JP4150907B2 - レーザ加工装置およびその加工方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、レーザ加工装置およびその加工方法に関するものである。
背景技術
被加工物の加工対象部位に対してレーザビームを照射することにより、切断、穿孔、溶接、クラッディング肉盛、焼入れのような熱処理などの加工が行われるようになってきている。これらの各種レーザ加工には、一般にＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザなどが従来から使用されている。
ＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザでは、レーザ加工の内容に応じたエネルギ密度・出力を得るために、集光レンズや集光反射鏡を使用して出射されたレーザビームを所定のスポット径に絞って加工対象部位に照射していた。そして、特に、溶接、クラッディング肉盛、焼入れなど、被加工物Ｗの所定の範囲の加工対象部位Ｗａを気相まで変化させないで加工する場合に、絞られたレーザビームＬを被加工物Ｗの所定の範囲の加工対象部位Ｗａに照射すると共に、加工対象部位Ｗａの溶け落ちあるいは溶けこみ中央部の膨らみを防ぐなどの目的から、図２１に示すように集光レンズ３を振動させたり、図２２に示すようにスキャニングミラー４を反復回動させたりすることにより、レーザビームＬを振動させてスキャニングあるいはオシレーション（以下、オシレーションと総称する）を行っていた。
図２５は、母材に対して粉末金属などの肉盛材料を溶着させるクラッディング肉盛を従来技術により行う場合を示したもので、肉盛材料に対して均等な出力でレーザビームが照射されている。また、図２６は、従来の技術により鋼板からなる母材にアルミメッキが施されたアルミメッキ鋼板を、互いのアルミメッキ層を合わせた状態で重ね溶接した場合を示したものである。さらに、図２７は、従来の技術により鋼板からなる母材に亜鉛メッキが施された亜鉛メッキ鋼板を、互いの亜鉛メッキ層を合わせた状態で重ね溶接する場合を示したものである。
また、近年では、特許番号第２６８３１５８号公報に開示されているように、半導体レーザー・システムを使用して各種加工が行われるようになってきている。特許番号第２６８３１５８号公報に開示されたレーザー・システムは、半導体レーザー・システムであって、レーザーオッシレーターを搭載する複数の半導体レーザー・ユニットを有し、前記半導体レーザー・ユニットはそれから出るレーザー放射光線を発生し、前記半導体レーザー・ユニットは複数群の半導体レーザー・ユニットを有し、各群における前記半導体レーザーユニットは同じ波長のレーザー放射光線を発生するために同じ横方向基本モードおよび同じ縦方向モードにおいて動作し、各半導体レーザー・ユニットに関連する光電導単一モードを有し、それぞれの半導体レーザーから出るレーザー光線を１つのそれぞれ単一モード光電導ファイバーに結合する結合素子を有し、前記光電導ファイバーは端面を有するファイバー束を形成し、該端面は同じ波長のレーザー放射線を発するファイバー端面の全てを放射群に形成するために前記ファイバー束を形成する前記ファイバー端面を含み、異なる波長のレーザー放射線を発生する放射グループはつぎに前記端面に配列され、それぞれの半導体レーザー・ユニットによって発生され前記ファイバー束の前面端面から出るコヒーレントレーザー放射は前記全レーザー放射を形成し、前記全レーザー放射はすべての半導体レーザー・ユニットのレーザー動作中に放射される対象物のある対象面を照射し、コントロールは各々個々の半導体レーザー・ユニットを定められた状態で制御するために設けられていて、各々表面要素に対して個々に定義できる光強度を持つ照射によりターゲット面の異なる表面要素に対する照射を指定できることを特徴とする。
そして、当該公報には、例えば、合金加工中に予備加熱または後処理のために作動する２つの特殊な形状の照射される表面部や、長さ方向の軸に向けて運動方向と平行に延長している卵形表面部が開示されている。
すなわち、当該公報のレーザー・システムは、ターゲット面の異なる表面要素に相応してレーザ放射線の照射を指定するために、各半導体レーザー・ユニットをＯＮ・ＯＦＦ制御するものである。
しかしながら、上記従来の技術のうち、ＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザを使用してレーザビームＬを所定の範囲でオシレーションさせつつ所定の加工を行う場合にあっては、集光レンズ３を振動させたり（図２１）スキャニングミラー４を反復回動させたりする（図２２）ための制御に精度を要し、また、集光レンズ３を振動させるための機構あるいはスキャニングミラー４を反復回動させるための機構（図示は省略する）をレーザ加工装置に設ける必要があるために装置全体が複雑で大型化すると共にこれらの機構を維持するためのメンテナンスを必要とし、さらには、集光レンズに与える振動やスキャニングミラー４の反復回動によってレーザ加工装置の耐久性を向上させることが困難であった。
また、図２５に示したようにクラッディング肉盛を行う場合に、母材溶融部の中央では熱が冷え難くいために溶融部が大きくなり易く、端部では熱が放散されるために冷え易い。そのため、上述したように肉盛材料に対して均等な出力でレーザビームを照射すると、温度差が発生することとなる。そして、溶融部が大きくなる中央においては、母材が希釈されて肉盛材料の組成が変化する。特に母材が銅で、肉盛材料がアルミであるような場合に、母材が希釈されて肉盛材料の組成が変化すると、硬度が上昇し温度差に伴って割れが生じるという問題があった。このように均等な出力でレーザビームを照射することにより部分によって加工対象部位に温度差が生じることに起因する問題は、クラッド肉盛に限らず、焼き入れなどの熱処理や、他の加工にも発生する。
さらに、図２６に示したようにアルミメッキ鋼板を重ね溶接する場合には、互いに当接されたアルミメッキ層が溶融して溶接部にアルミと鉄の金属間化合物が生成される。かかる金属間化合物は固いために、溶接部が脆くなるという問題があった。
さらにまた、図２７に示したように亜鉛メッキ鋼板を重ね溶接する場合には、亜鉛メッキ層の融点が低いために蒸発して気泡となる。かかる気泡は、溶接池の加工方向（図２７の矢印を参照）の後方で噴出し、溶接ビードにブローホールが発生するという問題があった。
一方、特許番号第２６８３１５８号公報に開示されたレーザー・システムにあっては、単に各半導体レーザー・ユニットをＯＮ・ＯＦＦ制御することによりターゲット面の異なる表面要素に相応したレーザ放射線を照射するに過ぎず、上記ＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザを使用する場合と同様のオシレーションさせることなく被加工物Ｗの加工対象部位Ｗａを液相まで変化させて加工を行った場合には、その加工対象部位Ｗａが攪拌されることなく溶融されてから再凝固するために、図２３および図２４に示すように、加工方向後方に部分的な凝固遅れＧが生じることにより、ビードＹに引け巣のような割れＣやブローホールなどが生じることがある。そのため、当該公報に開示されたレーザー・システムも、上記ＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザを使用する場合と同様に、半導体レーザー・ユニットにレーザーオッシレーターを搭載する必要があり、制御に精度を要し、システムが複雑で大型化すると共にメンテナンスを必要とし、耐久性を向上させることが困難であった。
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で所定の範囲の加工対象部位に対して所定のエネルギ密度、出力、時間で容易に精度よくレーザビームを照射して適切にレーザ加工を行うことができ、しかも、小型化が可能でメンテナンスが容易であり耐久性を向上させることができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、容易な制御によって所定の範囲の加工対象部位に対して所定のエネルギ密度、出力、時間でレーザビームを照射して適切なレーザ加工を行うことができる方法を提供することを目的とする。
発明の開示
請求項１のレーザ加工装置に係る発明は、上記目的を達成するため、複数の半導体レーザ素子からなり複数のブロックに分割された半導体スタックと、各ブロックのレーザビームの照射出力を時間的に変化可能に制御する制御手段と、を備えたことを特徴とするものである。
請求項２のレーザ加工装置に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明において、半導体スタックを、レーザビームを常時照射するブロックと、レーザビームの照射出力を時間的に変化させるブロックとに分けたことを特徴とするものである。
請求項３のレーザ加工装置に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項２に記載の発明において、レーザビームを常時照射するブロックの周囲に、レーザビームの照射出力を時間的に変化させるブロックを配置したことを特徴するものである。
請求項４のレーザ加工装置に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項２に記載の発明において、加工方向の前方と後方に、レーザビームを常時照射するブロックを配置したことを特徴するものである。
また、請求項５のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、複数の半導体レーザ素子からなる半導体スタックを複数のブロックに分割して、各ブロックから照射するレーザビームの照射出力を時間的に変化させることを特徴とするものである。
請求項６のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項５に記載の発明において、各ブロックから照射するレーザビームの照射出力を隣接するブロック間で順次変化させることを特徴とするものである。
請求項７のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項６に記載の発明において、加工方向側縁にレーザビームを照射するブロックの照射出力を高く設定することを特徴とするものである。
請求項８のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項６に記載の発明において、加工方向側縁にレーザビームを照射するブロックの照射時間を長く設定することを特徴とするものである。
請求項９のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項５に記載の発明において、レーザビームを常時照射するブロックを加工方向の前方と後方に配置して、加工方向後方に配置されたブロックの照射出力を低く設定することを特徴とするものである。
請求項１０のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項５〜９のいずれかに記載の発明において、レーザ加工が、母材に対して肉盛材料を肉盛する肉盛加工であることを特徴とするものである。
請求項１１のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項５〜９のいずれかに記載の発明において、レーザ加工が、母材にメッキが施された板材を互いに溶接する溶接加工であることを特徴とするものである。
請求項１２のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項１１に記載の発明において、板材がアルミメッキ鋼板であることを特徴とするものである。
請求項１３のレーザ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項１１に記載の発明において、板材が亜鉛メッキ鋼板であることを特徴とするものである。
請求項１の発明では、制御手段が、所定の範囲の加工対象部位に対して半導体スタックの各半導体レーザ素子から照射されるレーザビームの出力を、分割されたブロックごとに、所定の順序でＯＮ・ＯＦＦ制御または強弱変化制御、照射時間の長短制御、あるいはこれらの組み合わせ制御によって変化させることにより、被加工物の加工対象部位が設定された範囲内で精度よく適切に加工される。加工対象部位を液相まで変化させる場合には、レーザビームの照射を時間的に変化させることにより、加工対象部位に攪拌作用が生じるために、部分的な凝固遅れが抑止されて均一に再凝固し、ブローホールや割れの発生が抑止される。また、レーザビームの照射出力を隣接するブロック間で順次変化させた場合には、加工対象部位に対してレーザビームがオシレーションするように照射される。
請求項２の発明では、請求項１に記載の発明において、レーザビームを常時照射するブロックが一定出力または所定の出力に強弱制御によって変化され、また、レーザビームの照射出力を時間的に変化させるブロックがＯＮ・ＯＦＦ制御または強弱変化制御、照射時間の長短制御、あるいはこれらの組み合わせ制御によって変化される。
請求項３の発明では、請求項２に記載の発明において、レーザビームを常時照射するブロックを中心として、その周囲に配置されたブロックの照射出力が時間的に変化される。
請求項４の発明では、請求項２に記載の発明において、加工方向の前方と後方の、レーザビームを常時照射するブロックの間を含む周囲に、レーザビームの照射出力を時間的に変化させるブロックが配置される。
また、請求項５の発明では、レーザビームを、半導体スタックの分割したブロックごとに、所定の順序で時間的にＯＮ・ＯＦＦ制御または強弱変化制御、照射時間の長短制御、あるいはこれらの組み合わせ制御してその出力を変化させて照射すると、加工対象部位が所定の範囲内で適切に加工される。加工対象部位を液相まで変化させた場合には、レーザビームの照射出力を時間的に変化させることにより、加工対象部位に攪拌作用が生じるために、部分的な凝固遅れが抑止されて均一に再凝固し、ブローホールや割れの発生を抑止する。
請求項６の発明では、請求項５の発明において、各ブロックから照射するレーザビームの照射出力を隣接するブロック間で順次変化させることにより、加工対象の所定の範囲に対してレーザビームをオシレーションさせるように照射する。
請求項７の発明では、請求項６に記載の発明において、加工方向側縁にレーザビームを照射するブロックの照射出力を高く設定することにより、加工部分が幅方向に均等に加工される。
請求項８の発明では、請求項６に記載の発明において、加工方向側縁にレーザビームを照射するブロックの照射時間を長く設定することにより、加工部分が幅方向に均等に加工される。
請求項９の発明では、請求項５に記載の発明において、レーザビームを常時照射するブロックを加工方向の前方と後方に配置して、加工方向後方に配置されたブロックから低い出力でレーザビームを照射することにより、溶融池の後方に攪拌作用が確実に生じ、部分的な凝固遅れが抑止されて均一に再凝固し、ブローホールや割れの発生を抑止する。
請求項１０の発明では、請求項５〜９のいずれかに記載の発明において、レーザビームを適切に照射して撹拌作用を及ぼすことにより、割れが発生することなく、母材に対して肉盛材料を肉盛する肉盛加工が適切に行われる。
請求項１１の発明では、請求項５〜９のいずれかに記載の発明において、レーザビームを適切に照射して撹拌作用を及ぼすことにより、金属間化合物やブローホールが発生することなく、母材にメッキが施された板材を互いに溶接する溶接加工が適切に行われる。
請求項１２の発明では、請求項１１に記載の発明において、レーザビームを適切に照射して撹拌作用を及ぼすことにより、金属間化合物を発生させることなく、アルミメッキ鋼板である板材を互いに溶接する溶接加工が適切に行われる。
請求項１３の発明では、請求項１１に記載の発明において、レーザビームを適切に照射して撹拌作用を及ぼすことにより、ブローホールを発生させることなく、亜鉛メッキ鋼板である板材を互いに溶接する溶接加工が適切に行われる。
発明を実施するための最良の形態
最初に、本発明のレーザ加工装置の実施の一形態を、主に図１に基づいて詳細に説明する。なお、図において同一符号は同一部分または相当する部分とする。
本発明のレーザ加工装置は、概略、複数の半導体レーザ素子（図示は省略する）からなる半導体スタック（半導体レーザモジュールともいう）１と、各半導体レーザ素子から出射されるレーザビームの出射を制御する制御手段（図示は省略するが、その機能については後に詳述する）とを備えており、半導体スタック１は、被加工物Ｗの加工対象部位Ｗａに応じて複数のブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４に分割され、制御手段は、各ブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４のレーザビームの照射を時間的に変化可能に制御するものである。
各半導体レーザ素子は、電力が投入されることによってその一端面からレーザビームを所定のエネルギ密度で出射するもので、投入される電力の大きさおよびその投入時間を変更することによって出射するレーザビームの出力および照射時間を任意に変更することができる。半導体スタック１は、半導体レーザ素子のレーザビームを出射する端面が一列に並ぶように配列されて半導体バー（図示は省略する）を構成し、この半導体バーを複数積層することにより構成されている。半導体スタック１は、複数の半導体レーザ素子をマトリックス状に配列することにより任意の形状に構成することができる。図１の実施の形態の場合では、本発明の理解を容易にするため、半導体スタック１のレーザビームを出射する端面１ａが略矩形となるように積層されており、かかる端面１ａが略均等な大きさ（面積）を有する矩形の４つのブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４に分割された状態が示されている。しかしながら、本発明は図に示した実施の形態に限定されることなく、被加工物Ｗの加工対象部位Ｗａの形状に応じて半導体スタック１のレーザビームを出射する端面１ａおよびその分割するブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４の形状、さらには分割するブロックの数などを任意に決定することができる。
半導体スタック１のレーザビームを出射する端面１ａと被加工物Ｗの加工対象部位Ｗａとの間には、必要に応じて、出射されたレーザビームを加工対象部位Ｗａに対して所定の焦点で照射するための集光レンズ３（図５を参照）が設けられる。
この実施の形態の場合、分割された各ブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４には、電力を投入するための電源Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４がそれぞれ対応して接続されている。図示しない制御手段は、各電源Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４から各ブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４に投入する電力を時間の経過に伴って変化させるよう制御する。その結果、半導体スタック１から照射されるレーザビームの出力が隣接するブロックＢ１１−Ｂ１２−Ｂ１３−Ｂ１４−Ｂ１１…の順に時間的に変化される。そのため、本発明のレーザ加工装置では、従来の技術のように集光レンズ（図２１）を振動させるための機構やスキャニングミラー４（図２２）を反復回動させるための機構を用いることなく、被加工物Ｗの加工対象部位Ｗａに対して適切なエネルギ密度のレーザビームを容易にオシレーションさせるように回転させて（この実施の形態の場合）照射することができるため、所定のレーザ加工を安定して行うことができ、また、レーザ加工装置の構成を簡単なものとして小型化を図ると共にその耐久性を向上させることができる。
このように構成されたレーザ加工装置は、溶接やクラッディングのように被加工物Ｗの加工対象部位Ｗａを液相まで変化させる加工、焼入れや焼鈍などの熱処理、あるいはマーキングのように被加工物Ｗの加工対象部位Ｗａを液相まで変化させない加工、または気相まで変化させて蒸発させる加工など、加工内容に応じて各ブロックに投入する電力を調整することにより、レーザビームをその加工に必要な出力で照射することができる。また、積層成形する半導体スタック１および分割するブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４の大きさによって、レーザビームを照射し得る範囲を決定することができる。
次に、本発明のレーザ加工方法を、上述したように構成されたレーザ加工装置を用いて溶接を行う場合により、図１から図６に基づいて詳細に説明する。
本発明のレーザ加工方法は、概略、複数の半導体レーザ素子からなる半導体スタック１を複数のブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４に分割して、各ブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４から照射するレーザビームＬの照射出力を時間的に変化させるよう制御するものであり、さらに、レーザビームＬの照射出力を隣接するブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４間で順次変化させるよう制御するものである。
最初に、被加工物Ｗの加工対象部位Ｗａに対して半導体スタック１のレーザビームを出射する端面１ａが対向するように配置され、加工対象部位Ｗａと半導体スタック１の端面１ａとの間には、必要に応じて、集光レンズ３が所定の集光径でレーザビームＬを照射し得るように調整・配置されている。なお、図１に示された実施の形態の半導体スタック１は、上述したように、ブロックＢ１１−Ｂ１２，Ｂ１２−Ｂ１３，Ｂ１３−Ｂ１４，Ｂ１４−Ｂ１１が隣接するように分割されている。
この状態で、制御手段によって電源Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４から各ブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４ごとに所定の大きさの電力が所定のタイミングで投入されると共に、加工対象部位Ｗａと半導体スタック１とが溶接方向に沿って相対的に移動される。このとき、制御手段は、隣接するブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４間で投入する電力を時間の経過に伴って順に変化させるよう制御する。その制御の実施の形態を以下に説明する。
図１に示した実施の形態では、単一のブロックＢ１１−Ｂ１２−Ｂ１３−Ｂ１４−Ｂ１１…からレーザビームＬを時間の経過に伴って順に照射させるように、電源Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４からブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４のうちの１つに順に電力を投入（ＯＮ）し、他のブロックに対しては、電力の投入を停止（ＯＦＦ）するよう制御する。
図２に示した実施の形態では、隣接する複数のブロックＢ１１・Ｂ１２，Ｂ１２・Ｂ１３，Ｂ１３・Ｂ１４，Ｂ１４・Ｂ１１…から重複してレーザビームを時間の経過に伴って順に照射させるように、電源Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４からそれぞれ隣接するブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４へ重畳して順に電力を投入（ＯＮ）し、これら以外のブロックに対しては、電力の投入を停止（ＯＦＦ）するよう制御する。図１および図２に示したように制御する場合をＯＮ・ＯＦＦ制御と称する。
図３に示した実施の形態では、電源Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４により投入する電力をＯＦＦにすることなく、各ブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４に一定の電力を投入し、投入する電力をブロックＢ１１−Ｂ１２−Ｂ１３−Ｂ１４−Ｂ１１…の順に増加させるよう制御する。したがって、この実施の形態では、各ブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４から常に一定以上の出力のレーザビームＬが照射されており、時間の経過に伴ってブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４のうちの１つから照射されるレーザビームの出力が増加する。図３に示したように制御する場合を強弱制御と称する。
図１〜図３に示した実施の形態では、矩形の波形で投入電力の制御（すなわち、照射出力の制御）を行っていたのに対し、図４に示した実施の形態では、各電源Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４から対応するブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４に投入する電力を、サインカーブあるいは自由波形を描くように、時間の経過に伴って順に漸増・漸減させるよう制御する。なお、この実施の形態で示したグラフの波形が最低（谷）のときは、必要に応じて、図１や図に示したＯＮ・ＯＦＦ制御の場合と同様に投入電力をＯＦＦにするよう制御することができ、また、図３に示した強弱制御の場合と同様に投入電力をＯＦＦにすることなく所定以上の電力を投入した状態に維持するよう制御することもできる。
なお、本発明は、各ブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４から照射するレーザビームの照射出力を時間的に変化させるように制御するものであれば、必要に応じて、電源Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４からブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４に投入する電力の大きさおよび／または時間の長さを図１〜図４に示した実施の形態とは異る制御も含まれる。
これらのように、電源Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４から各ブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４への電力投入を時間的に変化させるよう制御することにより、図５に示すように、被加工物Ｗの加工対象部位Ｗａには、全てのブロックＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４によってレーザビームＬを照射し得る範囲の中で、オシレーションするように、時間経過に伴ってレーザビームを照射する位置（ＯＮ・ＯＦＦ制御の場合）や、照射出力の大きい位置（強弱制御の場合）がこの実施の形態の場合回転するように移動して（図５の矢印Ｓ）、適切なエネルギ密度を有するレーザビームＬが適切な出力で照射されることとなる。そのため、被加工物Ｗの加工対象部位Ｗａを溶接するときには、レーザビームＬの照射位置または大きい照射出力位置の移動にしたがって、液相に変化してから再凝固する位置が順に移動し（図５の矢印ｓ）、液相に変化した材料が振動を与えられるように攪拌作用を受ける。そのため、従来の技術のような凝固遅れ（図２３の符号Ｇ）の発生を抑止して引け巣のような割れ（図２４の符号Ｃ）やブローホールなどがなくなるため、図６にも示すように、溶接欠陥がない良好なビードＹを形成することができる。
次に、本発明の別の実施の形態を説明する。なお、上述した実施の形態と同様または相当する部分については、同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明することとする。
図７に示した実施の形態では、半導体スタック１が加工対象部位Ｗａの幅に応じて形成されており、その幅方向にブロックＢ２１〜Ｂ２６が一列に配列されるように分割されている。そして、制御手段は、各ブロックＢ２１〜Ｂ２６に投入される電力を制御して、隣接するブロックＢ２１−Ｂ２２−Ｂ２３−Ｂ２４−Ｂ２５−Ｂ２６へと照射されるレーザビームＬの出力をオシレーションさせるように順に時間的に変化させる。この状態で、半導体スタック１と被加工物Ｗの加工対象部位Ｗａとを相対的に移動させて所定の加工を行う。
このときには、必要に応じて、図７の（ａ）（ｂ）（ｃ）にそれぞれ一点鎖線で示す矢印のように、配列されたブロックＢ２１−Ｂ２２−Ｂ２３−Ｂ２４−Ｂ２５−Ｂ２６−Ｂ２１…の順に一方向に電力を投入するように制御することができ、また、二点鎖線で示す矢印のように、ブロックＢ２１−Ｂ２２−Ｂ２３−Ｂ２４−Ｂ２５−Ｂ２６−Ｂ２５…の順に往復するように電力の投入を制御することができる。そして、各ブロックＢ２１〜Ｂ２６から出射するレーザビームＬの出力の大きさ（強さ）は、必要に応じて、図７の（ａ）に示すように均等に設定することができ、また、図７の（ｂ）に示すように、例えば中央のブロックＢ２２〜Ｂ２５から少なくとも一方端のブロックＢ２１および／またはＢ２６に向かって漸次大きく設定するなど、加工対象部位Ｗａの幅方向の位置によって異ならせるよう設定することもできる。さらには、各ブロックＢ２１〜Ｂ２６からレーザビームＬを出射する時間は、図７の（ｃ）に示すように、例えば少なくとも一方端のブロックＢ２１および／またはＢ２６を長くまた中央のブロックＢ２３，Ｂ２４を短く設定するなど、加工対象部位Ｗａの幅方向の位置によって異ならせるよう設定することもできる。
図８に示した実施の形態では、半導体スタック１が各種被加工物Ｗの想定し得る最大幅の加工対象部位Ｗａ以上の幅を有するように形成されており、その幅方向に６つのブロックＢ２１〜Ｂ２８が一列に配列されるように均等な幅で分割されている。一方、図８に示された加工対象部位Ｗａの幅は、半導体スタック１の幅よりも狭く、ブロックＢ２１〜Ｂ２８のうちの６つのブロックの幅と同じとなっている。そのため、両端のブロックＢ２１，Ｂ２８または端部のブロックＢ２１，Ｂ２２若しくはＢ２７，Ｂ２８には、対応する電源から電力を投入させることなく（ＯＦＦ）、加工対象部位Ｗａと対応する他のブロックによってレーザビームを、その出力が時間的に変化して照射するように制御し、さらには、必要に応じて、図７の（ａ）（ｂ）（ｃ）に示したようにブロックＢ２１〜Ｂ２８の幅方向の位置によってレーザビームＬの照射出力の大きさおよび／または照射時間を変化させるなどの制御を併用することにより、例えば被加工物Ｗとして２つの板材を溶接する場合において両板材Ｗ，Ｗの間の隙間などによって異なる加工対象部位Ｗａの幅に対応することができる。
図９に示した実施の形態では、加工対象部位Ｗａには肉盛材料としてクラッド粉末材が比較的幅広の円環状に配置されており、半導体スタック１と加工対象部位Ｗａとが相対的に周回移動するよう構成されている。半導体スタック１は、その幅方向すなわち円環状の加工対象部位Ｗａの径方向に一列に配列されるように、複数のブロックＢ２１〜Ｂ２６に分割されている。半導体スタック１は、加工対象部位Ｗａの周方向の長さに応じて、扇形や台形など、外周に位置するブロックほどレーザビームを出射する端面１ａの奥行きＤが大きくなるように形成することができる。また、各ブロックＢ２１〜Ｂ２６に投入する電力の大きさおよび／または時間は、加工対象部位Ｗａの周方向の長さに応じて、外周に位置するブロックほどレーザビームの照射出力を大きくおよび／または照射時間を長くするように制御することができる。
このように構成することにより、半導体スタック１と加工対象部位Ｗａとを相対的に周回移動させつつ、各ブロックＢ２１〜Ｂ２６から照射されるレーザビームの出力を時間の経過に伴って加工対象部位Ｗａの幅（径）方向にオシレーションするように変化させると、円環状の加工対象部位上に配置されたクラッド粉末材は、その径方向の位置に関わらず、適切な出力のレーザビームＬが照射されて振動するように攪拌作用を受け、適切に肉盛されたクラッド層が形成されることとなる。
図１０に示した実施の形態では、半導体スタック１が被加工物Ｗの幅に応じて形成されており、その幅方向にブロックＢ３１〜Ｂ４４が一列に配列されるように分割されている。そして、制御手段は、各ブロックＢ３１〜Ｂ４４に投入される電力をＯＮ・ＯＦＦ制御し、隣接する複数のブロックＢ３４〜Ｂ４２からレーザビームを照射させる場合には、それらのブロックＢ３４〜Ｂ４２から照射されるレーザビームＬの出力をオシレーションさせるように順に時間的に変化させる。この状態で、半導体スタック１と被加工物Ｗの加工対象部位Ｗａとを相対的に移動させて所定の加工を行う。
図１０に示したように、この実施の形態では、被加工物Ｗａの表面にレーザビームを照射することによって、レーザビームを照射しない部分の色と異なる色に変化させてマーキングするもので、各電源（図示は省略する）からブロックＢ３１〜Ｂ４４のうちの所定のブロックＢ３４〜Ｂ４２に投入される電力は、マーキングに適した大きさに設定されている。図１０に示したように、被加工物Ｗの表面に加工対象部位Ｗａとして略Ｔ形のマーキングを行う場合には、ブロックＢ３１〜Ｂ３３およびＢ４３〜Ｂ４４に電力を投入することはない。一方、ブロックＢ３４〜Ｂ４２は、半導体スタック１が被加工物Ｗとの相対的な移動によって加工対象部位Ｔ１に達すると、時間の経過に伴って隣接するブロックＢ３４〜Ｂ４２間でレーザビームの出力を変化させるように、順に電力が投入（ＯＮ）されるよう制御される。そして、さらに半導体スタック１が被加工物Ｗの相対的な移動によって加工対象部位Ｔ２に達すると、ブロックＢ３４〜Ｂ３７およびＢ３９〜Ｂ４２は、電力の投入が停止（ＯＦＦ）され、ブロックＢ３８のみに電力が投入され続ける。その後、半導体スタック１が被加工物Ｗとの相対的な移動によって加工対象部位Ｔ３に達すると、ブロックＢ３８への電力の投入も停止される（ＯＦＦ）。なお、ブロックＢ３８は、図示は省略するが、さらに小さなブロックに分割して、このブロックＢ３８内でレーザビームの照射出力を時間的に変化させるよう制御することができる。
図１１〜図１３は、図７に示した実施の形態と同様に、半導体スタック１を加工対象部位Ｗａの幅に応じて形成し、その幅方向にブロックＢ２１〜Ｂ３０が一列に配列されるように分割して、クラッディング肉盛を行う場合の実施の形態を示したものである。図１３の下方に示すように、被加工物Ｗとして母材の被加工対象部位Ｗａには、粉末金属などからなるクラッド粉末材が肉盛材料として配置されている。図示しない制御手段は、各ブロックＢ２１〜Ｂ３０に投入される電力を制御して、図１２に示すように、隣接するブロックＢ３０−Ｂ２９−Ｂ２８−……−Ｂ２３−Ｂ２２−Ｂ２１から照射されるレーザビームＬを、その出力と照射時間の双方が変化するよう照射させる。そして、レーザビームＬは、加工対象部位Ｗａの中央部に向かって漸次出力が小さく且つ照射時間が短くなるように、言換えれば、両側縁部に向かって漸次出力が大きく且つ照射時間が長くなるように変化させて、オシレーションさせるように順に照射させる。上述したように、母材溶融部の中央では熱が冷え難くいために溶融部が大きくなり易く、端部では熱が放散されるために冷え易い。しかしながら、この実施の形態では、照射するレーザビームの出力は、図１３の上方に示すように、加工対象部位Ｗａの中央部が比較的弱く、両側縁部が比較的強くなるよう制御される。そのため、被加工対象部位Ｗａの部分による温度差が抑止されると共に、母材溶融部が幅方向（図１３の左右方向）に均等に適当な深さで形成される。したがって、肉盛材料に対して均等な出力でレーザビームを照射していた従来の技術（図２５を参照）のように、母材が希釈されて肉盛り材料の組成が変化し硬度が上昇することによる割れが発生することがない（図１３を図２５と比較されたい）。このような制御は、クラッディング肉盛に限定されることなく、例えば焼入れのような熱処理にも適用することができる。また、ブロックＢ２１〜Ｂ３０から照射されるレーザビームＬは、上述したようにレーザビームＬの出力をＯＮ・ＯＦＦ制御すると共に照射時間の長短制御することに限定されることなく、ＯＮ・ＯＦＦ制御と照射時間の長短制御のいずれか、または、レーザビームＬの強弱変化制御を組み合わせあるいは単独で行うこともできる。
図１４〜図１６は、半導体モジュール１を、加工対象部位Ｗａに対してレーザビームＬａを加工中に常時照射させるブロックＢａと、レーザビームＬｂの照射出力を時間的に変化させるブロックＢｂとに分けて構成したもので、互いのアルミメッキ層が当接された状態でアルミメッキ鋼板を重ね溶接する場合の実施の形態を示したものである。
図１４の半導体モジュール１は、その上方に示すように、常時照射させるブロックＢａの周囲を包囲するように照射出力を時間的に変化させるブロックＢｂを複数配置し、かかるブロックＢｂから順にレーザビームＬｂを回転させるように照射することにより、図１４に矢印Ｓで示すように、オシレーションさせるように制御される。ブロックＢｂからオシレーションされるように照射されるレーザビームＬｂは、単一で照射することに限らず、図１４の下方に示したように、ブロックＢｂのうちの複数から同時にレーザビームＬｂ，Ｌｂ…を照射するように制御してもよい。
図１５の半導体モジュール１は、その上方に示すように、常時照射させるブロックＢａの溶接方向（矢印Ｍ）の方向と平行な両側縁に沿って照射出力を時間的に変化させるブロックＢｂを複数配置し、かかるブロックＢｂから一方向に繰り返しまたは往復する方向に順にレーザビームＬｂを照射することにより、図１５に矢印Ｓで示すように、オシレーションさせるように制御される。なお、図１４および図１５中の矢印Ｍは、溶接方向を示している。
図１４あるいは図１５に示したように構成することにより、加工対象部位Ｗａに形成された溶融池Ｘでは、常時照射されるレーザビームＬａの周囲または側縁で、オシレーションされるようにレーザビームＬｂが移動して照射されるため（図１４および図１５の下方に示した矢印ｓ）、溶融金属が撹拌作用を受ける。そのため、図１６に示すように、互いのアルミメッキ層が当接された状態でアルミメッキ鋼板を重ね溶接する場合であっても、従来の技術（図２６を参照）のように互いに当接されたアルミメッキ層が溶融して偏析し溶接部にアルミと鉄の金属間化合物が生成されることがなく、したがって、この実施の形態では、適切に溶接部が形成されて脆くなることがない。なお、ブロックＢｂから照射されるレーザビームＬｂは、上述したようにレーザビームＬの出力をＯＮ・ＯＦＦ制御することに限定されることなく、ＯＮ・ＯＦＦ制御と、照射時間の長短制御やレーザビームＬｂの強弱変化制御とを組み合わせあるいはいずれかを単独で行うこともできる。このような構成は、アルミメッキ鋼板を重ね溶接する場合に限定されることなく、他の溶接やクラッディング肉盛、例えば焼入れのような熱処理にも適用することができる。
図１７〜図２０は、半導体モジュール１を、加工対象部位Ｗａに対してレーザビームＬａを常時照射させるブロックＢａと、レーザビームＬｂの照射出力を時間的に変化させるブロックＢｂとに分けて構成したもので、互いの亜鉛メッキ層が当接された状態で亜鉛メッキ鋼板を重ね溶接する場合の実施の形態を示したものである。図１７〜図２０中の矢印Ｍは、溶接方向を示している。この実施の形態における構成が図１４〜図１６に示した実施の形態と異なるのは、常時レーザビームＬａを照射するブロックが溶接方向の前方Ｂａと後方Ｂａ’に配置されており、両ブロックＢａ，Ｂａ’の間を含む周囲にオシレーションされるブロックＢｂが複数配置されている。そして、常時レーザビームＬａを照射するブロックＢａ，Ｂａ’のうちで、溶接方向の後方に配置されるブロックＢａ’から照射されるレーザビームＬａ’の出力を、前方に配置されたブロックＢａから照射されるレーザビームＬａの出力よりも低くなるように制御する。
図１７の半導体モジュール１は、レーザビームＬａ，Ｌａ’を常時照射させる前方と後方のブロックＢａ，Ｂａ’の間に照射出力を時間的に変化させるブロックＢｂを複数配置し、かかるブロックＢｂから順にレーザビームＬｂを照射することにより、オシレーションさせるように制御される。
図１８の半導体モジュール１は、レーザビームＬａ，Ｌａ’を常時照射させる前方と後方のブロックＢａ，Ｂａ’の間に配置されて照射出力を時間的に変化させる複数のブロックＢｂが、２列で、しかも、前方においては列が互いに離れて後方においては互いに近づくように溶接方向に対して傾斜するよう配置されている。
図１９の半導体モジュール１は、レーザビームＬａ’を常時照射させる後方のブロックＢａ’の周囲を包囲するように照射出力を時間的に変化させるブロックＢｂが複数配置されている。
図１７〜図１９のいずれの実施の形態でも、亜鉛メッキ層の融点が低いために蒸発してできた気泡Ｖが発生する場合であっても、図２０に示すように、かかる気泡Ｖのガス抜き用の穴Ｖａを形成するように後方に配置されたブロックＢａ’からレーザビームＬａ’が照射され、しかも、ブロックＢｂから照射されるレーザビームＬｂをオシレーションするように制御することにより、常時レーザビームＬａ、Ｌａ’が照射される部分の間またはその周囲で溶融金属が撹拌されるような作用を受けるため、亜鉛メッキ鋼板を重ね溶接する場合であっても、従来の技術（図２７を参照）のように、溶接池Ｘの溶接方向Ｍの後方で気泡Ｖが噴出して溶接部にブローホールＨが発生することがない。なお、レーザビームＬａ’により形成された気泡Ｖのガス抜き用の穴Ｖａは、気泡Ｖ内に溶融池Ｘの溶融金属が気泡Ｖ内に充填されることにより、溶融池が凝固する前に消えて無くなる。
この実施の形態においても、ブロックＢｂから照射されるレーザビームＬｂは、上述したようにレーザビームＬの出力をＯＮ・ＯＦＦ制御することに限定されることなく、ＯＮ・ＯＦＦ制御と、照射時間の長短制御やレーザビームＬｂの強弱変化制御とを組み合わせあるいはいずれかを単独で行うこともできる。このような構成は、亜鉛メッキ鋼板を重ね溶接する場合に限定されることなく、他の溶接やクラッディング肉盛、例えば焼入れのような熱処理にも適用することができる。
産業上の利用可能性
本発明によれば、簡単な構成で、所定の範囲の加工対象部位に対してオシレーションさせるように所定のエネルギ密度、出力、時間で容易にレーザビームを精度よく照射して適切にレーザ加工を行うことができ、しかも、メンテナンスが容易で小型化が可能であり耐久性を向上させることができるレーザ加工装置を提供することができる。
また、本発明によれば、簡単な制御により、所定の範囲の加工対象部位に対して所定のエネルギ密度、出力、時間でレーザビームを照射して適切なレーザ加工を行うことができる方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のレーザ加工装置とその制御内容の実施の一形態を説明するための概念図である。
図２は、制御内容の別の実施の形態を示すグラフである。
図３は、制御内容の別の実施の形態を示すグラフである。
図４は、制御内容の別の実施の形態を示すグラフである。
図５は、本発明のレーザ加工装置によってレーザビームを回転させるようにオシレーションさせて溶接を行う場合の状態を説明するための概念図である。
図６は、図５に示された加工対象部位に形成された良好なビードの断面図である。
図７は、本発明のレーザ溶接装置の半導体スタックの別の実施の形態とその制御内容の変形例の実施の形態を説明するための概念図である。
図８は、本発明のレーザ溶接装置の半導体スタックの別の実施の形態と溶接する状態を説明するための斜視図である。
図９は、本発明のレーザ溶接装置の半導体スタックのさらに別の実施の形態とクラッディング肉盛を行う状態を説明するための斜視図である。
図１０は、本発明のレーザ溶接装置の半導体スタックのさらに別の実施の形態とマーキングを行うための制御内容を説明するための概念図である。
図１１は、本発明のレーザ加工方法によりクラッディング肉盛を行う場合の半導体スタックの時間的変化と加工方向（矢印）の実施の一形態を説明するための概念図である。
図１２は、図１１に示された半導体スタックの制御の実施の一形態を説明するための概念図である。
図１３は、図１２に示された制御により照射されるレーザビームの出力を示すグラフと、この制御によりクラッディング肉盛が適切に行われた状態を説明するための断面図である。
図１４、本発明のレーザ加工装置の半導体スタックの配置の実施の形態とこれにより照射されるレーザビームを説明するための概念図である。
図１５、本発明のレーザ加工装置の半導体スタックの配置の別の実施の形態とこれにより照射されるレーザビームを説明するための概念図である。
図１６は、本発明の方法により重ね溶接されたアルミメッキ鋼板の溶接部を示す説明図である。
図１７は、本発明のレーザ加工装置の半導体スタックの配置の別の実施の形態と、照射するレーザビームの変化を示す説明図である。
図１８は、本発明のレーザ加工装置の半導体スタックの配置の別の実施の形態と、照射するレーザビームの変化を示す説明図である。
図１９は、本発明のレーザ加工装置の半導体スタックの配置の別の実施の形態と、照射するレーザビームの変化を示す説明図である。
図２０は、本発明により溶融池の加工方向後方が撹拌されて、そこに発生した気泡にガス抜き穴が形成され、溶接ビードにブローホールが発生するのが防止されている状態を示す説明図である。
図２１は、集光レンズを振動させことによりレーザビームをオシレーションさせる従来の技術を示す説明図である。
図２２は、スキャニングミラー４を反復回動させることによりレーザビームをオシレーションさせる従来の技術を示す説明図である。
図２３は、レーザビームをオシレーションさせることなく被加工物の加工対象部位を液相まで変化させて加工を行った場合に、部分的に凝固遅れが生じることを示した説明図である。
図２４は、図２３に示された加工対象部位に割れが生じた状態で形成されたビードの断面図である。
図２５は、従来のオシレーションさせることにより均一に照射されるレーザビームの出力と、これによりクラッディング肉盛を行ったう場合を説明するための図である。
図２６は、従来のオシレーションさせることによりレーザビームを均一な出力で照射して、アルミメッキ鋼板を、互いのアルミメッキ層を合わせた状態で重ね溶接した場合を示す説明図である。
図２７は、従来のオシレーションさせることによりレーザビームを均一な出力で照射して、亜鉛メッキ鋼板を、互いの亜鉛メッキ層を合わせた状態で重ね溶接した場合を示す説明図である。

Claims (13)

1. 複数の半導体レーザ素子からなり複数のブロックに分割された半導体スタックと、
   各ブロックのレーザビームの照射出力を時間的に変化可能に制御する制御手段と、を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 半導体スタックを、レーザビームを常時照射するブロックと、レーザビームの照射出力を時間的に変化させるブロックとに分けたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. レーザビームを常時照射するブロックの周囲に、レーザビームの照射出力を時間的に変化させるブロックを配置したことを特徴する請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 加工方向の前方と後方に、レーザビームを常時照射するブロックを配置したことを特徴する請求項２に記載のレーザ加工装置。
5. 複数の半導体レーザ素子からなる半導体スタックを複数のブロックに分割して、各ブロックから照射するレーザビームの照射出力を時間的に変化させることを特徴とするレーザ加工方法。
6. 各ブロックから照射するレーザビームの照射出力を隣接するブロック間で順次変化させることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工方法。
7. 加工方向側縁にレーザビームを照射するブロックの照射出力を高く設定することを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。
8. 加工方向側縁にレーザビームを照射するブロックの照射時間を長く設定することを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。
9. レーザビームを常時照射するブロックを加工方向の前方と後方に配置して、加工方向後方に配置されたブロックの照射出力を低く設定することを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工方法。
10. レーザ加工が、母材に対して肉盛材料を肉盛する肉盛加工であることを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の方法。
11. レーザ加工が、母材にメッキが施された板材を互いに溶接する溶接加工であることを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の方法。
12. 板材がアルミメッキ鋼板であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 板材が亜鉛メッキ鋼板であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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