JP4357944B2 - 固体レーザ加工装置およびレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は固体レーザ加工装置と、その装置を使用する鋼板の重ねレーザ溶接方法に関する。

レーザビームは通常の光と違って広がり角がきわめて小さいため、小さなスポット径に集光でき高いエネルギ密度が得られる。このためプリント基板の穴開けなどの微細加工や、鋼板の溶接など多方面で利用されている。

しかし、その用途によっては、レーザビームが均一な強度分布を有していないために不具合を生じることもあり、ビーム品質の向上を目的とした提案も数多くなされている（例えば、特許文献１参照）。

レーザを用いた従来の溶接技術では、市販されている組レンズや非球面レンズといった特殊なレンズを用いてレーザビームの球面収差の影響を無くし均一な強度分布を有するビーム品質を得るようにしている。しかし、これらのレンズは非常に高価であり、また、特殊な工程で製作されるために製作のリードタイムが長いため生産ラインでは使用し難いという問題がある。

また、高品質なレーザビームを使用するレーザ溶接では、ビームの強度分布が均一でそのプロファイルのエッジ部の勾配が急峻なために、例えば、鋼板の重ね溶接などでは鋼板間に隙間がある場合に鋼板が溶断されてしまい、溶接部に溶け落ちが発生することがある。
特開２００２−２８３０８５号公報

本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、安価で、強度分布が緩やかなレーザビームを得る固体レーザ加工装置と、その装置を用いた鋼板の重ねレーザ溶接方法を提供することを課題とする。

本発明者は、従来は使用できないとされていたビーム品質の悪いレーザビームを用いて、極めて単純な転写光学系と組み合わせることにより上記の課題を解決できることを見出し、鋭意研究の結果、本発明を完成した。

本発明の固体レーザ加工装置は、レーザビームを発振する固体レーザ発振器と、該レーザビームのビーム径を制限するビーム径調整手段と、該調整されたレーザビームを導光する光ファイバと、該導光されたレーザビームを転写光学系を介して被加工物表面に照射する加工ヘッドと、を備える固体レーザ加工装置であって、
前記ビーム径調整手段は、Ｍ²で定義されるビーム品質を８５≦Ｍ²≦１０５に調整して広がりの小さい高品質成分と広がりの大きい拡散成分とからなるレーザビームとなすアパーチャであり、前記転写光学系は、凸面側が対向するように配設されている一対の平凸レンズを有し、該平凸レンズの中心部分の領域を透過する該高品質成分の集光点と、該平凸レンズの中心部分の領域を除く周辺部分の領域を透過する該拡散成分の集光点とをレーザビームの軸線上でずらして集光することを特徴とする。

本発明のレーザ溶接方法は、レーザビームを発振する固体レーザ発振器と、該レーザビームのビーム径を制限するビーム径調整手段と、該調整されたレーザビームを導光する光ファイバと、該導光されたレーザビームを転写光学系を介して被加工物表面に照射する加工ヘッドと、を備える固体レーザ加工装置を用いたレーザ溶接方法において、前記ビーム径調整手段では、Ｍ²で定義されるビーム品質が８５≦Ｍ²≦１０５となるように前記レーザビームのビーム径を調整して該レーザビームを広がりの小さい高品質成分と広がりの大きい拡散成分とからなるレーザビームとして前記光ファイバへ導光し、凸面側が対向するように配設されている一対の平凸レンズを備える前記転写光学系では、前記高品質成分を該平凸レンズの中心部分の領域を透過して集光するとともに、前記拡散成分を該平凸レンズの中心部分の領域を除く周辺部分の領域を透過して集光し、該高品質成分の集光点と該拡散成分の集光点とをレーザビームの軸線上でずらして集光することで、前記被加工物表面に照射されるレーザビームの強度分布を該レーザビームの集光点の中心部分で高く周縁部に向かってなだらかに低くなるベル型のプロファイルとすることを特徴とする。

本発明の固体レーザ加工装置についてその実施の形態を図１から５を参照しながら説明する。

図１に、本実施の形態の固体レーザ加工装置の概要を示す。レーザ加工装置１は固体レーザ発振器２と光ファイバ１１と転写光学系１３を内蔵する加工ヘッド１２とから構成される。

固体レーザ発振器２は、励起部となるレーザ媒質６と部分反射ミラー８と全反射ミラー７との間にこの励起部を挟んで構成するレーザ共振器３と、結合光学系４と、レーザビームの径を制御するアパーチャ５とを備えている。

レーザ媒質６としては、Ｎｄ：ＹＡＧからなる固体状ロッド型媒質を用いることが望ましく、特に、鋼板の重ね溶接を行う場合には、この固体状ロッド型媒質を大型化して１ロッド当たりの出力を高め、ロッド段数を削減して高出力化することが望ましい。ロッド媒質を大型化し高出力化することで部分反射ミラーから出射するレーザビームは広がりの大きな低品質のビームとなるが、この広がりの大きなビーム成分は、結合光学系４を通過してアパーチャ５で制限することにより、鋼板などの溶接に好適なビーム品質とすることができる。

結合光学系４は、レーザ共振器３から出射されたレーザビームを伝送・集光用の光ファイバ１１に入射するもので、リレーレンズ９と集光レンズ１０とからなる。

アパーチャ５は、レーザビームのビーム品質を調整するもので、開口径を調整することでレーザ共振器３から出射されるレーザビームの広がりを制御するものである。

本発明の固体レーザ加工装置においては、アパーチャは、レーザ共振器３から出射されるレーザビームのビーム品質Ｍ²を８５≦Ｍ²≦１０５の範囲で調整することができる。ビーム品質Ｍ²が８５より低いと、ビームの強度分布においてエッジがシャープすぎるために鋼板の間に隙間があった場合に、鋼板が溶断されてしまったり溶け落ち不良が発生したりして好ましくない。また、ビーム品質Ｍ²が１０５より高いと集光径が広がりすぎて溶け込み不足となることがあり適当ではない。

ここで、ビーム品質のパラメータＭ²は、下記に示すＩＳＯ規格に定義されているものであり、光学システムを通過するときの、ガウシアンビームに対する非ガウシアンビームの集光径・広がり角の関係を示す不変量である。
（ISO11146:1999(E) Laser and laser-related equipment--Test methods for laser beam parameters--Beam widths,divergence angle and beam propagation factor 3.6)
このビーム品質Ｍ²が小さいレーザビームほど、ビームが広がりにくく、小さなスポットが得られる高品質のビームであるといえる。一般的に、ＣＯ₂レーザによる鋼板の切断作業などでは、ビーム品質Ｍ²が１０未満であることが望ましいとされている。また、鋼板の溶接作業においては、ビーム品質Ｍ²が７５未満のＹＡＧレーザが用いられることが多い。

ここで、入射角、出射角とＭ²、ＮＡ（開口数）との関係について説明する。

図８でレーザ共振器３から出射されたレーザビームｂ１は、集光レンズ１０で集光されアパーチャ５の開口を通過して光ファイバ１１に入射し、光ファイバ中を伝送されて、レーザビームｂ２として出射される。

レーザビームは等径の光ファイバ中を内部全反射によって伝搬するため、光ファイバへの入射角θ１は光ファイバ中で保存される。従って、出射角θ２の値は（１）式のように入射角θ１と略等しくなる。

θ１≒θ２ （１）
また、光ファイバの直径をＤ、レーザビームの波長をλとすれば、ビーム品質Ｍ²の値は（２）式で与えられる。

Ｍ²＝π・Ｄ・（θ２／１．５）／（２・λ） （２）
（２）式において、θ２の値を係数１．５で除しているのは、Ｍ²においてビーム径の定義として使用する２次モーメント径と、ビーム最外角で定義するθ２との整合をとるためである。例えば、、波長を１．０６μｍ、ファイバ径を０．６ｍｍとすれば、ビーム品質８５＜Ｍ²＜１０５は、０．１４３ｒａｄ＜θ２＜０．１７７ｒａｄに相当する。従って、（１）式の関係より、０．１４３ｒａｄ＜θ１＜０．１７７ｒａｄとなるようアパーチャの開口径Ａ、アパーチャから光ファイバまでの距離Ｌを設定すればよい。

入射角θ１とアパーチャの開口径Ａ、アパーチャから光ファイバまでの距離Ｌとの関係は（３）式を用いて求めることができる。

θ１＝ｔａｎ^-1（Ａ／２Ｌ）≒Ａ／２Ｌ （３）
なお、ＮＡ（開口数）の値は（４）式に相当する。

ＮＡ＝ｓｉｎθ１≒ｓｉｎθ２≒Ａ／２Ｌ （４）
加工ヘッド１２は、転写光学系１３を内蔵している。転写光学系１３は２枚の平凸レンズ１４が球面側を対向して配設されており、入射したレーザビームを被加工物の表面に集光して転写することができる。

本発明のレーザ溶接方法は、上記の固体レーザ加工装置を用いるものであり、被加工物表面に照射されるレーザビームの強度分布が、レーザビームの集光点の中央部分で高く周縁部に向かってなだらかに低くなるベル型のプロファイルであることを特徴とする。

被加工物へ照射されるレーザビームの強度分布のプロファイルがベル型であるので、鋼板の重ね溶接に際して良好な溶接品質を得ることができる。

本発明の固体レーザ加工装置により溶接に好適なプロファイルを有するレーザビームが得られる原理を図１に拡大して示した転写光学系１３を中心に説明する。

まず、本発明の固体レーザ加工装置１においては、固体レーザ発振器２から出射されたレーザビームは、アパーチャ５で広がり成分が制限され光ファイバ１１へ入射され伝送される。ファイバ出射端１２における強度分布は、図２に示すように矩形となって転写光学系へ入射される。

ファイバ出射端１２から出射されたレーザビームは、アパーチャ５でビーム品質が８５≦Ｍ²≦１０５の範囲に調整されたビームであるために、ビームの拡散成分を多量に含んでいる。従って、２枚の平凸レンズ１４を組み合わせた転写光学系１３では、ビームの高品質成分（概ねＭ²＜７５）は破線Ｈ１、Ｈ２で囲まれたレンズの中心部分の領域を透過して集光点Ｆ１に集光する。ところが、低品質成分（拡散成分：７５＜Ｍ²）は拡散し、最も低品質のビーム成分は実線Ｌ１，Ｌ２のように拡散して平凸レンズ１４の球面収差により集光点Ｆ２に集光することとなる。

すなわち、光ファイバ１１から同時に出射したレーザビームは、レンズ１４の球面収差によりＦ１からＦ２の間に集光点をずらして集光することとなる。ビームの低品質成分Ｌ１，Ｌ２は、集光点Ｆ２に集光後、Ｌ１’、Ｌ２’のように拡散するので、高品質ビームＨ１，Ｈ２との交点で形成されるビームスポットＳが、エネルギの集中した最も細いビーム部分（ビームウエスト）となり、レーザ溶接に好適なスポットとすることができる。

ビームスポットＳにおけるレーザビームの強度分布は、図３に示すように、レーザビームの集光点の中心部で強度が高くその周縁部に向かってなだらかに低くなるベル型のプロファイルとなっている。すなわち、破線Ｈ１，Ｈ２で囲まれたレンズの中心部分を透過して被加工物表面に転写されたビームは、ビーム品質が高いので図４（ａ）に模式的に示すトップハット型のプロファイルとなっている。しかし、ビーム品質の低い拡散成分は、レンズ１４の球面収差の影響を強く受けるために、このトップハット型の強度分布（ａ）と球面収差の影響を受けた拡散分布による強度分布（ｂ）とが加算されて、レーザスポットＳの強度分布（ｃ）であるベル型のプロファイルを形成することができると考えられる。

本発明のようにレーザスポットの強度分布が中央部で高く周縁部に向かうに従ってなだらかに低下するベル型のプロファイルであるレーザビームを用いてレーザ溶接を行う場合には、ビームスポットＳの中央部はエネルギ強度が高いので鋼板を穿孔してキーホールを形成する。しかし、周縁部は中央部に比べてエネルギ強度が低いために、鋼板は溶融しないで予熱される穏やかな溶接となり、鋼板が溶断されたり溶け落ちを発生すると云った不具合の発生をおさえることができる。つまり鋼板同士の隙間のばらつきに対する許容度を大きくすることができる。

また、図５に模式的に示すように入射エネルギが同一である場合には、ベル型のプロファイルＣ１ではトップハット型のプロファイルＣ２よりもその裾野が広がるとともにピーク高さが高くなるので、ビームが鋼板の裏側まで貫通し易くなり、従って、レーザ出力を低くしてもトップハット型の場合と同様の溶接効果を得ることができると考えられる。

なお、本実施の形態では、転写光学系を２枚の平凸レンズの組合せとした。これは、加工ヘッドに内蔵される転写光学系が、レンズ２枚のみの簡単な構成であれば生産ラインにおける信頼性が高く、また、ごく一般的なレンズであるので入手が容易でコスト的にも有利であるからである。従って、転写光学系はこのような２枚の平凸レンズの組合せに制限されるものではなく、球面収差により入射ビームの強度分布を崩して、ベル型のプロファイルとすることのできる球面レンズであれば好適に使用することができる。

図１に示す固体レーザ加工装置を用いて鋼板のレーザ重ね溶接を行った。
ここでは、レーザ発振器から出射されるビーム品質をＭ²＝１０５とし、コア径０．６ｍｍの光ファイバを使用した。また、加工ヘッドの転写光学系は、直径が５０ｍｍで焦点距離が１００ｍｍの平凸レンズを球面側を対向させて１１０ｍｍの間隔で設置した組合せと（実施例１）、直径が５０ｍｍで焦点距離が１２０ｍｍの平凸レンズを球面側を対向させて７０ｍｍの間隔で設置した組合せ（実施例２）との２水準とした。

鋼板としては厚さ０．７ｍｍの自動車用の鋼板２枚を使用して、この鋼板を上下に重ねて上板の上表面からレーザビームを照射した。

溶接条件は、溶接速度を４ｍ／ｍｉｎとし、アルゴンガスを１５Ｌ／ｍｉｎで吹き付けてシールドした。

以上の条件で重ね溶接を行い、レーザビームの集光径に対する溶接ビードの裏抜け限界出力の変化を、従来のトップハット型のプロファイルをもつレーザビームによる溶接と比較して評価した。結果を図６に示す。ここで、裏抜け限界出力とは、図７の（ｂ）のように上板Ｔ１の表面側からレーザビームを照射して、ビードＤが下板Ｔ２の下面に抜け出す限界のレーザビーム出力である。なお、図７（ａ）は、ビードＤが下板Ｔ２の厚さ方向の途中までしか到達していないので十分な溶接強度を得ることができない溶接不具合を示しており、図７（ｃ）は、裏抜け限界出力以上のエネルギが付与されているので、ビードは下板Ｔ２の下面にまで十分に到達しており必要な溶接強度を得ることができる好ましい溶接状態であることを示している。

図６で直線（以下、裏抜け限界線という）Ｑ１は、トップハット型のプロファイルをもつレーザビームを用いて得られたものである。ビーム品質をＭ²＝７５とし、転写光学系により集光点の強度分布がトップハット型のプロファイルをもつレーザビームとし、転写倍率を変化させることによってビームの集光径を変化させ、各集光径における裏抜け限界出力を求めて作成したものである。なお、溶接する鋼板の厚さなどのその他の条件は実施例と同様である。

図６から、トップハット型のプロファイルをもつレーザビームを用いる場合には、裏抜け限界線Ｑ１より上の領域Ａが良好な重ね溶接を得ることのできる条件範囲であり、裏抜け限界線Ｑ１の下側の領域Ｂでは良好な重ね溶接を得ることができない条件範囲であることが分かる。

図６において、Ｐ１（○）は焦点距離が１００ｍｍの平凸レンズを用いた実施例１により得られた結果である。また、Ｐ２（○）は焦点距離が１２０ｍｍの平凸レンズを用いた実施例２により得られた結果である。このＰ１とＰ２とを結んで得られる直線Ｑ２がレーザ品質Ｍ²を１０５とした場合の裏抜け限界線である。

裏抜け限界線Ｑ１とＱ２とを比較することにより、同一集光径であれば、裏抜け限界出力をΔＥだけ低くできることが分かる。

この様に本発明のレーザ溶接方法によれば、鋼板の重ね溶接において集光径に対して必要な入熱量が下がり、良好な重ね溶接を得ることのできる溶接条件範囲を広げることができる。すなわち、トップハット型のプロファイルを有するビーム品質がよい（高ビーム品質の）レーザによる溶接と比較して、ビーム品質の悪い（低ビーム品質の）収差を含んだ強度分布のベル型プロファイルを有するレーザで重ね溶接を行うと、集光径あたりに必要な入熱エネルギが少ないにもかかわらず、同等の溶接強度を有する重ね溶接を行うことができるわけである。

実際に自動車用鋼板のレーザ重ね溶接に用いるレーザ集光径は０．６ｍｍ程度であり、使用されるファイバのコア径としては０．６ｍｍが一般的である。従って、入射レーザのビーム品質は、光ファイバへの入射限界であるＭ²＜１２０あれば成立するが、前述の通り、一般的な固体レーザ加工装置ではビーム品質がＭ²＜７５程度と過剰品質気味であり、その結果レーザ加工装置の製造コストも高いものとなる。

ところが、本発明によれば、８５≦Ｍ²≦１０５といった低いビーム品質であっても十分に所望の溶接を実施することができるので、大出力ロッド型固体レーザ媒質を使用することにより、固体レーザ加工装置の製造コストを圧倒的に抑えることができるとともに、発振器サイズも大幅にコンパクト化することが可能である。

さらに、本発明の固体レーザ加工装置では、加工ヘッドの転写光学系をごく一般的な球面レンズを使用した簡単な構成とすることができるので、低コストで入手することができ、また、生産ラインにおける信頼性も高くすることができ、ロボットなどにも容易に組み込むことができる。

本発明のレーザ溶接方法によれば、ビームの強度分布をベル型のプロファイルとすることができるので、重ね溶接における鋼板の隙間に対する余裕度を高くすることができ溶断などの不具合を低減して溶接品質を向上することができる。

以上のように、本発明の固体レーザ加工装置と、その装置を用いたレーザ溶接方法は、レーザ溶接における設備費の低減と生産性の向上に大きな効果を奏する。

本発明の固体レーザ加工装置の構成を示す概略模式図である。 高ビーム品質の強度分布でトップハット型のプロファイルを示す模式図である。 本発明の低ビーム品質の収差を含んだ強度分布のプロファイルを示す模式図である。 図３のプロファイルが形成されるメカニズムを示す概念図である。 同一入射エネルギによるトップハット型プロファイルと収差成分を含むベル型プロファイルとを重ねて示した概念図である。 レーザ重ね溶接における溶接可能条件範囲を示す線図である。 レーザ重ね溶接のレーザ出力によるビード形成の変化を示す模式図である。 入射角、出射角とＭ²、ＮＡ（開口数）との関係について説明する説明図である。

符号の説明

２：固体レーザ発振器 ３：レーザ共振器 ４：結合光学系 ５：アパーチャ ６：ロッド型固体レーザ媒質 ７：全反射ミラー ８：部分反射ミラー １１：光ファイバ １２：加工ヘッド １３：転写光学系 １４：平凸レンズ １５：被加工物 Ｈ１，Ｈ２：ビームの高品質成分 Ｌ１，Ｌ２：ビームの低品質成分
Ｆ１：高品質成分の集光点 Ｆ２：低品質成分の集光点 Ｓ：ビームウエスト

Claims (2)

1. レーザビームを発振する固体レーザ発振器と、該レーザビームのビーム径を制限するビーム径調整手段と、該調整されたレーザビームを導光する光ファイバと、該導光されたレーザビームを転写光学系を介して被加工物表面に照射する加工ヘッドと、を備える固体レーザ加工装置であって、
   前記ビーム径調整手段は、Ｍ²で定義されるビーム品質を８５≦Ｍ²≦１０５に調整して広がりの小さい高品質成分と広がりの大きい拡散成分とからなるレーザビームとなすアパーチャであり、
   前記転写光学系は凸面側が対向するように配設されている一対の平凸レンズを有し、該平凸レンズの中心部分の領域を透過する該高品質成分の集光点と、該平凸レンズの中心部分の領域を除く周辺部分の領域を透過する該拡散成分の集光点とをレーザビームの軸線上でずらして集光することを特徴とする固体レーザ加工装置。
2. レーザビームを発振する固体レーザ発振器と、該レーザビームのビーム径を制限するビーム径調整手段と、該調整されたレーザビームを導光する光ファイバと、該導光されたレーザビームを転写光学系を介して被加工物表面に照射する加工ヘッドと、を備える固体レーザ加工装置を用いたレーザ溶接方法において、
   前記ビーム径調整手段では、Ｍ²で定義されるビーム品質が８５≦Ｍ²≦１０５となるように前記レーザビームのビーム径を調整して該レーザビームを広がりの小さい高品質成分と広がりの大きい拡散成分とからなるレーザビームとして前記光ファイバへ導光し、
   凸面側が対向するように配設されている一対の平凸レンズを備える前記転写光学系では、前記高品質成分を該平凸レンズの中心部分の領域を透過して集光するとともに、前記拡散成分を該平凸レンズの中心部分の領域を除く周辺部分の領域を透過して集光し、該高品質成分の集光点と該拡散成分の集光点とをレーザビームの軸線上でずらして集光することで、
   前記被加工物表面に照射されるレーザビームの強度分布を該レーザビームの集光点の中心部分で高く周縁部に向かってなだらかに低くなるベル型のプロファイルとすることを特徴とするレーザ溶接方法。

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