(57)【要約】【課題】  ＬＤの寿命の長大化を図って固体レーザ媒質とＬＤとによるハイブリッドレーザ光が照射できるようにする。【解決手段】  ランプにより励起される固体レーザ媒質３よりなる第１レーザ光源４、およびＬＤ５よりなる第２レーザ光源６から出力する第１、第２レーザ光７、８を重畳させハイブリッドレーザ光９として照射し、加工などに供し、この第１、第２レーザ光７、８の出力時、第１レーザ光源４を励起してそれが能動状態になってから、第２レーザ光源６の励起を開始し、その後第１、第２レーザ光源４、６を目標出力状態にすることにより、上記の目的を達成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランプにより励起される固体レーザ媒質よりなる第１レーザ光源、および半導体レーザよりなる第２レーザ光源から出力する第１、第２レーザ光を重畳させハイブリッド光として照射し、加工などに供し、この第１、第２レーザ光の出力時、第１レーザ光源を励起してそれが能動状態になってから、第２レーザ光源の励起を開始し、その後第１、第２レーザ光源を目標出力状態にすることを特徴とするハイブリッドレーザ光照射方法。
【請求項２】
ランプにより励起される固体レーザ媒質よりなる第１レーザ光源、および半導体レーザよりなる第２レーザ光源から出力する第１、第２レーザ光を重畳させハイブリッド光として照射し、加工などに供しながら、第１、第２レーザ光源および第１、第２レーザ光源に対応する第１、第２駆動電源部を水冷し、第１、第２レーザ光の出力時、第１レーザ光源を励起してそれが能動状態になってから、第２レーザ光源の励起を開始し、その後第１、第２レーザ光源を目標出力状態にすることを特徴とするハイブリッドレーザ光照射方法。
【請求項３】
第１レーザ光源、第１駆動電源部を冷却する第１冷却水の純度は、第２レーザ光源、第２駆動電源部を冷却する第２冷却水の純度よりも高く保つように管理する請求項２に記載のハイブリッドレーザ光照射方法。
【請求項４】
少なくとも第１冷却水は、純度が１μＳ／ｃｍ以下に保つように管理する請求項２、３のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ光照射方法。
【請求項５】
第２冷却水は、純度が５〜１０μＳ／ｃｍの範囲に保つように管理する請求項２〜４のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ光照射方法。
【請求項６】
第１、第２冷却水は、水位差を平衡させ純度差を保つ小径な連通孔を持った仕切り壁によって仕切られた貯水域に個別に貯水し、その一方でのみ水位調節をしながら個別に循環させる請求項２〜５のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ光照射方法。
【請求項７】
少なくとも第１駆動電源部の冷却は銅管に第１冷却水を通して行う請求項６に記載のハイブリッドレーザ光照射方法。
【請求項８】
水位調節は第１冷却水の側で前記連通孔よりも上の水位を保って行う請求項７に記載のハイブリッドレーザ光照射方法。
【請求項９】
第２冷却水のみ検出純度による純度管理を行う請求項３〜８のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ光照射方法。
【請求項１０】
第１冷却水のみ検出温度による温度管理を行う請求項３〜８のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ光照射方法。
【請求項１１】
第２冷却水は第１冷却水との熱交換により温度調節する請求項１０に記載のハイブリッドレーザ光照射方法。
【請求項１２】
少なくとも第２冷却水は、不活性ガスを注入して循環させる請求項３〜１１のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ光照射方法。
【請求項１３】
第２レーザ光源の励起ランプに紫外線ランプを用いて冷却水への紫外線照射を図る請求項３〜１２のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ光照射方法。
【請求項１４】
第１冷却水は、第２駆動電源部からの帰還路にて自然水と適時に、適度に熱交換させる請求項３〜１３のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ光照射方法。
【請求項１５】
ランプにより励起される固体レーザ媒質よりなる第１レーザ光源と、半導体レーザよりなる第２レーザ光源と、これら第１、第２レーザ光源を駆動する第１、第２駆動電源部と、これら第１、第２駆動電源部により第１、第２レーザ光源を駆動して第１、第２レーザ光を出力させるハイブリッドレーザ制御手段と、出力される第１、第２レーザ光を重畳させハイブリッドレーザ光として照射し、加工などに供する照射光学系とを備え、ハイブリッドレーザ制御手段は、第１、第２レーザ光の出力時、第１レーザ光源を励起してそれが能動状態になってから、第２レーザ光源の励起を開始し、その後第１、第２レーザ光源を目標出力状態にすることを特徴とするハイブリッドレーザ装置。
【請求項１６】
ランプにより励起される固体レーザ媒質よりなる第１レーザ光源と、半導体レーザよりなる第２レーザ光源と、これら第１、第２レーザ光源を駆動する第１、第２駆動電源部と、これら第１、第２駆動電源部により第１、第２レーザ光源を駆動して第１、第２レーザ光を出力させるハイブリッドレーザ制御手段と、出力される第１、第２レーザ光を重畳させハイブリッドレーザ光として照射し、加工などに供する照射光学系と、第１、第２レーザ光源および第１、第２駆動電源部を水冷する水冷手段とを備え、ハイブリッドレーザ制御手段は、第１、第２レーザ光の出力時、第１レーザ光源を励起してそれが能動状態になってから、第２レーザ光源の励起を開始し、その後第１、第２レーザ光源を目標出力状態にすることを特徴とするハイブリッドレーザ装置。
【請求項１７】
第１レーザ光源、第１レーザ駆動電源部を冷却する第１冷却水の純度は、第２レーザ光源、第２レーザ駆動電源部を冷却する第２冷却水の純度よりも高く保つ純度管理手段を備えた請求項１６に記載のハイブリッドレーザ装置。
【請求項１８】
第２冷却水が通る少なくとも第２駆動電源部の通水部は銅管よりなる請求項１６、１７のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ装置。
【請求項１９】
水冷手段は、第１、第２冷却水を、水位差を平衡させ純度差を保つ小径な連通孔を持った仕切り壁によって仕切られた第１、第２貯水域に個別に貯水する貯水部と、それら第１、第２貯水域の第１、第２冷却水を個別に循環させる第１、第２循環手段と、第１貯水域の第１冷却水を前記連通孔よりも上の水位を保って水位調節を行う水位調節手段とを備えた請求項１６〜１８のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ装置。
【請求項２０】
第２貯水域で検出した第２冷却水の純度に応じ第２冷却水を所定の純度に調整する第１純度調節手段を備えた請求項１９に記載のハイブリッドレーザ装置。
【請求項２１】
第２冷却水の循環路に設けられて第２冷却水を通すことで所定の純度以下にする第２純度調節部を備えた請求項１９、２０のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ装置。
【請求項２２】
第１貯水域にヒータを設け、そこでの温度検出に基づき第１冷却水の温度を所定の温度に調節する第１温度調節手段を備えた請求項１９〜２１のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ装置。
【請求項２３】
第２冷却水を第１冷却水と熱交換させて温度調節する第２温度調節手段を備えた請求項１９〜２２のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ装置。
【請求項２４】
少なくとも第２冷却水に不活性ガスを注入して循環させる不活性ガス注入手段を備えた請求項１６〜２３のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ装置。
【請求項２５】
第２冷却水に紫外線を照射する請求項１６〜２４のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ装置。
【請求項２６】
第１冷却水を自然水と熱交換させる熱交換手段と、この熱交換手段の熱交換を２つの弁の開閉によって適時に、適度に行わせる第２温度調節手段を備えた請求項１６〜２５のいずれか１項に記載のハイブリッドレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザ媒質を励起ランプにより励起して出射するレーザ光と、半導体レーザ（以下ＬＤという）を励起して出射するレーザ光とを重畳させて照射し、加工などに供するハイブリッドレーザ光照射方法とこれに用いるハイブリッドレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光にて溶接などの加工を行うのに、照射する１つのレーザ光を溶接幅、溶接深さに応じた光軸上の複数の焦点位置を持つように集光させて、所定の溶け込みの深さや幅を満足できるようにしたもの（例えば、特許文献１参照。）、２種のＹＡＧレーザ光を重畳させて照射し、高反射率、高熱拡散率を有する金属材料でも十分な溶け込み断面積および溶け込み深さが得られるようにするもの（例えば、特許文献２参照。）、レーザ光とアークを併用するレーザ／アーク溶接ハイブリッド方式のもの（例えば、特許文献３参照。）などがある。
【０００３】
一方、近時では、溶接の溶け込み、速度共に高めるという相容れない要求に応えるべく、上記のような溶接方法に代わって、パルス制御により励起する第１ＬＤからの第１レーザ光とＣＷ制御により励起する第２ＬＤからの第２レーザ光とを重畳させたり、ＹＡＧレーザ光とＬＤレーザ光とを重畳させたりする新規溶接方式などが研究されるようになり、各種の実験機、実機が製作され、提供され始めている。
【特許文献１】特開２０００−００５８９２号公報
【特許文献２】特開２００２−０２８７９５号公報
【特許文献３】特開２００３−１６４９８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、第１ＬＤと第２ＬＤとの組み合わせでは出力を十分に確保しにくい。具体的には、第１ＬＤはフルパワーで連続１０００時間程度にてパワーダウンしてしまうし、第２ＬＤでは加工点での最大出力が２０Ｗ程度しか得られない。従って、まだ実用に耐えない。また、ＬＤ励起ＹＡＧレーザ光とＬＤレーザ光とによるハイブリッドレーザ光を用いた溶接などの加工では、加工の精度および速度共に向上しているがまだ初期段階であり、種々な課題を知見している。大きな課題の１つに、ＬＤの耐電圧強度が例えば順方向で５Ｖ、逆方向で１Ｖと低く、ＹＡＧをパルス制御してＫＷ級の高出力を得るような場合、数十ＫＶという高いトリガ電圧が必要であるため、ＬＤがインパルスノイズにより早期に破損してしまうので、実用に耐えない。これにつき、本発明者等が種々に実験をし、研究したところ、ＬＤのインパルスノイズ破損を回避できる方法を見出した。
【０００５】
また、ＹＡＧおよびＬＤはその駆動電源部とともに水冷するのが好適であり、冷却効率は純水に近いほどよい。しかし、冷却水は純水に近づくほど活性化し各部に酸化や腐食をもたらすなどの問題がある。そこで、ＹＡＧの冷却水の純度は１μＳ／ｃｍ以下とされるのに対し、ＬＤの冷却水の純度は５〜１０μＳ／ｃｍ程度とされるのが一般的である。しかし、これによっても、ＬＤの冷却水にバクテリアが湧き、酸化が生じてＬＤが２〜３年程度でダメージを受ける。しかも、ＹＡＧレーザ発振器においてもその励起ランプの電極やＹＡＧの支持パイプ、特に本体が高抵抗アースされている関係からプラス電極側に汚泥ともいうべき冷却水中の異物の付着、粘着がなお見られ、励起ランプからの光照射による発熱を防止するため銅や金などの高反射金属をメッキしていることによる働きを阻害してしまい、寿命低下に繋がりかねない。本発明者等はこれらの問題についても種々に実験をし、研究を重ね、幾つかの解決策を見出した。
【０００６】
本発明の主たる目的は、このような新たな知見に基づき、ＬＤの寿命の長大化が図れる固体レーザ媒質とＬＤとによるハイブリッドレーザ光照射方法とこれに用いるハイブリッドレーザ装置を提供することにあり、さらには、冷却水に関係する問題を解消する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明のハイブリッドレーザ光照射方法は、ランプにより励起される固体レーザ媒質よりなる第１レーザ光源、およびＬＤよりなる第２レーザ光源から出力する第１、第２レーザ光を重畳させハイブリッド光として照射し、加工などに供し、この第１、第２レーザ光の出力時、第１レーザ光源を励起してそれが能動状態になってから、第２レーザ光源の励起を開始し、その後第１、第２レーザ光源を目標出力状態にすることを１つの特徴としている。
【０００８】
このような構成では、固体レーザ媒質である第１レーザ光源からの第１レーザ光と第２レーザ光源であるＬＤからの第２レーザ光とを重畳させてハイブリッドレーザ光とし、それぞれの目標出力状態にて加工などに供するのに、高電圧となる第１レーザ光源のトリガを、第２レーザ光源であるＬＤの非駆動状態にて実施して励起を開始することで高電圧トリガによるインパルスノイズがＬＤに働くのを回避してＬＤの寿命の長大化を実現しながら、第１レーザ光源のトリガ後に第２レーザ光源であるＬＤの励起を開始し、第１、第２レーザ光源を目標出力状態にすることで、所定出力のハイブリッドレーザ光を照射して加工などの目的が達成されるようにすることができる。
【０００９】
このような方法は、ランプにより励起される固体レーザ媒質よりなる第１レーザ光源と、半導体レーザよりなる第２レーザ光源と、これら第１、第２レーザ光源を駆動する第１、第２駆動電源部と、これら第１、第２駆動電源部により第１、第２レーザ光源を駆動して第１、第２レーザ光を出力させるハイブリッドレーザ制御手段と、出力される第１、第２レーザ光を重畳させハイブリッドレーザ光として照射し、加工などに供する照射光学系とを備え、ハイブリッドレーザ制御手段は、第１、第２レーザ光の出力時、第１レーザ光源を励起してそれが能動状態になってから、第２レーザ光源の励起を開始し、その後第１、第２レーザ光源を目標出力状態にすることを１つの特徴とするハイブリッドレーザ装置によって達成することができる。
【００１０】
本発明のハイブリッドレーザ光照射方法は、また、ランプにより励起される固体レーザ媒質よりなる第１レーザ光源、および半導体レーザよりなる第２レーザ光源から出力する第１、第２レーザ光を重畳させハイブリッド光として照射し、加工などに供しながら、第１、第２レーザ光源および第１、第２レーザ光源に対応する第１、第２駆動電源部を水冷し、第１、第２レーザ光の出力時、第１レーザ光源を励起してそれが能動状態になってから、第２レーザ光源の励起を開始し、その後第１、第２レーザ光源を目標出力状態にすることを別の特徴としている。
【００１１】
このような構成では、前記１つの特徴による場合に加え、さらに、第１、第２レーザ光源およびそれらに対応する第１、第２駆動電源部を水冷するので、それらが異常昇温して寿命が低下するのを十分に防止することができる。
【００１２】
このような方法は、ランプにより励起される固体レーザ媒質よりなる第１レーザ光源と、半導体レーザよりなる第２レーザ光源と、これら第１、第２レーザ光源を駆動する第１、第２駆動電源部と、これら第１、第２駆動電源部により第１、第２レーザ光源を駆動して第１、第２レーザ光を出力させるハイブリッドレーザ制御手段と、出力される第１、第２レーザ光を重畳させハイブリッドレーザ光として照射し、加工などに供する照射光学系と、第１、第２レーザ光源および第１、第２駆動電源部を水冷する水冷手段とを備え、ハイブリッドレーザ制御手段は、第１、第２レーザ光の出力時、第１レーザ光源を励起してそれが能動状態になってから、第２レーザ光源の励起を開始し、その後第１、第２レーザ光源を目標出力状態にすることを特徴とするハイブリッドレーザ装置によって達成することができる。
【００１３】
第１レーザ光源、第１駆動電源部を冷却する第１冷却水の純度は、第２レーザ光源、第２駆動電源部を冷却する第２冷却水の純度よりも高く保つように管理する、さらなる構成では、
固体レーザ媒質とＬＤとの併用によるハイブリッドレーザ光の照射を実現しながらも、第１レーザ光源、第１駆動電源部と、第２レーザ光源、第２駆動電源部とを、それらに対応する純度の冷却水によって効果的に冷却することができる。
【００１４】
これを実現するには、ハイブリッドレーザ装置において、第１レーザ光源、第１レーザ駆動電源部を冷却する第１冷却水の純度は、第２レーザ光源、第２レーザ駆動電源部を冷却する第２冷却水の純度よりも高く保つ純度管理手段を備えたものとすればよい。
【００１５】
少なくとも第１冷却水は、純度が１μＳ／ｃｍ以下に保つように管理する、さらなる構成では、ハイブリッドレーザ光を照射する際の固体レーザ媒質である第１レーザ光源側の冷却を、従来の非ハイブリッドレーザ光照射の場合に劣らない冷却が実現し、０．５μＳ／ｃｍ以下として固体レーザ媒質であるＹＡＧロッドの支持パイプやそれを励起する励起ランプの電極などに汚泥が付着し、粘着するようなことを防止し、固体レーザ発振器の寿命の長大化が図れる。
【００１６】
第２冷却水は、純度が５〜１０μＳ／ｃｍの範囲に保つように管理する、さらなる構成では、
ハイブリッドレーザ光を照射する際のＬＤである第２レーザ光源側の冷却を、従来の非ハイブリッドレーザ光照射の場合に劣らない冷却が実現する。
【００１７】
第１、第２冷却水は、水位差を平衡させ純度差を保つ小径な連通孔を持った仕切り壁によって仕切られた貯水域に個別に貯水し、その一方でのみ水位調節をしながら個別に循環させる、さらなる構成では、
第１、第２冷却水を相隣れる貯水域に貯水して、従って１つの貯水槽に貯水して、相互の連通孔を介した水位平衡作用により、一方での水位調節を行うだけで貯水の過不足による問題を解消することができる。しかも、連通孔はその径を１ｍｍ程度と小さくすることで、第１、第２冷却水相互の純水度に違いがあっても微細物質の行き来を阻止することができ純水度が平衡するようなことがない。
【００１８】
これを実現するには、ハイブリッドレーザ装置において、水冷手段は、第１、第２冷却水を、水位差を平衡させ純度差を保つ小径な連通孔を持った仕切り壁によって仕切られた第１、第２貯水域に個別に貯水する貯水部と、それら第１、第２貯水域の第１、第２冷却水を個別に循環させる第１、第２循環手段と、第１貯水域の第１冷却水を前記連通孔よりも上の水位を保って水位調節を行う水位調節手段とを備えたものとすればよい。
【００１９】
少なくとも第１駆動電源部の冷却は銅管に第１冷却水を通して行う、さらなる構成では、
第１電源駆動部に純度の高い第１冷却水を通すが、それを銅管により行うと、第１電源駆動部での熱と、第１冷却水の高い純度とによって、第１冷却水に銅イオンを効率よく溶け込ませ、第２冷却水へも連絡孔を通じた銅イオン注入することができ、その抗菌性による冷却水系全域でのバクテリア繁殖の抑制と、ＬＤのマイクロチャネルからの銅腐食を低減させられるので、ＬＤ側の寿命の長大化が図れる。
【００２０】
水位調節は第１冷却水の側で前記連通孔よりも上の水位を保って行う、さらなる構成では、
第１冷却水の水位が連通孔よりも下がることがなく、第１、第２冷却水の連通孔による水位の平衡作用を確保して第１冷却水の水位調節が行える。
【００２１】
第２冷却水のみ検出純度による純度管理を行う、さらなる構成では、
高純水である第１冷却水は、最大限に純粋化してればよいのに対し、第２冷却水につき所定の純度範囲に保つことを保証することができる。
【００２２】
それには、ハイブリッドレーザ装置において、第２冷却水の循環路に設けられて第２冷却水を通すことで所定の純度範囲にする第２純度調節部を備えたものとすればよい。
【００２３】
第１冷却水のみ検出温度による温度管理を行う、さらなる構成では、
第１、第２冷却水の温度管理をするのに、第１冷却水側だけ検出温度に基づいて行えば純度の高さに見合った温度管理ができ、これを純度の低い第２冷却水側に反映させて適度な温度管理が簡易にできる。
【００２４】
それには、ハイブリッドレーザ装置において、第１貯水域にヒータを設け、そこでの温度検出に基づき第１冷却水の温度を所定の温度に調節する第１温度調節手段を備えたものとすればよい。
【００２５】
また第１冷却水の温度調節を利用した第２冷却水の温度管理は、例えば、第２冷却水を第１冷却水との熱交換により温度調節することで達成することができる。
【００２６】
それには、ハイブリッドレーザ装置において、第２冷却水を第１冷却水と熱交換させて温度調節する第２温度調節手段を備えたものとすればよい。
【００２７】
少なくとも第２冷却水は、不活性ガスを注入して循環させる、さらなる構成では、
不活性ガスによりバクテリアが湧きやすい第２冷却水でのバクテリアの繁殖やそれによる酸化を防止でき、ＬＤ側の寿命の長大化が図れる。
【００２８】
それには、ハイブリッドレーザ装置において、少なくとも第２冷却水に不活性ガスを注入して循環させる不活性ガス注入手段を備えたものとすればよい。
【００２９】
第２冷却水に紫外線照射を図る、さらなる構成では、
紫外線照射によりバクテリアが湧きやすい第２冷却水でのバクテリアの繁殖やそれによる酸化を防止でき、ＬＤ側の寿命の長大化が図れる。
【００３０】
第１冷却水は、第２駆動電源部からの帰還路にて自然水と適時に、適度に熱交換させる、さらなる構成では、
冷却に供した後の第１冷却水を自然水を利用して冷却し、かつ、それを第２冷却水に及ぼすことができる。
【００３１】
それには、ハイブリッドレーザ装置において、第１冷却水を自然水と熱交換させる熱交換手段と、この熱交換手段の熱交換を２つの弁の開閉によって適時に、適度に行わせる第２温度調節手段を備えたものとすればよい。
【００３２】
本発明のそれ以上の目的および特徴は、以下の詳細な説明および図面の記載によって明らかになる。本発明の各特徴は、それ単独で、あるいは可能な限りにおいて、種々な組合せで複合して採用することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明のハイブリッドレーザ光照射方法とこれに用いるハイブリッドレーザ装置における１つの特徴によれば、高電圧トリガによる第１レーザ光源の励起による第１レーザ光と第２レーザ光源であるＬＤを励起しての第２レーザ光とを重畳したハイブリッドレーザ光の照射を実現して、しかも、高電圧トリガによるインパルスノイズがＬＤに働くのを回避してＬＤの寿命の長大化が図ることができ、ＬＤのインパルスノイズ破壊に対する寿命は十分に実用できるレベルとなる。
【００３４】
本発明のハイブリッドレーザ光照射方法とこれに用いるハイブリッドレーザ装置における別の特徴によれば、前記１つの特徴による場合に加え、さらに、第１、第２レーザ光源およびそれらに対応する第１、第２駆動電源部が異常昇温して寿命が低下するのを十分に防止することができ、ハイブリッドレーザ装置全体が十分に実用できるものとなる。特に、第１冷却水は０．５μＳ／ｃｍ以下として固体レーザ媒質であるＹＡＧロッドの支持パイプやそれを励起する励起ランプの電極などに汚泥が付着し、粘着するようなことを防止し、固体レーザ発振器の寿命の長大化が図れる。
【００３５】
第１、第２冷却水は、水位差を平衡させ純度差を保つ小径な連通孔を持った仕切り壁によって仕切られた貯水域に個別に貯水し、その一方でのみ水位調節をしながら個別に循環させる、さらなる構成では、
第１、第２冷却水を相隣れる貯水域に貯水して、従って１つの貯水槽に貯水して、相互の連通孔を介した水位平衡作用により、一方での水位調節を行うだけで貯水の過不足による問題を解消することができる。しかも、連通孔はその径を１ｍｍ程度と小さくすることで、第１、第２冷却水相互の純水度に違いがあっても微細物質の行き来を阻止することができ純水度が平衡するようなことがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態に係るハイブリッドレーザ光照射方法とこれに用いるハイブリッドレーザ装置につき、図１〜図５を参照しながら詳細に説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の説明は本発明の具体例であって、特許請求の範囲の記載を限定するものではない。
【００３７】
本実施の形態に係るハイブリッドレーザ光照射方法は、図１に示すハイブリッドレーザ装置１を参照して、励起ランプ２により励起される固体レーザ媒質３よりなる第１レーザ光源４、およびＬＤ５よりなる第２レーザ光源６から出力する第１、第２レーザ光７、８を重畳させハイブリッド光９として被加工物１１などに照射し、加工などに供するのに、特に、この第１、第２レーザ光７、８の出力時、図２にタイミングチャートを示しているように、第１レーザ光源４を励起して、つまり高電圧トリガを行って、第１レーザ光源４が能動状態になってから、第２レーザ光源６の励起を開始し、その後第１、第２レーザ光源４、６を目標出力状態にする。これにより、固体レーザ媒質３である第１レーザ光源４からの第１レーザ光７と、ＬＤ５である第２レーザ光源からの第２レーザ光８とを重畳させてハイブリッドレーザ光９とし、加工などの目的に対応して必要とするそれぞれの目標出力状態にて加工などに供するのに、高電圧となる第１レーザ光源４のトリガを、ＬＤ５である第２レーザ光源６の非駆動状態にて実施して励起を開始することになる。この結果、高電圧トリガによるインパルスノイズがＬＤ５に働くのを回避してＬＤ５の寿命の長大化が実現する。これに併せ、第１レーザ光源４のトリガ後にＬＤ５である第２レーザ光源６の励起を開始し、その後所定の加工タイミングで第１、第２レーザ光源４、６を目標出力状態にすることで、所定出力のハイブリッドレーザ光９を照射して加工などの目的が達成されるようにすることができる。
【００３８】
これを達成するのに図１に示すハイブリッドレーザ装置１は、励起ランプ２により励起される固体レーザ媒質３よりなる第１レーザ光源４と、ＬＤ５よりなる第２レーザ光源６との他に、これら第１、第２レーザ光源４、６を駆動する第１、第２駆動電源部１２、１３と、これら第１、第２駆動電源部１２、１３により第１、第２レーザ光源４、６を駆動して第１、第２レーザ光７、８を出力させるハイブリッド制御の内部機能を持ったコントローラ１４と、出力される第１、第２レーザ光７、８を重畳させハイブリッドレーザ光９として照射し、加工などに供する照射光学系、具体的にはそれを装備したいわゆるハイブリッドレーザトーチ１５とを備え、ハイブリッド制御の内部機能を持ったコントローラ１４は、第１、第２レーザ光７、８の出力時、第１レーザ光源４を先に励起してそれが能動状態になってから、第２レーザ光源６の励起を開始し、その後第１、第２レーザ光源４、６を目標出力状態にするようにしている。
【００３９】
ところで、本出願人は、図１に示すように励起ランプ２によって、固体レーザ媒質３の特に高出力に有利なＹＡＧ３を励起するのに、励起ランプ２からの励起光を横断面楕円の集光器１０１の集光反射面により、ＹＡＧ３に対しその外径よりも小さな集光径にて集光させることにより励起し、レーザ光７を出射させることを、例えば、ＹＡＧ３の外径よりも小さな発光径の励起ランプ２との間で満足することにより、ＹＡＧ３の外径に対する励起域が前記集光径の範囲に制限されて、励起域から外れる外周部層に励起が及ばない分だけＹＡＧ３の熱歪みが抑えられるし、片側からのアンバランスな励起に起因した反りも緩和でき、１つの励起ランプ２の片側からの励起によってもＹＡＧ３の寿命は高まり、主として長尺化によるボリュームおよび出力の増大が図れる方法を提案している。これによると、第１レーザ光源４の簡略化、小型化、低コスト化が実現し、併せて、０．６ｍｍ以下の集光を可能とする７ｍｍ以下の外径での実用にも対応できる。しかも、必要な出力が高くなる分だけ励起ランプ２の駆動電流を抑えられるので、ランニングコストが低減するし、第１駆動電源部１２のスイッチング素子として超高速のＩＧＢＴを電流制御に用いて制御周波数を高められる。
【００４０】
また、１８０ｍｍ以上の長さのＹＡＧ３を用いてゲインを高められるため出力効率が従来の３％程度に比して４％程度と向上し、１ＫＷ以上の出力が得られる。しかも、熱歪みによる寿命低下が大きく緩和されて数億ショットという従来の数倍の寿命が実現している。また、外径を７ｍｍ以下として光ファイバ１２１などに対する０．６ｍｍ以下の集光も可能である。
【００４１】
そこで、実施例としてこのようなＹＡＧ３を採用して、ハイブリッドレーザ光９におけるＬＤ５の特定の出力と、ＹＡＧ３のパルス制御による複数の出力における各種制御パルス数との関係において、十分な溶け込み幅、溶け込み深さの溶接が高速度で実現した。
【００４２】
このようなＹＡＧ３を採用したときの駆動および出力の例を図２に示しており、ＹＡＧ３は２００Ｖ程度のシマー電圧にて励起を開始して３０，０００Ｖ程度の高電圧トリガに移行した後、１〜２Ａ程度のシュー電流駆動状態を保ちならが所定の加工タイミングに合わせて１００Ａ〜７００Ａ程度の目標電流でのパルス制御による駆動状態としているのに対し、ＬＤ５は前記ＹＡＧ３の高電圧トリガが終えるまで非駆動状態に保ち、高電圧トリガが終わって後に５Ａ程度の閾値電流による予備駆動状態に保って待機しながら、加工タイミングに合わせて５〜１００Ａ程度の目標電流でのＣＷ制御による駆動状態としている。このようなハイブリッドレーザ駆動によってもＬＤ５のインパルスノイズによる破壊は十分に回避され、実用に耐えるレベルであった。
【００４３】
また、ハイブリッドレーザ装置１の実使用においては、以上のような駆動およびハイブリッドレーザ光９の照射において、第１、第２レーザ光源４、６および第１、第２レーザ光源４、６に対応する第１、第２駆動電源部１２、１３を水冷する。これにより、第１、第２レーザ光源６およびそれらに対応する第１、第２駆動電源部１２、１３を水冷手段２５により水冷するので、それらが異常昇温して寿命が低下することをも十分に防止することができる。この結果、ハイブリッドレーザ装置全体が十分に実用できるものとなる。
【００４４】
ここに、水冷手段２５は既述したような２通りの純度である、図１〜図４に示す第１レーザ光源４の駆動に適した高純度の第１冷却水３１、ＬＤ５の駆動に適した低純度の図１に示す第２冷却水３２を取り扱い、それらを第１レーザ光源４および第１駆動電源部１２と、第２レーザ光源６および第２駆動電源部１３とを個別に循環させて、個別に冷却することになる。これを有利に実現するのに本実施の形態では、図１に示すように、第１、第２冷却水３１、３２は、水位差を平衡させ純度差を保つ直径１ｍｍ程度と小径な連通孔３３を持った仕切り壁３４によって仕切った貯水域３５、３６に個別に貯水し、これら貯水域３５、３６の一方、具体例としては貯水域３５でのみ水位調節をしながら個別に循環させるようにする。
【００４５】
第１冷却水３１の純度は通常ＹＡＧ３の駆動において適当とされる１μＳ／ｃｍ以下に管理すればよいが、０．５μＳ／ｃｍ以下とすることにより、図３〜図５に示す冷却水通路２１による水没環境においての、ＹＡＧ３のロッドの支持パイプ２２やそれを励起する励起ランプの電極２３などの特に図３に斜線を施して示すプラス電極側に、汚泥が付着し、粘着するようなことを防止し、第１レーザ光源４の寿命の長大化が図れる。一方、第２冷却水３２の純度は通常ＬＤ５の駆動において適当とされる５〜１０μｓ／ｃｍの範囲に保つように管理する。これにより、ハイブリッドレーザ光９を照射する際のＬＤ５である第２レーザ光源６側の冷却を、従来の非ハイブリッドレーザ光照射の場合に劣らない冷却が実現する。
【００４６】
このような冷却のため、水冷手段２５は、第１、第２冷却水３１、３２を、水位差を平衡させ純度差を保つ小径な連通孔３３を持った仕切り壁３４によって仕切られた第１、第２貯水域３５、３６を持った貯水槽３７と、それら第１、第２貯水域３５、３６の第１、第２冷却水３１、３２を個別に循環させる第１、第２循環手段４１、４２と、第１貯水域の第１冷却水を前記連通孔３３よりも上の水位を保って水位調節を行う水位調節手段４３とを備えている。第１循環手段４１は、ポンプ４１ａを持ち第１貯水域３５の第１冷却水３１を第１レーザ光源４および第１駆動電源部１２とに分岐して送り込みそこでの水冷に供する往路４１ｂと、第１レーザ光源４および第１駆動電源部１２からの水冷に供した後の第１冷却水３１を合流して第１貯水域３５に戻す復路４１ｃとを有し、この復路４１ｃの途中に既述した自然水との熱交換部２６を設けている。第２循環手段４２は、ポンプ４２ａを持ち第２貯水域３６の第２冷却水３２を第２レーザ光源６と第２駆動電源部１３へ分岐して送り込みそこでの水冷に供する往路４２ｂと、第２レーザ光源６と第２駆動電源部１３からの水冷に供した後の第２冷却水３２を第２貯水域３６に戻す復路４２ｃとを有している。水位調節手段４３は例えば、第１貯水域３５の水位を検出する水位センサ１５１を利用し、第１貯水域３５内の水位が下限に達したとき、コントローラ１４の内部機能などを利用した補給指令に従い、補給路４１ｄを通じ第１冷却水を上限水位になるまで補給し、過剰水位に対しては排水指令に従い、排水路４１ｅを通じ排水する。また、作業者の入力などに従いメンテ時などの排水も行う。
【００４７】
このように、第１、第２冷却水３１、３２を相隣れる貯水域３５、３６に貯水して、従って１つの貯水槽３７に貯水して、相互の連通孔３３を介した水位平衡作用により、一方での水位調節を行うだけで貯水の過不足による問題を解消することができる。しかも、連通孔３３はその径を１ｍｍ程度と小さくすることで、第１、第２冷却水３１、３２相互の純水度に違いがあっても微細物質の行き来を阻止することができ純水度が平衡するようなことがない。
【００４８】
なお、少なくとも第１駆動電源部１２の冷却は図１に示す銅管５１に第１冷却水３１を通して行うようにしている。第１駆動電源部１２に純度の高い第１冷却水３１を通すが、それを銅管５１により行うと、第１電源駆動部１２での比較的高い熱と、第１冷却水３１の高い純度とによって、第１冷却水３１に銅イオンを効率よく溶け込ませ、第２冷却水３２へも連絡孔３３を通じ銅イオン注入することができ、その抗菌性による冷却水系全域でのバクテリア繁殖の抑制と、ＬＤのマイクロチャネルからの銅腐食を低減させられるので、ＬＤ側の寿命の長大化が図れる。また、当然のことながら、前記第１冷却水３１の側での水位調節は前記連通孔３３よりも上の水位を保って行うことにより、第１冷却水３１の水位が連通孔３３よりも下がることがなく、第１、第２冷却水３１、３２の連通孔３３による水位の平衡作用を確保して第１冷却水３１の水位調節が行える。これを実現するため水位調節手段４３の前記水位センサ１５１は連通孔３３よりも上の下限水位を検出するようにしている。もっとも、銅管５１は冷却水系のより多くの部分に採用するほどよく、全体に設けるほどさらによい。
【００４９】
また、第２冷却水３２のみ検出純度による純度管理を行うために、第２冷却水３２の循環路である復路４２ｃに第２冷却水３２を通してイオン交換などすることで純度を調整する第１純度調節部６１として、イオン交換部６１ａおよび電磁弁６１ｂと、これらに対するバイパス路６１ｃと、第２貯水域３６内の第２冷却水３２の純度を電気的に検出する純度センサ６１ｄと、純度センサ６１ｄを接続した純度設定器６１ｅとを備え、検出される純度が設定範囲の下限を外れると、コントローラ１４の内部機能を利用するなどした、あるいは人でによる純度上げ指令に従い、電磁弁６１ｂを開いて第２冷却水３２を第１純度調節部６１を通して純度上げを行い、上限を外れると純度止め指令に従い、電磁弁６１ｂを閉じて第２冷却水３２を第１純度調節部６１に対しバイパスさせ純度が上がらないようにする。これにより、高純水である第１冷却水３１は、復路４１ｃの途中に設けたイオン交換部６２ａなどによって最大限に純粋化してればよいのに対し、第２冷却水３２につき所定の純度範囲に保つことを保証することができる。もっとも、第２冷却水３２に対するイオン交換部６２ａに対しても手操作用の開閉弁６２ｂと、これらに対するバイパス路６２ｃと、バイパス路６２ｃの手操作用の開閉弁６２ｄとによる第２純度調節部６２を設け、開閉弁６２ｂ、６２ｄの手操作によって第１冷却水３１のイオン交換を停止したり、再開したりできるようにしている。
【００５０】
また、第１、第２冷却水３１、３２の温度管理をするのに、第１冷却水３１側だけ検出温度に基づいて行えば純度の高さに見合った温度管理ができ、これを純度の低い第２冷却水３２側に反映させて適度な温度管理が簡易にできる。このため、第１貯水域３５にヒータ６３を設け、そこでの温度センサ（例えば、測温抵抗体）６４による温度検出に基づき、コントローラ１４の内部機能を利用するなどしたヒータ６３のオン、オフ制御によって、第１冷却水３１の温度を温度センサ６４を接続した温度設定部６６によって設定した所定の温度に調節する第１温度調節手段６５を備え、第１冷却水３１の温度調節を利用した第２冷却水３２の温度管理は、第２冷却水３２を第１冷却水３１とを第１冷却水３１の復路４１ｃにおける熱交換部１６５にて熱交換させることにより行うようにしている。
【００５１】
また、少なくとも第２冷却水３２はＮ2などの不活性ガスをスピードコントローラ７２を持った注入通路７１を通じて適宜注入し循環させるようにしており、不活性ガスによりバクテリアが湧きやすく問題となりやすい第２冷却水３２でのバクテリアの繁殖やそれによる酸化を防止でき、ＬＤ側の寿命の長大化が図れる。もっとも、不活性ガスを第１冷却水３１に対しても行うことができる。
【００５２】
また、第２冷却水３２に図示しない紫外線ランプによる紫外線照射を図ると、紫外線照射によりバクテリアが湧きやすい第２冷却水３２でのバクテリアの繁殖やそれによる酸化を防止でき、ＬＤ側の寿命の長大化が図れる。もっとも、第１冷却水３１に対して行っても良い。
【００５３】
第１冷却水３１と自然水との熱交換部２６では、自然水側に設けた第２温度調節手段８０をなす２つの電磁弁８１、８２をコントローラ１４の内部機能や作業者の操作による指令に従い開閉比率を変えることで、つまり自然水の通水デューティ比を調節することによって第１冷却水３１と自然水との熱交換を適時に、適度に行わせるようにしている。これにより、自然水が一年を通して温度が大幅に変化することに対応して、第１、第２冷却水３１、３２の温度調節が好適な範囲に保てる。この場合の開閉指令は自然水の検出温度に従って行えばよいが、場合によっては第１、第２冷却水の異常な昇温、または降温に対応して行ってもよい。
【００５４】
なお、本実施の形態のハイブリッドレーザトーチ１５は、ハイブリッドレーザ光９の照射状態や加工状態をモニタするモニタカメラ９１、第１、第２レーザ光７、８のレベルをモニタするモニタ９２、９３を備え、所定のハイブリッドレーザ光９の照射やそれによる首尾よい加工ができるようにする制御に好適である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は溶接や切断に実用でき、ＬＤの寿命の長大化が図って、固体レーザ媒質とＬＤとによるハイブリッドレーザ光の照射にて精度よい加工が高速度で行える。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態に係るハイブリッドレーザ装置の1つの例を示す全体構成図。
【図２】図１の装置におけるＹＡＧおよびＬＤを駆動する際の電圧、電流変化を示すタイムチャート。
【図３】図１の装置におけるＹＡＧレーザ光源を示す蓋を外して見た平面図。
【図４】図３の光源の励起ランプ部の断面図。
【図５】図３の光源のＹＡＧ部の断面図。
【符号の説明】
【００５７】
１  ハイブリッドレーザ装置
２  励起ランプ
３  固体レーザ媒質（ＹＡＧ）
４  第１レーザ光源
５  ＬＤ
６  第２レーザ光源
７、８  第１、第２レーザ光
９  ハイブリッドレーザ光
１２、１３  第１、第２駆動電源部
１５  ハイブリッドレーザトーチ
２５  水冷手段
２６、６５  熱交換部
３１、３２  第１、第２冷却水
３３  連通孔
３４  仕切り壁
３５、３６  第１、第２貯水域
３７  貯水槽
４１、４２  第１、第２循環手段
４３  水位調節手段
５１  銅管
１５１  水位センサ
６１  第１純度調節部
６５、８０  第１、第２温度調節手段
【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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