DE102019103250B4

DE102019103250B4 - Laserbearbeitungskopf, bei dem eine Verschmutzung des Schutzfensters unterdrückt wird

Info

Publication number: DE102019103250B4
Application number: DE102019103250.4A
Authority: DE
Inventors: Takashi Izumi
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-02-16
Filing date: 2019-02-11
Publication date: 2022-05-25
Anticipated expiration: 2039-02-12
Also published as: US10792768B2; CN110153554B; CN110153554A; DE102019103250A1; JP6659746B2; US20190255661A1; JP2019141861A

Abstract

Laserbearbeitungskopf (12), bei dem eine Verschmutzung eines Schutzfensters (23) unterdrückt wird, wobei der Laserbearbeitungskopfdas Schutzfenster (23), das in Bezug auf eine optische Achse von Laserlicht geneigt angeordnet ist;eine Einströmöffnung (30; 40), die stromabwärts von dem Schutzfenster (23) angeordnet ist und ein Gas einbringt; undeinen Stromteilungsvorsprung (31; 41), der das Gas in einen ersten Schichtstrom (25), der parallel entlang der Oberfläche des Schutzfensters (23) fließt, und einen zweiten Schichtstrom (26), der zu einem zu bearbeitenden Material (15) hin fließt, teilt,umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf, und betrifft insbesondere einen Laserbearbeitungskopf, bei dem eine Verschmutzung des Schutzfensters unterdrückt wird.
Eine Laserbearbeitungsvorrichtung ist so aufgebaut, dass sie von einem Laseroszillator erzeugtes Laserlicht durch eine optische Faser oder dergleichen überträgt, durch eine im Inneren eines Laserbearbeitungskopfs ausgebildete Sammellinse auf ein zu bearbeitendes Material fokussiert, und eine Bestrahlung vornimmt. Zwischen der Sammellinse und dem zu bearbeitenden Material ist ein Schutzfenster ausgebildet, das die Sammellinse vor Spritzern, Dämpfen, Teilchen und dergleichen (nachstehend einfach als „Teilchen“ bezeichnet) schützt. Außerdem wird ein Schutzgas oder ein Hilfsgas (nachstehend einfach als „Gas“ bezeichnet) zu dem Bearbeitungsbereich geführt und dafür gesorgt, dass die Bearbeitungsqualität nicht verschlechtert wird.
Wenn bei der Laserbearbeitung Teilchen, die zur Zeit der Laserbearbeitung entstehen, an dem Schutzfenster oder dergleichen anhaften, wird die Bündelung des Laserlichts beeinträchtigt und die Bearbeitungsqualität verschlechtert. Um eine Verschmutzung des Schutzfensters zu verhindern, schlägt zum Beispiel die Patentoffenlegungsschrift Hei-11-239889 einen Laserschweißkopf vor, der eine Düse, die ein Hilfsgas, das an der Lichtsammelseite einer Sammellinse von einer Gasausstoßöffnung ausgestoßen wurde, abgibt, und ringförmige Richtplatten, die in einem Innenraum zwischen der Düse und der Sammellinse eine in Bezug auf die optische Achse des Laserstrahls geneigte Fläche aufweisen, umfasst. Der Innendurchmesser der Richtplatten wird umso kleiner, je näher sie an dem zu bearbeitenden Material liegen, und das Gas, das von der Gasausstoßöffnung entlang der Richtplatten ausgestoßen wurde, wird von einem Innenraum zu einem Außenraum eines Düsenhalters abgegeben.
Die Patentoffenlegungsschrift JP 2015-9270 A schlägt einen Laserbearbeitungskopf vor, der ein Schutzglas, das an einer Öffnung, von der Laserlicht ausgestrahlt wird, angeordnet ist, und eine Luftblasdüse, die Luft entlang der Außenfläche des Schutzglases aufbläst, umfasst. Durch Anordnen der Außenfläche des Schutzglases und des Randbereichs der Öffnung auf einer gleichen Ebene wird verhindert, dass nebelförmige Verschmutzungen, die bei der Laserbearbeitung entstanden sind, an der Oberfläche des Schutzglases anhaften.
Die Patentoffenlegungsschrift JP 2007-21574 A schlägt einen Laserbearbeitungskopf vor, der einen als sich verjüngender Zwischenraum ausgeführten Luftzufuhrabschnitt umfasst. Der Luftzufuhrabschnitt erzeugt zu dem zu bearbeitenden Material gerichtete vorhangartige Luft, die unter Abwärtsströmen an einer konischen Fläche im Inneren eines Düsenhauptkörpers gesammelt wird, außerhalb des Düsenhauptkörpers fokussiert wird, und das Innere und das Äußere des Düsenhauptkörpers voneinander isoliert, wodurch ein Eindringen von Spritzern und Dämpfen in das Innere des Düsenhauptkörpers verhindert wird.
Die Patentoffenlegungsschrift JP H05-212 576 A schlägt einen Bearbeitungskopf vor, bei dem es sich zwar nicht um einen Bearbeitungskopf, der eine Verschmutzung des Schutzglases verhindert, handelt, doch bei dem durch Neigen des Schutzglases um etwa 3 bis 7 Grad von der Horizontalen eine Reflexion an dem Schutzglas unterdrückt wird.
JP H09-108 877 A beschreibt einen Laserbearbeitungskopf, bei welchem ein Schutzfenster geneigt angeordnet ist, um eine Verschmutzung des Schutzfensters zu vermeiden. Der bekannte Laserbearbeitungskopf weist auch eine Luftblasdüse auf, die einen fächerförmigen Luftstrahl ausgibt, der zum Teil an einer gegenüber der Luftblasdüse angeordneten Kante abgelenkt wird. Der an der Kante abgelenkte Teilluftstrom trifft im Bereich des Schutzfensters auf den direkt aus der Luftblasdüse strömenden Luftstrom, was im Bereich des Schutzfensters zu Luftverwirbelungen führt. Diese Luftverwirbelungen können Schmutzpartikel an das Schutzfenster heranführen, so dass eine Verschmutzung des Schutzfensters nicht sicher vermieden wird.
Aus dem Stand der Technik, insbesondere WO 2018/029432 A1 , JP 2009-226 474 A oder JP 2007/021 505 A , sind weitere Laserbearbeitungsköpfe mit Schutzfenstern bekannt, die im Hinblick auf die Verschmutzung des Schutzfensters verbesserungswürdig sind.
Durch das Blasen eines Gases zu den Teilchen, die zu dem Schutzfenster fliegen, wird zwar eine Verschmutzung des Schutzfensters verhindert, doch ist die Häufigkeit des Austauschs des Schutzfensters nach wie vor hoch. Daher wird eine Technik gewünscht, die eine Verschmutzung des Schutzfensters durch einen einfachen Aufbau noch stärker unterdrückt.
Eine Form der vorliegenden Offenbarung stellt einen Laserbearbeitungskopf, bei dem eine Verschmutzung eines Schutzfensters unterdrückt wird, bereit, wobei der Laserbearbeitungskopf das Schutzfenster, das in Bezug auf eine optische Achse von Laserlicht geneigt angeordnet ist; eine Einströmöffnung, die stromabwärts von dem Schutzfenster angeordnet ist und ein Gas einbringt; und einen Stromteilungsvorsprung, der das Gas in einen ersten Schichtstrom, der parallel entlang der Oberfläche des Schutzfensters fließt, und einen zweiten Schichtstrom, der zu einem zu bearbeitenden Material hin fließt, teilt, umfasst.

1 ist eine schematische Ansicht, die den schematischen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer Ausführungsform zeigt.
2A ist ein Längsschnitt eines Laserbearbeitungskopfs bei einer ersten Ausführungsform.
2B ist ein Querschnitt des Laserbearbeitungskopfs, der der Schnittlinie A-A in 2A entspricht.
2C ist ein Längsschnitt eines Laserbearbeitungskopfs, der einen Stromteilungsvorsprung eines Abwandlungsbeispiels umfasst.
2D ist eine Vorderansicht, die den von der Einströmöffnung her gesehenen Stromteilungsvorsprung des Abwandlungsbeispiels zeigt.
3A ist ein Längsschnitt eines Laserbearbeitungskopfs bei einer zweiten Ausführungsform.
3B ist ein Querschnitt des Laserbearbeitungskopfs, der der Schnittlinie B-B in 3A entspricht.
3C ist ein vergrößerter Längsschnitt der Einströmöffnung, der dem Bereich C in 3A entspricht.
3D ist ein vergrößerter Querschnitt der Einströmöffnung, der der Schnittlinie D-D in 3C entspricht.
4A ist ein Längsschnitt eines Laserbearbeitungskopfs bei einer dritten Ausführungsform.
4B ist ein Querschnitt des Laserbearbeitungskopfs, der der Schnittlinie E-E in 4A entspricht.
5 ist eine Ansicht, die das Verfahren zur Berechnung des bei 2B, 3B und 4B erklärten Strahldurchmessers zeigt.

Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich erklärt. In den einzelnen Zeichnungen sind gleiche oder ähnliche Aufbauelemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Die nachstehend besprochenen Ausführungsformen stellen keine Beschränkung des technischen Gebiets und der Bedeutung der Terminologie der in den Patentansprüchen beschriebenen Erfindung dar. Der Ausdruck „stromaufwärts“ in der vorliegenden Beschreibung verweist auf die stromaufwärts befindliche Seite auf dem Pfad des in der Vorwärtsrichtung verlaufenden Laserlichts, und der Ausdruck „stromabwärts“ verweist auf die stromabwärts befindliche Seite auf dem Pfad des in der Vorwärtsrichtung verlaufenden Laserlichts.
1 ist eine schematische Ansicht, die den schematischen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung 10 nach einer Ausführungsform zeigt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 umfasst einen Laseroszillator 11, einen Laserbearbeitungskopf 12, der Laserlicht von dem Laseroszillator 11 leitet und zu einem zu bearbeitenden Material 15 strahlt, eine numerische Steuervorrichtung 13, die die gesamte Laserbearbeitungsvorrichtung 10 steuert, und eine Antriebssteuervorrichtung 14, die den Antrieb einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse eines Bearbeitungstischs 16 und den Antrieb einer V-Achse einer Sammellinse 22 steuert. Der Laserbearbeitungskopf 12 umfasst eine Kollimationslinse 21, die das Laserlicht von dem Laseroszillator 11 zu parallelem Licht ausführt, die Sammellinse 22, die das Laserlicht an dem zu bearbeitenden Material 15 sammelt, ein Schutzfenster 23, das die Sammellinse 22 vor Teilchen schützt, und eine Düse 24, die ein Gas von einer Ausströmöffnung 17 gegen das zu bearbeitende Material 15 bläst.
Das Schutzfenster 23 ist aus einem durch eine Reflexionsbeschichtung oberflächenbehandelten Glasmaterial oder dergleichen gebildet. Das Schutzfenster 23 ist angeordnet, um das Innere des Kopfhauptkörpers 20 zu verschließen, damit keine Teilchen an der Sammellinse 24 anhaften. Außerdem ist das Schutzfenster 23 in Bezug auf die optische Achse des Laserlichts geneigt angeordnet. Der Neigungswinkel des Schutzfensters 23 beträgt vorzugsweise wenigstens 15 Grad. Dadurch wird der Auftreffwinkel der Teilchen, die bei der Laserbearbeitung des zu bearbeitenden Materials 15 zu dem Schutzfenster 23 fliegen, flach.
2A ist ein Längsschnitt des Laserbearbeitungskopfs 12 bei einer ersten Ausführungsform. Der Laserbearbeitungskopf 12 umfasst ferner eine Einströmöffnung 30, die stromabwärts von dem Schutzfenster 23 angeordnet ist und ein Gas einbringt, und einen Stromteilungsvorsprung 31, der den von der Einströmöffnung 30 eingebrachten Gasstrom 27 in einen ersten Schichtstrom 25, der parallel entlang der Oberfläche des Schutzfensters 23 fließt, und einen zweiten Schichtstrom 26, der zu dem zu bearbeitenden Material 15 hin fließt, teilt. Da der erste Schichtstrom 25 parallel entlang der Oberfläche des Schutzfensters 23 fließt, wird ein Teilchen P1 vor dem Auftreffen auf das Schutzfenster durch den ersten Schichtstrom 25 zurückgestoßen.
Der Stromteilungsvorsprung 31 ist an einer Position angeordnet, die der Einströmöffnung 30 über die optische Achse ◯ des Laserlichts hinweg gegenüberliegt. Da der von der Einströmöffnung 30 eingebrachte Gasstrom 27 zu dem Stromteilungsvorsprung 31 hin fließt, wird ein Teilchen P2 durch den Gasstrom 27 zurückgestoßen, bevor es den ersten Schichtstrom 25 erreicht. Der Stromteilungsvorsprung 31 ist in einem Längsschnitt, der die optische Achse O des Laserlichts enthält, in einer sich verjüngenden Form, die zu der Einströmöffnung 30 hin schmäler wird, ausgeführt. Da der Stromteilungsvorsprung 31 eine sich verjüngende Form aufweist, wird es dann, wenn der von der Einströmöffnung 30 eingebrachte Gasstrom 27 auf den Stromteilungsvorsprung 31 trifft und in zwei Ströme geteilt wird, leicht, einen Strom zu dem Schutzglas 23 zu richten und den anderen Strom zu dem zu bearbeitenden Material 15 zu richten. Der Laserbearbeitungskopf 15 kann ferner stromaufwärts von dem Stromteilungsvorsprung 31 einen Gleichrichtungsvorsprung 28 aufweisen. Der Gleichrichtungsvorsprung 28 macht es leicht, den durch den Stromteilungsvorsprung 31 abgeteilten und zu dem Schutzfenster 23 gerichteten Strom zu dem zu der Oberfläche des Schutzfensters 23 parallelen ersten Schichtstrom 25 zu verändern.
Die Einströmöffnung 30 weist in der Richtung der optischen Achse O des Laserlichts eine erste Breite 32 auf, der Stromteilungsvorsprung 31 weist in der Richtung der optischen Achse O des Laserlichts eine zweite Breite 33 auf, und die erste Breite 32 ist vorzugsweise kleiner als die zweite Breite 33 ausgeführt. Dadurch kommt es dazu, dass beim Auftreffen des von der Einströmöffnung 30 eingebrachten Gasstroms 27 auf den Stromteilungsvorsprung 31 trifft und seinem Teilen in zwei Ströme der Großteil eines Stroms zu dem Schutzfenster 23 gerichtet wird und der Großteil des anderen Stroms zu dem zu bearbeitenden Material 15 gerichtet wird.
2B ist ein Querschnitt des Laserbearbeitungskopfs 12, der der Schnittlinie A-A in 2A entspricht. Die Einströmöffnung 30 weist in der zu der optischen Achse O des Laserlichts senkrechten Richtung eine dritte Breite 34 auf, und der Stromteilungsvorsprung 31 weist in der zu der optischen Achse O des Laserlichts senkrechten Richtung eine vierte Breite 35 auf. Die dritte Breite 34 und die vierte Breite 35 sind vorzugsweise jeweils größer als der Strahldurchmesser R des Laserlichts ausgeführt. Dadurch wird der erste Schichtstrom 25, der parallel entlang der Oberfläche des Schutzfensters 23 fließt, zu einem Strom, der größer als der Strahldurchmesser R des Laserlichts ist, und wird das Anhaften von Teilchen in dem Laserlicht-Durchgangsbereich des Schutzfensters 23 unterdrückt. Außerdem kann die dritte Breite 34 der Einströmöffnung 30 kleiner als die vierte Breite 35 des Stromteilungsvorsprungs 31 ausgeführt sein. Dadurch kommt es dazu, dass beim Auftreffen des von der Einströmöffnung 30 eingebrachten Gasstroms 27 auf den Stromteilungsvorsprung 31 trifft und seinem Teilen in zwei Ströme der Großteil eines Stroms zu dem Schutzfenster 23 gerichtet wird und der Großteil des anderen Stroms zu dem zu bearbeitenden Material 15 gerichtet wird.
2C ist ein Längsschnitt eines Laserbearbeitungskopfs 12, der einen Stromteilungsvorsprung 36 eines Abwandlungsbeispiels umfasst, und 2D ist eine Vorderansicht, die den von der Einströmöffnung 30 her gesehenen Stromteilungsvorsprung 36 des Abwandlungsbeispiels zeigt. Der Stromteilungsvorsprung 36 weist in einem Längsschnitt, der die optische Achse O des Laserlichts enthält, eine Form auf, die von einer sich verjüngenden Form 37, die zu der Einströmöffnung 30 hin schmäler wird, zu einer Trapezform 38 übergeht. Dadurch wird der zu dem zu bearbeitenden Material 15 hin fließende zweite Schichtstrom 26 zu einem Strom, der sich mit der optischen Achse O des Laserlichts als Zentrum spiralförmig dreht, und wird die Entstehung eines turbulenten Stroms unterdrückt. Außerdem wird ein Teilchen P3 durch den zweiten Schichtstrom 26 zurückgestoßen, bevor es den von der Einströmöffnung 30 eingebrachten Gasstrom 27 erreicht.
Bei dem Laserbearbeitungskopf 12 bei der ersten Ausführungsform wird der Auftreffwinkel eines Teilchens P1 auf das Schutzfenster 23 flach, da das Schutzfenster 23 in Bezug auf die optische Achse O des Laserlichts geneigt angeordnet ist. Durch drei Schichten von Gasströmen, die durch den ersten Schichtstrom 25, der parallel entlang der Oberfläche des Schutzfensters 23 fließt, den von der Einströmöffnung 30 eingebrachten Gasstrom 27, und den zweiten Schichtstrom 26, der sich spiralförmig drehend zu dem zu bearbeitenden Material fließt, gebildet sind, werden Teilchen P1 bis P3 vor dem Erreichen des Schutzfensters 23 in drei Stufen zurückgestoßen. Dadurch kann eine Verschmutzung des Schutzfensters 23 mittels eines einfachen Aufbaus noch stärker unterdrückt werden.
3A ist ein Längsschnitt eines Laserbearbeitungskopfs 12 bei einer zweiten Ausführungsform. Der Laserbearbeitungskopf 12 bei der zweiten Ausführungsform umfasst ein Schutzfenster 23, das in Bezug auf die optische Achse O des Laserlichts geneigt angeordnet ist, eine Einströmöffnung 40, die stromabwärts von dem Schutzfenster 23 angeordnet ist und ein Gas einbringt, und einen Stromteilungsvorsprung 41, der die Einströmöffnung 40 in eine zu der Oberfläche des Schutzfensters 23 parallele Richtung und eine zu dem bearbeitenden Material gerichtete Richtung teilt und eine erste Einströmöffnung 42 und eine zweite Einströmöffnung 43 bildet. Der Stromteilungsvorsprung 41 weist in einem Längsschnitt, der die optische Achse O des Laserlichts enthält, eine sich verjüngende Form auf, die in einer von dem Laserlicht weg führenden Richtung schmäler wird. Da der Stromteilungsvorsprung 41 eine sich verjüngende Form aufweist, kommt es dann, wenn der von der Einströmöffnung 40 eingebrachte Gasstrom auf den Stromteilungsvorsprung 41 trifft und in zwei Ströme geteilt wird, dazu, dass ein Strom zu dem Schutzfenster 23 gerichtet wird und der andere Strom zu dem zu bearbeitenden Material 15 gerichtet wird.
Die erste Einströmöffnung 42 ist in die zu der Oberfläche des Schutzfensters 23 parallele Richtung gerichtet und lässt den ersten Schichtstrom 25 von stromabwärts des Schutzfensters 23 nach stromaufwärts fließen. Dadurch wird ein Teilchen P4 durch den ersten Schichtstrom 25 zurückgestoßen, bevor es das Schutzfenster 23 erreicht. Andererseits ist die zweite Einströmöffnung 42 in die zu dem zu bearbeitenden Material gerichtete Richtung gerichtet und lässt den zweiten Schichtstrom 26 spiralförmig mit der optischen Achse O des Laserlichts als Zentrum fließen. Dadurch wird die Entstehung eines turbulenten Stroms unterdrückt und wird ein Teilchen P5 durch den zweiten Schichtstrom 26 zurückgestoßen, bevor es den ersten Schichtstrom 25 erreicht.
3B ist ein Querschnitt des Laserbearbeitungskopfs 12, der der Schnittlinie B-B in 3A entspricht. Wie in 3A und 3B gezeigt weist die erste Einströmöffnung 42 in der Richtung der optischen Achse O des Laserlichts eine erste Breite 44 auf und in der zu der optischen Achse O des Laserlichts senkrechten Richtung eine zweite Breite 45 auf, und ist die die erste Breite 44 kleiner als die zweite Breite 45 ausgeführt. Dadurch wird ein schichtförmiger Strom (der erste Schichtstrom 25) erzeugt und die Entstehung eines turbulenten Stroms unterdrückt. Außerdem ist die zweite Breite 45 der ersten Einströmöffnung 42 größer als der Strahldurchmesser R des Laserlichts. Dadurch wird der erste Schichtstrom 25, der parallel entlang der Oberfläche des Schutzfensters 23 fließt, zu einem Strom, der größer als der Strahldurchmesser R des Laserlichts ist, und wird das Anhaften von Teilchen in dem Laserlicht-Durchgangsbereich des Schutzfensters 23 unterdrückt.
3C ist ein vergrößerter Längsschnitt der Einströmöffnung 40, der dem Bereich C in 3A entspricht. Der Stromteilungsvorsprung 41 weist eine erste Fläche 50 und eine zweite Fläche 51 an der zu der ersten Fläche 50 entgegengesetzten Seite auf. Die erste Fläche 50 des Stromteilungsvorsprungs 41 verläuft zu einer dritten Fläche 52 der ersten Einströmöffnung 42, die zu der ersten Fläche 50 des Stromteilungsvorsprungs 41 gewandt ist, parallel, und die zweite Fläche 51 des Stromteilungsvorsprungs 41 verläuft zu einer vierten Fläche 53 der zweiten Einströmöffnung 43, die zu der zweiten Fläche 51 des Stromteilungsvorsprungs 41 gewandt ist, parallel. Dadurch werden die von der ersten Einströmöffnung 42 und der zweiten Einströmöffnung 43 eingebrachten Gasströme schichtförmig.
3D ist ein vergrößerter Querschnitt der Einströmöffnung 40, der der Schnittlinie D-D in 3C entspricht. Die zweite Einströmöffnung 43 weist eine fünfte Fläche 54 und eine sechste Fläche 55 auf, die in Bezug auf einen Längsschnitt, der die optische Achse O des Laserlichts enthält, geneigt sind. Dadurch wird der zweite Schichtstrom 26 zu dem zu bearbeitenden Material gerichtet, während er sich mit der optischen Achse O des Laserlichts als Zentrum spiralförmig dreht, und wird die Entstehung eines turbulenten Stroms unterdrückt.
Bei dem Laserbearbeitungskopf 12 bei der zweiten Ausführungsform wird der Auftreffwinkel eines Teilchens P4 auf das Schutzfenster 23 flach, da das Schutzfenster 23 in Bezug auf die optische Achse O des Laserlichts geneigt angeordnet ist. Durch zwei Schichten von Gasströmen, die durch den ersten Schichtstrom 25, der parallel entlang der Oberfläche des Schutzfensters 23 fließt, und den zweiten Schichtstrom 26, der sich spiralförmig drehend zu dem zu bearbeitenden Material fließt, gebildet sind, werden Teilchen P4 und P5 vor dem Erreichen des Schutzfensters 23 zurückgestoßen. Dadurch kann eine Verschmutzung des Schutzfensters 23 mittels eines einfachen Aufbaus noch stärker unterdrückt werden.
4A ist ein Längsschnitt eines Laserbearbeitungskopfs 12 bei einer dritten Ausführungsform. Eine erste Einströmöffnung 62 bei der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Einströmöffnung 42 bei der zweiten Ausführungsform darin, dass sie so angeordnet ist, dass sie den ersten Schichtstrom 25 von stromaufwärts des Schutzfensters 23 nach stromabwärts fließen lässt. Da der erste Schichtstrom 25 von stromaufwärts des Schutzfensters 23 nach stromabwärts fließt, trifft der erste Schichtstrom 25, der stromabwärts von dem Schutzfenster 23 angekommen ist, in einem flachen Winkel auf die innere Umfangswand des Laserbearbeitungskopfs 12, und wird er leicht zu dem zu bearbeitenden Material gerichtet.
Andererseits ist eine zweite Einströmöffnung 63 so wie die zweite Einströmöffnung 43 bei der zweiten Ausführungsform in die zu dem zu bearbeitenden Material gerichtete Richtung gerichtet und lässt den zweiten Schichtstrom 26 mit der optischen Achse O des Laserlichts als Zentrum spiralförmig fließen. Außerdem ist ein Stromteilungsvorsprung 61 so wie der Stromteilungsvorsprung 41 bei der zweiten Ausführungsform in einem Längsschnitt, der die optische Achse O des Laserlichts enthält, in einer sich verjüngenden Form, die in der von dem Laserlicht weg führenden Richtung schmäler wird, gebildet.
4B ist ein Querschnitt des Laserbearbeitungskopfs 12, der der Schnittlinie E-E in 4A entspricht. Wie in 4A und 4B gezeigt weist die erste Einströmöffnung 62 in der Richtung der optischen Achse O des Laserlichts eine erste Breite 64 und in der zu der optischen Achse O des Laserlichts senkrechten Richtung eine zweite Breite 65 auf, und ist die erste Breite 64 kleiner als die zweite Breite 65 ausgeführt. Dadurch wird ein schichtförmiger Strom (der erste Schichtstrom 25) erzeugt und die Entstehung eines turbulenten Stroms unterdrückt. Außerdem ist die zweite Breite 65 der ersten Einströmöffnung 62 größer als der Strahldurchmesser R des Laserlichts. Dadurch wird der erste Schichtstrom 25, der parallel entlang der Oberfläche des Schutzfensters 23 fließt, zu einem Strom, der größer als der Strahldurchmesser R des Laserlichts ist, und wird das Anhaften von Teilchen in dem Laserlicht-Durchgangsbereich des Schutzfensters 23 unterdrückt. Es versteht sich, dass der weitere Aufbau des Laserbearbeitungskopfs 12 bei der dritten Ausführungsform dem Aufbau des Laserbearbeitungskopfs 12 bei der zweiten Ausführungsform gleich ist.
Bei dem Laserbearbeitungskopf 12 bei der dritten Ausführungsform wird der Auftreffwinkel eines Teilchens P6 auf das Schutzfenster 23 flach, da das Schutzfenster 23 in Bezug auf die optische Achse O des Laserlichts geneigt angeordnet ist. Da der erste Schichtstrom 25 von stromaufwärts des Schutzfensters 23 nach stromabwärts fließt, trifft der erste Schichtstrom 25, der stromabwärts von dem Schutzfenster 23 angekommen ist, in einem flachen Winkel auf die innere Umfangswand des Laserbearbeitungskopfs 12, und wird er leicht zu dem zu bearbeitenden Material gerichtet.
5 ist eine Ansicht, die das Verfahren zur Berechnung des bei 2B, 3B und 4B erklärten Strahldurchmessers R zeigt. Bei diesem Beispiel umfasst eine Laserbearbeitungsvorrichtung eine optische Faser 70 mit einem Durchmesser von 100 µm und einer numerischen Apertur NA von 0,08, eine Kollimationslinse 21 mit einer Brennweite F von 100 mm, eine Sammellinse 22 mit einer Brennweite F von 100 mm, ein Schutzfenster 23, das stromabwärts von der Sammellinse 22 angeordnet ist und in Bezug auf die optische Achse O von Laserlicht B geneigt angeordnet ist, und eine Einströmöffnung 71, die stromabwärts von dem Schutzfenster 23 an einer Position angeordnet ist, die von der Sammellinse 22 um einen Abstand L beabstandet ist.
Wenn dabei der Strahlausbreitungswinkel als θ angesetzt wird, wird der Strahlausbreitungswinkel θ arcsin(0,08) ≒ 4,589 °, da NA(0,08) = sinθ ist. Wenn der Strahlradius zwischen der Kollimationslinse 21 und der Sammellinse 22 als D angesetzt wird, wird dieser Strahlradius D ungefähr 8,03 mm, da D/100 mm = tan(4,589 °) ist. Wenn der Strahlradius an der Position, an der die Einströmöffnung 71 angeordnet ist, als Ds angesetzt wird, wird dieser Strahlradius Ds etwa 0,0802 x (100 mm - L), da Ds/(100 mm - L) = tan(4,589) ist. Folglich wird der in 2B, 3B und 4B erklärte Strahldurchmesser R das Doppelte von Ds, 0,1604, x (100 mm - L). Deswegen wird die Breite der Einströmöffnung 71 in der zu der optischen Achse O des Laserlichts B senkrechten Richtung vorzugsweise so ausgeführt, dass sie größer als dieser Strahldurchmesser R wird.
In der vorliegenden Beschreibung wurden verschiedene Ausführungsformen erklärt, doch versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern innerhalb des Umfangs, der in den folgenden Patentansprüchen angegeben ist, verschiedene Änderungen vorgenommen werden können.

Claims

Laserbearbeitungskopf (12), bei dem eine Verschmutzung eines Schutzfensters (23) unterdrückt wird, wobei der Laserbearbeitungskopf das Schutzfenster (23), das in Bezug auf eine optische Achse von Laserlicht geneigt angeordnet ist; eine Einströmöffnung (30; 40), die stromabwärts von dem Schutzfenster (23) angeordnet ist und ein Gas einbringt; und einen Stromteilungsvorsprung (31; 41), der das Gas in einen ersten Schichtstrom (25), der parallel entlang der Oberfläche des Schutzfensters (23) fließt, und einen zweiten Schichtstrom (26), der zu einem zu bearbeitenden Material (15) hin fließt, teilt, umfasst.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei der Stromteilungsvorsprung (31) an einer Position angeordnet ist, die der Einströmöffnung über die optische Achse (O) des Laserlichts hinweg gegenüberliegt.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 2, wobei der Stromteilungsvorsprung (31) in einem Schnitt, der die optische Achse (O) des Laserlichts enthält, eine sich verjüngende Form, die zu der Einströmöffnung (30) hin schmäler wird, aufweist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 2, wobei der Stromteilungsvorsprung (31) in einem Schnitt, der die optische Achse (O) des Laserlichts enthält, eine Form aufweist, die von einer sich verjüngenden Form, die zu der Einströmöffnung (30) hin schmäler wird, zu einer Trapezform übergeht.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Einströmöffnung (30) in der Richtung der optischen Achse (O) des Laserlichts eine erste Breite (32) aufweist und der Stromteilungsvorsprung (31) in der Richtung der optischen Achse (O) des Laserlichts eine zweite Breite (33) aufweist, wobei die erste Breite (32) kleiner als die zweite Breite (33) ist.
Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Einströmöffnung in der zu der optischen Achse (O) des Laserlichts senkrechten Richtung eine dritte Breite (34) aufweist und der Stromteilungsvorsprung (31) in der zu der optischen Achse (O) des Laserlichts senkrechten Richtung eine vierte Breite (35) aufweist, wobei die dritte Breite (34) und die vierte Breite (35) jeweils größer als der Strahldurchmesser des Laserlichts sind.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei der Stromteilungsvorsprung (41) die Einströmöffnung (40) in eine zu der Oberfläche des Schutzfensters (23) parallele Richtung und eine zu dem bearbeitenden Material (15) gerichtete Richtung teilt und eine erste Einströmöffnung (42) und eine zweite Einströmöffnung (43) bildet.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 7, wobei die erste Einströmöffnung (42) in eine zu der Oberfläche des Schutzfensters (23) parallele Richtung gerichtet ist und den ersten Schichtstrom (25) von stromabwärts des Schutzfensters (23) nach stromaufwärts fließen lässt.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 7, wobei die erste Einströmöffnung (62) in eine zu der Oberfläche des Schutzfensters (23) parallele Richtung gerichtet ist und den ersten Schichtstrom (25) von stromaufwärts des Schutzfensters (23) nach stromabwärts fließen lässt.
Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die zweite Einströmöffnung (63) in die zu dem zu bearbeitenden Material (15) gerichtete Richtung gerichtet ist und den zweiten Schichtstrom (26) mit der optischen Achse (O) des Laserlichts als Zentrum spiralförmig fließen lässt.
Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Stromteilungsvorsprung (41) eine erste Fläche (50) und eine zweite Fläche (51) an der zu der ersten Fläche (50) entgegengesetzten Seite aufweist, wobei die erste Fläche (50) des Stromteilungsvorsprungs (41) zu einer dritten Fläche (52) der ersten Einströmöffnung (42), die zu der ersten Fläche des Stromteilungsvorsprungs gewandt ist, parallel verläuft, und die zweite Fläche (51) des Stromteilungsvorsprungs (41) zu einer vierten Fläche (53) der zweiten Einströmöffnung (42), die zu der zweiten Fläche des Stromteilungsvorsprungs gewandt ist, parallel verläuft.
Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die zweite Einströmöffnung (43) eine fünfte Fläche (54) und eine sechste Fläche (55) aufweist, die in Bezug auf einen Schnitt, der die optische Achse (O) des Laserlichts enthält, geneigt sind.
Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei der Stromteilungsvorsprung (41) in einem Schnitt, der die optische Achse (O) des Laserlichts enthält, eine sich verjüngende Form, die in einer von dem Laserlicht weg führenden Richtung schmäler wird, aufweist.
Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei die erste Einströmöffnung (42) in einer Richtung der optischen Achse (O) des Laserlichts eine erste Breite (44) und in einer zu der optischen Achse (O) des Laserlichts senkrechten Richtung eine zweite Breite (45) aufweist, wobei die erste Breite (44) kleiner als die zweite Breite (45) ist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 14, wobei die zweite Breite (45) der ersten Einströmöffnung (42) größer als der Strahldurchmesser des Laserlichts ist.