなされている。このため半導体レーザ光はＹＡＧレーザ光に重畳されて集光レンズ６によって集光される。集光レンズ６にはＹＡＧレーザと半導体レーザの両方の波長に対する無反射コートを施す。【００２１】    本実施の形態では半導体レーザ光に対して光軸調整用ミラー、ビームエクスパンダーを省略してあるがこれらが具備されていてもよい。また、ビームエクスパンダー４あるいは図では示さなかった半導体レーザ用エクスパンダーのレンズ間の距離をかえることにより２つのレーザビームに対して独立に加工に最適な集光径を得ることができる。【００２２】  実施の形態２
図２は本発明の第２の実施の形態を示すもので、１はＹＡＧレーザ発振器、２はＹＡＧレーザビーム、１６は光ファイバ４にＹＡＧレーザビームを入射、伝送するための入射レンズ、１８は光ファイバから出射したＹＡＧレーザビーム、１９はこのレーザビームをコリメイトするためのコリメイトレンズ、５はＹＡＧレーザ光を透過し、半導体レーザ光を全反射するダイクロイックミラー、６はＹＡＧレーザ光と半導体レーザ光を透過する材質の集光レンズでこれらの二波長のレーザビームに対して無反射コートが施してある。９は半導体レーザビーム、１０は半導体レーザ発振器で、１２はこのレーザビームを集光して光ファイバ１３に入射、伝送するための入射レンズ、１４は光ファイバから出射した半導体レーザビーム、１５はこのレーザビームをコリメイトするためのコリメイトレンズである。【００２３】
本構成による加工光学装置の動作は基本的には図１の場合と類似しており省略するが、この場合もコリメイトレンズ１９と１５を微調整できる構造にすることにより、２つのレーザビームの加工面での集光径を独立に設定でき加工の最適化が容易に得られる利点を有する。さらに本発明のダイクロイックミラー５を集光レンズの直前に置く配置をとることによって２つのレーザビームに対して伝送損失が最小の光ファイバをそれぞれ別に選択して加工光学装置を構築できる利点も有する。
【００２４】以上、本発明の２つの波長の異なるレーザビームを同軸に重畳する加工光学装置について説明したが、これを一般化して複数のレーザビームに対しても本発明と同様のことが行えることは自明である。さらに本発明の効果を高反射率を有する金属に対する加工を例として述べたが複数の波長の異なるレーザビームを照射することにより単一の波長のレーザ光のみを照射する場合より効果がある加工対象に対して本発明の加工光学装置が有効であることも明らかである。また、２つのレーザとしてＹＡＧレーザと半導体レーザを用いた場合について説明したが加工に対して効果のある任意のレーザの組み合わせが可能であることも自明である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明のアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置の第１の実施の形態の構成を示す図である。
【図２】本発明のアルミニウム溶接用レーザ加工光学装置の第２の実施の形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
【符号の説明】
【００２６】
１  ＹＡＧレーザ
２、１８  ＹＡＧレーザビーム
３  光軸調整ミラー
４  ビームエクスパンダー
５  ダイクロイックミラー
６  集光レンズ
７  被加工物
８  ミラー
９、１４  半導体レーザビーム
１０  半導体レーザ
１２、１６  入射レンズ
１３、１７  光ファイバ
１５、１９  コリメイトレンズ
【図１】
0004716281.tif 000002
【図２】
0004716281.tif 000003