JP2016073983A

JP2016073983A - Laser welding device and laser welding method

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Publication number: JP2016073983A
Application number: JP2014204399A
Authority: JP
Inventors: 静波王; Seiha O; 仁志西村; Hitoshi Nishimura; 康士向井; Yasushi Mukai
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-10-03
Filing date: 2014-10-03
Publication date: 2016-05-12

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser welding device and a laser welding method which performs welding by means of multi-wavelength laser having high output and capable of forming a plurality of focuses having different focal distances by solving such a problem that, because the conventional laser welding device is a YAG laser, two focuses formed thereon have equal focal distances, laser output is also dispersed and, as the result, an optimum welding cannot be performed in accordance with a workpiece.SOLUTION: A laser welding device includes a laser oscillation device, a fiber, a laser emission part and a driving device. The laser oscillation device emits a multi-wavelength laser having a plurality of wavelengths. The fiber allows a first end part to be connected to the laser oscillation device to transmit a multi-wavelength laser. The laser emission part allows a second end part of the fiber of the side opposite to the first end part to be connected to emit the multi-wavelength laser to the workpiece. The driving device is connected to the laser emission part and moves the laser emission part.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、半導体レーザを用いたレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関し、特に、多波長レーザを用いたレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関する。 The present disclosure relates to a laser welding apparatus and a laser welding method using a semiconductor laser, and more particularly to a laser welding apparatus and a laser welding method using a multiwavelength laser.

図１０を用いて、従来のＹＡＧ（ＹｔｔｒｉｕｍＡｌｕｍｉｎｕｍＧａｒｎｅｔ）レーザを用いたレーザ溶接装置について説明する。 A conventional laser welding apparatus using a YAG (Yttrium Aluminum Garnet) laser will be described with reference to FIG.

図１０は、特許文献１に記載された、従来のレーザ溶接装置１０１の構成を示すブロック図である。レーザ溶接装置１０１は、３相交流電源１０２と、ブレーカ１０３と、整流平滑回路１０４と、チョッパ回路１０５と、整流平滑化出力回路１０６と、ＹＡＧレーザ発振器１０７と、アークランプ１０８と、ＹＡＧレーザ棒１０９と、光ファイバケーブル１１０と、制御盤１１１と、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）パルス発生器１１２と、制御回路１１３と、起動回路１１４と、ＹＡＧレーザ照射ヘッド１１５とを有する。ＹＡＧレーザ照射ヘッド１１５は、レンズ１１６と、プリズム１１７と、ノズルボディ１１８と、銅チップ１１９とを有する。 FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a conventional laser welding apparatus 101 described in Patent Document 1. As shown in FIG. The laser welding apparatus 101 includes a three-phase AC power source 102, a breaker 103, a rectifying / smoothing circuit 104, a chopper circuit 105, a rectifying / smoothing output circuit 106, a YAG laser oscillator 107, an arc lamp 108, and a YAG laser rod. 109, an optical fiber cable 110, a control panel 111, a PWM (Pulse Width Modulation) pulse generator 112, a control circuit 113, a starting circuit 114, and a YAG laser irradiation head 115. The YAG laser irradiation head 115 includes a lens 116, a prism 117, a nozzle body 118, and a copper chip 119.

ＹＡＧレーザによって発振されるレーザは、材料によって特定された、１つの波長（１０６４ｎｍ）の光だけである。そのため、レーザをレンズで集光すると、焦点が１つだけ形成される。これに対し、従来のレーザ溶接装置１０１は、プリズム１１７を有しているため、レーザを右側レーザ光束１２０Ｒと左側レーザ光束１２０Ｌに分割し、右側焦点１２１Ｒと左側焦点１２１Ｌという２つの焦点を母材１２２上に形成できる。さらに、ＰＷＭパルス発生器１１２と制御回路１１３とを用いてアークランプ１０８の電流を制御し、レーザの出力を調整している。 The laser oscillated by the YAG laser is only light of one wavelength (1064 nm) specified by the material. Therefore, when the laser is condensed by the lens, only one focal point is formed. On the other hand, since the conventional laser welding apparatus 101 has the prism 117, the laser is divided into a right laser beam 120R and a left laser beam 120L, and two focal points, a right focus 121R and a left focus 121L, are used as a base material. 122 can be formed. Further, the current of the arc lamp 108 is controlled using the PWM pulse generator 112 and the control circuit 113 to adjust the laser output.

特開２００３−２００２８２号公報JP 2003-200222 A

しかしながら、従来のレーザ溶接装置１０１は、ＹＡＧレーザ照射ヘッド１１５にプリズム１１７を用いるため、ＹＡＧレーザ照射ヘッド１１５の構造が複雑になる。また、形成される２つの焦点は焦点距離が等しく、レーザ出力も分散される。そのため、加工物に合わせた最適な溶接を行うことができない。本開示は、高出力であり、焦点距離が異なる複数の焦点を形成できる多波長レーザによって溶接を行うレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を提供する。 However, since the conventional laser welding apparatus 101 uses the prism 117 for the YAG laser irradiation head 115, the structure of the YAG laser irradiation head 115 becomes complicated. Further, the two focal points formed have the same focal length, and the laser output is also dispersed. For this reason, optimum welding according to the workpiece cannot be performed. The present disclosure provides a laser welding apparatus and a laser welding method for performing welding with a multi-wavelength laser capable of forming a plurality of focal points with high output and different focal lengths.

本開示のレーザ溶接装置は、レーザ発振装置と、ファイバと、レーザ出射部と、駆動装置とを有する。レーザ発振装置は、複数の波長を有する多波長レーザを出射する。ファイバは、第１の端部が、レーザ発振装置に接続され、多波長レーザを伝送する。レーザ出射部は、第１の端部とは反対側のファイバの第２の端部が接続され、多波長レーザを加工物に出射する。駆動装置は、レーザ出射部に接続され、レーザ出射部を動かす。 The laser welding apparatus according to the present disclosure includes a laser oscillation device, a fiber, a laser emitting unit, and a drive device. The laser oscillation device emits a multi-wavelength laser having a plurality of wavelengths. The first end of the fiber is connected to a laser oscillator and transmits a multi-wavelength laser. The laser emitting section is connected to the second end of the fiber opposite to the first end, and emits a multi-wavelength laser to the workpiece. The driving device is connected to the laser emitting unit and moves the laser emitting unit.

本開示のレーザ溶接方法は、第１の加工物と第２の加工物とを継手形状となるように配置する工程を有する。さらに、レーザ発振装置から多波長レーザを出力する工程を有する。さらに、多波長レーザをレーザ出射部から出射する工程を有する。さらに、継手形状の継手部分に、レーザ出射部から出射された多波長レーザを照射し、第１の加工物と第２の加工物とを接続する工程を有する。 The laser welding method of the present disclosure includes a step of arranging the first workpiece and the second workpiece so as to have a joint shape. Furthermore, it has the process of outputting a multiwavelength laser from a laser oscillation apparatus. Furthermore, it has the process of radiate | emitting a multiwavelength laser from a laser emission part. Furthermore, it has the process of irradiating the joint part of a joint shape with the multiwavelength laser radiate | emitted from the laser emission part, and connecting a 1st workpiece and a 2nd workpiece.

本開示のレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法は、多波長レーザをレーザヘッドから出射するため、焦点距離が異なる複数の焦点を結ぶことができ、加工物に合わせた最適な溶接を行うことができる。 Since the laser welding apparatus and the laser welding method of the present disclosure emit a multi-wavelength laser from a laser head, a plurality of focal points having different focal lengths can be formed, and optimum welding according to a workpiece can be performed.

図１は、実施の形態１のレーザ溶接装置を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the laser welding apparatus of the first embodiment. 図２は、実施の形態１のレーザ発振装置を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the laser oscillation apparatus of the first embodiment. 図３は、実施の形態１のファイバを示す概略図であり、とくに（ａ）はシングルクラッドファイバを示す概略図であり、（ｂ）はダブルクラッドファイバを示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing the fiber of the first embodiment. In particular, (a) is a schematic diagram showing a single clad fiber, and (b) is a schematic diagram showing a double clad fiber. 図４は、実施の形態１のレーザ出射部を示す概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the laser emitting unit of the first embodiment. 図５は、実施の形態１のシールドガス供給装置を示す概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing the shield gas supply apparatus of the first embodiment. 図６は、実施の形態１の制御装置を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the control device according to the first embodiment. 図７は、実施の形態１の重ね継手のレーザ溶接方法の工程を示す概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram illustrating steps of the laser welding method for the lap joint according to the first embodiment. 図８は、実施の形態２の突き合わせ継手のレーザ溶接方法の工程を示す概略図である。FIG. 8 is a schematic diagram illustrating steps of a laser welding method for a butt joint according to the second embodiment. 図９は、実施の形態３の隅肉継手のレーザ溶接方法の工程を示す概略図である。FIG. 9 is a schematic diagram illustrating steps of a laser welding method for fillet joints according to the third embodiment. 図１０は、従来のレーザ溶接装置を示す概略図である。FIG. 10 is a schematic view showing a conventional laser welding apparatus.

（実施の形態１）
本開示の、実施の形態１のレーザ溶接装置を、図面を用いて説明する。図１は、本実施の形態のレーザ溶接装置１を示す概略図である。図２は、本実施の形態のレーザ発振装置１０を示す概略図である。図３（ａ）および（ｂ）は、本実施の形態のファイバ３０を示す概略図である。図４は、本実施の形態のレーザ出射部４０を示す概略図である。図５は、本実施の形態のシールドガス供給装置５０を示す概略図である。図６は、本実施の形態の制御装置８０を示す概略図である。 (Embodiment 1)
The laser welding apparatus according to the first embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing a laser welding apparatus 1 according to the present embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram showing the laser oscillation device 10 of the present embodiment. 3A and 3B are schematic views showing the fiber 30 of the present embodiment. FIG. 4 is a schematic view showing the laser emitting unit 40 of the present embodiment. FIG. 5 is a schematic diagram showing the shield gas supply device 50 of the present embodiment. FIG. 6 is a schematic diagram showing the control device 80 of the present embodiment.

図１に示すように、本実施の形態のレーザ溶接装置１は、レーザ発振装置１０と、ファイバ３０と、レーザ出射部４０と、シールドガス供給装置５０と、マニピュレータ６０（駆動装置）と、制御装置８０とを有する。レーザ発振装置１０は複数の波長成分を有するレーザ（以下、多波長レーザ）を出力し、ファイバ３０に入射する。ファイバ３０は、レーザ発振装置１０で出力された多波長レーザをレーザ出射部４０に伝送する。レーザ出射部４０は、ファイバ３０によって伝送された多波長レーザを加工物７０に出射する。シールドガス供給装置５０はレーザ出射部４０に接続され、シールドガスをレーザ出射部４０に供給する。マニピュレータ６０は、レーザ出射部４０から出射される多波長レーザが、加工物７０の加工位置に出射されるように、レーザ出射部４０を移動させる。制御装置８０は、レーザ発振装置１０からの多波長レーザの出力と、シールドガス供給装置５０からのシールドガス供給量と、マニピュレータ６０の動作とを制御する。 As shown in FIG. 1, the laser welding apparatus 1 of the present embodiment includes a laser oscillation device 10, a fiber 30, a laser emitting unit 40, a shield gas supply device 50, a manipulator 60 (drive device), and a control. Device 80. The laser oscillation device 10 outputs a laser having a plurality of wavelength components (hereinafter referred to as a multi-wavelength laser) and enters the fiber 30. The fiber 30 transmits the multi-wavelength laser output from the laser oscillation device 10 to the laser emitting unit 40. The laser emitting unit 40 emits the multi-wavelength laser transmitted by the fiber 30 to the workpiece 70. The shield gas supply device 50 is connected to the laser emission unit 40 and supplies the shield gas to the laser emission unit 40. The manipulator 60 moves the laser emitting unit 40 so that the multi-wavelength laser emitted from the laser emitting unit 40 is emitted to the processing position of the workpiece 70. The control device 80 controls the output of the multi-wavelength laser from the laser oscillation device 10, the shield gas supply amount from the shield gas supply device 50, and the operation of the manipulator 60.

（レーザ発振装置１０について）
図２を用いて、レーザ発振装置１０について、具体的に説明する。図２に示すように、レーザ発振装置１０は、半導体レーザ１１（第１の半導体レーザ）と、半導体レーザ１２（第２の半導体レーザ）と、分光器１３と、部分反射鏡１４と、ファイバ３０の入射端３１（第１の端部）とを有する。半導体レーザ１１は、分光器１３側の端部がレーザ出射端２１（第１の出射端）であり、レーザ出射端２１と反対側の端部はレーザを全反射する全反射端２２（第１の全反射端）である。半導体レーザ１２は、分光器１３側の端部がレーザ出射端２３（第２の出射端）であり、レーザ出射端２３と反対側の端部はレーザを全反射する全反射端２４（第２の全反射端）である。部分反射鏡１４は、半導体レーザ１１、１２側の第１の面２５と、半導体レーザ１１、１２とは反対側の第２の面２６とを有する。 (About laser oscillator 10)
The laser oscillation device 10 will be specifically described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the laser oscillation device 10 includes a semiconductor laser 11 (first semiconductor laser), a semiconductor laser 12 (second semiconductor laser), a spectrometer 13, a partial reflection mirror 14, and a fiber 30. Incident end 31 (first end). In the semiconductor laser 11, the end on the spectroscope 13 side is a laser emission end 21 (first emission end), and the end opposite to the laser emission end 21 is a total reflection end 22 (first reflection) that totally reflects the laser. The total reflection end). In the semiconductor laser 12, the end on the spectroscope 13 side is a laser emission end 23 (second emission end), and the end opposite to the laser emission end 23 is a total reflection end 24 (second reflection) that totally reflects the laser. The total reflection end). The partial reflection mirror 14 has a first surface 25 on the side of the semiconductor lasers 11 and 12 and a second surface 26 on the side opposite to the semiconductor lasers 11 and 12.

また、半導体レーザ１１は、複数のエミッタを有する半導体レーザバー（第１の半導体レーザバー）を用いることも可能であり、さらに、複数の半導体レーザバーを積み重ねた半導体スタック（第１の半導体スタック）を用いても構わない。半導体レーザ１２は、複数のエミッタを有する半導体レーザバー（第２の半導体レーザバー）を用いることも可能であり、さらに、複数の半導体レーザバーを積み重ねた半導体スタック（第２の半導体スタック）を用いても構わない。 The semiconductor laser 11 can also use a semiconductor laser bar (first semiconductor laser bar) having a plurality of emitters, and further uses a semiconductor stack (first semiconductor stack) in which a plurality of semiconductor laser bars are stacked. It doesn't matter. The semiconductor laser 12 can use a semiconductor laser bar (second semiconductor laser bar) having a plurality of emitters, and may also use a semiconductor stack (second semiconductor stack) in which a plurality of semiconductor laser bars are stacked. Absent.

半導体レーザ１１のレーザ出射端２１から出射されたレーザ（第１のレーザ）は、分光器１３を通過し、部分反射鏡１４で一部が反射する。部分反射鏡１４で反射されたレーザは、分光器１３を通過し、出射された半導体レーザ１１に戻り、半導体レーザ１１の全反射端２２で反射される。このように、部分反射鏡１４と全反射端２２との間で共振が起こり、半導体レーザ１１からのレーザが発振される。半導体レーザ１１から発振されたレーザは、部分反射鏡１４を透過し、ファイバ３０の入射端３１からファイバ３０へ入射する。半導体レーザ１２についても同様にレーザ（第２のレーザ）が発振され、ファイバ３０へ入射する。これにより、ファイバ３０には多波長レーザが入射される。以上のように、半導体レーザ１１の全反射端２２と部分反射鏡１４との間で分光器１３を介して発振器が構成される。この構成は、半導体レーザ１１の外部の領域を含めてレーザが発振されるため、外部共振器と呼ばれる。半導体レーザ１２についても同様である。 The laser (first laser) emitted from the laser emission end 21 of the semiconductor laser 11 passes through the spectroscope 13 and is partially reflected by the partial reflection mirror 14. The laser reflected by the partial reflection mirror 14 passes through the spectroscope 13, returns to the emitted semiconductor laser 11, and is reflected by the total reflection end 22 of the semiconductor laser 11. Thus, resonance occurs between the partial reflection mirror 14 and the total reflection end 22, and the laser from the semiconductor laser 11 is oscillated. The laser oscillated from the semiconductor laser 11 passes through the partial reflection mirror 14 and enters the fiber 30 from the incident end 31 of the fiber 30. Similarly, a laser (second laser) is oscillated also for the semiconductor laser 12 and enters the fiber 30. Thereby, a multi-wavelength laser is incident on the fiber 30. As described above, an oscillator is configured via the spectroscope 13 between the total reflection end 22 of the semiconductor laser 11 and the partial reflection mirror 14. This configuration is called an external resonator because the laser is oscillated including the region outside the semiconductor laser 11. The same applies to the semiconductor laser 12.

次に、半導体レーザ１１、１２と分光器１３と部分反射鏡１４とによる、レーザ発振の原理とレーザの波長について説明する。 Next, the principle of laser oscillation and the laser wavelength by the semiconductor lasers 11 and 12, the spectroscope 13, and the partial reflection mirror 14 will be described.

図２に示すように、半導体レーザ１１から出射されたレーザと半導体レーザ１２から出射されたレーザとは、分光器１３から見て異なる方向から分光器１３に入射されている。半導体レーザ１１は、分光器１３の面に垂直な方向から、角度θ_１（第１の角度）だけ傾いた方向に位置している。半導体レーザ１２は、分光器１３の面に垂直な方向から、角度θ_２（第２の角度）だけ傾いた方向に位置している。分光器１３は、例えば回折格子であり、回折格子は、入射角が互いに異なる複数のレーザを、共通の出射角で出射させる特徴を有する。ここで、分光器１３が、スリット間隔ｄである回折格子であり、半導体レーザ１１が発振するレーザの波長（第１の波長）がλ_１ｎｍであり、半導体レーザ１２が発振するレーザの波長（第２の波長）がλ_２ｎｍであり、Ｎ、Ｍを整数とする場合のレーザ発振波長について説明する。この場合、以下の式１が半導体レーザ１１からのレーザの回折条件であり、以下の式２が半導体レーザ１２からのレーザの回折条件である。 As shown in FIG. 2, the laser emitted from the semiconductor laser 11 and the laser emitted from the semiconductor laser 12 are incident on the spectrometer 13 from different directions as viewed from the spectrometer 13. The semiconductor laser 11 is located in a direction inclined by an angle θ ₁ (first angle) from a direction perpendicular to the plane of the spectrometer 13. The semiconductor laser 12 is located in a direction inclined by an angle θ ₂ (second angle) from a direction perpendicular to the plane of the spectrometer 13. The spectroscope 13 is, for example, a diffraction grating, and the diffraction grating has a characteristic of emitting a plurality of lasers having different incident angles at a common emission angle. Here, the spectroscope 13 is a diffraction grating having a slit interval d, the wavelength of the laser oscillated by the semiconductor laser 11 (first wavelength) is λ ₁ nm, and the wavelength of the laser oscillated by the semiconductor laser 12 ( The laser oscillation wavelength when the second wavelength is λ ₂ nm and N and M are integers will be described. In this case, the following formula 1 is the diffraction condition of the laser from the semiconductor laser 11, and the following formula 2 is the diffraction condition of the laser from the semiconductor laser 12.

ｄ×ｓｉｎθ_１＝Ｎ×λ_１・・・（式１）
ｄ×ｓｉｎθ_２＝Ｍ×λ_２・・・（式２）
このように、半導体レーザ１１と半導体レーザ１２とを分光器１３に対し異なる方向に配置することにより、半導体レーザ１１によるレーザと半導体レーザ１２によるレーザとは出射方向を同一にできる。そして、波長が互いに異なる半導体レーザ１１によるレーザと半導体レーザ１２によるレーザとの出力を合算することができる。すなわち、半導体レーザ１１、１２と部分反射鏡１４とが分光器１３を介して外部共振器を構成することで、それぞれの半導体レーザのビーム品質を悪化することなく、両者の出力が合算された、より高い出力の半導体レーザを得ることができるという効果がある。また、半導体レーザ１１、１２を分光器１３からみて異なる方向に配置することで、半導体レーザ１１、１２が、互いに波長が異なるレーザを発振できる。そして、半導体レーザ１１が発振するレーザと半導体レーザ１２が発振するレーザとをファイバ３０に入射させることにより、２つの波長のレーザをファイバ３０に出力できる。以上の説明では、２つの半導体レーザ１１、１２で説明したが、半導体レーザの数は２とは限らず、３以上でもよい。その場合も、半導体レーザが、複数のエミッタを有する半導体レーザバーや、複数の半導体レーザバーを積み重ねた半導体スタックであってもよい。なお、本実施の形態では、分光器１３として透過型のものを使用しているが、反射型のものであってもよい。分光器１３は、例えば、反射型回折素子でもよい。 d × sin θ ₁ = N × λ ₁ (Formula 1)
d × sin θ ₂ = M × λ ₂ (Expression 2)
Thus, by arranging the semiconductor laser 11 and the semiconductor laser 12 in different directions with respect to the spectroscope 13, the emission direction of the laser by the semiconductor laser 11 and the laser by the semiconductor laser 12 can be made the same. Then, the outputs of the laser by the semiconductor laser 11 and the laser by the semiconductor laser 12 having different wavelengths can be added up. That is, since the semiconductor lasers 11 and 12 and the partial reflection mirror 14 constitute an external resonator via the spectroscope 13, the outputs of both are added without deteriorating the beam quality of each semiconductor laser. There is an effect that a semiconductor laser with higher output can be obtained. Further, by arranging the semiconductor lasers 11 and 12 in different directions when viewed from the spectroscope 13, the semiconductor lasers 11 and 12 can oscillate lasers having different wavelengths. Then, by making the laser oscillated by the semiconductor laser 11 and the laser oscillated by the semiconductor laser 12 enter the fiber 30, lasers of two wavelengths can be output to the fiber 30. In the above description, the two semiconductor lasers 11 and 12 have been described, but the number of semiconductor lasers is not limited to two and may be three or more. In this case, the semiconductor laser may be a semiconductor laser bar having a plurality of emitters or a semiconductor stack in which a plurality of semiconductor laser bars are stacked. In the present embodiment, a transmissive type is used as the spectroscope 13, but a reflective type may be used. The spectroscope 13 may be, for example, a reflective diffractive element.

（ファイバ３０について）
図３を用いて、ファイバ３０について、具体的に説明する。図３（ａ）は、シングルクラッドファイバ３２を示す断面図である。図３（ｂ）は、ダブルクラッドファイバ３５を示す断面図である。 (About fiber 30)
The fiber 30 will be specifically described with reference to FIG. FIG. 3A is a cross-sectional view showing the single clad fiber 32. FIG. 3B is a cross-sectional view showing the double clad fiber 35.

図３（ａ）に示すように、シングルクラッドファイバ３２は、直径がｄ１であり、屈折率がｎ１であるコア３３と、コア３３の外側に形成され、直径がｄ２であり、屈折率がｎ２であるクラッド３４からなる。コア３３の屈折率ｎ１は、クラッド３４の屈折率ｎ２よりも大きく、これにより、多波長レーザをコア３３に閉じ込める効果がある。 As shown in FIG. 3A, the single clad fiber 32 has a diameter d1 and a core 33 having a refractive index n1, and is formed outside the core 33, and has a diameter d2 and a refractive index n2. The clad 34 is. The refractive index n1 of the core 33 is larger than the refractive index n2 of the clad 34, which has the effect of confining the multi-wavelength laser in the core 33.

図３（ｂ）に示すように、ダブルクラッドファイバ３５は、直径がｄ３であり、屈折率がｎ３であるコア３６と、コア３６の外側に形成され、直径がｄ４であり、屈折率がｎ４であるクラッド３７と、クラッド３７の外側に形成され、直径がｄ５であり屈折率がｎ５であるクラッド３８とからなる。コア３６の屈折率ｎ３は、クラッド３７の屈折率ｎ４よりも大きく、これにより、多波長レーザをコア３６に閉じ込める効果がある。クラッド３７の屈折率ｎ４は、クラッド３８の屈折率ｎ５よりも大きく、これにより、多波長レーザをクラッド３７に閉じ込める効果があり、ひいては、多波長レーザをコア３６に閉じ込める効果がある。 As shown in FIG. 3B, the double clad fiber 35 has a diameter d3 and a core 36 having a refractive index n3, and is formed outside the core 36, has a diameter d4, and a refractive index n4. And a clad 38 formed outside the clad 37 and having a diameter d5 and a refractive index n5. The refractive index n3 of the core 36 is larger than the refractive index n4 of the clad 37, which has the effect of confining the multi-wavelength laser in the core 36. The refractive index n4 of the clad 37 is larger than the refractive index n5 of the clad 38, which has the effect of confining the multi-wavelength laser in the clad 37 and, in turn, the effect of confining the multi-wavelength laser in the core 36.

（レーザ出射部４０について）
図４を用いて、レーザ出射部４０について、具体的に説明する。 (About the laser emitting unit 40)
The laser emitting unit 40 will be specifically described with reference to FIG.

レーザ出射部４０は、ファイバ３０の出射端３９から出射される多波長レーザに焦点を結ばせる光学的な機構と、加工物７０の加工箇所にシールドガスを供給する物理的な機構とを有する。レーザ出射部４０の光学的な機構は、さらに、ファイバ３０から出射される多波長レーザの方向を制御する機構を有していてもよい。 The laser emitting unit 40 has an optical mechanism for focusing on the multi-wavelength laser emitted from the emitting end 39 of the fiber 30 and a physical mechanism for supplying a shielding gas to a processing position of the workpiece 70. The optical mechanism of the laser emitting unit 40 may further include a mechanism for controlling the direction of the multiwavelength laser emitted from the fiber 30.

まず、レーザ出射部４０の、レーザを制御する光学的な機構について説明する。図４に示すように、ファイバ３０の出射端３９からレーザ出射部４０内に出射された、広がった多波長レーザは、コリメートレンズ４２によって平行にされる。そして、平行にされた多波長レーザは集光レンズ４３によって集光されてレーザ出射部４０から出射される。レーザが異なる２つの波長を持つ場合は、図４に示すように、２箇所で焦点を結ぶように集光される。 First, an optical mechanism for controlling the laser of the laser emitting unit 40 will be described. As shown in FIG. 4, the spread multi-wavelength laser emitted from the emitting end 39 of the fiber 30 into the laser emitting unit 40 is collimated by the collimating lens 42. The paralleled multi-wavelength laser is condensed by the condenser lens 43 and emitted from the laser emitting unit 40. When the laser has two different wavelengths, the laser beams are focused so as to be focused at two locations as shown in FIG.

次に、レーザ出射部４０の、シールドガスを供給する物理的な機構について説明する。図４に示すように、レーザ出射部４０には、レーザが通過する空間４１と、空間４１のさらに外側の空間４４との２つの空間が設けられている。空間４１には、シールドガスを導入する導入口４６と、シールドガスを排出する排出口４８とが設けられている。排出口４８は、レーザが出射されるレーザ出射口でもある。空間４４には、シールドガスを導入する導入口４７と、シールドガスを排出する排出口４５とが設けられている。以上の説明では、レーザ出射部４０に、空間４１と空間４４との両方を設けているが、どちらか一方のみを設けてもよい。その場合、シールドガスとしては導入口４６と４７のどちらを使用してもよい。また、以上の説明では、１枚のコリメートレンズ４２と１枚の集光レンズ４３とを使用した光学系について説明をした。しかし、複数のレンズを使用したコリメートレンズ系、または複数のレンズを使用した集光レンズ系を構成しても構わない。 Next, a physical mechanism for supplying the shielding gas of the laser emitting unit 40 will be described. As shown in FIG. 4, the laser emitting unit 40 is provided with two spaces, a space 41 through which the laser passes and a space 44 outside the space 41. In the space 41, an introduction port 46 for introducing a shield gas and an exhaust port 48 for discharging the shield gas are provided. The discharge port 48 is also a laser emission port from which a laser is emitted. In the space 44, an introduction port 47 for introducing a shield gas and an exhaust port 45 for discharging the shield gas are provided. In the above description, both the space 41 and the space 44 are provided in the laser emitting unit 40, but only one of them may be provided. In that case, either the inlet 46 or 47 may be used as the shielding gas. In the above description, an optical system using one collimator lens 42 and one condenser lens 43 has been described. However, a collimating lens system using a plurality of lenses or a condensing lens system using a plurality of lenses may be configured.

（シールドガス供給装置５０について）
図５を用いて、シールドガス供給装置５０について、具体的に説明する。シールドガス供給装置５０は、ガスボンベ５１、５２と、バルブ５３〜５６とを有する。ガスボンベ５１に接続されたバルブ５３の開閉は制御装置８０によって制御される。ガスボンベ５２に接続されたバルブ５４の開閉は制御装置８０によって制御される。ガスボンベ５１とガスボンベ５２とには、同じ種類のシールドガスを封入してもよく、互いに異なる種類のシールドガスを封入してもよい。後者の場合、バルブ５３とバルブ５４との開閉によりその混合比率を調整することができる。また、ガスボンベ５１とガスボンベ５２とはバルブ５３、５４を介して配管で接続されている。配管はさらに分離され、バルブ５５を介してレーザ出射部４０の導入口４６に接続されるとともに、バルブ５６を介してレーザ出射部４０の導入口４７に接続される。バルブ５５、５６の開閉は制御装置８０によって制御される。なお、バルブ５５とバルブ５６ではその開閉により導入口４６と導入口４７へ送給するシールドガスの量をそれぞれ調整できるものである。導入口４６または導入口４７のどちらかに一方にだけシールドガスを供給してもよい。 (Shield gas supply device 50)
The shield gas supply device 50 will be specifically described with reference to FIG. The shield gas supply device 50 includes gas cylinders 51 and 52 and valves 53 to 56. Opening and closing of the valve 53 connected to the gas cylinder 51 is controlled by the control device 80. Opening and closing of the valve 54 connected to the gas cylinder 52 is controlled by the control device 80. The gas cylinder 51 and the gas cylinder 52 may contain the same type of shield gas, or may contain different types of shield gas. In the latter case, the mixing ratio can be adjusted by opening and closing the valve 53 and the valve 54. Further, the gas cylinder 51 and the gas cylinder 52 are connected by piping through valves 53 and 54. The piping is further separated and connected to the introduction port 46 of the laser emitting unit 40 through the valve 55 and connected to the introduction port 47 of the laser emitting unit 40 through the valve 56. Opening and closing of the valves 55 and 56 is controlled by the control device 80. The valve 55 and the valve 56 can adjust the amount of shield gas supplied to the introduction port 46 and the introduction port 47 by opening and closing thereof. The shield gas may be supplied to only one of the introduction port 46 and the introduction port 47.

図示していないが、バルブ５３とバルブ５４とから出たガスボンベ５１とガスボンベ５２とのガスを直接に導入口４６と導入口４７とに接続してもよい。この場合、ガスボンベ５１とガスボンベ５２とには同じ種類のシールドガスを封入してもよく、互いに異なる種類のシールドガスを封入してもよい。バルブ５３とバルブ５４とを調整することによって、ガスボンベ５１とガスボンベ５２とからのシールドガスの供給量を調整することができる。 Although not shown, the gas in the gas cylinder 51 and the gas cylinder 52 coming out of the valve 53 and the valve 54 may be directly connected to the introduction port 46 and the introduction port 47. In this case, the gas cylinder 51 and the gas cylinder 52 may be filled with the same type of shield gas, or may be filled with different types of shield gas. By adjusting the valve 53 and the valve 54, the supply amount of the shield gas from the gas cylinder 51 and the gas cylinder 52 can be adjusted.

（マニピュレータ６０について）
図１に示すように、マニピュレータ６０の先端には、レーザ出射部４０が取り付けられており、レーザ出射部４０を高い自由度で移動させることができる。すなわち、レーザ出射部４０の位置および角度を高い自由度で変更できる。これにより、さまざまな溶接部位や継手形状に対応して、溶接を行うことができる。また、レーザの出射位置や出射方向を変更する手段は、レーザ出射部４０とマニピュレータ６０の組み合わせに限らず、２次元にスキャンできるようなスキャニングヘッドであってもよい。また、レーザ出射部４０を固定し、マニピュレータ６０が加工物７０を移動させてもよい。 (About the manipulator 60)
As shown in FIG. 1, a laser emitting unit 40 is attached to the tip of the manipulator 60, and the laser emitting unit 40 can be moved with a high degree of freedom. That is, the position and angle of the laser emitting unit 40 can be changed with a high degree of freedom. Thereby, welding can be performed corresponding to various welding parts and joint shapes. The means for changing the laser emission position and the emission direction is not limited to the combination of the laser emission unit 40 and the manipulator 60 but may be a scanning head capable of two-dimensional scanning. Further, the laser emitting unit 40 may be fixed, and the manipulator 60 may move the workpiece 70.

（加工物７０について）
加工物７０の材質としては、軟鋼、ステンレス鋼、アルミ合金などがあり、形状としては、板状、棒状などが考えられる。 (About workpiece 70)
Examples of the material of the workpiece 70 include mild steel, stainless steel, aluminum alloy, and the shape may be a plate shape or a rod shape.

（制御装置８０について）
図６を用いて、制御装置８０について、具体的に説明する。制御装置８０は、レーザ発振装置１０とシールドガス供給装置５０とマニピュレータ６０とに接続され、レーザ発振装置１０とシールドガス供給装置５０とマニピュレータ６０との動作を制御する。制御装置８０は、ティーチングペンダント８１と、メイン制御部８２と、レーザ発振装置通信部８３と、シールドガス供給装置通信部８４と、マニピュレータ通信部８５と、記憶部８６とを有する。 (Regarding the control device 80)
The control device 80 will be specifically described with reference to FIG. The control device 80 is connected to the laser oscillation device 10, the shield gas supply device 50, and the manipulator 60, and controls the operations of the laser oscillation device 10, the shield gas supply device 50, and the manipulator 60. The control device 80 includes a teaching pendant 81, a main control unit 82, a laser oscillation device communication unit 83, a shield gas supply device communication unit 84, a manipulator communication unit 85, and a storage unit 86.

作業者は、ティーチングペンダント８１を用いて、レーザ溶接装置１が行う溶接条件を設定する。メイン制御部８２は、作業者がティーチングペンダント８１に入力した溶接条件で溶接を行うように、記憶部８６に蓄積されたデータを利用して、レーザ発振装置通信部８３を介してレーザ発振装置１０を、シールドガス供給装置通信部８４を介してシールドガス供給装置５０を、マニピュレータ通信部８５を介してマニピュレータ６０を制御する。メイン制御部８２は、作業者によるティーチングペンダント８１の操作なしに、記憶部８６に蓄積されたデータを利用して、レーザ発振装置１０とシールドガス供給装置５０とマニピュレータ６０とを制御してもよい。 The operator uses the teaching pendant 81 to set the welding conditions performed by the laser welding apparatus 1. The main control unit 82 uses the data accumulated in the storage unit 86 so as to perform welding under the welding conditions input to the teaching pendant 81 by the operator, and uses the laser oscillation device communication unit 83 to perform the laser oscillation device 10. The shield gas supply device 50 is controlled via the shield gas supply device communication unit 84, and the manipulator 60 is controlled via the manipulator communication unit 85. The main control unit 82 may control the laser oscillation device 10, the shield gas supply device 50, and the manipulator 60 using the data accumulated in the storage unit 86 without the operator operating the teaching pendant 81. .

次に、本開示の、実施の形態１のレーザ溶接方法を、図面を用いて説明する。図７（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態のレーザ溶接方法の工程を示す概略図である。本実施の形態は、特に、前述したレーザ溶接装置１を用いて、重ね溶接を行うレーザ溶接方法である。 Next, the laser welding method according to the first embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. FIGS. 7A to 7C are schematic views showing steps of the laser welding method of the present embodiment. In particular, the present embodiment is a laser welding method in which lap welding is performed using the laser welding apparatus 1 described above.

図７（ａ）に示すように、厚さＴ１である加工物７１（第１の加工物）の下に、厚さＴ２である加工物７２（第２の加工物）が重ねて配置された、重ね継手のレーザ溶接方法について説明する。 As shown in FIG. 7 (a), a workpiece 72 (second workpiece) having a thickness T2 is placed on top of a workpiece 71 (first workpiece) having a thickness T1. The laser welding method for the lap joint will be described.

まず、図７（ａ）に示すように、加工物７２の上に、加工物７１を重なるように配置する。次に、制御装置８０によってレーザ発振装置１０を制御し、多波長レーザをレーザ発振装置１０からファイバ３０に出力する。そして、レーザ発振装置１０から出力された多波長レーザは、ファイバ３０を経由してレーザ出射部４０に伝送される（図示せず）。 First, as shown in FIG. 7A, the work piece 71 is arranged on the work piece 72 so as to overlap. Next, the control device 80 controls the laser oscillation device 10 to output a multi-wavelength laser from the laser oscillation device 10 to the fiber 30. The multi-wavelength laser output from the laser oscillation device 10 is transmitted to the laser emitting unit 40 via the fiber 30 (not shown).

次に、図７（ｂ）に示すように、レーザ出射部４０からレーザを出射して、加工物７１と加工物７２とを、互いに重なる部分で溶接する。このとき、加工物７１の上面に対して垂直方向における、加工物７１の上面からのレーザ出射部４０の先端の高さをＨ１とする。レーザ出射部４０からの多波長レーザのうちの、一つのレーザの焦点をＦ１とし、加工物７１の上面からの焦点Ｆ１の深さをＤ１とする。レーザ出射部４０からの多波長レーザの波長の数と同じ数だけ、焦点Ｆ１および深さＤ１が存在する。 Next, as shown in FIG.7 (b), a laser is emitted from the laser emission part 40, and the workpiece 71 and the workpiece 72 are welded in the part which mutually overlaps. At this time, the height of the tip of the laser emitting portion 40 from the upper surface of the workpiece 71 in the direction perpendicular to the upper surface of the workpiece 71 is defined as H1. Of the multi-wavelength lasers from the laser emitting section 40, the focal point of one laser is F1, and the depth of the focal point F1 from the upper surface of the workpiece 71 is D1. There are as many focal points F1 and depths D1 as the number of wavelengths of the multi-wavelength laser from the laser emitting section 40.

図７（ｂ）に示す状態で、レーザ出射部４０をマニピュレータ６０によって動かして重ね継手に溶接を行う。溶接速度は、例えば、０．１〜５０ｍ／分であり、好ましくは０．５〜１５ｍ／分であり、さらに好ましくは１〜１０ｍ／分である。特に、溶接速度が、０．１〜５０ｍ／分であれば、広い範囲で、溶込み深さを制御できるため、広い範囲の板厚を組み合わせた重ね溶接ができるという利点がある。特に、溶接速度が０．５〜１５ｍ／分であれば、１５ｍ／分よりも速い速度で得られる溶接ビードよりも幅の広いビードが得られるので、加工物７１と加工物７２との間に隙間があった場合でも良好な溶接ができるという利点がある。特に溶接速度が１〜１０ｍ／分であれば、１０ｍ／分よりも速い速度で得られる溶接ビードよりも幅の広いビードが得られるので、加工物７１と加工物７２との間に隙間があった場合でも良好な溶接ができるという利点がある。 In the state shown in FIG. 7B, the laser emitting unit 40 is moved by the manipulator 60 to weld the lap joint. A welding speed is 0.1-50 m / min, for example, Preferably it is 0.5-15 m / min, More preferably, it is 1-10 m / min. In particular, if the welding speed is 0.1 to 50 m / min, the penetration depth can be controlled in a wide range, so that there is an advantage that lap welding combining a wide range of plate thicknesses can be performed. In particular, if the welding speed is 0.5 to 15 m / min, a bead wider than a weld bead obtained at a speed higher than 15 m / min can be obtained. Even if there is a gap, there is an advantage that good welding can be performed. In particular, if the welding speed is 1 to 10 m / min, a bead wider than a weld bead obtained at a speed faster than 10 m / min can be obtained, so there is a gap between the workpiece 71 and the workpiece 72. There is an advantage that good welding can be performed even if

ここで、本実施の形態のレーザ溶接方法に用いる多波長レーザについて、詳細に説明する。 Here, the multiwavelength laser used in the laser welding method of the present embodiment will be described in detail.

前述のレーザ発信装置では、２つの半導体レーザ１１、１２を用いて、２つの異なる波長λ_１、λ_２のレーザを出力するレーザ発振装置１０について説明した。しかし、半導体レーザの数は２つに限らず、３つ以上の半導体レーザを用いても良い。例えば、２５個の半導体レーザを互いに、分光器１３から見た方向が異なるように配置することで、２５種類の波長をもつ多波長レーザをファイバ３０に出力できる。同様に、１５個の半導体レーザによって１５種類の波長をもつ多波長レーザを、１２個の半導体レーザによって１２種類の波長をもつ多波長レーザを、９個の半導体レーザによって９種類の波長をもつ多波長レーザを、ファイバ３０に出力できる。このように、複数の波長を含んだ多波長レーザをレーザ出射部４０で集光することにより、少しずつ焦点距離をずらした複数の焦点が形成できる。これにより、疑似的にレーリー長さが長くなるので、例えば、加工物の表面が微細に変形し、焦点位置が加工物に対して相対的に変動しても、溶接の仕上がりへの影響を低減させるという利点がある。また、加工物を複数の焦点によって均等に加熱することができる。特に、多波長レーザの波長の種類が２５種類であれば、この効果が顕著に表れ、多波長レーザの波長の種類が１５種類から１２種類に変わっても、同様の効果が得られる。特に、多波長レーザの波長の種類が９種類であれば、この効果を確保しつつ、実用上、ビーム品質を落とさずに、高い出力のレーザが得られるという利点がある。 In the laser transmission apparatus described above, the laser oscillation apparatus 10 that outputs lasers having _two different wavelengths λ ₁ and λ ₂ using the two semiconductor lasers 11 and 12 has been described. However, the number of semiconductor lasers is not limited to two, and three or more semiconductor lasers may be used. For example, a multi-wavelength laser having 25 types of wavelengths can be output to the fiber 30 by arranging 25 semiconductor lasers so that the directions viewed from the spectroscope 13 are different from each other. Similarly, a multi-wavelength laser having 15 kinds of wavelengths by 15 semiconductor lasers, a multi-wavelength laser having 12 kinds of wavelengths by 12 semiconductor lasers, and a multi-wavelength laser having 9 kinds of wavelengths by 9 semiconductor lasers. A wavelength laser can be output to the fiber 30. As described above, by condensing the multi-wavelength laser including a plurality of wavelengths by the laser emitting unit 40, a plurality of focal points whose focal lengths are gradually shifted can be formed. As a result, the Rayleigh length is increased in a pseudo manner, so that, for example, even if the surface of the workpiece is finely deformed and the focal position fluctuates relative to the workpiece, the effect on the finish of the weld is reduced. There is an advantage of making it. Also, the workpiece can be heated evenly by multiple focal points. In particular, if the wavelength type of the multi-wavelength laser is 25, this effect is prominent. Even if the wavelength type of the multi-wavelength laser is changed from 15 to 12, the same effect can be obtained. In particular, if there are nine types of wavelengths of the multi-wavelength laser, there is an advantage that a high output laser can be obtained practically without degrading the beam quality while ensuring this effect.

また、出力する多波長レーザの波長の範囲は、例えば、０．８μｍ〜５μｍであり、レーザに対して反射率の高い材料、例えば、アルミニウム合金などにおいても高い吸収率が得られるという利点がある。この範囲内の波長で、２５種類、１５種類、１２種類、９種類といった複数の波長のレーザを１つのファイバ３０に入射させ、多波長レーザを形成する。出力する多波長レーザの波長の範囲は、０．８μｍ〜０．９μｍでもよく、０．９μｍ〜１．０μｍでもよく、また１．０μｍ〜２．０μｍでもよい。特に、出力する多波長レーザの波長の範囲が０．８μｍ〜０．９μｍでは、特に反射率の高い材料、例えば、アルミニウム合金においても、最も高い吸収率が得られるという利点がある。特に、出力する多波長レーザの波長の範囲が０．９μｍ〜１．０μｍでは、特に反射率の高い材料、例えば、アルミニウム合金においても、多波長レーザの波長の範囲が０．８μｍ〜０．９μｍの場合よりもわずかに低下するが、実用上ほとんど差のない、高い吸収率が得られるという利点がある。また、多波長レーザの波長の範囲が１．０μｍ〜２．０μｍでは、この波長帯に吸収帯を持つ材料、例えば、プラスチック材料のような高分子材料を加工できる。 Further, the wavelength range of the output multi-wavelength laser is, for example, 0.8 μm to 5 μm, and there is an advantage that a high absorptance can be obtained even in a material having a high reflectance with respect to the laser, such as an aluminum alloy. . Lasers of a plurality of wavelengths such as 25 types, 15 types, 12 types, and 9 types are made incident on one fiber 30 at wavelengths within this range, thereby forming a multi-wavelength laser. The wavelength range of the output multi-wavelength laser may be 0.8 μm to 0.9 μm, 0.9 μm to 1.0 μm, or 1.0 μm to 2.0 μm. In particular, when the wavelength range of the output multi-wavelength laser is 0.8 μm to 0.9 μm, there is an advantage that the highest absorptance can be obtained even in a highly reflective material such as an aluminum alloy. In particular, when the wavelength range of the output multi-wavelength laser is 0.9 μm to 1.0 μm, the wavelength range of the multi-wavelength laser is 0.8 μm to 0.9 μm even in a highly reflective material such as an aluminum alloy. However, there is an advantage that a high absorption rate can be obtained with practically no difference. When the wavelength range of the multi-wavelength laser is 1.0 μm to 2.0 μm, a material having an absorption band in this wavelength band, for example, a polymer material such as a plastic material can be processed.

ここで、９種類の波長の多波長レーザの一例を（表１）に、１５種類の波長の多波長レーザの一例を（表２）に、２５種類の波長の多波長レーザの一例を（表３）に示す。 Here, an example of a multi-wavelength laser with 9 different wavelengths is shown in (Table 1), an example of a multi-wavelength laser with 15 different wavelengths (Table 2), and an example of a multi-wavelength laser with 25 different wavelengths (Table 1). Shown in 3).

（表１）〜（表３）において、λは波長（μｍ）であり、ｆは集光レンズの焦点距離（ｍｍ）、Δｆは最も長い波長のレーザの焦点と各波長のレーザの焦点との距離の差（焦点間の距離）である。 In Tables 1 to 3, λ is the wavelength (μm), f is the focal length (mm) of the condenser lens, and Δf is the longest wavelength laser focal point and the laser focal point of each wavelength. It is the difference in distance (distance between the focal points).

（表１）〜（表３）は、０．９７５μｍを中心波長としており、（表１）は０．００５μｍ間隔で９種類の波長のレーザであるため、多波長レーザの波長は０．９５５μｍ〜０．９９５μｍであり、波長の分布幅は０．０４μｍである。（表２）は０．００４μｍ間隔で１５種類の波長のレーザであるため、多波長レーザの波長は０．９４７μｍ〜１．００３μｍであり、波長の分布幅は０．０５６μｍである。（表３）は０．００３μｍ間隔で２５種類の波長のレーザであるため、多波長レーザの波長は０．９３９μｍ〜１．０１１μｍであり、波長の分布幅は０．０７２μｍである。 (Table 1) to (Table 3) have a central wavelength of 0.975 μm, and (Table 1) is a laser with nine wavelengths at intervals of 0.005 μm, so the wavelength of the multiwavelength laser is 0.955 μm to It is 0.995 μm, and the wavelength distribution width is 0.04 μm. Since (Table 2) is a laser having 15 types of wavelengths at intervals of 0.004 μm, the wavelength of the multi-wavelength laser is 0.947 μm to 1.003 μm, and the wavelength distribution width is 0.056 μm. Since (Table 3) is a laser having 25 types of wavelengths at intervals of 0.003 μm, the wavelength of the multi-wavelength laser is 0.939 μm to 1.011 μm, and the wavelength distribution width is 0.072 μm.

焦点間の距離Δｆについて、以下のことがわかる。光は波長が短いほど屈折しやすいため、レーザの波長が短いほど焦点距離も短くなる。そのため、レーザの波長の差に比例して、焦点間の距離Δｆは大きくなる。また、集光レンズの焦点距離ｆに比例して、焦点間の距離Δｆは大きくなる。以上のことから、多波長レーザに含まれるレーザの波長の幅が広いほど、焦点の分布幅が広くなる。また、集光レンズの焦点距離が大きいほど、焦点の分布幅が広くなる。すなわち、加工物７１の上面からのレーザ出射部４０の先端の高さＨ１を大きくすると、焦点の分布幅を広くできる。 The following can be seen for the distance Δf between the focal points. Since light is more easily refracted as the wavelength is shorter, the focal length is shorter as the laser wavelength is shorter. Therefore, the distance Δf between the focal points increases in proportion to the difference in laser wavelength. Further, the distance Δf between the focal points increases in proportion to the focal length f of the condenser lens. From the above, the focus distribution width becomes wider as the wavelength width of the laser included in the multi-wavelength laser is wider. In addition, the greater the focal length of the condenser lens, the wider the focal distribution width. That is, when the height H1 of the tip of the laser emitting unit 40 from the upper surface of the workpiece 71 is increased, the distribution width of the focus can be widened.

以下に、本実施の形態である重ね継手のレーザ溶接方法の一例を示す。 Below, an example of the laser welding method of the lap joint which is this Embodiment is shown.

厚さＴ１が０．８ｍｍの加工物７１と、厚さＴ２が０．８ｍｍの加工物７２とを重ねて厚さ１．６ｍｍの重ね継手をレーザ溶接する。集光レンズの焦点距離ｆを１５００ｍｍとし、（表１）の９種類の波長の多波長レーザを用いると、焦点Ｆ１の分布幅は１．８ｍｍとなる。これにより、厚さ１．６ｍｍの重ね継手の上面から下面までの全域に焦点Ｆ１を分布させることができる。集光レンズの焦点距離ｆを１０００ｍｍとし、（表１）の９種類の波長の多波長レーザを用いると、焦点Ｆ１の分布幅は１．２ｍｍとなる。これにより、厚さ１．６ｍｍの重ね継手の上面から下面までの範囲内に焦点Ｆ１を分布させることができる。以上のように、重ね継手の上面から下面にわたる領域の全域に焦点Ｆ１を分布させても良く、一部に焦点Ｆ１を分布させても良い。また、焦点Ｆ１の分布幅の中心は、重ね継手の上面から下面にわたる領域の中心と一致させても良い。また、焦点Ｆ１の分布幅の中心は、重ね継手の上面から下面にわたる領域の中心よりも上面側にしても良い。これにより、重ね継手の下面側への過剰な入熱を抑制できる。以上のように、多波長レーザを使用することにより重ね継手の上面から下面にわたる領域に複数の焦点を作ることができるので、個々の焦点位置におけるレーザパワーの均等に分配できるこれにより、重ね継手をより広い範囲で均等に、効率よく加熱することができる。 A workpiece 71 having a thickness T1 of 0.8 mm and a workpiece 72 having a thickness T2 of 0.8 mm are overlapped, and a lap joint having a thickness of 1.6 mm is laser-welded. When the focal length f of the condensing lens is 1500 mm and the multi-wavelength lasers of the nine wavelengths shown in (Table 1) are used, the distribution width of the focal point F1 is 1.8 mm. Thereby, the focus F1 can be distributed in the whole region from the upper surface to the lower surface of the lap joint having a thickness of 1.6 mm. When the focal length f of the condensing lens is 1000 mm and the multi-wavelength lasers of the nine wavelengths shown in (Table 1) are used, the distribution width of the focal point F1 is 1.2 mm. Thereby, the focus F1 can be distributed within the range from the upper surface to the lower surface of the lap joint having a thickness of 1.6 mm. As described above, the focal points F1 may be distributed over the entire region from the upper surface to the lower surface of the lap joint, or the focal points F1 may be distributed in part. Further, the center of the distribution width of the focus F1 may coincide with the center of the region extending from the upper surface to the lower surface of the lap joint. The center of the distribution width of the focal point F1 may be on the upper surface side of the center of the region extending from the upper surface to the lower surface of the lap joint. Thereby, excessive heat input to the lower surface side of the lap joint can be suppressed. As described above, by using a multi-wavelength laser, a plurality of focal points can be formed in the region extending from the upper surface to the lower surface of the lap joint, so that the laser power at each focal position can be evenly distributed. Heating can be performed uniformly and efficiently over a wider range.

また、ファイバ３０から出射される多波長レーザのＢＰＰ（ＢｅａｍＰａｒａｍｅｔｅｒＰｒｏｄｕｃｔ）は、例えば、２ｍｍ・ｍｒａｄ〜１０ｍｍ・ｍｒａｄであり、従来技術であるＹＡＧレーザより細いファイバにレーザを導入できるという利点がある。ＢＰＰが小さいほど、同一の光学系でレーザを集光した際には、レーザの焦点でのスポット径を小さくできる。ファイバ３０から出射される多波長レーザのうちのそれぞれの波長のレーザのＢＰＰは、２ｍｍ・ｍｒａｄ以上や、６ｍｍ・ｍｒａｄ以下や、８ｍｍ・ｍｒａｄ以下などでもよい。特に、レーザのＢＰＰが２ｍｍ・ｍｒａｄ以上であればファイバにレーザを導入する際に、ファイバ端面におけるレーザビームのパワー密度を高めずに、光学系を容易に構成できるという利点がある。特に、レーザのＢＰＰが６ｍｍ・ｍｒａｄ以下であればコア直径１５０μｍのファイバにレーザを導入できるという利点がある。特に、レーザのＢＰＰが８ｍｍ・ｍｒａｄ以下であればコア直径２００μｍのファイバにレーザを導入できるという利点がある。 Further, the BPP (Beam Parameter Product) of the multi-wavelength laser emitted from the fiber 30 is, for example, 2 mm · mrad to 10 mm · mrad, and has an advantage that the laser can be introduced into a narrower fiber than the conventional YAG laser. . The smaller the BPP, the smaller the spot diameter at the focal point of the laser when the laser is condensed by the same optical system. The BPP of each wavelength laser of the multi-wavelength lasers emitted from the fiber 30 may be 2 mm · mrad or more, 6 mm · mrad or less, 8 mm · mrad or less. In particular, if the BPP of the laser is 2 mm · mrad or more, there is an advantage that the optical system can be easily configured without increasing the power density of the laser beam at the fiber end face when introducing the laser into the fiber. In particular, if the laser BPP is 6 mm · mrad or less, there is an advantage that the laser can be introduced into a fiber having a core diameter of 150 μm. In particular, if the BPP of the laser is 8 mm · mrad or less, there is an advantage that the laser can be introduced into a fiber having a core diameter of 200 μm.

また、ファイバ３０から出射される多波長レーザの出力は、例えば、０．１ｋＷ〜３０ｋＷであり、広い範囲で溶込み深さを制御できるため、幅広い範囲の板厚を組み合わせた重ね溶接ができるという利点がある。ファイバ３０から出射される多波長レーザの出力は、好ましくは０．５〜１５ｋＷであり、さらに好ましくは０．５〜１０ｋＷである。特に、多波長レーザの出力が０．５〜１５ｋＷであれば、１５ｋＷよりも高い場合よりレーザ発振装置の構成が簡単となり、レーザ溶接装置全体のコストパフォーマンスを高めることができるという利点がある。特に、多波長レーザの出力が０．５〜１０ｋＷであれば、１０ｋＷより高い場合よりレーザ発振装置の構成が簡単となり、レーザ溶接装置全体のコストパフォーマンスを高めることができるという利点がある。 Further, the output of the multi-wavelength laser emitted from the fiber 30 is, for example, 0.1 kW to 30 kW, and the penetration depth can be controlled in a wide range, so that lap welding combining a wide range of plate thickness can be performed. There are advantages. The output of the multi-wavelength laser emitted from the fiber 30 is preferably 0.5 to 15 kW, and more preferably 0.5 to 10 kW. In particular, when the output of the multi-wavelength laser is 0.5 to 15 kW, there is an advantage that the configuration of the laser oscillation device becomes simpler than the case where it is higher than 15 kW, and the cost performance of the entire laser welding apparatus can be improved. In particular, when the output of the multi-wavelength laser is 0.5 to 10 kW, the configuration of the laser oscillation device becomes simpler than when the output is higher than 10 kW, and there is an advantage that the cost performance of the entire laser welding apparatus can be improved.

また、ファイバ３０から出射されるレーザは、レーザ発振装置１０において、連続波発振させても構わないし、パルス発振させても構わない。レーザをパルス発振させる場合の周波数は、例えば、０．１Ｈｚ〜１０ｋＨｚ（周期は１０秒〜０．１ｍ秒）であり、広い範囲で、加工物へ投入するレーザエネルギーを調整することができ、広い範囲の板厚の加工物を加工しやすくできるという利点がある。多波長レーザをパルス発振させる場合の周波数は、好ましくは１０Ｈｚ〜５ｋＨｚ（周期は０．１秒〜０．２ｍ秒）であり、さらに好ましくは１０Ｈｚ〜５００Ｈｚ（周期は０．１秒〜２ｍ秒）である。特に、パルス発振させた多波長レーザの周波数が１０Ｈｚ〜５ｋＨｚであれば、広い範囲で、加工物へ投入するレーザエネルギーを調整することができると共に、加工物に形成する溶融池を制御しやすくできるという利点がある。特に、パルス発振させた多波長レーザの周波数が１０Ｈｚ〜５００Ｈｚであれば、広い範囲で、加工物へ投入するレーザエネルギーを調整することができると共に、特に低い溶接速度時において加工物に形成する溶融池を制御しやすくできるという利点がある。 Further, the laser emitted from the fiber 30 may be oscillated continuously or pulsed in the laser oscillation device 10. The frequency when the laser is pulse-oscillated is, for example, 0.1 Hz to 10 kHz (the period is 10 seconds to 0.1 milliseconds), and the laser energy to be applied to the workpiece can be adjusted in a wide range, and the frequency is wide. There is an advantage that a workpiece having a thickness in the range can be easily processed. The frequency when the multi-wavelength laser is oscillated is preferably 10 Hz to 5 kHz (period is 0.1 second to 0.2 milliseconds), more preferably 10 Hz to 500 Hz (period is 0.1 seconds to 2 milliseconds). It is. In particular, if the frequency of the pulsed multi-wavelength laser is 10 Hz to 5 kHz, the laser energy input to the workpiece can be adjusted in a wide range, and the molten pool formed on the workpiece can be easily controlled. There is an advantage. In particular, if the frequency of a pulsed multi-wavelength laser is 10 Hz to 500 Hz, the laser energy applied to the workpiece can be adjusted over a wide range, and the melt formed on the workpiece at a particularly low welding speed. There is an advantage that the pond can be easily controlled.

また、レーザ発振装置１０の立上り時間は、例えば、１μ秒〜１０ｍ秒であり、溶接開始時に加工物へ投入するエネルギーの投入速度を調整でき、溶接開始時のビード形状を制御しやすくできるという利点がある。立上り時間が短いほど、早く加工を開始できるため、製造のタクトタイムを短縮できる。また、多波長レーザをパルス発振させる場合は、発振パルスの周期よりも短い立上り時間でなければならない。レーザ発振装置１０の立上り時間は、好ましくは１０μ秒〜１ｍ秒であり、さらに好ましくは１０μ秒〜５００μ秒である。特に、レーザ発振装置１０の立上り時間が１０μ秒〜１ｍ秒であれば、溶接開始時に加工物へ投入するエネルギーの投入速度を調整でき、溶接開始時のビード形成を早くできるという利点がある。特に、レーザ発振装置１０の立上り時間が１０μ秒〜５００μ秒であれば、溶接開始時に加工物へ投入するエネルギーの投入速度を調整でき、特に溶接速度の速い溶接を行う際に、溶接開始時のビード形成を早くできるという利点がある。 Further, the rise time of the laser oscillation device 10 is, for example, 1 μs to 10 milliseconds, and it is possible to adjust the input rate of energy input to the workpiece at the start of welding and to easily control the bead shape at the start of welding. There is. Since the shorter the rise time, the faster the machining can be started, the manufacturing tact time can be shortened. In addition, when the multi-wavelength laser is pulse-oscillated, the rise time must be shorter than the cycle of the oscillation pulse. The rise time of the laser oscillation device 10 is preferably 10 μs to 1 ms, and more preferably 10 μs to 500 μs. In particular, if the rise time of the laser oscillation device 10 is 10 μs to 1 msec, there is an advantage that the rate of energy input to the workpiece at the start of welding can be adjusted and the bead formation at the start of welding can be accelerated. In particular, when the rise time of the laser oscillation device 10 is 10 μs to 500 μs, the input speed of energy input to the workpiece at the start of welding can be adjusted, and particularly when performing welding at a high welding speed, There is an advantage that a bead can be formed quickly.

さらに、本実施の形態のレーザ溶接方法に用いる、多波長レーザを伝送するファイバについて、詳細に説明する。 Further, a fiber for transmitting a multi-wavelength laser used in the laser welding method of the present embodiment will be described in detail.

図３（ａ）に示すシングルクラッドファイバ３２を用いる場合は、コア３３の直径ｄ１が重要となる。例えば、コア３３の直径ｄ１が１０μｍから１０００μｍであれば、図４に示すレーザ出射部４０と組み合わせることにより、焦点位置におけるビーム径は、例えば、コリメートレンズ４２と集光レンズ４３との焦点距離を組み合わせることにより、５０μｍから２０００μｍとなる。なお、クラッド３４の直径ｄ２は、ファイバの可とう性を損なわない範囲でよい。 When the single clad fiber 32 shown in FIG. 3A is used, the diameter d1 of the core 33 is important. For example, when the diameter d1 of the core 33 is 10 μm to 1000 μm, the beam diameter at the focal position is, for example, the focal length between the collimating lens 42 and the condenser lens 43 by combining with the laser emitting unit 40 shown in FIG. By combining, it becomes 50 μm to 2000 μm. The diameter d2 of the clad 34 may be in a range that does not impair the flexibility of the fiber.

図３（ｂ）に示すダブルクラッドファイバ３５を用いる場合は、コア３６の直径ｄ３が重要となる。例えば、コア３６の直径ｄ３が１０μｍから１０００μｍであれば、図４に示すレーザ出射部４０と組み合わせることにより、焦点位置におけるビーム径は、例えば、コリメートレンズ４２と集光レンズ４３との焦点距離を組み合わせることにより、５０μｍから２０００μｍとなる。なお、クラッド３７の直径ｄ４は、コア３６の直径ｄ３より、例えば、１０μｍから１０００μｍ大きければよい。クラッド３８の直径ｄ２は、ファイバの可とう性を損なわない範囲でよい。その場合、コア３６と同様に、クラッド３７でレーザビームの一部または全部伝送することができる。これにより、様々なビームプロファイルのビームを得ることができる。 When the double clad fiber 35 shown in FIG. 3B is used, the diameter d3 of the core 36 is important. For example, when the diameter d3 of the core 36 is 10 μm to 1000 μm, by combining with the laser emitting unit 40 shown in FIG. 4, the beam diameter at the focal position is, for example, the focal length between the collimating lens 42 and the condensing lens 43. By combining, it becomes 50 μm to 2000 μm. Note that the diameter d4 of the cladding 37 may be, for example, 10 μm to 1000 μm larger than the diameter d3 of the core 36. The diameter d2 of the clad 38 may be in a range that does not impair the flexibility of the fiber. In that case, a part or all of the laser beam can be transmitted by the clad 37 as in the case of the core 36. Thereby, beams with various beam profiles can be obtained.

さらに、本実施の形態のレーザ溶接方法における、多波長レーザを照射するレーザ出射部について、詳細に説明する。 Furthermore, the laser emission part which irradiates a multiwavelength laser in the laser welding method of this Embodiment is demonstrated in detail.

レーザ出射部４０は、多波長レーザを加工物７０に照射するとともに、加工箇所にシールドガスを供給する。加工物７０の材質が軟鋼である場合は、シールドガスとしては、空気、アルゴン、二酸化炭素、窒素、ヘリウムのいずれか、もしくは、これらの組み合わせが用いられ、このいずれを使用しても加工物の溶接部を保護できるという利点がある。また、加工物７０の材質がステンレス鋼またはアルミニウム合金である場合は、シールドガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウムのいずれか、もしくは、これらの組み合わせが用いられ、このいずれを使用しても加工物の溶接部を保護できるという利点がある。 The laser emitting unit 40 irradiates the workpiece 70 with a multi-wavelength laser and supplies a shielding gas to the processing location. When the material of the workpiece 70 is mild steel, any one of air, argon, carbon dioxide, nitrogen, helium, or a combination thereof is used as the shielding gas. There is an advantage that the welded portion can be protected. In addition, when the material of the workpiece 70 is stainless steel or aluminum alloy, argon, nitrogen, helium, or a combination thereof is used as the shielding gas, and the workpiece can be processed using any of these. There is an advantage that the welded portion can be protected.

また、レーザ出射部４０は必ずしもシールドガスを供給する機能を備える必要はない。特に、レーザ出射部４０と加工物７０，７１との距離が長い場合には、レーザ出射部４０にシールドガスを供給する機能は必要なく、これにより、レーザ出射部４０の構造を簡略化できる。さらに、レーザ出射部４０にシールドガスを供給する機能がない場合は、加工物の溶接箇所にシールドガスを供給するようなシールドガス供給ノズルを備えてもよい。また、レーザ出射部４０にシールドガスを供給する機能がない場合は、加工物の溶接をシールドガスが満たされたチャンバーで行ってもよい。これにより、レーザ出射部４０がシールドガスを供給する機能を備えていない場合も、加工物を最適な環境で溶接できる。 Further, the laser emitting unit 40 does not necessarily have a function of supplying a shielding gas. In particular, when the distance between the laser emitting unit 40 and the workpieces 70 and 71 is long, the function of supplying the shielding gas to the laser emitting unit 40 is not necessary, and thereby the structure of the laser emitting unit 40 can be simplified. Further, when the laser emitting unit 40 does not have a function of supplying a shield gas, a shield gas supply nozzle that supplies the shield gas to a welded portion of the workpiece may be provided. In addition, when there is no function of supplying the shielding gas to the laser emitting portion 40, the workpiece may be welded in a chamber filled with the shielding gas. Thereby, even when the laser emission part 40 is not provided with the function to supply shield gas, a workpiece can be welded in an optimal environment.

さらに、本実施の形態のレーザ溶接方法における、多波長レーザによって加工される加工物について、詳細に説明する。 Furthermore, the workpiece processed by the multiwavelength laser in the laser welding method of the present embodiment will be described in detail.

加工物７０の材質としては、軟鋼、ステンレス鋼、アルミ合金などがあり、形状としては、板状のものを例として説明する。加工物７０が軟鋼またはステンレス鋼である場合、軟鋼またはステンレス鋼の厚さは、例えば、０．３ｍｍ〜５０ｍｍである。加工物７０がアルミ合金である場合、アルミ合金の厚さは、例えば、０．５ｍｍ〜３０ｍｍである。 Examples of the material of the workpiece 70 include mild steel, stainless steel, and aluminum alloy. The shape of the workpiece 70 will be described as an example. When the workpiece 70 is mild steel or stainless steel, the thickness of the mild steel or stainless steel is, for example, 0.3 mm to 50 mm. When the workpiece 70 is an aluminum alloy, the thickness of the aluminum alloy is, for example, 0.5 mm to 30 mm.

以上のようなレーザ溶接方法を行うことによって、図７（ｃ）に示すように、加工物７１および加工物７２には、レーザによって、上部の幅がＷｔ１であり、下部の幅がＷｂ１である溶接部が形成され、加工物７１と加工物７２とが接続される。 By performing the laser welding method as described above, as shown in FIG. 7C, the workpiece 71 and the workpiece 72 have an upper width Wt1 and a lower width Wb1 due to the laser. A weld is formed, and workpiece 71 and workpiece 72 are connected.

このように、多波長レーザによって焦点距離が異なる複数の焦点を結ぶことができ、疑似的にレーリー長さが長くなるとともに加工物を複数の焦点によって均等に加熱することができる。これにより、加工物に合わせた最適な溶接条件で重ね継手を溶接することができる。 In this way, a plurality of focal points having different focal lengths can be formed by the multi-wavelength laser, and the Rayleigh length can be increased in a pseudo manner, and the workpiece can be heated uniformly by the plurality of focal points. Thereby, a lap joint can be welded on the optimal welding conditions according to the workpiece.

（実施の形態２）
本開示の、実施の形態２のレーザ溶接方法を、図面を用いて説明する。図８（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態のレーザ溶接方法の工程を示す概略図である。本実施の形態は、特に、実施の形態１のレーザ溶接装置を用いて、突き合わせ溶接を行うレーザ溶接方法である。また、実施の形態１の重ね溶接を行うレーザ溶接方法と重複する事項であり、かつ、本実施の形態と矛盾なく適用できる事項については特に記載はせず、本実施の形態に適用するものである。 (Embodiment 2)
The laser welding method according to the second embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. FIGS. 8A to 8C are schematic views showing steps of the laser welding method of the present embodiment. In particular, the present embodiment is a laser welding method in which butt welding is performed using the laser welding apparatus of the first embodiment. In addition, it is an item that overlaps with the laser welding method for performing the lap welding of the first embodiment, and the items that can be applied without contradiction to the present embodiment are not particularly described, and are applied to the present embodiment. is there.

図８（ａ）に示すように、厚さＴ３である加工物７３（第３の加工物）の横に、厚さＴ４である加工物７４（第４の加工物）を突き合わせて配置された、突き合わせ継手のレーザ溶接方法について説明する。本実施の形態では、加工物７３の厚さＴ３と加工物７４の厚さＴ４とは等しく、加工物７３の右側面と加工物７４の左側面とを接触（一致）させ、加工物７３と加工物７４のそれぞれの上面および下面が同じ高さになるように突き合わされて配置されている。しかし、加工物７４の厚さＴ３と加工物７４の厚さＴ４が異なってもよい。また、加工物７３と加工物７４のそれぞれの上面または下面が異なる高さになっていてもよい。 As shown to Fig.8 (a), the workpiece 74 (4th workpiece) which is thickness T4 was faced | matched and arrange | positioned beside the workpiece 73 (3rd workpiece) which is thickness T3. The laser welding method for the butt joint will be described. In the present embodiment, the thickness T3 of the workpiece 73 and the thickness T4 of the workpiece 74 are equal, the right side surface of the workpiece 73 and the left side surface of the workpiece 74 are brought into contact (matched), and the workpiece 73 and The upper surface and the lower surface of each work piece 74 are arranged to face each other so as to have the same height. However, the thickness T3 of the workpiece 74 and the thickness T4 of the workpiece 74 may be different. In addition, the upper surface or the lower surface of the workpiece 73 and the workpiece 74 may have different heights.

まず、図８（ａ）に示すように、加工物７３と加工物７４とを右側面および左側面が接触（一致）するように突き合わせて配置する。次に、制御装置８０によってレーザ発振装置１０を制御し、多波長レーザをレーザ発振装置１０からファイバ３０に出力する。そして、レーザ発振装置１０から出力された多波長レーザは、ファイバ３０を経由してレーザ出射部４０に伝送される（図示せず）。 First, as shown in FIG. 8A, the work piece 73 and the work piece 74 are arranged to face each other so that the right side surface and the left side surface are in contact (match). Next, the control device 80 controls the laser oscillation device 10 to output a multi-wavelength laser from the laser oscillation device 10 to the fiber 30. The multi-wavelength laser output from the laser oscillation device 10 is transmitted to the laser emitting unit 40 via the fiber 30 (not shown).

次に、図８（ｂ）に示すように、レーザ出射部４０からレーザを出射して、加工物７３と加工物７４とを、突き合わされた部分で溶接する。このとき、加工物７３の上面に対して垂直方向における、加工物７３の上面からのレーザ出射部４０の先端の高さをＨ２とする。レーザ出射部４０からの多波長レーザのうちの、一つのレーザの焦点をＦ１とし、加工物７３の上面からの焦点Ｆ１の深さをＤ１とする。レーザ出射部４０からのレーザの波長の数と同じ数だけ、焦点Ｆ１および深さＤ１が存在する。 Next, as shown in FIG.8 (b), a laser is radiate | emitted from the laser emission part 40, and the workpiece 73 and the workpiece 74 are welded in the faced part. At this time, the height of the tip of the laser emitting portion 40 from the upper surface of the workpiece 73 in the direction perpendicular to the upper surface of the workpiece 73 is defined as H2. Of the multi-wavelength lasers from the laser emitting section 40, the focal point of one laser is F1, and the depth of the focal point F1 from the upper surface of the workpiece 73 is D1. There are as many focal points F1 and depths D1 as the number of wavelengths of the laser beams from the laser emitting section 40.

溶接速度および多波長レーザに関しては、実施の形態１に記載された条件および効果が本実施の形態にも適用できる。すなわち、多波長レーザの波長、波長の種類、多波長レーザのＢＰＰ、多波長レーザの出力、多波長レーザの発振方法、レーザ発振装置１０の立ち上がり時間などは、実施の形態１の記載が本実施の形態にも適用できる。 Regarding the welding speed and the multi-wavelength laser, the conditions and effects described in the first embodiment can be applied to this embodiment. That is, the description of the first embodiment includes the wavelength of the multi-wavelength laser, the type of wavelength, the BPP of the multi-wavelength laser, the output of the multi-wavelength laser, the oscillation method of the multi-wavelength laser, the rise time of the laser oscillation device 10 and the like. It is applicable also to the form of.

以下に、本実施の形態である突き合わせ継手のレーザ溶接方法の一例を示す。 Below, an example of the laser welding method of the butt joint which is this Embodiment is shown.

厚さＴ３が０．８ｍｍの加工物７３と、厚さＴ４が０．８ｍｍの加工物７４とを突き合わせて厚さ０．８ｍｍの突き合わせ継手をレーザ溶接する。集光レンズの焦点距離ｆを１０００ｍｍとし、実施の形態１の（表１）の９種類の波長の多波長レーザを用いると、焦点Ｆ１の分布幅は１．２ｍｍとなる。これにより、厚さ０．８ｍｍの突き合わせ継手の上面から下面までの全域に焦点Ｆ１を分布させることができる。集光レンズの焦点距離ｆを５００ｍｍとし、（表１）の９種類の波長の多波長レーザを用いると、焦点Ｆ１の分布幅は０．６ｍｍとなる。これにより、厚さ０．８ｍｍの突き合わせ継手の上面から下面までの範囲内に焦点Ｆ１を分布させることができる。以上のように、突き合わせ継手の上面から下面にわたる領域の全域に焦点Ｆ１を分布させても良く、一部に焦点Ｆ１を分布させても良い。また、焦点Ｆ１の分布幅の中心は、突き合わせ継手の上面から下面にわたる領域の中心と一致させても良い。また、焦点Ｆ１の分布幅の中心は、突き合わせ継手の上面から下面にわたる領域の中心よりも上面側にしても良い。これにより、突き合わせ継手の下面側への過剰な入熱を抑制できる。 A workpiece 73 having a thickness T3 of 0.8 mm and a workpiece 74 having a thickness T4 of 0.8 mm are butted together, and a butt joint having a thickness of 0.8 mm is laser-welded. When the focal length f of the condensing lens is 1000 mm and the nine wavelength multi-wavelength lasers shown in Table 1 of Embodiment 1 are used, the distribution width of the focal point F1 is 1.2 mm. Thereby, the focus F1 can be distributed over the entire region from the upper surface to the lower surface of the butt joint having a thickness of 0.8 mm. When the focal length f of the condensing lens is 500 mm and the multi-wavelength lasers with nine wavelengths shown in (Table 1) are used, the distribution width of the focus F1 is 0.6 mm. Thereby, the focus F1 can be distributed within the range from the upper surface to the lower surface of the butt joint having a thickness of 0.8 mm. As described above, the focal points F1 may be distributed over the entire region from the upper surface to the lower surface of the butt joint, or the focal points F1 may be distributed in part. Further, the center of the distribution width of the focal point F1 may coincide with the center of the region extending from the upper surface to the lower surface of the butt joint. The center of the distribution width of the focal point F1 may be on the upper surface side of the center of the region extending from the upper surface to the lower surface of the butt joint. Thereby, excessive heat input to the lower surface side of the butt joint can be suppressed.

また、多波長レーザを伝送するファイバ、レーザ出射部、シールドガス、加工物に関しては、実施の形態１に記載された条件および効果が本実施の形態にも適用できる。 Further, the conditions and effects described in the first embodiment can be applied to the present embodiment with respect to the fiber transmitting the multi-wavelength laser, the laser emitting portion, the shielding gas, and the workpiece.

以上のようなレーザ溶接方法を行うことによって、図８（ｃ）に示すように、加工物７３および加工物７４には、レーザによって、上部の幅がＷｔ２であり、下部の幅がＷｂ２である溶接部が形成され、加工物７３と加工物７４とが接続される。 By performing the laser welding method as described above, as shown in FIG. 8C, the workpiece 73 and the workpiece 74 have an upper width of Wt2 and a lower width of Wb2 due to the laser. A weld is formed, and workpiece 73 and workpiece 74 are connected.

このように、多波長レーザによって焦点距離が異なる複数の焦点を結ぶことができ、疑似的にレーリー長さが長くなるとともに加工物を複数の焦点によって均等に加熱することができる。これにより、加工物に合わせた最適な溶接条件で突き合わせ継手を溶接することができる。 In this way, a plurality of focal points having different focal lengths can be formed by the multi-wavelength laser, and the Rayleigh length can be increased in a pseudo manner, and the workpiece can be heated uniformly by the plurality of focal points. Thereby, a butt joint can be welded on the optimal welding conditions according to the workpiece.

（実施の形態３）
本開示の、実施の形態４のレーザ溶接方法を、図面を用いて説明する。図９（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態のレーザ溶接方法を示す概略図である。本実施の形態は、特に、実施の形態１のレーザ溶接装置を用いて、隅肉溶接を行うレーザ溶接方法である。また、実施の形態１の重ね溶接を行うレーザ溶接方法と重複する事項であり、かつ、本実施の形態と矛盾なく適用できる事項については特に記載はせず、本実施の形態に適用するものである。 (Embodiment 3)
The laser welding method according to the fourth embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. FIGS. 9A to 9C are schematic views showing the laser welding method of the present embodiment. In particular, the present embodiment is a laser welding method for performing fillet welding using the laser welding apparatus of the first embodiment. In addition, it is an item that overlaps with the laser welding method for performing the lap welding of the first embodiment, and the items that can be applied without contradiction to the present embodiment are not particularly described, and are applied to the present embodiment. is there.

図９（ａ）に示すように、厚さＴ５である加工物７５（第５の加工物）と、厚さＴ６である加工物７６（第６の加工物）とがＴ字型に配置された、隅肉継手のレーザ溶接方法について説明する。 As shown in FIG. 9A, a workpiece 75 (fifth workpiece) having a thickness T5 and a workpiece 76 (sixth workpiece) having a thickness T6 are arranged in a T-shape. A laser welding method for fillet joints will be described.

まず、図９（ａ）に示すように、加工物７６の上に、加工物７５をＴ字型に配置する。次に、制御装置８０によってレーザ発振装置１０を制御し、多波長レーザをレーザ発振装置１０からファイバ３０に出力する。そして、レーザ発振装置１０から出力された多波長レーザは、ファイバ３０を経由してレーザ出射部４０に伝送される（図示せず）。 First, as shown in FIG. 9A, the workpiece 75 is arranged in a T shape on the workpiece 76. Next, the control device 80 controls the laser oscillation device 10 to output a multi-wavelength laser from the laser oscillation device 10 to the fiber 30. The multi-wavelength laser output from the laser oscillation device 10 is transmitted to the laser emitting unit 40 via the fiber 30 (not shown).

次に、図９（ｂ）に示すように、レーザ出射部４０からレーザを出射して、加工物７５と加工物７６とを、互いに接する部分で溶接する。このとき、加工物７５と加工物７６と右端の接点に対して、加工物７６の上面との角度がφ１で、距離がＬ１の位置にレーザ出射部４０の先端を配置する。レーザ出射部４０からの多波長レーザのうちの、一つのレーザの焦点をＦ１とし、加工物７５と加工物７６と右端の接点からの焦点Ｆ１の深さをＤ１とする。レーザ出射部４０からのレーザの波長の数と同じ数だけ、焦点Ｆ１および深さＤ１が存在する。 Next, as shown in FIG. 9B, a laser is emitted from the laser emitting unit 40, and the workpiece 75 and the workpiece 76 are welded at a portion in contact with each other. At this time, the tip of the laser emitting unit 40 is disposed at a position where the angle between the workpiece 75 and the workpiece 76 and the right end contact with the upper surface of the workpiece 76 is φ1 and the distance is L1. Of the multi-wavelength lasers from the laser emitting section 40, the focal point of one laser is F1, and the depth of the focal point F1 from the contact point of the workpiece 75, the workpiece 76, and the right end is D1. There are as many focal points F1 and depths D1 as the number of wavelengths of the laser beams from the laser emitting section 40.

以下に、本実施の形態である隅肉継手のレーザ溶接方法の一例を示す。 Below, an example of the laser welding method of the fillet joint which is this Embodiment is shown.

厚さＴ５が０．８ｍｍの加工物７５と、厚さＴ６が０．８ｍｍの加工物７６とをＴ字型に配置した隅肉継手をレーザ溶接する。集光レンズの焦点距離ｆを５００ｍｍとし、実施の形態１の（表１）の９種類の波長の多波長レーザを用いると、焦点Ｆ１の分布幅は０．６ｍｍとなる。これにより、厚さ０．８ｍｍの隅肉継手の加工物７５と加工物７６の内部に焦点Ｆ１を分布させることができる。また、焦点Ｆ１の分布幅は、隅肉継手の加工物７５と加工物７６の内部に収まるようにしても良いし、隅肉継手の加工物７５と加工物７６よりも手前（レーザ出射側）にはみ出すようにしても良い。これにより、隅肉継手の加工物７６の下面側への過剰な入熱を抑制できる。 A fillet joint in which a workpiece 75 having a thickness T5 of 0.8 mm and a workpiece 76 having a thickness T6 of 0.8 mm are arranged in a T shape is laser-welded. When the focal length f of the condensing lens is 500 mm and the multi-wavelength lasers of the nine types of wavelengths in Table 1 of Embodiment 1 are used, the distribution width of the focus F1 is 0.6 mm. Thereby, the focus F1 can be distributed inside the workpiece 75 and the workpiece 76 of the fillet joint having a thickness of 0.8 mm. Further, the distribution width of the focus F1 may be within the fillet joint workpiece 75 and the workpiece 76, or before the fillet joint workpiece 75 and the workpiece 76 (on the laser emission side). You may make it stick out. Thereby, excessive heat input to the lower surface side of the workpiece 76 of the fillet joint can be suppressed.

以上のようなレーザ溶接方法を行うことによって、図９（ｃ）に示すように、加工物７５および加工物７６には、レーザによって溶接部が形成され、加工物７５と加工物７６とが接続される。 By performing the laser welding method as described above, as shown in FIG. 9C, a welded portion is formed on the workpiece 75 and the workpiece 76 by the laser, and the workpiece 75 and the workpiece 76 are connected to each other. Is done.

このように、多波長レーザによって焦点距離が異なる複数の焦点を結ぶことができ、疑似的にレーリー長さが長くなるとともに加工物を複数の焦点から均等に加熱することができる。これにより、加工物に合わせた最適な溶接条件で隅肉継手を溶接することができる。 Thus, a plurality of focal points having different focal lengths can be formed by the multi-wavelength laser, and the Rayleigh length can be increased in a pseudo manner, and the workpiece can be heated uniformly from the plurality of focal points. Thereby, a fillet joint can be welded on the optimal welding conditions according to a workpiece.

本開示に係るレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法によると、多波長レーザによって、焦点距離が異なる複数の焦点を結ぶことができ、加工物を複数の焦点から均等に加熱することができる。これにより、加工物に合わせた最適な溶接条件で溶接することができ、産業上有用である。 According to the laser welding apparatus and the laser welding method according to the present disclosure, a plurality of focal points having different focal lengths can be formed by the multi-wavelength laser, and the workpiece can be uniformly heated from the plurality of focal points. Thereby, it can weld on the optimal welding conditions according to the workpiece, and is industrially useful.

１レーザ溶接装置
１０レーザ発振装置
１１，１２半導体レーザ
１３分光器
１４部分反射鏡
２１，２３レーザ出射端
２２，２４全反射端
２５第１の面
２６第２の面
３０ファイバ
３１入射端
３２シングルクラッドファイバ
３３，３６コア
３４，３７，３８クラッド
３５ダブルクラッドファイバ
３９出射端
４０レーザ出射部
４１，４４空間
４２コリメートレンズ
４３集光レンズ
４５，４８排出口
４６，４７導入口
５０シールドガス供給装置
５１，５２ガスボンベ
５３〜５６バルブ
６０マニピュレータ
７０〜７６加工物
８０制御装置
８１ティーチングペンダント
８２メイン制御部
８３レーザ発振装置通信部
８４シールドガス供給装置通信部
８５マニピュレータ通信部
８６記憶部
１０１レーザ溶接装置
１０２３相交流電源
１０３ブレーカ
１０４整流平滑回路
１０５チョッパ回路
１０６整流平滑化出力回路
１０７ＹＡＧレーザ発振器
１０８アークランプ
１０９ＹＡＧレーザ棒
１１０光ファイバケーブル
１１１制御盤
１１２ＰＷＭパルス発生器
１１３制御回路
１１４起動回路
１１５ＹＡＧレーザ照射ヘッド
１１６レンズ
１１７プリズム
１１８ノズルボディ
１１９銅チップ
１２０Ｒ右側レーザ光束
１２０Ｌ左側レーザ光束
１２１Ｒ右側焦点
１２１Ｌ左側焦点
１２２母材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser welding apparatus 10 Laser oscillation apparatus 11,12 Semiconductor laser 13 Spectroscope 14 Partial reflection mirror 21,23 Laser output end 22,24 Total reflection end 25 1st surface 26 2nd surface 30 Fiber 31 Incident end 32 Single clad Fiber 33, 36 Core 34, 37, 38 Clad 35 Double clad fiber 39 Emission end 40 Laser emission part 41, 44 Space 42 Collimating lens 43 Condensing lens 45, 48 Ejection port 46, 47 Introduction port 50 Shield gas supply device 51, 52 Gas cylinder 53-56 Valve 60 Manipulator 70-76 Workpiece 80 Control device 81 Teaching pendant 82 Main control unit 83 Laser oscillation device communication unit 84 Shield gas supply device communication unit 85 Manipulator communication unit 86 Storage unit 101 Laser welding device DESCRIPTION OF SYMBOLS 102 Three-phase alternating current power supply 103 Breaker 104 Rectification smoothing circuit 105 Chopper circuit 106 Rectification smoothing output circuit 107 YAG laser oscillator 108 Arc lamp 109 YAG laser rod 110 Optical fiber cable 111 Control panel 112 PWM pulse generator 113 Control circuit 114 Start-up circuit 115 YAG laser irradiation head 116 Lens 117 Prism 118 Nozzle body 119 Copper chip 120R Right laser beam 120L Left laser beam 121R Right focus 121L Left focus 122 Base material

Claims

第１の加工物と第２の加工物とを継手形状となるように配置する工程と、
レーザ発振装置から波長合成されたレーザを出力する工程と、
前記波長合成されたレーザをレーザ出射部から出射する工程と、
前記継手形状の継手部分に、前記波長合成されたレーザを照射し、前記第１の加工物と前記第２の加工物とを接続する工程と、
を備えたレーザ溶接方法。 Arranging the first workpiece and the second workpiece so as to have a joint shape;
Outputting a wavelength-synthesized laser from a laser oscillation device;
Emitting the wavelength-synthesized laser from a laser emitting unit;
Irradiating the joint portion of the joint shape with the wavelength-synthesized laser, and connecting the first workpiece and the second workpiece;
A laser welding method comprising:

前記継手形状は、重ね継手である請求項１に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 1, wherein the joint shape is a lap joint.

前記継手形状は、突き合わせ継手である請求項１に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 1, wherein the joint shape is a butt joint.

前記継手形状は、隅肉継手である請求項１に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 1, wherein the joint shape is a fillet joint.

前記第１の加工物および前記第２の加工物は同じ材質であり、
前記材質は、軟鋼、ステンレス鋼およびアルミ合金のいずれか１つである請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ溶接方法。 The first workpiece and the second workpiece are the same material,
The laser welding method according to claim 1, wherein the material is any one of mild steel, stainless steel, and an aluminum alloy.

前記材質は軟鋼またはステンレス鋼であり、
前記第１の加工物および前記第２の加工物の厚さは、０．３ｍｍ〜５０ｍｍである請求項５に記載のレーザ溶接方法。 The material is mild steel or stainless steel,
The laser welding method according to claim 5, wherein a thickness of the first workpiece and the second workpiece is 0.3 mm to 50 mm.

前記材質はアルミ合金であり、
前記第１の加工物および前記第２の加工物の厚さは、０．５ｍｍ〜３０ｍｍである請求項５に記載のレーザ溶接方法。 The material is an aluminum alloy,
The laser welding method according to claim 5, wherein thicknesses of the first workpiece and the second workpiece are 0.5 mm to 30 mm.

前記材質は軟鋼であり、
前記継手部分には、シールドガスとして、空気、アルゴン、二酸化炭素、窒素、ヘリウムのいずれか１つまたはこれらの組み合わせが供給される請求項５に記載のレーザ溶接方法。 The material is mild steel;
The laser welding method according to claim 5, wherein the joint portion is supplied with any one of air, argon, carbon dioxide, nitrogen, helium, or a combination thereof as a shielding gas.

前記材質はステンレス鋼またはアルミ合金であり、
前記継手部分には、シールドガスとして、アルゴン、窒素、ヘリウムのいずれか１つまたはこれらの組み合わせが供給される請求項５に記載のレーザ溶接方法。 The material is stainless steel or aluminum alloy,
The laser welding method according to claim 5, wherein any one or a combination of argon, nitrogen, and helium is supplied as a shielding gas to the joint portion.

溶接速度は、０．１〜５０ｍ／分である請求項１〜９のいずれかに記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to any one of claims 1 to 9, wherein the welding speed is 0.1 to 50 m / min.

前記レーザ発振装置は、第１のレーザ出射端および第１の全反射端とを有する第１の半導体レーザと、第２のレーザ出射端および第２の全反射端とを有する第２の半導体レーザと、分光器と、部分反射鏡とを有し、
前記第１の全反射端と前記部分反射鏡との間で、前記分光器を介して第１のレーザを発振し、
前記第２の全反射端と前記部分反射鏡との間で、前記分光器を介して第２のレーザを発振する請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザ溶接方法。 The laser oscillation device includes a first semiconductor laser having a first laser emission end and a first total reflection end, and a second semiconductor laser having a second laser emission end and a second total reflection end. And a spectroscope and a partial reflector,
A first laser is oscillated between the first total reflection end and the partial reflection mirror via the spectroscope,
The laser welding method according to claim 1, wherein a second laser is oscillated between the second total reflection end and the partial reflection mirror via the spectroscope.

前記第１の半導体レーザは、複数のエミッタを有する第１の半導体レーザバーであり、
前記第２の半導体レーザは、複数のエミッタを有する第２の半導体レーザバーである請求項１１に記載のレーザ溶接方法。 The first semiconductor laser is a first semiconductor laser bar having a plurality of emitters;
The laser welding method according to claim 11, wherein the second semiconductor laser is a second semiconductor laser bar having a plurality of emitters.

前記第１の半導体レーザは、複数の前記第１の半導体レーザバーが積み重ねられ、
前記第２の半導体レーザは、複数の前記第２の半導体レーザバーが積み重ねられている請求項１２に記載のレーザ溶接方法。 In the first semiconductor laser, a plurality of the first semiconductor laser bars are stacked,
The laser welding method according to claim 12, wherein the second semiconductor laser is formed by stacking a plurality of the second semiconductor laser bars.

前記レーザ出射部と前記継手部分とは、５００ｍｍ以上離れて配置されている請求項１〜１３のいずれかに記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to any one of claims 1 to 13, wherein the laser emitting portion and the joint portion are spaced apart by 500 mm or more.

前記レーザ出射部は、前記波長合成されたレーザを集光し、
集光された前記波長合成されたレーザは、前記第１の加工物および前記第２の加工物の厚さ方向に複数の焦点を結び、擬似的にレーリー長さを長くする請求項１〜１４のいずれかに記載のレーザ溶接方法。 The laser emitting unit condenses the wavelength-synthesized laser,
15. The focused wavelength-synthesized laser forms a plurality of focal points in the thickness direction of the first workpiece and the second workpiece, and artificially increases the Rayleigh length. The laser welding method according to any one of the above.

波長合成されたレーザを出射するレーザ発振装置と、
第１の端部が、前記レーザ発振装置に接続され、前記波長合成されたレーザを伝送するファイバと、
前記第１の端部とは反対側の前記ファイバの第２の端部が接続され、前記波長合成されたレーザを加工物に出射するレーザ出射部と、
前記レーザ出射部に接続され、前記レーザ出射部を動かす駆動装置と、を備えた、レーザ溶接装置。 A laser oscillation device for emitting a wavelength-synthesized laser;
A fiber having a first end connected to the laser oscillator and transmitting the wavelength-synthesized laser;
A laser emitting section connected to the second end of the fiber opposite to the first end, and emitting the wavelength-synthesized laser to a workpiece;
A laser welding apparatus comprising: a driving device connected to the laser emitting unit and moving the laser emitting unit.