DE102018000443B4

DE102018000443B4 - Düse für einen Laserbearbeitungskopf

Info

Publication number: DE102018000443B4
Application number: DE102018000443.1A
Authority: DE
Inventors: Takashi Izumi
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2038-01-20
Also published as: CN108326418A; US20180200832A1; DE102018000443A1; US10799982B2; JP2018114542A; JP6450783B2

Abstract

Düse (2) für Laserbearbeitungskopf, die umfasst: einen rohrförmigen Düsenspitzenkörper (21), der ein Werkstück (3) mit einem Laserstrahl (LB) bestrahlt;einen Beschickungsanschluss (22), der in dem Düsenspitzenkörper (21) ausgebildet ist;einen Absauganschluss (23), der gegenüber dem Beschickungsanschluss (22) in dem Düsenspitzenkörper (21) ausgebildet ist;und ein elastisches Element (30), das in einem vorderen Ende des Düsenspitzenkörpers (21) vorgesehen ist und mit dem Werkstück (3) in Kontakt steht, wobei es sich in einer Richtung zur axialen Mitte des Düsenspitzenkörpers (21) elastisch dehnt und zusammenzieht,wobei die Düse (2) so konfiguriert ist, dass sie dem Inneren des Düsenspitzenkörpers (21) zur Erzeugung eines Unterdrucks durch einen Gasstrom in der Nähe eines Öffnungsteils (21a) des vorderen Endes des Düsenspitzenkörpers (21) entlang eines Gasströmungswegs (25), der sich in einer Form, in der er den Laserstrahl (LB) in dem Düsenspitzenkörper (21) durchquert, von dem Beschickungsanschluss (22) zu dem Absauganschluss (23) erstreckt, Gas zuführt, um eine Saugkraft zu bewirken, die gleich oder größer als eine Kraft ist, die notwendig ist, um ein Gewicht eines geschmolzenen Materials (10) anzusaugen, und das geschmolzenes Material (10), das mittels Bestrahlen des Werkstücks (3) mit dem Laserstrahl (LB) erzeugt ist, zu veranlassen aus dem Öffnungsteil (21a) des vorderen Endes des Düsenspitzenkörpers (21) abgesaugt und aus dem Absauganschluss (23) nach außerhalb des Düsenspitzenkörpers (21) abgegeben zu werden, wobei das elastische Element (30) mit dem Werkstück (3) in Kontakt steht und den Grad an Einschluss des Düsenspitzenkörpers (21) durch das Werkstück (3) verbessert und dadurch ein höherer Unterdruck als der Unterdruck erzeugt wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine an einem vorderen Ende eines Bearbeitungskopfs einer Lasermaschine montierte Düse, d.h. eine Düse für einen Laserbearbeitungskopf.
Verwandte Technik
Herkömmlicherweise wird beim Ausführen eines Bohrens unter Verwendung einer Lasermaschine zum Wegblasen und Entfernen von in einem Laserlicht aufnehmenden Bereich eines Werkstücks erzeugtem geschmolzenem Material und zur Beschleunigung einer Verbrennung des Werkstücks ein Hilfsgas wie Stickstoff und Sauerstoff koaxial zu einem Laserstrahl auf den Laserlicht aufnehmenden Bereich des Werkstücks geblasen (vergl. als Beispiel Patentschrift 1).
Patentschrift 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2013-27907
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dies ist jedoch aus folgenden Gründen unpraktisch.
Erstens besteht die Gefahr, dass beim Öffnen einer kleinen Bohrung aufgrund des Einflusses des Hilfsgases nicht nur der den Laser aufnehmende Bereich des Werkstücks sondern auch ein Peripheriebereich desselben durch Wärmeleitung des geschmolzenen Materials verformt oder entfernt wird und der Durchmesser der Bohrung größer als beabsichtigt wird.
Zweitens wird, wenn das Werkstück dick ist oder ein hohes spezifisches Gewicht aufweist (was nachstehend „wenn das Werkstück dick oder dergleichen ist“ bezeichnet wird), beim Prozess eines Bohrens durch Laserbearbeitung das geschmolzene Material schwer zu entfernen, und das Bohren erfordert viel Zeit.
Drittens wird beim Bohren des Werkstücks der den Laser aufnehmende Bereich des Werkstücks plötzlich erwärmt, und die Temperatur des Werkstücks übersteigt augenblicklich den Schmelzpunkt und den Siedepunkt. Daher spritzt das geschmolzene Material in die Richtung einer Laserbestrahlung und verunreinigt ein optisches System wie eine Linse und ein Fenster.
DE 10 2015 109 013 A1 beschreibt eine transportable Koppelvorrichtung zum Laserbearbeiten, die eine Kammer, welche eine Eintrittsöffnung für einen Laserstrahl und eine Austrittsöffnung für den Laserstrahl aufweist, einen Anschluss für eine Saugpumpe, der fluidisch mit einer Absaugöffnung der Kammer verbunden ist, wobei die Absaugöffnung in einer axialen Richtung für den Laserstrahl zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung angeordnet ist, eine Lavaldüse zum Einströmen eines Gases in die Kammer, wobei ein divergenten Abschnitt der Lavaldüse in der axialen Richtung zwischen der Absaugöffnung und der Eintrittsöffnung in die Kammer mündet, und einen Diffusor zum Ausströmen des Gases aus der Kammer, der in der axialen Richtung zwischen der Absaugöffnung und der Eintrittsöffnung in die Kammer mündet, aufweist.
JP 2008 - 119 698 A beschreibt ein Verfahren zum Bohren eines Lochs unter Verwendung des CO2 in einem Substrat durch Bestrahlen mit einem CO2-Laser, wobei während der Bestrahlung mit dem Laserstrahl verschmolzene Komponenten des Werkstücks angesaugt werden.
DE 43 31 262 A1 beschreibt eine Lasermaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, wobei ein den Laserstrahl abgebender Laser bzw. eine den Laserstrahl fokussierende Optik insbesondere in der Haupterstreckungsrichtung des Laserstrahls relativ zu dem Werkstück verfahrbar ist und wobei in einer Arbeitsstellung des Lasers bzw. der Optik der Laserstrahl vor seinem Auftreffen auf das Werkstück senkrecht zu seiner Haupterstreckungsrichtung durch erste Abschirmelemente ringförmig umgeben ist und von dem Werkstück reflektiertes Streulicht des Laserstrahls oberhalb des Werkstücks durch senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung des Laserstrahls ausgedehnte zweite Abschirmelemente aufgefangen wird.
DE 102 03 452 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Behandlung eines Werkstückes mit einem Laserstrahl umfassend einen den Laserstrahl erzeugenden Laser, eine Abbildungsoptik, welche den Laserstrahl in einem Bearbeitungsfleck abbildet, sowie eine Einrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Umgebung des Bearbeitungsflecks.
DE 20 2013 102 339 U1 beschreibt eine Crossjet-Anordnung zum Erzeugen eines zwischen einer Bearbeitungseinrichtung, wie einem Laser, und einem Bearbeitungsbereich, wie einem Schweißbereich, durch einen Wegführbereich geführten Gasstroms zum Wegführen von im Bearbeitungsbereich entstehenden und sich in Richtung der Bearbeitungseinrichtung bewegenden Kontaminationen, wie Partikel oder Dämpfe, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom über zumindest eine Umlenkeinrichtung mehrfach durch den Wegführbereich geführt ist.
Angesichts derartiger Umstände ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Düse für einen Laserbearbeitungskopf bereitzustellen, die zum zuverlässigen Bohren einer kleinen Bohrung in ein Werkstück geeignet ist, wenn das Bohren an dem Werkstück unter Verwendung einer Lasermaschine ausgeführt wird, die selbst dann zum Verringern der Bohrzeit geeignet ist, wenn das Werkstück dick oder dergleichen ist, und die zum Verhindern einer Verunreinigung eines optischen Systems durch geschmolzenes Material geeignet ist.
(1) Eine Düse (beispielsweise eine später beschriebene Düse 2) zur Laserbearbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: einen rohrförmigen Düsenspitzenkörper (beispielsweise einen später beschriebenen Düsenspitzenkörper 21), der ein Werkstück (beispielsweise ein später beschriebenes Werkstück 3) mit einem Laserstrahl (beispielsweise einem Laserstrahl LB) bestrahlt; einen Beschickungsanschluss (beispielsweise einen später beschriebenen Beschickungsanschluss 22), der in dem Düsenspitzenkörper ausgebildet ist; einen Absauganschluss (beispielsweise einen später beschriebenen Absauganschluss 23), der gegenüber dem Beschickungsanschluss ausgebildet ist; und ein elastisches Element (beispielsweise ein später beschriebenes elastisches Element 30), das in einem vorderen Ende des Düsenspitzenkörpers vorgesehen ist und mit dem Werkstück in Kontakt steht. Die Düse ist so konfiguriert, dass sie dem Inneren des Düsenspitzenkörpers zur Erzeugung eines Unterdrucks durch einen Gasstrom in der Nähe eines Öffnungsteils (beispielsweise eines später beschriebenem Öffnungsteils 21a) des vorderen Endes des Düsenspitzenkörpers entlang eines Gasströmungswegs (beispielsweise eines später beschriebenen Gasströmungswegs 25), der sich in einer Form, in der er den Laserstrahl in dem Düsenspitzenkörper durchquert, von dem Beschickungsanschluss zu dem Absauganschluss erstreckt, Gas zuführt, um eine Saugkraft zu bewirken, die gleich oder größer als eine Kraft ist, die notwendig ist, um ein Gewicht eines geschmolzenen Materials anzusaugen. Das elastische Element steht mit dem Werkstück in Kontakt und verbessert den Grad an Einschluss des Düsenspitzenkörpers durch das Werkstück. Dadurch wird ein höherer Unterdruck als der Unterdruck erzeugt.
(2) Bei der Düse für einen Laserbearbeitungskopf gemäß (1) entspricht ein Durchmesser (beispielsweise ein später beschriebener Durchmesser D2) des Beschickungsanschlusses einem Durchmesser (beispielsweise einem später beschriebenen Durchmesser D1) in einem Abschnitt, den das Gas des Laserstrahls in dem Düsenspitzenkörper durchquert, oder ist größer. Ein Durchmesser (beispielsweise ein später beschriebener Durchmesser D3) des Absauganschlusses kann größer als der Durchmesser des Beschickungsanschlusses sein.
(3) Bei der Düse für einen Laserbearbeitungskopf gemäß (1) oder (2) ist der Düsenspitzenkörper mit einem Luftstromgenerator (beispielsweise einem später beschriebenen Luftstromgenerator 15) versehen, der einen spiralförmig ansteigenden Luftstrom im Inneren des Düsenspitzenkörpers erzeugt.
(4) Bei der Düse für einen Laserbearbeitungskopf gemäß (3) ist der Luftstromgenerator aus einem ersten Gasweg (beispielsweise einem später beschriebenen ersten Gasweg 15a), der Gas von außerhalb des Düsenspitzenkörpers über das Innere des Düsenspitzenkörpers nach außen zuführt, und einem zweiten Gasweg (beispielsweise einem später beschriebenen zweiten Gasweg 15b) zusammengesetzt, der Gas von außerhalb des Düsenspitzenkörpers über das Innere des Düsenspitzenkörpers nach außen zuführt. Der erste Gasweg und der zweite Gasweg sind annähernd parallel in einer Form installiert, in der sie einander in einem Zustand, in dem sie in der Richtung der Zentralachse des Düsenspitzenkörpers in Bezug aufeinander versetzt sind, durch Einschließen einer optischen Achse (beispielsweise einer später beschriebenen optischen Achse CL) des Laserstrahls im unteren Teil des Gasströmungswegs gegenüberliegen. Der Luftstromgenerator kann so konfiguriert sein, dass er dem ersten Gasweg und dem zweiten Gasweg zur Erzeugung des spiralförmig ansteigenden Luftstroms im Inneren des Düsenspitzenkörpers in einander entgegengesetzten Richtungen Gas zuführt.
(5) Bei der Düse für einen Laserbearbeitungskopf gemäß einem der Punkte (1) bis (4) ist im Inneren des Düsenspitzenkörpers ein zurückgebogenes Teil (beispielsweise ein später beschriebenes zurückgebogenes Teil 16) zum Abhalten von geschmolzenem Material (beispielsweise später beschriebenem schmelzendem Material 10) des Werkstücks entlang der inneren Umfangsfläche des Düsenspitzenkörpers in einem oberen Bereich des des Gasströmungswegs installiert.
(6) Bei der Düse für einen Laserbearbeitungskopf gemäß einem der Punkte (1) bis (5) ist die innere Umfangsfläche des Düsenspitzenkörpers zur Verringerung der Haftfähigkeit des geschmolzenen Materials des Werkstücks an der inneren Umfangsfläche mit einer ein Anhaften verhindernden Beschichtung (beispielsweise einer später beschriebenen, ein Anhaften verhindernden Beschichtung 17) versehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wenn unter Verwendung einer Lasermaschine ein Bohren an einem Werkstück ausgeführt wird, durch einen einen Laserstrahl durchquerenden Gasstrom ein Unterdruck in einem den Laser aufnehmenden Bereich des Werkstücks erzeugt, und geschmolzenes Material wird abgesaugt und entfernt. Dadurch kann zuverlässig eine kleine Bohrung in das Werkstück gebohrt werden, und die Bohrzeit kann selbst dann verringert werden, wenn das Werkstück dick oder dergleichen ist. Ferner kann eine Verunreinigung eines optischen Systems durch das geschmolzene Material verhindert werden.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Lasermaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine vertikale Schnittansicht, die eine Düse der Lasermaschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine vertikale Schnittansicht, die die Düse einer Lasermaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine horizontale Schnittansicht, die die Düse der Lasermaschine gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Lasermaschine gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. 2 ist eine vertikale Schnittansicht, die eine Düse der Lasermaschine gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
Wie in 1 gezeigt, umfasst eine Lasermaschine 1 gemäß der ersten Ausführungsform: einen beweglichen Tisch 4, der ein flaches plattenförmiges Werkstück 3 aus Aluminium horizontal hält; einen Laseroszillator 5, der einen Laserstrahl LB mit einem kreisförmigen Querschnitt emittiert; einen Lichtleitweg 6, der den von dem Laseroszillator 5 emittierten Laserstrahl LB zu dem Werkstück 3 leitet; einen Bearbeitungskopf 8, der den Laserstrahl LB mittels einer Fokussierlinse 7 fokussiert und das Werkstück 3 mit dem Laserstrahl LB bestrahlt; eine Düse 2, die an einem vorderen Ende des Bearbeitungskopfs 8 montiert ist; und eine Steuereinheit 9, die die Arbeitsabläufe des beweglichen Tischs 4, des Laseroszillators 5 und des Bearbeitungskopfs 8 steuert.
Der bewegliche Tisch 4 ist in der Richtung einer X-Achse und in der Richtung einer Y-Achse beweglich. Der Bearbeitungskopf 8 ist in der Richtung einer Z-Achse beweglich. Die Fokussierlinse 7 ist im Inneren des Bearbeitungskopfs 8 befestigt. Der Lichtleitweg 6 umfasst einen Reflektor 6a, der den von dem Laseroszillator 5 emittierten Laserstrahl LB reflektiert, um den Laserstrahl LB zu der Fokussierlinse 7 zu leiten. Hinsichtlich des Typs des Laserstrahls LB bestehen keine besonderen Einschränkungen. Als Laserstrahl LB können beispielsweise ein Kohlendioxidgaslaser, ein Faserlaser, ein Direktdiodenlaser und ein YAG-Laser verwendet werden. Wenn der Faserlaser verwendet wird, wird der Laserstrahl von einer optischen Faser mit einem Kerndurchmesser von 100 µm mit einer Laserbefehlsleistung von 4 kW, einer Frequenz von 100 Hz und einer Auslastung von 10% emittiert, und das flache plattenförmige Werkstück 3 aus Aluminium mit einer Dicke von 10 mm wird mit dem Faserlaser bestrahlt. In diesem Fall werden eine Laserbestrahlung von 1 Millisekunde und eine Laserpause von 9 Millisekunden wiederholt.
Wie in 2 gezeigt, umfasst die Düse 2: einen im Wesentlichen zylindrischen Düsenspitzenkörper 21, der das Werkstück 3 mit dem Laserstrahl LB bestrahlt; einen Beschickungsanschluss 22, der in dem Düsenspitzenkörper 21 ausgebildet ist; und einen Absauganschluss 23, der so in dem Düsenspitzenkörper 21 ausgebildet ist, dass er dem Beschickungsanschluss 22 gegenüberliegt. Der Beschickungsanschluss 22 ist mit einem zylindrischen Beschickungsrohr 32 verbunden. Der Absauganschluss 23 ist mit einem zylindrischen Absaugrohr 33 verbunden. Die Düse 2 ist so konfiguriert, dass sie dem Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Nähe eines Öffnungsteils 21a eines vorderen Endes des Düsenspitzenkörpers 21 längs eines linearen Gasströmungswegs 25, der sich in einer Form, in der er den Laserstrahl LB in dem Düsenspitzenkörper 21 durchquert, von dem Beschickungsanschluss 22 zu dem Absauganschluss 23 erstreckt, Gas G zuführt.
Wie in 2 gezeigt, entspricht ein Durchmesser D2 des Beschickungsanschlusses 22 einem Durchmesser D1 in einem Abschnitt, den das Gas G des Laserstrahls LB in dem Düsenspitzenkörper 21 durchquert, oder ist größer (D2 ≥ D1). Ein Durchmesser D3 des Absauganschlusses 23 ist größer als der Durchmesser D2 des Beschickungsanschlusses 22 (D3 > D2). Es ist beispielsweise festgelegt, dass D3 = 5 mm und D2 = 1 mm sind. Der Beschickungsanschluss 22 weist zur Verbesserung Linearität des Gases G einen linearen Abschnitt mit einer vorgegebenen Länge L2 (beispielsweise 1 mm) auf. Das Absaugrohr 33 ist mit einem Öffnungs- und Schließventil 12 versehen, das ein Ausströmen des längs des Gasströmungswegs 25 zugeführten Gases G blockiert.
In der Düse 2 ist das vordere Ende des Düsenspitzenkörpers 21 mit einem zylindrischen elastischen Element 30 versehen, das durch einen Kontakt mit dem Werkstück 3 den Grad an Einschluss des Düsenspitzenkörpers 21 verbessert. Dieses elastische Element 30 ist so konfiguriert, dass es mit dem Werkstück 3 in Kontakt steht, wobei es sich in der Axialrichtung des Düsenspitzenkörpers 21 elastisch dehnt und zusammenzieht. Wenn ein Material, das Elektrizität leitet (beispielsweise ein Metall mit Federeigenschaften und ein leitendes Polymer), als Material des elastischen Elements 30 verwendet wird, kann ein Abstand zwischen dem Werkstück 3 und der Düse 2 unter Verwendung eines allgemeinen elektrostatischen Kapazitanzsensors gemessen werden.
Die Düse 2 ist so konfiguriert, dass sie, wenn das Gas G längs des Gasströmungswegs 25 zugeführt wird, beispielsweise den Druck und die Strömungsmenge des Gases G geeignet einstellt, um zu veranlassen, dass eine dem Gewicht des geschmolzenen Materials 10 entsprechende oder höhere Saugkraft auf das entsprechend dem Bohren an dem Werkstücks 3 erzeugte geschmolzene Material 10 aufgebracht wird. Das geschmolzene Material 10 wird aus dem Öffnungsteil 21a des Düsenspitzenkörpers 21 abgesaugt und aus dem Absauganschluss 23 nach außerhalb des Düsenspitzenkörpers 21 abgegeben.
Die Düse 2 ist an einer Oberseite des Absauganschlusses 23 so mit einem Gaszufuhranschluss 26 versehen, dass die Innenseite und die Außenseite des Düsenspitzenkörpers 21 miteinander in Verbindung stehen. Der Gaszufuhranschluss 26 ist mit einem Gaszufuhrteil 27 verbunden. Die Düse 2 ist so konfiguriert, dass dem Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 von dem Gaszufuhrteil 27 über den Gaszufuhranschluss 26 ein inertes Gas wie Stickstoff und damit eine Gasschicht 11 zugeführt wird, die verhindert, dass das Gas G zwischen die Fokussierlinse 7 und den Gasströmungsweg 25 eindringt, so dass das längs des Gasströmungswegs 25 zugeführte Gas G die Fokussierlinse 7 nicht erreicht.
Die Düse 2 ist in der Nähe des Öffnungsteils 21a des Düsenspitzenkörpers 21 mit einem Gasabsauganschluss 28 versehen, so dass die Innenseite und die Außenseite des Düsenspitzenkörpers 21 miteinander in Verbindung stehen. Der Gasabsauganschluss 28 ist über das Absaugrohr 34 mit einer Absaugpumpe 29 verbunden. Die Absaugpumpe 29 wird angetrieben, das Gas im Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 wird aus dem Gasabsauganschluss 28 abgesaugt, und dadurch wird der Druck im Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 verringert, und der Druck in der Nähe des Öffnungsteils 21a kann ein Unterdruck sein. An dem Gasabsauganschluss 28 ist ein (nicht dargestelltes) Filter montiert, und die Düse 2 weist eine Struktur auf, bei der das geschmolzene Material 10 nicht aus dem Gasabsauganschluss 28 zur Seite der Absaugpumpe 29 abgesaugt wird.
Die Lasermaschine 1 weist die vorstehend beschriebene Konfiguration auf. Ein Bohren an dem flachen plattenförmigen Werkstück 3 aus Aluminium wird unter Verwendung der Lasermaschine 1 mittels der folgenden Prozeduren ausgeführt.
Zunächst wird der bewegliche Tisch 4, wie in 1 gezeigt, in einem Zustand, in dem das Werkstück 3 auf dem beweglichen Tisch 4 angeordnet wird, entsprechend dem Befehl von der Steuereinheit 9 geeignet in der Richtung der X-Achse und der Richtung der Y-Achse bewegt, und das Werkstück 3 wird in der Richtung der X-Achse und in der Richtung der Y-Achse an einer vorgegebenen Position platziert.
Als nächstes wird der Bearbeitungskopf 8 entsprechend dem Befehl der Steuereinheit 9 geeignet in der Richtung der Z-Achse bewegt, und die Düse 2 wird in der Richtung der Z-Achse an einer vorgegebenen Position positioniert. Dann wird, wie in 2 gezeigt, das elastische Element 30 in der Düse 2 zur Oberfläche des Werkstücks 3 gedrückt und gelangt um den gesamten Umfang des elastischen Elements 30 mit dieser in Kontakt, und das Öffnungsteil 21a des Düsenspitzenkörpers 21 ist nach oben um einen vorgegebenen Abstand L1 (beispielsweise L1 = 0,5 mm bis 5 mm) von der Oberfläche des Werkstücks 3 entfernt.
Als nächstes wird das Öffnungs- und Schließventil 12 entsprechend dem Befehl von der Steuereinheit 9 geöffnet, und das Gas G wird dem Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 längs des Gasströmungswegs 25, der sich von dem Beschickungsanschluss 22 zu dem Absauganschluss 23 erstreckt, mit einem vorgegebenen Druck (beispielsweise 0.5 MPa) zugeführt. Dann wird das Gas im Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 durch Mitnahme durch den Strom des Gases G abgesaugt. Dadurch wird in der Nähe des Öffnungsteils 21a des Düsenspitzenkörpers 21 ein Unterdruck erzeugt.
Zu diesem Zeitpunkt liegt der Absauganschluss 23 dem Beschickungsanschluss 22 gegenüber, der Durchmesser D3 des Absauganschlusses 23 ist größer als der Durchmesser D2 des Beschickungsanschlusses 22, und der lineare Abschnitt mit der vorgegebenen Länge L2, der die Linearität des Gases G verbessert, ist in dem Beschickungsanschluss 22 vorgesehen. Daher wird das dem Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 von dem Beschickungsanschluss 22 zugeführte Gas G von dem Absauganschluss 23 vollständig abgesaugt. Dadurch erfolgt keine unnötige Zufuhr des Gases G, und die Erzeugung des Unterdrucks kann effektiv ausgeführt werden.
Entsprechend dem Befehl von der Steuereinheit 9 wird dem Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 von dem Gaszufuhrteil 27 über den Gaszufuhranschluss 26 inertes Gas zugeführt. Dann wird die Gasschicht 11 zwischen der Fokussierlinse 7 und dem Gasströmungsweg 25 gebildet.
Zur Unterstützung der Erzeugung des Unterdrucks durch das Zuführen des Gases G entsprechend dem Befehl von der Steuereinheit 9 wird die Absaugpumpe 29 so angetrieben, dass sie das Gas im Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 aus dem Gasabsauganschluss 28 absaugt. Dann wird der Druck im Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 verringert, und der Druck in der Nähe des Öffnungsteils 21a des Düsenspitzenkörpers 21 wird weiter verringert.
In diesem Zustand wird von dem Laseroszillator 5 entsprechend dem Befehl von der Steuereinheit 9 der Laserstrahl LB emittiert. Dann wird der Laserstrahl LB längs des Lichtleitwegs 6 geleitet und von der Fokussierlinse 7 fokussiert, und das Werkstück 3 wird aus dem Öffnungsteil 21a des Düsenspitzenkörpers 21 der Düse 2 mit dem Laserstrahl LB bestrahlt. Dadurch wird in dem Werkstück 3 ein den Laser aufnehmender Bereich 3a des Werkstücks 3 durch die Laserbestrahlung mit dem Laserstrahl LB geschmolzenen, und das Bohren beginnt.
Zu diesem Zeitpunkt wird der den Laser aufnehmende Bereich 3a des Werkstücks 3 entsprechend dem Bohren an dem Werkstück 3 durch den Laser erwärmt und geschmolzenen. Wenn eine dem den Laser aufnehmenden Bereich 3a zugeführte Energiemenge groß ist, übersteigt die Temperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs 3a augenblicklich den Siedepunkt, das geschmolzene Material 10 wird in dem den Laser aufnehmenden Bereich 3a erzeugt, und das geschmolzene Material 10 spritzt in die Koaxialrichtung des Laserstrahls LB. Das Gas G strömt jedoch so in die Düse 2, dass es den Laserstrahl LB durchquert. Dadurch wird verhindert, dass das geschmolzene Material 10 die Fokussierlinse 7 erreicht, und die Fokussierlinse 7 kann geschützt werden. Überdies ist in der Düse 2 der Druck in der Nähe des Öffnungsteils 21a des Düsenspitzenkörpers 21 aufgrund des Strömens des die optische Achse CL des Laserstrahls LB durchquerenden Gases G ein Unterdruck. Daher wird auch in diesem den Laser aufnehmende Bereich 3a ein Unterdruck erzeugt. Überdies wird das Gas G so zugeführt, dass eine dem Gewicht des geschmolzenen Materials 10 oder mehr entsprechende Saugkraft wirkt. Dadurch wird das geschmolzene Material 10 aus dem Absauganschluss 23 nach außerhalb des Düsenspitzenkörpers 21 abgesaugt, wobei ein Absaugen aus dem Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 und eine Kühlung erfolgen. Dementsprechend sammelt sich das geschmolzene Material 10 nicht im Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 an und behindert die Bestrahlung mit dem Laserstrahl LB. Daher kann das Bohren an dem Werkstück 3 effizient ausgeführt werden.
Wenn das Bohren an dem Werkstück 3 unter Verwendung der Lasermaschine 1 ausgeführt wird, wird auf diese Weise durch den Strom des die optischen Achse CL des Laserstrahls LB durchquerenden Gases G der Unterdruck in dem den Laser aufnehmende Bereich 3a des Werkstücks 3 erzeugt, und das geschmolzene Material 10 kann abgesaugt und entfernt werden. Durch dieses augenblickliche Entfernen des geschmolzenen Materials 10 kann ein Wärmefluss von dem geschmolzenen Material 10 zu einem Basismaterial durch Wärmeleitung verringert werden. Dadurch kann ein Anstieg der Temperatur in einem anderen Abschnitt des Werkstücks 3 als dem den Laser aufnehmende Bereich 3a verhindert werden. Dadurch kann ausschließlich in den den Laser aufnehmenden Bereich 3a des Werkstücks 3 zuverlässig eine kleine Bohrung gebohrt werden, und die Bohrzeit kann selbst dann verringert werden, wenn Werkstück 3 dick oder dergleichen ist. Selbst wenn die Temperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs 3a des Werkstücks 3 zum Zeitpunkt der Laserbestrahlung plötzlich ansteigt, ein Phänomen wie ein plötzliches Sieden auftritt und das geschmolzene Material 10 in die Richtung der Laserbestrahlung spritzt, strömt das geschmolzene Material durch den Strom des die optische Achse CL des Laserstrahls LB durchquerenden Gases G zusammen mit dem Gas G zum Absauganschluss 23. Daher kann verhindert werden, dass die Fokussierlinse 7 durch das geschmolzene Material 10 verunreinigt wird.
In der Düse 2 ist das elastische Element 30 so in dem vorderen Ende des Düsenspitzenkörpers 21 vorgesehen, dass es mit dem Werkstück 3 in Kontakt steht. Dadurch wird der Grad an Einschluss des Düsenspitzenkörpers 21 durch das Werkstück 3 verbessert. Daher kann der Unterdruck in dem den Laser aufnehmenden Bereich 3a des Werkstücks 3 erheblich erhöht werden, und die Saugkraft für das geschmolzene Material 10 kann beträchtlich erhöht werden.
Ferner ist dieses elastische Element 30 so konfiguriert, dass es mit dem Werkstück 3 in Kontakt gelangt, wobei es sich elastisch in der Richtung der axialen Mitte des Düsenspitzenkörpers 21 dehnt und zusammenzieht. Daher wird keine Last auf das Werkstück 3 aufgebracht. Dementsprechend kann das Bohren des Werkstücks 3 gleichmäßig ausgeführt werden, wobei verhindert wird, dass das Werkstück 3 beispielsweise durch Verformung oder Springen beschädigt wird.
Da die Gasschicht 11 zwischen der Fokussierlinse 7 und dem Gasströmungsweg 25 ausgebildet ist, wird selbst dann, wenn das längs des Gasströmungswegs 25 zugeführte Gas G danach strebt, auf die Seite der Fokussierlinse 7 vorzudringen, ein Eindringen des Gases G in die Gasschicht 11 verhindert, und das Gas G erreicht die Fokussierlinse 7 nicht. Dementsprechend kann selbst dann, wenn einen Ölgehalt enthaltende Werksluft als Gas G verwendet wird, eine Verunreinigung der Fokussierlinse 7 durch den Ölgehalt im Vorfeld verhindert werden. Daher kann die zulässige Auswahl des Gases G erweitert werden, wodurch die Einsetzbarkeit der Düse 2 erhöht wird.
Wenn das Bohren an dem Werkstück 3 auf diese Weise abgeschlossen ist, kann das geschmolzene Material 10 von dem Werkstück 3 von der hinteren Oberfläche des Werkstücks 3 nach unten abgegeben werden, da sich der den Laser aufnehmende Bereich 3a des Werkstücks 3 durchgehend von der Oberfläche des Werkstücks 3 zur hinteren Oberfläche erstreckt. Dementsprechend besteht anschließend nicht die Notwendigkeit, das geschmolzene Material 10 des Werkstücks 3 abzusaugen. Daher kann ein Abtragen des Werkstücks 3 ausgeführt werden, während das Öffnungs- und Schließventil 12 geschlossen ist, um ein Ausströmen des Gases G zu blockieren, und Hilfsgas aus der Düse 2 zugeführt wird.
[Zweite Ausführungsform]
3 ist eine vertikale Schnittansicht, die die Düse einer Lasermaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. 4 ist eine horizontale Schnittansicht, die die Düse der Lasermaschine gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
Die Lasermaschine 1 gemäß der zweiten Ausführungsform weist wie folgt eine andere Konfiguration der Düse 2 als die gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform auf. Die übrige Konfiguration ist grundlegend ähnlich wie die gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform. Daher sind übereinstimmende Elemente durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre Beschreibung wird verzichtet.
Wie in 3 und 4 gezeigt, ist bei der Düse 2 dieser Lasermaschine 1 ein Luftstromgenerator 15, der einen spiralförmig ansteigenden Luftstrom im Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 erzeugt, an dem Düsenspitzenkörper 21 befestigt. Dieser Luftstromgenerator 15 ist aus einen ersten Gasweg 15a, der Gas von außerhalb des Düsenspitzenkörpers 21 über das Innere des Düsenspitzenkörpers 21 nach außen zuführt, und einem zweiten Gasweg 15b zusammengesetzt, der Gas von außerhalb des Düsenspitzenkörpers 21 über das Innere des Düsenspitzenkörpers 21 nach außen zuführt. Der erste Gasweg 15a und der zweiten Gasweg 15b sind annähernd parallel in einer Form installiert, in der sie einander in einem Zustand, in dem sie in der Richtung zur axialen Mitte des Düsenspitzenkörpers 21 (d.h. der zur optischen Achse CL des Laserstrahls LB parallelen Richtung) in Bezug aufeinander versetzt sind, durch Einschließen einer optischen Achse CL des Laserstrahls LB im unteren Teil des Gasströmungswegs 25 gegenüberliegen. Der Luftstromgenerator ist so konfiguriert, dass er dem ersten Gasweg 15a und dem zweiten Gasweg 15b zur Erzeugung des spiralförmig ansteigenden Luftstroms im Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 in einander entgegengesetzten Richtungen Gas zuführt.
Wie in 3 gezeigt, ist im Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 ein ringförmiges zurückgebogenes Teil 16 zum Abhalten eines geschmolzenen Materials 10 des Werkstücks 3 entlang der inneren Umfangsfläche des Düsenspitzenkörpers 21 über dem Gasströmungsweg 25 installiert.
Die innere Umfangsfläche des Düsenspitzenkörpers 21 ist zur Verringerung der Haftfähigkeit (Benetzbarkeit) des geschmolzenen Materials 10 des Werkstücks 3 auf der inneren Umfangsfläche mit einer ein Anhaften verhindernden Beschichtung 17 versehen. Diese ein Anhaften verhindernde Beschichtung 17 kann ein Material mit einer ausgezeichneten Wärmebeständigkeit sein, darunter ein Fluorharz (beispielsweise Teflon (eingetragenes Warenzeichen) von DuPont) als repräsentatives Beispiel.
Dementsprechend kann mit der vorliegenden Ausführungsform beim Bohren an dem Werkstück 3 zusätzlich zu dem Ergebnis, dass das geschmolzene Material 10 durch den Unterdruck abgesaugt werden kann, um ähnlich wie bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform durch den die optische Achse CL des Laserstrahls LB durchquerenden Strom des Gases G aus dem Absauganschluss 23 der Düse 2 nach außerhalb des Düsenspitzenkörpers 21 abgegeben zu werden, das folgende Ergebnis aufgezeigt werden.
Erstens kann der Luftstromgenerator 15 den spiralförmig ansteigenden Luftstrom im Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 erzeugen. Daher kann das geschmolzene Material 10 durch die Mitnahme des geschmolzenen Materials 10 durch diesen ansteigenden Luftstrom effektiv abgesaugt werden. Dadurch kann die Abgabe des geschmolzenen Materials 10 gleichmäßiger ausgeführt werden.
Durch das im Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 installierte zurückgebogene Teil 16 kann verhindert werden, dass das geschmolzene Material 10 entlang der inneren Umfangsfläche des Düsenspitzenkörpers 21 aufsteigt. Dementsprechend tritt selbst dann, wenn dieses geschmolzene Material 10 ein hohes Moment aufweist und von dem Strom des Gases G nicht zu dem Absauganschluss 23 der Düse 2 geleitet werden kann, die Unannehmlichkeit, dass das geschmolzene Material 10 die Fokussierlinse 7 erreicht und die Fokussierlinse 7 verunreinigt, nicht auf. Selbst wenn dieses geschmolzene Material 10 nur ein geringes Moment aufweist und nicht durch Absaugen durch den Strom des Gases G aus dem Absauganschluss 23 der Düse 2 als der in 3 durch eine gestrichelte Linie dargestellten Stelle abgegeben werden kann, tritt die Unannehmlichkeit, dass das geschmolzene Material 10 die Fokussierlinse 7 erreicht und die Fokussierlinse 7 verunreinigt, nicht auf.
Da bei der Düse 2 die ein Anhaften verhindernde Beschichtung 17 auf die innere Umfangsfläche des Düsenspitzenkörpers 21 aufgebracht ist, kann im Vorfeld verhindert werden, dass das geschmolzene Material 10 an der inneren Umfangsfläche des Düsenspitzenkörpers 21 haftet und sich ablagert. Dadurch kann die Bestrahlung mit dem Laserstrahl LB über einen langen Zeitraum ausreichend ausgeführt werden.
[Weitere Ausführungsformen]
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform beschränkt, die vorstehend beschrieben sind. Variationen und Modifikationen in dem Rahmen, innerhalb dessen die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst werden kann, sind in die vorliegende Erfindung aufgenommen.
Im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform ist beispielsweise ein Fall beschrieben, in dem nur die Fokussierlinse 7 als optisches System in dem Bearbeitungskopf 8 enthalten ist. Die vorliegende Erfindung kann jedoch selbst dann ähnlich angewendet werden, wenn ein (nicht dargestelltes) Fenster, das die Fokussierlinse 7 schützt, im unteren Teil der Fokussierlinse 7 befestigt ist.
Im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform, die vorstehend beschrieben sind, ist ein Fall beschrieben, in dem beim Bohren an dem Werkstück 3 der gesamte Umfang (der vollständige Umfang) des zylindrischen elastischen Elements 30 mit der Oberfläche des Werkstücks 3 in Kontakt steht. Solange jedoch der Grad an Einschluss des Düsenspitzenkörpers 21 durch das Werkstück 3 verbessert werden kann, kann beispielsweise ein (nicht dargestellter) Schlitz im unteren Teil des elastischen Elements 30 ausgebildet sein, wodurch veranlasst wird, dass nur ein Teil des Umfangs des elastischen Elements 30 mit der Oberfläche des Werkstücks 3 in Kontakt steht.
Im Zusammenhang mit der der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform, die vorstehend beschrieben sind, ist ein Fall beschrieben, in dem die Fokussierlinse 7 an dem Bearbeitungskopf 8 befestigt ist. Die vorliegende Erfindung kann jedoch selbst dann ähnlich angewendet werden, wenn die Fokussierlinse 7 in der Richtung der Z-Achse in dem Bearbeitungskopf 8 beweglich ist.
Im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform, die vorstehend beschrieben sind, ist ein Fall beschrieben, in dem die Laserbearbeitung an dem Werkstück 3 aus Aluminium ausgeführt wird. Selbst wenn Laserbearbeitung an einem aus anderen Materialen als Aluminium ausgebildeten Werkstück ausgeführt wird, kann die vorliegende Erfindung jedoch ähnlich angewendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Lasermaschine
2: Düse (Düse für einen Laserbearbeitungskopf)
3: Werkstück
10: Geschmolzenes Material
15: Luftstromgenerator
15a: Erster Gasweg
15b: Zweiter Gasweg
16: Zurückgebogenes Teil
17: Ein Anhaften verhindernde Beschichtung
21: Düsenspitzenkörper
21a: Öffnungsteil
22: Beschickungsanschluss
23: Absauganschluss
25: Gasströmungsweg
30: Elastisches Element
CL: Optische Achse
D1: Durchmesser des Laserstrahls
D2: Durchmesser des Beschickungsanschlusses
D3: Durchmesser des Absauganschlusses
G: Gas
LB: Laserstrahl

Claims

Düse (2) für Laserbearbeitungskopf, die umfasst: einen rohrförmigen Düsenspitzenkörper (21), der ein Werkstück (3) mit einem Laserstrahl (LB) bestrahlt; einen Beschickungsanschluss (22), der in dem Düsenspitzenkörper (21) ausgebildet ist; einen Absauganschluss (23), der gegenüber dem Beschickungsanschluss (22) in dem Düsenspitzenkörper (21) ausgebildet ist; und ein elastisches Element (30), das in einem vorderen Ende des Düsenspitzenkörpers (21) vorgesehen ist und mit dem Werkstück (3) in Kontakt steht, wobei es sich in einer Richtung zur axialen Mitte des Düsenspitzenkörpers (21) elastisch dehnt und zusammenzieht, wobei die Düse (2) so konfiguriert ist, dass sie dem Inneren des Düsenspitzenkörpers (21) zur Erzeugung eines Unterdrucks durch einen Gasstrom in der Nähe eines Öffnungsteils (21a) des vorderen Endes des Düsenspitzenkörpers (21) entlang eines Gasströmungswegs (25), der sich in einer Form, in der er den Laserstrahl (LB) in dem Düsenspitzenkörper (21) durchquert, von dem Beschickungsanschluss (22) zu dem Absauganschluss (23) erstreckt, Gas zuführt, um eine Saugkraft zu bewirken, die gleich oder größer als eine Kraft ist, die notwendig ist, um ein Gewicht eines geschmolzenen Materials (10) anzusaugen, und das geschmolzenes Material (10), das mittels Bestrahlen des Werkstücks (3) mit dem Laserstrahl (LB) erzeugt ist, zu veranlassen aus dem Öffnungsteil (21a) des vorderen Endes des Düsenspitzenkörpers (21) abgesaugt und aus dem Absauganschluss (23) nach außerhalb des Düsenspitzenkörpers (21) abgegeben zu werden, wobei das elastische Element (30) mit dem Werkstück (3) in Kontakt steht und den Grad an Einschluss des Düsenspitzenkörpers (21) durch das Werkstück (3) verbessert und dadurch ein höherer Unterdruck als der Unterdruck erzeugt wird.
Düse (2) für Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei ein Durchmesser (D2) des Beschickungsanschlusses (22) einem Durchmesser (D1) in einem Abschnitt entspricht, den das Gas des Laserstrahls (LB) in dem Düsenspitzenkörper (21) durchquert, oder größer ist und ein Durchmesser (D3) des Absauganschlusses (23) größer als der Durchmesser (D2) des Beschickungsanschlusses (22) ist.
Düse (2) für Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Düsenspitzenkörper (21) mit einem Luftstromgenerator (15) versehen ist, der einen spiralförmig ansteigenden Luftstrom im Inneren des Düsenspitzenkörpers (21) erzeugt.
Düse (2) für Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 3, wobei der Luftstromgenerator (15) aus einem ersten Gasweg (15a), der Gas von außerhalb des Düsenspitzenkörpers (21) über das Innere des Düsenspitzenkörpers (21) nach außen zuführt, und einem zweiten Gasweg (15b) zusammengesetzt ist, der Gas von außerhalb des Düsenspitzenkörpers (21) über das Innere des Düsenspitzenkörpers (21) nach außen zuführt, der erste Gasweg (15a) und der zweite Gasweg (15b) annähernd parallel in einer Form installiert sind, in der sie einander in einem Zustand, in dem sie in der Richtung der Zentralachse des Düsenspitzenkörpers (21) in Bezug aufeinander versetzt sind, durch Einschließen einer optischen Achse (CL) des Laserstrahls (LB) im unteren Teil des Gasströmungswegs (25) gegenüberliegen, und der Luftstromgenerator so konfiguriert ist, dass er dem ersten Gasweg (15a) und dem zweiten Gasweg (15b) zur Erzeugung des spiralförmig ansteigenden Luftstroms im Inneren des Düsenspitzenkörpers (21) in einander entgegengesetzten Richtungen Gas zuführt.
Düse (2) für Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im Inneren des Düsenspitzenkörpers (21) ein zurückgebogenes Teil (16) zum Abhalten eines geschmolzenen Materials (10) des Werkstücks (3) entlang der inneren Umfangsfläche des Düsenspitzenkörpers (21) in einem oberen Bereich des Gasströmungswegs (25) installiert ist.
Düse (2) für Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die innere Umfangsfläche des Düsenspitzenkörpers (21) zur Verringerung der Haftfähigkeit des geschmolzenen Materials (10) des Werkstücks (3) an der inneren Umfangsfläche mit einer ein Anhaften verhindernden Beschichtung (17) versehen ist.