JP7382552B2 - レーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法 - Google Patents

レーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法 Download PDF

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Description

本発明はレーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法に関する。
近年、ワークの材質や形状に応じて、レーザ光のパワー分布を変化させてレーザ加工を行う技術が提案されてきている。
例えば、特許文献１は、レーザ光と光学的に結合可能な束状の複数の光ファイバにレーザ光を入射するレーザシステムを開示している。このレーザシステムは、レーザ光の光路上に配置されたリフレクタ又は集光レンズと、それらを動かすピエゾアクチュエータとを含む。ピエゾアクチュエータは、束状の複数の光ファイバにおけるレーザ光の入射位置を変化させることで、複数の光ファイバのうち、選択された光ファイバにレーザ光を入射させる。また、各光ファイバはマルチクラッドファイバからなる。ピエゾアクチュエータは、光ファイバにおけるレーザ光の入射位置を調整することでレーザ光のパワー分布を変化させている。
また、特許文献２には、集光レンズの位置を移動させたり、レーザ光の光路上にくさび状の光学素子を挿入したりすることで、マルチクラッドファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置を変化させる構成が提案されている。
米国特許出願公開第２０１８／１５９２９９号明細書 米国特許第８７８１２６９号明細書
しかし、特許文献１に開示された構成では、比較的大型の光学部品であるリフレクタや集光レンズをアクチュエータで動かすため、その応答性に問題があり、レーザ光の光路を高速に変更し、光ファイバへの入射位置を変化させることが難しかった。このため、ワークの形状が変化した場合等に、当該変化に応じてレーザ光のパワー分布を制御するのが難しく、ワークの加工品質を維持するのが難しかった。
また、特許文献２に開示されるように、集光レンズの位置を移動させてレーザ光の入射位置を変化させる方法は、集光レンズを直線状にアクチュエータで動かす必要があるため、位置精度と応答性を両立させる上で問題があった。また、連続発振中のレーザ光の光路上に光学素子を挿入しながらこれを動かすと、レーザ光が光学素子のエッジ部分によって思わぬ方向に散乱されるため、レーザ加工に不具合を生じるおそれがあった。また、散乱されたレーザ光によってレーザ共振器の内部が損傷するおそれがあった。
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡便な構成でレーザ光のパワー分布を変更可能なレーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、コアと、前記コアの外周側に前記コアと同軸に設けられた第１クラッドと、前記第１クラッドの外周側に前記コアと同軸に設けられた第２クラッドと、を少なくとも有し、入射端面および前記入射端面とは反対の出射端を有する光ファイバと、前記レーザ発振器に設けられ、前記レーザ光を前記光ファイバの入射端面に導入するビーム制御機構と、前記光ファイバの出射端に取付けられ、前記レーザ光をワークに向けて照射するレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備え、前記ビーム制御機構は、前記レーザ光を受け取って所定の倍率で集光する集光レンズと、前記集光レンズと前記光ファイバの入射端面との間の前記レーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の光路の変更と保持をする光路変更保持機構と、前記光路変更保持機構の動作を制御するコントローラと、を少なくとも有し、前記ビーム制御機構は、前記光ファイバの入射端面における前記レーザ光の入射位置を変化させることで、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とする。
この構成によれば、光ファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置を容易に変更でき、レーザ光出射ヘッドから出射されるレーザ光のパワー分布を簡便に制御することができる。
本発明に係るレーザ加工方法は、前記レーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、前記ワークに向けて第１のパワー分布を有する前記レーザ光を照射する第１照射ステップと、引き続き、前記ワークに向けて前記第１のパワー分布とは異なる第２のパワー分布を有する前記レーザ光を照射する第２照射ステップと、を少なくとも備えたことを特徴とする。
この方法によれば、溶接開始初期にワークに溶融池及びキーホールを確実に形成できるとともに、ワークの溶接品質を高められる。
本発明のレーザ加工装置によれば、レーザ光のパワー分布を簡便に制御することができる。本発明のレーザ加工方法によれば、ワークの溶接品質を高められる。
本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。 光ファイバの屈折率分布を示す模式図である。 ビーム制御機構をＸ方向から見た模式図である。 ビーム制御機構の要部をＹ方向から見た模式図である。 ビーム制御機構の要部をＺ方向から見た模式図である。 レーザ光の入射位置を変化させた場合の光ファイバの入射端近傍の状態を示す模式図である。 レーザ光の入射位置を変化させた場合の光ファイバの入射端近傍の状態を示す模式図である。 光ファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置とコアの内部に伝送されるレーザ光のパワー比率との関係を示す図である。 光ファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置とレーザ光出射ヘッドから出射されるレーザ光のビームプロファイルとの関係を示す図である。 比較のためのワークの溶接箇所の断面模式図である。 実施形態１に係るワークの溶接箇所の断面模式図である。 ワークの溶接シーケンスである。 実施形態２に係るワークの溶接シーケンスである。 ワークの溶接箇所の断面模式図である。 変形例に係るワークの溶接シーケンスである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
（実施形態１）
［レーザ加工装置の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成の模式図を示し、レーザ加工装置１０００は、レーザ発振器１０とビーム制御機構２０とコントローラ８０と光ファイバ９０とレーザ光出射ヘッド１００とマニピュレータ１１０とを備えている。また、図２は、光ファイバ９０の断面構造と屈折率分布を示す。
レーザ発振器１０は、図示しない電源から電力の供給を受けてレーザ光ＬＢを発生させるレーザ光源である。なお、レーザ発振器１０は、単一のレーザ光源で構成されていてもよいし、複数のレーザモジュールで構成されていてもよい。後者の場合は、複数のレーザモジュールからそれぞれ出射されたレーザ光を結合してレーザ光ＬＢとして出射する。
ビーム制御機構２０は、レーザ発振器１０に設けられており、レーザ光ＬＢを光ファイバ９０の入射端面に導入するとともに、光ファイバ９０の出射端から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御する。ビーム制御機構２０の構成及び動作については後で述べる。
光ファイバ９０は、いわゆるマルチクラッドファイバである。光ファイバ９０は、コア９０ａと、コア９０ａの外周側にコア９０ａと同軸に設けられた第１クラッド９０ｂと、第１クラッド９０ｂの外周側にコア９０ａと同軸に設けられた第２クラッド９０ｃとを有する。コア９０ａと第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとはその主成分が石英からなり、図２に示すように、コア９０ａの屈折率が最も高く、第１クラッド９０ｂ、第２クラッド９０ｃの順に屈折率が低くなる。第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとの屈折率は、共に屈折率を下げることのできる、異なった種類または濃度の物質をドーピングすることによって調整されてもよい。また、コア９０ａの屈折率は、屈折率を上げることのできる、異なった種類または濃度の物質をドーピングすることによって調整されてもよい。このような屈折率分布を持った光ファイバ９０では、所定の角度でコア９０ａに入射されたレーザ光ＬＢは第１クラッド９０ｂに入ることなく、コア９０ａの中を伝搬することができるが、所定の角度で第１クラッド９０ｂに入射されたレーザ光ＬＢは第２クラッド９０ｃに入ることなく、第１クラッド９０ｂの中を伝搬することができる。このようなレーザ光ＬＢの伝搬方法を実現するための光ファイバの構造として、図２に示す構造はあくまでも一例であり、必ずしもコア９０ａと第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとで異なった屈折率を持たせる必要はない。例えば、コア９０ａと第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとを同じ屈折率Ｎ１にすると共に、コア９０ａと第１クラッド９０ｂとの間に、また第１クラッド９０ｂと第２クラッド９０ｃとの間に、屈折率Ｎ２（Ｎ２＜Ｎ１）を有する薄い層を設けてもよい。そうすることによって、所定の角度でコア９０ａに入射されたレーザ光ＬＢは第１クラッド９０ｂに入ることなく、コア９０ａの中を伝搬することができるが、所定の角度で第１クラッド９０ｂに入射されたレーザ光ＬＢは第２クラッド９０ｃに入ることなく、第１クラッド９０ｂの中を伝搬することができる。屈折率Ｎ２を有する層は、その主成分が石英であるが、屈折率を下げることのできる物質をドーピングすればよい。光ファイバ９０に入射されたレーザ光ＬＢは、コア９０ａ及び／または第１クラッド９０ｂを伝搬し、光ファイバ９０の出射端に到達する。また、図示しないが、第２クラッド９０ｃの外周面には光ファイバ９０を機械的に保護する皮膜または樹脂系の保護層が設けられている。
レーザ光出射ヘッド１００は、光ファイバ９０の出射端に取付けられており、光ファイバ９０で伝送されたレーザ光ＬＢをワーク２００に向けて照射し、ワーク２００がレーザ加工される。なお、レーザ光出射ヘッド１００の内部には図示しない光学部品、例えば、コリメータレンズや集光レンズや保護ガラス等が配設されている。
コントローラ８０は、レーザ発振器１０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１０に接続された図示しない電源に対して出力電流やオン時間等の制御信号を供給することにより、レーザ発振制御を行う。
また、コントローラ８０は、選択されたレーザ加工プログラムの内容に応じて、ビーム制御機構２０に設けられたモータ７０（図４Ａ，４Ｂ参照）の駆動制御を行う。さらに、コントローラ８０は、マニピュレータ１１０の動作を制御する。なお、レーザ加工プログラムは、図示しない記憶部に保存されている。記憶部はコントローラ８０の内部に設けられていてもよいし、コントローラ８０の外部に設けられ、コントローラ８０とデータのやり取りを可能に構成されていてもよい。なお、コントローラ８０はビーム制御機構２０の一部を構成している。
マニピュレータ１１０はコントローラ８０に接続され、前述のレーザ加工プログラムに応じて所定の軌跡を描くようにレーザ光出射ヘッド１００を移動させる。なお、マニピュレータ１１０の動作を制御するコントローラを別に設けるようにしてもよい。
［ビーム制御機構の構成］
図３は、ビーム制御機構をＸ方向から見た模式図を、図４Ａは、ビーム制御機構の要部をＹ方向から見た模式図を、図４Ｂは、ビーム制御機構の要部をＺ方向から見た模式図をそれぞれ示す。なお、本願明細書において、ビーム制御機構２０の内部において、集光レンズ３０に入射するまでのレーザ光ＬＢの進行方向をＺ方向と、モータ７１の出力軸７０ａの延びる方向をＸ方向と、Ｘ方向及びＺ方向をそれぞれ略直交する方向をＹ方向とそれぞれ呼ぶことがある。Ｚ方向は、レーザ光ＬＢの光軸の延びる方向と同方向である。Ｘ方向はＺ方向と略直交している。また、モータ７０の出力軸７０ａの軸線をＸ軸（第１軸）と呼ぶことがある。
なお、本願明細書において、「略直交」とは、各部品の組立公差を含んで直交しているという意味であり、厳密に直交していることまでを要求するものではない。同様に、「略等しい」とは、各部品の製造公差や組立公差を含んで等しいという意味であり、厳密に比較対象となる両者が等しいことまでを要求するものではない。また、「略等しい」とは、推定値との比較において所定の確度で等しいことも意味するが、厳密に推定値と比較対象とが等しいことまでを要求するものではない。
図３及び図４Ａ，４Ｂに示すように、ビーム制御機構２０は、集光レンズ３０と光学部材５０とモータ７０とを有している。また、前述したように、ビーム制御機構２０は、コントローラ８０を有している。後で述べるように、モータ７０と光学部材５０とは、集光レンズ３０で集光された後のレーザ光ＬＢの光路の変更と保持をする光路変更保持機構４０として機能する。
レーザ光ＬＢは、図示しない光学部品、例えば、コリメートレンズ等により平行光に変換された状態で集光レンズ３０に入射される。集光レンズ３０は所定の倍率でレーザ光ＬＢを集光し、光ファイバ９０の入射端面９０ｄに入射させる。
光学部材５０は、レーザ光ＬＢに対して透明な材質からなる平行平板状の部材である。光学部材５０は、例えば、石英からなり、レーザ光ＬＢの波長に対して１よりも大きい屈折率を有する。光学部材５０は、入射したレーザ光ＬＢに対する反射率をできるだけ下げるために、両面反射防止コーティイングを施されたものを使用してよい。反射防止コーティングを施した場合の反射率は、１％よりはるかに小さいことが望ましい。光学部材５０は、集光レンズ３０と光ファイバ９０の入射端面９０ｄとの間のレーザ光ＬＢの光路上に配置されており、集光レンズ３０で集光された後のレーザ光ＬＢが入射される。
モータ７０は出力軸７０ａを有しており、ホルダ６０を介して光学部材５０に連結されている。モータ７０を駆動させて出力軸７０ａがＸ軸周りに回転することで、光学部材５０はホルダ６０との連結部を中心としてＹＺ平面内に回転する。なお、モータ７０は一方向（図３に示す方向Ａ）のみに回転するのではなく、正逆両方向（図３に示す方向Ｂ）に回転可能に構成されている。また、回転周波数は可変であり、溶接加工を行う際には、数Ｈｚ～数ｋＨｚ程度の範囲で変化させることができる。また、後述するように、ビーム制御機構２０を動作させる場合、モータ７０は一方向に連続して回転動作を行うのではなく、所定の角度範囲で回転する。言い換えると、光学部材５０はホルダ６０との連結部を中心として所定の角度で傾動する。また、モータ７０は、光学部材５０を設定された角度範囲で高速に往復回転させることができる。また、モータ７０はコントローラ８０に接続され、コントローラ８０からの制御信号によって駆動される。
なお、光学部材５０のＺ方向の厚さは１ｍｍから数ｍｍ程度であるが、特にこれに限定されず、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおけるレーザ光ＬＢの移動距離とモータ７０の回転角度との関係で適宜別の値に変更しうる。当該厚さが数ｍｍ程度であると、また、集光レンズ３０と光ファイバ９０の入射端面９０ｄとの間の、集光されたレーザ光ＬＢが通過する狭い位置に設置するため、その必要サイズが小さく、モータ７０によって高速、例えば、数ｋＨｚの回転周波数で往復回転させることが容易となる。
［レーザ光のパワー分布の変更手順］
次に、レーザ光ＬＢのパワー分布の変更手順について説明する。
図５Ａおよび図５Ｂは、レーザ光の入射位置を変化させた場合の光ファイバの入射端近傍の状態を示す。
モータ７０の出力軸７０ａが初期位置にある場合、光学部材５０はレーザ光ＬＢの光軸に対して略直交するように配置される。この状態では、図５Ａに示すように、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおいて、レーザ光ＬＢはコア９０ａに入射される。
次に、コントローラ８０からの制御信号により、モータ７０を図３に示す方向Ａに所定の角度で回転させると、モータ７０の回転に応じて光学部材５０はホルダ６０との連結部を中心としてＹＺ平面内を所定の角度で傾動する。この角度に応じて、光学部材５０の光入射面とレーザ光ＬＢの光軸との角度が変化し、光学部材５０の内部でレーザ光ＬＢの光路が変更される。光路が変更されたレーザ光ＬＢが光ファイバ９０の入射端面９０ｄに入射されるとともに、その入射位置が変化する。例えば、図５Ｂに示すように、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおいて、レーザ光ＬＢはその多くの部分が第１クラッド９０ｂに入射されるが、少しの部分がコア９０ａにも入射される。
このように、モータ７０を駆動して光学部材５０を傾動させることで、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおけるレーザ光ＬＢの入射位置を連続的に変化させることができる。また、レーザ光ＬＢの入射位置を変化させることで、例えば、コア９０ａに伝送されるレーザ光ＬＢと第１クラッド９０ｂに伝送されるレーザ光ＬＢのパワー比率を変化させることができる。
図６は、光ファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置とコアの内部に伝送されるレーザ光のパワー比率との関係を、図７は、光ファイバの入射端面におけるレーザ光の入射位置とレーザ光出射ヘッドから出射されるレーザ光のビームプロファイルとの関係をそれぞれ示す。なお、図７に示すビームプロファイルは、レーザ光出射ヘッド１００から出射され、焦点位置に結像されたレーザ光ＬＢのパワー分布に相当する。また、図７に示すビームプロファイルは、光ファイバ９０の出射端から出射されたレーザ光ＬＢのパワー分布にも相当する。
レーザ光ＬＢの入射位置が図６に示すＩの場合、レーザ光ＬＢはコア９０ａ内に１００％入射され、レーザ光ＬＢのビームプロファイルは、図７に示すように半値幅の狭い単峰状となる（レーザ光ＬＢの入射位置：Ｉ～ＩＩ）。
レーザ光ＬＢの入射位置がコア９０ａから第１クラッド９０ｂに近づいて、図６に示すＩＩの位置に来るまでは同様に、レーザ光ＬＢの１００％がコア９０ａに入射され、ビームプロファイルは単峰状に維持される。
一方、レーザ光ＬＢの入射位置が図６に示すＩＩとＩＩＩとの間の場合、つまり、コア９０ａと第１クラッド９０ｂとの境界部分付近までにレーザ光ＬＢが入射される場合、レーザ光ＬＢのうち数％から５０％以下までが第１クラッド９０ｂに入射される。このため、図７に示すように、ビームプロファイルは単峰状の部分とその両側に形成された半値幅の広いテラス状の部分とを含むように変化する（レーザ光ＬＢの入射位置：～ＩＩＩ）。前者がコア９０ａ内に入射されるレーザ光ＬＢに対応し、後者が第１クラッド９０ｂ内に入射されるレーザ光ＬＢに対応する。また、コア９０ａ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワー比率が低下するのに伴い、単峰状の部分のピーク値は低下する。
レーザ光ＬＢの入射位置を図６に示すＩＩＩの位置になると、コア９０ａ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワー比率が第１クラッド９０ｂ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワー比率と等しくなる。コア９０ａの断面積が第１クラッド９０ｂの断面積と等しい場合には、ビームプロファイルのうち単峰状の部分のピーク値とテラス状の部分のピーク値が一致するようになり、図７に示すように、レーザ光ＬＢ全体のビームプロファイルは単峰状となるものの、コア９０ａ内にのみレーザ光ＬＢが入射される場合に比べて、そのピーク値は低く、かつ半値幅は大きくなる（レーザ光ＬＢの入射位置：ＩＩＩ）。一方、コア９０ａの断面積が第１クラッド９０ｂの断面積より小さい場合には、ビームプロファイルは、図７に示すように、単峰状の部分とその両側に形成される半値幅の広いテラス状の部分とを含むような形となる（レーザ光ＬＢの入射位置：～ＩＩＩ）。また、コア９０ａの断面積が第１クラッド９０ｂの断面積より大きい場合には、ビームプロファイルは、図７に示すように、双峰状となる（レーザ光ＬＢの入射位置：～ＩＶ）。
レーザ光ＬＢの入射位置がコア９０ａから離れていくと（図６に示すＩＩＩとＩＶとの間）、コア９０ａ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワーが減少し、第１クラッド９０ｂ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワー比率は高くなる。その結果、図７に示すように、ビームプロファイルのうち、コア９０ａ内に伝送される成分に対応する部分のピーク値が低下し、第１クラッド９０ｂ内に伝送される成分に対応する部分のピーク値が高くなり、ビームプロファイルは双峰状となる（レーザ光ＬＢの入射位置：～ＩＶ）。なお、双峰状のビームプロファイルにおけるピーク値は、レーザ光ＬＢの入射位置が図６に示すＩの場合に得られる単峰状のビームプロファイルのピーク値よりも低い。図示していないが、レーザの入射位置をコア９０ａから更に離れていくと（図６に示すＩＶとＶとの間）、コア９０ａ内に入射されるレーザ光ＬＢのパワーが０％となり、レーザ光ＬＢが１００％第１クラッド９０ｂ内に入射される。
レーザ光ＬＢの入射位置を完全に第２クラッド９０ｃ内にすると、図７に示すように、ビームプロファイルのうち、コア９０ａ内に伝送される成分に対応する部分のピーク値が０％まで低下し、第１クラッド９０ｂ内に伝送される成分に対応する部分のピーク値が最大となり、ビームプロファイルはピーク値の最も高い双峰状となる（レーザ光ＬＢの入射位置：Ｖ～ＶＩの場合）。なお、双峰状のビームプロファイルにおけるピーク値は、レーザ光ＬＢの入射位置が図６に示すＩの場合に得られる単峰状のビームプロファイルのピーク値よりも低い。
以上説明したように、モータ７０を駆動して光学部材５０を傾動させることで、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおけるレーザ光ＬＢの入射位置を変化させることができる。また、レーザ光ＬＢの入射位置を変化させることで、例えば、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイル、つまり、パワー分布を変化させることができる。
また、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルを変化させることで、ワーク２００の加工形状、例えば、溶接形状を良好なものとすることができる。このことについてさらに説明する。
図８は、比較のためのワークの溶接箇所の断面模式図を、図９は、本実施形態に係るワークの溶接箇所の断面模式図をそれぞれ示す。
一般に、金属からなるワーク２００をレーザ溶接する際、レーザ光ＬＢが照射された部分が加熱されて溶け込みを生じ、溶融池２１０が形成される。また、レーザ光ＬＢが照射された部分では表面でワーク２００を構成する材料の蒸発が起こり、その反力でワーク２００の内部にキーホール２２０が形成される。
図８に示す例では、レーザ光ＬＢは光ファイバ９０のコア９０ａ内にのみ伝送されてレーザ光出射ヘッド１００からワーク２００に向けて照射されており、溶接箇所におけるレーザ光ＬＢのパワー密度は高く、かつ照射されるレーザ光ＬＢのスポット径は小さくなっている。
このような場合、ワーク２００の溶け込みが形成しやすくなりキーホール２２０が深くなる一方、キーホール２２０の開口２２１があまり拡がらず、図８に示すように、キーホール２２０の内部でくびれ部２２２を生じてしまうことがある。また、くびれ部２２２が閉じてしまうことによりワーク２００の内部に気泡２２３が残存してしまう。さらに、閉じたくびれ部２２２が再度キーホール２２０となる際に、キーホール２２０の内部から表面に向かって溶融金属が急激に噴出すると、ワーク２００の表面にスパッタ２１２が付着したり、溶融池２１０の表面が波立ったりする。溶融池２１０はレーザ光ＬＢの通過後に急速に冷却されて固化するため、このような波が生じると、レーザ溶接の進行方向に沿って、溶融池２１０の後方でワーク２００の表面に凹凸２１１（後方振動部２１１ともいう）が生じてしまう。
また、この波は溶融池２１０と凝固部分の境界で反射して跳ね返ってくる。この反射波がキーホール２２０まで到達すると、キーホール２２０を埋めるように流れ込んでしまう。流れ込んだ溶融金属はレーザ光ＬＢに急速加熱されて、金属蒸気を急に発生させるために、キーホール２２０の円柱状形状が乱れることがある。以上説明した、キーホール２２０の形状乱れや気泡２２３の発生やワーク２００の表面に生じるスパッタ２１２や凹凸２１１は，溶接品質を低下させる要因となっていた。
一方、本実施形態によれば、ビーム制御機構２０を用いてレーザ光出射ヘッド１００からワーク２００に向けて照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を変化させることができる。このため、例えば、光学部材５０の傾動角度を調整して、コア９０ａ内に伝送されるレーザ光ＬＢと第１クラッド９０ｂ内に伝送されるレーザ光ＬＢとのパワー比率を変更することで、図９に示すようなビームプロファイルのレーザ光ＬＢをワーク２００に向けて照射することができる。
このような場合、図８に示す場合よりも溶け込み深さＤは若干浅くなるものの、コア９０ａから出射されたレーザ光ＬＢにより所望の溶け込み深さＤが得られる。一方、第１クラッド９０ｂから出射されたレーザ光ＬＢによりキーホール２２０の開口２２１を図８に示す場合に比べて拡げることができる。さらに、キーホール２２０の内壁面にもレーザ光ＬＢが照射され、かつ多重反射によりレーザ光ＬＢがキーホール２２０の内部に到達する過程でレーザ光ＬＢがワーク２００に吸収される。このことにより、キーホール２２０の内壁面同士がくっついて、くびれ部２２２が形成されるのを抑制でき、ひいてはワーク２００の内部に気泡２２３が発生するのを抑制できる。また、キーホール２２０の内部から表面に向かって急激に溶融金属が噴出するのを抑えられ、溶融池２１０の後方でワーク２００の表面に形成される凹凸２１１を小さくできる。また、キーホール２２０の形状乱れを抑制できる。以上のことから、レーザ溶接における溶接品質を高めることができる。
また、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布をレーザ溶接中に切り替えることによって、溶接品質を高めることができる。
図１０は、ワークの溶接シーケンスを示し、溶接開始直後では、ワーク２００に溶融池２１０は形成されていない。溶接開始直後では、所望の溶け込み深さＤを得ることが望まれる。そのために、コントローラ８０は、モータ７０を駆動して、コア９０ａのみにレーザ光ＬＢを入射させる。これにより、ワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのスポット径を小さくし、溶接箇所におけるレーザ光ＬＢのパワー密度を高めている（第１照射ステップ）。一方、溶融池２１０及びキーホール２２０が形成された後には、前述したようなくびれ部２２２等の形成を抑制することが望まれる。そのために、コントローラ８０は、モータ７０を駆動して、コア９０ａ及び第１クラッド９０ｂにレーザ光ＬＢを入射させる。これにより、キーホール２２０の開口２２１が拡がるようにし、かつ所望の溶け込み深さＤが得られるようにする（第２照射ステップ）。
このようにすることで、レーザ溶接において、ワーク２００に確実に溶融池２１０及びキーホール２２０を形成できるとともに、ワーク２００の内部の気泡２２３や表面の凹凸２１１等の発生を抑制して、溶接品質を高めることができる。
また、これらに限られず、ワーク２００の材質及び／またはワーク２００におけるレーザ加工対象部位の形状に応じて、ビーム制御機構２０を動作させて、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御することで、種々の材質や形状を有するワーク２００をレーザ加工することができ、かつその加工品質を高められる。
［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工装置１０００は、レーザ光ＬＢを発生させるレーザ発振器１０と、コア９０ａと、コア９０ａの外周側にコア９０ａと同軸に設けられた第１クラッド９０ｂと、第１クラッド９０ｂの外周側にコア９０ａと同軸に設けられた第２クラッド９０ｃと、を少なくとも有し、入射端面９０ｄおよび入射端面９０ｄとは反対の出射端を有する光ファイバ９０と、レーザ発振器１０に設けられ、レーザ光ＬＢを光ファイバ９０の入射端面９０ｄに導入するビーム制御機構２０と、光ファイバ９０の出射端に取付けられレーザ光ＬＢをワーク２００に向けて照射するレーザ光出射ヘッド１００と、を少なくとも備えている。
ビーム制御機構２０は、レーザ発振器１０で発生したレーザ光ＬＢを受け取って所定の倍率で集光する集光レンズ３０と、集光レンズ３０と光ファイバ９０の入射端面９０ｄとの間のレーザ光ＬＢの光路上に配置され、レーザ光ＬＢの光路の変更と保持をする光路変更保持機構４０と、光路変更保持機構４０の動作を制御するコントローラ８０と、を有している。本実施形態では、光路変更保持機構４０は、平行平板状の光学部材５０と、光学部材５０に連結されたモータ７０と、を備える。本実施形態では、コントローラ８０は、モータ７０の動作を制御する。
ビーム制御機構２０は、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおけるレーザ光ＬＢの入射位置を変化させることで、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御する。
このように、集光レンズ３０と光ファイバ９０の入射端面９０ｄとの間のレーザ光ＬＢの光路上に光路変更保持機構４０を設けることで、レーザ光ＬＢの光路を容易に変更することができる。例えば、特許文献２に示されるように、光学部材５０を集光レンズ３０の手前に配置しても、集光レンズ３０を通過した後のレーザ光ＬＢは焦点位置に結像されてしまうため、その光路を変更することはできない。
一方、本実施形態によれば、前述の位置に平行平板状の光学部材５０を設けることで、光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおけるレーザ光ＬＢの入射位置を容易に変更でき、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を簡便に制御することができる。
なお、集光レンズ３０に入射される前に、レーザ光ＬＢは平行光に変換されているのが好ましい。
このようにすることで、集光レンズ３０から出射されるレーザ光ＬＢの光路及び光軸が一定となるため、光路変更保持機構４０によってレーザ光ＬＢの光路を容易に変更することができる。
また、光学部材５０は、レーザ光ＬＢを透過させるとともに、レーザ光ＬＢの光軸と交差するＸ軸（第１軸）周りに傾動可能に設けられている。コントローラ８０がモータ７０を駆動して光学部材５０をＸ軸周りに傾動させることで、ビーム制御機構２０は光ファイバ９０の入射端面９０ｄにおけるレーザ光ＬＢの入射位置を変化させる。
レーザ光ＬＢの光路上に配置された平行平板状の光学部材５０をＸ軸周りに傾動させることで、レーザ光ＬＢの光路を確実にかつ高速に変更することができる。このことにより、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を高速に変化させることができる。特に光学部材５０の厚さが１ｍｍから数ｍｍ程度であると、また、集光レンズ３０と光ファイバ９０の入射端面９０ｄとの間の、集光されたレーザ光ＬＢが通過する狭い位置に光学部材５０を設置するため、その必要サイズが小さく、モータ７０によって高速に傾動させることが容易となる。また所定の角度範囲で往復回転させることが容易となる。
また、集光レンズ３０と光ファイバ９０の入射端面９０ｄとの間のレーザ光ＬＢの光路上に予め光学部材５０を配置し、これを傾動させてレーザ光ＬＢの光路を変更するため、特許文献２に開示されたように、レーザ装置の内部でレーザ光ＬＢがけられることがない。このことにより、レーザ装置の損傷を抑制できるとともに、レーザ加工の加工品質を高く維持することができる。
また、ビーム制御機構２０は、コア９０ａ及び第１クラッド９０ｂの少なくとも一方にレーザ光ＬＢを入射させる。
このようにすることで、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を多段階にかつ容易に変化させることができる。
ビーム制御機構２０は、ワーク２００の材質及びワーク２００におけるレーザ加工対象部位の形状のうち少なくとも一方に応じて、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を制御する。
このようにすることで、種々の材質や形状を有するワーク２００をレーザ加工することができ、かつその加工品質を高められる。また、本実施形態に係るレーザ加工装置１０００をレーザ溶接に用いる場合は、外観が良好な溶接ビードを形成できる。
ビーム制御機構２０は、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布をワーク２００のレーザ加工中に切り替えるように構成されているのが好ましい。
また、本実施形態に係るレーザ加工方法は、ワーク２００に向けて第１のパワー分布を有するレーザ光ＬＢを照射する第１照射ステップと、引き続き、ワーク２００に向けて第１のパワー分布とは異なる第２のパワー分布を有するレーザ光ＬＢを照射する第２照射ステップと、を少なくとも備えている。
第１照射ステップでは、ワーク２００の表面に溶融池２１０及びキーホール２２０を形成し、第２照射ステップでは、キーホール２２０の開口２２１を拡げるとともに、所望の溶け込み深さＤとなるように溶融池２１０を成長させる。
このようにすることで、例えば、ワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を狭めて溶接開始初期に溶融池２１０及びキーホール２２０を確実に形成できる。また、溶融池２１０及びキーホール２２０が形成された後は、ワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を拡げて、キーホール２２０の開口２２１が拡がるようにすることで、ワーク２００の内部に気泡２２３が発生したり、表面に凹凸２１１やスパッタ２１２が形成されたり、キーホール２２０の形状が乱れたりするのを抑制でき、溶接品質を高められる。また、外観が良好な溶接ビードを形成できる。
（実施形態２）
図１１は、本実施形態に係るワークの溶接シーケンスを、図１２は、ワークの溶接箇所の断面模式図をそれぞれ示す。なお、図１１，１２において、実施形態１と同様の箇所は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
モータ７０を所定の角度範囲内で往復回転（図３に示す方向Ｂ）させると、これに応じて光学部材５０も所定の角度範囲内で往復回転する。また、その回転周波数は数Ｈｚ～数ｋＨｚ程度に設定されている。つまり、ビーム制御機構２０は、レーザ光出射ヘッド１００から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布をワーク２００のレーザ加工中に切り替えるように構成されている。
この場合、図１１に示すように、レーザ光出射ヘッド１００の出射端から出射されるレーザ光ＬＢのパワー分布は周期的、かつ連続的に変化する。具体的には、単峰状のピークを有するビームプロファイルから、単峰状の部分とその両側に形成された半値幅の広いテラス状の部分とを含むビームプロファイルに連続的に変化し、かつその変化は周期的に繰り返される。また、光学部材５０の回転周波数が、レーザ光ＬＢのパワー分布が変化する周波数に相当する。
このようにすることで、例えば、ワーク２００に溶融池２１０とキーホール２２０とを確実に形成しつつ、キーホール２２０が狭まりすぎるのを防止して、気泡２２３やスパッタ２１２の発生が抑制されたレーザ溶接を行うことができる。
また、レーザ光ＬＢのパワー分布を所定の周波数、この場合は、ワーク２００に形成されたキーホール２２０の固有振動周波数に略等しい周波数で周期的に切り替えることにより、キーホール２２０の形状乱れや前述した溶融池２１０の後方に形成される凹凸２１１の発生を効果的に抑制することができる。このことについてさらに説明する。
レーザ溶接の進行方向に沿って溶融池２１０が順次形成されていく過程で、キーホール２２０もまた、レーザ溶接の進行方向に沿って移動していく。このとき、キーホール２２０は、固有の振動周波数（以下、単に固有振動周波数という）で直径方向及び／または深さ方向に伸長及び収縮を繰り返して振動している。固有振動周波数は、溶融池２１０のサイズや溶融したワーク２００の構成金属の溶融時の粘性等によって定まる値であり、多くの場合、数Ｈｚから数ｋＨｚ程度と推定されている。
この固有振動周波数に略等しい周波数でワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を周期的に変化させることで、キーホール２２０の形状が安定し、図１２に示すように、ワーク２００の内部でのくびれ部２２２の発生、ひいては気泡２２３の発生を抑制することができる。また、溶融池２１０の後方に形成される凹凸２１１を小さくすることができる。
以上に示した、レーザ光ＬＢのパワー分布を周期的、かつ連続的に変化させる方法は、特に厚板溶接に有効である。これは、板厚が厚くなると必要な溶け込みが深くなり、それを実現するためにキーホール２２０も深くなるので、キーホール２２０の不安定性（例えば、くびれ等）に起因する溶接欠陥が発生する確率が高くなるためである。
＜変形例＞
ワーク２００におけるレーザ溶接対象部位の形状がレーザ溶接の進行方向に沿って変化している場合、溶接対象部位の形状に応じて、ワーク２００に照射されるレーザ光ＬＢのパワー分布を適切に切り替えることで、良好なレーザ溶接を行うことができる。図１３を用いてさらに説明する。
図１３は、本変形例に係るワークの溶接シーケンスを示し、ワーク２００は、薄板部とそれに連続した厚板部とを有する形状となっている。厚板部の厚さは薄板部よりも厚くなっている。
まず、薄板部をレーザ溶接するにあたって、図１０に示すシーケンスでワーク２００にレーザ光ＬＢを照射する。所定以下の厚さの薄板部では、溶け込み深さＤをあまり深くしなくてよい。このため、溶接開始時に単峰状のピークを有するビームプロファイルでレーザ光ＬＢをワーク２００に照射し、溶融池２１０とキーホール２２０を形成した後は、レーザ光ＬＢのパワー分布がブロードとなるように変化させて、キーホール２２０にくびれ部２２２が形成されるのを抑制する。
次に、薄板部の溶接が終了して厚板部の溶接が開始される時点で、図１１に示すシーケンスでワーク２００にレーザ光ＬＢを照射する。つまり、固有振動周波数でレーザ光ＬＢのパワー分布を周期的に変化させつつ、ワーク２００に向けてレーザ光ＬＢを照射する。
このようにすることで、溶け込み深さＤを深くしつつ、前述したように、厚板溶接にて発生しがちな、ワーク２００内部の気泡２２３やワーク２００表面の凹凸２１１やスパッタ２１２などの溶接欠陥を抑制して溶接品質を高めることができる。
なお、ワーク２００の材質や薄板部の厚さによっては、レーザ光ＬＢのパワー分布が最初からブロードとなるように固定した状態で薄板部の溶接を行うようにしてもよい。
（その他の実施形態）
変形例を含む実施形態１，２において、図２に示す構造のマルチクラッドファイバを例に取って説明したが、他の構造であってもよい。例えば、第２クラッド９０ｃの外周側に１または複数のクラッドを設けてもよい。この場合、第２クラッド９０ｃの外側に設けたクラッドは、その屈折率を順次に低めにすればよい。なお、レーザ光ＬＢの入射できるクラッドは、最も外側のクラッドを除いたクラッドまでとしてよい。言うまでもなく、最も外側のクラッドの外にはファイバを機械的に保護する皮膜または樹脂系の保護層が設けられている。
また、ワーク２００の材質や形状、あるいは加工内容によって、レーザ光ＬＢの出力や波長は適宜変更されうる。
また、実施形態１，２において、光学部材５０をＸ軸周りに傾動させるようにしたが、Ｙ方向に延びる軸周りに傾動させるようにしてもよい。その場合は、モータ７０の出力軸７０ａがＹ方向に延びるようにモータ７０及びホルダ６０の位置が変更される。また、光学部材５０を傾動させるために、モータ７０以外のアクチュエータ、例えば、圧電式アクチュエータ等を用いてもよい。
なお、本願明細書では、溶融池２１０にキーホール２２０が形成される、いわゆるキーホール型レーザ溶接を例に取って説明したが、ワーク２００の材質や形状、また、要求される溶け込み深さや溶接ビードの幅等によってレーザ溶接のタイプは適宜選択しうる。また、レーザ溶接に限らず、レーザ切断に対して、前述したレーザ加工装置１０００及び溶接シーケンスが適用可能であることは言うまでもない。
本発明のレーザ加工装置は、簡便な構成でワークに照射するレーザ光のパワー分布を制御できるため、種々の材質あるいは形状を有するワークを加工する上で有用である。
１０ レーザ発振器
２０ ビーム制御機構
３０ 集光レンズ
４０ 光路変更保持機構
５０ 光学部材
６０ ホルダ
７０ モータ
７０ａ 出力軸
８０ コントローラ
９０ 光ファイバ
９０ａ コア
９０ｂ 第１クラッド
９０ｃ 第２クラッド
９０ｄ 入射端面
１００ レーザ光出射ヘッド
１１０ マニピュレータ
２００ ワーク
２１０ 溶融池
２２０ キーホール
２２１ 開口
１０００ レーザ加工装置
ＬＢ レーザ光

Claims (11)

  1. レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
    コアと、前記コアの外周側に前記コアと同軸に設けられた第１クラッドと、前記第１クラッドの外周側に前記コアと同軸に設けられた第２クラッドと、を少なくとも有し、入射端面および前記入射端面とは反対の出射端を有する光ファイバと、
    前記レーザ発振器に設けられ、前記レーザ光を前記光ファイバの入射端面に導入するとともに、前記光ファイバの出射端から出射される前記レーザ光のパワー分布を制御するビーム制御機構と、
    前記光ファイバの出射端に取付けられ、前記レーザ光をワークに向けて照射するレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備え、
    前記ビーム制御機構は、
    前記レーザ光を受け取って所定の倍率で集光する集光レンズと、
    前記集光レンズと前記光ファイバの入射端面との間の前記レーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の光路の変更と保持をする光路変更保持機構と、
    前記光路変更保持機構の動作を制御するコントローラと、を少なくとも有し、
    前記ビーム制御機構は、前記光ファイバの入射端面における前記レーザ光の入射位置を変化させることで、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
    前記光路変更保持機構は、
    前記レーザ光を透過させるとともに、前記レーザ光の光軸と交差する第１軸周りに傾動可能に設けられた平行平板状の光学部材と、
    前記光学部材に連結されたアクチュエータと、を有し、
    前記コントローラが前記アクチュエータを駆動して、前記光学部材を前記第１軸周りに傾動させることで、前記ビーム制御機構は前記光ファイバの入射端面における前記レーザ光の入射位置を変化させることを特徴とするレーザ加工装置。
  3. 請求項２に記載のレーザ加工装置において、
    前記ビーム制御機構は、前記コア及び前記第１クラッドの少なくとも一方に前記レーザ光を入射させることを特徴とするレーザ加工装置。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
    前記ビーム制御機構は、前記ワークの材質及び前記ワークにおけるレーザ加工対象部位の形状のうち少なくとも一方に応じて、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
  5. 請求項４に記載のレーザ加工装置において、
    前記ビーム制御機構は、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を前記ワークのレーザ加工中に切り替えるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
  6. 請求項５に記載のレーザ加工装置において、
    前記ビーム制御機構は、前記レーザ光出射ヘッドから出射される前記レーザ光のパワー分布を前記ワークのレーザ加工中に周期的、かつ連続的に切り替えるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法であって、
    前記ワークに向けて第１のパワー分布を有する前記レーザ光を照射する第１照射ステップと、
    引き続き、前記ワークに向けて前記第１のパワー分布とは異なる第２のパワー分布を有する前記レーザ光を照射する第２照射ステップと、を少なくとも備えたことを特徴とするレーザ加工方法。
  8. 請求項７に記載のレーザ加工方法において、
    前記第１照射ステップでは、前記ワークの表面に溶融池及びキーホールを形成し、
    前記第２照射ステップでは、前記キーホールの開口を拡げるとともに、所望の溶け込み深さとなるように前記溶融池を成長させることを特徴とするレーザ加工方法。
  9. 請求項７に記載のレーザ加工方法において、
    前記第１照射ステップでは、第１の厚さを有する前記ワークの第１の部分に向けて前記レーザ光を照射し、前記第２照射ステップでは、前記第１の厚さとは異なる第２の厚さを有する前記ワークの第２の部分に向けて前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工方法。
  10. 請求項８または９に記載のレーザ加工方法において、
    前記第２照射ステップでは、前記レーザ光のパワー分布を所定の周波数で周期的、かつ連続的に切り替えることを特徴とするレーザ加工方法。
  11. 請求項１０に記載のレーザ加工方法において、
    前記所定の周波数は、前記ワークに形成されたキーホールの固有振動周波数に略等しいことを特徴とするレーザ加工方法。
JP2021522716A 2019-05-29 2020-04-24 レーザ加工装置及びそれを用いたレーザ加工方法 Active JP7382552B2 (ja)

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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021115036A1 (de) 2021-06-10 2022-12-15 Precitec Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks und dazugehöriges Laserbearbeitungssystem

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2777138B2 (ja) 1988-03-16 1998-07-16 株式会社ニデック 医用レーザ装置３
JP2002224867A (ja) 2001-02-01 2002-08-13 National Institute For Materials Science レーザ溶接方法
JP2003001464A (ja) 2001-06-22 2003-01-08 Nippei Toyama Corp レーザ加工装置及びレーザ加工方法
JP2011253866A (ja) 2010-06-01 2011-12-15 Disco Abrasive Syst Ltd 分割方法
US20150293306A1 (en) 2010-04-08 2015-10-15 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Method and Arrangement for the Generation of a Laser Beam With Different Beam Profile Characteristics by Means of a Multi-Clad Fibre
JP6384786B2 (ja) 2014-08-19 2018-09-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 照明装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5857385U (ja) * 1981-10-16 1983-04-18 株式会社東芝 レ−ザ照射装置
JPS5942502A (ja) * 1982-08-31 1984-03-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd 赤外光導光路
FI122404B (fi) * 2009-04-15 2011-12-30 Outokumpu Oy Menetelmä laserhitsauksen suorittamiseksi
JP5931141B2 (ja) * 2014-08-26 2016-06-08 ファナック株式会社 ファイバコアを切り替え可能なレーザ加工装置
JP6796142B2 (ja) * 2016-04-06 2020-12-02 テラダイオード， インコーポレーテッド 可変レーザビームプロファイルのための光ファイバ構造および方法
US10195689B2 (en) * 2016-07-11 2019-02-05 GM Global Technology Operations LLC Laser welding of overlapping metal workpieces assisted by varying laser beam parameters
US10224691B2 (en) * 2016-12-02 2019-03-05 TeraDiode, Inc. Laser systems utilizing fiber bundles for power delivery and beam switching

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2777138B2 (ja) 1988-03-16 1998-07-16 株式会社ニデック 医用レーザ装置３
JP2002224867A (ja) 2001-02-01 2002-08-13 National Institute For Materials Science レーザ溶接方法
JP2003001464A (ja) 2001-06-22 2003-01-08 Nippei Toyama Corp レーザ加工装置及びレーザ加工方法
US20150293306A1 (en) 2010-04-08 2015-10-15 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Method and Arrangement for the Generation of a Laser Beam With Different Beam Profile Characteristics by Means of a Multi-Clad Fibre
JP2011253866A (ja) 2010-06-01 2011-12-15 Disco Abrasive Syst Ltd 分割方法
JP6384786B2 (ja) 2014-08-19 2018-09-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 照明装置

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