CN106061667A - 激光加工头 - Google Patents

Abstract

本发明的激光加工头(50)具有准直透镜(4)、聚焦透镜(5)、以及喷嘴单元(43)，喷嘴单元(43)具有保护构件(25、26)、内侧喷嘴(11)、外侧喷嘴(27)、喷嘴保持部(10)、以及孔口件(30)，外侧喷嘴(27)设置在内侧喷嘴(11)的外侧，喷嘴保持部(10)保持内侧喷嘴(11)和外侧喷嘴(27)，孔口件(30)与内侧喷嘴(11)相接，且被夹持在喷嘴保持部(10)与外侧喷嘴(27)之间，在喷嘴保持部(10)设有将设于喷嘴保持部(10)的空气供给口(29)与孔口件(30)相连的第一气体路径，在孔口件(30)设有将设于内侧喷嘴(11)和外侧喷嘴(27)之间的第二气体路径与第一气体路径相连的第三气体路径，在喷嘴单元(43)的前端附近设有与第二气体路径连接的开口部，由此充分地防止溅射物、粉尘向聚焦透镜(5)的附着。

Description

激光加工头

技术领域

本发明涉及从与加工点分离的位置向加工点照射激光来进行激光焊接的激光加工头的构造。

背景技术

近年来，使用焦距长的激光，从与加工点分离的位置向加工点照射激光来进行激光焊接的被称为远程激光加工的加工法受到注目。通常，在远程激光加工中使用的激光加工头在上部设有聚光透镜，在作为下部的前端部安装有喷嘴单元。导入到激光加工头的激光被聚光透镜会聚，并通过激光加工头内，最终从喷嘴单元向加工物照射。与激光的照射相应地，激光加工头从喷嘴单元喷出辅助气体来吹散加工物的熔融物，从而进行加工物的切割。

在这种激光加工头中，由于在激光加工中激光通过聚光透镜，因此，聚光透镜的温度上升。因此，为了防止温度上升所引起的聚光透镜的变形、即所谓的热透镜现象，而提出有利用辅助气体来冷却聚光透镜的方法。例如，在专利文献1中，记载有如下的激光加工头，其构成为：在透镜以及透镜支承件的周边的支架上设置气体通路，利用通过气体通路的辅助气体来冷却透镜。

另外，在这种激光加工头中，在激光加工中产生的溅射物、粉尘有时会附着于聚光透镜。因此，提出有利用辅助气体来防止溅射物、粉尘向聚光透镜的附着的方法。例如，在专利文献2中记载有如下的激光加工头，其构成为：通过以将辅助气体吹向聚光透镜的表面的方式使辅助气体流动，从而防止溅射物、粉尘向聚光透镜的附着。

使用图6进一步具体进行说明。图6是示出现有的激光加工机的激光加工头900的图。如图6所示，现有的激光加工头900具有透镜支架901、聚光透镜902、透镜支承件903、透镜按压件904、导环905、衬套906、喷嘴支架907、以及喷嘴908。聚光透镜902借助透镜支承件903和透镜按压件904保持于透镜支架901。另外，透镜支架901在侧面具有气体导入口909，在透镜支架901的下方固定有导环905。此外，在导环905的下方设置有衬套906、喷嘴支架907、以及喷嘴908。

而且，在激光加工头900的导环905的上端外周缘设有倾斜引导面910，另外，在激光加工头900的透镜按压件904的前端内周缘设有倾斜引导面911。在这些倾斜引导面910、911的作用下，从气体导入口909导入的辅助气体吹向聚光透镜902，最终从喷嘴908朝向加工物W喷射。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本实开昭63-34590号公报

专利文献2：日本特开平10-216977号公报

发明内容

在专利文献1所记载的现有的激光加工头中，辅助气体的喷出口朝向与聚光透镜的下表面平行的方向，因此，辅助气体在相互碰撞的状态下从激光加工头的前端喷出。另外，在专利文献2所记载的激光加工头中，辅助气体朝向聚光透镜喷出。因此，现有的激光加工头的朝向前端的辅助气体的流动弱，将从激光加工头的前端进入的溅射物、粉尘推回的作用也变弱。另外，当为了确保激光的光路而增大激光加工头的前端(喷嘴的前端)的开口时，辅助气体将溅射物、粉尘排出的排出力进一步变弱。由此，无法充分地防止溅射物、粉尘向聚光透镜的附着。

本发明的技术在于，提供一种解决上述问题点的激光加工头。

为了解决上述技术问题，本发明的激光加工头具备准直透镜、聚焦透镜、以及喷嘴单元。准直透镜使激光平行化，聚焦透镜使平行化后的激光会聚，会聚后的激光通过喷嘴单元。而且，喷嘴单元具有保护构件、内侧喷嘴、外侧喷嘴、喷嘴保持部、以及孔口件。保护构件使激光透过，透过了保护构件的激光通过内侧喷嘴。外侧喷嘴设置在内侧喷嘴的外侧，喷嘴保持部保持内侧喷嘴和外侧喷嘴。孔口件与内侧喷嘴相接，且被夹持在喷嘴保持部与外侧喷嘴之间。在喷嘴保持部设有第一气体路径，第一气体路径将设于喷嘴保持部的空气供给口与孔口件相连。在孔口件设有将第二气体路径与第一气体路径相连的第三气体路径，第二气体路径设于内侧喷嘴与外侧喷嘴之间。在喷嘴单元的前端附近设有与第二气体路径连接的开口部。

根据本发明的激光加工头，能够充分地防止溅射物、粉尘向聚光透镜的附着。

附图说明

图1是示出实施方式的激光加工头的剖视图。

图2是示出实施方式的激光加工头的立体图，(a)是从激光加工头取出防护支架(Shield holder)的状态，(b)是在激光加工头中收纳有防护支架的状态。

图3是示出实施方式的防护支架的立体图，(a)是将防护支架分解后的状态，(b)是将防护支架组装后的状态。

图4是实施方式的喷嘴单元的剖视图。

图5是实施方式的孔口件(orifice)的图。

图6是示出以往的激光加工头的剖视图。

具体实施方式

(实施方式)

以下，使用图1～图5来说明本发明的实施方式。图1是示出本实施方式的激光加工头50的剖视图。图2是示出本实施方式的激光加工头50的立体图，(a)是从激光加工头50取出防护支架8的状态的立体图，(b)是在激光加工头50中收纳有防护支架8的状态的立体图。图3是示出本实施方式的防护支架8的立体图，(a)是将防护支架8分解后的立体图，(b)是将防护支架8组装后的立体图。图4是本实施方式中的喷嘴单元43的剖视图。图5是实施方式中的孔口件30的图，(a)是孔口件30的俯视立体图，(b)是孔口件30的侧视图，(c)是孔口件30的仰视立体图。

首先，使用图1，对激光加工头50具体进行说明。激光加工头50具有连接器12、透镜主体1、主体外壳6、防护支架8、喷嘴单元43、以及伺服电动机14、21。需要说明的是，防护支架8能够相对于喷嘴单元43(图4示出详细构造)装拆，关于连接器12、透镜主体1、主体外壳6、喷嘴单元43、伺服电动机14、21的结构，也可以将这多个构件一体化。

(关于连接器12)

激光加工头50具有连接器12，并经由连接器12与光纤连接。激光LB在以固定的角度扩宽的同时从光纤的端部向激光加工头50内射出。

(关于透镜主体1)

透镜主体1对固定有准直透镜4和聚焦透镜5的透镜支架3进行保持。准直透镜4使从光纤的出射端面射出的激光LB平行化。然后，被准直透镜4平行化了的激光在聚焦透镜5的作用下以在加工物的加工点处形成焦点的方式会聚。需要说明的是，在本实施方式中，准直透镜4的直径φ＝30mm，表示透镜的明亮度的F值是80。聚焦透镜5的直径φ＝30mm，F值是500。另外，准直透镜4以及聚焦透镜5是对合成石英制的平凸透镜进行了AR(Anti-Reflection)涂层处理而得到的。需要说明的是，准直透镜4以及聚焦透镜5不局限于平凸透镜，也可以如非球面透镜那样是修正了球面像差的透镜。

另外，在透镜主体1上设有冷却水软管连接部2、13。在透镜支架3的外周部、即透镜支架3与透镜主体1之间设有流水路。从冷却水软管连接部2向透镜主体1导入冷却水，经由流水路而能够将冷却水从冷却水软管连接部13排出。由此，使冷却水在流水路中循环，经由透镜支架3而能够间接地将准直透镜4和聚焦透镜5冷却。由此，能够抑制准直透镜4、聚焦透镜5的由激光LB引起的热透镜效果。热透镜效果是指因热变形而使透镜的焦点位置发生变化的现象。另外，透镜主体1、透镜支架3确定光纤的出射端面、准直透镜4以及聚焦透镜5的光学位置关系。冷却水还能够抑制透镜支架3、透镜主体1的热膨胀，也防止由于上述的光学位置关系发生变化而引起的焦点位置的变化。需要说明的是，冷却水不局限于在透镜主体1内循环，也可以在激光加工头50的内部整体循环，从而防止热对其他光学构件造成的不良影响。

(关于主体外壳6)

在主体外壳6上设有伺服电动机14(第一驱动部)、同步带15(第一传递构件)、同步带轮16(第一旋转构件)、平行板17(第一平行板)、以及支架18(第一支架)，由这些构件构成光学单元41(第一光学单元)。平行板17的两端固定在由轴承保持的圆筒状的支架18内。在支架18的外周面设有同步带轮(未图示)，支架18经由同步带15并在伺服电动机14的作用下进行旋转。具体而言，支架18以第一旋转轴为中心进行旋转，第一旋转轴的方向与从激光加工头50输出的激光的光轴方向相同。伺服电动机14例如是50W的带串行编码器的无刷DC伺服电动机、即所谓的AC伺服电动机。

在本实施方式中，同步带轮16的旋转与平行板17的旋转的减速比为32：60，伺服电动机14的位置控制分辨率为2048ppr。因此，第一光学单元41的位置分辨率为4.2μm，相对于激光的照射位置的精度而言具有足够的分辨率。另外，激光的照射位置的移动的最大速度为123m/分以上，在激光焊接等激光加工的实际应用方面是足够的速度。在本实施方式的运转条件设定中，最高输出旋转速度为14400°/秒，最大加速度为300000°/秒²。

此外，在主体外壳6上设有伺服电动机21(第二驱动部)、同步带22(第二传递构件)、同步带轮20(第二旋转构件)、平行板19(第二平行板)以及支架7(第二支架)，由此构成光学单元42(第二光学单元)。平行板19的两端固定在由轴承保持的圆筒状的支架7内。在支架7的外周面设有同步带轮(未图示)，支架7经由同步带22并在伺服电动机21的作用下进行旋转。具体而言，支架7以第二旋转轴为中心进行旋转，第二旋转轴的方向与从激光加工头50输出的激光的光轴方向相同。伺服电动机21例如是50W的带串行编码器的无刷DC伺服电动机，即所谓的AC伺服电动机。

即，光学单元41与光学单元42是相同的结构，各个部件全部相同。通过这种方式，两个光学单元41、42的响应平衡变得相同，容易进行控制。而且，光学单元41与光学单元42的第一旋转轴的方向和第二旋转轴的方向相同，并且，光学单元41与光学单元42在主体外壳6内对称地配置。即，相对于与第一旋转轴(以及第二旋转轴)垂直的面对称地配置。在图1中，光学单元41与光学单元42上下对称地配置。当这样配置时，在伺服电动机14与伺服电动机21沿相同的方向旋转的情况下，平行板17的旋转方向与平行板19的旋转方向相反。另外，通过使驱动平行板17的伺服电动机14的旋转方向反转，从而还能够使平行板17的旋转方向与平行板19的旋转方向沿相同的方向旋转。

需要说明的是，从激光加工头50的小型化以及扩宽激光加工头50的激光照射范围的方面来看，期望光学单元41与光学单元42配置为第一旋转轴与第二旋转轴一致。另外，优选第一旋转轴以及第二旋转轴的方向与从光纤入射时的激光LB的光轴方向相同。此外，更优选第一旋转轴以及第二旋转轴与从光纤入射时的激光LB的光轴一致。

接着，对光学单元41、42的激光的行为进行说明。

通过了聚焦透镜5的激光在通过平行板17时发生两次(向平行板17入射时和从平行板17射出时)折射。由此，激光平移如下量，该平移量由平行板17的板厚、平行板17相对于第一旋转轴的安装角度即平行板17的倾斜角度、以及平行板17的折射率来确定。即，向平行板17入射的激光的光轴(第一光轴)与从平行板17射出的激光的光轴(第二光轴)的方向是相同的，位置发生偏移。这种情况在相同结构的平行板19中也同样。即，向平行板19入射的激光的光轴(第二光轴)与从平行板19射出的激光的光轴(第三光轴)的方向是相同的，位置发生偏移。本实施方式的平行板17与平行板19为合成石英制，板厚t＝13mm，相对于第一旋转轴(第二旋转轴)的倾斜角为45°，折射率为1.44963。在该情况下，通过了平行板17的激光(激光的光轴)移动4.1mm。之后，激光(激光的光轴)在通过平行板19时也同样，移动4.1mm。因此，本实施方式中的激光的动作范围在半径为8.2mm、即直径为16.4mm的圆内。

(关于喷嘴单元43)

接着，对激光加工头50的前端的构造进行说明。

如图1所示，在主体外壳6的前端附近连接有喷嘴单元43，在喷嘴单元43的上部固定有保护玻璃25。需要说明的是，喷嘴单元43是在喷嘴保持部10设有内侧喷嘴11和外侧喷嘴27的构件。主体外壳6的前端是指射出激光这一侧的端部。另外，在喷嘴单元43中的、比保护玻璃25靠前端方向侧的位置处，成为能够收纳设有保护玻璃26(保护构件)的防护支架8的构造。即，防护支架8相对于喷嘴单元43能够装拆，保护玻璃26相对于喷嘴单元43也能够装拆。

在本实施方式中，保护玻璃25的直径φ＝40mm，保护玻璃26的直径φ＝30mm，均是在合成石英制且厚度t＝2mm的窗口材料上实施了AR涂层。保护玻璃25通过未图示的螺纹压圈而固定于激光加工头50(具体而言是喷嘴单元43)。

接着，使用图2对保护玻璃26和防护支架8具体进行说明。考虑到维护性，保护玻璃26被设置在能够沿与激光的光轴方向正交的方向滑动且能够相对于激光加工头50装拆的防护支架8中。通过从激光加工头50拆下防护支架8而将保护玻璃26取出到激光加工头50外，通过向激光加工头50安装防护支架8而将保护玻璃26配置在激光加工头50内。图2的(a)是示出从激光加工头50拆下防护支架8后的状态的图。图2的(b)是示出将防护支架8安装于激光加工头50后的状态的图。

此外，使用图3对防护支架8进行说明。图3的(a)是设有保护玻璃26的防护支架8的分解图，图3的(b)是设有保护玻璃26的防护支架8的组装图。防护支架8由以夹持保护玻璃26的方式分割为两部分的第一构件23和第二构件24、以及O型环28构成，第一构件23和第二构件24通过固定用的杆9的操作而能够容易地结合、分离。保护玻璃26借助O型环28的弹性变形力而在圆周方向上保持于防护支架8，并通过被第一构件23和第二构件24夹持而在轴向上得以保持。通过操作杆9，能够使第一构件23与第二构件24容易分离，不使用工具就能够容易地进行保护玻璃26的更换。

需要说明的是，也可以不设置保护玻璃25，而仅设置相对于激光加工头50能够装拆的保护玻璃26。但是，在该情况下，当在使用激光加工头50的通常的使用环境下更换保护玻璃26时，在拆下保护玻璃26之际，异物有可能进入激光加工头50内而附着于平行板19等。因此，如本实施方式那样，通过设置两个保护玻璃25、26，由此即便在使用激光加工头50的通常的使用环境下更换保护玻璃26也不会产生问题，另外，能够提高便利性，因此是优选的。

接着，使用图4和图5来说明防止在激光加工中溅射物、粉尘向保护玻璃26的附着。图4是本实施方式的喷嘴单元43的剖视图。图5是本实施方式的孔口件30的图。

在图1所示的激光加工头50中，在相对于保护玻璃26而言的激光的输出端侧，设有由内侧喷嘴11和外侧喷嘴27构成的中空圆锥台状的喷嘴32。如图4所示，喷嘴单元43具有防护支架8、喷嘴保持部10、内侧喷嘴11、以及外侧喷嘴27。内侧喷嘴11与外侧喷嘴27在喷嘴32的前端部附近相接。在内侧喷嘴11的前端部，通过设置为放射状的槽(切口)而形成有开口部。在喷嘴保持部10设有空气供给口29，在喷嘴保持部10的内部设有与空气供给口29连接的环状的空间31(第一气体路径)。孔口件30以与内侧喷嘴11相接的方式夹设在喷嘴保持部10与外侧喷嘴27之间。另外，孔口件30与空间31相连。另外，内侧喷嘴11与外侧喷嘴27以在它们之间设有环状的空间33(第二气体路径)的方式组合。

在此，使用图5对孔口件30具体进行说明。如图5的(a)所示，在孔口件30的内周的下方等间隔地形成有槽。另外，如图5的(b)所示，就孔口件30的侧面而言，在整周上中央比上方以及下方向内侧凹陷，并且与内周的槽相连。即，如图5的(a)、(b)以及(c)所示，孔口件30具有将外周面35与孔口件30的下方相连的孔34(第三气体路径)。孔34在孔口件30中等间隔地设置，是图4所示的将空间31与空间33相连且剖面方向上呈L字形状的贯通孔。具体而言，空间31与孔口件30的外周的开口连接，空间33与孔口件30的下表面的开口连接。由此，从空气供给口29导入的辅助气体通过孔口件30的孔34而从空间31大致均匀地被供给至空间33。

而且，如图4所示，由于内侧喷嘴11在前端设有切口，因此，在与外侧喷嘴27接触的接触部中等间隔地具有开口部，能够将来自空间33的辅助气体呈环状且大致均匀地喷出。由此，能够从喷嘴单元43朝向激光加工头50的下方喷出高速的空气喷流，能够防止激光加工中的溅射物、粉尘侵入到激光加工头50中。另外，由于该空气喷流吹向加工物，因此，能够防止粉尘滞留在加工物W加工点附近。粉尘会引起激光的反射、折射、吸收，使加工点处的激光输出下降。需要说明的是，内侧喷嘴11和外侧喷嘴27由喷嘴保持部10保持。

另外，外侧喷嘴27的前端部相对于喷嘴保持部10能够装拆，在消耗、损伤的情况下，可以仅更换前端部。根据该构造，能够降低喷嘴的维护成本。

需要说明的是，在前端部设有槽的内侧喷嘴11的最小径大于可更换的外侧喷嘴27的最小径，构成为外侧喷嘴27覆盖内侧喷嘴11的构造。根据该构造，能够防止内侧喷嘴11的前端的槽部的损伤、溅射物的堵塞。

另外，喷嘴32的前端的开口大于通过平行板17、19的旋转而变化的激光的照射范围。但是，若是本实施方式的激光加工头50的喷嘴单元43，由于高速、向下且呈均匀的环状地喷出辅助气体，因此，能够防止溅射物、粉尘向保护玻璃26的附着。

另外，也可以一体地构成孔口件30和外侧喷嘴27。

工业上的可利用性

根据本发明的激光加工头，能够充分地防止溅射物、粉尘向聚光透镜的附着，在工业上，作为例如用于远程激光加工等的激光加工头是有用的。

附图标号说明

1 透镜主体

2、13 冷却水软管连接部

3 透镜支架

4 准直透镜

5 聚焦透镜

6 主体外壳

7、18 支架

8 防护支架

9 杆

10 喷嘴保持部

11 内侧喷嘴

12 连接器

14、21 伺服电动机

15、22 同步带

16、20 同步带轮

17、19 平行板

23 第一构件

24 第二构件

25、26 保护玻璃

27 外侧喷嘴

28 O型环

29 空气供给口

30 孔口件

31 空间

32 喷嘴

33 空间

34 孔(第三气体路径)

35 外周面

41、42 光学单元

43 喷嘴单元

50 激光加工头

W 加工物

Claims (8)

1.一种激光加工头，其特征在于，具备：

准直透镜，其使激光平行化；

聚焦透镜，其使平行化后的所述激光会聚；以及

喷嘴单元，其供会聚后的所述激光透过，

所述喷嘴单元具有：

保护构件，其使所述激光透过；

内侧喷嘴，其供透过了所述保护构件的所述激光通过；

外侧喷嘴，其设置在所述内侧喷嘴的外侧；

喷嘴保持部，其保持所述内侧喷嘴和所述外侧喷嘴；以及

孔口件，其与所述内侧喷嘴相接，且被夹持在所述喷嘴保持部与所述外侧喷嘴之间，

在所述喷嘴保持部设有第一气体路径，所述第一气体路径将设于所述喷嘴保持部的空气供给口与所述孔口件相连，

在所述孔口件设有将第二气体路径与所述第一气体路径相连的第三气体路径，所述第二气体路径设于所述内侧喷嘴与所述外侧喷嘴之间，

在所述喷嘴单元的前端附近设有与所述第二气体路径连接的开口部。

2.根据权利要求1所述的激光加工头，其中，

所述第一气体路径是在所述喷嘴保持部的内部设置的环状的空洞。

3.根据权利要求1或2所述的激光加工头，其中，

所述孔口件呈环状，

在所述孔口件上等间隔地设置多个所述第三气体路径，

所述第三气体路径是将所述孔口件的侧面与下表面相连的贯通孔。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光加工头，其中，

所述第二气体路径是设置在所述内侧喷嘴与所述外侧喷嘴之间的环状的空洞。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光加工头，其中，

在所述内侧喷嘴与所述外侧喷嘴的边界处等间隔地设置多个所述开口部，

所述开口部是设于所述内侧喷嘴的切口。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光加工头，其中，

所述保护构件相对于所述喷嘴单元能够装拆。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光加工头，其中，

所述激光加工头还具备：

第一平行板，其使会聚后的所述激光的第一光轴向第二光轴移动；

第一驱动部，其使所述第一平行板以第一旋转轴为中心进行旋转；

第二平行板，其使移向所述第二光轴的所述激光的光轴向第三光轴移动；以及

第二驱动部，其使所述第二平行板以第二旋转轴为中心进行旋转，

所述第一旋转轴的方向与所述第二旋转轴的方向相同。

8.根据权利要求7所述的激光加工头，其中，

所述激光加工头还具备：

第一支架，其保持所述第一平行板；

第一旋转构件，其设置在所述第一支架的外周面，并使所述第一支架旋转；

第一传递构件，其将所述第一驱动部的驱动力传递至所述第一旋转构件；

第二支架，其保持所述第二平行板；

第二旋转构件，其设置在所述第二支架的外周面，并使所述第二支架旋转；以及

第二传递构件，其将所述第二驱动部的驱动力传递至所述第二旋转构件，

由所述第一驱动部、所述第一平行板、所述第一支架、所述第一旋转构件、以及所述第一传递构件构成第一光学单元，

由所述第二驱动部、所述第二平行板、所述第二支架、所述第二旋转构件、以及所述第二传递构件构成第二光学单元，

所述第一光学单元的形状与所述第二光学单元的形状相同。