JP2024072000A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッドレーザ加工において、レーザ加工条件が変更された場合にもスパッタの発生を低減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１０００は、第１レーザ光ＬＢ１を出射する第１レーザ発振器１００と、第２レーザ光ＬＢ２を出射する第２レーザ発振器２００と、第１及び第２レーザ光ＬＢ１、ＬＢ２を受け取ってワーク９００に照射するレーザヘッド５００と、を備えている。レーザヘッド５００は、筐体５１０とその内部に配置された第１光路変更機構５４０を有している。第１光路変更機構５４０は、第１レーザ光ＬＢ１の光路中に配置されている。第１レーザ光ＬＢ１は、第２レーザ光ＬＢ２の前方に照射される。第１光路変更機構５４０は、レーザ溶接条件に応じて、出射口５１３から出射される第１レーザ光ＬＢ１の光路を変化させる。
【選択図】図１

Description

本開示は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法、特に、短波長のレーザ光と長波長のレーザ光とを用いたハイブリッドレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

従来、鉄や銅等の金属材料を溶接する手法の一つとして、レーザ溶接が知られている。レーザ溶接とは、レーザ光を被溶接物であるワークの所定の箇所に照射し、レーザ光のエネルギーによりワークを溶融させる溶接方法である。レーザ光が照射された溶接部分には、溶融池と呼ばれる溶融金属の液溜りが形成され、その後、溶融池が固化して固化部が形成される。ワークにおける所定の溶接線に沿って、レーザ光を移動させながら照射することで、レーザ溶接が行われる。

近年、レーザ発振器の出力が向上し、高パワーのレーザ光を用いたレーザ溶接が可能になってきている。高パワーのレーザ光を用いることで、溶接工程のタクトタイムが低減できる。また、ワークの厚さが８ｍｍ以上と厚い場合にも容易に溶接を行うことができる。

しかし、高パワーのレーザ光を用いると、溶融金属の飛散に起因したスパッタの発生が顕著となる。スパッタは、溶接箇所の近傍に付着して溶接不良の一因となる。スパッタの発生を低減するため、パワー密度の高い主ビームの周囲にパワー密度の低い副ビームを照射し、副ビームで形成された溶融池に主ビームを照射してレーザ溶接を行う手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、金属材料の種類によって、光の吸収率が異なることはよく知られている。例えば、銅は、レーザ溶接でよく用いられる近赤外の波長域の光に対する吸収率が低い。このため、吸収率の高い波長域、例えば、青色のレーザ光と近赤外の波長域のレーザ光とをワークに同時に照射してレーザ溶接を行う手法が提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。一般に、このようなレーザ溶接はハイブリッドレーザ溶接と呼ばれている。

特許第６９３５４８４号公報 国際公開第２０２１／１８２６４３号 国際公開第２０２１／１９３８５５号

しかし、本願発明者等の検討によれば、ハイブリッドレーザ溶接において、レーザ溶接条件によってスパッタの発生状態が変化することがわかった。例えば、青色のレーザ光のパワーと近赤外の波長域のレーザ光のパワーとをそれぞれ固定してレーザ溶接を行う場合、溶接速度が低くなると、ワークに対するスパッタの付着数が多くなることがわかった。このような現象は、特許文献１～３では報告されていない。

また、レーザ溶接に限らず、レーザ切断等のハイブリッドレーザ加工を行う場合にも、同様の課題が発生するおそれが高い。

本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、ハイブリッドレーザ加工において、レーザ加工条件が変更された場合にもスパッタの発生を低減できるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本開示に係るレーザ加工装置は、第１レーザ光を出射する第１レーザ発振器と、前記第１レーザ光よりも波長の長い第２レーザ光を出射する第２レーザ発振器と、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光をそれぞれ受け取って、ワークに向けて出射するレーザヘッドと、前記ワーク及び前記レーザヘッドの一方を他方に対して移動させる移動機構と、を少なくとも備えたレーザ加工装置であって、前記レーザヘッドは、筐体と第１光路変更機構と前記筐体の内部に配置された複数の光学部品とを少なくとも有し、前記筐体には、前記第１レーザ光が入射される第１入射口と、前記第２レーザ光が入射される第２入射口と、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光がそれぞれ出射される出射口と、が設けられ、前記第１光路変更機構は、前記第１入射口と前記出射口との間の前記第１レーザ光の光路中に配置され、前記ワークをレーザ加工する場合、前記移動機構により、前記ワーク及び前記レーザヘッドの一方を他方に対して移動させるとともに、前記第１レーザ光は、前記第２レーザ光と同時に、かつ所定の加工線に沿った方向において、前記第２レーザ光の前方に照射され、前記第１光路変更機構は、レーザ加工条件に応じて、前記出射口から出射される前記第１レーザ光の光路を変化させ、前記レーザ加工条件には、前記加工線に沿った前記レーザヘッドの移動速度と、前記第２レーザ光のパワーと、前記ワークに照射された前記第２レーザ光のスポット径とが、少なくとも含まれることを特徴とする。

本開示に係るレーザ加工方法は、第１レーザ光と前記第１レーザ光よりも波長の長い第２レーザ光とをワークに照射して、前記ワークをレーザ加工するレーザ加工方法であって、前記第１レーザ光を、前記第２レーザ光と同時に、かつ前記前記ワークの表面における所定の加工線に沿った方向において、前記第２レーザ光の前方に照射して、前記ワークをレーザ加工するステップを少なくとも備え、レーザ加工条件に応じて、前記ワークの表面における前記第１レーザ光の照射位置を変化させ、前記レーザ加工条件には、前記加工線に沿った前記第２レーザ光の照射位置の移動速度と、前記第２レーザ光のパワーと、前記ワークに照射された前記第２レーザ光のスポット径とが、少なくとも含まれることを特徴とする。

本開示によれば、ハイブリッドレーザ加工において、レーザ加工条件が変更された場合にもスパッタの発生を低減できる。

実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 レーザヘッドの概略構成図である。 種々の金属における光吸収率の波長依存性を示す図である。 第２レーザ光のみを用いたレーザ溶接におけるワークの状態を示す断面模式図である。 第１レーザ光と第２レーザ光とを用いたレーザ溶接におけるワークの状態を示す断面模式図である。 レーザ光の種類及び溶接速度と溶接ビードの外観との関係を示す図である。 レーザ溶接時の第１レーザ光及び第２レーザ光の照射軌跡を示す図である。 レーザ溶接時の第１レーザ光及び第２レーザ光の別の照射軌跡を示す図である。 実施例１、２及び比較例に係る溶接ビードの外観を示す図である。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（実施形態）
［レーザ加工装置の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図を示し、レーザ加工装置１０００は、第１レーザ発振器１００と、第２レーザ発振器２００と、第１光ファイバ３００と、第２光ファイバ４００と、レーザヘッド５００と、ロボット６００と、第１レーザコントローラ７１０と、第２レーザコントローラ７２０と、ロボットコントローラ７３０と、ステージ８００と、を備える。なお、図１において、説明の便宜上、レーザヘッド５００の形状は簡略化して図示している。

なお、以降の説明において、レーザヘッド５００からワーク９００に照射されるレーザ光の進行方向をＺ方向と呼ぶことがある。また、図１において、第１レーザ発振器１００及び第２レーザ発振器２００からレーザヘッド５００に向かう方向をＸ方向と呼び、Ｘ方向及びＺ方向とそれぞれ交差する方向をＹ方向と呼ぶことがある。

また、ワーク９００をレーザ加工する場合、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２とがワーク９００の表面における加工線（図示せず）に沿って照射される。本実施形態では、レーザ加工の一態様として、レーザ溶接を例に取って説明する。また、本実施形態では、Ｙ方向が加工線、この場合は溶接線に沿った方向となる。よって、以降の説明において、Ｙ方向を溶接方向と呼ぶことがある。

第１レーザ発振器１００は、第１レーザコントローラ７１０からの制御信号に基づいて、第１レーザ光ＬＢ１を出射する。第１レーザ光ＬＢ１は、青色の波長域、または緑色の波長域のレーザ光であり、本実施形態では、第１レーザ光ＬＢ１の波長λ１は、４５０ｎｍである。なお、本願明細書において、「青色の波長域」とは、４００ｎｍ以上、４９０ｎｍ以下の波長範囲を言う。また、「緑色の波長域」とは、５００ｎｍ以上、５６０ｎｍ以下の波長範囲を言う。なお、第１レーザ光ＬＢ１の波長域は特にこれに限定されず、４００ｎｍより短くてもよい。

第１レーザ発振器１００とレーザヘッド５００とは、第１光ファイバ３００で接続される。第１レーザ光ＬＢ１は、第１光ファイバ３００を介して、第１レーザ発振器１００からレーザヘッド５００に伝送される。

第２レーザ発振器２００は、第２レーザコントローラ７２０からの制御信号に基づいて、第２レーザ光ＬＢ２を出射する。第２レーザ光ＬＢ２は、近赤外の波長域のレーザ光であり、本実施形態では、第２レーザ光ＬＢ２の波長λ２は、９７５ｎｍである。なお、本願明細書において、「近赤外の波長域」とは、９００ｎｍ以上、１１００ｎｍ以下の波長範囲を言う。なお、第２レーザ光ＬＢ２の波長域は特にこれに限定されず、１１００ｎｍより長くてもよい。

第２レーザ発振器２００とレーザヘッド５００とは、第２光ファイバ４００で接続される。第２レーザ光ＬＢ２は、第２光ファイバ４００を介して、第２レーザ発振器２００からレーザヘッド５００に伝送される。

第１光ファイバ３００は、第１レーザ発振器１００から出射された第１レーザ光ＬＢ１をレーザヘッド５００まで伝送する。第２光ファイバ４００は、第２レーザ発振器２００から出射された第２レーザ光ＬＢ２をレーザヘッド５００まで伝送する。

第１光ファイバ３００及び第２光ファイバ４００は、それぞれ公知の構成であり、軸心に光導波路であるコア（図示せず）が配置され、コアの外周面を覆って光閉じ込め層であるクラッド（図示せず）が設けられている。また、クラッドの外周面を覆って保護皮膜（図示せず）が設けられている。なお、コア、クラッドともに石英からなるが、コアの屈折率は、クラッドの屈折率よりも高くなるように調整されている。また、第１光ファイバ３００及び第２光ファイバ４００のそれぞれにおいて、コアの個数や断面形状は適宜変更されうる。これに応じて、クラッドの断面形状も適宜変更されうる。

レーザヘッド５００は、第１光ファイバ３００及び第２光ファイバ４００から入射される第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２を受け取って、さらに、第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２をそれぞれワーク９００に向けて照射する。なお、レーザヘッド５００の構造については後で詳述する。

ロボット６００は、ロボットアーム６１０を有する。ロボットアーム６１０の先端には、レーザヘッド５００が取り付けられる。ロボットアーム６１０は、複数の部分に分かれており、各部分の連結部分には。それぞれ関節軸６２０が設けられている。

ロボット６００は、ロボットコントローラ７３０からの制御信号に基づいて、レーザヘッド５００を溶接方向（Ｙ方向）に沿って移動させ、ワーク９００に対するレーザヘッド５００の位置を変更する。この動作に伴い、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２の照射位置が溶接方向（Ｙ方向）に沿って移動して、レーザ溶接が行われる。

第１レーザコントローラ７１０は、第１レーザ発振器１００に接続され、第１レーザ発振器１００の動作を制御する。具体的には、第１レーザコントローラ７１０は、第１レーザ光ＬＢ１の出射開始や出射停止のタイミングや出射時間、また、第１レーザ光ＬＢ１のパワーを制御する。

第２レーザコントローラ７２０は、第２レーザ発振器２００に接続され、第２レーザ発振器２００の動作を制御する。具体的には、第２レーザコントローラ７２０は、第２レーザ光ＬＢ２の出射開始や出射停止のタイミングや出射時間、また、第２レーザ光ＬＢ２のパワーを制御する。

本実施形態において、第１レーザ光ＬＢ１のパワーは、第２レーザ光ＬＢ２のパワーよりも低くなるように設定されている。なお、第１レーザ光ＬＢ１のパワーと第２レーザ光ＬＢ２のパワーとの差または比は、レーザ溶接されるワーク９００の材質や厚さに応じて、適宜設定される。これについては後でさらに述べる。

ロボットコントローラ（コントローラ）７３０は、ロボット６００とレーザヘッド５００とに接続され、ロボット６００の動作と後で述べる第１光路変更機構５４０の動作をそれぞれ制御する。具体的には、ロボットコントローラ７３０は、ロボットアーム６１０の各部分を連結する関節軸６２０に設けられたモータ（図示せず）の回転速度及び回転量を制御する。このことにより、ロボットアーム６１０の先端に取り付けられたレーザヘッド５００が、所定の移動速度Ｖで溶接方向に沿って移動する。さらに、レーザヘッド５００から出射された第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２が、移動速度Ｖで溶接方向に沿ってワーク９００の表面に照射される。以降の説明において、溶接線に沿ったレーザヘッド５００の移動速度Ｖを溶接速度Ｖと呼ぶことがある。

第１レーザコントローラ７１０及び第２レーザコントローラ７２０、さらにロボットコントローラ７３０における前述の機能は、それぞれが有するハードウェア上で、所定の溶接プログラムを実行することで実現される。当該ハードウェアは、１個または複数個のＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリで構成される。メモリは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＳＳＤ（Solid State Drive）等の半導体メモリである。また、メモリが、ＣＰＵに内蔵されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭであってもよい。

また、第１レーザコントローラ７１０及び第２レーザコントローラ７２０、さらにロボットコントローラ７３０が、図示しない上位コントローラに接続される場合がある。この場合、上位コントローラで実行される溶接プログラムに基づいた実行命令が、第１レーザコントローラ７１０及び第２レーザコントローラ７２０、さらにロボットコントローラ７３０にそれぞれ送信され、所定の処理を実行する。なお、第１レーザコントローラ７１０及び第２レーザコントローラ７２０、さらにロボットコントローラ７３０が一体化されて一つのコントローラになっていてもよい。

また、ロボットコントローラ７３０が、レーザヘッド５００の動作を制御するコントローラとロボット６００の動作を制御するコントローラとに分けられていてもよい。ただし、この場合も、それぞれのコントローラが連動して、レーザヘッド５００及びロボット６００の動作をそれぞれ制御する。

ステージ８００にワーク９００が載置されることで、レーザ加工装置１０００に対するワーク９００の位置が決定される。なお、本実施形態において、ステージ８００は１箇所に固定されて静止しているが、図示しないステージ移動機構をステージ８００に設けることで、ステージ８００が、Ｘ方向とＹ方向とを面内に含むＸＹ平面に沿って移動可能に構成されてもよい。この場合、ロボット６００の位置、言い換えると、レーザヘッド５００の位置が固定されてもよい。

［レーザヘッドの構成］
図２は、レーザヘッドの概略構成図を示し、レーザヘッド５００は、筐体５１０と、その内部に配置された複数の光学部品と、を有している。なお、図２において、説明の便宜上、レーザヘッド５００を構成する各部品の形状は簡略化して図示している。また、図２に示す以外の部品が、筐体５１０の内部に配置されるか、筐体５１０の外側に取り付けられていてもよい。

筐体５１０は、第１入射口５１１と第２入射口５１２と出射口５１３とを有している。第１入射口５１１は、第１光ファイバ３００が接続される第１レーザ光ＬＢ１の入射口である。第２入射口５１２は、第２光ファイバ４００が接続される第２レーザ光ＬＢ２の入射口である。出射口５１３は、第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２の出射口である。第１入射口５１１及び第２入射口５１２からそれぞれ入射された第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２が、出射口５１３からワーク９００に向けて出射される。

筐体５１０の内部には、第１コリメートレンズ５２０と第２コリメートレンズ５３０と第１光路変更機構５４０とビームコンバイナ５５０と集光レンズ５６０とが、それぞれ配置されている。また、筐体５１０の内部には、出射口５１３を覆って保護ガラス５７０が配置されている。

第１コリメートレンズ５２０は、第１光ファイバ３００の出射端から出射された第１レーザ光ＬＢ１を平行光線に変換する。第２コリメートレンズ５３０は、第２光ファイバ４００の出射端から出射された第２レーザ光ＬＢ２を平行光線に変換する。

第１光路変更機構５４０は、第１入射口５１１と出射口５１３との間であって、第１レーザ光ＬＢ１の光路中に配置されている。第１光路変更機構５４０は、ミラー５４１とピエゾステージ５４２とピエゾアクチュエータ５４３とを有するＭＥＭＳミラーである。

ミラー５４１は、第１コリメートレンズ５２０を透過した第１レーザ光ＬＢ１をビームコンバイナ５５０に向けて反射する。ミラー５４１はピエゾステージ５４２に一体に取り付けられており、ピエゾアクチュエータ５４３はピエゾステージ５４２に取り付けられている。ピエゾアクチュエータ５４３を駆動することで、ピエゾステージ５４２及びミラー５４１は、Ｙ方向と平行な軸回りに傾動し、ミラー５４１で反射された第１レーザ光ＬＢ１の光軸を所定の範囲で変化させる。このことにより、出射口５１３から出射された第１レーザ光ＬＢ１は、溶接方向であるＹ方向と交差する方向に走査されながら、ワーク９００の表面に照射される。

なお、第１光路変更機構５４０は、図２に示した構造に特に限定されない。例えば、第１光路変更機構５４０をＹ方向と平行な軸回りに傾動するガルバノミラーとしてもよい。また、Ｘ方向とＹ方向のそれぞれを溶接方向に設定する場合を考慮して、第１光路変更機構５４０を２軸ＭＥＭＳミラーとしてもよい。この場合、出射口５１３から出射された第１レーザ光ＬＢ１は、Ｘ方向と交差する方向、またはＹ方向と交差する方向に走査されながら、ワーク９００の表面に照射される。この場合も、第１光路変更機構５４０をＹ方向と平行な軸回り及びＸ方向と平行な軸回りのそれぞれに傾動するガルバノミラーとしてもよい。

ビームコンバイナ５５０は、いわゆる波長選択ミラーであり、第１レーザ光ＬＢ１を反射する一方、第２レーザ光ＬＢ２を透過するように設計されている。なお、図２に示す例では、ビームコンバイナ５５０で反射された第１レーザ光ＬＢ１とビームコンバイナ５５０を透過した第２レーザ光ＬＢ２とが、互いの光軸が一致するように出射口５１３に向かっている。ただし、後で述べるように、第１レーザ光ＬＢ１は、Ｙ方向に沿って第２レーザ光ＬＢ２の前方に照射される。このようにするためには、例えば、ビームコンバイナ５５０に入射する第１レーザ光ＬＢ１の光軸に対するビームコンバイナ５５０の傾斜角度を予め調整するか、または、第１光路変更機構５４０のミラー５４１の位置を調整する。

集光レンズ５６０は、第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２をそれぞれ集光する。集光レンズ５６０を透過した第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２は、それぞれワーク９００の表面で略円形のスポットＳＰ１、ＳＰ２に結像される（図６Ａ，６Ｂ参照）。

保護ガラス５７０は、レーザ溶接中に発生したスパッタやヒュームが筐体５１０の内部に入り込むのを防止している。このことにより、筐体５１０の内部に配置された光学部品が保護され、出射口５１３から出射される第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２のパワーやビーム品質が低下するのを抑制できる。

［ハイブリッドレーザ溶接方法について］
図３は、種々の金属における光吸収率の波長依存性を示す。図４Ａは、第２レーザ光のみを用いたレーザ溶接におけるワークの状態を示す断面模式図である。図４Ｂは、第１レーザ光と第２レーザ光とを用いたレーザ溶接におけるワークの状態を示す断面模式図である。

レーザ溶接において、金属からなるワーク９００にレーザ光を照射すると、ワーク９００にレーザ光が吸収されて、レーザ光の照射部分の温度が上昇する。温度上昇がさらに進むと、ワーク９００が溶融して溶融池９１０が形成される（図４Ａ参照）。レーザ光が通過した後は、溶融池９１０の温度が急激に低下し、溶融池９１０が固化して固化部９３０が形成されることで、ワーク９００がレーザ溶接される。

また、多くの場合、レーザ光の照射部分の直下にキーホール９２０（図４Ａ参照）が形成されるようにレーザ光のパワーが設定される。キーホール９２０が形成されることで、ワーク９００の内部にレーザ光が直接照射される。このことにより、溶融池９１０を深く形成でき、深い溶込みが得られる。

ところで、一般に、金属に光を照射したときに、光が金属に吸収される割合、つまり、光吸収率は、光の波長によって変化する。また、光吸収率の波長依存性は、金属の材質によって大きく異なる。

例えば、図３に示すように、鉄やニッケルでは、波長が短くなるにつれて光吸収率が増加するが、波長に対する光吸収率の変化の度合いは緩やかである。鉄を例に取ると、第２レーザ光ＬＢ２の波長λ２（＝９７５ｎｍ）での光吸収率が４０％であり、第１レーザ光ＬＢ１の波長λ１（＝４５０ｎｍ）での光吸収率が４５％程度である。

一方、銅では、波長が８００ｎｍよりも短くなると光吸収率が急激に増加する。第２レーザ光ＬＢ２の波長λ２での吸収率が１０％未満である一方、第１レーザ光ＬＢ１の波長λ１での光吸収率が６０％程度まで増加する。

このため、ワーク９００が銅からなる板材である場合、第２レーザ光ＬＢ２のみでワーク９００をレーザ溶接しようとすると、溶融池９１０を形成するためには、低い光吸収率にあわせて第２レーザ光ＬＢ２のパワーを大きく設定する必要がある。

しかし、光吸収率は、ワーク９００の温度、特にワーク９００が固体状態であるか液体状態であるかによっても大きく変化し、液体状態の場合に光吸収率は大幅に増加する。この場合、図４Ａに示すように、溶融池９１０での第２レーザ光ＬＢ２の光吸収率が大幅に上昇し、溶融池９１０の温度が急激に上昇する。このことにより、溶融池９１０で突沸が生じ、ワーク９００の表面に向かう対流によって噴出した溶融金属がワーク９００の表面に付着し、スパッタとなる。

このようなスパッタの発生を抑制するために、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２の両方を用いたハイブリッドレーザ溶接方法が提案されていることは前述した通りである。

このレーザ溶接方法では、図４Ｂに示すように、波長λ１の第１レーザ光ＬＢ１と波長λ２の第２レーザ光ＬＢ２とがワーク９００の表面で重ね合われた状態で照射される。このとき、ワーク９００の表面で、第１レーザ光ＬＢ１のスポット径が第２レーザ光ＬＢ２のスポット径よりも大きくなるように設定される。また、第１レーザ光ＬＢ１のパワーが第２レーザ光ＬＢ２のパワーよりも小さくなるように設定される。なお、第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２のスポット径は、それぞれ、第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２の焦点がワーク９００の表面に位置する場合のビーム径に相当する。

銅からなるワーク９００に対する光吸収率の高い第１レーザ光ＬＢ１を、スポット径を広げて照射することで、ワーク９００に対して、幅が広く、かつ溶込み深さが浅い溶融池９１０が形成される。この状態で、第２レーザ光ＬＢ２が溶融池９１０に照射される。なお、第１レーザ光ＬＢ１のパワーは、キーホール９２０が形成されない程度に低く設定されている。つまり、第１レーザ光ＬＢ１による溶接モードは、熱伝導溶接である。ただし、浅いキーホール９２０が形成されてもよい。

また、第２レーザ光ＬＢ２のパワーが第１レーザ光ＬＢ１のパワーよりも大きいこのため、第１レーザ光ＬＢ１により形成される溶融池９１０よりも深い溶融池９１０が形成される。その結果、深溶け込み深さが得られる。

また、第１レーザ光ＬＢ１のスポット径は、第２レーザ光ＬＢ２のスポット径よりも大きい。このことにより、第２レーザ光ＬＢ２が、第１レーザ光ＬＢ１により形成された溶融池９１０に照射された場合、キーホール９２０の開口部が押し広げられ、溶融金属において、ワーク９００の表面に向かう対流が抑制される。このことにより、スパッタが低減される。

［本開示に至った知見］
しかし、本願発明者等は、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２とを用いたレーザ溶接において、形成される溶融池９１０の大きさが、溶接速度や第２レーザ光ＬＢ２のパワー等のレーザ溶接条件で大きく変化することを見出した。

図５は、レーザ光の種類及び溶接速度と溶接ビードの外観との関係を示す図である。図５の上段は、第１レーザ光ＬＢ１のみをワーク９００に照射した場合に形成された溶接ビード９４０を示し、下段は、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２を同時にワーク９００に照射した場合に形成された溶接ビード９４０を示す。

図５から明らかなように、第１レーザ光ＬＢ１のみを照射した場合は、溶接速度Ｖが５０ｍｍ／ｓｅｃから１５０ｍｍ／ｓｅｃに上昇しても、ワーク９００に形成される溶接ビード９４０の幅Ｗ１は、８６%程度になるのみであった。幅Ｗ１は、第１レーザ光ＬＢ１の照射により形成される溶融池９１０の大きさに対応している。低パワー（８００Ｗ）でビーム径（４００μｍ）が大きい条件の、つまり、パワー密度が低い第１レーザ光ＬＢ１では、ワーク９００への入熱量自体が小さく、溶接速度Ｖの変化に伴うワーク９００への入熱量の変化が小さくなっておりため、幅Ｗ１の変化量が小さくなっていると考えられた。

一方、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２とを同時に照射した場合は、溶接速度Ｖが５０ｍｍ／ｓｅｃから１５０ｍｍ／ｓｅｃに上昇すると、ワーク９００に形成される溶接ビード９４０の幅Ｗ２は、６２%程度と大幅に狭くなった。言い換えると、溶接速度Ｖが低下するにつれて、溶接ビード９４０の幅Ｗ２が大幅に広くなることがわかった。なお、
第２レーザ光ＬＢ２は、第１レーザ光ＬＢ１に比べて、高パワー（１９００Ｗ）でビーム径（４０μｍ）が小さい。つまり、第２レーザ光ＬＢ２は、第１レーザ光ＬＢ１に比べてパワー密度が高くなっている。このため、溶接速度Ｖの変化に伴ってワーク９００への入熱量の変化が大きくなっていると考えられる。

つまり、溶接速度Ｖの低下に伴う溶接ビード９４０の幅Ｗ２の増加は、第２レーザ光ＬＢ２の照射で形成される溶融池９１０が、第１レーザ光ＬＢ１の照射で形成される溶融池９１０よりも大きくなっていることによるものと考えられた。また、図示しないが、レーザ溶接中のワーク９００の表面を高速動画撮影した場合に、実際にこのような現象が起こっていることが確かめられた。

第２レーザ光ＬＢ２の照射で形成される溶融池９１０が、第１レーザ光ＬＢ１の照射で形成される溶融池９１０よりも大きくなると、前述した溶融池９１０の対流によりスパッタが発生しやすくなる。また、単位時間当たりのワーク９００への入熱量の差を考慮すると、溶接速度Ｖだけでなく、第１レーザ光ＬＢ１に対する第２レーザ光ＬＢ２のパワー比が大きくなると、スパッタが発生しやすくなると考えられる。

このように、レーザ溶接条件の変化によって、ハイブリッドレーザ溶接のメリットの一つであるスパッタの低減効果が得られなくなることがわかった。

本願発明者等は、このことをさらに検討し、以下に示すように、本実施形態では、第１レーザ光ＬＢ１を、溶接方向に沿って第２レーザ光ＬＢ２の前方に照射するレーザ溶接方法を提案する。さらに、このレーザ溶接方法では、第１レーザ光ＬＢ１を第１振幅で、溶接方向と交差する方向に周期的に走査することで、第２レーザ光ＬＢ２の照射位置の前方に幅広の溶融池９１０を形成し、スパッタの発生が抑制している。以下、この方法の詳細について説明する。

［レーザ溶接方法］
図６Ａは、レーザ溶接時の第１レーザ光及び第２レーザ光の照射軌跡を示し、図６Ｂは、レーザ溶接時の第１レーザ光及び第２レーザ光の別の照射軌跡を示す。

図６Ａに示す例では、第１レーザ光ＬＢ１を溶接方向に沿って第２レーザ光ＬＢ２の前方に位置するように照射するとともに、第１レーザ光ＬＢ１をＸ方向に沿って周期的に走査している。このようにすることで、ワーク９００に対して、第１レーザ光ＬＢ１をまず照射して所定の大きさの溶融池９１０を形成する。続けて、第１レーザ光ＬＢ１よりもパワーが大きい第２レーザ光ＬＢ２を溶融池９１０に照射する。

なお、本実施形態において、溶接方向に沿った第１レーザ光ＬＢ１の照射位置と第２レーザ光ＬＢ２の照射位置との距離Ｌを、第２レーザ光ＬＢ２のスポットＳＰ２の中心と、当該中心から溶接方向に沿って延びる仮想線が交差する第１レーザ光ＬＢ１のスポットＳＰ１の中心との間の距離とする。

レーザ溶接条件、具体的には、第２レーザ光ＬＢ２のパワーや溶接速度Ｖ、また、第１レーザ光ＬＢ１によって形成される溶融池９１０の大きさに応じて適宜変更される。例えば、第１レーザ光ＬＢ１のパワーに対して第２レーザ光ＬＢ２のパワーが大きい場合、第２レーザ光ＬＢ２により形成された溶融池９１０が、第１レーザ光ＬＢ１により形成された溶融池９１０を超えないように、距離Ｌを大きく取る。一方、第２レーザ光ＬＢ２のパワーを低くする場合は、第１レーザ光ＬＢ１により形成された溶融池９１０が固化しない程度に、距離Ｌを小さく取る。

距離Ｌの調整は、前述したように、ビームコンバイナ５５０の傾斜角度を予め調整することで行ってもよい。または、第１光路変更機構５４０のミラー５４１の位置を調整して、距離Ｌを調整してもよい。後者の場合、ピエゾアクチュエータ５４３に印加する直流電圧を調整することで、距離Ｌを予め調整してもよい。このようにすることで、第１レーザ光ＬＢ１や第２レーザ光ＬＢ２のパワーが、ワーク９００の種類や材質によって変更された場合も、距離Ｌを簡便に変更できる。

また、図４Ａに示す第１振幅Ａ１は、Ｘ方向における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置の変化量である。なお、本実施形態では、第１振幅Ａ１を、Ｘ方向の一方の端部における第１レーザ光ＬＢ１のスポットＳＰ１の中心と、他方の端部における第１レーザ光ＬＢ１のスポットＳＰ１の中心との間の距離とする。

レーザ溶接条件に応じて第１振幅Ａ１も変化させる。例えば、溶接速度Ｖが低くなるか、第２レーザ光ＬＢ２のパワーが高くなるにつれて、第１振幅Ａ１が長くなるように、第１光路変更機構５４０は、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を変化させる。具体的には、第１光路変更機構５４０は、ロボットコントローラ７３０からの制御信号に応じて、第１振幅Ａ１が長くなるように、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を変化させる。

つまり、第２レーザ光ＬＢ２により形成される溶融池９１０が大きくなる程、第１振幅Ａ１も長くする。このようにすることで、ハイブリッドレーザ溶接において、スパッタの発生を低減できる。

また、第１レーザ光ＬＢ１の照射位置が変化する周期の逆数を第１周波数ｆ１とするとき、溶接速度Ｖが高くなるか、第２レーザ光ＬＢ２のパワーが低くなるにつれて、第１周波数ｆ１が高くなるように、第１光路変更機構５４０は、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を変化させる。具体的には、第１光路変更機構５４０は、ロボットコントローラ７３０からの制御信号に応じて、第１周波数ｆ１が高くなるように、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を変化させる。このようにすることで、ハイブリッドレーザ溶接において、第２レーザ光ＬＢ２の照射位置の前方に溶融池９１０を確実に形成することができ、スパッタの発生を低減できる。

なお、第１レーザ光ＬＢ１の走査軌跡は、図４Ａに示した例に限られず、例えば、図４Ｂに示すように、溶接方向と交差するように、第１レーザ光ＬＢ１を円弧状に走査してもよい。なお、図４Ｂに示す距離Ｒは、図４Ａに示す距離Ｌに相当する。また、レーザ溶接条件に応じて、第１振幅Ａ１や第１周波数ｆ１を変化させる手法は、図４Ａに示す例を用いて説明したのと同様である。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工装置１０００は、第１レーザ光ＬＢ１を出射する第１レーザ発振器１００と、第１レーザ光ＬＢ１よりも波長の長い第２レーザ光ＬＢ２を出射する第２レーザ発振器２００と、第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２をそれぞれ受け取って、ワーク９００に向けて出射するレーザヘッド５００と、を少なくとも備えている。また、レーザ加工装置１０００は、レーザヘッド５００が取り付けられるとともに、ワーク９００に対してレーザヘッド５００を移動させるロボット６００を備えている。

レーザヘッド５００は、筐体５１０と第１光路変更機構５４０と筐体５１０の内部に配置された複数の光学部品とを少なくとも有している。複数の光学部品には、第１コリメートレンズ５２０と第２コリメートレンズ５３０とビームコンバイナ５５０と集光レンズ５６０と保護ガラス５７０とが少なくとも含まれる。

筐体５１０には、第１レーザ光ＬＢ１が入射される第１入射口５１１と、第２レーザ光ＬＢ２が入射される第２入射口５１２と、第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２がそれぞれ出射される出射口５１３と、が設けられている。

第１光路変更機構５４０は、第１入射口５１１と出射口５１３との間の第１レーザ光ＬＢ１の光路中に配置されている。

ワーク９００をレーザ溶接する場合、ロボット６００により、レーザヘッド５００を所定の溶接線に沿って移動させるとともに、第１レーザ光ＬＢ１は、第２レーザ光ＬＢ２と同時に、かつ溶接線に沿った方向において、第２レーザ光ＬＢ２の前方に照射される。

第１光路変更機構５４０は、レーザ溶接条件に応じて、出射口５１３から出射される第１レーザ光ＬＢ１の光路を変化させる。

なお、第１光路変更機構５４０は、ロボットコントローラ７３０からの制御信号に応じて動作する。言い換えると、レーザ加工装置１０００は、少なくとも第１光路変更機構５４０の動作を制御するロボットコントローラ（コントローラ）７３０をさらに備えている。ロボットコントローラ７３０は、レーザ溶接条件に応じて、出射口５１３から出射される第１レーザ光ＬＢ１の光路を変化させるように第１光路変更機構５４０を動作させる。

前述のレーザ溶接条件には、溶接線に沿ったレーザヘッド５００の移動速度Ｖ、つまり、溶接速度Ｖと、第２レーザ光ＬＢ２のパワーとが少なくとも含まれる。

なお、ワーク９００に照射される第１レーザ光ＬＢ１のスポット径と第２レーザ光ＬＢ２のスポット径とは、それぞれ溶融池９１０の大きさに影響する。また、第１レーザ光ＬＢ１のパワーが第２レーザ光ＬＢ２のパワーよりも低く、第１レーザ光ＬＢ１のスポット径が第２レーザ光ＬＢ２のスポット径よりも大きいことに鑑みれば、第２レーザ光ＬＢ２のパワーとスポット径とが、スパッタの発生に大きく影響する。

このことに鑑みれば、出射口５１３から出射される第１レーザ光ＬＢ１の光路を変化させるのに関係するレーザ溶接条件には、第２レーザ光ＬＢ２のスポット径（ビーム径）も含まれる。

また、第１光路変更機構５４０は、レーザ溶接条件に応じて、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を溶接線と交差する方向に周期的に変化させる。つまり、ロボットコントローラ７３０は、レーザ溶接条件に応じて、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を溶接線と交差する方向に周期的に変化させるように、第１光路変更機構５４０の動作を制御する。

レーザ加工装置１０００をこのように構成することで、第２レーザ光ＬＢ２によりワーク９００に形成される溶融池９１０の大きさに対して、第１レーザ光ＬＢ１によりワーク９００に形成される溶融池９１０の大きさを変化させることができる。

このことにより、レーザ溶接条件を変更した場合にも、第１レーザ光ＬＢ１によりワーク９００に形成される溶融池９１０を、第２レーザ光ＬＢ２によりワーク９００に形成される溶融池９１０よりも大きくできる。その結果、レーザ溶接中に発生するスパッタを低減できる。

また、第１レーザ光ＬＢ１により所望の大きさの溶融池９１０を形成する一方、第２レーザ光ＬＢ２のパワーをワーク９００の材質や形状に合わせて変更することで、所望の溶込み深さを得ることができる。つまり、銅等のように近赤外の波長域のレーザ光に対して光吸収率の低い材質のワーク９００に対しても、スパッタを低減しつつ、所望のレーザ溶接を行うことができる。

また、本実施形態によれば、第１レーザ光ＬＢ１によりワーク９００に形成される溶融池９１０の大きさを変化させることで、ワーク９００に形成される溶接ビード９４０の幅を変えることができる。このことにより、ワーク９００の形状に合わせて溶接ビード９４０の幅を適切に設定できる。

例えば、突き合わせ溶接等で、板材間のギャップ裕度を確保したい場合、前述の第１振幅Ａ１を大きく設定して、溶接ビード９４０の幅を大きくすることができる。また、第１レーザ光ＬＢ１の照射により、溶接ビード９４０の幅を確保しつつ、第２レーザ光ＬＢ２のパワーやスポット径を適切に設定することで、溶込み深さを確保しつつ、溶け落ちの発生を防止できる。

溶接線と交差する方向における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置の変化量を第１振幅Ａ１とする。このとき、第１光路変更機構５４０は、溶接速度Ｖが低くなるか、または第２レーザ光ＬＢ２のパワーが高くなるにつれて、第１振幅Ａ１が長くなるように、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を変化させるのが好ましい。

溶接速度Ｖが低くなるか、または第２レーザ光ＬＢ２のパワーが高くなるにつれて、第２レーザ光ＬＢ２によりワーク９００に形成される溶融池９１０が大きくなる。よって、このような場合は、第１振幅Ａ１が長くなるようにすることで、第１レーザ光ＬＢ１によりワーク９００に形成される溶融池９１０を大きくして、当該溶融池９１０の内部に第２レーザ光ＬＢ２が照射されるようにする。このようにすることで、溶融池９１０の突沸、ひいては、スパッタの発生が抑制される。

第１レーザ光ＬＢ１の照射位置が変化する周期の逆数を第１周波数ｆ１とする。このとき、第１光路変更機構５４０は、溶接速度Ｖが高くなるか、または第２レーザ光ＬＢ２のパワーが低くなるにつれて、第１周波数ｆ１が高くなるように、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を変化させるのが好ましい。

溶接速度Ｖが高くなるか、または第２レーザ光ＬＢ２のパワーが低くなるにつれて、第２レーザ光ＬＢ２によりワーク９００に形成される溶融池９１０は小さくなる。このような場合は、第１周波数ｆ１が高くなるようにすることで、第１レーザ光ＬＢ１の走査中に、第２レーザ光ＬＢ２の照射位置の前方に確実に溶融池９１０が形成するようにする。このようにすることで、当該溶融池９１０の内部に第２レーザ光ＬＢ２が照射されるようにでき、溶融池９１０の突沸、ひいては、スパッタの発生が抑制される。

第１光路変更機構５４０は、溶接速度Ｖが低くなるか、または第２レーザ光ＬＢ２のパワーが高くなるにつれて、溶接線に沿った方向において、第１レーザ光ＬＢ１の照射位置と第２レーザ光ＬＢ２の照射位置との距離Ｌまたは距離Ｒが長くなるように、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を変化させるのが好ましい。

前述したように、第１レーザ光ＬＢ１のパワーに対して第２レーザ光ＬＢ２のパワーが大きい場合、第２レーザ光ＬＢ２により形成された溶融池９１０が、第１レーザ光ＬＢ１により形成された溶融池９１０を超えるおそれがある。このような現象は、溶接速度Ｖが低くなる場合にも同様に起こりうる。よって、距離Ｌまたは距離Ｒが長くなるようにすることで、第２レーザ光ＬＢ２により形成された溶融池９１０が、第１レーザ光ＬＢ１により形成された溶融池９１０を超えるのを防止できる。このことにより、レーザ溶接中の溶融池９１０の突沸、ひいては、スパッタの発生が抑制される。なお、ビームコンバイナ５５０の傾斜角度を変えることで、距離Ｌまたは距離Ｒを調整する場合は、この手法は採用しない。

また、ロボットコントローラ（コントローラ）７３０が第１光路変更機構５４０の動作を制御することで、第１光路変更機構５４０が前述した種々の動作を行うことは言うまでもない。

レーザ加工装置１０００は、第１入射口５１１に接続され、第１レーザ光ＬＢ１をレーザヘッド５００に伝送する第１光ファイバ３００と、第２入射口５１２に接続され、第２レーザ光ＬＢ２をレーザヘッド５００に伝送する第２光ファイバ４００と、をさらに備えるのが好ましい。

このようすることで、第１レーザ発振器１００及び第２レーザ発振器２００から遠く離れた場所にあるワーク９００に対して、レーザ溶接を行うことができる。

ロボットコントローラ（コントローラ）７３０は、第１光路変更機構５４０の動作に加えて、ロボット６００の動作も制御する。

第１光路変更機構５４０は、ロボットコントローラ７３０からの制御信号により、ロボット６００の動作と連動して、出射口５１３から出射される第１レーザ光ＬＢ１の光路を変化させる。

前述したように、溶接速度Ｖは、ロボット６００を動作させることでワーク９００に対して移動するレーザヘッド５００の移動速度Ｖに相当する。また、溶接速度（移動速度）Ｖが、第２レーザ光ＬＢ２により形成される溶融池９１０の大きさ、ひいてはスパッタの発生に大きく影響していることも前述した通りである。

したがって、ロボットコントローラ７３０からの制御信号により、ロボット６００の動作と連動して第１光路変更機構５４０を動作させて、第１レーザ光ＬＢ１の光路、言い換えると、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を変化させるのが好ましい。このようにすることで、溶融池９１０の大きさを適切に制御してスパッタの発生を抑制できる。

本実施形態に係るレーザ溶接方法は、第１レーザ光ＬＢ１と第１レーザ光ＬＢ１よりも波長の長い第２レーザ光ＬＢ２とをワーク９００に照射して、ワーク９００をレーザ溶接する、いわゆるハイブリッドレーザ溶接方法である。

このレーザ溶接方法は、第１レーザ光ＬＢ１を、第２レーザ光ＬＢ２と同時に、かつワーク９００の表面における所定の溶接線に沿った方向において、第２レーザ光ＬＢ２の前方に照射して、ワーク９００をレーザ加工するステップを少なくとも備えている。

また、当該ステップにおいて、レーザ溶接条件に応じて、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を変化させる。さらに言うと、レーザ溶接条件に応じて、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を溶接線と交差する方向に周期的に変化させる。

レーザ溶接条件には、溶接速度Ｖ、つまり、溶接線に沿ったレーザヘッド５００の移動速度Ｖと、第２レーザ光ＬＢ２のパワーと、ワーク９００に照射される第２レーザ光ＬＢ２のスポット径（ビーム径）とが、少なくとも含まれる。

レーザ溶接方法をこのように構成することで、銅等のように近赤外の波長域のレーザ光に対して光吸収率の低い材質のワーク９００に対して、レーザ溶接条件を変更した場合にも、スパッタを低減しつつ、所望のレーザ溶接を行うことができる。

また、ワーク９００に形成される溶接ビード９４０の幅を変えることができるため、例えば、突き合わせ溶接等で、板材間のギャップ裕度を確保したい場合にも、溶込み深さを確保しつつ、溶け落ちの発生を防止できる。

溶接速度Ｖが低くなるか、または第２レーザ光ＬＢ２のパワーが高くなるにつれて、第１振幅Ａ１が長くなるように、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を変化させることが好ましい。このようにすることで、第１レーザ光ＬＢ１によりワーク９００に形成される溶融池９１０を大きくして、当該溶融池９１０の内部に第２レーザ光ＬＢ２が照射されるようにし、溶融池９１０の突沸、ひいては、スパッタの発生が抑制される。

溶接速度Ｖが高くなるか、または第２レーザ光ＬＢ２のパワーが低くなるにつれて、第１周波数ｆ１が高くなるように、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を変化させるのが好ましい。

このようにすることで、第１レーザ光ＬＢ１の走査中に、第２レーザ光ＬＢ２の照射位置の前方に確実に溶融池９１０が形成することができる。当該溶融池９１０の内部に第２レーザ光ＬＢ２が照射されるため、溶融池９１０の突沸、ひいては、スパッタの発生が抑制される。

溶接速度Ｖが低くなるか、または第２レーザ光ＬＢ２のパワーが高くなるにつれて、溶接線に沿った方向において、第１レーザ光ＬＢ１の照射位置と第２レーザ光ＬＢ２の照射位置との距離Ｌまたは距離Ｒが長くなるように、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を変化させるのが好ましい。

距離Ｌまたは距離Ｒが長くなるようにすることで、第２レーザ光ＬＢ２により形成された溶融池９１０が、第１レーザ光ＬＢ１により形成された溶融池９１０を超えるのを防止できる。このことにより、レーザ溶接中の溶融池９１０の突沸、ひいては、スパッタの発生が抑制される。

以下、本開示の技術を実施例によりさらに詳しく説明する。なお、以下に示す実施例は、本開示に示す技術を何ら制限するものではない。

図７は、実施例１、２及び比較例に係る溶接ビードの外観を示す図である。

＜実施例１＞
ワーク９００として、銅からなる板材を準備した。このワーク９００に対して、溶接方向に沿って第１レーザ光ＬＢ１を照射し、溶接線に沿って、第１レーザ光ＬＢ１の後方に第２レーザ光ＬＢ２を第１レーザ光ＬＢ１と同時に照射した。その結果、ワーク９００の表面に直線状の溶接ビードを形成した（図７の中央の写真参照）。

レーザ溶接におけるパラメータの値は以下の通りとした。まず、第１レーザ光ＬＢ１の波長λ１は、４５０ｎｍであり、第２レーザ光ＬＢ２の波長λ２は、９７５ｎｍであった。

また、溶接速度Ｖを５０ｍｍ／ｓｅｃとした。第１レーザ光ＬＢ１のパワーを８００Ｗとし、第２レーザ光ＬＢ２のパワーを１９００Ｗとした。ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１のスポット径を４００μｍとし、第２レーザ光ＬＢ２のスポット径を４０μｍとした。

第１レーザ光ＬＢ１を照射するにあたって、図７の中央に示すように、第１レーザ光ＬＢ１をＸ方向に沿って周期的に往復させながら走査した。この場合の第１振幅Ａ１を４００μｍとし、第１周波数ｆ１を２００Ｈｚとした。また、溶接方向に沿った第１レーザ光ＬＢ１の照射位置と第２レーザ光ＬＢ２の照射位置との距離Ｌを５０μｍとした。

この場合、図７の中央に示すように、第１レーザ光ＬＢ１のＸ方向に沿った一方の端部のスポットＳＰ１は、他方の端部のスポットＳＰ１と一部重なるように、ワーク９００に照射された。

＜実施例２＞
第１振幅Ａ１を５００μｍとした以外は、実施例１と同じ方法及びパラメータでワーク９００に対して第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２とをワーク９００に照射した。その結果、ワーク９００の表面に直線状の溶接ビード９４０を形成した（図７の右側の写真参照）。

この場合、図７の右側に示すように、第１レーザ光ＬＢ１のＸ方向に沿った一方の端部のスポットＳＰ１は、他方の端部のスポットＳＰ１とＸ方向で離間するように、ワーク９００に照射された。

＜比較例＞
ワーク９００に対して、互いの光軸が一致するようにして、第１レーザ光ＬＢ１と第２レーザ光ＬＢ２とをワーク９００に対して同時に照射した。その結果、ワーク９００の表面に直線状の溶接ビード９４０を形成した（図７の左側の写真参照）。

第１レーザ光ＬＢ１の波長λ１及び第２レーザ光ＬＢ２の波長λ２は、実施例１，２と同じであり、第１レーザ光ＬＢ１のパワー及び第２レーザ光ＬＢ２のパワーも実施例１，２と同じとした。また、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１のスポット径及び第２レーザ光ＬＢ２のスポット径も、実施例１，２と同じであり、溶接速度Ｖも実施例１，２と同じとした。

ただし、第１レーザ光ＬＢ１のＸ方向への走査は行わなかった。つまり、前述した第１振幅Ａ１はゼロであり、距離Ｌもゼロとした。

＜実施例１，２と比較例との結果比較＞
図７に示すように、比較例では、溶接ビード９４０の幅Ｗは、１１２１μｍとなった。一方、実施例１では、溶接ビード９４０の幅Ｗは、１２０９μｍとなり、実施例２では、溶接ビード９４０の幅Ｗは、１４４５μｍとなった。

実施例１，２に示す方法でレーザ溶接を行った場合に、溶接ビード９４０の幅Ｗが、比較例に示す方法でレーザ溶接を行った場合に比べて大きくなったのは、第１レーザ光ＬＢ１を第１振幅Ａ１でＸ方向に走査したためと推定される。つまり、第１レーザ光ＬＢ１をＸ方向に走査することで、狙い通り、第１レーザ光ＬＢ１により形成される溶融池９１０を比較例に示す場合よりも大きくすることができたと考えられる。このことは、実施例１に示す場合よりも、第１振幅Ａ１を大きくした実施例２の方が、溶接ビード９４０の幅Ｗが大きくなったことからも支持されると考えられる。

また、溶接ビード９４０の形成後に、溶接ビード９４０を含むワーク９００の表面をカメラで撮像した。得られた画像を画像処理して、ワーク９００の表面におけるスパッタの付着数を推定した。

比較例に示す場合のスパッタの付着数を１００個として規格化した場合、実施例１に示す場合のスパッタの付着数は６７個であり、実施例１に示す場合のスパッタの付着数は６２個であった。

つまり、本開示の技術を適用した実施例１，２において、比較例に示す場合よりもスパッタを低減できることが明らかとなった。言い換えると、第１レーザ光ＬＢ１を、第２レーザ光ＬＢ２と同時に、かつ第２レーザ光ＬＢ２の前方に照射してレーザ溶接を行う場合、ワーク９００の表面における第１レーザ光ＬＢ１の照射位置を溶接線と交差する方向に周期的に変化させることで、スパッタを低減できることが確認できた。

（その他の実施形態）
前述したように、本実施形態に開示したレーザ溶接はレーザ加工の一態様である。レーザ加工には、レーザ溶接以外にワーク９００を切断するレーザ切断も含まれる。また、これに限られず、本実施形態におけるレーザ加工では、第１レーザＬＢ光１及び第２レーザ光ＬＢ２の照射により溶融池９１０が形成され、かつ第１レーザＬＢ光１及び第２レーザ光ＬＢ２が所定の加工線に沿って照射される。

つまり、本願明細書において「溶接」とある箇所は「加工」と読み替えててもよい。例えば、レーザ溶接条件はレーザ加工条件と読み替えられる。レーザ溶接方法はレーザ加工方法と読み替えられる。溶接速度Ｖは加工速度Ｖと読み替えられる。また、溶接線は加工線と読み替えられる。

また、前述したように、第１レーザＬＢ光１及び第２レーザ光ＬＢ２が所定の加工線に沿って照射するにあたって、レーザヘッド５００の位置を固定する一方、図示しないステージ移動機構が設けられたステージ８００をＸＹ平面に沿って移動させてもよい。

また、このことに鑑みると、本開示のレーザ加工装置１０００は、ワーク９００及びレーザヘッド５００の一方を他方に対して移動させる移動機構を有していればよいと言える。この移動機構には、ロボット６００も前述したステージ移動機構も含まれる。

つまり、本開示のレーザ加工装置１０００は、以下の構成を備えている。

第１レーザ光ＬＢ１を出射する第１レーザ発振器１００と、第１レーザ光ＬＢ１よりも波長の長い第２レーザ光ＬＢ２を出射する第２レーザ発振器２００と、第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２をそれぞれ受け取って、ワーク９００に向けて出射するレーザヘッド５００と、を少なくとも備えている。また、レーザ加工装置１０００は、ワーク９００及びレーザヘッド５００の一方を他方に対して移動させる移動機構を備えている。

レーザヘッド５００は、筐体５１０と第１光路変更機構５４０と筐体５１０の内部に配置された複数の光学部品とを少なくとも有している。複数の光学部品には、第１コリメートレンズ５２０と第２コリメートレンズ５３０とビームコンバイナ５５０と集光レンズ５６０と保護ガラス５７０とが少なくとも含まれる。

筐体５１０には、第１レーザ光ＬＢ１が入射される第１入射口５１１と、第２レーザ光ＬＢ２が入射される第２入射口５１２と、第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２がそれぞれ出射される出射口５１３と、が設けられている。

第１光路変更機構５４０は、第１入射口５１１と出射口５１３との間の第１レーザ光ＬＢ１の光路中に配置されている。

ワーク９００をレーザ加工する場合、前述した移動機構により、レーザヘッド５００及びワーク９００の一方を他方に対して移動させるとともに、第１レーザ光ＬＢ１は、第２レーザ光ＬＢ２と同時に、かつ所定の加工線に沿った方向において、第２レーザ光ＬＢ２の前方に照射される。

第１光路変更機構５４０は、レーザ加工条件に応じて、出射口５１３から出射される第１レーザ光ＬＢ１の光路を変化させる。

言い換えると、レーザ加工装置１０００は、少なくとも第１光路変更機構５４０の動作を制御するコントローラをさらに備えている。コントローラは、レーザ加工条件に応じて、出射口５１３から出射される第１レーザ光ＬＢ１の光路を変化させるように第１光路変更機構５４０を動作させる。

当該コントローラは、前述の移動機構及び第１光路変更機構５４０の動作をそれぞれ制御してもよい。

この場合、第１光路変更機構５４０は、当該コントローラからの制御信号により、前述の移動機構の動作と連動して、出射口５１３から出射される第１レーザ光ＬＢ１の光路を変化させてもよい。

本開示のレーザ加工装置は、ハイブリッドレーザ加工において、レーザ加工条件が変更された場合にもスパッタの発生を低減できるため、有用である。

１００ 第１レーザ発振器
２００ 第２レーザ発振器
３００ 第１光ファイバ
４００ 第２光ファイバ
５００ レーザヘッド
５１０ 筐体
５１１ 第１入射口
５１２ 第２入射口
５１３ 出射口
５２０ 第１コリメートレンズ
５３０ 第２コリメートレンズ
５４０ 第１光路変更機構
５５０ ビームコンバイナ
５６０ 集光レンズ
５７０ 保護ガラス
６００ ロボット
７１０ 第１レーザコントローラ
７２０ 第２レーザコントローラ
７３０ ロボットコントローラ（コントローラ）
８００ ステージ
９００ ワーク
１０００ レーザ加工装置
ＬＢ１ 第１レーザ光
ＬＢ２ 第２レーザ光

Claims (12)

1. 第１レーザ光を出射する第１レーザ発振器と、
   前記第１レーザ光よりも波長の長い第２レーザ光を出射する第２レーザ発振器と、
   前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光をそれぞれ受け取って、ワークに向けて出射するレーザヘッドと、
   前記ワーク及び前記レーザヘッドの一方を他方に対して移動させる移動機構と、
   を少なくとも備えたレーザ加工装置であって、
   前記レーザヘッドは、筐体と第１光路変更機構と前記筐体の内部に配置された複数の光学部品とを少なくとも有し、
   前記筐体には、
   前記第１レーザ光が入射される第１入射口と、
   前記第２レーザ光が入射される第２入射口と、
   前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光がそれぞれ出射される出射口と、が設けられ、
   前記第１光路変更機構は、前記第１入射口と前記出射口との間の前記第１レーザ光の光路中に配置され、
   前記ワークをレーザ加工する場合、前記移動機構により、前記ワーク及び前記レーザヘッドの一方を他方に対して移動させるとともに、前記第１レーザ光は、前記第２レーザ光と同時に、かつ所定の加工線に沿った方向において、前記第２レーザ光の前方に照射され、
   前記第１光路変更機構は、レーザ加工条件に応じて、前記出射口から出射される前記第１レーザ光の光路を変化させ、
   前記レーザ加工条件には、前記加工線に沿った前記レーザヘッドの移動速度と、前記第２レーザ光のパワーと、前記ワークに照射された前記第２レーザ光のスポット径とが、少なくとも含まれることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記第１光路変更機構は、前記レーザ加工条件に応じて、前記ワークの表面における前記第１レーザ光の照射位置を前記加工線と交差する方向に周期的に変化させることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項２に記載のレーザ加工装置において、
   前記加工線と交差する方向における前記第１レーザ光の照射位置の変化量を第１振幅とするとき、
   前記第１光路変更機構は、前記レーザヘッドの移動速度が低くなるか、または前記第２レーザ光のパワーが高くなるにつれて、前記第１振幅が長くなるように、前記ワークの表面における前記第１レーザ光の照射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項２に記載のレーザ加工装置において、
   前記第１レーザ光の照射位置が変化する周期の逆数を第１周波数とするとき、
   前記第１光路変更機構は、前記レーザヘッドの移動速度が高くなるか、または前記第２レーザ光のパワーが低くなるにつれて、前記第１周波数が高くなるように、前記ワークの表面における前記第１レーザ光の照射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項２に記載のレーザ加工装置において、
   前記第１光路変更機構は、前記レーザヘッドの移動速度が低くなるか、または前記第２レーザ光のパワーが高くなるにつれて、前記加工線に沿った方向において、前記第１レーザ光の照射位置と前記第２レーザ光の照射位置との距離が長くなるように、前記ワークの表面における前記第１レーザ光の照射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工装置。
6. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記第１入射口に接続され、前記第１レーザ光を前記レーザヘッドに伝送する第１光ファイバと、
   前記第２入射口に接続され、前記第２レーザ光を前記レーザヘッドに伝送する第２光ファイバと、をさらに備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
7. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記移動機構及び前記第１光路変更機構の動作をそれぞれ制御するコントローラをさらに備え、
   前記第１光路変更機構は、前記コントローラからの制御信号により、前記移動機構の動作と連動して、前記出射口から出射される前記第１レーザ光の光路を変化させることを特徴とするレーザ加工装置。
8. 第１レーザ光と前記第１レーザ光よりも波長の長い第２レーザ光とをワークに照射して、前記ワークをレーザ加工するレーザ加工方法であって、
   前記第１レーザ光を、前記第２レーザ光と同時に、かつ前記ワークの表面における所定の加工線に沿った方向において、前記第２レーザ光の前方に照射して、前記ワークをレーザ加工するステップを少なくとも備え、
   レーザ加工条件に応じて、前記ワークの表面における前記第１レーザ光の照射位置を変化させ、
   前記レーザ加工条件には、前記加工線に沿った前記第２レーザ光の照射位置の移動速度と、前記第２レーザ光のパワーと、前記ワークに照射された前記第２レーザ光のスポット径とが、少なくとも含まれることを特徴とするレーザ加工方法。
9. 請求項８に記載のレーザ加工方法において、
   前記レーザ加工条件に応じて、前記ワークの表面における前記第１レーザ光の照射位置を前記加工線と交差する方向に周期的に変化させることを特徴とするレーザ加工方法。
10. 請求項９に記載のレーザ加工方法において、
    前記加工線と交差する方向における前記第１レーザ光の照射位置の変化量を第１振幅とするとき、
    前記加工線に沿った前記第２レーザ光の照射位置の移動速度が低くなるか、または前記第２レーザ光のパワーが高くなるにつれて、前記第１振幅が長くなるように、前記ワークの表面における前記第１レーザ光の照射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工方法。
11. 請求項９に記載のレーザ加工方法において、
    前記第１レーザ光の照射位置が変化する周期の逆数を第１周波数とするとき、
    前記加工線に沿った前記第２レーザ光の照射位置の移動速度が高くなるか、または前記第２レーザ光のパワーが低くなるにつれて、前記第１周波数が高くなるように、前記ワークの表面における前記第１レーザ光の照射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工方法。
12. 請求項９に記載のレーザ加工方法において、
    前記加工線に沿った前記第２レーザ光の照射位置の移動速度が低くなるか、または前記第２レーザ光のパワーが高くなるにつれて、前記加工線に沿った方向において、前記第１レーザ光の照射位置と前記第２レーザ光の照射位置との距離が長くなるように、前記ワークの表面における前記第１レーザ光の照射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工方法。