(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を用いて金属部材を溶接するためのレーザ溶接方法であって、
所定の基本波長と所望の持続時間とを有する連続発振の基本波レーザ光を生成する第１の工程と、
前記基本波レーザ光と所定のタイミングで時間的に重畳するように、前記基本波長の１／Ｎ（Ｎは２以上の整数）倍の波長と所望の高速繰り返しＱスイッチ周波数とを有する高調波Ｑスイッチレーザ光を前記基本波レーザ光とは別個に生成する第２の工程と、
前記基本波レーザ光と前記高調波Ｑスイッチレーザ光とをそれぞれの光軸がほぼ直角に交差するように同一のダイクロイックミラーに入射せしめ、それら双方のレーザ光を同一の軸上で重畳させる第３の工程と、
前記同一の軸上で重畳された前記基本波レーザ光と前記高調波Ｑスイッチレーザ光とを共通の集光レンズを介して前記金属部材の被溶接部に集光照射し、前記被溶接部を前記基本波レーザ光および前記高調波Ｑスイッチレーザ光の双方のエネルギーで冶金的に接合する第４の工程と
を有するレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記高調波Ｑスイッチレーザ光のビーム径を前記基本波レーザ光のビーム径よりも細くする、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記高調波Ｑスイッチレーザ光は、前記基本波長の１／２倍の波長を有する第２高調波のＱスイッチレーザ光である、請求項１または請求項２に記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
レーザ光を用いて金属部材を溶接するためのレーザ溶接装置であって、
所定の基本波長と所望の持続時間とを有する連続発振の基本波レーザ光を生成する第１のレーザ発振部と、
前記基本波長の１／Ｎ（Ｎは２以上の整数）倍の波長と所望の高速繰り返しＱスイッチ周波数とを有する高調波Ｑスイッチレーザ光を生成する第２のレーザ発振部と、
前記基本波レーザ光と前記高調波Ｑスイッチレーザ光とを所定のタイミングで時間的に重畳させるように前記第１および第２のレーザ発振部のレーザ発振動作を制御する制御部と、
前記第１のレーザ発振部からの前記基本波レーザ光と前記第２のレーザ発振部からの前記高調波Ｑスイッチレーザ光とをそれぞれの光軸がほぼ直角に交差するようにミラー両面にそれぞれ入射せしめ、前記基本波レーザ光および前記高調波Ｑスイッチレーザ光のうちの一方をまっすぐに透過させるとともに他方を直角に反射させることにより双方のレーザ光を同一の軸上で重畳せしめるダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーからの前記同一の軸上で重畳された前記基本波レーザ光および前記高調波Ｑスイッチレーザ光を集光させて前記金属部材の被溶接部に照射する集光レンズと
を具備することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記第１のレーザ発振部が、第１の固体レーザ媒体と、第１の励起光源と、第１の光共振器とを有し、前記第１の励起光源を点灯させて、その光エネルギーを前記第１の固体レーザ媒体に供給して前記第１の固体レーザ媒体および前記第１の光共振器により連続発振で前記基本波レーザ光を出力する、請求項４に記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
前記第２のレーザ発振部が、第２の固体レーザ媒体と、第２の励起光源と、Ｑスイッチと、第２の光共振器と、波長変換器とを有し、前記第２の励起光源を点灯させて、その光エネルギーを前記第２の固体レーザ媒体に供給して前記第２の固体レーザ媒体、前記Ｑスイッチおよび前記第２の光共振器により前記高速繰り返しＱスイッチ周波数で前記基本波長を有する基本波のＱスイッチレーザ光を出力し、前記基本波Ｑスイッチレーザ光を前記波長変換器により基本波長の１／Ｎ倍の波長を有する前記高調波Ｑスイッチレーザ光に変換する、請求項４または請求項５に記載のレーザ溶接装置。
【請求項７】
前記制御部が、前記基本波レーザ光を前記所望の持続時間にわたって持続的に発振出力させる前記第１のレーザ発振部を制御するとともに、前記高調波Ｑスイッチレーザ光を前記所望の持続時間の期間中に所望の高速繰り返しＱスイッチ周波数で発振出力させるように前記第２のレーザ発振部を制御する、請求項４〜６のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項８】
前記第１のレーザ発振部より生成された前記基本波レーザ光もしくは前記第２のレーザ発振部より生成された前記高調波Ｑスイッチレーザ光を一端面に入射せしめ、その一端面に入射させた前記基本波レーザ光もしくは前記高調波Ｑスイッチレーザ光を他端面より出射する光ファイバと、
前記光ファイバの他端面より出射される前記基本波レーザ光もしくは前記高調波Ｑスイッチレーザ光を平行光にして前記ダイクロイックミラー側に通すコリメータレンズと
を具備する、請求項４〜６のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項９】
前記第１のレーザ発振部より生成された前記基本波レーザ光もしくは前記第２のレーザ発振部より生成された前記高調波Ｑスイッチレーザ光のビーム径を所定の倍率で拡大して前記ダイクロイックミラー側に通すビームエキスパンダを具備する、請求項４〜８のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を用いて金属部材を溶接するレーザ溶接方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ溶接法は、金属部材の被溶接部にレーザ光を照射して、レーザエネルギーにより該被溶接部を一瞬に溶融させて冶金的に接合する技術である。従来より、レーザ溶接用の固体レーザとしてＹＡＧレーザが多く使用されている。ＹＡＧレーザは、連続発振が可能なうえＱスイッチによるジャイアントパルスの高速繰り返し発振が可能であり、レーザ出力の波形制御も容易に行える。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レーザ溶接法においては、反射率および熱拡散（伝導）率の高い金属は、レーザ光の吸収が低いため溶融し難く、良好な溶接接合を得るのが困難とされている。
【０００４】
従来より、アルミニウム合金には連続発振のパルスレーザ光を照射するパルスレーザ法が有効とされており、本願の発明者等は特許第２９８４９６２号においてアルミニウム合金用のパルスレーザ溶接法において溶接剥がれ等の溶接欠陥のない高品質な溶接接合を保証する波形制御技術を開示している。また、最近、アルミニウム合金の溶融特性を改善する技術として、連続発振のＹＡＧパルスレーザ光（波長１０６４ｎｍ）とＱスイッチによる高速繰り返しパルス発振のＹＡＧレーザ光（波長１０６４ｎｍ）とを異なる方向（２方向）から同一の被溶接部に向けて多重照射する技法も知られている。
【０００５】
しかしながら、今日の産業界では、反射率や熱拡散率がアルミニウム合金よりも高い純アルミニウムや純銅等の金属に対して有効なレーザ溶接法が切に求められている。
【０００６】
本発明は、上記のような従来の実情ないし問題点に鑑みてなされたものであり、高反射率・高熱拡散率を有する金属部材でも十分な溶け込み断面積および溶け込み深さを実現し、良好な溶接接合が得られるレーザ溶接方法および装置を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の別の目的は、各種金属材料の溶融特性の改善に有効なレーザ溶接方法および装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のレーザ溶接方法は、レーザ光を用いて金属部材を溶接するためのレーザ溶接方法であって、所定の基本波長と所望の持続時間とを有する連続発振の基本波レーザ光を生成する第１の工程と、前記基本波レーザ光と所定のタイミングで時間的に重畳するように、前記基本波長の１／Ｎ（Ｎは２以上の整数）倍の波長と所望の高速繰り返しＱスイッチ周波数とを有する高調波Ｑスイッチレーザ光を前記基本波レーザ光とは別個に生成する第２の工程と、前記基本波レーザ光と前記高調波Ｑスイッチレーザ光とをそれぞれの光軸がほぼ直角に交差するように同一のダイクロイックミラーに入射せしめ、それら双方のレーザ光を同一の軸上で重畳させる第３の工程と、前記同一の軸上で重畳された前記基本波レーザ光と前記高調波Ｑスイッチレーザ光とを共通の集光レンズを介して前記金属部材の被溶接部に集光照射し、前記被溶接部を前記基本波レーザ光および前記高調波Ｑスイッチレーザ光の双方のエネルギーで冶金的に接合する第４の工程とを有する。
【０００９】
本発明のレーザ溶接方法によれば、所望の持続時間を有する基本波レーザ光と所望の高速繰り返しＱスイッチ周波数を有する高調波Ｑスイッチレーザ光とを同軸上で重畳させて金属部材の被溶接部に照射することにより、異波長である両レーザ光の相乗作用が最大限に発揮されたレーザエネルギーの吸収効率が高められ、高反射率・高熱拡散率の金属部材であっても大きな溶け込み断面積および溶け込み深さを得ることができる。
【００１０】
本発明において、好ましくは、前記高調波レーザ光のビーム径を前記基本波レーザ光のビーム径よりも細くしてよい。これにより、高調波レーザ光により金属部材の被溶接部に深いキーホールを形成することができる。
【００１２】
本発明のレーザ溶接装置は、レーザ光を用いて金属部材を溶接するためのレーザ溶接装置であって、所定の基本波長と所望の持続時間とを有する連続発振の基本波レーザ光を生成する第１のレーザ発振部と、前記基本波長の１／Ｎ（Ｎは２以上の整数）倍の波長と所望の高速繰り返しＱスイッチ周波数とを有する高調波Ｑスイッチレーザ光を生成する第２のレーザ発振部と、前記基本波レーザ光と前記高調波Ｑスイッチレーザ光とを所定のタイミングで時間的に重畳させるように前記第１および第２のレーザ発振部のレーザ発振動作を制御する制御部と、前記第１のレーザ発振部からの前記基本波レーザ光と前記第２のレーザ発振部からの前記高調波Ｑスイッチレーザ光とをそれぞれの光軸がほぼ直角に交差するようにミラー両面にそれぞれ入射せしめ、前記基本波レーザ光および前記高調波Ｑスイッチレーザ光のうちの一方をまっすぐに透過させるとともに他方を直角に反射させることにより双方のレーザ光を同一の軸上で重畳せしめるダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーからの前記同一の軸上で重畳された前記基本波レーザ光および前記高調波Ｑスイッチレーザ光を集光させて前記金属部材の被溶接部に照射する集光レンズとを具備する。
【００１３】
本発明のレーザ溶接装置によれば、かかる構成により、上記のような本発明のレーザ溶接方法を効果的に実施することができる。
【００１４】
好ましい一態様として、前記第１のレーザ発振部が、第１の固体レーザ媒体と、第１の励起光源と、第１の光共振器とを有し、前記第１の励起光源を点灯させて、その光エネルギーを前記第１の固体レーザ媒体に供給して前記第１の固体レーザ媒体および前記第１の光共振器により連続発振で前記基本波レーザ光を出力する構成であってよい。
【００１５】
また、好ましい一態様として、前記第２のレーザ発振部が、第２の固体レーザ媒体と、第２の励起光源と、Ｑスイッチと、第２の光共振器と、波長変換器とを有し、前記第２の励起光源を点灯させて、その光エネルギーを前記第２の固体レーザ媒体に供給して前記第２の固体レーザ媒体、前記Ｑスイッチおよび前記第２の光共振器により前記高速繰り返しＱスイッチ周波数で前記基本波長を有する基本波のＱスイッチレーザ光を出力し、前記基本波Ｑスイッチレーザ光を前記波長変換器により基本波長の１／Ｎ倍の波長を有する前記高調波Ｑスイッチレーザ光に変換する。
【００１６】
また、好ましい一態様として、前記制御部が、前記基本波レーザ光を前記所望の持続時間にわたって持続的に発振出力させる前記第１のレーザ発振部を制御するとともに、前記高調波Ｑスイッチレーザ光を前記所望の持続時間の期間中に所望の高速繰り返しＱスイッチ周波数で発振出力させるように前記第２のレーザ発振部を制御する。
【００１７】
本発明のレーザ溶接装置において、好ましくは、前記第１のレーザ発振部より生成された前記基本波レーザ光もしくは前記第２のレーザ発振部より生成された前記高調波Ｑスイッチレーザ光を一端面に入射せしめ、その一端面に入射させた前記基本波レーザ光もしくは前記高調波Ｑスイッチレーザ光を他端面より出射する光ファイバと、前記光ファイバの他端面より出射される前記基本波レーザ光もしくは前記高調波Ｑスイッチレーザ光を平行光にして前記ダイクロイックミラー側に通すコリメータレンズとを具備する構成としてよい。さらには、前記第１のレーザ発振部より生成された前記基本波レーザ光もしくは前記第２のレーザ発振部より生成された前記高調波Ｑスイッチレーザ光のビーム径を所定の倍率で拡大して前記ダイクロイックミラー側に通すビームエキスパンダを具備する構成としてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１９】
図１に、本発明の一実施形態におけるＹＡＧレーザ溶接装置の構成を示す。このＹＡＧレーザ溶接装置は、２つのＹＡＧレーザ１０，１２と、両レーザ１０，１２を制御する制御部１４と、１つの出射ユニット１６とで構成されている。
【００２０】
第１のＹＡＧレーザ１０において、レーザ発振器１８は、ＹＡＧロッド２０と、このＹＡＧロッド２０に励起用の光を供給する励起光供給部２２と、ＹＡＧロッド２０の両端面にそれぞれ対向し、かつ互いに所定の間隔を隔てて配置された一対の光共振器ミラーすなわち全反射ミラー２４および部分反射ミラー（出力ミラー）２６とを有している。
【００２１】
励起光供給部２２は、放電ランプまたは半導体レーザ等からなる励起光源を備えている。レーザ電源部２８より供給される電力に応じて該励起光源が励起光ＥＢを発生し、この励起光ＥＢがＹＡＧロッド２０に供給または照射されることで、ＹＡＧロッド２０が励起光ＥＢのエネルギーによって励起され、誘導放出でロッド端面より軸方向に光が放出される。ＹＡＧロッド２０の両端面より放出された光のうち共振周波数の光が全反射ミラー２４と出力ミラー２６との間で閉じ込められて増幅され、その一部が出力ミラー２６より連続発振の基本波ＹＡＧレーザ光（波長１０６４ｎｍ）ＬＢcwとして出力されるようになっている。
【００２２】
第１のＹＡＧレーザ１０より生成された基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢcwは、反射ミラー３０、入射ユニット３２および光ファイバ３４を介して出射ユニット１６の第１レーザ光取入れ口１６ａまで伝送される。レーザ発振器１８のレーザ出射口から入射ユニット３２までのレーザ伝送路の回りには筒状の光路カバー３６が設けられてよい。入射ユニット３２内には集光レンズ３８が配置されており、ほぼ平行光で空中を伝播してきた基本波ＹＡＧレーザＬＢcwは集光レンズ３８により集光されて光ファイバ３４の一端面に入射するようになっている。
【００２３】
第２のＹＡＧレーザ１２において、レーザ発振器４０は、ＹＡＧロッド４２と、このＹＡＧロッド４２に励起用の光を供給する励起光供給部４４と、ＹＡＧロッド４２の両端面にそれぞれ対向し、かつ互いに所定の間隔を隔てて配置された一対の光共振器ミラー（全反射ミラー４６および出力ミラー４８）と、Ｑスイッチ５０と、波長変換器５２とを有している。
【００２４】
ＹＡＧロッド４２、励起光供給部４４および光共振器ミラー４６，４８は、上記第１のＹＡＧレーザ１０のレーザ発振器１８におけるＹＡＧロッド２０、励起光供給部２２および光共振器ミラー２４，２６とそれぞれ同様の構成および機能を有するものであってよい。
【００２５】
Ｑスイッチ５０はたとえば音響光学Ｑスイッチからなる。レーザ電源部５４内のＱスイッチ制御回路（図示せず）がＱスイッチドライバ５６を介して所定の周期で一時中断する高周波電気信号によりＱスイッチ５０を駆動する。これにより、高周波電気信号が中断する度毎にピークパワーのきわめて高いジャイアントパルスのＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢQ（波長１０６４ｎｍ）が出力ミラー４８より生成される。このＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢQの繰り返し周波数は、高周波電気信号を一時中断させるＱスイッチ周波数に相当する。
【００２６】
波長変換器５２は、異方性結晶を有しており、その異方性結晶の非線型効果を利用することにより、出力ミラー４８からの基本波（波長１０６４ｎｍ）のＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢQを第２高調波（波長５３２ｎｍ）のＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGに変換する。
【００２７】
第２のＹＡＧレーザ１２のレーザ発振器４０より生成される第２高調波のＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGは、光ファイバを介することなく空中を伝播して出射ユニット１６の第２レーザ光取入れ口１６ｂまで伝送される。レーザ発振器４０のレーザ出射口から出射ユニット１６の第２レーザ光取入れ口１６ｂまでのレーザ伝送路の回りには筒状の光路カバー５８が設けられてよい。
【００２８】
制御部１４は、たとえばマイクロコンピュータおよび所要の周辺装置で構成されてよく、内蔵のメモリに格納されるプログラムやユーザにより設定入力される各種条件データ等に応じて上記第１および第２のレーザ１０，１２におけるレーザ発振動作を各レーザ電源部２８，５４を通して個別的かつ統括的に制御する。
【００２９】
出射ユニット１６は、下端部にレーザ出射口１６ｃを有する筒状のユニット本体６０を有し、このユニット本体６０内の所定位置に所要の各光学部品を配置している。より詳細には、ユニット本体６０の上端部に光ファイバ３４の端部を着脱可能に取り付けするためのコネクタ６２を設け、このコネクタ６２と下端部のレーザ出射口１６ｃとを結ぶ一直線の軸上に所定の間隔を置いて上から順にコリメータレンズ６４、ダイクロイックミラー６６および集光レンズ６８を配置している。
【００３０】
また、ユニット本体６０の中間部の一側面に上記第２のレーザ光取入れ口１６ｂを構成する水平筒状部６０ａを設け、この水平筒状部６０ａの中に第２のレーザ１２からの第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGのビーム径を所望の倍率で拡大するためのビームエキスパンダ７０を配置している。ここで、ビームエキスパンダ７０の光軸がコリメータレンズ６４の光軸とダイクロイックミラー６６にてほぼ直角に交差するように設定（位置合わせ）してよい。
【００３１】
なお、レーザ溶接中にワークＷの被溶接部ＷＰを酸化防止のため周囲の空気からシールド（遮断）するのが好ましい。このシールド用の不活性ガスたとえばアルゴンガス（Ａｒ）や窒素ガス（Ｎ2）等を出射ユニット１６側から被溶接部ＷＰに吹き付ける場合には、出射ユニット１６のレーザ出射口１６ｃ付近にシールドガス噴射部（図示せず）を設けてよい。
【００３２】
図２に、出射ユニット１６内における光学系の詳細な構成と作用を示す。ビームエキスパンダ７０は、たとえば凹レンズ７２と凸レンズ７４とからなるガリレオタイプでよく、凹レンズ７２に入るレーザビームの径をφ1、凸レンズ７４より出るレーザビームの径をφ2、凹レンズ７２および凸レンズ７４の焦点距離をそれぞれｆ1，ｆ2とすると、倍率ＮはＮ＝φ2／φ1＝ｆ2／ｆ1で与えられる。ビームエキスパンダ７０によりビーム径を広げられた第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGは、ユニット本体６０内の中心部に第２のレーザ光取入れ口１６ｂの方を向いて約４５゜の傾きに配置されたダイクロイックミラー６６の下面６６ａに入射角４５゜で入射する。
【００３３】
一方、光ファイバ３４を介して第１のＹＡＧレーザ１０より伝送されてきた基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢcwは、光ファイバ３４の端面より放射状に出てコリメータレンズ６４に通されることで、所望のビーム径φ0を有する平行光となる。このビーム径φ0は、光ファイバ３４の端面とコリメータレンズ６４との間の距離を調節することで任意の値に調整できる。好ましくは、基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢcwのビーム径φ0を、ビームエキスパンダ７０からの第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGのビーム径φ2よりも大きな（たとえば数倍以上大きな）径に設定してよい。コリメータレンズ６４により所定のビーム径φ0を有するに至った平行光の基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢcwは、ダイクロイックミラー６６の上面６６ｂに入射角４５゜で入射する。
【００３４】
ダイクロイックミラー６６は、ガラス基板上に誘電体多層膜をコーティングした吸収散乱の非常に少ないミラーであり、第２高調波（波長５３２ｎｍ）のＹＡＧレーザ光に対しては高い（９０％以上）反射率を示し、基本波（波長１０６４ｎｍ）のＹＡＧレーザ光に対しては高い（９０％以上）透過率を示す。したがって、コリメータレンズ６４より垂直方向に直進してきた基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢcwは、ダイクロイックミラー６６を透過してまっすぐ垂直下方へに進む。一方、ビームエキスパンダ７０より水平方向に直進してきた第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGは、ダイクロイックミラー６６で４５゜の反射角で垂直下方に反射し（行路を曲げ）、上方からの基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢcwとほぼ同一の軸上で重畳（合流）する。
【００３５】
上記のようにしてダイクロイックミラー６６で透過または反射した基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢcwと第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGは、同一軸上を垂直下方にそれぞれ直進して共通の集光レンズ６８に入射し、集光レンズ６８により金属部材のワークＷの被溶接部ＷＰ付近に集光させられる。集光レンズ６８は、いわゆる色消しレンズであり、異波長の基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢcw（波長１０６４ｎｍ）と第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHG（波長５３２ｎｍ）に対して色収差を出さないように構成されている。
【００３６】
次に、この実施形態によるＹＡＧレーザ装置の作用を説明する。図３に、このＹＡＧレーザ装置において純銅や純アルミニウム等の高反射率・高熱拡散率を有する金属に好適なレーザ出力波形の基本パターンを示す。
【００３７】
この実施形態において、第１のレーザ１０は、上記のような構成により、たとえば図３の（Ａ）に示すように所望のパルス幅（持続時間）Ｔsを有する連続発振の基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwを生成する。ここで、この基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwのパワー（レーザ出力）Ｐcwは、レーザ電源部２８より励起光供給部２２の励起光源に与える電力を調節することにより所定範囲内で任意の値に設定できる。
【００３８】
一方、第２のレーザ１２は、上記のような構成により、たとえば図３の（Ｂ）に示すように所望の高速繰り返し周波数（Ｑスイッチ周波数）ｆQを有する第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGを生成する。ここで、ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGのピークパワーＰpや繰り返し周波数ｆQは、Ｑスイッチ５０に対する高周波電気信号の変調を制御することにより任意に可変調整することができる。なお、このＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGの平均パワーＰaは、ピークパワーＰpとディーティサイクルη（η＝ｆQ・τp×１００）との積（η・Ｐp）で与えられ、通常のレーザ溶接では基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwのパワーＰcwよりも低い値に設定されてよい。
【００３９】
制御部１４は、第１および第２のレーザ１０，１２のレーザ発振動作を統括制御することにより、図３の（Ａ）に示すような連続発振の基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwと図３の（Ｂ）に示すような高速繰り返し発振のＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGとを任意のタイミングで時間的に重畳させることができる。
【００４０】
好ましくは、図３の（Ｃ）に示すように、連続発振の基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwが持続しているパルス時間（Ｔs）中は始終第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGが高速繰り返し周波数ｆQで発振出力されるような時間的重畳関係に設定してよい。
【００４１】
図４に、この実施形態において、図３の（Ｃ）に示すような時間的重畳関係で連続発振の基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwと第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGとを第１および第２のレーザ１０，１２よりそれぞれ発生させ、かつ両レーザ光ＬＢcw，ＬＢSHGを出射ユニット１６にて上記のように同軸に重畳させたうえで、高反射率・高熱拡散率の金属部材（ワークＷ）に照射したときの被溶接部ＷＰにおける溶融部の断面構造を模式的に示す。
【００４２】
また、参考（比較）例として、図５および図６に、連続発振の基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwおよび第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGをそれぞれ単独でワークＷに照射した場合の溶融部の断面構造を示す。
【００４３】
図４に示すように、この実施形態によれば、連続発振の基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwと第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGとの同軸重畳照射による相乗作用により、ワークＷが高反射率・高熱拡散率の金属部材であっても大きな溶け込み断面積および溶け込み深さを得ることができる。本発明によりこのような優れた溶融特性が得られるメカニズムは未だはっきり解明されているわけではないが、次の２つの要因が考えられる。
【００４４】
１つの要因として、第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGにより形成されるキーホールＫＨ内で基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwが多重反射しながら内奥へ軸方向（垂直下方）に進むことによりレーザエネルギーの吸収効率が飛躍的に高められることが考えられる。あるいは、短波長により吸収率の高い第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGにより被溶接部ＷＰ付近の温度が上昇し、そこにパワーの大きな基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwが照射することによりレーザエネルギーの吸収効率が飛躍的に上昇することが考えられる。いずれにせよ、両レーザ光ＬＢcw，ＬＢSHGが同軸上に重畳して被溶接部ＷＰに入射することにより、上記の相乗作用が最大限に高められ、溶融部が横方向にも縦方向にも大きく延びる。
【００４５】
これに対して、図５に示すように、連続発振の基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwを単独で高反射率・高熱拡散率の金属部材（ワークＷ）に照射した場合は、レーザエネルギーが被溶接部ＷＰの深くまで浸透できないため、溶け込み深さｄ’が非常に短い（浅い）。
【００４６】
また、図６に示すように、第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGを単独で高反射率・高熱拡散率の金属部材（ワークＷ）に照射した場合は、ある程度深いところまで溶かすことができるが、それでも連続発振の基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwと同軸上に重畳して照射される場合（本実施例）に比して浅く（Ｄ’＜Ｄ）、なによりも溶け込み断面積が小さすぎる。
【００４７】
図７〜図９に、本発明をシーム溶接に適用して得られる溶融特性のデータを従来例と比較して示す。
【００４８】
図７の実施例は、基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢｃｗのパルス幅Ｔｓを図示のように１ｍｓ〜１０ｍｓの範囲で変えたときの被溶接部ＷＰに得られる溶融部の溶け込み深さＤ（ｄ）を示す。ワークＷの材質を純銅（A1050）とし、主要な加工条件として、送り速度ｖを０．６ｍｍ／ｓ、シールドガス（Ｎ2）の流量を３０リットル／ｍｉｎ、第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGの平均パワーＰaを４０Ｗ、Ｑスイッチ周波数ｆQを１０ｋＨｚに選んでいる。なお、基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwの繰り返し周波数（パルス周波数）はたとえば５Ｈｚに設定してよい。
【００４９】
図７のグラフから明らかなように、本発明によれば、純銅（A1050）に対して２ｍｍ以上の最大溶け込み深さｄを達成することができる。一方、図７に比較例として示すように、基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcw単独のレーザ溶接では、０．５ｍｍ以上の溶け込み深さを実現するのは難しい。
【００５０】
図８の実施例は、基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwのパワーＰcwおよびシーム送り速度ｖを変えたときの被溶接部ＷＰに得られる溶融部の溶け込み断面積Ｓ（ｍｍ2）を示す。ワークＷの材質はステンレス鋼（Type 304）であり、主要な加工条件として、シールドガス（Ａｒ）の流量を３０リットル／ｍｉｎ、第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGの平均パワーＰaを４３．２Ｗ、Ｑスイッチ周波数ｆQを１０ｋＨｚに選んでいる。なお、基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwの繰り返し周波数（パルス周波数）はたとえば５Ｈｚに設定してよい。
【００５１】
図８のグラフから、基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwのパワーＰcwおよびシーム送り速度ｖをそれぞれ如何なる値に選んでも、本発明によれば被溶接部の溶融断面積が大幅に増大することがわかる。特に、レーザ出力値として通常使用される４００〜６００Ｗにおいて、基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcw単独の場合（従来技術）に比して２倍以上の溶融断面積が得られることがわかる。
【００５２】
図９の実施例は、同一条件のレーザ溶接により高反射率・高熱拡散率の金属部材である純銅（A1050）、純アルミニウム（A5083）およびステンレス鋼（Type 304）でそれぞれ得られる溶融部の溶け込み断面積Ｓ（ｍｍ2）を比較して示す。主要な加工条件として、シーム送り速度ｖを０．６ｍｍ／ｓ、シールドガス（Ｎ2）の流量を３０リットル／ｍｉｎ、基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwのパワーＰcwを２７５Ｗ、第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGの平均パワーＰaを４０Ｗ、Ｑスイッチ周波数ｆQを１０ｋＨｚに選んでいる。基本波ＹＡＧパルスレーザ光ＬＢcwの繰り返し周波数（パルス周波数）はたとえば５Ｈｚに設定してよい。
【００５３】
図９のグラフから、本発明によればいずれの金属部材でも被溶接部の溶融断面積を大幅に増大させることができる。材質別では、純銅（A1050）＜純アルミニウム（A5083）＜ステンレス鋼（Type 304）の大小関係で、ステンレス鋼（Type 304）で最も大きな溶融断面積が得られる。
【００５４】
上記した実施形態では、第１のレーザ１０より生成された基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢcwを光ファイバ３４を介して出射ユニット１６の第１レーザ光取入れ口１６ａに取り込むとともに、第２のレーザ１２より生成された第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGを光ファイバを介さずに出射ユニット１６の第２レーザ光取入れ口１６ｂに取り込む構成であった。かかる構成は一例であり、種々の変形が可能である。たとえば、基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢcwを第２レーザ光取入れ口１６ｂに取り込み、第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGを第１レーザ光取入れ口１６ａに取り込む構成も可能である。
【００５５】
上記した実施形態では、連続発振の基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢcwと高速繰り返しパルス発振の第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGとを同軸上に重畳してワークＷに照射した。しかし、第２高調波以外にも第３高調波（波長３５５ｎｍ）や第４高調波（波長２６６ｎｍ）等の他の高調波ＹＡＧレーザ光も使用可能である。さらには、連続発振の基本波ＹＡＧレーザ光ＬＢcwに対して複数種類たとえば第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢSHGおよび第３高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光ＬＢTHGを同軸重畳させるレーザ溶接法も可能である。この場合、出射ユニット１６の中または外にもう１つのダイクロイックミラーを設ければよい。
【００５６】
また、上記した実施形態はＹＡＧレーザを利用するものであったが、本発明は他のレーザ（特に固体レーザ）を使用することもできる。
【００５７】
上記した実施形態のように、本発明のレーザ溶接法は高反射率・高熱拡散率の金属部材に対して特に顕著な効果を奏するものであるが、アルミニウム合金や鉄等の他の金属部材に適用しても有効である。
【００５８】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、各種金属材料の溶融特性を大幅に改善することができ、特に高反射率・高熱拡散率を有する金属部材でも十分な溶け込み断面積および溶け込み深さを実現し、良好な溶接接合を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるＹＡＧレーザ溶接装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態のＹＡＧレーザ溶接装置における出射ユニット内の光学系の構成と作用を示す図である。
【図３】実施形態のＹＡＧレーザ溶接装置における各部のレーザ出力波形の基本パターンを示す図である。
【図４】実施形態のレーザ溶接により得られる溶融部の断面構造を模式的に示す図である。
【図５】一比較例のレーザ溶接により得られる溶融部の断面構造を模式的に示す図である。
【図６】別の比較例のレーザ溶接により得られる溶融部の断面構造を模式的に示す図である。
【図７】本発明をシーム溶接に適用して得られる一溶融特性のデータを従来例と比較して示す図である。
【図８】本発明をシーム溶接に適用して得られる一溶融特性のデータを従来例と比較して示す図である。
【図９】本発明をシーム溶接に適用して得られる一溶融特性のデータを従来例と比較して示す図である。
【符号の説明】
１０    第１のＹＡＧレーザ
１２    第２のＹＡＧレーザ
１４    制御部
１６    出射ユニット
１６ａ    第１レーザ光取入れ口
１６ｂ    第２レーザ光取入れ口
６４    コリメータレンズ
６６    ダイクロイックミラー
６８    集光レンズ
７０    ビームエキスパンダ
【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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